專利名稱：大零件建造體的添加制造管理的制作方法
大零件建造體的添加制造管理
相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用本申請(qǐng)要求2011年10月21日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)No. 61/549,868的優(yōu)先權(quán)。技術(shù)領(lǐng)域
本公開一般地涉及用于添加制造機(jī)器和過程的激光器構(gòu)造。更具體地，本公開涉 及用于在添加制造組件內(nèi)的創(chuàng)建期間釋放零件內(nèi)的應(yīng)力的構(gòu)造。
背景技術(shù)：
典型的制造方法包括各種從起始坯料去除材料以形成期望的完成零件形狀的方 法。通過從起始材料削減材料，此類方法采用切削工具來去除材料以形成孔、表面、總體形 狀等等。此類削減制造方法在完成零件的最終形狀上給予了物理限制。添加制造方法通過 一次添加一層來形成期望零件形狀，因此提供了在采用傳統(tǒng)削減制造方法構(gòu)造的零件中不 可行的零件形狀和幾何結(jié)構(gòu)的成型。
添加制造采用了諸如激光束的熱源來熔化粉末金屬層以一層一層地形成期望的 零件構(gòu)造。激光器在粉末金屬中形成了熔融池，該熔融池會(huì)固化。然后，另一層粉末材料被 鋪展在以前固化的零件上并且被熔化到以前熔化的層以一層一層地建造期望的零件幾何 結(jié)構(gòu)。所施用的但未熔化成零件的一部分的粉末材料在零件的周圍和內(nèi)部聚集。對(duì)于較小 的零件，多余的粉末材料并不顯著。然而，隨著能力的提高并且制造較大的零件，多余的粉 末金屬可能在零件制造能力和經(jīng)濟(jì)可行性兩方面都變成重要的考慮因素。發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本公開的示例性實(shí)施例的一種添加制造過程包括如下步驟限定圍繞期望零 件幾何形狀的周邊的界限；將材料沉積到基板上；以及將能量引導(dǎo)到沉積材料的部分以便 沿著所限定的界限和所述期望零件幾何形狀來形成保持壁。
在前述添加制造過程的進(jìn)一步實(shí)施例中，沉積材料被保持在所述保持壁和所述零 件的周邊之間。
在前述添加制造過程中任一個(gè)的進(jìn)一步實(shí)施例中，所述保持壁外側(cè)的沉積材料被 從工作空間移除。
在前述添加制造過程中任一個(gè)的進(jìn)一步實(shí)施例中，包括回收所移除的沉積材料并 且將所回收的材料沉積到所述零件和所述保持壁的至少一個(gè)上。
在前述添加制造過程中任一個(gè)的進(jìn)一步實(shí)施例中，包括與所述零件一致地建造所 述保持壁，使得所述保持壁的頂層和所述零件的頂層基本在公共平面內(nèi)。
前述添加制造過程中任一個(gè)的進(jìn)一步實(shí)施例，包括將所述零件和所述保持壁的至 少一個(gè)加熱到高于環(huán)境溫度且低于熔化沉積材料所需溫度的期望溫度。
前述添加制造過程中任一個(gè)的進(jìn)一步實(shí)施例，包括用散焦激光來加熱所述保持 壁。
前述添加制造過程中任一個(gè)的進(jìn)一步實(shí)施例，包括用所述散焦激光來加熱所述零 件。
前述添加制造過程中任一個(gè)的進(jìn)一步實(shí)施例，包括用加熱元件來加熱所述零件和 所述保持壁的至少一個(gè)，所述加熱元件被支撐成鄰近所述保持壁。
前述添加制造過程中任一個(gè)的進(jìn)一步實(shí)施例，包括用被發(fā)射穿過所述基板的熱量 來加熱所述零件和所述保持壁的至少一個(gè)。
前述添加制造過程中任一個(gè)的進(jìn)一步實(shí)施例，包括將所述基板切割成包括支撐部 分和網(wǎng)格部分，所述支撐部分用于支撐所述保持壁和所述零件，所述網(wǎng)格部分用于排空多 余的沉積材料。
