CN117355383A - 基于可变波束几何结构能量束的粉末床熔合 - Google Patents

基于可变波束几何结构能量束的粉末床熔合 Download PDF

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Abstract

本文公开了用于增材制造产生环形波束的装置。根据本公开的一个方面的装置包括被配置为生成能量束的能量束源和被配置为将能量束成形为几何结构并将成形的能量束施加到增材制造材料的波束成形施加器，其中几何结构包括具有周界的二维形状和周界内的二维形状中的孔。

Description

基于可变波束几何结构能量束的粉末床熔合
相关申请的交叉引用
本公开要求于2021年3月18日提交的标题为“VARIABLE BEAM GEOMETRY ENERGYBEAM-BASED POWER BED FUSION”的美国临时专利申请No.63/162,919的35U.S.C.119的权益，该申请通过引用以其整体被并入本文。
技术领域
本公开通常涉及增材制造，并且更具体地，涉及基于可变波束几何结构能量束的粉末床熔合。
背景技术
粉末床熔合(Powder-bed fusion，PBF)系统可以生产具有几何复杂形状的金属结构(称为构建件)，包括一些用常规制造工艺难以或不可能创建的形状。PBF系统包括增材制造(additive manufacturing，AM)技术，以逐层创建构建件。每个层或切片可以通过沉积一层金属粉末然后熔合(例如熔化和冷却)金属粉末层的与层中构建件的横截面重合的区域的过程来形成。该过程可以被重复以形成构建件的下一个切片，依此类推，直到构建件完成为止。因为每个层都被沉积在前一层之上，所以PBF可以被比作从地面向上逐片形成结构。
激光PBF(Laser PBF，L-PBF)可以被用于制造复杂几何结构并且具有降低的定制成本。不幸的是，与高容量的生产所需的相比，使用L-PBF系统的制造可能是一个缓慢的过程。高功率激光系统在当前PBF系统中的应用可能导致打印过程中材料的汽化，从而增加制造成本。
发明内容
本文描述了粉末床熔合的几个方面。例如，说明性地，合金可以包括含有多种材料(例如，元素、金属等)的组合物。
根据本公开的一个方面的用于增材制造的装置包括被配置为生成能量束的能量束源和被配置为将能量束成形为几何结构并将成形的能量束施加到增材制造材料中的波束成形施加器，其中，几何结构包括具有周界的二维形状和周界内的二维形状中的孔。
这种装置还可选地包括：作为激光束的能量束，包括粉末材料的增材制造材料，以及粉末床熔合腔室。
这种装置还可选地包括：孔的形状为圆形、椭圆形或卵形，二维形状为圆形、椭圆形或卵形，并且波束成形施加器包括偏转器，其被配置为控制成形能量束被施加到增材制造材料的方向。几何结构的形状可以不同于孔的形状。
增材制造材料可以被布置在增材制造环境中，并且波束成形施加器可以被配置为基于与增材制造环境有关的信息将能量波束成形为几何结构。
与增材制造环境有关的信息可以包括增材制造环境内成形的能量束的焦点位置、从焦点位置到第二位置的距离、以及焦点位置和第二位置之间的角度，第二位置是对应于成形的能量束起源的位置，第二位置对应于波束成形施加器的聚焦透镜所在的位置，或者第二位置对应于成形的波束进入增材制造环境的位置。
装置还可以可选地包括控制器，其被配置为基于与增材制造环境有关的信息来确定失真，并控制波束成形施加器将能量束成形为几何结构以补偿失真。
装置还可以可选地包括控制器，该控制器被配置为控制波束成形施加器以将能量束成形为几何结构，以通过被配置为将能量束成形为几何结构来补偿失真，使得能量束在增材制造环境内的焦点位置处具有该几何结构。
装置还可以可选地包括控制器，该控制器被配置为控制从能量束源发射的能量束的功率密度。
装置还可以可选地包括波束成形施加器，其包括固定光学元件和可移动光学元件，两者对齐以包含能量束，光学元件中的至少一个包括透镜，波束成形施加器包括第一轴锥透镜、第二轴锥透镜和聚焦透镜，波束成形施加器还包括偏振分束器和检测器，波束成形施加器还包括至少波束扩展器、衍射分束器、衍射扩散器、失真补偿器、F-θ透镜、相位板或反射镜。
将理解，从以下详细描述中，本公开的其它方面对于本领域普通技术人员来说将变得显而易见，其中仅通过举例说明的方式示出和描述了几个实施例。如本领域普通技术人员将意识到的，用于制造这些结构的装置、结构和方法能够进行其它的和不同的实施例，并且其几个细节能够在各种其它方面进行修改，所有这些都不背离本公开。因此，附图和详细描述应被视为本质上是说明性的而不是限制性的。
附图说明
本公开的各个方面在附图中通过示例的方式而不是通过限制的方式被呈现在详细描述中，其中：
图1A-1D示出了根据本公开的一个方面的3-D打印机系统的各个侧视图。
图1E示出了根据本公开的一个方面的3-D打印机系统的功能框图。
图1F示出了根据本公开的一个方面的3-D打印机系统的侧视图。
图2A-2C示出了根据本公开的一个方面的打印过程。
图3A示出了根据本公开的一个方面的增材制造的微管的横截面图。
图3B示出了根据相关技术的增材制造的微管的横截面图。
图4A示出了根据本公开的一个方面的直管式微管热交换器。
图4B示出了根据本公开的一个方面的弯管式微管热交换器。
图5示出了根据本公开的一个方面的波束图案的几何变化。
图6A和6B示出了根据本公开的一个方面的波束成形施加器。
图7A-7C示出了在本公开的各个方面中的波束成形施加器。
图8是示出根据本公开的一个方面的用于扫描构建件的示例性L-PBF系统的图。
图9示出了根据本公开的一个方面的附加制造的几何结构。
图10A-10C示出了根据本公开的一个方面的几何结构的横截面图。
具体实施方式
