用于增材制造的沉积头的制作方法

用于增材制造的沉积头的制作方法
【专利摘要】本发明的题目是用于增材制造的沉积头。用于增材制造的沉积头(106)可包括材料进料器(110)和将电磁能(114)引导至生长面(120)的电磁能量源(112)，所述材料进料器(110)包括将第一进料(140)沉积至生长面(120)的第一进料器(134)，和将第二进料(142)沉积至生长面(120)的第二进料器(136)，其中电磁能(114)在生长面(120)上形成熔化池(124)，并且其中熔化池(124)可包括熔化的第一进料(146)和熔化的第二进料(148)中的至少一种。
【专利说明】
用于増材制造的沉积头
技术领域
[0001 ] 本公开内容一般涉及增材制造(additive manufacturing)，并且更具体而言，涉及用于增材制造的沉积头(deposit1n head)，其能够沉积结构上不同的和/或组成上不同的进料。
【背景技术】
[0002]增材制造，或“3D印刷”是其中增材制造系统(例如，3D印刷机)基于三维物体的三维模型或其它数字表示来构造物体的制造工艺。增材制造系统通过以物体形状沉积组分材料或以其它方式使组分材料以物体形状成形来构造或印刷物体，直到其形成。在一个常见的实例中，沉积代表物体的横截面的材料的连续层，并且熔化或以其它方式固化材料的沉积层以构建最终物体。最终的三维物体是充分致密的并且可以包括复合形状。
[0003]通常的增材制造工艺包括将基材沉积在生长面上(例如，最初沉积在基底上，然后沉积在基材的先前沉积层上)和将能量源引导至生长面上以在生长面上形成熔化池。基材沉积入熔化池并且被熔化池合并以将额外的材料逐层提供给物体。
[0004]—种类型的增材制造工艺形成大的熔化池沉积。这样的工艺可以迅速地产生具有近网状的物体;然而，这种工艺需要后处理机械加工以实现物体的最终三维形状，这实际上增加了生产物体的时间和成本。另一种类型的增材制造工艺形成小的熔化池沉积。这样的工艺可以使得精确沉积以实现物体的最终三维形状(例如，仅需要精加工(finishingmachining));然而，该工艺对于形成最终物体是缓慢的并且需要多个工序，这实际上增加了生产物体的时间和成本。
[0005]因此，本领域技术人员在三维物体的增材制造领域中继续进行研究和开发工作。

【发明内容】

[0006]在一个实施方式中，公开的用于增材制造的沉积头可以包括材料进料器和将电磁能引导至生长面的电磁能量源，所述材料进料器包括将第一进料沉积至生长面的第一进料器和将第二进料沉积至生长面的第二进料器，其中该电磁能在生长面上形成熔化池，并且其中该熔化池可包含熔化的第一进料和熔化的第二进料中的至少一种。
[0007]在另一个实施方式中，公开的增材制造装置可包括支撑生长面的构建平台(buildplatform)和相对于构建平台可移动的沉积头，该沉积头可包括将第一进料沉积至生长面的第一进料器、和将第二进料沉积至生长面的第二进料器、和将电磁能引导至生长面的电磁能量源，其中该电磁能在生长面上形成熔化池，并且其中该熔化池可包含熔化的第一进料和熔化的第二进料中的至少一种。
[0008]在又另一实施方式中，公开的用于增材制造三维制品的方法可包括以下步骤:(I)通过材料进料器将进料沉积至生长面，其中进料包括第一进料、第二进料和第三进料中的至少一种，并且其中第一进料、第二进料和第三进料中的至少一种是不同的，(2)将进料暴露于电磁能以形成熔化池，其中熔化池包括熔化的第一进料、熔化的第二进料和熔化的第三进料中的至少一种，和(3)固化熔化池。
[0009]公开的系统和方法的其它实施方式将从下面的【具体实施方式】、附图描述和所附权利要求中变得显而易见。
[0010]附图描述
[0011]图1是公开的增材制造环境的一个实施方式的方框图；
[0012]图2是图1的公开的增材制造装置的一个实施方式的示意性透视图；
[0013]图3是图1的公开的用于增材制造装置的沉积头的一个实施方式的部分的示意性侧视图；
[0014]图4是公开的沉积头的另一个实施方式的部分的示意性侧视图；
[0015]图5是图4的沉积头的部分的另一个示意性侧视图；
[0016]图6是在图1的制品的生长面上的熔化池的一个实施方式的示意性俯视图；
[0017]图7是公开的用于增材制造三维制品的方法的一个实施方式的流程图；
[0018]图8是飞行器生产和服务方法的方框图；和
[0019]图9是飞行器的示意性图解。
【具体实施方式】
[0020]下面的【具体实施方式】参照图解本公开内容的【具体实施方式】的附图。具有不同结构和操作的其它实施方式不脱离本公开内容的范围。不同附图中相同的附图标记可以代表相同的元件或部件。
[0021]参照图1，公开了增材制造环境的一个实施方式，一般指定100。三维制品一一其一般指定“制品” 102，可以由增材制造装置一一其一般指定“装置” 104——制造。
[0022]如本文所使用，术语“制品”指的是具有几乎任何形状或几何结构(例如，复合形状和/或几何结构)并由增材制造工艺生产的任何三维物体、工件、零件、部件、产品等。增材制造工艺包括用于制造三维制品的任何过程或操作，其中基材的连续层例如在计算机控制下被敷设。
[0023]参照图1和2，增材制造装置104的一个实施方式可以包括沉积头106和构建平台108。制品102在构造期间可被支撑在构建平台108上。构建平台108可以包括基板、基底或任何其它适合的构建表面，以支撑在其上增材制造的进料118和制品102的层。沉积头106可以包括材料进料器110。材料进料器110可以配置为沉积一种或多种进料118(例如，许多不同类型的基材)以形成生长面120。沉积头106可以包括电磁能量源112。电磁能量源112可以生成和/或发射能够照射进料118以在生长面120上形成局部的熔化池124的电磁能114。制品102可以通过连续添加具有预定厚度t、面积a和/或轮廓c(图1)的进料118的层122进行制造，进料118的层122被从电磁能量源112引导至生长面120的电磁能114熔化。
[0024]电磁能114可以包括引导的电磁辐射或能量的集中束(例如，用于能量照射的能量束或用于激光照射的激光束)。作为一个一般的非限制性的实例，电磁能量源112可包括激光器126(例如，激光束发生器)。激光器126可以生成和/或发射能够选择性地熔化进料118的激光束128 (例如，电磁能114)。作为一个具体的非限制性的实例，激光器126可以包括纤维激光器，例如，5kW纤维激光器。作为另一个一般的非限制性的实例，电磁能量源112可以包括电子束发生器(没有被明确地图解)，其配置为生成和/或发射能够选择性地熔化进料118的电子束(例如，电磁能114)。
