[发明专利]用于增材制造期间逐层移除缺陷的方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2014年9月19日提交并被分配为美国专利申请62/052,630的标题为“Method for Layer-by-Layer Removal of Defects During Additive Manufacturing”(用于增材制造期间逐层移除缺陷的方法)的临时专利申请的优先权，其公开内容据此以引用方式并入本文。

技术领域

本公开涉及增材制造，更具体地讲，涉及粉末床增材制造。

背景技术

增材制造可用于制造复杂、轻质的三维物体。例如，与其他方法相比，用增材制造方法制造的航空航天伺服阀估计要轻30％至50％。由于这些有益效果，增材制造越来越受欢迎。

增材制造可通过使用诸如激光束或电子束的能源将水平粉末表面熔化成固体材料薄层来制造三维物体。形成一个层之后施加另外水平的粉末，然后将该粉末中的一些熔化到先前形成的层中，以形成另一个层。重复该过程，直到逐层构建成三维物体。该方法被称为各种其他名称，包括粉末床熔化和激光选择性熔融。该方法可应用于能够熔化在一起的金属、塑料或其他材料。

已经认识到，增材制造过程中可在每个层中形成缺陷。这些缺陷包括表面粗糙(表面缺陷)和内部孔或空隙(表面下缺陷)。这些缺陷可导致成品中的问题。在“印刷”条件下部件的表面粗糙容易脱落，或者换句话讲，可生成异物碎片(FOD)。上述缺陷还可能形成应力集中源并且可能导致较差的疲劳性能。

表面粗糙可发生在熔化的粉末颗粒与未熔化的粉末颗粒之间的界面(“物体-粉末界面”)处。当部分地位于物体的层的所需几何形状内部并且部分地在其外部的粉末颗粒在熔化之后保留在层中时，会出现表面粗糙。当预期熔化到物体层中的粉末颗粒未适当地与物体层熔化并附接到物体层上时也会发生表面粗糙。因此，在颗粒从层的所需几何形状突出以及所需表面几何形状缺失表面颗粒时，就会出现表面粗糙。

当存在表面下缺陷(例如孔或空隙)时，其通常出现在熔化的层中物体-粉末界面的大约100-150μm内。导致孔或空隙形成的确切机制可以不同。例如，一些粉末颗粒在熔化之前可能是中空或多孔的。不正确的激光参数或激光束的分辨率可能导致形成孔或空隙。由于刚好在物体-粉末界面内部的层的不适当熔化，也可以形成孔或空隙。

迄今为止，一旦增材制造步骤完成并且所有层已经熔化，则已经从物体中移除了缺陷。例如，在物体完成后可以用腐蚀性清洁或表面处理来去除物体的外部部分。物体的腐蚀性清洁和表面处理耗时而且昂贵，涉及危害性材料，并增加了所需处理步骤的数量。还需要在设计物体时在所需的几何形状上使用多余的材料，以补偿损耗的部分，这可能是很复杂的，因为这种损耗可以是变化的。清洁和表面处理可能不能充分地移除表面下缺陷。物体的几何形状越复杂，例如物体具有更多的内部通道，则使用提到的方法移除所有缺陷的可能性越小。

因此，需要改进的增材制造方法，更具体地讲，移除与增材制造相关的缺陷的方法。

发明内容

本公开提供了一种增材制造方法，通过该方法可以从物体上基本上消除表面粗糙和表面下缺陷，而无需后续的处理步骤。该方法通常包括以下步骤：通过在粉末床的预定目标区域上用定向能量束进行扫描以使预定区域中的粉末熔化，从而在粉末床中形成物体的层，其中所述层在所述层的熔化的粉末与所述粉末床的未熔化的粉末相交的边界处限定物体-粉末界面，以及在所述物体在粉末床中时移除所述层的一部分。可通过将一定水平的粉末施加到粉末床形成另一个层并移除该层的一部分来继续进行制造。通过这种方式，物体被逐层构建而成并且可将其从粉末床移除，而基本上没有表面粗糙和表面下缺陷。

在一个实施例中，层的移除的一部分仅包括物体-粉末界面。在另一个实施例中，层的移除的一部分包括比物体-粉末界面更深的层的外周表皮部分。可以用定向能量束或工具沿着物体-粉末界面或沿着从物体-粉末界面稍向内偏移的路径使材料烧蚀，来移除层的一部分。

附图说明

为了更全面地理解本公开的性质和目的，应参考结合附图进行的以下详细描述，其中：

图1为示出根据本公开的实施例的增材制造方法的透视图；

图2为图1中所示的粉末床的剖视图；

图3为类似于图2的粉末床的剖视图，示出了根据本发明的替代实施例的增材制造方法；以及

图4为示出根据本发明实施例的增材制造方法的步骤顺序的流程图。

具体实施方式