CN115106541A - 增材制造的方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及增材制造技术领域，特别涉及一种增材制造的方法及设备，本发明技术方案首先形成至少一层成形层，然后将至少一层成形层作为整体结构，并且对至少一层成形层施加压力并加热，使得至少一层成形层形成的整体结构能够在压力以及加热状态下达到消除至少一层成形层中堆积的内应力的目的。进而也就使得本发明在实施过程中能够解决相关技术在制备成形层时存在的由于内应力堆积而出现破裂或者损坏，导致构件的良品率受到影响的缺陷。

Description

增材制造的方法及设备

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，特别涉及一种增材制造的方法及设备。

背景技术

随着增材制造技术的快速发展，基于“离散+堆积”的基本原理的粉末床的增材技术，利用高能能量束将金属粉末逐层熔化并堆积成实体金属构件，可以实现高性能复杂结构件的快速、无模具成形。目前，该技术被广泛应用于航空航天，汽车，医疗及模具工业等领域。

在成形过程中，涉及到将成形粉末均匀铺到已成形面的过程。然而，由于该技术成形过程的快冷作用，成形过程中有较大的内应力产生，影响工件的良品率。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种增材制造的方法及设备，旨在解决在成形过程中，因内应力的产生而影响工件的良品率的技术问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提出的一种增材制造的方法，包括如下步骤：

形成至少一层成形层；

对所述至少一层成形层施加压力并加热。

可选地，所述对所述至少一层成形层施加压力并加热的步骤，包括：

在所述至少一层成形层的同一侧施加压力并加热。

可选地，所述在所述至少一层成形层的同一侧施加压力并加热的步骤，包括：

在所述至少一层成形层的最外一层的一侧表面施加压力并加热。

可选地，所述对所述至少一层成形层施加压力并加热的步骤，包括：

对所述至少一层成形层施加压力并加热至300℃-1000℃。

可选地，所述形成至少一层成形层的步骤，包括：

形成至少一层厚度为n*0.03mm的所述成型层，其中，n为大于或者等于 1的正整数。

可选地，所述形成至少一层成形层的步骤之后，包括：

利用热源与所述至少一层成形层的同一侧接触并加热。

可选地，所述利用热源与所述至少一层成形层的同一侧接触并加热的步骤之后，还包括：

所述热源在所述至少一层成形层上相对于所述成形层以0.5mm/s-5mm/s 的速度运动。

基于相同的发明构思，本发明还提出一种增材制造设备，包括：

构件打印平台，所述构件打印平台用于形成成形层；

移动平台，所述移动平台沿水平方向可移动地设置于所述构件打印平台的一侧；

加热机构，所述加热机构沿竖直方向可移动地设置于所述移动平台，以对所述成形层施加压力或者远离所述成形层；

其中，在施加压力时，所述加热机构加热所述成型层。

可选地，所述加热机构的工作温度为300℃-1000℃。

可选地，所述移动平台具有一侧开口的竖向构件成形仓，所述构件打印平台安装于所述构件成形仓内；

所述增材制造设备还包括：

升降器，所述升降器安装于所述构件成形仓内，所述升降器与所述构件打印平台连接，且所述升降器用于驱动所述构件打印平台在所述构件成形仓内升降。

本发明技术方案首先形成至少一层成形层，然后将至少一层成形层作为整体结构，并且对至少一层成形层施加压力并加热，使得至少一层成形层形成的整体结构能够在压力以及加热状态下达到消除至少一层成形层中堆积的内应力的目的。进而也就使得本发明在实施过程中能够解决相关技术在制备成形层时存在的由于内应力堆积而出现破裂或者损坏，导致构件的良品率受到影响的缺陷。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明示例的增材制造的方法的流程示意图；

图2为本发明示例的增材制造的方法的一些具体实施例的流程示意图；

图3为本发明示例的增材制造设备的结构示意图。

附图标记说明：

标号	名称	标号	名称
				100	构件打印平台	400	升降器
200	移动平台	600	水平运动器
				500	伸缩器	300	加热器

本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

下面结合一些具体实施方式进一步阐述本发明的发明构思。

本发明提出一种增材制造的方法及设备。

如图1至图2所示，提出本发明增材制造的方法的一实施例。

本实施例中，请参阅图1，该增材制造的方法，包括如下步骤：

S100、形成至少一层成形层；

在本实施例中，首先在成形区域铺设至少一层厚度为30μm的粉末层，在粉末层铺设完成之后，便利用高能能量束进行烧结并形成至少一层成形层。

需要特别明确和说明的是，在本实施例中，在形成成形层时，可以只形成一层成形层，也可以形成多层成形层。同时的，在本实施例中形成成形层所采用的粉末包括但不限于由现有金属材料或者合金材料制备的金属粉末，本实施例仅进行应用，并不涉及示例材料自身特性的改进或者设计，故而此处不再赘述。

