增材制造系統(tǒng)、設(shè)備和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總體涉及增材制造，并且更具體地涉及加工通過增材制造生產(chǎn)的物品的表面。
【背景技術(shù)】
[0002]增材制造是被用于通過材料的一層層疊加制作三維(3D)零件或產(chǎn)品。增材制造利用3D建模(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)或CAD)軟件、計(jì)算機(jī)控制的增材制造器械和粉末或液體形式的原材料。增材制造包含多種技術(shù)并且并入多種技術(shù)，諸如激光自由制造(LFM)、激光沉積(LD)、直接金屬沉積(DMD)、激光金屬沉積、激光增材制造、激光工程化凈成形(LENS)、立體平板印刷(SLA)、選擇性激光燒結(jié)(SLS)、熔融沉積建模(FDM)、多噴嘴建模(MJM)、3D打印、快速成形(rapid prototyping)、直接數(shù)字制造、分層制造和增材制作。另外，多種原材料可以被用于增材制造以生成產(chǎn)品。這些材料的示例包括塑料、金屬、混凝土和玻璃。
[0003]增材制造系統(tǒng)的一個示例是激光增材制造系統(tǒng)。激光增材制造包括在受控的大氣條件下噴射或以其他方式將粉末或液體注入聚焦的高功率激光束內(nèi)或多個高功率激光的連結(jié)內(nèi)，由此生成熔池。產(chǎn)生的沉積物然后可以用于建立或修復(fù)用于多種應(yīng)用的物品。注入到高功率激光束內(nèi)的粉末可以包含多種材料，其包括例如金屬、塑料等。
[0004]由增材制造形成的物品可能需要表面加工以提供更期望的產(chǎn)品。表面加工的一個示例包括磨光或以其他方式減小產(chǎn)品表面的粗糙度。由增材制造生產(chǎn)的表面可能具有粗糙表面光潔度，例如，約為600-1000微英寸Ra的級數(shù)。這種粗糙表面可能具有許多不良效果。例如，具有粗糙表面光潔度的零件在周期載荷環(huán)境中應(yīng)用受限，因?yàn)閼?yīng)力增加通常與高表面粗糙度有關(guān)。另外，粗糙表面可能阻礙節(jié)省成本的無損檢測系統(tǒng)的使用，因?yàn)榇植诒砻婀鉂嵍仍谶@種系統(tǒng)中產(chǎn)生高水平噪音。檢測系統(tǒng)的示例包括ND1、NDT、模具檢測(Dieinspect1n)、CAT掃描、X射線等。當(dāng)無損檢測方法用在具有相對光滑表面的零件上時，無損檢測方法被公認(rèn)為是用于識別這種零件內(nèi)的結(jié)構(gòu)缺陷的具有成本效益且精確的手段。
[0005]為了提高使用增材制造器械制作的零件的表面光潔度，必須使用常見的表面精整器械和技術(shù)在加工位置采取單獨(dú)的后加工步驟。然而，由于一些零件的復(fù)雜性，其表面的后加工可能繁重、昂貴且費(fèi)時。另外，常見的后加工表面精整方法可能對于減小一些復(fù)雜零件的內(nèi)表面的表面粗糙度無效，這導(dǎo)致產(chǎn)品達(dá)不到期望的屬性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]將期望提供增材制造系統(tǒng)和設(shè)備，因此，以有效且具有成本效益的方式加工制造的零件的外部表面和/或內(nèi)部表面，并且另外能夠加工具有復(fù)雜構(gòu)型的零件的表面。
[0007]在本公開的一個方面中，增材制造系統(tǒng)包括增材制造頭部和耦接到增材制造頭部的表面加工裝置。
[0008]在本公開的另一方面中，用于增材制造頭部的表面加工設(shè)備包括配置為耦接到增材制造頭部的外殼和耦接到所述外殼的表面加工裝置。
[0009]在本公開的又一方面中，使用增材制造頭部形成產(chǎn)品的方法包括使用增材制造頭部形成產(chǎn)品的一層或多層，以及使用耦接到增材制造頭部的表面加工裝置加工產(chǎn)品的一層或多層中的至少一層。
[0010]應(yīng)當(dāng)明白，本文中的特定示例意圖僅用于說明的目的，且不意圖限制本公開的范圍。
【附圖說明】
[0011]參照以下附圖和描述將更好地理解本發(fā)明。圖中的組件不必按比例縮放，其重點(diǎn)在于說明本公開的原則；
