用于增材制造的方法及热结构技术

本公开大体涉及用于在构建物体的处理中运用散热支撑结构的增材制造(AM)的方法，以及在这些AM处理中使用的新型散热支撑结构。该散热支撑结构包括至少一个牺牲结构，至少一个牺牲结构通过未熔融粉末的一部分与物体分离。牺牲结构增加物体的至少一部分的散热速率，使得物体中的热梯度保持低于防止物体变形的指定阈值。

Method and Thermal Structure for Adding Material Manufacturing

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于增材制造的方法及热结构
本公开大体涉及在构建物体的处理中运用支撑结构的用于增材制造(AM)的方法，以及在这些AM处理中使用的新型支撑结构。
技术介绍
与减材制造方法对照，AM处理大体涉及构建一种以上材料以制作净形或近净形(NNS)物体。虽然“增材制造”是行业标准术语(ASTMF2792)，但是AM涵盖了以各种名称已知的各种制造和原型技术，包括自由成形制造、3D打印、快速原型/模制等。AM技术有能力由各种各样材料制造复杂组件。大体上，独立物体可以由计算机辅助设计(CAD)模型制造。特定类型的AM处理使用能量束(例如，电子束或电磁辐射，诸如激光束)来烧结或熔化粉末材料，产生固体三维物体，其中粉末材料的颗粒连结在一起。不同的材料系统被使用，例如工程塑料、热塑性弹性体、金属和陶瓷。激光烧结或熔化是用于快速制造功能性原型和工具的一种值得注意的AM处理。应用包括直接制造复杂工件，用于熔模铸造的图案，用于注塑和压铸的金属模具，以及用于砂铸的模具和芯体。在设计周期期间制造原型物体以增强概念交流和测试是AM处理的其他常见用法。选择性激光烧结、直接激光烧结、选择性激光熔化和直接激光熔化是常见行业术语，用以指代通过使用激光束烧结或熔化精细粉末来生产三维(3D)物体。例如，美国专利号4,863,538和美国专利号5,460,758描述常规激光烧结技术。更准确地，烧结需要在低于粉末材料熔点的温度下熔融(聚结)粉末颗粒，而熔化需要充分熔化粉末颗粒以形成固体均质体。与激光烧结或激光熔化相关的物理处理包括，热量传递到粉末材料，然后烧结或是熔化粉末材料。虽然激光烧结和熔化处理可以应用于广泛的粉末材料，但是，生产途径的科学和技术方面(例如，烧结或熔化速率以及处理参数对层制造处理期间微结构演变的效果)还未被很好地了解。该制造方法伴随有多个模式的热量、质量和动量传递，以及使处理非常复杂的化学反应。图1是示出用于直接金属激光烧结(DMLS)或直接金属激光熔化(DMLM)的示范性常规系统100的横截面视图的示意性示图。装置100通过使用源(诸如激光器120)生成的能量束136烧结或熔化粉末材料(未示出)而以逐层方式构建物体，例如部件122。将要由能量束熔化的粉末由贮存器126供应并使用沿方向134行进的重涂覆机臂116均匀地展开在构建板114上，以将粉末维持在水平118并将延伸到粉末水平118上面的过量粉末材料移除到废物容器128。能量束136在振镜扫描器132的控制下烧结或熔化正在构建的物体的横截面层。降低构建板114，并将另一层粉末展开在构建板和正在构建的物体上面，之后通过激光器120连续熔化/烧结粉末。重复该处理，直到由熔化/烧结的粉末材料完全构建起部件122为止。激光器120可以由包括处理器和储存器的计算机系统控制。计算机系统可以确定针对每一层的扫描图案，并且控制激光器120根据扫描图案照射粉末材料。在完成部件122的制造后，各种后处理过程可以应用于部件122。后处理过程包括，例如通过吹气或抽真空来移除过量粉末。其他后处理过程包括应力消除处理。附加的热、机械和化学后处理过程可以被用于完成部件122。装置100由执行控制程序的计算机控制。例如，装置100包括执行固件的处理器(如，微处理器)、操作系统或在装置100和操作员之间提供接口的其他软件。计算机接收待形成物体的三维模型作为输入。例如，使用计算机辅助设计(CAD)程序生成三维模型。计算机分析该模型并针对模型中的每个物体提出工具路径。操作员可以限定或调整扫描图案的各种参数，诸如功率、速度和间距，但通常不直接编程工具路径。在激光烧结/熔化期间，三维物体的各部分可能以不期望的方式散热。例如，被未熔化粉末围绕的熔化部分可能被未熔化粉末热隔离。这种熔化部分可能不会足够快地冷却和固化。例如，如果在涂覆机116施加新的粉末层前熔化部分不固化，则熔化部分可能被涂覆机116干扰。此外，这种熔化部分可能固化，但保持足够热量以促成三维物体内的大的热梯度，导致部件变形。这种变形可能导致完成的物体不满足几何规格，或者部件在构建处理期间接触涂覆机，进一步使部件变形，损坏涂覆机，和/或扰乱构建处理。鉴于上述情况，可以理解，有着与AM技术相关的问题、短处或缺点，并且如果可以得到用于在AM处理期间控制温度的改进方法及结构，则是期望的。
技术实现思路
