CN112188941B

CN112188941B - 利用激光入射角控制增材制造构件的方法

Info

Publication number: CN112188941B
Application number: CN201980034867.XA
Authority: CN
Inventors: 雷切尔·温·莱文; 克里斯蒂安·史蒂文森; 贾斯汀·曼拉克; 麦肯齐·赖安·雷丁
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2018-05-25
Filing date: 2019-05-24
Publication date: 2023-05-26
Anticipated expiration: 2039-05-24
Also published as: US11014189B2; CN112188941A; US20190358736A1; WO2019226983A1; EP3801956A1

Abstract

本公开一般涉及具有控制能量束入射角的增材制造方法，所述能量束入射角允许对准激光束角以直接与成角度的墙壁的构建方向相对。所述方法包括在增材制造粉末床中构建物体，其中所述物体包括由构建矢量限定的表面，所述构建矢量限定的表面相对于所述构建板中心以相对于所述构建板的法线成角度Φ向外突出，使得90°＞Φ＞0°，并且所述定向能量束相对于所述构建板的法线形成角度θ_L2，使得270°＞θ_L2＞180°，其中θ_L2‑Φ＝180°±Δ，且Δ＜45°。本方法提供了具有更一致的表面光洁度和抗机械应变或应力的悬垂区域的成品。

Description

利用激光入射角控制增材制造构件的方法

优先权信息

本申请要求于2018年5月25日提交的美国专利申请序列号15/990,142的优先权，其通过引用合并于此。

技术领域

本公开一般涉及使用基于粉末的构建材料的增材制造方法。更具体地，本公开涉及照射构建区域以改善构建质量的方法。

背景技术

与减材制造方法相比，增材制造(AM)或增材打印工艺通常涉及一种或多种材料的堆积以制造净成形或近净成形(NNS)物体。虽然“增材制造”是行业标准术语(ASTM F2792)，但AM包括以多种名称已知的各种制造和原型技术，包括自由成形制造、3D打印、快速原型/快速制模等。AM技术能够用各种各样的材料制造复杂的部件。通常，独立物体可以由计算机辅助设计(CAD)模型制造。特定类型的AM工艺使用诸如激光束的电磁辐射来熔化或烧结粉末状材料，从而产生固体三维物体。诸如直接金属激光熔化(DMLM)和选择性激光熔化(SLM)的基于功率的方法已被用于生产各种行业的物体。

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见的行业术语，用于指通过使用激光束来烧结或熔化细粉来生产三维(3D)物体。例如，美国专利No.4863538和美国专利No.5460758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的熔点的温度下熔融(凝聚)粉末颗粒，而熔化需要完全熔化粉末颗粒以形成固体均质体。与激光烧结或激光熔化相关的物理过程包括向粉末材料的热传递，然后烧结或熔化粉末材料。虽然激光烧结和熔化工艺可应用于广泛范围的粉末材料，但生产路线的科学性和技术性方面，例如烧结或熔化速率以及处理参数对层制造过程期间的微观结构演变的影响尚未得到很好的认识。这种制造方法伴随着多种模式的热、质量和动量传递，以及使过程非常复杂的化学反应。

使用粉末状构建材料的AM设备的示例示于图1中。设备100通过使用由源120产生的能量束136(源120可以是例如用于产生激光束的激光器，或当电流流过其时发射电子的灯丝)烧结或熔化粉末材料(未示出)，以逐层的方式构建物体或物体的部分，例如物体129。由能量束熔化的粉末由储存器126供应，并使用沿方向134行进的重涂器臂116均匀地将粉末铺展在粉末床112上，以将粉末保持在水平118处，并将延伸到粉末水平118上方的多余粉末材料移除到废物容器128。能量束136在诸如激光检流计扫描器132的照射发射引导装置的控制下烧结或熔化正在构建的物体的横截面层。检流计扫描器132可包括例如一个或多个可移动镜或扫描透镜。扫描能量束的速度是关键的可控过程参数，它影响传送到特定点的能量的量。典型的能量束扫描速度大约为每秒10到几千毫米。降低构建平台114，并且将另一层粉末铺展在粉末床和正在构建的物体上，接着通过激光120对粉末进行连续的熔化/烧结。粉末层的厚度通常为例如10微米至100微米。重复该过程，直到物体129完全由熔化/烧结的粉末材料形成为止。能量束136可以由包括处理器和存储器(未示出)的计算机系统控制。计算机系统可以确定每一层的扫描图案，并控制能量束136根据扫描图案照射粉末材料。在完成物体129的制造之后，可以对物体129应用各种后处理过程。后处理过程包括通过例如吹送或抽真空来除去过量粉末。其它后处理过程包括应力消除热处理过程。另外，可以使用热和化学后处理过程来完成物体129。