[0012]圖1是飛行器生產(chǎn)和維護(hù)方法的示例的流程圖；
[0013]圖2是飛行器的一個示例的方框圖；
[0014]圖3是增材制造系統(tǒng)的一個示例的仰視等軸視圖和由增材制造系統(tǒng)制造的零件或產(chǎn)品的一個示例的一部分；
[0015]圖4是圖3中所示的增材制造系統(tǒng)的一部分的俯視等軸視圖；
[0016]圖5是圖3中所示的增材制造系統(tǒng)的立面圖；
[0017]圖6是圖3中所示的增材制造系統(tǒng)的局部分解圖；
[0018]圖7是圖5中沿線7-7的截面圖；
[0019]圖8是圖3中所示的增材制造系統(tǒng)的方框圖的一個示例；
[0020]圖9是配置為加工產(chǎn)品的表面的一對表面加工裝置的一個示例的放大視圖；
[0021]圖10說明了激光束可以包含的多個形狀的示例；
[0022]圖11說明了具有各種不同尺寸的多個激光束；
[0023]圖12是增材制造系統(tǒng)的另一示例的俯視立面圖；
[0024]圖13是圖12中所示的增材制造系統(tǒng)的方框圖的一個示例；
[0025]圖14是圖12中所示的增材制造系統(tǒng)的一部分的立面圖；
[0026]圖15是圖12中所示的增材制造系統(tǒng)的一部分的立面圖；
[0027]圖16是增材制造系統(tǒng)的另一示例的方框圖的一個示例；以及
[0028]圖17是表面加工設(shè)備的另一不例的方框圖的一個不例。
【具體實(shí)施方式】
[0029]特別地參考附圖，本公開的實(shí)施例可以在如圖1中所示的飛行器制造和維護(hù)方法100和如圖2所示的飛行器102的背景中描述。在預(yù)生產(chǎn)期間，方法100可以包括飛行器102的規(guī)格和設(shè)計(jì)104以及材料采購106。在生產(chǎn)期間，進(jìn)行飛行器102的組件和子裝配件制造108以及系統(tǒng)集成110。此后，飛行器102可以經(jīng)歷檢驗(yàn)和交付112，以投入使用114。在顧客使用時，飛行器102定期進(jìn)行日常維修和維護(hù)116(其也可以包含修整、重新配置、翻新等等)。
[0030]方法100的每個處理可以被系統(tǒng)集成商、第三方和/或操作者(例如，顧客)來執(zhí)行或?qū)嵤榱吮菊f明書的目的，系統(tǒng)集成商可以包括但不限于任意數(shù)量的飛機(jī)制造商和主系統(tǒng)轉(zhuǎn)包商;第三方可以包含但不限于任意數(shù)量的銷售商、轉(zhuǎn)包商和供應(yīng)商;并且操作者可以是航空公司、租賃公司、軍事實(shí)體、服務(wù)組織等等。
[0031]如圖2所示，由方法100生產(chǎn)的飛行器102可以包含具有多個系統(tǒng)120的機(jī)身118和內(nèi)部122。高級系統(tǒng)120的示例包含推進(jìn)系統(tǒng)124、電氣系統(tǒng)126、液壓系統(tǒng)128和環(huán)境系統(tǒng)130中的一個或更多個。還可以包含任意數(shù)量的其它系統(tǒng)。雖然顯示的是航空航天示例，但本公開的原理還可以應(yīng)用于其它產(chǎn)業(yè)，例如汽車工業(yè)或其他行業(yè)。
[0032]本文呈現(xiàn)的系統(tǒng)和方法可在生產(chǎn)和維護(hù)方法100中的任何一個或更多個階段中使用。例如，對應(yīng)于生產(chǎn)處理108的組件或子裝配件可以以與飛行器102在使用中時生產(chǎn)的組件或子裝配件類似的方式被生產(chǎn)或制造。另外，一種或多種設(shè)備實(shí)施例、方法實(shí)施例或其組合可以在生產(chǎn)階段108和110期間被利用，例如，通過充分加快飛行器102的組裝或降低飛行器102的成本。同樣地，一個或多個設(shè)備實(shí)施例、方法實(shí)施例或其組合可以在飛行器102投入使用時被利用，例如但不限于，在維修和維護(hù)116中使用。
