用于通过粉末材料的选择性固化建造物件的设备和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于通过粉末材料的选择性固化建造物件的设备和方法。本发明特定应用于控制熔融粉末床所必需的能量。
【背景技术】
[0002]用于产生物件的选择性固化方法包括使用例如激光束或电子束等高能量束对例如金属粉末材料等材料的逐层固化。粉末层沉积在建造室中的粉末床上并且射束扫描过对应于正构造的物件的横截面的粉末层的部分。射束熔融或烧结粉末以形成固化层。在选择性固化某一层之后，粉末床减少掉新固化层的厚度并且另一粉末层在表面上散布且视需要固化。
[0003]选择性固化设备可包括再循环回路，其用于将粉末从建造室再循环到供给用于形成为粉末层的粉末的粉末施配设备。已知随着物件的建造在使用粉末再循环回路的设备中进行，建造的质量可改变。
[0004]US2010/0192806揭示一种系统，其中未使用的粉末在建造结束时从激光烧结机器移除且在单独机器/装置中处理，随后在激光熔结机器中再使用以用于后续建造。该处理包含修改该粉末材料，例如移除具有粒度小于所界定粒度的粒子。然而，为了避免粉末材料的传递过程中粉末材料的例如氧化等污染，有必要维持用于传递粉末的所有装置和软管中足够质量的惰性气氛。小粉末粒子(所谓的“粒子”)对空气质量的小差异尤其敏感，因为相对大的表面积使得此些粒子反应性非常高。
[0005]US5527877揭示激光可烧结粉末，其允许粉末在选择性激光烧结机器中烧结从而形成据称完全密集的烧结部分。粒子数目的至少80%为Ι?μπι到53μπι，且粒子的少于5%大于180μπιο
[0006]JP2005-335199揭示包括粉末回收环路的设备，该粉末回收环路具有组份分析器、混合器和材料补充单元。当经回收粉末的粒度分布与原始粉末不同时，必需大小的粒子可添加到经回收粉末。优选的是，将材料与大量细粒子而非大直径粒子混合，因为细粒子倾向于经由从所收集粉末材料散布而损耗。优选的是，除材料分析之外，组份分析器还在取样期间测量精细度，测得的粒子精细度与原始粉末的粒子精细度比较以确定待添加的材料和数量。
【发明内容】
[0007]根据本发明的第一方面，提供一种用于通过粉末材料的层式熔融建造物件的增材制造机器，该机器包括建造室，该建造室含有建造平台、用于在跨越该建造平台的层中沉积粉末材料的粉末施配器、用于选择性地熔融每一层中的粉末材料的高能量束，以及用于控制该粉末材料的特性的控制装置，该特性是由该粉末材料中的低于经指定用于该建造的粒度上限的建造粒子给出。
[0008]控制粉末材料的特性可维持建造或连续建造的过程中的建造质量。特定来说，即使在确保粉末材料仅(或至少主要)含有低于粒度上限的粒子(所谓的建造粒子)之后，剩余粉末材料的其它特性也可能影响建造质量。因此，将这些特性中的一者或多者控制在所要范围内可改进建造质量。通过具有控制装置作为增材制造机器的一部分，粉末材料可在与建造室中共有的气氛中传递到控制装置/从控制装置传递以避免污染。
[0009]粉末材料的特性可为湿气含量，控制装置经布置用于控制粉末材料的湿气含量。举例来说，控制装置可通过加热粉末材料来减少粉末材料中的湿气。
[0010]粉末材料的特性可为建造粒子的形态，控制装置经布置用于控制粉末材料中不同形状的建造粒子的分布。举例来说，粉末材料中粒子的形态可影响堆积密度，且因此可控制该形态以便维持指定堆积密度。粒子的形态可影响粒子的反应性。举例来说，形态可影响粒子可吸收的能量的量，以及因此影响达到材料的熔融温度所必需的能量的量。因此，可控制粉末材料中不同形状建造粒子的分布以减少达到熔融温度必需的能量。控制装置可包括用于依据形状分离粒子的气体分类器(淘析)装置。
[0011]粉末材料的特性可为化学组成，控制装置经布置用于控制粉末材料中的建造粒子的化学组成。建造粒子的氧化可影响建造质量。因此，减少经氧化建造粒子的数目可改进建造质量。
