CN111344139A - 用于优化增材制造部件中的粉末去除特征的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了用于优化粉末孔去除的技术。在一个方面，用于***粉末去除特征的装置可以识别哪些粉末去除特征对于给定的AM部件是最优的，以及这些特征的最优位置和物理特征。这些特征会被自动添加到部件中，并运行FEA测试。如果失败，则删除带来问题的特征并重复该过程。如果成功，则可以在AM之后的后处理步骤中去除松散粉末。

Description

用于优化增材制造部件中的粉末去除特征的装置和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求题为“APPARATUS AND METHODS FOR OPTIMIZATION OF POWDERREMOVAL FEATURES IN ADDITIVELY MANUFACTURED COMPONENTS”并且于2017年9月12日提交的的美国专利申请号15/702,543的权益，其通过引用整体并入本文。
技术领域
本公开一般地涉及用于增材制造的技术，并且更具体地说，涉及增材制造部件中的粉末去除技术。
背景技术
增材制造(AM)，通常称为三维(3D)打印，涉及使用存储的几何模型在“构建板”上累积分层材料，以生成具有由模型定义的特征的三维对象。AM技术能够使用各种各样的材料打印复杂部件。基于计算机辅助设计(CAD)模型，可以制作三维对象。
AM处理，如粉末床熔合(PBF)，使用激光或电子束熔化并熔合粉末状材料层的横截面。熔化使粉末颗粒在每一层的目标区域结合在一起，形成具有期望的几何形状的三维结构。不同的材料或材料组合，例如工程塑料、热塑性弹性体、金属和陶瓷可用于PBF中以创建三维对象。
在增材制造结构物后，大量松散粉末会分散地残留并嵌入结构物内。为了解决该问题，设计者在CAD模型结构中手动指定孔。被放置在数据模型中的孔然后被物理地构建到AM结构中，并且被用于从AM处理后的结构中提取残余粉末。然而，这一过程是手动完成的，因此效率很低。此外，涉及至少部分猜测的手动孔放置过程可能不会产生最佳的粉末去除构造。例如，这种手动放置可能会导致在难以接近或结构的其他不希望的部分中无意地放置孔。一般而言，这一常规过程可能涉及到用手动孔放置对CAD模型进行初始修改，接下来，可以在CAD模型上进行结构完整性的有限元分析(“FEA”)测试，并且可能需要更改孔的初始手动放置以调节识别到的结构缺陷。此过程可能需要重复多次，并且随着要增材制造的部件类型数量的增加而变得越来越繁琐。
发明内容
下文将参照三维打印技术更全面地描述用于从AM部件中自动去除粉末的技术的几个方面。
在一个方面，一种用于在增材制造的部件中自动***粉末去除特征的方法包括接收待增材制造的部件的模型，自动确定部件中用于粉末去除的一个或多个孔的最佳尺寸和位置，并更新模型以包括所确定的一个或多个粉末去除孔。
在另一方面中，一种用于从具有至少一个孔的增材制造的部件中除去粉末的方法包括接收所述部件的数据模型，基于所述数据模型增材制造所述部件，使用所述至少一个孔从增材制造的部件中去除存留的粉末，并且使用至少一种材料进行铺叠处理以密封所述至少一个孔。
在另一方面中，一种三维打印机包括：用于存储粉末的粉末床；配置成沉积粉末的连续层的沉积器；能量束；配置成应用能量束来熔合粉末的偏转器；配置成支撑构建件的构建板；以及处理***，其被配置成接收待增材制造的部件的模型，确定部件中用于粉末去除的一个或多个孔的最佳尺寸和位置，更新模型以包括所确定的一个或多个粉末去除孔，并使用所更新的模型来控制能量束以三维打印构建件。
在再一方面，用于在增材制造的部件中自动***粉末去除特征的装置被配置成确定部件中用于粉末去除的一个或多个孔的最佳尺寸和位置，并且更新模型以包括所确定的一个或多个粉末去除孔。
可以理解，从以下的详细描述中，本领域技术人员将清楚地看到增材制造的输送结构的其他方面，其中仅通过图解的方式示出和描述了几个实施例。如本领域技术人员将实现的，用于从AM部件中自动去除粉末的技术能够实现其他的且不同的实施例，并且实施例的几个细节能够在各种其他方面进行修改，均都不背离本发明。因此，附图和详细描述在性质上应被视为说明性的，而不是限制性的。
附图说明
现在将在附图中以示例的方式而不是以限制的方式在详细描述中呈现用于从AM部件中自动去除粉末的技术的方法和装置的各个方面，其中：
图1示出了使用三维打印机增材制造物体的过程的概念流程图。
图2A-D示出了示例在不同操作阶段期间的粉末床熔合(PBF)***。
图3示出了根据本公开一个方面的用于促进从AM结构中去除粉末的装置的示例性实施例。
图4A-B是示出了用于自动将孔和通道***数据模型中以基于该模型从AM结构中去除粉末的示例性过程的流程图。
图5是具有粉末去除特征的示例性AM结构的视图。
具体实施方式
