CN111050954B - 用于增材制造的设备及方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种由包括具有第一组成的颗粒的第一材料对制品的一部分进行增材制造的设备(100)。设备(100)包括层提供装置(110)，该层提供装置用于由包括具有第二组成的颗粒的第二材料提供第一支承层，其中，第一组成和第二组成是不同的。设备(100)包括凹面限定装置(120)，该凹面限定装置用于在第一支承层的暴露表面中限定第一凹面。设备(100)包括沉积装置(130)，该沉积装置用于在限定在第一支承层中的第一凹面中沉积第一材料的一部分。设备(100)包括找平装置(140)，该找平装置(140)用于选择性地找平在所述第一凹面中的经沉积的第一材料。设备(100)包括第一熔合装置(150)，该第一熔合装置用于通过至少部分地融化颗粒来熔合在第一凹面中的经找平的第一材料的一些颗粒，由此形成制品的层的第一部分。以这种方式，第二材料可以由此用于在制品的一部分的增材制造期间提供支承结构。

Description

用于增材制造的设备及方法
技术领域
本发明涉及增材制造，诸如粉末床熔合。
背景技术
增材制造(AM)，俗称三维(3D)打印，通常指的是用于在计算机控制下，将材料层顺序(sequentially)形成来创建制品或对象的方法。增材制造提供了包括内部空洞的具有复杂形状、几何图形或结构的制品的创建(creation)，而该制品的创建根据诸如加工、或传统铸造、或模制方法的传统减材制造方法可能容易形成。适合于增材制造的材料包括金属、陶瓷、玻璃和聚合物。
ISO/ASTM52900-15定义了增材制造方法的七种类型，包括粉末床熔合。具体地，诸如选择性激光融化(SLM)的粉末床熔合技术是适合于例如金属制品的创建。为了创建制品的相对复杂的形状，在增材制造的中间阶段，可能需要支承结构以支承顺序形成的材料层。支承结构可以提供结构支承，并且附加地或可选地，可提供用于悬伸(overhanging)结构的锚固、熔池散热和/或热变形的预防。在诸如SLM的粉末床熔合技术中，支承结构是由与制品相同的材料形成。在形成制品之后，由于支承结构可能熔合至制品和/或位于不可及的内部空洞中，支承结构的去除可能是问题。而且，由于支承结构由与制品相同的材料形成，增加了材料消耗，由此增加了成本。此外，由于因在这些粉末床熔合技术中的热循环的影响和/或污染，未熔合的材料的再使用和再循环可能受到妨碍。废料的处置可能是对环境有害的。
此外，传统的SLM，由于是基于使用跟随例如选择性激光熔合的辊子或刀片将材料层覆盖在构建平台上，在每个具体层中仅提供单个材料的打印，因此限制了以这种方式创建的制品的结构、功能、和/或性质。
因此，需要改进增材制造。
发明内容
除了其他目的，本发明的一个目的在于提供用于增材制造的设备和方法，至少部分地消除(obviates)或减轻(mitigates)现有技术中的至少一些缺点(无论在本文中提及或其他地方确定的)。例如：本发明的实施例的目的在于提供促进支承结构从由此形成的制品上的去除的增材制造的设备和增材制造的方法。例如，本发明的实施例的目的在于提供具有减少的材料消耗的增材制造的设备和方法，其能够使未熔合的材料的再使用和再循环。例如，本发明的实施例的目的在于提供允许形成由多种材料制成的制品的增材制造的设备和方法。例如，本发明的实施例的目的在于提供允许形成在具体的层(即：层内)和/或在连续的层(即：夹层)内的由多种材料制成的制品的增材制造的设备和增材制造的方法。
本发明的第一方面提供由包括具有第一组成的颗粒的第一材料对制品的一部分进行增材制造的设备，该设备包括：层提供装置，其用于由第二材料提供第一支承层，该第二材料包括具有第二组成的颗粒，其中，该第一组成和所述第二组成是不同的；凹面限定装置，其用于在第一支承层的暴露表面中限定第一凹面；沉积装置，其用于在限定在第一支承层中的第一凹面中沉积第一材料的一部分；找平装置，其用于选择性地找平在第一凹面中的经沉积的第一材料；以及第一熔合装置，其用于通过至少部分地融化颗粒而将在第一凹面中的经找平的第一材料的一些颗粒熔合，由此形成制品的层的第一部分。
本发明的第二方面提供由包括具有第一组成的颗粒的第一材料对制品的一部分进行增材制造的方法，该方法包括以下步骤：(i)由包括具有第二组成的颗粒的第二材料提供第一支承层，其中，第一组成与第二组成是不同的；(ii)在第一支承层的暴露表面中限定第一凹面；(iii)将第一材料的一部分沉积在限定在第一支承层中的第一凹面中；(iv)选择性地找平在第一凹面中的经沉积的第一材料；(v)通过至少部分地融化颗粒来熔合经找平的第一材料的至少一些颗粒，由此形成制品的层的第一部分；以及选择性地重复步骤(i)至(v)中的一个或多个步骤。
本发明的第三方面提供根据第一方面的设备和/或第二方面的方法制造的制品。
本发明的第四方面提供包括具有第二组成的颗粒的第二材料的用途，该第二材料作为支承材料，用于由包括具有第一组成的颗粒的第一材料对制品的一部分选择性地进行激光熔化增材制造。
本发明的第五方面提供用于由包括具有第一组成的颗粒的第一材料对制品的一部分进行增材制造的设备，该设备包括：
层提供装置，该层提供装置包括设置在腔室中的伸缩床以及辊子或刀片，用于由第二材料提供第一层，该第二材料包括具有第二组成的颗粒，其中，第一组成和第二组成是不同的；
凹面限定装置，该凹面限定装置用于在第一层的暴露表面中限定第一凹面，其中，凹面限定装置包括具有真空喷嘴的真空设备，该真空喷嘴布置成在第一层的暴露表面的近侧，其中，真空设备能够控制成通过真空抽吸选择性地去除第二材料的一部分，由此在第一层的暴露表面中限定第一凹面；
沉积装置，该沉积装置用于在限定在第一层中的第一凹面中沉积第一材料的一部分，其中，沉积装置包括打印头，该打印头包括具有孔口的沉积喷嘴；
找平装置，该找平装置用于选择性地找平在第一凹面中的经沉积的第一材料；以及
第一熔合装置，该第一熔合装置用于通过至少部分地融化颗粒而将在第一凹面中的经找平的第一材料的一些颗粒熔合，由此形成制品的层的第一部分。
本发明的第六方面提供由包括具有第一组成的颗粒的第一材料对制品的一部分进行增材制造的方法，该方法包括以下步骤：
(i)由包括具有第二组成的颗粒的第二材料提供第一层，其中，第一组成与所述第二组成是不同的；
(ii)通过使第二材料的一部分抽真空来在第一层的暴露表面中限定第一凹面；
(iii)将第一材料的一部分沉积在限定在第一层中的第一凹面中；
(iv)选择性地找平在第一凹面中的经沉积的第一材料；
(v)通过至少部分地融化颗粒来熔合经找平的第一材料的至少一些颗粒，由此形成制品的层的第一部分；以及
选择性地，重复步骤(i)至(v)中的一个或多个步骤。
贯穿于整个说明书，术语“包括”是指包括指定的组分但不排除其他组分的存在。术语“基本由..构成”是指包括指定的组分，但不包括其他组分，除了作为杂质存在的材料、作为用于提供组分的方法而存在的不可避免的材料、以及用于除了实现本发明的技术效果的目的而加入的组分，诸如染色剂，以及类似物。属于“由..构成”是指包括指定的组分但不包括其他组分。当合适的时候，根据上下文，术语“包括”的使用还可以用于包括“基本由..构成”的意思，并且也能用于包括“由..构成”的意思。在适当情况下，特别是在所附权利要求书中所述的组合中，本文中陈述的可选的特征可以单独地使用或彼此组合使用。如在本文中陈述的用于本发明的示例性实施例或每个方面的可选的特征在合适的时候还可以应用于本发明的所有其他方面或示例性实施例。换言之，阅读本说明书的本领域技术人员应当将用于本发明的示例性实施例或每个方面的可选特征认为是在不同的方面和示例性实施例之间可互换的以及可组合的。
本发明的第一方面提供由包括具有第一组成的颗粒的第一材料对制品的一部分进行增材制造的设备，该设备包括：层提供装置，其用于由第二材料提供第一支承层，该第二材料包括具有第二组成的颗粒，其中，该第一组成和所述第二组成是不同的；凹面限定装置，其用于在第一支承层的暴露表面中限定第一凹面；沉积装置，其用于在限定在第一支承层中的第一凹面中沉积第一材料的一部分；找平装置，其用于选择性地找平在第一凹面中的经沉积的第一材料；以及第一熔合装置，其用于通过至少部分地融化颗粒而将在第一凹面中的经找平的第一材料的一些颗粒熔合，由此形成制品的层的第一部分。
本发明的第五方面提供由包括具有第一组成的颗粒的第一材料对制品的一部分进行增材制造的设备，该设备包括：层提供装置，该层提供装置包括设置在腔室中的伸缩床以及辊子或刀片，用于由第二材料提供第一层，该第二材料包括具有第二组成的颗粒，其中，第一组成和第二组成是不同的；凹面限定装置，该凹面限定装置用于在第一层的暴露表面中限定第一凹面，其中，凹面限定装置包括具有真空喷嘴的真空设备，该真空喷嘴布置成在第一层的暴露表面的近侧，其中，真空设备能够控制成通过真空抽吸选择性地去除第二材料的一部分，由此在第一层的暴露表面中限定第一凹面；沉积装置，该沉积装置用于在限定在第一层中的第一凹面中沉积第一材料的一部分，其中，沉积装置包括打印头，该打印头包括具有孔口的沉积喷嘴；找平装置，该找平装置用于选择性地找平在第一凹面中的经沉积的第一材料；以及第一熔合装置，该第一熔合装置用于通过至少部分地融化颗粒而将在第一凹面中的经找平的第一材料的一些颗粒熔合，由此形成制品的层的第一部分。
通常，根据第五方面的设备包括和/或是根据第一方面的具体设备。因此，第五方面的制品的一部分、第一材料、具有第一组成的颗粒、层提供装置、第一层、第二材料、具有第二组成的颗粒、凹面限定装置、第一凹面、第一层的暴露表面、沉积装置、找平装置和/或第一熔合装置可以是如第一方面的描述，细节上加以变通。
以这种方式，用于制品的一部分的增材制造的设备涉及在第一材料的标准粉末床选择性激光熔化之后，第一材料的每个层中的材料的选择性去除。接着在这之后是第二材料的选择性逐点式粉末或粉末-液体材料沉积，之后是第二材料的选择性激光熔化或连结的其他方式，可选地包括喷射聚合物结合剂。使用所述选择性材料沉积可以将多种材料沉积在每个层中。
应理解的是，使用两个不同的找平装置。第一找平是辊子或刮擦器，用于在标准的选择性激光熔化粉末熔合方法时的第一材料的整个层的找平。第二找平装置(即：找平装置)是用于选择性地找平在凹面中的经沉积的第一材料。以这种方式，在凹面中的经沉积的第一材料可以在没有妨碍和/或接触例如第二材料的暴露表面的情况下找平。应理解的是，找平装置是用于选择性地找平在第一凹面中的经沉积的第一材料。以这种方式，在第一凹面中的经沉积的第一材料可以在没有妨碍和/或接触例如第一层的暴露表面的情况下找平，该第一层由包括具有第二组成的颗粒的第二材料提供。即，找平装置是用于在第一凹面中的经沉积的第一材料的局部找平。相反地，用于第二材料的传统的辊子和刮擦器例如不是用于选择性的或局部找平。准确地说(rather)，这样的传统的辊子或刮擦器延伸至少在整个制品上，并且将导致第一材料和第二材料的交叉污染。在一个示例中，找平装置布置成选择性地找平在第一凹面中的经沉积的第一材料。在一个示例中，找平装置布置成局部地找平在第一凹面中的经沉积的第一材料。在一个示例中，找平装置布置成按第一凹面的比例和/或分辨率找平在第一凹面中的经沉积的第一材料。在一个示例中，找平装置布置成至多延伸在第一凹面的宽度上。在一个示例中，所述找平装置布置成仅找平在第一凹面中的经沉积的第一材料。在一个示例中，找平装置布置成将经沉积的第一材料的暴露表面找平成与第一支承层的暴露表面重合。以这种方式，经沉积的第一材料的一部分的暴露表面与第一支承层的暴露表面共面。例如，沉积装置可包括另外的辊子或刮擦器，诸如刀片或小刀，布置成在第一材料的沉积期间分别在沉积的第一材料上辊压或擦拭(wipe)，由此形成在具有与第一层相同厚度的第一凹面中的第一材料的层。在一个示例中，找平装置布置成与限定在第一支承层中的第一凹面中的第一材料的一部分的沉积同时发生地，例如同时地选择性地找平第一凹面中的经沉积的第一材料。以这种方式，通过沉积装置的第一材料的一部分的沉积和第一材料的找平可以与经沉积的第一材料大致同步并且是经沉积的第一材料的局部。以这种方式，可以减少第二材料的污染，同时可以减少在增材制造方法期间所需的许多步骤。对于接下来(即：随后的)的层(即：覆盖该层的层)重复进行这个方法，直到形成完整的制品。以相似的方式可以沉积第三、第四以及更多不同类型的材料。具体地，这允许了在具体的层(即：层内)和/或在连续的层(即：夹层)内由多种材料形成制品，由此增强了以这种方式形成的制品的结构、功能和/或性质。
