使用高能束选择性熔化或选择性烧结优化紧实度的粉末床增材制造部件的方法
【专利说明】使用高能束选择性熔化或选择性烧结优化紧实度的粉末床 增材制造部件的方法
[0001] 本发明涉及一种通过使用高能束（激光束、电子束、…）选择性熔化或选择性烧 结粉末床制造部件的领域。
[0002] 特别地，本发明涉及制造金属、金属间化合物、陶瓷或聚合物部件。
[0003] 更特别地，本发明涉及一种通过由高能束选择性地恪化粉末床来制造部件的制造 方法，所述方法包括以下步骤：
[0004] a)提供一种以粉末颗粒形式的材料；
[0005] b)将所述材料的第一粉末层沉淀在构造支撑件上（所述构造支撑件可能是固体， 另一部件的一部分，或用于促进构造某些部件的支撑栅格）；
[0006] c)用所述高能束扫描所述第一层的至少一个区域，以局部地加热所述区域的所述 粉末到一个高于所述粉末的烧结温度的温度，使得以这种方式被烧结或熔化的所述粉末的 颗粒至少形成第一单件元件；
[0007] d)将所述材料的第二粉末层放置在所述第一粉末层上；
[0008] e)用所述高能束扫描所述第二层的至少一个区域，以加热该区域的所述粉末到一 个高于所述粉末的烧结温度的温度，使得以这种方式被烧结或熔化的粉末的颗粒形成至少 一个第二单件元件（通常所述第二层的该区域局部或完全地位于在步骤c)中通过高能束 扫描的所述第一层的区域上），使得在步骤c)和在步骤e)中熔化或烧结的粉末颗粒一起形 成单件；然而，在某些情况下，特别地对于用底切制造部件的一部分，所述第二层的区域不 位于在步骤c)中通过高能束扫描的所述第一层的区域上以及在步骤c)和在步骤e)中被 熔化或烧结的粉末颗粒然后不形成单件单元；以及
[0009] f)对于被放置在前一层上的每个新粉末层，重复步骤d)和e)，其中至少一个区域 已经熔化或烧结，直到完全形成所述部件。
[0010] 本发明特别地涉及通过使用激光选择性地熔化粉末床快速制造部件。
[0011] 参考图1，选择性激光熔化（SLM)是一种具有以下记载的主要特征的方法。
[0012] 材料粉末的第一层10沉淀在构造支撑件80上，例如通过辊子30 (或任何其他沉 淀设备），在辊子30的去向运动过程中该粉末从进料容器70被取出，然后在辊子30的一个 (或多个）返回运动中粉末被刮擦，以及可能被压实一点。该粉末由颗粒60组成。过量的 粉末在相邻于构造容器85的回收容器40中回收，构造支撑件80在该构造容器中垂直地移 动。
[0013] 然后通过用激光束95扫描，该粉末的第一层10的区域达到一个高于粉末的熔化 温度Tf (液相线温度）的温度。
[0014] SLM方法可以使用除激光束95之外的任何高能束，假设该高能束具有足够能量来 熔化粉末颗粒以及一部分材料，该颗粒停靠在该材料上（也被称为形成液体池的整体部分 的稀释区）。
[0015] 该激光扫描例如可通过形成控制系统50的一部分的检流计头来实施。通过示例 以及以非限制方式，该控制系统可包括至少一个转向镜55,激光束95在到达粉末层之前在 该转向镜上被反射，该粉末层其表面上的所有点都相对于被包含在聚焦系统54中的聚焦 透镜位于相同高度，该镜的角位置被检流计头所控制，使得激光束扫描粉末的第一层的至 少一个区域，从而遵循部件的预建立外形。为此，检流计头基于被包含在计算机工具的数据 库中的信息而被控制，所述计算机工具用于计算机辅助设计以及被制造部件的制造。
[0016] 因此，在第一层10的该区域中的粉末颗粒60被熔化，并形成被固定到构造支撑件 80的第一单件元件15。在该阶段，也可以使用激光束扫描该第一层的多个独立区域，使得 在该材料在熔化并固化后，形成了多个互不相交的第一元件15。
[0017] 支撑件80下降一个高度，该高度对应于已被限定用于第一层的高度（位于20微 米（ym)到100 μπι的范围内，并且通常在30 μπι到50 μπι的范围内）。用于恪化或固化的 粉末层的厚度保持为一个可逐层变化的值，由于它严重地根据粉末床的孔隙度以及其平整 度，而支撑件80的预编运动是一个不变的可忽略变动（slack)的值。应该记住的是，熔化 或固化的层的厚度通常比支撑件80的运动大多达50%，除了第一层之外，如果支撑件80的 表面精确地平行于辊子30的轴线。
