直接金属电子照相添加式制造机器的制作方法

本主题大体涉及用于建造三维(3D)部件的添加式制造系统和方法。特别地，本公开涉及用于用基于直接金属电子照相的系统(DME)和/或基于离子放射照相的系统，使用金属材料来建造3D部件的系统和工艺。

背景技术：

使用添加式制造系统根据3D部件的数字表示(例如，AMF和STL格式文件)，使用一种或多种添加式制造技术来建造3D部件。在商业上可获得的添加式制造技术的示例包括基于挤压的技术、喷墨、选择性激光烧结、粉末/胶合剂喷射、电子束熔化、直接金属激光熔化(DMLM)和立体光刻工艺。对于这些技术中的各个，3D部件的数字表示最初切片成多个水平(X-Y)层。对于各个切片层，然后产生工具路径，它对特定添加式制造系统提供指令，以形成给定层。

当前的粉末床DMLM机器充满限制，尤其是妨碍大尺寸可缩放系统的那些，限制包括(但不限于)速度、粉末体积、捕集的粉末和热应力。速度限制包括重涂和激光器扫描时间太慢。当前工艺基本是在X-Y空间中重复然后在Z空间中重复的1D(点熔化)。典型的层需要300秒的激光时间，然后10秒的重涂时间。存在粉末体积限制，因为建造立方体的每个角落和裂缝必须填满粉末，从而需要在建造期间和之后必须处理的大量粉末填充量。对于大型区域建造，这个粉末填充量可能是好几千磅。而且，发生捕集的粉末的限制是无法建造封闭空间，因为无法排空粉末。当前对排空粉末的要求也会限制设计自由。而且，当前的DMLM机器会对部件施加由于快速建造材料凝固而引起的大的热应力，从而产生几何扭曲，而且有时会在母材料中产生裂纹。另外，在切断之前必须释放整个平台的应力，这对于大型部件是困难的，因为普通可获得的熔炉有重型负载和大小限制。

在二维(2D)打印中，电子照相(即，静电复印)是用于在平坦衬底(诸如打印纸)上建立2D图像的流行技术。电子照相系统包括涂有光电导材料层的传导性支承鼓，其中通过充电，然后按图像使光电导层暴露于光源，来形成潜像静电图像。然后将潜像静电图像移动到显影站，在那里对光电导绝缘体的带电区域应用调色剂，以形成可视图像。然后形成的调色剂图像传递到衬底(例如，打印纸)，并且用热或压力固定到衬底。

但是，3D打印需要改进的打印技术，尤其是具有金属建造材料的打印技术。

技术实现要素：

将在以下描述中部分地阐述本发明的各方面和优点，或者根据该描述，本发明的各方面和优点可为明显的，或者可通过实践本发明，来学习本发明的各方面和优点。

大体提供一种用于打印三维部件的添加式制造系统。在一个实施例中，添加式制造系统包括：可移动壳体，其限定前部壳体区段和后部壳体区段；受光鼓，其限定鼓外表面；充电电极，其定位成对受光鼓外表面应用静电电荷；沿侧向固定的平台，其在可移动壳体的外部设置在工件附近，沿侧向固定的平台包括至少一个带电传递电极；控制器电路，其用于使可移动壳体围绕工件来回移动，同时选择性地对受光鼓应用至少一个激光二极管放射，以暴露受光鼓外表面上的层轮廓，控制器电路使前部带电粉末滚筒和后部带电粉末滚筒沿相反的旋转方向同时旋转，相应地与受光鼓的向前旋转方向和向后旋转方向同步和相反，从而在受光鼓的层轮廓上呈现带电粉末形成的部分，然后将所述形成的部分作为相应的金属打印层传递到工件上；前部和后部微波发射器，其设置在可移动壳体的内部，以熔化相应的金属打印层；以及前部和后部感应线圈，其设置在可移动壳体的内部，以加热工件。

技术方案1. 一种用于打印三维部件的添加式制造系统，所述添加式制造系统包括：

可移动壳体，其限定前部壳体区段和后部壳体区段；

受光鼓，其限定鼓外表面；

充电电极，其定位成对所述受光鼓外表面应用静电电荷；

沿侧向固定的平台，其在所述可移动壳体外部设置在工件附近，所述沿侧向固定的平台包括至少一个带电传递电极；

控制器电路，其用于使所述可移动壳体围绕所述工件来回移动，同时选择性地对所述受光鼓应用至少一个激光二极管放射，以暴露所述受光鼓外表面上的层轮廓，所述控制器电路使前部带电粉末滚筒和后部带电粉末滚筒沿相反的旋转方向，相应地与所述受光鼓的向前旋转方向和向后旋转方向同步和相反而同时旋转，从而在所述受光鼓的层轮廓上呈现带电粉末形成的部分，并且将所述形成的部分作为相应的金属打印层传递到所述工件上；

