具有紧凑布置的致动器的增材制造设备的制作方法

本发明涉及一种布置紧凑的粉末床熔融增材制造设备。

更具体地，本发明涉及用于使平台移动的一个或多个致动器的紧凑布置，使用粉末床熔融增材制造方法在所述平台上制造部件。

背景技术：

图1和图2描绘了现有技术的已知粉末床熔融增材制造设备10。该增材制造设备10包括在构造腔11内的工作表面12和用于固结粉末层的选择性固结装置16，所述工作表面12包括能够容纳叠置的不同粉末层的工作区域14。

工作区域14由构造套筒18和构造平台20限定。构造套筒18在工作表面12的下方竖直地延伸，并且通向工作表面。构造平台20在柱塞22的作用下在构造套筒18内竖直滑动。构造平台20经由支撑件24安装在柱塞22上。

增材制造设备10包括能够在工作表面12上沉积一行粉末c的粉末分配装置26和能够在工作区域14上散布这行粉末c的粉末散布装置28。增材制造设备10还包括能够回收在形成每一粉末层时沉积的过量粉末的储存器30。

在开始制造时，如在图1中所示，柱塞完全伸出，并且构造平台20位于工作表面的平面中。

在结束制造时，如在图2中所示，构造平台20位于构造套筒18的底部，并且柱塞完全缩回。

如图2所示，工作表面的高度由构造套筒的高度和柱塞在完全缩回时的高度之和确定。

为了允许平台经过构造套筒的整个高度，柱塞需要具有至少等于构造套筒的高度的行程。

结果是，柱塞在完全缩回时的沿高度方向的部分至少等于构造套筒的高度，并且工作表面需要位于至少等于构造套筒高度的两倍的高度。

根据现有技术通过柱塞驱动构造平台的平移移动具有缺点。

一方面，为了减小工作表面的高度和设备的整体体积，需要减小构造套筒的高度，因此需要减小所制造的部件的高度，这不利于改进增材制造设备的生产能力。

另一方面，为了制造更大高度的部件，需要增加构造套筒的高度和柱塞的行程，因此需要以构造套筒所增加的高度和柱塞所增加的行程的来提升工作表面，这不利于工作表面的易接近性，并且不利于减小增材制造设备的整体体积的能力。

文献wo2018/007941提出一种布置，该布置允许制造非常高的部件而且不过度提升设备的工作表面。在这种布置中，位于构造套筒外的致动器通过支撑件连接至构造平台，所述支撑件通过为此目的在构造套筒的高度中设置的狭缝而穿过套筒的壁。随着平台逐渐下降，固定至构造平台的金属条开始封闭构造套筒中的狭缝。

结果是，通过文献wo2018/007941中提出的布置，在开始制造时封闭条以其整个长度突出至工作表面的上方，并且在工作表面的上方继续突出，直至平台的点到达套筒中的最低位置。

通过以这种方式突出到工作表面的上方，文献wo2018/007941中设置的封闭条妨碍气流(其用于去除因通过熔化使粉末选择性固结而产生的烟气)的流动，并且这些条使得粉末层在构造平台顶部上的散布变得复杂化。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种粉末床熔融增材制造设备，其布置允许在不提升工作表面并且不增加设备的整体体积的情况下增加构造套筒的高度，从而增加所制造的部件的高度。

或者，本发明提出一种粉末床熔融增材制造设备布置，与现有技术的设备(其中构造平台由柱塞驱动进行平移移动)相比，该布置允许减小工作表面的高度并因此减小设备的整体体积，而同时保持构造套筒具有相同的高度并因此保持相同的部件生产能力。

有利地，本发明能够实现上述目的，并且同时避免妨碍气流(其用于去除因通过熔化使粉末选择性固结而产生的烟气)的流动以及避免使得粉末层在构造平台顶部上的散布变得复杂化。

为此，本发明的主题是粉末床熔融增材制造设备，该增材制造设备包括工作表面、从所述工作表面延伸并位于所述工作表面的下方的构造套筒、和在致动器的作用下在所述构造套筒内的高位与低位之间平移移动的构造平台，所述平台通过支撑件连接至所述致动器，所述构造套筒在其高度上包括狭缝，所述狭缝允许所述支撑件穿过所述构造套筒以使得当所述构造平台在所述构造套筒中从其高位平移至低位时所述平台连接至所述致动器，封闭元件允许随着平台在套筒内从其高位到低位进行平移移动而将套筒中的狭缝逐渐封闭，封闭元件为条带。

