加层制造部件的后处理的制作方法

本发明涉及通过加层制造处理形成的坯料、以及生产及后处理该坯料的方法。

背景技术：

加层制造(alm)由于其易于制造复杂部件的能力而成为工程领域中不断发展的技术。然而，由于通过聚结颗粒来形成alm部件的制造处理，因此，在所制造的部件可以以最终产品使用之前，需要进行显著的后处理来移除松散的半聚结材料。

alm部件的后处理通常需要使用空气软管和刷子来移除松散材料并且需要金属工具来从alm部件移除半聚结材料。空气软管和刷子只能移除松散的灰尘，因此需要金属工具、比如钻头来从alm部件移除半聚结材料。金属工具需要精确定位并且难以操作。在较小特征部被半聚结材料阻挡的情况下，后处理尤其困难。较小特征部通常难以触及并且通常需要大量的用户技巧来移除这些区域中的半聚结粉末，这增加了制造处理的时间。

此外，用于移除半聚结材料的传统工具的材料通常与alm部件的材料不匹配。因此，由于这种工具或alm部件中的一者通常比另一者硬，因此从alm部件移除半聚结材料的处理也可能对alm部件或工具造成损坏。

因此，期望提供一种用于从alm部件移除半聚结材料的器具，该器具既能够触及难以够到的特征部，又能够使在使用期间对alm部件和/或工具的任何损坏最少。

技术实现要素：

本发明的第一方面提供了一种坯料，该坯料包括部件、工具和将工具连接至部件的连接构件。部件、工具和连接构件一体地形成为由构建材料构成的单件。连接构件可以被破坏或切断以使工具与部件断开连接。在工具已与部件断开连接之后，工具可以用于从部件的表面机械地移除表面构建材料。

本发明的第二方面提供了一种制造及后处理部件的方法，该方法包括用构建材料通过加层制造处理形成坯料，该坯料包括部件、工具和将工具连接至部件的连接构件。部件、工具和连接构件通过加层制造处理一体地形成为由构建材料构成的单件。连接构件被破坏或切断以使工具与部件断开连接。在工具已与部件断开连接之后，工具被用于从部件的表面机械地移除表面构建材料。

工具被用于通过工具的运动机械地移除表面构建材料，而不是使用非机械方法比如在部件处吹送空气。通常，工具被用于通过使工具与部件的表面接触并然后使工具以与部件的表面接触的方式移动、例如通过使工具旋转和/或往复运动来从部件的表面机械地移除表面构建材料。工具的这种运动从部件的表面机械地移除表面构建材料，例如通过刮擦动作、铰孔动作或抛光动作来移除表面构建材料。

本发明的第三方面提供了一种计算机文件，该计算机文件包含用于通过加层制造处理形成根据本发明的第一方面的坯料的指令。

优选地，部件具有带内表面的特征部(比如孔、通道、通路、凹部或拐角部)；并且工具形成在该特征部的内部。使工具在这样的凹形的或难触及的特征部内部形成使得工具是能够“定制”的，换言之，工具是具有合适尺寸和形状的以触及内表面的所有区域。

可选地，坯料在工具与特征部的内表面之间具有间隙，使得工具的任何部分都不与特征部的内表面接触，至少直到工具被用于移除表面构建材料的后处理阶段为止。工具形成在特征部的内部且工具的任何部分都不与特征部的内表面接触，这防止了在加层制造处理期间工具聚结至该内表面。

工具可以完全形成在特征部内，或者更优选地，工具具有形成在特征部的外部的第一(近端)部分和形成在特征部的内部的第二(远端)部分。不需要的表面构建材料是被工具的第二部分从特征部的内表面移除的。第一部分从特征部突出而使得第一部分易于用钳或类似装置夹持。

可选地，工具延伸至工具的远端端部处的工具梢部，并且该工具梢部位于特征部的内部。优选地，在后处理阶段期间，使工具梢部与特征部的内表面接触，并且然后使用工具梢部将表面构建材料从特征部的内表面机械地移除。

