用金屬基合金構建三維物體的系統和方法

2023-06-25 17:01:16 2

專利名稱：用金屬基合金構建三維物體的系統和方法
技術領域：
本發明涉及在數位化製造系統中構建三維(3D)物體的系統和方法。具體地，本發 明涉及用金屬基合金構建3D物體的高溫的基於擠出的數位化製造系統。
背景技術：
基於擠出的數位化製造系統(例如由明尼蘇達州(MN) Eden Prairie的 Stratasys, Inc.開發的熔融沉積建模系統)被用來通過擠出可流動的建模材料以逐層的 方式根據計算機輔助設計(CAD)模型構建3D物體。通過由擠出頭承載的擠出尖端擠出建 模材料，並按照一定順序路線沉積在x_y平面內的基底上。被擠出的建模材料與先前沉積 的建模材料熔合，並在溫度下降時凝固。隨後，擠出頭相對於基底的位置沿著ζ軸線(垂直 於x_y平面)逐漸增量，且隨後重複該過程，以形成像所述CAD模型一樣的3D物體。根據表示3D物體的構建數據，擠出頭相對於基底的運動在計算機的控制下進行。 構建數據通過首先將3D物體的CAD模型劃分成多個水平切片層而被獲得。隨後，對於每個 切片層，主機產生用於沉積形成3D物體的建模材料的路線的構建路徑。在通過沉積建模材料層而製造3D物體時，支撐層或結構通常構建在懸空部分的 下面或在建中物體的腔中，其沒有被構建材料自身支撐。支撐結構可以採用與沉積建模材 料相同的沉積技術構建。主機產生額外的幾何構型作為被形成的3D物體的懸空或自由空 間段的支撐結構。隨後，根據在構建過程中所產生的幾何構型，由第二噴嘴沉積支撐材料。 在製造過程中，支撐材料粘結到建模材料上，並且當構建過程完成時可以從完成的3D物體 上去除支撐材料。在數位化製造工業中消費者普遍關注的是增強3D物體的物理特性，諸如部件的 強度和耐用性。能夠提供這樣的增強的物理特性的一類材料包括金屬基合金。例如，由高 強度金屬構建的3D物體可以展現出明顯大於工業熱塑性材料的抗張強度。然而，對金屬基 合金的擠出給數位化製造提出了幾個問題。例如，對金屬基合金的擠出需要高的操作溫度， 其可能不被期望地影響現有的數位化製造系統的性能。另外，將金屬基合金加熱至高於其 液相線溫度的溫度可能阻止合金具有用於擠出的足夠的粘性，並且可能不被期望地在再次 固化(例如枝晶形成)時影響其晶粒結構。因此，對使用數位化製造技術由金屬基合金構 建3D物體的系統和方法有不斷進步的需求。

發明內容
本發明涉及用於用金屬基合金構建三維物體的數位化製造系統。所述系統包括被 保持在一個或更多升高的溫度下的構建腔、設置在構建腔內的構建平臺、被構造成將金屬 基合金加熱至金屬基合金的固相線溫度和液相線溫度之間的溫度的至少一個擠出管線、設 置在構建腔中且被構造成以預定的圖案將被加熱的金屬基合金沉積到構建平臺上的沉積 頭、具有位於構建腔外面的第一端和連接至沉積頭的第二端的臍部、和被構造成導致在構 建腔內的構建平臺和沉積頭之間的相對運動的至少一個構臺組件，其中所述至少一個構臺
5組件包括設置在構建腔外面的電機。本發明還涉及用於用數位化製造系統由金屬基合金構 建三維物體的方法。


圖1是用金屬基合金構建3D物體的數位化製造系統的正視圖。圖2是數位化製造系統的平臺組件和頭組件的正透視圖。圖3是數位化製造系統的頭組件的頂部透視圖。圖4是數位化製造系統的x_y軸線臺架和擠出頭的底部正透視圖。圖5是用於擠出金屬基合金的擠出頭的擠出線路的放大的部分剖視圖。圖6是與數位化製造系統的臍部一起使用的數位化製造系統的第一可替代的擠 出頭的正透視圖，其中第一可替代的擠出頭具有混合型的液化器/冷凍閥設計。圖7是與數位化製造系統的臍部一起使用的數位化製造系統的第二可替代的擠 出頭的正透視圖，其中第二可替代的擠出頭具有帶多個沉積管線的混合型的液化器/冷凍 閥設計。圖8是與數位化製造系統的臍部一起使用的數位化製造系統的第三可替代的擠 出頭的正透視圖，其中第三可替代的擠出頭具有混合型的螺杆泵/冷凍閥設計。圖9是金屬基合金的溫度對組分的示例性的二元相圖，其適合於與數位化製造系 統一起使用。圖10是鋁和矽的溫度對組分的部分二元相圖，示出了與數位化製造系統一起使 用的示例性的金屬基合金的溫度相特性。圖11是在經受擠出溫度之前鋁矽合金線的顯微圖。圖12是經受在合金的固相線溫度和液相線溫度之間的擠出溫度之後的鋁矽合金 線的顯微圖。圖13是經受高於合金的液相線溫度的擠出溫度之後的鋁矽合金線的顯微圖。
具體實施例方式圖1是系統10的正透視圖，其是用金屬基合金構建3D物體的高溫數位化製造系 統。如圖所示，系統10包括殼體12 (用虛線表示)、控制器13、構建腔14、平臺組件16、頭 組件18和淬火槽20。殼體12是系統10的外殼，其保護系統10的內部部件免受外部情況 的影響。系統10還包括支撐框架(未示出)，支撐框架用於將構建腔14、平臺組件16和頭 組件18保持在殼體12內在圖1顯示的各位置處。控制器13是計算機操作的控制器，其接 收3D物體的源幾何構型(例如STL格式的CAD模型)，且將接收到的源幾何構型轉換成系 統10執行以構建3D物體的處理步驟的次序。因此，控制器13給系統10提供控制信號，且 可以是系統10的一體部件或在系統10的外部。構建腔14是封閉的高溫環境，其中3D物體(在圖1中被表示成3D物體22)是用 一種或更多種金屬基合金構建。期望構建腔14用作高溫釜，且期望能其保持在一個或更多 的升高的溫度，以減小機械扭曲(例如捲曲)3D物體22的風險，以及減小由於金屬基合金 的熱膨脹率而造成的收縮。構建腔14的溫度通過使用利用定時的熱學上升循環的基於電 學和/或火焰機構，而被升高。
構建腔14的升高溫度期望地從金屬基合金的凝固溫度到金屬基合金的蠕變鬆弛 溫度的範圍變化。如此處使用的，術語金屬基合金的「蠕變鬆弛溫度」是指合金的應力松 弛模量是相對於合金的凝固溫度時的合金的應力鬆弛模量的10%的溫度，其中依據ASTM E328-02測量應力鬆弛模量。構建腔14的合適的溫度升高的例子是從約200°C至約800°C 的範圍變化，且尤其合適的溫度是從約400°C至約700°C的範圍變化，甚至更尤其合適的溫 度是從約500°C至約650°C的範圍變化。溫度升高的構建腔14還可以展現出多個溫度區。例如，在沉積位置的溫度可能是 高於金屬基合金的凝固溫度(例如低於或大致等於金屬基合金的蠕變鬆弛溫度)，而構建 腔14的剩餘部分可以是低於金屬基合金的凝固溫度(例如在低於金屬基合金的凝固溫度 20°C的範圍內)。這防止構建腔14內的溫度梯度在冷卻時在3D物體22上產生顯著的應 力。另外，期望用一個或更多的過程控制迴路監控構建腔14內的升高溫度，以在構建 操作期間保持期望的溫度。