下面结合附图阐述的详细描述旨在提供本文公开的概念的各种示例性实施例的描述，并且不旨在表示其中可以实践本公开的唯一实施例。本公开中所使用的术语“示例性的”意指“充当示例、实例或说明”，并且不应必然被解释为比本公开中呈现的其它实施例优选或有利。详细描述包括出于提供向本领域技术人员充分传达概念的范围的彻底且完整公开的目的的特定细节。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实践本公开。在一些实例中，公知的结构和部件可以以框图形式示出，或者被完全省略，以便避免模糊贯穿本公开呈现的各种概念。
本文所述的一种或多种技术可以降低开发成本；降低加工资源消耗(例如，通过加速增材制造工艺，从而使用更少的加工资源)；使能生成更精确的增材制造部件、零件或系统；使能生成具有小于或等于0.X毫米(其中X等于2或更大的整数)的直径的微管；使能生成具有更好圆形度的微管；或其任意组合。
尽管本公开通常针对L-PBF系统，但是将理解，本文所公开的技术可以被应用于各种AM技术，诸如选择性激光烧结(selective laser sintering，SLS)、直接金属激光烧结(direct metal laser sintering，DMLS)、直接金属激光熔化(direct metal lasermelting，DMLM)、选择性激光熔化、立体光刻(stereolithography，SLA)3-D打印等等。与本公开的原理相关的其它AM过程包括那些目前正被考虑或正在商业开发的过程。如本文所用，术语“能量束”可以包括可以由一个或多个透镜按照本文所公开的原理成形的任何形式的能量束。例如，能量束可以是激光束，其中能量是光。作为另一示例，能量束可以是热、辐射、光或其任何组合的形式。虽然省略了每个这样的过程的具体细节以避免不适当地模糊本公开的关键概念，但是将理解的是，权利要求旨在涵盖这样的技术和相关结构。
L-PBF系统可以生产具有几何复杂形状的金属和聚合物结构(称为构建件)，包括使用常规制造工艺难以或不可能创建的一些形状。L-PBF系统逐层创建构建件，即逐片创建。每个切片可以通过沉积金属粉末层并熔合(例如熔化和冷却)金属粉末层的与切片中构建件的横截面重合的区域的过程来形成。可以重复该过程以形成构建件的下一个切片，依此类推，直到所有层都被沉积并且构建件完成为止。
本公开的方面针对能量束斑几何结构，诸如用于L-PBF系统，除本文所公开的其它益处之外，其可以增加构建速率并提供制造过程的附加控制和灵活性。能量束斑是能量束被施加到的表面的面积。例如，在能量束是激光的情况下，激光光斑是被激光照亮的表面的区域。不是使用被配置为终止于具有随时间保持恒定的小半径的微小的、几乎点状光斑的能量束，而是能量束可以代替地被配置为使用可变波束或光斑几何。在一些示例中，波束几何结构可以指能量束被施加到增材制造材料(其也可以被称为打印材料)的表面时的形状。在其它示例中，波束几何结构可以指能量束在其进入增材制造环境时的形状(例如能量束在其通过波束进入窗口进入PBF腔室时的形状)。增材制造环境可以是例如PBF腔室。在其它示例中，波束几何结构可以指能量在其离开波束成形施加器时的形状，例如，波束横截面。在一些示例中，波束几何结构可以是线、正方形、矩形、三角形、不对称形状、弯曲线、具有弯曲周界的二维形状、或任何其它二维形状。在一些示例中，具有周界的二维形状可以包括周界内的非能量区域。该非能量区域可以限定孔，即空隙空间，其中能量束不存在。在一些示例中，具有周界的二维形状可以是圆形、椭圆形或卵形。在这种示例中，非能量区域可以被限定为孔。
可以使用二维扫描将能量束几何结构施加到打印材料的表面。在这样做的过程中，可以在PBF打印操作中施加激光束，使得可以在任何给定时间处处理粉末床的较大的连续区域。在实施例中，波束几何结构可以在3-D打印操作期间被动态地改变。因此，例如，L-PBF 3-D打印机可以使用对应的大波束几何结构来熔合较大的区域，并且随后或周期性地，3-D打印机可以将波束几何结构改变为小线、普通点状形状或2-D二维形状，以根据波束几何结构熔合构建件的一个或多个层或切片。
根据本公开的方面，能量束几何结构可以基于要生产的物体(构建件)的几何结构而被调整。激光束几何结构可以在扫描开始时、在逐片的基础上、在切片内的指定时间处或动态地(例如基于一个或多个输入实时地)进行调整。此外，能量束几何结构也可以随着波束扫描整个粉末床而连续变化，其变化与例如计算机辅助设计(computer aided design，CAD)轮廓中识别的物体的预期结构一致。
采用可变波束几何结构可以有益地增加L-PBF过程的吞吐量。此外，如本文所述的调整波束几何结构可以允许在更大的区域上向粉末床施加能量束功率，这意味着能量通量可以被保持较小以减少材料的汽化。此外，给定经调整的能量束光斑几何结构的二维性质，光斑几何结构的能量轮廓可以根据扫描矢量(扫描方向)进行调整，以提供加热和冷却速率控制、失真控制或其组合。在凝固过程期间控制冷却速率可以允许减少热应力和改变所得部件中的微观结构，以实现期望的材料性能。控制波束几何结构的失真可以提高正在被生产的物体的精度。
图1A-E示出了示例性L-PBF系统100的各个侧视图，其中，示例波束结构是在不同操作阶段期间的激光束。而图1A-E涉及涉及激光束的示例，可以理解，不同但类似的部件可以被用于在波束不是激光束的AM系统中实施相同或类似的波束成形技术。如上所述，图1A-E中所示的特定实施例是采用本公开的技术的L-PBF系统的许多合适示例之一。还应该指出的是，图1A-E和本公开中的其它图中的元件不一定按比例绘制，并且可以出于更好地说明本文所述概念的目的而绘制得更大或更小。L-PBF系统100可以包括可以沉积每一层粉末材料的沉积器101、被配置为生成激光束的激光束源103、被配置为将激光束成形为一个或多个几何结构的波束成形施加器104、被配置为将波束源103和波束成形施加器104与发生打印材料熔合的腔室隔离的波束进入窗口105、以及可以支撑一个或多个构建件(诸如构建件109)的构建板107。在一些示例中，波束进入窗口105可以包括涂层，涂层被配置为防止激光束反向散射回到激光束源103或波束成形施加器104。如图所示，波束成形施加器104被定位在波束源103和波束进入窗口105之间。
