[發明專利]增材制造

在審

• 申請號: 201980056006.1
• 申請日: 2019-07-19
• 公開（公告）號: CN112996624A
• 公開（公告）日: 2021-06-18
• 發明（設計）人: 斯圖爾特·溫·威廉姆斯;沃伊切赫·耶日·蘇德
• 申請（專利權）人: 克蘭菲爾德大學
• 主分類號: B23K10/00
• 分類號: B23K10/00;B23K26/342;B29C64/118;B23K9/04;B23K10/02;B29C64/194;B29C64/209;B29C64/268;B29C64/277;B33Y10/00;B33Y30/00;B33Y99/00
• 代理公司: 廣州三環專利商標代理有限公司 44202
• 代理人: 熊永強

本文提供了一種通過增材制造來生產3D產品的方法。該方法包括以下步驟：在產品的已有部分中形成熔池，并使熔池相對于其移動；將引導的原料進料到移動的熔池中以在已有部分上沉積并融合材料層；和重復進行形成、移動和進料步驟以構建連續的材料層。其中在進行形成和移動步驟時：第一能量源撞擊在與熔池一起移動并引導熔池的第一區域上，由此第一能量源啟動熔池的形成，并且第二能量源撞擊在與第一區域一起移動并跟隨第一區域的第二區域上，由此在原料進料到熔池中之前，第二能量源增加熔池的橫向寬度。

技術領域

本公開涉及一種通過增材制造來制造3D產品的方法和系統。

背景技術

增材制造(AM)是一項通常可以基于產品的計算機輔助設計(CAD)軟件模型來構建接近最終形狀的3D產品的技術。AM涉及沉積和熔合一種或多種材料(例如金屬)的多個連續層以構建產品。與制造3D產品的傳統方法(例如鑄造或機加工)相比，增材制造的顯著優勢包括縮短生產時間并降低“飛購比”(buy-to-fly ratio)，即需要購買的物料的重量相對于最終制造零件中該物料的重量。減少材料消耗尤其有助于降低總體生產成本。

在AM中，將用來制造3D產品的材料(即原料)供應到指定位置，在該位置它進入形成在基材上的熔池。熔池的位置在基材上連續移動。熔化的原料層融合到基材上，然后將其他連續的材料層以類似的方式沉積在先前沉積的層上以構建3D產品。基材可以是已有組件，AM可以在其上添加新特征。

通常用能量源(例如等離子弧、電子束或激光)形成熔池。當原料進入熔池時，該能量源還可用于提供能量以熔化原料，并控制該工藝的整體溫度(因此控制3D產品的冷卻條件以及微觀結構和機械性能)。

良好控制每一層沉積材料的形狀(也稱為熔珠形狀)對于生產接近最終形狀的3D產品很重要。單熔珠寬度(SBW，即一層沉積材料的寬度)決定了工藝分辨率；新層與前一層之間的接觸角(CA)決定了各層之間缺少融合缺陷的可能性；層高(LH)決定表面光潔度。這些熔珠形狀參數中的每一個都取決于能量源的功率和能量分布。因此，控制能量源和/或原料的進料速率以改變LH，也將改變SBW和CA。因此，例如，調節工藝以提高LH可導致SBW和/或CA降低。

在實踐中，可以例如使用統計分析或神經網絡以找到合適的熔珠形狀參數平衡來優化AM過程，使用熱源生產接近最終形狀的產品。但是，這會導致AM工藝不靈活且缺乏適應性，因為無法獨立控制熔珠的形狀、原料的沉積速率和工藝的整體溫度。或者，該工藝可能不是足夠優化的，不能足夠準確地生產接近最終形狀的產品，或者沒有融合缺陷。

因此，提供一種通過AM生產產品的方法，該方法能夠獨立地控制熔珠形狀、原料的沉積速率和工藝的整體溫度，以高成型速率生產接近最終形狀的產品，這將是非常有利的。

發明內容

根據第一方面，本文提供了一種通過增材制造來生產3D產品的方法，其中所述方法包括以下步驟：

在產品的已有部分中形成熔池，并使所述熔池相對于其移動；

將引導的原料進料到移動的熔池中以在所述已有部分上沉積并融合材料層；和

重復進行形成、移動和進料步驟以構建連續的材料層從而生產3D產品；并且

其中在進行形成和移動步驟時：

引導第一能量源到所述已有部分上，所述第一能量源撞擊在與所述熔池一起移動并引導所述熔池的第一區域上，由此所述第一能量源啟動所述熔池的形成，并且

引導第二能量源到所述已有部分上，所述第二能量源撞擊在與所述第一區域一起移動并跟隨所述第一區域的第二區域上，由此在所述原料進料到所述熔池中之前，所述第二能量源使所述熔池的橫向寬度生長。

產品的已有部分可以是要在其上沉積各層的基材(例如，在增材工藝之前通過另一種制造方法生產的產品)，或者可以是先前融合的材料層。