在一个示例中，用于增材制造的设备包括用于粉末床熔合的设备。在一个示例中，用于增材制造的设备是粉末床熔合设备。在一个示例中，用于增材制造的设备包括用于SLM的设备。在一个示例中，用于增材制造的设备是用于SLM的设备。
应理解的是，第一材料提供构建材料，制品的一部分是由该构建材料制成的。相反地，第二材料提供支承材料，该支承材料可布置成在例如增材制造的中间阶段期间支承构建材料。因此第二材料可用于在制品一部分和/或制品的增材制造期间提供支承结构。第一材料和第二材料分别包括具有第一组成和第二组成的颗粒，第一组成和第二组成不同。因为第一组成和第二组成是不同的，它们各自的性质可以根据它们各自的使用而选择，由此促进诸如支承结构的第二材料的去除，同时减少第一材料的消耗。此外，因此减少了第一材料和第二材料的交叉污染，所以改进了第一材料和/或第二材料的再使用或再循环。使用相同的原理、使用一体的多个选择性逐点式材料沉积、选择性材料去除和通过选择性激光融化的标准粉末床激光熔合，可以打印多于一种材料。
通常，如在本领域中已知的，支承结构可能被要求承担制品的悬伸部分的增材制造。然而，在例如基于SLM的传统增材制造技术中，支承结构由相同的构建材料制成，使得在增材制造后它们的去除成为问题。这是由于支承结构具有与所支承的制品诸如相同的物理的、化学的以及机械性质，因为制品和支承结构由相同的构建材料制成。此外，这些传统的增材制造技术增加了构建材料的消耗，导致增加的损耗和/或成本。此外，在构建材料的传统的增材制造技术期间的污染，诸如构建材料的未熔合颗粒，可妨碍任何回收的构建材料的再使用和/或再循环。
换言之，通过使用与构建材料(即：第一材料)不同的材料(即：第二材料)作为支承结构材料，可以比使用相同材料作为构建材料和支承材料的传统增材制造技术(例如SLM)更容易地去除支承结构。根据本文中的说明书，应理解的是，支承材料可以是附加地和/或可选择地是第二构建材料。以这种方式，第二材料可以包括在制品中。即：由第二材料提供的第一支承层可以是由第二材料提供的第一层。与第一材料相似地，第二材料的至少一部分由此可以是包括在制品中。
与传统的增材制造技术相反，发明人研发了增材制造的设备和增材制造的方法，该增材制造的设备和增材制造的方法采用在诸如物理和/或化学和/或机械性质的性质上不同的构建材料和支承材料。即：构建材料和支承材料可以是互补的。
通常地，在增材制造方法期间，可以使用比构建材料更大比例的材料作为支承材料。根据本发明，与传统增材制造技术相反的是，构建材料仅在形成制品所需的情况下提供。同时，支撑材料满足了用于根据本发明的增材制造方法的其余材料需求。由此，在增材制造方法期间，可以合适地选择用于使用的支承材料，诸如以提供更容易从形成的制品上去除的支承结构。因为支承材料没有结合至制品中，能够更好地使支承材料的再循环或再使用成为可能且支承材料的污染较少成为问题。可以选择支承材料，以便例如通过控制由其形成的支承结构的诸如热传导的热性能，来改善增材制造方法。具体地因为所需的支承材料的量可以大于构建材料用于形成制品的量，还可以选择支承材料以减少增材制造方法的成本。
通常，可以选择第一材料和第二材料，从而它们各自的性质，诸如物理和/或化学和/或机械性质是不同的。例如，第一材料和第二材料可以具有不同的热性能。例如，第一材料和第二材料可以具有不同的化学反应和/或溶解度。例如，第一材料和第二材料的经熔合的颗粒分别具有不同的脆性。
可以选择第一材料和第二材料，从而它们各自的熔合温度是不同的。例如，通过烧结或融化的第二材料的具有第二组成的颗粒(以下简称为第二颗粒)的熔合温度可以高于或低于通过融化的第一材料的具有第一组成的颗粒(以下简称为第一颗粒)的熔合温度。换句话说，第二颗粒的熔合温度可以高于或低于第一颗粒的融化温度。如果第二颗粒的熔合温度高于第一颗粒的融化温度，则可以在不熔合第二颗粒的情况下通过融化来熔合第一颗粒。以这种方式，第二颗粒可以不结合至制品中。例如，残留在制品中或制品上(例如开放性空洞中的)的任何第二颗粒剩余物可以很容易地被去除，因为它们没有熔合。相反地，如果第二颗粒的熔合温度低于第一颗粒的融化温度时，在温度低于第一颗粒的融化温度下，第二颗粒可以是未熔合的，例如融化的或分离的。以这种方式，残留在制品中或制品上(例如开放性空洞中的)的任何第二颗粒剩余物可以通过将这些第二颗粒加热至低于第一颗粒的融化温度而很容易地被去除，其中第二颗粒是未熔合的。
可以选择第一材料和第二材料，从而它们的化学反应和/或溶解度是不同的。例如，第二颗粒可以很容易地溶解在酸性或碱性溶液中，而第一颗粒对于那种溶液是惰性的。以这种方式，残留在制品中或制品上(例如开放性空洞中的)的任何第二颗粒剩余物可以通过溶解或蚀刻而很容易地被去除。可以选择第一材料和第二材料，从而它们各自的机械性质和/或经熔合的第一颗粒和经熔合的第二颗粒的各自的机械性质是不同的。例如，经熔合的第二颗粒可以是易碎的，而形成制品的熔合的第一颗粒具有优越的机械性质。以这种方式，残留在制品中或制品上(例如开放性空洞中的)的任何经熔合的第二颗粒剩余物可以诸如通过其破损(breakage)而很容易地被去除。
第一材料可以是包括具有第一组成的颗粒的粉末、糊剂、浆液或流体。优选地，第一材料是粉末。这些具有第一组成的颗粒是固体并且可以包括离散的和/或团聚的(agglomerated)颗粒。
通常，第一组成可以包括任何易于通过融化而熔合的材料，诸如金属或聚合物组合物。第一组成可包括金属，诸如铝、钛、铬、铁、钴、镍、铜、钨、银、金、铂和/或其合金。通常，第一组成可以包括颗粒可以通过雾化从其生产的任何金属。这些第一颗粒可以通过雾化而生产，诸如气体雾化或水雾化或本领域中已知的其他方法。这些第一颗粒可以具有诸如圆形的规则形状和/或诸如球状、片状或粒状的不规则形状。第一组成可以包括包括有聚合物的聚合物组合物，例如：热塑性聚合物。热塑性聚合物可以是均聚物或共聚物。热塑性聚合物可以从包括有聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、脂肪族或半芳族聚酰胺、聚乳酸(聚交酯)(PLA)、聚苯并咪唑(PBI)、聚碳酸酯(PC)、聚醚砜(PES)、聚醚亚胺、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚甲基戊烯(PMP)、聚丁烯-1(PB-1)、聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)的组中选择。第一组成可包括陶瓷。第一组成可包括玻璃。
这些第一颗粒可具有至多200μm、至多150μm、至多100μm、至多75μm、至多50μm、至多25μm、至多15μm、至多10μm、至多5μm或至多1μm的尺寸。这些颗粒可具有至少150μm、至少100μm、至少75μm、至少50μm、至少25μm、至少15μm、至少10μm、至少5μm或至少1μm的尺寸。优选地，这些颗粒具有在10μm至100μm范围内的尺寸。更优选地，这些颗粒具有在10μm至50μm范围内的尺寸。
第一材料可以包括添加剂、合金添加剂、助焊剂、粘合剂和/或涂层。第一材料可以包括具有不同组成的颗粒，例如具有不同组成的颗粒的混合物。
第二材料可以是包括第二颗粒的粉末、糊剂、浆液或流体。优选地，第二材料是粉末。这些第二颗粒是固体并且可以包括离散的和/或团聚的(agglomerated)颗粒。
通常，如上所述，第二组成可以包括与第一组成互补的任何材料。因此，第二组成可包括金属或陶瓷或其混合物或包括聚合物的聚合物组合物。第二组成可以包括例如铝、钛、铬、铁、钴、镍、铜、钨和/或其合金的金属。通常，第二组成可包括颗粒可以通过雾化从其生产的任何金属。这些包括金属的第二颗粒可以包括涂层，例如包括聚合物的聚合物组合物。这样的第二颗粒可以通过在低于第一颗粒的融化温度的温度下融化涂层而熔合。第二组成可包括钎焊材料，例如基于铝-硅、铜-银、铜-锌、铜-锡的钎焊合金或非晶钎焊合金。这样的第二颗粒可以典型地具有低于第一颗粒的融化温度的融化温度。第二组成可包括陶瓷，例如耐火材料、沙子、SiO2、SiC、Al2O3、Si2N3、ZrO2。这样的第二颗粒可以典型地具有高于第一颗粒的融化温度的融化温度。
第二组成可以包括包括有聚合物的聚合物组合物，例如：热塑性聚合物。第一组成可以包括包括有聚合物的聚合物组合物，例如：热塑性聚合物。热塑性聚合物可以是均聚物或共聚物。热塑性聚合物可以从由聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、脂肪族或半芳族聚酰胺、聚乳酸(聚交酯)(PLA)、聚苯并咪唑(PBI)、聚碳酸酯(PC)、聚醚砜(PES)、聚醚亚胺、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚甲基戊烯(PMP)、聚丁烯-1(PB-1)、聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)组成的组中选择。
这些具有第二组成的颗粒可以通过雾化而生产，诸如气体雾化或水雾化或本领域中已知的其他方法。这些颗粒可以具有诸如圆形的规则形状，和/或诸如球状、片状或粒状的不规则形状。
这些具有第二组成的颗粒具有至多200μm、至多150μm、至多100μm、至多75μm、至多50μm、至多25μm、至多15μm、至多10μm、至多5μm或至多1μm的尺寸。这些颗粒可具有至少150μm、至少100μm、至少75μm、至少50μm、至少25μm、至少15μm、至少10μm、至少5μm或至少1μm的尺寸。优选地，这些颗粒具有在10μm至100μm范围内的尺寸。更优选地，这些颗粒具有在10μm至50μm范围内的尺寸。
第二材料可以包括添加剂、粘合剂和/或涂层。例如，第二材料可以包括碳、石墨片、碳纤维、石墨烯、碳纳米管，以控制第二材料的热传导。第二材料可包括具有不同组成的颗粒，例如具有不同组成的颗粒的混合物，诸如陶瓷和涂覆的金属颗粒的混合物或陶瓷和钎焊材料颗粒的混合物。
用于由第二材料提供第一支承层的层提供装置可以是跟领域技术人员已知的用于在粉末床设备中提供层的装置。典型地，通过在伸缩床上将诸如第二材料的材料分配到整个基底上而在粉末床设备中提供层，该基底可包括先前提供的层。诸如刀片或小刀的辊子或刮擦器在分配的材料上辊压或擦拭(wipe)，由此形成具有均匀厚度的层。通过缩回(retracting)床以及重复分配和擦拭来提供连续层。
