用於添加式製造的方法及可斷裂支撐與流程
2023-09-18 08:48:40 4
本公開一般涉及在構建對象的過程中利用支撐結構的用於添加式製造（am）的方法以及將在這些am過程內使用的新型支撐結構。
背景技術：
與刪減式製造方法形成對照，am過程一般涉及將一個或更多材料積聚（buildup）以製作淨成形或近淨成形（nns）對象。雖然「添加式製造」是行業標準術語（astmf2792），但am包含以包括自由成形製作、3d列印、快速原型製作/工具作業等的各種名稱已知的各種製造及原型製作技術。am技術能夠由多種多樣的材料製作複雜的構件。一般，能夠由計算機輔助設計（cad）模型製作獨立式對象。特定的類型的am過程使用能量束，例如，電子束或諸如雷射束之類的電磁輻射，以燒結或熔融粉末材料，從而創建固體三維對象，在該對象中，粉末材料的顆粒粘結在一起。使用不同的材料體系，例如工程塑料、熱塑性彈性體、金屬以及陶瓷。雷射燒結或熔融是值得注意的用於快速製作功能原型和工具的am過程。應用包括複雜的工件、用於熔模鑄造的圖案、用於注射模塑和壓鑄的金屬模具以及用於砂型鑄造的模具和型芯的直接製造。在設計周期的期間製作原型對象以增強概念的交流和試驗的方案是am過程的其它常見的用法。
選擇性的雷射燒結、直接雷射燒結、選擇性的雷射熔融以及直接雷射熔融是用於指通過將雷射束用於燒結或熔融微細的粉末而生產三維（3d）對象的常見的行業術語。例如，美國專利號4863538和美國專利號5460758描述常規雷射燒結技術。更準確的是，燒結使在低於粉末材料的熔融點的溫度下使粉末的顆粒熔合（凝聚）成為必要，然而，熔融使充分地熔融粉末的顆粒以形成固體均質體成為必要。與雷射燒結或雷射熔融相關聯的物理過程包括熱傳遞至粉末材料，且然後燒結或熔融粉末材料。雖然雷射燒結及熔融過程能夠應用於大範圍的粉末材料，但未充分地理解生產流程的科學及技術方面，例如，燒結或熔融速率和處理參數對層製造過程的期間的顯微結構演化的影響。該製作方法伴有多種模式的熱量、質量和動量傳遞以及化學反應，這導致過程非常複雜。
圖1是示出用於直接金屬雷射燒結（dmls）或直接金屬雷射熔融（dmlm）的示範性的常規系統100的截面圖的示意圖。設備100通過使用諸如雷射器120之類的源所生成的能量束136來燒結或熔融粉末材料（未示出），從而以逐層的方式構建對象，例如部分122。將通過能量束而熔融的粉末由儲存器126供給，並且，使用沿方向134行進的再塗敷器臂（recoaterarm）116來均勻地散布於構建板114上，從而將粉末維持在水平118，並且，將在粉末水平118的上方延伸的過量粉末材料移除至廢物容器128。在檢流計掃描器132的控制之下，能量束136燒結或熔融正在構建的對象的截面層。使構建板114下降，並且，使另一層粉末散布於構建板和正在構建的對象上，接下來通過雷射器120而連續熔融/燒結粉末。重複該過程，直到部分122完全地由熔融/燒結後的粉末材料而積聚。可以由包括處理器和存儲器的計算機系統控制雷射器120。計算機系統可以針對各層而確定掃描圖案，並且，根據掃描圖案而控制雷射器120來照射粉末材料。在完成部分122的製作之後，可以將各種後處理程序應用於部分122。後處理程序包括通過例如吹氣或真空處理而移除通路粉末。其它後處理程序包括應力釋放過程。另外，熱及化學後處理程序能夠用於對部分122進行精加工。
