CN111790909A - 通过增材制造形成梯度金属主体的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及通过增材制造形成梯度金属主体的方法。一种用于形成梯度金属主体的方法可以包括:通过提供第一数量的金属原料并通过能量源选择性地向第一数量的金属原料施加能量来形成第一金属沉积物;以及通过提供与先前形成的金属沉积物邻接的附加数量的金属原料并通过能量源选择性地向附加数量的金属原料施加能量来反复地形成附加金属沉积物。在形成附加金属沉积物的同时,通过能量源施加的能量反复地变化,使得梯度金属主体得以形成并且包括第一端、第二端和中间部分,其中梯度金属主体的材料特性在第一端和第二端之间的中间部分中转变。
Description
技术领域
增材制造,也称为3D打印,是指通过在三维工作包络内的顺序层材料添加/接合的自动控制来创建三维物体的过程。
背景技术
物体可以被制造成各种形状和几何形状,并且可以包括牺牲或支撑材料,使得能够设计出以前无法实现的形状。已知各种增材制造工艺,主要区别在于材料层的沉积方式和所用材料。特别地,增材制造工艺可以包括例如熔融沉积成型、激光烧结、电子束熔融和喷墨3D打印,使用诸如热塑性细丝、金属粉末、石膏、树脂和混凝土的材料。
发明内容
提供了用于形成梯度金属主体(gradient metallic body)的方法。该方法可以包括:通过提供第一数量的金属原料并通过能量源选择性地向第一数量的金属原料施加能量来形成第一金属沉积物;以及通过提供与先前形成的金属沉积物邻接的附加数量的金属原料并通过能量源选择性地向附加数量的金属原料施加能量来反复地形成附加金属沉积物。在形成附加金属沉积物的同时,通过能量源施加的能量可以反复地变化,使得梯度金属主体形成并且包括第一端、第二端和中间部分,其中梯度金属主体的材料特性在第一端和第二端之间的中间部分中转变。金属原料可以是可变的金属原料,随着附加金属沉积物反复地形成,该金属原料在材料组成上变化。材料特性可以是一种或多种元素的体积浓度、金属微结构、热导率、电导率、热膨胀、热容量、孔隙率、强度、延展性或抗疲劳性。能量源可以是可变激光器。能量源可以是多个激光器。能量源可以是激光器,其被配置成发射波长为约400nm至约1200nm的激光束,功率为约20瓦至约1000瓦。能量源可以根据构建计划而变化。能量源可以基于所提供数量的金属原料的测量反射率而变化。金属原料可以是可变的金属原料,当其被提供以形成连续的金属沉积物时,该金属原料在材料组成上变化。
还提供了用于形成梯度金属主体的方法。该方法可以包括:通过提供第一数量的金属原料并通过多个激光器中的至少一个选择性地向第一数量的金属原料施加能量来形成第一金属沉积物;以及通过提供与先前形成的金属沉积物邻接的附加数量的金属原料并通过多个激光器中的至少一个选择性地向附加数量的金属原料施加能量来反复地形成附加金属沉积物。在形成附加金属沉积物的同时,通过多个激光器中的至少一个施加的能量可以反复地变化,使得梯度金属主体得以形成并且包括第一端、第二端和中间部分,其中梯度金属主体的材料特性在第一端和第二端之间的中间部分中转变。金属原料可以是可变的金属原料,随着附加金属沉积物反复地形成,该金属原料在材料组成上变化。材料特性可以是一种或多种元素的体积浓度、金属微结构、热导率、电导率、热膨胀、热容量、孔隙率、强度、延展性或抗疲劳性。多个激光器中的至少一个可以是可变激光器。可变激光器可以被配置成选择性地改变其发射的激光束的波长和功率密度输出中的一个或多个。每个激光器可以被配置成发射波长不同于由至少一个其他激光器发射的激光束的波长的激光束。由多个激光器中的至少一个施加的能量可以根据构建计划而变化。由多个激光器中的至少一个施加的能量可以基于所提供数量的金属原料的测量反射率而变化。金属原料可以是可变的金属原料,当其被提供以形成连续的金属沉积物时,该金属原料在材料组成上变化。
