增材制造方法和相关部件与流程

本公开大体上涉及增材制造方法，且更具体地说，涉及用于制造部件的增材制造方法以及其增材制造的部件。

背景技术：

增材制造技术涉及通过逐层构建大体上二维的层(或片)来制造三维(3d)部件，且实现部件的“3d打印”。每一层一般极薄(例如20到100微米之间)，且依序形成许多层，其中每一层上发生二维形状变化，从而提供所要的最终三维轮廓。此技术使用可以细粉形式使用的材料来构建部件。可使用一系列不同金属、塑料和复合材料。相比于移除材料以形成所要部件轮廓的传统“减材”制造工艺，增材制造技术渐进地添加材料以形成净形(netshape)或近净形(near-netshape)最终部件。市售增材制造技术的实例包括基于挤压的技术、喷射、选择性激光烧结、粉末/粘合剂喷射、电子束熔融、立体光刻工艺和超声波工艺。

增材制造提供优于传统制造工艺的各种优势，包括良好的机械性质以及易于制造高度复杂的结构。然而，增材制造的使用可能因一些缺点而受限。利用常规增材制造工艺制造的部件和产品可能一般具有显著的表面粗糙度和较差表面光洁度，确切地说，表面孔隙和裂缝。这些缺陷可导致总体较差的机械性质、减小的部分疲劳寿命、材料在粗糙表面上的累积、循环流体的流动和湍流问题以及流体从孔隙泄漏。此外，使用粉末方法构建带有悬伸部分的区段可能具有挑战性。因此，在产品设计中通常避免常规增材制造技术。另外，对于合理速率的大规模产生来说，这些常规增材制造技术一般较耗时且昂贵。

技术实现要素：

本文提供改进的使用增材制造法制造部件的方法。在本说明书的一个方面，一种增材制造方法包括：以预定义方式布置多个预制块(prefabricatedblock)来形成多个层；熔融所述多个预制块中的每个预制块的一个或多个部分；以及冷却所述每个预制块的所述一个或多个部分的熔体(melt)以使所述多个预制块彼此粘合以形成增材制造的部件。