[0033]現(xiàn)在參考圖3-11，增材制造系統(tǒng)200的示例被說明且被配置為形成零件或產(chǎn)品204(見圖3)，其可以被利用于各種行業(yè)，包括但不限于航空航天、汽車等。增材制造系統(tǒng)200被配置為生成多種多樣的產(chǎn)品204，這些產(chǎn)品具有不同的形狀和尺寸，以及不同程度的復(fù)雜度。產(chǎn)品204可以由各種材料制成，包括但不限于金屬、鈦合金、鎳基合金(鉻鎳鐵合金)、不銹鋼和合金鋼、鈷基合金、塑料、聚合物、聚醚酰亞胺、尼龍等。
[0034]根據(jù)本公開的一個或多個方面，增材制造系統(tǒng)200能夠包含各種增材制造器械。在說明的示例中，系統(tǒng)200包括激光增材制造器械。本公開的系統(tǒng)的其他示例可以包含可替換的增材制造器械，諸如熔融沉積建模(FDM)、多噴嘴建模(MJM)、3D打印、快速成形、直接數(shù)字化制造、分層制造和增材制作器械。本文中說明的增材制造器械和增材制造器械的其他示例的詳述不意圖以任何方式限制本發(fā)明。更確切地說，說明的以及描述的增材制造器械意圖示范本公開的原則。增材制造系統(tǒng)200能夠包含任意類型的增材制造器械，并且所有的這些可能性意圖落入本公開的精神和范圍內(nèi)。
[0035]例如，參考圖16，增材制造系統(tǒng)200包括增材制造頭部208和耦接到增材制造頭部208的表面加工裝置212。例如，如圖3所示，系統(tǒng)200可以包括兩個表面加工裝置212，用于加工由增材制造頭部208形成的產(chǎn)品204的兩個表面216、220。例如，表面216、220可以分別是內(nèi)表面和外表面。如參照圖16所述，系統(tǒng)200也可以被配置為包括單個表面加工裝置212，其用于處理由增材制造頭部208形成的產(chǎn)品的單個表面。另外，系統(tǒng)200也可以包括多于兩個的表面加工裝置212，以用于處理由增材制造頭部208形成的產(chǎn)品204的任意數(shù)量的表面216、220。在說明的系統(tǒng)200中，兩個表面加工裝置212在結(jié)構(gòu)和功能上基本類似。在系統(tǒng)200的其他示例中，系統(tǒng)可以包括兩個或多個表面加工裝置212，并且這種裝置在結(jié)構(gòu)和功能上可以不同。本文的描述和相關(guān)附圖包括具有類似結(jié)構(gòu)和功能的兩個類似的表面加工裝置212。這些描述和附圖不意圖作為限制，而是被提供以表明本公開的各個方面的許多可選方案是可行的，其中所有這些可選方案意圖落入本公開的精神和范圍內(nèi)。
[0036]參照圖3-11說明的系統(tǒng)200，兩個表面加工裝置212在結(jié)構(gòu)和功能上類似。因此，將僅更詳細(xì)描述其中一個表面加工裝置212。表面加工裝置212被配置為磨光由增材制造頭部208形成的產(chǎn)品的表面。也就是說，表面加工裝置212被配置為減小由增材制造頭部208形成的產(chǎn)品的表面的粗糙度。表面加工裝置212被可移動地耦接到增材制造頭部208。表面加工裝置212也可以可旋轉(zhuǎn)地耦接到增材制造頭部208。表面加工裝置212可以以各種方式被耦接到增材制造頭部208。增材制造系統(tǒng)200還包括外殼224，所述外殼可旋轉(zhuǎn)地耦接到增材制造頭部208。表面加工裝置212被耦接到外殼224。外殼224被配置為關(guān)于虛擬的縱向中心軸228旋轉(zhuǎn)(圖5)，所述縱向中心軸縱向延伸并且通過增材制造頭部208的中心。例如，如圖8所示，系統(tǒng)200可以包括工具328，其用于相對于增材制造頭部208可旋轉(zhuǎn)地定位外殼224。在一個方面中，工具328可以是耦接到外殼224的伺服馬達(dá)。再次參照圖3，外殼224可以經(jīng)由例如增材制造頭部208和外殼224之間的球軸承240可旋轉(zhuǎn)地耦接到增材制造頭部。在一個示例中，工具328可以被耦接到外殼224，其用于相對于增材制造頭部208可旋轉(zhuǎn)定位外殼224。
[0037]例如，參照圖3和圖5，當(dāng)增材制造頭部208相對于被形成的產(chǎn)品204移動時，表面加工裝置212具有相對于增材制造頭部208的尾隨取向(tailing orientat1n)。工具328相對于增材制造頭部208可旋轉(zhuǎn)地定位外殼224，以便表面加