CN117677454A - 用于增材金属浇铸的系统和方法 - Google Patents

Abstract

用于增材浇铸金属物品的方法和系统包括：在生产当前生产层的物品区域之前，构造当前生产层的模具区域；根据构建计划，在当前生产层的物品区域处的工作区中以预设温度沉积熔融金属；以及在沉积路径上移动一个或多个加热器并加热工作区。加热包括(1)在工作区上沉积金属之前将工作区加热至沉积前目标温度，以影响熔融金属与工作区的结合，和/或(2)在工作区上沉积金属之后将工作区加热至沉积后目标温度，以影响工作区的热冷却特征曲线。加热也包括通过热量传导通过当前生产层向在先生产层提供退火加热。

Description

用于增材金属浇铸的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求在2021年7月22日提交的美国临时专利申请63/224,658和在2021年11月29日提交的美国临时专利申请63/283,980的优先权，这两项美国临时专利申请通过引用结合至本文中。

技术领域

本发明总体上与金属浇铸有关，并且特别是与改进增材金属浇铸的设备和方法有关。

背景技术

目前，通过传统的浇铸技术来满足对于浇铸金属产品、尤其是钢铁产品的大部分需求，传统的浇铸技术包括生产完整的模具，然后用熔融金属填充模具型腔。在一些情况下，模具的生产包括制造浇铸图案，并由此制作模具。

浇铸图案和模具的生产和管理有几个因素会大大增加传统浇铸的成本和周转时间。制造图案和模具既昂贵又耗时，而且在持续的浇铸操作中使用图案和模具还需要进行清洁、维护、修理和翻新。

此外，长期储存和盘点图案和模具还会产生更多的费用和管理负担。对于大规模生产某一特定浇铸金属零件，这种努力可能是合理的，但在售后市场中，当市场对该特定零件的需求减少时，可能就很难证明为生产该零件而维护模具和图案的持续开销是合理的。当继续制造该零件的成本过高时，该零件的替代品通常仅限于现有库存。

增材制造技术可用于按需单独制造图案和模具，从而减轻或消除长期储存图案和模具的负担。

传统的模具浇铸还有其他缺点：大型或复杂的浇铸通常需要带有多个浇注杯、流道、冒口和延伸部分的模具，这在多余的模具体积中占有很大比例；在许多情况下，这会使浇铸所需的熔融金属的量增加多达50％。虽然多余的金属通常可以重新熔融并被再次使用，但熔融多余金属所消耗的能量却被浪费了。传统的浇铸法的另一缺点是，特别大或复杂的零件不可能总是单件浇铸，因此需要在浇铸之后将较小的部件焊接和/或栓接在一起。

传统浇铸工艺的其他缺点进一步有关于在处理和操作大量熔融金属的过程中固有的工业安全隐患、所涉及的高温以及通常伴随该过程产生的有毒烟雾。除了对生产人员的直接安全隐患外，还存在污染和其他有害环境影响的问题，所有这些都会产生广泛而持久的后果。

这些因素推动了各种直接增材金属浇铸技术的发展。如前所述，增材金属浇铸有可能避免与图案和模具相关的问题和限制，并有望将熔融金属以更易于管理的数量和范围限制在封闭的局部环境中，以提高安全性并将环境危害的影响降至最低。

增材金属浇铸虽然有可能解决传统浇铸中与模具和图案相关的问题，但也会带来自身的限制和局限：在生产流程方面，目前的增材金属浇铸技术通常产量有限，而且难以扩大到大尺寸和大质量的零件。

增材金属浇铸工艺一般是通过在现有的在造浇铸件上反复增加相对少量的金属来实现。在造浇铸件由预先选定的金属形成且具有至少一个区域，所述至少一个区域具有处于金属固态的早先存在的表面，然后在早先存在的表面上逐步增加更多量的金属。以熔融状态增加金属，然后熔融状态的金属迅速固化。这个程序迭代进行，直至在造浇铸件达到预设尺寸、形状和金属质量，从而成为完成的浇铸件，如果需要，可以进行表面精加工程序。

Merz等人在"Shape Deposition Manufacturing"一文中对增材制造系统作了进一步介绍(L.E.Weiss、R.Merz、F.B.Prinz、G.Neplotnik、P.Padmanabhan、L.Schultz、K.Ramaswami，"Shape deposition manufacturing of heterogeneous structures"，Journal of Manufacturing Systems，1997年第16卷第4期，第239-248页，ISSN 0278-6125，https://doi.org/10.1016/S0278-6125(97)89095-4，https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0278612597890954)。

在现有技术的过热(或过度加热)技术中，通过控制熔滴的过度加热和基底温度，可以达到使得冲击的熔滴在表面上重新熔融下方材料的条件。在熔融熔滴沉积过程中，通过提高基底温度，将最大限度地减小熔融熔滴与嵌入牺牲支撑结构中的基底物料之间的温度梯度，直至达到防止牺牲支撑结构熔融的特定水平。然而，热和应力释放的问题并没有得到解决。

金属暴露在高温下的有害后果之一是氧化，而增材浇铸尤其容易受到氧化的影响，因为金属在熔融状态下积累了很大的表面积。增材浇铸应该优选在无氧环境中进行。然而，即使氧化问题得到解决，如下文所述，仍存在其他冶金因素。

尽管人们对在增材浇铸物品时获得期望的尺寸、形状、规格和光洁度给予了相当大的关注，但对增材浇铸工艺本身的冶金一致性和品质却关注不够，导致增材浇铸的金属零件在要求高抗拉强度和应力耐受性的应用中无法达到最佳效果。

因此，尽管增材制造金属具有潜在优势，但由于成本高、产量低、扩展困难以及冶金方面的挑战，增材制造技术无法在工业领域得到广泛应用，尤其是在制造高性能金属部件方面。

因此，我们需要能够以低成本、高产量和冶金品质及一致性进行大批量制造的增材金属浇铸方法和设备。本发明的实施方式可以实现这些目标。

发明内容

本发明的实施方式提供了基于迭代加工有序结合的生产层来增材浇铸金属的方法、设备和系统，有序结合的生产层由制造的模具区域限定，模具区域的模具型腔由沉积的熔融金属填充，其中模具型腔的内壁限定了物品区域的形状，且因此限定了浇铸物品的形状，就像在传统浇铸中一样。

根据本发明的一个方面，提供了用于通过生产多个生产层来增材浇铸金属物品的浇铸方法，所述多个生产层具有模具区域和由模具区域限定的物品区域，一个当前生产层接着另一个直至顶部生产层，该方法包括：在生产当前生产层的物品区域之前，构建当前生产层的模具区域；在沉积路径上移动熔融金属沉积器，并根据构建计划在当前生产层的物品区域处的多个工作区中以预设沉积温度沉积熔融金属；以及在沉积路径上移动一个或多个加热器，并加热所述多个工作区，其中，加热所述多个工作区包括以下至少一项：(1)在所述多个工作区上沉积金属之前，将所述多个工作区加热至沉积前目标温度，以影响熔融金属与所述多个工作区的结合；以及(2)在所述多个工作区上沉积金属之后，将所述多个工作区加热至沉积后目标温度，以影响所述多个工作区的热冷却特征曲线，其中，加热所述多个工作区进一步包括通过热量传导通过当前生产层向一个或多个在先生产层提供退火加热。

在一些实施方式中，向一个或多个在先生产层提供退火加热包括，在生产顶部生产层之后，通过热量传导通过顶部生产层向一个或多个在先生产层提供退火加热。

在一些实施方式中，通过热量传导通过顶部生产层向一个或多个在先生产层提供退火加热包括，在顶部生产层的所述多个工作区上方移动一个或多个加热器，以进行一个或多个前后相继/连续的退火加热循环。

在一些实施方式中，该方法进一步包括在每个前后相继的退火加热循环之后，改变顶部生产层上方一个或多个加热器的高度。

沉积前目标温度可等于或高于金属物品的熔融温度。沉积前目标温度与预设沉积温度之差可以不超过预设温差。

在底层上方的每个当前生产层中，模具区域可与在先生产层一起构成至少一个型腔，以及其中，熔融金属被沉积在型腔内。

根据本发明的一个方面，提供了一种浇铸系统，其用于通过在可移动的构建台上生产多个生产层来增材浇铸金属物品，所述多个生产层具有模具区域和由模具区域限定的物品区域，一个当前生产层接着另一个直至达到顶部生产层，该系统包括：可移动的模具构造器，其可操作以用于构建当前生产层的模具区域；可移动的熔融金属沉积器，其可操作以用于在当前生产层的物品区域处的多个工作区中以预设沉积温度沉积熔融金属；至少一个加热器，其可操作以用于加热所述多个工作区；至少一个运动单元，其耦接到可移动的构建台、可移动的模具构造器、可移动的熔融金属沉积器和一个或多个加热器；以及控制器，其可操作以用于迭代控制至少构建台、模具构造器、熔融金属沉积器、至少一个加热器和至少一个运动单元，以根据预设的构建计划生产金属物品，其中，加热所述多个工作区包括以下至少一项：(1)在工作区上沉积金属之前，将工作区加热至沉积前目标温度，以影响熔融金属与工作区的结合；以及(2)在工作区上沉积金属之后，将工作区加热至沉积后目标温度，以影响工作区的热冷却特征曲线，以及其中，加热工作区进一步包括通过热量传导通过当前生产层向一个或多个在先生产层提供退火加热。

控制器可操作以用于在生产顶部生产层之后，通过热量传导通过顶部生产层向一个或多个在先生产层提供退火加热。控制器可操作以用于在顶部生产层的工作区上方移动所述一个或多个加热器，以进行两个或更多个前后相继的退火加热循环，从而通过热量传导通过顶部生产层向一个或多个在先生产层提供退火加热。控制器可操作以用于在每个前后相继的退火加热循环之后改变顶部生产层上方一个或多个加热器的高度。控制器还可操作以用于保持沉积温度与沉积前温度之间的差异小于预设温差。