虽然波束源103、波束成形施加器104和波束进入窗口105通常被识别和描述为单独的部件，但在一些示例性实施例中，这些部件的功能可以以任何方式组合，或者可以被包括作为单个集成结构的一部分，而不背离本公开的范围。
波束成形施加器104可以包括多个部件。例如，波束成形施加器104可以包括被对齐以包含波束的固定光学元件和可移动光学元件。波束成形施加器104的一个或多个光学元件可以包括透镜。作为另一示例，波束成形施加器104可以包括第一轴锥透镜、第二轴锥透镜和聚焦透镜。作为另一示例，波束成形施加器104可以包括偏振分束器和检测器，其中偏振分束器被配置为将波束分成第一路径和第二路径。第一路径在附加透镜(诸如聚焦透镜)的方向上。第二路径在检测器的方向上，其可以包括或不包括偏振分束器和检测器之间的透镜。检测器可以被用于分析波束的形状并且向系统提供关于波束形状的反馈。例如，如果波束未按照期望的几何结构被充分地成形，则检测器可以被配置为向控制器提供这样的信息。控制器可以被配置为调整波束的形状，直到从检测器接收到的反馈信息指示波束按照期望的几何结构被成形。波束成形施加器104可以包括波束扩展器、衍射分束器、衍射漫射器、失真补偿器、F-θ透镜、相位板、反射镜或其组合。波束成形施加器104可以包括偏转器，该偏转器被配置为将成形的波束引导到打印材料发生熔合的腔室中。在一些示例中，波束成形施加器104可以包括本文关于波束成形施加器104描述的任意数量的部件中的一个或多个。
L-PBF系统100还可以包括被定位在粉末床容纳器112内的构建底板111。粉末床容纳器112的壁可以大体限定粉末床容纳器的边界，其被限定在从侧面的壁112和下面的构建底板112的一部分之间。构建底板111可以逐渐降低构建板107使得沉积器101可以沉积下一层粉末材料。L-PBF系统100可以包括腔室或壳体113，其可以包围L-PBF系统100的其它部件(例如，激光束源103、波束成形施加器104和波束进入窗口105)，从而保护这样的其它部件，实现大气和温度调节并减轻污染风险。L-PBF系统100可以包括温度传感器122以监测大气温度、粉末材料117和/或L-PBF系统100的部件的温度。沉积器101可以包括料斗115，该料斗115例如包含粉末117，诸如金属粉末。沉积器101还可以包括平整器119，该平整器119可以通过将沉积的粉末117置于预定义的层高度(例如对应于图1B的粉末层厚度123)上方来平整沉积粉末的每一层的顶部(参见例如图1C的粉末层125)。
参考图1A，该图示出了L-PBF系统100，其在一片构建件109已经被熔合之后，但在下一层粉末117被沉积之前。图1A示出了其中L-PBF系统100已经在多个层(例如150层)中沉积和熔合切片的时间，以形成构建件109(例如由150个切片形成)的当前状态。已经沉积的多个层已经创建了粉末床121，该粉末床121包括已被沉积但未被熔合的粉末。
图1B示出了L-PBF系统100处于构建底板111可以由粉末层厚度123降低的阶段。构建底板111的降低导致构建件109和粉末床121下降粉末层厚度123，使得构建件和粉末床的顶部低于粉末床容纳器壁112的顶部的量等于粉末层厚度。以这种方式，例如，可以在构建件109和粉末床121的顶部上方创建具有等于粉末层厚度123的一致厚度的空间。
图1C示出了l-PBF系统100处于一个阶段，在该阶段沉积器101被定位成将粉末117沉积在在构建件109和粉末床121的顶部表面上方创建并由粉末床容纳器壁112界定的空间中。在该示例中，沉积器101逐步地在限定的空间上方移动，同时从料斗115释放粉末117。平整器119可以平整释放的粉末，以形成厚度基本上等于粉末层厚度123的粉末层125(见图1B)。因此，L-PBF系统100中的粉末117可以由粉末材料支撑结构支撑，其可以包括例如构建板107、构建底板111、构建件109、壁112等等。应该注意的是，图示的粉末层125的厚度(例如图1B的粉末层123的厚度)可以大于上述参考图1A所讨论的涉及150个先前沉积层的示例所使用的实际厚度。
图1D示出了L-PBF系统100在粉末层125沉积之后在构建件109中生成下一个切片(图1C)。参考图1D，激光束源103可以生成激光束。波束成形施加器104可以被用于将激光束的几何结构改变为线、正方形、矩形或其它二维形状的形式。在一些示例中，波束成形施加器104可以通过相位板和自由间距传播来使激光束成形。波束成形施加器104可以包括多重衍射、反射和折射装置，诸如衍射分束器、衍射扩散器、相位板、透镜、反射镜或其它光学元件。激光束127的尺寸和几何结构的变化可以例如通过波束成形施加器104的光学元件的机动位移来实现，如下文参考图2A-B进一步讨论的。在一些示例中，波束形状的几何结构可以根据构建件109来设置。可以基于构建件的几何结构在逐片的基础上来修改波束形状的几何结构，以减少针对特定层的扫描时间。在一些示例中，波束形状的几何结构也可以在构建件109的扫描时在中间层或甚至在整个层中被连续地修改。
波束成形施加器104中的偏转器可以以选定的几何结构来施加激光束127，以熔合构建件109中的下一个切片。在各种实施例中，偏转器可以包括可以旋转和/或平移波束源103和/或波束成形施加器104以定位波束127的一个或多个云台和致动器。在各种实施例中，波束源103和波束成形施加器104可以调制波束，例如，随着偏转器扫描而打开和关闭波束，使得波束仅被施加在粉末层的适当区域中。例如，在各种实施例中，激光束可以由数字信号处理器(digital signal processor，DSP)调制。
如图1D所示，粉末层125的大部分熔合发生在粉末层的处于先前切片(即先前熔合的粉末)的顶部上的区域。这种区域的示例是构建件109的表面。图1D中粉末层的熔合发生在表征构建件109的物质的先前熔合的层上方。
图1E示出了根据本公开的一个方面的3-D打印机系统的功能框图。
