用於加性製造的方法和連接支承與流程
2023-09-18 08:57:45 2
本公開一般涉及在構建對象的過程中利用支承結構的用於加性製造(am)的方法，以及將要用在這些am過程內的新穎的支承結構。
背景技術：
與減性(subtractive)製造方法形成對照，am過程通常涉及一個或多個材料的積聚，其用來製作淨形或者近淨形(nms)對象。雖然「加性製造」是工業標準術語(astmf2792)，但是am囊括在多種名稱下已知的各種製造和原型製作技術，包含自由成型製作、3d印刷、快速原型製作/加工等。am技術能夠根據各種各樣的材料來製作複合組件。通常，獨立對象能夠根據計算機輔助設計(cad)模型來製作。一種特定類型的am過程使用能量束、例如電子束或電磁輻射(例如雷射束)來燒結或熔融粉末材料，從而創建固體三維對象，其中粉末材料的微粒結合在一起。例如工程塑料、熱塑彈性體、金屬和陶瓷的不同材料系統被使用。雷射燒結或熔融是一種用於功能原型和工具的快速製作的著名am過程。應用包含複雜加工件、熔模鑄造的圖案、注射模塑和拉模鑄造的金屬鑄型以及砂型鑄造的鑄型和型芯的直接製造。用來增強設計周期期間的概念的傳遞和測試的原型對象的製作是am過程的其他的常見使用。
選擇性雷射燒結、直接雷射燒結、選擇性雷射熔融和直接雷射熔融是用來表示通過使用雷射束燒結或熔融細粉來產生三維(3d)對象的常見工業術語。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。更準確來說，燒結需要在低於粉末材料的熔點的溫度下熔合(凝聚)粉末的微粒，而熔融需要完全熔融粉末的微粒，以形成固體均質體。與雷射燒結或雷射熔融關聯的物理過程包含到粉末材料的熱傳遞，並且然後燒結或熔融粉末材料。雖然雷射燒結和熔融過程能夠應用於寬範圍的粉末材料，但是尚未充分理解生產路線(route)的科學和技術方面、例如燒結或熔融速率以及在層製造過程期間的處理參數對微結構演進的影響。這種製作方法伴隨有熱、質量和動量傳遞的多種模式以及使過程極為複雜的化學反應。
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)的示範常規系統100的截面圖的示意圖。設備100通過使用由源、例如雷射器120所生成的能量束136燒結或熔融粉末材料(未示出)按照逐層方式來構建對象、例如部件122。將要由能量束所熔融的粉末由貯存器126來供應，並且使用在方向134上行進的重塗器臂116均勻遍布於構建板114之上，以將粉末保持在水平118處，並且將延伸於粉末水平118上方的多餘粉末材料移除到廢物容器128。能量束136燒結或熔融在檢流計掃描儀132的控制下構建的對象的截面層。降低構建板114，並且另一個粉末層遍布於構建板和所構建的對象之上，後面是由雷射器120對粉末的連續熔融/燒結。該過程重複進行，直到部件122由熔融/燒結的粉末材料完全構成。雷射器120可由包含處理器和存儲器的計算機系統來控制。計算機系統可確定每層的掃描圖案，並且控制雷射器120按照掃描圖案來輻照粉末材料。在部件122的製作完成之後，各種後處理規程可應用於部件122。後處理規程包含通過例如吹風或真空處理來移除多餘(access)粉末。其他後處理規程包含應力釋放過程。另外，機械、熱和化學後處理規程能夠用來拋光部件122。
本發明人已經發現，上述加性製造過程可對具有大的高度與寬度縱橫比的對象(例如高對象)造成困難。例如，高對象可易於受到來自重塗器臂的損壞，因為高對象可充當對於對象的下部施加力的槓桿。相應地，即使高對象連接到構建板或者以其他方式從下面垂直支承，高對象也可因橫向力而翻倒或彎曲。