以下结合附图所述的详细描述旨在提供AM技术的自动粉末孔***和去除技术的各种示例性实施例的描述，并且不旨在表示本发明可以被实施的唯一的实施例。在本公开中使用的术语“示例性”是指“用作示例、实例或说明”，并且不一定应被解释为优选或优于本发明中呈现的其他实施例。详细描述包括具体细节，其目的在于提供彻底和完整的公开，该公开将本发明的范围完全传达给本领域技术人员。然而，本发明可以在没有这些具体细节的情况下实施。在一些情况下，众所周知的结构和部件可以以框图的形式示出，或者完全省略，以避免混淆贯穿本公开的各种概念。
本公开主要涉及用于将通道和孔自动***建模的AM结构中以用于在增材制造结构后从实际AM结构中去除粉末的技术。已经开发或正在开发各种不同的AM技术。本公开中描述的技术对于现有的AM技术类别以及正在开发或将来可能开发的AM技术具有广泛的适用性。下面将进一步示出被称为粉末床熔合的特定AM类型的技术的示例。
图2是示出三维打印的示例性过程的流程图100。在软件中设计要打印的期望的三维对象的数据模型(步骤110)。数据模型是三维对象的虚拟设计。因此，数据模型可以反映三维对象的几何和结构特征及其材料组成。数据模型可以使用多种方法创建，包括基于CAE的优化、三维建模、摄影测量软件和相机成像。例如，基于CAE的优化可以包括基于云的优化、疲劳分析、线性或非线性有限元分析(FEA)和耐久性分析。
三维建模软件进而可以包括众多商用三维建模软件应用之一。数据模型可以使用合适的计算机辅助设计(CAD)软件包(例如为STL格式)来呈现。STL是与基于STL的商用CAD软件相关联的文件格式的一个示例。可以使用CAD程序将三维对象的数据模型创建为STL文件。因此，STL文件可以经历识别和解决文件中的错误的处理。
在错误解决之后，数据模型可以被称为切片器的软件应用程序“切片”，从而产生一组用于三维打印对象的指令，这些指令与要使用的特定AM技术相兼容和关联(步骤120)。许多切片机程序都是商用的。通常，切片器程序将数据模型转换为表示要打印的对象的薄片(例如100微米厚)的一系列单独层，与包含打印机特定的指令的文件一起，用于三维打印这些连续的单独层，以生成数据模型的实际AM表示。
用于此目的的一种常见文件类型是G代码文件，它是包括用于三维打印对象的指令的数控编程语言。G代码文件或构成指令的其它文件被上传到三维打印机(步骤130)。由于包含这些指令的文件通常被配置为可与特定AM处理一起操作，应理解的是，取决于所使用的AM技术，可能有许多格式的指令文件。
除了指示要呈现的对象和如何呈现该对象的打印指令外，还使用几种常规且通常是打印机特定的方法中的任何一种，将三维打印机呈现该对象所需的适当物理材料加载到三维打印机中(步骤140)。在选择性激光烧结(SLS)印刷、选择性激光熔化(SLM)和其他方法中，材料可以作为粉末装载到腔室中，其将粉末送入构建平台的。取决于三维打印机，可以使用其他装载打印材料的技术。
然后基于所提供的使用材料的指令打印三维对象的各个数据切片(步骤150)。在熔合沉积模型中，如上所述，通过将模型的连续层和支撑材料层应用于基板来打印零件。如上所述，为了本公开的目的，可以使用任何合适的AM技术。
一类AM技术包括粉末床熔合(“PBF”)。例如，PBF-AM技术包括选择性激光熔化(SLM)、选择性激光烧结(SLS)、直接金属激光烧结(DMLS)、电子束熔化(EBM)和选择性热烧结(SHS)。和FDM一样，PBF也会逐层创建“构建件”。每一层或每一“片”都是通过沉积一层粉末并将部分粉末暴露在能量束下形成的。能量束被应用于熔化粉末层的区域，该区域与该层中的构建件的横截面一致。熔化的粉末冷却并熔合，形成一片构建件。可以重复该过程以形成下一片构建件，依此类推。每一层都沉积在前一层的上面。最终形成的结构是一个从地面一片一片组装起来的构建件。
在使用SLM的三维打印机中，激光扫描粉末床，并且在需要结构的地方将粉末熔化在一起，并避免扫描切片数据表明无需打印的区域。该过程可以重复数千次，直到形成期望的的结构，然后从制造器处移除打印的零件。
图2A-D示出了示例性PBF***200在不同操作阶段期间的相应侧视图。如上所述，图2A-D所示的具体实施例是采用本公开的原理的PBF***的许多适当示例之一。还应当指出的是，本公开中的图2A-D和其他图的元件不一定按比例绘制，而是可以为了更好地说明本文中描述的概念而绘制更大或更小的图形。PBF***200可以包括能够沉积每层金属粉末的沉积器201、能够产生能量束的能量束源203、能够应用能量束来熔合粉末的偏转器205以及能够支撑一个或多个构建件(例如构建件209)的构建板207。PBF***200还可以包括位于粉末床容器内的构建底板211。粉末床容器212的壁大体上限定粉末床容器的边界，粉末床容器从侧面夹在壁212之间，并且邻接下面的构建底板211的一部分。构建底板211可以逐渐降低构建板207，使得沉积器201可以沉积下一层。整个机械可以位于能够封闭其它部件的腔室213中，从而保护设备，实现大气和温度调节并减轻污染风险。沉积器201可包括包含粉末217(例如金属粉末)的漏斗215和可使每层沉积的粉末的顶部水平的校平器219。
具体参考图2A，该图示出了在一片构建件209熔合之后，但在沉积下一层粉末之前的PBF***200。实际上，图2A示出了PBF***200已经在多个层(例如150层)中沉积和熔合切片以形成构建件209的当前状态(例如由150片形成)的时间。已经沉积的多层已形成粉末床221，其中包括沉积但未熔合的粉末。
