粉末再循环添加制造设备和方法与流程

本发明大体上涉及添加制造，且更具体而言，涉及用于生产构件或部件的粉末再循环添加制造设备和方法。

背景技术：

添加制造是铸造的备选过程，其中逐层建立材料以形成构件或部件。与铸造过程不同，添加制造仅受限于机器的位置分辨能力(position resolution)，且不受限于如由铸造所需要的对于提供起模斜度、避免突出部等的需求。还通过术语(诸如“分层制造”、“倒置加工”、“直接金属激光熔化”(DMLM)和“3D打印”)称呼添加制造。出于本发明的目的，这些术语被当作同义词。

当前，粉末床技术已证明现有技术金属添加制造技术的最佳分辨能力。然而，因为建造需要发生在粉末床中，所以常规的机器使用大量粉末，例如，粉末装载量可为超过130kg(300lbs)。当考虑使用许多机器的工厂环境时，这是昂贵的。不直接熔化成部件，而是储存在邻近的粉末床中的粉末是有问题的，因为它给升降机系统增加重量，使密封和室压力问题复杂，对于在部件建造的结束时的部件修补是有害的，且在当前设想用于大型构件的大床系统中变得难以处理。

因此，仍存在对于能够生产构件而不使用粉末床的添加制造设备和方法的需求。

技术实现要素：

通过本发明来解决此需求，其提供添加制造设备，该添加制造设备以连续流的形式在建造平台的上方分配粉末。可选地，该设备使不使用的粉末再循环，以用于在制造过程中再使用。

根据本发明的一个方面，一种添加制造设备包括：支撑表面，其构造成支撑在其上的建造平台；粉末分配器，其配置在支撑表面的上方，该粉末分配器构造成分配粉末，且在支撑表面的上方可侧向地移动；刮擦器，其在建造平台的上方可移动，且构造成刮擦由粉末分配器分配在其上的粉末，以便在建造平台的上方提供粉末的层增量；以及定向能量源，其构造成以预定的样式熔化和熔融粉末的层增量，以便于形成部件。

根据本发明的另一方面，分配器构造成以预定的流动速率分配粉末的连续流。

根据本发明的另一方面，该设备还包括粉末供应组件，其配置在支撑表面的上方，且构造成将粉末供应至粉末分配器，其中该粉末分配器在粉末供应组件下面的第一位置和远离粉末供应组件的第二位置之间是可移动的。

根据本发明的另一方面，该设备还包括构造成将不使用的粉末收集在其中的收集漏斗，其中收集漏斗限定支撑表面。

根据本发明的另一方面，该支撑表面包括延伸穿过其的开口，该开口构造成准许不使用的粉末下落穿过支撑表面且到收集漏斗中。

根据本发明的另一方面，该设备还包括吹风器，该吹风器联接至收集漏斗，且构造成将被收集在收集漏斗中的粉末移动至粉末供应组件来用于再使用。

根据本发明的另一方面，粉末供给管使粉末供应组件和吹风器互相连接；空气返回管室粉末供应组件和吹风器互相连接；且粉末供应组件、收集漏斗、吹风器、粉末供给管和空气返回管限定可操作用于使粉末再循环的回路。

根据本发明的另一方面，粉末供应组件相对于支撑表面是可竖直地移动的。

根据本发明的另一方面，粉末供给管和空气返回管各自包括伸缩区段(telescoping section)的对。

根据本发明的另一方面，粉末供应组件包括具有连接至顶部壁的环形侧壁的旋流室；粉末供给管在偏离中心位置处全部进入该侧壁；且空气返回管在中心位置处进入该顶部壁。

根据本发明的另一方面，一种通过添加制造过程制作部件的方法包括以下步骤：(a)将建造平台支撑在支撑表面上；(b)横移定位在支撑表面的上方的粉末分配器跨过建造平台，同时分配来自粉末分配器的粉末的连续流，以便于使粉末堆积在建造平台的上方；(c)用刮擦器横越建造平台，以刮擦堆积的粉末，以便于形成粉末的层增量；(d)使用定向能量源以对应于部件的截面的样式熔融粉末的层增量；以及(e)重复步骤(b)到(d)的循环，来以逐层的方式建立部件。

