增材制造系统中激光烧蚀冷凝物的控制的制作方法

本申请要求于2014年9月19日提交并被分配为美国专利申请No.62/052,521的标题为“Control of Laser Ablation Condensate Products within Additive Manufacturing Systems”(增材制造系统中激光烧蚀冷凝物的控制)的临时专利申请的优先权，其公开内容据此以引用方式并入本文。

技术领域

本发明涉及增材制造，更具体地讲，涉及控制冷凝物的增材制造系统。

背景技术：

增材制造使得人们能够通过增材方法(此方法中连续的材料层被放置)由模型或另一电子数据源制造三维物体。人们使用激光束将预先整平的粉末表面熔化成固体材料薄片。而后将另一层粉末施加在先前熔化的薄片顶部上，并重复该方法直到逐层地构建出三维物体。该方法称为例如粉末床熔化(PBF)、激光选择性熔化或直接激光金属烧结。该方法可应用于能够熔化在一起的金属、塑料或其他材料。

可在充有惰性气体的室中进行增材制造方法，以防止发生不期望的化学反应。该惰性气体可以是例如氩气。在层熔化方法中，蒸发的材料冷凝成纳米尺寸的粉尘，其在本文中称为“冷凝物”。该冷凝物最初悬浮在室内的惰性气体中。虽然一些冷凝物会被朝向室中的过滤器引导，但是大部分冷凝物都可能积聚在室中以及室周围。

沉积的冷凝物可能积聚在室壁上、激光束被引导而穿过的透明窗口上，以及正被制造的物体上。激光束可能会受到遮蔽，并且如果冷凝物沉积在透明窗口上，则增材制造方法可能会中断或削弱。例如，某物体在增材制造系统中可能需要10到200小时来构建。然而，在已形成沉积物的情况下，透明窗口仅在使用大约五个小时之后就可能变模糊。如果透明窗口变得模糊，则可能需要暂停制造并清洁系统。

室壁上或室中其他位置处累积的冷凝物可能引发火灾风险，这给操作者带来了安全问题。冷凝物中的一些材料在空气中可能是高反应性的，如果已积聚了足够的冷凝物并且室被打开以便清洁或维护，则可能导致自燃。例如，可以在激光加工期间形成钛或铝冷凝物。钛粉尘或铝粉尘具有火灾危害性，且暴露在空气中时会造成爆炸危害。

累积在所制造物体上的任何冷凝物都可影响该物体的质量或性质。例如，冷凝物可能降低保真性，或影响所制造物体的形状、尺寸或物理性质。冷凝物的累积甚至可能损毁正被制造的物体。因此，可能会存在一个可以执行操作的最大构建时间，而后则需要因存在冷凝物而清洁室和透明窗口。这可能使得增材制造不适于制造大型或复杂的物体。

针对上述问题，一种已知方法是引导惰性气体流过室中的过滤器以捕获冷凝物。然而，难以仅靠惰性气体流来控制冷凝物的精确轨迹。一些冷凝物可能被意外地引导到正在形成的物体上方及其表面上。

可手动清洁室壁和透明窗口。然而，这种做法既耗时又耗力。由于频繁的清洁或预防性维护，使得增材制造系统的生产量降低。依赖于系统中所用的材料，手动清洁可因为火灾或爆炸的风险而较为危险。

所以，需要一种改进的增材制造系统和一种改进的操作增材制造系统的方法，以缓解冷凝物带来的问题。

技术实现要素：

具体表现本发明的增材制造系统通常包括透明窗口、粉末床和多个壁。壁和透明窗口在粉末床周围形成室。该系统还包括激光源，其被布置成将激光束引导穿过透明窗口进入室并朝向粉末床，从而在室中产生冷凝物。冷凝物在形成时可具有并保持有电荷，或者可以在形成冷凝物时通过向室施加静电场这一方式而使其带电。根据本发明，在室中设置电极以控制带电的冷凝物。可将电极偏压以吸引或排斥带电的冷凝物。在一个实施例中，电极为设置在透明窗口上的透明电极，其被偏压以排斥带电冷凝物离开透明窗。

本发明扩及一种增材制造的方法，该方法包括以下步骤：将激光束通过透明窗口引导到室中以熔化粉末床中的粉末，其中带电冷凝物产生自所述粉末，以及对设置在室中的电极施加电偏压以吸引或排斥带电冷凝物。

附图说明

为了更全面地理解本发明的性质和目的，应参考结合附图进行的以下详细描述，其中：

图1是根据现有已知技术形成的增材制造系统的示意图；

图2是根据本发明的实施例形成的增材制造系统的示意图；

图3是根据本发明的另一个实施例形成的增材制造系统的示意图；

图4是根据本发明的另一个实施例形成的增材制造系统的示意图；并且

图5是根据本发明的又一个实施例形成的增材制造系统的示意图。

具体实施方式

虽然将根据某些实施例来描述所要求保护的主题，但本发明的范围还涵盖其他实施例，包括未提供本文所陈述的所有益处和特征的那些实施例。在不脱离本发明范围的情况下，可以进行各种结构改变、逻辑改变、处理步骤改变和电子改变。因此，本发明的范围仅通过参考所附权利要求来限定。

