CN110430991A - 用于增材制造的分层材料施加方法和设备 - Google Patents

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Abstract

在一方面，本公开涉及一种用于逐层制造物体的设备。该设备包括用于堆叠粘合粉末片的片分配器。该设备还包括定向能量源，该定向能量源配置成选择性地熔融至少一部分粘合粉末以形成一个或多个熔融区域。

Description

用于增材制造的分层材料施加方法和设备
技术领域
本公开大体涉及使用激光粉末床工艺的增材制造。更具体地，本公开涉及向粉末床提供粉末层。
背景技术
与减材制造方法相比，AM过程通常涉及堆积一种或多种材料以形成净形或近净形(NNS)物体。虽然“增材制造”是工业标准术语(ASTM F2792)，但AM涵盖了以多种名称公知的多种制造和成型技术，包括自由成型制造，3D打印，快速成型/加工等。AM技术能够由范围广泛的材料制造复杂部件。一般来说，独立物体能够由计算机辅助设计(CAD)模型制造。特定种类的AM过程使用能量束，例如，电子束或电磁辐射(例如激光束)，来烧结或熔化粉末材料，从而形成固体三维物体，其中粉末材料颗粒粘合在一起。可以使用不同的材料系统，例如工程塑料，热塑性弹性体，金属和陶瓷。激光烧结或熔化是用于快速制造功能原型和工具的一种重要的AM过程。该应用包括直接制造复杂工件，熔模铸造的模型，注塑和压铸的金属模具，以及用于砂型铸造的模具和型芯。在设计周期中制作原型物体以增强通信和概念测试是AM过程的其他常见用法。
选择性激光烧结，直接激光烧结，选择性激光熔化和直接激光熔化是常用的工业术语，用于指通过使用激光束烧结或熔化细粉末来产生三维(3D)物体。例如，美国专利号4,863,538和美国专利号5,460,758描述了传统的激光烧结技术。更准确地说，烧结需要在低于粉末材料熔点的温度下熔化(凝聚)粉末颗粒，而熔化需要使粉末颗粒完全熔化以形成固体均匀物质。与激光烧结或激光熔化相关的物理过程包括向粉末材料进行热传递，然后烧结或熔化粉末材料。虽然激光烧结和熔化过程可应用于广泛的粉末材料，但生产途径的科学和技术方面，例如烧结或熔化速率以及加工参数对层制造过程中微观结构演变的影响还没有被很好地理解。这种制造方法伴随着多种模式的热，质量和动量转移，以及使该过程非常复杂的化学反应。
图1示出用于直接金属激光烧结(DMLS)或直接金属激光熔化(DMLM)的示例性常规系统100的示意性横截面视图。设备100通过使用由诸如激光器120的源产生的能量束136烧结或熔化粉末材料(未示出)以逐层方式构建物体，例如零件122。待由能量束熔化的粉末由储存器126供应，并使用沿方向134行进的重涂覆机臂116均匀地铺展在构建板114上来将粉末保持在水平118处，并将延伸到粉末水平118之上的多余粉末材料去除至废物容器128。能量束136在振镜扫描器132的控制下烧结或熔化正在构建的物体的横截面层。降低构建板114，并将另一层粉末铺展在构建板和构建物体上，然后通过激光器120连续熔化/烧结粉末。重复该过程，直到零件122完全由熔化/烧结的粉末材料构成为止。激光器120可以由包括处理器和存储器的计算机系统控制。计算机系统可以确定每层的扫描模式，并且控制激光器120根据扫描模式辐射粉末材料。在完成零件122的制造之后，可以将多种后处理程序施加于零件122。后处理程序包括通过例如吹气或抽真空除去过量粉末。其他后处理程序包括应力消除热处理过程。另外，可以使用热处理和化学后处理程序来完成零件122。
设备100由执行控制程序的计算机控制。例如，设备100包括执行固件的处理器(例如，微处理器)，操作系统，或提供设备100和操作员之间的接口的其他软件。计算机接收要形成的物体的三维模型作为输入。例如，使用计算机辅助设计(CAD)程序生成三维模型。计算机分析该模型并为该模型中的每个物体提出工具路径。操作员可以定义或调整扫描模式的各种参数，例如功率，速度和间距，但通常不直接编程工具路径。
已知的重涂覆机机构存在各种缺点。例如，当重涂覆机铺展粉末时，重涂覆机或铺展的粉末可能对先前构建的结构施加侧向力，这可能导致该结构的弯曲或破坏。作为另一个例子，粉末可能铺展不均匀，或者在粉末密度较高或较低的地方有凹槽。此外，粉末施加可能在构建过程中消耗大量时间。