浇铸系统可进一步包括与控制器通信连接的工作区温度传感器。工作区温度传感器选自高温计和热像仪。

沉积前目标温度可以是熔融温度，且加热器可操作以用于在金属沉积之前在工作区中形成熔融金属的熔池。

附图说明

图1a示出了根据本发明的实施方式的增材金属浇铸方法。

图1b至图1e概念性地示出了现有技术中增材金属浇铸技术的缺点，导致现有技术中增材金属浇铸产品的冶金不一致和弱点。

图2概念性地示出了根据本发明的某些实施方式的增材金属浇铸的特征和方面。

图3概念性地示出了根据本发明的另外的实施方式的增材浇铸的另外的特征和方面。

图4a和图4b概念性地示出了根据本发明的相关实施方式的增材金属沉积。

图5是示出了根据本发明的一个实施方式的用于增材金属浇铸的方法的流程图。

图6是根据本发明的一个实施方式的用于增材浇铸的系统的功能性单元和功能性加工组织的框图。

图7概念性地示出了根据本发明的各种实施方式的用于增材金属浇铸的封闭系统的生产平面图。

图8a至图8f描述了对根据本发明的一个实施方式制造的浇铸试件进行冶金评估的结果。

具体实施方式

在下文的详细描述中，列出了许多具体细节，以有助于透彻理解本发明。但是，本领域的技术人员可以理解，本发明可以在没有这些具体细节的情况下实施。在其他情况下，没有详细描述众所周知的方法、程序和组件，以免模糊本发明。

根据本发明的一个方面，提供了一种金属沉积方法及其系统，以用于通过生产多个生产层来增材浇铸物品，所述多个生产层具有模具区域和由模具区域限定的物品区域，一个当前生产层接着另一个。

图1a示出了根据本发明的实施方式的增材金属浇铸方法10；图1b至图1e概念性地示出了现有技术中的增材金属浇铸技术的缺点，以导致现有技术中的增材浇铸金属产品的冶金不一致性和弱点，而图1a中示出的方法解决了这些问题。

按照方法10进行增材金属浇铸时，基于构建计划100，迭代制造一层接着一层竖直堆叠的生产层(操作110)，当最后的生产层完成时，在脱模之前(操作120)，该一层接着一层竖直堆叠的生产层在模具内形成整个浇铸物品。各生产层的制造可以从在构建台上制造底层(i＝0)开始(操作1102)。前后相继的生产层i(i＝1，......N)具有预设的模具区域(在操作1106中在现场或在非现场制造)，该预设的模具区域具有至少一个模具区域型腔，在模具区域完成之后，熔融金属会被沉积到该至少一个模具区域型腔中(操作1108)。

在操作1108中制造生产层的物品区域：在沉积之前向熔融金属提供热量。可选地，在沉积当前生产层的物品区域之前，向先前生产层的物品区域提供热量(沉积前加热或预加热(操作1110))。可选地，在沉积当前生产层的物品区域之后，向当前生产层的物品区域提供热量(沉积后加热或后加热(操作1112))。

向各个生产层的物品区域提供热量的目的是实现以下作用：

(1)改善待沉积的熔融金属与先前沉积的熔融金属之间的结合性。在本发明的一些实施方式中，基于沉积前加热来实现结合性的改善。

(2)通过控制增材沉积之前、期间和之后的局部热循环特征曲线，在晶粒微观结构层面影响冶金一致性和各向同性。在一些实施方式中，基于沉积后加热来影响冶金一致性和各向同性。

(3)对先前沉积的熔融金属进行退火。

退火可以被实施为并行退火和顶部退火(操作1114)。并行退火涉及利用通过沉积的熔融金属以及沉积前加热和沉积后加热中的一个或两者为先前生产层提供的热量。顶部退火(操作1114)涉及在一个或多个加热周期向顶部生产层提供热量，同时不进行模具生产操作和金属沉积操作。在一些实施方式中，并行退火和顶部退火都是可控的。

因此，增材浇铸工艺的每层生产迭代包括两个主要操作：首先制造当前生产层的模具区域(操作1106)，然后将熔融的金属沉积到与当前生产层相关的一个或多个模具区域型腔中(操作1108)。每层生产迭代之后，都会进行后续迭代，在前后相继的迭代中，增材生产下一生产层，直到完成顶部(或最终)生产层。每次，当用于当前生产层的沉积的熔融金属固化时，就会制造用于前后相继的生产层的模具区域，然后在当前生产层的顶部上沉积熔融金属。

在一些实施方式中，要进行3、5、10、20、30、40或更多层生产迭代。在一些实施方式中，层高的范围可从2毫米到12、15或20毫米。因此，在先层经历并行退火。一旦所有层生产迭代完成，就会执行一次或多次顶部退火迭代。

主要的模具制造操作可包括例如模具区域硬化和模具内壁精加工的附加操作。

主要的物品制造操作可包括例如沉积前加热和沉积后加热的附加操作。

在完成一个生产层之后，且在开始制造下一生产层之前，可执行附加操作，例如生产层表面处理。

迭加的生产层紧密配合在一起，使得模具区域在浇注物品周围形成连续和/或粘结的模具。模具区域可进一步包括模具插件和模具支撑结构。第一生产层或底层在生产时可没有物品区域。如在本文中详细描述的，根据本发明的增材工艺可确保浇铸金属的有序沉积的物品区域被冶金地结合在一起，并且无缝地集成为单一冶金同质物品。

术语"生产层"在此处是指迭代制造层，其作为根据本发明的借助于增材浇铸工艺完成的制造产品的一部分。生产层包含模具区域和物品沉积区域，模具区域通常具有至少一个模具区域型腔，熔融金属被沉积到该至少一个模具区域型腔中，且物品沉积区域对应于每个模具区域型腔--物品沉积区域由一个或多个模具区域限定，并且在熔融金属沉积到模具区域型腔中之后存在。第一(最低)生产层在此处是指"底部生产层"(或简称为"底层")，且最终(最高)生产层在此处是指"顶部生产层"(或简称为"顶部生产层")。

术语"模具制造"、"制造模具区域"等是指以下内容的任意组合：

构建模具区域(例如，通过沉积模具材料，然后通过构建过程使模具材料硬化或变硬，和/或通过组装先前制作的模具区域的硬化部件)；以及

可选地，例如通过磨削、研磨、磨平、抛光等，对模具区域的模具型腔的一个或多个内表面进行精加工。

术语"生产层制造"、"层制造"、"制造生产层"等是指以下几个内容的组合：(1)制造模具区域，其与先前生产层结合在一起，以构成模具型腔；(2)可选地，例如通过磨削、研磨、磨平、抛光等，对模具型腔的内壁进行精加工；(3)在模具区域的模具区域型腔中沉积熔融金属，以生产物品沉积区域；以及(4)可选地，例如通过磨削、研磨、磨平、抛光等，对包括模具区域(一个或多个)和物品区域(一个或多个)两者的生产层的顶部表面进行精加工和/或平整。

术语"沉积"以一般意义被使用，不限制沉积的速率。因此，术语"沉积"覆盖熔融金属滴和熔融金属流的放置。熔融金属在模具型腔内的沉积同样也可被称为通过浇注熔融金属来填充模具型腔，并且在生产层的模具区域内浇铸物品区域。

需要注意的是，对模具型腔的内表面(壁)进行可选的精加工是在模具型腔中沉积金属之前进行，而对生产层的顶部表面进行可选的精加工和/或平整是在沉积金属之后进行。也就是说，模具型腔的内表面的精加工是在生产层的制造期间、在模具区域的制造之后和在熔融金属的沉积之前进行。然而，生产层的顶部表面的精加工和/或平整是在两个有序生产层的制造操作之间进行。

在一些实施方式中，在完成特定生产层的物品区域之前，进行数次熔融金属沉积迭代。

在一些实施方式中，在完成特定生产层的模具区域之前，进行数次模具制造迭代。

在一些实施方式中，物品区域的制造(操作1108与操作1110和1112中的一个或两者)增材进行，即在构成物品区域的多个工作区上执行多次沉积和加热迭代。

构建计划100至少包括与熔融金属沉积温度1002、熔融金属沉积速率1004、目标沉积前温度1006、目标沉积后温度1008以及顶部退火距离、退火循环重复次数M和退火温度1010有关的数据值。

在脱模之后，还可执行本领域已知的其他浇铸处理操作，例如，完全退火热处理、最终加工和检验。

相比于现有技术的改进

通过控制增材沉积之前、期间和之后的局部热循环特征曲线，本发明的实施方式所提供的金属层预加热和后加热可以确保在晶粒微观结构级别上的冶金一致性和各向同性。此外，本发明的实施方式所提供的各层金属物品区域的预加热和后加热可以确保沉积的熔融金属的退火。在一些实施方式中，可实现完全退火，无需为浇铸(物品)提供专门的退火工艺，从而缩短了整体的浇铸持续时间。

本发明的实施方式不仅克服了现有技术中增材金属制造技术带来的冶金不一致性和不连续性的问题，而且还提供了控制局部热特征曲线和退火的能力，以根据浇铸的功能要求，从一点到另一点对浇铸物品的冶金特性进行期望的改变。

在一个非限制性示例中，浇铸的所有部分在生产时都有经历类似的热处理，与它们相对于模具的位置无关。本发明的实施方式提供了可重复和可控制的结合、热循环特征曲线和退火，以确保结构的同质性。

在另一非限制性示例中，浇铸物品的一个部分需要优化硬度，而另一部分则需要优化延展性。本发明的实施方式提供了局部可控的热处理，以用于获得物品的不同部分的不同特性。

本发明的实施方式还提供了高金属沉积率，以用于增加增材浇铸工艺的产量。此外，本发明的实施方式还为生产设施提供了封闭的环境，以防止氧化、提高安全性并防止接触危险材料和废水。

图1b-图1e。图1b概念性地示出了现有技术中的在逐步增加金属之前处于初始状态100a下的在造浇铸体/在造浇铸件的工作区101，且该工作区101具有金属的固态块状本体102a，且该固态块状本体102a处于具有固体表面103a的状态和形态。

