TW202344372A - 用於在3d列印期間金屬建造表面之穩定及經3d列印物件之簡易釋放之熱可分解建造板結構 - Google Patents

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Abstract

本發明之一些實施方案涉及用於在3D列印期間金屬建造表面之穩定及經3D列印物件之簡易釋放之增材製造建造板結構。該建造板包含主體，其具有透過該主體之第一表面形成之凹陷部分，該凹陷部分包含該主體內之底表面及延伸至該底表面之側壁。該凹陷部分經構形以填充有固態形式之金屬或金屬合金，其提供用於在3D列印裝置中形成3D物件之列印表面。該凹陷部分包含鎖固機構，其經構形以防止在該3D列印裝置中之3D列印期間該固態形式之該金屬或金屬合金之升起。

Description

用於在3D列印期間金屬建造表面之穩定及經3D列印物件之簡易釋放之熱可分解建造板結構
3D列印，亦稱為增材製造，已經普及作為製造原型及工業零件之技術。此等零件越來越多地滲透到工業製造之所有領域，包含航太、汽車及牙科領域。
增材製造之程序涉及將列印材料沈積到建造板上之連續層中，直到形成所需之3D列印。3D列印方法逐層建造零件，但大多數需要一平台或建造板作為起點。前幾層列印材料將黏合到建造板之表面上，及隨後之幾層列印材料將在此表面上建造。3D列印3D金屬列印零件時，進料由金屬粉末或粉末組合製成。建造板放入3D列印機中。一旦機器啓動，刀片會在建造板上沈積一層金屬粉末。雷射或一系列雷射選擇性地燒結將成為3D列印物件一部分之金屬。雷射之前幾道基本上係將3D列印物件焊接至建造板上。然後，刀片在建造板之表面沈積新的粉末狀金屬。重複選擇性燒結，及逐層創建物件。
儘管增材製造在高科技行業中之使用越來越多，但零件與建造板之分離仍然廣泛通過切割來實現。用於將零件與建造板分離之切割裝置包含弓鋸、帶鋸、線切割放電加工機(EDM)等。雖然使用此類裝置很有效，但可能很耗時，及可能需要購買大量資本設備，諸如線切割放電加工機。通常，與用於創建3D列印零件之粉末床熔融成型機器相比，移除及後處理設備在車間中所占之比例更大。此外，3D列印零件與建造板之機械分離可能需要對移除之零件及建造板表面進行大量後處理。
本發明之一些實施方案係關於用於在3D列印期間金屬建造表面之穩定及經3D列印物件之簡易釋放之建造板結構。
在一實施例中，增材製造建造板包含主體，其具有透過該主體之第一表面形成之凹陷部分，該凹陷部分包含該主體內之底表面及延伸至該底表面之側壁，其中：該凹陷部分經構形以填充有固態形式之金屬或金屬合金，其提供用於在3D列印裝置中形成3D物件之列印表面；及該凹陷部分包括鎖固機構，該鎖固機構經構形以防止在該3D列印裝置中之3D列印期間該固態形式之該金屬或金屬合金之升起。
在一些實施方案中，該鎖固機構包括該等側壁；及該等側壁之至少一者呈角度，使得該凹陷部分之該底表面之周長大於該凹陷部分之頂部之周長。
在一些實施方案中，該等側壁之至少一者相對於該凹陷部分之該底表面之垂線呈5度至45度之角度。
在一些實施方案中，該鎖固機構包括透過該凹陷部分之該底表面形成至該主體之與第一表面相對之第二表面之通孔，該通孔具有在該主體之該第二表面處比在該凹陷部分之該底表面處更大之開口。
在一些實施方案中，該通孔自該主體之該第二表面到該凹陷部分之該底表面逐漸變細。
在一些實施方案中，該通孔相對於該凹陷部分之該底表面之垂線呈5度至45度之角度逐漸變細。
在一些實施方案中，該通孔係鏜孔或埋頭孔。
在一些實施方案中，該通孔係澆注通孔，其用於用固化成該固態形式之液態形式之該金屬或金屬合金填充該凹陷部分。
在一些實施方案中，該通孔係氣孔，其經構形以釋放由在該凹陷部分中澆注液態形式該金屬或金屬合金而置換之空氣。
在一些實施方案中，該鎖固機構包括一或多個盲孔，該等盲孔透過該凹陷部分之該底表面形成至該建造板之內部，該一或多個盲孔之各者具有在該凹陷部分之該底表面最小之開口。
在一些實施方案中，該鎖固機構包括沿該凹陷部分之該等側壁或該底表面之至少一部分延伸之通道。
在一些實施方案中，該通道包括多個鳩尾榫。
在一些實施方案中，該鎖固機構包括一或多個減材特徵，其部分地或完全地延伸透過該主體朝向該主體之外表面。
在一些實施方案中，該鎖固機構進一步包括存在於該凹陷部分中之一或多個增材特徵，該一或多個增材特徵包括一或多個正地形特徵。
在一些實施方案中，該增材製造建造板進一步包括：該凹陷部分內之該固態形式之該金屬或金屬合金。
在一些實施方案中，該金屬或金屬合金具有低於該主體之固相線溫度且低於該3D物件之固相線溫度之固相線溫度。
在一實施例中，方法包括：獲得包括主體之增材製造建造板，該主體具有透過該主體之第一表面形成之凹陷部分，該凹陷部分包含該主體內之底表面及延伸至該底表面之側壁；及在該凹陷部分內形成固態形式之金屬或金屬合金，其具有用於在3D列印裝置中形成3D物件之列印表面，其中該凹陷部分包括鎖固機構，該鎖固機構經構形以防止在該3D列印裝置中之3D列印期間該固態形式之該金屬或金屬合金之升起。