在雷射燒結/熔融過程的期間，由於在構建對象時再塗敷另外的多層粉末，因而三維對象受到大量的應力。本發明的發明人已發現，例如空心結構之類的某些am結構傾向於經歷變形。在某些情況下，變形可能與再塗敷器臂在它移動經過正在構建的對象時的移動有關。鑑於上文，能夠意識到，存在與am技術相關聯的問題、缺陷或缺點，並且，如果可獲得改進的支撐對象的方法和支撐結構，則將是理想的。
技術實現要素：
下文提出一個或更多方面的簡化概要，以便提供對此類方面的基本理解。本概要不是對所有的預期的方面的廣泛的綜述，並且，旨在既不識別所有的方面的核心或關鍵要素，也不描繪任何方面或所有的方面的範圍。其目的是，以簡化的形式提出一個或更多方面的一些概念，以作為稍後提出的更詳細的描述的序言。
在一個方面中，本公開提供一種用於在粉末床中製作對象的方法，包含以下步驟：（a）照射粉末床中的粉末的層，以形成熔合的區域；（b）通過使再塗敷器臂從粉末床的第一側在粉末床上經過，在粉末床上提供粉末的後續層；以及（c）重複步驟（a）和（b），直到在粉末床中形成對象和至少一個支撐結構，其中支撐結構包含弱化（weakened）部位，並且對象包含出口；以及（d）使可移除的支撐結構在弱化部位斷裂成至少兩個部分。
本發明的這些及其它方面在回顧隨後的詳細描述時，將變得更充分地被理解。
本公開由此提供以下技術方案：
1．一種用於在粉末床中製作對象的方法，包含以下步驟：
（a）照射所述粉末床（112）中的粉末的層，以形成熔合的區域；
（b）通過使再塗敷器臂（116）從所述粉末床的第一側在所述粉末床上經過，在所述粉末床上提供粉末的後續層；
（c）重複步驟（a）和（b），直到在所述粉末床中形成所述對象（200）和至少一個支撐結構（210），其中所述支撐結構包含弱化部位（216），並且所述對象包含出口（206）；以及
（d）使所述可移除的支撐結構在所述弱化部位斷裂成至少兩個部分。
2．如技術方案1所述的方法，其中，所述弱化部位包含缺口（220）。
3．如技術方案2所述的方法，其中，所述弱化部位包含與所述缺口對準的穿孔（218）。
4．如技術方案3所述的方法，其中，所述穿孔從所述支撐結構的第一端部延伸至相對的第二端部。
5．如技術方案1所述的方法，其中，所形成的對象包含出口。
6．如技術方案5所述的方法，其中，在經由所述弱化部位而使所述支撐結構斷裂之後，所述支撐結構能夠穿過所述出口。
7．如技術方案5所述的方法，其中，在經由所述弱化部位而使所述支撐結構斷裂之前，所述支撐結構不能夠穿過所述出口。
8．如技術方案1所述的方法，進一步包含：
（e）將所述支撐結構的所述兩個部分中的至少一個從所述對象通過使該部分穿過所述對象的所述出口而移除。
9．如技術方案1所述的方法，其中：
所述對象包含具有第一直徑的第一部位和具有第二直徑的第二部位，
所述支撐結構有具有第一寬度的第一部位和具有第二寬度的第二部位，並且
所述支撐結構的所述第一寬度大於所述對象的所述第二直徑。
10．如技術方案9所述的方法，其中，所述第一寬度的一半比所述第二直徑更小。
11．如技術方案9所述的方法，其中：
所述出口被設置於所述對象的所述第二部位的端部，並且
所述開口具有與所述第二直徑相等的直徑。
12．如技術方案9所述的方法，其中：
所述對象的具有所述第一直徑的所述第一部位圍繞所述支撐結構的具有所述第一寬度的所述第一部位，並且
所述對象的具有所述第二直徑的所述第二部位圍繞所述支撐結構的具有所述第二寬度的所述第二部位。
13．如技術方案1所述的方法，其中，所述對象為空心的。
附圖說明
圖1是示出用於添加式製造的常規設備的示例示意圖。
圖2圖示由根據本發明的方面的支撐結構支撐的對象的示例的透視圖。