[0025]作为一个实例，本文所公开的增材制造技术(例如，装置104和/或方法300)可以是选择性激光熔化技术(“SLM”)。作为另一个实例，本文公开的增材制造技术(例如，装置104和/或方法300)可以是选择性激光烧结技术(“SLS”)。作为另一个实例，本文公开的增材制造技术(例如，装置104和/或方法300)可以是电子束熔炼技术(?ΒΜ” )。
[0026]参照图2，并参考图1，作为一个实例，来自材料进料器110的一种或多种进料118可以最初被沉积在构建平台108的表面上以形成生长面120。电磁能114被引导在进料118处，例如，在构建平台108上的选定位置处以在生长面120上形成熔化池124(例如，进料118的熔池(mo I ten puddle))。一种或多种进料118的后继层可以沉积在先前生长的(例如，构建的)材料层上并且整合在生长面120上的熔化池124内(例如，通过在熔化池124内熔化和形成溶液)。引入额外的进料118可以迫使原熔化池124的一部分在熔化池-生长面界面处固化(例如，冷却)，从而形成新材料层并且构建生长面120。
[0027]参照图2，沉积头106例如在制品102的构造期间相对于生长面102 (例如，制品102或构建平台108)可以是可移动的。沉积头106相对于生长面120的移动可以促进进料118的连续分层和/或适当地沉积进料118、定位电磁能114和/或在生长面120上移动熔化池124的位置。
[0028]作为一个实例，沉积头106可以线性地移动至生长面120。例如，沉积头106可以沿着X轴、Y轴、Z轴或其组合线性地移动。作为另一个实例，沉积头106相对于生长面120可以可旋转地移动。例如，沉积头106可以绕X轴、Y轴、Z轴或其组合可旋转地移动。作为又另一个实例，沉积头106可以相对于生长面120非线性地移动。例如，沉积头106可以相对于生长面120自由地移动，例如，以形成具有复合形状的制品102。
[0029]装置104可以包括沉积头驱动机构130。沉积头驱动机构130可以可操作地连接至沉积头106。作为一般的非限制性的实例，沉积头驱动机构130可包括配置为驱动沉积头106相对于制品102(例如，相对于生长面120)运动(例如，线性的、可旋转的和/或非线性的)的任何适合的机械的、机电的、液压的或气动的机构。作为其它一般的非限制性的实例，沉积头驱动机构130可以包括配置为驱动电磁辐射源112相对于制品102运动的机器人机构、末端执行器、自主运动载体(autonomous vehicles)和/或其它相关技术。
[0030]除此之外，或可选地，构建平台108例如在制品102的构造期间可以相对于沉积头106可移动。构建平台108相对于沉积头106的移动可以促进进料118的连续分层和/或适当地定位生长面120，例如，以沉积进料118，从而定位引导的电磁能114和/或移动熔化池124的位置。
[0031]作为一个实例，构建平台108可以例如相对于沉积头106线性地移动。例如，构建平台108可以沿着X轴、Y轴、Z轴或其组合线性地移动。作为另一个实例，构建平台108可以例如相对于沉积头106可旋转地移动。例如，构建平台108可以绕X轴、Y轴、Z轴或其组合可旋转地移动。作为又另一个实例，构建平台108可以例如相对于沉积头106非线性地移动。例如，构建平台108可以相对于沉积头106自由地移动。
[0032]装置104可以包括构建平台驱动机构132。构建平台驱动机构132可以可操作地连接至构建平台108。作为一般的非限制性的实例，构建平台驱动机构132可以包括配置为驱动构建平台108相对于沉积头106运动(例如，线性的、可旋转的和/或非线性的)的任何适合的机械的、机电的、液压的或气动的机构。作为其它一般的非限制性的实例，构建平台驱动机构132可以包括配置为驱动构建平台108运动的机器人机构、末端执行器、自主运动载体和/或其它相关技术。
[0033]参照图3，并参考图1，在沉积头106的一个实施方式中，材料进料器110可以包括第一进料器134和第二进料器136。第一进料器134可以配置为选择性地沉积第一进料140至生长面120(例如，将第一进料140引入熔化池124)。第二进料器136可以配置为选择性地沉积第二进料142至生长面120(例如，将第二进料142引至熔化池124)。
[0034]除非另有说明，术语“第一”、“第二”、“第三”等在本文中仅被用作标记，并且不意欲对这些术语所指的项施加顺序的、位置的或等级的要求。而且，提及“第二”项不要求或排除低级编号项(例如，“第一”项)和/或高级编号项(例如，“第三”项)的存在。
[0035]在一个实例实施中，第一进料140和第二进料142可以是不同的。作为一个一般的非限制性的实例，第一进料140和第二进料142可以是结构上不同的。作为一个具体的非限制性的实例，第一进料140可以包括粉末164(例如，金属粉末)和第二进料142可以包括丝166(例如，固体金属丝)。作为一个实例，金属粉末164和/或金属丝166可以是不具有额外的填料材料的纯金属材料。作为另一个实例，金属粉末164和/或金属丝166可以包括额外的材料。
[0036]作为另一个一般的非限制性的实例，第一进料140和第二进料142可以是组成上不同的。作为另一个具体的非限制性的实例，第一进料140可以包括第一组分材料168和第二进料142可以包括第二组分材料170(图1)。第一组分材料168和第二组分材料170可以是不同的。作为一般的非限制性的实例，第一组分材料168和/或第二组分材料170可以是金属或金属合金。作为具体的非限制性的实例，第一组分材料168可以包括钢、铝、钛、镍或任何适合的难熔金属和/或基于钢、铝、钛、镍或任何适合的难熔金属的任何合金。作为具体的非限制性的实例，第二组分材料170可以包括钢、铝、钛、镍或任何适合的难熔金属和/或基于钢、铝、钛、镍或任何适合的难熔金属的任何合金。