图2B示出了在构建底板211可以降低粉末层厚度223的阶段的PBF***200。构建底板211的降低使构建件209和粉末床221以粉末层厚度223下降，使得构建件和粉末床的顶部比粉末床容器壁212的顶部低了等于粉末层厚度的量。以这种方式，例如，可以在构建件209和粉末床221的顶部上创建具有等于粉末层厚度223的一致厚度的空间。
图2C示出了在沉积器201被定位为将粉末217沉积在空间中的阶段的PBF***200，该空间被创建于构建件209和粉末床221的顶面上，并且由粉末床容器壁212界定。在该示例中，沉积器201逐渐地在所定义的空间上移动，同时从漏斗215释放粉末217。校平器219可以使释放的粉末水平以形成粉末层225，其厚度基本上等于粉末层厚度223(见图2B)。因此，PBF***中的粉末可由粉末支撑结构支撑，其可以包括例如构建板207、构建底板211、构建件209、壁212等。应当指出的是，所示粉末层225的厚度(即粉末层厚度223(图2B))大于涉及上文参照图2A讨论的250个先前沉积层的示例的实际厚度。
图2D示出PBF***200，在粉末层225沉积之后(图2C)，能量束源203产生能量束227，偏转器205应用能量束来熔合构建件209中的下一片。在各种示例性实施例中，能量束源203可以是电子束源，在这种情况下，能量束227构成电子束。偏转器205可以包括偏转板，其可产生电场或磁场，该电场或磁场选择性地偏转电子束，以使电子束扫描穿过指定要熔合的区域。在各个实施例中，能量束源203可以是激光器，在这种情况下，能量束227是激光束。偏转器205可以包括光学***，该光学***使用反射和/或折射来操纵激光束以扫描要熔合的选定区域。
在各个实施例中，偏转器205可以包括一个或多个万向节(gimbal)和致动器，其可以旋转和/或平移能量束源以定位能量束。在各个实施例中，能量束源203和/或偏转器205可以调制能量束，例如，在偏转器扫描时打开和关闭能量束，使得能量束仅应用于粉末层的适当区域。例如，在各个实施例中，能量束可以由数字信号处理器(DSP)调制。
增材制造零件的能力使制造商能够生成常规制造过程中不可获得的形状、构造和结构。此外，预计AM技术将继续进步。打印速度不断提高。三维打印机的构成因素也有了一定的进步。这意味着，除其他外，与要打印的部件的大小相比，构建平台的面积正在逐渐增大，因为相关的构建板和打印机轮廓在尺寸、速度和复杂程度上跨越了前所未有的界限。用于AM的候选材料和化合物的可用性和适用性也在增加，这意味着AM的通用性应该继续对各种制造应用产生积极影响。
在许多AM处理过程中，未熔化或未熔合在一起成为结构的一部分的沉积粉末在AM处理完成后，可表现为存留在AM结构内的松散粉末。存留的粉末会干扰AM结构的内部功能或特征，如果不加以处理，存留的粉末会导致更严重的问题。例如，存留的粉末会制造噪声(例如，当AM结构被组装到车辆或其他输送结构中，并且AM结构由于振动而移动时)，给AM结构添加永久性的不必要的质量，和/或由于粉末可能干扰功能特性(例如，阻塞通道、限制部件的预期旋转或平移运动、使夹具和固定装置饱和等)，导致相应AM零件功能不正常或完全故障。此外，在AM零件作为更大结构的一部分组装的情况下，更大结构内靠近受影响AM零件的部件也可能受到随时间分散的松散粉末的不利影响。
这个问题通常在设计阶段经由手动修复来解决。在最初将结构设计为CAD或其他数据模型之后而在AM之前，从业者通常使用CAD软件在建模结构的感知到的关键位置手动***孔。然后三维打印产品。在后处理步骤中，从业者试图使用孔来帮助从结构内部的特征中去除存留的粉末。这种对数据模型的传统修改的人工密集特性，特别是随着结构的几何和功能复杂性的增加，可能会是费力的。
在通常情况下，即粉末孔的几何形状和位置取决于可能会为部件指定的载荷和边界条件的情况下，该问题可能变得更加复杂。为确定该信息及其对孔设计/放置的潜在影响，设计者可以在***此类孔而修改数据模型之前进行有限元分析(“FEA”)测试。有限元测试可以确定整个结构的荷载应力。因此，可以在测试结果表明的预计应力和载荷足够低的的点处将孔纳入数据模型设计。
在某些情况下，粉末孔放置过程的复杂性以及对设计者施加的相对时间可能大大增加。例如，通过FEA分析确定的部件上的应力可能本身很重要，从而限制了实际和显而易见的孔放置替代方案。此外，如果部件包括相对大量的可存留粉末的内部结构特征，则可能需要更多的路径来去除松散粉末，可能增加此过程的时间和复杂性。对于设计者在其他情况下可用于放置孔的选项，可以通过各种实际考虑进一步限定，包括例如，将存留的粉末移向预期出口的通道的相对缺乏重力优势，缺少(或缺乏)从内部到外部结构部分等的短而笔直的可用通道/路径。
此外，如果第二次FEA测试(通常在完成初始或孔放置后进行)显示出另外的缺陷，则设计者可能转移到花费更多的时间修改初始孔放置。造成这种缺陷的原因可能包括，例如，仿真超过应力阈值，或由于***某些用于粉末去除的孔而产生的新应力。此外，在粉末孔放置的每个后续修订之后，设计者手动进行额外的有限元分析，以验证结构的完整性。这种传统的人工粉末孔放置和修改的“试错法”，基于重复的负有限元分析结果，是繁琐、效率低下的，而且往往无法为潜在的花费问题提供最佳解决方案。