根据本发明，封闭条带的上端固定至构造套筒的上边缘或固定至工作表面。

借助构造套筒中的狭缝，致动器可以设置在构造套筒的旁边，并且释放构造套筒下方的空间。由此释放的空间可以用于减小工作表面的高度并因此减小设备的整体体积，或者用于增加构造套筒的高度并因此增加所制造的部件的高度。

将封闭条带的上端固定至构造套筒的上边缘或固定至工作表面可确保该封闭元件不会妨碍气流在设备的工作表面上方的流动或粉末层在构造平台顶部的散布。

本发明还进行以下设置：

-封闭条带的底端连接至条带张紧装置，

-条带张紧装置设置在构造套筒内并且位于构造平台的下方，

-条带张紧装置至少包括：将条带的底端连接至设备的固定部分的弹簧，以及压靠条带的叶片式弹簧，

-将平台连接至致动器的支撑件包括抵抗条带上的力的端部止挡件，支撑件的所述端部止挡件对条带所施加的反作用力对抗于压靠该条带的张紧装置的叶片式弹簧所施加的按压力，

-在构造套筒与平台之间设有功能性间隙，以使得条带可以在构造套筒与平台之间通过，

-条带采用一定长度的金属条的形式，

-封闭元件还包括覆盖壁，所述覆盖壁是随着平台在构造套筒中逐渐进行其平移移动时制成的，

-致动器设置在构造套筒外，所述致动器驱动平台在构造套筒内平移移动，

-在致动器通过支撑件来驱动平台在构造套筒内平移移动的情况下，当平台处于构造套筒内的低位时，该致动器在该支撑件的上方延伸，

-驱动平台在构造套筒内平移移动的致动器在工作表面的下方延伸，

-在致动器通过支撑件来驱动平台在构造套筒内平移移动的情况下，当平台处于构造套筒内的高位时，该致动器在该支撑件的下方延伸，

-致动器采用被电机驱动旋转的螺纹轴的形式，支撑件包括旋拧至所述螺纹轴的螺母，

-在多个致动器的作用下，构造平台在构造套筒内在其高位与低位之间平移移动，平台通过支撑件连接至每个致动器，并且所述构造套筒在其高度上包括多个狭缝，这些狭缝允许支撑件穿过所述构造套筒，以使得当所述构造平台在所述构造套筒中从其高位到低位进行平移移动时所述构造平台连接至每个致动器，

-在围绕构造套筒均匀分布的三个致动器的作用下，构造平台在构造套筒内在其高位与低位之间进行平移移动。

附图说明

本发明的其它特征和优点将通过以下的描述变得显而易见。通过非限制性示例给出的该描述参考附图，其中：

-[图1]为现有技术的粉末床熔融增材制造设备的示意性正面截面图，其中构造平台处于高位，

-[图2]为现有技术的粉末床熔融增材制造设备的示意性正面截面图，其中构造平台处于低位，

-[图3]为根据本发明的粉末床熔融增材制造设备的示意性正面截面图，其中构造平台处于高位，

-[图4]为根据本发明的粉末床熔融增材制造设备的示意性正面截面图，其中构造平台处于低位，

-[图5]为根据本发明的粉末床熔融增材制造设备的示意性正面截面图，其具有形式为条带且能够封闭构造套筒中的狭缝的封闭元件，

-[图6]为根据本发明的粉末床熔融增材制造设备的立体截面图，其具有形式为条带且能够封闭构造套筒中的狭缝的封闭元件，

-[图7]为根据本发明的粉末床熔融增材制造设备的示意性正面截面图，其具有形式为覆盖壁且能够封闭构造套筒中的狭缝的封闭元件，

-[图8]为根据本发明的粉末床熔融增材制造设备的构造套筒的立体图，其具有多个狭缝和多个致动器。

具体实施方式

本发明涉及一种粉末床熔融增材制造设备。粉末床熔融增材制造是一种增材制造方法，其中通过使相互叠置的不同增材制造粉末层选择性地固结来制造一个或多个部件。因为仅使得粉末层中与待制造的部件的截面相对应的区域固结，所以固结被称为是选择性的。