本发明提供下列技术方案。
1. 一种用于形成梯度金属主体的方法,所述方法包括:
通过提供第一数量的金属原料并通过能量源选择性地向所述第一数量的金属原料施加能量来形成第一金属沉积物;和
通过提供与先前形成的金属沉积物邻接的附加数量的金属原料,并通过所述能量源选择性地向所述附加数量的金属原料施加能量,反复地形成附加金属沉积物,其中在形成所述附加金属沉积物时,通过所述能量源施加的能量被反复地改变,使得所述梯度金属主体得以形成并包括第一端、第二端和中间部分,其中所述梯度金属主体的材料特性在所述第一端和所述第二端之间的所述中间部分中转变。
2. 根据技术方案1所述的方法,其中,所述材料特性包括金属微结构、热导率、电导率、热膨胀、热容量、孔隙率、强度、延展性或抗疲劳性。
3. 根据技术方案1所述的方法,其中,所述金属原料包括可变的金属原料,随着所述附加金属沉积物反复地形成,所述可变的金属原料在材料组成上变化。
4. 根据技术方案3所述的方法,其中,所述材料特性包括一种或多种元素的体积浓度、金属微结构、热导率、电导率、热膨胀、热容量、孔隙率、强度、延展性或抗疲劳性。
5. 根据技术方案1所述的方法,其中,所述能量源包括可变激光器。
6. 根据技术方案1所述的方法,其中,所述能量源多个激光器。
7. 根据技术方案1所述的方法,其中,所述能量源包括激光器,所述激光器被配置成发射波长为约400nm至约1200nm的激光束,其功率为约20瓦至约1000瓦。
8. 根据技术方案1所述的方法,其中,所述能量源根据构建计划而变化。
9. 根据技术方案1所述的方法,其中,所述能量源基于所述提供数量的金属原料的测量反射率而变化。
10. 根据技术方案1所述的方法,其中,所述金属原料包括可变的金属原料,当其被提供以形成连续的金属沉积物时,所述可变的金属原料在材料组成上而变化。
11. 一种用于形成梯度金属主体的方法,所述方法包括:
通过提供第一数量的金属原料并通过多个激光器中的至少一个选择性地向所述第一数量的金属原料施加能量来形成第一金属沉积物;和
通过提供与先前形成的金属沉积物邻接的附加数量的金属原料,并通过所述多个激光器中的所述至少一个选择性地向所述附加数量的金属原料施加能量,反复地形成附加金属沉积物,其中在形成所述附加金属沉积物时,通过所述多个激光器中的所述至少一个施加的能量被反复地改变,使得所述梯度金属主体得以形成并包括第一端、第二端和中间部分,其中所述梯度金属主体的材料特性在所述第一端和所述第二端之间的所述中间部分中转变。
12. 根据技术方案11所述的方法,其中,所述材料特性包括金属微结构、热导率、电导率、热膨胀、热容量、孔隙率、强度、延展性或抗疲劳性。
13. 根据技术方案11所述的方法,其中,所述金属原料包括可变的金属原料,随着所述附加金属沉积物反复地形成,所述金属原料在材料组成上发生变化。
14. 根据技术方案13所述的方法,其中,所述材料特性包括一种或多种元素的体积浓度、金属微结构、热导率、电导率、热膨胀、热容量、孔隙率、强度、延展性或抗疲劳性。
15. 根据技术方案11所述的方法,其中,所述多个激光器中的至少一个是可变激光器。
16. 根据技术方案15所述的方法,其中,所述可变激光器被配置成选择性地改变其发射的激光束的波长和功率密度输出中的一个或多个。
17. 根据技术方案11所述的方法,其中,所述激光器中的每一个被配置成发射波长不同于由至少一个其他激光器发射的激光束的波长的激光束。
18. 根据技术方案11所述的方法,其中,由所述多个激光器中的所述至少一个施加的能量根据构建计划而变化。
19. 根据技术方案11所述的方法,其中,由所述多个激光器中的所述至少一个施加的能量基于所述提供数量的金属原料的测量反射率而变化。
20. 根据技术方案11所述的方法,其中,所述金属原料包括可变的金属原料,当其被提供以形成连续的金属沉积物时,所述可变的金属原料在材料组成上发生变化。