本说明书的另一方面涉及一种增材制造的部件，其包括以预定义方式布置的彼此连接以形成多个层的多个预制块。

技术方案1.一种增材制造方法，包括：

以预定义方式布置多个预制块以形成多个层，

熔融所述多个预制块中的每个预制块的一个或多个部分；以及

冷却所述每个预制块的所述一个或多个部分的熔体以使所述多个预制块彼此粘合以形成增材制造的部件。

技术方案2.根据技术方案1所述的增材制造方法，其中，另外包括通过铸造形成所述多个预制块中的至少一个预制块。

技术方案3.根据技术方案1所述的增材制造方法，其中，所述多个预制块中的至少一个预制块包括选自由金属材料、聚合物材料、复合材料以及其组合组成的组的材料。

技术方案4.根据技术方案3所述的增材制造方法，其中，所述多个预制块包括相同或不同材料。

技术方案5.根据技术方案3所述的增材制造方法，其中，所述多个预制块中的所述至少一个预制块包括功能上递变的材料。

技术方案6.根据技术方案3所述的增材制造方法，其中，所述多个预制块中的所述至少一个预制块包括呈单晶形式、定向凝固形式或多晶形式中的至少一个形式的所述金属材料。

技术方案7.根据技术方案1所述的增材制造方法，其中，所述多个预制块中的至少一个预制块包括：包括第一材料的基底和包括第二材料的外表面。

技术方案8.根据技术方案7所述的增材制造方法，其中，所述第二材料具有比所述第一材料的熔融温度低的熔融温度。

技术方案9.根据技术方案7所述的增材制造方法，其中，另外包括通过铸造形成所述基底。

技术方案10.根据技术方案7所述的增材制造方法，其中，另外包括在所述基底的至少一个部分上安置涂层以形成所述外表面。

技术方案11.根据技术方案7所述的增材制造方法，其中，熔融所述每个预制块的所述一个或多个部分包括熔融所述外表面的所述至少一个部分。

技术方案12.根据技术方案1所述的增材制造方法，其中，使用加热装置执行熔融所述每个预制块的所述一个或多个部分。

技术方案13.根据技术方案1所述的增材制造方法，其中，另外包括使所述增材制造的部件经历一个或多个后加工处理。

技术方案14.一种增材制造的部件，包括：

以预定义方式布置的彼此连接以形成多个层的多个预制块。

技术方案15.根据技术方案14所述的增材制造的部件，其中，所述多个预制块包括选自由金属材料、聚合物材料、复合材料以及其组合组成的组的材料。

技术方案16.根据技术方案15所述的增材制造的部件，其中，所述多个预制块包括相同或不同材料。

技术方案17.根据技术方案15所述的增材制造的部件，其中，所述多个预制块中的至少一个预制块包括功能上递变的材料。

技术方案18.根据技术方案15所述的增材制造的部件，其中，所述多个预制块中的至少一个预制块包括呈单晶形式、定向凝固形式或多晶形式中的至少一个形式的所述金属材料。

技术方案19.根据技术方案15所述的增材制造的部件，其中，所述多个预制块中的至少一个预制块包括：包括第一材料的基底和包括第二材料的外表面。

技术方案20.根据技术方案19所述的增材制造的部件，其中，所述第二材料具有比所述第一材料的熔融温度低的熔融温度。

附图说明

当参考附图阅读以下详细描述时，将会更好地理解本发明的实施例的这些和其它特征和方面，其中在整个附图中，相同的字符表示相同的部分，在附图中：

图1示意性地示出根据本说明书的一些实施例的包括多个预制块的增材制造的部件；

图2示出根据本说明书的一些实施例的预制块的示意图；

图3是根据本说明书的实施例的增材制造方法的流程图；

图4示出根据本说明书的一些实施例的增材制造方法的一个或多个步骤的示意性表示；以及

图5示出根据本说明书的一些实施例的增材制造方法的一个或多个步骤的示意性表示。

具体实施方式

本公开大体上涵盖使用增材制造法制造部件的方法。如下文所详细论述，本公开的一些实施例提出一种使用多个预制块制造部件的增材制造方法。一些实施例涉及一种增材制造的部件，其包括以预定义方式布置的彼此连接以形成多个层的多个预制块。利用预制块以用于使用增材制造方法形成部件能有利地克服上文提到的缺点。

如本文所使用，术语“增材制造”和“增材制造方法”是指使用增材制造技术制造部件的方法，且这些术语可在整个说明书中互换使用。

增材制造技术通过依序和反复地沉积且接合材料层来形成净形或近净形结构。如本文所使用，“近净形”意指部件形成得极接近部件的最终形状，从而在增材制造之后无需大量传统机械精加工技术，例如机械加工或研磨。如本文所使用，“净形”意指部件形成得具有部件的最终形状，从而在增材制造之后无需任何传统机械精加工技术，例如机械加工或研磨。合适的增材制造技术包括但不限于直接金属激光熔融(dmlm)、直接金属激光烧结(dmls)、直接金属激光沉积(dmld)、激光工程化净成形(lens)、选择性激光烧结(sls)、选择性激光熔融(slm)、电子束熔融(ebm)、熔融沉积成型(fdm)、选择性热烧结(shs)、多喷融合(mjf)、超声波增材制造(uam)，或其组合。

在以下说明书和权利要求书中，除非上下文另外明确规定，否则单数形式“一”、“一个”、“所述”包括复数指示物。如本文所使用，除非上下文另外明确规定，否则术语“或”并无排他意义，而是指存在至少一个所提及的部件，且包括其中可存在所提及的部件的组合的例子。