圖3圖示根據本發明的方面的對象透明的狀態下的圖2的示例對象和支撐結構的透視圖。
圖4圖示根據本發明的方面的圖2的示例支撐結構的正視圖。
圖5圖示根據本發明的方面的圖2的示例支撐結構的使支撐結構斷裂之後的正視圖。
圖6圖示根據本發明的方面的圖2的示例支撐結構的部位在斷裂且從圖2的示例對象被部分移除之後的透視圖。
具體實施方式
在下文中結合附圖而闡述的詳細描述旨在作為對各種配置的描述，而不旨在表示可以實踐本文中所描述的概念的唯一的配置。出於提供對各種概念的透徹理解的目的，該詳細描述包括具體細節。然而，將對本領域技術人員顯而易見，可以不利用這些具體細節就實踐這些概念。
圖2和圖3圖示圍繞示例支撐結構210的示例對象200。圖3透明地示出對象200，以便對象200內的支撐結構210是可見的。圖4示出支撐結構210的正視圖，為了清楚起見而省略對象200。可以根據am過程而製造支撐結構210和對象200。例如，可以使用圖1的設備100和上述的方法。在這種am過程中，通過在形成對象200的區域中選擇性地燒結或熔融粉末區，從而逐層構建對象200。通過在支撐結構210的位置熔融或燒結另外的粉末區域，從而與對象200同時地構建支撐結構210。圖2和圖3中的箭頭205表示在對象的構建的各階段，再塗敷器臂在它提供新的一層粉末時的方向。優選的是，支撐結構210沿著再塗敷器臂的方向位於對象200內。
一完成am過程，就將支撐結構210從對象200移除。在一個方面中，將支撐結構210與對象一起附接至構建板，並且，可以將支撐結構210從構建板拆卸而丟棄。可以不將支撐結構210作為粉末床內的獨立的對象而附接至構建板，就備選地形成支撐結構210。另外，支撐結構可以包括與對象200的附接點，一旦完成am過程，就可以容易地使該附接點斷開。這可以通過提供斷開式結構-將對象200和支撐結構210聯接的一小片金屬來完成。斷開式結構還可以類似於具有將對象200和支撐結構210聯接的若干個金屬部位的穿孔。
可以一將對象從粉末床移除，就立即將支撐結構210從對象200移除，或在將對象從粉末床移除的期間，將支撐結構210從對象200移除。備選的是，可以在後處置步驟中的任一個之後，將支撐結構移除。例如，對象200和支撐結構210可以受到後退火處置和/或化學處置，且因而隨後從對象200和/或構建板移除。如將在下文中更詳細地討論的，作為移除過程的部分，可以使支撐結構210斷裂成多塊（例如，2個或更多）。
本發明的發明人已發現，支撐結構210在形成具有諸如球形形狀之類的空心內部空間的對象200中是特別地理想的。在圖2至圖6中所圖示的示例方面，對象200可以包括較寬的第一部位202，第一部位202過渡成較窄的第二部位204。例如，如圖2中所圖示的，較寬的第一部位202可以是具有第一直徑的球形形狀的部位，並且，較窄的第二部位204可以是具有第二直徑的圓柱形部位，其中，第一直徑大於第二直徑。對象200的第一部位202和第二部位204中的每個可以為空心的（圖3）。由於對象200可以為空心的，因而作為對象製造過程的部分，可以在內部沿著再塗敷器方向使用支撐結構210來支撐對象200。對象210可以進一步包括出口206。出口206可以定位於對象200的第二部位204的端部。