在一些實施方案中，形成該固態形式之該金屬或金屬合金包括將固化成該固態形式之液態形式之該金屬或金屬合金澆注到該凹陷部分之澆注通孔中；及經由該凹陷部分之空氣通孔釋放由該液態形式之該金屬或金屬合金而置換之空氣，其中：該固態形式之該金屬或金屬合金延伸到該澆注通孔及該空氣通孔中，該鎖固機構包括該澆注通孔及該空氣通孔，及在填充有該固態形式之該金屬或金屬合金之前，該澆注通孔及該空氣通孔各具有在該主體之外表面處比在該凹陷部分之底表面處更大之開口。
在一些實施方案中，該方法進一步包括：在形成該固態形式之該金屬或金屬合金之後，將該增材製造建造板放置在該3D列印裝置中；及在該列印表面上3D列印該3D物件，其中該金屬或金屬合金之固相線溫度低於該增材製造建造板及該3D物件之固相線溫度，及該鎖固機構防止該固態形式之該金屬或金屬合金至少部分地由3D列印期間該金屬或金屬合金之溫度升高引起之升起。
在一實施例中，方法包括：將增材製造建造板放置在3D列印裝置中，該增材製造建造板包括：主體，該主體具有透過該主體之第一表面形成之凹陷部分，該凹陷部分包含該主體內部之底表面及延伸至該底表面之側壁；及在該凹陷部分內之固態形式之金屬或金屬合金，其中該固態形式包含用於在該3D列印裝置中形成3D物件之列印表面，該金屬或金屬合金之固相線溫度低於該增材製造建造板及該3D物件之固相線溫度，且該凹陷部分包括鎖固機構；及在該固態形式之該金屬或金屬合金之該列印表面上3D列印該3D物件，其中在3D列印期間，該鎖固機構防止該固態形式之該金屬或金屬合金至少部分地由該金屬或金屬合金之溫度升高引起之升起。
在一些實施方案中，該方法進一步包括：在列印該3D物件之後，熔化該固態形式之該金屬或金屬合金以自該增材製造建造板釋放該3D物件。
根據以下結合附圖之詳細描述，所揭示技術之其他特徵及態樣將變得顯而易見，附圖以實例之方式繪示根據所揭示技術之實施方案之特徵。發明內容不旨在限制本文描述之任何發明之範疇，其由技術方案及等同物界定。
應當理解，前述槪念之所有組合(假設此等槪念不相互矛盾)經考慮是本文揭示之發明標的物之一部分。特別而言，出現在本發明末尾之所主張之標的物之所有組合經考慮是本文揭示之發明標的物之一部分。
相關申請案之交叉參考
本申請案主張2022年3月24日申請之美國臨時專利申請案第63/323,194號之優先權，該申請案名稱為「用於在3D列印期間金屬建造表面之穩定及經3D列印物件之簡易釋放之熱可分解建造板結構」(“THERMALLY DECOMPOSABLE BUILD PLATE STRUCTURE FOR STABILIZATION OF METAL BUILD SURFACE DURING 3D PRINTING AND FACILE RELEASE OF 3D PRINTED OBJECTS”)，該申請案之全文以引用的方式併入本文中。
需要改良增材製造中之技術以移除附接到建造板上之工件。一項挑戰係在不損壞零件之情況下釋放零件，同時亦要保護建造板以便可重複使用。如上所述，通常採用機械手段，諸如藉由使用帶鋸或線切割放電加工機，自3D列印機外部之建造板上切割及移除3D列印物件。然後可單獨機械加工建造板以移除多餘之材料並將其等恢復到可用狀態。 然而，如上所述，此等方法可能很耗時且需要大量的後處理時間。此外，此等方法可能需要額外之消耗性金屬粉末，以便在零件與建造板之間具有足夠之間隙，以允許帶鋸或線切割放電加工機進入的餘隙。
最近提出之一項技術已證明可有效移除3D列印零件並克服上述挑戰，該技術涉及熱可分解建造板設計，該建造板設計利用較低熔點金屬作為建造表面，其允許藉由粉末床熔融成型列印零件以在幾秒內通過溫和之熱處理釋放。與機械移除3D列印金屬零件通常需要數小時之後處理來重塑及拋光物件底部並重鋪建造板以供重複使用相比，熱可分解建造板可輕鬆地將3D列印物件自建造板移除，而不會損壞3D列印零件，及幾乎不用或沒有對3D列印物件進行後處理、精加工、重塑及/或拋光。
本發明之實施方案描述熱可分解建造板設計之額外改良，其可幫助防止金屬列印表面之升起、改良列印零件之公差、改良使用者體驗及增加處理量。為此，建造板可包含結合到建造板之凹陷部分內部之結構特徵，及設計成有助於將金屬固定在建造板之內部凹陷部分內，以防止在3D列印期間升起及建造失敗。如下文進一步描述的，用於固定金屬之此種結構特徵可為直的、錐形的、鳩尾榫的或不規則形狀的。可能有一個特徵或多個特徵。可能有多個相同類型之特徵或不同類型特徵之組合。下面進一步描述此等及其他實施方案。
圖1A、1B及1C分別展示根據本發明之實施方案之可用於增材製造或3D列印之建造板100之俯視圖、仰視圖及橫截面側視圖。如圖所示，建造板100包含頂表面110、底表面120及在頂表面與底表面之間延伸之四個側壁。包含頂表面、底表面及側表面之建造板100可由銅、不銹鋼、工具鋼、錫、鋁、燒結碳化物、陶瓷、石墨或一些其他合適之材料製成。特別而言，如下文進一步描述的，建造板100可由固相線溫度顯著高於(例如，至少30℃)熱可分解材料之材料(例如，金屬或金屬合金)製成，該熱可分解材料放置或形成在其凹陷部分140中，及用於在3D列印期間在建造板100及3D列印物件之間創建黏合。例如，建造板100可具有大於1000℃之熔化溫度。
雖然描繪為具有在頂表面110與底表面120之間垂直延伸之側壁之矩形稜柱體或長方體之形狀，但應當注意，在其他實施方案中建造板100可係可用於實施本文所述之3D列印技術的一些其他合適之形狀，例如圓形或梯形稜柱體。
