CN110814341A - 具有动态辊旋转速度调节的粉末床熔合增材制造系统和方法 - Google Patents

具有动态辊旋转速度调节的粉末床熔合增材制造系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及具有动态辊旋转速度调节的粉末床熔合增材制造系统和方法。具体地，一种粉末床熔合增材制造系统包括在其上承载基底的构建平台、配置为生成射向基底的能量束的能量发生器、具有配置为使辊旋转的致动器系统的辊和可操作地连向辊和连向能量发生器的控制器。所述控制器配置为通过使辊以第一旋转速度旋转以将粉末粒子以第一孔隙率铺展、运行能量发生器以选择性熔融粉末粒子以形成构建对象的第一层、使辊以第二旋转速度旋转以将粉末粒子以第二孔隙率铺展和运行能量发生器以选择性熔融以第二孔隙率铺展的粉末粒子以形成第二层来制造构建对象。第一和第二旋转速度彼此不同。

Description

具有动态辊旋转速度调节的粉末床熔合增材制造系统和方法
技术领域
本公开大体上涉及增材制造系统，更特别涉及粉末床熔合增材制造系统。
背景技术
粉末床熔合法，如选择性激光熔融（SLM）和电子束熔融（EBM）是可以逐层方式制造具有全密度和复杂结构的工程组件的新兴制造技术。典型的粉末床熔合法以处理器将计算机辅助设计（CAD）模型剖切为各自具有给定厚度的多个薄层开始。剖切的数字数据随后用于制造。
为了制造构建对象，运行该系统以在基底上制造薄粉末层，基底通常是构建对象的之前固化的层。高能束，例如激光束或电子束然后基于由剖切数字数据确定的分层部件轮廓信息选择性照射新沉积的粉末床的顶面，以将粉末和粉末下方的层的一部分局部熔融成熔体池。当熔体池冷却时，其固化以将新添加的层熔合到基底上。该过程重复直至完成整个构建部件。
在SLM或EBM方法的过程中，在给定方法参数下运行辊或刮刀以铺展金属粉末粒子形成粉末床。在常规系统中，粉末床方法参数在整个构建过程中通常保持不变以在构建全程产生恒定的熔体池尺寸。但是，由于激光束斑大小与粉末床熔合法中的粉末粒度相当，激光扫描域中的局部粉末床密度对能量转移和成品构建产品的所得性质起到关键作用。
因此需要能够控制粉末床性质以改进对构建产品的性质的控制的增材制造系统。
发明内容
在一个实施方案中，一种粉末床熔合增材制造系统包括在其上承载基底的构建平台、配置为生成射向基底的能量束的能量发生器、具有配置为使辊旋转的致动器系统的辊和可操作地连向辊和连向能量发生器的控制器。所述控制器配置为如下制造构建对象：基于构建对象的所需性质运行致动器系统以使辊以第一旋转速度旋转以将粉末粒子以第一孔隙率铺展在基底上；运行能量发生器以选择性熔融粉末粒子和与选择性熔融的粉末粒子相邻的基底的一部分以在基底上形成构建对象的第一层；基于构建对象的所需性质运行致动器系统以使辊以第二旋转速度旋转以将粉末粒子以第二孔隙率铺展在基底和第一层的至少之一上，其中第二旋转速度不同于第一旋转速度；和运行能量发生器以选择性熔融以第二孔隙率铺展的粉末粒子以在基底和第一层的至少之一上形成构建对象的第二层。
在一些实施方案中，第一旋转速度在0至15 rad/s之间且第二旋转速度在0至15rad/s之间。
在粉末床熔合增材制造系统的另一个实施方案中，所述控制器配置为运行致动器系统以在逐层基础上在0至15 rad/s之间动态调节辊的旋转速度。
在另一个实施方案中，所述控制器配置为使能量发生器的方法参数在构建对象制造的全程保持恒定。
在再一个实施方案中，所述致动器系统进一步配置为平移移动辊。所述控制器配置为在运行致动器系统以使辊以第一旋转速度旋转的同时运行致动器系统以使辊以恒定平移速度移动，和在运行致动器系统以使辊以第二旋转速度旋转的同时运行致动器系统以使辊以所述恒定平移速度移动。
在粉末床熔合增材制造系统的另一个实施方案中，基于构建对象的所需性质运行致动器系统以使辊以第一旋转速度旋转包括进行第一熔体池尺寸调节，其包括(i) 使用离散元法（“DEM”）模型模拟确定由以第一多个旋转速度旋转辊产生的第一粉末床和(ii) 使用热计算流体动力学（“CFD”）模型模拟确定第一粉末床的层性质。基于构建对象的所需性质运行致动器系统以使辊以第二旋转速度旋转包括进行第二熔体池尺寸调节，其包括(i)使用DEM模型模拟确定由以第二多个旋转速度旋转辊产生的第二粉末床和(ii) 使用热CFD模型模拟确定第二粉末床的层性质。
在一些实施方案中，第一熔体池尺寸调节进一步包括基于使用热CFD模型确定的第一粉末床的层性质的第一比较选择第一旋转速度，且第二熔体池尺寸调节进一步包括基于使用热CFD模型确定的第二粉末床的层性质的第二比较选择第二旋转速度。
在再一个实施方案中，基于构建对象的所需性质运行致动器系统以使辊以第一旋转速度旋转包括基于存储在与控制器关联的存储器中的信息确定第一旋转速度，所述信息包括在各种模拟旋转速度下的DEM模型和热CFD模型的结果。基于构建对象的所需性质运行致动器系统以使辊以第二旋转速度旋转包括基于存储在所述存储器中的信息确定第二旋转速度。