图1c概念性地示出了通过选择性地在工作区101上沉积熔融或液态金属的预设少许额外量104a(在此处是指"少许额外量")来逐步增加金属量之后，现有技术中的在造浇铸件的结果状态100b。熔融金属104a的热量会提高早先存在的固体表面103a(图1b)的温度，并将早先存在的表面转化为部分熔融的局部边界103b，从而使本体现在处于稍有改变的形态102b。

熔融金属104a和固态本体102b之间的部分熔融的局部边界103b的形状与早先存在的固体表面103a(图1b)的形状基本相同。在许多情况下，固体表面103a是水平平面(如图1b所示)，但这个示例并非限制性的，还可能有其他形状和方向。

固态本体102b提供了散热器，以从局部边界103b和熔融金属104a吸取热量，并且随着热量从局部边界103b和熔融金属104a被带走，它们各自的温度将降低，最终使熔融金属104a和局部边界103b完全固化。图1d显示了固化之后的结果状态100c，其具有完全固化的局部边界103c和被增加的金属104b的固化层。在不进行额外处理的情况下，局部边界103c可被视为热影响区(HAZ)，其与普通固化金属处于不同的冶金状态。

图1e示出了通过现有技术中过热增材金属浇铸生产的浇铸物品的各向异性。通过控制熔滴的过热度和基底温度，可以达到冲击的熔滴在表面上重新熔融下方材料的条件。在熔滴沉积过程中，通过提高基底温度，可最大限度地减小熔滴与嵌入牺牲支撑结构中的基底物料之间的温度梯度-达到防止牺牲支撑结构熔融的特定水平。然而，热和应力释放的问题并没有得到解决。

图1e显示了从取自现有技术中的逐步增材步骤之后的区域状态100d中取下的现有技术中的冶金样品(一般被称为"试件")113的边缘视图。垂直、即沿Z方向122取下试件113。试件113的平面视图114显示了不均匀的微观结构，表现为两个不同区域的重复层：(1)具有第一微观结构的区域125，其对应于状态102a中的金属的正常浇铸本体(图1b)；(2)具有第二微观结构的区域126，其与热影响区边界103c相关(图1d)。

总之，试件113揭示了由现有技术中的增材金属浇铸工艺的层层沉积程序引起的双态微观结构。

示出的各向异性是现有技术中的增材金属浇铸工艺的严重缺点，因为它会在成品中引入浇铸缺陷。这些缺陷会对浇铸物品的材料强度、结构完整性和其他机械性能产生不利影响，从而降低由现有技术中的增材金属浇铸工艺所制造的产品的品质和可靠性。

本发明的实施方式克服了各向异性的缺点，如在此处参照图1A、图2-图7所描述的，且图8a-图8f则是对根据本发明的一个实施方式所制造的浇铸物品的试件进行冶金评估的结果的举例。

有序生产层的布局和制造

图2是横截面视图，其概念性地示出了根据本发明的一个实施方式的被增材浇铸的浇铸金属物品200在其模具内部(在脱模之前)的特征和方面。在这个非限制性示例中，物品200是阀体，由于模具插件211的存在而形成了中空的内部特征。如下文所描述的，模具插件211的模具区域的形成方式与其他模具区域相同。

值得注意的是，图2显示了九个不同的物品截面202，但这些截面都被连接在一起，以形成物品200-单一物品。图2是物品200在其模具内部的二维横截面，且九个不同的物品部分之间的连接是三维特征，没有出现在图2中。

在此处的"模具材料"是指可形成模具的物质或物质混合物，其硬化后适用于浇铸熔融金属。模具材料的非限制性示例包括陶瓷和砂。

在此处的术语"物品区域"是指生产层中的金属的区域，该区域在增材浇铸工艺的过程中被浇铸到生产层的模具区域或其任何部分。在此处的术语"物品材料"是指熔融并用于浇铸的金属，无论是浇铸前的原始形态、浇铸过程中的熔融形态、还是浇铸后的固化形态。

在此处的"金属"是指适合于熔融和浇铸的任何金属元素或金属合金，其非限制性示例包括：铁合金、铝合金、铜合金、镍合金、镁合金等。本发明特别关注的金属的非限制性示例包括：灰铁、球墨铸铁和钢。相比之下，现有技术中的增材金属浇铸通常仅限于铝合金，且通常不包括铁和钢。本发明的实施方式满足了灰铁、球墨铸铁和钢的增材金属浇铸对低成本和高产量的需求。

根据一些实施方式，在水平构建台216上以一系列有序生产层201浇铸物品200。根据本发明的实施方式，多个有序生产层201在垂直堆叠中迭代制造。在本发明的一些实施方式中，一个或多个底层(或"基层")201₀完全用于模具材料，且仅为上方生产层的一个或多个模具型腔形成下表面。在这些实施方式中，在上方生产层的模具区域制造完成之前，不会沉积任何金属。除了这个底层201₀之外，生产层201_i(i＝1,...N)包括一个或多个模具区域221_i(i＝1,...N)，以限定一个或多个模具型腔，以用于接收熔融金属，从而制造物品区域204。生产层201有序制造，使得层i的至少一个模具区域221_i与下方一层(i-1)(用于底层上方的生产层)的至少一个模具区域保持紧密接触和粘合，并且与上方一层(i+1)(用于顶部生产层以下的生产层)的至少一个模具区域保持紧密接触和粘合。

在图2中，以虚线显示生产层201的模具区域221，从而表示它们之间的共同表面。这是指生产层的模具区域是在不同的生产循环/周期制造的，并且彼此紧密接触和粘合。为使图示清晰简洁，在随后的图中，不同生产层的模具区域之间的边界仅以实线简单表示。

虽然在迭代制造生产层过程中，熔融金属是以离散操作的方式沉积，但必须强调的是，本发明提供了新颖的制造操作，以确保生产出在冶金学上同质且微观晶粒结构各向同性的浇铸金属成品，而没有任何与生产层相对应的可辨认边界。实际上，"生产层"只是本发明迭代过程中的特征，而不是其浇铸金属成品的特征。

在一些实施方式中，生产层的厚度通常在大约2毫米到12、15和20毫米的范围。(在附图中，生产层的厚度不一定符合比例，且为了便于说明，可能会被夸大)。

根据本发明的实施方式，有序生产层201及其组件区域(模具区域221、物品区域204)的形成是根据预设的构建计划完成的，该计划至少规定了以下内容：不同生产层和组件区域的几何布局，以及所涉及的材料、待执行的操作流程、制造过程中要使用的参数(包括但不限于时间长度、温度、沉积速率和特征位置)，以及在根据本发明进行的增材浇铸过程中必要或有用的任何其他相关信息和数据。

在图2中，每个生产层201通过制造模具区域(例如，模具区域221_N，所示为顶部生产层201_N)开始生产。在一个相关的实施方式中，由可成形的模具材料在现场制造模具区域221_i(n＝i，...N)，随后被硬化以开始生产层；在另一相关的实施方式中，预制硬化模具区域221_i(i＝1，...N)被放置或组装到位以开始生产层。

在图2所示的情况中，在为生产层201_i制造一个或多个模具区域之后，通过将熔融金属沉积到由特定生产层201_i的模具区域221_i所限定的模具区域型腔202_i中，制造物品区域204_i。

在当前生产层i上以增材的方式制造后续生产层i+1之前，允许物品区域204_i在当前生产层i内冷却和/或固化。这种逐步增材过程-为生产层制造模具区域，然后在模具型腔中沉积熔融金属，然后让金属固化-根据需要重复进行N次，以完成整个金属物品200的浇铸。在一些实施方式中，生产层的数量N可以在3到20、30、40、50之间，甚至更多。

生产层的模具区域通常限定了模具型腔的内壁。在一个相关的实施方式中，模具型腔的下表面由先前下方生产层限定，其可能包括模具和金属部分两者。在另一相关的实施方式中，模具型腔的下表面的至少一部分由当前生产层的模具区域限定。

应理解的是，模具区域221能够承受与浇铸过程的熔融金属相关的高温。此外，根据本发明的各种实施方式，对限定模具型腔的模具区域的表面(模具型腔的内壁)进行塑形和处理，以便为浇铸物品提供精确形状的成品表面。图2中的部分203突出显示了用于物品200的这种表面。部分203被塑形和处理，以为被浇铸的阀体的内工作面提供精确光滑的球形表面。在一个相关的实施方式中，模具型腔表面的至少部分的塑形和处理是在模具区域被硬化之前进行的；在另一相关的实施方式中，模具型腔表面的至少部分的塑形和处理是在模具区域硬化之后进行的，例如，通过磨削、研磨和/或抛光。

在一些实施方式中，例如，通过沉积模具材料在现场制造模具区域221。在一些实施方式中，沉积的模具材料过多，导致模具结构的变形(例如，由于模具材料的粘度)。然后将过量的模具材料去除，并进一步处理和磨平型腔的内壁。需要注意的是，通过相应模具区域221的侧表面(内壁)的形状和表面光滑度成形物品区域204的外表面。

仅在图2中示出了模具区域的侧表面(例如，模具型腔的内壁)的精确成形、处理和精加工(如上所述)。为了在其他图纸中简单明了地表示生产分层的边界，其他图纸中的模具型腔的侧面简单表示为竖直的。

根据本发明的一些实施方式(可与本文所述的其他实施方式相结合)，在制造生产层i(包括模具区域221_i和固化物品区域204_i)之后，在制造下一生产层i+1之前，对生产层i的上表面进行处理和精加工。对生产层的上表面进行处理和精加工可确保生产层将平整、厚度合适、去除多余的模具和/或固化金属；并确保生产层的上表面光滑平整。处理和精加工包括但不限于通过物理和化学手段进行例如磨削、研磨和/或抛光等工艺。

在通过产生残留物的烧蚀工艺(例如，切割、磨削、研磨、抛光、激光修整等)对模具和物品区域进行处理和精加工的情况下，应在后续操作(沉积熔融金属、制造下一生产层等)之前清除不需要的残留物。清除方法可包括真空清洁操作、加压气体吹除(例如，使用惰性气体)等。