例如，一个或多个部件通过使相互叠置的不同增材制造粉末层选择性地熔化来制得。熔化可以是完全的或部分的(烧结)。可以使用激光束(选择性激光熔化)和/或使用电子束(电子束熔化)来获得选择性的熔化。

为了实施粉末床熔融增材制造，根据本发明的增材制造设备40包括工作表面42、构造套筒44和构造平台46，所述构造套筒44从工作表面延伸并且位于工作表面的下方，所述构造平台46在致动器48的作用下在构造套筒内的高位(图3中所示)与低位(图4中所示)之间平移移动。平台46经由支撑件50联接至致动器48。

平台46在致动器48的作用下随着在构造套筒内逐渐下降而能够接收叠置的不同粉末层。

为了选择性地固结粉末层，设备40包括由至少一个源54发射的至少一个束52。束52例如是由激光源发射的激光束。在一个变体形式中，多个束52可以由多个激光源(例如激光二极管)发射。仍然在变体形式中，束52可以是由电子枪发射的电子束。一个或多个激光束也可以与一个或多个电子束组合。为了允许粉末层的选择性固结(亦即根据预定的图案和与待制造的部件的截面相对应的路径来进行固结)，源54与用于移动和控制一个或多个束52的装置相关联。例如，镜子、光学透镜和/或机械致动器可以用于移动和改变一个或多个激光束，而电磁线圈可以用于移动和控制电子束。

工作表面42是水平的。套筒44在工作表面42的下方竖直地延伸，即围绕竖直轴线延伸。套筒44例如通过在工作表面形成的开口而通向工作表面42。

在图3和图4所示的示例中，工作表面42和套筒44固定安装，并且构造平台46在致动器48的作用下在套筒44中竖直平移地进行移动。

为了形成在待制造的一个或多个部件的增材制造中使用的不同粉末层，增材制造设备40包括粉末分配装置56和粉末散布装置58，所述粉末分配装置56能够将至少一行粉末c沉积在工作表面42上，所述粉末散布装置58能够将由分配装置沉积的该行粉末散布在平台46上。

粉末分配装置56可以采取能够在工作表面42上移动的喷射器的形式，或者与粉末计量装置相关联并在工作表面形成的凹槽中滑动的抽屉的形式。

散布装置58采用刮板的形式或安装在滑架62上的辊60的形式。该滑架62安装成能够在工作表面42的上方沿着纵向水平方向dl平移移动。

增材制造设备40还包括能够回收在形成每一粉末层时沉积的过量粉末的储存器64。

为了制造具有旋转对称性的部件、或为了改善构造套筒44承受真空的机械能力以进行电子束熔化增材制造，构造套筒44可以采用直圆柱的形式。构造套筒44也可以采用以多边形、矩形、正方形、椭圆形等为基础的其它直柱的形式。

设备包括与致动器48平行的引导装置94，所述引导装置94引导平台在套筒中的平移移动，平台通过支撑件50连接至所述引导装置94。引导装置94包括固定至支撑件50并安装于竖直导轨98上的滑板96。

根据本发明，构造套筒44在其高度h44上包括狭缝66，所述狭缝允许支撑件50穿过构造套筒以使得当构造平台在构造套筒中从其高位平移至低位时平台46连接至致动器48。狭缝66还允许支撑件50穿过构造套筒，以使得当构造平台在构造套筒中从其低位平移至高位时平台46连接至致动器48。

由于构造套筒44在工作表面42的下方竖直地延伸，因此狭缝66同样竖直地延伸。例如，狭缝66在构造套筒44的整个高度h44上延伸。例如，狭缝66以直线方式在构造套筒44的整个高度h44上延伸。

为了给出比例的概念，狭缝66的宽度为几毫米，而套筒的高度h44为几十厘米。

有利地，如图3和图4所示，狭缝66允许致动器48设置在构造套筒44的旁边而不是在其下方。

为了在制造过程中将未固结的粉末保持在套筒内，封闭元件68允许随着平台在套筒内从其高位到低位进行平移移动而将套筒中的狭缝66逐渐封闭。封闭元件68还允许随着平台在套筒内从其低位到高位进行平移移动而将套筒中的狭缝66逐渐封闭。