在該實例中，用於將建造板100附接到3D列印設備之構件由頂表面110之各角中之槽或孔101(例如，螺栓孔)表示。3D列印設備之結構突起(例如，螺栓或接頭)可插入孔101中以在3D列印期間將建造板100保持在適當位置。儘管在頂表面100之各角中繪示孔101，但應當理解，根據實施方案，建造板100可在頂表面110、底表面120及/或建造板100之其他表面之任何合適位置包含孔101及/或突起，以便於附接到3D列印設備。在一些實施方案中，孔101可包含在底表面120上，而不是頂表面110上，以防止3D列印之金屬粉末落入孔101中。在一些實施方案中，可使用突起(例如，螺栓或接頭)代替孔101。例如，突起可耦合到3D列印設備之孔。
建造板100包含延伸透過其中心之榫眼或凹陷部分140。 凹陷部分140包含底表面及傾斜或成角度之側壁131，使得凹陷部分140之頂表面周長141小於凹陷部分140之底表面周長142。換言之，凹陷部分朝向建造板100之頂部逐漸變細。雖然所示實例展示四個傾斜側壁，使得底表面周長142沿每一側或尺寸大於頂表面周長141，但傾斜之側壁131之數量可為一或多個，使得底表面周長142沿至少一側大於頂表面周長141。 如下文進一步描述的，凹陷部分140可填充有較低熔化溫度之金屬或金屬合金以形成提供用於建造3D列印物件之熱可分解表面之固態金屬結構。在固態金屬結構固化之後，傾斜之側壁131可提供鎖固機構以防止在金屬粉末床熔融成型期間升起。 傾斜之側壁131可用作獨立之解決方案以防止金屬在3D列印期間升起或與其他固定特徵結合使用，下面將進一步描述。
如圖1C所示，側壁131可相對於自凹陷部分之頂表面到凹陷部分之底表面之垂線傾斜角度θ。在一些實施方案中，θ可自5°到60°、自5°到45°、自15°到45°或自15°到30°。在一些實施方案中，可調整傾斜角度以優化側壁傾斜與最大化零件之建造表面面積之間之權衡。
延伸透過其底部表面120，凹陷部分 140包含澆注通孔155 及多個空氣/通風通孔115。在腔底部添加一或多個額外孔以用作空氣通孔115，同時將液態金屬澆注到澆注通孔155中，以形成熱可分解金屬結構。此等可選之空氣通孔115可位於凹陷部分140之內周或其他位置，並延伸透過模具之底側，以便在將金屬填充到澆注通孔155中時空氣可逸出，從而防止形成之固態金屬結構160中出現空洞。
在替代實施方案中，凹陷部分140可包含多於一個澆注通孔155。在替代實施方案中，凹陷部分140可包含一個通孔115，或不包含空氣通孔115。
在所示實例中，澆注通孔155及空氣通孔115均呈錐形，使得建造板之外表面(即底表面120)上之孔之半徑或周長大於凹陷部分之內表面上之孔之半徑或周長。如圖所示，澆注通孔155及/或空氣通孔115可相對於垂線以角度Φ逐漸變細。在一些實施方案中，Φ可自5°到60°、自5°到45°、自15°到45°或自15°到30°。如下文進一步描述的，藉由此種方式使孔逐漸變細，凹陷部分140中之金屬結構可在3D列印期間更好地穩定。
澆注通孔155及空氣通孔115之大小可不同。具有至少1 cm直徑之澆注通孔155可足夠大以藉由澆注將液態金屬引入腔中。空氣通孔155可更小，大約為½ cm或更小。儘管空氣通孔115繪示為小於澆注通孔155，但空氣通孔115可更大。在一些實施方案中，具有相同或相似直徑之多個孔可用作澆注通孔及空氣通孔。
凹陷部分140亦包含存在於建造板100之內部之盲孔116。盲孔116自凹陷部分140之內部向外延伸，但，與空氣通孔115及澆注通孔 155不同，盲孔116不穿過建造板之外部。在此實例中，盲孔116逐漸變細，使得位於凹陷部分之內表面上之盲孔之入口點具有比向外延伸之半徑或周長更小之半徑或周長。在替代實施方案中，凹陷部分140可包含一個盲孔116，或不包含盲孔116。在一些實施方案中，盲孔116可相對於垂線以角度逐漸變細，其可自5°到60°、自5°到45°，自15°到45°，或自15°到 30°。
包含澆注通孔155、盲孔116及空氣通孔115之凹陷部分 140可經由任何合適之機械加工程序形成，諸如藉由使用榫眼機、金屬車床、銑床、鑽床。例如，凹陷部分140可藉由對固態金屬塊進行榫接來形成。根據實施方案，頂表面周長141、底表面周長142及凹陷部分140之深度可針對與建造板100一起使用之3D列印裝置及程序進行優化。例如，切口之周長可成形，使得其不會干擾3D列印裝置固定機構(例如，為孔101 提供足夠之空間)，同時提供足夠大之表面積以形成3D列印物件。在一些實施方案中，可提供足夠之深度以優化冷卻並提供更深之通道。
應當理解，可利用不同於繪示之側壁傾斜角、孔位置及孔形狀。例如，在一些實施方案中，澆注通孔155、盲孔116或空氣通孔115可具有矩形、正方形或不規則形狀。此外，在一些實施方案中此等孔中之一或多個可不逐漸變細。
參考圖1C至圖1D，為在內部凹陷部分140中形成金屬結構160，透過自外部底表面120延伸到內部凹陷部分140之澆注通孔155澆注液態金屬或金屬合金165。在澆注之前， 建造板100可倒置180度使得澆注通孔155面朝上，及建造板100靠著光滑表面或蓋105放置，諸如石墨或花崗巖板。當放置時，蓋105至少延伸超過凹陷部分140之頂表面之邊緣。