S200、对至少一层成形层施加压力并加热。

在本实施例中，在获得至少一层成形层之后，便对至少一层成形层施加压力，并且在施加压力状态下对至少一层成形层加热，以使得至少一层成形层中的内应力能够在外部压力以及加热的共同作用下被消除。

需要特别和明确说明的是，本实施例中，在对至少一层成形层施加压力并加热时，可以采用如下两种方式，一种是将热源设置在用于形成成形层的构件打印平台上，然后在成形层的上方设置施加压力的板材，另一种是将热源设置在施加压力的板材上，也即是，利用加热之后的板材对至少一层成形层施加压力。在本实施例中，采用加热之后的板材对至少一层成形层施加压力对成形层的方式实现消除成形层中的内应力。

本申请的技术方案首先形成至少一层成形层，然后将至少一层成形层作为整体结构，并且对至少一层成形层施加压力并加热，使得至少一层成形层形成的整体结构能够在压力以及加热状态下达到消除至少一层成形层中堆积的内应力的目的。进而也就使得本发明在实施过程中能够解决相关技术在制备成形层时存在的由于内应力堆积而出现破裂或者损坏，导致构件的良品率受到影响的缺陷。

在一些具体实施例中，请参阅图1，对至少一层成形层施加压力并加热的步骤，包括：

在至少一层成形层的同一侧施加压力并加热。

在本实施例中，在实施时，通过在至少一层成形层的同一侧施加压力并且加热，以使得本申请在实施过程中能够对成形层中携带的内应力进行有效去除，避免了相关技术中由于在至少一层成形层的不同侧进行加热以及施加压力而造成的应力去除效果差、由于施加压力与加热不同侧而导致的施压侧由于未进行加热产生应力去除效果差或者应力去除过度的缺陷。

需要特别和明确说明的是，在本实施例中，在对成形层的同一侧施加压力并加热时，可以是对至少一层成形层的最底层施加压力以及加热，也可以是对至少一层成形层的最顶层施加压力并加热，也即是，在实施过程中，可以将加热设备安装在构件打印平台上，也可以将加热设备安装在施加压力的板材上。

在一些具体实施例中，请参阅图1，在至少一层成形层的同一侧施加压力并加热的步骤，包括：

在至少一层成形层的最外一层的一侧表面施加压力并加热。

在本实施例中，通过对至少一层成形层的最外一层的一侧表面施加压力并加热，使得本发明能够在施加压力以及加热状态下对最外一层成形层中携带的内应力进行消除，保证了构件的良品率。

需要特别和明确说明的是，在本实施例中，采用对至少一层成形层的最外一层的一侧表面施加压力并加热的优点在于：在加热时，能够降低对成型件的加热难度，提升加热效率。

在一些具体实施例中，请参阅图1，对至少一层成形层施加压力并加热的步骤，包括：

对至少一层成形层施加压力并加热至300℃-1000℃。

需要特别和明确说明的是，由于本申请是将金属粉末或者合金粉末铺设于成型区域然后采用烧结成形的方法制备得到成形层。本申请在实施时，并未对所采用的金属材料自身的特性进行相关的改进设计，也即是，本申请利用金属粉末或者合金粉末制备得到的成形层自身材料的特性并未发生改变。明确为，在实施过程中，用于形成成形层的材料本身的特性并未改变，也即是，本实施例在对成形层的表面进行处理的温度根据对应材料的特性确定即可。在一些具体实施例中，成形层的加热温度设定为300℃-1000℃。当温度低于300℃时，铝合金等材料的热处理效果会很差，也即是不能有效消除成形层中的内应力，当温度高于1000℃时，铝合金等材料又会发生融化，导致成形层被损坏，影响成形层的成形质量。

在一些具体实施例中，请参阅图1，形成至少一层成形层的步骤，包括：

形成至少一层厚度为n*0.03mm的成型层，其中，n为大于或者等于1的正整数。

在本实施例中，将成形层的厚度设置为n*0.03mm，使得本申请在实施过程中通过对成形层厚度的控制，以保证成形精度。同时的，也能够使得申请在实施过程中具备对成形层中形成的应力进行消除的目的。

