CN113631303A - 增材制造 - Google Patents

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杰弗里·麦克法兰
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Renishaw PLC
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Abstract

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。

Description

增材制造
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
根据本发明的第一方面，提供了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，其中该方法包括：
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
用能量束熔化进一步选定的所述粉末床区域，以通过逐层熔化材料形成部件。
根据实施例的逐层熔化和逐层烧结在单个逐层加工中进行。选择性熔化和选择性烧结可以同时进行(然而应当理解，由于特定部件和/或支撑部的几何形状，在加工中某些层可以仅进行熔化或仅部分烧结)。例如，在一些实施例中，可以仅提供整层烧结材料(例如以提供非熔化边界)。
根据本发明的另一方面，提供了一种粉末床熔融增材制造方法，包括以下步骤：
a)在基底上提供粉末床；
b)加热粉末床；
c)通过选择性扫描所述粉末床，在所述基底上方选择性形成至少一个烧结的粉末支撑区域；
d)通过选择性熔化所述半烧结区域上方的粉末来选择性形成部件；
其中，在逐层的基础上重复步骤(d)和可选地重复步骤(c)。
应理解，步骤(c)和(d)可以在粉末床的至少一些层中同时进行。例如，至少一些层可以包括部件的部分和在其上可以形成部件后续层的支撑区域的部分。
根据本发明的另一方面，提供了一种粉末床熔融增材制造方法，包括在逐层加工中在粉末床中形成部件，其中，该方法包括：
将能量束引导到选定的粉末区域以形成易碎支支撑部，所述易碎支撑部包括充当固体以提供压缩支撑的粘结粉末；以及
用能量束熔化所述粉末床的其他区域，以通过逐层熔化材料形成部件。
本文中使用的“烧结”应作广义解释。本领域技术人员将理解，烧结通常是指材料(在受热或压力下)在不熔化至液化点的情况下转化成固体块的过程。换句话说，烧结是固相固化转变，而不是如在该方法的熔化步骤中的液相转变。在本发明的背景中，烧结可以包括一定的粉末熔化，只要这不足以完全熔化部件形成中所需的粉末。例如，如果外层粉末颗粒充分熔化以使颗粒彼此粘结，但内部部分的颗粒保持固态，则视为烧结。本领域技术人员将理解，这种“部分熔化”不能视为用于部件制造目的熔化，因为内部部分的粉末颗粒没有熔化，因此不能形成均匀或完全致密的固体。
在本发明的实施例中，烧结支撑部可以为部分烧结(或“半烧结”)。部分烧结的支撑部由于其易碎性可以是有利的。虽然不能精确定义“完全烧结”，但是技术人员通常可以理解，这意味着粉末在烧结之后基本上是完全致密的，例如其致密度大于99％。
根据本发明实施例的烧结区域可以包括充分粘结以在逐层加工期间提供支撑的粉末。例如，粉末可以充分粘结，使得其在加工期间充当固体支撑部而非可流动粉末。然而，烧结(特别是部分烧结)应该足够适度，以便在加工结束时容易移除部件和支撑部。因此，本发明实施例的支撑部可以是易碎的。支撑部被配置成在加工期间向部件提供压缩支撑。与现有技术的支撑部(即通过以与部件相同的方式熔化而形成)相比，本发明实施例的支撑部可以不旨在具有显著的抗拉强度。