根據(jù)本公開的示例性實(shí)施例的一種添加制造機(jī)器除了其他可能的特征外還包括: 基板，所述基板用于支持期望零件幾何形狀的制造，其中，所述基板包括基于所述期望零件 幾何形狀而被限定的支持部分和圍繞所述支持部分的開放區(qū)域，所述開放區(qū)域包括多個(gè)開 口 ；材料施用器，所述材料施用器用于將材料沉積到所述基板上；和能量引導(dǎo)裝置，所述能 量弓I導(dǎo)裝置用于形成沉積材料的一部分。
在前述添加制造機(jī)器的進(jìn)一步實(shí)施例中，所述開放區(qū)域包括開放到所述基板下面 的空間的網(wǎng)格。
在前述添加制造機(jī)器中任一個(gè)的進(jìn)一步實(shí)施例中，所述支持部分被成形為對(duì)應(yīng)于 所述期望零件幾何形狀的外周邊和與所述期望零件幾何形狀的外周邊間隔開的保持壁。
在前述添加制造機(jī)器中任一個(gè)的進(jìn)一步實(shí)施例中，包括至少一個(gè)第二能量引導(dǎo)裝 置，所述至少一個(gè)第二能量引導(dǎo)裝置發(fā)射散焦激光束以便加熱所述零件和所述保持壁的至 少一個(gè)的部分。
在前述添加制造機(jī)器中任一個(gè)的進(jìn)一步實(shí)施例中，包括由壁限定的工作空間，所 述壁包括用于調(diào)節(jié)所述工作空間內(nèi)的溫度的加熱元件。
在前述添加制造機(jī)器中任一個(gè)的進(jìn)一步實(shí)施例中，包括板包括用于在制造期間加 熱零件的加熱元件。
在前述添加制造機(jī)器中任一個(gè)的進(jìn)一步實(shí)施例中，所述再循環(huán)系統(tǒng)用于收集流動(dòng) 穿過所述基板的開放區(qū)域的多余材料。
盡管不同的示例在圖示中示出了特定的部件，但是本發(fā)明的實(shí)施例并不限于那些 特定組合。也可以使用來自這些示例之一的部件或特征中的一些以及來自這些示例中的另 一個(gè)的特征或部件的組合。
通過以下說明書和附圖可以最好地理解本文公開的這些及其它特征，其下面是簡(jiǎn) 要說明。


圖1是示例性添加制造機(jī)器的示意圖。
圖2是用于該示例性添加制造機(jī)器的基板的示意圖。
圖3是該示例性添加制造機(jī)器的示意圖，其包括材料回收系統(tǒng)。
具體實(shí)施方式
參照?qǐng)D1，添加制造機(jī)器10包括工作空間12，工作空間12支撐能量發(fā)射裝置18 和基板14，在制造期間，零件40被支撐在基板14上。在該示例中，能量發(fā)射裝置18發(fā)射 激光束20，激光束20使由材料施用器28沉積的材料30熔化。示例性的材料30是金屬粉 末，其在基板14上被施用而形成層，并且后續(xù)的層被施用以產(chǎn)生零件40的期望構(gòu)造。激光 束20引導(dǎo)能量，該能量將粉末材料熔化成形成期望零件尺寸的構(gòu)造。
添加制造過程采用材料30，該材料30被施用而形成基板14的頂部上的多個(gè)層。 所述層的選擇性部分后續(xù)地被發(fā)射自激光束20的能量熔化。聚焦在零件40的頂層上的能 量產(chǎn)生期望的熱量以熔化粉末金屬的一些部分。穿過零件的固化部分的熱傳導(dǎo)以及與周圍 環(huán)境的對(duì)流冷卻使熔化部分固化以建造和生長(zhǎng)零件40。熔化和固化過程一層一層地重復(fù)進(jìn) 行以建造零件40。
未被使用或熔化來形成零件40的粉末30沿著基板14并且圍繞零件40聚集。在 以前的添加制造系統(tǒng)中，多余材料的量并不顯著。大尺寸的零件40的制造在工作空間12 中聚集了顯著量的多余的未使用材料，從而在經(jīng)濟(jì)和零件構(gòu)造兩方面都變成重要的考慮因素。
在所公開的示例性添加制造機(jī)器10中，基板14包括支撐部分34，支撐部分34支 撐零件40和保持壁42。開放區(qū)域36圍繞支撐部分34，材料30可穿過開放區(qū)域36落入基 板14下面的空間中。
