CN112236252A - 粉末去除浮动结构 - Google Patents

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Abstract

制造的物品包括经由第一增材制造过程形成的零件结构和在零件结构内与零件结构机械地分离的浮动结构。浮动结构经由第一增材制造过程与零件结构同时形成。

Description

粉末去除浮动结构
背景技术
本公开大体上涉及用于制造的粉末去除方法和系统。
增材制造或三维(3-d)打印是一种一次形成一层物品的过程。增材制造的几种模式或方法使用粉末床打印过程，其中沉积粉末层并且使用辊或刮刀来平整粉末的高度。可以选择性地将热源引入粉末以熔融或熔化粉末。可选地，可以在粉末被平整之后选择性地将粘合剂施加到粉末。重复该过程，直到打印出零件或部件的几何形状。
当零件在打印期间嵌入粉末床中时，许多或所有内部结构可填充粉末，所述粉末可为金属和/或其他材料。通常执行诸如热处理、表面精加工和减法制造过程的后处理步骤，以进一步增强零件的性能或几何形状。当零件仍在制造中，其处于“坯体”状态。坯体零件可能不如完整的成品那么坚固，并且可能需要特殊技术来对坯体零件进行除粉，使得零件本身在处理和除粉期间不会破裂，特别是对于具有复杂内部几何形状和空腔的零件。
发明内容
在一个方面，制造的物品包括经由第一增材制造过程形成的零件结构和在零件结构内且与零件结构机械地分离的浮动结构。浮动结构经由第一增材制造过程与零件结构同时形成。
在另一实施例中，粉末去除方法包括识别零件几何形状、识别零件内的放置粉末去除特征的空腔、限定粉末去除特征的至少一个特性、创建构建文件以经由生成构建过程形成零件和粉末去除特征、生成地形成零件和粉末去除特征、以及振动零件和粉末去除特征。
附图说明
阅读以下参考附图的详细描述时，本公开的这些和其他特征、方面和优点将变得更好地理解，在附图中相同的字符表示整个附图中相同的部分，其中：
图1是经由增材制造形成的粉末填充的零件的示意图；
图2是经由增材制造形成的包括粉末去除特征的零件的示意图；
图3是经由增材制造形成的包括粉末去除特征的零件的示意图；
图4是经由增材制造形成的包括粉末去除特征的零件的通道的放大截面图；
图5是经由增材制造形成的包括粉末去除特征的零件的通道的放大截面图；
图6是经由增材制造形成的包括多个粉末去除特征的零件的通道的放大截面图；和
图7是根据本实施例的粉末去除方法。
除非另有指示，否则本文提供的附图旨在说明实施例的特征。这些特征被认为可应用于包括本公开的一个或多个实施例的各种系统中。因此，附图并不意味着包括本领域普通技术人员为实施本文公开的实施例所需的所有常规特征。
具体实施方式
在下面的说明书和权利要求书中，将引用许多术语，这些术语应限定为具有以下含义。
除非上下文另有明确规定，否则单数形式“一”、“一个”和“这个”包括复数引用。
“可选”或“可选地”是指随后描述的事件或情况可能发生或可能不发生，并且描述包括事件发生的实例和事件不发生的实例。
本说明书和权利要求书中使用的近似语言可用于修饰任何可允许变化的定量表示，而不导致其相关的基本功能的变化。因此，由一个或多个术语修改的值，例如“大约”、“近似”和“基本”，不限于规定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可以对应于用于测量值的仪器的精度。在本说明书和权利要求书中，范围限制可以组合和/或互换。除非上下文语言另有指示，否则识别这些范围并包括其中包含的所有子范围。
如本文所使用的，术语“整体的”描述由单一的、连续的、均匀的一致性形成的结构。