如图5和图6所示，封闭元件68例如为条带70。例如，该条带70采用一定长度的金属条的形式。或者，该条带70由kevlar制成。条带例如具有0.5毫米的厚度和50毫米的宽度。

为了最佳地封闭狭缝66，条带70的宽度大于狭缝的宽度。例如，条带70的宽度比其覆盖的狭缝的宽度大40％。例如，对于宽度为35毫米的狭缝，条带具有50毫米的宽度。

封闭条带的上端u70例如通过使用螺钉而固定至构造套筒的上边缘u44或工作表面42。

同时，条带70也被构造平台46紧紧地压靠在构造套筒44的内壁74上。

仍然是为了最佳地封闭狭缝66并且避免粉末随着平台在套筒内逐渐下降时通过狭缝66泄漏，封闭条带的底端b70连接至条带张紧装置72。

条带70位于构造套筒44与构造平台46之间，即位于套筒44内。而且，条带张紧装置72设置在构造套筒44内并且位于构造平台46的下方。

为了将条带70保持压靠在构造套筒44的内壁74上，条带张紧装置72至少包括：将条带的底端b70连接至设备的固定部分78的弹簧76，以及压靠条带的叶片式弹簧80。弹簧76是由于其弹性特性而施加力的一种部件。弹簧76可以是螺旋弹簧、弹簧叶片、柱塞。弹簧76在条带70上施加基本竖直且向下的张紧力f1，以便将条带沿其长度张紧。叶片式弹簧80朝向构造套筒44的内壁74施加基本水平的按压力f2，以便将条带70紧紧地压靠在构造套筒44的内壁74上。

为了在条带上分配张紧力，条带张紧装置72包括多个弹簧76，这些弹簧将条带的底端b70连接至设备的固定部分78，如在图6中所示。

为了不论平台在套筒44内的位置如何均跟随平台46的平移移动并将其力施加至尽可能靠近平台46的条带，叶片式弹簧80安装在支撑件50上。例如，叶片式弹簧80的上端u80紧邻平台46下方压靠条带70。叶片式弹簧80的上端u80可以装配有垫块82，所述垫块82旨在限制叶片式弹簧相对于条带的摩擦。

为了不论平台和支撑件在套筒44中的位置如何均使底端b70和一个或多个弹簧76保持在同一竖直平面中，将平台46连接至致动器48的支撑件50均包括抵抗条带70上的力的端部止挡件84。由支撑件的端部止挡件84对条带所施加的反作用力f3对抗于压靠该条带的张紧装置的叶片式弹簧80所施加的按压力f2。反作用力f3基本上是水平的并且朝向构造套筒44的内部，以便将条带70推离构造套筒44的内壁74。端部止挡件84可以装配有垫块86，所述垫块86旨在限制端部止挡件84相对于条带的摩擦。

因为封闭条带的上端u70固定至构造套筒的上边缘u44和/或工作表面42，并且由于条带的底端b70在平台46的下方固定至设备的固定部分78，所以条带70必须在平台46与构造套筒44之间通过。构造套筒44与平台之间的功能性间隙88允许平台在套筒中进行平移移动而不会卡住。更具体地，该功能性间隙88设置在平台的外周与套筒的内壁之间。该功能性间隙88可以足以允许一个或多个条带70在构造套筒44与平台46之间通过。如果不是，则可以增加功能性间隙88的大小，以允许一个或多个条带70在构造套筒44与平台46之间通过。允许一个或多个条带70通过的功能性间隙88的大小例如为2至5毫米。

作为功能性间隙88的替代，可以在平台的外周设置竖直凹槽，或者可以在套筒的内壁设置竖直凹槽，以使得条带可以在套筒与平台之间通过。

图6示出支撑件50如何能够支撑构造平台46，同时允许条带70在套筒44与平台之间通过。为此，条带70的底端b70朝向套筒44的中央偏移。由于条带70的底端b70朝向套筒44中央的这种偏移，支撑件能够进入套筒44并且在套筒的内壁74和条带70之间通过以支撑平台46。