示例性的開放區(qū)域36包括多個(gè)通孔56。在該示例中，通孔56可以是被鉆出的，被 水射流切割器切割的，或者通過任何其他已知工藝形成的。孔56的數(shù)量和尺寸例如提供給 支撐部分34足夠的結(jié)構(gòu)，具有足夠剛性，而同時(shí)還允許粉末材料穿過基板14。而且，還可采 用任何能夠提供足夠孔隙率以允許金屬粉末從中穿過的方法或構(gòu)造來制造基板14的開放 區(qū)域36。
在零件40的制造期間，與零件40的外周邊和幾何形狀一同制造保持壁42。保持 壁42由與零件40相同的粉末材料形成并且被激光束20熔化。如箭頭32所示，光束20掃 過零件40和保持壁42。保持壁42被設(shè)置成在零件40和每個(gè)保持壁42的內(nèi)周邊之間維 持間隙54，間隙54被填充有粉末材料30。壁42具有厚度52，厚度52被確定成提供為了 保持零件40和保持壁42之間的松散材料所需的強(qiáng)度。在該示例中，保持壁約為O. 25英寸 (6. 35 mm)厚，并且零件40和保持壁42之間的間隙54離開零件40的最外周邊約O. 5英寸 (12.7 mm)。如應(yīng)當(dāng)理解的，不同厚度的以及與零件40的周邊隔開不同距離的保持壁也在 本公開的構(gòu)想之中。
基板14包括支撐部分34，支撐部分34被切成對(duì)應(yīng)于零件40的外周邊的形狀。開 放部分36包括多個(gè)開口 56以允許材料30從中落下。
參照?qǐng)D2并繼續(xù)參照?qǐng)D1，示例性的支撐板14包括圍繞支撐部分34的開放部分 36。支撐部分34被設(shè)置成對(duì)應(yīng)于期望零件構(gòu)造的形狀。保持壁42與零件40的外周邊間 隔開。寬度54限定了保持壁42和零件40之間的空間，粉末材料在該空間中聚集。
壁52的寬度被設(shè)置成保持為了支撐該壁以及零件和壁自身之間聚集的材料所需 的強(qiáng)度。在該示例中，壁42具有均勻?qū)挾?2。然而，壁可以是漸縮的，使得寬度52可變化。 此類漸縮的保持壁42可包括較寬的基部，其隨著保持壁42和零件40在高度上生長(zhǎng)而變 薄。
零件40的制造在材料30施用在相繼的各層上的情況下繼續(xù)。零件40和保持壁 42 二者被保持在低于材料熔化溫度且高于室溫的溫度，以促進(jìn)零件40的部分的熔化和固 化。而且，保持零件40的升高的溫度能夠幫助降低制造過程期間的應(yīng)力累積。因此，所公 開的添加制造機(jī)器10包括用于在制造期間將零件40和保持壁42 二者加熱到期望溫度的 特征。
再次參照?qǐng)D1，室12包括加熱元件46，加熱元件46被布置在壁16內(nèi)，圍繞工作空 間12。加熱元件46產(chǎn)生輻射熱，其將整個(gè)工作空間12保持在期望溫度。
所公開的添加制造機(jī)器10中還包括第二能量發(fā)射裝置22和26。第二能量發(fā)射裝 置22的每一個(gè)包括了產(chǎn)生散焦激光的激光束產(chǎn)生裝置，該散焦激光發(fā)射能量到保持壁42 的外表面，如光束區(qū)24a所示。第二能量引導(dǎo)裝置22還可將能量引導(dǎo)到零件40和保持壁 42 二者的頂表面上，如光束區(qū)24b所示。散焦激光在不熔化材料或干預(yù)零件40的制造的情 況下提供了保持壁42內(nèi)的零件40的加熱和溫度保持，零件40的制造由主能量發(fā)射裝置18 進(jìn)行。這些特征的每一個(gè)均由控制器38控制，控制器38控制加熱元件46以及能量發(fā)射裝 置18、22和26的操作。
示例性的添加制造機(jī)器10還包括加熱器48，其在支撐部分34內(nèi)提供加熱流50。 在制造期間，加熱流50將支撐部分34保持在期望溫度以幫助保持零件40的溫度。加熱流 50將熱量從底部向上傳導(dǎo)穿過零件40，以保持制造所期望的溫度。
采用所公開的示例性添加制造機(jī)器10的制造過程包括步驟通過產(chǎn)生與期望零 件幾何形狀的外周邊對(duì)應(yīng)的輪廓來限定支撐部分34。支撐部分34的對(duì)應(yīng)尺寸還構(gòu)造成容 納緩沖區(qū)以支撐將與零件40 —同被制造的保持壁42。
