CN113183466B - 包括增材制造的混合部件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及包括增材制造的混合部件。一种混合部件包括基础结构以及设置在该基础结构上并附接到该基础结构的多个增材制造材料层。该基础结构可包括多个基础材料片和/或通过任何非增材制造方法形成的基部。一种形成混合部件的方法包括提供基础结构，该基础结构包括以下任一者或两者：a）多个基础材料片；以及b）通过非增材方法形成的基部。该方法还包括将多个增材制造材料层逐层地设置到该基础结构上。

Description

包括增材制造的混合部件
技术领域
本公开涉及一种混合部件，其一部分通过增材制造形成，并且涉及一种形成混合部件的方法。
背景技术
增材制造，也称为3-D打印，是指用于借助在三维工作包封（work envelope）内的顺序的层材料添加/结合而通过自动控制来创建三维物体的过程。物体可被制造成各种形状和几何构型，并且可包括牺牲材料或支撑材料，从而使得能够实现先前无法实现的设计形状。
已知各种增材制造工艺，其主要区别在于沉积材料层的方式和所用的材料。特别地，增材制造工艺例如可包括使用诸如热塑性长丝、金属粉末、石膏或树脂之类的材料的熔融沉积成型、激光烧结、电子束熔化和喷墨3D打印。
然而，增材制造是时间密集型的过程，其严重地受到待生成部件的尺寸和复杂度的影响。因此，增材制造尚未被用于高产量、例如大批量或大量的制造操作。
发明内容
本公开提供了一种混合部件和一种形成混合部件的方法，该混合部件包括基础结构，而增材制造材料添加到该基础结构。以这种方式，可通过比逐层沉积的增材制造要快得多的方法来形成基础结构，并且随后，可通过逐层的增材制造沉积在该基础结构上形成部件的更复杂的特征。如此，与传统的增材制造相比，可大大减少创建该混合部件的时间、复杂性和支出。
在可与本文所公开的其他形式结合或分开的一种形式中，提供了一种混合部件，该混合部件包括基础结构，该基础结构包括以下至少一者：a）多个基础材料片；以及b）通过非增材方法形成的基部。该混合部件还包括多个增材制造材料层，其设置在该基础结构上并且附接到该基础结构。
在可与本文所公开的其他形式结合或分开的另一种形式中，一种形成混合部件的方法包括提供基础结构，该基础结构包括多个基础材料片和由非增材材料形成的基部中的任一者或两者。该方法还包括将多个增材制造材料层逐层地设置到该基础结构上。
可以可选地提供附加的特征，包括但不限于以下特征：将该多个基础材料片附接在一起，以形成该基础结构；该多个基础材料片利用粘合材料来附接在一起；该粘合材料为环氧基胶带；该基础材料包括以下至少一者：铝、钢、镁、钛和复合材料；其中，该基础结构还包括多个粘合材料层，每个粘合材料层设置在一对基础材料片之间，以形成层叠部分；每个基础材料片具有处于0.5毫米（mm）至4.0 mm的范围内的片厚度；每个粘合材料层具有处于0.2 mm至2.0 mm的范围内的粘合剂厚度；每个增材制造材料层具有处于0.02 mm至5 mm的范围内的增材层厚度；其中，该多个基础材料片包括由第一材料形成的第一片和由第二材料形成的第二片，该第一材料和该第二材料彼此不同；并且其中，该基础结构在其中限定腔，以减小该基础结构的质量。
可以可选地提供附加的特征，包括但不限于以下特征：将该多个制造材料层固态焊接到该基础结构上；在每个基础材料片之间设置粘合材料，以将该多个基础材料片附接在一起；在每个基础材料片中形成至少一个定位孔，以有助于将该多个基础材料片附接在一起的步骤；和/或在将多个增材制造材料层逐层地设置到该基础结构上的步骤期间，使该基础结构旋转。
本发明还包括以下技术方案。
方案1. 一种混合部件，包括：
基础结构，其包括以下至少一者：a）多个基础材料片；以及b）通过非增材方法形成的基部；以及
多个增材制造材料层，其设置在所述基础结构上并且附接到所述基础结构。
方案2. 根据方案1所述的混合部件，其中，所述基础结构由所述多个基础材料片形成，并且所述多个基础材料片被附接在一起，以形成所述基础结构。
