[发明专利]用于由两个焊枪通过固体自由成形制造来构建金属物体的方法和设备

说明书

提供了一种用于通过固体自由成形制造来制造物体的系统和方法，该物体尤其是钛和钛合金物体，其中，通过使用两个单独的热源来增加沉积速率，一个热源用于加热基材上的沉积区域，并且一个热源用于加热并熔化金属材料，诸如金属丝或粉末化金属材料。

相关申请

2013年9月27日提交的题为“用于通过固体自由成形制造来构建金属物体的方法和设备”的美国专利申请序列号14/008,307，其为国际申请日为2012年3月30日的题为“用于通过固体自由成形制造来构建金属物体的方法和设备”的国际专利申请号PCT/NO2012/000033的美国国家阶段，该申请要求2011年3月31日提交的题为“用于通过固体自由成形制造来构建金属物体的方法和设备”的英国专利申请号GB 1105433.5的优先权，上述每个专利申请的主题的全部内容通过并入本文。

技术领域

本发明涉及一种用于通过固体自由成形制造来制造物体(特别是钛和钛合金物体)的方法和设备。

背景技术

由钛或钛合金制成的结构化金属部件通常通过由坯料铸造、锻造或加工制成。这些技术的缺点在于大量使用昂贵的钛金属材料和制造交付时间长。

可以通过称为快速原型制造、快速制造、分层制造、固体自由成形制造(SFFF)、添加制造、添加制作和3D打印的制造技术来制造全致密的物理物体。该技术使用计算机辅助设计(CAD)软件来首先构建待制造的物体的虚拟模型，然后将虚拟模型转换成通常水平定向的薄的平行切片或层。然后可以通过将液体、糊剂、粉末或其他可成层、可涂抹或流体形式(诸如熔化的金属，例如来自熔化的焊丝)的连续原材料层放样或者将其预成形为类似于虚拟层的形状的片材直到形成整个物体来制造物理物体。这些层可以熔合在一起以形成固体致密物体。

固体自由成形制造是一种灵活的技术，其允许以相对快的生产率形成几乎任何形状的物体，这对于每个物体通常需要从几小时到几天不等。因此，该技术适用于原型的形成和小批量生产，并且可以按比例增加以进行大批量生产。

可以扩展分层制造技术以包括构造材料的片的沉积，即，物体的虚拟模型的每个结构层被分成一组片，它们在并排放置时形成所述层。这允许通过根据物体的虚拟分层模型在形成每层的连续条带中将金属丝焊接到基板上并且对每层重复该过程直到形成整个物理物体来形成金属物体。焊接技术的精度通常过于粗糙，以致不能直接形成具有可接受尺寸的物体。因此，所形成的物体通常被认为是需要被加工成可接受尺寸精度的绿色物体或预成型件。

电子束自由成形制造在本领域中是已知的(例如，参见Taminger等人(在2002年8月5日至7日在德克萨斯州奥斯汀举行的第13届固体自由成形制造研讨会上发表的“通过电子束自由成形制造的2219铝的特性”；在德克萨斯大学奥斯汀分校的论文集(2002年)；Taminger等人(在2003年9月9日至10日在密歇根州特洛伊的第三届年度汽车复合材料会议论文集“电子束自由成形制造：快速金属沉积工艺”塑料工程师协会(2003年)；以及Taminger和Hafley(“用于成本效益的近净形状制造的电子束自由成形制造”，NATO/RTOAVT-139关于通过净形状加工进行成本效益制造的专家会议(荷兰阿姆斯特丹，2006年)(NATO)，第9-25页))。Taminger和Hafley(2006)描述了一种用于直接从结合电子束自由成形制造(EBF)的计算机辅助设计数据制造结构金属部件的方法和装置。结构部件通过焊接在金属焊丝的连续层上构建，金属焊丝通过由电子束提供的热能焊接。EBF工艺涉及将金属丝供给到由聚焦电子束在高真空环境中形成和维持的预热区域或熔池中。通过使电子束枪和支撑基板的致动器沿一个或多个轴线(X、Y、Z和旋转)可移动地铰接并通过四轴运动控制系统调节电子束枪和支撑基板的位置来获得电子束和焊丝的定位。据称该工艺在材料使用方面几乎100％有效，在功耗方面效率达95％。该方法可以用于块状金属沉积和更精细的详细沉积，并且与传统的金属部件加工方法相比，该方法要求对缩短交货时间以及降低材料和加工成本具有显著影响。