容器199可用於透過澆注通孔155將液態金屬或金屬合金165澆注到蓋105上，填充凹陷部分140，其包含通孔及盲孔。在此步驟之前，可將固態金屬或金屬合金加熱到高於其固相線溫度以形成液體165。在此實例中，藉由在建造板100倒轉之情況下添加液體165，任何不需要之積聚物(例如浮渣)可漂浮到並固定在填充凹陷部分之頂部，從而確保在 3D列印發生之地方形成乾淨之金屬或金屬合金表面。
當液體165(例如，液態金屬)在鑄造程序中澆注到凹陷部分140中時，金屬可置換空氣並填充腔。若在鑄造程序中空氣沒有逸出，就會發生空洞。空洞可能是不受歡迎的，因為其可能會阻礙熱量直接透過固態金屬結構160，進入建造板100並繼續向下透過3D列印建造室，在3D建造程序中受到雷射加熱時，可能會導致固態金屬結構之頂部熔化或變形，下文將進一步描述。因此，空氣通孔115之存在可幫助消除不需要之空洞並確保成功之3D金屬列印運行所需之穩定、不間斷、向下之熱流。在一些實施方案中，為進一步幫助空氣自建造板100逸出，建造板100可在澆注液體165時傾斜(例如，30度、45度或60度)。金屬可透過底部進入一半之澆注通過孔155，同時空氣透過同一孔之頂部逸出。在建造板結構沒有空氣通孔115之情況下，此技術可能特別有用。
如圖1D所示，固化後，固態金屬結構160占據建造板100之內部凹陷部分140，使得固態金屬結構160接觸內部凹陷部分之底部及側壁及蓋子105，諸如石墨或花崗巖。可利用不同於所示之用於形成固態金屬結構160之技術。在一些構形中，諸如使用書模，澆注通孔可替代地位於建造板100之一側，及建造板100可在液態金屬之澆注期間竪立在其相對側。在此構形中，澆注通孔可位於建造板的與鄰接蓋105之建造板側垂直之側表面上。在一些構形中，液態金屬或金屬合金可替代地自相對側透過凹陷部分140之頂面澆注。在此實施方案中，蓋105可覆蓋建造板之底表面中之任何開口，或若底表面上沒有開口，則可不需要蓋105。
在澆注及冷卻期間，夾具或其他保持特徵可用於在澆注及冷卻期間保持建造板100與蓋105(例如，光滑之平板表面)接觸。在金屬固化後，蓋105自與建造板100之接觸中移除，暴露出固態金屬結構160之光滑頂表面，其隨後在金屬粉末床熔融成型期間變成建造表面。光滑之頂表面可與建造板之頂表面齊平。蓋105之材料可由不與建造板100黏合但可機械地保持在適當位置之材料構成。為便於移除蓋105並確保形成光滑表面(例如，與建造板凹部之頂部邊緣齊平之平坦表面)，蓋105可由材料構成，例如 在液體165固化之前或之後，石墨、聚四氟乙烯、陶瓷、銅、不銹鋼、工具鋼、錫、鋁、不粘金屬或一些不與液體165黏合之材料。
在一些實施方案中，固態金屬結構160係固態金屬或金屬合金，其熔點低於未填充建造板100之材料(例如，金屬)之熔點。金屬或金屬合金之固相線溫度可比建造板100之溫度低至少30℃。在一些實施方案中，熔點之差異可能更顯著。例如，在一些實施方案中，金屬或金屬合金之固相線溫度可至少低50℃、低100℃、低200℃、低400℃、低600℃、低800℃、低1000℃，或甚至比建造板100之固相線溫度低1000℃以上。
在一些實施方案中，固態金屬結構160係具有小於300℃之固相線溫度之固態金屬或金屬合金。在一些實施方案中，其具有介於50℃與250℃之間之固相線溫度。例如，固態金屬結構160可係焊料合金，諸如錫合金(例如，96.5Sn3Ag0.5Cu)、鉍合金(例如，58Bi42Sn)或銦合金(例如，52In48Sn)。在一些實施方案中，固態金屬結構可包含至少90％之銦。在一些實施方案中，固態金屬結構可為InAg合金。在其他實施方案中，固態金屬結構160可為單一元素金屬，諸如錫、銦、鉍或其他。
圖1E繪示根據本發明之實施方案之3D金屬列印程序，其包含使用金屬粉末床520及雷射400之3D金屬列印裝置500以在建造板100上形成3D列印物件600。亦展示建造板裝載平台510及用於引導雷射400 之輸出之光學組件410。金屬粉末床520可包括鋁、鈷、銅、鎳、鋼、不銹鋼、鈦、釩、碳化鎢、金、 青銅、鉑、銀合金、鈷鉻合金、耐火金屬、其等之組合，或一些其他適合之金屬或金屬合金，其用於形成3D列印物件600。
為準備用於列印之裝置500，可將本文所述之建造板(例如，建造板100)放置到裝置 500 中，及藉由緊固件與朝上之建造表面一起固定到建造板裝載平台510。裝置500可裝載金屬粉末及室門關閉。然後室可充滿惰性氣體，諸如氮氣或氬氣以防止列印程序中之氧化。在一些實施方案中，3D列印室及/或建造板可在低於固態金屬結構160之固相線溫度之溫度下預熱。
在列印開始時，再塗布機刀片或裝置500之其他組件可將金屬粉末沈積在建造板100之頂表面上，其包含固態金屬結構160。然後雷射400或一繫列雷射可雷射/燒結沈積之金屬粉末及冶金接合/焊接(一層將成為3D列印物件)到固態金屬結構160之建造表面。程序可逐層重複直到列印完成。裝置500可包含降低機構(例如，作為平台510之一部分)設備以允許形成3D列印物件600之後續金屬層。 隨著設備及建造板降低，金屬粉末層可添加到頂表面及一或多個雷射用於選擇性地接合/燒結區域到下面之3D列印物件600。