[0037]在又另一个一般的非限制性的实例中，第一进料140和第二进料142可以是结构上和组成上不同的。作为又另一个具体的非限制性的实例，第一进料140可以包括包含第一组分材料168 (例如，钢粉末)的粉末164和第二进料材料142可以包括包含第二组分材料170(例如，镍丝)的丝166。
[0038]参照图4，并参考图1，在沉积头106的一个实施方式中，材料进料器110可以进一步包括第三进料器138(例如，材料进料器110可以包括第一进料器134、第二进料器136和第三进料器138)。第三进料器138可以配置为选择性地沉积第三进料144至生长面120(例如，将第三进料144引至熔化池124)。
[0039]在一个实例实施中，第一进料140、第二进料142和/或第三进料144中的至少一种可以是不同的。作为一个一般的非限制性的实例，第一进料140、第二进料142和/或第三进料144可以是结构上不同的。作为一个具体的非限制性的实例，第一进料140可以包括粉末164(例如，金属粉末)，第二进料142可以包括丝166(例如，固体金属丝)和第三进料144可以包括丝166(例如，固体金属丝)。作为另一个具体的非限制性的实例，第二进料142可以包括具有第一直径dl的丝166(例如，第一丝166a)(图4)和第三进料144可以包括具有第二直径d2的丝166(例如，第二丝166b)(图4)。第一直径dl和第二直径d2可以是不同的。例如，第一丝166a(例如，第二进料142)的第一直径dl可以是大的直径和第二丝166b(例如，第三进料144)的第二直径d2可以是小的直径(例如，第一直径dl可以大于第二直径d2)。作为一个非限制性的实例，大的直径可以包括大约0.3 7 5英寸。作为一个非限制性的实例，小的直径可以包括大约0.100英寸。金属丝166的其它直径也被考虑。
[0040]如本文所使用，“至少一种”指的是单个要素的任意组合或多个要素的任意组合。例如，X、Y和/或Z中的至少一种可以指X、Y、Z、X和Y、X和Z、Y和Z、或X和Y和Z。
[0041]作为另一个一般的非限制性的实例，第一进料140、第二进料142和/或第三进料144中的至少一种可以是组成上不同的。作为另一个具体的非限制性的实例，第一进料140可包括第一组分材料168，第二进料142可包括第二组分材料170和第三进料144可包括第三组分材料172(图1)。第一组分材料168、第二组分材料170和/或第三组分材料172中的至少一种可以是不同的。作为一般的非限制性的实例，第一组分材料168、第二组分材料170和/或第三组分材料172可以是金属或金属合金。作为具体的非限制性的实例，第三组分材料172可以包括钢、铝、钛、镍或任何适合的难熔金属和/或基于钢、铝、钛、镍或任何适合的难恪金属的任何合金。
[0042]在又另一个一般的非限制性的实例中，第一进料140、第二进料142和/或第三进料144中的至少一种可以是结构上和组成上不同的。作为又另一个具体的非限制性的实例，第一进料140可以包括例如包含第一组分材料168的金属、粉末164(例如，金属粉末)，第二进料142可以包括例如具有第一直径dl和包含第二组分材料170的金属、丝166(例如，第一丝166a)，和第三进料144可以包括例如具有第二直径d2和包含第三组分材料172的金属、丝166(例如，第二丝166b)。作为一个实例，第一组分材料168、第二组分材料170和/或第三组分材料172中的至少一种可以是不同的。作为另一个实例，第一直径dl和第二直径d2可以是不同的。作为又另一个实例，第一组分材料168、第二组分材料170和/或第三组分材料172中的至少一种可以是不同的并且第一直径dl和第二直径d2可以是不同的。
[0043]例如，引入具有不同结构特性的不同进料118(例如，第一进料140、第二进料142和/或第三进料144)的一个优点是增加正在形成的结构部件174的类型灵活性的能力。作为实例，具有大的直径dl的丝166(例如，第二进料142)可以沉积在生长面120上以形成大的结构部件174(例如，整体结构)。作为另一个实例，具有小的直径d2的丝166(例如，第三进料144)可以沉积在生长面I 20上以形成小的结构部件174(例如，细部结构(detailedstructure))。作为另一个实例，粉末164(例如，第一进料)可以沉积在生长面120上以形成精细结构部件174(例如，精细结构细部)。
[0044]例如，引入具有不同组成特性的不同进料118(例如，第一进料140、第二进料142和/或第三进料144)的一个优点是产生一种或多种特定合金(例如，由两种或多种金属或金属和非金属组成的材料)或超合金(例如，高性能合金)的能力。作为一个实例，将第一组分材料168 (例如，钛)的第一进料140 (例如，粉末164)和第二组分材料170 (例如，铝)的第二进料142(例如，丝166)引入熔化池124可以将熔化的第一进料146和熔化的第二进料148混合以形成特定合金(例如，铝化钛(TiAl))。
[0045]作为另一个实例，将第一组分材料168(例如，商业纯的钛)的第一进料140(例如，粉末164)、第二组分材料170 (例如，铝)的第二进料142 (例如，丝166)和第三组分材料172(例如，钒)的第三进料144 (丝166)引入熔化池124可以将熔化的第一进料146、熔化的第二进料148和熔化的第三进料150混合以形成特定合金(例如，Ti6Al-4V)。
[0046]例如，引入具有不同组成特性的不同进料118(例如，第一进料140、第二进料142和/或第三进料144)的另一个优点是产生包含多种不同金属和/或不同合金的制品102的能力。例如，制品102的一个或多个构建层122或制品122的某些部分可以包括不同的金属、不同的合金或其组合。
[0047]一种或多种进料118(例如，第一进料140、第二进料142和/或第三进料144中的至少一种)可以以不同的进料速率沉积在生长面120上(例如，引入熔化池124)。如本文所使用，术语“进料速率” 一般是指例如基于进料的体积和进料的引入速度(例如，体积为时间的函数)正在沉积在生长面上的进料的量。进一步，进料118的进料速率在制品102的构造期间可以被修改或调整。不同进料118的进料速率可以由以下规定:例如，生长面120上的电磁能114的光斑大小(例如，激光束128的光斑大小)、熔化池124的尺寸D、正在形成的特定结构零件(feature) 174、电磁能量源112的功率级(例如，激光器126的瓦特数)、进料118的组分材料(例如，第一组分材料168、第二组分材料170和/或第三组分材料172)等等。
