用于增材制造的方法和薄壁增强结构与流程

本公开内容大体上涉及用于使用增材制造（am）来制造薄壁增强结构的方法，以及由这些am过程制造的新颖的增强结构。

背景技术：

与减材制造方法相反，am过程大体上涉及一种或多种材料的累积以制造净成形或近净成形（nns）的物体。虽然“增材制造”是工业标准用语（astmf2792），但am包括在多个名称（包括无模成形制造、3d打印、快速成型/制模等）下已知的各种制造和成型技术。am技术能够从多种多样的材料制造复杂构件。大体上，独立的物体可从计算机辅助设计（cad）模型制造。特定类型的am过程使用能量束（例如，电子束或诸如激光束这样的电磁辐射）来烧结或熔化粉末材料，产生实心三维物体（其中粉末材料的颗粒粘结在一起）。不同的材料系统（例如，工程塑料、热塑性弹性体、金属和陶瓷）被使用。激光烧结或熔化是用于功能原型和工具的快速制造的著名的am过程。应用包括复杂工件的直接制造、用于熔模铸造的型模、用于注射模制和拉模铸造的金属模型，以及用于砂型铸造的模型和型芯。为了在设计周期期间增进概念的交流和检验的原型物体的制造是am过程的其他常见用法。

选择性激光烧结、直接激光烧结、选择性激光熔化和直接激光熔化是用来指通过使用激光束以烧结或熔化细粉末来产生三维（3d）物体的常见工业用语。例如，美国专利第4863538号和美国专利第5460758号描述了常规的激光烧结技术。更准确地，烧结需要使粉末颗粒在低于粉末材料的熔点的温度下熔融（凝聚），而熔化需要完全熔化的粉末颗粒以形成实心均匀物质。与激光烧结或激光熔化相关联的物理过程包括对粉末材料的热传递以及然后烧结或熔化粉末材料。虽然激光烧结和熔化过程可应用于宽范围的粉末材料，但生产路线的科学和技术方面（例如，在层制造过程期间处理参数对微结构形成的影响以及烧结或熔化速率）未被充分地理解。此制造方法伴随使过程很复杂的化学反应以及热量、物质和动量传输的多种模式。

图1是示出用于直接金属激光烧结（dmls）或直接金属激光熔化（dmlm）的示例性常规系统100的截面图的示意图。装置100通过使用由诸如激光器120这样的源生成的能量束136烧结或熔化粉末材料（未示出）来以逐层方式构造物体（例如，部件122）。待由能量束熔化的粉末由储器126供应，且使用沿方向134行进的再涂布器臂116均匀地散布在构造板114上以将粉末维持在水平118处且将在粉末水平118上方延伸的过量粉末材料移除到废料容器128。能量束136烧结或熔化在检流计扫描仪132的控制下构造的物体的截面层。构造板114降低，且另一粉末层散布在构造板和构造的物体上，随后是粉末由激光器120的相继熔化/烧结。重复该过程，直到从熔化/烧结的粉末材料完全地累积成部件122。激光器120可由包括处理器和存储器的计算机系统控制。计算机系统可确定用于每层的扫描图案且控制激光器120根据扫描图案辐照粉末材料。在完成部件122的制造之后，各种后处理程序应用于部件122。后处理程序包括过量粉末的移除（例如，通过吹风或真空处理）。其他后处理程序包括压力释放过程。此外，热和化学后处理程序可用来精加工部件122。

本发明人发现薄壁结构造成对于am技术的困难。特别地，薄壁经受来自再涂布器臂116的损害。因此，具有薄壁的各种构件对于am技术提出问题。

考虑到上文，可了解的是，存在与am技术相关联的问题、短处或缺点，且如果可得到支承物体的改进方法和支承结构将是合乎需要的。

技术实现要素：

以下提出本发明的一个或多个方面的简化概要以便提供此方面的基本理解。此概要不是所有可构想的方面的详尽综述，且既不意在确定所有方面的关键或紧要的要素，也不意在描绘任何方面或所有方面的范围。其目的在于以简化的形式提出一个或多个方面的一些概念作为对稍后呈现的更详细的描述的序言。