在本公开的一个方面中，控制设备和/或元件(包括计算机软件)可以被耦合到PBF系统100以控制PBF系统100内的一个或多个部件。这样的设备可以是计算机170，其可以包括可以辅助PBF系统100的控制的一个或多个部件。计算机170可以经由一个或多个接口171与PBF系统100和/或其它AM系统通信。计算机170和/或接口171是可以被配置为实施本文所述的各种方法的设备的示例，其可以辅助控制PBF系统100和/或其它AM系统。
在本公开的一个方面，计算机170(在本文中也称为控制器170)可以包括至少一个处理器172、存储器174、信号检测器176、数字信号处理器(DSP)178、以及一个或多个用户接口180。计算机170可以包括附加部件而不背离本公开的范围。
处理器172可以协助PBF系统100的控制和/或操作。处理器172也可以被称为中央处理单元(central processing unit，CPU)。可以包括只读存储器(read-only memory，ROM)和随机存取存储器(random access memory，RAM)两者的存储器174可以向处理器172提供指令和/或数据。存储器174的一部分还可以包括非易失性随机存取存储器(non-volatile random access memory，NVRAM)。处理器172典型地基于存储在存储器174内的程序指令来执行逻辑和算术运算。存储器174中的指令可以是可执行的(例如由处理器172)，以实施本文所述的方法。
处理器172可以包括或是用一个或多个处理器实现的处理系统的部件。一个或多个处理器可以用以下的任意组合来实现：通用微处理器、微控制器、数字信号处理器(DCP)、浮点数栅阵列(floating point gate array，FPGA)、可编程逻辑器件(programmablelogic device，PLD)、控制器、状态机、门控逻辑、分立硬件部件、专用硬件有限状态机或可以执行信息的计算或其它操作的任何其它合适的实体。
处理器172还可以包括用于存储软件的机器可读介质。软件应广义地解释为指任何类型的指令，无论是指软件、固件、中间件、微代码、硬件描述语言还是其它。指令可以包括代码(例如，以源代码格式、二进制代码格式、可执行代码格式、RS-274指令(G-code)、数控(NC)编程语言和/或任何其它合适的代码格式)。该指令在由一个或多个处理器执行时，致使处理系统执行本文所述的各种功能。
信号检测器176可以被用于检测和量化由计算机170接收到的任何等级的信号，以供处理器172和/或计算机170的其它部件使用。信号检测器176可以检测诸如能量束源103功率、偏转器105位置、构建底板111高度、沉积器101中剩余的粉末117的量、平整器119位置、来自温度传感器122的温度读数的信号以及其它信号。DSP 178可以被用于处理由计算机170接收到的信号。DSP 178可以被配置为生成用于传输到PBF系统100的指令和/或指令的分组。
用户接口180可以包括小键盘、定点设备和/或显示器。用户接口180可以包括向计算机170的用户传达信息和/或从用户接收输入的任何元件或部件。
计算机170的各种部件可以通过接口171而被耦合在一起，接口171可以包括例如总线系统。接口171例如可以包括例如数据总线以及除了数据总线之外的电源总线、控制信号总线和状态信号总线。计算机170的部件可以被耦合在一起或者使用一些其它机制彼此接受或提供输入。
如图1A-1D所示，L-PBF系统100可以包括控制器170，其可以被配置为使得L-PBF系统100的一个或多个部件执行一个或多个功能。控制器170可以被配置为接收与增材制造环境(例如，存在粉末床的地方以及构建件被创建的地方)有关的信息。在一些示例中，与增材制造环境有关的信息可以包括例如增材制造环境内的成形波束的焦点位置、从焦点位置到第二位置的距离、以及焦点位置与第二位置之间角度。在一些示例中，第二位置可以是对应于成形波束所起源的位置。在一些示例中，第二位置可以对应于波束成形施加器104的聚焦透镜所位于的位置。在一些示例中，第二位置可以对应于成形波束进入增材制造环境的位置。
控制器170可以被配置为基于与增材制造环境有关的信息来确定失真，并且控制波束成形施加器以将波束成形为期望的几何结构，以补偿该失真。在一些示例中，控制器170可以被配置为控制波束成形施加器104以将波束成形为期望的几何结构，以通过被配置为将波束成形为期望几何结构来补偿失真，使得波束在增材制造环境内的焦点位置处(诸如粉末床121上的焦点位置)具有期望的几何结构。
在一些示例中，控制器170可以被配置为控制从波束源103发射的波束的功率密度。控制器170可以被配置为从波束成形施加器104接收反馈信息。基于反馈信息，控制器170可以被配置为确定波束是否按照期望的几何结构被充分地或不充分地成形。控制器170可以被配置为致使波束成形施加器104的一个或多个部件移动、调整或以其它方式改变一个或多个设置或参数，直到从波束成形施加器104接收到的反馈信息指示波束已经按照期望的几何结构被成形。
尽管在图1E中示出了一些单独的部件，但是这些部件中的一个或多个可以被组合或共同实施。例如，处理器172可以被用于不仅实施本文关于处理器172所描述的功能，而且实施本文关于信号检测器176、DSP 178和/或用户接口180所描述的功能。此外，图1E中所示部件中的每一个都可以使用多个单独的元件来实现。
在一些实施例中，CAD软件或与CAD软件协同工作的应用程序可以确定作为增材制造打印作业中使用的时间函数的变化形状的最佳序列。除其它变量之外，软件可以考虑上文描述的一些或全部因素，包括温度廓线、预加热和/或预冷却有利的区域、构建物体的几何结构、对最小化汽化效应的期望等。波束成形施加器104可以使用本文引用的各种硬件元件来构建并在3-D打印机中实现，以适应波束的几何结构。波束成形施加器104可以被配置为随时间改变波束形状。移动透镜和其它光学元件与固定元件结合可以辅助提供改变波束形状的能力。与其相关联的CAD软件和/或应用软件可以被用作数据模型，用于向增材制造打印机提供指令，以将呈现对于给定构建件的期望结果的方式操作波束成形施加器104和波束源103的功率分布。
