增材制造设备和方法与流程

本发明涉及增材制造设备和方法，其中材料层以逐层方式固化从而形成物件。本发明可特定地但不排它地应用于选择性激光固化设备，例如选择性激光熔融(slm)和选择性激光烧结(sls)设备。

背景技术：

选择性激光熔融(slm)和选择性激光烧结(sls)设备使用高能量束(例如，激光束)经由材料(例如，金属粉末材料)的逐层固化来产生物件。通过沉积邻近于粉末床的粉末堆和用刮片跨越粉末床(从粉末床的一侧到另一侧)散布粉末堆以形成层而在构建腔室中跨越粉末床形成粉末层。随后跨越粉末层的对应于所构造物件的横截面的部分扫描激光束。激光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。此类装置的实例公开于us6042774中。

该过程在惰性气体气体中实行，因为金属粉末与气体(例如氧气)很大程度上发生反应。如第2010/007394号国际专利申请案中描述，已知首先在构建腔室中形成真空，且接着用惰性气体再填充腔室以便确保所得气体中的低氧含量。举例来说，使用此技术，腔室中的气体的氧含量可减小低至1000ppm。在构建过程期间，氧含量可能归因于腔室中剩余的氧随着部件中的氧化物形成被消耗而进一步下降。所吸收的氧的量将取决于正使用的材料。举例来说，与钢或铝相比，钛吸收氧的能力强得多。需要具有贯穿构建过程的气体中的恒定氧含量以便实现贯穿部件的恒定的构建性质。

据信空气和粉末中的湿气导致氢被吸收到部件的材料中，这导致部件中的氢气孔隙度。

构建期间惰性气体中氮的存在也可能是不合需要的。

技术实现要素：

根据本发明的第一方面，提供一种增材制造设备，该增材制造设备包括：腔室；构建平台，其在该腔室中可移动以使得能跨越该构建平台连续形成可流动材料层；单元，其用于产生用于固化该可流动材料的能量束；扫描单元，其用于将该能量束导引到每一层的选中区域上以固化该选中区域中的该材料；以及吸气剂，其用于从该腔室中的气体吸收氧、氮和/或氢。

该设备可包括气体再循环回路，其具有连接到腔室的入口和出口，以用于将气体再循环穿过腔室，其中气体再循环回路中具有吸气剂，以用于从再循环气体吸收氧、氮和/或氢。

吸气剂可以允许氧、氮和/或氢的水平减小到更低的水平(相比于经由对构建腔室除气并用惰性气体回填的常规方法所获得的水平)。此外，吸气剂可确保氧、氮和/或氢的水平贯穿构建过程而保持大体上稳定。

吸气剂可为氧吸气剂，例如基于铜的吸气剂。在固化期间，该材料常常吸收氧，尤其在金属的情况下。提供氧吸气剂可减小固化期间由该材料吸收的氧的量。在替代实施例中，吸气剂可为基于钛的吸气剂。

气体再循环回路可包括可将吸气剂与腔室中的气体隔离的阀。吸气剂可能由于暴露于过多水平的特定气体而永久地损坏。提供隔离阀允许吸气剂与腔室中的气体隔离，直至此些气体减小到对于吸气剂安全的水平。

腔室可包括门，使用增材制造设备构建的部件可经由门从腔室移除，且阀可被布置成当到腔室的门打开时将吸气剂与腔室隔离。

增材制造设备可包括用于从腔室移除由吸气剂吸收的不想要气体的构件，阀被布置成当由吸气剂吸收的气体保持高于预定水平时将吸气剂与腔室隔离。

增材制造设备可包括用于在使用之后再生吸气剂的构件。可能想要在设备内还原吸气剂，从而不需要有定期地从设备移除吸气剂。用于再生吸气剂的构件可包括用于加热流经吸气剂的气体的加热元件。用于再生氧吸气剂的构件可包括氢气源。

该设备可包括用于从设备移除由于吸气剂的再生而产生的湿气的构件。吸气剂的再生可产生汽/水作为副产品，其可能需要移除，因为构建期间此湿气存在于腔室的气体中可能是不合需要的。

增材制造设备可包括用于检测指示吸气剂的再生的进程的特性的传感器。传感器可为用于监视吸气剂的材料的温度的温度传感器、用于检测离开吸气剂的气体中湿气的量的湿气检测器和/或用于检测离开吸气剂的气体中氢的浓度的氢传感器。

附图说明

图1为根据本发明的实施例的选择性激光固化设备的示意图；以及

图2为选择性激光固化设备从另一侧的示意图。

具体实施方式

参看图1到图5，根据本发明的实施例的激光固化设备包括主腔室101，其中具有隔板115、116，隔板115、116界定构建腔室117和粉末可沉积到上面的表面。提供构建平台102用于支撑通过选择性激光熔融粉末104构建的物件103。该平台102随着物件103的连续层形成可在构建腔室117内降低。可用的构建体积由构建平台102可降低到构建腔室117中的程度界定。

