專利名稱：添加制造設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于通過諸如選擇性激光熔化(SLM)或者選擇性激光燒結(jié)(SLS)的添加制造來生產(chǎn)部件的設(shè)備和方法。
背景技術(shù)：
用于生產(chǎn)三維部件的添加制造、快速制造和快速成型方法是本領(lǐng)域公知的(例如參見Deckard的US4863538)。已有各種公知的添加制造方法，包括粉末材料的壓實(shí)和聚合樹脂的硫化(立體平版印刷-SLA)。SLM和SLS制造方法包括利用諸如激光束或電子束的聚焦能量束將粉末材料一層層地壓實(shí)。在典型的選擇性SLS或SLM工藝中，在SLS或SLM設(shè)備中的構(gòu)建區(qū)或粉末床上沉積粉末薄層。使聚焦激光束越過粉末層的與正被構(gòu)造的三維物體橫截面對應(yīng)的部分掃描，使得在激光掃描點(diǎn)處的粉末通過燒結(jié)或熔化而被壓實(shí)。橫截面通常由部件的3-D繪圖生成， 3-D繪圖自身通過掃描原始部件或者從計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)數(shù)據(jù)生成。在層壓實(shí)后，使構(gòu)建表面降低新壓實(shí)的層的厚度，并且在該表面上散布另一粉末層。再次在該層的與三維物體的橫截面對應(yīng)的部分中用激光束照射表面，使新壓實(shí)的層結(jié)合至初始壓實(shí)的層。重復(fù)該工藝，直到部件完成。典型的添加制造設(shè)備在剛性金屬板或基板上構(gòu)建部件，該部件可從所述剛性金屬板或基板上移除，或者可選地，所述剛性金屬板或基板可結(jié)合在最終部件中。在從剛性基板移除部件的情況下，通常通過諸如銼、鋸、磨、火花放電等的機(jī)械手段移除這些部件。該移除工藝耗時、昂貴，并且需要小心進(jìn)行而不損壞成品部件。此外，剛性金屬基板需要在每次使用之后用于另一次構(gòu)建之前重新磨光。該重新磨光通常通過研磨基板平面來進(jìn)行。因而， 每次使用基板通常都損失一層基板，因此這些基板是消耗品。剛性基板必須由這樣的材料制成，構(gòu)建材料(即，用于構(gòu)建期望部件的材料)在工藝期間焊接或粘附到制造剛性基板的材料上。基板經(jīng)常需要由與構(gòu)建材料類似或相同的材料制成。這類可消耗的構(gòu)建板會特別昂貴。例如，尺寸為250mmX250mm的選擇性激光熔化設(shè)備所用的鈦構(gòu)建板的成本可超過1000英鎊。部件的機(jī)械加工移除、構(gòu)建板的重新磨光以及構(gòu)建板因磨蝕的逐漸損失的累積成本會使得通過添加制造工藝生產(chǎn)的每個部件的成本大大增加。理想上，部件可在自由的粉末床上構(gòu)建，S卩，在不受限于構(gòu)建基板的情況下構(gòu)建。 這對于諸如SLM和SLS的添加制造工藝通常是不可行的，因?yàn)樵谏a(chǎn)部件時部件中生成很高的熱應(yīng)力。部件的初始層沉積期間的變形會嚴(yán)重影響成品部件的完整性。諸如電子束熔化(EBM)或電子束燒結(jié)(EBS)的電子束制造工藝類似于SLM和SLS的工藝。EBM常常利用比SLM更高的構(gòu)建溫度，這意味著部件中的熱應(yīng)力較低。因而，在某些情況下，EBM允許生產(chǎn)不需要結(jié)合或粘附到基板上的自支撐部件。然而，有時候理想或者必需的是在使用EBM時錨固部件，并且在這些情況下按照與以上對于SLM工藝描述的方式類似的方式完成錨固。US 5753274公開了一種典型的現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備。該US專利描述了一種設(shè)備，該設(shè)備用于通過使粉末材料的連續(xù)層固化而生產(chǎn)三維物體，該設(shè)備包括剛性基板，粉末在固化時粘附到制造剛性基板的材料上，所述設(shè)備還包括用于將基板可移除地連接到設(shè)備中的支撐裝置的裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種根據(jù)所附獨(dú)立權(quán)利要求的設(shè)備和方法，現(xiàn)在將參照這些設(shè)備和方法。本發(fā)明的優(yōu)選或有利的特征在從屬權(quán)利要求中限定。因而，在第一方面中，本發(fā)明可提供一種設(shè)備，該設(shè)備用于通過構(gòu)建材料的分層添加而形成三維物體，該設(shè)備包括用于在形成期間支撐所述物體的構(gòu)件支撐件、以及基層。所述基層可移除地固定到所述構(gòu)件支撐件，并且所述三維物體在形成期間可錨固到所述基層。所述基層可描述為在形成期間在其已經(jīng)固定到所述構(gòu)件支撐件上之前，并不剛硬到足以錨固所述物體。有利的是，所述基層能夠被置于張力下。張力可使所述基層足夠剛硬而用作用于構(gòu)建物體的錨固件，并且可同時使所述基層與所述構(gòu)件支撐件緊密接觸。因而，所述基層在被置于張力下之前不能用作用于形成三維物體的錨固件。