包括加熱鄰近熔池的區域的用于熔化粉末的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及通過利用高能束(激光束、電子束……)熔化粉末來制造零件的領域。
【背景技術】
[0002]本發明更具體地涉及一種包括如下步驟的方法:
[0003]a)提供粉末顆粒形式的材料；
[0004]b)在高能束的協助下將第一數量的粉末加熱到高于粉末的熔化溫度Tf的溫度，并且在支撐件的表面形成包括支撐件的一部分和已熔化粉末的第一池；
[0005]c)在高能束的協助下將第二數量的粉末加熱到高于它的熔化溫度Tf的溫度，并且在支撐件的表面形成包括支撐件的一部分和已熔化粉末、位于第一池下游的第二池；
[0006]d)重復步驟c)直至在支撐件上形成零件的第一層；
[0007]e)在高能束的協助下將第η數量的粉末加熱到高于它的熔化溫度Tf的溫度，并且形成部分地包括已熔化粉末、在第一層的一部分之上的第η池；
[0008]f)在高能束的協助下將第n+1數量的粉末加熱到高于它的熔化溫度Tf的溫度，并且形成部分地包括已熔化粉末、在所述第一層的一部分之上、位于所述第η池下游的第n+1池；
[0009]g)重復步驟f)以在第一層之上形成零件的第二層；以及
[0010]h)重復步驟e)至g)形成位于已經形成的層之上的每層，直至零件基本具有其最終形狀。
[0011]在上面的方法中，需要η-1數量的粉末形成第一層。
[0012]現有已知的方法能夠獲得具有復雜三維(3D)形狀的機械零件。這些方法一層一層地形成零件直至已重構出零件的期望形狀。有利地，零件可以直接從計算機輔助設計和制造(CADM)文件使用計算機控制機器來重構，該計算機輔助設計和制造文件從處理3D計算機輔助設計(CAD)圖形文件的數據推導出來，該機器以一層在另一層之上的方式形成被熔化并隨后固化的材料的連續層，每層由具有CADM文件定義的尺寸和形狀的并列的平邊構成。
[0013]舉例來說，構成粉末顆粒可以為金屬的、金屬間化合的、陶瓷的或聚合物的。
[0014]在本申請中，當粉末為金屬合金，對于給定的合金成分，熔化溫度Tf介于液相線溫度和固相線溫度之間。
[0015]建造支撐物可以為某些其它零件的一部分，在其上期望增加附加的功能。它的成分可以不同于噴射的粉末顆粒的成分，并且由此可以具有不同的熔化溫度。
[0016]這些方法具體地包括激光噴射(project1n by laser)或直接“直接金屬沉積，，(direct metal deposit1n，DMD)、“選擇性層恪化”(selective layer melting，SLM)和“電子束恪化”(electron beam melting，EBM)。下面簡要概括DMD和SLM方法的特點和操作。
[0017]下面參考圖1解釋DMD方法的操作。
[0018]在局部保護下或在規定的高壓或低壓的惰性氣體的外殼中，通過噴嘴190將粉末顆粒噴射到在支撐件80上的材料上，形成材料的第一層10。與噴射粉末顆粒60同時地，噴嘴190發射來自發生器90的激光束。噴嘴190的第一孔口 191同軸地圍繞第二孔口 192，通過第一孔口粉末被噴射到支撐件80上，通過第二孔口激光束95被發射，這樣粉末被噴射到激光束95中。粉末形成顆粒的圓錐體，圓錐體是中空的，并且具有特定厚度，并且激光束是圓錐形的。
[0019]激光束95通過熔化暴露于激光束的支撐件80的區域，在支撐件80上形成池102。粉末供應給池102，粉末以熔化狀態進入池，粉末在到達池之前在激光束中在它的路徑上被熔化。
[0020]作為一種選擇，并且舉例來說，噴嘴190可以以這樣一種方式控制和/或定位，使得粉末沒有在激光束95中經歷足夠的時間以使所有粉末被完全熔化，并且它到達池102后熔化，該池是通過熔化支撐件80的暴露于激光束95的區域預先形成在支撐件80的表面上的。
[0021]粉末也能夠根本不被激光束95熔化，或者能夠僅部分被熔化，原因是一些或所有構成粉末顆粒的尺寸對它們來說太大而不能熔化。
[0022]當激光束95 (或支撐件80)向下游移動時，池102被保持并且漸漸固化以在支撐件80上形成固化材料105的平邊。該過程繼續進行以在支撐件80上形成另一個固化的平邊，該另外的平邊與例如第一平邊并列。這樣，通過在平行于工作平面的平面內移動噴嘴190或支撐件80，材料的第一層10沉積在支撐件80上，該層通過固化符合CADM文件定義的形狀的一件式的第一元件15形成。工作平面P被定義為包含在其上建造和/或形成層的表面的平面。
[0023]此后，使噴嘴190和激光束95 —起執行第二遍掃掠，以便以相似的方式在第一元件15的頂面形成材料的第二層20。該第二層20形成第二固結元件25，并且這兩個元件15和25 —起形成一件式的塊。在建造第二層20期間形成在第一元件15上的池102通常包括被暴露于激光束95而已被熔化的第一元件15的至少一部分以及供應給該池102的粉末顆粒。
[0024]參考由垂直于支撐件的表面Stl的豎直軸線Ztl和支撐件的表面構成的參考坐標系。支撐件的該表面Stl為高度為零的平面。包含在支撐件內或在表面S ^以下(并且垂直于豎直軸線Ztl)的平面平面具有負高度，并且在支撐件的表面Stl以上(并且垂直于豎直軸線Ztl)的平面具有正高度。如果給定平面具有大于另一平面的高度的正高度，那么給定平面在該平面之上。
[0025]在該參考坐標系中，第二層20位于在第一層10的平面之上的平面內。
[0026]通常來說對于層，工作平面P并不必須平行于表面因此定義為垂直于工作平面P的軸線Z也不必須平行于軸線Zp通常，較高層的工作平面無需平行于先前的較低層的工作平面，其中較高層的軸線Z相對于較低層的工作平面的軸線Z成非零度角，并且沿后者的軸線Z測量的在較低層的每個點之上的距離△ Z為平均值。
[0027]這種一層一層地制備零件的過程然后通過在已經形成的組件上增加附加的層繼續進行。
[0028]支撐件80的移動或噴嘴190和激光束95的一起的掃掠使每層獲得獨立于相鄰層的形狀的形狀。當形成零件的較高層時零件的較低層被退火并逐漸地被冷卻。
[0029]下面參考圖2解釋SLM方法的操作。
[0030]粉末由設置在供應倉70內的顆粒60組成，供應倉具有高度可調節的底部。例如在輥子30 (或任何其它沉積裝置)的協助下，材料的粉末的第一層10被沉積在建造支撐件80上，其中粉末從供應倉70傳遞。
[0031]建造支撐件80在建造倉85內滑動，建造倉85的側壁用來在側向上限制粉末。輥子30還用來以連續經過的方式在建造支撐件80上散播粉末，并且能夠用來壓實粉末。多余的粉末被回收到與建造倉85相鄰定位的回收倉40。
[0032]此后，粉末的第一層10的區域通過被由發生器90發射的激光束95掃掠而加熱到高于粉末的熔化溫度Tf的溫度。
[0033]在第一層10的該區域內的粉末顆粒60由此被熔化并形成第--件式的元件15。
在該階段期間，支撐件80可能也被部分熔化，因此它被附著在第一元件15上。
[0034]支撐件80被降低以相應于第一層已經確定的高度(在20微米(μπι)至100 μ m的范圍內，