利用动态生长构建壁的实时的同时增材和减材制造的方法与流程

本公开总体涉及用于增材和减材制造的设备和方法。更具体地，本公开涉及实现大型格式的实时同时增材和减材制造的设备和方法。这些设备和方法可用于但不限于制造飞行器发动机的部件。

背景技术

增材制造(am)包括用于以增材分层方式生产部件的各种技术。在最受欢迎的am技术之一的粉末床熔合中，聚焦能量束用于将粉末颗粒分层地熔合在一起。能量束可以是电子束或激光。激光粉末床熔合工艺在工业中被称为许多不同的名称，其中最常见的是选择性激光烧结(sls)和选择性激光熔化(slm)，这取决于粉末熔合工艺的性质。当要熔合的粉末是金属时，通常使用术语直接金属激光烧结(dmls)和直接金属激光熔化(dmlm)。

参考图1，诸如系统100的激光粉末床熔合系统包括固定且封闭的构建腔室101。在构建腔室101内部的是在一个端部处的构建板102和相邻的进料粉末贮存器103以及在另一个端部处的过量粉末容器104。在生产期间，进料粉末贮存器103中的升降机105使用重涂器刀片106提升规定剂量的粉末以散布在由构建板102限定的构建表面上。粉末溢出物被收集在粉末容器104中，并且任选地被处理以在再使用之前筛出粗糙颗粒。

使用例如激光束108在每个层中照射粉末层的选定部分107。在照射之后，构建板102下降等于正在构建的物体109中的一个层厚度的距离。然后，随后的粉末层被覆盖在最后一层之上，重复该过程直到物体109完成。使用振镜扫描仪110来控制激光束108的移动。激光源(未示出)可以使用光缆从激光源(未示出)输送。按照计算机辅助设计(cad)数据以构建物体109的方式进行选择性照射。

粉末床技术已经证明了所有已知金属增材制造技术的最佳分辨率能力。但是，由于需要在粉末床中进行构建，因此要构建的物体的尺寸受到机器粉末床的尺寸的限制。由于所需的大入射角可能降低扫描质量，并且粉末床的重量可能超过用于降低构建平台的步进器的能力，所以增加粉末床的尺寸具有限制。鉴于上述情况，需要制造设备和方法，其能够以改进的精度处理大型物体的生产，并且既节省时间又节省成本，同时最小化原材料浪费。

技术实现要素：

在一个方面，本发明提供了一种大型制造设备，其至少包括构建单元、旋转构建平台和加工机构。构建单元包括粉末传送机构、粉末重涂机构和具有激光源或电子源的照射光束引导机构。加工机构被构造成执行一个或多个材料去除过程，例如切削、攻丝、加工、钻孔、倒角、研磨、成形、磨削、成型和滚花等。优选地，这些材料去除过程通过计算机数字控制来自动化。

在一些实施例中，大型制造设备还包括定位机构，该定位机构被构造成提供构建单元的移动并且优选地还提供加工机构的移动。

在一些实施例中，大型制造设备还包括粉末回收机构，该粉末回收机构将构建在围绕构建物体的外壁的外侧上的粉末溢出物刮到粉末容器中。

在另一方面，本发明涉及一种用本文描述的制造设备制造至少一个物体的方法。所述方法包括如下步骤：(a)旋转构建平台；(b)从至少一个构建单元沉积粉末，其中所述至少一个构建单元包括粉末传送机构、粉末重涂机构和照射光束引导机构；(c)照射粉末的至少一个选定部分以形成至少一个熔合层和或构建壁；(d)重复至少步骤(b)和(c)以形成所述至少一个物体，并且加工熔合层或构建壁的至少一部分。