[0048]例如，在制品12的构造期间改变进料118的进料速率的一个优点是构建制品1 2的不同结构零件174的能力，一种或多种结构零件174具有不同级别的复杂性(例如，大小、形状、细节等)，以便使不同进料118的物料通过速率(throughput rate)最大化并使制品102的构造时间最小化。
[0049]例如，引入具有不同组成特性(例如，不同组分材料)的不同进料118(例如，第一进料140、第二进料142和/或第三进料144)并且在不同进料速率下引入的一个优点是在制品102的构造期间在制品102内从一种组分材料过渡至不同的组分材料(例如，从一层122到另一层122)的能力。例如，第一进料140、第二进料142和/或第三进料144中的一种或多种可用于在生长面120处形成特定的(例如，期望的)金属或金属合金(例如，熔化池124可以包括熔化的第一进料146、熔化的第二进料148和/或熔化的第三进料150中的一种或多种)。在制品102的构建期间(例如，在连续层122的形成期间)，进料118中的至少一种(例如，第二进料14 2)的量(例如，进料速率)可以改变(例如，增加或减少)以在制品1 2的构造期间在制品102内产生材料过渡(功能分级过渡)。作为一个非限制性的实例，制品102可以通过改变不同进料118的进料速率从不锈钢过渡(例如，通过连续层122)至铬镍铁合金(Inconel)(例如，奥氏体镍-铬基超合金家族)以形成功能分级制品。
[0050]例如，引入具有不同组成特性(例如，不同组分材料)的不同进料118(例如，第一进料140、第二进料142和/或第三进料144)并且在不同进料速率下引入的另一个优点是显著减少由于混合组分材料以形成期望合金造成的进料118的浪费。例如，由于合金混合在生长面120上(例如，熔化池124内)进行，因此通过混合不同的组分材料以便产生期望的合金可以不污染过量的粉末164。
[0051]参照图3和4，并参考图1，沉积头106可以包括光学器件160。光学器件160可以位于电磁能量源112和制品102 (例如，制品102的生长面120)之间。光学器件160可以包括任何适合的束形成光学器件。作为一个非限制性的实例，光学器件160可包括精密磨砂光学玻璃(precis1n ground optical glass)。作为另一个非限制性的实例，光学器件160可包括任何耐火的光学系统。
[0052]光学器件160可以配置为例如在生长面120上形成电磁能114(例如，激光束128)、设定电磁能114(例如，激光束128)的大小和/或形状。例如，光学器件160可以至少部分地规定生长面120处的电磁能114的大小和/或形状。作为一个实例，光学器件160可以控制生长面上的电磁能114的光斑形状(例如，激光束128的光斑形状)(例如，几何结构)。作为非限制性的实例，生长面上的电磁能114(例如，激光束128)的光斑形状可以包括圆形、卵形(ovular)、正方形或矩形。其它几何形状也被考虑。作为另一个实例，光学器件160可以控制生长面120上的电磁能114的光斑大小(例如，激光束128的光斑大小)(例如，圆形光斑的直径、正方形光斑的内部线性尺寸等)。
[0053]本领域技术人员将意识到电磁能量源112的功率级(例如，激光器126的瓦特数)也可以至少部分地规定生长面120处的电磁能114的大小和/或形状。
[0054]因此，光学器件160可以至少部分地规定熔化池124的大小和/或形状。本领域技术人员将意识到电磁能量源112的功率级(例如，激光器126的瓦特数)也可以至少部分地规定熔化池124的大小和/或形状。
[0055]参照图6，并参考图1，熔化池124可以限定生长面120的一部分，进料118正加入该部分以便构建制品102(例如，形成层122)。熔化池124可以包括熔化的第一进料146(例如，由引导的电磁能114熔化的第一进料140)、熔化的第二进料148(例如，由引导的电磁能114熔化的第二进料142)和/或熔化的第三进料150(例如，由引导的电磁能114熔化的第三进料144)中的至少一种。熔化池124可以包括一定的大小和/或形状。熔化池124的大小和/或形状可以至少部分地由生长面120处的引导的电磁能114(例如，激光束128)的大小和/或形状规定。
[0056]作为一个非限制性的实例，如图6中所图解，熔化池124的形状可以是圆形的。作为其它非限制性的实例(没有被明确地图解)，熔化池124的形状可以包括正方形、矩形或卵形。熔化池124的其它几何形状也被考虑。熔化池124的形状可以至少部分地由生长面120处的电磁能114(例如，激光束128)的形状——例如由光学器件160控制的——规定。
[0057]熔化池124在生长面120处可以包括大体上与电磁能114(例如，激光束128)的大小--例如由光学器件160控制的--相应的大小。熔化池124可以包括尺寸D。作为一个实例，尺寸D可以是如图6中所图解的圆形熔化池124的外周长边缘之间的直径。作为另一个实例，尺寸D可以是正方形、矩形或卵形熔化池124的外周长边缘之间的直线距离(例如，主要尺寸或次要尺寸)。
[0058]参照图5，光学器件160可以相对于电磁能量源112可移动。作为一个实例，光学器件160可以沿着Z轴(图2)—一以如图4和5中图解的由箭头200指示的方向一一线性地移动。作为另一个实例，光学器件160也可以沿着X轴和/或Y轴、Z轴中的至少一个线性地移动，绕X轴、Y轴和/或Z轴中的至少一个可旋转地移动，和/或可以非线性地移动。光学器件160相对于电磁能量源112的移动可以转变电磁能114 (例如，激光束128 )、重新设定电磁能114 (例如，激光束128)的大小和/或形状。
[0059]参照图3-6，光学器件160的移动(例如，改变光学器件160相对于电磁能量源112或生长面120的位置)(图3-5)可以在制品1 2的构造或制品1 2的特定结构零件174的构造期间调节熔化池124的大小和/或形状(图6)。作为实例，利用处于第一位置比如图3和4中所图解的位置的光学器件160，电磁能量源112可以引导具有大光斑大小的电磁能114 (例如，激光束128)(图1)，并因此形成如图6中虚线所图解的大的熔化池124。作为另一个实例，利用处于第二位置比如图5中所图解的位置的光学器件160，电磁能量源112可以引导具有小光斑大小的电磁能114(例如，激光束128)(图1)，并因此形成如图6中实线所图解的小的熔化池 124。