在3D列印期間，可調整雷射功率、再塗布機刀片速度、層之間之暫停時間及其他參數以允許熔化之粉末在雷射通過之間固化。前1至10層可係關鍵的，因為此等通道形成固態金屬結構160與3D列印物件600之間之金屬間之層，將物件固定到建造表面。
雷射400在3D列印期間產生之熱量可能會增加固態金屬結構160之溫度。此可能導致之一個問題係固態金屬結構160過早熔化。為防止固態金屬結構160在3D列印期間過早熔化， 選擇合適之金屬或金屬合金160時，溫度之升高可能會得到解釋。在一些實施方案中，可能會降低雷射400之功率及/或可能會調整其他參數，同時形成3D列印物件600之的較低層以防止3D列印期間固態金屬結構160之過熱。
可能歸因於金屬之雷射加熱及隨後之層間停頓而發生之另一問題係固態金屬結構160之熱膨脹及收縮。此會導致用作建造表面之固態金屬結構160自建造板100之凹陷部分升起。此升起係不希望的，因為其會導致3D列印物件600之整體高度(z軸)誤差。若升起不均勻，則在x-y平面中可能會出現額外之錯誤，導致3D列印物件600在所需規格之外建造。
如本文所述，建造板可設計成具有各種特徵以幫助將固態金屬結構160固定在建造板之內部凹陷部分內，以防止在3D列印期間升起及建造失敗。在一些實施方案中，這些特徵可以是通過建造板100之凹陷部分形成的減材特徵。例如，如上所述，建造板100可包含具有傾斜側壁 131之凹陷部分、一或多個錐形通孔(例如，澆注通孔155及空氣通孔115)及/或一或多個錐形盲孔116。傾斜側壁131可提供鎖固機構以防止固態金屬結構在粉末床熔融成型期間升起。通孔或盲孔之錐形使得孔之半徑或周長朝向頂表面(即建造板100之列印表面)減小，亦可為透過此等孔形成之固態金屬結構160創建固定機構。
可利用其他減材固定特徵來代替建造板100所描繪之此等特徵或除了此等特徵之外。例如，可在凹陷部分140之內部底部及/或側壁 131上形成凹槽。另外，錐形孔可形成在至少一個側壁131上，其中錐形可使得孔之半徑或周長自側壁131之內部到表面減小。
可利用用於固定固態金屬結構之其他孔結構來代替或補充本文所述之錐形通孔。例如，在一些實施方案中，鏜孔或埋頭孔可穿過凹陷部分之底表面或側壁形成。圖2A至圖2B繪示利用埋頭通孔之建造板200之實例之橫截面側視圖。此實例中建造板200之凹陷部分140包含埋頭澆注通孔146a及埋頭空氣通孔146b。儘管在此實例中未示出，但亦可形成一或多個埋頭盲孔。如圖所示之埋頭通孔可藉由鑽穿建造板200之底表面120到凹陷部分140而形成，整個孔之半徑相等。此後，可使用具有較大半徑之鑽頭自建造板200之底表面120部分鑽孔(例如，大約1/4、1/3、1/2等之路徑)到現有孔中，藉此形成埋頭孔。埋頭鑽頭可係直的或錐形的，前提是建造板底部之孔之開口大於內部凹陷部分之底表面上之孔之開口。當填充固態金屬結構160時，建造板底部之埋頭孔特徵可防止固態金屬結構160在3D列印期間升起。
有助於將固態金屬結構固定在建造板之內部凹陷部分內之特徵不需要限於存在於建造板之內部凹陷部分上之減材特徵(例如，孔及凹槽)，其中一些特徵部分地或完全地透過建造板金屬朝向及/或透過建造板之外表面延伸。在一些實施方案中，凹陷部分之內表面上可存在諸如平地之正特徵。此等特徵可在形成凹槽之減材程序中產生。若建造板本身係藉由增材製造創建的，則可增材地創建平地，及凹槽可相對於平地被動創建。位於凹陷部分之內表面上之平地、凹槽及/或孔之組合可用作錨定點以防止固態金屬結構之升起。此等特徵雖然起源於凹陷部分之內部部分，但可延伸透過建造板壁朝向建造板之外部，如在減材孔及凹槽之情況下。此等減材特徵可向外延伸到側壁或向外延伸到建造板之底部。
起源於凹陷部分內部之正特徵(例如，平地)可向內延伸並完全含在凹陷部分腔內。為防止在3D列印程序中發生干擾，一旦腔中填充液態金屬並固化成固態金屬結構，正特徵可能會設計成不會突出到建造表面之上。
更一般地，設計到凹陷部分內部之減材及正起伏特徵可係直的、錐形的、鳩尾榫形的或不規則形狀的。可能有一個特徵或多個特徵。可能有多個相同類型之特徵或特徵之組合，其包含平地、凹槽及錐形或非錐形孔之組合。特徵可係連續的或離散的。特徵可包含在內部凹陷部分內，或可部分或完全延伸透過建造板朝向外表面。
在一些實施方案中，可存在沿著凹陷區域之側壁及/或底表面之一者之至少一部分延伸之一或多個減材通道。在其他實施方案中，通道可沿著建造板之凹陷腔之整個周長延伸。通道可係鳩尾榫形的。鳩尾榫之通道可沿著凹陷部分140之內部周長延伸及朝向建造板之外表面部分地突出到建造板中。鳩尾榫方向可使得源自凹陷部分內部之鳩尾榫之角度之弧度小於鳩尾榫通道在建造板之側壁內終止處之角度之弧度。鳩尾榫之較小開口可與凹陷腔側壁齊平，及透過建造板金屬向外延伸至建造板之外表面。通道可係離散的或連續的，及可沿著凹陷部分之底部及/或側表面之整個周長延伸，使得鳩尾榫之較小開口與凹陷腔底部齊平及向下延伸透過建造板金屬朝建造板之外部底表面。此等通道可替代其他鎖固特徵或與離散鎖固特徵結合使用，以增強3D列印期間固態金屬結構之保持力，以防止固態金屬結構建造板表面升起。
圖3展示根據本發明之一些實施方案之建造板300之實例之透視圖，該建造板300實施減材及正起伏特徵。如圖所示，除了澆注通孔 155、空氣通孔115及盲孔116之外，建造板300包含兩個鳩尾榫形通道143，各通道沿其長度具有交替之鳩尾榫。