另外，松散的粉末存在缺点。通常，松散的粉末材料可能相对难以储存和运输。吸入粉末也可能存在健康风险。可能需要隔离粉末环境和空气过滤的附加设备来降低这些健康风险。此外，在某些情况下，松散的粉末可能变得易燃。
鉴于上述情况，在粉末床工艺中添加粉末的设备和方法是需要改进的。
发明内容
一方面，本发明涉及一种用于逐层制造物体的设备。该设备包括用于堆叠粘合粉末片的片分配器。该设备还包括定向能量源，该定向能量源配置成选择性地熔融粘合粉末的至少一部分以形成一个或多个熔融区域。
另一方面，本发明涉及一种逐层制造物体的方法。该方法包括(a)用能量束辐照给定粘合粉末片的至少一部分以形成至少一个熔融区域。该方法包括(b)在给定片上分配后续粘合粉末片。该方法包括(c)重复步骤(a)和(b)直到形成物体。
附图说明
图1是示出用于增材制造的示例性传统装置的示意图。
图2示出根据本公开的一个方面的用于逐层添加粉末的示例性系统的示意性横截面视图。
图3示出根据本公开的一个方面的用于逐层添加粉末的另一示例性系统的示意性横截面视图。
具体实施方式
以下结合附图阐述的详细描述旨在作为对各种配置的描述，而不旨表示可实践本文所描述的概念的仅有配置。详细描述包括旨在提供对各种概念的透彻理解的具体细节。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践这些概念。
本发明改进了上述增材制造(AM)过程中的技术。一般来说，独立物体可以由计算机辅助设计(CAD)模型制造。特定种类的AM过程使用定向能量束，例如，电子束或电磁辐射(例如激光束)，来烧结或熔化粉末材料，从而形成固体三维物体，其中粉末材料颗粒熔融在一起。可以使用不同的材料系统，例如工程塑料，热塑性弹性体，金属和陶瓷。激光烧结或熔化是用于快速制造功能原型和工具的一种重要的AM过程。该应用包括直接制造复杂工件，熔模铸造的模型，注塑和压铸的金属模具，以及用于砂型铸造的模具和型芯。在设计周期中制作原型物体以增强通信和概念测试是AM过程的其他常见用法。
在一方面，本发明提供了粉末层作为粘合片的应用。粘合片可包括由聚合物或非聚合物粘合剂粘合的粉末颗粒。在另一方面，粘合片可包括预烧结粉末。类似于常规技术的松散粉末，使用定向能束将一部分粘合片中的粉末与其他粉末颗粒以及前一层熔融。例如，粘合的粉末颗粒可以熔化或烧结以形成熔融区域。随后的片堆叠在最近熔融的层的顶部上。因为随后的片作为粘合片提供，所以克服了施加松散粉末的几个缺点。例如，粘合片可具有均匀的厚度和密度，从而导致添加层的均匀性。作为另一个例子，施加粘合片可能比施加松散粉末更快。在另一个例子中，可以在片内提供具有预定图案的粉末材料的粘合片。因此，使用粘合片可以使物体在同一层内使用不同的材料。而且，粘合粉末片比松散的粉末更容易运输。此外，粘合粉末片可以降低松散粉末吸入或燃烧的风险。
图2示出用于逐层添加粉末的示例性系统200的示意性横截面视图。系统200可以包括与系统100类似的若干组件，例如定向能量源120，振镜扫描器132和射束136。定向能量源120可以是例如激光束或电子束。系统200还包括构建平台214。粘合粉末片212堆叠在构建平台214上以形成堆叠物218。一方面，构建平台214可以由储物箱(bin)216围绕，该储物箱216限定物体的构建区域。粘合粉末片212的尺寸可以设定成配合在储物箱216内。另一方面，片212可以被堆叠，而不需要限定的储物箱。构建包络可以在堆叠物218内熔融以限定物体的构建区域并防止层之间的移动。例如，构建包络可以如美国专利申请号15/406,467中所描述的那样构建，该美国专利申请标题为“使用移动式构建容积的增材制造(AdditiveManufacturing Using a Mobile Build Volume)”，代理人案卷号为037216.00059，并于2017年1月13日提交，其通过引用包含于此。构建平台214可以由计算机(未示出)控制以升高或降低堆叠物218。例如，可以降低构建平台214以将最近的粘合粉末片212带到指定高度，以便通过能量束136进行熔融。然而，与系统100不同，该系统没有重涂覆机将粉末平铺到一定水平。相反，因为粉末作为具有均匀厚度的粘合片施加，所以该堆片具有均匀的高度。