图1是已知的增材制造系统100的示意图。增材制造系统100具有多个壁101和一个透明窗口102，该窗口可为石英玻璃或适于传输激光束的另一种透明材料。壁101和透明窗口102协同限定室113。作为非限制性实例，室113的尺寸可大约为5英尺×2英尺×2英尺。可将室113抽真空并充入惰性气体，例如氩气或另一种惰性气体。激光源103被布置成产生激光束108，并将其投射穿过透明窗口102而后朝向位于室113内的粉末床106射去。

粉末床106含有粉末105。粉末床106可以是固定的，或者可以是升降系统的一部分。通过使用激光束108熔化粉末105薄层来形成物体109。激光束108可以在粉末床106的预定目标区域上扫描，以将粉末105熔化成具有期望形状的层。擦拭器107可用于在物体109的顶部熔化层上施加额外的粉末层105或额外水平的粉末，使得人们可以使用激光束108形成物体109的另外的层。

当粉末105熔化形成物体109的层时，会产生冷凝物110。冷凝物110可以是纳米尺寸的颗粒，其最初悬浮在室113中。一些冷凝物110在壁101和透明窗口102上形成沉积物111(由虚线表示)。一些冷凝物110可以由风扇(未示出)朝向过滤器112引导以便受到捕获或去除，但过滤器112可能无法去除室113中的所有冷凝物110。

受冷凝物110形成方法的影响，冷凝物110可以携带电荷。不限于特定机制，该电荷可以由沸腾或发火花期间来自激光束108的光子赋予。或者，可以向冷凝物110施加电荷。例如，可以对粉末床106或粉末105施加偏压。

现在参见图2，该图是根据本发明的实施例形成的增材制造系统200的示意图。增材制造系统200大体上类似于增材制造系统100，然而系统200包括设置在室113中并且可连接到电压源204的至少一个电极202。在图2中，所示电极202被偏压以吸引带电冷凝物110。具体地讲，电极202可以被偏压以具有与冷凝物110相反的极性，由此将冷凝物110朝向电极202吸引。作为实例，冷凝物110可以带负电，并且电压源204可以向电极202提供+100V的偏压，而其他偏压电位也是可能的。电压源204可经由开关(未示出)连接到电极202，以允许根据需要而切断或施加电极偏压。

如图2所示，电极202可设置在室113的多个壁101中的一个之上或之中。在图2中，电极202设置在过滤器112附近，使得绝大多数冷凝物110要么在电极202上形成沉积物，要么被引导到过滤器112中。因此，这减少了冷凝物110在透明窗口102上的累积。电极202的其他位置也是可能的，图2仅示出了一个实例。

图3示出了根据替代实施例而形成的增材制造系统300，其中电极302被偏压，以具有与冷凝物110相同的极性，使得冷凝物110被排斥离开电极302，并朝向室113的另一区域移动。电极302可经由(未示出)连接到电压源304。例如，冷凝物110可以带负电，并且电压源304可以向电极302提供-100V的偏压，而其他偏压电位也是可能的。

如图3所示，电极302可设置在室113的多个壁101中的一个之上或之中。在图3中，冷凝物偏转电极302被设置成与过滤器112相对，以将冷凝物110朝向过滤器并逆着相对的壁101引导。以这种方式，可防止绝大多数冷凝物110在透明窗口102上形成沉积物。相反，大部分冷凝物110被过滤器112捕获，或者在室113中相对的壁101上形成沉积物111。电极302的其他位置也是可能的，这仅仅是一个实例。

图4是根据本发明的另一个实施例形成的增材制造系统400的示意图。增材制造系统包括设置在透明窗口102上的透明电极402。电极402可经由开关连接到电压源404。因此，电偏压可以选择性地施加到电极402，其中该偏压具有与冷凝物110相同的极性。可以理解，偏压电极402排斥冷凝物110远离透明窗口102和电极402，使得沉积物不会削弱光学传输路径。被排斥冷凝物110可远离透明窗口102而在壁101上形成沉积物111。在一个实例中，电压源404向透明电极402提供了-100V偏压，以排斥带负电荷的冷凝物。其他偏压电位也是可能的，并且相反的极性偏压亦是可能的。