在另一个实施方案中，一种用粉末床熔合增材制造系统制造构建对象的方法包括基于构建对象的所需性质运行可操作地连向辊的致动器系统以使辊以第一旋转速度旋转以将粉末粒子以第一孔隙率铺展在由构建平台承载的基底上，和运行能量发生器以生成射向粉末粒子的能量束以选择性熔融粉末粒子和与选择性熔融的粉末粒子相邻的基底的一部分以在基底上形成构建对象的第一层。该方法进一步包括基于构建对象的所需性质运行致动器系统以使辊以第二旋转速度旋转以将粉末粒子以第二孔隙率铺展在基底和第一层的至少之一上，其中第二旋转速度不同于第一旋转速度，和运行能量发生器以选择性熔融以第二孔隙率铺展的粉末粒子以在基底和第一层的至少之一上形成构建对象的第二层。
在该方法的一个实施方案中，第一旋转速度在0至15 rad/s之间且第二旋转速度在0至15 rad/s之间。
在另一个实施方案中，该方法进一步包括运行致动器系统以在逐层基础上在0至15 rad/s之间动态调节辊的旋转速度。
在再一个实施方案中，该方法进一步包括使能量发生器的方法参数在构建对象制造的全程保持恒定。
该方法的一些实施方案进一步包括在运行致动器系统以使辊以第一旋转速度旋转的同时运行致动器系统以使辊以恒定平移速度移动，和在运行致动器系统以使辊以第二旋转速度旋转的同时运行致动器系统以使辊以所述恒定平移速度移动。
在该方法的另一个实施方案中，基于构建对象的所需性质运行致动器系统以使辊以第一旋转速度旋转包括进行第一熔体池尺寸调节，其包括(i) 使用离散元法（“DEM”）模型模拟确定由以第一多个旋转速度旋转辊产生的第一粉末床和(ii) 使用热计算流体动力学（“CFD”）模型模拟确定第一粉末床的层性质。基于构建对象的所需性质运行致动器系统以使辊以第二旋转速度旋转包括进行第二熔体池尺寸调节，其包括(i) 使用离散元法（“DEM”）模型模拟确定由以第二多个旋转速度旋转辊产生的第二粉末床和(ii) 使用热计算流体动力学（“CFD”）模型模拟确定第二粉末床的层性质。
在另一个实施方案中，第一熔体池尺寸调节进一步包括基于使用热CFD模型确定的第一粉末床的层性质的第一比较选择第一旋转速度，且第二熔体池尺寸调节进一步包括基于使用热CFD模型确定的第二粉末床的层性质的第二比较选择第二旋转速度。
在一个实施方案中，基于构建对象的所需性质运行致动器系统以使辊以第一旋转速度旋转包括基于存储在与控制器关联的存储器中的信息确定第一旋转速度，所述信息包括在各种模拟旋转速度下的离散元法（“DEM”）模型和热计算流体动力学（“CFD”）模型的结果。基于构建对象的所需性质运行致动器系统以使辊以第二旋转速度旋转包括基于存储在所述存储器中的信息确定第二旋转速度。
附图说明
图1是具有以动态控制的旋转速度运行以生成粉末床的辊的粉末床熔合增材制造系统的示意图。
图2是进行粉末床熔合增材制造系统（如图1的系统）的熔体池调节的方法的方法图。
图3是运行粉末床熔合增材制造系统（如图1的粉末床熔合增材制造系统）以制造构建对象的方法的方法图。
图4A是图3的方法中的离散元模型（DEM）中所用的粉末粒子分布的图示，其中不同的色调代表不同的粒度。
图4B是在模拟重力下下落的图4A的粉末粒子分布的图示。
图4C是来自阐释作用在粒子上的力的DEM模型的两种粉末粒子的示意性视图。
图5A是分配图4B的模拟粉末粒子的模拟辊的示意性侧视图。
图5B是分配图4B的模拟粉末粒子的模拟辊的透视图。
图5C是来自图4C的分配模型的模拟粉末床的图示。
图6是来自图3的方法中所用的热CFD模型的粉末床熔体模拟的图示。
图7是显示使用图3的DEM模型对照不同的逆时针辊旋转速度的粉末床孔隙率结果的图表。
图8是显示对于使用不旋转的辊建立的第一模拟粉末床和对于使用以9.42 rad/s的旋转速度旋转的辊建立的第二模拟粉末床，使用热CFD模型确定的在扫描轨迹的不同位置（X、Y、Z位置显示在图9中）的熔体池的三个宽度-深度横截面的比较的图。
图9是热CFD模型中所用的域的透视图。
图10A是在模拟移动的激光束后图9的域的透视图。
图10B是在模拟移动的激光束后图9的域的纵向剖视图。
图10C是显示在模拟移动的激光束后图9的域的五个横截面的透视图。
图11图解在CFD模型模拟过程中的不同时间获取的一系列熔体池宽度-深度横截面。
具体实施方式
为了有利于理解本文中描述的实施方案的原理，现在参考附图和下列书面说明书中的描述。该参考无意限制本主题的范围。本公开还包括对例举的实施方案的任何变动和修改并包括本文所属领域的技术人员通常想到的所述实施方案的原理的进一步应用。
各种运行又可作为多个分立的操作或运行描述，以最有助于理解所要求保护的主题。但是，描述的顺序不应被解释为暗示这些运行必须依赖于顺序。特别地，这些运行可能不以呈现的顺序进行。所述运行可能以与所述实施方案不同的顺序进行。可以进行各种附加运行和/或可在附加实施方案中省略所描述的运行。
