用于加性制造的方法和包围支承与流程

本公开一般涉及在构建对象的过程中利用支承结构的用于加性制造(am)的方法，以及将要用在这些am过程内的新颖的支承结构。

背景技术：

与减性(subtractive)制造方法形成对照，am过程通常涉及一个或多个材料的积聚，其用来制作净形或者近净形(nms)对象。虽然“加性制造”是工业标准术语(astmf2792)，但是am囊括在多种名称下已知的各种制造和原型制作技术，包含自由成型制作、3d印刷、快速原型制作/加工等。am技术能够根据各种各样的材料来制作复合组件。通常，独立对象能够根据计算机辅助设计(cad)模型来制作。一种特定类型的am过程使用能量束、例如电子束或电磁辐射(例如激光束)来烧结或熔融粉末材料，从而创建固体三维对象，其中粉末材料的微粒结合在一起。例如工程塑料、热塑弹性体、金属和陶瓷的不同材料系统被使用。激光烧结或熔融是一种用于功能原型和工具的快速制作的著名am过程。应用包含复杂加工件、熔模铸造的图案、注射模塑和拉模铸造的金属铸型以及砂型铸造的铸型和型芯的直接制造。用来增强设计周期期间的概念的传递和测试的原型对象的制作是am过程的其他的常见使用。

选择性激光烧结、直接激光烧结、选择性激光熔融和直接激光熔融是用来表示通过使用激光束烧结或熔融细粉来产生三维(3d)对象的常见工业术语。例如，美国专利号4863538和美国专利号5460758描述常规激光烧结技术。更准确来说，烧结需要在低于粉末材料的熔点的温度下熔合(凝聚)粉末的微粒，而熔融需要完全熔融粉末的微粒，以形成固体均质体。与激光烧结或激光熔融关联的物理过程包含到粉末材料的热传递，并且然后烧结或熔融粉末材料。虽然激光烧结和熔融过程能够应用于宽范围的粉末材料，但是尚未充分理解生产路线(route)的科学和技术方面、例如烧结或熔融速率以及在层制造过程期间的处理参数对微结构演进的影响。这种制作方法伴随有热、质量和动量传递的多种模式以及使过程极为复杂的化学反应。

图1是示出用于直接金属激光烧结(dmls)或直接金属激光熔融(dmlm)的示范常规系统100的截面图的示意图。设备100通过使用由源、例如激光器120所生成的能量束136烧结或熔融粉末材料(未示出)按照逐层方式来构建对象、例如部件122。将要由能量束所熔融的粉末由贮存器126来供应，并且使用重涂器臂116均匀遍布于构建板114之上，以将粉末保持在水平118处，并且将延伸于粉末水平118上方的多余粉末材料移除到废物容器128。能量束136烧结或熔融在检流计扫描仪132的控制下构建的对象的截面层。降低构建板114，并且另一个粉末层遍布于构建板和所构建的对象之上，后面是由激光器120对粉末的连续熔融/烧结。该过程重复进行，直到部件122由熔融/烧结的粉末材料完全构成。激光器120可由包含处理器和存储器的计算机系统来控制。计算机系统可确定每层的扫描图案，并且控制激光器120按照扫描图案来辐照粉末材料。在部件122的制作完成之后，各种后处理规程可应用于部件122。后处理规程包含通过例如吹风或真空处理来移除多余粉末。其他后处理规程包含应力释放过程。另外，热和化学后处理规程能够用来抛光部件122。

本发明人已经发现，上述加性制造过程可对具有大的高度与宽度纵横比的对象(例如高对象)造成困难。例如，高对象可易于受到来自重涂器臂的损坏，因为高对象可充当对于对象的下部施加力的杠杆。相应地，即使高对象连接到构建板或者以其他方式从下面垂直支承，高对象也可因横向力而翻倒或弯曲。

鉴于上述，能够领会，存在与am技术关联的问题、缺陷或缺点，并且如果支承对象的改进方法和支承结构可用将会是合乎需要的。

技术实现要素：

下面提出一个或多个方面的简化概述，以便提供对这类方面的基本理解。这个概述不是所有预期的方面的广泛概观，并且预计既不识别所有方面的关键或临界元素，也不描绘任何或所有方面的范围。其目的是要以简化形式提出一个或多个方面的一些概念，作为稍后提出的更详细描述的序言。