在本发明的另一方面，过滤器112可以是静电过滤器，从而进一步吸引冷凝物110。可以将电极，例如本文所公开的电极之一，布置在过滤器中。图5是根据本发明的又一个实施例形成的增材制造系统500的示意图。电极502设置在过滤器112上或该过滤器中。例如，电极502可位于过滤器112的入口上或入口中，或者可位于过滤器112内。电极502可经由开关连接到电压源504。因此，电偏压可选择性地施加到电极502，其中该偏压具有与冷凝物110相同或相反的极性。电极502可以被配置为将冷凝物110吸引到过滤器112，或将冷凝物110保留在过滤器112中。

作为使用位于窗口102上的透明电极的替代方案，可以在不阻挡激光束108的区域中将电线或板电极(未示出)结合到窗口102中，并且可将其偏压，以将冷凝物排斥离开窗口。

电极202，302，502可以由任何导电材料制成，例如金属或石墨烯。透明电极402可以由透明导电材料制成。例如，窗口102可以涂覆有铟锡氧化物(ITO)、铱或石墨烯的薄膜，作为透明电极材料。

电极202，302，402和502可为任何合适的形状。虽然所示板、薄片或膜为矩形，但也可使用杆或一些其他形状。电极的尺寸可以变化。例如，电极202或302可涵盖室113的壁101的小于50％、大于50％或整个区域。各种电极的形状和尺寸可被配置为，对室113中形成的真空的任何影响减到最小，并且/或者对系统中使用的磁性材料的任何影响减到最小，例如，在执行电子束焊接的情况下。

虽然在图2-图5中均示出了单个电极，但也可使用多个电极。多个电极的定位或操作可以彼此互补并且/或者引导冷凝物110的流。例如，布置在室113的一个区域中的电极可被偏压，以朝向室的另一区域排斥冷凝物，该区域中布置有相反偏压的电极以吸引冷凝物。可同时、在交叠的时间里或在不同时间里使用多个电极。因此，多个电极可以同步或协调工作，从而优化冷凝物110的收集。

此外，图2-图5的各种实施例可以相结合。例如，透明冷凝物偏转电极402可以与一个或多个其他电极202，302或502一起使用。在一个示例中，冷凝物110可借由透明电极402而被排斥远离透明窗口102，并被吸引到另一个电极202。施加到本文所公开的各种电极的偏压可以变化。这种偏压可以是例如脉冲式或恒定的。

虽然本文所公开的实施例中的电压源被示为与电极有两处连接，但其他设计也是可能的。例如，图2-图5中仅电压源的一端可以连接到电极，而电压源的另一端可以连接到室的壁或粉末床。

本文所公开的各种电极可以与室113中的惰性气体流结合使用。该气流可以例如促进冷凝物110移动远离透明窗口102、移动远离物体109或朝向过滤器112移动。

在一个实例中，在室113中具有或不具有惰性气体流的情况下，可操作各种电极以将冷凝物朝向收集装置引导。该收集装置可以是例如蛤壳式或活板门系统。收集装置容纳有冷凝物110或沉积物111，并且在使用或维护之前可以关闭，使得冷凝物110或其中形成的任何沉积物111保持在惰性气氛中。收集装置可连接到水源，以使冷凝物或沉积物在仍处于惰性气氛中的同时更加安全。

本文所公开的各种电极还可彼此联合操作(在室113中具有或不具有惰性气体流的情况下)，从而用冷凝物110涂覆物体109。在一些情况下，沉积物111可具有潜在的光学效应，以改善物体109的形成。这可以在定时器上完成，或者可以合并到用于物体109的特定层的构建指令中。

施加到本文所公开的电极的电压可以变化。例如，电压可以大于0.1kV或大于1kV。电压可例如介于0.1kV至1MV之间。在一种情况下，电压可介于1kV至3kV，或1kV至5kV之间。

在测试期间发现，对电极施加3kV的电荷会吸引冷凝物颗粒朝向电极移动。采用该3kV的电荷，会使一些冷凝物颗粒保留在电极上。

为了提高安全性，可引导冷凝物沉积物以形成浓缩团块而不是薄膜。一些粉末(例如钛)当呈薄膜形式时，由于其表面积增加，因此较为危险。可以提供热量或粘合剂化学物质，以帮助形成浓缩团块。在一个实例中，沉积物111或冷凝物110被收集在室113的一个区域中，然后通过加热或使用粘合剂化学物质而聚集成更大的团块。

使用电极来吸引或排斥冷凝物可以延长两次清洁之间的构建时间、改善物体的质量、减少维护活动，并且提高操作者的安全性。构建时间延长允许人们构建出更大或更复杂的物体。由于改善了激光束的点控制，因此可以提高物体的质量。如果沉积物减少或仅在室的特定区域优选地形成，则手动清洁室所需的时间更少，从而减少了维护活动。通过降低火灾风险以及降低在清洁或保养增材制造系统时释放有害烟雾的风险，对于冷凝物的控制提高了安全性。

虽然针对一个或多个具体实施例描述了本发明，但是应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以制定本发明的其他实施例。因此，本发明被视为仅受所附权利要求书及其适当的判读的限制。