如本文所用，术语“模态”指任何增材制造方法和加工，包括但不限于粘合剂喷射、定向能量沉积、材料挤压、选择性激光熔化(SLM)、材料喷射、粉末床熔化、片层压、焊接、钎焊、还原光聚合、立体平版打印(SLA)、直接金属激光熔化(DMLM)，熔融沉积模型(FDM)、直接金属激光烧结(DMLS)和电子束熔化(EBM)。也有不使用粉末的增材形式。增材制造也称为生成性构建过程。
如本文所使用的，术语“粉末”可用于各种材料，包括但不限于金属、陶瓷和聚合物粉末。粉末特性，例如尺寸、材料、密度和其他性质可取决于所采用的模态。
如本文所使用的，术语“除粉”和“粉末去除”是指在制造阶段之后或期间从零件去除多余粉末的过程。
在使用粉末床模态和/或粉末作为输入材料的增材制造构建方法中，粉末尺寸分布存在变化，导致粉末的包装密度变化。例如，对于许多模态，期望更高的粉末填充密度，以便减小所得成品零件的孔隙率。对于其它模态，期望较低的粉末填充密度以增加粉末的流动性，这可提高过程的精细特征细节的分辨率。因此，粉末去除在一些增材模态中可能比在其他增材模态中更具挑战性，特别是当零件处于坯体状态时发生粉末去除的模态，因为在不损坏坯体零件的情况下震动或振动坯体零件的能力的限制。
图1是通过增材制造制成的零件10的示意图。该零件可能处于坯体状态，并且未完全完成。零件10包括限定在多个竖直壁16和多个水平壁18之间的多个水平和竖直间隔开的通道14。零件10可包括至少一个侧壁20、顶表面22和底表面24。作为经由粉末床增材制造过程制造的结果，多个水平和竖直间隔开的通道14中的每个通道充满粉末12。在图1的实施例中，多个水平和竖直隔开的通道14以矩形和/或正方形横截面出现。然而，具有其他横截面形状(例如圆、三角形、平行四边形和其他形状)的通道也是可能的。此外，除了通道之外的空腔(例如空隙、储气室、气室、晶格结构空隙、管道、歧管等)也是可能的。
图2是根据本实施例的零件10的截面图，包括顶表面22、至少一个侧壁20以及切割表面26，切割表面26示出了通过其进行切割的平面，由此示出了零件10的内部细节。切割表面26提供了易于说明的方式，并且很可能不包括在零件10中。零件10包括多个竖直壁16和多个水平壁18，多个竖直壁16和多个水平壁18限定水平和竖直间隔开的通道14。每个通道14填充有粉末12以及至少一个浮动结构28，该浮动结构28可在构建过程中形成并搁置在粉末12中。在一个实施例中，至少一个浮动结构通过形成零件10的相同增材制造过程与零件10或坯体状态零件结构同时形成。至少一个浮动结构28被包裹、浸没在粉末12中和/或被粉末12包围。如图2所示，浮动结构28被示出为球形，然而，诸如三维椭圆、星形、立方体、矩形、圆柱体、多边形、金字塔、菱形、三角形和其他三维几何形状的其他形状也是可能的。
每个浮动结构28的尺寸使得其最大宽度34(或球形浮动结构28的直径)小于通道宽度36。浮动结构28不与零件10的内部结构机械联接，因此每个浮动结构28可容易地从零件10去除，而浮动结构28与通道壁16、18之间的摩擦最小。浮动结构28可包括在同一通道14内限定第一浮动结构28在第二浮动结构28之后的距离的深度间隔32。竖直间隔30可限定同一通道14内的浮动结构28之间的竖直距离。如图2所示，浮动结构28也可以被交错排列，使得相邻的行被隔开竖直交错距离40和深度交错距离38，其中竖直交错距离40和深度交错距离38可以小于相应的竖直间隔30和深度间隔32。在一些实施例中，浮动结构28可使用减小的机械联接或附接装置附接至零件10，使得浮动结构28在构建过程期间保持就位，但在粉末去除过程期间由于重力、振动或其他力也容易自由断裂。