鑑於上述，能夠領會，存在與am技術關聯的問題、缺陷或缺點，並且如果支承對象的改進方法和支承結構可用將會是合乎需要的。
技術實現要素：
下面提出一個或多個方面的簡化概述，以便提供對這類方面的基本理解。這個概述不是所有預期的方面的廣泛概觀，並且預計既不識別所有方面的關鍵或臨界元素，也不描繪任何或所有方面的範圍。其目的是要以簡化形式提出一個或多個方面的一些概念，作為稍後提出的更詳細描述的序言。
在一個方面中，本公開提供一種用於製作對象的方法。該方法包含：(a)輻照粉末床中的粉末層，以形成熔合區域，(b)通過使重塗器臂從粉末床的第一側在粉末床之上經過來在粉末床之上提供隨後的粉末層，以及(c)重複步驟(a)和(b)，直到對象和支承在粉末床中形成。支承包含到對象的兩個熔合連接和熔合連接之間的軸線方向、圍繞軸線方向的熔合材料的周長以及完全包圍熔合材料的周長的未熔合粉末或空氣。
在回顧隨後的詳細描述時，本發明的這些和其他方面將變得更全面理解。
本發明提供一組技術方案,如下:
1.一種用於製作對象的方法，包括：
(a)輻照粉末床(112)中的粉末層，以形成熔合區域；
(b)通過使重塗器臂(116)從所述粉末床的第一側在所述粉末床之上經過來在所述粉末床之上提供隨後的粉末層；以及
(c)重複步驟(a)和(b)，直到所述對象(210)和支承(230)在所述粉末床中形成，
其中所述支承包含到所述對象的兩個熔合連接和所述熔合連接之間的軸線方向、圍繞所述軸線方向的熔合材料的周長以及完全包圍熔合材料的所述周長的未熔合粉末或空氣。
2.如技術方案1所述的方法，還包括(d)重複步驟(a)和(b)，直到至少一個附加支承(240)在所述粉末床中形成，其中每個附加支承包含到所述對象的兩個附加熔合連接和所述附加熔合連接之間的附加軸線方向、圍繞所述附加軸線方向的熔合材料的附加周長以及完全包圍熔合材料的所述附加周長的未熔合粉末或空氣。
3.如技術方案2所述的方法，其中，到所述對象的所述兩個熔合連接處於第一高度(216)處，並且每個附加熔合連接處於所述第一高度的倍數。
4.如技術方案1所述的方法，其中，熔合材料的所述周長具有頂部表面與底部表面之間的厚度(232)，其小於所述兩個熔合連接之間的所述支承的長度。
5.如技術方案4所述的方法，其中，到所述對象的所述兩個熔合連接處於第一高度(216)處，並且其中所述第一高度大於熔合材料的周長的所述厚度(232)。
6.如技術方案5所述的方法，其中，所述第一高度大於在所述軸線方向上跨所述對象的最小尺寸所測量的所述對象的寬度(214)。
7.如技術方案6所述的方法，其中，所述第一高度與所述對象的所述寬度之間的比率為至少3.5。
8.如技術方案1所述的方法，還包括：(d)在所述對象和所述支承被連接的同時從所述粉末床移除所述對象和所述支承。
9.如技術方案8所述的方法，還包括：(e)從所述對象移除所述支承。
10.如技術方案1所述的方法，其中，所述軸線方向與所述重塗器臂從所述粉末床的所述第一側的移動方向(134)平行。
11.如技術方案1所述的方法，其中，熔合材料的所述周長具有與所述熔合連接的至少一個相鄰的錐形端。
12.如技術方案1所述的方法，其中，所述軸線方向與粉末層平行。
本發明提供另一組技術方案,如下:
1.一種用於製作對象的方法，包括：
(a)輻照粉末床中的粉末層，以形成熔合區域；
(b)通過使重塗器臂從所述粉末床的第一側在所述粉末床之上經過來在所述粉末床之上提供隨後的粉末層；以及
(c)重複步驟(a)和(b)，直到所述對象和支承在所述粉末床中形成，
其中所述支承包含到所述對象的兩個熔合連接和所述熔合連接之間的軸線方向、圍繞所述軸線方向的熔合材料的周長以及完全包圍熔合材料的所述周長的未熔合粉末或空氣。
