制造装置和方法与流程

背景技术：

在商业上常规地使用kroll和hunter工艺制造钛。这些工艺以非常大的规模进行，是能量密集的，并且涉及使用污染性材料例如氯。两种工艺的产品是海绵钛的固体块，并且使用固结、重熔和机械加工工艺由海绵钛制备钛或钛合金制品需要大量另外的成本和能量消耗。

考虑必须使用kroll或hunter工艺制造的海绵钛的质量与由海绵钛制成的成品中使用的钛的质量之间的比率是有益的。(钛或钛合金组件由于钛的高强度和低密度而通常被特别用于飞机中，并因此，技术人员有时将上述比率称为“买对飞(buy-to-fly)”比率。)该比率通常为3:1至10:1。浪费的材料通常在机械加工期间损失，并且具有不期望的高氧含量，使得其不能容易地再循环。高的“买对飞”比率是常规的钛制造制品的高成本和这些制品中不期望的高嵌入能量的重要因素。

尽管在此参照钛和钛合金描述了这些考虑，但是在制备由其他金属制成的制品时也出现了类似的问题。

因此，对于制备金属制品例如钛和钛合金制品的替代方法存在技术上和商业上的需求。

技术实现要素：

本发明提供了如所附独立权利要求中限定的装置、方法、产品、控制系统和控制方法，现在应参考这些独立权利要求。本发明的优选的或有利的特征在从属权利要求中进行了陈述。

因此，在第一方面中，本发明可以提供用于制造金属制品的装置，其包括：用于将原料电化学还原为金属产物的还原装置；用于将金属产物转化为金属粉末的处理器；以及用于由金属粉末制备金属制品的增材制造装置。优选地，还原装置、处理器和增材制造装置是并置的，或者位于相同场所，并且可以通过适当编程的控制器布置和控制以协同地操作。例如，可以控制还原装置以生产期望的金属产物，以便通过处理器处理以形成期望的金属粉末。然后将粉末输入至增材制造装置以制备期望的制品。因此，可以控制还原装置和处理器以便仅在需要金属粉末用于增材制造装置时或在需要金属粉末用于增材制造装置之前不久生产期望的金属粉末，减少浪费并且减少对储存或贮存增材制造尚不需要的粉末的需要。

相比之下，常规的增材制造工艺需要储存或运输金属粉末。消除这些需要对于某些金属材料是特别重要的，例如钛和钛合金，其中必须小心控制储存条件和运输条件二者以防止粉末降解并避免安全风险例如火灾风险。

在该文中，提及钛合金可以采取包括含大于50重量％的钛的基于钛的合金。

为了便于安装和操作，还原装置、处理器和增材制造装置可以位于容器或便携式建筑物中。该容器或建筑物可以是便携式的，以使得装置能够在将装置作为单元运输到待制造金属制品的位置之前在中间位置(例如工厂)制造和组装。装置可以通过任何方便的方法运输，例如任何容器运输方法。

这样的装置可以被运输到可能期望能够制造金属制品的例如建筑施工场所或临时工厂或灾区。在这样的设置中的增材制造允许很大的自由度以制作不同形状的制品，并且装置允许使用不同的原料，使得金属制品可以根据需要由不同的金属或合金制成。

有利地，并置的装置可以在可能期望能够制造金属制品的原本不可接近的位置处(例如在船上)实施。在这样的位置的另一个优点是仅需要储存用于制造工艺的非金属原料，而无需储存可能易燃或者可能随着时间通过氧化而劣化的用于增材制造的金属粉末。

优选地，还原装置包括电化学池，其中，在使用时，阳极和阴极接触熔盐并且原料接触阴极和熔盐。电源向阴极施加阴极电势，使得原料被还原为金属产物。因此，可以使用例如在wo99/64638中描述的电还原或电分解工艺。原料优选为粉末的形式，并且优选地，将其还原为对应于原料粉末颗粒的金属颗粒形式的金属产物。(产物中的金属颗粒可以通过还原工艺部分烧结，并且可以优选地通过压碎或粉碎过程分离。)