根据本发明的一些实施方式(可与本文所述的其他实施方式相结合)，在完成一个生产层的处理之后且在转向下一生产层的制造之前，可进行高度调整。例如，可将构建台216降低与生产层的高度相对应的增量距离。

图2示出了仍在模具区域201内部的浇铸物品200的横截面。为了完成物品200的增材制造过程，移除由模具区域221_i组成的模具结构221。在一些实施方式中，模具区域201的至少一部分通过机械方式移除；在一些实施方式中，模具区域201的至少一部分通过其他方式移除，例如通过溶解和/或化学方式。根据本发明的一些实施方式(可与本文所述的其他实施方式相结合)，在模具移除/脱模之后还需进一步处理和加工物品200。

物品200的制造是通过增材生产多个制造层进行的。本发明的增材性包含作为每个制造层的一部分进行的重复和可选的增材操作。在一些实施方式中，需要数次模具制造迭代来制造特定生产层的模具区域。在一些实施方式中，需要数次金属沉积迭代来制造特定生产层的物品区域。

在一些实施方式中，模具区域制造的主要操作是在生产层i内的多个位置(图2中未示出)反复进行，方法是在构建台216上移动模具制造系统，并以增材的方式分配模具材料以形成模具区域221_i。在一些实施方式中，附加的模具制造操作(例如，模具硬化、模具表面处理)是一个位置接着一个地迭代进行。在一些实施方式中，附加的模具制造操作(例如，模具硬化、模具表面处理)在一层的整个模具区域内进行。

在一些实施方式中，通过在构建台216的上方移动熔融金属沉积系统并增材沉积(浇注)熔融金属以形成物品区域204_i，来在多个工作区(图2中未显示)上的生产层i内重复和迭代地进行物品区域制造的主要操作，一个工作区接着另一个。在一些实施方式中，附加的物品制造操作中的一个或多个(例如，沉积前加热、沉积后加热)是迭代地进行，一个工作区接着另一个。在一些实施方式中，附加的物品制造操作(例如，沉积前加热、沉积后加热)在层的整个物品区域上方进行。

冶金加工

根据本发明的各种实施方式的增材浇铸工艺进一步包括在熔融金属沉积之前、期间和之后的特定热处理和热循环操作。根据本发明的实施方式，用于增材浇铸的设备包括用于执行特定热处理操作的适当加热器和控制器。这些实施方式及其特征提供了特殊的改进，不仅克服了之前描述的现有增材金属浇铸技术的缺点，还提供了先进的冶金制造能力，且下文将详细公开。由本发明实施方式的方法和设备所提供的制造的金属物品不会出现增材金属分层的痕迹。相反，本发明的实施方式提供的退火金属物品具有同质、各向同性和完全可控的冶金和机械性能。

图3是横截面视图，其概念性地示出了根据本发明的特定实施方式的在构建台316上增材浇铸的过程中金属物品300在其模具内的特征和方面。物品300被简化为一般或非特定的浇铸物品，且如前所述，在图3中，生产层321的模具区域被图示为简单的竖直侧面，并可能具有夸大的厚度。

在图3中，生产层321d正在加工中，但到目前为止仅制造了模具区域324，包括作为模具插件的模具区域311，从而具有模具型腔312。此时，生产层321d被称为"当前生产层"(或简称为"当前层")，且其正下方的层321c被称为"先前生产层"(或简称为"先前层")。首先在构建台316上制造底部生产层321a，然后增加生产层321b。为了方便起见，在底层和先前层之间的生产层被称为"在先生产层"(或简称为"在先层")。

根据一相关的实施方式，在构建台316和用于制造物品300的生产系统的元件(图3中未显示)之间提供相对运动。例如，根据电子控制器(图3中未显示)的指令提供相对运动，且可以实现相对于坐标系360的侧向(x方向361)、前后(y方向)、上下(z方向363)运动和顺时针和逆时针365旋转。

各种制造操作可能涉及相对运动。在一些实施方式中，构建台316可以在生产层完成之后沿Z方向363移动。在一些实施方式中，涉及在生产层内通过在多个工作区上方移动来制造物品区域和可选的模具区域，在构建台316上沿x方向361、y方向和旋转365进行相对移动。

图3显示了模具型腔312的下表面313。可以看出，下表面313是先前层321c的上表面的一部分。下表面313的一部分是先前层321c的模具区域的上表面，且下表面313的一部分是先前层321c的物品区域的上表面。

在一些情况下，生产层i的模具区域会覆盖先前生产层i-1的模具区域。在一些情况下，生产层i的模具区域的一部分或全部覆盖了先前生产层i-1的物品区域("模具覆盖物品")。在一些情况下，生产层i的物品区域的一部分或全部覆盖了生产层i-1的模具区域的一部分或全部("物品覆盖模具")。

关于仍在根据本发明的一个实施方式进行增材浇铸的物品300，需要注意的是，物品300的任何物品区域都不在底层321a中，因为在本实施方式中，底层321a的作用是将浇注的熔融金属与构建台316分离开来。

为了便于解释，在图3中通过显示具有与先前生产层321c的下表面相对应的说明性下表面332的说明性先前物品区域331来说明在先前层321c和在先层321b上进行的操作。实际上，在本发明的一些实施方式中，在先前物品区域333内没有可识别的生产层边界-因为根据本发明的实施方式的增材浇铸工艺提供了已进行的局部加热和热循环操作，且这些操作已将沉积的熔融金属与在先金属区域完美地结合在一起。在一些实施方式中，增材浇铸工艺提供了已进行的局部加热和热循环操作，并已将在先物品区域完全(或部分)退火至同质和各向同性，从而不存在与在先生产层321b相对应的冶金边界。在实际操作中，退火可能要经过数次前后相继的的热循环之后才能实现，图3中没有示出各个生产层之间的冶金差异。下文将详细介绍上述具体的局部加热的热循环操作。

为了便于解释，示出的生产层的模具区域324保持各自独立的标识，但实际情况并非如此。

目标沉积前加热

根据本发明的一些实施方式(可与本文描述的其他实施方式相结合)，在将新熔融金属沉积到模具型腔312(图3)中(其中有先前层的金属物品区域的表面(图3中的物品区域333))之前，先前层的物品区域的上表面要已准备好与将填充模具型腔312的新熔融金属进行冶金结合。这种准备工作是根据本发明的实施方式进行的，其提供了沉积前加热操作(在此处是指"目标沉积前加热"和"前/预加热")和前/预加热器(图3中未显示)，用于在"目标沉积前温度"下用足够的热能预加热物品区域333的上表面。加热器在沉积器(图3中未显示)移动模具型腔312之前在模具型腔312上移动。

在本发明的一些实施方式中(在此处是指"熔池实施方式"，可与本文所述的其他实施方式相结合)，目标沉积前温度是仅熔融上表面的适当温度，从而形成熔池。在一个相关的实施方式中，目标沉积前温度是特定金属的预设恒定温度。在另一相关的实施方式中，目标沉积前温度是一函数(例如，浇铸物品中的物品区域的位置的函数)。在另一相关的实施方式中，目标沉积前温度是由构建图提供的数据值(例如，图5的构建图530中的目标沉积前温度数据值533)。

在一些实施方式中(在此处是指"过热实施方式"，可与本文所述的其他实施方式相结合)，目标沉积前温度是充分加热上表面的适当温度，使得预设过熔温度下的熔融金属与加热区结合。在一个相关的实施方式中，目标沉积前温度是特定金属的预设恒定温度。在另一相关的实施方式中，目标沉积前温度是一函数(例如，浇铸物品中的物品区域的位置的函数)。在另一相关的实施方式中，目标沉积前温度是由构建图提供的数据值(例如，图5的构建图530中的目标沉积前温度数据值533)。

在此操作中，术语"目标"是指先前生产层物品区域的上表面，新熔融金属将被沉积在该区域。如下文所述，在预加热之后，新熔融金属将在沉积操作中被沉积在模具型腔312中。

熔融金属的沉积

图4a和图4b概念性地示出了根据本发明的相关实施方式的增材金属沉积的操作。图4a和图4b都显示了将熔融金属沉积到当前生产层421d中的模具区域424内的模具腔425中的情况。图中还显示了先前生产层421c、在先生产层421b和先前物品区域430。

如前所述，先前生产层421c和在先生产层421b之间的边界线具有说明性。在一些实施方式中，层421b和421c的模具区域可以完全结合/粘合。在一些实施方式中，即使没有完全退火，层421b和421c的物品区域也可以完全结合。

图4a公开了本发明的一个实施方式，其提供了落入模具型腔425中的离散的重叠熔滴440a。图4b公开了另一实施方式，其提供了连续的流440b，以倒入模具型腔425中。

在图4a和图4b所示的实施方式中，熔融金属-无论是离散的熔滴440a还是连续的液流440b-都完全在重力的作用下落入模具中，而不会强行注入模具型腔425中。

在图4a和图4b所示的实施方式中，熔融金属沿沉积路径(图4a中的箭头442和图4b中的箭头443)提供到多个工作区。图4a和图4b描述了其中一个工作区460。

根据本发明的熔池的实施方式，用于熔融金属沉积的目标位置是包括熔池450的工作区460。熔池450是通过熔融先前生产层421c的物品区域的表面的一小部分而形成的。如上所述，根据需要在目标沉积前温度下进行预加热，以液化先前层的物品区域的表面处的金属薄层。熔池的表面尺寸实际上在大约1毫米到大约30毫米的范围。

根据本发明的实施方式，熔融金属应均匀分布在整个模具型腔425中，方式是在熔融金属沉积时，沿沉积路径442横穿模具型腔425移动熔融金属沉积器(并确保在移动熔融金属沉积器时，根据需要移动和/或扩展熔池450，以保持在沉积的熔融金属下方)。