对于包含相对于构建板114上的基部127以相对于构建板114的法线(即，法线171)成角度Φ向外突出的表面121的物体129，表面121在最上层125中的点124处产生悬垂。表面121可以被认为是由相对于构建板114中心向外突出并且相对于法线171成角度Φ的构建矢量限定的，其中90°＞Φ＞0°。定向能量束136还可以被认为由相对于构建板114向内突出的能量束向量限定。在构建板114的横向中心，能量束136与构建板法线对齐，以在能量束136和法线之间形成角度θ_L1，其中θ_L1＝180°。然而，在从中心横向移动的点处，角度θ_L1减小，如点124所示，其中θ_L1＜180°。物体129在y方向上越宽，从法线N取向的定向能量束向量136的角度θ_L1越小。反过来，小于180°的角度θ_L1越小，物体在对应点处将熔融地越不彻底。不完全的熔融可能导致诸如表面粗糙度和结构薄弱的缺陷。偏离180°的容差取决于构建材料。

美国专利No.6144008(“'008专利”)描述了一种系统，该系统使用移动台将激光束、聚焦透镜和气体喷嘴组件相对于原料输送系统定位。在大的构造中，当激光束和原料输送系统移动和/或旋转时，产品保持台可保持静止。然而，'008专利使用平坦的固体原料，其描述为与总是存在孔隙率的粉末状烧结材料相比具有全密度。此外，'008专利没有解决在构建平台和照射发射引导装置(和/或能量源)都是横向固定的情况下的悬垂结构的构造。

美国专利No.6046426(“'426专利”)描述了一种系统，该系统以尽可能接近垂直于工作表面的角度，并且在最小激光束直径处或附近引入粉末状材料的会聚流。输送系统引导粉末状材料以会聚的锥形图案流动，将粉末状材料对称地注入激光束中。然而，一些增材制造设备使用具有重涂器机构的粉末床。

鉴于前述，为了充分利用更大的粉末床系统的增加的表面积，需要改进在横向远离检流计扫描器或能量源的点处照射粉末床的方法。

发明内容

下面给出本公开的一个或多个方面的简化概要，以提供对这些方面的基本理解。本总结不是对所有预期方面的全面概述，其目的是既不识别所有方面的关键或关键要素，也不界定任何或所有方面的范围。其目的是以简化形式呈现一个或多个方面的一些概念，作为稍后将呈现的更详细描述的前奏。

在一个方面，本公开涉及制造物体的方法，该方法包括(a)通过用定向能量束照射在构建板上或上方融合给定构建材料层的至少一部分以形成至少一个融合区域；(b)提供随后的构建材料层；和(c)重复步骤(a)和(b)直到形成物体；所述物体包括表面，所述表面由相对于所述构建板中心以相对于所述构建板的法线的角度Φ向外突出的构建矢量限定，使得90°＞Φ＞0°，并且所述定向能量束形成相对于所述构建板的法线的角度θ_L2，使得270°＞θ_L2＞180°，其中θ_L2-Φ＝0°±Δ，且Δ＜45°。定向能量束可以是激光束或电子束。构建材料可以是金属粉末，例如钴铬合金。在某些方面，Δ＜30°。在某些方面，Δ＜20°。在某些方面，Δ＜10°。在某些方面，在制造过程中，后续层之间的Φ不同。在一些方面，步骤(a)包括通过用第二定向能量束照射在构建板上或上方融合给定构建材料层的至少第二部分以形成至少第二融合区域。

在另一方面，本发明涉及一种制造物体的方法，该方法包括：(a)通过用激光束照射在构建板上或上方融合给定金属粉末层的至少一部分以形成至少一个融合区域；(b)提供随后的金属粉末层；和(c)重复步骤(a)和(b)直到形成物体；所述物体包括表面，所述表面由相对于所述构建板中心以相对于所述构建板的法线的角度Φ向外突出的构建矢量限定，使得90°＞Φ＞0°，并且所述激光束形成相对于所述构建板的法线的角度θ_L2，使得270°＞θL2＞180°，其中θ_L2-Φ＝0°±Δ，且Δ＜45°。在某些方面，Δ＜30°。在某些方面，Δ＜20°。在某些方面，Δ＜10°。在某些方面，金属粉末是钴铬合金。在某些方面，在制造过程中，后续层之间的Φ不同。在一些方面，步骤(a)包括通过用第二激光束照射在构建板上或上方融合给定材料层的至少第二部分以形成至少第二融合区域。