如圖3中所圖示的，支撐結構210可以具有全等的幾何結構，以與對象200的內側形狀匹配。例如，支撐結構210可以包括第一部位212，第一部位212配合於對象200的第一部位202的內側表面內且與該內側表面接觸，並且，支撐結構210可以包括第二部位214，第二部位214配合於對象200的部位204的內側表面內且與該內側表面接觸。如圖3中所圖示的，支撐結構210的第一部位212和第二部位214不需要覆蓋對象200的第一部位202和第二部位204的整個內側表面。例如，支撐結構210的第一部位212可以具有圓盤形狀，而不是球形狀。第一部位212可以具有與對象200的第一部位202的直徑近似相等的寬度。然而，第一部位212的厚度可以比對象200的第一部位202的直徑更小許多倍。例如，對象200的第一部位202的直徑與支撐結構210的第一部位212的厚度的比可以為50:1至5:1、40:1至10:1或30:1至20:1。可以使用足以在內部支撐對象200的空心的第一部位202的支撐結構210的第一部位212的任何尺寸。關於支撐結構210的第二部位214，可以具有薄的矩形形狀，而不是圓柱形形狀。矩形形狀可以具有與對象200的第二部位204的直徑近似相等的寬度。然而，支撐結構210的第二部位214的厚度可以比對象200的第二部位204的直徑更小許多倍。例如，對象200的第一部位202的直徑與支撐結構210的第二部位214的厚度的比可以為50:1至5:1、40:1至10:1或30:1至20:1。可以使用足以在內部支撐對象200的空心的第二部位204的支撐結構210的第二部位214的任何尺寸。這同樣可應用於支撐結構210的第二部位214。
支撐結構210可以進一步包括弱化部位216。如圖3和圖4中所圖示的，弱化部位可以包括缺口220和穿孔218。缺口220可以設置於支撐結構210的第二部位214的外周處。術語缺口旨在包括結構的邊界中的充當斷裂和/或撕裂的起始點的任何中斷。因而，術語缺口包括刻痕、狹縫、狹槽、裂縫、砍痕、切口、分界線等。在形狀上，缺口可以為三角形。如圖4中所示出的，三角形缺口可以如此取向，以致於缺口的點直接地指向支撐結構210的第二部位214。具有此類取向的三角形缺口允許操作人員在三角形缺口的頂點處容易地開啟斷裂/撕裂線。然而，能夠使用任何形狀的缺口或其等效物這一狀況屬於本發明的範圍內。例如，缺口可以是能夠將斷裂/撕裂線引入支撐結構210中的狹縫或任何其它形狀。一般，缺口大至足以允許操作人員通過將斷裂/撕裂力施加於缺口處而開啟斷裂/撕裂線。穿孔218可以起始於缺口220的頂點，並且，沿著支撐結構210的整個高度/長度一直延伸，終止於支撐結構210的第一部位212的端部。穿孔218可以包括用於促進穿過支撐結構210的斷裂/撕裂線的穿孔線、劃線、部分劃線、不連續的切割線或任何其它一系列的孔、變形部、凹痕、凹陷或減小的厚度的點。
如圖3中所圖示的，由於支撐結構210的幾何結構和對象200的幾何結構，且更具體地由於支撐結構210的第一部位212的幾何結構具有比支撐結構210、對象200的第二部位204的直徑更大的寬度，因而不可能將整個支撐結構210直接地向下穿過開口206而移除。例如，如果人們嘗試不使支撐結構210斷裂/撕裂，就將支撐結構210向下穿過出口206而拉動，則支撐結構210的第一部位212將防止移動。然而，通過經由弱化部位216而使支撐結構210斷裂成更小的兩塊（圖5），從而然後，操作人員能夠通過出口206而一次移除一塊。圖5示出沿著穿孔218分裂的支撐結構210。圖6示出在使支撐結構210斷裂之後通過出口206而移除的支撐結構210的一半。