[0060]作为一个非限制性的实例，大的熔化池124可包括至少大约0.375英寸的尺寸D。作为另一个非限制性的实例，大的熔化池124可以包括大约0.375英寸的尺寸D。作为另一个非限制性的实例，大的熔化池124可包括大于0.375英寸的尺寸D。作为一个非限制性的实例，小的熔化池124可包括至少大约0.070英寸的尺寸D。作为另一个非限制性的实例，小的熔化池124可以包括大约0.070英寸的尺寸D。作为另一个非限制性的实例，小的熔化池124可包括大于0.070英寸的尺寸D。
[0061]例如，调节生长面120处的电磁能114的大小和/或形状，并因此调节熔化池124的大小和/或形状的一个优点是在相同的增材制造工艺期间定制(tailor)熔化池124的大小和/或形状以构造大的(例如，整体)结构零件174和小的(例如，细部)结构零件174二者(例如，使用相同的沉积头106和/或装置104)而不降低(sacrif ice)沉积物料通过量的能力。作为一个实例，大的熔化池124可以容纳较大量的进料118以形成大的结构零件174。作为另一个实例，小的熔化池124可以容纳较少量的进料118以形成精细的结构零件174。
[0062]参照图3-5，并参考图1，沉积头106可包括光学器件驱动机构162。光学器件驱动机构162可以可操作地连接至光学器件160。作为一般的非限制性的实例，光学器件驱动机构162可以包括配置为驱动光学器件160相对于电磁能量源112(和相对于生长面120)运动的任何适合的机械的、机电的、液压的或气动的机构。作为具体的非限制性的实例，光学器件驱动机构162可以包括线性驱动马达、蜗轮、皮带传动器等。
[0063]可选地，光学器件160可以相对于电磁能量源112固定，以便固定生长面120处的电磁能114(例如，激光束128)的形式、大小和/或形状。任选地，电磁能量源112可以相对于光学器件160线性地可移动，以便调节生长面120处的电磁能114(例如，激光束128)的形式、大小和/或形状。
[0064]任选地(例如，如果基于光学器件160的潜在过热所需要的)，沉积头106可以包括与光学器件160相关联的冷却机构(未显不)。
[0065]参照图1和2，装置104可包括进料118的来源152。来源152可以包括在制品102的构造期间用于储存待被沉积头106使用的一种或多种进料118的任何适合的储存库。例如，来源152可以包括第一进料140的第一来源154、第一进料142的第二来源156和/或第三进料144的第三来源158中的至少一个。作为非限制性的实例，第一来源154可以储存例如第一组分材料164的粉末164的供给。作为另一个非限制性的实例，第二来源156可以储存例如第二组分材料170的和/或具有第一直径dl的丝166的供给。作为另一个非限制性的实例，第三来源158可以储存例如第三组分材料172的和/或具有第二直径d2的丝166的供给。
[0066]虽然图1的实例图解了进料的三种来源，但是额外数目的来源被考虑，这取决于例如通过本文所描述的增材制造技术正被用于构造制品的不同类型的进料的数目。作为一个实例，装置104可以包括适当数目的来源152以供应用于构造制品102的任何适当数目的各种结构上和/或组成上不同的进料118。
[0067]装置104可以包括递送机构178。递送机构178可以将进料118递送、转移或分配至沉积头106，例如从来源152至材料进料器110。例如，递送机构178可以包括将第一进料140从第一来源154递送至第一进料器134的第一递送机构180、将第二进料142从第二来源156递送至第二进料器136的第二递送机构182和/或将第三进料144从第三来源158递送至第三进料器138的第三递送机构184中的至少一个。作为非限制性的实例，第一递送机构180可以配置为将粉末164从第一来源154直接转移至第一进料器134。作为具体的非限制性的实例，第一递送机构180可以是材料螺旋推运器、漏斗、气动粉末递送机构或其它适合的粉末材料递送设备。作为另一个非限制性的实例，第二递送机构182可以配置为将丝166(例如，具有第一直径dl的第一丝166a)从第二来源156直接转移至第二进料器136。作为另一个非限制性的实例，第三递送机构184可以配置为将丝166(例如，具有第二直径d2的第二丝166b)从第三来源158直接转移至第三进料器138。作为具体的非限制性的实例，第二递送机构182和/或第三递送机构184可以是压紧辊(pinch roller)、丝进料器、气动丝递送机构或其它适合的丝递送装置。第二递送机构182和/或第三递送机构184也可以包括丝矫直装置(未显示)。
[0068]第一递送机构180可以配置为适应第一进料140的期望进料速率。第一递送机构180可以进一步配置为调节第一进料140的期望进料速率。作为一个非限制性的实例，第一递送机构180可以以大约6g/min的速率递送第一进料140(例如，粉末164)。第二递送机构182可以配置为适应第二进料142的期望进料速率。第二递送机构182可以进一步配置为调节第二进料142的期望进料速率。作为一个非限制性的实例，第二递送机构182可以以大约2英寸/min的速率递送第二进料142(例如，丝166)。第三递送机构184可以配置为适应第三进料144的期望进料速率。第三递送机构184可以进一步配置为调节第三进料144的期望进料速率。作为一个非限制性的实例，第三递送机构184可以以大约5英寸/min的速率递送第三进料144(例如，粉末164)。第一进料140、第二进料142和/或第三进料144的一种或多种的其它进料速率也被考虑。
[0069]参照图1和2，装置104可包括控制单元176。控制单元176可以在制品102的构造期间与沉积头106和构建平台108通讯并配置为控制沉积头106和构建平台108。作为一个实例，控制单元176可以与电磁能量源112(例如，激光束128)通讯以开始和停止发射电磁能114，控制电磁能量源112的功率级等等。作为另一个实例，控制单元176可以与沉积头驱动机构130和/或构建平台驱动机构132通讯以控制沉积头106和/或构建平台108的位置和/或移动。作为另一个实例，控制单元176可以与光学器件驱动机构162通讯以控制光学器件160的位置和/或移动。作为另一个实例，控制单元176可以与递送机构178(例如，第一递送机构180、第二递送机构182和/或第三递送机构184)通讯以在制品102的构造期间控制进料118(例如，第一进料140、第二进料142和/或第三进料144)至材料进料器110(例如，第一进料器134、第二进料器136和/或第三进料器138)的递送和/或进料速率。