可选地，在工具梢部与特征部的内表面之间设置间隙，使得工具梢部不与特征部的内表面接触，至少直到后处理阶段为止。

可选地，连接构件不位于特征部内。这使得连接构件更易于触及而被切断。

可选地，连接构件具有最小横截面面积a1，工具具有最小横截面面积a2，并且面积a1小于面积a2。该相对较小的横截面面积使连接构件易于被破坏或切断。

部件、工具和连接构件一体地形成为由同一构建材料构成的单件。构建材料可以是金属、热固性聚合物、热塑性聚合物或任何其他合适的构建材料。

可选地，被工具机械地移除的表面构建材料是未聚结的材料(比如松散的或未聚结的粉末)和/或半聚结的材料(比如半聚结的粉末)。在这种情况下，部件可以包括聚结的材料以及形成部件的表面的不需要的未聚结的和/或半聚结的材料。替代性地，被工具机械地移除的表面构建材料可以是完全聚结的材料，这些完全聚结的材料被移除以抛光或以其他方式改善部件的表面光洁度。

在一个实施方式中，工具包括平滑的杆。在其他实施方式中，工具包括这样的轴，该轴在该轴的外表面上具有可以呈螺旋形或非螺旋形的突出部或凹部。这些突出部或凹部增加了轴的表面积并且形成了可以有助于使材料脱落的特征部。

在优选的实施方式中，工具包括这样的轴，该轴在该轴的外表面上具有螺旋形凹部。这种螺旋轴可以在表面材料已被工具从部件的表面移除之后被旋转以通过螺旋输送动作运送这些表面材料。例如，凹槽可以由螺旋形槽或螺纹形成。

可选地，坯料通过形成由构建材料构成的一系列层来形成，构建材料例如呈粉末、比如金属粉末或热塑性聚合物粉末的形式。在所述一系列层的形成期间，构建材料被逐层地选择性地聚结，使得所述层中的至少一些层具有由聚结的构建材料构成的第一区域、由未聚结的构建材料构成的第二区域以及位于第一区域与第二区域之间的半聚结的构建材料。然后未聚结的构建材料被移除而留下聚结的构建材料和半聚结的材料，这些聚结的构建材料和半聚结的材料一起构成坯料。在这种情况下，被工具从部件的表面移除的表面构建材料可以是半聚结的构建材料。

替代性地，可以通过选择性地固化液体构建材料、比如热固性树脂来形成坯料。在这种情况下，被工具从部件的表面移除的表面构建材料可以是半固化树脂。

优选地，通过加热、例如用激光束或电子束加热来选择性地聚结构建材料。

可选地，在增材制造处理期间，工具支承部件的重量。

附图说明

现在将参照附图对本发明的实施方式进行描述，在附图中：

图1是加层制造系统的示意图；

图2是根据本发明的实施方式的坯料的示意图；

图3至图5图示了从图2的坯料移除半聚结材料的方法；

图6是根据本发明的替代性实施方式的具有螺旋工具的坯料的示意图；

图7图示了从图6的坯料移除半聚结材料的方法；

图8是根据本发明的另一替代性实施方式的具有拐角部的坯料的示意图；

图9是根据本发明的另一替代性实施方式的具有弯曲通道的坯料的示意图；

图10是根据本发明的另一替代性实施方式的具有多个工具的坯料的示意图；以及

图11示出了飞行器。

具体实施方式

图1图示了用于形成坯料的粉末床处理加层制造(alm)系统。该系统是“冷的”，因为处理环境处于环境温度，并且未保持处于升高的温度。该系统包括容纳有金属粉末、比如钛粉末的一对给送容器20、21。辊22从给送容器中的一个给送容器拾取粉末(在图1的示例中，辊22从右手侧给送容器21拾取粉末)并在基底23上滚出薄的连续粉末层。在另一实施方式(未示出)中，粉末层通过耙而不是辊铺展在基底23上。

然后，激光头24在粉末层上扫描，并且来自激光头的激光束被接通及关断，以通过使粉末以期望的图案熔融或烧结来选择性地聚结粉末。激光头24的移动和激光束的调节由坯料的所期望的轮廓和布局的计算机辅助设计(cad)模型确定。激光头24由连接至存储器26的计算机数字控制器(cnc)25控制。存储器26包含计算机文件26，计算机文件26包含限定用于坯料的cad模型的数据。cnc25被编程为致动激光头24，使得激光束选择性地聚结每个相应粉末层的如由文件26中的数据确定的所需区域。