期望部分地監控溫度，這是因為金屬基合金典型地具有高熱導 性，因此在從擠出溫度冷卻至構建腔14的溫度時會放出大量的熱。還期望構建腔14在構建操作之前被清除氧氣(例如空氣)，且可以包括非氧化氣 體和/或真空條件。例如，構建腔14可以被通風至氣體氣氛，且用惰性氣體(例如氮氣、氦 氣、氬氣和氙氣)清洗。另外地，構建腔14可以連接至真空管線(未顯示)以將壓力降低 至真空條件。用於執行構建操作的合適的真空壓力的例子包括約或小於13毫帕斯卡(約 IO-4Torr)，更尤其合適的壓力包括約或小於1. 3毫帕斯卡(約I(T5Torr)。也可以與惰性氣 體結合使用降低的壓力。在使用惰性氣體的實施例中，構建腔14中的氣體氣氛期望被再次 循環以保持溫度的均勻性，且可以在構建操作完成之後從外部進行通風。構建腔14包括腔壁對，其是構建腔14的側壁、頂壁和底壁，期望由能夠承受構建 腔14的溫度升高的一種或更多的絕熱材料製造。腔壁M的合適材料包括耐熱和低熱膨脹 材料，諸如難熔陶瓷耐火磚、矽石耐火磚、高溫合金和超耐熱合金，以及它們的組合。腔壁M 包括進入開口 26，其允許在構建操作之前和之後進入構建腔14內。期望進入開口沈在構 建操作期間用門(未顯示)固定，以保持構建腔14內的溫度均勻性。平臺組件16包括驅動電機28、ζ軸線構臺30和構建平臺32。驅動電機28是設 置在構建腔14的腔壁M的外面的電機(即直流電機)，且與控制器13進行信號通信。驅 動電機觀還與ζ軸線構臺30接合，其允許驅動電機觀基於從控制器13接收的信號操作 ζ軸線構臺30。Z軸線構臺30與構建腔14的外面的驅動電機觀進行接合，且延伸通過用 於保持構建平臺32的腔壁M。如下文討論的，ζ軸線構臺30構造成沿著構建腔14內的垂 直的ζ軸線基於驅動電機觀供給的旋轉動力而移動構建平臺32。構建平臺32是其上構建 3D物體22 (和任何對應的支撐結構，未顯示)的基底，且被ζ軸線構臺30可移動地保持在 構建腔14內。用於構建平臺32的合適的材料包括在溫度升高的構建腔14中使用的材料， 且所述材料與3D物體22的金屬基合金是可相容的。構建平臺32的合適的材料的例子包 括鎳基合金和超耐熱合金、石墨、陶瓷、碳化物(例如碳化矽)以及它們的組合。頭組件18包括驅動電機34和36、x_y軸線構臺38和擠出頭40。驅動電機34和 36是設置在構建腔14的腔壁M的外部的電機(例如直流電機)，且還與控制器13進行信 號通信。驅動電機34和36還與x-y軸線構臺38接合，其允許驅動電機34和36基於從控
7制器13接收的信號操作χ-y構臺38。X-y軸線構臺38與構建腔14外面的驅動電機34和 36接合，且延伸通過用於保持擠出頭40的腔壁M。擠出頭40被保持在構建腔14中，且是 系統10的一部分，其以預定圖案將金屬基合金(和對應的支撐材料)沉積到構建平臺32， 用於以逐層的方式構建3D物體22 (和對應的支撐結構)。如下文討論的，x-y軸線構臺38構造成在構建腔14內沿水平χ-y平面基於由驅 動電機34和36供給的旋轉動力移動擠出頭40，其中χ軸線、y軸線(未在圖1中顯示)以 及ζ軸線彼此正交。在可替代的實施例中，平臺組件16可以被構造成在構建腔14內沿水 平x-y平面移動，頭組件18可以被構造成沿著垂直的ζ軸線移動。其它類似布置也可以被 使用，使得構建平臺32和擠出頭40中的一個或兩個相對於彼此可移動，和使得驅動電機 (例如驅動電機觀、34和36)設置在構建腔14的腔壁M的外面。將驅動電機觀、34和36 設置在腔壁M的外面，熱隔離驅動電機觀、34和36與溫度升高的構建腔14。這降低了損 害驅動電機觀、34和36的風險，從而保持它們的操作壽命。在一個實施例中，冷卻劑氣體 (例如惰性氣體)被傳遞至(在腔壁M外面的)殼體12內的一個或更多的位置，以進一步 熱隔離驅動電機觀、；34和36與溫度升高的構建腔14。在構建操作期間，構建腔14基本被清除氧化氣體(例如，用氬氣和/或真空進行 清除)，且之後被加熱至一個或更多的升高溫度。控制器13之後引導驅動電機34和36，以 經由y軸線構臺38沿著水平的X-Y平面在構建腔14內四處移動擠出頭40。控制器13還 引導擠出頭40以基於擠出頭40的移動將金屬基合金擠出到構建平臺32上且成一圖案，從 而形成3D物體22的層。如下文討論的，金屬基合金期望被加熱至合金的半固相(即在固 相線溫度和液相線溫度之間)。這產生了軟泥狀的一致性的金屬基合金，其提供了合適用於 擠出的粘稠性。如在下文進一步討論的，金屬基合金還期望保持低於合金的液相線溫度，以 在沉積和再次固化期間基本上保持原料合金線的晶粒結構。這有利於保持金屬基合金的原 始晶粒結構的物理特性，且尤其適合於與金屬基合金一起使用，其在和系統10 —起使用之 前被熱處理。當完成層時，計算機操作的控制器於是經由ζ軸線構臺30引導驅動電機觀沿著 ζ軸線單層地增量而到達較低的構建平臺32。這允許3D物體22的隨後的層被構建。這些 步驟之後可以被重複，直到完成3D物體22和任何對應的支撐結構為止。在完成構建操作 之後，3D物體22可以在從構建腔14移除之前被穩定至均勻的溫度，且被浸沒到淬火介質 中。淬火槽20是設置在殼體12的外面的槽，且提供流體(例如溫水)用於在構建操作之 後淬火3D物體22。在3D物體22被熱穩定以防止較低溫度的固體溶解度發生變化之後， 淬火過程期望在短時間段內執行。這保持3D物體22有期望的固體溶液品質。因此，淬火 槽20期望靠近殼體12設置，以允許3D物體22易於在完成構建操作之後被淬火。在一個 實施例中，淬火槽20也被設置在惰性氣體氣氛中，以進一步降低在淬火過程期間氧化3D物 體22的風險。在完成淬火過程之後，3D物體22然後可經歷一個或更多的後構建操作(例 如回火和澱積硬化過程)。圖2是平臺組件16和頭組件18的正透視圖，其中為了便於討論，殼體12、控制器 13、淬火槽20、3D物體22和腔壁M被省略。平臺組件16和頭組件18的布置減小了溫度 敏感部件(例如驅動電機觀、；34和36)對(在圖1中顯示的)構建腔14的溫度升高的暴 露。如圖2所示，平臺組件16的ζ軸線構臺30包括驅動皮帶輪43、驅動帶44、張緊輪皮帶輪46、惰輪皮帶輪48和導螺杆50。驅動皮帶輪42是軸向連接至驅動電機觀的可旋轉的 皮帶輪，且將驅動電機觀的旋轉動力傳送至驅動帶44。驅動帶44是與驅動皮帶輪42、張 緊輪皮帶輪46和惰輪皮帶輪48接合的帶，其將驅動皮帶輪42的旋轉動力傳送至惰輪皮帶 輪48。張緊輪皮帶輪46是可調整的皮帶輪，用於在ζ軸線構臺30的裝配期間上緊驅動 帶44與驅動皮帶輪42和惰輪皮帶輪48的接合。