用于增材制造的構(gòu)建板和裝置的制造方法
【專利說明】用于増材制造的構(gòu)建板和裝置
[0001]發(fā)明背景
[0002]所描述的主題大體上涉及增材制造。更特別地，本主題涉及粉末床增材制造。
[0003]增材制造(也被稱為實(shí)體自由(SFF)制造)大體上指的是特征在于成品部分由多個(gè)薄材料片的逐層構(gòu)造產(chǎn)生的事實(shí)的一類制造方法。增材制造通常涉及將液體或粉末材料迭代地應(yīng)用到工作表面、然后進(jìn)行燒結(jié)、固化、熔化和/或切割的一些組合來產(chǎn)生每一層。重復(fù)該過程來構(gòu)造近凈形組件，其然后可被加工為最終產(chǎn)品。
[0004]各種增材制造是已知的。實(shí)例包括各種基于粉末的過程，包括其中電子束選擇地熔化粉末以形成每一層的電子束熔化；其中使用激光選擇地熔化粉末的激光增材制造；和直接金屬沉積?；诜勰┑倪^程通常涉及在能量束通過粉末時(shí)的快速加熱和固化。支撐結(jié)構(gòu)(諸如散熱器、堆砌物和/或錨定件已被融合到厚金屬構(gòu)建板的上表面，以在以逐層方式在其上構(gòu)建組件時(shí)對(duì)組件進(jìn)行散熱并防止其變形。通過這種傳統(tǒng)布置，然后須在分離構(gòu)建板、支撐結(jié)構(gòu)(多個(gè))，和近凈形組件之前進(jìn)行一個(gè)或多個(gè)附加的應(yīng)力消除步驟。
發(fā)明概要
[0005]—種粉末床沉積裝置包括可移動(dòng)構(gòu)建板、粉末輸送系統(tǒng)、能夠在連續(xù)量的金屬粉末上方選擇地轉(zhuǎn)向至少一個(gè)聚集能量束的能量束裝置、非金屬阻擋層，和可移除地固定到構(gòu)建板的錨定件。非金屬阻擋層設(shè)置在構(gòu)建板的金屬上表面上方。錨定件具有與非金屬阻擋層平齊的金屬接合表面。非金屬阻擋層和錨定件限定具有粉末床工作表面的可移動(dòng)構(gòu)建總成。
[0006]構(gòu)建平臺(tái)包括具有金屬上表面的構(gòu)建板，和可移除地固定到構(gòu)建板的構(gòu)建總成。構(gòu)建總成包括具有非金屬阻擋部分和金屬接合部分的粉末床工作表面。非金屬阻擋部分設(shè)置在構(gòu)建板的金屬上表面上方，且金屬接合部分與非金屬阻擋部分齊平。
[0007]—種用于制造近凈形組件的方法包括將粉末床工作表面可移除地固定到具有金屬上表面的可移動(dòng)構(gòu)建板。粉末床工作表面具有設(shè)置在構(gòu)建板的金屬上表面上方的非金屬阻擋部分，和與非金屬阻擋部分齊平的金屬接合部分。從粉末輸送系統(tǒng)供應(yīng)一定量的金屬粉末以在粉末床工作表面上形成第一粉末構(gòu)建層。通過操作能量束裝置以在第一粉末構(gòu)建層上方選擇地轉(zhuǎn)向至少一個(gè)聚集能量束來形成第一組件構(gòu)建層。第一組件構(gòu)建層粘附到粉末床工作表面的金屬接合部分。
【附圖說明】
[0008]圖1示意地描繪了示例性粉末床沉積機(jī)器。
[0009]圖2A示出包括非金屬阻擋層、錨定銷和第一粉末構(gòu)建層的進(jìn)程中的構(gòu)建總成。
[0010]圖2B示出在第一粉末構(gòu)建層的固化和第二粉末構(gòu)建層的沉積之后的圖2A的進(jìn)程中的構(gòu)建總成。
[0011]圖3示出從構(gòu)建板上被移除的完成的構(gòu)建總成。