在一些实施例中，该方法还包括通过旋转加工去除构建壁的至少一部分的步骤。

在一些实施例中，至少粉末传送机构和照射光束引导机构基于测量的构建平台的旋转速度进行校准。

本申请技术方案1涉及一种制造至少一个物体的方法，其包括：

(a)旋转构建平台；

(b)移动至少一个构建单元以沉积粉末，其中所述至少一个构建单元包括粉末传送机构、粉末重涂机构和照射光束引导机构；

(c)照射粉末的至少一个选定部分以形成至少一个熔合层；

(d)重复至少步骤(b)和(c)，以形成所述至少一个物体和构建壁，其中所述构建壁保持未熔合的粉末围绕所述至少一个物体；以及

(e)通过旋转加工去除所述构建壁。

本申请技术方案2涉及根据技术方案1所述的方法，其还包括加工所述至少一个物体。

本申请技术方案根据技术方案1所述的方法，其还包括平整所述粉末的所述至少一个选定部分。

本申请技术方案4涉及根据技术方案1所述的方法，其中在步骤(b)处，所述构建单元在所述构建平台内的至少一个构建区域上方并大致平行于所述至少一个构建区域运动。

本申请技术方案5涉及根据技术方案1所述的方法，其中所述加工是从以下构成的组中选择的一个或多个材料去除过程：切削、攻丝、加工、钻孔、倒角、研磨、成形、磨削、成型和滚花。

本申请技术方案6涉及根据技术方案1所述的方法，其中所述加工是通过计算机数字控制而自动执行的一个或多个材料去除过程。

本申请技术方案7涉及根据技术方案1所述的方法，其中利用激光束照射粉末的所述至少一个选定部分，并且所述方法还包括将大致层状气流提供到所述构建平台内的第一构建区域。

本申请技术方案8涉及根据技术方案1所述的方法，其中利用电子束照射粉末的至少一个层的至少一部分。

本申请技术方案9涉及根据技术方案1所述的方法，其中所述至少一个物体是飞行器部件。

本申请技术方案10涉及根据技术方案9所述的方法，其中所述飞行器部件选自涡轮或叶片护罩、中央发动机轴、壳体、压缩机衬套、燃烧器衬套和管道。

本申请技术方案11涉及一种制造至少一个环形物体的方法，其包括：

(a)旋转构建平台；

(b)移动至少一个构建单元以沉积粉末，其中所述至少一个构建单元包括粉末传送机构、粉末重涂机构和照射光束引导机构；

(c)照射粉末的至少一个选定部分以形成至少一个熔合层；

(d)重复至少步骤(b)和(c)，以形成所述至少一个环形物体和构建壁，其中所述构建壁保持未熔合的粉末围绕所述至少一个环形物体；以及

(e)通过旋转加工去除所述构建壁。

本申请技术方案12涉及根据技术方案11所述的方法，其还包括加工所述至少一个环形物体。

本申请技术方案13涉及根据技术方案11所述的方法，其还包括平整所述粉末的所述至少一个选定部分。

本申请技术方案14涉及根据技术方案11所述的方法，其中在步骤(b)处，所述构建单元在所述构建平台内的至少一个构建区域上并大致平行于所述至少一个构建区域运动。

本申请技术方案15涉及根据技术方案11所述的方法，其中所述加工是从以下构成的组中选择的一个或多个材料去除过程：切削、攻丝、加工、钻孔、倒角、研磨、成形、磨削、成型和滚花。