一旦限定了示例性支撐部分34，則將其組裝到添加制造機(jī)器10中并且可以開始 制造。通過用施用器28將材料30散布到支撐部分34上來開始制造。能量發(fā)射裝置18將 激光束20發(fā)射到支撐部分34上以選擇性地熔化材料30和/或零件40和/或支撐部分34。 在冷卻時(shí)，被熔化的材料、零件和/或支撐部分一體地熔融和/或固化。保持壁42和零件 40被同時(shí)且彼此一致地制造。落在保持壁42和零件40之間的材料30在該區(qū)域中依然是 松散的。保持壁42和零件40被加熱到為了提供特定的期望制造參數(shù)所需的溫度。該溫 度將材料保持在加熱條件以減小激光束20所進(jìn)行的加熱和冷卻過程的效果。激光束20沿 著由控制器38命令的箭頭32所指示的方向掃過，以提供期望的零件幾何形狀。而且，控制 器38還包括指令以限定零件40周圍的保持壁42。
參照?qǐng)D3，示出了后續(xù)制造階段期間的示例性添加制造機(jī)器10與零件40和保持 壁42，其中，保持壁42和零件40 二者具有較大的高度。隨著保持壁42和零件40的尺寸增 大，用于提供零件40的加熱和溫度保持的裝置變得更加重要。在所公開的實(shí)施例中，外保 持壁42的加熱提供了穿過布置在間隙54中的松散材料44的熱量傳導(dǎo)，使得零件40被保 持在期望溫度。
在所公開的實(shí)施例中，該過程繼續(xù)，同時(shí)制造圍繞零件40的保持壁42以及零件 40。多余材料30落在保持壁42和零件40之間并且被保持在保持壁42和零件40之間。落 在保持壁42外側(cè)的材料穿過開放區(qū)域36落下并且被捕捉裝置60收集。捕捉裝置60還包 括返回線路62，使得穿過開放區(qū)域36被回收的材料能夠被利用并且被發(fā)送回到施用器28， 用于零件40和保持壁42的進(jìn)一步使用和制造。一旦完成了零件40，則根據(jù)已知方法將零件40與保持壁42 —起從支撐部分34移除。
所公開的示例性添加制造機(jī)器包括這樣的特征，其用于在制造期間保持零件完整 性而同時(shí)在制造過程期間管理被使用的且流動(dòng)通過工作空間12的大量材料30。而且，該示 例性添加制造系統(tǒng)包括這樣的特征，其用于回收穿過開放區(qū)域36落入捕捉器60中的未使 用粉末材料。捕捉器60是回收系統(tǒng)的一部分，該回收系統(tǒng)回收未使用的粉末材料以便用于 后續(xù)操作，或者在所公開的實(shí)施例中用于零件的當(dāng)前操作和制造。替代地，捕捉器60可與 返回線路62 —起使用，其立即通過施用器28來再次使用該材料。
盡管已公開了示例性實(shí)施例，但本領(lǐng)域普通技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到在本公開的范圍內(nèi) 可進(jìn)行一定修改。為此，應(yīng)研究所附權(quán)利要求以確定本發(fā)明的范圍和內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種添加制造過程，包括限定圍繞期望零件幾何形狀的周邊的界限；將材料沉積到基板上；將能量引導(dǎo)到沉積材料的部分以便沿著所限定的界限和所述期望零件幾何形狀來形成保持壁。
2.如權(quán)利要求1所述的添加制造過程，包括將沉積材料保持在所述保持壁和所述零件的周邊之間。
3.如權(quán)利要求1所述的添加制造過程，包括從工作空間移除被布置在所述保持壁外側(cè)的沉積材料。
4.如權(quán)利要求3所述的添加制造過程，包括回收所移除的沉積材料并且將所回收的材料沉積到所述零件和所述保持壁的至少一個(gè)上。
5.如權(quán)利要求1所述的添加制造過程，包括與所述零件一致地建造所述保持壁，使得所述保持壁的頂層和所述零件的頂層基本在公共平面內(nèi)。