使用根据本发明实施例的易碎烧结支撑部可以减少最终部件所需的加工。此外，可以提高支撑部定位的设计自由度。例如，易碎支撑部能够放置在部件内部的位置，在该位置中，由于需要直接加工以进行移除，不能使用传统支撑部。例如，易碎内部支撑部可以经由部件的外部施加机械加工而被移除。
该方法可以进一步包括在逐层加工期间整体加热粉末床。通常，这种加热可以在逐层加工之前开始(以允许粉末床和/或加工腔室达到所需温度)。可以在整个加工期间持续加热。可以通过加工腔室内的一个或多个热源提供整体加热。加热器可以邻近粉末床设置，例如在平台中或加工腔室的壁中。可替代地或附加地，可以设置辐射热源。由于粉末是相对隔热的，因此可能需要用***控制器对粉末床中的温度分布进行监测和建模。加热器的尺寸取决于粉末床的大小，例如可以设置2kW的加热器。
例如，粉末床可以被加热到约400℃与700℃之间，例如500℃。对于诸如钛6AL4V等金属粉末，这种温度可能是理想的。而对于某些材料，可能需要更高的温度。可以基于给定粉末材料的应力消除温度范围来选择该材料的目标温度。对于各个材料，可以从文献中获得这些温度，技术人员将理解，可以由固溶线温度得到这些温度。因此，整体加热可以包括对粉末床的温度进行监测和/或建模，以将粉末床的温度保持在粉末材料的应力消除温度范围内。
申请人认为，在不受任何特定理论约束的情况下，在增材制造加工之前和期间加热粉末床，可以通过减小在部件形成期间部件的温差来减小在增材熔融加工期间形成的残余应力。因此，支撑部可能无需在基板/基底与部件之间充当张拉锚固件。整体加热的温度选择成使得粉末床不会被烧结，除非根据实施例在选择性基础上进行烧结。这避免了粉末粘结在一起干扰逐层加工，例如干扰粉末的正常流动，如在为每个后续层再填充粉末床期间等。
该方法在低氧环境中最佳地进行。特别是如钛6AL4V等合金可能存在氧化或氧注入的风险。因此，如果在加工期间整体加热粉末床，则从环境中去除氧气的重要性可能增加。因此，实施例中的方法可以进一步包括设置包含粉末床的腔室，在逐层加工期间该腔室具有低氧环境。可以通过用惰性气体填充腔室来提供低氧环境。例如，该方法可以进一步包括向腔室施加真空以排空空气。随后，在开始逐层加工之前，可以将惰性气体供应到腔室。惰性气体可以是例如氩气或氮气。在供应惰性气体之前清除腔室中的空气可以去除腔室中的氧气和湿气。
可以使用具有第一功率的能量束来选择性熔化粉末。可以使用具有第二降低功率的能量束在不熔化的情况下进行选择性烧结。能量束可以由专用源提供。替代性地，方便的布置可以是使用单个可变输出源提供两个能量束。例如，使用可变输出激光器来提供第一功率能量束和第二功率能量束二者。
当使用选择性激光熔化***时(即当能量束为激光时)，用于通过完全熔化来熔融粉末的典型功率可以是例如-200W或更高(例如，一些现有的市场上可获得的***使用一个或多个500W激光器)。因此，第一功率可以是200W(并且第一能量束可以是200W激光束)。第二降低功率可以在大约140瓦至180瓦之间(更具体地，例如在150瓦至175瓦之间)。因此，第二降低功率能量束可以在正常功率输出的0.7倍至0.9倍之间。