此外，还原装置可以包括用于将原料装载到阴极上的装载单元，以及预加热单元，所述预加热单元用于加热待浸入熔盐中的原料和阴极，以便避免热冲击或者在阴极浸入时熔盐的不期望冷却。阴极可以是托盘形阴极，其包括扁平底部和在边缘处凸起的周边凸缘，用于保持粉末形式的原料床。在还原之后，载有金属产物的阴极有利地可从电化学池中移出，并且可移动至冷却单元中，所述冷却单元用于在通过处理器处理金属产物之前冷却阴极和金属产物。

在一个优选的实施方案中，载有原料的阴极可在装载单元内水平移动或者可从装载单元水平移动，直到该阴极位于阳极下方，并且然后，阳极和阴极可以垂直地下降到熔盐中。在将原料还原以生产金属产物之后，在载有金属产物的阴极水平移动至冷却单元中之前，阳极和载有金属产物的阴极可以垂直地从熔盐中升起。选择阴极和原料以及阴极和还原之后的金属产物的水平移动以便增强还原工艺的自动化，并且以使装载单元和冷却单元能够方便地定位在电化学池旁边，从而减小装置的体积和容纳装置所需的空间。阴极的水平移动和垂直移动以及阳极的垂直移动可以进而通过自动化机器来控制和进行。

在电还原之后，通过处理器处理金属产物，在处理器中首先优选地洗涤金属产物以除去在冷却之后保留在产物上的任何盐。处理器可以另外地包括粉碎机或压碎装置，所述粉碎机或压碎装置用于将金属产物粉碎或压碎以生产金属产物的金属颗粒。这些颗粒可能不是全部具有相同的形状或尺寸，但是可以在该粉碎过程之后使用金属颗粒作为用于增材制造的金属粉末而无需另外的处理步骤，只要颗粒的性质适于输入至增材制造工艺。例如，增材制造工艺如等离子喷涂可以对颗粒的尺寸和形状相对宽容，因此粉碎的颗粒可以适用于此。

另一些增材制造工艺可能需要在颗粒可以使用之前进一步处理颗粒，并且处理器进而可以包括分级器或筛选装置，所述分级器或筛选装置用于选择待形成金属粉末的金属颗粒的预定尺寸范围。处理器可以另外包括球化装置，所述球化装置用于将分级的金属颗粒球化以生产金属粉末。

根据用于电解还原的原料，金属颗粒可以包含应在增材制造工艺之前除去的颗粒，例如杂质颗粒。例如，如果增材制造工艺是使用钛粉末，则钛原料可能包含通常发现与钛矿石结合的杂质例如铁。在这种情况下，处理器可以包括用于除去不期望的颗粒例如杂质颗粒的装置。该装置可以包括例如，用于使金属颗粒中的铁磁性颗粒与非铁磁性颗粒分离的磁力分离器、或者用于除去低密度颗粒或高密度颗粒的浮选装置。

原料有利地为金属化合物的粉末或金属化合物的混合物的形式，其包含期望的金属粉末所需的金属元素。原料可以具有在还原时产生对于金属粉末合适的粒度或粒度分布的粒度或粒度分布。

在一个优选的实施方案中，增材制造装置可以包括诸如以下的装置：3d打印机、选择性激光熔化机(selectivelasermeltingmachine)、选择性激光烧结机(selectivelasersinteringmachine)、选择性电子束熔化机(selectiveelectron-beammeltingmachine)、或者用于由金属粉末制造期望的金属制品的其他装置。因此，另一选择可以是喷涂装置，例如等离子体喷涂装置。