惰輪皮帶輪48是與導螺杆50軸向接合 的皮帶輪，從而允許旋轉惰輪皮帶輪48以相應地旋轉導螺杆50。在圖1和2顯示的實施例 中，驅動皮帶輪42、驅動帶44、張緊輪皮帶輪46和惰輪皮帶輪48位於腔壁M的外面。這 樣，驅動皮帶輪42、驅動帶44、張緊輪皮帶輪46和惰輪皮帶輪48也與構建腔14熱隔離，且 可以由各種材料(例如金屬、塑料和陶瓷)製造。在可替代的實施例中，驅動帶44、張緊輪皮 帶輪46和惰輪皮帶輪48中的一個或更多個位於腔壁M中，從而將所述部件暴露至構建腔 14的升高的溫度。在這一實施例中，驅動皮帶輪42、驅動帶44、張緊輪皮帶輪46和惰輪皮 帶輪48期望由能夠在溫度升高的構建腔14中使用的材料製造。例如，驅動帶44可以由一 種或多種鎳基合金和超耐熱合金製造，諸如商業上銷售的Special Metals Corporation, New Hartford, NY的商標為「INCONEL，，的Y，(伽馬一撇)和Y，，(伽馬兩撇)增強的超 耐熱合金(例如「 INCONEL 718」合金和「 INCONEL 939」合金)。導螺杆50是與構建平臺32螺紋接合的螺杆，用於將導螺杆50的旋轉運動轉換成 構建平臺32沿垂直ζ軸線的線性運動。在構建操作期間，控制器13發送信號給驅動電機 28用於在第一旋轉方向上旋轉驅動皮帶輪42 (由箭頭52表示)。這在與驅動皮帶輪42的 相同的旋轉方向(由箭頭53表示)繞驅動皮帶輪42、張緊輪皮帶輪46和惰輪皮帶輪48拉 動驅動帶44，從而在相同的旋轉方向上旋轉惰輪皮帶輪48和導螺杆50。由於螺紋接合，導 螺杆50的旋轉使得構建平臺32沿著垂直ζ軸線(由箭頭M表示)降低，直到控制器13 發送信號給驅動電機觀以停止旋轉。這一布置允許構建平臺32被升高和降低，同時還熱 隔離驅動電機28與構建腔14。如在圖2中進一步顯示的，頭組件18還包括臍部56，其是延伸通過腔壁M並與擠 出頭40連接的雙板折流板。臍部56是隔熱通路，其提供金屬基合金、支撐材料、冷卻劑空 氣以及電連接至擠出頭40，其中臍部56的進口(表示為進口 57)位於腔壁M的外面。加 壓的冷卻劑空氣還被傳送通過臍部56，以進一步降低臍部56的內部區域中的溫度，臍部56 的內部區域期望保持在低於約200°C的溫度，以保護設置在臍部56內的上述的部件。臍部56包括χ軸線波紋管56a和y軸線波紋管56b，其是金屬襯裡的波紋管，該 波紋管將臍部56的內部區域與溫度升高的構建腔14熱隔離。如圖所示，χ軸線波紋管56a 被構造成沿著χ軸線響應於擠出頭40沿χ軸線的移動而捲曲。類似地，y軸線波紋管56b 是臍部56的一部分，其連接至擠出頭40且被構造成沿著y軸線響應於擠出頭40沿著y軸 線的移動而捲曲。對於臍部56，這一雙板布置允許擠出頭40在水平的x-y平面內圍繞其移 動，且沒有實質的阻力，同時還允許臍部56保持足以熱隔離臍部56的內部區域的壁厚。圖3是頭組件18的頂部透視圖，還顯示在驅動電機34和36、x_y軸線構臺38、擠 出頭40和臍部56之間的接合。如圖所示，x-y軸線構臺38包括χ軸線導軌58、軌道偏置 裝置60、y軸線橋62、x軸線帶機構64以及y軸線帶機構66。X軸線導軌58是一對第一軌 道，其在構建腔14內沿著χ軸線延伸且具有被固定至軌道偏置裝置60的相對端，其中軌道
9偏置裝置60確保χ軸線導軌58保持平行布置。在一個實施例中，軌道偏置裝置60被固定 至腔壁M(圖1顯示的)。可替代地，χ軸線導軌58可以延伸通過腔壁對，使得軌道偏置 裝置60被固定至殼體12內的系統10的支撐框架(圖1顯示的)。用於χ軸線導軌58的 合適的材料包括合適用在溫度升高的構建腔14(圖1顯示的)中的材料，諸如商業上銷售 的 Graphite Metallizing Corporation, Yonkers, NY 的商標為 「GRAPHALL0Y」 的石墨金屬 混合物。Y軸線橋62包括軸承套68a和68b以及y軸線導軌70。軸承套68a和68b是支 撐軸承，其被χ軸線導軌58可滑動地保持。這允許y軸線橋62沿著χ軸線滑動。用於軸 承套68a和68b的合適材料包括具有與χ軸線導軌58較小的摩擦且合適用在溫度升高的 構建腔14中的材料。用於軸承套68a和68b的合適材料的例子包括石墨金屬混合物，諸如 上文討論的用於χ軸線導軌58的那些材料。Y軸線導軌70是第二對軌道，其沿著y軸線在 構建腔14內延伸且具有固定至軸承套68a和68b的相對端。用於y導軌70的合適的材料 還包括石墨金屬混合物，諸如上文討論的用於χ軸線導軌58的那些材料。擠出頭40包括軸承套72，其是被y軸線導軌70可滑動地保持的支撐軸承。這允 許擠出頭40沿著y軸線滑動。用於軸承套72的合適材料還包括石墨金屬混合物，諸如上 文討論的用於χ軸線導軌58的那些材料。X軸線帶機構64是x-y軸線構臺38的一部分，其與驅動電機34接合，以沿著χ軸 線移動y軸線橋62。如圖所示，χ軸線帶機構64包括驅動皮帶輪74、驅動帶76和張緊輪 皮帶輪78。驅動皮帶輪74是可旋轉的皮帶輪，其軸向連接至驅動電機34，且傳送驅動電機 34的旋轉動力至驅動帶76。驅動皮帶輪74也設置在腔壁M的外面。同樣，驅動皮帶輪74 也與構建腔14熱隔離，且可由各種材料(例如金屬、塑料和陶瓷)製造。 驅動帶76是與驅動皮帶輪74和張緊輪皮帶輪78接合的金屬帶，其允許驅動皮帶 輪74旋轉以用於旋轉驅動帶76。用於驅動帶76的合適材料包括上文討論的用於驅動帶 44 (圖2顯示的)的材料，諸如商業上銷售的Special Metals Corporation, New Hartford, NY的商標為「INC0NEL」的γ 』(伽馬撇)和Y 」(伽馬兩撇)增強的超耐熱合金(例如 「INC0NEL 718」 合金和 「 INC0NEL 939」 合金)。張緊輪皮帶輪78是可調整的皮帶輪，用於在裝配χ軸線帶機構64的期間上緊驅 動帶76與驅動皮帶輪74的接合。在圖1-3顯示的實施例中，張緊輪皮帶輪78設置在腔壁 24中，且被暴露至溫度升高的構建腔14。在這一實施例中，張緊輪皮帶輪78期望由能夠用 在所述升高溫度中的材料製造(例如高溫金屬和陶瓷)。在可替代的實施例中，驅動帶76 可以延伸通過腔壁24，使得張緊輪皮帶輪78被固定至殼體12內的系統10的支撐框架。如圖3中進一步顯示的，驅動帶76被用緊固件80固定至軸承套68b。使用這一布 置，基於驅動電機34的旋轉，驅動帶76的旋轉沿著χ軸線拉動y軸線橋62，從而沿著χ軸 線移動擠出頭40。例如在驅動電機34沿著第一旋轉方向(由箭頭82表示的)旋轉驅動皮 帶輪74時，驅動帶76沿著相同的旋轉方向(由箭頭84表示的)繞驅動皮帶輪74和張緊 輪皮帶輪78旋轉。