CN113727793A - 通过用至少两束会聚束局部照射材料来制造零件的方法 - Google Patents

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Abstract

通过局部照射能够被烧结、熔化或光聚合的材料来制造零件，这通过以下步骤进行：提供用于制造零件的材料体积(1)，并且通过施加压力来压缩体积(1)；在体积(1)中定义多个不同的靶体积(4；4’)，组合的靶体积限定出要制造的零件；对于每个靶体积(4；4’)，保持施加到体积(1)的压力，并且同时用在靶体积中会聚的至少两束(2)连续束照射该靶体积；以及将零件从其余未经照射的材料中释放。材料对束部分地透明；每束施加到靶体积的能量大于E阈值，且每束施加到靶体积的能量总和大于或等于E转换阈值。

Description

通过用至少两束会聚束局部照射材料来制造零件的方法
技术领域
本发明涉及通过选择性熔化或选择性烧结粉末形式的材料，或通过使粉末形式的或具有糊状稠度的树脂类材料光聚合来制造零件的领域。特别地，本发明可以应用于制造金属、陶瓷或聚合物零件。
背景技术
用通过选择性熔化或选择性烧结粉末来制造零件的技术使容易地生产具有复杂几何形状的塑料、金属或陶瓷零件成为可能。
这些技术通常由在粉末床上进行的选择性熔化或选择性烧结工艺组成，如文献[1]中所述，其典型地包括：其中将受控厚度的金属、金属合金、陶瓷或聚合物的粉末的第一层沉积在制造板上的步骤；然后由用加热装置(例如，激光束或电子束)加热粉末层的预定区域组成的步骤；并且对每个另外的层都重复这些步骤，直到逐片层地获得最终零件。
然而，这些在粉末床上进行的制造工艺存在缺点。
首先，由于零件是逐层构建的，因此要花费很长时间去构建。
此外，还存在与所用增材制造类型相关的其它缺点。例如，在SLM(选择性激光熔化)增材制造的情况下，有时需要提供支撑粉末的装置，以防止其在制造期间塌陷；在EBM(电子束熔化)增材制造的情况下，需要管理粉末从零件的内部空间(例如，诸如内部通道)的移除。
因此，零件的制造时间和可能的几何形状取决于逐层沉积粉末以及用于熔化或烧结粉末的工艺和为粉末提供的支撑装置。
在通过光聚合进行的立体光刻的情况中也存在同样的问题，在这种情况下，材料也逐层沉积，材料为粉末形式或具有糊状稠度。
因此，无论零件是通过选择性熔化或选择性烧结粉末还是通过使粉末形式的或具有糊状稠度的材料光聚合获得的，都需要优化它们的制造。
发明内容
为了至少部分地满足这种需要，本发明的目的首先是一种通过局部照射能够被烧结、熔化或光聚合的材料来制造零件的方法，所述方法包括以下步骤：
a)提供将由其制造整个零件的材料体积，并通过在所述材料体积上施加压力来压缩所述材料体积；
b)在所述材料体积中定义多个不同的靶体积(target volume)，组合的靶体积限定出要制造的零件；
c)对于每个靶体积，保持在步骤a)中施加到所述体积材料的压力，并同时用在靶体积中会聚且连续的至少两束照射所述靶体积，从而获得该零件；
其中，材料对所述至少两束部分地透明；
其中每束在靶体积中沉积的能量小于阈能，并且由每束引入靶体积的能量总和大于或等于转换阈能
并且其中：
-当材料是可烧结的并且可选地可熔化的时，阈能低于材料的烧结能，以及当照射的靶体积中需要进行选择性烧结时，转化阈能对应于材料的烧结能，或当照射的靶体积中需要进行选择性熔化时，转化阈能对应于材料的熔化能；
当材料为可光聚合的时，阈能小于材料的光聚合能，以及当在照射靶体积中需要进行光聚合时，转换阈能对应于材料的光聚合能；
d)将零件从其余未经照射的材料中释放。
与将材料以粉末形式或糊状稠度逐层沉积以逐片层地制造零件的现有技术相反，在步骤a中)提供并且由其制造零件的材料体积一次性沉积，然后在所述材料体积内的不同靶体积中熔化、烧结或局部光聚合。