在许多类型的增材制造装置中，供给至增材制造装置的很大一部分金属粉末不形成金属产物的一部分，而是通过增材制造工艺氧化形成氧化金属粉末。例如，在3d打印装置如选择性激光熔化装置中，连续的金属粉末层沉积在装置的床中，并且每个层通过激光扫描以使粉末局部熔化并形成期望的制品。未熔化以形成制品的一部分的粉末可以从该床移除，并且在一些情况下可以再用于其他产品的增材制造，但在许多情况下其不能再使用，原因是靠近扫描激光或电子束的粉末在增材制造期间被加热并且可能由于这种加热而降解，即使选择性熔化过程在惰性气体下进行。例如，如果粉末为钛粉末，则加热导致氧化物表面层溶解到已经被加热的本体颗粒中。在冷却时，氧保留在本体中，并且当颗粒暴露于空气时，形成新的表面氧化物层。以这种方式，颗粒的氧含量增加，使得增材制造工艺产生氧化金属颗粒(尽管是在惰性气氛中进行)。

根据本发明的另一个方面，该问题可以通过使氧化金属粉末再循环通过电解池来解决。换句话说，通过增材制造工艺产生的氧化金属粉末可以用作还原装置的原料或原料的组分。氧化金属粉末可以以这种方式被有效地处理，以减少其氧含量并将其优化以进一步用于增材制造装置。

氧化金属粉末可以自身装载到阴极上以进行电解还原，或者其可以与金属化合物或矿石形式的新原料混合以生产期望的金属粉末。关于采用哪种选择方案的决定取决于金属粉末的期望组成以及可用的新原料和氧化金属粉末的量。由于与非导电金属化合物原料粉末混合的氧化金属粉末的金属性质，所以可以有益的是，将一部分的氧化金属粉末与阴极上的一部分新原料混合以通过改善经过阴极上的大部分原料的电传导来促进新原料的电还原。

本发明的优选实施方案的显著优点在于该装置由各种各样的不同金属组合物生产金属制品的灵活性，所述金属组合物包括用于先进技术应用(例如，用于医疗设备、或用于医疗植入物、或用于航空航天应用)的高性能金属组合物。控制用于增材制造这样的制品的金属粉末的品质是非常重要的，控制所使用的合金组合物也是如此。如果增材制造装置能够制备用于各种应用的制品，则必须向增材制造装置供给每种应用所需的特定合金组合物的高品质金属粉末。为了提供这样的灵活性和高品质，增材制造操作者通常必须保持它们可能需要的每种合金的备料并且将这些备料储存在适当控制的条件下，但是通过将电解还原装置与增材制造装置并置，操作者可以简单地在现场制造期望的金属粉末，解决了现有技术的问题并且提供了灵活且高品质的制造系统。

为了实现这些目的，期望选择并提供合适的原料，所述原料包含一种或更多种含有与形成期望的金属产物的元素对应的元素的化合物。还期望适当地进行还原步骤和处理步骤以将原料还原为期望的金属产物，并且控制处理器以生产期望的金属粉末。为了实现此目的，在本发明的一个优选方面中，通过适当编程的控制器控制该装置，并且任选地，控制器与可以提供专家系统控制的远程服务器通信。例如，系统操作者可以提供或安装体现本发明的装置，用于还原原料并通过增材制造生产金属制品。当制作金属制品需要期望的金属合金时，系统操作者可以随后为电化学池提供或指定合适的原料，并且可以提供控制参数(例如，由远程服务器向位于本地的控制器提供控制参数)以控制装置来生产期望的金属粉末以及甚至制备期望的金属制品。

以这种方式，通过使用由远程服务器操作的专家系统(或系统控制器)，结合装置的本地控制器，可以尽可能远地自动化生产金属制品。

在一个优选的实施方案中，系统操作者可以提供预包装量的原料用于电解还原。结合由远程服务器提供的专家系统控制，即使在不同时间需要不同的合金来制作不同的金属制品，这也可以有利地确保装置的高性能和高品质产品。

专家系统或远程服务器还可以有利地接收来自装置的反馈，以便在装置的操作期间保持控制。如果该装置被用于还原现场制备的原料，例如包含金属化合物和如上所述通过增材制造工艺产生的氧化金属粉末的混合物的原料，则也可以使用反馈。

可以有利地选择原料参数以便生产不仅具有期望组成而且具有另一些期望特性例如期望粒度的产物。因此，例如，原料可以包含已知可还原为具有期望的较小粒度范围的金属颗粒的在特定尺寸范围内的颗粒。这可以使处理器中金属材料的浪费最小化。