在一个示例中，层提供装置包括设置在第一腔室中的第一伸缩床。通常，伸缩床，例如作为基座，可滑动地布置在腔室中并且设置成在其中滑动地移位。缩回可以被认为是远离腔室的开口端的伸缩床的移位。相反地，伸缩床可以朝向腔室的开口端移位。第一伸缩床提供基座或基底，在该基座或基底上执行增材制造的方法。层提供装置可包括设置在第二腔室中的第二伸缩床。这个第二腔室可以布置成接收一定量的第二材料。层提供装置可包括刮擦器，该刮擦器布置成将接收在第二腔室中的第二材料的一部分转移至在第一腔室中的第一伸缩床。
第一支承层可具有至多500μm、至多200μm、至多150μm、至多100μm、至多75μm、至多50μm、至多25μm、至多15μm、至多10μm、至多5μm或至多1μm的厚度(也称为深度)。第一支承层可具有至少150μm、至少100μm、至少75μm、至少50μm、至少25μm、至少15μm、至少10μm、至少5μm或至少1μm的厚度。优选地，第一支承层具有在10μm至100μm范围内的厚度。更优选地，第一支承层具有在20μm至50μm范围内的厚度。
在第一支承层的暴露表面中的第一凹面提供开放性体积或空洞以接收第一材料。第一凹面可至少部分地围绕沉积在其中的第一材料，例如，在1、2、3、4或5侧。以这种方式，在增材制造方法期间，第二材料可提供用于第一材料的支承。在第一支承层的暴露表面中的第一凹面可包括在其中的凹槽、凹陷、井、槽、沟槽或沟。
用于在第一支承层的暴露表面中限定第一凹面的凹面限定装置可包括例如形成装置和/或去除装置。例如，所述装置可包括机械压头，该机械压头布置成通过第一支承层的机械压痕来限定第一凹面。这样的机械压头例如可以通过点阵头设置。例如，所述装置可包括真空的、磁性的和/或静电去除装置。
在一个示例中，用于在第一支承层的暴露表面中限定第一凹面的凹面限定装置包括用于去除第二材料的一部分的去除装置。
在一个示例中，用于在暴露表面中限定第一凹面的凹面限定装置包括具有真空喷嘴的真空设备，该真空喷嘴布置成在第一支承层的暴露表面的近侧，其中，真空设备能够控制成通过真空抽吸选择性地去除第二材料的一部分，由此在第一支承层的暴露表面中限定第一凹面。真空设备构造成去除至多第一支承层的厚度或深度。真空设备可构造成限定具有平坦底面或底部的第一凹面。例如可通过设备控制通过真空喷嘴的气体流量、真空喷嘴的位置、真空喷嘴与第一支承层的暴露表面的间隔、和/或真空喷嘴的移动速度，以至少部分地限定第一凹面的形状。可选择真空喷嘴的孔、内部形状、外部形状和/或内部直径，以至少部分地限定第一凹面的形状。例如，第一凹面的宽度可以与真空喷嘴的内部直径成比例，例如直接地成比例。
真空喷嘴可具有至多1500μm、至多1250μm、至多840μm、至多600μm、至多510μm、至多410μm、至多340μm、至多260μm、至多210μm、至多150μm、至多100μm、至多60μm、至多25μm或至多10μm的内部直径。真空喷嘴可具有至少1500μm、至少1250μm、至少840μm、至少600μm、至少510μm、至少410μm、至少340μm、至少260μm、至少210μm、至少150μm、至少100μm、至少60μm、至少25μm或至少10μm的内部直径。优选地，真空喷嘴具有至多600μm的内部直径。优选地，真空喷嘴具有在10μm至800μm范围内的内部直径。更优选地，真空喷嘴具有在50μm至600μm范围内的内部直径。
凹面限定装置可布置成将第一凹面限定具有至多3000μm、至多2500μm、至多2000μm、至多1500μm、至多1250μm、至多1000μm、至多750μm、至多500μm、至多400μm、至多300μm、至多250μm、至多200μm、至多150μm、至多100μm、至多50μm、至多25μm或至多10μm的宽度。凹面限定装置可布置成将第一凹面限定具有至少3000μm、2500μm、2000μm、1500μm、至少1250μm、至少1000μm、至少750μm、至少500μm、至少400μm、至少300μm、至少250μm、至少200μm、至少150μm、至少100μm、至少50μm、至少25μm或至少10μm的宽度。
凹面限定装置可布置成移动，例如在1个轴上和/或在2或3个正交轴上平移，和/或绕1个轴和/或2或3个正交轴旋转。以这种方式，根据例如通过制品的一部分的形状的图形所限定的，凹面限定装置可以将第一凹面限定在第一支承层的暴露表面中。凹面限定装置可包括构台，诸如布置成提供这样的移动的2、3、4、5或6轴构台。以这种方式，可以控制真空喷嘴与第一层的暴露表面的间隔。凹面限定装置可包括x-y或x-y-z运动控制。
凹面限定装置可以布置成以至多0.5mm/s、至多1mm/s、至多2mm/s、至多3.33mm/s、至多5mm/s、至多6.67mm/s、至多8.33mm/s、至多10mm/s、至多20mm/s、至多30mm/s、至多50mm/s、至多75mm/s、至多100mm/s、或至多200mm/s的速度移动，例如平移。凹面限定装置可以布置成以至少0.5mm/s、至少1mm/s、至少2mm/s、至少3.33mm/s、至少5mm/s、至少6.67mm/s、至少8.33mm/s、至少10mm/s、至少20mm/s、至少30mm/s、至少50mm/s、至少75mm/s、至少100mm/s、或至少200mm/s的速度移动，例如平移。
如上所述，凹面限定装置可包括多个具有不同几何图形的真空喷嘴。多个真空喷嘴中的真空喷嘴可以是可选择的。例如，多个真空喷嘴可以布置在旋转盘上，并且多个真空喷嘴的真空喷嘴可通过旋转真空喷嘴至所期望的位置来选择。经由选择了的真空喷嘴的抽吸可以是单独地例如经由电磁操作的N向阀来控制。多个真空喷嘴的每个真空喷嘴可以分别地流体联接至不同的颗粒罐，使得不同的材料可以隔绝在不同的颗粒罐中。以这种方式，可以减少材料之间的污染，允许收集的材料的再使用和再循环。例如多个真空喷嘴中的真空喷嘴可以布置成在第一层的暴露表面的上方的至多0.1mm、至多0.2mm、至多0.3mm、至多0.4mm、至多0.5mm、至多0.6mm、至多0.7mm、至多0.8mm、至多0.9mm、至多1.0mm、至多1.5mm、至多2mm、至多3mm、或至多5mm的高度处移动，例如平移。真空喷嘴可以布置成在第一层的暴露表面的上方的至少0.1mm、至少0.2mm、至少0.3mm、至少0.4mm、至少0.5mm、至少0.6mm、至少0.7mm、至少0.8mm、至少0.9mm、至少1.0mm、至少1.5mm、至少2mm、至少3mm、或至少5mm的高度处移动，例如平移。优选地，真空喷嘴布置成在第一层的暴露表面的上方的0.5mm至1.5mm范围内，例如1mm，的高度处移动，例如平移。换言之，真空喷嘴布置成在暴露表面的上方通过间隙(即：高度)分离而移动。以这种方式，可以改进第一凹面的形状的控制。
用于将第一材料的一部分沉积在限定在第一支承层中的第一凹面中的沉积装置可包括打印头，该打印头布置成将第一材料的一部分沉积在第一凹面中。其他沉积装置在本领域中可以是已知的。
打印头可包括材料送料器、材料混合器、材料沉积器和沉积喷嘴中的至少一者。一定量的第一材料可以被储存在材料送料器中。材料送料器可以是例如螺杆送料器，如可以用于粉末材料。附加地和/或可选择地，材料送料器可包括布置成接收第一材料的漏斗。可以提供多个这样的材料送料器，由此提供用于多种不同材料的沉积。
材料混合器可包括搅拌器，该搅拌器布置成搅拌从多个材料送料器接收的多种不同材料，由此提供混合的第一材料。以这种方式，可提供功能梯度的第一材料，其中第一材料的混合物在制品的不同层中是不同的。第一材料或混合的第一材料可提供至材料沉积器。
材料沉积器可包括例如超声分配器。超声分配器是基于振动的材料沉积器，构造成由于超声振动分配材料。在本发明的上下文中，基于振动的沉积器可能特别适用于选择性地沉积材料。这样的超声分配器可包括压电式转换器，该压电式转换器经由联接构件联接至沉积喷嘴。超声分配器还可包括超声频率发生器，该超声频率发生器连接至压电式转换器。通过控制超声分配器的振动，可以控制第一材料的分配率。其他材料沉积器在本领域中可以是已知的。
沉积喷嘴可以包括孔口，通过该孔口在限定在第一支承层中的第一凹面中沉积第一材料的一部分。沉积喷嘴可提供用于来自材料沉积器的第一材料的通路。
沉积喷嘴可具有至多1000μm、至多750μm、至多500μm、至多400μm、至多300μm、至多200μm、至多100μm、至多75μm、至多50μm、至多25μm或至多10μm的内部直径，例如孔口的直径。沉积喷嘴可具有至少1000μm、至少750μm、至少500μm、至少400μm、至少300μm、至少200μm、至少100μm、至少75μm、至少50μm、至少25μm或至少10μm的内部直径。优选地，沉积喷嘴具有至少200μm的内部直径。优选地，沉积喷嘴具有在200μm至750μm范围内的内部直径。更优选地，沉积喷嘴具有在300μm至500μm范围内的内部直径。在沉积喷嘴的内部直径与例如第一颗粒的颗粒尺寸之间的比率优选地是从5至10，以获得第一材料的更加恒定的流量。
沉积装置可布置成移动，例如在1个轴上和/或在2或3个正交轴上平移，和/或绕1个轴和/或2或3个正交轴旋转。以这种方式，沉积装置可以布置成将第一材料的一部分沉积在第一凹面中，例如仅在第一凹面中。以这种方式，可以控制沉积喷嘴与第一凹面和/或第一层的暴露表面的间隔。沉积装置可包括构台，诸如布置成提供这样的移动的2、3、4、5或6轴构台。沉积装置可包括xyz运动设备，该xyz运动设备构造成以所需的位置和/或以所需的量将第一材料的一部分沉积在第一凹面中。
沉积装置可以布置成以至多0.5mm/s、至多1mm/s、至多2mm/s、至多3.33mm/s、至多5mm/s、至多6.67mm/s、至多8.33mm/s、至多10mm/s、至多20mm/s、至多30mm/s、至多50mm/s、至多75mm/s、至多100mm/s、或至多200mm/s的速度移动，例如平移。沉积装置可以布置成以至少0.5mm/s、至少1mm/s、至少2mm/s、至少3.33mm/s、至少5mm/s、至少6.67mm/s、至少8.33mm/s、至少10mm/s、至少20mm/s、至少30mm/s、至少50mm/s、至少75mm/s、至少100mm/s、或至少200mm/s的速度移动，例如平移。优选地，沉积装置布置成以在2mm/s至10mm/s的范围内的速度移动。更优选地，沉积装置可布置成以在3.33mm/s至8.33mm/s的范围内的速度移动，例如平移。
沉积装置可以布置成在第一层的暴露表面的上方和/或第一凹腔的底面的上方的至多0.1mm、至多0.2mm、至多0.3mm、至多0.4mm、至多0.5mm、至多0.6mm、至多0.7mm、至多0.8mm、至多0.9mm、至多1.0mm、至多1.5mm、至多2mm、至多3mm、或至多5mm的高度处移动，例如平移。沉积装置可以布置成在第一层的暴露表面的上方和/或第一凹腔的底面的上方的至少0.1mm、至少0.2mm、至少0.3mm、至少0.4mm、至少0.5mm、至少0.6mm、至少0.7mm、至少0.8mm、至少0.9mm、至少1.0mm、至少1.5mm、至少2mm、至少3mm、或至少5mm的高度处移动，例如平移。优选地，沉积装置布置成在第一层的暴露表面的上方和/或第一凹腔的底面的上方的0.2mm至1mm范围内的高度处移动，例如平移。