在一个方面，本公开内容提供一种用于制造物体的方法。该方法包括：（a）利用能量束以一系列扫描线辐照粉末床中的粉末层以形成熔融的区域；（b）通过将再涂布器臂在粉末床上从粉末床的第一侧传送到粉末床的第二侧来在粉末床上提供随后的粉末层；以及（c）重复步骤（a）和（b），直到物体在粉末床中形成。该物体包括第一环形部分和第二环形部分。第二环形部分是环形壁，其带有跨过第二部分的表面的大部分的小于0.022英寸（560微米（μm））的厚度。第二环形部分与第一部分的形状一致。第一环形部分与第二环形部分之间的平均距离小于0.080英寸（2毫米（mm））。第二环形部分包括具有大于0.030英寸（762μm）的厚度的多个肋，且第二环形部分的平均厚度小于0.100英寸（2.54mm）。

在另一方面，本公开内容提供一种薄壁结构。该薄壁结构包括环形壁，其带有跨过环形壁的表面的大部分的小于0.022英寸（560μm）的厚度以及具有大于0.030英寸（762μm）的厚度的多个螺旋形肋。环形壁具有小于0.100英寸（2.54mm）的平均厚度。环形壁与构件的表面一致，且薄壁结构与构件之间的平均距离小于0.080英寸（2毫米（mm））。

在随后回顾详细描述时，本发明的这些方面和其他方面将变得被更完全地理解。

附图说明

图1是示出用于增材制造的常规装置的示例的示意图。

图2示出环形构件和环形薄壁结构的示例。

图3示出图2的环形构件和环形薄壁结构的竖直截面图。

图4示出图2的环形构件和环形薄壁结构的水平截面图。

图5示出矩形肋的示例。

图6示出t形肋的示例。

图7示出弧形肋的示例。

图8示出圆形肋的示例。

图9示出具有各种直径的示例性环形构件和内部薄壁结构的纵向截面图。

图10示出具有各种直径的示例性环形构件和内部薄壁结构的纵向截面图。

具体实施方式

以下结合附图阐述的详细描述意在作为各种构造的描述，且不意在代表其中可实施本文中所描述的概念的唯一构造。为了提供对各种概念的完全理解的目的，详细描述包括特定细节。然而，对本领域技术人员将显而易见的是，这些概念可在没有这些特定细节的情况下实施。在一些情形下，众所周知的构件以框图形式示出以便避免使此概念模糊。

图2-图4示出环形构件和环形薄壁结构的示例。例如，环形构件可为发动机构件，且薄壁结构可为热护罩。应了解的是，薄壁结构可用于关于各种构件的多种用途。例如，薄壁结构可形成盖或防护装置（例如，相对于机械冲击、侵蚀或硬物损害）。薄壁结构还可设置为用于流体流径。例如，薄壁结构可为多壁结构的壁中的一个。图2是示出示例构件210和薄壁结构220的前视图的图示200。应了解的是，薄壁结构（图3）是示出示例构件210和薄壁结构220的轴向截面的图示300。图4是示例构件210和薄壁结构220的侧向截面。

构件210围绕轴线230大体上是环形的，使得构件210沿着至少180度的旋转包绕该轴线。例如，构件210可大体上是圆柱形或圆锥形的。在一个方面，大体上环形的构件210是近于环形的或半环形的。即，构件210可包括裂口或开口，或仅形成围绕轴线230的环的部分。此外，大体上环形的构件不一定具有恒定的半径。环形构件的直径是指从环形构件的壁通过轴线230画到环形构件的壁上的另一点的最长线的长度。轴线230可为构件210的轴线和/或整个装置的轴线。例如，在喷气式发动机（例如，燃气涡轮发动机）中，轴线230可与高压和/或低压涡轮轴对准。在此示例中，构件210可为发动机构件，诸如，例如，燃烧器、燃烧器衬套、喷嘴、颗粒分离器、叶轮罩、发动机支承或发动机的任何其他大体上环形的构件。

