[发明专利]用于增材制造的方法及热结构

说明书

本公开大体涉及用于在构建物体的处理中运用散热支撑结构的增材制造(AM)的方法，以及在这些AM处理中使用的新型散热支撑结构。该散热支撑结构包括至少一个牺牲结构，至少一个牺牲结构通过未熔融粉末的一部分与物体分离。牺牲结构增加物体的至少一部分的散热速率，使得物体中的热梯度保持低于防止物体变形的指定阈值。

技术领域

本公开大体涉及在构建物体的处理中运用支撑结构的用于增材制造(AM)的方法，以及在这些AM处理中使用的新型支撑结构。

背景技术

与减材制造方法对照，AM处理大体涉及构建一种以上材料以制作净形或近净形(NNS)物体。虽然“增材制造”是行业标准术语(ASTM F2792)，但是AM涵盖了以各种名称已知的各种制造和原型技术，包括自由成形制造、3D打印、快速原型/模制等。AM技术有能力由各种各样材料制造复杂组件。大体上，独立物体可以由计算机辅助设计(CAD)模型制造。特定类型的AM处理使用能量束(例如，电子束或电磁辐射，诸如激光束)来烧结或熔化粉末材料，产生固体三维物体，其中粉末材料的颗粒连结在一起。不同的材料系统被使用，例如工程塑料、热塑性弹性体、金属和陶瓷。激光烧结或熔化是用于快速制造功能性原型和工具的一种值得注意的AM处理。应用包括直接制造复杂工件，用于熔模铸造的图案，用于注塑和压铸的金属模具，以及用于砂铸的模具和芯体。在设计周期期间制造原型物体以增强概念交流和测试是AM处理的其他常见用法。

选择性激光烧结、直接激光烧结、选择性激光熔化和直接激光熔化是常见行业术语，用以指代通过使用激光束烧结或熔化精细粉末来生产三维(3D)物体。例如，美国专利号4,863,538和美国专利号5,460,758描述常规激光烧结技术。更准确地，烧结需要在低于粉末材料熔点的温度下熔融(聚结)粉末颗粒，而熔化需要充分熔化粉末颗粒以形成固体均质体。与激光烧结或激光熔化相关的物理处理包括，热量传递到粉末材料，然后烧结或是熔化粉末材料。虽然激光烧结和熔化处理可以应用于广泛的粉末材料，但是，生产途径的科学和技术方面(例如，烧结或熔化速率以及处理参数对层制造处理期间微结构演变的效果)还未被很好地了解。该制造方法伴随有多个模式的热量、质量和动量传递，以及使处理非常复杂的化学反应。

图1是示出用于直接金属激光烧结(DMLS)或直接金属激光熔化(DMLM)的示范性常规系统100的横截面视图的示意性示图。装置100通过使用源(诸如激光器120)生成的能量束136烧结或熔化粉末材料(未示出)而以逐层方式构建物体，例如部件122。将要由能量束熔化的粉末由贮存器126供应并使用沿方向134行进的重涂覆机臂116均匀地展开在构建板114上，以将粉末维持在水平118并将延伸到粉末水平118上面的过量粉末材料移除到废物容器128。能量束136在振镜扫描器132的控制下烧结或熔化正在构建的物体的横截面层。降低构建板114，并将另一层粉末展开在构建板和正在构建的物体上面，之后通过激光器120连续熔化/烧结粉末。重复该处理，直到由熔化/烧结的粉末材料完全构建起部件122为止。激光器120可以由包括处理器和储存器的计算机系统控制。计算机系统可以确定针对每一层的扫描图案，并且控制激光器120根据扫描图案照射粉末材料。在完成部件122的制造后，各种后处理过程可以应用于部件122。后处理过程包括，例如通过吹气或抽真空来移除过量粉末。其他后处理过程包括应力消除处理。附加的热、机械和化学后处理过程可以被用于完成部件122。

装置100由执行控制程序的计算机控制。例如，装置100包括执行固件的处理器(如，微处理器)、操作系统或在装置100和操作员之间提供接口的其他软件。计算机接收待形成物体的三维模型作为输入。例如，使用计算机辅助设计(CAD)程序生成三维模型。计算机分析该模型并针对模型中的每个物体提出工具路径。操作员可以限定或调整扫描图案的各种参数，诸如功率、速度和间距，但通常不直接编程工具路径。