2.如技術方案1所述的方法，還包括(d)重複步驟(a)和(b)，直到至少一個附加支承在所述粉末床中形成，其中每個附加支承包含到所述對象的兩個附加熔合連接和所述附加熔合連接之間的附加軸線方向、圍繞所述附加軸線方向的熔合材料的附加周長以及完全包圍熔合材料的所述附加周長的未熔合粉末或空氣。
3.如技術方案2所述的方法，其中，到所述對象的所述兩個熔合連接處於第一高度處，並且每個附加熔合連接處於所述第一高度的倍數。
4.如技術方案1所述的方法，其中，熔合材料的所述周長具有頂部表面與底部表面之間的厚度，其小於所述兩個熔合連接之間的所述支承的長度。
5.如技術方案4所述的方法，其中，到所述對象的所述兩個熔合連接處於第一高度處，並且其中所述第一高度大於熔合材料的周長的所述厚度。
6.如技術方案5所述的方法，其中，所述第一高度大於在所述軸線方向上跨所述對象的最小尺寸所測量的所述對象的寬度。
7.如技術方案6所述的方法，其中，所述第一高度與所述對象的所述寬度之間的比率為至少3.5。
8.如技術方案1所述的方法，還包括：(d)在所述對象和所述支承被連接的同時從所述粉末床移除所述對象和所述支承。
9.如技術方案8所述的方法，還包括：(e)從所述對象移除所述支承。
10.如技術方案1所述的方法，其中，所述軸線方向與所述重塗器臂從所述粉末床的所述第一側的移動方向平行。
11.如技術方案1所述的方法，其中，熔合材料的所述周長具有與所述熔合連接的至少一個相鄰的錐形端。
12.如技術方案1所述的方法，其中，所述軸線方向與粉末層平行。
附圖說明
圖1是示出用於加性製造的常規設備的示例的示意圖。
圖2圖示按照本發明的方面、經由支承連接到第二對象的第一對象的示例的示意側視圖。
圖3圖示按照本發明的方面、由支承所連接的兩個對象的另一個示例的透視圖。
圖4圖示圖3的對象的側視圖。
圖5圖示按照本發明的方面、由支承所連接的對象和支承結構的示例的截面圖。
具體實施方式
以下結合附圖所闡述的詳細描述預計為各種配置的描述，而不是預計表示其中可實施本文所述概念的唯一配置。詳細描述包含具體細節用於提供對各種概念的徹底理解的目的。但是，在沒有這些具體細節的情況下也可實施這些概念對本領域技術人員將是顯而易見的。在一些實例中，以框圖的形式示出眾所周知的組件，以便避免模糊這類概念。
圖2是在概念上圖示經由支承230、240連接到第二對象220的第一對象210的示例的簡圖200。例如，簡圖200表示第一對象210和第二對象220的截面圖。在一個方面中，第一對象210具有總高度212和恆定寬度22。例如，總高度212與寬度220的縱橫比在一個方面中是從大約15:1至大約2:1、在另一方面中是從大約12:1至4:1以及在另一方面中為大約10:1至大約6:1。優選地，對象的縱橫比可以為大約3.5或以上。也就是說，對象的高度是其寬度的許多倍。
第一對象210和第二對象220可按照am過程來製造。例如，可使用圖1的設備100和上述方法。在這種類型的am過程中，通過有選擇地燒結或熔融形成對象210和/或對象220的區域中的粉末區，來逐層構建對象210和對象220。通過熔融或燒結對象210的位置中的粉末的附加區域，對象210與對象220同時構建。此外，可通過熔融或燒結對象210與對象220之間的位置中的粉末的附加區域，在一個或多個粉末層中構建支承230和240。
例如，由於逐層構建第一對象210，所以當高度達到水平216時，對象210的高度與寬度縱橫比超過閾值。在一個方面中，閾值在一個方面中為大約2至大約5、在另一方面中是從3至大約4以及在另一方面中為大約3.2至大約3.8。閾值取決於諸如被熔融的粉末材料、熔融溫度和冷卻時間的因素。