在一个方面中，本公开提供一种用于制作对象的方法，包括：(a)辐照粉末床中的粉末层，以形成熔合区域，(b)通过使重涂器臂从粉末床的第一侧在粉末床之上经过来在粉末床之上提供随后的粉末层，以及(c)重复步骤(a)和(b)，直到对象和至少一个支承结构在粉末床中形成，其中支承结构采用设置在支承结构与对象之间的连续厚度的粉末包围对象的至少一部分，粉末的连续厚度具有不超过10mm的最大厚度。

在回顾随后的详细描述时，本发明的这些和其他方面将变得更全面理解。

本发明提供一组技术方案,如下:

1.一种用于制作对象的方法，包括：

(a)辐照粉末床中的粉末层，以形成熔合区域；

(b)通过使重涂器臂从所述粉末床的第一侧在所述粉末床之上经过来在所述粉末床之上提供随后的粉末层；以及

(c)重复步骤(a)和(b)，直到所述对象和至少一个支承结构在所述粉末床中形成，

其中所述支承结构采用设置在所述支承结构与所述对象之间的连续厚度的粉末来包围所述对象的至少一部分，粉末的所述连续厚度具有不超过10mm的最大厚度。

2.如技术方案1所述的方法，其中，所述对象包括具有高度和两个端面的圆柱形状。

3.如技术方案2所述的方法，其中，所述支承结构包围所述圆柱的整个高度。

4.如技术方案3所述的方法，其中，所述支承结构没有包围所述端面。

5.如技术方案1所述的方法，其中，所述支承结构包括至少一个连接肋。

6.如技术方案5所述的方法，其中，所述至少一个连接肋与所述对象整体形成。

7.如技术方案1所述的方法，其中，所述支承结构包括限定内腔的内表面，所述腔具有与所述对象全等的形状，所述粉末设置在所述腔内。

8.如技术方案7所述的方法，其中，所述对象设置在所述腔内，而没有接触所述内表面。

9.如技术方案8所述的方法，其中，从所述支承的所述内表面到所述对象的外表面的距离(a)与所述对象的宽度(b)的比率(a:b)是从大约1:1至大约1:6。

10.如技术方案8所述的方法，其中，所述支承结构包括跨越所述对象与所述内表面之间的区的至少一个连接肋。

11.如技术方案1所述的方法，还包括从所述对象移除所述支承结构。

12.如技术方案1所述的方法，其中，所述对象具有大于2.5的纵横比。

13.如技术方案1所述的方法，其中，所述支承结构包括沿所述支承结构的高度递增隔开的多个连接肋。

14.如技术方案1所述的方法，其中，所述支承结构包括沿所述支承结构的内圆周表面递增隔开的多个连接肋。

15.如技术方案3所述的方法，其中，所述支承结构包括矩形外剖面。

16.如技术方案15所述的方法，其中，所述支承结构包括圆柱形内剖面。

17.如技术方案1所述的方法，其中，粉末的所述连续厚度具有0.1mm-10mm的厚度。

18.如技术方案1所述的方法，其中，粉末的所述连续厚度具有0.5到5mm的厚度。

19.如技术方案1所述的方法，其中，粉末的所述连续厚度具有0.5到1mm的厚度。

附图说明

图1是示出用于加性制造的常规设备的示例的示意图。

图2图示按照本发明的方面、由支承结构所支承的对象的示例的透视图。

图3图示按照本发明的方面、图2的示例对象和支承结构的俯视图。

图4图示按照本发明的方面的另一个示例对象和示例支承结构的俯视图。

图5图示按照本发明的方面的另一个示例对象和示例支承结构的俯视图。

具体实施方式

以下结合附图所阐述的详细描述预计为各种配置的描述，而不是预计表示其中可实施本文所述概念的唯一配置。详细描述包含具体细节用于提供对各种概念的彻底理解的目的。但是，在没有这些具体细节的情况下也可实施这些概念对本领域技术人员将是显而易见的。