可以理解，如激光扫描速度和扫描间隔等加工参数可以根据能量束的可用功率(以及如特定材料等其他因素)而变化。因此，在增材制造中，光束的能量密度或通量(即每表面积的辐射能量)可以是比光束的功率更有用的参数。本领域技术人员可以理解，可以在粉末床表面上的能量，即“二维”能量密度方面来考虑增材制造加工时的通量。然而，还已知的是可以在三维能量密度方面来考虑通量，特别是当考虑脉冲激光器时，其中可能考虑每脉冲的能量密度。由于光束通常扫过粉末床的表面，所以本文将主要使用每表面积的二维能量密度。在本发明的实施例中，可以使用具有第一二维能量密度的能量束来选择性熔化粉末。可以使用具有第二降低二维能量密度的能量束在不熔化的情况下进行选择性烧结。在本发明的实施例中，可以使用通量为至少1J/mm2的能量束来进行熔化。例如，可以利用提供约1至3.5J/mm2的通量的参数进行熔化。相反，加工的烧结步骤可以使用通量小于0.75mm2(更特别地，通量可以小于0.25J/mm2)的能量束。可以例如使用提供约0.1至0.5J/mm2之间的通量的激光参数进行烧结。这些范围可以分别对应于用于熔化的三维通量为20至75J/mm3之间(例如大于25J/mm3)，以及用于烧结的三维通量为2至10J/mm3之间(例如小于10J/mm3)。在粉末床加热至约500℃的情况下，发现约0.2至0.25J/mm2的二维能量密度(对应于约3.5至4J/mm3的三维密度)提供理想的烧结支撑部坚硬度。
支撑部可以包括至少部分烧结的粉末区域，该区域延伸到直接在部件的面朝下部分或特征部的下方的层。因此，支撑部可以用来提供基板，最下部分或特征部在该基板上。然而，通过提供由烧结粉末形成的支撑部，该支撑部(与完全熔融的现有技术支撑部相比)可以有意地在部件与基板或基底之间不提供刚性锚固。因此，支撑部可以被认为是用于部件的浮动支撑部。烧结区域可以设置在部件的基本上都面朝下的表面下方。这可以例如防止熔融的粉末在加工期间沉入粉末床中。特别地，烧结粉末的岛部可以形成在直接在部件的任何悬垂特征部下方的层中。
由于本发明的支撑部不将部件锚固到基底上，从而在一些实施例中，支撑部可以延伸仅部分地穿过粉末床的深度。具体地，在一些实施例中，支撑部可以延伸仅部分地穿过部件与基板或基底之间的粉末床。因此，该方法还可以包括在基底或基板与支撑部之间设置至少一个未熔融的粉末区域。减少粉末床(除部件之外)的加工部分是有利的，因为任何加工(包括烧结)都可能导致粉末的氧化以及影响粉末再利用(因为即使是惰性腔室也不会完全不含氧气和/或水分)。
申请人还意外地发现，提供邻近部件的外表面的烧结粉末区域的另一优点可以是为部件提供改进的表面光洁度。例如，在不受任何特定理论约束的情况下，烧结区域减少了松散粉末对部件表面的粘附。因此，在一些实施例中，本发明可以进一步包括形成直接邻近部件的外表面(例如包括不面朝下的表面，比如悬垂部)的烧结区域。例如，烧结区域可以设置成直接邻近部件的所有外表面。
此外，烧结区域可以改善部件各层冷却期间的热传递。部件的热惯性可能受到部件几何形状的极大影响，并且具有显著热惯性差异的部件区域可能导致逐层加工期间的冷却差异。这可能导致存在或增加变形或开裂的风险。因此，该方法可以进一步包括识别部件的具有显著热惯性差异的区域，并且设置与所述区域相邻的烧结区域。
为了优化生产量和加工效率，已知在单个增材加工中构建多个部件。例如，典型的增材制造设备(比如申请人的Renishaw AM 400)可以具有250mm乘250mm的粉末床，并且可以用于制造超过一百个部件，比如牙科部件(包括例如植入物、牙冠和牙桥、假体、铬合金制品和正畸件)。本发明的实施例可以用于进一步提高粉末床加工的部件产量。例如，根据本发明的方法可以包括在粉末床中形成多个部件，这些部件通过粉末烧结区域分隔开。特别地，烧结区域可以堆叠在第一部件的顶部上，以使得能够在后续层中形成第二部件。换句话说，烧结区域可以使多个部件之间竖直隔开。烧结区域可以为后续部件提供足够的支撑，但不在部件之间提供固定或锚固的支撑结构。因此，本发明的实施例可以使得粉末床的全部可用三维空间能够以最佳方式使用。