設備100構建在水平216處將對象210與對象220相連接的支承230。如所圖示，支承230可以是跨越對象210與對象220之間的水平距離的水平支承。在一個方面中，支承230可包含水平層，其中沿軸線方向的至少一個粉末線在對象210與對象220之間熔合。支承230包含兩個熔合連接，其中支承230連接到對象210和對象230的每個。支承還包含熔合連接之間的軸線方向以及圍繞軸線方向的熔合材料的周長。除了在支承230被熔合到對象210和對象220的位置之外支承230通過粉末來包圍。熔合材料的周長通過粉末完全包圍。換言之，粉末位於支承230的上方和下方以及支承230的每側。當從粉末移除對象210和對象220時，支承230和/或熔合材料的周長通過空氣來包圍。支承230具有熔合材料的周長的頂部表面和底部表面之間的厚度232。厚度232可小於水平216。例如，厚度232可等於遞增粉末層的高度。在另一方面中，厚度232小於對象210與對象220之間的支承230的長度。
由於設備100繼續逐層構建第一對象210，所以當高度達到水平218時，從水平216到水平218所測量的對象210的高度與寬度縱橫比超過閾值。設備100構建在水平218處將對象210與對象220相連接的支承240。如所圖示，支承240與支承230類似。此外，由於寬度214是恆定的，所以水平216等於水平218與水平216之間的差。換言之，水平218是水平216的倍數。相應地，支承230和240以規則的間隔來構建。附加支承可根據總高度212以規則的間隔來構建。
在另一方面中，對象220包含第一部分222和第二部分224。第一部分222和第二部分224最終連接，但是由於對象220被逐層構建，所以第一部分222和第二部分224是分離的。在一個方面中，第二部分224具有寬度226。如所圖示，例如，第二部分224具有到它接合第一部分222的點的總高度212。當第二部分224達到水平228時，第二部分224的高度與寬度縱橫比超過閾值。例如，如所圖示，寬度226大於寬度214，以及水平228大於水平216。在一個方面中，支承250在水平228處來構建。支承250與支承230類似，但是跨越第二部分224與第一部分222之間的水平距離。相應地，當構建對象220時，支承對象220的不同部分。在另一方面中，設備100在將第二部分的總高度212劃分為相等子部分使得每個子部分的高度與寬度縱橫比小於閾值的水平處來構建支承260。
圖3圖示由支承330連接到對象320的對象310的另一個示例。在一個方面中，對象310具有大的高度與寬度縱橫比的高的幾何結構。在一個方面中，重塗器116在與對象310的最小尺寸平行的方向上移動。重塗器116可接觸對象310的頂部或者以其他方式對於對象310施加橫向力。例如，重塗器116可使粉末移動並且對於對象310施加力。在一個方面中，設備100以規則的間隔來構建支承330，使得先前支承330上方的對象310的一部分的高度與寬度縱橫比小於閾值。支承310抵抗由重塗器116所施加的橫向力。因為先前支承上方的對象的部分小於閾值，所以先前支承上方的對象的部分不可能翻倒、彎曲或者以其他方式遭受來自橫向力的損壞。
圖4圖示由支承330所連接的示例對象310和對象320的另一個視圖。
