[發(fā)明專利]使用用于二維打印的高通量激光從粉末創(chuàng)建對象的增材制造系統(tǒng)在審
| 申請?zhí)枺?/td> | 201980082836.1 | 申請日： | 2019-12-12 |
| 公開（公告）號： | CN113195127A | 公開（公告）日： | 2021-07-30 |
| 發(fā)明（設(shè)計）人： | 端木寧;詹姆斯·A·德姆斯;安德魯·J·貝拉米安;沈一愚;德魯·W·基辛格 | 申請（專利權(quán)）人： | 速爾特技術(shù)有限公司 |
| 主分類號： | B22C7/02 | 分類號： | B22C7/02;B22C9/04;B22C9/10 |
| 代理公司： | 北京安信方達知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11262 | 代理人： | 劉學(xué)禹;楊明釗 |
| 地址： | 美國加利*** | 國省代碼： | 暫無信息 |
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| 摘要： | |||
| 搜索關(guān)鍵詞： | 使用 用于 二維 打印 通量 激光 粉末 創(chuàng)建 對象 制造 系統(tǒng) | ||
公開了一種增材制造方法。該方法可以包括提供包圍粉末床并具有包括氦氣的氣氛的外殼。高通量激光束被導(dǎo)向粉末床的限定二維區(qū)域。粉末在限定二維區(qū)域內(nèi)熔化和熔融，其中按重量計小于50％的粉末顆粒被轉(zhuǎn)移到與發(fā)生粉末熔化和熔融的限定二維區(qū)域共享邊緣或拐角的任何限定二維區(qū)域中。
相關(guān)專利申請的交叉引用
本公開是要求于2018年12月14日提交的美國專利申請第62/779,978號的優(yōu)先權(quán)權(quán)益的非臨時專利申請的一部分，該美國專利申請通過引用以其整體并入。
技術(shù)領(lǐng)域
本公開總體上涉及增材制造，并且更具體地，涉及使用用于二維打印的高通量激光的粉末床熔融增材制造。
背景
傳統(tǒng)的部件加工通常依賴于通過鉆孔、切割或研磨來去除材料以形成零件。相比之下，增材制造(也稱為三維(3D)打印)通常涉及材料的順序逐層添加以構(gòu)建零件。
在一個高吞吐量增材制造系統(tǒng)中，可以使用高通量激光束從金屬或其他材料粉末層中熔化二維區(qū)域或“圖塊(tile)”。然而，快速熔化許多類型的粉末需要極高的能量濃度，導(dǎo)致等離子體的產(chǎn)生和急劇的體積膨脹。當(dāng)?shù)入x子體維持其體積并使其膨脹時，會產(chǎn)生沖擊波，這會將打印(或激光照射)區(qū)域周圍的大量粉末推離到周圍區(qū)域中。實際上，激光照射、等離子體產(chǎn)生、等離子體維持和膨脹、沖擊波傳播和粉末運動的這種連鎖反應(yīng)降低了打印工藝的質(zhì)量。
這尤其對于基于高功率粉末床熔融的增材制造系統(tǒng)來說是一個問題。目前可用的典型傳統(tǒng)粉末床熔融增材制造系統(tǒng)使用功率為大約300W至1000W并且聚焦射束直徑為50微米(50um)至100um的單個激光束。這相當(dāng)于只有大約幾MW/cm2的激光功率通量(例如，聚焦直徑為100um的1000W圓形激光束具有[1000W/(π*(0.005cm)^2)]＝12.74MW/cm2的通量)，這足以熔化金屬粉末并使其沸騰，但沒有達到可能產(chǎn)生和維持等離子體的能量密度。此外，由于熔體體積小，任何等離子體引起的影響都很小。通常，在傳統(tǒng)系統(tǒng)的打印工藝中可以看到金屬噴濺的液滴，但是很少或沒有等離子體引發(fā)的沖擊波將打印區(qū)域周圍的粉末推開(等離子體引發(fā)的沖擊波將打印區(qū)域周圍的粉末推開導(dǎo)致嚴重且負面地影響打印工藝的“光暈效應(yīng)(Halo effect)”)。
當(dāng)使用高功率通量激光束快速熔化并且固化打印區(qū)域內(nèi)的粉末層時，需要改進的工藝和系統(tǒng)來防止不可接受的光暈效應(yīng)。在一些情況下，用于基于二維粉末床熔融的增材制造系統(tǒng)的有用的激光束功率通量的范圍可以從數(shù)百kW/cm2到甚至GW/cm2水平。不幸的是，在氬氣環(huán)境中，這些水平的激光功率通量通常足以產(chǎn)生并且維持等離子體，該等離子體在制造期間會推開粉末顆粒而形成不可接受的光暈(halo)。
概述
為了減少這種光暈和其他不利的打印效果，在一個實施例中，使用金屬或其他粉末的增材制造方法可以使用包圍粉末床并具有包括氦氣的氣氛的外殼。將功率密度大于100兆瓦/平方厘米的高通量激光束導(dǎo)向粉末床的限定二維區(qū)域。粉末在限定二維區(qū)域內(nèi)熔化和熔融，其中按重量計小于10％的粉末顆粒被轉(zhuǎn)移到與發(fā)生粉末熔化和熔融的限定二維區(qū)域共享邊緣或拐角的任何限定二維區(qū)域內(nèi)。在其它情況下，按重量計小于20％的粉末顆粒被噴射到限定二維區(qū)域之外的區(qū)域，在其它情況下，按重量計小于40％的粉末顆粒被噴射到限定二維區(qū)域之外的區(qū)域，在其它情況下，按重量計小于80％的粉末顆粒被噴射到限定二維區(qū)域之外的區(qū)域，在其它情況下，按重量計小于90％的粉末顆粒被噴射到限定二維區(qū)域之外的區(qū)域，在其它情況下，按重量計小于95％的粉末顆粒被噴射到限定二維區(qū)域之外的區(qū)域，在其它情況下，按重量計小于99％的粉末顆粒被噴射到限定的二維區(qū)域之外的區(qū)域。
在一個實施例中，氦氣氣氛是按體積計至少1％的氦氣。
在一個實施例中，外殼中的氦氣氣氛保持在0巴和100巴之間的絕對壓力。
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