使用移动式构建空间的增材制造制造技术

本公开大体涉及大尺度形式的增材制造系统及方法。一个方面涉及到一种构建单元，构建单元可以通过定位系统在三个维度上到处移动，构建大型物体的分离部分。构建单元具有将例如激光或电子束照射引导到粉末层上的能量引导设备。在激光照射的情况下，构建空间可以具有气流设备，气流设备向粉末层上面的层流流动区提供层流的气体流。这允许有效去除因照射粉末而产出的烟、冷凝物和其他杂质(“气体羽流”)，而不过多干扰粉末层。构建单元还可以具有重涂覆机，重涂覆机允许其选择性地将特定数量的粉末沉积在工作表面上的具体位置，以构建大型、高质量、高精度物体。

Additive manufacturing using mobile construction space

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用移动式构建空间的增材制造
本公开大体涉及一种适配成例如通过直接熔化激光制造(“DMLM”)来以较大尺度形式执行增材制造(“AM”)处理的方法及系统。相关申请的交叉引用同时参考提交的以下相关申请，其整体以引用的方式并入文中：美国专利申请号[]，名称为“使用移动式扫描区域的增材制造(AdditiveManufacturingUsingaMobileScanArea)”，代理案卷号为037216.00060，于2017年1月13日提交。美国专利申请号[]，名称为“使用动态生长壁的增材制造(AdditiveManufacturingUsingaDynamicallyGrownWall)”，代理案卷号为037216.00061，于2017年1月13日提交。美国专利申请号[]，名称为“使用选择性重涂覆机的增材制造(AdditiveManufacturingUsingaSelectiveRecoater)”，代理案卷号为037216.00062，于2017年1月13日提交。美国专利申请号[]，名称为“大尺度增材机器(LargeScaleAdditiveMachine)”，代理案卷号为037216.00071，于2017年1月13日提交。
技术介绍
德国专利号DE19649865中提供了典型的激光粉末床融合处理的描述，专利整体以引用的方式并入文中。与减材制造方法对比，AM处理大体涉及到一个以上材料的堆积，以制作净形或近净形(NNS)物体。尽管“增材制造”是行业标准术语(ASTMF2792)，但是，AM囊括以各种名称已知的各种制造和成型技术，包括自由成形制备、3D打印、快速成型/模具等。AM技术能够由各种材料制备复杂部件。通常，独立物体可以由计算机辅助设计(CAD)模型制备。特定类型的AM处理使用照射发射引导设备，照射发射引导设备引导能量束，例如电子束或激光束，以烧结或熔化粉末材料，生成固态三维物体，其中粉末材料的颗粒结合在一起。使用不同的材料系统，例如工程塑料、热塑性弹性体、金属和陶瓷。激光烧结或熔化是一种值得注意的AM处理，用于快速制造功能原型和工具。应用包括复杂工件的直接制造，用于熔模铸造的型样，用于注塑和压铸的金属模具，以及用于砂铸的模具和型芯。在设计周期期间制造原型物体以增强概念通信和测试是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的行业术语，用以指代通过使用激光束烧结或熔化细粉末来生产三维(3D)物体。例如，通过引用的方式并入文中的美国专利号4,863,538和美国专利号5,460,758描述常规的激光烧结技术。更准确地说，烧结需要在低于粉末材料熔点的温度下融合(聚结)粉末颗粒，而熔化需要使粉末的颗粒充分熔化以形成固态均质物质。与激光烧结或激光熔化关联的物理处理包括向粉末材料热传递然后烧结或者熔化粉末材料。尽管激光烧结和熔化处理可以应用于宽泛范围的粉末材料，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层制造处理期间处理参数对微观结构演变的影响)还未很好地了解。该制造方法伴随着诸多热、质量和动量传递模式，以及使得该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通过使用由源120产生的能量束136烧结或熔化粉末材料(未示出)以逐层方式构建物体(例如，零件122)，源120例如可以是用于生产激光束的激光器，或者，当电流流过它时发出电子的灯丝。要由能量束熔化的粉末通过贮存器126供应并且使用重涂覆机臂116在方向134上行进而均匀地铺展在粉末床112上，以将粉末维持在水平118并且将在粉末水平118上面延伸的多余粉末材料去除到废物容器128。在照射发射引导设备，诸如振镜扫描器132的控制之下，能量束136烧结或熔化正在构建的物体的横截面层。振镜扫描器132例如可以包含多个可移动反射镜或扫描透镜。扫描激光的速度是至关重要的可控处理参数，其影响激光功率施加到特定斑点多长时间。典型的激光扫描速度在每秒10到100毫米的量级上。降低构建平台114，并且将另一粉末层铺展在粉末床和正在构建的物体上，随后通过激光器120连续熔化/烧结粉末。典型地，粉末层例如是10到100微米。重复该处理，直到零件122完全由熔化/烧结的粉末材料构建起为止。激光器120可以通过包括处理器和存储器的计算机系统控制。计算机系统可以针对每个层确定扫描图案，并且根据扫描图案控制激光器120照射粉末材料。在完成零件122的制造之后，各种后处理流程可以应用于零件122。后处理流程包括通过例如吹气或抽真空来去除多余粉末。其他后处理流程包括应力释放处理。此外，可以使用热学和化学后处理流程来完成零件122。