圖4A至4B展示正起伏特徵410及減材起伏特徵420之組合之額外實例之橫截面視圖，其可形成在本文所述之建造板之凹陷部分之底表面或側表面上。圖4A描繪凹陷部分在固態金屬合金填充之前之起伏特徵。圖4B描繪凹陷部分填充有固態金屬或金屬合金430之後之起伏特徵。
如本文所述之起伏特徵可藉由電腦數值控制(CNC)機器、鑽床、刨槽機、增材製造或藉由用於添加或移除金屬或其他材料以創建平地、凹槽、 孔或其他減材及/或正特徵作為提供3D列印建造表面之經固化金屬之錨點。亦可藉由熱噴塗或噴砂分別在凹陷部分之內部底部及側壁上及/或其完全位於凹陷部分腔內或部分向外延伸或完全進入建造板底部或側壁之突起、凹槽或孔形成平地及凹槽特徵。
在3D列印完成時，具有3D列印物件600之建造板100可自3D列印裝置500移除。例如，圖1F展示總成，其包含在3D列印完成後以冶金方式結合到建造板100上之金屬3D列印物件600。用於形成3D列印物件600之金屬或金屬合金之熔化溫度高於固態材料160之熔化溫度。例如，類似於建造板100，3D列印物件600之固相線溫度可在至少比金屬或金屬合金之固相線溫度高30℃。在一些實施方案中，熔點之差異可能更顯著。例如，在一些實施方案中，3D列印物件600之固相線溫度可高50℃、高100℃、高200℃、高400℃、高600℃、高800℃、高1000℃，或甚至比固態材料160之金屬或金屬合金之固相線溫度高1000℃以上。在一些實施方案中，用於形成3D列印物件600之金屬粉末可包括鋁、鈷、銅、鎳、鋼 、不銹鋼、鈦、釩、碳化鎢、金、青銅、鉑、銀合金、鈷鉻合金、耐火金屬、其等之組合，或一些其他合適之金屬或金屬合金。
在3D列印之後，3D列印物件600與建造板分離。為此，包含建造板及3D列印物件之總成可予以加熱(例如，藉由將總成放入爐中)到高於較低熔化溫度固態金屬結構160之固相線溫度之溫度，藉此熔化金屬並釋放3D列印物件。在其他實施方案中，3D列印物件600可藉由爐以外之熱源與固態金屬160 熱分離，諸如藉由噴燈、熱空氣、熱液體、熱板、雷射或足以熔化固態金屬結構160之其他合適之熱源，藉此釋放3D列印物件600。熔化之金屬或金屬合金可收集在容器或收集設備中，同時3D列印物件600及建造板之剩餘結構(其包含凹陷部分)保持堅固。在固態金屬結構熔化之前，包含建造板及3D列印物件之總成可放置在容器中。熔化之液態金屬或金屬合金可流過建造板之凹陷部分及/或孔(若有之)並進入容器中。收集之金屬或金屬合金可重新用於重新填充建造板或其他建造板之凹陷部分，以用於未來之3D列印操作。
在移除程序中，3D列印物件600可藉由工具保持在適當位置。 例如，在一種實施方案中，移除程序至少包括以下步驟：在保持3D列印物件之同時熔化固態金屬結構；熔化固態金屬結構後，自建造板上移除3D列印物件；自建造板上移除3D列印物件後，定位(例如，傾斜、倒轉、旋轉等)建造板以清空液態金屬或金屬合金。在分離3D列印物件600 之後，可根據需要對物件600進行後處理(例如，拋光、整形及/或硏磨)。
在一些實施方案中，移除3D列印物件及/或收集熔化之金屬或金屬合金之程序可以併入到3D列印總成之隔室中。
儘管到目前為止已在建造板之凹陷部分140中形成固態金屬結構160之上下文中描述了實施例，其具有穩定固態金屬結構之3D列印建造表面之一或多個減材及正特徵，經考慮預成型之固態金屬插入物可在建造板之外部形成(例如，在鑄模中)及隨後插入/固定到建造板之凹陷部分中。
雖然上面已描述所揭示技術之各種實施例，但應當理解，其等僅以實例之方式呈現，而不是限制。同樣，各種圖表可描述所揭示技術之實例結構或其他構形，此種做法係為幫助理解可包括在所揭示技術中之特徵及功能。所揭示之技術不限於圖示之實例結構或構形，而可使用各種替代結構及構形來實現期望之特徵。此外，關於流程圖、操作描述及方法技術方案，除非上下文另有規定，否則此處呈現之步驟之順序不應強制實施各種實施例以執行所列舉之功能之順序相同。
儘管以上根據各種例示性實施例及實施方案描述所揭示之技術，但應當理解，在一或多個個別實施例中描述之各種特徵、態樣及功能不限於其等對描述之特定實施例之適用性，但可單獨或以各種組合應用於所揭示技術之一或多個其他實施例，無論是否描述此等實施例及此等特徵是否作為一部分描述之實施例呈現。因此，本文揭示之技術之廣度及範疇不應限於上述例示性實施例中之任一者。
除非另有明確説明，否則此文件中使用之術語及短語及其變化應解釋為開放式而非限制性的。作為前述實例：術語「包含」應理解為「包含但不限於」及類似物；術語「實例」用於提供所討論項目之例示性實例，而不是窮舉或其限制性之列表；術語「a」或「an」應理解為「至少一個」、「一或多個」及類似物；諸如「習知」、「傳統」、「正常」、「標準」、「已知」之形容詞及具有類似含義之術語不應解釋為將所描述之項目限制在給定時間段或給定時間可用之項目，但應理解為包含現在或將來任何時間可能可用或已知之習知、傳統、正常或標準之技術。同樣，在此文件提及本領域一般技術者顯而易見或已知之技術之情況下，此類技術包括技術人員現在或將來任何時間顯而易見或已知的技術。
在某些情況下，諸如「一或多個」、「至少」、「但不限於」或其他類似短語之擴展詞及短語之存在不應理解為意指或需要更窄之情況，其中可能沒有此種擴展短語。