[0070]参照图3-5，沉积头106可以包括外部的外壳186。外壳186可以例如在开放的内部区域内封装电磁能量源112、光学器件160和/或光学器件驱动机构162。作为一个实例，夕卜壳186可以限定喷嘴体188并包括第一(例如，上部)末端190和与第一末端190相对的第二 (例如，下部)末端192。外壳186可以在第二末端192处开口，以便沉积进料118。电磁能114可以通过第二末端192离开外壳186。
[0071]喷嘴体188可以限定材料进料器110。进料118可以在第一末端190处进入喷嘴体188并在第二末端192处离开，以便在生长面120上沉积(例如，引入熔化池124)。第一进料器134可以包括在形成喷嘴体188的侧壁内形成的第一导轨194。第一导轨194可以包括例如通过(例如，延伸通过)喷嘴体188从外壳186的第一末端190到第二末端192形成的通道、管等等。第一导轨194可以配置为允许第一进料140通过喷嘴体188到生长面120。例如，第一导轨194可以配置为允许粉末164通过。第二进料器136可以包括在形成喷嘴体188的侧壁内形成的第二导轨196。第二导轨196可以包括例如通过(例如，延伸通过)喷嘴体188从外壳186的第一末端190到第二末端192形成的通道、管等等。第二导轨196可以配置为允许第二进料142通过喷嘴体188到生长面120。例如，第二导轨196可以配置为允许例如具有第一直径dl的丝166(例如，第一丝166a)(图4和图5)通过。类似地，第三进料器138可以包括在形成喷嘴体188的侧壁内形成的第三导轨198。第三导轨198可以包括例如通过(例如，延伸通过)喷嘴体188从外壳186的第一末端190到第二末端192形成的通道、管等等。第三导轨198可以配置为允许第三进料144通过喷嘴体188到生长面120。例如，第三导轨198可以配置为允许例如具有第二直径d2的丝166(例如，第二丝166b)(图4和图5)通过。
[0072]生长面120上的进料118(例如，第一进料140、第二进料142和/或第三进料144中的一种或多种)的沉积角(没有被明确地图解)(例如，引入熔化池124的角)可以影响熔化池124的一种或多种特性。例如，沉积角可影响熔浆(熔池，weld puddle)(例如，熔化的第一进料146、熔化的第二进料148和/或熔化的第三进料150中的一种或多种)的质量。进料118的沉积角可以由例如沉积头106的结构配置(例如，喷嘴体188的配置)、沉积头106相对于生长面120和/或熔化池124的方位(例如，喷嘴体188的第二末端192的方位)等控制或至少部分地由其规定。
[0073]参照图7，公开了方法的一个实施方式，一般指定300。可以对方法300进行修改、添加或省略而不脱离本公开内容的范围。方法300可以包括更多、更少或其它步骤。此外，步骤可以以任何适合的顺序进行。
[0074]参照图7，并参考图1，方法300可包括通过材料进料器110在生长面120上沉积进料118的步骤，如方框302所显示。作为一个实例，进料118可以包括第一进料140、第二进料142和/或第三进料144中的至少一种。第一进料140、第二进料142和第三进料144中的至少一种可以是不同的。作为一个实例，第一进料140、第二进料142和第三进料144中的至少一种可以是结构上不同的。作为另一个实例，第一进料140、第二进料142和第三进料144中的至少一种可以是组成上不同的。作为又另一个实例，第一进料140、第二进料142和第三进料144中的至少一种可以是结构上和组成上不同的。
[0075]方法300可以包括将进料118暴露于电磁能114以形成熔化池124的步骤，如方框304所显示。熔化池124可包括熔化的第一进料146、熔化的第二进料148和熔化的第三进料150中的至少一种。熔化池124可以位于生长面120上的预定位置处。
[0076]方法300可包括固化熔化池124的步骤，如方框306所显示。熔化池124的固化可以形成制品102的层122的至少一部分。
[0077]方法300可以包括调节熔化池124的大小的步骤，如方框308所显示。作为一个实例，可以通过相对于电磁能量源112(例如，激光器126)和/或生长面120移动光学器件160以修改生长面120上的电磁能114 (例如，激光束128)的大小(例如，光斑大小)来调节熔化池124的大小(例如，熔化池124的尺寸D)(图6)。作为另一个实例，可以通过调节(例如，修改)沉积头106的一个或多个操作参数来调节熔化池124的大小。作为一个实例，可以通过改变(例如，增大或减小)电磁能量源112的功率级来调节熔化池124的大小。作为另一个实例，可以通过改变进料118 (例如，第一进料140、第二进料142和/或第三进料144中的至少一种)的进料速率(例如，增大或减小)来调节熔化池124的大小。
[0078]方框302、304、306和/或308所显示的步骤可以在生长面120上的一个或多个不同位置处重复以构建制品102的结构零件174 ο制品102和/或制品102的结构零件174可以由多个层122形成。作为一个实例，制品102可以通常沿着Z轴(例如，正交于生长面120的X-Y平面)(图2)逐层构建。
[0079]本公开内容的实例可以在如图8中显示的飞行器制造和服务方法1100和如图9中所显示的飞行器1200的内容中描述。在生产前期间，图解方法1100可以包括飞行器1200的如方框1102所显示的规格和设计以及如方框1104所显示的材料采购。在生产期间，可以进行飞行器1200的如方框1106所显示的部件和子组件制造以及如方框1108所显示的系统集成。其后，飞行器1200可以经历如方框1110所显示的认证和交付，如方框1112所显示的投入使用。当在使用中时，飞行器1200可以被安排进行如方框1114所显示的日常维护和保养。日常维护和保养可以包括对飞行器1200的一个或多个系统进行修改、重置、翻新等。