這相應地在遠離驅動電機34和36的方向(由箭頭86表示的)上沿著 χ軸線拉動y軸線橋62。可替代地，在驅動電機34在與箭頭82相反的旋轉方向上旋轉驅 動皮帶輪74時，驅動帶76在與箭頭86相反的方向上沿著χ軸線拉動y軸線橋62。Y軸線帶機構66是x-y軸線構臺38的一部分，其與驅動電機36接合，以沿著y軸線移動擠出頭40。如圖所示，Y軸線帶機構66包括驅動皮帶輪88、驅動帶90、張緊輪皮帶 輪92和惰輪皮帶輪94 (在圖3中顯示出單個惰輪皮帶輪94)。驅動皮帶輪88是可旋轉的 皮帶輪，其軸線連接至驅動電機36且將驅動電機36的旋轉動力傳送至驅動帶90。如圖所 示，驅動皮帶輪78設置在腔壁M的外面，且與構建腔14熱隔離。驅動帶90是與驅動皮帶 輪88、張緊輪皮帶輪92和惰輪皮帶輪94接合的金屬帶，其允許驅動皮帶輪88旋轉以在驅 動皮帶輪88的旋轉方向上拉動驅動帶90。用於驅動帶90的合適的材料包括上文討論的用 於驅動帶76的那些材料。張緊輪皮帶輪92是可調整的皮帶輪，用於在χ軸線帶機構64裝配期間用於上緊 驅動帶76和驅動皮帶輪74的接合。如圖所示，張緊輪皮帶輪92也被設置在腔壁M的外 面，且期望由能夠承受與驅動帶90導熱接觸的材料製造。惰輪皮帶輪94是軸向固定至軸 承套68a和68b的可旋轉皮帶輪，且與驅動帶90接合。如圖所示，惰輪皮帶輪94設置在腔 壁對內。結果，期望惰輪皮帶輪94由能夠在溫度升高的構建腔14中使用的材料(例如高 溫金屬和陶瓷)製造。驅動帶90的末端(表示成帶末端96)被固定至固定的表面(未顯示)，從而防止 驅動帶90是完全可旋轉的，如對於驅動帶44(圖2中顯示的)和驅動帶76在上文所討論 的那樣。在一個實施例中，腔壁M(圖1中顯示的)用作保持帶末端96的固定表面。可替 代地，驅動帶90可能延伸通過腔壁M，使得帶末端96被固定至殼體12內的系統10的支 撐框架。在構建操作期間，驅動電機36在第一旋轉方向(由箭頭98表示的)上旋轉驅動 皮帶輪88，其在相同的旋轉方向(由箭頭100表示的)上繞驅動皮帶輪88和張緊輪皮帶 輪92拉動驅動帶90。如下文所討論的那樣，這使得朝向軸承套68a(由箭頭102表示)沿 著y軸線拉動擠出頭40。可替代地，當驅動電機36在與箭頭98相對的旋轉方向上旋轉驅 動皮帶輪88時，驅動帶90在與箭頭102相對的方向上沿著y軸線拉動擠出頭40。圖4是x-y軸線構臺38和擠出頭40的底部正透視圖，還顯示出擠出頭40和Y軸 線帶機構66之間的接合。如圖所示，惰輪皮帶輪94軸向地固定至y軸線橋62的軸承套 68a和68b，Y軸線帶機構66還包括軸向地固定至擠出頭40並與驅動帶90接合的惰輪皮 帶輪104和106。如上文所討論的，驅動帶90的帶末端96(圖3顯示的)被固定至固定的 位置。這樣，驅動皮帶輪88(圖3顯示的)在箭頭98的旋轉方向(圖3顯示的)上的旋轉 在箭頭100的旋轉方向上拉動驅動帶90。這相應地降低了惰輪皮帶輪104上的張力，且在 箭頭102的方向上拉動惰輪皮帶輪106(和相應的擠出頭40)。可替代地，如果驅動皮帶輪 88在與箭頭98相反的旋轉方向上旋轉，驅動帶90被在與箭頭100相反的旋轉方向上拉動， 其降低了惰輪皮帶輪106上的張力，且在箭頭108的方向(即與箭頭102相反的方向)上 拉動惰輪皮帶輪104(和相應的擠出頭40)。相應地，x-y構臺觀的使用允許擠出頭40基 於由控制器13(圖1顯示的)提供的控制信號在構建腔14內沿水平的x-y平面四處移動。如圖4進一步顯示的，擠出頭40還包括液化器部分110，其包括一對液化器和用 於沉積金屬基合金和對應的支撐材料的擠出尖端。用於擠出頭40和液化器部分110的合 適設計的例子包括在LaBossiere等的美國專利申請公開No. 2007/0003656，題目為「Rapid Prototyping System With Controlled Material Feedstock"；LaBossiere 等的美國專利 申請No. 11/396，845，題目為「Single-Motor Extrusion Head Having Multiple Extrusion Lines，，;以及Leavitt，美國專利申請No. 11/888，076，題目為"Extrusion Head For Use In
11Extrusion-Based Layered Deposition System」中所公開的設計，其中所述部件由合適用 在溫度升高的構建腔14中的材料製造(例如在上文所討論的用於軸承套68a和68b以及 驅動帶76的材料)。雖然液化器部分110顯示有兩個液化器和擠出尖端，但是擠出頭40可 以可替代地被構造成擠出單一材料(即一個液化器和擠出尖端)，或用於擠出多於兩種材 料(例如，三至十個液化器和擠出尖端)。圖5是用於擠出金屬基合金以構建3D物體22(圖1中顯示的)的擠出頭40 (圖 1-4中顯示的)的擠出管線112的放大的部分剖視圖。擠出管線112包括供給管114、冷卻 劑組件116、驅動機構118、液化器組件120以及擠出尖端122。供給管114接收來自設置 在構建腔14(圖1顯示的)外部的線124的供給源的線(表示成線124)形態的金屬基合 金，其中，線IM通過臍部56 (圖2-4中顯示的)供給至擠出頭40。線124的尺寸可以依賴 於所使用的金屬基合金以及供給管114、驅動機構118和液化器組件120的尺寸和能力而 改變。線124的合適的平均直徑的例子從約0. 508微米(約0. 020英寸)至約2. 54微米 (約0. 100英寸)範圍變化。在線124由於該徑的原因而大致剛性的實施例中，供給管114 的曲率半徑(表示成半徑126)期望至少是線124的直徑的50倍，以減小在供給管114內 的摩擦。冷卻劑組件116包括管道部分1 和多孔套130，其中管道部分1 是被構造成將 加壓的冷卻劑氣體從設置在構建腔14的外面的供給源(未顯示)傳送至多孔套130的管。 合適的冷卻劑氣體包括上文討論的用於構建腔14 (例如氬)的惰性氣體。多孔套130是多 個緊密配合的多孔熱交換器，其延伸通過供給管114的壁。這允許從管道部分1 供給的 冷卻劑氣體形成對線124的高切變(shear)的氣體薄膜，從而在與驅動機構118接合之前 降低線124的溫度。除了流過臍部56的冷卻劑氣體之外，期望使用通過冷卻劑組件116供給的冷卻劑 氣體，其幫助熱隔離臍部56的內部區域與溫度升高的構建腔14。相比，通過冷卻劑組件116 傳送的冷卻劑氣體期望在與驅動機構118接合之前直接冷卻線124。線124的金屬基合金 具有高的熱導率。