沉积装置可构造成沉积至多第一支承层的厚度或深度。例如可通过设备控制通过沉积喷嘴的第一材料的气体流量、沉积喷嘴的位置、沉积喷嘴与第一支承层的暴露表面和/或凹面的间隔、和/或沉积喷嘴的移动速度。可选择沉积喷嘴的孔、内部形状、外部形状和/或内部直径，以至少部分地限定沉积在第一凹面中的第一材料的一部分的形状。
找平装置是用于选择性地找平在第一凹面中的经沉积的第一材料。在一个示例中，找平装置布置成将经沉积的第一材料的暴露表面找平成与第一支承层的暴露表面重合。以这种方式，经沉积的第一材料的一部分的暴露表面与第一支承层的暴露表面共面。例如，沉积装置可包括另外的辊子或刮擦器，诸如刀片或小刀，布置成在第一材料的沉积期间分别在经沉积的第一材料上辊压或擦拭(wipe)，由此形成在具有与第一层相同厚度的第一凹面中的第一材料的层。
在一个示例中，找平装置联接至沉积装置。在一个示例中，沉积喷嘴包括布置在沉积喷嘴的孔口近端的沉积刮擦器(即：找平装置)。沉积刮擦器可包括环。环可布置成在第一材料的沉积期间刮擦第一材料。环可例如通过围绕沉积喷嘴的外部套筒提供。外部套筒越过所述沉积喷嘴的端部突出。沉积刮擦器可具有小于第一凹面的宽度的尺寸，例如直径。例如：沉积刮擦器可比第一凹面的宽度小10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％或90％。沉积刮擦器可具有大致与第一凹面的宽度相同的尺寸，例如直径。沉积刮擦器可具有大于第一凹面的宽度的尺寸，例如直径，例如：沉积刮擦器可比第一凹面的宽度大10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％或100％。以这种方式，通过第一材料的沉积装置和找平的第一材料的一部分的沉积可以与经沉积的第一材料大致同步并且是经沉积的第一材料的局部。以这种方式，可以减少第二材料的污染，同时可以减少在增材制造方法期间所需的许多步骤。
找平装置可以布置成如关于沉积装置所描述的那样移动。
在一个示例中，沉积装置布置成对填充(例如：完全填充或精确填充)由凹面限定装置限定的第一凹面所需的量的第一材料进行沉积。
用于通过至少部分地熔化所述颗粒熔合经沉积的第一材料的一些颗粒的第一熔合装置可包括本领域技术人员已知的例如激光束熔化或电子束融化。在一个示例中，第一熔合装置包括选择性激光融化(SLM)。
在一个示例中，设备包括用于去除经沉积的第一材料的至少一些未熔合颗粒的去除装置。如上所述，例如，去除装置可通过真空设备提供。这个去除装置可包括诸如图像和压痕装置，电荷耦合设备(CCD)照相机、控制器、和软件，构造成识别经沉积的第一材料的任何未熔合颗粒，接下来通过去除装置去除该任何未熔合颗粒。以这种方式，可以减少第二材料的污染。
在一个示例中，设备包括用于熔合第二材料的至少一些颗粒的第二熔合装置。该第二熔合装置可通过第一熔合装置或类似于第一熔合装置提供。以这种方式，可提供由第二颗粒形成的支承结构，具有例如在增材方法期间适合于支承制品或制品的一部分的结构性质。例如：第二材料的至少一些颗粒可通过熔化或烧结来熔合。
在一个示例中，设备包括用于对经沉积的第一材料预加热或者对形成的制品层的第一部分后加热的加热装置。
在一个示例中，设备包括用于对形成的制品层的第一部分进行加工的加工装置。例如，加工装置可包括研磨轮和/或铣刀头，由此，在另一层沉积在形成的制品层的第一部分上之前，对形成的制品层的第一部分加工。以这种方式，可以改进制品的质量和/或尺寸控制。
在一个示例中，设备包括用于提供来自另一支承层的第二材料的一部分的层再使用装置。层再使用装置包括凹面限定装置的至少一部分。层再使用装置可包括构造成将第二材料与例如空气分离的间隔器。层再使用装置可包括布置成接受分离了的第二材料的罐。以这种方式，第二材料可以被再使用或再循环。层再使用装置可类似于第一材料构造。
在一个示例中，设备包括用于将包括具有第三组成的颗粒的第三材料沉积在限定在第一支承层中的第二凹面中，其中，第一组成、第二组成和第三组成是不同的。以这种方式，可以提供多材料增材制造(MMAM)，使得由在不同层中和/或在相同层的不同区域中的、具有不同组成的不同颗粒来构建制品。
在一个示例中，设备包括在其中执行增材制造方法的加工腔室。该加工腔室可提供用于增材制造方法的惰性或反应环境。例如，可排空加工腔室和/或填充惰性气体和/或保护气体，从而在金属的融化期间提供惰性气氛以减少氧化。例如，可排空加工腔室和/或填充反应气体，从而提供反应气氛以增强沉积方法。
在一个示例中，设备包括布置成控制设备的控制器。控制器可包括硬件，电子器件、具有存储器和处理器的计算机设备、和/或软件，该控制器布置成控制设备的特征。控制器可接收制品的模型和控制设备，以形成根据模型的制品。
本发明的第二方面提供由包括具有第一组成的颗粒的第一材料对制品的一部分进行增材制造的方法，该方法包括以下步骤：(i)由包括具有第二组成的颗粒的第二材料提供第一支承层，其中，第一组成与第二组成是不同的；(ii)在第一支承层的暴露表面中限定第一凹面；(iii)将第一材料的一部分沉积在限定在第一支承层中的第一凹面中；(iv)选择性地找平在第一凹面中的经沉积的第一材料；(v)通过至少部分地融化颗粒来熔合经找平的第一材料的至少一些颗粒，由此形成制品的层的第一部分；以及可选地，重复步骤(i)至(v)中的一个或多个步骤。
本发明的第六方面提供由包括具有第一组成的颗粒的第一材料对制品的一部分进行增材制造的方法，该方法包括以下步骤：
(i)由包括具有第二组成的颗粒的第二材料提供第一层，其中，第一组成与所述第二组成是不同的；
(ii)通过使第二材料的一部分抽真空来在第一层的暴露表面中限定第一凹面；
(iii)将第一材料的一部分沉积在限定在第一层中的第一凹面中；
(iv)选择性地找平在第一凹面中的经沉积的第一材料；
(v)通过至少部分地融化颗粒来熔合经找平的第一材料的至少一些颗粒，由此形成制品的层的第一部分；以及
可选地，重复步骤(i)至(v)中的一个或多个步骤。
通常，根据第六方面的方法包括和/或是根据第二方面的具体的方法。因此，第六方面的制品的一部分、第一材料、具有第一组成的颗粒、提供(the providing)、第一层、第二材料、具有第二组成的颗粒、限定(the defining)、第一凹面、第一层的暴露表面、沉积、选择性地找平和/或熔合可以是如第二方面的描述，细节上加以变通。
以这种方式，对于接下来(即：随后的)的层(即：覆盖该层的层)重复进行方法，直到形成完整的制品。以相似的方式可以沉积第三、第四以及更多不同类型的材料。具体地，这允许了在具体的层(即：层内)和/或在连续的层(即：夹层)内形成由多种材料制成的制品，由此增强了以这种方式形成的制品的结构、功能和/或性质。
在一个示例中，方法包括去除经沉积的第一材料的至少一些未熔合颗粒的步骤。在一个示例中，方法包括熔合第二材料的所述颗粒的至少一些颗粒的步骤。在一个示例中，方法包括在熔合的步骤之前的将经沉积的第一材料预加热的步骤。在一个示例中，方法包括对制品的层的所形成的第一部分进行后加热的步骤。在一个示例中，方法包括加工制品的层的所形成的第一部分的步骤。在一个示例中，限定第一支承层的所述暴露表面中的第一凹面的步骤包括将第二材料去除至至多第一支承层的深度。在一个示例中，去除第二材料的一部分包括使第二材料的一部分抽真空。在一个示例中，选择性地找平在所述第一凹面中的经沉积的第一材料的步骤包括将经沉积的第一材料的一部分的暴露表面找平成与第一层的暴露表面重合。在一个示例中，熔合经沉积的第一材料的一些颗粒的步骤包括经沉积的第一材料的选择性激光融化(SLM)。在一个示例中，所述第二材料的一部分从另一层获得。在一个示例中，包括以下步骤：(vi)在第一支承层中限定第二凹面；(vi i)在限定在第一支承层中的第二凹面中沉积包括具有第三组成的颗粒的第三材料的一部分，其中，第一组成、第二组成和第三组成不同；(viii)选择性地找平在第一凹面中的经沉积的第一材料；以及(ix)熔合经沉积的第三材料的一部分，由此形成由第二材料的经熔合的部分制成的制品的层的第二部分。在一个示例中，方法包括任何步骤或如与第一方面有关所述的步骤。
本发明的第三方面提供根据第二方面的制品制造。
本发明的第四方面提供包括具有第二组成的颗粒的第二材料的用途，第二材料作为支承材料，用于由包括具有第一组成的颗粒的第一材料对制品的一部分进行选择性激光熔化增材制造。第一材料和第二材料可以如本文中所述。
附图说明
为了更好的理解本发明，并且为了示出本发明的示例性实施例是如何实施的，将仅以示例的方式参考所附示意性的附图，其中：
图1示意性地描绘了根据本发明的示例性实施例的设备；
图2更详细地示意性地描绘了根据图1的设备；
图3示意性地描绘了根据本发明的示例性实施例的另一个设备；
图4A至4C更详细地示意性地描绘了根据图3的设备的零件；
图5更详细地示意性地描绘了根据图3的设备的零件；
图6A至6K描绘了通过根据图3的设备所限定的凹面的光学照片；
图7A至7C描绘了用于根据图6A至6K的凹面的结果曲线图；
图8A至8D更详细地示意性地描绘了根据图3的设备的零件；
图9A至9C描绘了通过根据图3的设备沉积的第一材料的结果曲线图；
图10A至10D描绘了通过根据图3的设备沉积的第一材料的结果；
图11示意性地描绘了根据本发明的示例性实施例的增材制造的方法；
图12更详细地示意性地描绘了根据图11的增材制造的方法；
图13更详细地示意性地描绘了根据图11的增材制造的方法的一部分；
图14示意性地描绘了根据本发明的示例性实施例的设备；
图15A示意性地描绘了根据本发明的示例性实施例的增材制造的方法；
图15B描绘了通过根据图14的设备沉积的第二材料和第一材料的光学照片；
图16更详细地示意性地描绘了根据图11的增材制造的方法的一部分；
图17A示意性地描绘了通过根据图14的设备沉积的第二材料和第一材料，以及图17B至17C描绘了通过根据图14的设备沉积的第二材料和第一材料的光学照片；
图18A至18B更详细地分别描绘了图17B和17C的第二材料和第一材料的光学照片；
图19A描绘了图18A的第二材料和第一材料的扫描电子显微镜(SEM)图像，以及图19B至19D描绘了图19A的第二材料和第一材料的对应的能量色散谱(EDS)图像；
图20A描绘了图18B的第二材料和第一材料的扫描电子显微镜(SEM)图像，以及图20B至20F描绘了图20A的第二材料和第一材料的对应的能量色散谱(EDS)图像；
图21描绘了图17B和17C的第二材料和第一材料的维氏硬度(Vickers hardness)曲线图；
图22A至22C描绘了通过根据图14的设备沉积的第二材料和第一材料的光学照片；以及
图23示意性地描绘了根据本发明的示例性实施例的设备的一部分。
具体实施例