除非另外定义，否则本文所使用的技术和科学术语具有与本公开所属领域的技术人员通常所理解的相同的含义。词语“包括”和“具有”旨在为包括性的，且意味着可能存在除了所列元件之外的另外的元件。如本文中所使用，词语“第一”、“第二”等并不指示任何次序、数量或重要性，而是用于区分一个要素与另一要素。

如本文所使用，术语“预制块”是指构建块，其包括任何形状和大小的材料的固体三维片，使得多个预制块可在彼此邻近布置时紧密地压积(pack)以形成部件。合适的材料是可形成或制造成固体三维片也即构建块的形式的材料。下文详细论述合适的材料。在一些实施例中，预制块由金属材料铸成。预制块的大小可取决于所要部件的大小。在一些实施例中，预制块的体积占到部件体积的1/100。在一些实施例中，预制块的体积在约1毫米³到约1000厘米³的范围中。在一些实施例中，预制块的体积在约2毫米³到约100厘米³的范围中。在某些实施例中，预制块的体积在约5毫米³到约10厘米³的范围中，且在一些特定实施例中，在约5毫米³到约5厘米³的范围中。多个预制块可逐层以预定义方式布置以形成所要部件。

如本文所使用，术语“预定义方式”是指结构或几何形状的布局，所述多个预制块应以此布局布置以形成所要部件。

如本文所使用，术语“连接”是指使用例如粘合材料将预制块彼此牢固地粘合或接合。在一些实施例中，多个预制块可通过熔融所述多个预制块中的每个预制块的一个或多个部分且使熔体冷却以粘合所述多个预制块中的邻近预制块的所述一个或多个部分来进行粘合或接合。在这些情况下，熔体充当粘合材料。

本公开的一些实施例涉及一种使用增材制造法制造部件的方法，即，增材制造方法。所述部件也可称作增材制造的部件。所述增材制造方法包括：以预定义方式布置多个预制块来形成多个层；熔融所述多个预制块中的每个预制块的一个或多个部分；以及冷却所述每个预制块的所述一个或多个部分的熔体以使布置在所述多个层中的所述多个预制块彼此粘合以形成增材制造的部件。在一些实施例中，所述方法还包括例如通过铸造或增材制造来形成所述多个预制块中的至少一个预制块。

在一些实施例中，参考图3到5描述一种用于制造例如图1中所示的增材制造的部件等部件100的增材制造方法。增材制造的部件100包括以预定义方式布置的彼此连接以形成多个层104的多个预制块106。

在一些实施例中，所述多个预制块106中的至少一个预制块106可具有多边形形状。在一些实施例中，所述至少一个预制块106具有选自由正方形、矩形、六边形以及其组合组成的群组的横截面。在某些实施例中，所述至少一个预制块106的形状为立方体或长方体。然而，预想具有其它横截面的其它形状也在本说明书的范围内。

此外，在一些实施例中，所述多个预制块106可包括相同或不同形状和大小的预制块106。所述多个预制块106中的预制块106的形状和大小可取决于在以预定义方式布置所述多个预制块106时所述预制块106的位置。举例来说，在一些实施例中，所述多个预制块106包括立方体形预制块、长方体形预制块或其组合。此外，所述多个预制块106中的至少一个预制块106可具有平坦或弯曲面/表面。在某些实施例中，所述至少一个预制块106的每个表面是平坦的。然而，在一些实施例中，取决于在布置所述多个预制块106以形成所要部件时所述至少一个预制块106的位置，所述至少一个预制块106可具有至少一个弯曲表面。在一些实施例中，可通过铸造形成具有所要形状和大小的至少一个预制块106。在一些实施例中，可通过增材制造形成具有所要形状和大小的至少一个预制块106。