所述設(shè)備可包括用于將所述基層置于張力下的張緊裝置。該裝置可包括用于將所述基層置于張力下的夾持系統(tǒng)或輥或任何機(jī)械裝置。優(yōu)選地，所述基層是諸如膜、片材、箔片或網(wǎng)的柔性材料，并且優(yōu)選地其由可供所述構(gòu)建材料粘附的材料制成。因而本發(fā)明該方面的所述基層是一次性用品。所以，不需要在使用現(xiàn)有技術(shù)的剛性基板時所需的昂貴的重新修整工藝。此外，所述基層的成本比剛性基材低很多。在上述實(shí)例中，鈦基板的成本超過1000英鎊。根據(jù)本發(fā)明的第一方面的鈦基層在用于相同構(gòu)建區(qū)時成本大約16英鎊。有利的是，使用由諸如膜、片材、箔片或網(wǎng)的不夠剛硬、柔性或可變形材料制成的基層，可允許完成的部件通過剝離或撕下而從所述基層移除。與在使用剛性板時通常采用的機(jī)加工方法相比，剝離或撕下完成部件周圍的箔片可能是相當(dāng)便宜的將部件從其錨固層移除的方法。另一優(yōu)點(diǎn)可能是，根據(jù)本發(fā)明的該方面從基層移除部件在移除工藝期間損壞完成部件的風(fēng)險(xiǎn)更小。所述基層在對完成部件造成損害之前會變形或撕下。這與在剛性板上構(gòu)建部件的情況相反，在所述情況下所述板可能比完成部件一樣堅(jiān)固或更堅(jiān)固，這意味著在移除部件時必須小心，以避免損壞完成的部件或物體。根據(jù)本發(fā)明該方面使用基板的另一優(yōu)點(diǎn)可以是，與從構(gòu)建室移除剛性板相比，從添加制造設(shè)備的構(gòu)建室移除所述基層能夠以快得多的速度進(jìn)行。如果所述基層是金屬箔片、片材或膜，那么其優(yōu)選厚度小于250微米，并且特別優(yōu)選的是厚度足以允許第一層的構(gòu)建材料錨固在其上。厚度的最優(yōu)范圍取決于許多因素，包括構(gòu)建材料和構(gòu)建層所用的材料、激光束或電子束的功率、構(gòu)建材料的粒徑和構(gòu)建方案的其它方面。有利的是，該厚度可允許所述基層成本較低并且具有足夠的柔性以通過剝離或撕下而從完成部件移除，同時保護(hù)所述構(gòu)件支撐件不發(fā)生實(shí)質(zhì)性結(jié)構(gòu)損壞。特別優(yōu)選的是，所述基層在50微米到150微米之間，或者在75微米到125微米之間。如果所述基層是網(wǎng)，其優(yōu)選由編織在一起的諸如柱狀絲線的一系列絲線組成，使得所述絲線可分別相對彼此滑動。網(wǎng)的尺寸量級優(yōu)選允許用于形成部件的粉末落在絲線的線束之間。這可允許粉末與網(wǎng)之間的機(jī)械連結(jié)并且可有利于形成部件的初始幾層，因?yàn)榉勰┦艿骄W(wǎng)的限制。因此，利用網(wǎng)基層可更加容易地生產(chǎn)結(jié)構(gòu)的前幾層。在添加制造工藝中使用的典型粉末的平均粒徑在20微米到100微米之間。因而， 優(yōu)選的網(wǎng)可具有75微米到300微米之間的開口，形成網(wǎng)的絲線具有類似尺寸。該網(wǎng)的厚度在100微米到500微米之間，優(yōu)選在200微米到400微米之間，例如為大約300微米。使用網(wǎng)作為基層的優(yōu)點(diǎn)在于，與箔片相比，可能更容易將網(wǎng)張緊在構(gòu)件支撐件的表面上，特別是在所用的網(wǎng)具有能夠彼此滑動的線束的時候。網(wǎng)可能比類似厚度的箔片更加柔順，并且與箔片的情況相比，更容易通過網(wǎng)調(diào)節(jié)應(yīng)變的變化而不會變皺或彎曲。網(wǎng)可能不容易因粉末的激光壓實(shí)期間引起的熱應(yīng)力而彎曲。熱應(yīng)力可通過各個線束中的壓縮和張力得到調(diào)節(jié)，而不是像膜應(yīng)力那樣分布在整個箔片上。網(wǎng)或網(wǎng)狀基層結(jié)構(gòu)還可以在構(gòu)建期間允許一定量的柔量。這樣，在構(gòu)建期間產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變可以被調(diào)節(jié)，并且在部件形成期間在部件中可以積累少量的殘余應(yīng)力。重要的是，第一層構(gòu)建材料充分粘附到制造基層的材料上，以用作隨后構(gòu)造其余層的錨固件。所述基層可與所述構(gòu)建材料完全焊接，或者可形成燒結(jié)結(jié)合或擴(kuò)散結(jié)合，或者可簡單地進(jìn)行足以執(zhí)行構(gòu)建的粘附(例如通過鍵合或者通過表面張力作用)。有利的是，所述基層具有與所述構(gòu)建材料基本相同的化學(xué)成分。例如，如果所述構(gòu)建材料是鈦合金，那么可能有利的是，所述基層為相同的鈦合金或類似的鈦合金。這樣的優(yōu)點(diǎn)在于所述構(gòu)建材料將結(jié)合到所述基層，進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)在于不會發(fā)生由于所述基層中的化學(xué)元素?cái)U(kuò)散而污染最終部件。