[发明专利]增材制造方法及设备

说明书

本发明是关于一种三维物体增材制造的方法和设备，所述方法和设备被设置成逐层构建成型模，并在其中建造三维物体，此三维物体的层厚等于或大于该成型模的层厚。在不需要粉末床的情况下，该成型模确定所造三维物体的几何形状、尺寸及表面状态，所以在这个增材制造过程中很多单一的或复合的能源及其处理方法可被用来进行熔化、烧结、致密化处理、接合、固化、或者硬化，以处理不同形态和类型的原料，来制造金属、塑料或复合材料物体或工件。

交叉引用的相关申请

本专利申请根据滕忆先于2017年10月17日提交的美国第62/707022号题目为“材料熔融法三维增材制造”预备专利申请要求优先权，该申请为了所有目的在此提供参照予以引入。

技术领域

本发明总体上涉及一种制造方法，更具体地而又不局限于在一种逐层构建的四周封闭的结构内建造三维物体的方法，所述封闭结构在三维物体成型过程中确定其几何形状和尺寸。这种封闭结构实质上是一个对应一组横截面的几何形状逐层构建的成型模，在其中加入原料从而建造三维物体。

背景技术

在过去的世纪中有许许多多的制造方法和设备在各种工业中得到了利用。对照于传统减材制造技术比如机械加工，出现在三十年前的3D打印即增材制造技术已经越来越普及。这种新的制造途径取消了制造传统模具的需要，并提供了多种快速成型和利用计算机辅助设计文件进行制造的方法，使用塑料、金属和其它材料制造工件。

高熔点和复杂的成分处理组织性能的关系使金属增材制造成为富有挑战性的任务。缺陷或质量不合格，比如内部孔隙、氧化、不符合要求的微观组织、令人不满意或各向异性的性能、残余热应力、变形、开裂、尺寸偏差、以及表面粗糙是经常出现的问题。这些问题往往受到工艺参数和技术能力的影响。其结果是，在工艺鉴定和过程控制上很难确立合适的置信度，以交付连续一致的、令人满意的质量。

目前金属零件的增材制造主要是用金属粉末技术进行的，例如粉末床激光选区熔化、粉末床电子束选区熔化、粉末床粘结剂打印成型、及含有粘结剂的粉末膏的挤出成型。这些粉末床技术需要使用大量价格昂贵的金属粉末，在后续处理中要清理零件，收集松散粉末，小心回收和再次使用用过的粉末材料，避免掺入杂质、氧化及安全隐患等问题。在某些场合中，收集的松散粉末不能重复使用，造成昂贵材料的浪费。

粉末床激光或电子束选区熔化由于各层厚度通常是在40至70微米的范围内，一般来说速度非常慢，低生产率和高价原材料导致制造成本非常高。利用有机粘结剂的金属粉末成型技术制作低密度的“青坯件”(Green Parts)，在后续烧结过程中会出现高达20％的线收缩，导致很难控制收缩均匀性、几何形状偏差、尺寸精度及工艺的连贯一致性。此外，“脱粘结剂”(Debinding)步骤之后的残余有机粘结剂在烧结过程中需要在有氧气存在的情况下予以烧除。然而，将其烧尽是很难控制的，因为这是在金属零件内避免金属粉末氧化与遗留碳素残留物之间一个复杂的平衡。

上述增材制造技术出于低生产率、高成本和有限工艺能力的考虑，一般只适合制造小型金属零件。根据这一原因，在提高速度降低成本的前提下，需要适合较大零件增材制造的新方法，所用材料不限于金属，还要适合塑料和复合材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够构建包括壳型在内的成型模并在其中建造三维物体的增材制造方法和系统。

本发明的另一个目的是提供一种增材制造方法和系统，所述方法和系统能够在提高速度降低成本的情况下生产从小到大的三维物体或工件。

本发明的目的进一步包括提供一种利用粉末材料、不同成分的混合材料、或不同形态的原料进行增材制造的方法和系统，以制造金属、塑料及复合材料工件。粉末床、粘结剂打印、粉末清理和收集、脱粘结剂、烧除粘结剂、以及后续烧结步骤会被取消。