這樣，在線1 留駐在液化器組件120中且當前沒有被擠出時，可以加熱 靠近驅動機構118的線124的上遊部分。這可以軟化靠近驅動機構118的線124的部分， 從而潛在地降低了驅動機構118和線124之間的接合。然而，冷卻劑組件116降低了靠近 驅動機構118的線124的溫度，其保持驅動機構118和線124之間的接合。驅動機構118包括驅動輥132和惰輥134，其被構造成接合和握緊線124。期望驅 動輥132被連接至驅動電機(未顯示)，其允許驅動輥132和惰輥134將線124供給到液化 器組件120。在一個實施例中，用於驅動機構118的驅動電機設置在擠出頭40中，且通過臍 部56的冷卻劑氣體而與構建腔14熱隔離。可替代地，驅動機構118的驅動電機可以設置 在構建腔14的外部，且經由延伸通過臍部56的齒輪和/或帶機構而與驅動輥132相互連 接。液化器組件120是擠出頭40的一部分，其設置在液化器部分110中且包括液化器 管136和液化器塊138。液化器管136是延伸通過液化器塊138的薄壁導熱管，其具有靠近 驅動機構118的進口和在擠出尖端122處的出口。在一個實施例中，冷卻劑氣體還被供給 到液化器管136的進口附近，以防止線124的上遊部分被加熱。液化器管136為線IM提 供了行進通過液化器塊138的路徑，且可以包括一種或更多的內表面塗層，以幫助金屬基合金的流動且降低在金屬基合金和液化器組件120之間的化學攻擊的風險。液化器管136 的合適的內表面塗層的例子包括碳化物塗層，諸如碳化矽。可替代地，液化器管136可以由 穩定的材料製造，諸如石墨和陶瓷。液化器塊138是加熱塊，用於沿著液化器塊138基於熱輪廓將線IM熔化成期望 的流動圖案。由於金屬基合金的高熱導率(相對於熱塑性材料)，沿著液化器塊138的熱輪 廓的長度可以被減少，其相應地降低了在構建操作過程中的流動響應時間。擠出尖端122 是固定至液化器組件120的擠出尖端，且具有用於沉積金屬基合金的路線的尖端直徑，其 中路線的寬度和高度部分地基於尖端的直徑。擠出尖端122的合適的尖端直徑的例子是從 約250微米(約IOmils)至約510微米QOmils)的範圍變化。在一個實施例中，擠出尖端 122包括非潤溼環，以降低金屬基合金在擠出尖端122的外部積累的風險。通過(從驅動電機)施加旋轉動力至驅動輥132，金屬基合金被擠出而通過擠出頭 40的擠出管線112。驅動輥132和惰輥134的摩擦抓握力將旋轉動力轉換成施加至線IM 的驅動壓力。驅動壓力迫使線124的連續的部分進入到液化器管136中，其中通過液化器 塊138將金屬基合金加熱至可擠出的狀態。如下文所討論的，通過加熱金屬基合金至金屬 基合金的半固體狀態來達到可擠出的狀態。對於金屬基合金，這產生了適合於擠出的軟泥 狀一致性。如下文進一步討論的，在一個實施例中，金屬基合金被加熱至金屬基合金的半固 體狀態時的溫度，在所述半固態其基本上在冷卻時保持線124的原始晶粒結構(例如基本 上沒有枝晶)，其保持原始晶粒結構的物理特性。線124的未熔化的部分作為具有粘性泵作用的活塞起作用，以通過液化器管136 和擠出尖端122擠出加熱的金屬基合金，從而擠出加熱的金屬基合金。迫使線IM進入液 化器管136和擠出金屬基合金所需要的驅動壓力基於幾個因素，諸如對金屬基合金流動的 阻力，驅動輥132的軸承摩擦、在驅動輥132和惰輥134之間的握緊摩擦和其它因素，所有 的這些因素抵抗由驅動輥132和惰輥134施加至線124的驅動壓力。金屬基合金沉積成預定的圖案，以一層又一層的方式構建3D物體22。就象被擠 出的熱塑性材料那樣，金屬基合金的擠出過程典型地顯示出一種自平坦化的作用。這是由 於壓力反饋，其中之前沉積的合金使得指向上遊的壓力抵著被從擠出尖端122擠出出的合 金。壓力反饋基於幾個因素，諸如通過與之前擠出出的且冷卻的合金接觸而導致合金冷卻， 來自在擠出尖端122處聚積的合金的回壓力，以及由於擠出尖端122上的限制而造成的液 化器組件120的有效時間常數的變化。這一壓力反饋改變了線IM和驅動輥132/惰輥134 之間的接合，其改變金屬基合金的擠出速度而誘發了自平坦化作用。在可替代的實施例中， 單獨的平坦器組件(未顯示)可以被併入系統10，用於為層或3D物體22和/或對應的支 撐結構提供額外的平坦化過程。如上文所討論的，期望構建腔14的溫度允許沉積的金屬基合金冷卻到合金的玻 璃化轉化溫度以下，從而允許沉積的合金保持其形狀和支撐隨後沉積的層。而且，不管合金 的高熱導率，由於它在構建腔14中冷卻，所以溫度升高的構建腔14降低了機械扭曲沉積的 金屬基合金的風險。這樣，可以用線124的金屬基合金構建3D物體22，其顯示出良好的物 理特性，同時還基本上保持了(用沉積的熱塑性材料能夠獲得的)同一期望的沉積圖案。雖然在上文討論了將擠出頭40和液化器組件用於沉積過程，但是擠出管線112可 以被各種不同的給料驅動機構和液化器布置替代。例如，系統10可以包括一個或更多的兩級泵組件，諸如在Batchelder等美國專利No. 5，764，521和Skubic等的美國專利申請 No. 12/069，536中所公開的那些。這一實施例有利於將擠出金屬基合金所使用的驅動電機 放置在腔壁M的外面，從而熱隔離驅動電機與溫度升高的構建腔14。可替代地，系統10可 以包括一個或更多的冷凍閥組件，諸如在Batchelder等美國專利No. 6，578，596中所公開 的那些。圖6是與臍部56 —起使用的擠出頭140的正透視圖，其中擠出頭140對於用於系 統10中的擠出頭40(在圖1-5中所顯示的)是另一備選。與包括擠出管線112(圖5中顯 示的)的擠出頭40相比，擠出頭140包括擠出管線142、供給管144、冷卻劑螺線管146、冷 卻劑管線148以及冷凍閥組件150。因此，擠出頭140用作混合型的液化器/冷凍閥設計， 其中金屬基合金在擠出管線142被加熱成可擠出的狀態，且從冷凍閥組件150進行沉積。擠出管線142包括供給管154、冷卻劑組件156、驅動機構158、液化器組件160以 及過濾器162，其中供給管154、冷卻劑組件156、驅動機構158以及液化器組件160可以與 擠出管線112(圖5中顯示的)供給管114、冷卻劑組件116、驅動機構118以及液化器組件 120相同的方式起作用。然而，期望擠出管線142位於腔壁對的外面(如圖1所顯示的)， 從而熱隔離擠出管線142與溫度升高的構建腔14。這有利於保護擠出管線142的溫度敏感 部件(例如用於驅動機構158的驅動電機)免於暴露至升高的溫度。過濾器162設置在液 化器組件160的下遊，且被構造成過濾掉由加熱的金屬基合金攜帶的殘餘雜質(例如氧化 物)。