[发明专利]磁场在增材制造中的应用

说明书

技术领域

本发明涉及又被称为3D打印的增材制造。

背景技术

增材制造，又被称为实体自由成形制造或3D打印，是指其中三维物体从原料(通常为粉末、液体、悬浮液或熔化固体)以一系列的二维层或横截面构建的任何制造工艺。相比之下，传统机械加工技术涉及减材工艺并且生产从诸如木头块、塑料块或金属块的原料切出的物体。

在增材制造中可以使用各种增材工艺。各种工艺在层沉积以产生成品物体的方式和在每个工艺中可相容地使用的材料上有所不同。一些方法熔化或软化材料以产生层，例如，选择性激光熔化(selective laser melting；SLM)或直接金属激光烧结(direct metal laser sintering；DMLS)、选择性激光烧结(selective laser sintering；SLS)、熔融沉积成型(fused deposition modeling；FDM)，而另外一些方法则使用不同技术(例如，立体光刻(stereo lithography；SLA))固化(cure)液体材料。

烧结是融合小粒(例如，粉末)以使用原子扩散由较小的粒(例如，粉末)产生物体的工艺。烧结通常涉及加热粉末。相较熔化来说，在烧结中使用的粉末在烧结工艺期间不需要达到液相。当在烧结工艺中将粉末状材料加热至低于熔点的温度时，粉末颗粒中的原子跨颗粒边界扩散，进而将颗粒熔融在一起以形成固体件。由于烧结温度不必达到材料熔点，因此常对诸如钨和钼的具有高熔点的材料使用烧结。

烧结和熔融均可以在增材制造中使用。使用的材料决定发生哪种工艺。非晶固体(诸如丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS))实际上是过冷的粘性液体并且实际上不熔化；由于熔化涉及从固态到液态的相变。因此，选择性激光烧结(SLS)是用于ABS的相关工艺，而选择性激光熔化(SLM)用于结晶和半结晶材料(诸如尼龙和金属)，所述材料具有离散的熔化/冻结温度并且在SLM工艺期间经历熔化。

使用激光束作为用于烧结或熔化粉末状材料的能量源的常规系统通常在粉末状材料的层中的选定点上引导激光束并且将所述激光束选择性地光栅扫描到横跨层的位置。一旦已烧结或熔化第一层上的所有选定位置，新的粉末状材料层在已完成的层的顶部上沉积并且逐层重复所述工艺直至生产出期望的物体。

发明内容

在一个方面中，一种增材制造系统包括：支撑件；分配器，用于将金属粉末层输送至所述支撑件上或所述支撑件上的下层上；能量源，用于熔融所述金属粉末层的至少一部分；和磁体，被定位并配置以在熔融所述层时将磁场施加至所述金属粉末层的所述部分。

在另一方面中，一种增材制造的方法包括：将金属粉末层输送至支撑件上或所述支撑件上的下层上；处理所述金属粉末层的至少一部分以熔融所述部分；和在处理所述部分时将磁场施加至所述金属粉末层的所述部分。

所述系统或方法的实现方式可能包括以下的一个或多个。可定向磁体以使得穿过层的部分的磁场的磁场线垂直于所述层延伸。可定向磁体以使得穿过层的部分的磁场的磁场线垂直于所述层延伸。

金属粉末可能是铁磁材料，并且磁体可被配置以产生约50至500高斯的磁场。金属粉末可以是抗磁性或顺磁性材料，并且磁体可被配置以产生约1至15特斯拉的磁场。

磁体可包括电磁体。控制器可耦接至电磁体和能量源。电磁体可包括用于产生第一磁场的第一电磁体和用以产生大体上垂直于所述第一磁场的第二第一磁场的第二电磁体。控制器可被配置以控制到第一电磁体和第二电磁体的功率，使得在层的部分中以可选的定向产生磁场。控制器可被配置以控制到电磁体的功率，使得磁场在处理第一层粉末期间具有第一定向并且在处理随后的第二层粉末期间具有不同的第二定向。第一定向可垂直于第二定向。控制器可被配置以控制到电磁体的功率，使得在熔化第一层和相邻的第二层的粉末期间磁场具有相同定向。控制器可被配置以控制到电磁体的功率，以在由能量源加热所述部分的同时，在金属粉末层的部分中开始产生磁场。控制器可被配置以控制到电磁体的功率，以在所述部分从被能量源加热而冷却的同时，在金属粉末层的部分中开始产生磁场。

磁体可能包括永磁体。磁体可被配置以跨所有金属粉末层施加磁场。能量源可被配置以施加热量来同时提升所有金属粉末层的温度。能量源可包括加热灯的阵列。能量源可被配置以施加热量来提升在金属粉末层的第一局部区域中的温度并跨层扫描所述区域。能量源可被配置以在金属粉末层的第一局部区域中施加热量并跨层扫描所述区域，并且磁体可被配置以在包括所述第一局部区域的第二局部区域中产生磁场。能量源可包括激光器。