[发明专利]增材制造

说明书

本发明涉及一种粉末床熔融增材制造方法，包括在逐层加工期间在粉末床中形成部件。该方法可以包括在不熔化的情况下，用能量束烧结选定的粉末区域，以形成邻近部件的至少一个支撑部；以及用能量束熔化其他选定的粉末床区域，以通过逐层熔化材料形成部件。该方法可以包括将能量束引导到选定的粉末区域以形成易碎支撑部，该易碎支撑部包括充当固体并且提供压缩支撑的粘结粉末；以及用能量束熔化粉末床的其他区域，以通过逐层熔化材料形成部件。

技术领域

本发明涉及粉末床熔融增材制造。

背景技术

增材制造方法(在某些情况下可能被称为“3D打印”)通常通过以逐层的方式积聚材料来形成三维制品。与传统制造技术相比，增材制造具有若干优势，例如：增材制造几乎不限制部件的几何形状；增材制造可以减少材料浪费(因为即使是复杂几何形状，也可以制成其最终净形状或接近其最终净形状)；并且增材制造不需要专用工具，因此能够灵活地制造小批量或单独定制的产品。

粉末床熔融是一种特殊类型的增材制造，其特别适用于高强度材料，比如金属合金。在粉末床熔融中，在基板上提供薄粉末层，并将其选择性地暴露于能量源(例如激光束或电子束)以熔融该层的部分。通常通过降低支撑粉末的平台，在固化层上提供另一粉末层，并选择性地熔融该后续层。这使得新层内的粉末熔融并且熔融到前一层的熔融区域。重复该过程以在逐层的基础上构建完整部件。

虽然“激光烧结”经常用作金属粉末床制造的通用术语，但是本领域技术人员将意识到，完全熔化金属粉末的方法和烧结金属粉末的方法之间存在重要的技术区别。一些粉末床熔融方法在逐层增材制造加工中仅使粉末部分熔化或烧结。在这种情况下，所生产的三维零件可能需要进一步的后加工，以完全熔融成最终零件。相比之下，已经开发了其他方法，其中在逐层增材制造加工中，粉末不仅熔融在一起，而且被液化以将粉末颗粒熔化成均匀部分。这种全熔化工艺包括称为“直接激光熔化”或“选择性激光熔化”和“电子束熔化”的工艺。

除了减少后加工之外，完全熔化工艺在生产具有低孔隙率和更好晶体结构的更坚固零件方面具有优势。然而，完全熔化工艺的一个缺点是在最终部件中产生残余应力。这些残余应力是金属在熔化和随后在添加层工艺中冷却期间热膨胀和收缩的结果。这种残余应力可能使得最终零件变形或开裂。随着增材制造采用更高强度材料(比如所谓的“超级合金”)，制造过程中材料的残余应力可能变得更大。

为了解决残余应力问题，已知在支撑基底上形成部件，如例如在美国专利US5753274中所示出的。在部件与基底之间设置支撑结构。支撑结构可以例如包括格栅结构或蜂窝结构，比如在美国专利US 5595703中所示的支撑件。虽然某些部件由于零件几何形状的原因可能需要一些支撑(例如，为了防止在形成过程中悬垂部下沉)，但是对支撑结构的主要需求通常是解决大量残余应力。在准备增材制造的部件设计时，包括用于将部件刚性锚固到基底的支撑结构。然后，该支撑结构与部件一起在逐层基础上构建，使得部件的三维特征部在整个增材制造过程中完全锚固到基底。基底可以是与粉末相同的金属材料的较大块体。

当生产增材制造的部件时，支撑结构不仅增加额外的设计和制造步骤，而且还需要额外的后加工。一旦通过增材制造加工制造出部件时，该部件最初将保持牢牢地锚固到基底上。可以对部件施加应力消除加工，以减小或消除最终部件中的残余应力。在这种加工之后，从基底上移除部件是安全的而不会有部件变形或开裂的风险。将部件从基底移除需要切除支撑结构，并将支撑结构完全从部件上移除，以提供最终部件几何形状。支撑部的移除是耗时的，并且通常可能是增加部件制造的成本和技术劳动的手动操作。此外，当部件被制造成具有非常严格的几何公差时，移除支撑部可能引起困难并影响部件的最终表面光洁度，例如可能需要处理部件上与支撑部附接的位置处的毛刺或瑕疵。

虽然市场上可获得的粉末床增材制造效果很好，但是期望提供可以降低或消除对传统支撑结构的需求的改进的方法和设备。减少或移除支撑结构，或者减少或消除后加工，可以减少材料使用和/或加工时间。本发明的实施例可以提供解决这些问题中的一个或多个的改进的增材制造方法。

发明内容