供給管144延伸通過臍部56且互連擠出管線142和冷凍閥組件150。因此，供給管 144將來自擠出管線142的加熱的金屬基合金傳送至冷凍閥組件150。還期望冷卻劑螺線管146位於構建腔14的外面，且作為流控制設備被構造成調節 經由冷卻劑管線148至冷凍閥組件150的冷卻劑氣體的流。冷卻劑螺線管146包括氣體進 入口 164，其是用於接收加壓的冷卻劑氣體的埠。合適與冷卻劑螺線管146—起使用的 冷卻劑氣體的例子包括上文討論的用於構建腔14 (例如氬氣)的惰性氣體。這允許惰性氣 體的單個源被用於供給惰性氣體而用於構建腔14、供給冷卻劑氣體而用於臍部56，以及供 給冷卻劑氣體而用於操作冷凍閥組件150。冷卻劑螺線管146基於由控制器13(圖1顯示 的)所提供的信號(經由冷卻劑管線148)調整到冷凍閥組件150的冷卻劑氣體的流。冷 卻劑管線148延伸通過臍部56且互連冷卻劑螺線管146和冷凍閥組件150，用於將來自冷 卻劑螺線管146的冷卻劑空氣的流傳送至冷凍閥組件150。冷凍閥組件150是沉積組件，諸如在Batchelder等的美國專利No. 6，578，596中 所公開的那種，其被x-y軸線構臺(例如，χ-y軸線構臺38，圖1-4中顯示)保持，用於在水 平的x-y平面內圍繞構建腔移動。冷凍閥組件150期望包括具有高熱阻的流路徑管(未顯 示)，用於接收和沉積來自供給管線144的加熱的金屬基合金。在來自冷卻劑管線148的冷 卻劑氣體被迫繞流路徑管的外部流動時，冷卻劑氣體以大於管被加熱的速度的熱傳遞速度 從管和金屬基合金吸取熱量。這使得管關閉，從而有效地阻擋金屬基合金的流。在冷卻劑 氣體的流(經由冷卻劑螺線管146)被停止時，管熱起來而打開用於金屬基合金的流路徑。 這允許金屬基合金被沉積(由箭頭166表示)，用於以逐層的方式形成3D物體22(圖1顯 示的)。由於快速的可實現的響應時間，冷凍閥組件150尤其適合於與金屬基合金一起使 用。例如，用於操作冷凍閥組件150的響應時間可以低於一毫秒，其基本上小於用熱塑性材
14料可實現的響應時間(例如約10毫秒)。另外，擠出頭140的混合型液化器/冷凍閥設計 允許可移動的部件(例如冷卻劑螺線管146和驅動機構158)設置在構建腔14的外面，而減 小了構建腔14內的溫度敏感部件的數量。這相應地增加了系統10中的部件的操作壽命。圖7是擠出頭168和臍部56的正透視圖，其示出了對用於系統10中的擠出頭 140(圖6中顯示的)的一種替代。擠出頭168以類似於擠出頭140的方式起作用，且包括 擠出管線170、供給管172、螺線管組件174、冷卻劑管線176a_176c以及冷凍閥組件178。擠 出管線170和供給管線176以與擠出管線142和供給管線144(圖6顯示的)相同的方式 起作用，用於通過臍部56傳送加熱的金屬基合金至冷凍閥組件178。螺線管組件174包括冷卻劑螺線管174a_17k和氣體進入口 184，其中每一冷卻劑 螺線管174a-17k以與冷卻劑螺線管146 (圖6顯示的)相同的方式起作用，氣體進入口 180 以與氣體進入口 164(圖6顯示的)相同的方式起作用。相應地，冷卻劑螺線管174a-17k 基於由控制器13(圖1中顯示的)提供的信號調整分別通過冷卻劑管線176a和176c至冷 凍閥組件178的冷卻劑氣體的流。冷凍閥組件178是以與冷凍閥組件150 (圖6顯示的)相同的方式起作用的沉積組 件。然而，與包括單個沉積管線的冷凍閥組件150相比，冷凍閥組件178包括三個單獨的沉 積管線，用於沉積由擠出管線170供給的金屬基合金。分別由來自冷卻劑螺線管174a-17k 的被調整的冷卻劑氣體流分別控制三個單獨的沉積管線。這允許金屬基合金被沉積在多個 獨立的沉積管線(由箭頭182a-182c表示的)中，用於以逐層的方式形成3D物體22 (圖1 中顯示的)。雖然在上文討論的擠出頭168包括單個擠出管線(S卩，擠出管線170)，但是擠出頭 168可以可替代地包括用於供給多種材料至冷凍閥組件178的多個擠出管線。例如，擠出 頭168可以包括用於螺線管組件174中的每個冷卻劑螺線管的擠出管線，諸如用於金屬基 合金的一個或更多的擠出管線和用於支撐材料的一個或更多的擠出管線。另外，雖然公開 的是螺線管組件174具有三個冷卻劑螺線管(即冷卻劑螺線管17^-174c)，但是螺線管組 件174可以可替代地包括能沉積來自冷凍閥組件178的材料的不同數量的冷卻劑螺線管。 用於螺線管組件174的合適數量的冷卻劑螺線管的例子可以是從一個到十個，尤其合適的 數量從約兩個至六個的範圍內，甚至更加尤其合適的數量是從兩個至四個的範圍內。圖8是擠出頭184和臍部56的正透視圖，其示出了對用在系統10中的擠出頭 140(圖6中顯示的)的另一備選。擠出頭184以類似於擠出頭140的方式起作用，且包括 擠出管線186、供給管188、冷卻劑螺線管190、冷卻劑管線192以及冷凍閥組件194。在這 一實施例中，冷卻劑螺線管190、冷卻劑管線192以及冷凍閥組件194以與上文討論的對於 擠出頭140(圖6中顯示的)冷卻劑螺線管146、冷卻劑管線148以及冷凍閥組件150相同 的方式起作用。然而，擠出管線186被用於代替擠出管線142(圖6中顯示的)，其中擠出管 線186是泵基的擠出管線，其包括驅動電機196、冷卻劑組件198和液化器組件200。驅動電機196是連接至液化器組件200的電機，且經由冷卻劑組件198與液化器 組件200熱隔離。液化器組件200是螺杆泵液化器，其包括貯液器202、擠出通道204、螺杆 206和通風孔208。貯液器202是腔，在所述腔中，供給的金屬基合金(被稱作合金210)期 望被加熱至可擠出的狀態並被供給至擠出通道204。還期望貯液器202包括層212 (例如石 墨層)，其浮在被加熱的被供給的合金210上。層212可有利地降低在合金210上的氧化攻擊的風險，且還可以作為熱隔離層起作用以保持貯液器202內的熱量。因為金屬基合金在 貯液器202中被加熱至可擠出的狀態，所以合金210可以被以各種介質的形式(例如粉末、 小球和線)供給至擠出管線186。擠出通道204是用於保持螺杆206的通道，其連接至供給管線188。螺杆206是 軸向連接至驅動電機196的擠出螺杆，並驅動合金210通過擠出通道204至供給管線188。 通風孔208是氣體和液體溢流通風孔，其降低了在操作期間過壓所述擠出通道204的風險。 在操作期間，合金210被螺杆206的旋轉驅動通過擠出通道204和供給管線188至冷凍閥 組件194。之後，冷凍閥組件194響應於來自冷卻劑螺線管190的冷卻劑空氣的調整流，擠 出加熱的金屬基合金。