本申请技术方案16涉及根据技术方案11所述的方法，其中所述加工是通过计算机数字控制而自动执行的一个或多个材料去除过程。

本申请技术方案17涉及根据技术方案11所述的方法，其中利用激光束照射粉末的所述至少一个部分，并且所述方法还包括将大致层状气流提供到所述构建平台内的第一构建区域。

本申请技术方案18涉及根据技术方案11所述的方法，其中利用电子束照射粉末的至少一个层的至少一部分。

本申请技术方案19涉及根据技术方案11所述的方法，其中所述至少一个环形物体是飞行器部件。

本申请技术方案20涉及根据技术方案19所述的方法，其中所述飞行器部件选自涡轮或叶片护罩、中央发动机轴、壳体、压缩机衬套、燃烧器衬套和管道。

附图说明

图1示出了用于增材制造的示例性现有技术基于粉末的系统。

图2a是示出根据本发明实施例的制造设备的前视图的示意图。

图2b是图2a的制造设备的前视图，其中加工机构被定位成切穿外部构建壁的至少一部分。

图2c是图2a的制造设备的俯视图。

图3是根据本发明实施例的制造设备的透视图。

图4是图2a的大型增材制造设备的构建单元、加工机构以及旋转构建平台的一部分的放大图。

图5是根据本发明实施例的具有选择性重涂机构的大型制造设备的俯视图。

图6示出了照射光束对现有的立式机床的已知恒定旋转速度的校准。

图7示出了根据本发明实施例的制造设备的粉末回收系统的放大图。

具体实施方式

以下结合附图阐述的详细描述旨在作为对各种构造的描述，而不旨在表示可实践本文所描述的概念的唯一构造。详细描述包括了提供对各种概念透彻理解的具体细节。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践这些概念。例如，本发明提供了用于制造金属物体的某些部件的优选方法，并且优选地这些部件和这些物体被用于制造喷气式飞行器发动机。特别地，根据本发明可以有利地生产喷气式飞行器发动机的大型环形部件。然而，飞行器的其他部件可以使用这里描述的设备和方法来制备。

本发明提供了一种设备和该设备的实施例，其可以用于执行实时同时的基于粉末的增材层制造和加工增材构建的物体。基于粉末的增材层制造的实例包括但不限于选择性激光烧结(sls)、选择性激光熔化(slm)、直接金属激光烧结(dmls)、直接金属激光熔化(dmlm)和电子束熔化(ebm)工艺。

这里使用的术语“加工(machining)”指的是各种工艺中的任一种，其中正被增材制造(即进行中的增材制造)的一件物体通过受控材料去除工艺切割成期望的最终形状和尺寸。这些工艺的例子包括但不限于切削(包括精切削和重切削)、攻丝、铣削(包括x轴铣削和c轴铣削)、加工、钻孔、研磨、成形、磨削、成型和滚花，这些统称为“减材制造”。优选地，这些材料去除过程由计算机数字控制(cnc)执行，其中计算机用于控制铣刀、机床和其他合适的切割机器的移动和操作。本发明还包括利用该设备或其实施例来制造物体的方法。本发明的设备包括使其特别适用于制造大体上环形或圆柱形的大物体的部件，例如飞行器发动机或飞行器本体的环形或圆柱形部件。这种飞行器部件的例子是涡轮或叶片护罩、中央发动机轴、壳体、压缩机衬套、燃烧室衬套、管道等。在某些情况下，这些部件的半径可达2米。

图2a-2c描绘了本发明实施例的制造设备200的示意图。设备200可以包括容纳整个设备200和待构建的物体203的构建封闭件201。设备200包括构建单元202、加工机构204和旋转构建平台206。在操作过程中，该设备在形成于外部生长构建封套209和(在许多情况下)内部构建封套207之间的粉末床205中构建物体203。优选地，物体203是大环形物体，例如但不限于涡轮或叶片护罩、中央发动机轴、壳体、压缩机衬套、燃烧器衬套、管道等。

构建单元202可以被构造成包括用于增材制造高精度、大型物体或多个较小物体的若干部件。移动构建单元可包括例如粉末传送机构、粉末重涂机构、具有气流区域的气流机构和照射光束引导机构。图4-5包括根据本发明使用的示例性移动构建单元的额外细节。

