CN108247048A - 原料源、包括该原料源的选择性激光熔化成型设备及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种原料源、包括该原料源的选择性激光熔化成型设备及方法。所述原料源包括沿供料方向顺序设置的多个原料层，所述多个原料层包括粉体，且所述多个原料层的粉体的平均粒径沿供料方向减小。因此，通过使用所述原料源进行诸如选择性激光熔化工艺的增材制造工艺，可以改善所得产品的机械性能和表面质量。

Description

原料源、包括该原料源的选择性激光熔化成型设备及方法
技术领域
本发明涉及一种原料源、包括该原料源的选择性激光熔化成型设备及方法。
背景技术
增材制造(Additive Manufacturing)是一种采用材料逐渐累加的方法进行制造的技术。在增材制造技术中，提出了一种选择性激光熔化(SLM，Selective laser melting)技术。即，诸如金属或金属合金的粉体在激光的作用下被选择性地熔化并然后经冷却凝固而成型。粉体的粒径以及不同粒径的粉体的分布对由SLM技术得到的产品的机械性能具有十分显著的影响。如果选择的粒径不当，则可能使最终得到的产品中存在气孔、裂纹等缺陷，使得产品的致密度下降，从而可能严重影响产品的机械性能，例如强度，延伸率，以及疲劳和持久的性能，而且也会影响产品的表面质量。
发明内容
本发明旨在解决上述和/或其他技术问题，并因此提供一种可以改善增材制造工艺所得产品的机械性能和表面质量的原料源、包括该原料源的选择性激光熔化成型设备及方法。
根据示例性实施例，提供了一种原料源，所述原料源包括沿供料方向顺序设置的多个原料层，所述多个原料层包括粉体，且所述多个原料层的粉体的平均粒径沿供料方向减小。在诸如选择性激光熔化工艺的增材制造工艺中，所述原料源可以按照平均粒径不断增大的方式提供的作为原料的粉体。因此，可以防止所得的产品出现致命缺陷，改善了所得的最终产品的机械性能和表面质量。
所述多个原料层包括顺序设置的第1原料层至第N原料层，其中，包括在第i原料层中的粉体的粒径的范围的最小值大于包括在第i-1原料层中的粉体的粒径的范围的最小值，且小于或等于包括在第i-1原料层中的粉体的粒径的范围的最大值，其中，1<i≤N。例如，所述多个原料层包括四个原料层，其中，第1原料层包括的粉体的粒径在10微米至50微米的范围内，第2原料层包括的粉体的粒径在20微米至60微米的范围内，第3原料层包括的粉体的粒径在30微米至70微米的范围内，第4原料层包括的粉体的粒径在40微米至80微米的范围内。或者，所述多个原料层包括四个原料层，其中，第1原料层包括的粉体的平均粒径为30微米，第2原料层包括的粉体的平均粒径为40微米，第3原料层包括的粉体的平均粒径为50微米，第4原料层包括的粉体的平均粒径为60微米。此外，所述原料源的粉体包括适用于选择性激光熔化的金属或金属合金，例如，Inconel 718合金(IN718)。因此，所述原料源可以更加充分的使用各种粒径的粉末，从而减少了原料，节约成本。
根据另一示例性实施例，提供了一种选择性激光熔化成型设备，所述设备包括一激光成型装置和如上所述的原料源，所述原料源被构造为向激光成型装置提供原料。因此，当所述选择性激光熔化成型设备进行选择性激光熔化成型操作时，所述原料源可以按照平均粒径不断增大的方式提供的作为原料的粉体。因此，可以防止所得的产品出现致命缺陷，改善了所得的最终产品的机械性能和表面质量。例如，所述原料源被构造为在选择性激光熔化成型过程中沿供料方向顺序地将所述多个原料层中包括的粉体提供到激光成型装置。
根据又一示例性实施例，提供了一种原料源的制造方法，所述方法包括：在原料源的原料容纳空间中设置多个原料层，以使所述多个原料层沿供料方向顺序排列，其中，所述多个原料层包括粉体，且所述多个原料层的粉体的平均粒径沿供料方向减小。