在粉末去除期间，其未机械地联接至零件10的任何壁或内部结构的浮动结构28在通道14内来回移动以将粉末12推出通道14。外力和/或振动可施加到零件10以引起浮动结构28和周围粉末12之间的相对运动，至少部分地归因于浮动结构28的质量和惯性。浮动结构28和周围粉末12之间的相对运动导致浮动结构将粉末12推出通道14，这也由外力和/或振动以及重力辅助。与仅使用外力和/或振动的过程相比，与零件10机械地分离的浮动结构28的运动可增加粉末去除过程的有效性。
此外，浮动结构28可减小粉末去除所需的外力和/或振动的大小，这可因此导致零件10上的应力减小，以及在粉末去除过程中损坏零件10的可能性减小。该保护方面对于在粉末去除期间仍处于“坯体”或非最终加工状态的零件10的使用尤其重要。零件结构或“坯体”状态零件是仍在被制造的过程中的零件10，例如在热处理之前打印之后。此外，对于具有复杂内部几何形状的零件10，例如包括三维通道和经由外部进入端口不容易接近的其它特征的零件，内部不能接近的空腔内的浮动结构28将有助于粉末去除。
浮动结构28可经由各种增材制造模态形成，所述增材制造模态包括(但不限于)粉末床、粘合剂射流、DMLM、DMLS、SLM、EBM和其它。使用粘结剂射流和其它类似的形式，可以将光滑的粉末层12铺展在构建区域上，并且将粘结剂选择性地涂布到形成零件10或浮动结构28的区域。然后可将另一较光滑的粉末层12铺展在顶部上，然后可根据零件10或浮动结构28的期望几何形状将连续的粘合剂层选择性地涂布在第一层和/或前一层的顶部上。该过程反复重复，一次一层，直到形成零件10或浮动结构28。不需要零件10和浮动结构28彼此接触，因此自由浮动的浮动结构28可以形成在零件10的内部空腔内。
使用诸如但不限于DMLM、DMLS、SLM、EBM和包括选择性地施加到每个连续光滑粉末层的外部热源的其他模态，可以在形成浮动结构28的第一层和/或前几层时调节外部热源的大小(例如，激光功率或电子束强度)，使得粉末12可以具有不同的熔化，烧结和/或粘结特性。然后，对于形成浮动结构28的每个连续层，可以根据需要(取决于粉末材料特性和紧密控制热源的大小的能力)调节外部热源的大小，从而允许在零件10的内部空腔内形成浮动结构28。这种方法是在没有支撑结构的情况下形成浮动结构28的一种方法。此外，与本文描述的浮动结构28类似，可以在构建过程之后使用浮动的和/或变得自由的支撑结构以帮助粉末去除。DMLM、DMLS、SLM、EBM等也可以通过在构建过程中选择性地涂布粘合剂来实现类似的结果。
虽然在上述构建过程期间施加不同大小的热和/或粘合剂可能不足以提供成品或部分成品零件10的期望的材料性质，但这种方法可能足以用作浮动结构28的一部分，浮动结构28可在粉末去除过程之后再循环、废弃和/或不具有持续的功能。另外，浮动结构28在空腔内的精确放置可能不那么重要，因为浮动结构28用于在粉末去除过程中四处移动。因此，如果上述用于使用DMLM、DMLS、SLM、EBM和其他类似模式形成浮动结构28的方法在浮动结构28的位置、材料特性和/或几何形状上产生变化，则浮动结构28仍可足以去除粉末。
图3是包括多个圆柱形浮动结构28'的零件10的剖视图，所述多个圆柱形浮动结构28'被空腔14内的粉末12包围。图3包括切割表面26，切割表面26示出了通过其进行切割的平面，由此示出了零件10的内部细节。竖直间隔30和深度间隔32限定圆柱形浮动结构28'之间的竖直和深度方向的距离。圆柱形浮动结构28'被定向成使圆形表面42面对深度方向44。另外，浮动结构28'的圆柱长度在深度方向44上对齐。在其他实施例中，圆柱形浮动结构28可被定向成使得圆形表面定向在竖直方向46上，或沿着宽度方向水平轴线48定向。在其他实施例中，沿深度方向44、竖直方向46和宽度方向水平轴线48的多个浮动结构28'和各种组合可用于增强粉末去除过程。此外，在球形浮动结构28的情况下，圆柱形浮动结构28'之间的间隔可以限定为从球形中心到球形中心，或者在圆柱形浮动结构28'的情况下，限定为从圆形表面42到圆形表面42。可根据需要限定其他间隔布置。