方案3. 根据方案2所述的混合部件，所述多个基础材料片利用粘合材料来附接在一起。
方案4. 根据方案3所述的混合部件，所述粘合材料为环氧基胶带。
方案5. 根据方案2所述的混合部件，所述基础材料包括以下至少一者：铝、钢和复合材料。
方案6. 根据方案2所述的混合部件，其中，所述基础结构还包括多个粘合材料层，每个粘合材料层设置在一对所述基础材料片之间，以形成层叠部分。
方案7. 根据方案6所述的混合部件，每个基础材料片具有处于0.5 mm至4.0 mm的范围内的片厚度，每个粘合材料层具有处于0.2 mm至2.0 mm的范围内的粘合剂厚度，并且每个增材制造材料层具有处于0.02 mm至5 mm的范围内的增材层厚度。
方案8. 根据方案7所述的混合部件，其中，所述多个基础材料片包括由第一材料形成的第一片和由第二材料形成的第二片，所述第一材料和所述第二材料彼此不同。
方案9. 根据方案7所述的混合部件，其中，所述基础结构在其中限定腔。
方案10. 一种形成混合部件的方法，所述方法包括：
提供基础结构，其包括以下至少一者：a）多个基础材料片；以及b）通过非增材方法形成的基部；以及
将多个增材制造材料层逐层地设置到所述基础结构上。
方案11. 根据方案10所述的方法，其中，将所述多个增材制造材料层逐层地设置到所述基础结构上的步骤包括将所述多个增材制造材料层固态焊接到所述基础结构上。
方案12. 根据方案11所述的方法，还包括将所述基础结构提供为包括所述多个基础材料片，并且将所述多个基础材料片附接在一起，以形成所述基础结构。
方案13. 根据方案12所述的方法，还包括在每个基础材料片之间设置粘合材料，以将所述多个基础材料片附接在一起。
方案14. 根据方案13所述的方法，还包括将所述粘合材料提供为环氧基胶带。
方案15. 根据方案14所述的方法，还包括将所述基础材料提供为包括以下至少一者：铝、钢和复合材料。
方案16. 根据方案15所述的方法，还包括：
提供每个基础材料片，其具有处于0.5 mm至4.0 mm的范围内的片厚度；
提供每个粘合材料层，其具有处于0.2 mm至2.0 mm的范围内的粘合剂厚度；以及
提供每个增材制造材料层，其具有处于0.02 mm至5 mm的范围内的增材层厚度。
方案17. 根据方案16所述的方法，其中，所述多个基础材料片包括由第一材料形成的第一片和由第二材料形成的第二片，所述第一材料和所述第二材料彼此不同。
方案18. 根据方案16所述的方法，还包括在所述基础结构内限定腔，以减小所述基础结构的质量。
方案19. 根据方案12所述的方法，还包括在每个基础材料片中形成定位孔，以有助于将所述多个基础材料片附接在一起的步骤。
方案20. 根据方案10所述的方法，还包括在将多个增材制造材料层逐层地设置到所述基础结构上的步骤期间，使所述基础结构旋转。
根据本文提供的描述，其他适用领域将变得显而易见。应当理解的是，描述和具体示例仅意在用于说明的目的，并不意在限制本公开的范围。
附图说明
本文所描述的附图仅用于说明的目的，并不意在以任何方式来限制本公开的范围。
图1是根据本公开的原理的混合部件的示意性透视图；
图2是根据本公开的原理的沿图1中的线2-2截取的图1的混合部件的剖视图；
图3是根据本公开的原理的沿图1中的线3-3截取的图1-2的混合部件的剖视图；
图4是图示了根据本公开的原理的形成混合部件的方法的框图；以及
图5是图示了根据本公开的原理的形成混合部件的另一方法的框图。
具体实施方式
