增材制造方法和设备技术

用于制造物体(50)的方法和设备。所述方法和设备需要在基材上向第一量的粉末材料(60)施加脉冲激光能量(42)，以便在所述基材上将粉末材料(60)的颗粒熔合到第一层中，随后通过在第一层上向至少第二量的粉末材料(60)施加脉冲激光能量(42)，在第一层上形成至少一个另外的层，以便在第一层上将粉末材料(60)的颗粒熔合到至少一个另外的层中。所述脉冲激光能量(42)以受控方式施加，使得改变第一和第二量的粉末材料(60)的固化动力学，以促进第一层和另外的层的至少一种微观结构特性。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利说明】増材制造方法和设备相关申请的交叉引用本申请要求2012年11月I日提交的美国临时申请61/721，341的权益，其内容通过引用结合到本文中。专利技术背景本专利技术总体上涉及适于实施增材制造(AM)过程的方法和设备，具体地，采用能量束来选择性熔合粉末材料以生产物体的AM过程。更具体地，本专利技术涉及在AM过程中使用脉冲的导向能量束来实现预定的致密化和微观结构演进的方法和系统。AM过程总体上涉及一种或多种材料累积以制备净形或近净形(NNS)物体，与减材制造方法相反。虽然“增材制造”为工业标准术语(ASTM F2792)，但AM包括以多种名称已知的各种制造和原型技术，包括自由成型制造、3D印刷、快速原型/工具加工等。AM技术能由宽泛的材料制造复杂的组件。总的来说，可由计算机辅助设计(CAD)模型制造独立式物体。一种特别类型的AM过程使用能量束(例如，电子束或电磁辐射，例如激光束)来烧结或熔融粉末材料，产生其中粉末材料的颗粒结合在一起的固体三维物体。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。激光烧结或熔融为用于快速制造功能原型和工具的著名的AM过程。应用包括用于熔模铸造的图案、用于注塑和压铸的金属模具和用于砂铸的模具和芯。制造原型物体以增强在设计周期期间观念的交流和测试为AM过程的其它常见的用途。激光烧结为常见的工业术语，用于指通过使用激光束来烧结或熔融细粉末而生产三维(3D)物体。更精确地，烧结需要在低于粉末材料的熔点的温度下熔合(聚结)粉末的颗粒，而熔融需要完全熔融粉末的颗粒以形成固体均质物料。与激光烧结或激光熔融相关的物理过程包括向粉末材料传热，随后烧结或熔融粉末材料。虽然激光烧结和熔融过程可应用于宽泛的粉末材料，但还未充分理解生产路线的科学和技术方面，例如，烧结或熔融速率和在层制造过程期间加工参数对微观结构演进的影响。该制造方法伴随多种模式的热量、质量和动量传递以及使得过程非常复杂的化学反应。激光烧结/熔融技术通常需要在基材上在受控量的粉末(通常为金属)材料上投射激光束，以便在其上形成熔合的颗粒或熔融的材料的层。通过沿着预定的路径(通常称为扫描图案)相对于基材移动激光束，可在基材上在两个维度上限定层，层的宽度由其中照射粉末材料的激光束的直径决定。扫描图案通常包含平行的扫描线，也称为扫描矢量或影线(hatch line)，并且两个相邻的扫描线之间的距离通常称为影线间距(hatchspacing)，其通常小于激光束的直径，以便实现充分的重叠，以确保完全烧结或恪融粉末材料。沿着所有或一部分扫描图案重复移动激光能够使材料的其它层沉积，随后烧结或熔融，从而制造三维物体。在过去，已使用连续波(CW)激光实施激光烧结和熔融技术，通常为在1064 nm下操作的Nd:YAG激光。这可实现特别适于修复应用的高材料沉积速率或随后的机械加工操作可接受的情况，以便得到成品物体。然而，该方法本身不能提供以精密公差和高品质表面整饰生产近净形物体。这些方法面临的另一个障碍是在最终产品中存在微观结构缺陷(例如，空隙、杂质或包含物)。这样的缺陷可导致灾难性失败。鉴于以上，可理解的是，存在与激光烧结和熔融技术相关的某些问题、短处或缺点，并且期望可得到改进的方法和设备并且能够以精密公差和/或高品质表面整饰生产近净形物体，和/或在成品物体中在沉积层之间能降低或消除裂纹、包含物和孔。专利技术概述本专利技术提供了一种适用于AM (增材制造)技术的方法和设备，其中使用能量束来选择性烧结(熔合)或熔融粉末材料，以生产3D物体。根据本专利技术的第一方面，制造物体的方法需要在基材上向第一量的粉末材料施加脉冲激光能量，以便在所述基材上将粉末材料的颗粒熔合到第一层中，随后通过在第一层上向至少第二量的粉末材料施加脉冲激光能量，在第一层上形成至少一个另外的层，以便在第一层上将粉末材料的颗粒熔合到至少一个另外的层中。