本发明的这些和其它方面将在下面的详细描述中更充分地理解。

附图说明

图1示出了根据传统方法的AM设备的示例的示意图。

图2示出根据本公开的第一实施例的AM期间的能量束入射角的示意图。

图3示出根据本公开的一些实施例制造的物体的替代形状的透视图。

具体实施方式

下面结合附图阐述的详细描述旨在作为各种配置的描述，而不是旨在表示这里描述的概念可以实施的唯一配置。详细描述包括用于提供对各种概念的全面理解的特定细节。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，可以在没有这些特定细节的情况下实施这些概念。在一些情况下，为了避免模糊这些概念，以框图形式示出了公知组件。

本申请介绍了一种控制能量束入射角的固定床大规模增材制造的方法。根据本公开，在粉末床的边缘上的给定粉末层中的点(诸如竖直不对称物体中的悬垂)用与照射粉末层的水平中心附近的点的能量束分开的能量束进行照射。通过用次级能量束照射边缘点，在这些悬垂点处改善表面光洁度，从而使成品具有改善的物体寿命和/或改善的对应力的耐受性，特别是在这些悬垂点处。

如本文所使用的，如果定向能量束入射角以法线角度(即，90°)或在法线±45°范围内(例如，在法线±30°范围内、在法线±15°范围内、在±11°范围内、在±10°范围内、在±5°范围内、在±3°范围内)或其间的任何整数或子范围照射表面，则定向能量束入射角“基本上是表面的法线”。偏离法线的容差将取决于所使用的特定构建材料和/或特定应用，并且可由本领域普通技术人员确定。例如，钴铬合金在法线45°以内的入射角可以是足够的。

图2示出了根据本公开的实施例的示例性设备。在该实施例中，设备200是增材激光粉末床系统，例如用于直接金属激光熔化(DMLM)。该设备包括激光源220、检流计扫描器232、粉末床212和构建平台214。图2中未显示DMLM系统的某些方面，例如粉末储存器和废物容器。第一检流计扫描器232位于粉末床212的上方并在粉末床212的中心处或附近，并且第二检流计扫描器242位于粉末床212的上方并在粉末床212的边缘处或附近。

图2的设备特别适于制造具有悬垂表面221的物体229。这些表面可以描述为以相对于法线271成角度Φ从构建平台的中心向外突出。表面221悬垂使得0°＜Φ＜90°，并且更通常地，悬垂使得Φ＜45°，并且在某些优选实施例中，Φ＜30°、20°、10°或5°。

当照射给定粉末层225时，第一检流计扫描器232用于将第一能量束236引导至位于第一检流计扫描器232下方的粉末床中心处或附近的点223。第一激光束236具有入射角θ_L1，其中90°＜θ_L1＜270°。更常见的情况是，θ_L1控制在约135°＜θ_L1＜225°的范围内。对于传统的粉末床增材系统来说，该光束角θ_L1的范围是典型的。在粉末床中心处或附近的点223处，第一光束236相对于构建板法线形成角度θ_L1，使得θ_L1处于或接近180°。当粉末床上的点在远离中心的区域中被照射时，θ_L1形成的角度为180°±45°。

当在粉末床的侧边缘附近的点224处或附近照射给定粉末层225时，使用由第二检流计扫描器242引导的第二激光束246。第二激光束246具有入射角θ_L2，使得180°＜θ_L2＜270°。更典型的是，θ_L2通常控制在约180°＜θ_L2＜225°的范围内。理想的θ_L2角度为相对于悬垂角Φ±180°。以这种方式，当激光冲击粉末床的表面时，激光方向与表面221的悬垂部分生长的方向直接相反。当θ_L2–Φ＝180°±Δ°时，理想的是控制该过程以最小化Δ。一般Δ应低于45°，优选低于30°，更优选低于20°，最优选低于10°，或这些范围内的任何子范围。明显地，对于本领域普通技术人员，Δ的实际值将取决于各种因素，包括但不限于粉末床的尺寸、物体相对于粉末床的侧向尺寸和/或第二检流计扫描器242相对于粉末床212的放置。