图4示出了包括示例性单通道44和示例性单浮动结构428的零件10。通道14具有矩形截面，其具有通道高度50和通道宽度52。浮动结构428具有矩形截面，其具有浮动结构高度54和浮动结构宽度56。在图4的布置中，浮动结构428占据空腔容积的高百分比，从而减小粉末12可占据的可用容积。在一个实施例中，浮动结构428可以占据通道的容积的约60％至约100％。在另一实施例中，浮动结构428可占据通道体积的约80％至约99％。在另一实施例中，浮动结构428可占据通道容积的约85％至约97％。在另一实施例中，浮动结构428可占据通道容积的约90％至约95％。此外，浮动结构428具有相似或相同的截面形状(图4中为矩形)和/或纵横比(长宽比)，其允许浮动结构角58接近通道14的拐角60，粉末12在此处可能很难去除。在一个实施例中，浮动结构高度54和宽度56中的每一个可以大于相应通道高度50和宽度52的大约80％。在另一实施例中，浮动结构高度54和宽度56中的每一个可以大于相应通道高度50和宽度52的大约90％。在另一实施例中，浮动结构高度54和宽度56中的每一个可以大于相应通道高度50和宽度52的大约95％。在另一实施例中，浮动结构高度54和宽度56中的每一个可以大于相应通道高度50和宽度52的大约99％。图4的浮动结构428可以设计成使得浮动结构428只能在通道14内处于单一取向，从而确保浮动结构拐角58将接近通道14的拐角60。
图5示出了包括示例性单通道14和示例性单浮动结构528的零件10。通道14部分地由在拐角60处相交的壁限定。浮动结构528包括第一平面部分62A和第二平面部分62B，第一平面部分62A和第二平面部分62B相交以形成X形横截面。与图4的实施例相比，图5的X形浮动结构528的多个拐角边缘64被定向为靠近通道14的拐角60，以增强通道14内的粉末去除，同时减小浮动结构528的容积。在其它实施例中，具有其它布置的浮动结构528可用于辅助粉末去除过程，所述其它布置包括朝向通道内的拐角或内部区域偏置的臂和/或部分。
图6示出了包括示例性单通道14和多个浮动结构28A和28B的零件10。第一浮动结构28A可以是千斤顶形状，具有在六个相互正交的方向上延伸的6个叉形件66。第二浮动结构28B可以是球形的。在粉末去除过程中，千斤顶形状的第一浮动结构28A可以定向成使得6个叉形件66中的至少一个靠近通道14的拐角60中的一个。球形第二浮动结构28B可有助于将第一浮动结构28A以及粉末12推出通道14。使用浮动结构28的其它组合和形状的其它布置也是可能的。
图7示出粉末去除过程700，包括以下步骤：限定零件几何形状702，识别所有内部空隙704，识别需要粉末去除的空隙706，限定通道横截面的最小尺寸708，限定公差710，限定第一浮动结构的形状712，限定第一浮动结构的尺寸714，限定第一浮动结构的取向716，限定第一浮动结构的放置718，限定第一浮动结构的构建特性(例如孔隙率、固性、填充、硬度等)720，对于第2至n个浮动结构重复上述步骤722，限定浮动结构之间的间隔(深度、竖直和水平)，对于每个附加通道重复上述步骤724，为零件和浮动结构创建构建文件726，构建零件和浮动结构728，限定振动特性730，启动第1振动序列(包括振动频率、幅度、取向和持续时间)732、734、736、738和740，启动第2至n个振动序列742，检查零件744，对零件称重以评估零件中仍然残留的粉末的量746，使用风扇、鼓风机，或真空748，并重复一个或多个步骤。图7的方法可以包括其它步骤。此外，在一些实施例中，将不执行所有步骤。在其他实施例中，将以不同的顺序执行步骤。