系统200包括片分配器220。片分配器220被配置在构建平台214的顶部上堆叠粘合粉末片。例如，如图2所示，片分配器220包括机械臂222。机械臂222可以将粘合粉末片212从储存器230移动到堆叠物218。机械臂222可包括用于保持和释放粘合粉末片212的机构224。例如，机构224可包括磁体，抽吸装置或接触片212的边缘的相对表面。因此，机械臂222可从储存器230拾取片212并将片212放置在堆叠物218上。储存器230可包括平台232，平台232可由计算机(未示出)控制以定位片212，供机械臂222拾取。
图3示出用于逐层添加粉末的另一示例性系统300的示意性横截面视图。系统300可以类似于图2所示的系统200，除了系统300包括不同的片分配器320之外。片分配器320可以从连续卷322分配粘合粉末片。连续卷322可以可旋转地安装在线轴324上。切割器326可以切割连续卷322，使得片312具有与储物箱216匹配的至少一个尺寸。切割器326可以是例如刀片，激光切割器，或用于切割片的其他已知工具。片分配器320还进一步包括传送器328，以将切割的片从连续卷322移动到堆叠物218的顶部。
粘合粉末片可以由基于粉末的增材制造中使用的任何粉末材料形成。例如，粉末可包括金属，陶瓷或聚合物粉末。粉末颗粒可以由聚合物或非聚合物粘合剂粘合。在另一方面，粉末颗粒可以预烧结以形成粘合片。通过用能量束134选择性地熔化片的各部分，可以进一步熔化预烧结的粉末颗粒。
在一个实例中，粘合金属粉末片包括金属粉末和粘合剂。金属粉末可以是任何金属或金属合金，例如密度为23g/cm3至2g/cm3的金属或金属合金，包括但不限于，例如铜，镍，铜镍合金，钴，黄铜，青铜，镉，镍铬钴合金，镍铬合金，铜锌合金，铁镍合金，铁，铝，钛，铁基合金，镍基合金，钴基或铝基合金。金属合金粉末可以是金属超合金粉末，例如镍-铬超合金(例如，Inconel合金粉末，例如Inconel 625或Inconel 718)。金属粉末可以超过粘合金属粉末片总体积的50％，60％，65％，70％，75％或80％。
粘合片包括粘合剂材料，例如提供低粘度系统的单体和/或低聚物。例如，浆料可包括丙烯酸基单体(例如，1,6-己二醇二丙烯酸酯)，三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA)，二乙二醇二丙烯酸酯，丙烯酸异冰片酯(IBOA)，三乙二醇二甲基丙烯酸酯(TEGDM)，三羟甲基丙烷丙氧基化物三丙烯酸酯(TMPPTA)，二甲基丙烯酸二甲酯(DUDMA)，丙烯酰吗啉(ACMO)，(3)乙氧化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(Sartomer SR454)。可以使液体单体和/或低聚物聚合和/或交联以形成牢固的强凝胶基质或“生坯体”。凝胶基质将金属粉末固定成片状。得到的“生坯”产品具有足够的强度和韧性(即，不易碎，抗撕裂，开裂等)以便拾取。在另一实例中，可以使用类似的粘合剂形成粘合陶瓷粉末片。
在一方面，粘合粉末片可包括分布在整个片中的多种可熔材料。例如，粉末片可包括金属粉末的混合物，其在熔化时形成合金。在另一方面，可以策略性地将多种材料放置在片内。例如，粘合粉末片可具有由第一可熔材料形成的第一区域和由第二可熔材料形成的第二区域。不同的可熔材料可以通过粘合剂保持在它们各自的区域中，使得当放置在储物箱216内时上述区域不会移动。因此，使用粘合粉末片可以允许形成具有不同材料的组件的物体。例如，第一组件可以是由粘合的金属粉末(例如，钴铬合金)区域形成的金属组件，第二组件可以是由粘合的陶瓷粉末区域形成的陶瓷组件或由不同的粘合金属粉末形成的金属组件(例如，Inconel 718)。粘合粉末片可具有填充率(packing fraction)，该填充率可选择为单一粒度分布或多种粒度分布。通常，粘合粉末片的密度小于实心片的密度。也就是说，熔融材料的密度大于粘合粉末片的密度。控制沉积的粉末密度可提高工艺稳定性并导致更好的表面粗糙度。这或者可以消除为了达到期望的表面粗糙度水平的后处理，或者为可能被加热并且表现出焦化的零件打开新的操作空间，因为表面粗糙度是焦化的驱动因素之一。