关于本公开的实施方案所用的术语“包括”、“包含”、“具有”等是同义的。本文所用的术语“大约”是指在参考值的±20%内的值。
图1示意性图解根据本公开的粉末床熔合增材制造系统100。增材制造系统100包括粉末储器104、构建平台108、铺展辊系统112、熔融装置116和控制器120。
粉末储器104界定体积128，将一定量的粉末粒子132存储在其中。粉末储器104可成型为例如矩形或圆柱形容器，尽管在不同实施方案中可以使用其它形状。在图示实施方案中，粉末储器104被描绘为与构建平台108横向相邻。在这样的实施方案中，粉末储器104可由致动器136承载，其配置为升高粉末储器104以在从粉末储器104中消耗粒子132时使粉末粒子132保持供应。在另一些实施方案中，粉末储器104可垂直位于构建平台108上方并配置为从上方将粉末粒子132分配到构建平台108上。
构建平台108包括平台表面140并可操作地连向构建平台致动器144。平台表面140在建造该构建对象150的同时承载构建对象150。平台致动器144配置为升高和降低构建平台108和构建对象150以使平台表面140位于建造层所需的垂直位置。在一个实施方案中，平台致动器144配置为在完成每一层时逐渐降低构建平台108以使铺展系统112和能量发生器116可逐渐建造该构建对象。在另一些实施方案中，铺展系统112和能量发生器116可通过致动器运行以垂直移动，同时构建平台108可以是固定的。
铺展机构112包括辊160和致动器装置164。致动器装置164可操作地连向辊160并配置为旋转和平移辊160。在一些实施方案中，致动器装置164包括配置为通过一个或多个传动机构平移和旋转辊160的一个致动器，而在另一些实施方案中，致动器装置164具有配置为旋转辊160的第一致动器和配置为在构建平台108上方横向移动辊160的第二致动器。在进一步实施方案中，致动器装置164可进一步配置为通过第一或第二致动器或通过附加的第三致动器垂直平移辊160。致动器装置164的致动器可以是任何合适的致动器，例如电AC、DC、有刷、无刷、步进、伺服或直线电机、液压致动器、气动致动器或上述这些的任何组合。
能量发生器116垂直位于构建平台108上方，其配置为向构建平台108上的粉末粒子132选择性施加能量以熔融粉末粒子132。在图示实施方案中，能量发生器116包括能量束发生器180，其生成射向扫描系统188的能量束184。扫描系统188包括至少一个镜子192，其可操作地连向电机（未显示），控制该电极以移动镜子192以将能量束184射向待熔融的粉末粒子132。能量束发生器180可以是例如激光器、电子束发生器或用于生成聚焦能量束的另一合适的机构。在一些实施方案中，能量束发生器180可面向粉末粒子132并可包括，代替扫描系统，一个或多个致动器，它们移动能量束发生器180以将能量束184射向粉末粒子132。
控制器120可操作地连向电机系统144、能量发生器116和致动器136、144和致动器装置164。借助控制器120进行增材制造系统100的运行和控制。控制器120用执行存储在存储器单元中的程序指令的通用或专用可编程处理器执行。进行编程功能所需的指令和数据存储在与控制器120关联的存储器单元中。处理器、存储器和接口电路组件可提供在印刷电路板上或作为专用集成电路（ASIC）中的电路提供。每个电路可用单独的处理器执行，或多个电路可在同一处理器上执行。或者，电路可用在VLSI电路中提供的分立组件或电路执行。本文中描述的电路也可用处理器、ASIC、分立组件或VLSI电路的组合执行。
处理器、存储器和接口电路配置控制器120以根据图2中所示的方法200和图3中所示的方法300运行增材制造系统100以通过基于构建对象的所需性质动态改变辊160的旋转速度来构建该构建对象150。
图2图解熔体池确定方法200，其中确定与运行辊160的各种旋转速度对应的熔体池的性质。在一些实施方案中，通过粉末床熔合增材制造系统100的控制器120进行熔体池确定方法200。在另一些实施方案中，通过单独的处理器或计算机装置进行熔体池确定方法200，并将由该熔体池确定方法确定的数据存储在与控制器120关联的存储器中。
将熔体池确定方法200划分成粉末床生成模拟以模拟在不同辊旋转速度下的粉末床孔隙率（方框250）和基于模拟的粉末床孔隙率的熔体池模拟（方框254）。
该粉末床模拟模型包括首先建立离散元法(DEM)模型以模拟在之前固化的材料，例如构建平台表面140或构建对象150的之前完成的部分上的粉末层生成。在DEM模型中，为了准确获取粉末床的压实特性，该模型可执行图4A-4C中所示的三个模拟步骤。首先，在四周具有刚性壁的容器中生成模拟粉末粒子300。模拟与构建对象150中所用的粉末粒子132的性质对应的不同尺寸的粒子300并将所有粒子300随机分布在云(cloud)中 (图4A)。
接着，如图4B中所示，在标准模拟重力下使模拟粒子300自由下落到容器中。假设粉末粒子为具有不同半径的完美球体并假设所有基底或壁为刚性。可通过DEM求解牛顿第二运动定律以计算包括平移和旋转分量的在(x、y、z)方向上的各自粒子速度。粒子-粒子间力确定如下表示在图4C和方程(1)-(3)中：