本实施例的布置可以包括在构建过程期间将浮动结构28用于其他目的，包括(但不限于)振动阻尼、热管理、结构支撑和其他目的。本实施例还可以包括在构建过程期间、在构建过程之后和/或在粉末去除过程期间，包括在一些粉末已经被去除之后，将浮动结构28插入零件10的一个或多个通道14中，并且包括重新插入已经被去除的浮动结构28。
本实施例的浮动结构28可有助于松散被紧密填充到内部通道14和零件10的其它空腔中的粉末12。一旦粉末12被浮动结构28松散，粉末12就可由于重力和/或振动而开始流出。可以根据需要基于零件10的几何形状，沿着多个轴线和/或取向施加振动和/或抖动。换句话说，有利的是，使浮动结构28具有多个取向上的动量，从而使可能陷入零件10的可能具有特定取向的内部通道14中的粉末12松散。浮动结构28的密度和/或振动特性可以不同于粉末12的密度和/或振动特性，从而在粉末去除过程期间引起它们之间的相对运动。本实施例的浮动结构28可以在质量、密度、结构刚度、形状和其他因素之间达到平衡，从而允许浮动结构12能够容易地从零件10去除而不损坏零件10，同时产生有效的粉末12去除。
通过允许在构建过程中用松散粉末12填充浮动结构28，浮动结构28可以实现期望的质量，而不需要是整体式固体。另外，用松散粉末12填充浮动结构28可减少在粘结剂喷射构建过程期间所需的粘结剂的量和/或可减少在DMLM、DMLS、SLM、EBM构建过程和包括被选择性地施加到粉末的外部热源的其他类似模态期间所需的热量。还可以通过从浮动结构28吹送或抽吸粉末12而从浮动结构28的内部部分地去除松散粉末12，同时粉末12被部分地形成并且仍然具有开口的空腔。在这样的实施例中，保持浮动结构28的外部几何形状，同时减小浮动结构28的质量(因为浮动结构28将是中空的或仅部分地填充有粉末12)，这可能期望在粉末去除过程期间减小零件10上的应力。
本文描述的方法和实施例提供了从增材制造的零件(特别是具有复杂内部几何形状的零件)、经由粉末床增材制造模式制造的零件以及具有精细特征细节的零件中增强地去除粉末。此外，此处描述的方法和实施方案利用增材模态(例如使用热源的DMLM、DMLS、SLM、EBM和粘合剂喷射)来增强粉末去除，其中零件保持在打印后(热处理之前)的坯体状态，在该状态期间零件在结构上不那么坚固并且不能适应通常用于去除粉末的手段的摇动引起的大振动。
虽然本公开的各种实施例的具体特征可以在一些附图中示出，而不是在其他附图中示出，但这仅是为了方便。根据本公开的实施例的原理，附图的任何特征可以与任何其他附图的任何特征结合引用和/或要求保护。
该书面描述使用示例来公开本公开的实施例，包括最佳模式，并且还使得本领域技术人员能够实践本公开的实施例，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何结合的方法。这里描述的实施例的可申请专利的范围由权利要求限定，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。

Claims (20)

1.一种制造的物品，其特征在于，包括：
零件结构，所述零件结构经由第一增材制造过程而形成；和
设置在所述零件结构内的至少一个浮动结构，所述至少一个浮动结构与所述零件结构机械地分离，
其中，所述至少一个浮动结构经由所述第一增材制造过程与所述零件结构同时形成。
2.根据权利要求1所述的物品，其特征在于，进一步包括：
设置在所述零件结构内的粉末，
其中所述粉末包裹所述至少一个浮动结构。
3.根据权利要求1所述的物品，其特征在于，其中所述浮动结构是整体的。
4.根据权利要求1所述的物品，其特征在于，其中所述至少一个浮动结构包括至少一个内部空腔，以及
其中粉末设置在所述至少一个内部空腔内。
5.根据权利要求1所述的物品，其特征在于，其中所述第一增材制造过程为粘合剂喷射。