根据第一变型，步骤b)定义多个靶体积，在步骤c)中同时照射这些靶体积。
根据第二变型，步骤b)定义多个靶体积，在步骤c)中相继地照射这些靶体积。
在本发明的上下文中，术语“束”被定义为电磁辐射的高能束，例如激光束，或粒子束，例如电子束。
优选地，至少两束在靶体积中聚焦。以这种方式，确保了在所需位置中材料能局部熔化或烧结或光聚合。有利地，至少两束在它们的焦点会聚。这使得可以在所需的精确位置进行熔化、烧结或光聚合，并且在束的会聚焦点外没有熔化、烧结或光聚合的风险。
根据本发明的一个优选实施例，所述至少两束具有相同的表面能。这使得具有等效且一致的束源成为可能。这也使得可以防止在没有第二束的能量输入的情况下，来自两束之一的能量输入，导致熔化、烧结或光聚合。
根据本发明的另一个优选实施例，所述至少两束的数量为三束。以与三角定位用于GPS类型服务相同的方式，这使得可以确保熔化、烧结或聚合区域的位置的最大精度。
压缩可以是例如对所述材料体积的等静压压缩，即如下压缩(具有不变且在所有方向上相同的给定压力)。
根据第一变型，在步骤a)中提供的体积材料为粉末形式。该粉末形式的材料可以是可烧结的、可熔化的或可光聚合的。例如，可光聚合的材料可以是粉末形式的树脂。
优选地，在步骤a)中，粉末体积材料为颗粒的堆叠组合的形式，其被虚拟地分成内部体积和围绕内部体积的外围体积，并且在步骤b)中，多个靶体积中至少一个靶体积定义在内部体积中。外围体积的厚度可以对应于例如在增材制造中通过逐层沉积粉末而沉积的粉末层的厚度。
优选地，粉末具有在5μm至65μm之间的平均粒度。应当注意的是，在本说明书中，术语“在……至……之间”应当理解为包括极限值。
根据第二变型，步骤a)中提供的体积材料是具有糊状稠度的树脂，其为可光聚合的。在本发明的上下文中，当树脂在30℃下具有150Pa.s至500Pa.s之间的粘度(该粘度例如通过Brookfield型粘度计测量)时，该树脂被认为具有糊状稠度。
优选地，所述至少两束为相同类型的高能束，并且选自激光束、微波束、UV束和IR束。在可光聚合的材料(粉末形式或具有糊状稠度)的情况下，选择UV束。
附图说明
通过阅读以下作为非限制性示例并参考附图给出的描述，将更好地理解本发明，并且本发明的其它细节、特征和优点将变得明显，其中图1a至图1c示出了根据本发明的制造方法的步骤。
具体实施方式
根据本发明，使用至少两束，优选三束来同时照射，并因此局部加热材料体积的一部分，该部分被称为“靶体积”。束被布置成在靶体积中会聚，且是连续的。一旦处于烧结、熔化或光聚合状态，材料的每个靶体积旨在形成待制造的零件的一部分。通过同时或相继地加热材料的多个靶体积，因此可在同一材料体积中生产零件，而不必如现有技术中那样逐层沉积材料。通过避免材料的这种逐层沉积，根据本发明的方法因此在零件制造期间节省了时间。它还使得能够制造任何形状的零件，零件的复杂性仅受去除阻塞在内部通道中的未经照射的材料的可能性与否的限制。
材料可以为粉末形式，并且粉末材料可以是金属、陶瓷或聚合物。金属粉末可以是金属或合金。粉末可以是可光聚合的树脂的形式。材料也可以是可光聚合的具有糊状稠度的树脂形式。
根据需要引入靶体积的能量来选择所用光束的类型，以使材料熔化、烧结或光聚合。然而，这取决于材料，而且也取决于我们希望达到的结果，即烧结、熔化或光聚合。如果材料是粉末形式的，且需要将颗粒烧结，则当每束在会聚时同时照射靶体积时，由每束引入该靶体积的能量之和必须大于或等于进行烧结所需的阈能。如果材料是粉末形式的，且需要将颗粒熔化，则靶体积中的这些能量之和必须大于或等于熔化所需的阈能。
材料对所选的束部分地透明也是必要的，以便所述束能到达所述体积的材料内的所需靶体积。如果材料吸收最多60％的束(值0％被排除)，则该材料被认为是部分透明的。
优选地，选择同类型的高能束。