根据本发明的另一方面，该方法还包括，在步骤(b)之前：将粉末分配器移动至在粉末供应组件的下面的第一位置，该粉末供应组件配置在支撑表面的上方；以及使来自粉末供应组件的粉末掉落到粉末分配器中。

根据本发明的另一方面，该方法还包括使用定位在支撑表面的下面的收集漏斗，以收集任何不使用的粉末。

根据本发明的另一方面，支撑表面包括延伸穿过其的开口，该开口允许不使用的粉末下落穿过到收集漏斗中。

根据本发明的另一方面，该方法还包括使用吹风器，该吹风器联接至收集漏斗，以将被收集在收集漏斗中的粉末移动至粉末供应组件来用于再使用。

根据本发明的另一方面，粉末供给管使粉末供应组件和吹风器互相连接；空气返回管使粉末供应组件和吹风器互相连接；且吹风器使粉末在从收集漏斗、穿过粉末供给管、且到粉末供应组件中的回路中再循环。

根据本发明的另一方面，该方法还包括，在步骤(b)-(d)期间，在建造平台上建立密闭壁(containment wall)，该密闭壁围绕部件。

根据本发明的另一方面，建造平台比密闭壁的外部宽度更宽，以便于限定突出部，且该方法还包括，在步骤(b)-(d)期间，准许过多的粉末建立在突出部上，以便于形成支持物，该支持物支撑密闭壁。

根据本发明的另一方面，选择突出部的宽度，以准许当部件和密闭壁处于最大预定高度时，该支持物维持预先选择的最小宽度。

根据本发明的另一方面，制造的物品包括：建造平台；配置在该平台上的部件；配置在平台上的围绕该部件的粉末的第一部分；和配置在平台上的围绕粉末的第一部分和部件的密闭壁。

根据本发明的另一方面，该物品还包括配置在平台上的围绕密闭壁的粉末的第二部分，该粉末的第二部分限定倾斜的支持物，该倾斜的支持物提供对于密闭壁的外部侧向的支撑。

根据本发明的另一方面，密闭壁具有一致的厚度。

附图说明

可通过参考结合附图作出的下列描述来最佳地理解本发明，在附图中：

图1是根据发明的一个方面构造的添加制造设备的右侧立视图；

图2是图1的添加制造设备的左侧立视图；

图3是在装载位置中的图1的添加制造设备的前横截面视图；

图4是在使用位置中的图1的添加制造设备的前横截面视图；

图5示出了被分配在支撑平台上的粉末；

图6示出了被刮擦或平整的粉末；

图7示出了通过激光熔融的图6的平整的粉末，以形成密闭壁和构件；以及

图8示出了密闭壁和在图5-7中示出的过程的多次通过之后建立的构件。

部件列表

10 设备

12 收集漏斗

14 支撑表面

16 建造平台

18 粉末供应组件

20 粉末分配器

22 刮擦器

24 吹风器

26定向能量源

28 射束操纵设备

30 第一支撑件

32 收集室

34 底部壁

36 收集点

38 槽道

40 密闭壁

42 部件

44 第二支撑件

46 供应容器

48 旋流室

50 滤网

52 储存室

54 粉末供给管

56 第一端部

58 第二端部

60 侧壁

62 空气返回管

64 第一端部

66 第二端部

68 顶部壁

54A 伸缩区段

54B 伸缩区段

62A 伸缩区段

62B 伸缩区段

70 穴

72 管口

74 第一轨道

76 底部壁

78 侧壁

80 开放顶部

82 顶部边缘

84 穴

86 第二轨道

100 侧向突出部。

具体实施方式

参考附图(其中遍及各种视图相同的参考标号表示相同的元件)，图1-4示出了用于执行本发明的制造方法的设备10。基础构件是具有构造成支撑一个或更多个建造平台16的支撑表面14的收集漏斗12、构造成供应粉末的粉末供应组件18、构造成接收来自粉末供应组件18的粉末，且使该粉末掉落到建造平台16上的粉末分配器20、用于平整掉落到建造平台16上的粉末的刮擦器22、构造成将包括在收集漏斗12中的粉末吹到粉末供应组件18中的吹风器24、用于熔化在建造平台上的平整的粉末的定向能量源26、和射束操纵设备28。出于此应用的目的，粉末可为任何可分配在层中且由辐射能量源熔融的粉末(例如，金属和塑料粉末)。将在下面更详细地描述这些构件中的各个。尽管未示出，但将理解的是，在使用中，整个设备10可被包封在惰性气体或其他合适大气的环境中，以防止非期望的氧化和/或污染，且以提供用于粉末的二级密闭。