定位机构210可以是具有一个或多个x横梁210x(在图2a和2b中示出一个，图2c中示出两个)、一个或多个y横梁210y(图2c中示出两个)的xyz机架，该x横梁210x独立地沿着x轴(即左或右)移动构建单元202和加工机构204，该y横梁210y分别沿着y轴(即向内或向外)移动构建单元202和加工机构204。在x-y平面上的这种二维运动基本平行于构建平台206或其中的构建区域。另外，定位机构210具有一个或多个z横梁210z(在图2a-2c中示出两个)，该z横梁210z沿z轴(即向上和向下或基本上垂直于构建平台206或其中的构建区域)移动构建单元202和加工机构204。构建单元202和加工机构204可以安装在相同或不同的横梁上，并且可以彼此独立地移动。定位机构210还可操作以围绕c轴以及还有b轴旋转构建单元202。定位机构210还可操作以围绕中心点w旋转加工机构204，使得加工机构204以非线性或圆形路径移动。

旋转构建平台206可以是刚性的环状或环形结构(即具有内部中心孔)，其被构造成围绕旋转中心w旋转360°。旋转构建平台206可以被固定到马达212的端部安装件(例如经由致动器214)，该马达可操作以围绕旋转中心w选择性地旋转该旋转构建平台206，使得构建平台206沿圆形路径移动。马达212可以进一步固定到静止支撑结构216。马达也可以位于设备附近的其他地方并且通过皮带与构建平台机械连接以将马达的运动转换到构建平台。

除了同时增材构建物体时的成型之外，根据本发明的加工机构还可以被构造成切割并移除围绕构建物体的外部构建壁，如图2b和2c所示。在这方面，切割机构204被示出为定位在外部构建壁207的边缘附近。在一些情况下，切割机构204可以静止的方式抵靠构建壁207放置，并且构建板的旋转可以随切割机构204的动作一起从构建壁移除材料，直到其完全与构建平台206分离。切割机构204还可用于将物体203和内壁209(如果有的话)与构建平台206分离。

图2c示出了如图2a和2b中所示的设备200的俯视图。参考弯曲的箭头“r”示出构建平台206的旋转方向。如虚线框所示，构建单元202可以沿着“x”轴平移，指示沿着x横梁201x、沿着不同径向位置的移动。在一个方面，构建单元可以沿着“x”轴移动，同时保持在与圆形构建板206的中心相交的固定位置。以这种方式，构建平台的旋转运动允许构建单元202在构建板206和物体203在下方旋转时沿着圆形构建路径进行操作。在某些情况下，沿“y”轴的移动也可能是需要的。例如，在一种情况下，当构建平台206被阻止旋转时，沿着“x”和“y”轴的移动被用于构建物体203的部分。

在该视图中示出切割机构204附接到第二x横梁211x。示出了切割机构204定位在构建壁附近以便在物体203的形成完成之后移除构建壁。切割机构也可用于从构建板移除物体203。优选地，当构建板沿“r”方向旋转时，切割机构利用抵靠正被切割的结构的力保持就位，以从正被切割的结构去除材料。在移除构建壁207之后，可以利用任何数量的手段来移除物体与构建壁之间的粉末。如上所述，构建板可以包括粉末收集通道(未示出)，其允许安全且有效地去除粉末。

作为另外一种选择，构建单元202或加工单元204或两者可安装在立式机床的现有的定位机构上。这种系统通常允许沿竖直方向移动以及沿着圆形旋转构建平台的半径平移。

图3示出了根据本发明另一方面的制造设备300。构建单元302附接到具有“z”横梁301z、“x”横梁301x和“y”横梁301y(部分示出)的机架。构建单元302可以在x-y平面以及z-平面中旋转，如图3中的弯曲箭头所示。在该实施例中，切割机构304附接到与机架分离设置的支撑臂310。臂310可以是立式车床的部件。正在旋转构建平台306上构建的物体303示出为处于由外部构建壁309和内部构建壁307约束的粉末床305中。