图1F示出了根据本公开的一个方面的3-D打印机系统的侧视图。
图1F示出了在构建件109的多个切片已经被熔合之后的L-PBF系统100。例如，而不是通过限制的方式，构建件109可以包括多个微管110和可以起热交换器作用的集管112。
传统的L-PBF系统中的激光器在XY平面上具有0.05m的打印精度，这是由例如光学装置的扫描头的移动(即，激光器的焦点的机械控制)以及粉末床121上的激光焦点将熔合多少材料而引起的。此外，L-PBF方法的容差经常受到针对离开波束进入窗口105的高斯波束的直线工具路径的生成的精度的限制。这种限制可以使精确打印微管变得困难。微管已被用于通过增加热交换的表面积来提高热交换器的效率。除了提高传热系数外，微管在热交换器中的应用还可以使热交换器的压降更小，并提高热交换器的能效。
本文公开的技术使能制造除其它结构之外的微管的更精确的方法。例如，按照本文所述的技术，具有几何结构(包括具有周界的二维形状和周界内的二维形状的孔)的成形波束(例如，环形波束、椭圆形波束等)可以被用于一次加工粉末床的连续环形区域，从而产生例如具有更好精度和改进的圆度或曲率的管状结构。波束成形施加器104可以被配置为调整环形形状的波束的半径或直径。波束成形施加器104还可以被配置为按照本文所述的技术调整几何结构的波束的周界的曲率。
图2A-图2C示出了根据本公开的一个方面的打印过程。
PBF系统200包括类似于PBF系统100的部件。为了便于理解，PBF系统200的一些部件未在图2A-2B中示出。
如图2A所示，能量束202，其可以是激光束，被导向构建板107上的粉末床121，以将粉末熔合到构建件204中。在本公开的一个方面中，能量束202是环形能量束，其中能量束202与粉末床121相遇的那个表面是圆形、椭圆形或以其它方式的圆形形状，其具有周界和周界内该形状的孔。如关于图1A-1D所描述的，构建件204以逐层方式打印，使得一层的环形横截面基本上位于下面层中的环形横截面的顶部。
可以通过控制波束成形施加器104内的光学元件以环形形式形成能量束202并将其逐层施加到粉末床上，以形成多个构建件204，其在本公开的一个方面可以是微管。
如图2B所示，图2A的构建过程已在图2B中所示的方向上在构建方向206上继续。在已经打印了一系列层之后，并且一旦从构建板107移除了过量粉末，构建件204可以是具有圆形横截面的一组管状结构。在本公开的一个方面，示出为构建件204的管状结构可以是一组微管，并且可以用作热交换器的一部分。
如图2C所示，热交换器的其它部分可以在打印构建件204期间被打印。例如，而不是通过限制的方式，热交换器壳208和一个或多个螺栓孔210可以被构造为构建件204的一部分，并且可以根据需要被构建为构建板107的一部分。
图3A示出了根据本公开的一个方面的增材制造的微管的横截面图。
如关于图2A-2C所讨论的，在本公开的一个方面中，波束成形施加器104可以产生具有基本上环形的波束图案300的能量束204。取决于波束成形施加器104中的光学元件的取向，波束图案300可以是圆形、椭圆形或其它圆形形状，使得波束图案300的焦平面可以在能量束204与粉末床121的表面相遇的点处采取任何期望的形状。
通过使用具有环形形状的能量束202(即波束图案300)来产生微管，本公开的一个方面可以允许更高的精度、更好的微管的圆形度和/或微管中的每一个的更小尺寸。在本公开的一个方面中，环形波束图案300能够在同一时间将一圈材料熔化在一起。
在本公开的一个方面中，波束成形施加器可以被配置为产生能量束和/或将能量束成形为给定的几何结构，即波束图案300，如图3A所示。这种波束图案300可以具有环形区域，其包含足够的能量以烧结和/或熔合该环形区域中针对给定层的粉末床中的粉末，同时缺乏足够的能量来熔合和/或烧结环形区域内部(即孔中)的粉末。换句话说，这种波束图案可以具有弯曲的或基本上弯曲的周界，其包含熔合粉末所必需的能量以及周界区域内部的孔、腔室或空隙区域，该周界区域不包含熔合该区域内的粉末所必需的能量。波束图案300可以是如图3A所示的二维形状，或根据需要的其它二维形状，而不背离本公开的范围。孔的形状可以是圆形、椭圆形或卵形，并且波束图案的二维形状可以是圆形、椭圆形或卵形。
图3B示出了根据相关技术的增材制造的微管的横截面图。
如图3B所示，图案302是分段线性的。另外，在常规的L-PBF过程中，图案302被分段打印(例如，第一部分304、第二部分306等)以创建图案304，与图3A中可以在同一时间全部打印(即用激光的单个“闪光”)的图案300完全不同。在常规的L-PBF过程中，这些用来构造分段线性图案302的连续数量的短向量(即第一部分304、第二部分306等)可能在构建过程中引入不一致性。例如，而不是以限制的方式，打印图案302可能由于激光的激活和去激活而花费更多的时间并且可能导致微管的形状不精确，即多边形，而不是真正的圆形。此外，用于常规生成的多边形环的每个部分(例如第一部分304)的最小长度限制了微管的最小可实现直径。
图4A示出了根据本公开的一个方面的直管式微管热交换器。
除其它外，热交换器400可以包括衬底板402、一个或多个微管404、壳406、一个或多个挡板408、管板410和集管412。热交换器400的部件中的每一个可以被附加地制造，或者，如果需要的话，部件中一些(例如，集管412、壳406等)可以是常规制造的。
如图4A所示，微管404被耦合到衬底板402，并且衬底板402和集管412之间的流体流可以包括挡板408。可以包括管板410，并且集管412可以作为单独的部件耦合到壳406。
图4B示出了根据本公开的一个方面的弯管式微管热交换器。