技术人员还可以理解，本发明实施例的方法可以在优化过程中实现进一步的益处。例如，通过使用本发明的实施例来移除或减少锚固支撑结构(即由完全熔融粉末形成的支撑部)，可以更好地利用可用的构建空间。例如，如果部件的悬垂区域需要较少的支撑，则可以以较少的需求来构造其几何形状接近基底或构建板的部件。例如，这可以使得具有非平面轮廓的基本上板状的构件能够基本上垂直于基底或构建板(而不是基本上平行)制造。因此，可以在单个构建中生产若干附加部件。这例如在形成颅板时是有用的。
在优选实施例中，粉末床熔融增材制造的方法是粉末床激光熔融增材制造。更具体地，该方法是金属粉末床熔融增材制造方法。
在优选实施例中，该方法还可以包括在熔化选定的粉末区域时控制能量束，通过使激光束前进以熔化间隔开的部分来引导激光束固化材料层的选定区域，其中，在通过用该激光束或另一激光束照射该层来熔化相邻部分之前，使每个熔化部分固化。每个部分的尺寸大小可以被确定成使得熔池延伸跨过整个部分。在一个实施例中，激光束可以沿扫描路径前进多次，其中每次沿扫描路径通过时，激光束固化扫描路径上的间隔开的部分。然后，每次后续通过可以固化位于在前次通过时固化的部分之间的部分。在多激光设备中，该方法可以包括使激光束中的多个激光束沿扫描路径前进，其中在激光束中的每一个沿扫描路径通过时，该激光束熔化扫描路径上的间隔开的部分，并且激光束中的一个沿扫描路径通过时熔化位于扫描路径上的由激光束中的另一个熔化的部分之间的部分。这种间隔点扫描方式的一个示例在申请人的较早专利申请WO 2016/079496中公开，其通过援引并入本文，并且已经发现可以在逐层制造期间减小热应力。因此，间隔扫描可以减少/进一步减少对传统锚固支撑部的需要，并且与使用非锚固烧结支撑部的本发明实施例协同配合。对各个部分进行扫描的顺序可以确定为使得每个部分以高于第一冷却速率阈值的冷却速率固化。第一冷却速率阈值可以是某一冷却速率，高于该冷却速率时，实现特定微观结构，比如平面的和/或蜂窝状微观结构(并且减少或消除等轴枝晶和/或柱状枝晶微观结构)。在WO2018/029478中描述了这种方法的一个示例，其通过援引并入本文。使用这种方法可以减少热应力，避免或减少对锚固型支撑部的需要。
根据本发明的另一方面，提供了一种增材制造设备，包括：
加工腔室中的粉末床；
用于提供能量束的辐射源；
用于引导所述能量束跨过所述粉末床的扫描仪；以及
控制器，被配置成基于根据本发明实施例的粉末床熔融增材制造方法控制该设备。
辐射源可以是激光器。
该设备可以进一步包括用于整体加热该粉末床的加热器。
加工腔室可以进一步包括用于在粉末床上形成层之后降低粉末床的可移动平台。该设备可以进一步包括用于向粉末床供应后续粉末层的供应装置。
该设备可以进一步包括用于去除加工腔室中的氧气的真空泵。该设备可以进一步包括用于填充加工腔室的惰性气体供应装置。
可以理解，本发明的实施例可以在现有的粉末床熔融设备上实施。因此，本发明的另一方面可以包括其上存储有指令的数据载体，其中当由处理器执行指令时，该指令使处理器执行根据本发明实施例的方法。
虽然上文已经描述了本发明，但是本发明可以扩展到上文或下面的描述或附图中所阐述的特征的任何创造性组合。
附图说明
本发明的实施例可以以各种方式执行，并且现在将仅通过举例方式参考附图来描述本发明的实施例，在附图中：
图1是粉末床熔融设备的示意图；
图1b是示出了根据本发明实施例的方法的粉末床熔融设备的示意图；以及
图2a至图2c是示出了根据本发明实施例的方法制成的测试部件和支撑部的照片。
具体实施方式
可以理解，本文中提及的竖直或水平参考了增材制造加工的轴线。特别地，由于粉末床熔融是逐层加工，因此水平轴线对应于层的平面(其进而由粉末床和支撑部限定)。在加工优化过程中可选择所制造部件的相应对准，因此不限于任何特定方向。所提及的任何其他方向，例如上方/下方或向上/向下，对于部件本身而言同样是非限制性的，并且应当理解为通常是指在增材制造过程中的取向。