在所述構(gòu)建材料與所述基層完全成一體，例如焊接的情況下，使用與所述構(gòu)建材料相同化學(xué)成分的基層允許通過簡單地從所述基層的錨固區(qū)域周圍撕下或剪下所述基層而從所述基層移除最終部件。在這種情況下，與所述構(gòu)建材料成一體的所述基層可以變成完成部件的一部分，或者可以通過隨后的機(jī)加工操作而移除。優(yōu)選地，所述設(shè)備還包括用于選擇性地結(jié)合或壓實(shí)粉末區(qū)域以形成物體的裝置。 該裝置的優(yōu)選實(shí)施例包括激光生成系統(tǒng)和電子束生成系統(tǒng)。激光和電子束系統(tǒng)都產(chǎn)生高能量束，高能量束能夠?qū)⒆銐蚋叩哪芰棵芏葌魉椭烈稽c(diǎn)，以能夠使該點(diǎn)處的粉末燒結(jié)或熔化。 因而，所述設(shè)備優(yōu)選是用于通過選擇性激光熔化、選擇性激光燒結(jié)、電子束熔化或電子束燒結(jié)來生產(chǎn)物體的設(shè)備。有利的是，所述設(shè)備可包括用于將所述基層固定至所述構(gòu)件支撐件的夾具。夾持的優(yōu)點(diǎn)在于其是固定所述基層的簡單實(shí)施方式。夾持元件可定位在所述構(gòu)件支撐件的相反兩側(cè)以使所述構(gòu)建層在所述構(gòu)件支撐件上張緊，或者可定位在所述構(gòu)件支撐件的三側(cè)或四側(cè)上。優(yōu)選地，所述夾具固定所述基層，使其在其基本所有區(qū)域上保持與所述構(gòu)件支撐件接觸。有利的是，用于將所述基層固定至所述構(gòu)件支撐件的裝置可包括用于在所述構(gòu)件支撐件上張緊所述基層的輥機(jī)構(gòu)。該輥裝置可允許所述基層可調(diào)節(jié)地張緊，使其相對于所述構(gòu)件支撐件被限制并且在其基本所有區(qū)域上與所述構(gòu)件支撐件接觸。優(yōu)選地，該輥裝置布置成位于比所述構(gòu)件支撐件低的高度，即，所述基層在固定至所述構(gòu)件支撐件時位于設(shè)備內(nèi)比用于張緊基層的所述輥機(jī)構(gòu)高的高度處。該輥機(jī)構(gòu)可包括兩個輥?zhàn)?，在所述設(shè)備內(nèi)構(gòu)件支撐件的每側(cè)各安裝一個輥?zhàn)?。所述基層可通過施加真空而固定至所述構(gòu)件支撐件。例如，所述構(gòu)件支撐件可包括孔或通道，在所述孔或通道中可施加真空，以相對于所述設(shè)備的所述構(gòu)建室內(nèi)的環(huán)境降低壓力。在這種情況下，施加于所述構(gòu)件支撐件的基層通過所述壓力差保持在適當(dāng)位置。使用真空將所述基層固定至所述構(gòu)件支撐件是有利的，因?yàn)槟苎杆偈┘雍腿コ婵諌毫Γ瑥亩试S迅速更換基層。使用真空還可以消除對夾持機(jī)構(gòu)的需要，夾持機(jī)構(gòu)必須在不妨礙通過擦拭臂施加連續(xù)的構(gòu)件材料層的情況下結(jié)合在所述設(shè)備中。所述基層還可通過可解除的物理結(jié)合而固定至所述構(gòu)件支撐件。這類結(jié)合的實(shí)例可包括粘合、焊接或銅焊結(jié)合。舉例來說，所述基層可施加至構(gòu)件支撐件，在它們之間固定低熔點(diǎn)合金。然后該組件可在爐中加熱至所述低熔點(diǎn)合金的熔點(diǎn)之上，隨后可再次冷卻而使合金固化。該合金因而可形成所述構(gòu)件支撐件與所述基層之間的焊接接合部的部分。該結(jié)合部可通過相反過程移除，即，通過在爐中加熱保持完成的構(gòu)建部件的構(gòu)件支撐件-基層組件，直到所述低熔點(diǎn)合金熔化，然后從所述構(gòu)件支撐件移除所述基層。有利的是，所述構(gòu)件支撐件可包括高導(dǎo)熱材料。具體地，合適的材料包括銅或銅合金。在構(gòu)建部件期間，通過能量束提供大量的熱，從而熔化或燒結(jié)構(gòu)建材料。有利的是，該熱量能夠以可控的方式從所述部件移除，因此所述部件與所述基層以及支撐所述基層的所述構(gòu)件支撐件之間的熱流路徑可能是有利的。銅合金或銅或其它高導(dǎo)熱材料可允許熱點(diǎn)迅速均衡，從而減輕了熱變形。有利的是，所述構(gòu)件支撐件可包括冷卻裝置，例如空氣冷卻通道或水冷卻通道。有利的是，所述構(gòu)件支撐件可具有圓形邊緣以減少所述基層的變形。當(dāng)通過夾持或者輥張緊將基層固定至構(gòu)件支撐件時，關(guān)注構(gòu)件支撐件的形狀可能很重要。對于這類固定機(jī)構(gòu)，構(gòu)件支撐件上的尖銳邊緣可能弄皺基層，或者在基層中引入薄弱點(diǎn)，從而降低基層的完整性以及其在構(gòu)建期間支撐和限制部件的能力。可能有利的是，所述構(gòu)件支撐件和所述基層由不相似的材料制成。因而，所述基層可由具有用于粘附到所選的構(gòu)建材料上的適當(dāng)性質(zhì)的材料制成，同時所述構(gòu)件支撐件滿足其他性質(zhì)，例如高熱容量。