[0018] 此后，第二粉末层20沉淀在第一层10上以及在该第一单件或固化元件15上，然 后第二层20的一个区域通过接触激光束95而被加热，该被加热区域可完全或局部地位于 如图1所示的第一单件或固化元件15上，使得在第二层20的该区域中的粉末颗粒与第一 元件15的至少一部分一起恪化，以形成第二单件或固化元件25,这两个元件15和25在图 1所示的示例中一起形成单件块。为此，第二元件25 -旦被粘结到第一元件15,该第二元 件25有利地已经完全地粘结。
[0019] 能够理解的是，根据要构造部件的外形，以及特别地如果存在底切表面，可以发生 的是，第一层10的上述区域甚至某种程度上不在第二层的上述区域以下，使得在这种情况 下，第一固化元件15和第二固化元件25不形成单件块。
[0020] 然后通过添加额外的粉末层到已经形成的该组件上来继续逐层地构造该部件的 该过程。
[0021] 用激光束95扫描可以构造每一层，同时赋予它一个与被制造部件的形状相匹配 的形状。随着该部件的上层被构造，该部件的下层或多或少地迅速冷却。
[0022] 本发明还涉及没有熔化地快速制造部件，即通过激光选择性地烧结粉末床。选择 性的激光烧结（SLS)指定了一种类似于SLM的方法，除了在SLS中，粉末被提高到一个低于 粉末的熔化温度Tf(液相线温度）的温度，或者到高于固相温度但低于液相线温度的温度， 烧结在液相中发生，该材料局部地熔化（处于固相和液相共存的浆状的材料），否则该温度 低于固相线温度但高于〇. 5TF并且该烧结为固相烧结（所有材料为固体并且该烧结实质上 通过在固相中扩散而发生）。
[0023] 在该部件如上所述被逐层制造时，为了减少该部件的污染，如通过溶解氧、通过氧 化物或通过其他污染物的污染，该制造需要在壳体中实施，该壳体具有受控湿度并适于所 涉及的过程以及材料，充满相对于所讨论材料来说惰性（不反应）的气体，如氮（N2)、氩 (Ar)或氦（He)，可选地充满有被添加用于其还原能力的少量氢气（H2)。也可以考虑这些气 体的至少两种的混合物。为了防止污染，特别地通过来自周围介质的氧气，通常做法是确保 该壳体处于比大气高的压力。
[0024] 因此，在现有技术中，通过激光选择性熔化或选择性烧结可以构造具有良好的尺 寸精度、很少污染以及具有复杂三维形状的部件，但其机械强度对于某些应用不足，为此需 要对本方法进行更好优化。
[0025] 通过激光选择性熔化或选择性烧结同样优选地使用球形结构的粉末，该粉末干净 (即，不被来自粉末制备的残余元素污染），非常精细（每个颗粒的尺寸在1 μπι到100 μπι 之间的范围内，优选地在1 μ m到50 μ m之间的范围内或者确实在1 μ m到20 μ m之间的范 围内），从而对于被精加工部件可以获得良好的表面状态。
[0026] 与通过成型、喷射、锻造或从固态加工的部件相比，通过激光选择性熔化或选择性 烧结也可以减少制造时间，成本和固定费用。
[0027] 通过激光选择性熔化或选择性烧结而制成的部件仍然存在缺点。
[0028] 该部件仍然被太多氧气或任何其他污染物污染，即使当采取步骤使制造壳体（包 括构造容器85、进料容器70和辊子30或其他沉淀设备）填充有用对于所讨论材料来说惰 性（不反应）的气体。很难从该壳体提取所有氧气，此外所使用的气体都不是100%纯的。 该污染导致构成该部件的材料变脆和/或硬化和/或氧化，导致该部件的延展性减少以及 导致该部件的过早断裂。
[0029] 封闭气孔也可在该部件中形成，首先来自于在液相中材料（粉末）和固相中材料 之间的惰性气体溶解度的差，特别地当该池中富含用作气孔形成的种子的内含物时，当合 金的固化范围很大时，当该池的温度和固化时间很大时，当液体池的固化速度很快时，以及 同样当粉末颗粒也可先前包含封闭气体时。这些封闭的球形气孔导致降低该部件的机械性 能。
[0030] 图2示出了当使用现有技术的选择性激光熔化方法（通过用使用二次电子的电子 显微镜扫描观察该材料并在精加工该材料后获得该图像）时，在制造部件（特别地由铬镍 铁合金718制成）内形成的不需要的球形气孔。
[0031] 图3示出了在粉末颗粒中上游形成的封闭气孔，例如当通过气体雾化（通过使用 光学显微镜观察粉末以及在精加工和化学腐蚀后获得该图像）获得颗粒时。
[0032] 当使用现