雖然圖2-6示出示例幾何結構，其中，在使支撐結構斷裂之後，支撐結構可以穿過對象的出口，但可以選擇支撐結構和對象的任何種類的幾何結構。一般，支撐結構和對象將具有全等的幾何結構。此外，雖然圖2-6示出用於使支撐結構斷裂成兩塊的單個缺口和單個穿孔線，但可以實現任意數量的缺口（例如，2、3、4、5等）及對應的穿孔，以使支撐結構斷裂成多塊。支撐結構210給對象提供機械支撐，以防止由於應力或再塗敷器接觸而導致的畸變。
雖然未圖示，但支撐結構210可以進一步包括與對象200整體地連接的一個或更多連接肋（rib）。連接肋將從支撐結構的表面延伸至對象200的內表面。連接肋可以沿著支撐結構210的高度遞增地形成。連接肋可以在期望時形成允許將支撐結構210從對象200移除的斷開式結構。
在變得有必要將支撐結構210從對象200移除時，在存在連接肋時，操作人員可以施加力，以使支撐結構斷開。可以通過諸如扭轉、斷裂、切削、磨削、銼削或拋光之類的機械程序而移除支撐結構。另外，熱及化學後處理程序可以用於精加工對象。當在製造的期間已將粉末放置於對象與支撐結構之間時，能夠僅僅通過例如吹氣而移除粉末。然後，操作人員可以進一步經由缺口220而施加撕裂或斷裂力，以沿著穿孔218賦予斷裂或撕裂。力的施加可以應用於導致支撐結構210一直沿著穿孔218（圖5）撕裂/斷裂。一旦斷裂成塊，然後，操作人員就可以通過對象200的出口206而一次移除一塊（圖6）。
雖然已提供支撐結構和對象的若干個示例，但應當顯而易見，可以根據本公開而構建其它對象。例如，具有高的縱橫比和厚壁的任何對象可以由所公開的支撐結構中的一個或更多支撐。在一方面中，所公開的支撐結構用於製造飛機的部分。例如，可以使用本文中所公開的支撐結構來製造與美國專利號9188341中所公開的燃料噴嘴類似的燃料噴嘴。
在一方面中，上述的多個支撐可以組合而用於支持對象的製作、防止對象的移動且/或控制對象的熱性質。即，使用添加式製造來製作對象可以包括使用以下的一個或更多：臺架（scaffolding）、栓緊式支撐、斷開式支撐、橫向支撐、共形支撐、連接支撐、圍繞式支撐、鍵槽支撐、可斷裂支撐、前緣支撐或粉末移除口。下文的專利申請包括這些支撐及其使用方法的公開：
美國專利申請號[]，名稱為「methodandconformalsupportsforadditivemanufacturing」，帶有代理人案卷號037216.00008，並且被提交於2016年2月11日；
美國專利申請號[]，名稱為「methodandconnectingsupportsforadditivemanufacturing」，帶有代理人案卷號037216.00009，並且被提交於2016年2月11日；
美國專利申請號[]，名稱為「methodsandsurroundingsupportsforadditivemanufacturing」，帶有代理人案卷號037216.00010，並且被提交於2016年2月11日；
美國專利申請號[]，名稱為「methodsandkeywaysupportsforadditivemanufacturing」，帶有代理人案卷號037216.00011，並且被提交於2016年2月11日；
美國專利申請號[]，名稱為「methodsandleadingedgesupportsforadditivemanufacturing」，帶有代理人案卷號037216.00014，並且被提交於2016年2月11日；以及
美國專利申請號[]，名稱為「methodandsupportswithpowderremovalportsforadditivemanufacturing」，帶有代理人案卷號037216.00015，並且被提交於2016年2月11日。