法线方向上的粒子接触力:
. (1)
切线方向上的粒子接触力:
Figure 702568DEST_PATH_IMAGE002
； (2)
Figure 13463DEST_PATH_IMAGE003
； (3)
Figure 674252DEST_PATH_IMAGE004
；
Figure 594016DEST_PATH_IMAGE005
； ；
Figure 542567DEST_PATH_IMAGE007
；
Figure 7046DEST_PATH_IMAGE008
,
其中
Figure 207083DEST_PATH_IMAGE009
是单粒子的坐标矢量，
Figure 466026DEST_PATH_IMAGE010
是粒子半径，
Figure 17093DEST_PATH_IMAGE011
是弹簧常数，
Figure 19685DEST_PATH_IMAGE012
是粒子质量，
Figure 74228DEST_PATH_IMAGE013
是粒子速度矢量，
Figure 769652DEST_PATH_IMAGE014
是曳力系数。
然后使模拟辊304以所需平移和旋转速度移动经过模拟粒子300以在固体基底308上铺展一个粉末层（图5A和5B）。然后输出生成的粉末床316的所得几何信息（图5C）以供进一步分析。
回到图2，然后对辊的各种旋转速度模拟DEM模型以获得各种模拟粉末床（方框264）。在已用一些或所有所需旋转速度模拟DEM模型后或在各个模型模拟后，DEM模型输出在各种旋转速度下的粉末床孔隙率和几何到熔体池模拟254（方框268）。在一些实施方案中，输出的几何信息可以STL（立体光刻CAD）格式输出。
将从DEM模型输出的粉末孔隙率和几何数据输入热计算流体动力学（CFD）模型，其模拟粉末床熔合增材制造法中的复杂热流体过程（方框276）。该模型随后进行模拟以确定在所提供的粉末孔隙率和几何数据下粉末床熔体池的预期尺寸（方框280）。
CFD模型模拟高斯热源，例如移动经过粉末床340的模拟激光束或电子束（图6），并模拟粉末床340和固体基底344的材料相变（固相到液相，液相到气相）、表面张力、蒸发压力和热流体性质（图6）。在一个实施方案中，能量束根据下列方程作为在粉末床上方具有高斯分布的移动热通量建模：
(13)
其中Q是瞬时表面热通量，Ab是吸收系数，PL是激光功率，
Figure 817559DEST_PATH_IMAGE016
是激光直径，xS和yS是激光束中心的水平位置。激光束在粉末粒子340的顶面以给定速度沿x轴移动。
使用CFD模型数字求解SLM法中的复杂物理过程，如熔融、相变和熔体池流动。在CFD模型中，熔体池被认为是不可压缩的、层状和牛顿流体。质量、动量和能量守恒的控制方程如下：
质量:
Figure 116822DEST_PATH_IMAGE017
； (4)
动量:
Figure 983147DEST_PATH_IMAGE018
； (5)
能量:
Figure 977648DEST_PATH_IMAGE019
， (6)
其中t是时间，是熔融材料的速度，P是压力，
Figure 351178DEST_PATH_IMAGE021
是质量密度，
Figure 388404DEST_PATH_IMAGE022
是粘度，g是重力，
Figure 604621DEST_PATH_IMAGE023
是力项，h是焓，k是材料热导率，T是温度，
Figure 752706DEST_PATH_IMAGE024
是热源项（term）。
在该模型中考虑熔合潜热以模拟固相线到液相线的相转变。当材料温度在固相线与液相线温度之间时，另一能量项是内部焓。焓方程定义如下：
Figure 901928DEST_PATH_IMAGE025
(7)
其中f是取决于温度的液体体积分数：
(8)
其中
Figure 547990DEST_PATH_IMAGE027
是材料比热，
Figure 234186DEST_PATH_IMAGE028
是熔合潜热，
Figure 565810DEST_PATH_IMAGE029
和
Figure 944839DEST_PATH_IMAGE030
分别是材料固相线和液相线温度。
引入流体体积（VOF）方法以追踪熔体池的瞬时自由表面演化。在VOF中，项F被定义为流体体积分数（
Figure 135649DEST_PATH_IMAGE031
）。空置单元（void cell）（无流体）被定义为F=0，而完全充满流体的单元被定义为F=1。因此，部分是流体并且部分空置的单元表示为0 < F < 1。VOF方程被描述为：
Figure 625536DEST_PATH_IMAGE032
. (9)。
马朗戈尼效应极大地影响熔体池表面形态和对流传热。因此，在该模型中包括表面张力项以描述熔体池中的流体流动的主要驱动力。温度依赖性的表面张力如下：