应注意，一个远程服务器可以耦接至可以体现本发明的多个制造装置并且控制所述多个制造装置，它们可以在不同的位置处。

如果需要，系统操作者可以更新由远程服务器提供的控制，以便连续地提供连接至其的所有制造装置的有效控制。

为了保持制造的期望灵活性，电化学池和处理器有利地被指定能够生产量适于被与它们并置的增材制造装置消耗掉的金属粉末。因此，例如，装置可以有利地能够每天生产6kg至12kg金属粉末。因此，装置的总尺寸可以有利地比用于生产金属产物的常规机器小得多。例如，关于钛，装置可以有利地比kroll反应器小得多。

因此，本发明的实施方案可以提供许多优点。例如，它可以解决现今获得诸如钛粉末的材料的相对低效的方式。另一些考虑是储存大量以其易燃性而闻名的钛粉末的健康和安全影响；易燃性也与粉末的尺寸有关，粉末越细，其越易燃。通过减少或消除对储存或运输金属粉末的需要，本发明可以解决这些问题。本发明不是购买和储存大量昂贵且危险的粉末，而是可以有利地提供一种全方位的机器，其可以将氧化物原料处理成金属粉末以与3d打印机联合使用。该装置还可以协同地实现不合规格的粉末的再生，所述不合规格的粉末由于如上所述的3d打印机中的热循环而在氧含量方面已经偏离了规格。通常，氧化粉末的再生需要将浪费的粉末返回至粉末制造商以在场外脱氧，然后返回至增材制造商。本发明可以有利地提供具有并置的后处理单元的小占地面积的生产单元，所述后处理单元可以将用于3d打印机的粉末清洁，干燥和装袋，并且使在3d打印机中氧化的粉末再循环，所有的这些能够在一个场所在一台机器上实现。

本发明还可以提供用于通过操作本文所述的装置制造金属制品的方法，以及使用所述方法或装置制造的金属产品。

总之，因此，本发明可以有利地提供如以下编号段落中陈述的装置和方法，其中陈述了所述装置和方法的优选特征。

1.一种用于制造金属制品的装置，包括：

用于将原料电化学还原为金属产物的还原装置；

用于将金属产物转化为金属粉末的处理器；以及

用于由金属粉末制备金属制品的增材制造装置。

2.根据段落1所述的还原装置，其中处理器和增材制造装置是并置的，或者位于相同场所。

3.根据段落1或2所述的增材制造装置，其中还原装置、处理器和增材制造装置位于容器或便携式建筑物中。

4.根据任一前述编号段落所述的装置，其中还原装置包括：电化学池，在电化学池中，在使用时，阳极和阴极接触熔盐并且原料接触阴极和熔盐；以及电源，所述电源用于向阴极施加阴极电势使得原料被还原为金属产物。

5.根据段落4所述的装置，其中还原装置包括用于将原料装载到阴极上的装载单元以及用于加热用以浸入熔盐中的原料和阴极的预加热单元。

6.根据段落4或5所述的装置，其中载有金属产物的阴极可从电化学池中移出，并且其中还原装置包括冷却单元，所述冷却单元用于在通过处理器处理金属产物之前使阴极和金属产物冷却。

7.根据段落5或6所述的装置，其中在将原料在装载单元中装载到阴极上之后，使载有原料的阴极水平移动直到阴极位于阳极下方，阳极和阴极然后下降到熔盐中。

8.根据段落5、6或7所述的装置，其中在将原料还原以产生金属产物之后，在将载有金属产物的阴极水平移动至冷却单元中之前，将阳极和载有金属产物的阴极提升离开熔盐。

9.根据任一前述段落所述的装置，其中处理器包括粉碎机，所述粉碎机用于将金属产物粉碎以产生金属产物的金属颗粒；并且优选地还包括分级器或筛分装置，所述分级器或筛分装置用于选择预定尺寸范围的金属颗粒以形成金属粉末。