還可能有利的是，所述構(gòu)件支撐件和所述基層由在施加熱時不容易彼此結(jié)合的材料制成。這樣可減少在沉積部件的初始幾層期間所述基層焊接或燒結(jié)到所述構(gòu)件支撐件的機(jī)會。在第二方面中，本發(fā)明可提供用于通過分層添加構(gòu)建材料形成三維物體的設(shè)備， 該設(shè)備包括構(gòu)件支撐件，其用于在形成期間支撐所述物體；以及可移除地固定到所述構(gòu)件支撐件的基層，所述物體可在形成期間錨固到所述基層，其中所述基層通過施加真空固定到所述構(gòu)件支撐件。如上關(guān)于本發(fā)明的第一方面所述，真空固定裝置或機(jī)構(gòu)可提供多種優(yōu)點(diǎn)，例如快速地安裝基層并且在構(gòu)建結(jié)束時快速地移除基層。在第三方面中，本發(fā)明可提供一種通過分層添加構(gòu)建材料形成三維物體的方法， 該方法包括以下步驟將可移除的基層固定到用于通過分層添加構(gòu)建材料形成三維物體的設(shè)備的構(gòu)件支撐件上；在所述基層上形成物體的第一層，使該第一層錨固至所述基層；在所述第一層上形成多個后續(xù)層，直到形成所述三維物體；以及從所述設(shè)備的所述基層移除所述基層和所述三維物體。優(yōu)選地，所述基層在被張緊或固定到所述構(gòu)件支撐件之前，并不夠剛硬到足以在形成期間錨固所述物體。優(yōu)選地，所述基層是由可供所述構(gòu)建材料粘附的材料制成的網(wǎng)、膜、片材或箔片。在通過選擇性激光熔化、選擇性激光燒結(jié)、電子束熔化或電子束燒結(jié)來形成物體的情況下，可有利地使用所述方法。有利地，所述方法可進(jìn)一步包括從所述三維物體剝離所述基層的步驟。剝離所述基層不需要任何特殊的加工設(shè)備，并且可以是將所述物體從所述基層移除的快速、節(jié)約成本的方法?？蛇x地，從所述基層移除所述物體可包括在所述三維物體周圍撕下或切下所述基層的步驟。然后可通過機(jī)械或化學(xué)工藝從所述基層移除所述三維物體，例如通過研磨或蝕刻，或者在基層為網(wǎng)的情況下通過破壞所述基層。破壞網(wǎng)可包括以下步驟在完成的部件或部分周圍切下所述網(wǎng)，然后從所述部件分別移除每個線束。該破壞工藝可使得更容易移除所述基層。 可選地，所述基層可結(jié)合在所述三維物體中。有利的是，所述基層可通過施加真空或施加夾持裝置或輥固定裝置而固定至所述構(gòu)件支撐件。該固定裝置已經(jīng)如上關(guān)于本發(fā)明的第一方面進(jìn)行了描述。優(yōu)選的是，所述基層的厚度小于500微米，優(yōu)選小于250微米，特別優(yōu)選地在50微米到150微米之間。在另一方面中，本發(fā)明可提供一種通過添加制造工藝形成部件的方法，該部件結(jié)合有柔性網(wǎng)、片材或箔片以及添加到該柔性網(wǎng)、片材或箔片上的結(jié)構(gòu)元件。從而，至少一部分所述基層成為所述完成部件的一體部分。根據(jù)該方面的所述方法如上述任一方面所述地執(zhí)行，區(qū)別在于一些添加到基層的結(jié)構(gòu)沒有從所述基層移除或修剪掉。因而，本發(fā)明可提供一種制造用于控制流體動力流動的保形幾何形狀的方法。例如，在基層上產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)成影響流體流動或空氣流動，例如設(shè)計(jì)成用于引起湍流、改變邊界層或影響混合的結(jié)構(gòu)。所生產(chǎn)的部件是其上構(gòu)建有期望結(jié)構(gòu)的片材或箔片，該片材或箔片可以施加于不同形狀的表面。本發(fā)明還可提供用于如上所述改變流體流動的部件。保形流體流動幾何形狀的實(shí)施例是用于施加到例如機(jī)翼的表面以改變機(jī)翼空氣流動的片材。所述部件包括柔性材料的片材，該片材的厚度較小，例如在50微米到150微米之間，在所述片材上已經(jīng)構(gòu)造有多個空氣流動修正結(jié)構(gòu)。所述片材可通過粘附或擴(kuò)散結(jié)合或者將片材附接到結(jié)構(gòu)的任何典型方法而容易地施加到現(xiàn)有結(jié)構(gòu)。本文所述的流體流動幾何形狀可用于期望修正流體流動的許多場合，例如應(yīng)用于渦輪葉片或水下機(jī)器。在另一方面中，本發(fā)明可提供保形天線和制造該天線的方法。天線結(jié)構(gòu)可構(gòu)建在適當(dāng)?shù)牟蚱纳?利用如上任一方面所述的添加制造)，因而保形天線可包括具有一體天線結(jié)構(gòu)的箔片或片材。該保形天線可施加到部件的表面，例如船的桅桿，其中期望表面具有多個天線結(jié)構(gòu)。本文所述的保形天線可例如用于改變結(jié)構(gòu)的電磁分布。舉例來說，可通過向表面施加適當(dāng)?shù)奶炀€結(jié)構(gòu)來改變結(jié)構(gòu)的雷達(dá)反射性。
