技术领域
[0001] 本
发明涉及粉末
冶金的领域，其中通过
烧结金属粉末而获得金属部件。
[0002] 更具体地，通过特别创新的方式，本方法将
粉末冶金与
增材制造相结合；所述增材制造即通过增加材料(特别地通过堆叠相继多层)形成部件的方法。
[0003] 本发明将主要应用至制造部件的方法的领域，所述方法中形成所述部件的工序为物理工序，特别是熔化工序，紧接着是金属粉末的
凝固。
背景技术
[0004] 粉末冶金的经典方法中，在实施
热等静压(compression isostatiqueàchaud，CIC)的步骤前，粉末通常封装在固体封装件中，所述封装件为待制造的部件预先特制。
[0005] 但由于扩散
焊接，CIC步骤会导致大部分熔化的粉末
压实，这不易于控制，并且需要在制造所涉及的部件之前考虑到。
[0006] 考虑目前的通过增材制造形成部件的方法，传统上这些方法在于，通过粉末沉积辊将相继的二维(2D)薄层施用至
支撑件，借此从数码数据制成三维(3D)部件。
[0007] 成形例如与
电子束相关，所述电子束相继扫描每层并使粉末局部熔化。
[0009] 通过一些成型操作而获得成型制品，所述操作特别地包括清洁部件、去除支撑件、砂磨和
机械加工。
[0010] 然而目前在增材制造中使用的方法具有一些缺点。
[0011] 具体地，对于制造尺寸较大的部件(尺寸大于或等于2-3mm)，需要构建支撑制造中的部件的合适支撑件，并且使释放的
热能够排出。
[0012] 事实上，如前所述，为了熔化粉末再使其凝固，增材制造需要应用能量源(通常为电子束或
激光束)。电子束例如包括三维狭窄高能的热量的源头，其
温度可以达到或甚至超过1600℃，并且可以直到3000℃。因此，如果没有用于支撑并排出热的支撑件，成型部件会相对于要达到的形状严重
变形。
[0013] 使用支撑件一方面有益于防止成型制品出现变形，但另一方面存在缺点。
[0014] 更具体地，一旦凝固完成，在去除支撑件时必须将其从部件上拆卸。该操作导致在所述部件与支撑件
接触的
位置造成表面
缺陷。需要砂磨步骤以修正这些表面缺陷。
[0015] 例如，
专利文献WO 2013/092997描述了一种通过层层相继凝固而制造三维物体的方法，其中：
[0016] -将粉末层沉积在支撑件上；
[0017] -通过激光束使粉末层的外周熔化；
[0018] -通过施加电子束使粉末层的完整内部中间部分熔化。
[0019] 施行这些步骤会制造对外表面粗糙度最小的部件。
[0020] 然而，此处描述的方法具有一些缺点，特别地根据需要熔化部件的芯部或部件的外皮，需要使用两种能量源。
发明内容
[0021] 关于本发明，其在创造性的措施中提出粉末冶金与增材制造的技术的特别有益且原创的结合，从而获得一种方法，所述方法施行相继的步骤以最终获得三维部件或物体，所述部件或物体的尺寸可以较大并具有密实且均一的内部结构，所述物体能够表现出并进一步具有高度复杂的形式，而不需要在制造期间使用时常具有限制性的支撑件而支撑结构。
[0022] 还应注意到通过施行本发明的方法而获得的部件具有优越的特性，特别在
力学和各向同性方面。
[0023] 为此目的，本发明涉及一种由堆叠粉末层制造三维物体的方法，所述三维物体包括外皮和内部
三维网格，所述物体通过叠置若干粉末层而形成，每个粉末层包括至少一个外边缘，所述外边缘包围中央部分，所述中央部分包括内部网格，层的外边缘的叠置形成物体的所述外皮而层的内部网格的叠置形成物体的所述内部三维网格，方法中：
[0024] a)使总体表面S1的粉末层沉积在工作板上；
[0025] b)根据待制造的三维物体，通过例如电子束的能量束而对S1中包括的表面S2整体扫描，从而在所述表面S2的粉末颗粒之间形成微连接；
[0026] c)在第一熔化-凝固步骤期间，通过所述能量束而熔化外边缘或内部网格，所述内部网格穿入所述外边缘的宽度的一部分；
[0027] d)在第二熔化-凝固步骤期间，通过所述能量束而熔化外边缘或内部网格中选出的没有在所述第一熔化-凝固步骤期间凝固的元件，从而使所述网格穿入所述外边缘的部分二次熔化；
[0028] e)重复n次步骤a)至d)，从而形成叠置金属粉末的n个层，并且产生所述三维物体；
[0029] f)对三维物体进行热等静压。