[0080]图解方法1100的每个过程可以由系统集成商、第三方和/或操作员(例如，顾客)进行或实施。用于该描述的目的，系统集成商可以包括，而不限于，任何数目的飞行器制造商和主系统分包商;第三方可包括，但不限于，任何数目的销售商、分包商和供应商;和操作员可以是航空公司、租赁公司、军事实体、服务组织等等。
[0081]如图9中所显示，由图解方法1100生产的飞行器1200可以包括具有多个高级系统1204的机身1202和内部1206。高级系统1204的实例包括推进系统1208、电气系统1210、液压系统1212和环境系统1214中的一个或多个。可以包括任何数目的其它系统。虽然显示了航空航天实例，但是本文公开的原理可以被应用至其它产业，比如汽车和海洋工业。
[0082]本文所显示或描述的装置和方法可以在制造和服务方法1100的任何一个或多个阶段期间采用。例如，对应于部件和子组件制造(方框1106)的部件或子组件可以以当飞行器1200在使用中时(方框1112)生产的部件或子组件类似的方式构造或制造。而且，装置和方法的一个或多个实例，或其组合在生产阶段(方框1108和1110)期间可以例如通过显著降低飞行器制造和服务过程中与赝品部件相关联的风险而被使用。类似地，装置和方法的一个或多个实例或其组合可以被例如并且非限制地当飞行器1200在使用中时(方框1112)和在维护和保养阶段(方框1114)期间使用。
[0083]因此，本文公开的增材制造装置104、用于增材制造的沉积头106和方法300的各种实施方式可以利用和沉积不同类型的进料118(例如，原料)以影响增材制造工艺的构造速率。一种或多种进料118(例如，第一进料140、第二进料142、第三进料144等)可以是结构上不同的(例如，包括粉末、丝或不同直径的丝)、组成上不同的(例如，包括不同的组分材料)或结构上和组成上的组合不同的。这将允许通过定制一定类型和数量的进料118而不降低沉积物料通过量和减少由增材制造工艺构造的三维制品102的后处理机械加工来构建(例如，构造)精细的和大的结构零件174二者。这也将允许同时使用不同的材料类型(例如，合金)以实现遍及制品102的功能分级过渡。
[0084]进一步，本公开内容包括根据以下条款的实施方式:
[0085]条款1.用于增材制造的沉积头，其包括:
[0086]材料进料器，其包括:
[0087]将第一进料沉积至生长面的第一进料器;和
[0088]将第二进料沉积至所述生长面的第二进料器;和
[0089]将电磁能引导至所述生长面的电磁能量源，
[0090]其中所述电磁能在所述生长面上形成熔化池，和
[0091]其中所述熔化池包括熔化的第一进料和熔化的第二进料中的至少一种。
[0092]条款2.条款I所述的沉积头，进一步包括聚焦所述电磁能的光学器件。
[0093]条款3.条款2所述的沉积头，其中所述光学器件相对于所述电磁能量源是线性可移动的，并且所述光学器件相对于所述电磁能量源的线性移动调节所述熔化池的大小。
[0094]条款4.条款2所述的沉积头，其中所述光学器件包括精密磨砂光学玻璃。
[0095]条款5.条款I所述的沉积头，其中所述第一进料和所述第二进料是不同的。
[0096]条款6.条款I所述的沉积头，其中所述第一进料包括粉末，并且其中所述第二进料包括丝。
[0097]条款7.条款I所述的沉积头，其中所述第一进料包括第一组分材料，其中所述第二进料包括第二组分材料，并且其中所述第一组分材料和所述第二组分材料是不同的。
[0098]条款8.条款I所述的沉积头，其中所述材料进料器进一步包括将第三进料沉积至所述生长面的第三进料器，并且其中所述熔化池包括所述熔化的第一进料、所述熔化的第二进料和熔化的第三进料中的至少一种。
[0099]条款9.条款8所述的沉积头，其中所述第一进料、所述第二进料和所述第三进料中的至少一种是不同的。
[0100]条款10.条款8所述的沉积头，其中所述第一进料包括粉末，其中所述第二进料包括具有第一直径的丝，其中所述第三进料包括具有第二直径的丝，并且其中所述第一直径和所述第二直径是不同的。
[0101]条款11.条款10所述的沉积头，其中所述第一进料包括第一组分材料，其中所述第二进料包括第二组分材料，其中所述第三进料包括第三组分材料，并且其中所述第一组分材料、所述第二组分材料和所述第三组分材料中的至少一种是不同的。
[0102]条款12.增材制造装置，其包括:
[0103]支撑生长面的构建平台；和
[0104]相对于所述构建平台可移动的沉积头，所述沉积头包括:
[0105]将第一进料沉积至所述生长面的第一进料器;和
[0106]将第二进料沉积至所述生长面的第二进料器;和
[0107]将电磁能引导至所述生长面的电磁能量源，
[0108]其中所述电磁能在所述生长面上形成熔化池，和
[0109]其中所述熔化池包括熔化的第一进料和熔化的第二进料中的至少一种。
[0110]条款13.条款12所述的装置，其中所述沉积头进一步包括聚焦所述电磁能的光学器件，其中所述光学器件相对于所述电磁能量源是线性可移动的，并且其中所述光学器件相对于所述电磁能量源的线性移动调节所述熔化池的大小。
[0111]条款14.条款12所述的装置，其中所述第一进料和所述第二进料是结构上不同的或组成上不同的之一。
[0112]条款15.条款12所述的装置，其中所述第一进料包括第一组分材料的粉末，和其中所述第二进料包括第二组分材料的丝，并且其中所述第一组分材料和所述第二组分材料是不同的。
[0113]条款16.条款12所述的装置，其中所述沉积头进一步包括将第三进料沉积至所述生长面的第三进料器，其中所述熔化池包括所述熔化的第一进料、所述熔化的第二进料和熔化的第三进料中的至少一种，并且其中所述第一进料、所述第二进料和所述第三进料中的至少一种是结构上不同的或组成上不同的之一。
[0114]条款17.用于增材制造三维制品的方法，所述方法包括:
[0115]通过材料进料器沉积进料至生长面，其中所述进料包括第一进料、第二进料和第三进料中的至少一种，并且其中所述第一进料、所述第二进料和所述第三进料中的至少一种是不同的；
[0116]将所述进料暴露于电磁能以形成熔化池，其中所述熔化池包括熔化的第一进料、熔化的第二进料和熔化的第三进料中的至少一种;和
[0117]固化所述熔化池。