收集漏斗12通过第一支撑件30来支承，且包括收集室32，收集室32构造成收集和储存不使用的粉末，该不使用的粉末从粉末供应组件18、粉末分配器20掉落、和/或是由刮擦器22从建造平台16移除的任何粉末。收集室32包括倾斜底部壁34，以促进收集的粉末移动至收集室32中的低点和/或收集点36。支撑表面14提供用于搁置建造平台16的平坦工作表面。表面14包括多个槽道38或形成在其中的其他开口，以提供有格栅的表面且准许使不使用的粉末掉落穿过槽道38且掉落到收集室32中。收集漏斗12可被固定在合适位置或可滑动地连接至第一支撑件30，以准许收集漏斗12的竖直移动。

建造平台16是板状结构，其提供构造成接收粉末的平坦建造平面，且准许定向能量源26在其上形成密闭壁40和密闭壁40的内侧的部件42。平台16可由任何能够准许定向能量源熔化在其上的粉末且准许建造平台16再用于多个添加制造过程的材料形成。例如，建造平台16可由金属或陶瓷材料形成。建造平台16在确定尺寸为比密闭壁40稍微更大，以使需要用于建造构件42的粉末的量最小化，且以允许使未使用的任何粉末掉落到收集漏斗12中。如所示出的，建造平台16在建造过程中定位在支撑表面14上。

粉末供应组件18由第二支撑件44支承，且可滑动地连接至其，以准许使粉末供应组件18竖直地移动。粉末供应组件18包括具有旋流室48、滤网50和储存室52的供应容器46。粉末供给管54连接在收集漏斗12和粉末供应组件18之间。更具体而言，粉末供给管54的第一端部56连接至收集室32的收集点36，且粉末供给管54的第二端部58延伸穿过旋流室48的环形侧壁60。此外，空气返回管62连接在吹风器24和粉末供应组件18之间。更详细而言，在中心位置处，空气返回管62的第一端部64连接至吹风器24的吸入侧，且空气返回管62的第二端部66连接至供应容器46的顶部壁68。吹风器24在收集点36处连接至收集室32，以将粉末吹到收集室32外，且经由粉末供给管54吹到旋流室48中。应当理解的是，吹风器24可为适用于经由粉末供给管54将粉末从收集漏斗12移动至粉末供应组件18的任何装置(诸如风扇或泵)。粉末供给管54和空气返回管62二者可由两个伸缩区段54A、54B和62A、62B形成，或以其他方式构造成准许粉末供应组件18和/或收集漏斗12的竖直移动。

旋流室48是大体柱状的，且构造成将粉末从夹带粉末的空气移除，该夹带粉末的空气经由粉末供给管54进入旋流室48。如所示出的，将粉末供给管54的第二端部58定位成偏离中心，以促进旋流作用。换而言之，定位粉末供给管54，使得夹带在空气中的粉末沿旋流室的侧壁60自旋，以将粉末从空气移除。使粉末掉落到滤网50上，且通过吹风器24的吸入侧经由空气返回管62将空气吸出旋流室48。要注意的是，从收集点36至吹风器24至粉末供给管54至储存室52，且由该处至粉末分配器20或收集室32的粉末再循环过程可连续或间歇地发生。

滤网50包括多个穴70，多个穴70具有适用于收集来自粉末的碎屑，同时允许好的粉末过滤穿过其，且过滤到储存室52中的预定尺寸。储存室52包括圆锥形管口72，圆锥形管口72构造成分配来自储存室52的粉末。应当认识到的是，管口72可具有任何适用于分配来自储存室52的粉末的形状。