使用柔性材料作為用于天線結(jié)構(gòu)的基層可允許生產(chǎn)可調(diào)諧的天線，例如通過使可調(diào)諧天線的基層變形以改變在所述層上構(gòu)建的各種天線部件的空間關(guān)系。在另一方面中，本發(fā)明可提供一種通過分層添加構(gòu)建材料形成三維物體的方法， 該方法包括以下步驟通過施加真空將可移除基層固定到用于通過分層添加構(gòu)建材料形成三維物體的設(shè)備的構(gòu)件支撐件上；在所述基層上形成物體的第一層，使該第一層錨固至所述基層；在所述第一層上形成多個后續(xù)層，直到形成所述三維物體；以及從所述設(shè)備的所述基層移除所述基層和所述三維物體。優(yōu)選地，所述物體的所述第一層利用不能熔穿所述基層的束能量或束能量密度形成。因而，所述基層不會焊接或粘附到所述構(gòu)件支撐件，從而保持所述構(gòu)件支撐件完整。優(yōu)選地，根據(jù)上述任一方法的方法可包括以下步驟形成部件的一到二十層之間， 優(yōu)選一到十層之間所用的入射束能量密度低于生產(chǎn)后續(xù)層的入射束能量密度，即，利用較低的束能量密度或束能量生產(chǎn)置于所述基層上的初始層，然后利用形成期望部件所需的通常的束能量密度或束能量生產(chǎn)后續(xù)層。


下面參照附圖描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，附圖中圖1是典型的SLM設(shè)備的構(gòu)建室的示意圖；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個方面的固定到構(gòu)件支撐件的基層；圖3示出了安裝在SLM設(shè)備中的圖2的基層和構(gòu)件支撐件；圖4示出了根據(jù)圖2形成在基層上的多個三維物體；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的一個方面的固定到構(gòu)件支撐件的基層；圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的一個方面的真空夾盤；圖7示出了通過使用嵌入構(gòu)件支撐件中的結(jié)構(gòu)部來將構(gòu)件固定到構(gòu)件支撐件上的可選方法；并且圖8示出了在從網(wǎng)狀基層移除的工藝中的三維物體。
具體實(shí)施例方式圖1示出了典型的選擇性激光熔化設(shè)備10。該設(shè)備限定了在其中生產(chǎn)三維部件 30的構(gòu)建室20，并且包括可降低的構(gòu)建平臺40，三維部件30被支撐在該構(gòu)建平臺40上。 構(gòu)建室20還容納有用于在構(gòu)建平臺的表面上散布粉末層55的粉末配送涂布設(shè)備50。光學(xué)模塊60 (容納在構(gòu)建室內(nèi)或構(gòu)建室外)發(fā)出用于照射散布于構(gòu)建表面45上的粉末的激光束65。構(gòu)建平臺40布置成可在構(gòu)建筒75的孔70內(nèi)下降，這樣在物體30從連續(xù)粉末層逐步構(gòu)件的同時允許構(gòu)建表面45基本保持在機(jī)器內(nèi)的相同位置。構(gòu)建平臺結(jié)合有構(gòu)件支撐件和可移除地固定至構(gòu)件支撐件的基層，物體30在其形成期間可錨固至基層?；鶎颖Ｗo(hù)構(gòu)件支撐件在構(gòu)建部件時不與部件物理接觸。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個方面的構(gòu)件支撐件和基層。構(gòu)建平臺40由不銹鋼板構(gòu)成，并且布置成可在構(gòu)建筒的孔內(nèi)下降。在構(gòu)建平臺的上表面41上布置有由銅板制成的構(gòu)件支撐件100。銅由于其良好的導(dǎo)熱性而用于構(gòu)件支撐件的材料。在構(gòu)件支撐件的上表面上固定有基層110?；鶎邮?00微米厚的箔片，并且通過夾具120固定在構(gòu)件支撐件的表面上，夾具120緊固至構(gòu)建平臺并且使箔片在構(gòu)件支撐件的上表面上被拉緊或張緊。箔片110可由任何材料制成，只要正在形成的物體粘附在該材料上即可。常常有利的是，箔片材料與形成正在形成物體的粉末是相同的成分，例如，如果正在形成的物體是航天工業(yè)常用的鈦6鋁4釩合金(Ti6AL4V)，那么有利的是箔片是Ti6AL4V合金制成的100微米厚的箔片。箔片和構(gòu)建材料使用相同材料確保了在構(gòu)造部件的初始階段構(gòu)建材料可錨固至基層箔片，此外可有助于防止部件或形成的物體受到基層中的劣質(zhì)合金元素的污染。盡管在本具體實(shí)施例中使用箔片作為基層，但能夠可選地使用網(wǎng)。相對于使用箔片，使用網(wǎng)可以提供額外的益處，如上所述。雖然在圖2中圖示了夾在構(gòu)件支撐件的兩側(cè)上的箔片，但是容易想到，為了進(jìn)行附加的限制，可以在構(gòu)件支撐件的三側(cè)或者構(gòu)件支撐件的四個側(cè)設(shè)置夾具。在使用時，箔片110被夾持元件夾到構(gòu)建平臺的表面上，該夾持元件在構(gòu)件支撐件的一側(cè)上將箔片限制在平臺上，使箔片越過構(gòu)件支撐件伸展，然后在構(gòu)件支撐件的另一側(cè)用第二夾持元件夾持箔片，使得有足夠的張力將箔片的表面壓在構(gòu)件支撐件上。