脉冲激光能量以受控方式施加，使得改变第一和第二量的粉末材料的固化动力学，以促进包含第一层和另外的层的物体的至少一种微观结构特性。本专利技术的其它方面包括适于实施包括上述步骤的方法的设备以及通过包括上述步骤的方法制造的制品。本专利技术的技术效果是能够适当地调节激光束脉冲，以准确和精确地控制施加于粉末材料的热量的量，特别是用于实现对由此生产的最终物体的特性精细很多的控制，例如，减少(如果并非不存在)微观结构缺陷，例如，空隙、杂质、包含物，特别是微裂纹和孔结构。不希望局限于任何具体的理论，我们认为脉冲激光能量控制对材料的固化动力学的效果影响通过能量沉积在材料中诱导的暂时的和空间的热梯度，与热梯度匹配的所得到的瞬时、局部、温度-依赖性材料性质，和所得到的材料的物理响应或微观结构特性。参考以下讨论的实施方案来更充分地解释这些和其它方面。应理解的是，总的来说，一个实施方案的特征也可与另一个实施方案的特征组合使用，并且实施方案不旨在限制本专利技术的范围。附图简述结合附图，在以下详细说明中描述本专利技术的各种示例性实施方案，随着描述的进行，这些实施方案将变得更加显而易见，其中:图1描述包括本专利技术的某些方面的设备的图。图2显示使用恒波技术(顶部)和脉冲波技术(中心和底部)生产的物体的横截面的显微照片。专利技术详述以下定义适用于本专利技术。在本上下文中使用的"机械性能"指包括韧性(例如，断裂韧性)、延展性、抗蠕变性和中间温度强度。术语〃超合金〃通常旨在包括络合的基于钴或镍的合金，其包括一种或多种其它元素，例如，铼、铝、钨、钼、钛和/或铁。这样的材料描述于各种参考文献，包括美国专利6，475，642 ;5，399,313 ;和4，116，723，其通过引用结合到本文中。本文使用的术语“AM过程”(也称为“增材制造”方法)指产生可用的三维物体并且包括一次一层地序贯形成物体的形状的步骤的任何过程。AM过程包括三维印刷(3DP)过程、激光-净形制造、直接金属激光烧结(DMLS)、直接金属激光熔融(DMLM)、等离子体转移的电弧、自由成型制造等。一种特别类型的AM过程使用能量束，例如，电子束或电磁辐射例如激光束，以烧结或熔融粉末材料。AM过程通常采用相对昂贵的金属粉末材料或金属丝作为原料。3DP过程的一个实例可在2000年3月14日颁布的Sachs的美国专利6，036, 777中找到。本专利技术总体上涉及AM过程作为制造物体(制品、组件、零件、产品等)的快速方式，其中序贯形成多个薄的单元层，以生产物体。更特别是，铺设粉末材料的层并且使用能量束(例如，激光束)照射，使得在每一层内粉末材料的颗粒序贯烧结(熔合)或熔融，使层固化。根据本专利技术的一个优选的方面，采用脉冲-激光增材制造(AM)设备来产生脉冲激光束和实施能通过在粉末材料的连续层内完全熔融颗粒以形成固体均质物料，生产三维物体的激光熔融方法。激光烧结/熔融技术的详细描述可在美国专利4，863，538、美国专利5，017，753、美国专利5，076, 869和美国专利4，944，817中找到。使用这种类型的制造过程，通过在床中扫描材料的横截面，使用激光束来选择性熔合粉末材料。基于期望的物体的三维描述，扫描这些横截面。该描述可由各种来源得到，例如，计算机辅助设计(CAD)文件、扫描数据或一些其它来源。根据本专利技术的某些方面，粉末材料可为金属材本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造物体(50)的增材制造方法，所述方法包括：在基材上向第一量的粉末材料(60)施加脉冲激光能量(42)，以便在所述基材上将粉末材料(60)的颗粒熔合到第一层中；通过在所述第一层上向至少第二量的粉末材料(60)施加脉冲激光能量(42)，在所述第一层上形成至少一个另外的层，以便在所述第一层上将粉末材料(60)的颗粒熔合到至少一个另外的层中；其中所述脉冲激光能量(42)以受控方式施加，使得改变第一和第二量的粉末材料(60)的固化动力学，以促进包含所述第一层和另外的层的物体(50)的至少一种微观结构特性。

【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：PM肯尼，DE林利，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：美国;US