6.根据权利要求1所述的物品，其特征在于，其中所述第一增材制造过程是直接金属激光熔化(DMLM)、直接金属激光烧结(DMLS)、选择性激光熔化(SLM)和电子束熔化(EBM)中的一种。
7.根据权利要求1所述的物品，其特征在于，其中，所述至少一个浮动结构是球形、椭圆形、星形、立方形、矩形、圆柱形、棱锥形、多边形、菱形和三角形中的一个。
8.根据权利要求1所述的物品，其特征在于，进一步包括：
至少一个通道；和
多个浮动结构，
其中所述多个浮动结构在所述至少一个通道内间隔开。
9.根据权利要求1所述的物品，其特征在于，进一步包括：
至少一个通道，
其中所述至少一个浮动结构设置在所述至少一个通道内，并且
其中所述至少一个浮动结构占据所述至少一个通道的容积的至少约60％。
10.根据权利要求8所述的物品，其特征在于，其中，所述多个浮动结构沿着深度方向、以及水平方向和竖直方向中的一个方向间隔开。
11.根据权利要求8所述的物品，其特征在于，所述多个浮动结构还包括至少两行相邻的浮动结构，
其中，所述至少两行相邻的浮动结构中的每一行与相邻行的浮动结构交错。
12.一种粉末去除方法，其特征在于，包括：
识别零件几何形状；
识别所述零件内的放置至少一个粉末去除特征的至少一个空腔；
限定所述至少一个粉末去除特征的至少一个特性；
创建构建文件，用于经由生成性构建过程来形成所述零件和所述至少一个粉末去除特征；
生成性地形成所述零件和所述至少一个粉末去除特征；和
使所述零件和所述至少一个粉末去除特征振动。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，其中限定所述至少一个粉末去除特征的所述至少一个特性包括限定粉末去除特征的形状、尺寸、所述零件内的取向、所述零件内的位置和孔隙率中的至少一个。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，进一步包括生成性地形成多于一个的粉末去除特征。
15.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，进一步包括识别所述零件的所述至少一个空腔的最小横截面的尺寸。
16.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，进一步包括限定至少一个振动参数。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括根据所述至少一个振动参数来使所述零件和所述至少一个粉末去除特征振动，
其中，所述至少一个振动参数包括振动频率、振动幅度、振动取向和振动持续时间中的至少一个。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，进一步包括至少一个振动后步骤，
其中，所述至少一个振动后步骤包括目视检查所述零件、称重所述零件、对所述零件吹气和将所述零件抽真空中的至少一个。
19.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，进一步包括生成性地形成多于一个的粉末去除特征，
其中限定所述至少一个粉末去除特征的至少一个特性包括限定粉末去除特征的形状、尺寸、所述零件内的取向、所述零件内的位置和孔隙率中的至少一个。
20.一种制造的物品，其特征在于，包括：
零件结构，所述零件结构经由第一增材制造过程形成；
设置在所述零件结构内的粉末；和
设置在所述零件结构内的至少一个浮动结构，所述至少一个浮动结构与所述零件结构机械地分离，
其中所述粉末包裹所述至少一个浮动结构。
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