10根据段落9所述的装置，其中处理器包括球化装置，所述球化装置用于将金属颗粒球化以产生金属粉末。

11.根据段落9或10所述的装置，其中处理器包括磁力分离器，所述磁力分离器用于使金属颗粒或金属粉末中的铁磁性颗粒分离于非铁磁性颗粒。

12.根据任一前述段落所述的装置，其中增材制造装置包括3d打印机，例如选择性激光熔化机、选择性激光烧结机或选择性电子束熔化机。

13.根据任一前述段落所述的装置，其中增材制造装置包括喷涂装置，例如等离子体喷涂装置。

14.根据任一前述段落所述的装置，其中金属粉末包含钛或基于钛的合金。

15.根据任一前述段落所述的装置，其中供给至增材制造装置的部分金属粉末的不形成金属产物的一部分，而是通过增材制造工艺氧化形成氧化金属粉末，并且其中氧化金属粉末作为原料或作为原料的组分被供给至还原装置。

16.根据任一前述段落所述的装置，其中原料包含含有与形成金属产物的元素对应的元素的化合物。

17.根据任一前述段落所述的装置，其中原料包括形成金属产物的元素的天然矿石，例如金红石。

18.根据任一前述段落所述的装置，所述装置能够每天生产6kg至12kg金属粉末。

19.一种用于由粉末原料制造金属制品的方法，包括控制预定原料的电化学还原以产生金属产物，将金属产物转化为金属粉末，以及通过增材制造由金属粉末制备金属制品。

20.根据段落19所述的方法，包括以下步骤：将原料装载到阴极上，预加热原料和阴极，然后将原料和阴极浸入用于电还原原料的熔盐中。

21.根据段落20所述的方法，包括以下步骤：将载有金属产物的阴极从电化学池中移出，以及在通过处理器处理金属产物之前使阴极和金属产物冷却。

22.根据段落20或21所述的方法，包括以下步骤：在将原料装载到阴极上之后，使载有原料的阴极水平移动直到阴极位于阳极下方，以及使阳极和阴极下降到熔盐内。

23.根据段落20、21或22所述的方法，包括以下步骤：在将原料还原以产生金属产物之后，在将载有金属产物的阴极水平移动至冷却单元中之前，将阳极和载有金属产物的阴极提升离开熔盐。

24.根据段落19至23中任一段所述的方法，其中金属产物的转化包括将金属产物粉碎以产生金属产物的金属颗粒，以及将金属颗粒分级或筛选以选择预定尺寸范围的金属颗粒以形成金属粉末。

25.根据段落19至24中任一段所述的方法，其中金属产物的转化包括将金属颗粒球化以形成金属粉末。

26.根据段落19至25中任一段所述的方法，其中金属产物的转化包括使金属颗粒或金属粉末中的铁磁性颗粒磁分离于非铁磁性颗粒。

27.根据段落19至26中任一段所述的方法，其中金属粉末包含钛或基于钛的合金。

28.根据段落19至27中任一段所述的方法，其中供给至增材制造装置的部分金属粉末不形成金属产物的一部分，而是通过增材制造工艺氧化形成氧化金属粉末，并且其中所述方法包括将氧化金属粉末作为原料或作为原料的组分供给至还原装置的步骤。

29.根据段落19至28中任一段所述的方法，包括控制装置以每天生产6kg至12kg金属粉末。

本发明的具体实施方案和最佳实施方式的描述

现在将参照附图以实例的方式描述本发明的具体实施方案，其中：

图1为本发明的第一实施方案的示意图；

图2为本发明的第一实施方案的还原装置的示意图；以及

图3为本发明的第一实施方案的处理装置的示意图。

本发明的第一实施方案是高度自动化的系统，其与可比的常规装置相比，在占地面积减小的情况下，每24小时周期生产6kg至12kg钛和/或钛合金粉末。该系统或单元包括还原装置2、处理器4和选择性激光熔化装置6。

还原装置包括用于还原原料的电化学池，所述原料为金属化合物粉末、或氧化金属粉末(作为增材制造工艺的副产物产生)、或者两者的混合物的形式。处理器包括用于处理还原阶段的金属产物以及在惰性气氛中进行产物清洁、尺寸化和装袋的阶段。