图1示意性地描绘根据本发明的示例性实施例的设备100，该设备100用于由包括具有第一组成(composition)的颗粒的第一材料对制品的一部分进行增材制造。具体地，设备100包括层提供装置(means)110、凹面限定装置120、沉积装置130、找平装置140、以及第一熔合装置150，该层提供装置110用于由包括具有第二组成的颗粒的第二材料提供第一支承层，其中，第一组成与第二组成不同；该凹面限定装置120用于在第一支承层的暴露表面中限定第一凹面；该沉积装置用于在限定在第一支承层中的第一凹面中沉积第一材料的一部分；该找平装置140用于在第一凹面中选择性地找平经沉积的第一材料；该第一熔合装置150用于通过至少部分地融化颗粒熔合在第一凹面中的找平的第一材料的一些颗粒，由此形成制品层的第一部分。由于第一组成和第二组成是不同的，因此在减少第一材料的消耗的同时，可以根据它们各自的用途、它们的去除诸如支承结构的第二材料的便利性来选择它们各自的性质。此外，由于减少了第一材料和第二材料的交叉污染，改进了第一材料和/或第二材料的再使用和再循环。
图2更详细地示意性地描述根据图1的设备。如上所述，设备100还可选择地包括去除装置251，该去除装置251用于去除至少一些经沉积的第一材料的未使用颗粒。如上所述，设备100还可选择地包括第二熔合装置252，该第二熔合装置252用于熔合第二材料的至少一些颗粒。如上所述，设备100还可选择地包括加热装置253，该加热装置253用于对于经沉积的第一材料进行预加热或对形成的制品层的第一部分进行后加热。如上所述，设备100还可选择地包括加工装置254，该加工装置254用于对形成的制品层的第一部分进行加工。如上所述，设备100还可选择地包括层再使用装置255，该层再使用装置255用于提供来自另一支承层的第二材料的一部分。如上所述，设备100还可选择地包括加工腔室256，在该加工腔室256中执行制造方法。如上所述，设备100还可选择地包括控制器257，该控制器257布置成控制设备100。
图3示意性地描绘了根据本发明示例性实施例的另一设备300。如关于图1和2的描述，类似的附图标记指代相似的特征。根据本发明的示例性实施例，设备300用于由包括具有第一组成的颗粒的第一材料P1对制品A的一部分进行增材制造。具体地，设备300包括层提供装置310、凹面限定装置320、沉积装置330、找平装置340、和第一熔合装置350。该层提供装置310用于由包括具有第二组成的颗粒的第二材料P2提供第一支承层，其中第一组成和第二组成不同；该凹面限定装置320用于在第一支承层的暴露表面中限定第一凹面；该沉积装置330用于在限定在第一支承层中的第一凹面中沉积第一材料的一部分；该找平装置340用于选择性地找平在第一凹面中的经沉积的第一材料；该第一熔合装置350用于通过至少部分地融化颗粒来熔合在第一凹面中的经找平的第一材料的一些颗粒，由此形成制品层的第一部分。如上所述，层提供装置310包括粉末供应腔室315、构建腔室317和刀片302。如上所述，粉末供应腔室315和构建腔室317包括伸缩床(beds)。层提供装置310还包括备用(spare)粉末腔室318。层提供装置310将在下面参照图4进行更详细的描述。凹面限定装置320将在下面参照图5至7进行更详细的描述。凹面限定装置320安装在X-Y平台(stage)，具有Z轴平台，提供了在三个正交方向上的移动。沉积装置330将在下面参照图8至10进行更详细的描述。沉积装置330安装在X-Y平台(stage)，具有Z轴平台，提供了在三个正交方向上的移动。找平装置340将在下面参照图8至10进行更详细的描述。找平装置340联接至沉积装置330，安装在X-Y平台(stage)，具有Z轴平台，提供了在三个正交方向上的移动。第一熔合装置350包括第一激光源361、第一x-y或x-y-z检流计扫描仪(galvo scanner)362和激光控制器363。第一激光源361可提供具有在10μm-200μm之间的光斑尺寸的第一激光束L1。合适的激光源在本领域中是已知的。如上所述，设备300还包括布置成控制设备300的控制器357。设备300包括去除装置，该去除装置用于去除通过凹面限定装置320提供的、经沉积的第一材料的至少一些未熔合的颗粒。设备100还包括第二熔合装置352，该第二熔合装置352用于熔合第二材料的至少一些颗粒。第二熔合装置352包括第二激光源364、第二x-y或x-y-z检流计扫描仪(galvo scanner)365和激光控制器363。第二激光源362可提供在2mm至20mm之间的光斑尺寸的第二激光束L2。第二激光源362布置成控制用于处理诸如陶瓷和合金的材料的热梯度和冷却速率，以防止破裂。合适的激光源在本领域是已知的。第一熔合装置350和第二熔合装置352布置成由它们各自的激光源提供的激光束L1和L2不是同轴的，即：离轴。第一熔合装置350和第二熔合装置352通过控制器357控制并且经由信号交换(handshake)机构同步。为了热管理以控制热梯度和剩余应力的目的，使来自第二熔合装置352的第二激光束L2散焦。这个对于融化陶瓷(高熔点)或非常薄的金属是有用的，在陶瓷(高熔点)或非常薄的金属变形可能是问题。第二激光束L2可以不在相同的光斑上，并且可以与来自第一熔合装置350的主要熔合激光束相分离。第二激光束L2不融化材料，但为材料加热以管理在整个制品上的热分布，以使热平衡以减少变形和热应力。设备100还包括用于对经沉积的第一材料预加热或者对形成的制品层的第一部分后加热的加热装置353。加热装置353包括第二熔合装置352和加热器366。设备300还包括用于提供来自另一支承层的第二材料的一部分的层再使用装置(未示出)。如上所述，设备300还包括加工腔室356，在该加工腔室356中执行增材制造方法。加工腔室356包括可密封的罩(enclosure)367、真空泵368、压力传感器369、氧传感器370和氩气供应(supply)371。
图4A至4C更详细地示意性地描述根据图3的设备300的零件。图4A是从上方看的设备300的剖面等轴测视图。图4B是从下方看的设备300的破面等轴测视图。图4C是从上方看的设备300的局部等轴测视图。层提供装置310(也称为支承粉末输送系统)布置成将作为粉末提供的第二材料(支承材料)展开(spread)。通过动作受控线性平台316驱动，粉末从储存腔室315供应并且用刀片302展开和找平，由此在构建腔室317的伸缩床的暴露表面上提供厚度在50μm-200μm范围中的第一层。未熔合的粉末被收集(collected)在备用粉末收集(gathering)腔室318中。根据需要，在加工期间，分别通过螺杆齿轮升降机420和421驱动的、在腔室315和317中的两个活塞向上或向下移动。采用安装在腔室315和317外部的板式电热传导加热器419和432对第一材料预加热并且维持该部分的温度，以减少热梯度。凹面限定装置320安装在X-Y平台411、414，具有Z轴平台424，提供在三个正交方向上的移动。沉积装置330安装在X-Y平台411、414，具有Z轴平台423，提供在三个正交方向上的移动。
图5更详细地示意性地描述根据图3的设备的零件。具体地，图5更详细地示意性地描述凹面限定装置320。如在图5中所描述的，一组四个适配器管534安装在转盘533上，通过经由同步带轮531和同步带532而旋转的步进马达529来驱动。具有不同几何形状的真空喷嘴(也称为抽吸针)535分别插入在适配器管534的每个适配器管中。步进马达529根据通过控制器357发送的脉冲信号将转盘533转动给定的角度，并且将所需的抽吸针535放置在所期望的位置中。通过微型真空泵536产生的气流基于例如旋风无袋真空除尘原理来去除在粉末床上的颗粒。由于“空气颗粒”分离器527的几何设计，产生涡流并且颗粒并收集进入固定在分离器527的底部的四个颗粒罐528中。每个真空喷嘴535单独地流体联接至不同的颗粒罐528，使得不同的材料可以隔绝在不同的颗粒罐528中。以这种方式，可以减少材料之间的污染，允许收集的材料的再使用和再循环。“空气颗粒”分离器与电磁操作的N向阀526连接(linked)。因此仅真空抽吸通道中的一个方向可以根据通过控制器357发送的信号来工作。空气流速通过流量控制阀537来控制。过滤器538插入到用于保护流量控制阀537和微型真空泵536的管线中。真空喷嘴535和气体压力(即：气体流速)以下述方式设计：仅支承材料中的一层在特定的位置处被去除，即：使得第一凹面的深度至多一层和/或一层。这些参数可以取决于支承材料的类型。在使用中，真空喷嘴535的端部保持在高于待去除的颗粒的暴露表面1.0mm的高度处。在第一材料的一部分沉积在第一凹面中并且一些颗粒熔合于其中之后，安装在罩367的壁上的机器视觉相机403检测在暴露表面上的交叉污染或未熔合的第一粉末。收集的图像与3D模型的理论上切制的横截面进行比较，并且识别剩余的第一材料和/或污染物。凹面限定装置320布置成从暴露表面去除这样的剩余的第一材料或污染物。
图6A至6K描述了通过凹面限定装置320限定的凹面C的光学照片。具体地，图6A至6K描述了通过根据方波模式而从左到右交互书写式地来回移动的凹面限定装置320所限定的凹面的光学照片。具有大约100μm的均匀厚度的第一层包括具有38μm的平均直径的第二材料P2铜颗粒。如下面详述的，真空喷嘴535的内部直径从0.06mm至1.25mm而变化。如下面表1中详述的，图6A至6K分别涉及0.06mm、0.10mm、0.15mm、0.21mm、0.26mm、0.34mm、0.41mm、0.51mm、0.60mm、0.84mm和1.25mm的真空喷嘴535的内部直径。
Figure GDA0003834654510000251
表1：真空喷嘴的内部直径、外部直径和长度
图6A至6K描述了当真空喷嘴535的内部直径增加时，限定的凹面的宽度W通常增加。然而，在0.51mm之上的内部直径(即：0.60mm、0.84mm和1.25mm)，限定的凹面的宽度W和/或深度D变得不稳定。相反，对于在0.06mm至0.51mm范围内的内部直径，限定的凹面的宽度D看起来是恒定的。表2总结了用于具有不同内部直径的真空喷嘴535的限定的凹面的测量宽度W的结果。当真空喷嘴内部直径增加时，平均宽度W及其标准偏差增加。在不期望被任何理论绑定的情况下，平均宽度W是真空喷嘴的外部直径的大约1.5倍。因此，当设计工具路径时，应该使用是真空喷嘴外部直径小1/1.5的舱口距离(hatch distance)，从而导致真空区域在相邻限定的腔(cavities)之间重叠。
Figure GDA0003834654510000261
表2：用于不同内部直径的限定的凹面宽度W。
图7A至7C描述了用于根据图6A至6K的凹面的结果曲线图。图7A描述了紧靠真空喷嘴的内部直径所描绘的限定的凹面的平均宽度W的曲线图。对于在范围从0.06mm至1.25mm中的内部直径而言，平均宽度W直接地与真空喷嘴的内部直径成比例。图7B描述了紧靠真空喷嘴的外部直径所描绘的限定的凹面的平均宽度W的曲线图。对于在从0.23mm至1.60mm范围中的外部直径而言，作为真空喷嘴的外部直径的函数(function)的平均宽度W是常数。图7C描述了紧靠真空喷嘴的内部直径所描绘的计算的相对流量比的曲线图。相对流量比是根据通用(general)可压缩流量方程(equation)(口袋工程师(Pocketengineer)2015)确定：
Figure GDA0003834654510000262
其中，Q是流量，d是管道内部直径，P1是上游压力，P2是下游压力，L是管道长度，T是平均管线温度，以及f是穆迪摩擦系数。如在图7C中所描述的，相对流量比作为真空喷嘴的内部直径的函数以指数方式增加。此外，在0.60mm内部直径之上相对流量比显著增加。根据通过风引起的颗粒运动的原理模型(W.G.尼可林(Nicklin)，1988)，有拿走沙或灰尘的临界剪切速度并加入空气流量/风。如上所述，高于0.51mm的内部直径(即：0.60mm、0.84mm和1.25mm)，限定的凹面的宽度W和/或深度D变得不稳定，与这个模型一致。因此，应当使用内部直接小于0.60mm，从而保持颗粒的去除准确性。
