增材制造方法和設(shè)備的制造方法
【專利說明】増材制造方法和設(shè)備
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
本申請要求2012年11月I日提交的美國臨時申請61/721，341的權(quán)益，其內(nèi)容通過引用結(jié)合到本文中。
[0002]發(fā)明背景
本發(fā)明總體上涉及適于實施增材制造(AM)過程的方法和設(shè)備，具體地，采用能量束來選擇性熔合粉末材料以生產(chǎn)物體的AM過程。更具體地，本發(fā)明涉及在AM過程中使用脈沖的導向能量束來實現(xiàn)預定的致密化和微觀結(jié)構(gòu)演進的方法和系統(tǒng)。
[0003]AM過程總體上涉及一種或多種材料累積以制備凈形或近凈形(NNS)物體，與減材制造方法相反。雖然“增材制造”為工業(yè)標準術(shù)語(ASTM F2792)，但AM包括以多種名稱已知的各種制造和原型技術(shù)，包括自由成型制造、3D印刷、快速原型/工具加工等。AM技術(shù)能由寬泛的材料制造復雜的組件?？偟膩碚f，可由計算機輔助設(shè)計(CAD)模型制造獨立式物體。一種特別類型的AM過程使用能量束(例如，電子束或電磁輻射，例如激光束)來燒結(jié)或熔融粉末材料，產(chǎn)生其中粉末材料的顆粒結(jié)合在一起的固體三維物體。使用不同的材料系統(tǒng)，例如，工程塑料、熱塑性彈性體、金屬和陶瓷。激光燒結(jié)或熔融為用于快速制造功能原型和工具的著名的AM過程。應(yīng)用包括用于熔模鑄造的圖案、用于注塑和壓鑄的金屬模具和用于砂鑄的模具和芯。制造原型物體以增強在設(shè)計周期期間觀念的交流和測試為AM過程的其它常見的用途。
[0004]激光燒結(jié)為常見的工業(yè)術(shù)語，用于指通過使用激光束來燒結(jié)或熔融細粉末而生產(chǎn)三維(3D)物體。更精確地，燒結(jié)需要在低于粉末材料的熔點的溫度下熔合(聚結(jié))粉末的顆粒，而熔融需要完全熔融粉末的顆粒以形成固體均質(zhì)物料。與激光燒結(jié)或激光熔融相關(guān)的物理過程包括向粉末材料傳熱，隨后燒結(jié)或熔融粉末材料。雖然激光燒結(jié)和熔融過程可應(yīng)用于寬泛的粉末材料，但還未充分理解生產(chǎn)路線的科學和技術(shù)方面，例如，燒結(jié)或熔融速率和在層制造過程期間加工參數(shù)對微觀結(jié)構(gòu)演進的影響。該制造方法伴隨多種模式的熱量、質(zhì)量和動量傳遞以及使得過程非常復雜的化學反應(yīng)。
[0005]激光燒結(jié)/熔融技術(shù)通常需要在基材上在受控量的粉末(通常為金屬)材料上投射激光束，以便在其上形成熔合的顆?；蛉廴诘牟牧系膶?。通過沿著預定的路徑(通常稱為掃描圖案)相對于基材移動激光束，可在基材上在兩個維度上限定層，層的寬度由其中照射粉末材料的激光束的直徑?jīng)Q定。掃描圖案通常包含平行的掃描線，也稱為掃描矢量或影線(hatch line)，并且兩個相鄰的掃描線之間的距離通常稱為影線間距(hatchspacing)，其通常小于激光束的直徑，以便實現(xiàn)充分的重疊，以確保完全燒結(jié)或恪融粉末材料。沿著所有或一部分掃描圖案重復移動激光能夠使材料的其它層沉積，隨后燒結(jié)或熔融，從而制造三維物體。
[0006]在過去，已使用連續(xù)波(CW)激光實施激光燒結(jié)和熔融技術(shù)，通常為在1064 nm下操作的Nd:YAG激光。這可實現(xiàn)特別適于修復應(yīng)用的高材料沉積速率或隨后的機械加工操作可接受的情況，以便得到成品物體。然而，該方法本身不能提供以精密公差和高品質(zhì)表面整飾生產(chǎn)近凈形物體。這些方法面臨的另一個障礙是在最終產(chǎn)品中存在微觀結(jié)構(gòu)缺陷(例如，空隙、雜質(zhì)或包含物)。這樣的缺陷可導致災(zāi)難性失敗。
[0007]鑒于以上，可理解的是，存在與激光燒結(jié)和熔融技術(shù)相關(guān)的某些問題、短處或缺點，并且期望可得到改進的方法和設(shè)備并且能夠以精密公差和/或高品質(zhì)表面整飾生產(chǎn)近凈形物體，和/或在成品物體中在沉積層之間能降低或消除裂紋、包含物和孔。
[0008]發(fā)明概述
本發(fā)明提供了一種適用于AM (增材制造)技術(shù)的方法和設(shè)備，其中使用能量束來選擇性燒結(jié)(熔合)或熔融粉末材料，以生產(chǎn)3D物體。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，制造物體的方法需要在基材上向第一量的粉末材料施加脈沖激光能量，以便在所述基材上將粉末材料的顆粒熔合到第一層中，隨后通過在第一層上向至少第二量的粉末材料施加脈沖激光能量，在第一層上形成至少一個另外的層，以便在第一層上將粉末材料的顆粒熔合到至少一個另外的層中。脈沖激光能量以受控方式施加，使得改變第一和第二量的粉末材料的固化動力學，以促進包含第一層和另外的層的物體的至少一種微觀結(jié)構(gòu)特性。
[0010]本發(fā)明的其它方面包括適于實施包括上述步驟的方法的設(shè)備以及通過包括上述步驟的方法制造的制品。