图2和图3图示包围对象210的示例支承结构200。图2图示透视图，以及图3图示平面图。支承结构200和对象210可按照am过程来制造。例如，可使用图1的设备100和上述方法。在这种类型的am过程中，通过有选择地烧结或熔融形成对象210的区域中的粉末区来逐层构建对象210。通过熔融或烧结支承结构200的位置中的粉末的附加区域，支承结构200与对象210同时构建。图3的箭头204表示在重涂器臂在对象构建的每个阶段提供新粉末层时重涂器臂的方向。优选地，支承结构200包围对象210。

在完成am过程时，从对象210移除支承结构200。在一个方面中，支承结构200连同对象一起附连到构建板，并且可与构建板分离并且被丢弃。支承结构200备选地可在没有到构建板的附连的情况下作为粉末床内的独立对象来形成。另外，支承结构可包含到对象210的附连点，其在am过程一旦完成时就可易于脱离(breakdown)。这可通过提供脱离结构—接合对象210和支承结构200的小金属蝶片—来实现。脱离结构还可类似于具有接合对象210和支承结构200的金属的若干部分的穿孔。

支承结构200从对象210的移除可在对象从粉末床的移除时或在其期间立即进行。备选地，支承结构可在后加工步骤的任一个之后移除。例如，对象210和支承结构200可经受后退火加工和/或化学加工，并且然后接着从对象210和/或构建板移除。

本发明人已经发现，某些对象可获益于支承结构200，其采用支承结构200与对象之间的空间216中的连续粉末层部分或完全包围对象210。在图2和图3图示的示例方面中，支承结构200具有正方形外形状(例如支承结构的截面的外尺寸形成正方形)以及包围圆柱对象210的圆柱内形状202(例如支承结构的截面的内尺寸形成圆)。但是，任何形状可以是适合的，并且将根据所形成的特定对象而变化。例如，支承结构的外形状和/或内形状可具有矩形形状、卵形形状、长方形(例如体育场)形状、椭圆形状、新月形状、泪珠、盘形(pie)形状等。内形状可与对象的外形状对应。通常，支承结构的正方形外形状提供对于对象的改进结构支承。正方形形状提供坚固基底，其使倾倒的可能性为最小。

如图2所图示的，支承结构200和对象210通常各可具有其宽度的数倍的长度/高度。例如，长度/高度与宽度的纵横比可在一个方面中从大约15:1至大约2:1、在另一方面中从大约12:1至4:1以及在另一方面中大约10:1至大约6:1。优选地，对象的纵横比可以为大约2.5或以上。也就是说，支承结构和对象的长度/高度可以是其宽度的许多倍。通常比宽度要长/高许多的对象特别受益于包围对象的支承结构。

因为对象具有高纵横比，所以对象可在重涂步骤期间被损坏或变形。具体来说，重涂器臂在箭头204的方向上行进。当重涂器横穿对象使粉末床中的顶部的粉末层平坦/变平时，重涂器臂可将倾倒力或变形力给予到对象上。因此，具有薄壁、高纵横比和开口端的空心对象特别受益于采用支承结构与对象之间的连续粉末层包围对象的支承结构。相应地，如图2和图3所示，支承结构200采用对象210与支承结构200之间充满粉末的空间216来包围对象210。在熔融/烧结过程期间，还使用热，其能够对于对象以热的方式加应力。采用对象与支承结构之间的连续粉末层来包围对象的支承结构控制对象的热环境，因而防止因热应力引起的失真。控制对象的热环境还允许控制晶粒结构、表面抛光以及与热应力直接相关的内应力。

如图2所图示的，支承结构200可完全包围对象210的长度/高度尺寸。但是，又如图2中看到，支承结构200无需覆盖对象210的端面。虽然对象210的底端面在图2中是不可见的，但是它也可没有被支承结构200覆盖。