Figure 218191DEST_PATH_IMAGE033
(10)
其中
Figure 768121DEST_PATH_IMAGE034
是在温度T下的表面张力，
Figure 446227DEST_PATH_IMAGE035
是在熔融（液相线）温度
Figure 474226DEST_PATH_IMAGE036
下的表面张力且是材料表面张力的温度系数。
当温度超过材料沸点时发生蒸发。从熔体池表面逸出的金属蒸气带走相当大量的能量。对该数值模型实施蒸发效应可对模拟的最大温度具有实质影响。因此，归因于蒸发的热损失被定义为：
Figure 376640DEST_PATH_IMAGE038
(11)
其中
Figure 276463DEST_PATH_IMAGE039
是金属蒸气的焓，M是摩尔质量，P0是饱和压力，R是气体常数且Tb是材料沸腾温度。
另外，通过在熔融区的自由表面上引入反冲压力项来建模蒸发对熔体池形态的影响。反冲压力给定为：
Figure 108153DEST_PATH_IMAGE040
(12)
其中Lv是蒸发的潜热。
实施CFD模型的处理器的结果产生粉末床和基底的熔融及其熔合形成新层的模型。图6图解CFD模型的结果，其中粉末床340的粉末粒子熔合到基底344上，由此向构建对象增加熔合部分。
在熔体池确定方法200中模拟的旋转速度可为例如0至9.42 (3π) rad/s。在一些实施方案中，熔体池确定方法200可包括模拟顺时针旋转速度（在此表示为负旋转速度值）或大于9.42 rad/s的旋转速度。例如，熔体池确定方法200在一些实施方案中可为-9.42rad/s或更低至18.85 (6π) rad/s或更高。在各种实施方案中，可对任何旋转速度范围内的任何合适的旋转速度进行熔体池确定方法200。在熔体池确定方法200中模拟的旋转速度值的数量可为2至1000或更多，或其中包括的任何数值范围。在一个特定实施方案中，熔体池确定方法200包括建模从0至3π在π/2的各个倍数下的旋转速度（例如0 rad/s、π/2 rad/s、πrad/s、3π/2 rad/s、2π rad/s、5π/2 rad/s和3π rad/s）。
回到图2，由各粉末床孔隙率得出的模拟熔体池随后作为数据存储在与控制器120关联的存储器中（方框284）。该数据可在逐模拟（simulation-by-simulation）基础上存储在存储器中，或所有模拟的数据可同时存储在存储器中。如下文论述，存储的熔体池用于在逐层基础上确定辊旋转速度以产生构建对象的各层的所需性质。
图3图解使用例如图1的粉末床熔合增材制造系统100制造构建对象的方法300。方法300以输入该构建的CAD模型并剖切该模型以形成多个层开始（方框304）。剖切的层提供关于构建对象层的必需厚度和制造构建对象150所必需的粉末粒子层的厚度的信息。
接着，方法300继续进行熔体池尺寸调节，其中控制器确定辊的目标旋转速度（方框308）。可以选择辊旋转速度为例如产生尺寸最密切匹配该层的所需尺寸的熔体池和/或其中熔体池提供到前一层中的足够深度以向构建对象提供强度的层的速度。与所选熔体池对应的辊旋转速度随后用作辊的目标旋转速度。
一旦熔体池尺寸调节完成（方框308）并确定目标辊旋转速度，控制器基于确定的目标旋转速度运行辊以形成粉末床（方框312）。特别地，参考图1，控制器120运行致动器装置164以使辊160以确定的旋转速度旋转，同时使辊160以DEM模型模拟250中所用的旋转速度平移经过构建平台108或构建对象150。随着辊160移动经过构建平台108和/或构建对象150，将粉末粒子132分布成具有与通过对应于目标辊旋转速度的DEM模型250确定的模拟粉末床层316（图5C）的性质类似的几何和孔隙率的粉末床层。
一旦形成具有所需几何和孔隙率性质的粉末床，控制器120运行能量发生器116以选择性熔融粉末床中的粉末粒子132（方框316）。在一个实施方案中，控制器120运行能量束发生器180以生成能量束184，并运行扫描装置188的电机以移动镜子192以将能量束184射向待熔融的粒子132，以形成由来自方框204的剖切模型确定的构建对象150的层。来自能量发生器116的能量熔融粉末粒子132和粉末粒子下方的基底，其可能是例如构建对象150的前一层。一旦熔融部分冷却，粉末粒子132和基底熔合在一起，由此向构建对象增加新的层。
该方法随后在方框308处继续进行下一层或该层的另一部分的熔体池尺寸调节。下一层或第一层的另一部分的旋转速度可能导致用于下一层或该层的另一部分的不同旋转速度。因此，在方法200中，可形成具有各种不同孔隙率的构建对象的层，以造成构建对象的各种层的不同性质。
在图示实施方案中，离位进行熔体池确定方法200并将来自模拟的数据存储在与控制器120关联的存储器中。但是，在一些实施方案中，熔体池确定方法200在构建法的过程中原位进行。在这样的实施方案中，在熔体池尺寸调节（方框308）中逐层进行或在辊和能量发生器运行（方框312和316）之前在预处理步骤中对整个输入的构建模型进行熔体池确定方法的模拟。