例如，可以使用微波束来熔化镍基合金(例如，InconelTM 718)或钛合金(例如，TA6V)的金属粉末，从而获得200W至400W之间的总功率和/或0.01J/mm至1J/mm之间的线性能量。例如，为了获得200W的功率，可以使用两束100W的束。通过这种方式，例如可以生产压气机叶片。
为了熔化热固性聚合物粉末，诸如环氧树脂粉末(用于生产吸音板或发动机饰件(例如阻尼元件))，可以使用功率在60W至100W之间的和/或表面能在0.001J/mm2至0.05J/mm2之间的UV束，或功率在20W至40W之间和/或表面能在0.005J/mm2至0.025J/mm2之间的激光束。
优选的是在所用粉末颗粒之间具有尽可能少的空间，以避免零件内部的任何变形问题(因缺少材料导致的塌陷)或任何缺少材料的问题(由于以下事实导致的孔隙：熔化前粉末颗粒之间有太多的空间并因此在熔化后材料收缩)。为此，优选的是使用具有在5μm至65μm之间的粒度的粉末。可以筛选粉末以获得所需的粒度。
也优选的是，在开始局部加热粉末(通过用至少两束同时照射靶体积)之前，将粉末压实，以防止形成的零件由于熔化期间的密度更高和收缩(可以在1％至10％之间)而塌陷至粉末内。当材料为具有糊状稠度的树脂形式时同样适用。
为了这个目的，步骤a)中的压缩可以是压缩材料(粉末形式或具有糊状稠度)的步骤。例如，可以将材料倒入压模中，并且可以通过向体积的材料的上表面施加压力来进行单轴压制。在一个变型中，还可以施加多轴压制(例如，围绕立方体的六块板，六块板中的每一块上有相等的压力)。这产生了压实的粉末或具有糊状稠度的材料。
优选地，在照射靶体积使材料体积被局部加热或光聚合的步骤c)期间，恒定机械压力施加于所述材料体积。例如，可以将所述材料体积倒入具有能够移动的可活动壁的容器中，以便在整个制造过程中对所述材料体积施加压力。当然，所述可活动壁对束至少部分地透明。
根据图1a至图1c所示的本发明的优选实施例，三束相同类型的束用于局部熔化、烧结或光聚合预先筛选和压实的粉末。材料也可以是具有糊状稠度的树脂，其可能地已经被预先压实。通过使用三束，实现我们希望熔化、烧结或光聚合粉末的区域的理想精度，因为如同在卫星三角定位的情况下，可通过三条直线描述空间中的精确点。在图1a中，以立方体的形式表示经筛选且压实的粉末1，并且由三个圈3表示三束2的源。在图1a中，也表示了粉末的内部体积1i，其被粉末的外围体积1p包围。在图1b中，三束同时射向靶体积4，使得它们会聚在该靶体积4中。靶体积4在这里表示为在经筛选且压实的粉末立方体内，即在内部体积1i内。靶体积4中所含的粉末，一旦熔化(或烧结或光聚合)并冷却，就会产生一定体积的熔化(或烧结或光聚合)的粉末5(图1c)；然后再选择另一靶体积4’，将束射入该靶体积4’，依此类推，直到获得完整零件。
总之，将三束同时射向粉末，以会聚和聚焦于同一点上，更准确地说是粉末的同一靶体积上。如果可用三个源，则自然将它们放置在距彼此足够距离的地方，以确保精确地对所需区域进行加工。然后移动这三束，以聚焦于粉末的不同靶体积上，以此类推，直到零件完成。优选地，所处理的靶体积是相邻的。
根据本发明的一个优选变型，三束中的每束均被配置为使引入靶体积的能量等于使相应靶体积的颗粒熔化所需的能量的1/3。因此，颗粒的熔化只在三束同时聚焦于靶体积中的情况下发生，从而避免了在束放置不好的情况下的任何不希望的熔化(或烧结)。因此，熔化可以在粉末体积中所需的特定区域中进行，而无需沉积新层来熔化待制造的零件的另一片层，因为所用的束是根据粉末来选择，使得一方面粉末对束部分地透明(并因此可以到达粉末体积内的靶体积(在内部体积1i中))，并且没有使靶体积外的粉末(例如更深入到粉末体积中)熔化的风险，因为熔化只发生在束同时会聚于其中的靶体积中。
上述解释在具有糊状稠度的树脂类材料的情况下也有效。