如图4B所示，除其它外，热交换器420可以包括衬底板422、一个或多个微管424、壳426和一个或多个挡板428。然而，在热交换器420中，微管424的部分使用除圆形以外的环形波束几何结构(例如，椭圆形等)来打印的，以允许一个微管424与另一个打印微管424的连接，从而创建“U”形微管。
能量束202的几何结构可以通过波束成形施加器104来调整，以随着垂直度改变波束的偏心率(即，随着构建层的数量的增加在构建方向206值上增加)。
关于图4A和4B，微管404/424可以被直接打印到作为管壳式热交换器的一部分的衬底板402/422上。衬底板402/422可以在增材制造过程之前或之后被穿孔。能量束202可以聚焦成单个光斑，而不是环形束图案300，用于制造壳406/426，并且壳406/402可以根据需要采取任何几何结构，例如，圆形、矩形、梯形等。
此外，一个或多个孔口414可以被打印在壳406/426中以充当粉末出口孔、充当用于壳406/426流体的入口/出口，或出于其它原因。在本公开的一个方面中，挡板408/428、其它装配特征、以及附加特征(诸如翅片和弯头)可以被打印在壳406/426上和/或挡板408/428上，以控制流体的流动并提高热交换器400/420的效率。
图5示出了根据本公开的一个方面的波束图案的几何变化。
当如图4B所示的U形微管424被打印时，在本公开的一个方面中，环形波束形状可以改变以创建U形微管424的弯曲部分。此外，波束图案还可以根据需要被改变，以打印挡板428、壳426和/或给定部件的其它特征，而不背离本公开的范围。
微管424的初始的、垂直的截面相对于在其中打印它们的粉末层在横截面上是圆形的，并且因此，圆形层被打印。圆形层500被示出为指示层横截面，并且还限定要被用于打印整体部件的那些层的波束图案(例如，波束图案300)。
随着打印的进行，微管424的期望形状开始在每个相继的层中朝向彼此弯曲。因此，被示出为偏心层502的波束图案对于那些层变得更偏心(即，形状上更椭圆形)，并且两组椭圆形图案被示出为微管424尚未被连接在一起。
由于要打印微管424的“U”形的顶部，仅使用单个、偏心的波束图案将两个微管结构连接在一起。最终层504被示出为每个“连接的”微管结构的单个椭圆形，因为熔合的粉末将在打印的结构的顶部将垂直的和弯曲的部分耦合在一起。
图6A和6B示出了根据本公开的一个方面的波束成形施加器。
如图6A所示，波束成形施加器600(其可以在本公开的一个方面中被采用作为波束成形施加器104)可以包括除其它外的固定光学元件602和604，以及一个或多个机动光学元件606和608。固定光学元件602和604可以具有固定位置，使得光学元件通常不会相对于激光束源610或PBF系统200内的其它参考点移位或移动。机动光学元件606和608可以各自包括具有机动部件(未示出)的一个或多个光学元件(例如，透镜)，以根据时间调整机动光学元件606和/或608的光学元件的位置或改变能量束612的焦点/焦平面呈现方式。
图6A示出了固定光学元件602和604以及机动光学元件606和608，当以期望的配置放置时，其在焦平面614处以特定的几何结构呈现能量束612。如图6A所示，焦平面614的几何结构是一个点，其可以具有期望的直径。在本公开的PBF系统200中，焦平面614可以在粉末床的表面，即粉末层顶表面126处，如图1C所示。
图6B示出了在不同的时间点处的波束成形施加器600，其中机动光学元件已经相对于激光束源610和/或固定光学元件602和604移动，使得焦平面614处的能量束612的几何结构不同于图6A中的几何结构。例如，而不是作为限制，图6B中能量束612的几何结构可以是环形形状、线、矩形或可以由波束成形施加器600生成的任何期望形状。
尽管图6A和6B中示出的示例性波束成形施加器600包括两个机动光学元件606和608、以及两个固定光学元件602和604，但是任何数量的光学元件都可以被用于在焦平面614处生成期望的能量束612几何结构。此外，虽然在图6A和6B中被示出为透镜，但是光学元件602-608可以是任何形式，例如，相位板、光栅、掩模板、凸透镜和/或凹透镜、轴锥镜、衍射扩散器、分束器、反射镜等，而不背离本公开的范围。此外，可以使用其它机制来使能量束612成形，以在焦平面614处实现期望的波束几何结构而不背离本公开的范围。例如，而不是通过限制的方式，波束成形施加器600可以包括偏转器，其被配置为控制在焦平面614处成形的能量束612被施加到增材制造材料(例如，粉末)的方向。
图7A-7C示出了根据本公开的各个方面的不同配置的波束成形施加器。
如图7A所示，波束成形施加器700除其它外可以包括第一轴锥透镜702、第二轴锥透镜704和聚焦透镜706。第一轴锥透镜702、第二轴锥透镜704和聚焦透镜706可以被定位在各个位置，以将激光束707聚焦在焦平面708上的期望几何结构处。焦平面708可以是粉末层顶表面126，或者根据需要是PBF系统200内的其它位置。
也如图7A所示的是各种激光束轮廓710-726。在激光束707与第一轴锥透镜702相互作用之前，激光束707具有单个能量尖峰的轮廓。一旦激光束707穿过第一轴锥透镜702，激光束707的能量轮廓就具有两个能量尖峰，如激光束轮廓712所示。在穿过第二轴锥透镜704之后，激光束707仍然具有两个能量尖峰，如激光束轮廓714所示，但是尖峰稍微分开更远。在穿过聚焦透镜706之后，激光束707仍然具有两个能量尖峰，如激光束轮廓716所示，但是尖峰由于聚焦透镜706而变得更靠近在一起；然而，如果需要，移动聚焦透镜706可以将激光束707向下聚焦到焦平面708上的单个点，即其轮廓中的单个尖峰。
如图7B所示，波束成形施加器700可以进一步包括波束扩展器718，其扩展激光束707以具有更宽的波束图案。如图7A所示，激光束707最初具有具有单个能量尖峰的激光束轮廓720。这种单个能量尖峰通过波束扩展器718被保持，如通过l激光束轮廓724所示，但是尖峰的宽度已经增加。一旦激光束707穿过第一轴锥透镜702和第二轴锥透镜706，就存在两个能量尖峰，如通过激光束轮廓726所示。注意，轮廓726中的每个尖峰的宽度比图7A中的示例中的轮廓714中的每个尖峰的宽度宽。聚焦透镜706可以保持这种双能量尖峰轮廓，同时减小焦平面708处尖峰之间的距离，如激光束轮廓728所示。