另外，此處闡述之各種實施例係根據例示性方塊圖、流程圖及其他圖示來描述的。閲讀本文件後，本領域一般技術者將明白，可在不侷限於所示實例之情況下實施所示實施例及其各種替代方案。例如，方塊圖及其隨附之描述不應解釋為對特定結構或構形之強制要求。
應當理解，前述槪念之所有組合(假設此等槪念相互不矛盾)經考慮是本文揭示之發明標的物之一部分。特別而言，本發明中出現之所主張之標的物之所有組合經考慮是本文揭示之發明標的物之一部分。
雖然上面已描述所揭示技術之各種實施例，但應當理解，其等僅以實例之方式呈現，而不是限制。同樣，各種圖表可描述所揭示技術之實例結構或其他構形，此做法係為幫助理解可包含在所揭示技術中之特徵及功能。所揭示之技術不限於圖示之實例結構或構形，而是可使用各種替代結構及構形來實現期望之特徵。此外，關於流程圖、操作描述及方法技術方案，除非上下文另有規定，否則此處呈現之步驟的順序不應強制實施各種實施例以執行所列舉之功能之順序相同。
儘管以上根據各種例示性實施例及實施方案描述所揭示之技術，但應當理解，在一或多個個別實施例中描述之各種特徵、態樣及功能不限於其等對特定實施例之適用性之描述，但可單獨或以各種組合應用於所揭示技術之一或多個其他實施例，無論此等實施例是否描述及此等特徵是否作為描述之實施例之一部分呈現。因此，本文揭示之技術之廣度及範疇不應受限於上述例示性實施例中之任一者。
除非另有明確説明，否則此文件中使用之術語及短語及其變化應解釋為開放式而非限制性的。作為前述實例：術語「包含」應理解為「包含但不限於」及類似物；術語「實例」用於提供所討論項目之例示性實例，而不是窮舉或其限制性之列表；術語「a」或「an」應理解為「至少一個」、「一或多個」及類似物；諸如「習知」、「傳統」、「正常」、「標準」、「已知」之形容詞及具有類似含義之術語不應解釋為將所描述之項目限制在給定時間段或給定時間可用之項目，但應理解為包含現在或將來任何時間可能可用或已知之習知、傳統、正常或標準之技術。同樣，在此文件提及本領域一般技術者顯而易見或已知之技術之情況下，此類技術包括技術人員現在或將來任何時間顯而易見或已知的技術。
在某些情況下，諸如「一或多個」、「至少」、「但不限於」或其他類似短語之擴展詞及短語之存在不應理解為意指或需要更窄之情況，其中可能沒有此種擴展短語。
另外，此處闡述之各種實施例係根據例示性方塊圖、流程圖及其他圖示來描述的。閲讀本文件後，本領域一般技術者將明白，可在不侷限於所示實例之情況下實施所示實施例及其各種替代方案。例如，方塊圖及其隨附之描述不應解釋為對特定結構或構形之強制要求。
應當理解，前述槪念之所有組合(假設此等槪念相互不矛盾)經考慮是本文揭示之發明標的物之一部分。特別而言，本發明中出現之所主張之標的物之所有組合經考慮是本文揭示之發明標的物之一部分。
100:建造板 101:孔 105:蓋 110:頂表面 115:空氣通孔 116:盲孔 120:底表面 131:側壁 140:凹陷部分 141:頂表面周長 142:底表面周長 143:鳩尾榫形通道 146a:埋頭澆注通孔 146b:埋頭空氣通孔 155:澆注通孔 160:固態金屬結構 165:液態金屬或金屬合金/液體 199:容器 200:建造板 300:建造板 400:雷射 410:光學組件 420:減材起伏特徵 430:固態金屬或金屬合金 500:3D列印裝置 510:建造板裝載平台 520:金屬粉末床 600:3D列印物件 θ:傾斜角度
根據一或多種實施方案，參考以下附圖詳細描述本發明。僅出於説明之目的提供附圖且僅描繪實例實施方案。此外，應當注意，為清楚及便於説明，圖中之元件未必按比例繪製。
本文包含之一些圖自不同視角繪示所揭示技術之各種實施方案。儘管隨附之描述性文本可將此類視圖稱為「俯視圖」、「仰視圖」或「側視圖」，除非另有明確説明，否則此類引用僅是描述性的，並不暗示或要求在特定空間方向上實施或使用所揭示之技術。
圖1A展示根據本發明之一些實施方案之建造板之俯視圖，該建造板包含用於在3D列印期間防止在3D列印之前在建造板中形成之固態金屬列印結構之升起之鎖固機構。
圖1B展示圖1A之建造板之仰視圖。
圖1C展示圖1A之建造板之橫截面側視圖。
圖1D展示在建造板中形成固態金屬列印結構之後圖1A之建造板之橫截面側視圖。
圖1E繪示根據本發明之一些實施方案之3D金屬列印程序，其包含使用金屬粉末床及雷射之3D金屬列印裝置以在圖1D之建造板上形成3D列印物件。
圖1F展示根據本發明之一些實施方案之總成，該總成包含在完成3D列印之後以冶金方式接合到建造板上之金屬3D列印物件。
圖2A展示根據本發明之一些實施方案之另一建造板之橫截面視圖，該建造板包含用於在3D列印期間防止在3D列印之前在建造板中形成之固態金屬列印結構之升起之鎖固機構。
圖2B展示在建造板中形成固態金屬列印結構之後圖2A之建造板之橫截面視圖。
圖3展示根據本發明之一些實施方案之另一建造板之俯視透視圖，該建造板包含用於在3D列印期間防止在3D列印之前在建造板中形成之固態金屬列印結構之升起之鎖固機構。
圖4A展示根據本發明之一些實施方案之可形成在建造板之凹陷部分之底表面或側表面上之正起伏特徵及減材起伏特徵之組合之示例之橫截面視圖。
圖4B展示在凹陷部分填充有固態金屬或金屬合金之後圖4A之起伏特徵。