[0118]条款18.条款17所述的方法，进一步包括调节所述熔化池的大小。
[0119]条款19.条款17所述的方法，其中所述第一进料包括粉末，其中所述第二进料包括具有第一直径的丝，其中所述第三进料包括具有第二直径的丝，并且其中所述第一直径和所述第二直径是不同的。
[0120]条款20.条款17所述的方法，其中所述第一进料包括第一组分材料，其中所述第二进料包括第二组分材料，其中所述第三进料包括第三组分材料，并且其中所述第一组分材料、所述第二组分材料和所述第三组分材料中的至少一种是不同的。
[0121]虽然已经显示和描述了公开的装置和方法的不同实施方式，但是本领域技术人员在阅读了本说明书之后可以想到改变。本申请包括这种改变并仅由权利要求的范围限制。
【主权项】
1.用于增材制造的沉积头(106)，其包括: 材料进料器(I 10)，其包括: 将第一进料(140)沉积至生长面(120)的第一进料器(134);和 将第二进料(142)沉积至所述生长面(120)的第二进料器(136);和 将电磁能(114)引导至所述生长面(120)的电磁能量源(112)， 其中所述电磁能(114)在所述生长面(120)上形成熔化池(124)，和 其中所述熔化池(124)包括熔化的第一进料(146)和熔化的第二进料(I48)中的至少一种。2.权利要求1所述的沉积头(106)，进一步包括聚焦所述电磁能(I14)的光学器件(160)。3.权利要求2所述的沉积头(106)，其中所述光学器件(160)相对于所述电磁能量源(112)是线性可移动的，并且所述光学器件(160)相对于所述电磁能量源(112)的线性移动调节所述熔化池(124)的大小。4.权利要求1所述的沉积头(106)，其中所述第一进料(140)和所述第二进料(142)是不同的。5.权利要求1所述的沉积头(106)，其中所述第一进料(140)包括粉末(164)，并且其中所述第二进料(142)包括丝(166)。6.权利要求1所述的沉积头(106)，其中所述第一进料(140)包括第一组分材料(168)，其中所述第二进料(142)包括第二组分材料(170)，并且其中所述第一组分材料(168)和所述第二组分材料(170)是不同的。7.权利要求1所述的沉积头(106)，其中所述材料进料器(110)进一步包括将第三进料(144)沉积至所述生长面(120)的第三进料器(138)，并且其中所述熔化池(124)进一步包括所述熔化的第一进料(I46)、所述熔化的第二进料(I48)和熔化的第三进料(I50)中的至少一种。8.权利要求7所述的沉积头，其中所述第一进料(140)、所述第二进料(142)和所述第三进料(144)中的至少一种是不同的。9.权利要求7所述的沉积头(106)，其中所述第一进料(140)包括粉末(164)，其中所述第二进料(142)包括具有第一直径的丝(166)，其中所述第三进料(144)包括具有第二直径的丝(166)，并且其中所述第一直径和所述第二直径是不同的。10.权利要求9所述的沉积头(106)，其中所述第一进料(140)包括第一组分材料(168)，其中所述第二进料(142)包括第二组分材料(170)，其中所述第三进料(144)包括第三组分材料(172 )，并且其中所述第一组分材料(168)、所述第二组分材料(170)和所述第三组分材料(172)中的至少一种是不同的。11.增材制造装置(104)，其包括: 支撑生长面(120)的构建平台(108);和 相对于所述构建平台(108)可移动的沉积头(106)，所述沉积头(106)包括: 将第一进料(140)沉积至所述生长面(120)的第一进料器(134);和 将第二进料(142)沉积至所述生长面(120)的第二进料器(136);和 将电磁能(114)引导至所述生长面(120)的电磁能量源(112)， 其中所述电磁能(114)在所述生长面(120)上形成熔化池(124)，和 其中所述熔化池(124)包括熔化的第一进料(146)和熔化的第二进料(I48)中的至少一种。12.权利要求11所述的装置(104)，其中所述沉积头(106)进一步包括聚焦所述电磁能(114)的光学器件(160)，其中所述光学器件(160)相对于所述电磁能量源(112)是线性可移动的，并且其中所述光学器件(160)相对于所述电磁能量源(112)的线性移动调节所述熔化池(124)的大小。13.权利要求11所述的装置(104)，其中所述第一进料(140)和所述第二进料(142)是结构上不同的或组成上不同的之一。14.权利要求11所述的装置(104)，其中所述沉积头(106)进一步包括将第三进料(144)沉积至所述生长面(120)的第三进料器(138)，其中所述熔化池(124)包括所述熔化的第一进料(146)、所述熔化的第二进料(148)和熔化的第三进料(150)中的至少一种，并且其中所述第一进料(140)、所述第二进料(142)和所述第三进料(144)中的至少一种是结构上不同的或组成上不同的之一。15.用于增材制造三维制品的方法(300)，所述方法包括: 通过材料进料器(110)沉积(302)进料(140)、(142)、(144)至生长面(120)，其中所述进料包括第一进料(140)、第二进料(142)和第三进料(144)中的至少一种，并且其中所述第一进料(140)、所述第二进料(142)和所述第三进料(144)中的至少一种是不同的； 将所述进料(140)、(142)、(144)暴露(304)于电磁能(114)以形成熔化池(124)，其中所述熔化池(124)包括熔化的第一进料(146)、熔化的第二进料(148)和熔化的第三进料(150)中的至少一种； 调节(308)所述熔化池(124)的大小，和 固化(306)所述熔化池(124)。
【文档编号】B22F3/105GK106041071SQ201610205800
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年3月31日 公开号201610205800.6, CN 106041071 A, CN 106041071A, CN 201610205800, CN-A-106041071, CN106041071 A, CN106041071A, CN201610205800, CN201610205800.6
【发明人】J·F·琼斯, D·M·迪特里希
【申请人】波音公司