为了均匀地填充整个模具型腔，通常需要对熔融金属沉积器进行扫描，以覆盖型腔的x和y延伸范围。在一些实施方式中，沉积器和加热器可在工作区(WA)上移动。典型的扫描方式是光栅扫描。在长边平行于x轴的矩形模具型腔的非限制性示例中，光栅扫描可以从型腔的一角开始，沿x轴在型腔的长度方向上沉积金属，将熔融金属沉积器保持在恒定的y位置；然后，将y稍微增大，以确保足够的重叠(对于连续流440b和熔滴440a)，并反转熔融金属沉积器的x轴运动，以沿相反方向沉积重叠的熔融金属，依此类推，直至覆盖整个模具型腔区域。然后重复扫描，直到模具型腔被填满。扫描时，熔池将通过在沉积点下预加热来保持。光栅扫描可以很容易地适用于其他形状的模具型腔，但对于特殊形状的模具型腔，其他扫描方式可能更有效。例如，螺旋扫描可能更适合填充圆形模具型腔。在一个相关的实施方式中，用于扫描路径的精确数据由构建计划提供。

根据本发明的一些实施方式(可与本文所述的其他实施方式相结合)，加热器和沉积器在模具型腔425上连续移动。因此，在熔池实施方式中，可以形成持续的熔池轨迹和持续的熔融金属流。在每个工作区，熔池在加热器后面冷却，而熔池沉积器接近工作区并在工作区上方移动。在一些实施方式中，会提供过熔加热，以补偿加热器的通道和沉积器的通道之间的工作区的冷却。

通常情况下，温度与灰铁熔池温度相当的灰铁熔液熔滴的直径为6毫米至8毫米。当释放熔滴使其落入熔池450中时，可将熔滴重叠，使熔融金属均匀沉积，不留间隙。重叠50％(即，熔滴重叠直径的一半)时，熔融金属沉积器的最大移动速度应为nd/2，其中d是熔滴的直径，而n是每秒熔滴的数量。在一非限制性的示例中，如果熔滴直径为d＝8毫米和n＝2熔滴/秒，则熔融金属沉积器的最大速度为8毫米/秒。

熔融金属沉积速率是一个参数，在此处是指"熔融金属沉积速率"。在一些实施方式中，沉积速率是固定的。在一些实施方式中，沉积速率可以变化，例如根据构建计划变化。

在一些实施方式中，仅提供离散的重叠熔融金属滴。在一些实施方式中，提供的是连续的熔融金属流。在一些实施方式中，熔融金属可作为重叠熔滴沉积在一些工作区上，而作为连续流沉积在其他工作区上。

在一些实施方式中，连续流的直径较小，大约为3毫米，且每秒可沉积大约4cm³的熔融灰铁。在这些实施方式中，较小直径的连续流可以沉积出更精细的金属尺寸和细节。

熔融金属沉积速率可根据当时正在执行的特定熔融金属沉积的细节而变化(例如，依据于图6中熔融金属沉积器620的扫描速度)。在一个相关的实施方式中，熔融金属沉积速率是由构建图提供的数据值(例如，图5的构建图530中的熔融金属沉积速率数据值532)。

本发明的各种实施方式可实现每小时大约10千克、20千克、50千克、100千克、最多达到300千克及以上的浇铸速度。

在本发明的一些实施方式(可与本文所述的其他实施方式相结合)中，通过最大限度地减少或消除热冲击，以及通过最大限度地减少或消除当前层中新增加的金属与先前层中的现有金属之间的冶金差异，实现当前层的物品区域与先前层的物品区域的结合优化。本发明的一些实施方式不依赖于被增加的熔融金属来提供热结合能量，也不使得被增加的熔融金属处于过度加热状态。由于这些原因，本发明的各种实施方式将被增加的熔融金属440a和440b的温度调整到尽可能接近熔池450的温度，优选彼此相差在30摄氏度以内，这是由通过高温计和/或热像仪、红外摄像机等进行温度传感所确定。用于沉积的熔融金属温度在此称为"熔融金属沉积温度"。根据一相关的实施方式，该参数的值由图5中的构建计划530的熔融金属沉积温度数据值531提供。

目标沉积后加热

当熔融金属如上所述沉积在模具型腔中时，会与固化金属的大型散热器(如图3所示-由各在先层的物品区域组成的块状体333)发生热接触，并迅速开始冷却。然而，不受控制的快速冷却会以不期望的方式改变浇铸金属的微晶结构。为确保工作区(包括被新增加的熔融金属和先前材料、例如熔池材料一起)的冷却和固化以可控的速率进行，本发明的实施方式提供了后加热操作(在此处是指"目标沉积后加热"和"后加热")和后加热器，用于增加所需的热能，以确保新浇铸金属的冷却和固化以适当的速率进行。该温度在此处是指"目标沉积后温度"。在一个相关的实施方式中，用于后加热的"目标后沉积温度"是特定金属的预设恒定温度。在另一相关的实施方式中，目标沉积后温度是一函数(例如，时间和/或浇铸物品中的物品区域的位置的函数)。在另一相关的实施方式中，目标沉积后温度是由构建图提供的数据值(例如，图5的构建图530中的目标沉积后温度数据值533)。

根据一相关的实施方式，该参数的值由图5中构建计划530的数据值534提供。

并行退火

受到热冲击应力的金属会产生内部应变，从而降低金属的机械性能。特别是，如前所述，在使用现有技术的增材金属浇铸技术制造的金属物品中，热影响区的存在表明这种内部应变的存在。然而，根据本发明的增材浇铸技术，可对浇铸物品的在先物品区域的应变进行并行退火。

退火可以释放应变，且恢复金属的特性。退火可通过受控的温度循环来进行-例如通过加热，然后逐渐冷却。根据本发明的实施方式，当新的熔融金属被增加到浇铸物品中时(如上所述)，各种相关过程会将热量引入当前生产层，通过热量传导将热量排入在先物品区域。也就是说，在先物品区域由于是主要的散热器，既要吸收来自被增加的熔融金属的热量，又要吸收来自沉积前操作和加热后操作中的一个或两者的热量，因此经历了受控的热循环。这种热循环随着每个新生产层的加入而持续，但随着当前生产层远离在先生产层而减弱。预/前加热、增加熔融金属和后加热的两到三次循环可提供并行退火，以释放在先物品区域的热影响区应变和各向异性(如前所述)。

在一个相关的实施方式中，会执行额外的加热操作并促进并行退火，例如-对于"模具覆盖金属"的场景。图2描绘了数种"模具覆盖金属"的场景。从图中可以看出，在不同的生产层中，一个层处的物品区域的一些工作区与另一层(上方或下方)处的物品区域的工作区直接接触。在其他层处的物品区域的一些工作区与在另一层(上方或下方)处的模具区域直接接触。模具区域的热量传导率与物品区域的热量传导率不同。因此，对于并行退火，额外的加热可能是有益的。

在一些实施方式中，目标沉积后温度被调整(例如，变高)。在一些实施方式中，后加热器的移动速率被调整(例如，变慢)。在一些实施方式中，在对物品区域进行沉积后加热的同时，还提供额外的加热。额外的加热可包括以下内容中的一项或多项：(1)加热构建台并将其保持在选定温度；(2)加热包围至少构建台的生产室并将生产室保持在选定温度。

在另一相关的实施方式中，控制退火过程的热循环是为了调整浇铸金属物品的选定物品区域的特定冶金特性。

例如，浇铸的所有部分在生产时都要经历类似的热处理，与它们相对于模具区域的位置无关。本发明的实施方式提供了可重复且可控制的热循环特征曲线，以确保在整个浇铸件上的结构同质性。

在另一非限制性的示例中，可以对硬度需要从一个区域到另一区域变化的金属物品(例如，采矿中使用的挖掘机铲斗)进行浇铸。铲斗齿的齿尖和外表面需要坚硬，以便有效发挥作用，但齿的内部本体和轴应具有弹性和柔性，以防断裂。这些目标可通过本发明的实施方式来实现，本发明为浇铸物品的物区域的不同工作区提供了不同的热循环特征曲线，以根据浇铸物品的特定功能要求实现适合这些区域的冶金特性。

在一些实施方式中，可为特定生产层的同一物品区域内的不同工作区提供不同的热循环特征曲线。

在一些实施方式中，可为不同的生产层提供不同的热循环特征曲线。

顶部退火

根据本发明的实施方式，如上所述，在先物品区域的退火与将新熔融金属沉积到当前生产层的模具型腔中以及伴随的退火热循环过程并行/同时进行。然而，当熔融金属的沉积完成时，最后的当前生产层(图2中所示的顶部生产层201_N)以及最后的在先生产层和下面的附近物品区域将不会同时经历退火，因为不会再沉积熔融金属的另一层。本发明的一些实施方式为上层生产层的物品区域提供了"顶部退火"。

在顶部退火的实施方式中，前加热和后加热的一个或两者的热循环都是按照增加额外的生产层的方式那样进行的，只是不再制造模具区域，也不再沉积熔融金属。

在一个相关的实施方式中，一个或多个可移动加热器在顶部生产层上扫描。在一些实施方式中，执行一个顶部退火循环。在一些实施方式中，执行一系列前后相继的顶部退火加热循环。前后相继的顶部退火加热循环的次数可在1、2、3、5、10或更多的范围内。

在另一相关的实施方式中，一个或多个可移动的加热器在两个或更多个前后相继的退火加热循环中在顶部生产层上方以逐渐增大的距离扫描顶部生产层。在一些实施方式中，构建台(图3中所示的元件316)沿z方向363降低，降低距离等于生产层高度。在一些实施方式中，可移动的加热器在z方向363上抬起的距离等于生产层高度。在一些实施方式中，距离的范围为2毫米至12毫米。

用于增材金属浇铸的方法

图5是流程图，示出了根据本发明的一个实施方式的用于增材金属浇铸的方法，该方法采用了用于熔池创建的沉积前加热和沉积后加热。该方法的操作由系统控制器525按照预设的构建计划530进行控制。构建计划530在上文已经提到，与分别提供用于熔融金属沉积、熔融金属沉积速率、前加热、后加热和顶部退火的数据值531、532、533、534和536有关。