在初始层已被选择性地聚结之后，cnc25命令基底致动器27来使基底23向下移动较短距离(通常为0.1mm的数量级)以对下一层的形成做准备。在为了使熔融粉末凝固而暂停之后，辊22在基底23上滚出另一粉末层以准备聚结。因此，随着处理的进行，由聚结粉末构成的第一区域28与由未聚结的松散粉末构成的第二区域29一起形成。在因激光束于旁边经过而使粉末被略微加热但未被充分加热成完全聚结的情况下，在第一区域28与第二区域29之间还形成半聚结材料(未示出)。半聚结粉末变成松散地附着至聚结粉末。半聚结粉末和松散的未聚结粉末29二者都必须在后处理中从坯料移除。

图2中示出了根据本发明的实施方式的坯料30。坯料30包括对应于alm处理的期望最终产品的部件31。部件31具有外表面35和通道34，通道34具有包括基部34a和柱形侧壁34b的内表面。最初，通道34填充有松散的未聚结粉末(未示出)，这些粉末通过倒置坯料30(因此未聚结的粉末由于重力而落出)以及/或者通过将压缩空气吹入通道中而从通道34移除。在这些松散的未聚结粉末被移除时，通道的内表面34a、34b仍覆有半聚结粉末36，半聚结粉末36也必须被移除。

坯料30包括通过图1所示的alm处理而与部件31一体地形成的工具32和连接构件33。因此，部件31、工具32和连接构件33一体地形成为由同一构建材料(在这种情况下是聚结的钛粉末)构成的单件。工具32具有形成在通道34的外部的近端部分32a、以及形成在通道内部并延伸至位于工具的远端端部处的工具梢部32c的杆32b。近端部分32a从通道突出而使得近端部分32a易于用钳50或类似装置来夹持，如图4所示。

连接构件33在一个端部处在通道34的外部连接至部件31的外表面35并且在连接构件33的另一个端部处连接至工具32的突出的近端部分32a。连接构件33不位于通道34内而使得连接构件33易于被切割工具40触及，如图3所示。

坯料30在杆32b与通道的内表面34a、34b之间具有间隙，使得工具的任何部分都不形成为与内表面34a、34b接触。更具体地，一旦已经移除了未聚结的粉末，就在工具梢部34c与通道的基部34a之间提供了完全间隙；并且在杆32b的柱形侧面与通道的柱形侧壁34b之间也提供了完全间隙。该完全间隙防止在alm处理期间工具聚结至内表面34a、34b。

对于直径为3mm的通道34，杆32b的直径限制为不大于1mm，以使得在每侧留出至少1mm的间隙。

工具32的近端部分32a通常具有约5mm的直径，以使近端部分32a能够易于被钳50夹持住，如图4所示。

现在将参照图2至图5描述制造及后处理坯料30的方法。

第一构建阶段涉及使用加层制造处理、比如图1中描述的加层制造处理来制造坯料30。cnc25仅使用包含对整个坯料30、即部件31、工具32和连接构件33的cad模型进行限定的数据的单个计算机文件，比如文件26a。仅使用针对整个坯料30的单个文件26a有助于减少构建误差并且能够确保杆32是精确居中的且以完全间隙与通道34对准。

在第一后处理阶段，将未聚结粉末移除而留下如图2所示的由聚结粉末和半聚结粉末形成的坯料。这可以通过旋转并摇动坯料来完成，或者替代性地，可以使用刷子或压缩空气软管。

接下来，切断或破坏连接构件33以将工具32从部件31释放，在这种情况下，通过用手动切割工具40来切断连接构件33，如图3所示。替代性地，可以通过夹持工具32并扭转工具32来破坏连接构件33。