[0030] 内部三维网格部分地穿入外皮中，这使得用于使粉末熔化-凝固的能量源所产生的热能够向层外部排出。
[0031] 有利地，熔化-凝固步骤c)和d)以及扫描步骤b)中所使用的能量源为电子束。
[0032] 根据本发明的另一个具体特征，优选地在
真空环境下实施所有步骤。
[0033] 有益的是，三维物体的内部三维网格的网格形成多个十二面体，或形成均一网格或具有尺寸梯度的任何其它几何形式。
[0034] 三维物体的三维网格的网格截面的宽度优选地在0.50与3.50mm之间。
[0035] 在根据本发明的增材制造方法的有利示例中，内部网格穿入外边缘中大约0.1至0.9mm。
[0036] 本发明具有许多优点，并且以原创的方式修正了
现有技术的方法的缺点。
[0037] 另一方面，本发明的方法提供在制造大尺寸三维部件时避免设置支撑件的解决方案，所述支撑件通常为形成待修正的表面缺陷的原因。
[0038] 另一方面，在本方法中设置的并且部分地穿入外边缘或外皮的三维网格促进消除通过能量源熔化粉末期间必然产生的热。
[0039] 还应注意到的是，本发明的方法实施得简单迅速。
[0040] 并且最重要的是，步骤b)会使粉末颗粒之间能够设置微连接，而不使粉末颗粒熔化；所述步骤b)在熔化-凝固步骤c)和d)之前实施，其中扫描所沉积的粉末层的整个表面S2。
[0041] 这些微连接的尺寸有利地为微米的数量级，例如若干微米，优选地在1与3μm之间，其给予粉末一种特别的密实性，其中所述粉末的颗粒既非自由的，而又未完全熔化。
[0042] 在实施步骤b)后获得的粉末的以及粉末层的每一个的这种结构或密实性，以及通过熔化-凝固获得的
外壳和内部网格，两者结合使得物体均一并且受控地变得密实，在热等静压最终步骤中最终获得优越的特性。
[0043] 因此，在本发明的方法中对三维物体或部件实施热等静压步骤，其中在外壳内部并且不计入外壳，高于粉末的体积的90％没有经受熔化，并且颗粒之间保留大约20至30％的一定比例的空缺。
[0044] CIC步骤会消除颗粒之间的这种空缺，所述颗粒没有熔化，但之间预先建立了微连接。
[0045] 与粉末颗粒经受过熔化的区域中存在的内部三维网格相结合，在CIC之前残余的空缺比例在CIC实施时会使三维物体能够规则均一地变形，这会给予该物体优良、均一的各向同性内部结构，特别地获得最佳的力学特性。
[0046] 作为对比，在现有技术的方法中，当对材料(其粉末颗粒几乎已经完全熔化)施用CIC时，尺寸消减经常是不规则的，最终部件可能会具有变形的外观。例如，通常获得称为“土豆状”的变形非球形部件，而不是实施本发明所获得的优选的圆形截面部件。
附图说明
[0047] 通过随后的参照所附附图的对本发明非限定性实施方案的详细说明，将显现出本发明的其它特征和优点，所述附图中：
[0048] -图1显示了通过实施根据本发明的方法的步骤而获得的三维物体(在本示例中为表示
马的塑像)的纵向截面的俯视图，并且显示了物体的外皮以及内部三维网格；
[0049] -图2示意性地显示了通过实施根据本发明的方法的步骤而获得的三维物体的多层之一的俯视图；在该图中，更加具体明显的是该层的三维网格穿入所述层的外皮的宽度的一部分。
具体实施方式
[0050] 如图1和图2所示，本发明涉及一种用于制造三维物体1的方法。
[0051] 根据本发明的制造方法更精确地在于通过叠置多个粉末(通常为金属)薄层4形成三维物体1，通过能量源或能量束能够在层4的一些位置熔化所述粉末。
[0052] 关于本发明的方法中所使用的粉末，通常为包括单一金属或者若干金属的混合物或
合金的金属粉末。
[0053] 然而，这种实施方案不应被视为限定性的，本发明的方法中所使用的粉末还可以例如包括陶瓷粉末。
[0054] 在具体的实施方案中，在实施本方法的不同步骤时使用“掺杂的”粉末，即在其中优选为金属的颗粒带有纳米微粒。
[0055] 关于粉末微粒的尺寸，其优选地在5μm与500μm之间变化。
[0056] 有益地，这提升了通过本发明的方法最终获得的三维物体1的力学性质。具体地，所述物体1具有更好的高温下的尺寸
稳定性，以及改善的对任何机械加工步骤的抗性。还能够通过这些方法获得功能化的材料。