图la中示出了用于本发明实施例中的金属粉末床激光熔融增材制造设备10。该设备例如可以是市场上可获得的设备(可能进行一定改进以实现本发明的实施例)，例如申请人的市场上可获得的“Renishaw AM”***。该设备包括包围粉末床14的加工腔室12。粉末床14被支撑在平台16上，如本领域已知的，该平台还可以支撑与粉末相同金属的基底。平台16可以沿竖直轴线移动，使得其可以在对每个后续层进行增材制造加工时降低。用于在平台16降低之后将粉末提供到床14的供应装置18可以包括辊(如本示例中所示)或刮板/刮刷，其沿水平轴线行进跨过粉末床14以在粉末床上分布均匀层。技术人员可以理解，当实施本发明的实施例时，可能需要调整或优化供应装置跨过粉末床14的移动，以确保易碎的烧结支撑部(特别是浮动支撑部)没有移位或移除。
设置辐射源20，通常为激光器(然而一些实施例例如可以使用电子束发射器)，用于加热和熔融床14中的粉末。辐射源通过扫描仪22被引导到粉末床，该扫描仪通常包括可移动镜装置。设置控制器30用于控制辐射源20、扫描仪22和加工腔室12(包括例如平台16、供应装置18和诸如加热供应装置和气体供应装置的环境***)。在使用时，扫描仪22用于使能量束移动跨过粉末床14的表面。
根据优选实施例，加工腔室12包括加热装置(未示出)，用于在逐层加工之前和期间升高粉末床14的温度。另外，在加工腔室12内提供低氧环境是非常理想的。因此，加工腔室12是气密密封的(并且由于源20和扫描仪22通常在腔室的外部，所以腔室可以包括窗口，激光束可以通过该窗口进入腔室中)。设置与真空泵连通的出口24，以去除腔室22中的空气。还设置了入口26，该入口可以与诸如氩气等惰性气体的供应装置连接。通常，在打开入口26以将惰性气体引入腔室12之前，腔室22将首先通过出口24排空以净化腔室22。
本领域技术人员将知道粉末床熔融增材制造加工的一般操作。首先使用文件准备软件(例如申请人的QuantAM软件)来准备要构建的部件50，以优化该方法和部件。准备阶段要求适当地定向部件几何形状，并且在需要的地方添加支撑结构。还可以优化扫描参数，例如优化可以包括诸如层厚度、光束尺寸和光束停留时间等因素。然后，必须将部件分成一系列切片(沿着增材制造设备的竖直轴线)，并为每个切片准备扫描策略。然后，软件以逐层计算机指令的形式为增材制造机器提供输出。应当理解，通过将本发明的方法并入准备软件中，以由逐层计算机指令实施。
来自准备软件的指令被上传到控制器30，从而可以开始增材制造加工。在由平台16支撑的粉末床14中提供初始粉末层，该平台最初将处于上部位置。粉末供应装置18可以使辊等跨过粉末，以确保粉末均匀填充并被适当压实。腔室在通过入口26填充惰性气体之前，通过出口24被排空。然后，使用激光器20以二维扫描模式选择性地扫描粉末床14以熔化粉末，使得粉末将固化并在平台上形成部件50的第一层。在粉末床熔融加工中，重要的是选择扫描参数(例如激光功率、光斑尺寸和扫描速度)以实现部件的每个部分中的粉末完全熔化。这确保形成质量均匀、孔隙率低的完全致密部分。
在已经完全选择性地扫描第一粉末层之后，平台16向下移动，通过供应装置18将后续粉末层添加到粉末床14。然后，扫描后续层，其中熔化区域不仅与新层的相邻部分熔融，而且与紧邻的下层的相邻部分熔融。然后重复该过程，直到在竖直方向上堆叠了足够的层，以形成部件50的完整几何形状。