需要特别和明确说明的是，在本实施例中，示例的成形层的厚度通常为 0.03mm或者0.06mm，也即是，n的取值为1或者2。

在一些具体实施例中，请参阅图2，形成至少一层成形层的步骤之后，包括：

A200、利用热源与至少一层成形层的同一侧接触并加热。

在本实施例中，将热源与至少一层成形层的同一侧接触并加热，使得本发明在实施过程中能够通过与成形层接触的热源达到对成形层中的内应力进行去除的目的。

在一些具体实施例中，请参阅图2，利用热源与至少一层成形层的同一侧接触并加热的步骤之后，还包括：

A300、热源在至少一层成形层上相对于成形层以0.5mm/s-5mm/s的速度运动。

在本实施例中，让热源在成形层上相对于以0.5mm/s-5mm/s的速度运动，使得本申请在实施过程中通过对热源的速度的调控。理解为，在本实施例中，将设置速度在0.5mm/s-5mm/s其实是考虑物理传热过程的滞后性，工件需要一定的升温时间，也即是，由于材料的不同，热传导系数不同，也就使得下料达到加热温度的时间不同。

可以示例的，在600℃时处理铁基合金时，热源的运动速度为1mm/s即可，但是为了提升工作效率，可以在1000℃下以3mm/s的移动速度对铁基合金进行处理。

可以进一步说明的是，若让热源的运动速度大于5mm/s，则会因为速度过快而无法实现对成形层的加热效果。

可以理解的是，温度和速度是配合使用的，以上的速度区间和温度区间可以覆盖常用材料的适用范围，而具体数值可以根据对应的材料进行确定。

基于相同的发明构思，请参阅图3，本发明还提出一种增材制造设备，包括：构件打印平台100、移动平台200以及加热机构。构件打印平台100用于形成成形层；移动平台200沿水平方向可移动地设置于构件打印平台100的一侧；加热机构沿竖直方向可移动地设置于移动平台200，以对成形层施加压力或者远离成形层；其中，在施加压力时，加热机构加热成型层。

在本实施例中，通过设置构件打印平台100，并且在构件打印平台100的一侧设置移动平台200，将加热机构放置于移动平台200上，同时让加热机构沿竖直方向可移动，以使得加热机构能够对成形层施加压力或者远离成形层，最终使得本发明的加热机构在实施过程中能够具备在施加压力时对成形层进行加热，进而使得本发明具备了对成形层施加压力并加热，以消除成形层的内应力的功能。

在一些具体实施例中，加热机构的工作温度为300℃-1000℃。

需要特别和明确说明的是，由于本申请是将金属粉末或者合金粉末铺设于成型区域然后采用烧结成形的方法制备得到成形层。本申请在实施时，并未对所采用的金属材料自身的特性进行相关的改进设计，也即是，本申请利用金属粉末或者合金粉末制备得到的成形层自身材料的特性并未发生改变。明确为，在实施过程中，用于形成成形层的材料本身的特性并未改变，也即是，本实施例在对成形层的表面进行处理的温度根据对应材料的特性确定即可。在一些具体实施例中，成形层的加热温度设定为300℃-1000℃。当温度低于300℃时，铝合金等材料的热处理效果会很差，也即是不能有效消除成形层中的内应力，当温度高于1000℃时，铝合金等材料又会发生融化，导致成形层被损坏，影响成形层的成形质量。

在一些具体实施例中，请参阅图3，移动平台200具有一侧开口的竖向构件成形仓100，所述构件打印平台安装于所述构件成形仓内；增材制造设备还包括升降器400，升降器400安装于构件成形仓内，升降器400与构件打印平台100连接，且升降器400用于驱动构件打印平台100在构件成形仓内升降。

在本实施例中，通过设置升降器400，利用升降器400驱动构件打印平台100在构件成形仓内进行升降，使得本发明在实施过程中通过对构件打印平台 100的高度控制，以使得本申请在使用过程中能够对不同高度的构件的各个成形层进行有效去除。

需要特别明确和说明的是，在本实施例中，示例的升降器400为能够带动构件打印平台100在构件成形仓内进行升降的现有设备，本实施例仅对其进行应用，并不涉及示例升降器400自身结构的改进或者设计，故而不再对升降器400的具体结构或者工作原理进行一一赘述。不过，可以例举的是，示例的升降器400为升降电缸。

在一些具体实施例中，在成形过程中，当增材成形扫描完一层或几层后，启动加热机构进行加热，使其快速升温到设定温度T，同时加热机构下降并与工件成形面相接触，同时加热机构按照设定速度V向成形层方向移动，直至热源匀速稳定移动过整个成形层的表面；然后加热机构远离工件成形面，同事关闭加热机构并使得加热机构复位到初始位置；最后在构件打印平台100 上制作下一成形层。在以上过程中，当热源以温度T速度V经过成形层表面时，热量快速的传递至已成形表面，由于单层成形层一般在30μm厚度或者n*0.03mm厚度内，成形层的温度能很快的达到温度T，因此在与热源接触时间t内，可以使得成形件已成形层内的内应力充分释放掉，该过程不影响成形件的进一步成形，其中加热机构移动速度V和温度T是决定去应力效果的关键因素，可根据成形层所采用的具体材料进行确定。并且该过程增加了成形效率，同时降低了工件成形过程中发生翘曲变形或开裂的风险，尤其是对于特大或超大型构建的成形，其成形失败风险会大大降低。