[0057] 现在关于附图1再次参考三维物体1，其结构包括外皮2以及内部三维网格3。
[0058] 更具体地，现在参考图2，所述三维物体1由多个粉末层4形成，这些层4中的每一个包括外边缘20或外周边缘20，其包围中央部分5，所述中央部分5包括内部网格30。
[0059] 所理解到的是粉末层4的外边缘20的叠置最终形成三维物体1的外皮2。
[0060] 至于层4的内部网格30的叠置，其产生所考虑的物体1的内部三维网格3。
[0061] 为实现这一点，在本发明的方法的第一步骤a)中，具有总体表面S1的第一个金属粉末层4优选地沉积在例如工作板的基本上平整的表面上。
[0062] 贯穿该第一步骤a)，可以通过任何适于该目的并且本领域技术人员公知的手段进行粉末层4的沉积，具体地包括使粉末分布并铺开的手段。
[0063] 沉积的粉末层4的厚度通常为大约几十μm。作为示例而非限定，所述层4的厚度大约为50μm，但不超过200μm。
[0064] 在步骤a)期间施用第一个粉末(特别为金属粉末)层4之后，通过能量束对铺开的粉末层4的表面S1中包括的表面S2实施整体扫描。
[0065] 在该步骤b)期间整体扫描的表面S2取决于最终想要的三维物体1的形状。
[0066] 因此，举例而言，沉积的粉末层4可以具有长方形的表面S1，而在步骤b)期间扫描包括在S1中的圆形表面S2。
[0067] 也可以通过能量束扫描在步骤a)期间铺开的整个表面S1。在这种情况下，S1等于S2。
[0068] 能量束优选地为电子束。
[0069]
申请人特别有利地并且原创地确定，在方法中的这一
节点(在沉积步骤a)之后，而在熔化-凝固步骤c)和d)之前)实施该扫描步骤使粉末的颗粒之间形成微连接，而不产生任何熔化。
[0070] 通过施用电子束的温度上升，促进粉末颗粒(其尺寸大约为微米的等级)的扩散，能够在其间形成微焊接，而不至于使颗粒熔化。
[0071] 结果为一种原创结构，其中颗粒微连接或微焊接在一起。
[0072] 因此粉末颗粒不再是自由的，即其不再能够自由地流动，而在粉末颗粒之间的空隙处保留了一定比例的空缺。
[0073] 空缺的比例优选地在20％至40％之间变化，该比例对应于每个粉末层4的空缺表面除以经扫描的表面S2，或者空缺的体积除以在应用步骤a)至e)后获得的三维物体1的总体积。
[0074] 在通过电子束对表面S2进行整体扫描的步骤b)后，再通过能量源实施熔化-凝固第一步骤c)。
[0075] 在优选的实施方案中，在实施本方法期间(特别是在该步骤c)期间)使用的能量源为电子束，通过所述电子束以高速发射的电子轰击粉末微粒，在与微粒撞击时
动能使得能够产生热。该热足以使所述粉末微粒熔化，之后在冷却时使其凝固。
[0076] 本发明的方法的不同步骤有利地在真空下进行，例如在通过真空
泵置于并保持于真空的密封封装件中进行。
[0077] 具体地并且有利地，这防止了在粉末微粒之间产生因此必须排出的气体。该手段还防止了
氧化现象，使电子束能够正常生效。
[0078] 在熔化-凝固第一步骤c)期间，可以等同地实施熔化粉末层4的外边缘20或者熔化内部网格30，只要特别有益地使所述内部网格30的至少一部分网格(例如31、32、33)穿过所述外边缘20的宽度的一部分。
[0079] 优选地如附图2所示，内部网格的所有网格穿入所述外边缘20的宽度的一部分。
[0080] 通过能量源在外边缘20熔化粉末之后，通过将粉末微粒焊接在一起而在所述能量源停止之后直接使粉末微粒凝固。
[0081] 之后同样优选地通过构成能量源的电子束而进行熔化-凝固第二步骤d)。
[0082] 在该步骤d)期间，轮到在前一步骤c)期间没有受到能量源的元件(外边缘20或内部网格30)经受熔化。
[0083] 更具体地，通过这种方式，如果熔化-凝固第一步骤c)在粉末层4的外边缘20熔化粉末层4，熔化-凝固第二步骤d)就使内部网格30熔化，所述内部网格30的网格31、32、33至少部分地搭接在所述外边缘20上。
[0084] 相反，当熔化-凝固第一步骤c)使内部网格30的粉末能够熔化时，在步骤d)期间的第二熔化-凝固必须能够焊接粉末层4的外周边缘20处的粉末。
[0085] 考虑到内部网格30部分地穿入粉末层4的外周边缘20，此处的粉末颗粒经受两个熔化-凝固步骤。