如在图3中最佳地看到，支承结构200还可包含至少一个连接肋214，其与对象210整体连接。除了连接肋之外，如上所述，可存在支承结构200与对象210之间的空间206。在图3所图示的示例方面中，四个连接肋214图示为连接到对象210的表面。虽然图示四个，但是可使用少于四个(例如1、2、3个)或者多于4个(例如5、6、7、8个)等。此外，可沿对象210的长度/高度包含附加连接肋。例如，在沿对象210的长度/高度的递增距离(例如长度/高度的每1/16、1/8、1/6、1/5、1/4或1/3等)处，另一个连接肋或者另一组连接肋可连接到对象210。例如，如果在给定高度处沿对象210的圆周包含四个连接肋，则可在长度/高度的每1/16、1/8、1/6、1/5、1/4或1/3等处包含另一组四个(或者多于或少于四个)连接肋。

在另一方面中，支承结构200可以不包含任何连接肋。

不论是存在肋还是不存在肋，如上所述，空间206可包含粉末，以提供对象与支承结构之间的连续粉末厚度。粉末的存在提供支承结构用来在没有接触对象的支承结构的内表面的情况下支承对象的机构。空间206的大小可根据对象的相对尺寸而变化。例如，从可移除的支承的内表面到对象的外表面的距离(a)与对象的外厚度/宽度(b)的比率(a:b)可以从大约1:1至大约1:6、从大约1:2至大约1:5或者从大约1:3至大约1:4。在另一个示例中，比率a:b可以为大约1:3。换言之，空间206的宽度/厚度与对象210的宽度/厚度的比率可以是上面所列的范围。粉末的连续厚度可具有不超过10mm的最大厚度。例如，在示例方面中，粉末的连续厚度可以为0.1mm-10mm、0.5至5mm或者0.5至1mm。

图4图示另一个示例对象410和示例支承结构400的俯视图，其中支承结构400具有外和内矩形/正方形截面，以及对象410具有外和内矩形/正方形截面。支承结构400可完全包围对象410的长度/高度尺寸。但是，支承结构400无需覆盖对象410的端面。对象310的底端面也可以没有被支承结构400覆盖。

如在图4中最佳地看到，支承结构400还可包含至少一个连接肋414，其与对象410整体连接。除了连接肋之外，可存在支承结构400与对象410之间的空间406。在图4图示的示例方面中，四个连接肋414图示为连接到对象410的表面。虽然图示四个，但是可使用少于四个(例如1、2、3个)或者多于4个(例如5、6、7、8个)等。此外，可沿对象410的长度/高度包含附加连接肋。例如，在沿对象410的长度/高度的递增距离(例如长度/高度的每1/16、1/8、1/6、1/5、1/4或1/3等)处，另一个连接肋或者另一组连接肋可连接到对象410。例如，如果在给定高度处沿对象410的圆周包含四个连接肋，则可在长度/高度的每1/16、1/8、1/6、1/5、1/4或1/3等处包含另一组四个(或者多于或少于四个)连接肋。

在另一方面中，支承结构400可以不包含任何连接肋。

不论是存在肋还是不存在肋，如上所述，空间406可包含粉末，以提供对象与支承结构之间的连续粉末厚度。粉末的存在提供支承结构用来在没有接触对象的支承结构的内表面的情况下支承对象的机构。空间406的大小可根据对象的相对尺寸而变化。例如，从可移除的支承的内表面到对象的外表面的距离(a)与对象的外厚度/宽度(b)的比率(a:b)可以从大约1:1至大约1:6、从大约1:2至大约1:5或者从大约1:3至大约1:4。在另一个示例中，比率a:b可以为大约1:3。换言之，空间406的宽度/厚度与对象410的宽度/厚度的比率可以是上面所列的范围。粉末的连续厚度可具有不超过10mm的最大厚度。例如，在示例方面中，粉末的连续厚度可以为0.1mm-10mm、0.5至5mm或者0.5至1mm。

图5图示另一个示例对象510和示例支承结构500的俯视图，其中支承结构500具有外和内圆形截面，以及对象510具有外和内圆形截面。支承结构500可完全包围对象510的长度/高度尺寸。但是，支承结构500无需覆盖对象510的端面。对象310的底端面也可以没有被支承结构500覆盖。