因此，在本公开的一个方面中，提出了用于优化粉末孔放置的自动化装置和处理。在使用数据模型完成AM部件设计后，启动粉末特征***处理。与传统方法不同，这一自动化处理使用相关标准作为有形分析的前导。因此，这一处理往往会产生一个去除存留的粉末的最佳而简单的解决方案。
在一示例性实施例中，接收到与要三维打印的部件以及三维打印机本身相关的多个标准。基于从这些标准确定的结论和基于例如建立结论的标准的可靠性和通过经验得出的结论的重要性得到的每个结论的相对权重，确定用于该部件的最佳粉末去除特征集。
此类特征包括，例如，具有规定直径的一个或多个孔和具有规定几何形状的穿过结构的一个或多个粉末通道。在对结构完整性进行自动验证之后，可以更新数据模型以包含识别到的特征。因此，例如，优化过程可以确定多个孔，确定它们在AM部件的数据模型中的具体分布，确定每个孔的直径和其他几何属性(例如，厚度)。该算法可以另外或可替选地识别一个或多个粉末通道，用于将粉末从部件内部输送到其外部，并且识别每个这种通道的具***置和几何形状。在一个实施例中，优化算法包括用于提供冗余和验证其结论的完整性的技术。在另一实施例中，FEA分析和相关的载荷验证测试直接包含到程序中。在又一实施例中，在总体分析中可以考虑关于部件的相邻结构(如果有的话)的信息，以解释结构完整性和在受到周围部件的设计考虑的影响时的优化二者。
粉末去除特征。根据实施例的粉末去除特征可以包括孔(洞)，其具有适当长度以适应壁或结构厚度，并且具有适当直径以适应粉末颗粒的尺寸。粉末去除特征还可以包括粉末通道，其可以是延伸长度的简单孔。可替选地，在一些实施例中，粉末通道或粉末输送路径可以更类似于干线式***(arterial system)，其有时穿过组件的实质部分，并且其中可以包括通向更小的内部腔室的更小的孔，从而为粉末流至部件外部提供一般通道。此外，在一些实施例中，可以创建粉末袋或腔室，其可被配置成从周围区域收集存留的粉末并且将其提供给粉末通道。在某些构造中，粉末袋和通道可以依赖于重力的影响，以使存留的粉末流动。在其他实施例中，粉末通道可以部分依赖于气流或抽吸来使存留的粉末沿其路径移动。
图3示出了根据本公开一个方面的301用于促进从AM结构中去除粉末的装置的示例性实施例。装置301包括处理***304、用户接口302、显示接口308和三维打印机306。作为示例，处理***可以包括一个或多个处理器或控制器以及用于存储程序和数据的存储器。例如，处理***可以包括一个或多个处理器以及用于存储数据和程序指令的存储器。以下，图4A-C的示例性流程图中给出的指令或其一部分可在存储器中体现为代码。
可以在处理***304中实现的处理器的示例包括微处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、可编程逻辑器件(PLD)、状态机、门控逻辑、离散硬件电路，以及其他经配置以执行本公开中描述的各种功能的适当硬件。处理***中的一个或多个处理器可以执行软件。软件应广义地解释为意指指令、指令集、代码、代码段、程序代码、程序、子程序、软件模块、应用程序、软件应用程序、软件包、例程、子程序、对象、可执行文件、执行线程、程序、功能等，无论是指软件、固件，中间件、微码、硬件描述语言或或以其他方式。处理***可以包括计算机可读介质。
因此，在一个或多个示例性实施例中，所描述的功能可以在硬件、软件、固件或其任何组合中实现。如果在软件中实现，这些功能可以存储在计算机可读介质上，或者作为一个或多个指令或代码进行编码。计算机可读介质包括计算机存储介质。计算机可读介质可以是诸如硬盘驱动器的离散存储部件，或者在某些配置中，它可以是分布在多个设备上的多个离散存储部件。存储介质可以是计算机可以访问的任何可用介质。举例来说(但不限定)，这种计算机可读介质可以包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电子可擦除可编程ROM(EEPROM)、光盘(CD)ROM(CD-ROM)或其他光盘存储器、磁盘存储器或其他磁存储设备，或可以用于承载的任何其他介质或以指令或数据结构的形式存储所需的程序代码，并可以由计算机访问。如本文所使用的磁盘和光盘，包括CD、激光盘、光盘、数字多功能光盘(DVD)和软盘，其中磁盘通常以磁方式再现数据，而光盘则以激光方式再现数据。上述组合也应包括在计算机可读介质的范围内。
仍然参考图3，处理***可以耦合到用户接口302。在一些实施例中，用户接口302可以包括在同一机器304中，或者在其他实施例中，用户接口302可以是单独设备的一部分。在后一种情况下，用户接口302可以直接耦合到处理***，或者通过诸如Wi-Fi网络、虚拟专用网络(VPN)、内联网、因特网或其他网络等网络耦合到处理***。这些相同类型的接口和网络连接也可以用于处理***304和三维打印机306、和/或处理***304和显示接口308之间的连接。