[0012]圖4示出錨定銷和支撐結(jié)構(gòu)于近凈形組件的分離。
[0013]圖5是示出示例性構(gòu)建過程的步驟的圖表。
【具體實(shí)施方式】
[0014]圖1示出粉末床沉積裝置10，并且還包括構(gòu)建臺(tái)14、構(gòu)建平臺(tái)16、粉末輸送裝置18、粉末隔室20、粉末升降平臺(tái)22、構(gòu)建方向箭頭24、能量束裝置26、光束發(fā)生器28、出口透鏡30、可轉(zhuǎn)向能量束32、可轉(zhuǎn)向光束路徑34、金屬構(gòu)建板36、非金屬阻擋層38、構(gòu)建總成40、粉末供應(yīng)裝置42、粉末定量裝置43、重復(fù)涂布機(jī)44、粉末構(gòu)建層45、供應(yīng)活塞46、可移動(dòng)粉末床工作表面48和錨定件50。
[0015]構(gòu)建臺(tái)14包括構(gòu)建平臺(tái)16。裝置10的實(shí)施方案可采用各種增材制造過程，諸如但不限于直接激光燒結(jié)(DLS)制造、直接激光熔化(DLM)制造、選擇性激光燒結(jié)(SLS)制造、選擇性激光熔化(SLM)制造、激光工程凈成形(LENS)制造、電子束熔化(EBM)制造、直接金屬沉積(DMD)制造，和本領(lǐng)域已知的其它制造。
[0016]構(gòu)建平臺(tái)16可以是任何物體，其能夠安裝到粉末床沉積裝置10上，并且一個(gè)或多個(gè)近凈形組件可構(gòu)建在其上。例如，平臺(tái)16可包括可相對(duì)于構(gòu)建臺(tái)14移動(dòng)的一個(gè)或多個(gè)構(gòu)建板。構(gòu)建板可具有增材制造可在其上進(jìn)行的金屬上表面，如下面所解釋。
[0017]粉末床裝置沉積裝置10可包括粉末輸送系統(tǒng)18。在該實(shí)施例中，粉末傳輸系統(tǒng)18包括粉末隔室20，其具有設(shè)置為靠近并且可相對(duì)構(gòu)建平臺(tái)16移動(dòng)的粉末升降平臺(tái)22。構(gòu)建箭頭24指示粉末升降平臺(tái)22可在第一垂直方向上移動(dòng)，且構(gòu)建平臺(tái)16可在相對(duì)第一垂直方向的第二垂直方向上移動(dòng)。然而，應(yīng)理解，可使用其它粉供應(yīng)布置。
[0018]能量束裝置26能夠?qū)τ煞勰┹斔拖到y(tǒng)18供應(yīng)到構(gòu)建平臺(tái)16的一定量的金屬粉末選擇地轉(zhuǎn)向至少一個(gè)聚集能量束。能量束裝置26的該非限制性實(shí)施例顯示了至少一個(gè)束發(fā)生器28和適于通常朝向構(gòu)建平臺(tái)16沿光束路徑34轉(zhuǎn)向能量束32的出口透鏡30。雖然圖1示出直接朝向構(gòu)建平臺(tái)16轉(zhuǎn)向束32的能量束發(fā)生器26，但是這僅是為了簡化說明而示出。應(yīng)理解，可結(jié)合其它更復(fù)雜的束構(gòu)造(例如，轉(zhuǎn)向反射鏡、棱鏡，和/或多軸CNC系統(tǒng))來操作能量束裝置26的其它實(shí)施方案。
[0019]圖1還示出設(shè)置在上表面18上的粉末床構(gòu)建板36。犧牲非金屬阻擋層38可設(shè)置在構(gòu)建板36的至少一部分上方。犧牲非金屬阻擋層38然后可作為構(gòu)建總成40的初始工作表面的基本部分。