粉末分配器20构造成经由管口72接收来自粉末供应组件18的粉末，且将粉末分配到建造平台16上。粉末分配器20由第一轨道74支承，以准许粉末分配器20横越支撑表面14。因为粉末分配器20横越支撑表面14，所以可围绕支撑表面14间隔多个建造平台16，以接收粉末。粉末分配器20包括底部壁76、从底部壁76朝外延伸的多个侧壁78和由侧壁78的顶部边缘82限定的开放顶部80。底部壁76包括延伸穿过其的穴84，且在其横越支撑表面14时，尺寸确定为使粉末以预定的流动速率从粉末分配器20掉落。开放顶部80尺寸确定为接收来自粉末供应组件18的管口72的粉末，且侧壁78构造成将粉末容纳在粉末分配器20中，且将粉末朝穴84引导。可选地，还可使用已知技术(诸如超声振动)振动粉末分配器20，以确保粉末以特定速率流动穿过穴84。

刮擦器22是刚性、侧向地细长的结构，其构造成刮擦配置在建造平台16上的粉末，由此平整粉末且移除任何过量的粉末。刮擦器22由第二轨道86支承，以准许刮擦器22横越支撑表面14。第二轨道86由第一支撑件30支承，以准许第二轨道86准许第二轨道86的竖直移动。

定向能量源26由第二轨道86支承，且可通过沿第一支撑件30移动第二轨道而相对于支撑表面14升起或降低定向能量源26。在下面更详细地描述，定向能量源26可包括任何已知的具有合适功率和其他操作特征的辐射能量源，以在建造过程期间熔化和熔融粉末。例如，可使用具有输出功率激光源密度的激光源，该输出功率密度具有大约10⁴ W/cm²的数量级。其他定向能量源(诸如电子射束枪)是激光源的合适备选方案。

射束操纵设备28包括一个或更多个镜子、棱镜和/或透镜，且设有合适的促动器，且布置成使得来自定向能量源26的射束“B”(见图6)可聚集至期望斑点大小，且被操纵至X-Y平面中与支撑表面14一致的期望位置。

促动器(未示出)可用于移动设备10的构件。更具体而言，促动器可用于选择性地沿第一支撑件30移动第二轨道86和/或收集漏斗12、沿第二支撑件44移动粉末供应组件18、沿第一轨道74移动粉末分配器20、和沿第二轨道86移动刮擦器22。促动器(诸如气动或液压汽缸、滚珠丝杠或线性电动促动器等)可用于此目的。此外，构件可键连接至支撑件或轨道，它们由该支撑件或轨道支撑，以提供允许构件移动的稳定的连接。如所示出的，使用燕尾件类型连接，然而，应当认识到的是，可使用任何类型的稳定且允许构件相对于支撑件和/或轨道移动的连接。

使用如上所描述的设备10的建造过程如下。在图3中示出，粉末分配器20和刮擦器22移动至初始位置，以允许建造平台16被固定至支撑表面14。如所示出的，粉末分配器20和刮擦器22沿第一和第二轨道74、86移动，以准许粉末分配器20通过将管口72与粉末分配器20的开放顶部80对齐而接收来自粉末供应组件18的粉末“P”(图5)。此外，第一和第二轨道74、86沿第一和第二支撑件30和44移动，以将粉末分配器20和刮擦器22定位在基本相同的海拔处，以防止粉末分配器20干扰定向能量源26，同时防止其横越支撑表面14。图7，该初始位置还将定向能量源26放置在合适的海拔处，以熔化配置在建造平台16上的粉末P的第一层。

粉末供应组件18经由管口72用粉末P填充粉末分配器20。一旦充满，粉末分配器20就使粉末P的连续流以受控的速率掉落穿过穴84。在填充其后，粉末分配器20可横越支撑表面14和建造平台16，从初始位置至端部位置(图4)，同时使粉末P的流掉落。掉落在支撑表面14上的粉末P下落穿过槽道38，以用于再循环，同时掉落到建造平台16上的粉末P形成粉末P的第一层。

刮擦器22然后横越支撑表面14和建造平台16，以跨过建造平台16水平地铺开粉末P的第一层，由此平整粉末P，以形成粉末P的第一层增量(图6)。该层增量影响添加制造过程的速度和部件42的分辨。作为示例，该层增量可为大约10至50微米(0.0003至0.002英寸)。在刮擦器22从左至右行进时，使任何过多的粉末P掉落穿过槽道38且到收集室32中，以用于再循环。其后，刮擦器22和粉末分配器20可收回至初始位置，在该处可用粉末P再次填充粉末分配器20。返回横移可被延迟，直到下面所描述的激光熔化步骤之后。如上所描述的，下落到收集室32中的过多的粉末P由吹风器24吹回到粉末供应组件18中。