如在图5中最佳地看到，支承结构500还可包含至少一个连接肋514，其与对象510整体连接。除了连接肋之外，可存在支承结构500与对象510之间的空间506。在图5图示的示例方面中，四个连接肋514图示为连接到对象510的表面。虽然图示四个，但是可使用少于四个(例如1、2、3个)或者多于4个(例如5、6、7、8个)等。此外，可沿对象510的长度/高度包含附加连接肋。例如，在沿对象510的长度/高度的递增距离(例如长度/高度的每1/16、1/8、1/6、1/5、1/4或1/3等)处，另一个连接肋或者另一组连接肋可连接到对象510。例如，如果在给定高度处沿对象510的圆周包含四个连接肋，则可在长度/高度的每1/16、1/8、1/6、1/5、1/4或1/3等处包含另一组四个(或者多于或少于四个)连接肋。

在另一方面中，支承结构500可以不包含任何连接肋。

不论是存在肋还是不存在肋，如上所述，空间506均可包含粉末，以提供对象与支承结构之间的连续粉末厚度。粉末的存在提供支承结构用来在没有接触对象的支承结构的内表面的情况下支承对象的机构。空间506的大小可根据对象的相对尺寸而变化。例如，从可移除的支承的内表面到对象的外表面的距离(a)与对象的外厚度/宽度(b)的比率(a:b)可以从大约1:1至大约1:6、从大约1:2至大约1:5或者从大约1:3至大约1:4。在另一个示例中，比率a:b可以为大约1:3。换言之，空间506的宽度/厚度与对象510的宽度/厚度的比率可以是上面所列的范围。粉末的连续厚度可具有不超过10mm的最大厚度。例如，在示例方面中，粉末的连续厚度可以为0.1mm-10mm、0.5至5mm或者0.5至1mm。

当变得必需从对象210/310/410/510移除支承结构200/300/400/500时，操作员可在连接肋存在时施加力，以脱离支承结构。支承结构可通过机械规程(例如扭曲、折断、切割、研磨、锉削或磨光)来移除。另外，热和化学后处理规程可用来抛光对象。在制造期间没有连接构件存在而是粉末放置在对象与支承结构之间时，粉末能够通过例如使用加压空气吹风简单地移除。支承结构200/300/400/500从对象210/310/410/510的移除可在对象从粉末床的移除时或在其期间立即进行。备选地，支承结构可在后加工步骤的任一个之后移除。例如，对象210/310/410/510和支承结构200/300/400/500可经受后退火加工和/或化学加工，并且然后接着从对象210/310/410/510和/或构建板移除。

虽然提供了支承结构和对象的若干示例，但是应当显而易见的是，其他对象可按照本公开来构建。例如，具有高纵横比和薄(think)壁的任何对象可通过所公开的支承结构的一个或多个来支承。在一个方面中，所公开的支承结构用来制造飞机的部件。例如，与美国专利号9188341所公开的燃料喷嘴类似的燃料喷嘴可使用本文所公开的支承结构来制造。

在一个方面中，以上所述的多个支承可结合用来支承对象的制作、防止对象的移动和/或控制对象的热性质。也就是说，使用加性制造来制作对象可包含下列一个或多个的使用：脚手架、系紧支承、脱离支承、横向支承、共形(conformal)支承、连接支承、键槽支承、可折断支承、前缘支承或粉末移除端口。下列专利申请包含这些支承及其使用方法的公开：

美国专利申请号[]，标题为“methodandconformalsupportsforadditivemanufacturing”，具有律师档案号037216.00008，并且2016年2月11日提交；

美国专利申请号[]，标题为“methodandconnectingsupportsforadditivemanufacturing”，具有律师档案号037216.00009，并且2016年2月11日提交；

美国专利申请号[]，标题为“methodsandkeywaysupportsforadditivemanufacturing”，具有具律师档案号037216.00011，并且2016年2月11日提交；

美国专利申请号[]，标题为“methodsandbreakablesupportsforadditivemanufacturing”，具有律师档案号037216.00012，并且2016年2月11日提交；

美国专利申请号[]，标题为“methodsandleadingedgesupportsforadditivemanufacturing”，具有律师档案号037216.00014，并且2016年2月11日提交；以及