从以下对示例性实施例的详细描述和附图中,示例性实施例的其他目的、优点和新颖特征将变得更加明显。
附图说明
图1示出了根据一个或多个实施例的用于制造梯度金属主体的增材制造工艺和系统的示意图。
具体实施方式
本文描述了本公开的实施例。然而,应当理解,所公开的实施例仅仅是示例,其他实施例可以采取不同的和替代的形式。附图不一定是按比例绘制的;一些特征可能被夸大或最小化以示出特定部件的细节。因此,本文公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制性的,而仅仅作为教导本领域技术人员以各种方式使用本发明的代表性基础。如本领域的普通技术人员将理解的,参考任何一个附图示出和描述的各种特征可以与一个或多个其他附图中示出的特征相结合,以产生没有明确示出或描述的实施例。所示特征的组合为典型应用提供了代表性实施例。然而,与本公开的教导一致的特征的各种组合和修改对于特定的应用或实施方式可能是期望的。
本文提供了通过增材制造(AM)形成包括梯度金属主体的部件的方法。该方法利用可变激光能量源从金属原料反复地形成金属层,使得金属层的一个或多个材料特性随着层的形成而逐渐变化。可变激光AM系统还允许通过调节一个或多个激光束的波长来优化由金属原料吸收的能量,从而更快和/或更节能地制造金属体。
AM是一种逐层构建固体三维金属结构的工艺,通常是将能量或热量选择性地施加到起始材料或原料(例如,以粉末或丝的形式)上并被其吸收,以熔融、固结、固化、熔合或烧结并产生一层固体材料。AM经常与三维打印同义。金属原料可以用于通过AM产生固体部件结构。AM工艺的非限制性示例包括粉末床熔融工艺(例如,激光烧结、激光熔融、电子束熔融和选择性热烧结)、直接金属沉积、熔融沉积成型、吹制粉末工艺(例如,定向能量沉积)、送丝定向能量沉积(例如,丝挤出工艺)、液态金属3D打印系统、超声波固结(例如,通过超声波能量源)和粘结剂喷射等。在一些实施例中,金属原料可以任选地包括化学或聚合物粘结剂。
数字三维建模系统可以用于创建要形成的部件的数字模型或构建计划。然后,物理部件可以通过AM系统由数字模型形成,AM系统在逐层构建过程中创建固体熔合结构。能量源施加到金属原料的位置和/或路径由例如由其数字模型限定的三维产品的每个相应横截面层限定。
向金属原料施加能量会影响其合金化、相变化和/或成分变化。例如,金属原料可以包括非合金金属的混合物,并且能量的施加可以从金属原料产生合金化的金属。在所有AM工艺中,能量源的强度、施加时间和/或施加模式可以用于实现由金属原料形成的材料层的特定材料性质。
例如,在粉末床熔融AM的情况下,粉末材料的薄层铺展在粉末床上,并且能量源(例如,激光)被引导到粉末材料上,以在施加激光的地方熔融粉末材料。熔融的材料固化,从而形成产品的薄横截面层。另一层粉末材料铺展在先前形成的层上,并且能量源被引导到粉末材料上以熔融粉末材料,并且将其与激光施加到的下层熔合。熔融的材料固化,从而形成产品的稍厚横截面层。重复该过程,直到形成整个三维产品。
例如,在直接金属激光烧结(DMLS) AM的情况下,使用快速高能输送方法来直接分层熔融金属粉末。在施加激光能量并局部熔融原料材料后,随着光束继续移动以加工邻接的原料材料,该过程之后是快速冷却。DMLS提供局部快速高能沉积。在给定的时间内(例如,在预定的时间范围内,例如几毫秒(例如,小于约3-5毫秒)的加工),仅加热几毫克原料材料。对下层的快速冷却通常是非平衡过程,并且被设计成产生大的定向热梯度和大的局部应变。
在AM中使用的金属原料可以包括金属,例如,铝合金(例如,AlSi10Mg、AlSi12);铜合金;镍合金;钛合金(例如,Ti6Al4V);钴铬合金(例如,ASTM F75);奥氏体镍铬合金;钢合金,包括汽车用钢、不锈钢(例如,316L、17-4 PH和15-5 PH)、马氏体时效钢和结构钢(例如,HSLA 420、4140);以及许多其他金属原料。一般而言,本文提供的方法可以利用本领域技术人员认为合适的任何合适的金属原料。