在一示例性实施例中，三维打印机经由网络耦合到处理***304。在可替选的实施例中，处理***304和三维打印机306是同一设备的一部分。显示接口308可以是与处理***304、用户接口302和三维打印机306分离的设备，在这种情况下，显示接口308可以通过网络连接、直接连接或其他合适的装置适当地连接到处理***304。可替选地，显示接口308可以与用户接口302是同一设备的一部分。在一示例性实施例中，用户接口302、处理***304和显示接口308是经由直接或网络连接耦合到三维打印机306的单个计算机***的一部分。在一个实施例中，装置301构成单个设备。在另一实施例中，装置301构成三个或更少直接连接的设备。装置301或装置301内元件的其它配置是可能的。
图4A-B是示出了用于自动将孔、粉末通道和粉末腔室***数据模型中以基于该模型从AM结构中去除粉末的示例性处理的流程图。在一个示例性实施例中，图4A-C的大部分步骤直接或间接地基于起源于部件的最内部并且终止于部件的外部的设计流。也就是说，该处理使用以下描述的信息和步骤序列来评估和选择用于粉末从部件的内部部分到外部部分输送的通道。根据本实施例的设计流程可协助(i)促进从部件内部到其外部容易去除存留的粉末，(ii)确定阻力最小的总体路径，其通常意味着对部件进行最小的必要结构更改以实现预期目的，以及(iii)在需要改进的情况下在处理上进一步改进。
首先参考图4A，当接收到要三维打印的部件的数据模型时，可以在步骤410开始处理。数据模型可以是CAD模型，也可以是用于描述部件的任何合适的模型，它可以包括识别结构及其几何形状的每个方面的详细信息。因此，例如，数据模型可以包括所有可能有助于粉末的预期存留的内部特征的详细表示。在步骤415处，针对在步骤410处的数据模型尚未提供或以其他方式提供的范围，该处理接收将要三维打印的部件将包括的所有材料的详细和全面描述。此外，在一个实施例中，向该处理提供对数据的访问，该数据包括不同材料(诸如在三维打印机中常用的材料)的能力和特性，以及不同材料(包括在同一部件中使用的不同材料)的相对优缺点。
因此，在步骤420，处理可以接收关于部件的全面结构数据。在许多情况下，结合步骤410和415中的一个或两个步骤，向处理提供或使其可使用大部分或全部这些信息。如果到目前为止尚未提供部分、大部分或全部这些信息，则可以在步骤420提供这些信息。这些信息可以包括加载数据，其进而可以包括实际数据、估计数据或两者。例如，该数据可以包括关于由部件的一个定义区域在另一个定义区域上主张的一个或多个应力或载荷的实际数据。如果部件作为更大结构的一部分组装，则数据还可以包括部件上的载荷或由于更大结构而导致的定义区域。在预先不精确地知道载荷的替代实施例中，可以提供估计的载荷。
应力和载荷可定义为包括具有大小和方向的力，并且因此对于复杂载荷，可使用矩阵和/或向量来描述载荷的各种分量，包括由于特定载荷引起的大小和方向分量、全部载荷、重力载荷等。
步骤420中的处理接收的数据还可以包括部件的每个区域或边界的已知边界条件、结构约束和其他实际或预期的材料特性或性质。这种材料特性或性质可以包括例如刚度、热膨胀系数、硬度、柔性等。
对于上述初始步骤的集合，应理解的是，在其他实施例中，可能不需要接收所有识别信息，因为可以仅使用识别信息的子集进行准确的确定。在要求更高的复杂度和精度的再一些实施例中，可能需要该信息的再更大的子集。
在步骤425处，处理可以接收AM或三维打印机相关数据。与在先前步骤中一样，在步骤410或在随后的步骤之一处，可能已经提供了与接收CAD模型相关的部分或全部信息。打印机特定的数据可以包括，例如，要使用的AM处理的类型、AM处理后将添加到部件上的任何材料、要使用的粉末颗粒的尺寸分布、在后处理步骤中是否使用粘合剂以及相关细节、AM处理中使用的支撑材料(如果有的话)的标识、以及支撑材料可能存在的区域。在一个实施例中，这些规范可以与孔的直径要求、三维打印机为粉末通道提供空气动力学形态的能力等相关。
在步骤430处，并且部分基于在先前步骤中接收到的信息，该处理可以运行FEA测试以确定初始结构完整性。如实施例所示，该测试可以作为尚无粉末孔或通道的构造的载荷和应力的基线测试进行。在一些实施例中，可以进行FEA测试的可替选的变型。在步骤430之后，可以保留在分析期间得出的结论以用于后续的比较。
在接收到必要的信息并进行了初始REA测试后，该处理可以收集与确定需要哪些粉末去除特征相关的部件特定的信息。可以使用不同的程序来实现这些目标。在该实施例中，在步骤435处，该处理识别部件内的材料和结构，其可以被优选用于粉末特征***，而不是部件内的其他材料和结构。例如，基于对接收到的包括部件的数据模型的信息的分析，该处理可以首先可以确定部件的哪些材料和子结构更适于进一步切割和刻印孔或通道。
其次，在同一步骤435中，该处理可以确定哪些材料较薄，导致内部区域存留粉末，而相比之下哪些材料较厚。通常，较薄的材料相对于较厚的材料基在向材料中***孔上有预定量的优势。相比之下，在另一实施例中，对于创建通道，与一些内部区域相邻的较厚材料可能比较薄材料更有利。在该示例性实施例中，在确定***孔的位置时，在确定在何处***孔时，这些考虑中的每一个都可以按比例考虑。在一些实施例中进一步假设，当添加用于粉末去除的孔和通道时，应当优选对结构的最低或最小侵入量的改变，其他所有都相等。