初步测试表明，通过将激光直接对准下皮角(即，θ_L2–Φ＝180°)，使下皮表面(即，表面221)的表面光洁度提高60％，并且通过将激光直接对准上皮角(，使上皮表面(即，成品229的最上层225顶部的水平表面)光洁度提高25％(即，点224的上表面处的光洁度提高了25％)。

另外，构建材料的选择可能影响对θ_L1的可接受限制，以及何时在第一检流计扫描器232和第二检流计扫描器242之间切换的选择。在第一检流计扫描器232和第二检流计扫描器242之间的切换(以及分束器的控制，如果使用的话)可以通过本领域普通技术人员已知的任何合适的手段来控制，例如通过手动切换或使用计算机。计算机辅助切换可以是手动或自动的，使用本领域普通技术人员已知的方法。

在一些方面，设备200可包含第二能量源，第二检流计扫描器242从该第二能量源接收能量束256。在一些方面，第一和第二能量源都是激光源。在一些方面，第一和第二能量源都是电子束源。在第一和第二能量源是电子束源的方面，可以使用一个或多个偏转器线圈(未示出)来调制第一和第二能量束(即，代替第一检流计扫描器232和第二检流计扫描器242)。

尽管在图2中物体229被显示为包含相对于构建平台214以恒定角度Φ从基部227向外突出的表面221，但是应当理解，物体229不限于包含相对于构建平台214以恒定角度Φ朝向点224向外突出的实心壁的物体。图3描绘了具有悬垂边缘的物体，该悬垂边缘包括被定义为与表面相切的角度Φ，该角度Φ随着该物体在粉末床内形成而变化。物体229可以具有带有悬垂的任何形状，包括不包含壁连接基部227点224成直线的形状。如图3所示。角度Φ随物体229的每个给定层和后续层产生弯曲的悬垂而变化。合适的物体229也可以是薄壁状的，具有如图3所示的外表面282和内表面283。此外，本公开的方法不限于制造横向对称的物体(即，在z方向上具有对称轴的物体)。

另外，根据本公开的方法，0°＜Φ＜90°并且180°＜θ_L2＜270°，并且Φ和θ_L2的值可以彼此独立。在某些方面，90°>Φ>0°并且270°>θ_L2>180°，例如255°＞θ_L2＞195°，240°＞θ_L2＞210°，或230°＞θ_L2＞220°，或介于两者之间的任何整数或子范围。在某些方面，75°>Φ>15°并且270°>θ_L2>180°，例如255°＞θ_L2＞195°，或240°＞θ_L2＞210°，或230°＞θ_L2＞220°，或介于两者之间的任何整数或子范围。在某些方面，60°>Φ>30°并且270°>θ_L2>180°，例如255°＞θ_L2＞195°，或240°＞θ_L2＞210°，或230°＞θ_L2＞220°，或介于两者之间的任何整数或子范围。在某些方面，50°>Φ>40°并且270°>θ_L2>180°，例如255°＞θ_L2＞195°，或240°＞θ_L2＞210°，或230°＞θ_L2＞220°，或介于两者之间的任何整数或子范围。在某些方面，270°＞θ_L2＞180°并且90°＞Φ＞0°，例如75°＞Φ＞15°，或60°＞Φ＞30°，或50°＞Φ＞40°，或介于两者之间的任何整数或子范围。在某些方面，255°＞θ_L2＞195°并且90°＞Φ＞0°，例如75°＞Φ＞15°，或60°＞Φ＞30°，或50°＞Φ＞40°，或介于两者之间的任何整数或子范围。在某些方面，240°＞θ_L2＞210°并且90°＞Φ＞0°，例如75°＞Φ＞15°，或60°＞Φ＞30°，或50°＞Φ＞40°，或介于两者之间的任何整数或子范围。在某些方面，230°＞θ_L2＞220°并且90°＞Φ＞0°，例如75°＞Φ＞15°，或60°＞Φ＞30°，或50°＞Φ＞40°，或介于两者之间的任何整数或子范围。

本文描述的方法和系统可以与适合用于增材打印的任何构建材料一起使用，如本领域普通技术人员所知。在某些方面，构建材料是金属粉末。在一些方面，构建材料是钴铬合金、不锈钢、工具钢、马氏体时效钢、铝合金、镍合金、铜合金或钛合金。在某些方面，构建材料是钴铬合金。在一些方面，构建材料是聚合物、陶瓷浆料、金属浆料或金属粉末。在一些方面，聚合物是粉末状聚合物。除了180°以外的角度θ_L1的容差将取决于所使用的特定构建材料，并且可由本领域普通技术人员确定(即，对于给定构建材料的“通常相反”的定义将取决于构建材料)。