本文描述了本公开的示例。然而，要理解的是，所公开的示例仅被提供作为对本公开的可能方面的说明，并且其他示例可采取各种和替代的形式，而不会超出本公开的精神和范围。附图不一定按比例绘制，并且一些特征可被放大或最小化，以示出特定部件的细节。因此，本文所公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制性的，而是仅作为用于教导本领域技术人员以各种方式来采用本公开的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，参考任一附图图示和描述的各种特征可与一个或多个其他附图中图示的特征组合，以产生未明确图示或描述的实施例。所示特征的组合提供了典型应用的代表性示例。然而，对于特定的应用或实施方式，可能期望与本公开的教导一致的特征的各种组合和修改。此外，应当理解的是，在整个附图中，相对应的附图标记指示相同或相对应的部件和特征。此外，除非另有说明，否则诸如“顶”、“侧”和“后”之类的方向用于解释的目的，并且不意在要求特定的定向。
现在参考图1，其图示了示例性的混合部件，并且该混合部件总体上以10标示。混合部件10包括基础结构12和增材部分14。在所示示例中，增材部分14包括：杆16，其相对于基础部分12的顶表面18以锐角A延伸；以及从顶表面18延伸的部分球体20。如将在下面进一步详细解释的，增材部分14通过将多个增材制造材料层逐层地沉积到基础结构12上而形成。例如，增材部分通过将这些层3D打印到基础结构12上而形成。
基础结构12可由任何结构形成，例如，由与增材部分14相比具有不那么复杂的设计的结构形成，使得基础结构12可通过传统上已知的制造技术来形成，这些制造技术可用于比通常形成增材制造的部件更快地形成部件。因此，基础结构12可由通过“非增材”方法形成的基部形成，和/或基础结构12可由多个片22形成，这将在下面进一步详细解释。
现在参考图2和图3，并继续参考图1，基础结构12包括以下任一者或两者：a）通过增材制造以外的方法由非增材材料形成的基部；以及b）多个片22。在所示示例中，基础结构12是层叠部分，其包括经由粘合材料24附接在一起的若干片部分22，例如金属片部分或复合材料片。该粘合材料24可以是胶带或胶，例如环氧基胶带（epoxy-based tape）。在另一变型中，可省略粘合材料24，并且片22能够以另一种方式、例如通过超声波焊接来结合。
在所示示例中，基础结构12具有长部段26和堆叠在长部段26上的短部段28。基础结构12的顶侧22'可由片22或粘合层24形成。如果需要，每个片22可具有各种不同的厚度。举例来说，每个片22优选地具有处于0.5 mm至4.0 mm的范围内的片厚度t，并且粘合材料24的每一层优选地具有处于0.2 mm至2.0 mm的范围内的粘合剂厚度u。
片22可由任何期望的材料形成。例如，片22可以是由例如铝、钢、镁或钛或它们的组合形成的金属片部分，或者片22可由诸如碳纤维或玻璃纤维之类的复合材料形成。在一些示例中，一个或多个片22可由第一材料形成，并且一个或多个片22可由第二材料形成，其中，该第一材料和第二材料彼此不同。如果需要，可将附加的不同材料用于片22，并且用于片22的不同材料的数量不限于两种。
为了减小基础结构12的质量，基础结构12可在其中限定腔29。例如，腔29可具有由片22形成的上壁31和下壁33，并且该腔的侧面35、37可由多个片22形成，该多个片22与形成上壁31和下壁33的片22相比是较小的片22，以允许腔29存在于基础结构12内以节省质量。
包括杆16和部分球体20中的每一个的增材部分14包括设置在基础结构12上并附接到基础结构12的多个增材制造材料层30，如在图3中最佳地看到的。举例来说，每个增材制造材料层30可具有处于20微米（0.02 mm）至500微米（0.5 mm）的范围内的增材层厚度v；并且在其他示例中，该增材层厚度v可处于0.02 mm至5 mm的范围内。举例来说，该增材制造材料可以是聚合物或复合材料。还可使用或替代地使用金属，其中，如果在增材层30中使用与相邻的基础结构片22中相同的金属，则金属将最好地粘附至基础结构12。因此，举例来说，用于增材层中的金属可包括铝、钢、镁和/或钛。
现在参考图4，框图图示了形成例如混合部件10之类的混合部件的方法100。方法100包括提供基础结构的步骤102。在步骤102中提供的基础结构包括以下任一者或两者：a）多个基础材料片（例如，上面示出和描述的基础结构12）；以及b）通过非增材方法形成的基部。方法100还包括以下步骤104，即：将多个增材制造材料层逐层地设置到基础结构12上。例如，层30可被设置到基础结构12上，以形成上面所示的杆16和部分球体20。在某些形式中，期望由基础结构材料形成混合部件10的非复杂部分，并且利用增材制造层来形成混合部件10的更复杂的部分。