在一些实施方案中，剖切CAD模型（方框304），并在重复前对各个层进行熔体池尺寸调节（方框308）并运行辊和能量发生器（方框312和316）。读者应该认识到，各种步骤（方框304、308、312、316）可对各个层依序进行，然后对后续层重复，或可在继续进入下一步骤之前对构建对象的多个层或所有层进行任何或所有步骤。
图7-8图解根据上述熔体池模拟方法208来自DEM和CFD模型的模拟结果。图7描绘图解使用图3的DEM模型250确定的在其余参数恒定的系统中在五种不同旋转速度下的DEM模型粉末床孔隙率结果的图表。为了获得图7的模拟结果，在四周具有刚性壁的矩形容器上方创建总共大约24000个粉末粒子，并生成不同尺寸的粒子并将所有粒子随机分布在云中（见图4A）。假设粒子是具有D10、D50和D90直径分别为19、29和43 µm的高斯分布的H13钢粉。H13钢粒子的性质显示在下表1中。
表1：H13钢粒子的性质
性质 液体 固体
电导率，W × m<sup>−1</sup> K<sup>−1</sup> 29 29
密度，kg × m<sup>−3</sup> 6900 7760
比热，J × kg<sup>−1</sup> K<sup>−1</sup> 480 460
熔合潜热，J × kg<sup>−1</sup> 2.5 × 10<sup>5</sup>
蒸发潜热，J × kg<sup>−1</sup> 7.34 × 10<sup>6</sup>
动力粘度，kg × m<sup>−1</sup> s<sup>−1</sup> 5.0 × 10<sup>−3</sup>
表面张力，kg × s<sup>−2</sup> 1.7
表面张力系数，kg × s<sup>−2</sup> K<sup>−1</sup> –0.43 × 10<sup>−3</sup>
液相线温度，K 1727
固相线温度，K 1588
沸腾温度，K 3133
激光吸收率 0.63 0.63
然后允许H13钢粒子在标准重力下自由下落到容器中（见图4B），并使用模拟辊304以铺展粉末粒子。模拟辊304具有5 mm的直径并用10 cm/s的平移移动速度模拟。另外，没有对辊304施加向下的外力。在图7中模拟五种不同的旋转速度：0、0.5、3.14、6.28和9.42弧度/s（rad/s）。
如来自DEM模型250的模拟结果所示，辊304的旋转速度影响所得粉末床的孔隙率。特别地，提高逆时针旋转速度（逆时针意味着向前移动的辊的前沿朝上离开粒子）提高粉末床孔隙率，因为辊的旋转导致从域中带走更多粉末。在模拟结果中，孔隙率从例如在粉末铺展过程中没有旋转辊304时的48.3%到辊以9.42 rad/s旋转时的65.1%变化。
粉末床填充条件和孔隙率极大影响粉末床传热，而该粉末床传热决定粉末床熔合法中的多种热-物理特性，例如熔体池尺寸和表面形态。图8图解来自CFD模型254的两个模拟的结果，其中之一使用由如上文参照图6论述的0旋转速度DEM模型确定的48.3%的粉末床孔隙率，其中另一个使用如用旋转速度9.42 rad/s的DEM模型确定的65.1%的粉末床孔隙率。在图8的CFD模拟中，能量发生器是以1000 mm/s的速度移动、具有52 µm的光斑尺寸的200W激光器，且初始温度为298 K。
图8的图像图解例如图5中所见的熔融部分在扫描路径的不同位置，例如在x=0.3、x=0.6 mm和x=0.9 mm处的Y-Z平面中的熔体池宽度-深度横截面。图8中的较深的线704代表由在逆时针方向上9.42 rad/s的模拟辊旋转速度产生的熔体池，而较浅的线708代表由辊不旋转产生的熔体池。如图8中可见，熔体池轮廓的物理结构，特别是形状取决于粉末床密度。例如，由辊旋转产生的较高孔隙率（线704）导致基底上方的熔体区的较小高度，而由辊不旋转产生的较低孔隙率（线708）导致较深的熔体池。
此外，由于由辊旋转造成的降低的粉末粒子填充密度（线704表示），与0旋转粉末床的较致密填充相比较少固体体积可供熔融。因此，在辊的较高旋转速度运行中，束能量转移到粉末床下方的基底的较深位置。例如，与0旋转粉末床（线708）相比，由以9.42 rad/s旋转的辊产生的粉末床（线704）的平均重熔深度（即在粉末床下方的固体基底的熔体深度）高大约13%。
在常规粉末床熔合法中，通常使用固定的方法条件制造构建对象。例如，激光功率、速度和光斑尺寸、用于粉末铺展的刮刀或辊速度和层厚度通常在对象的构建全程保持恒定。如果需要不同的方法参数以实现不同的熔体池特性，必须启动新的构建，因为在构建开始后熔体池条件的调节是困难的。