[0020]粉末輸送系統(tǒng)18能夠供應(yīng)連續(xù)量的金屬粉末以對(duì)構(gòu)建總成40形成連續(xù)粉末構(gòu)建層45。在使用時(shí)，粉末供應(yīng)裝置42由升降平臺(tái)22向上饋送且定量裝置43由重復(fù)涂布機(jī)刮刀44跨越構(gòu)建臺(tái)14移動(dòng)。重復(fù)涂布機(jī)刮刀44可根據(jù)情況替代地采取其它形式，諸如滾輪或噴射噴嘴。粉末定量裝置43可在沉積表面上均勻地分布以形成粉末構(gòu)建層45?？蛇x擇地在每個(gè)粉末構(gòu)建層45上方掃描能量束(例如，激光或電子束)32以形成熔池。熔池的部分被固化以形成連續(xù)層的近凈形組件并將其粘附到先前的沉積表面。每層都根據(jù)計(jì)算機(jī)模型(其可被存儲(chǔ)在STL存儲(chǔ)器文件或可由粉末床沉積裝置10的控制器(未示出)訪問的其它電子數(shù)據(jù)文件中)來構(gòu)建。在每個(gè)連續(xù)層之后，重復(fù)涂布機(jī)44返回到鄰近升降平臺(tái)22的開始位置，而供應(yīng)活塞46向上前進(jìn)以從粉末供應(yīng)裝置42中暴露另一層，而構(gòu)建平臺(tái)16指示下降約一層厚度。重復(fù)涂布機(jī)44然后分布其它量的粉末43以形成新的粉末構(gòu)建層45。如上所述，每個(gè)連續(xù)沉積層的選擇性區(qū)域由能量束32燒結(jié)或以其它方式接合到前一層。重復(fù)該過程直到構(gòu)建總成40具有以逐層方式構(gòu)建的一個(gè)或多個(gè)近凈形實(shí)體自由組件。應(yīng)指出，圖1示出增材制造過程和裝置的僅一個(gè)非限制性實(shí)施例，并且不意味著將本發(fā)明限于本領(lǐng)域中已知的任何單個(gè)過程。
[0021]在傳統(tǒng)的粉末床過程中，近凈形組件被直接構(gòu)建到金屬構(gòu)建板上。這需要使用融合到基本上所有的金屬構(gòu)建板工作表面上的幾個(gè)大支撐結(jié)構(gòu)(例如，堆砌物)。這些大支撐結(jié)構(gòu)用于將進(jìn)程中的近凈形組件直接固定到金屬構(gòu)建板，同時(shí)散熱并減少近凈形組件的熱變形。然而，在構(gòu)建過程完成時(shí)，整個(gè)組合必須在分離近凈形組件與金屬構(gòu)建板之前被熱應(yīng)力消除。通常由機(jī)械工具(諸如鋸片和/或線放電機(jī)(EDM))實(shí)現(xiàn)分離。隨后，近凈形組件的底座必須經(jīng)過較長機(jī)械加工過程來移除支撐結(jié)構(gòu)的較大其余部分。因此，隨附的支撐結(jié)構(gòu)的形成和移除會(huì)引起很長處理時(shí)間和顯著量浪費(fèi)的構(gòu)建材料。
[0022]與此相反，構(gòu)建總成40形成于金屬構(gòu)建板36上且可移除地固定到其上。構(gòu)建總成40通常包括構(gòu)建在可移動(dòng)粉末床工作表面48上的近凈形組件。粉末床工作表面48可包括犧牲非金屬阻擋層38，其在構(gòu)建過程期間設(shè)置在構(gòu)建板36的大部分上方。粉末床工作表面48也可包括一個(gè)或多個(gè)錨定件50。錨定件(多個(gè))50可具有與非金屬阻擋層38齊平的上金屬接合表面(圖2A和圖2B中所示的非限制性實(shí)施例