图8A至8D更详细地示意性地描述了根据图3的设备300的零件。具体地，图8A至8D更详细地描述了沉积装置330。图8A是沉积装置330和找平装置340的剖面等轴测视图，其可以被称为打印头。图8B是在使用中的沉积装置330的示意图。沉积装置330包括材料送料器860、材料混合器870、材料沉积器880和沉积喷嘴890。沉积装置330和联接至其的找平装置340能够在X-Y移动平台上或构台(gantry)上移动，从而第一材料的一部分可以沉积在限定于第一支承层中的第一凹面中。材料送料器860包括两个螺杆粉末送料机837，每个螺杆粉末送料机具有螺杆轴838。材料混合器870包括具有将粉末混合器839分为两部分的横壁846的粉末混合器839、粉末搅拌腔室和粉末混合物储存腔室、在粉末搅拌腔室中的螺杆轴838和在粉末混合物储存腔室中的槽轴845。材料沉积器880包括基于振动的沉积器，包括压电式转换器(PZT)840、联接构件841、漏斗842、沉积喷嘴843和超声频率发生器851。压电式转换器840联接至超声振动发生器851。通过超声频率发生器851输出的高频AC(交流)电压包括引发联接构件841和沉积喷嘴843的振动。超声振动的波形特征至少部分地控制粉末流的开关和流量。如下所述，沉积喷嘴890联接至找平装置340，提供了沉积/刮擦喷嘴843，布置成同时沉积第一材料和局部地刮擦第一材料。如图8B中所示，多种粉末材料分别储存在两个螺杆粉末送料机837。在粉末送料机837中的螺杆轴838通过步进马达836驱动。使用中，由于螺杆轴838的旋转，一定剂量的粉末从螺杆轴838的螺杆槽并落入粉末混合器839中，每个螺杆粉末送料机837的总重量通过安装在每个粉末送料机837的底部上的精密负荷传感器850测量并实时传送至控制器357。控制器357将这个重量与预定设定值比较并且在超出相应的重量阈值的情况下对步进马达836发出停止指令。以这种方式，粉末混合物组成可以被精确地编程，允许制品由功能梯度材料构建。横壁846将粉末混合器839分隔成2部分。即：粉末搅拌腔室和粉末混合物储存腔室。在所有的材料都充分地搅拌的期间，通过螺杆轴838的转动，所有的颗粒被从腔室的左侧携带至右侧。一致地分配的狭槽组沿着轴的轴线在轴845的表面上加工。这个狭槽轴845的旋转控制颗粒间断地流动。轴845和846分别通过两个步进马达848和849驱动。图8C是更详细的材料沉积器880的横截面图。材料沉积器880还包括第一狭槽支架803、橡胶垫圈805，该第一狭槽支架803滑动地联接至第二支架804，从而可以调整超声分配器的高度；该橡胶垫圈805布置成将PZT840与联接构件841热隔绝，该联接构件841布置成将PZT840联接至沉积喷嘴843。联接构件841由金属制成并且是薄的以改进振动传递。管状沉积喷嘴843包括漏斗842以在其第一端部处接收来自粉末混合器870的第一材料。找平装置340包括联接在沉积喷嘴843的第二端部处的外部缸套(cylinder sleeve)812。缸套812布置成通过减少经沉积的第一材料的轨道宽度、控制经沉积的第一材料的高度和/或控制经沉积的第一材料的横截面形状、诸如梯形形状来部分地控制第一材料的沉积。沉积喷嘴843的孔口的直径与例如第一颗粒的颗粒尺寸之间的比率通常是从5至10，以获得第一材料的更加恒定的流量。材料沉积器880通过第一支架803联接至构台Y轴的滑块(slip block)。两个M4螺钉和螺母用于联接支架803和804，从而可以调节PZT 840的高度。PZT 840联接至支架804，具有其在电压振铃的中部和底部处的正电极和负电极连接至超声振动发生器。PZT840、橡胶垫圈805和联接构件807通过M10螺钉、M10螺母和锁定垫圈联接。振动可以通过金属支架807从PZT840传输至沉积喷嘴843。沉积喷嘴843的内部直径典型地通过粉末尺寸来确定，该内部直径通常为0.2mm至0.5mm。以这种方式，经沉积的第一材料的轨道的宽度是恒定的并且轨道的横截面是梯形。图8D是沉积喷嘴843的横截面视图。管状沉积喷嘴843包括漏斗842，以在其第一端部处接收来自粉末混合器870的第一材料。找平装置340包括在沉积喷嘴843的第二端部处联接的外部缸套812。缸套812布置成通过减少经沉积的第一材料的轨道宽度、控制经沉积的第一材料的高度和/或控制经沉积的第一材料的横截面形状、诸如梯形形状来部分地控制第一材料的沉积。沉积喷嘴843具有在0.2mm至0.5mm范围内的可选地内部直径(即：孔口直径)。缸套812具有0.7mm的内部直径。缸套812延伸超过沉积喷嘴843的第二端部0.5mm的距离，从而通过减少经沉积的第一材料的轨道宽度、控制经沉积的第一材料的高度和/或控制经沉积的第一材料的横截面形状、诸如梯形形状来部分地控制第一材料的沉积。具体地，缸套812用作刮擦器(scraper)，由此沉积喷嘴843布置成同时沉积第一材料和局部地刮擦第一材料。相反地，用传统的刀片302刮擦经沉积的第一材料可使第一材料和第二材料交叉污染和/或可导致经沉积的第一材料的不均匀的厚度，诸如局部空洞。
图9A至9C描述了通过根据图3的设备所沉积的第一材料的结果曲线图。图9A描述在20秒的时间段内在平坦表面上作为轨道沉积的第一粉末的量(mass)(即：流量)对(versus)沉积喷嘴843的孔口直径的曲线图，用于200μm、300μm、400μm和500μm的孔口直径。第一材料包括平均直径为38μm的干燥铜颗粒。PZT参数是在28kHz下60W。对于大于200μm的孔口直径，流量直接与孔口直径成比例并且获得稳定的流量。然而，对于200μm的孔口直径，流量不稳定。因此，例如，对于具有38μm的平均直径的颗粒而言，优选是大于200μm的孔口直径。例如第一颗粒的孔口直径和颗粒尺寸的比率通常是从5至10，以为了获得第一材料的更加稳定的流量。对于在平坦表面之上的沉积喷嘴843的两个不同高度H(1mm和在0.3mm和0.4mm之间)，图9B描述了轨道宽度对用于0.4mm(400μm)的孔口直径的扫描速度的曲线图。描述了用于四个不同的扫描速度的结果，分别是3.33mm/s、5mm/s、6.67mm/s和8.33mm/s。在相同的速度下，对于1mm高度所获得轨道宽度低于较低高度所获得的轨道宽度。对于相同的高度H，轨道宽度随着扫描速度的增加而减小。对于在平坦表面之上的沉积喷嘴843的两个不同高度H(1mm和在0.3mm和0.4mm之间)，图9C描述了轨道高度对用于0.4mm(400μm)的孔口直径的扫描速度的曲线图。描述了用于四个不同的扫描速度的结果，分别是3.33mm/s、5mm/s、6.67mm/s和8.33mm/s。与较低高度H相比，即使在1mm高度H处的轨道宽度是更低的，相应的轨道高度是高的并且与层厚相等。相反地，在0.3mm至0.4mm之间的较低高度H处的轨道高度作为扫描速度的函数是相对恒定的并且它几乎等于高度H。
图10A至10D描述了通过根据图3的设备沉积的材料的结果。图10A和10B分别描述了在1mm以及在0.3mm和0.4mm之间的两个高度H处沉积的轨道的平面图(I&ii)以及横截面轮廓(iii)。对于1mm的高度H而言，轨道具有三角形的轮廓并且粉末分散在轨道边缘处。对于在0.3mm和0.4mm之间的高度H而言，轨道具有梯形的轮廓并且轨道边缘质量是改进的。在不希望受任何理论捆绑的情况下，梯形的横截面轮廓对于在第一凹面中的第一材料的一部分的沉积是优选的。图10C示意性地描述了测量轨道宽度和作为高度H的函数的轨道高度的方法。具体地，第一材料沉积在倾斜的平坦表面上，从而高度H从在0.5mm和0.6mm(即：约0.55mm)之间至在0.1mm和0.2mm(即：约0.15mm)线性地变化。对于不同的轨道，扫描速度是3.33mm/s、5mm/s、6.67mm/s和8.33mm/s。图10D示出了关于图10C所描述的方法沉积的5条轨道的图像的平面图。对于不同的扫描速度，导致梯形横截面轮廓的高度的范围分别是对于3.33mm/s是少于0.48mm、对于5mm/s是0.33mm、对于6.67mm/s是0.3mm以及对于8.33mm/s是0.25mm。因此，对于具体的速度，当高度H是约0.3mm时，轨道宽度和横截面形状是稳定的。
图11示意性地描述了根据本发明的示例性实施例的增材制造的方法。增材制造的方法是由第一材料制成制品的一部分，该第一材料包括具有第一组成的颗粒(即：构件材料)。在S1101处，由第二材料提供第一支承层，该第二材料包括具有第二组成的颗粒(即：支承材料)，其中，该第一组成和第二组成是不同的。在S1102处，第一凹面限定在第一支承层的暴露表面中。在S1103处，第一材料的一部分沉积在限定在第一支承层中的第一凹面中。在S1104处，经沉积的第一材料的至少一些颗粒通过至少部分地融化颗粒而熔合，由此形成制品的层的第一部分。可选地，在S1105处，重复步骤S1101至S1104中的一个或多个步骤。
图12更详细地示意性地描述了根据图11的增材制造的方法。在S1201处，由第二材料提供第一支承层，该第二材料包括具有第二组成的颗粒，例如，使用根据传统SLM方法的刮擦器。可选地，在S1202处，通过第一激光束预热至少一部分第二颗粒。可选地，在S1203处，通过第二激光束融化或烧结至少一些第二颗粒。在S1204处，通过根据对于第一支承层的深度的预定的模式(pattern)去除第二颗粒，将第一凹面限定在第一支承层的暴露表面。在S1205处，例如通过超声振动分配器或压力脉冲辅助分配器，第一材料的一部分沉积在限定在第一支承层中的第一凹面中。可选地，在S1206处，通过第一激光束预热至少一些第一颗粒。在S1207处，经沉积的第一材料的颗粒的至少一些由第二激光束通过至少部分地融化颗粒来熔合，由此形成制品的层的第一部分。可选地，在S1208处，例如通过将层的暴露表面的图像与制品的3D模型的相应的层做比较，探测到未熔合的第一颗粒。可选地，在S1209处，去除这样的探测到的未熔合的第一颗粒。可选地，在S1210处，部分构件平台向下移动一个层的厚度。可选地，重复步骤S1201至S1210中的一个或多个。
图13更详细地示意性地描述根据图11的增材制造的方法的一部分。在S1300处，构建了3D模型，该3D模型包括零件(parts)。在S1301处，3D模型零件转换至STL文档。在S1302处，STL文档通过阅读、显示和/或转换来处理。在S1303处，STL文档被核查和/或修复。在S1304处，材料属性被附接至每个STL文档。在S1305处，组合所有的STL文档以形成组件模型。在S1306处，生成在组件模型上的支承结构。在S1307处，将组件模型分成部分。在S1308处，分割的文档通过充填、激光补偿和/或相似形式的识别来处理。在S1309处，生成用于检流计扫描仪的扫描路径。在S1310处，生成用于选择性的粉末的去除的工具路径。在S1311处，生成用于选择性的粉末的沉积的工具路径。在S1312处，输入激光输入参数、粉末抽吸参数和/或粉末沉积参数。在S1313处，生成NC(数控)代码。在S1314处，监控处理。在S1315处，保存处理参数。
实验材料和过程
材料