图7C示出了图7A的波束成形施加器700，其进一步包括分束器730、可选的聚焦透镜732和检测器734。包含分束器730，其可以是偏振分束器，允许监视激光束707。检测器734和可选的聚焦透镜732还可以允许在焦平面708或波束成形施加器700中的其它位置处监视激光束707的几何结构。
激光束707最初具有如激光束轮廓736所示的单个能量尖峰。一旦激光束707穿过第一轴锥透镜702，激光束707的能量轮廓就具有如激光束轮廓738所示的两个能量尖峰。在穿过聚焦透镜706之后，激光束707被示出为具有如激光束轮廓740中所示的两个能量尖峰；然而，如果需要，移动聚焦透镜706可以将激光束707向下聚焦到焦平面708上的单个点。此外，移动聚焦透镜732可以改变正撞击在检测器734上的激光束能量轮廓。
在本公开的一个方面中，控制器170可以被配置为控制波束成形施加器700内的光学元件的移动和/或位置。虽然在本文中描述了波束成形施加器的一些示例，但是可以理解，这些示例和其它示例可以包括一个或多个衍射、反射和折射装置，诸如一个或多个衍射分束器、一个或多个衍射扩散器、一个或多个相位板、一个或多个透镜和一个或多个反射镜，而不背离本公开的范围。
图8是示出根据本公开的一个方面的用于扫描构建件的示例性L-PBF系统的图。
参考图8，激光束源802可以向波束成形施加器804供应激光束。在这个示例中，波束成形施加器804可以被配置为类似于波束成形施加器700(图7A-7C)。然而，其它机制可以附加地或可替选地被用来调整激光束的几何结构。波束成形施加器804可以修改由激光束源802供应的激光束801以生成处于期望几何结构806的能量束斑。具有期望几何结构806的激光束可以被施加到由衬底板810支撑的粉末床808。能量束810可以在扫描方向812上被扫描。
图9A-9C示出了根据本公开的一个方面的增材制造的几何结构。
如图9A-9C所示，构建件900和壳902可以采取各种形式，例如，圆形壳、波浪形、不同形状的微管等。图9A-9C示出了由本公开的各个方面所描述的技术所提供的灵活性，其可以使得非均匀几何结构、基本上圆形的几何结构等的增材制造成为可能，否则这将是常规制造方法无法实现的。本公开的方面可以使能热传递强化特征和提高管密度。此外，本公开可以使生物模拟管设计成为可能，这可以使生物医学部件的增材制造成为可能，诸如增材制造的人工肺。在其它示例中，本文所述的技术使得受人肺启发的生物模拟管设计能够在用于热交换器的壳中被增材制造。
图10A-10C示出了根据本公开的各个方面的微管轮廓的几何结构的横截面图。在本公开的一个方面中，可以在给定部件的增材制造期间调整波束几何结构以制造各种几何结构。
图10A示出了可以按照根据本公开的一个方面的动态调整的波束几何结构来打印的锥形微管的示例。在这个示例中，波束几何结构的尺寸可能在打印期间在多个层上逐渐减小，从而导致逐渐变细的微管。图10B示出了可以按照根据本公开的一个方面的动态调整的波束几何结构来打印的波纹管的示例。在这个示例中，波束几何结构的尺寸可以保持恒定以产生微管的主要轮廓，并且波束几何结构可以以规则的间隔增加以产生波纹中的“凸起”。图10C示出了可以按照根据本公开的一个方面的动态调整的波束几何结构来打印的螺旋管的示例。在这个示例中，波束几何结构可以是椭圆形或卵形形状，其被旋转通过打印的多个层以产生螺旋形微管。
提供先前的描述以使任何本领域技术人员能够实践本文所述的各个方面。贯穿本公开呈现的对这些示例性实施例的各种修改对于本领域技术人员将是容易显而易见的，并且本文公开的概念可以被应用于其它支撑结构以及用于移除支撑结构的系统和方法。因此，权利要求不旨在限于贯穿本公开所呈现的示例性实施例，而是要被赋予与权利要求一致的全部范围。本领域普通技术人员已知或稍后已知的贯穿本公开描述的示例性实施例的元件的所有结构和功能等同物旨在被权利要求所涵盖。而且，本文所公开的任何内容都不旨在专用于公众，而不管这样的公开是否在权利要求中明确地叙述。根据35U.S.C.§112(f)的规定或适用司法管辖区的类似法律任何权利要求要素都不得被解释，除非该要素使用“用于……的装置”一词明确叙述，或者在方法权利要求的情况下，该要素使用“用于……的步骤”一词叙述。

Claims (20)

1.一种用于增材制造的装置，包括：
能量束源，其被配置为生成能量束；以及
波束成形施加器，其被配置为将所述能量束成形为几何结构并将成形的能量束施加到增材制造材料上，其中，所述几何结构包括具有周界的二维形状和在所述周界内的二维形状的孔。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述能量束是激光束。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述波束成形施加器包括固定光学元件和可移动光学元件，两者被对齐以包含所述能量束。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述光学元件中的至少一个包括透镜。
5.根据权利要求2所述的装置，其中，所述波束成形施加器包括第一轴锥透镜、第二轴锥透镜和聚焦透镜。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述波束成形施加器还包括偏振分束器和检测器。
7.根据权利要求5所述的装置，其中，所述波束成形施加器还至少包括波束扩展器、衍射分束器、衍射扩散器、失真补偿器、F-θ透镜、相位板或反射镜。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述增材制造材料包括粉末材料。