這些申請中的每個申請的公開整體地合併於本文中而達到公開能夠與本文中所公開的支撐結構聯合而用於製作其它對象的另外的支撐結構的程度。
另外，臺架包括構建於對象的底下而給對象提供豎直支撐的支撐。臺架可以由互相連接的支撐例如以蜂窩的模式形成。在一方面中，臺架可以為固體或包括固體部位。臺架在各種位置處接觸對象，從而為將在臺架的上方構造的對象提供承載支撐。支撐結構與對象之間的接觸還防止對象的橫向移動。
栓緊式支撐防止相對薄的扁平對象或對象的至少第一部位（例如，第一層）在構建過程的期間移動。相對薄的對象易於翹曲或剝離。例如，散熱可能導致薄的對象在它冷卻時翹曲。作為另一示例，再塗敷器可導致橫向力施加至對象，這在一些情況下將對象的邊緣提起。在一方面中，栓緊式支撐構建於對象的下方，以將對象栓緊至錨表面。例如，栓緊式支撐可以從諸如平臺之類的錨表面豎直地延伸至對象。通過在對象的下方的各層中的特定的位置處使粉末熔融而構建栓緊式支撐。栓緊式支撐與平臺和對象兩者連接（例如，在對象的邊緣處），從而防止對象翹曲或剝離。在後處理程序中，可以將栓緊式支撐從對象移除。
斷開式支撐結構減小支撐結構與對象之間的接觸面積。例如，斷開式支撐結構可以包括各自以空間分離的分離部位。空間可以減小斷開式支撐結構的總尺寸和製作斷開式支撐結構中所消耗的粉末的量。另外，所述部位中的一個或更多可以具有減小的與對象的接觸表面。例如，支撐結構的一部位可以具有在後處理的期間更容易從對象移除的尖形（pointed）接觸表面。例如，具有尖形接觸表面的部位將在尖形接觸表面處從對象斷開。尖形接觸表面仍然提供給予承載支撐且將對象栓緊的功能，以防止翹曲或剝離。
橫向支撐結構用於支撐豎直對象。對象可以具有相對高的高度與寬度的縱橫比（例如，大於1）。即，對象的高度比其寬度更大多倍。橫向支撐結構定位至對象的一側。例如，對象和橫向支撐結構以包括對象的部位和橫向支撐結構的部位的各層中的掃描圖案被構建於相同的層中。橫向支撐結構與對象（例如，由各層中未熔融粉末的部位）分離或通過斷開式支撐結構而連接。因此，在後處理的期間，可以容易地將橫向支撐結構從對象移除。在一方面中，橫向支撐結構針對在施加另外的粉末時再塗敷器施加的力提供支撐。一般，再塗敷器所施加的力是沿著再塗敷器在它將另外的一層粉末弄平時的移動的方向。因此，橫向支撐結構沿再塗敷器從對象移動的方向被構建。此外，橫向支撐結構可以在底部比在頂部更寬。更寬的底部為橫向支撐結構提供穩定性，以抵抗再塗敷器所生成的任何力。
此外，製作對象的方法可以包括相繼地、同時地或交替地使粉末熔融，以形成如上所述的多個支撐的多部位。另外，對於使用多個支撐來製作的對象，後處理程序可以包括移除每個支撐。在一方面中，支撐結構可以包括如本文中所描述的不同類型的多個支撐。所述多個支撐可以直接地或經由對象而彼此連接。針對特定對象的支撐的選擇可以基於本文中所描述的因素（例如，形狀、縱橫比、取向、熱性質等）。
本書面描述使用示例來公開本發明，包括優選的實施例，並且，還使得本領域任何技術人員能夠實踐本發明，包括製作並使用任何裝置或系統和執行任何合併的方法。本發明可取得專利的範圍由權利要求來定義，並且，可以包括本領域技術人員所想到的其它示例。如果此類其它示例具有並非與權利要求的字面語言不同的結構元件，或如果它們包括與權利要求的字面語言無實質差異的等效結構元件，則它們旨在位於權利要求的範圍內。能夠由本領域普通技術人員將來自所描述的各種實施例的方面以及每個此類方面的其它已知等效體進行混合併匹配，以根據本申請的原理而構造另外的實施例和技術。