[0011]本發(fā)明的技術(shù)效果是能夠適當?shù)卣{(diào)節(jié)激光束脈沖，以準確和精確地控制施加于粉末材料的熱量的量，特別是用于實現(xiàn)對由此生產(chǎn)的最終物體的特性精細很多的控制，例如，減少(如果并非不存在)微觀結(jié)構(gòu)缺陷，例如，空隙、雜質(zhì)、包含物，特別是微裂紋和孔結(jié)構(gòu)。不希望局限于任何具體的理論，我們認為脈沖激光能量控制對材料的固化動力學的效果影響通過能量沉積在材料中誘導的暫時的和空間的熱梯度，與熱梯度匹配的所得到的瞬時、局部、溫度-依賴性材料性質(zhì)，和所得到的材料的物理響應(yīng)或微觀結(jié)構(gòu)特性。
[0012]參考以下討論的實施方案來更充分地解釋這些和其它方面。應(yīng)理解的是，總的來說，一個實施方案的特征也可與另一個實施方案的特征組合使用，并且實施方案不旨在限制本發(fā)明的范圍。
[0013]附圖簡述
結(jié)合附圖，在以下詳細說明中描述本發(fā)明的各種示例性實施方案，隨著描述的進行，這些實施方案將變得更加顯而易見，其中:
圖1描述包括本發(fā)明的某些方面的設(shè)備的圖。
[0014]圖2顯示使用恒波技術(shù)(頂部)和脈沖波技術(shù)(中心和底部)生產(chǎn)的物體的橫截面的顯微照片。
[0015]發(fā)明詳述
以下定義適用于本發(fā)明。
[0016]在本上下文中使用的"機械性能"指包括韌性(例如，斷裂韌性)、延展性、抗蠕變性和中間溫度強度。
[0017]術(shù)語〃超合金〃通常旨在包括絡(luò)合的基于鈷或鎳的合金，其包括一種或多種其它元素，例如，錸、鋁、鎢、鉬、鈦和/或鐵。這樣的材料描述于各種參考文獻，包括美國專利6，475，642 ;5，399,313 ;和4，116，723，其通過引用結(jié)合到本文中。
[0018]本文使用的術(shù)語“AM過程”(也稱為“增材制造”方法)指產(chǎn)生可用的三維物體并且包括一次一層地序貫形成物體的形狀的步驟的任何過程。AM過程包括三維印刷(3DP)過程、激光-凈形制造、直接金屬激光燒結(jié)(DMLS)、直接金屬激光熔融(DMLM)、等離子體轉(zhuǎn)移的電弧、自由成型制造等。一種特別類型的AM過程使用能量束，例如，電子束或電磁輻射例如激光束，以燒結(jié)或熔融粉末材料。AM過程通常采用相對昂貴的金屬粉末材料或金屬絲作為原料。3DP過程的一個實例可在2000年3月14日頒布的Sachs的美國專利6，036, 777中找到。
[0019]本發(fā)明總體上涉及AM過程作為制造物體(制品、組件、零件、產(chǎn)品等)的快速方式，其中序貫形成多個薄的單元層，以生產(chǎn)物體。更特別是，鋪設(shè)粉末材料的層并且使用能量束(例如，激光束)照射，使得在每一層內(nèi)粉末材料的顆粒序貫燒結(jié)(熔合)或熔融，使層固化。根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選的方面，采用脈沖-激光增材制造(AM)設(shè)備來產(chǎn)生脈沖激光束和實施能通過在粉末材料的連續(xù)層內(nèi)完全熔融顆粒以形成固體均質(zhì)物料，生產(chǎn)三維物體的激光熔融方法。
[0020]激光燒結(jié)/熔融技術(shù)的詳細描述可在美國專利4，863，538、美國專利5，017，753、美國專利5，076, 869和美國專利4，944，817中找到。使用這種類型的制造過程，通過在床中掃描材料的橫截面，使用激光束來選擇性熔合粉末材料?；谄谕奈矬w的三維描述，掃描這些橫截面。該描述可由各種來源得到，例如，計算機輔助設(shè)計(CAD)文件、掃描數(shù)據(jù)或一些其它來源。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的某些方面，粉末材料可為金屬材料，其非限制性實例包括鋁及其合金、鈦及其合金、鎳及其合金、不銹鋼、鈷-鉻合金、鉭和鈮。生產(chǎn)三維結(jié)構(gòu)的方法可包括在基材上沉積一種或多種前述粉末材料的第一層。沉積粉末材料的至少一個另外的層，隨后對于每一個連續(xù)層，重復激光掃描步驟，直至得到期望的物體。在制造三維結(jié)構(gòu)中，可將粉末材料施用于固體基礎(chǔ)或不施用于固體基礎(chǔ)。以逐層的方式形成制品，直至完成。在本發(fā)明中，對用于本發(fā)明的實施方案的粉末材料的顆粒形狀沒有特別的限制。粉末材料的平均晶粒尺寸優(yōu)選為約10-100 μπι。
[0022]在某些實施方案中，本發(fā)明提供具有高尺寸精度和優(yōu)良的微觀結(jié)構(gòu)特性的鋁產(chǎn)品，例如，其特征為基本不存在微觀結(jié)構(gòu)缺陷，例如空隙、雜質(zhì)、包含物，特別是微裂紋和孔結(jié)構(gòu)，不采用金屬沖壓，即使產(chǎn)品可由認為耐燒結(jié)的基于純鋁和/或鋁合金的粉末材料形成。鋁合金在本文中定義為含有至少50質(zhì)量％的鋁的金屬合金。
[0023]在一個實施方案中，AM過程在惰性氣氛下進行。在另一實施方案