适用于所述多个预制块106的材料包括但不限于金属、陶瓷、聚合物、塑料、玻璃、光纤、复合材料、生物物质或其组合。在一些实施例中，所述多个预制块106中的至少一个预制块106包括金属材料。在一些实施例中，所述至少一个预制块106通过浇铸金属材料而形成。在一些实施例中，所述至少一个预制块106使用增材制造由金属材料形成。所述金属材料可包括呈元素形式的金属或合金。在一些实施例中，合金包括选自由镍、铁、铜、铝、铬、钛、钨、金、银或其组合组成的群组的金属。在一些实施例中，合金包括超合金，例如镍基沉积加强超合金。在一些实施例中，所述多个预制块106中的至少一个预制块106包括呈单晶形式、定向凝固形式或多晶形式的金属材料。在一些实施例中，所述多个预制块106中的每个预制块106可以单晶形式、定向凝固形式或多晶形式形成。

所述多个预制块106可包括相同或不同材料。如上文所论述，所述材料可在其成分、微观结构或其组合方面不同。在一些实施例中，所述多个预制块106包括部件100的一部分中具有与部件100的另一部分中的至少一个预制块106的材料不同的材料的至少一个预制块106。举例来说，部件100的一部分，例如所述多个层104中的一层，可包括由第一材料构成的至少一个预制块106，而另一部分，例如所述多个层104中的另一层，可包括由第二材料形成的至少一个预制块106。在这些实施例中的一些中，包括不同材料的所述多个预制块106可布置成例如产生成分上/功能上递变的部件。即，部件100的材料成分在一个或多个方向上逐渐变化。

在一些实施例中，所述多个预制块106中的至少一个预制块106可包括含有不同材料的至少两个部分。举例来说，预制块106的第一部分包括第一材料，且第二部分包括第二材料。图2示出一些实施例中的预制块106的示意图。预制块106具有基底108和外表面110。在一些实施例中，基底108包括第一材料，例如第一合金，且外表面110的至少一部分111包括第二材料，例如第二合金。第一材料不同于第二材料。在一些实施例中，第二材料具有比第一材料的熔融温度低的熔融温度。出于图解说明目的，图2示出使外表面110的一部分111处于基底108的一个面上的预制块106。然而，取决于预制块106的形状和在布置所述多个预制块106(图1)以形成部件100时预制块106的位置，所述预制块106可包括在所述预制块106的外表面110的其它部分(例如其它面)上的第二材料。第二材料在预制块106的外表面110的一个或多个部分上的存在可有助于以比熔融基底108的第一材料所需的温度低的温度熔融外表面110的一个或多个部分且将外表面110的一个或多个部分粘合到一个或多个邻近预制块。在外表面110的一个或多个部分上具有第二材料的预制块106可在铸造预制块106时形成，或通过将第二材料涂层涂覆在基底108的至少一个部分上而形成。

此外，在一些实施例中，所述多个预制块106中的至少一个预制块106可包括功能上递变的材料。即，所述至少一个预制块106的材料成分在一个或多个方向上逐渐变化。

图3是根据一些实施例的用于制造部件100(图1)的增材制造方法200的流程图。图4到5示出用于制造部件100的增材制造方法200的一个或多个步骤的示意性表示。如本文所描述的用于制造部件100的增材制造方法200可在受控气氛中执行，所述受控气氛包括预定浓度的氧气、氮气、含氮气体或其组合。

参考图1和3，在一些实施例中，增材制造方法200包括形成所述多个预制块106中的至少一个预制块106的步骤202。在一些实施例中，步骤202包括通过铸造形成所述至少一个预制块106。在某些实施例中，步骤202包括通过铸造形成所述多个预制块106。参考图2，在一些实施例中，方法200包括铸造具有包括第一材料的基底108和包括第二材料的外表面110的部分111的预制块106。在一些实施例中，方法200包括通过铸造形成预制块106的基底108以及将第二材料涂层安置在基底108的一部分上以形成外表面110的部分111。在一些实施例中，涂层安置在外表面110中应粘合到一个或多个邻近预制块上的一个或多个部分。涂层可通过任何合适的方法涂覆，例如物理气相沉积技术、化学气相沉积技术、无电极涂装技术、粉末涂装技术等等。