图2示出在常规粉末床202中构建的物体201的侧视图，常规粉末床202例如可以是通过图1的元件112图示的粉末床。然后随着构建平台114降低并且构建起连续的粉末层，物体201形成在床202中。粉末床202的壁203限定制作零件所需要的粉末的量。在这类装置中，在构建环境内的粉末的重量是对正在构建的零件的尺寸的一个限制。制作大型零件所需要的粉末的量可能超过构建平台114的限制，或者使之难以通过在正在构建的物体中制作高度均匀的添加层所需要的精密步骤来控制构建平台的降低。在常规粉末床系统中，诸如图1所示，当构建大到足以占据粉末床118的大部分时，能量束136必须扫描相对大的角度θ1。这是因为随着物体的横截面面积增加，角度θ1必须增加。大体上，当制作这些较大零件时，角度θ1在零件的周边处变大。然后，激光和粉末床之间的接触点处的能量密度随零件而变化。相对于当激光垂向于粉末床时所得到的，能量密度的这些差异以大角度影响熔池。这些熔池差异可能导致正在构建的零件的这些区域中的缺陷和精确性的损失。这些缺陷可能导致期望零件上的表面光洁度较差。伴随现有技术方法及系统出现的另一问题涉及到冷却粉末状材料层，以及去除通过照射粉末产生的烟、冷凝物及其他杂质(有时称作“气体羽流”)，这可能污染物体并且遮住能量束的视线。快速冷却和凝固层以避免形成变形或其他缺陷也很重要。对于大型物体，即，在xy平面(对于常规粉末床系统，粉末床的平面)中具有400到450mm的最大尺寸的物体，很难提供一致的层流气流以及有效去除不想要的气体、颗粒物、冷凝物及其他不希望的杂质和污染物。现有技术系统及方法中出现的另一问题是需要精细地控制沉积的粉末的数量和位置，以避免浪费粉末，同时也避免粉末与不希望的材料接触。现有技术方法及系统使用吹气、滑动或螺旋机构沉积粉末。这些机构运用可能发生故障或者可能由于污染问题而不适合与粉末接触的材料制作的诸多移动零件。例如，Cersten等人的EP2191922和EP2202016论述一种粉末施加装置，粉末施加装置使用具有凹部的旋转传送器轴来分配粉末，凹部用于保持分离的、离散量的粉末。这些系统遇到的一个问题是粉末污染和装置失效的风险增加。克服常规粉末床系统的限制的其他尝试都未能解决与这些机器的尺度扩大关联的问题。在一些情况下，提供大尺寸系统的尝试在由粉末生成激光融合零件时引入额外的问题和挑战。现有系统未能提供均本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种增材制造装置，其特征在于，包含：激光照射引导设备；构建单元，所述构建单元包含具有层流流动区的气流设备，所述气流设备适配成在工作表面的两英寸内并且实质上平行于所述工作表面提供实质上层流的气体流，并且所述激光照射引导设备在所述装置的操作期间引导激光束穿过所述层流流动区；以及定位系统，所述定位系统适配成在至少两个维度上提供所述构建单元的独立移动，所述至少两个维度实质上平行于所述工作表面。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2017.01.13 US 15/406,4671.一种增材制造装置，其特征在于，包含：激光照射引导设备；构建单元，所述构建单元包含具有层流流动区的气流设备，所述气流设备适配成在工作表面的两英寸内并且实质上平行于所述工作表面提供实质上层流的气体流，并且所述激光照射引导设备在所述装置的操作期间引导激光束穿过所述层流流动区；以及定位系统，所述定位系统适配成在至少两个维度上提供所述构建单元的独立移动，所述至少两个维度实质上平行于所述工作表面。2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，其中，所述定位系统适配成在至少三个维度上提供所述构建单元的独立移动。3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，其中，所述气流设备适配成在所述构建单元下面的区域中在所述工作表面周围提供低氧环境。4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，其中，所述构建单元在所述层流流动区上方包括氧气减少区。5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，进一步包含容纳区，所述容纳区至少围绕所述构建单元和定位系统。6.如权利要求3所述的装置，其特征在于，其中，所述激光照射引导设备在所述构建单元内。7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，其中，光纤电缆从激光器延伸到所述构建单元。8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，其中，所述定位系统允许所述构建单元在实质上平行于所述工作表面的两个维度上旋转。9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，其中，所述构建单元进一步包含粉末递送单元和重涂覆机臂。10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，其中，所述激光照射引导设备在所述构建单元内。11.一种用于由粉末制作物体的方法，其特征在于，包含：(a)在工作表面的构建区域上移动构建单...

【专利技术属性】
技术研发人员：麦肯齐·赖安·雷丁，扎迦利·大卫·费尔德曼，贾斯汀·曼拉克，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：美国,US