根据又一示例性实施例，提供了一种选择性激光熔化成型方法，其特征在于，所述方法包括：沿供料方向顺序地将原料源中包括的多个原料层中的粉体提供到激光成型装置，其中，多个原料层沿供料方向顺序设置在原料源中，且所述多个原料层的粉体的平均粒径沿供料方向减小；对提供到激光成型装置的粉体执行选择性激光熔化成型工艺。此外，根据又一示例性实施例，提供了通过如上选择性激光熔化成型方法制造的产品。
根据示例性实施例，当进行例如选择性激光熔化工艺的增材制造工艺时，首先可以对平均粒径较小的粉体层进行成型，然后可以对平局粒径较大的粉体层进行成型，从而可以减小由于高温熔化收缩导致粉体层和得到的实际产品层之间的偏差。此外，因为提供的粉体的平均粒径逐渐增加，所以可以防止上述偏差随着产品层数的增加，(或者说产品的高度的增加)而逐渐增大，从而防止最终产品出现致命缺陷，提高了最终产品的机械性能和表面质量。另外，根据示例性实施例的原料源可以更加充分的使用各种粒径的粉末，从而减少了原料，节约成本。
附图说明
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围，在附图中，
图1是示出根据示例性实施例的原料源的示意图；
图2是示出根据示例性实施例的原料层的分布和粉体的粒径的示图；
图3是示出根据示例性实施例的选择性激光熔化成型设备的示意图。
附图标记说明
100 原料源 1、2、……、N 原料层 300 选择性激光成型设备
310 原料源 330 激光成型装置
311 原料缸 313 供料活塞 315 供料辊
331 成型缸 333 成型活塞 335 激光器
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
图1是示出根据示例性实施例的原料源的示意图。如图1所示，根据示例性实施例的原料源100可以包括多个原料层，例如，第1原料层1、第2原料层2、……、第N原料层N。
根据示例性实施例的原料源100可以为用于增材制造工艺或设备的原料源。因此，多个原料层1、2、……、N可以包括粉体。在一个示例性实施例中，原料源100可以为用于选择性激光熔化(SLM，Selective Laser Melting)工艺或设备的原料源。例如，多个原料层1、2、……、N包括的粉体可以包括适用于选择性激光熔化的金属或金属合金，例如，Inconel718合金(IN718)。IN718是一种含铌、钼的沉淀硬化型镍铬铁合金。IN718具有很高的强度、良好的韧性及耐高温性能。然而，示例性实施例不限于此，包括在原料源中的粉体还可为其他具有高强度及耐高温性能的材料。
多个原料层1、2、……、N可以沿供料方向顺序设置，如图1中所示。同时，多个原料层1、2、……、N中包括的粉体的平均粒径可以彼此不同，例如，可以沿供料方向减小。如此，当使用根据示例性实施例的原料源100进行增材制造或SLM工艺时，可以沿供料方向首先提供平均粒径最小的第1原料层中的粉体。然后，提供平均粒径大于第1原料层的第2原料层至第N原料层中的粉体。即，根据示例性实施例的原料源100可以按照平均粒径不断增大的方式提供的作为原料的粉体。因此，如将在下文中进行详细描述的，当进诸如选择性激光熔化工艺的增材制造工艺时，首先对平均粒径较小的粉体层进行成型，然后对平局粒径较大的粉体层进行成型，从而可以减小由于高温熔化收缩导致粉体层和得到的实际产品层之间的偏差。此外，因为提供的粉体的平均粒径逐渐增加，所以可以防止上述偏差随着产品层数的增加，(或者说产品的高度的增加)而逐渐增大，从而防止最终产品出现致命缺陷，改善了所得的最终产品的机械性能和表面质量。另外，根据示例性实施例的原料源可以更加充分的使用各种粒径的粉末，从而减少了原料，节约成本。
图2是示出根据示例性实施例的原料层的分布和粉体的粒径的关系的示图。如图2中所示，多个原料层1、2、……、N的粉体的平均粒径沿供料方向减小。在图2中示出的示例性实施例中，多个原料层1、2、……、N可以包括四个原料层1、2、3、4，其中，第1原料层包括的粉体的平均粒径为30微米，第2原料层包括的粉体的平均粒径为40微米，第3原料层包括的粉体的平均粒径为50微米，第4原料层包括的粉体的平均粒径为60微米。