如在图7中所示，封闭元件68还可以采用覆盖壁104的形式，所述覆盖壁104是随着平台在构造套筒中逐渐进行其平移移动时制成的。更具体地，覆盖壁104由面向狭缝66的一定量的经固结(亦即通过烧结或通过熔融)的粉末构成。在平台46上制造部件p时，同时附加地制造覆盖壁104。覆盖壁104例如具有几毫米的厚度和50毫米的宽度。为了最佳地封闭狭缝66，覆盖壁104的宽度大于狭缝的宽度。例如，覆盖壁104的宽度比其覆盖的狭缝的宽度大40％。例如，对于宽度为35毫米的狭缝，覆盖壁104具有50毫米的宽度。

封闭元件68还可以包括条带70和覆盖壁104。在这种情况下，条带70与套筒的内壁接触，并且壁104覆盖条带70。

如各图所示，由于狭缝66允许支撑件50在其整个高度上穿过套筒46，因此驱动平台46在构造套筒44内平移移动的致动器48设置在构造套筒44外。例如，致动器48设置为平行于构造套筒并且位于构造套筒外。

为了限制工作表面42的高度和设备的整体体积，在致动器48通过支撑件50来驱动平台在构造套筒内平移移动的情况下，当平台46在构造套筒内处于低位时，该致动器在该支撑件50的上方延伸。

再次为了限制工作表面42的高度和设备的整体体积，驱动平台在构造套筒内平移移动的致动器48在工作表面42的下方延伸。

更具体地，在致动器48通过支撑件50来驱动平台在构造套筒内平移移动的情况下，当平台在构造套筒内处于高位时，该致动器48在该支撑件50的下方延伸。

为了符合前述的体积限制，致动器例如采用被电机m驱动旋转的螺纹轴90的形式，支撑件50包括旋拧至所述螺纹轴的螺母92。致动器48也可以采用由电机m转动的滚珠螺杆的形式，或由电机转动的具有齿轮的齿条齿轮组件的形式。

为了避免具有仅一个支撑件和一个致动器的无支撑悬伸的设置，特别是在大尺寸的套筒和平台的情况下，在多个致动器48-1、48-2、48-3的作用下，构造平台46在构造套筒44内在其高位与低位之间进行平移移动，构造平台46通过支撑件50连接至每个致动器。如在图8中所示，构造套筒44在其高度h44上包括多个狭缝66-1、66-2、66-3，这些狭缝允许支撑件50穿过构造套筒，以使得当构造平台在构造套筒中从其高位平移至低位时以及当构造平台在构造套筒中从其低位平移至高位时，构造平台连接至每个致动器48-1、48-2、48-3。

在构造套筒44包括多个狭缝66-1、66-2、66-3的情况下，设备包括多个封闭条带70-1、70-2、70-3，当平台在套筒中从其高位逐渐平移至低位时以及当平台在套筒中从其低位逐渐平移至高位时，这些封闭条带能够封闭每个狭缝66-1、66-2、66-3。

如图8中所示的示例，在围绕构造套筒均匀分布(每个与另外两个成120度)的三个致动器48-1、48-2、48-3的作用下，平台46在构造套筒44内在其高位与低位之间进行平移移动。

该设备包括与三个致动器48-1、48-2、48-3平行的三个引导装置94-1、94-2、94-3，这些引导装置向支撑件并因此向平台提供平移引导。每个引导装置94-1、94-2、94-3包括固定至支撑件50并安装在竖直导轨98-1、98-2、98-3上的滑板96-1、96-2、96-3。

如在图6中所示，平台46包括用于至少一个密封粉末的密封件102的外周壳体100。密封件102采用例如金属或陶瓷编织物的形式。该密封件102补偿了由平台与套筒之间的一个或多个条带70产生的超厚厚度，并且防止由于功能性间隙88而引起的粉末在平台与套筒之间流动。

在本发明中，一个或多个致动器与一个或多个引导装置是分开的，这是因为致动器在制造结束时需要承受非常高的负荷(特别是在增材制造具有很大高度的部件的情况下)，而且需要非常精确地引导平台(在约几微米内)以获得几十微米厚且厚度恒定的粉末层。