一个方面，粘合粉末片各自形成为储物箱216的形状。例如，储存器230可包括多个片，每个片具有与储物箱216相同的尺寸。因此，片可以被均匀地堆叠。物体202的形状可以通过选择由定向能量源120熔融的区域来形成。另一方面，粘合粉末片可以在待形成的层的横截面中成形。例如，片的周边可以对应于待形成的层的周边。机械臂222可以将成形的粉末片定位在正确的位置。因此，可以减少粉末的量并且可以减少用于去除未熔融粉末的后处理。
一方面，片分配器220或320可以在给定的粘合粉末片上堆叠随后的粘合粉末片。给定的粘合粉末片可以是任何先前放置的粘合粉末片。例如，给定的粘合粉末片可以是第一粘合粉末片，或者是已经堆叠的后续粘合粉末片。在一些方面，片分配器220或320可以与常规粉末分配机构(例如重涂覆机臂116)一起使用。例如，除了片分配器220或320之外，还可以使用重涂覆机臂116，以在粘合粉末片上施加一层松散粉末。在一部分粘合粉末片熔融之后，重涂覆机臂116施加松散粉末。松散粉末确保粘合粉末片保持一定水平。因此，堆叠物218可包括交替的粘合粉末片层和松散粉末层。
在所公开的实施例中，物体202/302的形状通过使用定向能量源选择性地熔融粘合粉末的各区域来限定。选择性熔融，烧结或熔化，使熔融区域中的粘合剂脱粘。本领域技术人员将理解，脱粘和烧结温度取决于所用的材料(例如金属，粘合剂)。在一方面，脱粘发生在100-600℃，300-600℃，或400-500℃的温度范围内。在另一方面，通过烧结的熔融发生在1000-1300℃的温度下。因此，熔融部分粘合粉末片可以同时使粘合剂脱粘。
在一方面，使用后处理操作去除未熔融的粘合粉末区域。例如，粘合剂可以从未熔融区域溶解或浸出，从而使粉末被除去。然后可以使用进一步的后处理操作来获得物体的期望属性。例如，可以将物体加热到高温以获得所需的冶金或陶瓷性能。后处理可以使用合适的技术进行，诸如挤出，热等静压处理(HIP)，热处理等。
本书面描述使用实例来公开本发明，包括优选实施例，并且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何并入的方法。本发明的可专利范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例具有与权利要求的字面语言相同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差别的等效结构元件，则这些其他示例意图落入权利要求的范围内。来自所描述的各种实施例的各方面，以及每个此类方面的其他已知等同物，可以由本领域普通技术人员混合和匹配，以根据本申请的原理构造出的额外的实施例和技术。

Claims (28)

1.一种用于逐层制造物体的设备，其特征在于，包括：
片分配器，所述片分配器用于堆叠粘合粉末片；和
定向能量源，所述定向能量源被配置为选择性地熔融所述粘合粉末的至少一部分，以形成一个或多个熔融区域。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，其中所述粘合粉末片包括以下中的至少一种：金属粉末、陶瓷粉末或聚合物粉末。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，进一步包括储存器，所述储存器向所述片分配器供应所述粘合粉末片。
4.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，其中所述储存器包括粘合粉末的连续卷，并且所述片分配器从所述连续卷切割所述粘合粉末片。
5.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，其中所述储存器包括多个堆叠的粘合粉末片。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，其中所述片分配器包括机械臂。
7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，其中所述粘合粉末片包括分布在每个片上的可熔材料的混合物。
8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，其中至少一个所述粘合粉末片包括至少一个第一区域和至少一个第二区域，所述第一区域包括第一可熔材料，所述第二区域包括第二可熔材料，所述第二可熔材料不同于所述第一可熔材料。