這允許金屬基合金被沉積(由箭頭214表示)，從而以逐層的方式形 成3D物體22 (圖1中顯示的)。雖然在上文討論擠出頭184包括單個擠出管線(即，擠出管線186)和單個冷卻劑 螺線管(即冷卻劑螺線管190)，但是擠出頭184可以可替代地包括多個擠出管線和/或多 個冷卻劑螺線管，用於供給多種材料至冷凍閥組件194，如在上文對擠出頭168 (圖7中顯示 的)所討論的那樣。圖9是示例性的金屬A和金屬B的溫度對組分的二元相圖，其顯示出用於與系統 10 (圖1中顯示的)一起使用的合適的金屬基合金。此處所指的所有溫度是基於在構建操 作期間的構建腔14的壓力(被稱作「操作壓力」)。如上文所討論的，操作壓力可以是在真 空或部分壓力條件下，被用惰性氣體加壓而高於氣氛壓力或用惰性氣體達到氣氛壓力。如圖9所示，純金屬A(即由金屬B的重量計為0% )在Tma具有熔化溫度，純金屬 B(即由金屬B的重量計為100% )在Tmb具有熔化溫度，其中Tma高於因此，純金屬A 和B分別在Tma和Tmb在固相和液相之間切換。然而，在純金屬A和B之間的組分，金屬基合 金形成固相線216和液相線218之間的半固相。在固相線216以下，金屬基合金僅以固相 存在，在液相線以上，金屬基合金僅以液相存在。然而，在半固相中，金屬基合金由固相晶體 和液體構成，從而顯示出軟泥狀的一致性。例如，重量為約75%的金屬A和約25%的金屬B構成的金屬基合金具有固相線溫 度Ts和液相線溫度IV。在固相線溫度Ts以下的溫度，金屬基合金以固相存在，且不能從系 統10擠出。可替代地，在高於液相線溫度IY的溫度，金屬基合金以液相存在。液相也不適 合於用於擠出金屬基合金而構建3D物體。在液相下的金屬基合金的粘性在被沉積到構建 平臺32(圖1和2中顯示的)時不足以保持其形狀，也不足以支撐隨後沉積的層。然而，在固相線溫度Ts和液相線溫度IY之間，金屬基合金以半固相存在，其中金屬 基合金的粘性隨著溫度從固相線溫度Ts增加至液相線溫度IY而降低。因此，金屬基合金可 以在系統10中被加熱至具有適於從擠出頭40 (圖1-4中顯示的)、擠出頭140 (圖6中顯示 的)、擠出頭168(圖7中顯示的)和/或擠出頭184(圖8中顯示的)擠出的粘性。對擠出 金屬基合金來說，合適粘性的例子從約1泊至約1000泊的範圍變化，尤其合適的粘性從約 5泊至約500泊的範圍變化，甚至更加尤其合適的粘性從約10泊至約100泊的範圍變化。相應地，用於與系統10 —起使用的合適金屬基合金包括包含兩種或更多的金屬 元素的任何合金，且顯示至少一種半固體狀態(例如非純的元素和非共晶的合金)。合適的 金屬基合金的例子包括(AlSi)鋁矽合金，諸如包括重量為約90%至重量為約95%的鋁以 及重量為約5%至重量為約10%的矽的AlSi合金。合適的合金顯示出相對低的液相線溫度，且具有用於粘性控制的在它們的固相線溫度和液相線溫度之間的合適的範圍。商業上 銷售的合適的AlSi合金的例子包括A356和A357澆鑄合金。期望每一種合適的金屬基合金在系統10中加熱至合適的溫度，從而提供半固相 內的合適的粘性以用於擠出。期望金屬基合金在系統10內處理期間不被加熱到高於它們 的液相線溫度。加熱金屬基合金高於其液相線溫度然後冷卻合金返回到其半固相，基本消 除合金的原始晶粒結構，在冷卻時會形成枝晶。另外在通過傳統的澆鑄技術製造的模型中 普遍發現枝晶的形成，這降低了金屬基合金的物理特性。相反，在系統10中使用的金屬基合金期望被加熱至用於擠出的合適粘性的範圍 內的溫度，這還在半固相中提供了高濃度的固體晶體。在沉積和再次固化期間，這大致上保 持了原材料合金線的原始晶粒結構，且降低了枝晶的形成。另外，在一個實施例中，在與系 統10 —起使用之前，金屬基合金被熱處理。在這一實施例中，被熱處理的金屬基合金也被 加熱至在半固相中合適的溫度以用於擠出。在以逐層的方式沉積和再次固化之後，合金基 本上保持了其原始的熱處理特性。例子在下述的例子中更加具體地描述了本發明，其的目的是僅是用作說明，這是因為 在本發明的範圍內的諸多修改和變化對本領域技術人員來說是明顯的。除非另外指出，在 下述的例子中所記錄的所有份數、百分比以及比例是基於重量，在例子中所使用的所有試 劑可以從下文描述的化學供應商處獲得或購買得到，或可以通過傳統的技術合成。用來自擠出頭的鋁矽(AlSi)合金來執行基於擠出的構建操作，以確定達到具有 適於擠出的粘性的半固相合金的可行性。圖10是鋁和矽的溫度對組分的部分二元相圖，其 顯示出AlSi合金的溫度相位輪廓。AlSi合金包括重量為約93%的鋁和重量為約7%的矽 (即AlSi合金A357)，且具有約575°C的固相線溫度和約620°C的液相線溫度。AlSi合金的金相結構基本上沒有枝晶，且顯示出具有為14微米的平均直徑的矽 顆粒島。合金被加熱至約610°C的溫度，且被成功地以逐層的方式擠出以形成3D物體。對 所獲得的3D物體中的AlSi合金的分析顯示AlSi合金保持基本上沒有枝晶。這樣，加熱 AlSi合金至合金的半固相內的溫度基本上保持了合金的原始晶粒結構。此外，AlSi合金的 使用也有利於防止氫吸收，氫吸收典型地在等於或高於約650°C的溫度下發生。由AlSi合金構成的樣本金屬也被加熱至低於和高於AlSi合金的液相線溫度的擠 出溫度，以確定溫度在合金的晶粒結構上的作用。圖11是經受擠出溫度之前的AlSi合金 線的顯微圖。圖11-13中顯示的線的每一個都嵌入到環氧樹脂中，重疊返回至大致杆的軸 線、被拋光且被蝕刻以幫助觀察合金的晶粒結構。如圖11所示，AlSi合金顯示出小的平均 晶粒尺寸，具有均勻分布的矽顆粒。第一組的AlSi合金線被加熱至約610°C的擠出溫度，其將AlSi合金線設置到半 固相中，持續時間30分鐘。圖12是在被加熱至半固相和再次固化之後AlSi合金線的顯微 圖。如圖所示，所獲得的AlSi合金沒有枝晶，矽顆粒熔化以形成小的聚結(約5個矽顆粒 聚結成單個聚結顆粒)。因此，合金的原始晶粒結構基本上被保持。第二組AlSi合金線被加熱至高於合金的液相線溫度的溫度(即高於約620°C )， 其完全熔化合金。圖13是在被加熱高於液相線溫度和再次固化之後比較例A的AlSi合金 線的顯微圖。如圖所示，所獲得的AlSi合金顯示出大的枝晶結構，其通常在鑄件中。這樣
17的枝晶結構可能不利地影響所獲得的合金的物理特性。相反，然而如圖12所示，加熱AlSi 合金至提供適於擠出的粘性的且在半固相內的溫度，允許合金被以逐層的方式擠出以形成 3D物體，其中所獲得的AlSi合金的3D物體基本上保持其原始的晶粒結構。
雖然參考優選的實施例描述了本發明，但是本領域技術人員將認識到可以在不背 離本發明的精神和範圍的情況下在形式和細節上進行改變。
