[发明专利]用金属基合金构建三维物体的系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及在数字化制造系统中构建三维(3D)物体的系统和方法。具体地，本发明涉及用金属基合金构建3D物体的高温的基于挤出的数字化制造系统。

背景技术

基于挤出的数字化制造系统(例如由明尼苏达州(MN)Eden Prairie的Stratasys，Inc.开发的熔融沉积建模系统)被用来通过挤出可流动的建模材料以逐层的方式根据计算机辅助设计(CAD)模型构建3D物体。通过由挤出头承载的挤出尖端挤出建模材料，并按照一定顺序路线沉积在x-y平面内的基底上。被挤出的建模材料与先前沉积的建模材料熔合，并在温度下降时凝固。随后，挤出头相对于基底的位置沿着z轴线(垂直于x-y平面)逐渐增量，且随后重复该过程，以形成像所述CAD模型一样的3D物体。

根据表示3D物体的构建数据，挤出头相对于基底的运动在计算机的控制下进行。构建数据通过首先将3D物体的CAD模型划分成多个水平切片层而被获得。随后，对于每个切片层，主机产生用于沉积形成3D物体的建模材料的路线的构建路径。

在通过沉积建模材料层而制造3D物体时，支撑层或结构通常构建在悬空部分的下面或在建中物体的腔中，其没有被构建材料自身支撑。支撑结构可以采用与沉积建模材料相同的沉积技术构建。主机产生额外的几何构型作为被形成的3D物体的悬空或自由空间段的支撑结构。随后，根据在构建过程中所产生的几何构型，由第二喷嘴沉积支撑材料。在制造过程中，支撑材料粘结到建模材料上，并且当构建过程完成时可以从完成的3D物体上去除支撑材料。

在数字化制造工业中消费者普遍关注的是增强3D物体的物理特性，诸如部件的强度和耐用性。能够提供这样的增强的物理特性的一类材料包括金属基合金。例如，由高强度金属构建的3D物体可以展现出明显大于工业热塑性材料的抗张强度。然而，对金属基合金的挤出给数字化制造提出了几个问题。例如，对金属基合金的挤出需要高的操作温度，其可能不被期望地影响现有的数字化制造系统的性能。另外，将金属基合金加热至高于其液相线温度的温度可能阻止合金具有用于挤出的足够的粘性，并且可能不被期望地在再次固化(例如枝晶形成)时影响其晶粒结构。因此，对使用数字化制造技术由金属基合金构建3D物体的系统和方法有不断进步的需求。

发明内容

本发明涉及用于用金属基合金构建三维物体的数字化制造系统。所述系统包括被保持在一个或更多升高的温度下的构建腔、设置在构建腔内的构建平台、被构造成将金属基合金加热至金属基合金的固相线温度和液相线温度之间的温度的至少一个挤出管线、设置在构建腔中且被构造成以预定的图案将被加热的金属基合金沉积到构建平台上的沉积头、具有位于构建腔外面的第一端和连接至沉积头的第二端的脐部、和被构造成导致在构建腔内的构建平台和沉积头之间的相对运动的至少一个构台组件，其中所述至少一个构台组件包括设置在构建腔外面的电机。本发明还涉及用于用数字化制造系统由金属基合金构建三维物体的方法。

附图说明

图1是用金属基合金构建3D物体的数字化制造系统的正视图。

图2是数字化制造系统的平台组件和头组件的正透视图。

图3是数字化制造系统的头组件的顶部透视图。

图4是数字化制造系统的x-y轴线台架和挤出头的底部正透视图。

图5是用于挤出金属基合金的挤出头的挤出线路的放大的部分剖视图。

图6是与数字化制造系统的脐部一起使用的数字化制造系统的第一可替代的挤出头的正透视图，其中第一可替代的挤出头具有混合型的液化器/冷冻阀设计。

图7是与数字化制造系统的脐部一起使用的数字化制造系统的第二可替代的挤出头的正透视图，其中第二可替代的挤出头具有带多个沉积管线的混合型的液化器/冷冻阀设计。

图8是与数字化制造系统的脐部一起使用的数字化制造系统的第三可替代的挤出头的正透视图，其中第三可替代的挤出头具有混合型的螺杆泵/冷冻阀设计。

图9是金属基合金的温度对组分的示例性的二元相图，其适合于与数字化制造系统一起使用。

图10是铝和硅的温度对组分的部分二元相图，示出了与数字化制造系统一起使用的示例性的金属基合金的温度相特性。

图11是在经受挤出温度之前铝硅合金线的显微图。

图12是经受在合金的固相线温度和液相线温度之间的挤出温度之后的铝硅合金线的显微图。

图13是经受高于合金的液相线温度的挤出温度之后的铝硅合金线的显微图。

具体实施方式