例如，根据本发明的方法已用于由聚合物树脂压实体(compact)(通过在50升体积的糊状形式或粉末形式的热固性聚合物树脂上施加15MPa的压力30分钟来压缩该体积而得到)通过将各自具有30W的功率(或总功率为90W)和100μm的束直径的三束UV束以2mm/s的速度在会聚点处射到该压实体上来生产零件。
根据本发明的方法也已用于由InconelTM 718粉末压实体(通过施加15MPa的压力2h来压缩100升体积的具有粒度小于65μm的颗粒的InconelTM 718粉末而得到)通过借助于各自具有100W的功率和100μm的束直径的三束微波束以1000mm/s的速度在会聚点处将300W的功率射到该压实体上来制造零件。
参考文献
[1]FR 3 030 323A1

Claims (11)

1.一种用于通过局部照射适合于被烧结、熔化或光聚合的材料来制造零件的方法，所述方法包括以下步骤：
a)提供旨在完全由其制造零件的材料体积(1)，并通过在所述材料体积上施加压力来压缩所述材料体积；
b)在所述材料体积中定义多个不同的靶体积(4；4’)，组合的靶体积限定出待制造的所述零件；
c)对于每个靶体积(4；4’)，保持在步骤a)中施加到所述材料体积(1)的压力，并同时用在靶体积中会聚且连续的至少两束(2)照射所述靶体积，从而获得所述零件；
其中，所述材料对所述至少两束部分地透明；
其中，每束引入到靶体积的能量小于阈能，并且每束引入靶体积的能量总和大于或等于转换阈能；
并且其中：
当所述材料是能烧结的和可选地能熔化的时，所述阈能低于材料的烧结能，以及当照射的靶体积中需要进行选择性烧结时，所述转化阈能对应于所述材料的烧结能，或当照射的靶体积中需要进行选择性熔化时，所述转化阈能对应于材料的熔化能；
当所述材料为能光聚合的时，所述阈能小于材料的光聚合能，以及当照射的靶体积中需要光聚合时，所述转换阈能对应于所述材料的光聚合能；
d)将零件从其余未经照射的材料中释放。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤b)定义多个靶体积，在步骤c)中同时照射这些靶体积。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤b)定义多个靶区，在步骤c)中相继地照射这些靶体积。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述至少两束在靶体积中聚焦。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述至少两束其焦点会聚。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，所述至少两束具有相同的表面能。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所述至少两束的数量为3。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，步骤a)中提供所述材料体积为粉末形式。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述粉末具有在5μm至65μm之间的平均粒度。
10.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，步骤a)中提供所述材料体积为能光聚合的具有糊状稠度的树脂。
11.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，所述至少两束为相同类型的高能束并且选自激光束、微波束、UV束和IR束。
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