如上文参照图7和8论述，有可能决定传热过程的粉末床孔隙率的操纵在方法300中控制熔体池尺寸。在根据本公开的方法300中，在单个对象的构建过程中对不同的层动态调节粉末床孔隙率以控制在不同构建高度的熔体池尺寸。在一些实施方案中，在构建方法300的过程中仅动态调节辊旋转速度的同时，方法300在该构建的任何或所有其它参数，例如能量发生器方法参数（本文所用的术语能量发生器的“方法参数”是指能量发生器的光斑尺寸、速度和位置）、辊平移速度和粒度分布保持恒定的情况下进行。因此，通过仅改变辊旋转速度或在一些实施方案中仅改变辊平移和旋转速度，可以在构建内动态改变构建对象中的层的所得性质，而不调节能量发生器方法参数。
CFD模型配置
使用Flow Science, Inc.商业软件FLOW3D®发展CFD模型以研究粉末床熔合法中的复杂热流体现象，例如传热、流体流动和蒸发。一般模型配置显示在图9中。在由与粉末相同的材料构成的固体基底904上面铺展一个H13钢粉末层900，其用于代表新铺展的粉末层。由用DEM方法（如上所述）生成的STL文件提供单个粉末粒子的几何信息。激光束在粉末粒子的顶面以给定速度沿x轴移动。由于相对较高的激光能量输入和小激光直径，沿激光扫描路径使用细筛目（3.5 µm）以产生合理的模拟结果。对远离热影响区的区域采用较粗的筛目（5 µm）以降低计算成本。该模型具有1.3 × 0.4 × 0.29 mm（x × y × z）的域尺寸并具有270万个单元总数。没有分配材料的上部区域被定义为空置的，将其压力设定为1个标准大气压，同时将速度设定为0。对基底的所有边界施加连续边界条件以代表经过边界的流的平滑延续，因为对于所有量在边界处使用0法向导数。
使用表1中的参数和实验方法条件用200 W的激光功率、1000 mm/s的激光速度、52µm的光斑尺寸和298 K的初始温度用单轨熔体池模拟运行CFD模型。并入来自粉末铺展DEM模拟的粉末床STL文件。模拟温度场和表面形态的3D视图显示在图10A中，其中激光束沿扫描轨迹移动。形成光滑扫描轨迹，其中粉末熔融并固化。在扫描轨迹边缘观察到部分熔融的粒子。在轨迹末端在激光束中心区域显示可察觉的熔体池凹陷，这部分归因于材料蒸发诱发的反冲压力。在这一示例性配置中，当单元温度超过材料沸点时激活蒸发效应。还观察到预测的最大温度在材料蒸发点（3133 K）附近，这表明归因于液相到气相转变的过度能量损失并通过考虑蒸发潜热来捕获。熔体池流体流动描绘在图10B中，箭头代表流矢量。显而易见，在长度-深度平面中形成强反流（与扫描方向相反）。表面张力将熔体流从高温激光束中心推向冷却器外围，由此使熔体池区域膨胀。在扫描轨迹中的不同位置的宽度-深度几何显示在图10C中。由于不对称的粉末粒子分布，存在熔体池顶面形态的轻微差异。
对于熔体池中的静态宽度-深度平面，CFD模型的时间依赖性熔体池评估显示在图11中。以0.05 ms时间增量绘制温度分布以及熔体池流体流动。在0 ms，粉末粒子由于高激光输入而开始熔融，且液体材料向下和向外流动。在0.05 ms，激光束中心朝目标平面移动，基底板也熔融并由于反冲压力和马朗戈尼效应而形成凹陷区。熔体池继续向下和向外流动。在0.1 ms，存在较深的谷形熔体池。在此，激光束开始离开目标平面，因此观察到上升流，其将熔体池带回相邻的空置的空间。从0.15 ms到0.4 ms，凹陷区逐渐被熔融材料补充。由于熔体池的冷却和固化，流速随时间增加而降低。在0.1 ms观察到最大熔体池速度大于5m/s。高流速表明存在强熔体流循环。使用Peclet数（Pe）描述对流和传导的分布；其是对流传递的热与传导传递的热的比率，被定义为下列方程：
Figure 675400DEST_PATH_IMAGE041
(14)
其中
Figure 301554DEST_PATH_IMAGE042
是典型液体速度，L R 是特征长度（熔体池半宽）。如果Pe比1大得多，传热在熔体池中以对流为主。对于这一典型模拟，Pe数被计算为大约31，这显示对流是熔体池中的主要传热机制。
要认识到，上述和其它特征和功能的变体或其替代方案可合意地组合成许多其它不同的系统、应用或方法。本领域技术人员随后有可能作出各种目前无法预见或意料之外的替代方案、修改、变动或改进，这些也意在被上文的公开涵盖。

Claims (16)

1.一种粉末床熔合增材制造系统，其包括：
在其上承载基底的构建平台；
配置为生成射向基底的能量束的能量发生器；
具有配置为使辊旋转的致动器系统的辊；
可操作地连向辊和连向能量发生器的控制器，所述控制器配置为如下制造构建对象：(i) 基于构建对象的所需性质运行致动器系统以使辊以第一旋转速度旋转以将粉末粒子以第一孔隙率铺展在基底上；(ii) 运行能量发生器以选择性熔融粉末粒子和与选择性熔融的粉末粒子相邻的基底的一部分以在基底上形成构建对象的第一层；(iii) 基于构建对象的所需性质运行致动器系统以使辊以第二旋转速度旋转以将粉末粒子以第二孔隙率铺展在基底和第一层的至少之一上，其中第二旋转速度不同于第一旋转速度；和(iv) 运行能量发生器以选择性熔融以第二孔隙率铺展的粉末粒子以在基底和第一层的至少之一上形成构建对象的第二层。