需要特别和明确说的是，在本本实施例中，示例的速度V的取值为 0.5mm/s-5mm/s，温度T的取值为300℃-1000℃。

在本实施例中，可以进一步示例的是，所描述的设定温度T、速度V只是要达到本专利所述效果的参数输入条件。

具体实施时，具体的速度V以及温度T需根据材料的具体特性确定。

示例性的：对于不锈钢材料温度600℃，速度3mm/s进行处理时，成形层的残余应力可以达到良好的去除效果，那么这样的速度和温度就是合适的。但是其确定过程，则是需要进行多次实验来确定的。对于铝合金材料，温度 500度，速度4mm/s，是合适的条件。

另外，一台激光选区熔化设备，其成形材料可以是不同的材料，因此速度V和温度T对应的参数也是有多重的，所以只能是个范围值，而设定具体的值在这里是不合适的。

在一些具体实施例中，示例的加热机构包括水平行走器，水平行走器上设置有伸缩器500，伸缩器500上设置有加热器300，水平运动器600带动加热器300朝成形层所在区域运动或者离开成形层所在区域，伸缩器500带动加热器300朝成形层运动以使得加热器300与伸缩器500抵接或者脱离，并且的，在抵接状态，加热器300对成形层进行加热。

在本实施例中，示例的水平运动器600、伸缩器500以及加热器300均为能够实现对应功能的现有技术或者设备，本实施例仅对其进行应用，并不涉及自身结构的改进或者设计，故而此处不再赘述。

本发明技术方案首先形成至少一层成形层，然后将至少一层成形层作为整体结构，并且对至少一层成形层施加压力并加热，使得至少一层成形层形成的整体结构能够在压力以及加热状态下达到消除至少一层成形层中堆积的内应力的目的。进而也就使得本发明在实施过程中能够解决相关技术在制备成形层时存在的由于内应力堆积而出现破裂或者损坏，导致构件的良品率受到影响的缺陷。

以上所述仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种增材制造的方法，其特征在于，包括如下步骤：

形成至少一层成形层；

对所述至少一层成形层施加压力并加热。

2.根据权利要求1所述的增材制造的方法，其特征在于，所述对所述至少一层成形层施加压力并加热的步骤，包括：

在所述至少一层成形层的同一侧施加压力并加热。

3.根据权利要求2所述的增材制造的方法，其特征在于，所述在所述至少一层成形层的同一侧施加压力并加热的步骤，包括：

在所述至少一层成形层的最外一层的一侧表面施加压力并加热。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的增材制造的方法，其特征在于，所述对所述至少一层成形层施加压力并加热的步骤，包括：

对所述至少一层成形层施加压力并加热至300℃-1000℃。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的增材制造的方法，其特征在于，所述形成至少一层成形层的步骤，包括：

形成至少一层厚度为n*0.03mm的所述成型层，其中，n为大于或者等于1的正整数。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的增材制造的方法，其特征在于，所述形成至少一层成形层的步骤之后，包括：

利用热源与所述至少一层成形层的同一侧接触并加热。

7.根据权利要求6所述的增材制造的方法，其特征在于，所述利用热源与所述至少一层成形层的同一侧接触并加热的步骤之后，还包括：

所述热源在所述至少一层成形层上相对于所述成形层以0.5mm/s-5mm/s的速度运动。

8.一种增材制造设备，其特征在于，包括：

构件打印平台，所述构件打印平台用于形成成形层；

移动平台，所述移动平台沿水平方向可移动地设置于所述构件打印平台的一侧；

加热机构，所述加热机构沿竖直方向可移动地设置于所述移动平台，以对所述成形层施加压力或者远离所述成形层；

其中，在施加压力时，所述加热机构加热所述成型层。

9.根据权利要求8所述的增材制造设备，其特征在于，所述加热机构的工作温度为300℃-1000℃。

10.根据权利要求8所述的增材制造设备，其特征在于，

所述移动平台具有一侧开口的竖向构件成形仓，所述构件打印平台安装于所述构件成形仓内；

所述增材制造设备还包括：

升降器，所述升降器安装于所述构件成形仓内，所述升降器与所述构件打印平台连接，且所述升降器用于驱动所述构件打印平台在所述构件成形仓内升降。

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