如上所述，在现有方法中，第一粉末层可以熔融至基底，以支撑任何悬垂特征部并且锚固部件以抵抗由增材加工的加热和冷却形成的残余应力。通常将部件与基底一起从加工腔室中移除(可能需要具有相当大的体积)，并进行后加工以减小或消除残余应力，随后将部件与基底分离，并从部件上移除任何支撑结构。这种后加工可能给形成部件的整个过程增加大量时间和成本，因此是不期望的。
根据本发明的实施例，采用改进的增材制造加工。将粉末床14(和加工腔室12)加热到升高的温度，例如500℃。应理解，粉末床的这种整体加热必须足够低于材料的熔点，使得其将不会干扰正常的增材制造加工(例如，在再供应时阻碍粉末适当流动)。然而，诸位申请人已经发现，加热到这种程度至少降低了由于增材制造加工的热效应而形成的残余应力。因此，本发明的方法可以利用残余应力的这种降低而采用改进或减少的支撑结构。虽然具体的支撑结构取决于所形成的部件，但是理想地，期望形成与基底较少或没有物理附接的部件。换句话说，本发明实施例的目的是无需将部件锚固来抵抗诸如开裂或变形等残余应力相关问题，并且仅包括用于部件精度的支撑，例如防止悬垂特征部下沉。
根据本发明的实施例，支撑部由“半烧结”粉末区域40形成。这些区域形成在部件50的层的下方，并且可以完全延伸到基板或基底，或者可以具有由未加工的粉末隔开的若干层。重要的是，半烧结的支撑部不完全熔化。半烧结的支撑部通常可能不具有足够的粉末粘结以在部件50和基板或基底之间进行锚固，但是可以足够坚硬以支撑部件在粉末床14内的位置。特别地，半烧结区域40可以为悬垂特征部50a提供支撑，以防止其在逐层加工期间沉入粉末床中(否则这将例如导致几何精度不佳)。半烧结区域至少部分地烧结，这可以理解为意味着该区域中的粉末已经被充分加热以与周围粉末粘结，但是由于其在施加压力和热的情况下没有形成真正的固体，因此没有完全烧结。例如，半烧结粉末的晶粒结构可能存在最小的变化。半烧结区域应当充分粘结以在逐层加工期间提供支撑。例如，粉末应在半烧结中充分粘结，使得其充当固体支撑部而不是可流动粉末。然而，“烧结”应该足够适度，使得部件50和支撑部40易于移除。例如，可以仅需要适度的物理压力来分离部件50和支撑部40。理想地，支撑部可以足够易碎，使得其可以简单地用手脱离或破碎。
图1(b)示出了本发明的实施例可以如何利用不延伸通过粉末床14的整个深度的“浮动支撑部”42。因此，每个浮动支撑部42a、42b、42c和42d可以通过至少一层未熔融粉末15与基板隔开。该层未熔融粉末15可以进一步确保最终部件52易于移除。本发明实施例的烧结支撑部的另一个优点是，可以利用支撑部提升粉末床在整个三维上的使用程度。因此，如图1(b)所示，部件52a和52b，或52c和52d可以“堆叠”，但是通过烧结区域42和/或未熔融区域15隔开。
为了验证本发明的实施例，并提供加工的初步优化，使用Renishaw AM激光粉末床熔融机器构建了侧面开口的倒置盒子形式的简单测试结构50。由于具有无支撑的悬垂跨度，因此这种结构是有用的测试结构。根据本发明的实施例，在由跨度包围的区域内，扫描粉末以提供半烧结区域40。测试结果在图2的照片中示出，并在下表1和表2中表示。通过改变工艺参数，可以根据经验确定特定材料的“刚刚好”区域，其中支撑部50既没有太软(即，不充分半烧结)也没有太硬(即，过度半烧结)。
使用用于激光粉末床熔化增材制造的钛6AL4V普通合金来形成测试结构。将具有惰性环境腔室的构建空间加热至500℃。然后在单个增材制造加工中(即，在单个基底上)形成一系列测试结构。所有半烧结的支撑区域40均利用相同的激光束曝光时间40μsec和点间距300μm形成。激光输出功率在100W至200W之间逐步变化，并且焦点偏移和光斑尺寸在不同的测试中变化。结果以表格形式在下表1和表2中示出。
Figure BDA0003261427260000131
表1：激光功率-焦点偏移量