圖3示出了商用純鈦箔片基層，該純鈦箔片基層通過夾持裝置固定在SLM設(shè)備的構(gòu)建室中的銅制構(gòu)件支撐件上。在利用固體構(gòu)建板的典型的SLM工藝中，通常利用相對較高的激光功率來生產(chǎn)部件的前幾層，以確保前幾層牢固地結(jié)合或熔合到支撐件上。然后以略低的激光功率生產(chǎn)構(gòu)件的大部分。通過如本發(fā)明的各個方面所限定的那樣使用基層，重要的是部件或構(gòu)件的初始幾層不會生產(chǎn)為使得部件粘附到基層下方的構(gòu)件支撐件上。沉積初始幾層而不 “燒穿”基層所需的功率將取決于許多因素，包括材料的類型、基層的厚度、材料的粒徑、構(gòu)件支撐件的熱性質(zhì)等等。因此可能有利的是，與構(gòu)件的大部分相比，以相同的功率或者較低的功率生產(chǎn)初始幾層，以減少構(gòu)件穿過基層粘附到構(gòu)件支撐件上的機(jī)會。在圖4所示的實(shí)施例中，在MCP Realizer II選擇性激光熔化機(jī)中，利用夾具系統(tǒng)將商用純鈦箔片作為基層固定到銅制的構(gòu)件支撐件上。該機(jī)器具有250mmX250mm的構(gòu)建區(qū)，并且操作200瓦的波長為1021納米的鐿纖維激光器。生產(chǎn)了由商用純鈦粉末制成的八個部件。采用的構(gòu)建方案包括以70瓦的激光功率生產(chǎn)較低的十層。然后將激光功率增加至92瓦來生產(chǎn)部件的后續(xù)層。(申請人注意到如果在固體板上進(jìn)行該構(gòu)建，那么初始幾層通常已經(jīng)以較高的激光功率(例如121瓦)構(gòu)建，之后將功率降低至92瓦用于后續(xù)層)。 使用該較低功率足以將部件的初始幾層錨固到基層，使得可以成功地生成期望的部件幾何形狀(如圖4所示)。一旦構(gòu)件完成，就通過從構(gòu)建平臺松開箔片基層而將其迅速從設(shè)備移除。然后通過從部件剝離基層而移除基層?；鶎拥娜嵝孕再|(zhì)允許其通過剝離而從部件移除，或者在由于部件和基層之間的結(jié)合程度較高而使剝離失效時，通過撕下基層而從部件移除。因此，可迅速將部件從基層移除，并且將其傳送至隨后需要的任何修整操作。圖5示出了根據(jù)本發(fā)明一個方面用于將基層固定至構(gòu)件支撐件的可選方式?？梢钥吹?，基層510是固定在構(gòu)件支撐件500上的柔性材料或箔片?；鶎釉趦啥司砝@在第一輥 520和第二輥530上。輥允許根據(jù)需要調(diào)節(jié)基層中的張力，以將其固定在構(gòu)件支撐件上。如圖5所示使用張緊輥的另一優(yōu)點(diǎn)在于，可以通過撕下或剝離將完成的部件從基層移除，然后可簡單地向前卷收基層，使得用過的部分卷取在第一輥520上，同時將新的基層從第二輥530釋放在構(gòu)件支撐件上。這樣的系統(tǒng)可提高更換效率。
圖6示出了將基層固定至構(gòu)件支撐件的另一方法。在該實(shí)施例中，構(gòu)件支撐件是由栓接在一起的兩個銅板制成的模塊化部件。下銅板600限定了氣體通道610和用于接收 0形環(huán)的邊緣620。氣體通道610穿過下板的邊緣630限定，并且延伸到第一板的上表面的中央的碟狀區(qū)域640。0形環(huán)650安置在下板的邊緣620中，并且上板660緊固到其上。上板穿過其厚度限定有多個孔670。因而，當(dāng)夾持在一起時，上板和下板以及其間的0形環(huán)形成了一個單元，該單元具有基本中空的內(nèi)部以及通道610與孔670之間的氣體連通。該結(jié)構(gòu)或執(zhí)行相同功能的其它類似結(jié)構(gòu)可稱為真空夾盤。在使用時，氣體通道610聯(lián)接到真空泵，因而從夾盤的中央部分除去氣體(該氣體可以是空氣或者形成構(gòu)建室內(nèi)的環(huán)境的任何氣體)。由于通道610和孔670氣體連通，所以用經(jīng)過多個孔670進(jìn)入真空夾盤的氣體來替換通過真空泵從通道610除去的氣體。如果如圖6所示，可移除的基層定位在真空夾盤的上表面上，那么由真空引起的壓力差導(dǎo)致基層被固定到真空夾盤的表面上。這類系統(tǒng)可以是將基層施加到構(gòu)件支撐件(即，真空夾盤)上的有效方法，特別是在基層為柔性材料的情況下。要注意，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，基層不需要是與真空夾盤一起作用的柔性材料。真空夾盤例如優(yōu)于夾具的一個優(yōu)點(diǎn)是，基層只需簡單地定位在真空夾盤上，并且施加真空以將基層固定而用于構(gòu)建操作，從而消除了潛在的要求高精度的夾持操作。圖7示出了將構(gòu)件固定至構(gòu)件支撐件的可選方法。構(gòu)件支撐件800由可安裝至構(gòu)建平臺(例如通過螺栓)的板組成。平臺在上表面限定了多個切口部，例如T形或L形部， 基材(例如在構(gòu)建商用純鈦產(chǎn)品時為商用純鈦)的對應(yīng)配合部可置于所述切口部中。在使用中通過橋接嵌入部之間的間隙而形成部件的初始幾層。一旦形成就通過滑動將這些部分從平臺釋放，并且從構(gòu)件移除切口部。圖8示出了通過SLS工藝在網(wǎng)狀基層910上形成的三維物體900(在本例中為象棋的車)的具體實(shí)施方式