本公开的方法可以与本领域已知的增材打印方法结合使用，包括但不限于直接金属激光熔化(DMLM)、立体平版印刷(SLA)、选择性激光熔化(SLM)和其他基于粉末的工艺。在一些方面，本公开涉及使用DMLM制造物体的方法。在其它方面，本发明可结合粉末床电子束系统使用，其中第一和第二电子束设置在单个粉末床上。

该书面描述使用实例来公开包括优选实施例的本发明，并且还使得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结合的方法。本发明的可申请专利的范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果它们具有与权利要求书的文字语言不存在差异的结构元件，或者如果它们包括与权利要求书的文字语言具有不显著差异的等效结构元件，则这样的其他示例旨在在权利要求书的范围内。根据本申请原理，本领域普通技术人员可以混合和匹配来自所描述的各种实施例的方面，以及针对每一个这样的方面的其它已知等同物，以构建额外的实施例和技术。

Claims

1.一种制造物体(229)的方法，其特征在于，所述方法包括：

(a)通过用第一定向能量束(236)照射来熔融构建材料的给定层(225)的至少一部分，从而在构建板(214)上或上方形成至少一个熔融区域，通过用第二定向能量束(246)照射来熔融构建材料的所述给定层的至少第二部分，从而在构建板(214)上或上方形成至少第二熔融区域；

(b)提供构建材料的后续层；和

(c)重复步骤(a)和(b)，直到形成所述物体(229)；

所述物体(229)包括表面(221)，所述表面(221)由相对于所述构建板(214)的中心以相对于所述构建板(214)的法线(271)成角度Φ向外突出的构建矢量限定，使得90°＞Φ＞0°，并且所述第一定向能量束(236)相对于所述构建板(214)的法线(271)形成角度θ_L2，使得270°＞θ_L2＞180°，其中θ_L2-Φ＝180°±Δ，且Δ＜45°；其中第一检流计扫描器(232)用于将第一能量束(236)引导至位于所述第一检流计扫描器(232)下方的所述给定层(225)的中心处或附近的点(223)，并且第二检流计扫描器(242)用于在所述给定层(225)的侧边缘附近的点(224)处或附近引导第二能量束(246)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于,其中Δ＜30°。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于,其中Δ＜20°。

4.根据权利要求1-2中任一项所述的方法，其特征在于,其中Δ＜10°。

5.根据权利要求1-2中任一项所述的方法，其特征在于,其中所述第一定向能量束(236)是激光束。

6.根据权利要求1-2中任一项所述的方法，其特征在于,其中所述第一定向能量束(236)是电子束。

7.根据权利要求1-2中任一项所述的方法，其特征在于,其中所述构建材料是金属粉末。

8.根据权利要求1-2中任一项所述的方法，其特征在于,其中在所述制造期间，Φ在后续层之间变化。

9.一种制造物体(229)的方法，其特征在于,所述方法包括：

(a)通过用第一激光束(236)照射来熔融金属粉末的给定层(225)的至少一部分，从而在构建板(214)上或上方形成至少一个熔融区域，通过用第二激光束(246)照射来熔融金属粉末的所述给定层的至少第二部分，从而在构建板(214)上或上方形成至少第二熔融区域；

(b)提供金属粉末的后续层；和

(c)重复步骤(a)和(b)，直到形成所述物体(229)；

所述物体(229)包括表面(221)，所述表面(221)由相对于所述构建板(214)的中心以相对于所述构建板(214)的法线(271)成角度Φ向外突出的构建矢量限定，使得90°＞Φ＞0°，并且所述第一激光束(236)相对于所述构建板(214)的法线(271)形成角度θ_L2，使得270°＞θ_L2＞180°，其中θ_L2-Φ＝180°±Δ，且Δ＜45°；其中第一检流计扫描器(232)用于将第一激光束(236)引导至位于所述第一检流计扫描器(232)下方的所述给定层(225)的中心处或附近的点(223)，并且第二检流计扫描器(242)用于在所述给定层(225)的侧边缘附近的点(224)处或附近引导第二激光束(246)。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于,其中Δ＜30°。

11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于,其中Δ＜20°。

12.根据权利要求9-10中任一项所述的方法，其特征在于,其中Δ＜10°。

13.根据权利要求9-10中任一项所述的方法，其特征在于,其中在所述制造期间，Φ在后续层之间变化。