连接构件33的最小横截面面积显著小于工具32的最小横截面面积，以使得连接构件33易于切断或破坏。在这种情况下，连接构件33具有半径为r1(通常为约0.25mm的数量级)且横截面面积为π(r1)²＝a1的柱形形状，并且杆32b具有半径为r2(约0.5mm至几厘米的数量级)且横截面面积为π(r2)²＝a2的柱形形状。连接构件33的横截面面积a1是杆的横截面面积a2的约十分之一至四分之一。

在如图3所示、工具32已与部件31断开连接之后，用钳50或其他手动工具夹持工具32的近端部分32a，如图4所示。然后使杆的梢部32c的边缘与通道的柱形侧面34b接触并通过使工具钳50旋转和/或往复运动来使杆的梢部32c的边缘移动，以机械地使半聚结粉末36脱落(dislodge)，例如通过刮擦动作或铰孔动作来使半聚结粉末36脱落。替代性地，可以使工具32以其轴线与通道34b的柱形侧面平行的方式进行往复运动，以从部件的表面机械地移除半聚结粉末36。

然后以与上述第一后处理阶段中的移除未聚结粉末的方式相同的方式将脱落的半聚结粉末从通道移除。图5给出了示例，在该示例的这种情况下，通过倒置部件31并且晃动并轻敲部件31来移除脱落的半聚结粉末36。最后，可以使工具32与后处理期间被移除的材料一起被重新利用。

由于杆32b构建在通道34内，因此能够容易地触及否则常规的工具将难以够到的通道的全部长度。

另外，由于工具32是为了从特定部件31的特定区域移除半聚结材料的定制目的而创建的，因此该方法还提供了为特定工作设计并构建特定工具的机会，而不是依赖于选定组的可用工具，并且该工具可以依定制而创建为特定的尺寸、形状和数量，而不是由工具制造商提供的标称可用尺寸。

此外，由于工具32是与部件31一体地形成的，因此工具32是由与部件31完全相同的构建材料——在这种情况下是粉末状的钛——形成的。因此，工具32坚固得足以移除半聚结材料，但不会太坚固以至于损坏部件。这还具有使工具能够与其他废弃构建材料一起被重新利用的附加益处。

图6和图7中示出了根据本发明的替代性实施方式的坯料和后处理方法。

图6的坯料类似于坯料30，并且相同的特征被赋予相同的附图标记，并且将不再描述这些相同的特征。在这种情况下，工具的远端部分是具有螺旋形外凹部64的轴63。轴63具有最大直径和与凹部64一致的最小直径。

轴63的最大直径比柱形杆32b的直径宽，对于3mm直径的通道34，轴63的最大直径通常约为2mm，从而留出约0.5mm而不是1mm的减小的间隙。这种减小的间隙是可接受的，因为凹部64导致减小的表面区域，这些表面区域有可能附着至部件。

图6的工具以与图4的工具类似的方式使用，但是图6的工具也通过工具60(或通过在一对手指之间扭转图6的工具)在通道内旋转，如图7所示。该旋转具有两个功能：首先，轴的外径和轴63的梢部接触部件，并且旋转使半聚结粉末脱落；其次，旋转螺旋形凹部64通过由图7中的竖向箭头指示的螺旋输送(auguring)动作而使得将脱落的半聚结粉末36从通道移除。凹部64的边缘也可以通过刮擦动作使半聚结粉末36脱落。

在图2至图7的实施方式中，通道34是“盲孔”，这意味着通道34不延伸穿过整个部件31。工具是足够长的，使得在工具已与部件断开连接之后工具梢部32c可以与通道34的基部34a接触。这使得工具能够触及通道34的全部长度并通过刮擦动作、铰孔动作或螺旋输送动作来将表面构建材料从通道34的基部34a移除。

平滑的柱形杆32b潜在地压挤通道底部处的粉末，但是图7的螺旋轴63拾取通道底部处的这些粉末并通过螺旋输送动作移除这些粉末。

图8至图10中图示了各种其他坯料。

图8示出了具有部件71、工具72和连接构件73的坯料70。部件71具有凹部74，凹部74具有由一对壁74a形成的内表面，所述一对壁74a在尖的内拐角部74b处相接。