[0012]粉末材料的特性可为建造粒子的粒度分布。控制粉末材料中的粒度分布提供对于建造质量的控制。不受任何一个理论的约束，但据信，现有技术机器中的建造质量由于粉末材料的粒度分布的改变而改变。特定来说，SLM过程期间产生的低于粒度上限的建造粒子保持在经再循环粉末中，从而随着建造的进行或在连续建造中改变粉末材料的粒度分布。较小建造粒子可比较大建造粒子更容易吸收能量。此外，在形成熔融池期间，较小粒子可首先熔融，所得熔融物在未熔融的较大粒子之间流动。因此，粒度分布的改变可改变使用高能量束形成的熔融池的特性，并且进而影响所建造的物件的质量。举例来说，由粉末材料吸收的能量的量的增加可增加固化材料的孔隙度。熔融池的大小的改变可影响可建造物件的准确性和/或最终物件的完整性。
[0013]控制装置可经布置用于控制物件的建造期间粉末材料中的建造粒子的粒度分布。以此方式，可维持整个建造过程期间恒定的熔融物。另外或作为替代，控制装置可经布置用于控制连续建造之间粉末材料中的建造粒子的粒度分布。
[0014]控制装置可控制粉末材料中的微建造粒子的比率，其中微建造粒子是具有小于粒度上限的四分之一，且优选小于五分之一，且更优选地小于十分之一的粒度的粒子。微建造粒子可为大小小于10微米，优选小于5微米的粒子，且任选地为纳米粒子。通常，选择性激光熔融装置中使用的粉末材料的粒度上限为大约50微米，但例如100微米等较大粒度上限可用于较高激光功率装置。据信，微建造粒子的比率的变化将对能量的吸收具有最有效效应，且因此通过控制粉末材料中微建造粒子的比率(例如维持在设定范围内)可实现所要建造性能。
[0015]粉末材料中微或宏粒子的比率可为与粉末材料中粒子的总体积、重量或数目相比按体积计、按重量计或按数目计的比率。
[0016]控制装置可通过添加或移除微建造粒子和/或通过添加或移除宏建造粒子来改变粒度分布，其中宏建造粒子是具有大于微建造粒子但低于粒度上限的大小的粒子。控制装置可经布置以从粉末材料仅移除一比例的特定大小的建造粒子。举例来说，控制装置可包括用于从粉末材料移除特定大小的建造粒子的建造粒子过滤器，和用于允许一比例的该特定大小的建造粒子绕过建造粒子过滤器且保持在粉末材料中的旁路。从粉末材料移除的特定大小的建造粒子的比例可例如通过更改通过旁路的建造粒子的数目而改变。特定大小可为一范围的颗粒大小，例如大小小于10微米，优选小于5微米的粒子，以及任选地纳米粒子。
[0017]控制装置可包括旋风分离器或气体淘析系统，用于从粉末材料移除一比例的特定大小的建造粒子。
[0018]控制装置可包括用于从源递送材料的额外粒子的递送装置，和用于将额外粒子与粉末材料掺合的混合器。举例来说，该等额外粒子可包括具有特定大小分布的粒子，例如宏和/或微建造粒子的源，且混合器经布置以基于从建造室回收的粉末材料的预先掺合粒度分布以受控方式掺合额外粒子。来自源的粒子可包括用微粒子涂覆的宏粒子。一批纯粹微粒子可由于小粒度而具有较差流动性。因此，此批粉末材料可能难以传送和与从建造室回收的粉末材料掺合。然而，通过引入宏建造粒子(例如大于10微米的粒子)，微粒子可涂覆宏粒子且通过使宏粒子进行“背负式运输(piggy backing)”的方式而被携载穿过系统。因此，额外粒子的源可包括已知比率的宏粒子与微粒子。额外粒子的比率可小于32%、优选小于10%和更优选地小于5%的微粒子的比率(按体积计)。此可确保存在足够的宏粒子来携载微粒子。
[0019]控制装置可包括传感器，用于检测可从其确定/推断粉末材料中微或宏建造粒子的比率的粉末材料的特性，该过滤器和/或混合器响应于来自传感器的信号而控制。举例来说，传感器可包括:用于使粉末材料成像的摄像机、用于测量粉末材料的流的流量计、用于测量粉末材料的密度的装置(例如振实密度机器)、用于根据光(例如激光束)从粉末材料或气体分类器的衍射或散射来测量粒度的装置，其中该粉末材料注入到垂直导向气流中。
[0020]或者或另外，过滤器和/或混合器可基于随着建造的进程的粒度分布的经预测改变来控制。举例来说，可使用增材制造过程的计算机模型或通过使用先前建造作为基准来预测该等改变。
[0021]该机器可包括用于将粉末从建造室再循环到粉末施配器的再循环回路。控制装置可经布置以控制从再循环回路递送到粉末施配器的粉末材料的粒度分布。举例来说，控制装置的传感器可检测再循环回路中