圖5圖示包含圓柱構件512和514的對象510的支承結構520的垂直截面圖的示例。對象510和支承結構520可具有在軸線530處的中心。圓柱構件512面朝下並且形成環形。第二圓柱構件514形成經由對象510連接到圓柱構件512的同心環。支承結構520通常可從平臺114一直構建到對象500的每個部分開始的層。例如，支承結構520包含分別垂直支承圓柱構件512和514的支承522和524。在一個方面中，圓柱構件512、514或支承522、524具有大的高度與寬度縱橫比。在一個方面中，對象510是第一結構，並且支承結構520可被認為是一個或多個第二結構。在一個方面中，水平支承540、542、544、546、548、560支承具有超過閾值的高度與寬度縱橫比的對象510或支承結構520的部分。水平支承在一個或多個水平層中形成。如所圖示，例如，水平支承540、542、544、546、548、560具有錐形端，其限制到對象510和支承結構520的連接區，以促進水平支承的移除。水平支承540、546將支承結構520的支承522連接到支承524。水平支承542、548將支承結構520的支承524連接到對象510的圓柱構件512。水平支承544、560將對象510的圓柱構件512連接到對象510的圓柱構件514。除了支承被連接到對象510或支承結構520的位置之外,水平支承540、542、544、546、548、560的每個通過粉末來包圍。在一個方面中，水平支承與重塗器方向134平行地構建。例如，水平支承540和546是提供針對在重塗器方向134上移動的支承的細線。例如，水平支承540和546具有類似的高度和寬度。水平支承540和546沒有被連接，即使它們至少部分在相同層中構建。
當變得必需從對象移除水平支承時，操作員可施加力以使水平支承脫離。支承可通過機械規程(例如扭曲、折斷、切割、研磨、銼削或拋光)來移除。另外，熱和化學後處理規程可用來拋光對象。水平支承從對象的移除可在對象從粉末床的移除時或在其期間立即進行。備選地，水平支承可在後加工步驟的任一個之後移開。例如，對象和支承結構可經受後退火加工和/或化學加工，並且然後接著從對象和/或構建板移除。
雖然提供了支承結構和對象的若干示例，但是應當顯而易見的是，其他對象可按照本公開來構建。例如，具有大的高度與寬度的縱橫比的任何對象可通過所公開的支承結構的一個或多個來支承。在一個方面中，所公開的支承結構用來製造飛機的部件。例如，與美國專利號9188341所公開的燃料噴嘴類似的燃料噴嘴可使用本文所公開的支承結構來製造。
在一個方面中，以上所述的多個支承可結合用來支承對象的製作、防止對象的移動和/或控制對象的熱性質。也就是說，使用加性製造來製作對象可包含下列一個或多個的使用：腳手架、繫緊支承、脫離支承、橫向支承、共形(conformal)支承、連接支承、包圍支承、鍵槽支承、可折斷支承、前緣支承或粉末移除埠。下列專利申請包含這些支承及其使用方法的公開：
美國專利申請號[]，標題為「methodandconformalsupportsforadditivemanufacturing」，具有律師檔案號037216.00008，並且2016年2月11日提交；
美國專利申請號[]，標題為「methodsandsurroundingsupportsforadditivemanufacturing」，具有律師檔案號037216.00010，並且2016年2月11日提交；
美國專利申請號[]，標題為「methodsandkeywaysupportsforadditivemanufacturing」，具有律師檔案號037216.00011，並且2016年2月11日提交；
美國專利申請號[]，標題為「methodsandbreakablesupportsforadditivemanufacturing」，具有律師檔案號037216.00012，並且2016年2月11日提交；
美國專利申請號[]，標題為「methodsandleadingedgesupportsforadditivemanufacturing」，具有律師檔案號037216.00014，並且2016年2月11日提交；以及