以下呈现一个以上方面的简要概述，以便提供对这种方面的基本了解。该概述不是对所有预期方面的广博综述，并且既不旨在标识所有方面的关键或重要元件，也不旨在描绘任何或所有方面的范围。其目的是以简要形式呈现一个以上方面的一些概念，作为稍后呈现的更详细描述的序言。在一个方面，本公开提供一种用于制造物体的方法。该方法包括：(a)用能量束按一系列扫描线照射粉末床中的粉末层以形成熔融区域；(b)通过将重涂覆机臂在粉末床上从粉末床的第一侧传送到粉末床的第二侧，在粉末床上提供后续粉末层；以及(c)重复步骤(a)和(b)，直到在粉末床中形成物体和至少一个支撑结构为止。该至少一个支撑结构包括牺牲结构，牺牲结构通过未熔融粉末的一部分与物体分离。通过牺牲结构的存在增加了从物体的每个横截面区域的散热速率，以将每一层的散热速率维持在物体的散热的规格或控制极限内。通过查看之后的详细描述，将更加充分地了解本专利技术的这些及其他方面。附图说明图1是示出用于增材制造的常规装置的示例的示意性示图。图2图示根据本公开一方面的示例物体和散热支撑件的竖向横截面视图。图3图示根据本公开一方面的图2中的示例物体和另一示例散热支撑件的竖向横截面视图。图4图示根据本公开一方面的另一示例散热支撑件的立体视图。图5图示根据本公开一方面的另一示例散热支撑件的立体视图。图6图示根据本公开一方面的另一示例散热支撑件的立体视图。具体实施方式下面结合附图阐述的详细描述旨在作为各种构造的描述，而不旨在表示可以实践文中所描述的概念的唯一构造。出于提供对各种概念的透彻了解的目的，详细描述包括具体细节。然而，对本领域技术人员而言，显然可以在没有这些具体细节的情况下实践这些概念。在一些实例中，众所周知的组件以框图形式示出，以便避免模糊这种概念。在各种增材制造处理(诸如DMLM和DMLS)期间，来自物体的先前扫描部分的热量可能影响物体的附近部分的扫描。例如，热量可能导致粉末的无意熔化或烧结，其可能造成物体的无意熔融部分或以其他方式变形的物体。如果整个物体(如，202，204和206)被均一地加热(例如在烘箱中，其中温度缓慢上升到某个最终值)，使得在物体内没有形成显著的热梯度，则物体会随着其加热而膨胀，但它会在部件的整个体积上面均一地进行，而体积改变通过材料的热膨胀系数描述。通常，固体趋于在加热时膨胀并在冷却时收缩。在激光增材制造处理中，在所制造的物体内不可避免地产生热梯度。靠近最近焊接或烧结层的材料变得非常热并且想要膨胀，而远离焊接的材料保持在低得多的温度并且不膨胀。这造成热材料中膨胀的热应力与较冷材料的材料强度之间的虚拟拉锯战。如果热应力足以克服材料强度，则部件将变形，造成部件无法满足几何规格或者甚至破裂。由于该处理中的热梯度是不可避免的，所以挑战在于控制热梯度，使得热应力不超过材料的强度并造成完成的部件变形或破裂。引起这种变形所要求的热梯度将本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于制造物体的方法，其特征在于，包含：(a)用能量束按一系列扫描线照射粉末床中的粉末层以形成熔融区域；(b)通过将重涂覆机臂在所述粉末床上从所述粉末床的第一侧传送到所述粉末床的第二侧，在所述粉末床上提供后续粉末层；以及(c)重复步骤(a)和(b)，直到在所述粉末床中形成所述物体和至少一个支撑结构为止，其中，所述至少一个支撑结构包括牺牲结构，所述牺牲结构通过未熔化粉末的一部分与所述物体分离，并且其中，通过所述牺牲结构的存在来增加从所述物体的每个横截面面积散热的速率以维持每个横截面的散热速率，使得所述物体中的热梯度保持低于防止所述物体变形的指定阈值。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.10.26 US 15/335,1161.一种用于制造物体的方法，其特征在于，包含：(a)用能量束按一系列扫描线照射粉末床中的粉末层以形成熔融区域；(b)通过将重涂覆机臂在所述粉末床上从所述粉末床的第一侧传送到所述粉末床的第二侧，在所述粉末床上提供后续粉末层；以及(c)重复步骤(a)和(b)，直到在所述粉末床中形成所述物体和至少一个支撑结构为止，其中，所述至少一个支撑结构包括牺牲结构，所述牺牲结构通过未熔化粉末的一部分与所述物体分离，并且其中，通过所述牺牲结构的存在来增加从所述物体的每个横截面面积散热的速率以维持每个横截面的散热速率，使得所述物体中的热梯度保持低于防止所述物体变形的指定阈值。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包含，基于所述物体的构建处理的热模型，确定从所述物体的所述横截面面积散热的速率。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，其中，所述物体的所述热模型基于所述物体在层中的水平横截面和在一个以上的在前层中的所述熔融区域。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包含，使用高温计或热成像摄像头测量所述物体的温度。5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，进一步包含，基于所测量的所述温度，动态地调整所述牺牲结构的尺寸。6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中，所述牺牲结构的质量比所述物体的质量大。7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中，所述牺牲结构在每一层中的所述熔融区域与所述粉末床的总面积之间维持实质上恒定的比值。8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：斯科特·艾伦·戈尔德，扎卡里·大卫·菲尔德曼，丹尼尔·乔尔格，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：美国,US