增材制造方法200包括以预定义方式布置多个预制块106以形成多个层104的步骤204。在一些实施例中，布置所述多个预制块106的步骤204包括将所述多个预制块106中的每个预制块106布置在预定位置处以形成所述多个层104。在一些实施例中，布置所述多个预制块106的步骤204包括在布置时将所述每个预制块106放置在预定位置处。可使用如图4到5中所示的机器装置(roboticdevice)150执行每个预制块106的放置。在一些实施例中，放置每个预制块106的步骤包括选取每个预制块106且将每个预制块106定位在预定位置处。在一些实施例中，步骤204包括多次重复放置预制块的步骤以用于放置每个预制块106，以便以所要预定义方式布置所述多个预制块106。在一些实施例中，布置所述多个预制块106的步骤包括选取个别预制块106，然后将所述个别预制块106定位在其相应的预定位置处以形成所述多个层104。

预定位置是指在以预定义方式布置多个预制块以形成多个层时所述多个预制块中的预制块的所要位置。预制块的预定位置可包括在布置所述多个预制块以用于形成部件的布局时预制块的位置和定向。

在下一步骤206中，增材制造方法200包括熔融所述多个预制块106中的每个预制块106的一个或多个部分。此类对每个预制块106的一个或多个部分的熔融实现所述多个预制块106彼此粘合。在一些实施例中，熔融步骤206包括在以预定义方式将所述多个预制块106布置在多个层104中之后同时加热所述多个预制块。在这些实施例中，每个预制块106包括基底108和外表面110，如图2中所示。外表面110包括第二材料，其具有比基底108的第一材料的熔融温度低的熔融温度。可在低于基底108的第一材料的熔融温度和高于外表面110处的第二材料的熔融温度的温度下执行加热。此类加热熔融外表面110的一个或多个部分(包括第二材料)以在所布置的所述多个预制块106中的邻近预制块106之间提供熔体。出于此目的的加热可在任何常规热处理炉中执行。

在一些实施例中，个别地执行对每个预制块106的一个或多个部分的熔融。在一些实施例中，熔融步骤206包括熔融每个预制块106的外表面的一个或多个部分。在一些实施例中，参考图2，方法200包括熔融外表面110的部分111，其包括具有比基底108的第一材料的熔融温度低的熔融温度的第二材料。

可使用例如集中能量源(focusedenergysource)的加热装置来执行熔融每个预制块106的一个或多个部分的步骤206。图4到5示出用于熔融每个预制块106的一个或多个部分的集中能量源160。集中能量源160可使用激光束或电子束。如所示，增材制造方法200包括引导来自集中能量源160的激光或电子束162以熔融多个预制块106中的预制块106的一个或多个部分。集中能量源160的操作、多个预制块106的布置和预制块106的多个层104的形成由计算机软件和自动化机器控制。可取决于待熔融的预制块106的外表面的一个或多个部分处的材料来选择集中能量源160的参数。

集中能量源160可包括激光装置、电子束装置或其组合。激光装置包括在某一功率范围和行进速度中操作以熔融至少一个预制块106的一个或多个部分的任何激光装置，例如但不限于光纤激光器、co2激光器或nd-yag激光器。在一个实施例中，所述功率范围包括但不限于介于125瓦与500瓦之间、150瓦与500瓦之间、150瓦与400瓦之间，或其任何组合、范围或子范围。在另一实施例中，所述行进速度包括但不限于介于400mm/秒与1200mm/秒之间、500mm/秒与1200mm/秒之间、500mm/秒与1000mm/秒之间、或其任何组合、子组合、范围或子范围。举例来说，在另一实施例中，集中能量源160在125瓦与500瓦之间的功率范围中以400mm/秒与1200mm/秒之间的行进速度操作。