定向能量源26用于熔化密闭壁40和正在建造的部件42的二维截面(图7)。如上所提及的，将密闭壁40连同部件42一起建造在建造平台16上。定向能量源26发射射束“B”，且射束操纵设备28用于以适当的样式在暴露的粉末表面上方操纵射束B的焦点“S”。通过射束B将粉末P的暴露的层加热至允许其熔化、流动且固化的温度。

粉末供应组件18和粉末分配器20可沿第二支撑件44以与第一层增量基本相等的距离竖直朝上地移动，以定位粉末分配器20来用于铺开与第一层类似厚度的粉末P的第二层。第二轨道86还沿第一支撑件30以与第一层增量基本相等的距离竖直朝上地移动，以定位刮擦器22来用于铺开粉末P的第二层，且以定位定向能量源26来用于熔化粉末P的暴露的第二层。可选地，收集漏斗12可沿第一支撑件30以与第一层增量基本相等的距离竖直朝下地移动，或可执行构件的朝上或朝下的竖直移动的组合(对于收集漏斗12为朝下，且对于粉末供应组件18、粉末分配器20、刮擦器22和定向能量源26为朝上)，以将收集漏斗12和粉末供应组件18、粉末分配器20、刮擦器22和定向能量源26之间的距离增加与第一层增量基本相等的距离。

一旦在合适位置，粉末分配器20从初始位置至端部位置横越支撑表面14和建造结构16，且施加粉末P的第二层。刮擦器22然后横越支撑表面14和建造平台16，以与第一层增量的厚度类似的厚度铺开施加的粉末P的第二层。备选地，取决于粉末分配器20的容量和从穴84的流动速率，在粉末分配器20从端部位置至端部位置往回横移(而不必须完成返回行程以再次填充)时，可施加粉末P的第二施加。引导能量源26再次发射射束Ｂ，且射束操纵设备28用于以适当的样式在暴露的粉末表面上方操纵射束B的焦点Ｓ。将粉末P的暴露的层加热至允许其既在顶部层内也与较低、先前固化的层熔化、流动且固化的温度。

重复移动构件、施加粉末P和定向能量源熔化粉末P的循环，直到整个部件42完成。连同部件42一起建立密闭壁40。

如在图7和8中所见，可将建造平台16制造地比密闭壁40的整体宽度更宽，从而产生侧向突出部100。该突出部100准许粉末P围绕密闭壁40的外部在建造过程期间建立在建造平台16上。缺乏外部支撑的粉末P趋向于以粉末P的自然静止角度倾斜。剩余的粉末P限定支持物“b”，其提供用于密闭壁40的外部横向支撑，使得可在建造期间维持其的完整性和壁厚度(即，壁厚度可与朝上延伸的密闭壁40一致)。可选择突出部100的侧向宽度(已知特定粉末P的静止角度)，使得粉末P的最小宽度“W”保持支撑密闭壁40，即使是在部件42和密闭壁40的最大高度“H”处。

如上所描述的设备和过程提供用于部件的添加制造的方式，而没有对于固定的粉末容器和有关的过多粉末需要的需求。这将在建造过程中节省时间和金钱，降低固定的装备的大小和复杂性，且增加建造过程的灵活性。

前面已描述粉末再循环添加制造设备和方法。在本说明书(包括任何附随的权利要求、说明书摘要和附图)中公开的所有特征，和/或由此公开的任何方法或过程的所有步骤可以以任何结合(除了此种特征和/或步骤中的至少一些互斥的结合之外)的方式结合。

在本说明书(包括任何附随的权利要求、说明书摘要和附图)中公开的各特征可由用作相同、等同或类似目的的备选特征替换，除非以其他方式特别地规定。因此，除非另外清楚地规定，否则公开的各特征仅为同等或类似特征的一般系列中的一个示例。

本发明不限于前述(多个)实施例的细节。本发明扩展在本说明书(包括任何附随的权利要求、说明书摘要和附图)中公开的特征中的任何新颖特征或任何新颖的结合，或扩展至如此公开的任何方法或过程的步骤中的任何新颖的步骤或任何新颖的结合。