图4示出了制造设备400的侧视图，该制造设备400包括在构建平台的远侧绘制的构建单元402的细节。移动构建单元402包括照射光束引导机构424、具有气体入口428和气体出口430的气体流动机构426、以及粉末重涂机构434，气体出口430将气流提供到气体流动区域432。在气体流动区域432之上，存在包含惰性环境438的封闭件436。安装在重涂器板440上的粉末重涂机构434具有包括背板444和前板446的粉末分配器442。粉末重涂机构434还包括至少一个致动元件448、至少一个门板450、重涂器刀片454、致动器452和重涂器臂456。在该实施例中，致动器452激活致动元件448以将门板450拉离前板446，如图4所示。在前板446和门板450之间还存在间隙464，当门板450被致动元件448拉离前板446时，该间隙464允许粉末流到旋转构建平台406上。

图4示出了门板446处于打开位置的构建单元402。粉末分配器442中的粉末418被沉积以形成新的粉末458层，粉末通过重涂器刀片454平滑分布在旋转构建平台406的顶部表面的一部分(即构建或工作表面)上，以制造基本上均匀的粉末层460，其然后被照射光束462照射到作为印刷物体420的一部分的熔合层。在一些实施例中，可以在构建单元402正在移动的同时对基本上均匀的粉末层460进行照射，这允许构建单元402的连续操作，并因此允许印刷或生长的物体403更加省时的生产。正在旋转构建平台306上构建的物体403示出为处于由外部构建壁409和内部构建壁407约束的粉末床405中。

图5示出了根据本发明实施例的选择性粉末重涂机构534、加工机构504和相应的旋转构建平台506的一部分的俯视图。选择性粉末重涂机构534具有仅具有包含原材料粉末518的单个隔室的粉末分配器542，尽管包含多种不同材料粉末的多个隔室也是可能的。存在由致动器552a、552b、552c各自独立控制的门板。图3示出了所有的门板550a、550b、550c被保持在打开位置以将粉末518分配到构建区域566中，并且沉积的粉末然后通过重涂器刀片(在该视图中未示出)平滑或平整。选择性粉末重涂机构534也可以具有重涂器臂556。在该特定实施例中，旋转构建平台504被示出为具有外部构建壁和内部构建壁507，这将在下面进一步讨论。

有利地，根据本发明实施例的选择性重涂机构允许使用粉末沉积装置(例如料斗)精确控制粉末沉积，所述粉末沉积装置具有独立可控的粉末门板，例如如图5所示(门板550a、550b和550c)。粉末门板由至少一个致动元件控制，该致动元件例如可以是双向阀或弹簧。每个粉末门可以打开和关闭特定的时间段，特别是图案，以精确控制粉末沉积的位置和数量。粉末分配器542可以包含分隔壁，使得其包含多个腔室，每个腔室对应于粉末门，并且每个腔室包含特定的粉末材料。分离的腔室中的粉末材料可以相同，或者它们可以不同。有利的是，每个粉末门可以做得相对较小，以便控制粉末沉积尽可能地精细。每个粉末门的宽度可以例如不大于约2英寸(in)，或者更优选地不大于约1/4英寸。通常，粉末门越小，粉末沉积分辨率越大，并且粉末门的宽度没有特别的下限。所有粉末门的宽度的总和可以小于物体的最大宽度，并且物体的宽度相对于粉末门的宽度的总和没有特别的上限。有利地，根据本发明实施例的简单的开/关粉末门机构更简单并且因此不易发生故障。它还有利地允许粉末与更少的部件接触，这减少了污染的可能性。

可以根据本发明使用的构建单元的其他细节可见于：名称为“additivemanufacturingusingadynamicallygrownbuildenvelope”的美国专利申请号15/406,444，代理卷号为037216.00061，并且于2017年1月13日提交；名称为“additivemanufacturingusingamobilebuildvolume”的美国专利申请号15/406,467，代理卷号为037216.00059，并于2017年1月13日提交；名称为“additivemanufacturingusingamobilescanarea”的美国专利申请号15/406,454，代理卷号为037216.00060，并且于2017年1月13日提交；名称为“additivemanufacturingusingaselectiverecoater”的美国专利申请号15/406,461，代理卷号为037216.00062，并于2017年1月13日提交；名称为“largescaleadditivemachine”的美国专利申请号15/406,471，代理卷号为037216.00071，并且于2017年1月13日提交，这些文献的公开内容通过引用并入本文。