在AM的非限制性示例中,用于制造金属体100的直接能量沉积工艺和系统10的图示在图1中示出为合适AM方法的示例。系统10可以用于由本文所述或本领域已知的一种或多种金属原料20(例如,金属原料21和22)逐层(例如,逐微层)构建三维金属合金体100。系统10通常包括围绕构建板12的打印室11。如图所示,打印室11可以包括外壳,或者通常指发生AM的区域。金属原料20(例如金属原料21和22)可以从相应的贮存器23和24供应到例如打印室11。应当理解,贮存器23和24可以设置在整个系统10内的各种位置处,并且金属原料20的输送模式可以基于系统10所采用的AM的类型而变化。此外,应当理解,金属原料20包括多种原料(例如,3种、4种、5种等种原料)并且不限于所示的两种金属原料21和22。能量源30可以选择性地向打印室11内的金属原料20施加能量。
如图所示,通过提供第一数量的金属原料20并经由能量源30选择性地将能量施加到第一数量的金属原料20,梯度金属主体100可以通过形成第一金属沉积物101而由AM制造。在施加能量以烧结或熔融金属原料之后,金属原料快速冷却并固化成金属沉积物(例如,微层)。一旦形成第一金属沉积物101,通过提供与先前形成的金属沉积物邻接的附加数量的金属原料20,并通过能量源30选择性地向附加数量的金属原料20施加能量,可以反复地形成附加的金属沉积物102、109。每个相继形成的金属沉积物,在固化和/或冷却时,熔合到先前形成的金属沉积物上。随着附加的金属沉积物反复地形成,在形成附加的金属沉积物时经由能量源30施加的能量被反复地改变,使得附加的金属沉积物的材料特性相对于第一金属沉积物101变化大体上逐渐增加。因此,梯度金属主体100包括第一端110、第二端120和中间部分115,其中梯度金属主体100的材料特性在第一端110和第二端120之间的中间部分115中转变。
能量源30可以包括一个或多个激光器31和32,激光器31和32被配置成向打印室11内的金属原料20施加能量。在一个实施例中,激光器31、32可以包括能够改变由其发射的激光束的波长的可变波长激光器。例如,激光器可以被配置成发射波长为约400nm至约1200nm的激光束,其功率或强度为约20瓦至约1000瓦。一些这样的激光器可以具有约200瓦至约500瓦的强度。在另一个实施例中,能量源30可以包括多个激光器,例如激光器31和32,其被配置成发射特定波长的激光束,该特定波长不同于由至少一个其他激光器发射的激光束的波长。例如,这种激光器可以被配置成发射波长在约400nm至约1200nm范围内的固定或可变激光束,其功率为约20瓦至约1000瓦,或约200瓦至约500瓦。在使用多个激光器的一个实施例中,每个激光器可以被配置成发射具有固定或可变波长的激光束,该波长不同于由至少一个其他激光器发射的激光束的波长。
能量源30可以根据构建计划而变化。在能量源30包括可变激光器的情况下,可以参考构建计划,该构建计划控制对于给定的沉积物(例如,沉积物102)施加到一定量的金属原料20的激光束的波长。如本文所用,可变激光器是指可以选择性地改变其发射的激光束的波长和/或功率密度输出的激光器。在能量源30包括多个激光器的情况下,可以参考构建计划,该构建计划控制对于给定的沉积物(例如,沉积物102)来说哪个(哪些)激光束将向一定量的金属原料20施加能量。在任何一个实施例中,激光器的功率可以根据构建计划附加地或替代地变化。
在另一个实施例中,能量源30基于所提供数量的金属原料20的测量反射率而变化。例如,反射率可以由原位反射率传感器40测量。例如,可以测量提供给打印室的一定量的金属原料20的反射率,并且可以基于测量的反射率从查找表或公式中选择激光波长和/或强度。当通过能量源30向金属原料施加能量时,可以测量金属原料的反射率,并且当向特定金属沉积物施加能量时,可以调节激光的波长和/或强度。