在一个示例性实施例中，该处理可以确定粉末从部件内部转移到外部的路径，以便通过识别阻力最小的路径来方便地去除存留的粉末。
在步骤440处，该处理可以识别可能包括存留的粉末的部件的数据模型的区域的层级结构。识别这些区域的重要性在于，可能不需要在没有存留的粉末的区域内为粉末去除构建孔。在一个实施例中，该处理通过识别明显相交的区域或包括更多结构的区域(例如，更多壁)来获得此信息，前提是每个区域具有至少一个壁或其他结构障碍，这些障碍倾向于将粉末保持在这些区域内。
步骤440还可以包括在部件(即，在数据模型中)中搜索体积或区域，诸如在部件的低嵌入中，其可能由于重力而存留粉末。因此，如果认为粉末可能由于重力而聚集在袋或其他区域中，则这些区域可能被识别为潜在地需要进一步的粉末去除特征。
在另一示例性实施例中，该处理可以在步骤440处搜索包含具有自然产生更多粉末的特性的材料的区域。例如，可能的情况是，某些材料即使熔合也可能产生松散粉末。例如，材料的颗粒的类型和尺寸可能与确定是否需要粉末去除特征有关。作为另一个说明，数据模型的某些区域可能显示出大量更容易降解为松散粉末的精细结构。如果存在这些情况，则可以证明使用粉末去除特征是合理的。
在步骤445处，考虑到在步骤430处识别出的载荷和应力，该处理可以标识区域：这些区域中的一些区域可能是粉末去除特征的更有利的候选者，而其他区域则可能不太有利。在一个示例性实施例中，该处理将数据模型与在步骤430中识别出的信息以及根据需要的其他信息进行组合。该处理可以确定不受外部载荷制约或内部应力较小的区域可以不需要粉末去除特征。应当指出的是，在一个实施例中，可以将关于不受显著载荷制约的区域的这一信息与步骤440组合，其中识别出了可能包括存留的粉末的区域。在区域A很可能包括存留的粉末的情况下(步骤440)，以及同样的区域A不包括外部载荷和很少的外部应力的情况下(步骤445)，则在没有其他禁止的情况下，区域A可能是在其边界处并入粉末去除特征的良好候选区域。相比之下，如果区域A不包含主要应力，但也可能没有存留的粉末，则可以得出相反的结论。应当指出的是，一般来说，具有较大载荷或应力的区域可能会因另外的结构变化而受到不利影响，并且该处理可能会考虑到这一事实。
在另一实施例中，步骤445可以将部件中具有适度外部载荷和适度应力的区域识别为具有“中间地面”。因此，该处理可以为这些区域定义值，这些区域介于区域A(上述)的第一种情况和对于去除存留的粉末显示出明显困难的区域之间。在这种情况下，该处理中的其他步骤可以最终用于确定这些区域是否需要粉末去除特征。
作为另一个示例，步骤445中的处理还可以识别具有显着载荷和弱整体内在支撑的区域。这些区域可能被认为不利于采用粉末去除路径。
在一个实施例中，该处理可以考虑与相同部件的类似部件或早期模型有关的信息，以增强关于该部件的决策过程。因此，例如，如果在步骤445处某个区域被裁定为在某种程度上不利，但是在先前的步骤440中相同的区域被标识为需要粉末去除的通道，则该处理在进行确定时可以考虑来自类似的三维打印结构(例如，该结构的早期模型)的“类似”数据。该信息还可以包括来自先前类似部件的FEA结果。
在步骤450处，该处理可以识别路径特征。例如，该处理可以从数据模型中测量从粉末集中区域到部件外部区域的路径长度。在一个实施例中，该信息可以确定孔是否可行，或者在适当情况下可以替代地创建通道以去除粉末。可以针对部件的各个适用区域得出结论，并且可以为每个结论赋予权重。来自该步骤450以及其他步骤(包括，例如步骤435)的信息可以最终用于确定和识别阻力最小的路径，以将存留的粉末从部件内部去除至外部。
在一个实施例中，除了路径长度之外，步骤450的处理还可以收集关于粉末袋的候选区域的附加信息。粉末袋是结构内的部分封闭区域，由于策略性放置的粉末去除特征、结构本身的几何形状和/或重力，可以从其他区域接收松散粉末。在一个实施例中，粉末袋被刻印在结构内。在一些实施例中，结构的复杂性可能意味着期望的解决方案应包括一个或多个粉末袋，其与一个或多个粉末通道和孔结合使用，以将存留的粉末尽可能多地从内部输送出去。在该实施例中，可以在三维打印步骤之后简单地进行空气流动步骤，通过该空气流动步骤可以经由粉末去除特征从粉末袋中消除存留的松散粉末。
参照图4B，在步骤455处，该处理可以识别其他期望的通道或孔结构。在一个实施例中，该处理考虑给定区域可能包括松散粉末，并且确定哪些替代方法是可用的。例如，假定围绕该区域的一部分的特定壁先前被确定为足够薄以适当地容纳孔，使得可以将存留的粉末冲出。然而，在随后的步骤中还确定，孔的所需直径(由松散粉末颗粒的尺寸确定)太大，使得壁的结构完整性无法充分维持。因此，在一个实施例中的步骤455处，可以考虑不同的替代方案以从该区域去除松散粉末。例如，为此目的也可以分析围绕所讨论区域的另一部分的另一面墙。此外，假设发现另一壁具有必要的结构完整性以适应孔的直径，则可以确定该壁中的孔是否会从所讨论的区域通向部件外部的通道，以允许去除存留的粉末。