当基础结构是包括粘合层24的例如上面示出和描述的基础结构12的层叠部分时，期望使用例如冷喷涂工艺之类的固态焊接工艺来添加增材制造层。在这样的固态焊接工艺中，增材制造材料的颗粒可以高速度加速到基础结构12上，以将层30焊接到基础结构12上以及焊接到先前的层30上。这允许在不破坏或熔化粘合层24的情况下添加增材层30。然而，如果基础结构12由不包括粘合剂24和/或不与上述的环氧基粘合剂具有相同的热限制的其他材料形成，则可使用其他增材制造工艺，例如熔融沉积成型、激光烧结、电子束熔化或喷墨3D打印。
方法100还可包括结合任何上述特征。例如，方法100可包括：将基础结构12提供为包括所述多个基础材料片22，并且将所述多个基础材料片22附接在一起，以形成基础结构12；在每个基础材料片22之间设置粘合材料24，以将所述多个基础材料片22附接在一起；提供粘合材料24作为附接到每个相邻片22的环氧基胶带；将基础材料提供为包括铝、钢、钛、镁和/或复合材料；提供每个基础材料片22，其具有处于0.5 mm至4.0 mm的范围内的片厚度；提供每个粘合材料层24，其具有处于0.2 mm至2.0 mm的范围内的粘合剂厚度；提供每个增材制造材料层30，其具有处于0.02 mm至5 mm的范围内的增材层厚度；提供由彼此不同的材料形成的片22；以及在基础结构内限定腔，以减小基础结构的质量。
现在参考图5，其图示了形成混合部件的方法的另一版本，并且该方法总体上以200标示。方法200包括以下步骤202，即：在计算机化程序（例如，诸如SolidWorks、NX、Catia之类的计算机辅助设计（CAD）程序）中创建期望的部件，例如混合部件10。举例来说，部件10的CAD文件可被分成多层，以最终创建层叠的基础结构12的片22。
方法200可包括以下步骤204，即：在每个片22中形成至少一个定位孔，以有助于将所述多个基础材料片22附接在一起的步骤。这些孔可在CAD文件中设计，并且随后在实际的片22中创建。这些孔有助于将片22定位到待相对于彼此定向的固定装置上。可使用任何期望数量的孔，举例来说，例如一个、两个、三个或四个。
方法200还可包括以下步骤206，即：通过任何可接受的方法来切割每个片层22，举例来说，所述方法例如水刀或电火花线切割加工（WEDM）。
方法200可包括以下步骤208，即：组装每个片层22，并且在每个片22之间添加粘合层24。例如，基础结构12可逐层地形成，这是通过放置第一片22，添加第一粘合层24，将第二片22放置在第一粘合层24上，将第二粘合层24添加到第二片22上，将第三片22放置在第二粘合层24上，依此类推。如果需要，在施加增材部分14之前，粘合层24可被放置在最后的片22的顶部上。
方法200可包括以下步骤210，即：例如通过3D打印，将增材制造层30施加到基础结构12上。如上面关于图4中所示的方法所述，施加增材制造层30的步骤210可包括将多个增材制造材料层30逐层地设置到基础结构12上。例如，层30可被设置到基础结构12上，以形成上面所示的杆16和部分球体20。在某些形式中，期望由基础结构材料形成混合部件10的非复杂部分，并且利用增材制造层30来形成混合部件10的更复杂的部分。增材制造层30可使用诸如冷喷涂工艺之类的固态焊接工艺来施加，其中，增材制造材料的颗粒以高速度加速到基础结构12上，以将层30焊接到基础结构12上以及焊接到先前的层30上。
方法200可以可选地包括以下步骤212，即：在将所述多个增材制造材料层30逐层地设置到基础结构12上的步骤210期间，使基础结构12旋转。如此，3D打印的部分可被添加到基础结构12的多个侧面。