Figure BDA0003261427260000141
表2：激光功率-光斑尺寸
(W/mm2施加到粉末床)
从测试案例中可以立即注意到，用于提供半烧结支撑部的关键参数是激光功率输出。在激光输出为150W至175W时发现了理想的支撑部坚硬度。这对应于二维能量密度或通量为约0.2至0.25J/mm2。
如图2(A)所示，当激光输出太低时(该示例为125W，对应于二维能量密度小于0.2J/mm2)，半烧结粉末40'未充分粘结，不能防止其从测试结构50'下方的空腔流出。因此，这些设置无法提供所需的支撑功能。
如图2(B)和图2(C)所示，当激光输出太高时(该示例为200W，对应于二维能量密度大于0.25J/mm2)，半烧结粉末40"粘结成使得支撑部和测试结构50"不能容易地移除。事实上，须用手工工具将半烧结粉末削掉/凿掉。因此，这些设置不能提供无需后加工或允许部件直接从粉末床移除的支撑部。
图2(D)和图2(E)示出了理想的半烧结坚硬度(该示例为175W，对应于二维能量密度为约0.25J/mm2)。在这种情况下，半烧结支撑部50”'充分粘结，由于其在负载下不会轻易流动，因此可为测试结构40”'的悬垂部分提供支撑。然而，部件移除很简单，不需要花费很大的努力来移除部件以及脱离半烧结区域50”'。
申请人还认识到通过采用根据本发明实施例的方法可以实现或增强的一些其他优势。例如，因为半烧结支撑部基本上包含松散粉末，因此该方法可以更有效地利用材料。因此，来自支撑区域的粉末可以在几乎没有其他处理的情况下再使用。例如，仅需要将粉末通过筛子或滤网便可以确保其准备好在之后的粉末床加工中再使用。
还注意到，与半烧结区域相邻的测试件表面(例如测试结构上的悬垂部的下侧)具有改善的表面光洁度。这被认为是减少未熔化粉末粘结到部件的熔化表面上的结果。这个优点可以用于改善不需要任何支撑的平坦部件表面的光洁度。因此，根据本发明的半烧结区域还可以形成在不需要支撑的表面附近。例如，半烧结区域可以形成在部件的部分之间(在单层中)或直接在部件的外部部分上方的层上。
半烧结区域也可以改变粉末床的热性能。这可以有助于减轻部件各区域的热惯性差异。这可能是选择粉末床的待半烧结区域的另一因素。例如，可以有利地在相对精细的部件特征部周围提供额外的半烧结粉末区域，以提供更多的热质量。另外，可以在相对庞大的部件特征部周围提供较少的半烧结粉末，使得这些特征部与较精细特征部之间的热惯性差异减小。
尽管上面已经参考优选实施例描述了本发明，但是应当理解，在不脱离如所附权利要求中限定的本发明的范围的情况下，可以进行各种改变或修改。例如，技术人员可以理解，虽然上面提供的示例使用半烧结支撑部作为本发明的完全熔融支撑部实施例的替代方案，但是实际上可以与现有技术结合使用，以提供对任何给定部件的最佳加工。因此，技术人员可以采用技术或策略组合来构建特定几何形状，以便实现各种因素的最佳组合，例如几何精度、构建质量和加工生产量。例如，在一些几何形状(例如，显著的悬垂部)中，可能期望构建具有完全熔融粉末的第一支撑部分，并且将半烧结区域布置在完全熔融支撑部和部件表面之间。这可以提供足够的支撑和热传递，并仍具有根据本发明实施例的“浮动”构造的优点。
还应理解，本发明的实施例可以与减小残余应力的其他方法结合使用。例如，本发明的方法可以与经修改的扫描策略结合使用，例如执行选择性扫描的策略，该选择性扫描以非光栅扫描顺序熔化粉末，使得层的相邻部分不是在同一时刻熔化。这些方法可以与本发明的传授内容一起并入增材制造准备软件中。