9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，其中所述第一区域和所述第二区域分别对应于所述物体的由所述第一可熔材料和所述第二可熔材料形成的不同部分。
10.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，其中所述粘合粉末片的密度低于所述熔融区域。
11.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，其中所述粘合粉末由聚合物粘合剂粘合。
12.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，其中所述粘合粉末由非聚合物粘合剂粘合。
13.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，其中所述粘合粉末在堆叠之前通过烧结而粘合。
14.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，其中所述定向能量源通过选择性地熔化所述粘合粉末来熔融所述粘合粉末。
15.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，其中至少一片所述粘合粉末片的至少一个尺寸对应于粉末床的内部尺寸。
16.一种制造物体的方法，其特征在于，包括：
(a)用能量束照射给定粘合粉末片的至少一部分，以形成至少一个熔融区域；
(b)在所述给定片上分发后续粘合粉末片；和
(c)重复步骤(a)和(b)，直到形成所述物体。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，其中所述照射包括熔化所述粘合粉末。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，其中所述给定粘合粉末片包括以下中的至少一种：金属粉末、陶瓷粉末或聚合物粉末。
19.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，进一步包括切割粘合粉末的连续卷，以形成所述后续片。
20.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，其中所述堆叠包括从储存器移除所述后续片并将所述后续片放置在所述给定片上。
21.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，其中所述后续粘合粉末片包括分布在每个片上的可熔材料的混合物。
22.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，其中所述后续粘合粉末片包括至少一个第一区域和至少一个第二区域，所述第一区域包括第一可熔材料，所述第二区域包括第二可熔材料，所述第二可熔材料不同于所述第一可熔材料。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，其中所述第一区域和所述第二区域分别对应于所述物体的由所述第一可熔材料和所述第二可熔材料形成的不同部分。
24.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，其中所述粘合粉末片的密度低于所述熔融区域。
25.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，其中所述粘合粉末由聚合物粘合剂粘合。
26.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，其中所述粘合粉末由非聚合物粘合剂粘合。
27.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，其中所述粘合粉末在所述堆叠之前通过烧结而粘合。
28.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，其中所述照射包括烧结所述粘合粉末。
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