9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述几何结构的形状不同于所述孔的形状。
10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述孔的形状是圆形、椭圆形或卵形。
11.根据权利要求1所述的装置，其中，所述二维形状是圆形、椭圆形或卵形。
12.根据权利要求1所述的装置，其中，所述波束成形施加器包括偏转器，所述偏转器被配置为控制所述成形的能量束被施加到所述增材制造材料的方向。
13.根据权利要求1所述的装置，其中，所述增材制造材料被布置在增材制造环境中，并且所述波束成形施加器被配置为基于与所述增材制造环境有关的信息将所述能量束成形为所述几何结构。
14.根据权利要求13所述的装置，其中，与所述增材制造环境有关的信息包括：所述增材制造环境内所述成形的能量束的焦点位置、从所述焦点位置到第二位置的距离、以及所述焦点位置和所述第二位置之间的角度。
15.根据权利要求14所述的装置，其中，所述第二位置是对应于所述成形的能量束起源的位置。
16.根据权利要求14所述的装置，其中，所述第二位置对应于所述波束成形施加器的聚焦透镜所在的位置。
17.根据权利要求14所述的装置，其中，所述第二位置对应于所述成形的波束进入所述增材制造环境的位置。
18.根据权利要求13所述的装置，还包括控制器，所述控制器被配置为：
基于与所述增材制造环境有关的信息确定失真；以及
控制所述波束成形施加器将所述能量束成形为几何结构以补偿所述失真。
19.根据权利要求18所述的装置，其中，所述控制器被配置为控制所述波束成形施加器以将所述能量束成形为所述几何结构，以通过被配置为将所述能量束成形为所述几何结构来补偿所述失真，使得所述能量束在所述增材制造环境内的焦点位置处具有所述几何结构。
20.根据权利要求1所述的装置，还包括：
控制器，所述控制器被配置为控制从所述能量束源发射的能量束的功率密度。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11072120B1 (en) * 2020-07-23 2021-07-27 Inkbit, LLC Edge profilometer

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5219712A (en) * 1987-11-28 1993-06-15 Thorn Emi Plc Method of forming a solid article
EP2754524B1 (de) * 2013-01-15 2015-11-25 Corning Laser Technologies GmbH Verfahren und Vorrichtung zum laserbasierten Bearbeiten von flächigen Substraten, d.h. Wafer oder Glaselement, unter Verwendung einer Laserstrahlbrennlinie
US9950476B2 (en) * 2014-06-05 2018-04-24 The Boeing Company Distortion prediction and minimisation in additive manufacturing
US20150367418A1 (en) * 2014-06-20 2015-12-24 Velo3D, Inc. Apparatuses, systems and methods for three-dimensional printing
US20160288254A1 (en) * 2015-04-06 2016-10-06 Fracturelab, Llc Apparatus and method for precision thermal processing of a body
WO2017015241A1 (en) * 2015-07-18 2017-01-26 Vulcanforms Inc. Additive manufacturing by spatially controlled material fusion
WO2017115406A1 (ja) * 2015-12-28 2017-07-06 Dmg森精機株式会社 付加加工用ヘッド、加工機械および加工方法
KR102531020B1 (ko) * 2017-07-31 2023-05-11 아이피지 포토닉스 코포레이션 가공물 가공을 위한 섬유 레이저 장치 및 방법
WO2019028184A1 (en) * 2017-08-01 2019-02-07 Sigma Labs, Inc. SYSTEMS AND METHODS FOR RADIANT THERMAL ENERGY MEASUREMENT DURING ADDITIVE MANUFACTURING OPERATION
DE102017218494B4 (de) * 2017-10-17 2024-02-08 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Bearbeitungsvorrichtung und Verfahren zur insbesondere schweißenden Bearbeitung eines Werkstücks
JP7221157B2 (ja) * 2019-07-02 2023-02-13 株式会社荏原製作所 Ａｍ装置
JP7160857B2 (ja) * 2020-05-20 2022-10-25 日本電子株式会社 ビーム調整方法及び三次元積層造形装置

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