權利要求
1.一種用金屬基合金構建三維物體的數位化製造系統，所述系統包括 構建腔，被構造成保持在至少約200°C的一個或更多溫度；構建平臺，設置在所述構建腔中；至少一個擠出管線，被構造成加熱所述金屬基合金到所述金屬基合金的固相線溫度和 所述金屬基合金的液相線溫度之間的溫度；沉積頭，設置在所述構建腔內，且被構造成將所述加熱的金屬基合金以預定的圖案沉 積到所述構建平臺上；臍部，具有位於所述構建腔的外面的第一端和連接至所述沉積頭的第二端；和 至少一個構臺組件，被構造成導致在所述構建腔內在所述沉積頭和構建平臺之間的相 對運動，其中所述至少一個構臺組件包括設置在所述構建腔外面的電機。
2.根據權利要求1所述的數位化製造系統，其中所述構建腔被構造成保持在的一個或 更多的所述溫度是在從約400°C至約700°C的範圍中。
3.根據權利要求1所述的數位化製造系統，其中所述擠出管線包括 驅動機構，被構造成接收和驅動所述金屬基合金的給料；液化器組件，被構造成接收來自所述驅動機構的被驅動的給料，且還被構造成加熱所 述給料的金屬基合金至所述金屬基合金的固相線溫度和所述金屬基合金的液相線溫度之 間的溫度；和擠出尖端，被構造成接收加熱的金屬基合金。
4.根據權利要求1所述的數位化製造系統，其中所述金屬基合金包括鋁和矽，所述鋁 構成金屬基合金的重量約90%至重量約95%，所述矽構成所述金屬基合金的重量約5%至 重量約10%。
5.根據權利要求1所述的數位化製造系統，其中所述至少一個擠出管線設置在所述構 建腔的外面，且被構造成驅動加熱的金屬基合金通過所述臍部至所述沉積頭。
6.根據權利要求1所述的數位化製造系統，其中所述沉積頭包括 冷凍閥組件，設置在所述構建腔中；和至少一個冷卻劑螺線管，設置在所述構建腔的外面，且被構造成將冷卻劑氣體傳送至 所述冷凍閥組件。
7.根據權利要求1所述的數位化製造系統，其中所述至少一個構臺組件包括至少一個螺紋螺杆，其與所述構建平臺螺紋接合，用於將所述螺紋螺杆的旋轉運動轉 換成所述構建平臺沿至少一個軸線的線性運動；和帶機構，可操作地與所述電機和所述至少一個螺紋螺杆接合，用於將所述電機的旋轉 動力轉換成所述螺紋螺杆的旋轉運動。
8.根據權利要求1所述的數位化製造系統，其中所述至少一個構臺組件包括 至少一個第一軸線導軌，沿著第一軸線延伸；至少一個軸承套，可滑動地保持在所述至少一個第一軸線導軌上； 至少一個第二軸線導軌，沿著垂直於所述第一軸線的第二軸線延伸，其中所述至少一 個第二軸線導軌被所述至少一個軸承套保持，其中所述沉積頭可滑動地保持在所述至少一 個第二軸線導軌上；第一帶機構，可操作地與所述電機和所述至少一個軸承套接合，所述第一帶機構被構造成將所述電機的旋轉動力轉換成所述軸承套沿所述第一軸線的線性運動；和第二帶機構，可操作地與所述沉積頭以及設置在所述構建腔外面的第二電機接合，所 述第二帶機構被構造成將所述第二電機的旋轉動力轉換成所述沉積頭沿所述第二軸線的 線性運動。
9.根據權利要求1所述的數位化製造系統，其中所述臍部包括被構造成沿著第一軸線 捲曲的第一折流板和被構造成沿著大致垂直於所述第一軸線的第二軸線捲曲的第二折流 板。
10.一種用於用數位化製造系統以逐層的方式構建三維物體的方法，所述方法包括 加熱所述數位化製造系統的構建腔到至少約200°c的一個或更多溫度；在所述數位化製造系統的擠出管線中加熱金屬基合金，其中所述金屬基合金被加熱到 所述金屬基合金的固相線溫度和所述金屬基合金的液相線溫度之間的溫度；將來自所述數位化製造系統的沉積頭的被加熱的金屬基合金以預定的圖案沉積到所 述數位化製造系統的構建平臺上；和固化所述被加熱的金屬基合金以提供基本上沒有枝晶的再次固化的合金。
11.根據權利要求10所述的方法，還包括基本上從所述構建腔去除包含氧氣的氣體。
12.根據權利要求10所述的方法，其中所述構建腔被加熱至的一個或更多溫度是在約 400°C至約700°C的範圍中。
13.根據權利要求10所述的方法，其中所述沉積頭包括冷凍閥組件，其中所述方法還 包括將冷卻劑氣體從所述構建腔的外面設置的冷卻劑螺線管傳送至所述冷凍閥組件。
14.根據權利要求10所述的方法，其中所述擠出管線設置在所述構建腔的外面，所述 沉積頭設置在所述構建腔內，其中所述方法還包括從所述擠出管線驅動被加熱的金屬基合 金通過熱隔離的臍部至所述沉積頭。
15.一種用數位化製造系統以逐層的方式構建三維物體的方法，所述方法包括 基本上從所述數位化製造系統的構建腔去除包含氧氣的氣體；加熱所述構建腔到至少約200°C的一個或更多的溫度；提供包括鋁和矽的合金，所述鋁構成所述合金的重量約90%至重量約95%，所述矽構 成所述合金的重量約5%至重量約10% ；加熱所述合金到高於所述合金的固相線溫度且低於所述合金的液相線溫度的溫度； 將被加熱的合金以預定的圖案沉積到所述數位化製造系統的構建平臺上；和 固化沉積的合金。
16.根據權利要求15所述的方法，其中所述構建腔被加熱到的一個或更多溫度是在從 約400°C至約700°C的範圍中。
17.根據權利要求15所述的方法，其中所述構建腔被加熱至的一個或更多溫度是在從 約500°C至約650°C的範圍中。
18.根據權利要求15所述的方法，其中所述被加熱的合金被從設置在所述構建腔內的 沉積頭沉積，其中所述方法還包括利用設置在所述構建腔外面的電機，在所述構建腔內沿 著至少一個軸線移動所述沉積頭。
19.根據權利要求15所述的方法，還包括將被加熱的合金從所述構建腔外面的位置傳 送到設置在所述構建腔內的沉積頭。
20.根據權利要求15所述的方法，還包括淬火所述固化的合金。
全文摘要
一種數位化製造系統(10)包括構建腔(14)、設置在構建腔(14)內的構建平臺(32)、被構造成將金屬基合金加熱至金屬基合金的固相線溫度和液相線溫度之間的溫度的至少一個擠出管線、設置在構建腔(14)中且被構造成以預定的圖案將被加熱的金屬基合金沉積到構建平臺(32)上的沉積頭(40)、具有位於構建腔(14)外面的第一端和連接至沉積頭(40)的第二端的臍部(56)、和被構造成導致在構建腔(14)內的構建平臺(32)和沉積頭(40)之間的相對運動的至少一個構臺組件(16、38)，其中所述至少一個構臺組件(16、38)包括設置在構建腔(14)外面的電機(28、34、36)。
文檔編號B29C41/02GK102066072SQ200980123984
公開日2011年5月18日 申請日期2009年6月18日 優先權日2008年6月24日
發明者J·塞繆爾·巴徹爾德, 斯科特·S·克倫普, 約翰·巴尼特, 羅伯特·L·津內爾, 蒂莫西·桑普森 申請人:斯特拉塔西斯公司