在一些实施例中，本发明的设备的定位机构、加工机构和旋转构建平台可以以立式车床的形式结合。换句话说，立式车床的旋转床充当基于粉末的增材制造的构建平台。立式车床(vtl)也称为“立式转塔车床”或“转塔车床”，是一种工业规模的机器，可优选地以至少经由数字控制(nc)更优选计算机数字控制(cnc)的半自动格式对放置在水平旋转床上的工件进行各种加工工艺。至少在美国专利第5,751,586号和第5,239,901号中可以找到立式车床的部件和操作机构的描述，这些专利各自通过引用整体并入本文。

如图6所示，当具有旋转床606的现有的立式车床与移动构建单元602结合以实施本发明的制造方法时，可以部署能够附接到旋转构建平台606的任何旋转部件的一个或多个旋转编码器668(视觉或传感器)，以测量和确定旋转构建平台606的旋转速度，例如旋转构建平台606的外围的旋转速度。旋转编码器随后将对应于测量的恒定速度的一系列脉冲串670(或脉冲波)发送到计算装置672，该计算装置672解译接收到的脉冲串以确定恒定速度。作为另外一种选择，旋转编码器668具有能够确定旋转速度的处理电路。一旦确定了恒定速度，控制照射光束引导机构624的光束照射(激光或电子)的强度、速度和间隔的光栅矢量674就通过计算装置672，例如通过使用一个或多个合适的定时算法676的微处理器，实时重新参数化或校准，来适应床旋转速度。无论床的恒定旋转速度如何，该校准都会对构建物体的给定部分产生恒定的冶金效果，并且最终允许包含照射光束引导机构的构建单元与任何旋转床速度的现有的立式车床结合，并且生产相同的物体，无论现有车床的品牌、型号或状况如何。

图7示出了根据本发明实施例的制造设备700的侧视图，其包括粉末回收机构701。粉末回收机构定位在外部构建壁709附近，并且与构建板706的旋转运动结合，将构建在构建板上方的壁709的外侧上的粉末溢出物710刮入粉末容器702中。类似的粉末回收机构可以被放置在构建板上方抵靠内部构建壁709，以通过构建板中的切口(未示出)将粉末刮入内部回收箱(未示出)中。在一些实施例中，粉末回收机构701附接到旋转构建平台706的周边并相对于构建平台固定。正在旋转构建平台706上构建的物体703示出为处于由外部构建壁709和内部构建壁707约束的粉末床705中。

合适的粉末材料的代表性例子可以包括金属合金、聚合物或陶瓷粉末。示例性的金属粉末材料是不锈钢合金、钴铬合金、铝合金、钛合金、镍基超合金和钴基超合金。另外，合适的合金可以包括已经被设计成具有良好的抗氧化性的合金，称为“超合金”，其在燃气涡轮发动机的升高的操作温度下具有可接受的强度，例如，哈氏合金、铬镍铁合金(inconelalloys)(例如in738，in792，in939)、rene合金(例如renen4，renen5，rene80，rene142，rene195)、haynes合金、marm、cm247、cm247lc、c263,718、x-750、ecy768,282、x45、pwa1483和cmsx(例如cmsx-4)单晶合金。本发明的制造物体可以用一种或多种选择的晶体微结构(例如定向凝固(“ds”)或单晶(“sx”))形成。

此书面描述使用实例来公开本发明，包括优选实施例，并且还使得本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何所并入的方法。本发明的可获专利的范围由权利要求书界定，且可包括所属领域的技术人员所想到的其它实例。如果此类其它实例具有并非不同于权利要求书的字面语言的结构要素，或如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质差异的等效结构要素，那么此类其它实例希望在权利要求书的范围内。根据本申请的原理，来自所描述的各种实施例的各方面以及每个这样的方面的其他已知等同物可以由本领域的普通技术人员混合和匹配以构建另外的实施例和技术。