在这个调查中使用气体物化球形316L不锈钢粉末(LPW-718-AACF,10-45μm,LPW技术有限公司，UK)、In718镍合金粉末(LPW-316-AAHH,10-45μm LPW技术有限公司，UK)、和10-45μm直径的Cu10Sn铜合金球形粉末(马金金属粉末有限公司(Makin Metal PowdersLtd.)，UK)。磨光304钢基板具有120mm直径和12mm厚度的尺寸。在表3中呈现材料化学组成。
Figure GDA0003834654510000311
Figure GDA0003834654510000321
表3：在这个调查中使用的粉末的化学组成和基底
实验设定
图14示意性地描述根据本发明的示例性实施例的设备。图14示出多种材料SLM系统的示意图。在这个研究中设计并制造了特别的多种材料SLM原型设备(见图14)。x-y-z检流计扫描仪(Nutfield,3XB 3轴)用于在目标粉末床的上方扫掠(scan)具有从500W镱单一模式的、1070nm波长的连续波(CW)光纤激光器(IPG光电，YLR-500-WC)所生成的80μm射束点(beam spot)尺寸的激光束。多粉末传送系统结合了传统的辊子辅助粉末床输送机构和逐点式真空吸盘以及若干个超声粉末分配器，该传统的辊子辅助粉末床输送机构展开主要的构建材料(在这个研究中是316L)，该逐点式真空吸盘用于在特定位置处的选择性的、精准的单一层粉末去除，该若干个超声干燥粉末分配器根据设计的形式精确地分别沉积In718和Cu10Sn粉末。超声粉末分配器与真空吸盘(sucker)一起安装在x-y线性平台(stage)。处理操作是在惰性气体环境中，该惰性气体环境充满氮气或氩气，具有氧气水平少于0.3％，其由实时内置氧气传感器监控。在充填惰性气体之前，操作腔室用真空泵抽真空低至40Pa。烟气提取系统构建在系统中，以去除生成的烟气。虽然系统具有内置预加热设施，这在本调查中没有使用。在图14中示出实验性设定的示意图。
图15A示意性地描述了根据本发明示例性实施例的增材制造的方法。具体地，图15A示出多种材料SLM的方法流程图。图15A描述了在这个调查中实施的多种材料SLM方法。首先，主粉末材料，即316L，用受监控的辊子和粉末找平刀片在基底上展开50μm厚度的一层。接着，激光束融化期望的区域。选择性的粉末去除处理接着发生以去除在限定的区域中的单一层厚度的粉末，使用真空吸盘。第二/第三材料粉末(In718/Cu10Sn)接着使用超声粉末分配器分配至真空抽吸区域并且接着通过激光束融化并且与已经融化的区域结合。最终，构建平台向下移动等于层厚度的距离。重复以上所有的6个步骤直到制造出这个3D模型。
图15B描述了通过根据图14的设备沉积的第二材料和第一材料的光学照片。具体地，图15B示出了在熔合前，通过在316L粉末层上的超声沉积和选择性粉末真空抽吸所产生的半阴阳图形和Cu10Sn盒。图15B展示了在激光熔合前，通过在316L粉末床层上的超声沉积(Cu10Sn)和选择性粉末真空抽吸所产生的初步实验性的样本。由于真空抽吸喷嘴的扩大区域的宽度大于工具路径补偿值，有一些边界靠近如通过红色箭头所指示的边缘。这样的问题通过在下面的实验中的真空抽吸工具路径优化而解决。
图16更详细地示意性地描述了根据图11的增材制造的方法的一部分。因为对于多材料SLM而言没有软件工具，开发了新的数据准备程序和工具。如在图16中所示，多材料部件被认为是组件，包括一组单一材料零件(parts)。为了增强结合，所有这些零件用特别的特征设计在材料界面(interface)上。接着它们组装在一起成为单一部件。在SLM方法数据准备阶段，所有单独材料的几何结构被传送至STL格式(format)中。在用于每个材料的所有STL文档组装在一起之后，接着创建整体支承结构。随后，分别发生用于每个材料的分割(slicing)和填充(hatching)并且结果被输出至激光控制系统。用于选择性的粉末真空去除和超声粉末沉积的工具路径和CNC G代码通过专有的CNC CAM软件工具准备。在表4中呈现用于熔合在这个调查中使用的3种材料的激光处理参数。这些是从许多实验中获得，以达到最佳的融化质量和处理效率。
材料 316L In718 Cu10Sn
激光功率(W) 170 180 125
扫描速度(mm/s) 800 857 150
Hatch距离(μm) 45 45 140
相对hatch角度(°) 90 90 90
层厚(μm) 50 50 50
表4：用于多材料SLM最佳激光处理参数
材料表征
SLM部分的横截面通过切割、安装、用400#,800#,1000#,and 1200#的网格砂纸研磨来准备，并且最终使用1.0μm钻石抛光糊剂。抛光的样本是在10vol.％的草酸溶液中电蚀刻。材料界面的光学显微图像使用莱卡(Leica)DM2700-M显微镜来获得。Durascan-80硬度测试仪用于测量在样本上的维式显微硬度，该样本具有在Cu10Sn上的0.3kgf施加的负载和在316L/In718部分上的0.5kgf施加负载。使用扫描电子显微镜(SEM，Zeiss Sigma VP FEGSEM)检查在316L/In718和316L/Cu10Sn之间的界面，该扫描电子显微镜装备有用于元素映射的能量色散谱(EDS，牛津仪器X-maxN 150)。
实验结果
图17A示意性地描述了通过根据图14的设备沉积的第一材料和第二材料，以及图17B至17C描述了通过根据图14的设备沉积的第一材料和第二材料的光学照片。具体地，图17A至17C示出实验性样本以研究多材料界面：图17A示出“图交叉(figure-cross)”双材料界面的示意；以及图17B和17C分别是方法了的20x 20mm 316L/In718和316L/Cu10Sn样本的顶视图。打印具有4mm宽度的“插指”连结器区域的特定的20x 20平方毫米多层样本，以调查如用于316L/In718和316L/Cu10Sn双材料样本(图17B和17C)的图17A中所示的多材料界面。
图18A至18B更详细地分别描述了图17B和图17C的第一材料和第二材料的光学照片。具体地，图18至18B示出多材料界面的光学显微图像：图18A示出远离基底的316L/In718界面；以及图18B示出靠近基底的316L/Cu10Sn界面。在图18A至18B中示出多材料界面的横截面图的光学显微图像，在图18A至18B中，在图18A中的超声沉积粉末区域中发现了一些孔隙。图18B呈现了在304SS基底、316LSS层、和Cu10Sn层之间的良好的结合。还有Cu渗透至之前融化的316L层的证据(见在图18B中通过箭头所指的位置)。
图19A描述了图18A的第一材料和第二材料的扫描电子显微镜(SEM)图像，以及图19B至图19D描述了图19A的第一材料和第二材料的能量色散谱(EDS)图像。具体地，图19A至19D示出316L-In718界面的SEM图像和EDS映射。图19A示出316L-In718界面的SEM图像；图19B示出316-In718界面的EDS映射；图19C和图19D分别示出316L-In718界面的Fe和Ni映射。图19A呈现在图19A中所描述的区域的SEM图像，在其中，观察到一些裂缝。EDS映射结果(图19B至19D)示出：大多数这样的缺陷分布在通过超声喷嘴沉积的、由红色箭头指示的In718合金粉末区域中。还发现如图19B中的椭圆形区域中所示的一些316L/In718中间混合区域。合适的材料矩阵将能够实现较低的重量体积比率，以及较高的硬度或韧度。在之前的研究中，预混合材料用于来实现这点，而我们的研究显示材料可以在期望的区域中混合以实现所需的过渡(transition)性质。
图20A描述了图18B的第一材料和第二材料的扫描电子显微镜(SEM)图像，以及图20B至20F描述了图20A的第一材料和第二材料的对应的能量色散谱(EDS)图像。具体地，图20A至20F示出了316L-Cu10Sn界面的SEM图像和EDS映射。图20A示出316L-Cu10Sn界面的SEM图像；图20B示出316L-Cu10Sn界面的EDS映射；以及图20C至20F分别示出316L-Cu10Sn界面的Fe、Sn、Ni和Cu映射。316L/Cu10Sn样品的SEM评估(图20A)揭示在316L和304基底之间的界面和316L/Cu10Sn界面处的良好的冶金结合。随着通过粉末扩展辊子增加层，在熔合的316L区域中没有明显的缺陷呈现。另一方面，在由箭头指示的超声分配的Cu10Sn粉末区域中观察到一些多孔和裂缝。此外，如通过在图20A中的矩形所标记的，一些孤立的光区呈现在316L粉末区域中。进一步的EDS检查(图20F)示出如Cu这样的区域的化学组成，指示Cu元素扩散至Fe区域中。通过比较图20C和图20F，在扫描了的区域的右上角中发现双粉末校对区域。这可能是因为不充分的316L粉末真空去除。一些316L粉末的残余与沉积的Cu10Sn粉末搅拌，并且通过后续的激光熔合方法而熔合。
图21描述了图17B和17C的第一材料和第二材料的维氏硬度的曲线图。具体地，图21示出SLM 316L/In718样本和SLM 316L/Cu10Sn样本的水平方向的维氏硬度。沿着双材料制成的SLM样本的水平方向的维氏硬度值在图21中示出。可以知道，316L部分的硬度值的范围从237±6HV至251±4HV，以及In718部分的硬度值的范围从301±4HV至310±6HV，其中过渡区域具有在两个材料的硬度值之间的硬度值。在316L/Cu10Sn样本上的316L和Cu10Sn的硬度值分别是227±7HV至247±8HV以及149±8HV至160±6HV，同时在过渡区域中的硬度值的范围是在两个材料的硬度值之间。由于特别的“插指”连结器结构设计，可以实现更好的材料元素扩散和结合。应注意的是，如在两个曲线中都示出，在过滤区域中的微硬度标准偏差的值比在单一材料区域中的微硬度标准偏差的值高很多。
图22A至22C描述了通过根据图14的设备沉积的第一材料和第二材料的光学照片。具体地，图22A示出包括3个材料的袖珍房屋；图22B示出狮身人面像的多颜色、多材料雕塑；以及图22C示出双色网格图形。为了展示使用SLM的3D多材料打印，使用专用系统制造一组3D复杂的形状。如在图22A中所示，简单的房屋的门阶和烟囱分别是由Cu10Sn和In718支撑的，而房屋的其他部分是由316L材料制成的。在图22B和22C中，金色和银色分别代表Cu10Sn和316L材料。应注意的是，狮身人面像的蛇头饰(图22B)是使用局部粉末混合策略由316L/Cu10Sn材料矩阵制成，而脸是由Cu10Sn制成以及其余的是由316L不锈钢制成。如在图22C中所示的薄壁结构和光斑直径分别是厚度上为150μm以及直径上是1mm。
图23示意性地描述根据本发明的示例性实施方式的设备的一部分。具体地，图23示出在这个工作中使用的选择性地烘干粉末分配器。在用于多材料的3D打印的混合粉末床和超声喷嘴粉末输送系统中，小的超声输送漏斗和喷嘴的使用将使材料送料的高分辨率和稳定性成为可能，然后，它仅能持续很短的时间段，因此不适合用于打印大的零件。如图23中所示的级联的粉末输送系统使得精确和稳定的粉末输送和粉末材料供应成为可能，以允许大的组分的打印。次级粉末供应系统是压力气体驱动的粉末储存单元并且与超声分配器一体。自动气动点胶控制器允许连续的或非连续定时地(timed)将粉末供应至分配桶。根据申请需要，粉末可以是金属的、陶瓷的或聚合物类型或它们的混合物。