在一些实施例中,金属原料可以包括具有固定组成的单一材料。在其他实施例中,金属原料可以包括可变的金属原料,当其被提供以形成连续的金属沉积物时,该金属原料在材料组成上变化。在这样的实施例中,可变金属原料可以包括多种金属粉末、多种金属丝或合金梯度金属丝的可变混合物。当可变金属原料包括多种金属粉末或金属丝时,多种粉末或丝可以不同的速率被定量供应到打印室11,从而实现金属体100的期望的梯度材料特性。
当使用固定组成的金属原料时,限定梯度的金属体100的材料特性可以包括例如金属微结构、热导率、电导率、热膨胀、热容量、孔隙率、强度、延展性、抗疲劳性以及它们的组合。当使用可变金属原料时,限定梯度的金属体100的材料特性可以包括一种或多种元素的体积浓度、金属微结构、热导率、电导率、热膨胀、热容量、孔隙率、强度、延展性、抗疲劳性以及它们的组合。
改变能量源30可以包括改变一个或多个激光器的波长和/或强度。一般来说,激光器的波长可以被调节以最大化金属原料20的能量吸收。此外,可以调节波长以实现对金属原料的期望效应。一个或多个激光器的波长和强度可以协同变化,以向金属原料20赋予期望的能量。例如,激光器可以通过在第一波长下操作而将给定量的能量赋予金属原料20,该第一波长被优化以最大化在第一强度下的吸收,或者激光器可以通过在第二波长下操作而赋予相同量的能量,该第二波长不太理想地被金属原料20吸收且强度增加。
梯度金属主体100可以包括铁和铜,其中梯度可以由铁和铜的体积浓度和热导率的材料特性来限定,其中梯度金属主体100的铜相对于铁的体积浓度较高的富铜端表现出比梯度金属主体100的富铁端更高的热导率。通过从与铜良好耦合的激光波长(约400nm至约500nm,或约450nm)到用于在主体100的第二端处形成富铁金属沉积物的与铁良好耦合的激光波长(约950nm至约1050nm,或约1000nm)反复地改变用于在主体100的第一端处形成富铜金属沉积物的激光波长,可以实现梯度。在该实施例中,“第一端”和“第二端”可以指如图1所描绘的第一端110或第二端120。
梯度金属主体100可以包括两种铝合金(例如,合金1:7xxx铝合金,以及合金2:相对于合金1具有更高铜含量的2xxx系列合金),其中梯度可以由铝合金的体积浓度、强度和延展性的材料特性来限定,其中梯度金属主体100的合金1相对于合金2具有更高体积浓度的富合金1端表现出比梯度金属主体100的富合金2端更高的强度和更低的延展性。通过使用约810nm或约800nm的激光波长在主体100的第一端处形成富合金1的金属沉积物,并反复地降低用于形成连续金属沉积物的激光波长,使得形成包含富合金2的第二端的梯度主体100,可以实现梯度。在该实施例中,“第一端”和“第二端”可以指如图1所描绘的第一端110或第二端120。
梯度金属主体100可以包括铁和镍,其中梯度可以由铁和镍的体积浓度以及热膨胀和抗焦炭性的材料特性来限定,其中铁相对于镍的体积浓度较高的梯度金属主体100的富铁端表现出比梯度金属主体100的富镍端更低的热膨胀和更低的抗焦炭性。通过从与铁良好耦合的激光波长(约990nm至约1010nm,或约1000nm)到用于在主体100的第二端处形成富镍金属沉积物的与镍良好耦合的激光波长(小于约550nm,或小于约530nm)反复地改变用于在主体100的第一端处形成富铁金属沉积物的激光波长,可以实现梯度。在该实施例中,“第一端”和“第二端”可以指如图1所描绘的第一端110或第二端120。