为此，每个原料层可以包括在粒径在一定范围内的粉体。例如，在第1原料层至第N原料层中，包括在第i原料层中的粉体的粒径的范围的最小值可以大于包括在第i-1原料层中的粉体的粒径的范围的最小值，且可以小于或等于包括在第i-1原料层中的粉体的粒径的范围的最大值，其中，1<i≤N。
在图2中示出的示例性实施例中，多个原料层1、2、……、N可以包括四个原料层1、2、3、4。第1原料层包括的粉体的粒径可以在10微米至50微米的范围内，第2原料层包括的粉体的粒径可以在20微米至60微米的范围内，第3原料层包括的粉体的粒径可以在30微米至70微米的范围内，第4原料层包括的粉体的粒径可以在40微米至80微米的范围内。
在图2中示出的实施例性实施例中，每个原料层中包括的粒径不同的粉体的分布可以的关系可以符合正态分布。然而，示例性实施例不限于此，在其他的示例性实施例中，每个原料层中包括的粒径不同的粉体可以具有各种分布形式，或者，每个原料层中包括的粉体的粒径可以基本相同。
图3是示出根据示例性实施例的选择性激光熔化(SLM)成型设备的示意图。如图3中所示，根据示例性实施例的选择性激光熔化成型设备300可以包括原料源310和激光成型装置330。
原料源310可以是上面描述的根据示例性实施例的原料源。原料源310可以向激光成型装置330提供原料。
具体地将，原料源310可以包括供给原料缸311、供料活塞313和供料辊315。供料活塞313设置在原料缸311中，并可在原料缸311中运动。因此，原料缸311和供料活塞313一起限定了原料容纳空间。多个原料层可以顺序设置在原料容纳空间中，且多个原料层的粉体的平均粒径可以沿供料方向减小。供料辊315可以设置在原料刚311的原料供给口处。当供料活塞313在原料缸311中运动以使多个原料层中最靠近原料供给口的原料层的一部分或全部通过原料供给口暴露到原料缸311之外时，供料辊315可以推动暴露的原料，以将暴露的原料提供或运送到激光成型装置330。
激光成型装置330可以包括成型缸331和成型活塞333。成型塞333设置在成型缸331中，并可以在成型缸331中运动。因此，成型刚331和成型活塞333一起限定了成型空间。此外，激光成型装置330还可以包括激光器335。激光器335可以生产激光束并将产生的激光照射到成型空间。
下面简要描述根据示例性实施例的选择性激光熔化成型设备300的操作。
首先，供料活塞313可以在原料缸311中运动，以使多个原料层中最靠近原料供给口的原料层的一部分或全部通过原料供给口暴露到原料缸311之外。然后，供料辊315可以推动将暴露的原料，以将暴露的原料提供或运送到激光成型装置330，以填充在由成型缸331和成型活塞333一起限定的成型空间中。
然后，激光器335可以将激光束照射到成型空间中的原料，从而选择性地使被照射的原料地熔化并凝固成期望的图案。然后，成型活塞333在成型缸331中运动，以在成型缸中333形成新的成型空间。
可以重复上述操作，直到最终得到期望的成型产品。
如上所述，原料源310可以包括沿供料方向顺序设置的多个原料层，且多个原料层的粉体的平均粒径可以沿供料方向减。因此，在上述的选择性激光成型工艺过程中，原料源310可以沿供料方向顺序地将多个原料层中包括的粉体提供到激光成型装置。换句话说，根据示例性实施例的原料源310可以按照平均粒径不断增大的方式提供的作为原料的粉体。具体地讲，在根据示例性实施例的选择性激光熔化成型方法中，首先，原料源310可以将第1原料层中包括的平均粒径最小的粉体提供到激光成型装置330，并由激光成型装置330对平均粒径最小的粉体进行激光成型工艺。然后，当第1原料层中包括的粉体全部被提供到激光成型装置330之后，原料源310可以将第2原料层中包括的平均粒径大于第1原料层中的粉体的平均粒径的粉体提供到激光成型装置330，并由激光成型装置330进行激光成型工艺。最后，原料源310可以将第N原料层中包括的平均粒径最大的粉体提供到激光成型装置330，并由激光成型装置330进行激光成型工艺，从而最终得到根据示例性实施例的选择性激光熔化成型方法制造的产品。