在操作501中，制造基层(例如，图3中的基层321a)。循环起始点502表示在系统控制器525的控制下开始制造生产层(例如，图3中的当前生产层321d)。

在操作503中，当前层的一个或多个模具区域(例如，图3中的层321d的模具区域324和311)根据构建计划530制造。然后，在决策点504，系统控制器525检查构建计划530，以确定先前生产层是否在模具型腔中有金属物品区域表面。如果结果为否(例如，图3中基层321a紧邻上方的生产层的情况)，则系统控制器525直接进入操作506，将熔融金属沉积到限定物品区域的模具型腔中。在一些实施方式中，熔融金属在多个工作区(图4a-图4b中所示的工作区460)上移动时被沉积。但是，如果结果为是(例如，图3中当前生产层321d伴随先前层321c的金属物品区域331的情况)，则系统控制器525执行操作505，并指示加热器预/前加热物品区域表面(加热工作区)以形成熔池(例如，图4a和图4b中的熔池450)，如之前在"目标沉积前加热"章节中公开的那样，并根据目标沉积前温度数据值533(也如之前描述的那样)进行前加热。

例如，在生产灰铁物品时，熔融金属沉积温度可为1150摄氏度或以上。紧邻熔融金属沉积，工作区的目标沉积前温度为1150摄氏度或以上。

在一些实施方式中，对沉积温度和沉积前温度进行感测和控制，使沉积前目标温度与预设沉积温度之差不超过预设温差。在一些熔池创建的实施方式中，接收区-工作区-的熔融金属沉积温度和沉积前温度在期望情况下是相同的(预设温差＝0)。

在一些实施方式中，预设温差的范围为10-50摄氏度。例如，在一些实施方式中，为了补偿不可避免的系统波动和其他温度波动(例如，沉积器和加热器在物品区域上方的移动造成的温度波动)，预设温差为30摄氏度。

在一些实施方式中，宽度为15-25毫米(例如17毫米)的熔池，提供深度为3-10毫米(例如5毫米)，足以接收约1cm³的体积的熔融金属并且可以实现完美的结合。

在操作506中，系统控制器525根据熔融金属沉积温度数据值531和熔融金属沉积速率数据值532，如前所述，控制熔融金属沉积器在模具型腔中沉积熔融金属(如图4a和图4b所示)。

在操作507中，系统控制器525按照之前在"目标沉积后加热"和"并行退火"章节中公开的内容，并根据目标沉积后温度数据值534(如前所述)，指示加热器对沉积金属进行后加热，以控制熔融金属的冷却速度并施加并行退火。

在循环结束点508，系统控制器525检查构建计划530，看是否还有其他生产层。如果有，系统控制器525将从循环开始点502开始，重复下一生产层。否则，系统控制器525继续执行操作509，并对最终生产层执行顶部退火，详见上文"顶部退火"章节。

顶部退火后，该方法在操作510中结束，在该操作中模具被移除。

如前所述，如果需要，可以对浇铸物品进行处理和精加工。

在本发明的另一实施方式中，上述方法及其变体由系统在自动控制器的指导下执行。

在一些实施方式中，操作505(前加热以形成金属熔池)、506(沉积熔融金属)和507(后加热)在构成当前生产层物品区域的多个工作区上叠加进行。在一些实施方式中，一个接一个的工作区通过移动式沉积器和一个或多个扫描物品区域的加热器进行前加热、金属沉积和后加热。

在一些实施方式中，工作区保持在惰性环境中，从而减少或消除熔池的氧化。在一些实施方式中，除了保持在惰性环境中外，待沉积的熔融金属和熔池还保持在相同的温度下(或基本相同，例如，最多相差30摄氏度)。结合并行退火和顶部退火，待沉积的熔融金属和熔池保持在相同(或基本相同)的流变条件下。因此，可以获得生产层之间结合完美、完全(或部分)退火且结构高度同质的金属物品。实验结果将在附录中参考图8a-图8f进行讨论。

在一些实施方式中，不进行沉积后加热，仅在金属沉积前提供加热，这些实施方式可与本文所述的其他实施方式相结合。

在一些实施方式中(可与本文所述的其他实施方式相结合)，不提供沉积前加热。例如，待沉积的熔融金属是过度加热的，只有在金属沉积后才向工作区提供热量。

为了便于解释，在描述本发明的实施方式时，参考了适用于整个生产层堆的恒定加热制度，但这并不一定如此。在一些实施方式中，不同的生产层可能会经历不同的加热制度。

为便于解释，在描述本发明的实施方式时，参考了适用于生产层中物品区域的多个工作区的恒定加热制度，但这并不一定如此。在一些实施方式中，与同一生产层中物品区域的其他工作区相比，不同的工作区可能会经历不同的加热制度。

图5着重介绍了本发明的熔池实施方式，但本发明并不局限于此。根据本发明的其他实施方式(在此称为过热(或过度加热)实施方式)，待沉积的熔融金属可携带将输送到工作区的能量的一部分(例如，通过将待沉积的熔融金属过热至金属熔融温度以上)。在这些实施方式中，沉积前加热可包括将物品区域的工作区加热至低于熔融状态。

用于增材金属浇铸的系统

图6是根据本发明的一个实施方式的用于增材浇铸的系统600的功能性单元和功能性处理组织框图。

可移动的模具构造器622、可移动的熔融金属沉积器620和一个或多个可移动的加热器624执行如前所述的本发明的关键操作，并且在物理上靠近位于构建台316上的在造浇铸件630。加热器624包括用于前文所述的前加热和后加热装置。一个或多个机械臂651(或任何其他运动装置)也能够移动例如加热器624、沉积器620、模具制造器622以及表面处理和精加工元件(图6中未显示)等装置。

在根据本发明进行的增材浇铸过程中，上述可移动装置会相对于在造浇铸件630执行运动。相对运动包括x-y平面中的运动和z方向(每个坐标系360)的运动，并具有水平运动361、垂直运动363和旋转365的自由度。根据本发明，相对运动可以通过移动构建台316；移动一个或多个可移动单元620、622、624；和/或通过构建台316和可移动单元620、622、624的组合运动来实现。通常情况下，对于浇铸大型、不灵巧、重型的物品，构建台316可能仅限于在z方向上提供相对运动。在一些实施方式中，构建台316在生产层之间移动。在一些实施方式中，构建台316在当前生产层的模具区域构建和物品区域生产之间移动。在一些实施方式中，x-y相对运动可通过移动单元620、622和624而不是构建台316来完成。在相关的实施方式中，各种单元相对于在造浇铸件的移动是在一个或多个机械臂651的协助下完成的。

根据本发明的一个实施方式，一个或两个加热器624与可移动熔融金属沉积器620物理耦接，并可共享共用运动模块(未显示)。共用运动单元可为物理耦接的元件620、624提供沿x和y轴横跨构建台316和沿z轴的共用平移运动，以改变当前生产层上方元件620、624的工作距离。在一些实施方式中，元件620、624在当前生产层上方的工作距离在2毫米到20毫米之间。

在各种实施方式中，加热器624包括但不限于感应加热器、等离子加热器、电阻加热器和火炬加热器。

在各种实施方式中，熔融金属沉积器620包括坩埚、远程熔融金属贮存器、用于熔融的线材或棒材、用于熔融的粉末或其组合。

在各种实施方式中，模具构造器622包括模具材料贮存器和模具沉积器(图6中未显示)。在其他实施方式中，模具构造器622从远程贮存器接收模具材料。在另一实施方式中，模具构造器622从远程接收分配给多个生产层的已制造模具区域和/或模具组件。

根据本发明的实施方式，模具材料包括糊状、粉末状、颗粒状、浆状的模具材料，以及与粘合剂、脱模剂、活化剂、紫外线吸收颗粒、交联剂、吸热颗粒或其他增材混合以方便模具制造和使用的模具材料。根据本发明的实施方式，模具材料包括但不限于：陶瓷(如氧化锆、氧化铝、氧化镁等)、砂、粘土、金属粉末以及它们的任意组合。

在一些实施方式中，系统600进一步包括模具表面处理单元，包括但不限于：磨削、研磨和抛光组件，例如，用于在金属沉积之前对模具型腔内壁进行精加工，用于在金属沉积之前对模具区域进行半硬化或硬化。

在一些实施方式中，模具表面处理单元能够处理当前生产层模具区域的上表面，例如在构建连续生产层的模具区域之前。

在一些实施方式中，系统600进一步包括层表面处理单元，包括但不限于：例如磨削、研磨和抛光组件，用于在构建连续生产层的模具区域之前，对当前生产层的上表面进行平整或其他处理。

在一些实施方式中(可与本文描述的其他实施方式相结合)，系统600可包括一个或多个构建台加热器，且控制器可用于加热构建台并将其保持在恒定的台面温度。例如，在生产灰铁物品时，恒定的工作台温度可在500至750摄氏度之间。在一些实施方式中，构建台加热可为并行退火提供热量。

在一些实施方式中(可与本文所述的其他实施方式结合使用)，控制器还可操作以用于将构建台加热至第一构建台温度，用于模具区域的构造，并加热至与第一构建台温度不同的第二构建台温度，用于物品区域的生产。

在一些实施方式中(可与本文所述的其他实施方式相结合)，系统600进一步包括生产室，生产室至少包围(图6中未显示)可移动的构建台316。生产室可包括一个或多个室加热器，且控制器525可操作以用于加热并将构建台的环境保持在恒定的室温度。例如，对于灰铁，恒定的腔室温度可在500至750摄氏度之间。在一些实施方式中，生产室加热可为同时进行的退火提供热量。

在一些实施方式中，控制器525还可操作以用于将生产腔加热至第一腔室温度，用于模具区域的构建，并加热至与第一腔室温度不同的第二腔室温度，用于物品区域的生产。

图6中还显示了系统控制器525。系统控制器525可以通过数字方式实现，也可以通过一个或多个模拟控制系统实现。系统控制器525可包含带有可执行模块的处理器，各可执行模块用于控制单元624、620和622以及机械臂651。可执行模块覆盖前加热606、后加热610、熔融金属沉积608、顶部退火612、模具创建602和模具精加工604，包括机械臂651的控制。可执行代码包含根据本发明执行增材金属浇铸的具体操作所需的算法和例程。