薄壁结构220是围绕轴线230的另一大体上环形的表面。在一个方面，薄壁结构220是近于环形的或半环形的。薄壁结构220是大体上薄壁的结构。在实施例中，对于薄壁结构220的表面的大部分，薄壁结构220的厚度小于0.022英寸（560μm），优选地小于0.020英寸（508μm），且甚至更优选地小于0.010英寸（254μm）。薄壁结构220与构件210大体上同心。薄壁结构220的轴线可从构件210的轴线分岔（例如，达到构件210的直径的百分之10）。薄壁结构220与构件210的形状大体上一致。例如，薄壁结构220具有与构件210的外部表面大体上相同的曲率。薄壁结构220限定薄壁结构220与构件210之间的空间226。在制造期间，空间226填充有未熔融的粉末。在制造之后，移除粉末，使得空间226填充有空气。在一个方面，薄壁结构220与构件210之间的平均距离小于0.080英寸（2.0mm）。在一个方面，跨过薄壁结构220的整个表面，薄壁结构220离构件210间隔小于0.080英寸（2.0mm）。例如，薄壁结构220上没有点离构件210的表面大于0.080英寸（2.0mm）。相应地，薄壁结构220可为热护罩，其在不显著地改变构件210的尺寸或形状的情况下提供构件210与发动机中的其他构件的热绝缘。在另一方面，空间225具有大体上恒定的径向宽度。例如，除了薄壁结构220连接至构件210之处外，空间225的径向宽度可以以小于百分之10计来变化。

薄壁结构220在接缝222处连接至构件210。接缝222沿着薄壁结构220的一个边缘定位。对于薄壁结构220的表面区域的大部分，薄壁结构220与构件210由空间226分隔。相应地，当薄壁结构220是热护罩时，相比于已知热护罩，间隔提供薄壁结构220与构件210之间高程度的热绝缘。在另一实施方式中，薄壁结构220可在各个点接触处连接至构件210。本文中公开的增材制造技术和集成的支承结构允许薄壁结构220与构件210之间的接触的最小化。例如，薄壁结构220的表面区域连接至构件210的百分比可小于薄壁结构220的全部表面区域的百分之1。

薄壁结构220包括肋224。肋224是围绕轴线230形成的同轴卷绕的肋。例如，每个肋224是围绕轴线230卷绕的螺旋形肋。肋224可沿不同的方向卷绕且可交叉。交叉肋224形成网状物。例如，该网状物可为地磁等变线（isogrid）（形成三角形）或正交网格（形成矩形）。可选择其他的肋图案。肋224在薄壁结构220的制造和使用期间向薄壁结构220提供结构支承。与薄壁结构220的大部分相比，肋224较厚。例如，肋224是薄壁结构220的大部分的厚度的2到5倍。肋可为0.030英寸（762μm）到0.100英寸（2.54mm）厚，优选地大约0.060英寸（1.5mm）。因为肋224仅位于热护罩的特定位置，故包括肋和薄的部分的薄壁结构220的平均厚度在肋处于最大厚度时仍然小于0.100英寸（2.54mm）。优选地，肋较薄。例如，当肋为大约0.060英寸时，热护罩的平均厚度仍然小于0.030英寸（762μm）。相应地，薄壁和肋的组合允许制造带有小于使用相同的am过程制造带有均匀厚度的实心壁所需的平均厚度的薄壁结构（例如，热护罩）。