工具72具有柱形轴72a和扩大的锥形或楔形的远端部分72b，远端部分72b随着靠近尖的梢部72c而渐缩。远端部分72b形成在特征部74内，远端部分72b的渐缩角度与壁74a的角度相匹配，因此尖的梢部72c可以放入尖的拐角部74b中以移除半聚结粉末。

图2的连接构件33位于通道34的外部，但是图8的连接构件73位于凹部74内并且在各自的端部处接合至壁74a。

图9示出了类似于坯料30的坯料80，并且相同的特征被赋予相同的附图标记，并且将不再描述这些相同的特征。

在这种情况下，工具82具有形成在弯曲通道84内的弯曲杆82b。杆82b和通道84具有相同的曲率，使得间隙沿着弯曲杆的长度保持恒定。杆82b以往复运动的方式移动且基本上不旋转，以使半聚结粉末脱落。

图10示出了坯料90，坯料90具有部件91和工具组件101，部件91具有四个通道94、95、96、97，工具组件101具有四个工具102、103、104、105。工具组件101通过连接构件93a附接至部件91，并且四个工具102至105通过三个连结构件93b、93c、93d彼此附接。部件91、工具102至105、连接构件93a以及连结构件93b至93d一体地形成为由构建材料构成的单件。

各个工具102至105具有近端部分102a、103a、104a、105a和螺旋轴102b、103b、104b、105b，螺旋轴102b、103b、104b、105b在其外表面上具有螺旋形凹部。每个轴102b至105b形成在通道94至97中的相应一个通道内。

在后处理期间，切断连接构件93a以将工具组件101从部件91释放，然后切断或破坏连结构件93b至93d，以使工具102至105在它们被用来从通道94至97清除半聚结粉末之前彼此分离。

尽管图10所示的轴102b至105b中的每个轴均在其外表面上形成有螺旋性凹部，但这些轴可以是平滑的柱形杆。在这种情况下，这些轴可以一起往复运动来使半聚结粉末从通道94至97脱落，而不必首先破坏连结构件93b至93d。

在上述实施方式中，所述工具(或每个工具)的轴的外表面为平滑且柱形的或者形成有螺旋形凹部，该螺旋形凹部提供螺旋输送作用并且建立可以有助于使材料脱落、例如通过刮擦动作使材料脱落的特征部(比如凹部的边缘)。在其他实施方式中，工具的轴可以在其外表面上形成有非螺旋形凹部(比如圆形凹坑或环形凹槽)或突出部(比如凸出的凸起、环状部或轴向脊)。尽管这些凹部或突出部不提供螺旋输送作用，但它们增加了轴的表面积并且建立了可以有助于使材料脱落的特征部。

在上述实施方式中，坯料是用粉末状构建材料通过图1所示的所谓的“粉末床”alm处理来形成的。在本发明的替代性实施方式中，坯料也可以改为由液体构建材料、比如热固性树脂形成。在这种情况下，坯料在液体构建材料的浴中在基底上形成。基底被浸没在液体表面的略微下方，因此在基底上方存在薄的液体层，该液体层被激光束或其他加热器加热以选择性地固化液体。然后基底被略微向下移动，并且在部分固化的第一层的顶部上形成另一液体层。该过程以逐层方式继续以构建坯料。在这种情况下，被工具从部件的表面移除的表面构建材料将是半固化树脂。

图2至图10所示的坯料可以具有多种应用，但一个优选的应用是形成飞行器的机体的一部分。图11示出了飞行器1，飞行器1的机体包括接合至机身4的机翼2和3、竖向稳定器5以及一对水平稳定器6。机体的各个元件2至6可以由根据本发明的坯料形成。在一个示例中，机身可以具有带节点的框架结构，这些节点粘合地结合至管，并且这些节点形成有用于将粘合剂注入至结合表面的通道。这些节点可以由根据本发明的坯料形成。

在出现用语“或”时，这应被解释为表示“和/或”，使得所涉及的项不一定是互斥的，并且可以以任何适当的组合使用。

尽管上面已经参照一个或更多个优选实施方式描述了本发明，但将理解的是可以在不脱离如所附权利要求限定的本发明的范围的情况下作出各种改变或修改。