然后，方法200可包括固化混合部件10的步骤214。例如，混合部件10可在如下温度下固化，即：该温度足够热，以固化增材制造材料，但又没有热到使得粘合层24被破坏。在某些形式中，该固化温度可处于130-190摄氏度的范围内。在一个示例中，该固化温度可为大约160摄氏度。举例来说，部件10可被固化20分钟至1小时。方法200可以可选地包括在固化步骤214之后加工混合部件10的步骤216。
在增材层30中所使用的增材制造材料可由单一材料组成或者由存在于各层处的不同材料组成。
本说明书本质上仅是示例性的，并且变型意在属于本公开的范围内。在不超出本公开的精神和范围的情况下，本文所示的示例能够以各种方式组合。这样的变型不应被认为脱离本公开的精神和范围。

Claims (14)

1.一种混合部件，包括：
基础结构，其包括：a）多个基础材料片；以及b）通过非增材方法形成的基部，其中，所述基础结构由所述多个基础材料片形成，并且所述多个基础材料片被附接在一起，以形成所述基础结构，其中，所述基础结构还包括多个粘合材料层，每个粘合材料层设置在一对所述基础材料片之间，以形成层叠部分；以及
多个增材制造材料层，其设置在所述基础结构上并且附接到所述基础结构，其中在不破坏或熔化粘合材料层的情况下所述多个增材制造材料层被固态焊接到所述基础结构上。
2.根据权利要求1所述的混合部件，所述粘合材料为环氧基胶带。
3.根据权利要求1所述的混合部件，所述基础材料包括以下至少一者：铝、钢和复合材料。
4.根据权利要求1所述的混合部件，每个基础材料片具有处于0.5 mm至4.0 mm的范围内的片厚度，每个粘合材料层具有处于0.2 mm至2.0 mm的范围内的粘合剂厚度，并且每个增材制造材料层具有处于0.02 mm至5 mm的范围内的增材层厚度。
5.根据权利要求4所述的混合部件，其中，所述多个基础材料片包括由第一材料形成的第一片和由第二材料形成的第二片，所述第一材料和所述第二材料彼此不同。
6.根据权利要求4所述的混合部件，其中，所述基础结构在其中限定腔。
7.一种形成混合部件的方法，所述方法包括：
提供基础结构，其包括：a）多个基础材料片；以及b）通过非增材方法形成的基部，其中将所述基础结构提供为包括所述多个基础材料片，并且将所述多个基础材料片附接在一起，以形成所述基础结构，并且在每个基础材料片之间设置粘合材料，以将所述多个基础材料片附接在一起；以及
将多个增材制造材料层逐层地设置到所述基础结构上，其中，将所述多个增材制造材料层逐层地设置到所述基础结构上的步骤包括在不破坏或熔化粘合材料的情况下将所述多个增材制造材料层固态焊接到所述基础结构上。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括将所述粘合材料提供为环氧基胶带。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括将所述基础材料提供为包括以下至少一者：铝、钢和复合材料。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括：
提供每个基础材料片，其具有处于0.5 mm至4.0 mm的范围内的片厚度；
提供每个粘合材料层，其具有处于0.2 mm至2.0 mm的范围内的粘合剂厚度；以及
提供每个增材制造材料层，其具有处于0.02 mm至5 mm的范围内的增材层厚度。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述多个基础材料片包括由第一材料形成的第一片和由第二材料形成的第二片，所述第一材料和所述第二材料彼此不同。
12.根据权利要求10所述的方法，还包括在所述基础结构内限定腔，以减小所述基础结构的质量。
13.根据权利要求7所述的方法，还包括在每个基础材料片中形成定位孔，以有助于将所述多个基础材料片附接在一起的步骤。
14.根据权利要求7所述的方法，还包括在将多个增材制造材料层逐层地设置到所述基础结构上的步骤期间，使所述基础结构旋转。
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