。網(wǎng)狀基層在SLS設(shè)備中通過夾具固定，該夾具將網(wǎng)在構(gòu)件表面上張緊。物體900在使其不完全焊接到網(wǎng)上的條件下形成。該方法已經(jīng)在上面關(guān)于在箔片基層上形成物體進(jìn)行了描述。從圖8可以看到，物體900可通過將網(wǎng)從物體基部剝離而容易地從網(wǎng)910移除。
權(quán)利要求
1.一種用于通過分層添加構(gòu)建材料而形成三維物體的設(shè)備，該設(shè)備包括 用于在形成期間支撐所述物體的構(gòu)件支撐件；以及基層，所述基層可移除地固定到所述構(gòu)件支撐件，并且所述三維物體在形成期間能夠錨固到所述基層，其中所述基層是由能夠供所述構(gòu)建材料粘附的材料制成的金屬網(wǎng)、膜或箔片。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，還包括用于將所述基層置于張力下的張緊裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備，其中所述基層的厚度小于500微米，優(yōu)選小于250 微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的設(shè)備，其中所述基層的厚度在50微米到150微米之間。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中，所述基層具有與所述構(gòu)建材料基本相同的化學(xué)成分。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，該設(shè)備用于從構(gòu)建材料粉末形成物體，還包括用于選擇性地結(jié)合粉末區(qū)域以形成物體的裝置。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，該設(shè)備用于通過選擇性激光熔化、選擇性激光燒結(jié)、電子束熔化或電子束燒結(jié)來生產(chǎn)物體。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，包括用于將所述基層固定至所述構(gòu)件支撐件并且/或者用于張緊所述基層的夾具。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，包括用于張緊所述基層的輥裝置。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中，所述基層通過可解除的物理結(jié)合， 例如粘合、焊接或銅焊結(jié)合或者類似的熱結(jié)合，而固定至所述構(gòu)件支撐件。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中，所述構(gòu)件支撐件包括高導(dǎo)熱材料， 特別是銅或銅合金。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中，所述構(gòu)件支撐件結(jié)合有冷卻裝置， 例如水冷卻通道。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中，所述基層能夠在形成之后從所述物體剝離。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中，所述構(gòu)件支撐件具有圓角邊緣以減少所述基層的變形。
15.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中，所述基層固定到所述構(gòu)件支撐件， 以提供熱連接。
16.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中，所述構(gòu)件支撐件和所述基層由不相似的材料制成。
17.—種通過分層添加構(gòu)建材料形成三維物體的方法，該方法包括以下步驟 將可移除的基層固定到用于通過分層添加構(gòu)建材料形成三維物體的設(shè)備的構(gòu)件支撐件上；在所述基層上形成物體的第一層，使該第一層錨固至所述基層； 在所述第一層上形成多個后續(xù)層，直到形成所述三維物體；以及從所述設(shè)備的所述基層移除所述基層和所述三維物體，其中，所述基層是由能夠供所述構(gòu)建材料粘附的材料制成的金屬網(wǎng)、膜或箔片。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，通過選擇性激光熔化、選擇性激光燒結(jié)、電子束熔化或電子束燒結(jié)來形成所述物體.