美國專利申請號[]，標題為「methodandsupportswithpowderremovalportsforadditivemanufacturing」，具有律師檔案號037216.00015，並且2016年2月11日提交。
這些申請的每個的公開在其公開附加支承結構(其能夠與本文所公開的支承結構結合使用以製作其他對象)的程度上全部結合到本文中。
另外，腳手架包含在對象下面構建的支承，其用來提供對於對象的垂直支承。腳手架可由例如按照蜂窩圖案的互連支承來形成。在一個方面中，腳手架可以是固體，並且包含固體部分。腳手架在各個位置處接觸對象，從而為將要在腳手架上方所構成的對象提供承載支承。支承結構與對象之間的接觸還防止對象的橫向移動。
繫緊支承防止較薄的平坦對象或者對象的至少第一部分(例如第一層)在構建過程期間移動。較薄的對象易於扭曲或剝離。例如，熱耗散可使薄對象在它冷卻時扭曲。作為另一個示例，重塗器可使橫向力施加到對象，這在一些情況下升高對象的邊緣。在一個方面中，繫緊支承在對象下面來構建，以便將對象繫緊到錨定表面(anchorsurface)。例如，繫緊支承可從錨定表面、例如平臺垂直延伸到對象。通過在對象下面的每層中的特定位置處熔融粉末來構建繫緊支承。繫緊支承連接到平臺和對象(例如在對象的邊緣)，從而防止對象扭曲或剝離。繫緊支承可在後處理規程中從對象移除。
脫離支承結構減少支承結構與對象之間的接觸區。例如，脫離支承結構可包含各通過空間所分隔的單獨部分。空間可減少脫離支承結構的總大小以及製作脫離支承結構中消耗的粉末量。此外，部分的一個或多個可具有與對象的減小的接觸表面。例如，支承結構的一部分可具有點式接觸表面，其更易於在後處理期間從對象移除。例如，具有點式接觸表面的部分將在點式接觸表面處脫離對象。點式接觸表面仍然提供如下功能:提供承載支承並且將對象繫緊以防止扭曲或剝離。
橫向支承結構用來支承垂直對象。對象可具有較高的高與寬縱橫比(例如大於1)。也就是說，對象的高度是其寬度的許多倍。橫向支承結構位於對象的一側。例如，對象和橫向支承結構在相同的層中以包含對象的一部分和橫向支承結構的一部分的每層中的掃描圖案構建。橫向支承結構與對象分隔(例如通過每層中的未熔融粉末的一部分)或者通過脫離支承結構來連接。相應地，橫向支承結構可易於在後處理期間從對象移除。在一個方面中，橫向支承結構在應用附加粉末時提供針對由重塗器所施加的力的支承。通常，由重塗器所施加的力在重塗器平整附加粉末層時是在重塗器的移動的方向上。相應地，橫向支承結構從對象在重塗器的移動的方向上構建。此外，橫向支承結構可在底部處比在頂部處要寬。更寬的底部為橫向支承結構提供用來抵抗由重塗器所生成的任何力的穩定性。
此外，一種製作對象的方法可包含連續、並發或交替熔融粉末以形成多個支承的部分，如上所述。另外，對於使用多個支承所製作的對象，後處理規程可包含移除每個支承。在一個方面中，支承結構可包含如本文所述的不同類型的多個支承。多個支承可直接地或者經由對象彼此連接。特定對象的支承的選擇可基於本文所述的因素(例如形狀、縱橫比、取向、熱性質等)。
本書面描述使用包含優選實施例的示例來公開本發明，並且還使本領域的技術人員能夠實施本發明，包含製作和使用任何裝置或系統，以及執行任何結合方法。本發明的可取得的專利範圍由權利要求書來定義，並且可包含本領域的技術人員想到的其他示例。如果這類其他示例具有與權利要求的文字語言完全相同的結構單元，或者如果它們包含具有與權利要求的文字語言的非實質差異的等效結構單元，則預計它們處於權利要求的範圍之內。來自所述的各個實施例的方面以及每個這種方面的其他已知等效體能夠由本領域的技術人員來混合和匹配，以構成按照本申請的原理的附加實施例和技術。