系统控制器525还接收来自各种传感器和探测器640的传感器和反馈数据。传感器640可包括温度、流率、位置、速度、压力和累积质量传感器。传感器640还可包括其他传感器，例如可见光波长摄像机、重量传感器(例如，杆重量传感器和/或工作台重量传感器)、立体视觉传感器(例如，用于测量层厚度)、距离传感器等。系统控制器525还可以接收操作员输入(未显示)，以便根据本发明精确设置和控制增材金属浇铸工艺。如图5所示，系统控制器525依赖于构建计划530，以获取有关增材浇铸操作的数据、细节和参数。

在图6中，为清晰起见，单元624、620和622以及机械臂651显示为单一的和彼此分立的，但本发明并不受限于每种类型的操作单元的类型和数量。

例如，在一些实施方式中，如果使用的熔融金属材料不止一种，则会提供多个熔融金属沉积器。在其他实施方式中，如果使用的模具材料不止一种，则会提供多个模具构造器。

可以通过操作一个以上的单一构建台、每个构建台操作一个以上的沉积器、每个构建台操作一个以上的模具制造装置等方式来提高总产量。在一些实施方式中，数种同类型的单元同时在相对于构建台316的不同位置运行，以处理在造浇铸件的不同区域。其他此类配置也是可能的，特别是在构建台316有多个实例的情况下。

本发明的实施方式可用于在单一构建台上并根据共同的构建计划同时/同步制造多个金属物品。本发明的实施方式可用于生产大型和超大型金属物品，例如宽度(或长度)在40cm至200cm之间的金属物品。

图7概念性地示出了根据本发明的各种实施方式的用于增材金属浇铸的封闭系统700的生产平面图。这些实施方式的目标包括提高工业效率和安全性、改善环境保护、整合生产监督和控制，以及提供高产量和高成本效益的增材金属浇铸。

系统700包括第一构建台701和第二构建台702，可用于相应的生产元件，如参考图6所述。建造台701和702可同时并行操作，也可有序操作，以优化吞吐量、产能、能耗、材料利用率等性能因素。第一装载/卸载坞731和第二装载/卸载坞732为引入和提取材料和成品提供受控通道。

系统700包括封闭外壳740，其提供了环境屏障，将气体、液体和蒸汽以及高温封闭在受控空间内。外部支持设施包括例如电气柜711、冷却器713、陶瓷给料罐712和升降/装卸机733等项目，可从外部进入，以便于维护和支持。在相关的实施方式中，一些项目(例如，给料罐712和冷却器713)可位于封闭外壳740的屋顶上，以减少系统占地面积。

在一些实施方式中，每个构建台701、702的长度或宽度可在40cm至200cm之间。在一些实施方式中，系统700在框架外壳740中的占地面积为大约17米×大约8.5米，净空高度为大约5米，占地面积为大约145平方米，体积为大约720立方米。

外壳740包围着系统700的危险材料、元件和组件，例如，移动组件、高温和特殊大气环境。在一个相关的实施方式中，外壳740与外部设施的支持基础设施(未显示)相连接，包括环境疏散系统、电源主干线、供水和供气等。

在一些实施方式中，系统700在大气环境中运行。根据其他实施方式，生产区域在至少一些生产操作过程中保持惰性环境。

在一些实施方式中，封闭外壳740被划分为更小的封闭区，特别是在升高温度有利的情况下。在一个相关的实施方式中，外壳740内的构建台被进一步封闭在烘箱中，以用于将在造浇铸件保持在较高的温度下(但低于前加热和后加热温度)。

在一些实施方式中，在系统控制器650(图6)的控制下，第一自动化生产组件722和第二自动化生产组件726提供机械臂651的特征，并集成可移动装置624、620和622的功能。图中所示的自动生产组件722与集成头组件750相结合，集成头组件750提供加热器624和熔融金属沉积620两者。自动生产组件722被安装在带有轨道724的直线床723上，而自动生产组件726被安装在带有轨道728的直线床727上，使它们可以同时进入构建台701和构建台702两者。

图7中还显示了单一模具生产机器人操纵组件729，其用于执行专门的模具精加工操作，包括但不限于磨削、研磨和抛光等机械操作，以及与模具移除相关的操作。

在一些实施方式中(可与本文所述的其他实施方式相结合)，提供了通过生产多个生产层来增材浇铸金属物品的浇铸方法，所述多个生产层具有模具区域和由模具区域限定的物品区域，一个当前生产层接着另一个直至达到顶部生产层，该方法包括在生产当前生产层的物品区域之前，构建当前生产层的模具区域；在沉积路径上移动熔融金属沉积器，并根据构建计划在当前生产层的物品区域处的多个工作区中以预设沉积温度沉积熔融金属；在沉积路径上移动一个或多个加热器并加热所述多个工作区，其中加热所述多个工作区包括将所述多个工作区加热至等于或高于金属物品熔融温度的目标沉积前温度，从而在所述多个工作区沉积金属之前在工作区中形成熔融金属的熔池，以影响熔融金属与所述多个工作区的结合，其中，至少在加热和沉积期间，每个工作区保持在惰性环境中，以及其中，加热所述多个工作区进一步包括通过热量传导通过当前生产层向一个或多个在先生产层提供退火加热。

该浇铸方法可进一步包括在所述多个工作区沉积金属之后，将所述多个工作区加热至沉积后目标温度，以影响多个工作区的热冷却特征曲线。

为一个或多个在先生产层提供退火加热可包括，在生产顶部生产层之后，通过热量传导通过顶部生产层向一个或多个在先生产层提供退火加热。通过热量传导通过顶部生产层向一个或多个在先生产层提供退火加热可包括在顶部生产层的所述多个工作区上移动所述一个或多个加热器，以进行一个或多个前后相继的退火加热循环。

浇铸方法还可包括在每次前后相继的退火加热循环之后，改变在顶部生产层上方所述一个或多个加热器的高度。

沉积前目标温度与预设沉积温度之间的温差可以不超过预设温差。

在一些实施方式中(可与本文描述的其他实施方式结合)，提供了用于通过在可移动的构建台上生产多个生产层来增材浇铸金属物品的浇铸系统，所述多个生产层具有模具区域和由模具区域限定的物品区域，一个当前生产层接着另一个直至达到顶部生产层，该浇铸系统包括：可移动的模具构造器，其可操作以用于构建当前生产层的模具区域；可移动的熔融金属沉积器，其可操作以用于在当前生产层的物品区域的多个工作区中，以预设的沉积温度沉积熔融金属；至少一个加热器，其可操作以用于加热多个工作区；至少一个运动单元，耦接到可移动的构建台、可移动的模具构造器、可移动的熔融金属沉积器和一个或多个加热器；惰性气体单元，用于将至少多个工作区保持在惰性气氛中；和控制器，其可操作以用于迭代控制至少可移动构建台、可移动模具构造器、可移动熔融金属沉积器、至少一个加热器、至少一个运动单元和惰性气体单元，以根据预设构建计划生产金属物品，其中加热多个工作区包括在工作区上沉积金属之前将工作区加热至等于或高于金属物品熔融温度的沉积前目标温度，从而在工作区中形成熔融金属的熔池，以影响熔融金属与工作区的结合，其中每个工作区至少在加热和沉积期间保持在惰性环境中，加热多个工作区进一步包括通过热量传导通过当前生产层向一个或多个在先生产层提供退火加热。

加热多个工作区可进一步包括在工作区沉积金属后将多个工作区加热至沉积后目标温度，以影响多个工作区的热冷却特征曲线。

控制器可操作以用于在生产出顶部生产层之后，通过热量传导通过顶部生产层向一个或多个在先生产层提供退火加热。控制器可操作以用于将一个或多个加热器移动到顶部生产层的工作区上，进行两个或更多个前后相继的退火加热循环，以便通过热量传导通过顶部生产层向一个或多个在先生产层进行退火加热。控制器可操作以用于在每个前后相继的退火加热周期之后改变顶部生产层上方一个或多个加热器的高度。控制器还可操作以用于保持沉积温度与沉积前温度之间的差异小于预设温差。

浇铸系统进一步包括与控制器通信连接的工作区温度传感器。工作区温度传感器可以是高温计或热像仪。

根据构建计划，模具区域的高度可为当前生产层的高度，范围在2毫米至12毫米之间。可移动的模具构造器可包括模具材料贮存器和与之相连的模具材料分配组件，用于在预设位置增材分配模具材料，以根据构建计划在当前生产层中形成模具区域。可移动模具构造器可包括多个远程生产的模具结构，并包括模具传送装置，模具传送装置可操作以用于将远程生产的模具结构传送到预设位置，以根据构建计划在当前生产层中形成模具区域。

浇铸系统可进一步包括生产室，该生产室至少包围可移动的构建台，并包括一个或多个室加热器，以及其中，控制器可进一步操作以用于：将生产室加热至第一室温度，以用于模具区域的构造；并将生产室加热至与第一室温度不同的第二室温度，以用于物品区域的生产。

浇铸系统可进一步包括一个或多个构建台加热器，以及其中，控制器可进一步操作以用于将构建台加热至第一构建台温度。控制器还可进一步操作以用于将构建台加热至第一构建台温度，以用于模具区域的构造；将构建台加热至与第一构建台温度不同的第二构建台温度，以用于物品区域的生产。

本发明的实施方式针对灰铁的增材浇铸进行了描述。本发明不受浇铸材料类型的限制。经适当修改，本发明也适用于其他金属的加法浇铸，包括球墨铸铁、钢和其他金属。

本发明的各个方面已针对熔池实施方式进行了描述；本发明经适当修改后也适用于过热实施方式。

除非另有特别说明，从前面的讨论中可以明显看出，在整个说明书中，使用"处理"、"计算"、"运算"、"确定"或类似术语的讨论是指任何类型的通用计算机的操作和/或过程，如客户机/服务器系统、移动计算设备、智能设备、云计算单元或类似的电子计算设备，这些设备将计算系统寄存器和/或内存中的数据操作和/或转换为计算系统内存、寄存器或其他此类信息存储、传输或显示设备中的其他数据。