在一些实施例中，至少在放置每个预制块106时或在放置后续预制块之前执行熔融每个预制块106的一个或多个部分的步骤206。如图4到5中所示，增材制造方法200包括在放置预制块122时或在放置后续预制块之前引导来自集中能量源160的激光或电子束162以熔融预制块122的一个或多个部分。在一些实施例中，如图4中所示，增材制造方法200包括在将预制块122放置在预定位置处之前熔融预制块122的外表面121的第一部分120。增材制造方法200还包括将预制块122放置在先前放置的预制块118上或与其相邻，使得预制块122的外表面121放置成与先前放置的预制块118的外表面119接触。在一些实施例中，如图5中所示，增材制造方法200包括在在放置预制块122之后且在放置后续预制块126之前熔融预制块122的第二部分124。在一些实施例中，方法200包括以下步骤：在放置预制块122之前熔融预制块122的外表面121的第一部分120，以及在放置预制块122之后且在放置后续预制块126之前熔融预制块122的外表面121的第二部分124。

在一些实施例中，机器装置150(图4到5)可包括一体化加热装置，例如一体化电热元件。这可有助于在使用机器装置150放置预制块106时熔融每个预制块106的一个或多个部分。在这些实施例中，增材制造方法200包括在放置每个预制块106时熔融所述多个预制块106中的每个预制块106的一个或多个部分。

增材制造方法200还包括冷却每个预制块106的一个或多个部分的熔体以使所述多个预制块106彼此粘合以形成部件100的步骤208，所述部件即增材制造的部件。在执行布置所述多个预制块106的步骤204和熔融每个预制块106的一个或多个部分的步骤206之后执行冷却步骤208。在一些实施例中，冷却步骤208包括冷却以预定义方式布置在多个层104中的所述每个预制块106的所述一个或多个部分的熔体。可通过在受控气氛中使用受控冷却速率冷却熔体来执行冷却步骤208以避免所述粘合在冻结/固化期间的破裂。

在完成冷却步骤208之后，所得部件100可进行一个或多个后加工处理以完成部件100。部件100的后加工处理可包括任何合适的后加工技术，例如但不限于热等静压(hip)、固溶热处理(solutionheat-treating)(固溶化(solutionizing))和/或应力消除。在一些实施例中，增材制造方法200包括使部件100经历一个或多个后加工处理。后加工处理可在惰性环境中执行。执行此类后加工处理以均匀化(homogenization)和优化材料的微结构且消除增材制造的部件的应力。在一些实施例中，所述一个或多个后加工处理可包括全部件炉内热处理、局部热处理，包括表面加热、激光加热、电子束加热等等。

应注意，所得增材制造的部件的机械性质可取决于金属材料、由铸造形成的预制块、激光工艺参数、电子束参数、后热处理参数或其组合。

在一些实施例中，如本文所描述的使用预制块的增材制造方法可与基于粉末的增材制造方法组合以制造一个或多个部件。举例来说，组合的增材制造方法可用于制造一个或多个部件的某些有难度的区段，例如带有悬伸部的部分。在一些实施例中，扩散粘合等其它粘合工艺可用于接合预制块。

使用如本文所描述的增材制造方法形成的包括多个预制块的增材制造的部件因预制块减小的孔隙度和良好的表面光洁度而呈现良好的表面质量。另外，使用本发明增材制造方法中的预制块有利地实现构建具有单晶形式、定向凝固形式或多晶形式(例如微观结构)中的一个或多个形式的部件或部件区段，且有利地实现制造有难度的区段，例如带有悬伸部的部分。此外，本发明增材制造方法显著加速制程，且与包括基于粉末的工艺的常规或现有增材制造方法中所需的制造时间相比，允许更短的制造时间。可通过变化预制块的大小来进一步实现显著的时间节省。

虽然本文中仅示出和描述本公开的某些特征，但所属领域的技术人员将想到许多修改和改变。因此，应理解，所附权利要求书旨在涵盖落入本公开的范围内的所有此类修改和改变。