6.如權(quán)利要求1所述的添加制造過程，包括將所述零件和所述保持壁的至少一個(gè)加熱到高于環(huán)境溫度且低于熔化沉積材料所需溫度的期望溫度。
7.如權(quán)利要求6所述的添加制造過程，包括用散焦激光來加熱所述保持壁。
8.如權(quán)利要求7所述的添加制造過程，包括用所述散焦激光來加熱所述零件。
9.如權(quán)利要求8所述的添加制造過程，包括用加熱元件來加熱所述零件和所述保持壁的至少一個(gè)，所述加熱元件被支撐成鄰近所述保持壁。
10.如權(quán)利要求7所述的添加制造過程，包括用被發(fā)射穿過所述基板的熱量來加熱所述零件和所述保持壁的至少一個(gè)。
11.如權(quán)利要求2所述的添加制造過程，包括將所述基板切割成包括支撐部分和網(wǎng)格部分，所述支撐部分用于支撐所述保持壁和所述零件，所述網(wǎng)格部分用于排空多余的沉積材料。
12.—種添加制造機(jī)器，包括基板，所述基板用于支持期望零件幾何形狀的制造，其中，所述基板包括基于所述期望零件幾何形狀而被限定的支持部分和圍繞所述支持部分的開放區(qū)域，所述開放區(qū)域包括多個(gè)開口 ；材料施用器，所述材料施用器用于將材料沉積到所述基板上；和能量弓I導(dǎo)裝置，所述能量弓I導(dǎo)裝置用于形成沉積材料的一部分。
13.如權(quán)利要求12所述的添加制造機(jī)器，其中，所述開放區(qū)域包括開放到所述基板下面的空間的網(wǎng)格。
14.如權(quán)利要求12所述的添加制造機(jī)器，其中，所述支持部分被成形為對(duì)應(yīng)于所述期望零件幾何形狀的外周邊和與所述期望零件幾何形狀的外周邊間隔開的保持壁。
15.如權(quán)利要求14所述的添加制造機(jī)器，包括至少一個(gè)第二能量引導(dǎo)裝置，所述至少一個(gè)第二能量引導(dǎo)裝置發(fā)射散焦激光束以便加熱所述零件和所述保持壁的至少一個(gè)的部分。
16.如權(quán)利要求14所述的添加制造機(jī)器，包括由壁限定的工作空間，所述壁包括用于調(diào)節(jié)所述工作空間內(nèi)的溫度的加熱元件。
17.如權(quán)利要求12所述的添加制造機(jī)器，其中，所述板包括用于在制造期間加熱零件的加熱元件。
18.如權(quán)利要求12所述的添加制造機(jī)器，包括再循環(huán)系統(tǒng)，所述再循環(huán)系統(tǒng)用于收集流動(dòng)穿過所述基板的開放區(qū)域的多余材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及大零件建造體的添加制造管理。具體地，一種添加制造機(jī)器包括基板，所述基板用于支持期望零件幾何形狀的制造。所述基板包括支持部分和開放區(qū)域，所述支持部分基于所述期望零件幾何形狀而被限定，所述開放區(qū)域包括多個(gè)開口，圍繞所述支持部分。材料施用器將材料沉積到所述基板上并且能量引導(dǎo)裝置引導(dǎo)能量以將沉積材料形成為期望的零件幾何形狀。通過限定圍繞期望零件幾何形狀的周邊的界限并且沿著所限定的界限和所述期望零件幾何形狀來形成保持壁以將多余材料保持在所形成的壁和所述零件之間，所述添加制造機(jī)器管理制造所述零件所需的大量材料。保持壁外側(cè)的多余材料穿過開放區(qū)域落到基板下面并且被回收以便再次使用。
文檔編號(hào)B22F3/105GK103056365SQ201210399619
公開日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2012年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月21日
發(fā)明者J.J.克雷姆斯, J.D.海恩斯, Y.高, D.E.馬特茨克, J.G.蘭道 申請(qǐng)人:普拉特及惠特尼火箭達(dá)因公司