[0086] 而且由于对于层4的每一层实施该双
重熔化-凝固，因此在最终的三维物体1中获得内部三维网格3，其穿入外皮2的厚度的至少一部分。
[0087] 材料在内部网格30部分地穿入边缘20的位置处“双重熔化”，这促进内部网格30的网格之间外边缘20与中央部分5之间的热交换，以及向物体1的外部的热交换。
[0088] 因此，内部网格30穿入外边缘20，这一事实使热能够特别有效地排出，所述热被能量源在处理层4的每一层以制造物体1期间散发。
[0089] 举例而言，这防止了在通过增材制造而制作部件过程中，在熔化操作期间由能量源释放的热的效果之下，部件的任何爆炸。
[0090] 并且，在实施涉及CIC的本方法的最终步骤(步骤f)期间，一旦通过叠置层4而获得三维物体1，内部三维网格30在外边缘20中的穿入会导致最终获得三维物体1的规则形成。
[0091] 必要时多次重复沉积粉末a)、整体扫描b)以及熔化-凝固c)和d)的步骤，以获得优选的三维物体1。
[0092] 以特别有利的方式，熔化整个第一个粉末层4，以及整个最后的粉末层，从而获得壳体形状的三维物体1，所述三维物体1包括外皮2和内部三维网格3，在热等静压的最终步骤之前，在其间保持未熔化但微连接的粉末的微粒。
[0093] 一旦形成三维物体1，一般地对于所述三维物体1的内部三维网格3，其有利地是划分体积的网状网格，甚至更有利地是十二面体形式，其进一步地改善向网格或物体1的外部排出热。
[0094] 然而，不能将这种实施方案考虑为对本发明的限定，成型物体1的三维网格3也可以具有划分出多个立方形式的网格(例如附图2中所示)，或甚至锥形，或者任何均一几何形状或具有尺寸梯度的几何形状。这意味着网格3的靠近外皮2的网格可选地能够具有比网格3的在中央部分的内部网格更小的截面。
[0095] 非常优选地，在本发明的方法中，在步骤c)或d)期间对层4的每一个实施通过数码数据手段定义的不同熔化路径，以产生划分体积的三维交织网格。
[0096] 考虑目前物体的不同元件的尺寸，有利的是例如物体1的内部三维网格3的网格截面宽度在0.50与3.50mm之间。
[0097] 实际上，已确定该宽度促进具体地由电子束散发的能量特别有效地排出。
[0098] 根据所述边缘20的宽度(其优选地在1.0与5.0mm之间)，每个层4的内部网格30的网格(例如31、32和33)有利地优选地穿入外边缘20的宽度几十毫米，例如在0.1与0.9mm之间。
[0099] 根据先前提及的本方法的具体特征，通过实施步骤b)，内部网格30的所述网格(例如31、32、33)之间，粉末颗粒或粉末微粒不经历熔化，而通过微连接而微焊接在一起。因此，三维物体1还在其内部并入未熔化的粉末微粒以及这些微粒之间的空缺。
[0100] 更具体地，通过实施本发明的方法获得的三维物体1的最终重量(不计入外皮2)的大于90％并且更优选地大于95％由未熔化的粉末的颗粒构成。
[0101] 可以有利地使用加入金属粉末(例如纳米微粒)的掺杂元件，其能够在常规地实施的溶解期间
气化或聚集。
[0102] 并且，在网格30的网格31、32、33之间保持未熔化的粉末，以及网格3的存在，特别地促进了在随后的热等静压(CIC)步骤f)后制作特别密实而均一的三维物体1。
[0103] 这还使在根据本发明的增材制造方法期间产生的热易于传递并排出。
[0104] 换而言之，步骤b)、c)和d)一方面在粉末微粒之间建立微连接而在其间保持空隙，另一方面建立内部三维网格3(其部分地穿入物体1的外皮2)；例如b)、c)和d)的步骤的重复在步骤f)的CIC时产生均一的尺寸收缩，从而产生最终部件。
[0105] CIC技术更具体地在于对实施步骤a)至e)后获得的三维物体1的
热处理，并且具体地使用高压来提高所述物体的性能。
[0106] 优选地使用惰性气体(例如氩)来获得该压缩。在一定时间内应用高的温度和压力产生最终物体1的特性的提高。
[0107] 通过避免使用时常具有限制性的起到支撑作用的支撑件，对于制造比较大尺寸的三维部件1，更具体地对于制造尺寸为毫米数量级和多达若干分米的三维部件1，本发明特别有益和有利。
[0108] 而且，与粉末冶金中常规使用的方法相反，本发明的方法不需要为CIC使用固体金属封装件。