2.权利要求1的粉末床熔合增材制造系统，其中第一旋转速度在0至18.65 rad/s之间且第二旋转速度在0至18.65 rad/s之间。
3.权利要求1的粉末床熔合增材制造系统，其中所述控制器配置为运行致动器系统以在逐层基础上在0至18.65 rad/s之间动态调节辊的旋转速度。
4.权利要求1的粉末床熔合增材制造系统，其中所述控制器配置为使能量发生器的方法参数在构建对象制造的全程保持恒定。
5.权利要求4的粉末床熔合增材制造系统，其中：
所述致动器系统进一步配置为平移移动辊；
所述控制器配置为在运行致动器系统以使辊以第一旋转速度旋转的同时运行致动器系统以使辊以恒定平移速度移动，和在运行致动器系统以使辊以第二旋转速度旋转的同时运行致动器系统以使辊以所述恒定平移速度移动。
6.权利要求1的粉末床熔合增材制造系统，其中：
基于构建对象的所需性质运行致动器系统以使辊以第一旋转速度旋转包括基于存储在与控制器关联的存储器中的信息确定第一旋转速度，所述信息包括在各种模拟旋转速度下的离散元法（“DEM”）模型和热计算流体动力学（“CFD”）模型的结果；和
基于构建对象的所需性质运行致动器系统以使辊以第二旋转速度旋转包括基于存储在所述存储器中的信息确定第二旋转速度。
7.权利要求1的粉末床熔合增材制造系统，其中：
基于构建对象的所需性质运行致动器系统以使辊以第一旋转速度旋转包括进行第一熔体池尺寸调节，其包括(i) 使用离散元法（“DEM”）模型模拟确定由以第一多个旋转速度旋转辊产生的第一粉末床和(ii) 使用热计算流体动力学（“CFD”）模型模拟确定第一粉末床的层性质；和
基于构建对象的所需性质运行致动器系统以使辊以第二旋转速度旋转包括进行第二熔体池尺寸调节，其包括(i) 使用DEM模型模拟确定由以第二多个旋转速度旋转辊产生的第二粉末床和(ii) 使用热CFD模型模拟确定第二粉末床的层性质。
8.权利要求7的粉末床熔合增材制造系统，其中：
第一熔体池尺寸调节进一步包括基于使用热CFD模型确定的第一粉末床的层性质的第一比较选择第一旋转速度；和
第二熔体池尺寸调节进一步包括基于使用热CFD模型确定的第二粉末床的层性质的第二比较选择第二旋转速度。
9.一种用粉末床熔合增材制造系统制造构建对象的方法，其包括：
基于构建对象的所需性质运行可操作地连向辊的致动器系统以使辊以第一旋转速度旋转以将粉末粒子以第一孔隙率铺展在由构建平台承载的基底上；
运行能量发生器以生成射向粉末粒子的能量束以选择性熔融粉末粒子和与选择性熔融的粉末粒子相邻的基底的一部分以在基底上形成构建对象的第一层；
基于构建对象的所需性质运行致动器系统以使辊以第二旋转速度旋转以将粉末粒子以第二孔隙率铺展在基底和第一层的至少之一上，其中第二旋转速度不同于第一旋转速度；和
运行能量发生器以选择性熔融以第二孔隙率铺展的粉末粒子以在基底和第一层的至少之一上形成构建对象的第二层。
10.权利要求9的方法，其中第一旋转速度在0至18.65 rad/s之间且第二旋转速度在0至18.65 rad/s之间。
11.权利要求9的方法，其进一步包括：
运行致动器系统以在逐层基础上在0至18.65 rad/s之间动态调节辊的旋转速度。
12.权利要求9的方法，其进一步包括：
使能量发生器的方法参数在构建对象制造的全程保持恒定。
13.权利要求12的方法，其进一步包括：
在运行致动器系统以使辊以第一旋转速度旋转的同时运行致动器系统以使辊以恒定平移速度移动；和
在运行致动器系统以使辊以第二旋转速度旋转的同时运行致动器系统以使辊以所述恒定平移速度移动。
14.权利要求9的方法，其中：
基于构建对象的所需性质运行致动器系统以使辊以第一旋转速度旋转包括基于存储在与控制器关联的存储器中的信息确定第一旋转速度，所述信息包括在各种模拟旋转速度下的离散元法（“DEM”）模型和热计算流体动力学（“CFD”）模型的结果；和
基于构建对象的所需性质运行致动器系统以使辊以第二旋转速度旋转包括基于存储在所述存储器中的信息确定第二旋转速度。
15.权利要求9的方法，其中：
基于构建对象的所需性质运行致动器系统以使辊以第一旋转速度旋转包括进行第一熔体池尺寸调节，其包括(i) 使用离散元法（“DEM”）模型模拟确定由以第一多个旋转速度旋转辊产生的第一粉末床和(ii) 使用热计算流体动力学（“CFD”）模型模拟确定第一粉末床的层性质；和
基于构建对象的所需性质运行致动器系统以使辊以第二旋转速度旋转包括进行第二熔体池尺寸调节，其包括(i) 使用DEM模型模拟确定由以第二多个旋转速度旋转辊产生的第二粉末床和(ii) 使用热CFD模型模拟确定第二粉末床的层性质。
16.权利要求15的方法，其中：
第一熔体池尺寸调节进一步包括基于使用热CFD模型确定的第一粉末床的层性质的第一比较选择第一旋转速度；和
第二熔体池尺寸调节进一步包括基于使用热CFD模型确定的第二粉末床的层性质的第二比较选择第二旋转速度。
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