附圖不是詳盡的且不將本發明限制為所揭示之精確形式。
100:建造板
101:孔
105:蓋
115:空氣通孔
116:盲孔
120:底表面
131:側壁
140:凹陷部分
155:澆注通孔
165:液態金屬或金屬合金/液體
199:容器

Claims (20)

  1. 一種增材製造建造板，其包括主體，該主體具有透過該主體之第一表面形成之凹陷部分，該凹陷部分包含該主體內之底表面及延伸至該底表面之側壁，其中： 該凹陷部分經構形以填充有固態形式的金屬或金屬合金，其提供用於在3D列印裝置中形成3D物件之列印表面；及 該凹陷部分包括鎖固機構，該鎖固機構經構形以防止在該3D列印裝置中之3D列印期間該固態形式之該金屬或金屬合金之升起。
  2. 如請求項1之增材製造建造板，其中： 該鎖固機構包括該等側壁；且 該等側壁之至少一者呈角度，使得該凹陷部分之該底表面之周長大於該凹陷部分之頂部之周長。
  3. 如請求項2之增材製造建造板，其中該等側壁之至少一者相對於該凹陷部分之該底表面之垂線呈5度至45度之角度。
  4. 如請求項1之增材製造建造板，其中該鎖固機構包括透過該凹陷部分之該底表面形成至該主體之與該第一表面相對之第二表面之通孔，該通孔具有在該主體之該第二表面處比在該凹陷部分之該底表面處更大之開口。
  5. 如請求項4之增材製造建造板，其中該通孔自該主體之該第二表面到該凹陷部分之該底表面逐漸變細。
  6. 如請求項5之增材製造建造板，其中該通孔相對於該凹陷部分之該底表面之垂線呈5度至45度之角度逐漸變細。
  7. 如請求項4之增材製造建造板，其中該通孔係鏜孔或埋頭孔。
  8. 如請求項4之增材製造建造板，其中該通孔係澆注通孔，其用於用固化成該固態形式之液態形式之該金屬或金屬合金填充該凹陷部分。
  9. 如請求項4之增材製造建造板，其中該通孔係氣孔，其經構形以釋放由在該凹陷部分中澆注液態形式之該金屬或金屬合金而置換之空氣。
  10. 如請求項1之增材製造建造板，其中該鎖固機構包括一或多個盲孔，該等盲孔透過該凹陷部分之該底表面形成至該建造板之內部，該一或多個盲孔之各者具有在該凹陷部分之該底表面最小之開口。
  11. 如請求項1之增材製造建造板，其中該鎖固機構包括沿該凹陷部分之該等側壁或該底表面之至少一部分延伸之通道。
  12. 如請求項11之增材製造建造板，其中該通道包括多個鳩尾榫。
  13. 如請求項1之增材製造建造板，其中該鎖固機構包括一或多個減材特徵，其部分地或完全地延伸透過該主體朝向該主體之外表面。
  14. 如請求項13之增材製造建造板，其中該鎖固機構進一步包括存在於該凹陷部分中之一或多個增材特徵，該一或多個增材特徵包括一或多個正地形特徵。
  15. 如請求項1之增材製造建造板，其進一步包括該凹陷部分內之該固態形式之該金屬或金屬合金。
  16. 如請求項15之增材製造建造板，其中該金屬或金屬合金具有低於該主體之固相線溫度且低於該3D物件之固相線溫度之固相線溫度。
  17. 一種方法，其包括： 獲得包括主體之增材製造建造板，該主體具有透過該主體之第一表面形成之凹陷部分，該凹陷部分包含該主體內之底表面及延伸至該底表面之側壁；及 在該凹陷部分內形成固態形式之金屬或金屬合金，其具有用於在3D列印裝置中形成3D物件之列印表面，其中該凹陷部分包括鎖固機構，該鎖固機構經構形以防止在該3D列印裝置中之3D列印期間該固態形式之該金屬或金屬合金之升起。
  18. 如請求項17之方法，其中： 形成該固態形式之該金屬或金屬合金包括將固化成該固態形式之液態形式之該金屬或金屬合金澆注到該凹陷部分之澆注通孔中；且 經由該凹陷部分之空氣通孔釋放由該液態形式之該金屬或金屬合金而置換之空氣， 其中： 該固態形式之該金屬或金屬合金延伸到該澆注通孔及該空氣通孔中， 該鎖固機構包括該澆注通孔及該空氣通孔，且 在填充有該固態形式之該金屬或金屬合金之前，該澆注通孔及該空氣通孔各具有在該主體之外表面處比在該凹陷部分之底表面處更大之開口。
  19. 如請求項17之方法，其進一步包括： 在形成該固態形式之該金屬或金屬合金之後，將該增材製造建造板放置在該3D列印裝置中；及 在該列印表面上3D列印該3D物件，其中該金屬或金屬合金之固相線溫度低於該增材製造建造板及該3D物件之固相線溫度，及該鎖固機構防止該固態形式之該金屬或金屬合金至少部分地由3D列印期間該金屬或金屬合金之溫度升高引起之升起。
  20. 一種方法，其包括： 將增材製造建造板放置在3D列印裝置中，該增材製造建造板包括： 主體，該主體具有透過該主體之第一表面形成之凹陷部分，該凹陷部分包含該主體內部之底表面及延伸至該底表面之側壁；及 在該凹陷部分內之固態形式之金屬或金屬合金，其中該固態形式包含用於在該3D列印裝置中形成3D物件之列印表面，該金屬或金屬合金之固相線溫度低於該增材製造建造板及該3D物件之固相線溫度，且該凹陷部分包括鎖固機構；及 在該固態形式之該金屬或金屬合金之該列印表面上3D列印該3D物件，其中在3D列印期間，該鎖固機構防止該固態形式之該金屬或金屬合金至少部分地由該金屬或金屬合金之溫度升高引起之升起。
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