这个工作展示多材料SLM技术，通过第一次将传统的粉末床展开(spreading)与逐点式多材料选择性粉末去除和烘干粉末输送。专业实验性SLM设备和特别的用于SLM的多材料CAD数据准备被研发并应用以成功地生产316L/In718和316L/Cu10Sn样本。通过实验结果确认了将多种材料沉积在相同的构建层上并穿越不同的层的可行性。在用于材料组合研究的材料界面处获得清晰的夹层分布和良好的冶金结合。结果还指示特别的材料界面设计对于增强材料元素扩散，其导致更好的结合。在另一方面，由于不均匀的粉末分配在超声地沉积的粉末区域发现一些包括孔和裂缝的缺陷。具体地，这个工作显示了多材料SLM的新方法，其通过将粉末床展开、逐点式多喷嘴超声烘干粉末输送以及逐点式单一层粉末去除结合在一起以实现在相同层内的多材料熔合和穿过不同层来打印多金属3D组分。
总的来说，本发明提供了用于增材制造的设备和由包括具有第一组成的颗粒的第一材料制成对制品的一部分进行增材制造的方法。包括具有不同于第一组成的第二组成的颗粒的第二材料提供支承材料，可布置成在例如增材制造的中间阶段期间支承构建材料。第二材料由此可用于在制品和/或制品的一部分的增材制造期间提供支承结构。因为第一组成和第二组成是不同的，它们各自的性质可根据它们各自的用途来选择，由此促进了诸如支承结构的第二材料的去除，同时减少了第一材料的消耗。此外，因此减少了第一材料和第二材料的交叉污染而改进了第一材料和/或第二材料的再使用和再循环。以这种方式，用于制品的一部分的增材制造的设备涉及在第一材料的标准粉末床选择性激光熔化之后，第一材料的每个层中的选择性材料的去除。接着在这之后是第二材料的选择性逐点式粉末或粉末-液体材料沉积，之后是第二材料的选择性激光熔化或连结的其他方式，可选地包括喷射聚合物结合剂。使用所述选择性材料沉积可以将多种材料沉积在每个层中。对于接下来(即：随后的)的层(即：覆盖该层的层)重复进行方法，直到形成完整的制品。以相似的方式可以沉积第三、第四以及更多不同类型的材料。具体地，这允许了在具体的层(即：层内)和/或在连续的层(即：夹层)内形成由多种材料制成的制品，由此增强了以这种方式形成的制品的结构、功能和/或性质。
注意力应集中于与本说明书一起或在本说明书之前提交的所有与本说明书有关的、以及与本说明书一起开放给公众检查的论文和文件，并且所有这样的论文和文件的内容以参照的形式结合至本文中。在这个说明书中公开的所有的特征(包括任何所附的权利要求和附图)，和/或所公开的任何方法或处理方法的所有步骤可以结合在任何组合中，除了(except)在其中至少一些这样的特征和/或步骤是相互排斥的组合。在本说明书中(包括任何所附的权利要求和附图)中所公开的每个特征可以通过用作相同、相等或相似目的的可替代特征来替换，除非另有明确声明。由此，除非另有明确声明，所公开的每个特征仅是相等或相似特征的通用系列得一个示例。本发明不限制于前述实施例得细节。本发明可以扩展至在这个说明书(包括所附的权利要求和附图)中公开的特征的任何新颖的一个特征或任何新颖的组合、或至所公开的任何方法或处理方法的步骤的任何新颖的一个步骤或任何新颖的组合。

Claims (27)

1.由包括具有第一组成的颗粒的第一材料对制品的一部分进行增材制造的设备，所述设备包括：
层提供装置，所述层提供装置包括设置在腔室中的伸缩床以及辊子或刀片，用于由第二材料提供第一层，所述第二材料包括具有第二组成的颗粒，其中，所述第一组成和所述第二组成是不同的；
凹面限定装置，所述凹面限定装置用于在所述第一层的暴露表面中限定第一凹面，其中，所述凹面限定装置包括具有真空喷嘴的真空设备，所述真空喷嘴布置成在所述第一层的所述暴露表面的近侧，其中，所述真空设备能够控制成通过真空抽吸选择性地去除所述第二材料的一部分，由此在所述第一层的所述暴露表面限定所述第一凹面；
沉积装置，所述沉积装置用于在限定在所述第一层中的所述第一凹面中沉积所述第一材料的一部分，其中，所述沉积装置包括打印头，所述打印头包括具有孔口的沉积喷嘴；
找平装置，所述找平装置用于选择性地找平沉积在所述第一凹面中的第一材料；以及
第一熔合装置，所述第一熔合装置用于通过至少部分地融化颗粒而将在所述第一凹面中的经找平的第一材料的一些颗粒熔合，由此形成所述制品的所述层的第一部分，
其中，所述沉积装置包括级联粉末输送系统，所述级联粉末输送系统包括与超声分配器一体成型的压力气体驱动粉末储存单元。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述真空设备构造成去除至多所述第一层的厚度和/或其中所述真空设备构造成限定具有平坦基底的所述第一凹面。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述装置布置成控制通过所述真空喷嘴的气体流量、所述真空喷嘴的位置、所述真空喷嘴与所述第一层的暴露表面的间隔、和/或所述真空喷嘴的移动速度，以至少部分地限定所述第一凹面的形状。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，选择所述真空喷嘴的孔、内部形状、外部形状和/或内部直径以至少部分地限定所述第一凹面的形状。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述真空喷嘴具有在10μm至800μm范围内的内部直径。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述真空喷嘴具有在50μm至600μm范围内的内部直径。
7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述真空喷嘴布置成在所述第一层的所述暴露表面的上方以在0.5mm至1.5mm的范围内的高度处平移。
8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述真空设备具有多个真空喷嘴。
9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述多个真空喷嘴中的
每个真空喷嘴可以分别地流体联接至不同的颗粒罐。
10.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述凹面限定装置布置成在2或3个正交轴上平移和/或绕1个轴旋转。
11.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述找平装置布置成将经沉积的第一材料的暴露表面找平成与所述第一层的所述暴露表面重合，和/或其中，所述沉积喷嘴包括布置成在所述沉积喷嘴的孔口近侧的所述找平装置。
12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述找平装置是沉积
刮擦器，所述沉积刮擦器包括布置成在所述第一材料的沉积期间刮擦所述第一材料的环，以及其中，所述环通过围绕所述沉积喷嘴的外部套筒提供，其中所述外部套筒越过所述沉积喷嘴的端部突出。
13.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述沉积喷嘴具有在200μm至750μm范围内的内部直径。
14.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述沉积装置布置成在0.2mm至1mm的高度处在所述第一凹面的基底上方和/或所述第一层的所述暴露表面上方平移。
15.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述找平装置布置成选择性地在将所述第一材料的一部分沉积在所述第一层中限定的第一凹面的同时，将在所述第一凹面中的经沉积的第一材料找平。
16.由包括具有第一组成的颗粒的第一材料对制品的一部分进行增材制造的方法，该方法使用根据权利要求1-15中的任一项所述的设备，所述方法包括以下步骤：
(i)由包括具有第二组成的颗粒的第二材料提供第一层，其中，所述第一组成与所述第二组成是不同的；
(ii)通过使所述第二材料的一部分抽真空来在所述第一层的暴露表面中限定第一凹面；
(iii)将所述第一材料的一部分沉积在限定在所述第一层中的所述第一凹面中；
(iv)选择性地找平在所述第一凹面中的经沉积的第一材料；
(v)通过至少部分地融化颗粒来熔合经找平的第一材料的至少一些颗粒，由此形成所述制品的层的第一部分；以及
选择性地重复步骤(i)至(v)中的一个或多个步骤。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，包括去除所述经沉积
的第一材料的至少一些未熔合的颗粒的步骤。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，包括
熔合所述第二材料的至少一些颗粒的步骤。
19.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，包括
在熔合的步骤之前的将经沉积的第一材料预加热的步骤。
20.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，包括
对所述制品的所述层的所形成的第一部分进行后加热的步骤。
21.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，包括
加工所述制品的所述层的所形成的第一部分的步骤。
22.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述
在第一层的所述暴露表面中限定第一凹面的步骤包括将所述第二材料的一部分去除至至多所述第一层的深度。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，去除所述第二材料的
一部分包括使所述第二材料的一部分抽真空。
24.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，选择
性地找平在所述第一凹面中的经沉积的第一材料的步骤包括将经沉积的第一材料的一部分的暴露表面找平成与所述第一层的所述暴露表面重合。
25.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，熔合
经沉积的第一材料的一些颗粒的步骤包括经沉积的第一材料的选择性激光融化。
26.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述
第二材料的一部分从另一层获得。
27.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，包括
以下步骤：
(vi)在所述第一层中限定第二凹面；
(vii)在限定在所述第一层中的所述第二凹面中沉积包括具有第
三组成的颗粒的第三材料的一部分，其中，所述第一组成、所述第二组成和所述第三组成不同；
(viii)找平在所述第二凹面中的经沉积的第三材料；以及
(ix)熔合经沉积的第三材料的一部分，由此形成由所述第三材料的经熔合的部分制成的所述制品的所述层的第二部分。
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