该实施方案中的单元的尺寸和设计基于选择性激光熔化(slm)机器6的材料进给要求。这样的机器的平均床质量为50kg至70kg并且沉积速率为40g/小时至160g/小时，总计约2.4kg/天。电子束熔化(ebm)机器通常具有稍微较小的床质量，为20kg至50kg；但具有更快的沉积速率，为约500g/小时，这相当于约12kg/天的金属粉末原料需求。本发明的实施方案可以被构造成覆盖这些情况中的任一个。

在操作中，将原料装到阴极托盘上，然后将其放入预加热装置8中。托盘运输机10将托盘从预加热移动至电化学还原室12，并且当电还原周期结束时，托盘运输机10将其上具有还原金属产物的托盘移动至冷却站14中。然后，还原装置准备接受另一托盘以继续周期。然后在室温时取出托盘并使其进入处理器4，在处理器4中将其浸泡在浴(未示出)中以从金属产物中除去不期望的盐。然后，通过以下过程对呈轻微烧结块形式的所得产物进行进一步的后处理：压碎或粉碎16，进一步洗涤和研磨18，磁分离以除去铁磁性杂质20，在氩气中干燥22，筛分或分级24，以及包装26以供给至slm装置。优选地，对产物另外进行等离子体球化(未示出)，之后将其包装以作为球形金属粉末供给至slm装置。

本发明的一个优选实施方案的一个目的是提供用于进行以下步骤的紧凑且高度自动化的仪器：将氧化物粉末放置在阴极托盘上；将托盘上的氧化物粉末输入至装置；进行电解并取回托盘；将还原的金属产物进给至处理器，该处理器将产物的轻微烧结的块或块状物压碎；洗涤并干燥所得金属微粒；在氩气下磁分离金属杂质并随后将粉末装袋以便储存或球化；以及供给至增材制造工艺。

这样的装置可以处理具有多种合金元素的任何钛合金，并且使先前通过slm装置处理但是没有形成通过slm过程生产的金属制品的一部分的粉末再生。

可以设想，电化学池中的熔盐，优选氯化钙和氧化钙的混合物，将包含在设置有阴极保护以避免腐蚀的金属坩埚中，阳极将能够上下移动，同时托盘将从预加热横向行进到阳极下方，然后与阳极一起垂直地行进到浴中，并且(在还原之后)向上和侧向地行进到冷却室中，如图2所示。

电化学池被设计为以下规格：

电流密度：5000a/m2至7500a/m2

托盘载量(氧化物)：6kg至12kg

周期时间：12小时至24小时

金属产量：5kg/天至8kg/天

阳极直径和阴极直径：40cm至60cm

阳极材料：碳

盐库存量：200升至400升

盐：cacl2和cao的混合物

操作盐温度：950℃

加热：外部，一旦电池运行就具有内部加热

气氛：冷却站中为氩气，电化学池中为co/co2气氛，预加热中为正常空气。

本发明人已经付出了巨大努力来优化后还原处理，并且在一个优选的实施方案中，处理器将包括以下阶段：

1.浸泡

2.块状物破碎

3.微粒粉碎

4.湿摩擦

5.湿式磁分离

6.流化床干燥

7.产物尺寸化

8.产物包装

在图3中可以看到该单元的内部构件的简化视图。

处理器优选地还进行球化，有利地基于感应等离子体技术，以生产圆形粉末颗粒。将颗粒进给至产生等离子体的室中，下降穿过室并熔化，然后再以球形形式固化。

使用球化单元以以下方式有益于所生产的粉末：

·改善粉末流动

·降低粉末孔隙率

·改善产物品质

除了这些考虑之外，本发明的优选实施方案包括用于控制上述功能的可编程控制系统。另外，控制系统例如通过因特网或其他远程通信耦接至由系统操作者操作的远程服务器。以这种方式，系统操作者可以优化装置的性能，并且可以控制和优化安装在不同位置的多个类似装置的性能。