用于通过高温直接激光熔化制造三维金属件的方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种电脑控制的装置和方法，该装置和方法用于通过在目标区域激光熔化金属粉末的一层（多层）的特定区域来制造金属件。该系统包括用于预加热和保持金属粉末的相对高温（如４００℃）的设备，这样可使得以相对低的激光器功率，例如２００ＷＣＯ＃－［２］激光器，结合金属粉末。在该装置中包括了具有刮刀的主要粉末沉积机构和用于次级粉末的沉积系统，这使得粉末被传递到选择熔化的目标区域。通过热传导，金属粉末在散布活塞或目标区域被预加热，且／或通过辐射被置于工作台上的加热板加热。设计了相应的机器结构，如运动系统和加工室，以能够忍受高温环境并在高温环境下运转。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总体上涉及用于直接烧结金属粉末的方法和装置，且更详细地涉及用于在高温环境下以逐层的方式在加工空间平台上直接烧结金属粉末的方法和装置。本专利技术涉及能够制造具有两类材料的复合材料件的方法和装置。
技术介绍
在
技术介绍
中，已经提出了用于通过在基底上沉积多层材料形成三维物体的各种方法。这种分层制造工艺也被公知为固体自由形态制造(solidfree-form fabrication)(SFF)或快速成型(rapid prototyping)(RP)。根据这种方法，能够加工各种材料和材料的组合物，这些材料包括塑料，石蜡，金属，陶瓷等。授予Foderhase等人的美国专利5,252,264描述了用于制造样品件的这类方法和装置的范例。Foderhase等人描述了用于通过在目标区域熔化一层粉末的选定部分制造具有多重粉末活塞的样品件的方法和装置。RP技术已经成功地用于提供各种样品，如视觉上的，功能性的和生产样品。然而，如果单独使用RP技术用于样品的直接制造，具有有限的效果。RP的优点，如在自由形态加工中的灵活性而没有几何限制，短暂的材料加工时间，以及新型混合技术，在减少制造复杂工具的时间上有很大的潜力。在激烈竞争的市场中，RP技术被应用于快速加工(rapid tooling)(RT)以缩短加工准备的引导时间(lead-time)并进一步缩短新产品投入市场的时间。RT技术通常分为间接快速加工或直接快速加工。间接快速加工工艺始于RP工艺制得的模型，然后通过铸造或喷镀对该模型进行两次加工等。在直接加工工艺中，工具由RP机器通过烧结，压焊，固化，沉积等制造，而没有任何中间步骤。在金属粉末成型工艺中，选择性激光烧结(SLS)，直接金属激光烧结(DMLS)和激光造形(laser generating)(LG)或激光工程网格成型(laser engineered net shaping)(LENS)都众所周知。SLS工艺由奥斯汀的DTM公司开发。该系统包括50W、CO2激光设备，供粉盒，激光扫描设备，造型汽缸(build-cylinder)，和粉末进料器。在运转过程中，马达驱动粉末进料器将一定量的粉末在水平面上铺开。供粉盒横穿水平面且将粉末传递到目标区域。在该目标区域，激光束由激光装置产生且由检流器控制的反射镜使之转向。反射镜的旋转由电脑控制，与待制造的物件的横截面相对应。当制造物件的一层时，粉末将被有选择地熔化。一旦一层制造完成，该工艺将重复逐层进行直到将物件制成。在1989年9月5日授予Deckard的美国专利4,863,538；1990年7月3日授予Beaman等人的美国专利4,938,816；1990年7月31日授予Bourell等人的美国专利4,944,817；1998年4月21日公开的PCT出版物WO88/02677；1992年9月15日授予Marcus等人的美国专利5,147,587；1992年10月20日授予Bourell等人的美国专利5,156,697；以及1993年1月26日授予Marcus等人的美国专利5,182,170都描述了上述工艺的详细示范方法和装置；这些专利中的每一个在这里整体引为参考。若干种粉末形式的材料，如聚合物，尼龙和金属，在SLS系统中经常使用。可获得的加工材料是铜聚酰胺(Copper Polyamide)和高速钢。高速钢2.0是聚合物包敷的不锈钢粉末。这种钢能够用于生产用于桥梁或预制注模的工具。在激光烧结中熔化的粘合剂将不锈钢粉末聚合在一起。在高速钢加工中，只有聚合物粘结剂熔化。