梯度金属主体100可以包括铝,其中梯度可以由孔隙率的材料特性来限定。通过从与铝良好耦合的激光波长(约790nm至约810nm,或约800nm)到用于在主体100的第二端处形成较高孔隙率沉积物的与铝耦合不太好的激光波长(约990nm至约1010nm,或约1000nm)反复地改变用于形成主体100的较低孔隙率的第一端的激光波长,可以实现梯度。由于激光波长的变化以降低与铝的耦合兼容性,铝原料(例如,粉末)的不完全熔融将导致孔隙率增加。用于在主体100的第二端120处以及整个材料梯度中形成金属沉积物的最终波长可以基于期望的孔隙率来定制。在该实施例中,“第一端”和“第二端”可以指如图1所描绘的第一端110或第二端120。
虽然上面描述了示例性实施例,但是这些实施例并不旨在描述权利要求所包含的所有可能的形式。说明书中使用的词语是描述性的词语,而不是限制性的词语,并且应当理解,在不脱离本公开的精神和范围的情况下,可以进行各种改变。如前所述,各种实施例的特征可以被组合以形成本发明的另外的实施例,这些实施例可能没有被明确地描述或示出。虽然各种实施例可能已经被描述为提供优势或者在一个或多个期望的特性方面优于其他实施例或现有技术实施方式,但是本领域的普通技术人员认识到,一个或多个特征或特性可以被折衷以实现期望的整体系统属性,这取决于具体的应用和实施方式。这些属性可以包括但不限于成本、强度、耐用性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、尺寸、可维护性、重量、可制造性、组装容易性等。因此,在一个或多个特性方面描述为不如其他实施例或现有技术实施方式理想的实施例不在本公开的范围之外,并且对于特定应用可能是期望的。
Claims (10)
1.一种用于形成梯度金属主体的方法,所述方法包括:
通过提供第一数量的金属原料并通过能量源选择性地向所述第一数量的金属原料施加能量来形成第一金属沉积物;和
通过提供与先前形成的金属沉积物邻接的附加数量的金属原料,并通过所述能量源选择性地向所述附加数量的金属原料施加能量,反复地形成附加金属沉积物,其中在形成所述附加金属沉积物时,通过所述能量源施加的能量被反复地改变,使得所述梯度金属主体得以形成并包括第一端、第二端和中间部分,其中所述梯度金属主体的材料特性在所述第一端和所述第二端之间的所述中间部分中转变。
2.根据权利要求1所述的方法,其中,所述材料特性包括金属微结构、热导率、电导率、热膨胀、热容量、孔隙率、强度、延展性或抗疲劳性。
3.根据权利要求1所述的方法,其中,所述金属原料包括可变的金属原料,随着所述附加金属沉积物反复地形成,所述可变的金属原料在材料组成上变化。
4.根据权利要求3所述的方法,其中,所述材料特性包括一种或多种元素的体积浓度、金属微结构、热导率、电导率、热膨胀、热容量、孔隙率、强度、延展性或抗疲劳性。
5.根据权利要求1所述的方法,其中,所述能量源包括可变激光器。
6.根据权利要求1所述的方法,其中,所述能量源多个激光器。
7.根据权利要求1所述的方法,其中,所述能量源包括激光器,所述激光器被配置成发射波长为约400nm至约1200nm的激光束,其功率为约20瓦至约1000瓦。
8.根据权利要求1所述的方法,其中,所述能量源根据构建计划而变化。
9.根据权利要求1所述的方法,其中,所述能量源基于所述提供数量的金属原料的测量反射率而变化。
10.一种用于形成梯度金属主体的方法,所述方法包括:
通过提供第一数量的金属原料并通过多个激光器中的至少一个选择性地向所述第一数量的金属原料施加能量来形成第一金属沉积物;和
通过提供与先前形成的金属沉积物邻接的附加数量的金属原料,并通过所述多个激光器中的所述至少一个选择性地向所述附加数量的金属原料施加能量,反复地形成附加金属沉积物,其中在形成所述附加金属沉积物时,通过所述多个激光器中的所述至少一个施加的能量被反复地改变,使得所述梯度金属主体得以形成并包括第一端、第二端和中间部分,其中所述梯度金属主体的材料特性在所述第一端和所述第二端之间的所述中间部分中转变。
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