根据示例性实施例的原料源310可以通过下面的方法来制造，即，可以在原料源310的原料容纳空间中设置多个原料层，以使所述多个原料层沿供料方向顺序排列，其中，所述多个原料层包括粉体，且所述多个原料层的粉体的平均粒径沿供料方向减小。例如，可以首先将平均粒径最小的粉体填充到原料源310的原料容纳空间中，以形成与原料源310的原料提供口相邻的第N原料层。然后，可以将平均粒径大于第N原料层的粉体的平均粒径的粉体填充到原料源310的原料容纳空间中，以形成与第N原料层相邻的第N-1原料层。最终，将平均粒径最大的粉体填充到原料源310的原料容纳空间中，以形成第1原料层，从而得到根据示例性实施例的原料源310。然而，示例性实施例不限于此，可以以与供料方向相反的方向顺序设置第1原料层至第N原料层，以得到根据示例性实施例的原料源350。
因此，根据示例性实施例，当进行例如选择性激光熔化工艺的增材制造工艺时，首先可以对平均粒径较小的粉体层进行成型，然后可以对平局粒径较大的粉体层进行成型，从而可以减小由于高温熔化收缩导致粉体层和得到的实际产品层之间的偏差。此外，因为提供的粉体的平均粒径逐渐增加，所以可以防止上述偏差随着产品层数的增加，(或者说产品的高度的增加)而逐渐增大，从而防止最终产品出现致命缺陷，提高了最终产品的机械性能和表面质量。另外，根据示例性实施例的原料源可以更加充分的使用各种粒径的粉末，从而减少了原料，节约成本。
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.原料源(100、310)，其特征在于，所述原料源包括沿供料方向顺序设置的多个原料层，所述多个原料层包括粉体，且所述多个原料层的粉体的平均粒径沿供料方向减小。
2.如权利要求1所述的原料源，其特征在于，所述多个原料层包括顺序设置的第1原料层至第N原料层，其中，包括在第i原料层中的粉体的粒径的范围的最小值大于包括在第i-1原料层中的粉体的粒径的范围的最小值，且小于或等于包括在第i-1原料层中的粉体的粒径的范围的最大值，其中，1<i≤N。
3.如权利要求2所述的原料层，其特征在于，所述多个原料层包括四个原料层，其中，第1原料层包括的粉体的粒径在10微米至50微米的范围内，第2原料层包括的粉体的粒径在20微米至60微米的范围内，第3原料层包括的粉体的粒径在30微米至70微米的范围内，第4原料层包括的粉体的粒径在40微米至80微米的范围内。
4.如权利要求1所述的原料层，其特征在于，所述多个原料层包括四个原料层，其中，第1原料层包括的粉体的平均粒径为30微米，第2原料层包括的粉体的平均粒径为40微米，第3原料层包括的粉体的平均粒径为50微米，第4原料层包括的粉体的平均粒径为60微米。
5.如权利要求1所述的原料层，其特征在于，粉体包括适用于选择性激光熔化的金属或金属合金。
6.选择性激光熔化成型设备，其特征在于，所述设备包括：
一激光成型装置(330)；
一如权利要求1至权利要求5中任意一项所述的原料源(310)，被构造为向激光成型装置提供原料。
7.如权利要求6所述的选择性激光熔化成型设备，其特征在于，所述原料源被构造为在选择性激光熔化成型过程中沿供料方向顺序地将所述多个原料层中包括的粉体提供到激光成型装置。
8.原料源的制造方法，其特征在于，所述方法包括：
在原料源的原料容纳空间中设置多个原料层，以使所述多个原料层沿供料方向顺序排列，其中，所述多个原料层包括粉体，且所述多个原料层的粉体的平均粒径沿供料方向减小。
9.选择性激光熔化成型方法，其特征在于，所述方法包括：
沿供料方向顺序地将原料源中包括的多个原料层中的粉体提供到激光成型装置，其中，多个原料层沿供料方向顺序设置在原料源中，且所述多个原料层的粉体的平均粒径沿供料方向减小；
对提供到激光成型装置的粉体执行选择性激光熔化成型工艺。
10.通过如权利要求9所述的选择性激光熔化成型方法制造的产品。
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