例如，薄壁结构220可使用增材制造过程与构件210同时制造。在一个方面，dmlm过程用来从相同的粉末金属制造构件210和薄壁结构220以形成金属构件。例如，构件210和薄壁结构220可在与轴线230正交的一系列侧向层中制造。例如，接缝222可在构件210和薄壁结构220所连接处的层中形成。在薄壁结构220与构件210分隔处的层中，薄壁结构220可由空间226中的未熔融粉末的薄的连续部分与构件210分隔。随着装置100形成构件210和薄壁结构220的层，薄壁结构220的薄壁可易受来自再涂布器116的损害。例如，再涂布器116可相对于薄壁结构220沿再涂布器方向134施加侧向力，其可导致薄壁结构220弯曲或变形。肋224提供相对于来自再涂布器116的损害的抵抗。如图4中示出的那样，在每层中，肋224围绕薄壁结构220间隔，相对于由再涂布器116生成的侧向力提供支承。当构件210和薄壁结构220完成时，形成肋224的网状物。

图5示出壁510上的肋500的示例。壁510可为薄壁结构220的示例。肋500是矩形的且从壁510的一侧延伸。例如，肋500可在薄壁结构220的内部或外部表面上形成。

图6示出壁610上的肋600的示例。壁610可为薄壁结构220的示例。肋600具有t形截面且从壁610的一侧延伸。例如，肋500可在薄壁结构220的内部或外部表面上形成。t形截面可相比于肋500提供额外强度，而仅增加最小限度的额外材料和重量。

图7示出壁710上的肋700的示例。壁710可为薄壁结构220的示例。肋700具有半圆形截面且从壁710的一侧延伸。例如，肋700可在薄壁结构220的内部或外部表面上形成。

图8示出壁810上的肋800的示例。壁810可为薄壁结构220的示例。肋800具有圆形截面且从壁710的两侧延伸。例如，肋700可在薄壁结构220的内部和外部表面上形成。

图9示出构件900和环形壁910的示例。例如，构件900可为燃烧器，且环形壁910可形成可用作热护罩的薄壁结构。燃烧器可具有现有技术的热护罩难以用于其的形状。例如，已知的热护罩大体上由形成为环形形状且然后附接至发动机构件的板材料形成。构件900的不规则直径防止热护罩在此方式下的应用。根据本公开内容，一个或多个环形壁910在制造期间与构件900同时形成。环形壁910包括肋912，其为与肋224类似的螺旋形肋。肋912允许环形壁910的薄壁使用粉末床am过程制造而对环形壁910没有损害。am制造过程允许薄壁结构在先前难接近的区域中的放置。例如，如图9中示出的那样，构件900具有比环形壁910的最小直径（d1）大的最大直径（dmax）。此外，在具有dmax的截面的另一侧上，环形壁910的另一部分具有小于dmax的直径（d2）。因此，环形壁910不可使用涉及在发动机构件上滑动预制造的热护罩的传统技术放置在构件900上。

通过使用增材制造与构件900同时制造环形壁910以制造带有肋912的环形壁910，构件900设有与构件900的形状一致的环形壁910。此外，相比于带有实心壁且不带有肋的热护罩，环形壁910具有较小的平均厚度和因此较轻的重量。

图10示出构件1010和环形壁1020的另一示例。环形壁1020在构件1010内部。例如，环形壁1020可为使构件1010的一部分1030热绝缘的热护罩，该部分1030用来传送冷却空气流、燃料或用于电子器件的导线。环形壁1020向此敏感构件提供额外保护。肋1024位于环形壁1020的面向构件1010的径向远侧表面上。相应地，肋1024可从视图隐藏，且环形壁1020的平表面面向热空气或其他潜在的损害源。

此书面描述使用包括优选实施例的示例来公开本发明，且还使本领域技术人员能够实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何所包括的方法。本发明可授予专利的范围由权利要求限定，且可包括本领域技术人员想到的其他示例。如果它们具有并非不同于权利要求的字面语言的结构元件，或如果它们包括带有与权利要求的字面语言无实质差别的等同结构元件，则意在使这样的其他示例在权利要求的范围内。从所描述的各种实施例的方面以及对于每个这样的方面的其他已知等同物可由本领域普通技术人员混合和匹配以根据此应用的原理构造额外的实施例和技术。