如果对于所讨论的区域发现壁不满足这些标准，则接下来可以确定其他替代方案是否可用。例如，该处理可以考虑增加的空气流量、抽吸机制、重力辅助和/或使用其他路径。所有这些因素都可以考虑并相对权衡。在一个实施例中，如果所有选择都导致非理想的解决方案，则可以选择包括最小的结构折衷的选项。
在步骤458处，如果有多于一个的选择可用，则优先考虑粉末去除的辅助程度。在一个实施例中，主要通过重力的影响来促进粉末流动的路径(例如，通道和孔)是最有利的。需要正向气流和/或抽吸的粉末去除可能是第二有利的。对该零件的移动或其他操作可能是第三有利的，等等。然后，还可以缩小其他替代特征类型的范围。较短的路径比较长的路径更有利。此外，某些配置可能有利于其他配置。例如，具有气动轮廓(aerodynamiccontour)的单个长粉末通道可能优于三个短粉末通道，其中之一没有轮廓。支持或不支持备选方案的规则可以编程到算法中，并定期或动态更改。
在步骤460处，比较和衡量备选方案而最终确定。该处理使用其最初通过编程获得的信息，并且通过分析数据模型获得的附加知识来应用其规则，以确定一组一个或多个孔、粉末通道和/或粉末腔室。如有需要，可指定气流路径。如果需要，还可以指定使用路径的顺序。指定了所有粉末去除特征的位置和类型。在一个实施例中的步骤460，将改变直接应用于数据模型，例如通过更新CAD程序来合并孔和轮廓化的粉末通道。
在一个实施例中，步骤460处的处理还评估和选择用于将粉末从部件的内部输送到外部的通道，以促进容易地去除存留的粉末并确定阻力最小的整体路径。
在步骤465处，重新运行FEA测试或类似的结构分析。根据非理想的解决方案(468)，该处理尝试通过从模型中去除违规或有问题的孔或通道来解决故障区域(步骤479)。然后，控制返回到步骤435，其中根据新的FEA数据和新的感知问题路径去除，重新运行其结论和确定工作。在该实施例中，整个处理可以从步骤435开始运行，以便能够识别新的解决方案(肯定地排除最后的解决方案)。
相比之下，如果FEA测试成功，则步骤470的处理可以运行粉末去除仿真。与评估部件的载荷和结构完整性的测试不同，该测试可以仿真所选路径在去除存留的粉末方面的有效性。此测试所需的参数可能会因构造而有很大差异。在一个示例性实施例中，仿真可以努力识别替代路径(如果存在的话)，该替代路径比正在使用的路径更简单(即，需要更少的路径和孔等)。如果仿真产生不理想的结果，则该处理可以识别故障点，其后它可以从模型中去除感知到的故障点，并将控制返回到步骤435。在步骤465处，可以使用新的输入重新运行该处理。如果仿真成功(468)，则优化完成(480)。
图5是具有粉末去除特征的示例性AM结构500的视图。AM结构500是使用PBF技术从数据模型产生的结构。结构500可以包括由优化程序设计的粉末储存器502。粉末储存器，也称为粉末腔室，是指定用于储存松散粉末的区域。粉末储存器502可以用作粉末移动的入口或出口。在该示例中，粉末可积聚在粉末储存器502中，从其中可以穿过粉末通道(诸如粉末通道504)经由重力、抽吸等的影响而移动。粉末通道504可以通向粉末孔506，其在该实例中连接到由圆柱形区域508限定的大的中空区域。中空圆柱形区域508的一侧可以向结构508的外部打开。松散粉末很容易被引导到508区域，然后到零件外部。
如上文参照图3所描述的，上述描述中所描述的方法可以由计算机或其他处理***来实现。在一些配置中，本文所描述的技术可由计算机或耦合到三维打印机***或以其它方式集成到三维打印机***的计算机或其它处理***单独执行。在涉及作为全功能集成***的三维打印机的一些实施例中，无论是联网的还是在同一***或功能部件集中的，计算机或处理***可以被内置到***中或耦合到***中。
提供上述描述是为了使本领域技术人员能够实践本文所述的各个方面。在本公开中呈现的对这些示例性实施例的各种修改对于本领域技术人员来说是显而易见的，并且本文中揭示的概念可以应用于用于打印节点和互连的其他技术。因此，权利要求不限于在本公开中呈现的示例性实施例，而是被赋予与语言权利要求一致的全部范围。本领域普通技术人员已知或以后将知道的，贯穿本公开描述的示例性实施例的元件的所有结构和功能等同物均旨在被权利要求书涵盖。此外，本文所公开的任何内容都不希望专用于公众，无论该公开是否在权利要求中明确陈述。不得根据35U.S.C.§112(f)的规定或适用司法管辖区的类似法律解释权利要求要素，除非使用“用于……的装置”一词明确叙述该要素，或者在方法权利要求的情况下，使用“用于……的步骤”叙述该要素。

Claims (31)

1.一种用于在增材制造的部件中自动***粉末去除特征的方法，所述方法包括：
接收待增材制造的部件的模型；
自动确定所述部件中用于粉末去除的一个或多个孔的最佳尺寸和位置；以及
更新模型以包括所确定的一个或多个粉末去除孔。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括基于所更新的模型来增材制造所述部件。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括使用一个或多个粉末去除孔从被增材制造的部件去除存留的粉末。