美国专利申请号[]，标题为“methodandsupportswithpowderremovalportsforadditivemanufacturing”，具有律师档案号037216.00015，并且2016年2月11日提交。

这些申请的每个的公开在其公开附加支承结构(其能够与本文所公开的支承结构结合使用以制作其他对象)的程度上全部结合到本文中。

另外，脚手架包含在对象下面构建的支承，其用来提供对于对象的垂直支承。脚手架可由例如按照蜂窝图案的互连支承来形成。在一个方面中，脚手架可以是固体，并且包含固体部分。脚手架在各个位置处接触对象，从而为将要在脚手架上方所构成的对象提供承载支承。支承结构与对象之间的接触还防止对象的横向移动。

系紧支承防止较薄的平坦对象或者对象的至少第一部分(例如第一层)在构建过程期间移动。较薄的对象易于扭曲或剥离。例如，热耗散可使薄对象在它冷却时扭曲。作为另一个示例，重涂器可使横向力施加到对象，这在一些情况下升高对象的边缘。在一个方面中，系紧支承在对象下面来构建，以便将对象系紧到锚定表面(anchorsurface)。例如，系紧支承可从锚定表面、例如平台垂直延伸到对象。通过在对象下面的每层中的特定位置处熔融粉末来构建系紧支承。系紧支承连接到平台和对象(例如在对象的边缘)，从而防止对象扭曲或剥离。系紧支承可在后处理规程中从对象移除。

脱离支承结构减少支承结构与对象之间的接触区。例如，脱离支承结构可包含各通过空间所分隔的单独部分。空间可减少脱离支承结构的总大小以及制作脱离支承结构中消耗的粉末量。此外，部分的一个或多个可具有与对象的减小的接触表面。例如，支承结构的一部分可具有点式接触表面，其更易于在后处理期间从对象移除。例如，具有点式接触表面的部分将在点式接触表面处脱离对象。点式接触表面仍然提供如下功能:提供承载支承并且将对象系紧以防止扭曲或剥离。

横向支承结构用来支承垂直对象。对象可具有较高的高与宽纵横比(例如大于1)。也就是说，对象的高度是其宽度的许多倍。横向支承结构位于对象的一侧。例如，对象和横向支承结构在相同的层中以包含对象的一部分和横向支承结构的一部分的每层中的扫描图案构建。横向支承结构与对象分隔(例如通过每层中的未熔融粉末的一部分)或者通过脱离支承结构来连接。相应地，横向支承结构可易于在后处理期间从对象移除。在一个方面中，横向支承结构在应用附加粉末时提供针对由重涂器所施加的力的支承。通常，由重涂器所施加的力在重涂器平整附加粉末层时是在重涂器的移动的方向上。相应地，横向支承结构从对象在重涂器的移动的方向上构建。此外，横向支承结构可在底部处比在顶部处要宽。更宽的底部为横向支承结构提供用来抵抗由重涂器所生成的任何力的稳定性。

此外，一种制作对象的方法可包含连续、并发或交替熔融粉末以形成多个支承的部分，如上所述。另外，对于使用多个支承所制作的对象，后处理规程可包含移除每个支承。在一个方面中，支承结构可包含如本文所述的不同类型的多个支承。多个支承可直接地或者经由对象彼此连接。特定对象的支承的选择可基于本文所述的因素(例如形状、纵横比、取向、热性质等)。

本书面描述使用包含优选实施例的示例来公开本发明，并且还使本领域的技术人员能够实施本发明，包含制作和使用任何装置或系统，以及执行任何结合方法。本发明的可取得的专利范围由权利要求书来定义，并且可包含本领域的技术人员想到的其他示例。如果这类其他示例具有与权利要求的文字语言完全相同的结构单元，或者如果它们包含具有与权利要求的文字语言的非实质差异的等效结构单元，则预计它们处于权利要求的范围之内。来自所述的各个实施例的方面以及每个这种方面的其他已知等效体能够由本领域的技术人员来混合和匹配，以构成按照本申请的原理的附加实施例和技术。