因为激光的能量，例如为50W，不足够高到将粉末加热到金属的熔点，所以金属不能在烧结过程中被激光熔化。在所有层被扫描后，为第一炉期制备型芯，因为此时被制造的模具型芯是未加工(green)件。在第一炉期的过程中，粘合物分解且钢粉末烧结而在颗粒间形成小颈状部分(或跨接部分)。所形成的型芯具有60％的密度，被称作“棕色”型芯且比未加工件更耐用。该棕色型芯置于坩埚中且经测量的量的青铜与其相邻放置。然后该坩埚置于炉中进行第二炉期。青铜熔化且由于毛细作用而引入棕色型芯中，形成浸润件。所得到的模具型芯因此完全致密化。然而，后处理过程是十分耗时的且包括大量的工作。在1998年中期，DTM引入了铜聚酰胺(PA)，一种铜和塑料的耐热、导热复合物，其能够用来制造对应塑料件的小批量所用的工具。在操作中，铜的金属粉末不会熔化。取而代之的是塑料复合物熔化以粘结粉末。DMLS是由德国慕尼黑的光电系统(Electro Optics Systems)研发的另一种金属激光成型工艺。ESOINTM机器自1995年以后已经被研制和商业化。该机器包括200W CO2激光设备，激光扫描设备，制造平台，以及刮刀组件。该制造工艺与SLS工艺类似。示范方法和装置还在2000年3月28日授予Wilkening等人的美国专利6,042,774中得以描述，其整体在这里引为参考。经常在EOSINT中使用的金属粉末是青铜，镍和磷化铜的混合物。在该粉末中，磷化铜在660℃熔化且作为低温粘结剂。当激光束照在粉末上时，青铜和镍粉末在高温下均质化。磷化铜粉末熔化，且液相渗透到周围的孔洞中，湿润青铜/镍颗粒，并将这些颗粒粘结到一起。烧结后，物件密度大约为该材料理论密度的70％。基于众所周知的激光包层工艺(Hoadley和Drezet，1991)，激光造型(LG)方法在亚琛的Technische Hochschule作为“激光辅助粉末固化法”(LAPS)(Kreutz等人，1995)，在Los Alamos国家实验室作为“直接光线制造法”(DLF)(Lewis，1995)和在Sandia实验室作为“激光工程网格成型法”(LENS)加以研制。在Sandia实验室的LENS中，该系统使用机器人控制的激光熔化金属粉末，以在特定腔室内制造订制物件(custom parts)。该腔室用氩气净化，该气体作为熔化过程中的粉末金属的保护气氛。在该腔室内进行的操作是通过编程的六轴机器人来完成制造特定物件所需的动作。金属粉末通过电缆供给机器人的铰接手臂。与此同时，激光束穿过光纤以传递能量。LG是唯一能够直接制造完全致密化件的RT技术(N.P.Karapatis等人，1998)。然而，所需的激光功率和光束质量通常较高，例如激光功率通常高于lkW。此外，该工艺本身引起可导致物件失效的较高的热应力。因为支承材料的缺乏，几何准确率和物件稳定性难以获得。该物件的几何形状通常限定于十分简单的形状。由于施加了高功率和激光质量，以及用于粉末和激光传递的复杂机构，使得LENS系统比SLS系统更加昂贵(R.Irving，1999)。所有这些系统都证实了通过激光烧结采用金属粉末产生三维物体的尝试。然而，各种问题，如在SLS和EOS系统中制造的物件的低密度，变形，几何形状限制和LENS系统的高成本，均限制了这些系统的实际应用。
技术介绍
的上述讨论包括大量仅通过它们的作者和公开日期获得的参考文献中若干参考文献。后面提供了这些参考文献的书刊目录描述，其中的每一篇在这里整体引为参考。Hoadley，A.和Drezet，J.M.(1991)，“Modelisation thermique de la refusion e本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于制造所期望的三维金属件的方法，包括步骤：将零件制造装置加热到设定的温度；在制造过程中保持设定的温度；沉积粉末到目标表面，所述粉末包括第一和第二材料；精确控制层厚；防止所述粉末在高温环境下从粉末容器中泄漏；以及 烧结与所期望的零件的相关截面区域相对应的所述粉末的被选区域。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：王欣华，王运赣，林国财，傅盈西，黄玉山，陆际焕，程宏斌，于悦峰，张湘琳，唐亚新，陆丽，王选，
申请(专利权)人：新加坡国立大学，精技私人有限公司，
类型：发明
国别省市：SG[新加坡]