19.根據(jù)權(quán)利要求17或18所述的方法，進(jìn)一步包括從所述三維物體剝離所述基層的步馬聚ο
20.根據(jù)權(quán)利要求17或18所述的方法，進(jìn)一步包括在所述三維物體周圍撕下或切下所述基層，并且任選地通過機(jī)械和/或化學(xué)工藝從所述物體移除所述基層的步驟。
21.根據(jù)權(quán)利要求17至20中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述基層通過施加夾具而固定至所述構(gòu)件支撐件。
22.根據(jù)權(quán)利要求17至21中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述基層的厚度小于500微米， 優(yōu)選小于250微米，特別優(yōu)選地在50微米到150微米之間。
23.—種產(chǎn)品，包括柔性網(wǎng)、片材或箔片，具有結(jié)合到該柔性網(wǎng)、片材或箔片的表面中的結(jié)構(gòu)，其中所述結(jié)構(gòu)通過添加制造工藝形成。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的產(chǎn)品，其中，所述結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)成改變流體流動，例如空氣流動。
25.根據(jù)權(quán)利要求M所述的產(chǎn)品，該產(chǎn)品用于使空氣流動在飛行器機(jī)翼或機(jī)翼的一部分上保形或改變。
26.根據(jù)權(quán)利要求23所述的產(chǎn)品，其中，所述結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)成用作天線。
27.根據(jù)權(quán)利要求沈所述的產(chǎn)品，該產(chǎn)品是用于施加到一表面的可保形的天線。
28.根據(jù)權(quán)利要求沈所述的產(chǎn)品，該產(chǎn)品是可調(diào)諧的天線。
29.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述第一層利用不能熔穿所述基層的束能量或束能量密度形成。
30 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，形成先形成的層的前一到二十層之間，優(yōu)選前一到十層之間所用的入射束能量密度低于生產(chǎn)后續(xù)層的入射束能量密度。
31.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，包括張緊所述基層使其足夠剛硬以錨固所述三維物體的步驟。
32.—種基本如本文參照附圖所述的設(shè)備。
33.一種基本如本文參照附圖所述的方法。
34.一種基本如本文參照附圖所述的產(chǎn)品。
35.一種用于通過分層添加構(gòu)建材料而形成三維物體的設(shè)備，該設(shè)備包括 用于在形成期間支撐所述物體的構(gòu)件支撐件；以及基層，所述基層可移除地固定到所述構(gòu)件支撐件，并且所述物體在形成期間可錨固到所述基層，其中所述基層在形成期間在其固定到所述構(gòu)件支撐件上之前，并不剛硬到足以錨固所述物體。
36.一種通過分層添加構(gòu)建材料形成三維物體的方法，該方法包括以下步驟 將可移除的基層固定到用于通過分層添加構(gòu)建材料形成三維物體的設(shè)備的構(gòu)件支撐件上；在所述基層上形成物體的第一層，使該第一層錨固至所述基層；在所述第一層上形成多個后續(xù)層，直到形成所述三維物體；以及從所述設(shè)備的所述基層移除所述基層和所述三維物體，其中，所述基層在形成期間在其固定到所述構(gòu)件支撐件上之前，并不剛硬到足以錨固所述物體。
全文摘要
一種用于通過分層添加構(gòu)建材料而形成三維物體(30)的設(shè)備(10)，該設(shè)備具有用于在形成期間支撐所述物體(30)的構(gòu)件支撐件(100)、以及可移除的金屬基層(110)，該基層呈網(wǎng)、膜、片材或箔片的形式。所述基層(110)可移除地固定到所述構(gòu)件支撐件(100)。
文檔編號B29C67/00GK102196893SQ200980143099
公開日2011年9月21日 申請日期2009年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月30日
發(fā)明者克里斯·薩克利夫, 西蒙·彼得·斯科特 申請人:Mtt技術(shù)有限公司