可以理解，一些市场上可获得的机器，例如申请人的RenAM 500Q，可以包括多个激光器以提高生产率。RenAM 500Q例如包括四个500W激光器，各个激光器能够同时接近整个粉末床表面，以确保使用时的最大灵活性。因此，在本发明的一些实施例中，可以使用不同的能量源进行加工的烧结和熔化步骤。虽然一个或多个激光器可以专用于烧结加工，但是可以优选的是，所有激光器都适于进行熔化和烧结二者，使得可以针对特定部件构建而具体优化激光器使用和扫描模式。

Claims (15)

1.一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，其中，所述方法包括：
用能量束在不熔化的情况下烧结选定的粉末区域，以形成邻近所述部件的至少一个支撑部；以及
用能量束熔化进一步选定的所述粉末床区域，以通过逐层熔化材料形成部件。
2.如权利要求1所述的粉末床熔融增材制造方法，其中，通过烧结选定的所述粉末区域形成的所述支撑部是易碎的。
3.一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，其中，所述方法包括：
将能量束引导到选定的粉末区域以形成易碎支支撑部，所述易碎支撑部包括用作固体并且提供压缩支撑的粘结粉末；以及
用能量束熔化所述粉末床的其他区域，以通过逐层熔化材料形成部件。
4.如任一前述权利要求所述的方法，其中，所述支撑部是部分烧结的。
5.如任一前述权利要求所述的粉末床熔融增材制造方法，其中，所述方法进一步包括在所述逐层加工期间整体加热所述粉末床，其中，所述方法可以进一步包括对所述粉末床的温度进行监测和/或建模，以将所述粉末床的温度保持在所述粉末材料的应力消除温度范围内。
6.如任一前述权利要求所述的粉末床熔融增材制造方法，包括在熔化选定的所述粉末区域时控制所述能量束，通过使所述激光束前进以熔化间隔开的部分来引导所述光束固化材料层的选定区域，其中，在通过用所述激光束或另一激光束照射所述层来熔化相邻部分之前，允许每个熔化部分固化，其中，每个部分的尺寸被设置成能使得熔池延伸跨过所述整个部分。
7.如任一前述权利要求所述的粉末床熔融增材制造方法，其中，所述选择性熔化使用具有第一能量密度的能量束，而在不熔化的情况下至少部分选择性烧结使用具有第二降低的能量密度的能量束。
8.如权利要求7所述的粉末床熔融增材制造方法，其中，所述第二降低的密度是小于0.75焦耳/mm2的二维能量密度。
9.如任一前述权利要求所述的粉末床熔融增材制造方法，其中，所述支撑部包括延伸到直接在所述部件的面朝下部分的下方的层的区域。
10.如任一前述权利要求所述的粉末床熔融增材制造方法，其中，所述支撑部是用于所述部件的浮动支撑部。
11.如权利要求10所述的粉末床熔融增材制造方法，其中，所述方法包括在基底或基板与所述支撑部之间设置至少一个未熔融粉末区域。
12.如任一前述权利要求所述的粉末床熔融增材制造方法，其中，所述部分烧结的其他粉末区域直接邻近所述部件的外表面形成。
13.如任一前述权利要求所述的粉末床熔融增材制造方法，其中，在所述粉末床中形成多个部件，所述部件由所述部分烧结的其他粉末区域分隔开。
14.一种粉末床熔融增材制造方法，包括以下步骤：
a.在基底上提供粉末床；
b.加热所述粉末床；
c.通过选择性扫描所述粉末床，在所述基底上方选择性形成至少一个烧结的粉末支撑区域；
d.通过在所述半烧结区域上方选择性熔化粉末来选择性形成部件；
其中，在逐层的基础上重复步骤(d)以及可选地重复步骤(c)。
15.一种增材制造设备，包括：
包含粉末床的加工腔室；
用于提供能量束的辐射源；
用于引导所述能量束跨过所述粉末床的扫描仪；以及
控制器，所述控制器被配置成基于根据权利要求1至13中任一项所述的粉末床熔融增材制造方法控制所述设备。
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