4.根据权利要求1所述的方法，其中自动确定所述一个或多个孔的最佳尺寸和位置包括评估用于促进粉末去除的潜在的重力优势。
5.根据权利要求1所述的方法，其中自动确定所述一个或多个孔的最佳尺寸和位置包括至少部分地基于在所述部件的增材制造过程中用作粉末颗粒的材料类型来选择孔尺寸。
6.根据权利要求1所述的方法，其中自动确定所述一个或多个孔的最佳尺寸和位置包括评估所述部件的载荷和边界条件。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括自动确定一个或多个粉末通道的几何形状和位置，所述一个或多个粉末通道用于在增材制造所述部件后去除粉末。
8.根据权利要求7所述的方法，其中自动确定所述一个或多个粉末通道的几何形状和位置包括识别最短去除路径。
9.根据权利要求7所述的方法，其中自动确定所述一个或多个粉末通道的几何形状和位置包括识别最小材料阻力的路径。
10.根据权利要求7所述的方法，其中自动确定所述一个或多个粉末通道的几何形状和位置包括评估用于促进粉末去除潜在的重力优势。
11.根据权利要求1所述的方法，其中自动确定所述一个或多个孔的最佳尺寸和位置包括指定孔的气动轮廓，以促进随后通过气流去除粉末。
12.根据权利要求7所述的方法，其中自动确定所述一个或多个粉末通道的几何形状和位置包括指定所述一个或多个粉末通道的气动轮廓，以促进随后通过气流去除粉末。
13.根据权利要求1所述的方法，其中自动确定所述一个或多个孔的最佳尺寸和位置包括评估粉末材料、粉末粒度分布、平均粉末流量和粉末类型中的至少一个。
14.根据权利要求7所述的方法，其中自动确定所述一个或多个粉末通道的尺寸和放置包括评估粉末材料、粉末粒度分布、平均粉末流量和粉末类型中的至少一个。
15.一种用于从具有至少一个孔的增材制造的部件去除粉末的方法，包括：
接收所述部件的数据模型；
基于所述数据模型来增材制造所述部件；
使用所述至少一个孔从被增材制造的部件去除存留的粉末；以及
使用至少一种材料执行铺叠处理以密封所述孔。
16.一种三维打印机，包括：
粉末床，其用于存储粉末；
沉积器，其被配置成沉积粉末的连续层；
能量束；
偏转器，其被配置成应用所述能量束来熔合粉末；
构建板，其被配置成支撑构建件；以及
处理***，其被配置成接收待增材制造的部件的模型，确定所述部件中用于粉末去除的一个或多个孔的最佳尺寸和位置，更新所述模型以包括所确定的一个或多个粉末去除孔，并使用所更新的模型来控制所述能量束对所述构建件进行三维打印。
17.根据权利要求16所述的三维打印机，其中所述处理***还被配置成通过评估用于促进粉末去除的潜在的重力优势来确定所述一个或多个孔的最佳尺寸和位置。
18.根据权利要求16所述的三维打印机，其中所述处理***还被配置成通过至少部分地基于在所述部件的增材制造中过程用作粉末颗粒的材料类型来选择孔尺寸来确定所述一个或多个孔的最佳尺寸和位置。
19.根据权利要求16所述的三维打印机，其中所述处理***还被配置成通过评估所述部件的载荷和边界条件来确定所述一个或多个孔的最佳尺寸和位置。
20.一种用于在增材制造的部件中自动***粉末去除特征的装置，所述装置被配置成：
接收待增材制造的部件的模型；
确定所述部件中用于粉末去除的一个或多个孔的最佳尺寸和位置；以及
更新所述模型以包括所确定的一个或多个粉末去除孔。
21.根据权利要求20所述的装置，其中确定所述一个或多个孔的最佳尺寸和位置包括评估用于促进粉末去除的潜在的重力优势。
22.根据权利要求20所述的装置，其中确定所述一个或多个孔的最佳尺寸和位置包括至少部分地基于在所述部件的增材制造过程中用作粉末颗粒的材料类型来选择孔尺寸。
23.根据权利要求20所述的装置，其中确定所述一个或多个孔的最佳尺寸和位置包括评估所述部件的载荷和边界条件。
24.根据权利要求20所述的装置，还被配置成确定一个或多个粉末通道的几何形状和位置，所述一个或多个粉末通道用于在增材制造所述部件后去除粉末。
25.根据权利要求24所述的装置，其中确定所述一个或多个粉末通道的几何形状和位置包括识别最短去除路径。
26.根据权利要求24所述的装置，其中确定所述一个或多个粉末通道的几何形状和位置包括识别最小材料阻力的路径。
27.根据权利要求24所述的装置，其中确定所述一个或多个粉末通道的几何形状和位置包括评估用于促进粉末去除潜在的重力优势。
28.根据权利要求20所述的装置，其中确定所述一个或多个孔的最佳尺寸和位置包括指定孔的气动轮廓，以促进随后通过气流去除粉末。
29.根据权利要求24所述的装置，其中确定所述一个或多个粉末通道的几何形状和位置包括指定所述一个或多个粉末通道的气动轮廓，以促进随后通过气流去除粉末。
30.根据权利要求20所述的装置，其中确定所述一个或多个孔的最佳尺寸和位置包括评估粉末材料、粉末粒度分布、平均粉末流量和粉末类型中的至少一个。
31.根据权利要求24所述的装置，其中确定所述一个或多个粉末通道的几何形状和位置包括评估粉末材料、粉末粒度、平均粉末流量和粉末类型中的至少一个。
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