主腔室101包括门170以允许接近腔室101，以用于可移除使用设备构建的部件。

通过分配设备108和细长刮片109而随着物件103构建而形成粉末层104。举例来说，分配设备108可为如wo2010/007396中描述的设备。

激光模块105产生用于熔融粉末104的激光，该激光视需要由光学扫描仪106在计算机130的控制下导引。激光经由窗口107进入腔室101。

光学扫描仪106包括用于将激光束导引到粉末床104上的所要位置的转向光学器件(在此实施例中为两个可移动镜面106a、106b)，和用于调整激光束的焦距的聚焦光学器件(在此实施例中为一对可移动透镜106c、106d)。马达(未图示)驱动镜面106a和透镜106b、106c的移动，马达由处理器131控制。

计算机130包括处理器单元131、存储器132、显示器133、例如键盘、触摸屏等用户输入装置134、到例如光学模块106和激光模块105等激光熔融单元的模块的数据连接，以及外部数据连接135。存储器132上所存储的是指示处理单元实行现在描述的方法的计算机程序。

处理器经由外部连接135接收描述固化每一粉末层中的粉末区域的过程中所采取的扫描路径的几何数据。为了构建部件，处理器控制扫描仪106根据几何数据中所界定的扫描路径来导引激光束。在此实施例中，为了沿扫描路径执行扫描，激光105和扫描仪106被同步以沿扫描路径将一系列离散点曝露于激光束。对于每一扫描路径，界定点距离、点曝露时间和光斑尺寸。在替代实施例中，可沿着扫描路径连续扫描光斑。在此类实施例中，可针对每一扫描路径指定激光光斑的速度，而非界定点距离和曝露时间。

该设备进一步包括气体再循环回路150和用于用例如氮气或氩气等惰性气体回填腔室101的入口160。

气体再循环回路150包括与主腔室101连接的入口151和出口152以及泵153，以用于将气体再循环穿过气体再循环回路150和主腔室101，以跨越粉末床104产生气刀k，该气刀k用于移除熔融过程期间产生的冷凝物。泵153还可连接到除气阀161以允许泵153将腔室101除气到粗真空。气体再循环回路150进一步包括过滤器154，用于从再循环气体和氧吸气剂155移除颗粒。

在此实施例中，氧吸气剂155包括基于铜的氧吸气剂，例如由researchcatalysts公司供应的催化剂gettermax133或233。经再循环的气体随着其再循环而被抽吸经过氧吸气剂155的材料。基于铜的氧吸气剂经由形成氧化铜而来吸收氧。

再循环回路150包括用于加热再循环回路150中传送的气体的加热元件162和可连接到氢气源164的阀163，该阀163可控制以控制允许进入再循环回路150的氢气的量。一个或多个温度监视器(例如热电偶165)监视氧吸气剂155的温度，湿气含量传感器166监视离开氧吸气剂155的气体的湿气含量，且氢气传感器167监视离开氧吸气剂155的气体中氢的量。可提供构件168用于冷凝和移除来自氧吸气剂155的水。

在使用中，在构建之前，腔室101被除气到真空，且接着经由入口160用惰性气体(例如氩或氮)回填。在惰性气体下实行构建，其中气体在构建期间经由再循环回路150再循环从而形成气刀k。气体中剩余的氧由氧吸气剂155吸收。为此目的，惰性气体可在构建开始之前再循环设定的时间段，使得在构建开始之前气体中的氧由于氧被吸气剂155吸收而减少到所要低水平。

为了再生氧吸气剂(例如在每一构建结束时)，氧吸气剂155必须通过还原而激活。在一个实施例中，吸气剂的还原可在设备外部通过从设备移除氧吸气剂而实行。然而，在此实施例中，氧吸气剂的激活在气体再循环回路150中实行。

氧吸气剂155的再生可包括用加热元件162加热流动穿过吸气剂155的惰性无氢气体(例如氮气或氩气)，使得氧吸气剂155的材料床处于例如175到180℃之间的所要温度。氧吸气剂155的温度可由热电偶165监视。

一旦催化剂已加热预定时间长度(例如2小时)，经由阀163将氢引入到再循环回路中的气体中的同时将流动到吸气剂155上的气体的温度维持在所要温度。氧吸气剂155的温度将随着气体中的氢与氧反应而增加。氧吸气剂155中的温度升高可使用热电偶165来监视。如果氧吸气剂155的温度超出预定值(例如225℃)，那么流动穿过氧吸气剂155的气体转变回到无氢气体。

可从热电偶165、湿气传感器166和氢气传感器167中的任一者或多者来确定激活过程的完成。激活过程的完成可从以下各者确定：

a)氧吸气剂的材料床的稳定温度；

b)水的形成的停止；和/或

c)离开氧吸气剂155的气体中氢的浓度等于进入氧吸气剂155的气体中氢的浓度。

作为激活过程的结果产生的水可由构件168移除。

激活之后，再循环回路150可用无氢惰性气体(例如氩气或氮气)冲洗，以确保再循环回路150不含氢。

再循环回路150进一步包括阀156和157，用于当门170打开时将气体再循环回路150与构建腔室101隔离。可提供传感器(未图示)用于检测门是否打开，以使得当检测到门打开时阀156、157可由处理器自动激活。在氧吸气剂处于激活状态的情况下，暴露于空气可致使氧吸气剂足够加热而永久地损坏氧吸气剂155。

在另一实施例中，除氧吸气剂之外或代替于氧吸气剂，该设备包括氢或氮吸气剂。