本发明的实施方式可包括用于执行此处所述操作的设备。这种装置可以是为所需目的而专门制造的，或者也可以包括通常具有至少一个处理器和至少一个存储器的计算设备或系统，通过存储在计算机中的计算机程序选择性地激活或重新配置。由此产生的设备在软件的指示下，可将通用计算机转化为本文所讨论的本发明元件。指令可定义本发明装置与所需计算机平台的操作。这种计算机程序可以存储在计算机可读存储介质中，例如但不限于任何类型的磁盘，包括光盘、磁光片、只读存储器(ROM)、易失性和非易失性存储器、随机存取存储器(RAM)、电可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除和可编程只读存储器(EEPROM)、磁卡或光卡、闪存、密钥磁盘或适合存储电子指令并能与计算机系统总线连接的任何其他类型的介质。计算机可读存储介质也可以在云存储中实现。

一些通用计算机可能包含至少一个通信元件，以便实现与数据网络和/或移动通信网络进行通信。

本文介绍的过程和展示与任何特定的计算机或其他设备并无内在联系。各种通用系统可根据本文的教导与程序一起使用，也可以方便地构建更专业的设备来执行所需的方法。各种系统的期望结构将从下面的描述中显现出来。此外，本发明的实施方式并未参照任何特定的编程语言进行描述。可以理解的是，可以使用各种编程语言来实现本文所述的本发明的教导。

虽然本发明的一些特征已在本文中进行了说明和描述，但对于本领域的普通技术人员来说，现在还会出现许多修改、替换、变化和等同物。因此，应理解所附的权利要求书旨在涵盖属于本发明真正精神范围内的所有此类修改和变更。

附录-冶金评估

图8a至图8f描述了对根据本发明的一个实施方式生产的浇铸物品的试件进行冶金评估的结果。

为评估制作了三个金属浇铸件，分别标为1、2和3。这三个金属浇铸件是从边长各15cm的金属浇铸立方体上切下来的竖直/垂直切片。立方体的浇铸是在氧气含量可控的环境中进行的。底层是15cm×15cm见方的烧结氧化铝陶瓷，厚度为0.5cm。金属是在由15cm×15cm烧结氧化铝陶瓷空心方形框架模具形成的模具型腔内以有序多层的堆叠体的方式增材沉积的。沉积和加热由可移动的加热和沉积装置以光栅扫描模式进行。

图8a是切片2的照片。这一面原本是浇铸立方体的外表面(x-z平面)，没有经过任何精加工处理-例如，图8a中可见的微弱水平线就是模具留下的印痕。

图8b是一张显示切片2背面的照片。这是切片2的内侧，从立方体上切下来后进行了抛光。图8c是切片2的透视照片。从图中可以看到抛光面的光滑度。

物品1和3被切割成金属试件：水平底部试件(左、中、右)、水平顶部试件(左、中、右)和竖直试件(左、中、右)。这些试件的标距为32毫米，总长度在65-70毫米之间，厚度在1.8-2.45毫米之间，宽度在4.9-5.5毫米之间。

对标号为1的浇铸件中的18个试件和标号为3的浇铸件中的17个试件进行了元素分析、机械和强度测试。

元素分析采用XRF光谱法进行。只分析了主要合金成分，以验证浇铸件中不同试件以及浇铸件1和3之间的差异或相似性。图8d中的表格描述了代表性试件的元素分析。元素分析验证了上层和下层试件、左、中、右试件以及浇铸件1和3试件之间的相似性。

机械和强度测试在伺服液压拉力试验机MTS 370.10上进行。应变速率为0.14分钟^-1。使用基长为25毫米的拉伸计测量应变数据，拉伸计一直固定在试件上直至断裂。

图8e和图8f是所有试件的应力应变图。应力应变图的外观相似，是铸铁的典型特征。机械强度测试验证了上部和底部试件、左、中、右试件以及浇铸件1和3试件之间的相似性。

总体而言，1号和3号分析件之间没有呈现明显差异，这表明浇铸的机械性能高度一致。

Claims (20)

1.一种通过生产多个生产层来增材浇铸金属物品的浇铸方法，所述多个生产层具有模具区域和由模具区域限定的物品区域，一个当前生产层接着另一个直至达到顶部生产层，所述浇铸方法包括：

-在生产当前生产层的物品区域之前，构造当前生产层的模具区域；

-在沉积路径上移动熔融金属沉积器，并根据构建计划在当前生产层的物品区域处的多个工作区中以预设沉积温度沉积熔融金属；以及

-在沉积路径上移动一个或多个加热器，并加热所述多个工作区；

其中，加热所述多个工作区包括以下至少一项：(1)在所述多个工作区上沉积金属之前将所述多个工作区加热至沉积前目标温度，以影响熔融金属与所述多个工作区的结合，以及(2)在所述多个工作区上沉积金属之后将所述多个工作区加热至沉积后目标温度，以影响所述多个工作区的热冷却特征曲线，以及其中，加热所述多个工作区进一步包括，通过热量传导通过当前生产层向一个或多个在先生产层提供退火加热。

2.根据权利要求1所述的浇铸方法，其中，向所述一个或多个在先生产层提供退火加热包括，在生产顶部生产层之后，通过热量传导通过顶部生产层向一个或多个在先生产层提供退火加热。

3.根据权利要求2所述的浇铸方法，其中，通过热量传导通过顶部生产层向一个或多个在先生产层提供退火加热包括，在顶部生产层的所述多个工作区上移动所述一个或多个加热器，以进行一个或多个前后相继的退火加热循环。

4.根据权利要求3所述的浇铸方法，进一步包括在每个前后相继的退火加热循环之后，改变所述一个或多个加热器在顶部生产层上方的高度。

5.根据权利要求1所述的浇铸方法，其中，沉积前目标温度等于或高于金属物品的熔融温度。

6.根据权利要求1所述的浇铸方法，其中，沉积前目标温度与预设沉积温度之差不超过预设温差。

7.根据权利要求1所述的浇铸方法，其中，在底层上方的每个当前生产层中，模具区域与在先生产层一起构成至少一个型腔，以及其中，熔融金属被沉积在型腔内。

8.一种用于通过在可移动的构建台上生产多个生产层来增材浇铸金属物品的浇铸系统，所述多个生产层具有模具区域和由模具区域限定的物品区域，一个当前生产层接着另一个直至达到顶部生产层：

-可移动的模具构造器，其操作以用于构造用于当前生产层的模具区域；

-可移动的熔融金属沉积器，其操作以用于在当前生产层的物品区域处的多个工作区中以预设沉积温度沉积熔融金属；

-至少一个加热器，其操作以用于加热所述多个工作区；

-至少一个运动单元，其与可移动的构建台、可移动的模具构造器、可移动的熔融金属沉积器和一个或多个加热器耦接；以及

-控制器，其操作以用于迭代控制至少构建台、模具构造器、熔融金属沉积器、至少一个加热器和至少一个运动单元，以根据预设构建计划生产金属物品，

其中，加热所述多个工作区包括以下至少一项：(1)在工作区上沉积金属之前将工作区加热至沉积前目标温度，以影响熔融金属与工作区的结合，以及(2)在工作区上沉积金属之后将工作区加热至沉积后目标温度，以影响工作区的热冷却特征曲线，以及

其中，加热工作区进一步包括通过热量传导通过当前生产层向一个或多个在先生产层提供退火加热。

9.根据权利要求8所述的浇铸系统，其中，控制器操作以用于在生产顶部生产层之后，通过热量传导通过顶部生产层向一个或多个在先生产层提供退火加热。

10.根据权利要求9所述的浇铸系统，其中，控制器操作以用于在顶部生产层的工作区上移动所述一个或多个加热器，以进行两个或更多个前后相继的退火加热循环，从而通过热量传导通过顶部生产层向一个或多个在先生产层提供退火加热。

11.根据权利要求10所述的浇铸系统，其中，控制器操作以用于以在每个前后相继的退火加热循环之后，改变所述一个或多个加热器在顶部生产层上方的高度。

12.根据权利要求8所述的浇铸系统，其中，控制器进一步操作以用于保持沉积温度与沉积前温度之间的差异小于预设温差。

13.根据权利要求8所述的浇铸系统，进一步包括与控制器通信连接的工作区温度传感器。

14.根据权利要求8所述的浇铸系统，进一步包括惰性气体单元，以及其中，系统的至少一部分在物品区域生产期间被保持在惰性大气环境中。

15.根据权利要求8所述的浇铸系统，其中，沉积前目标温度为熔融温度。

16.根据权利要求15所述的浇铸系统，其中，加热器操作以用于在金属沉积之前在工作区中形成熔融金属的熔池。

17.根据权利要求8所述的浇铸系统，其中，可移动的模具构造器包括模具材料贮存器和与之相连的模具材料分配组件，以用于在预设位置中增材分配模具材料，从而根据构建计划在当前生产层中形成模具区域。

18.根据权利要求8所述的浇铸系统，其中，可移动的模具构造器包括多个远程生产的模具结构并包括模具转移单元，所述模具转移单元操作以用于将远程生产的模具结构转移到预设位置，从而根据构建计划在当前生产层中形成模具区域。

19.根据权利要求8所述的浇铸系统，进一步包括生产室，所述生产室至少包围可移动的构建台，并包括一个或多个生产室加热器，以及其中，控制器进一步操作以用于：将生产室加热至第一室温度，以用于模具区域的构造；并将生产室加热至与第一室温度不同的第二室温度，以用于物品区域的生产。

20.根据权利要求8所述的浇铸系统，进一步包括一个或多个构建台加热器，以及其中，控制器还操作以用于将构建台加热至第一构建台温度。