[發明專利]金屬結構的增材制造

有效

• 申請號: 201580075879.9
• 申請日: 2015-12-10
• 公開（公告）號: CN107206536B
• 公開（公告）日: 2019-11-15
• 發明（設計）人: 保羅·布克;馬泰奧·佩納·多爾
• 申請（專利權）人: 數字合金公司
• 主分類號: B23K11/00
• 分類號: B23K11/00;B33Y10/00;B33Y30/00
• 代理公司: 11262 北京安信方達知識產權代理有限公司
• 代理人: 鄭霞<國際申請>=PCT/US2015/

在各個實施方式中，通過沉積由金屬線與導電基底或先前沉積的顆粒層之間的電流的流過所產生的離散金屬顆粒，逐層地制造三維金屬結構。

相關申請的交叉引用

本申請要求2014年12月12日提交的美國臨時專利申請No.62/091,037的權益和優先權，其全部內容通過引用并入本文。

技術領域

在各個實施方式中，本發明涉及諸如三維(3D)打印等增材制造技術，并且尤其涉及金屬物體的增材制造。

背景技術

諸如3D打印等增材制造技術正在迅速被采納作為用于眾多不同應用的有用技術，包括用于特種組件的快速原型制作和制造。迄今為止，大多數增材制造工藝都利用聚合物材料，將聚合物材料逐層地熔化成指定圖案以形成3D物體。金屬物體的增材制造提出了額外的挑戰，但最近已經開發出一些技術來應對這些挑戰。

用于金屬結構的增材制造的現有技術通常可以分類為三類：激光燒結、粘合劑粘結并于隨后燒結，以及熔融金屬沉積。兩種燒結技術在構建區域中使用金屬粉末床，并且使粉末顆粒彼此選擇性地接合以形成期望的圖案。當完成一層時，將更多的金屬粉末散布在第一層上，并且使粉末顆粒以針對該層所需的圖案而與先前的層接合。該過程繼續，將新鮮的粉末散布在構建區域的整個表面上，并且繼而選擇性地接合，從而逐層地構建期望的結構。從粉末床內取出成品零件，并且繼而將粉末從構建區域清空，以開始下一零件。

然而，使用金屬粉末作為原材料由于幾個原因而可能是有問題的。金屬粉末生產昂貴，并且對于相同體積的材料而言一般比由相同材料制成的線更昂貴。金屬粉末處理困難且危險。例如，濺出的金屬粉末可以在空氣中形成灰塵，吸入該灰塵是危險的，并且這樣的灰塵甚至可能有爆炸危險。此外，常規增材制造技術所需的粉末的量比制造該零件所需的粉末的量大許多倍，原因在于必須用粉末來填充整個構建區域。這增加了該過程的成本，并導致粉末的損耗和浪費，從而可能不容易重復使用。常規的基于粉末的工藝還非常緩慢，原因在于通常必須將粉末在并行層的散布精確地進行為所需的層厚度，并且必須針對每一層在整個構建區域上進行。

激光燒結使用大功率激光作為熱源來熔合顆粒。激光有許多安全風險——特別是在熔合金屬所需的功率下。由于必須對顆粒進行自上而下加熱以添加足夠的熱量來將其熔合到前一層，因此使用激光作為熱源引起一些問題。這樣的自上而下加熱需要比將熱量直接施加到接合面的情況下所需要的熱量更多的熱量，這減慢了整個過程，并導致多余的熱量散發到粉末床中。因此，在激光加熱周圍的區域中存在不希望的燒結顆粒的危險。因此，該工藝需要使用熱傳導不良的金屬和合金。

粘合劑粘結使用膠來接合相鄰的粉末顆粒，而不是通過激光能量對顆粒進行直接熔合，但除此之外的工藝是相似的。將膠選擇性地進行噴涂以形成圖案，并逐層添加粉末以形成結構。為了制造機械上牢固的金屬零件，通常必須從粉末床移除所述結構，并將其放置在爐中以對粘結的金屬粉末進行燒結。燒結增大了工藝的復雜性以及生產零件所需的時間。

在熔融金屬沉積技術中，對金屬進行液化的熱量源于等離子體或電弧。繼而，當金屬冷卻時，以所需的圖案來噴涂熔融金屬，從而通過構建各層來形成結構。通過噴涂金屬而實現的分辨率與其他工藝相比通常較差，就這程度而言已經開發了混合機器來對金屬進行沉積、允許其冷卻并且繼而使用銑刀對其加工尺寸。由于在能夠建造于下層前因為等離子體或電弧生成的熱量非常高而必須允許足夠的時間來冷卻下層，因此該工藝的速度很慢。如果需要良好的分辨率，則加工工藝進一步減慢。

鑒于上述情況，需要用于生產金屬零件的改進的增材制造技術，其不利用金屬粉末作為原材料、不生成過多的熱量，并且不需要用于凝固的耗時而不經濟的燒結步驟。

發明內容