前部和后部微波发射器，其设置在所述可移动壳体的内部，以熔化相应的金属打印层；以及

前部和后部感应线圈，其设置在所述可移动壳体的内部，以加热所述工件。

技术方案2. 根据技术方案1所述的添加式制造系统，其特征在于，所述前部壳体区段包括前部粉末刮板，其设置在所述前部带电粉末滚筒附近，以清洁掉多余粉末。

技术方案3. 根据技术方案2所述的添加式制造系统，其特征在于，所述前部粉末刮板包括前部可调节层切割刀刃。

技术方案4. 根据技术方案1所述的添加式制造系统，其特征在于，所述前部壳体区段包括至少一个固定的反射镜和至少一个前部扫描反射镜。

技术方案5. 根据技术方案1所述的添加式制造系统，其特征在于，所述前部壳体区段包括至少一个前部放电灯，以使所述受光器外表面放电。

技术方案6. 根据技术方案1所述的添加式制造系统，其特征在于，所述后部壳体区段包括后部粉末刮板，其设置在所述后部带电粉末滚筒附近，以清洁掉多余粉末。

技术方案7. 根据技术方案6所述的添加式制造系统，其特征在于，所述后部粉末刮板包括后部可调节层切割刀刃。

技术方案8. 根据技术方案1所述的添加式制造系统，其特征在于，所述后部壳体区段包括至少一个侧部选择器反射镜和至少一个后部扫描反射镜。

技术方案9. 根据技术方案1所述的添加式制造系统，其特征在于，所述后部壳体区段包括至少一个后部放电灯，以使所述受光器外表面放电。

技术方案10. 根据技术方案1所述的添加式制造系统，其特征在于，所述前部和后部微波发射器在范围为大约100 MHz至100 GHz的频率下运行。

技术方案11. 根据技术方案1所述的添加式制造系统，其特征在于，所述金属打印层包括铝、铁、镍、钛、钴、铬或者它们的混合物形成的超合金。

技术方案12. 一种用于打印三维部件的添加式制造系统，所述添加式制造系统包括：

可移动壳体，其限定前部壳体区段和后部壳体区段；

受光鼓，其限定鼓外表面，所述受光鼓在工件附近居中地设置在所述可移动壳体中；

充电电极，其居中地设置在所述可移动壳体中，以对所述受光鼓外表面应用静电电荷；

沿侧向固定的平台，其在所述可移动壳体的外部设置在所述工件附近，所述沿侧向固定的平台包括至少一个带电传递电极；

控制器电路，其用于使所述可移动壳体围绕所述工件来回移动，同时选择性地激励激光二极管阵列中的至少一个激光二极管，并且将其定向到所述受光鼓，以暴露所述受光鼓外表面上的层轮廓，同时所述受光鼓沿相反的向前旋转方向和向后旋转方向旋转，所述控制器电路使前部带电粉末滚筒和后部带电粉末滚筒沿相反的旋转方向，相应地与所述受光鼓的向前旋转方向和向后旋转方向同步和相反而同时旋转，从而在所述受光鼓的层轮廓上产生带电粉末形成的部分，并且将所述形成的部分作为相应的打印层传递到所述工件上；

前部和后部微波发射器，其设置在所述可移动壳体的内部，以熔化相应的打印层，以及

前部和后部感应线圈，其设置在所述可移动壳体的内部，以加热所述工件。

技术方案13. 根据技术方案12所述的添加式制造系统，其特征在于，所述前部壳体区段包括前部粉末刮板，其设置在所述前部带电粉末滚筒附近，以清洁掉多余粉末。

技术方案14. 根据技术方案13所述的添加式制造系统，其特征在于，所述前部粉末刮板包括前部可调节层切割刀刃。

技术方案15. 根据技术方案12所述的添加式制造系统，其特征在于，所述前部壳体区段包括至少一个前部放电灯，以使所述受光器外表面放电。

技术方案16. 根据技术方案12所述的添加式制造系统，其特征在于，所述后部壳体区段包括后部粉末刮板，其设置在所述后部带电粉末滚筒附近，以清洁掉多余粉末，所述后部粉末刮板包括后部可调节层切割刀刃。

技术方案17. 根据技术方案12所述的添加式制造系统，其特征在于，所述后部壳体区段包括至少一个后部放电灯，以使所述受光器外表面放电。

技术方案18. 根据技术方案12所述的添加式制造系统，其特征在于，所述前部和后部微波发射器在范围为大约100 MHz至100 GHz的频率下运行。

技术方案19. 根据技术方案12所述的添加式制造系统，其特征在于，所述金属打印层包括铝、铁、镍、钛、钴、铬或者它们的混合物形成的超合金。

参照以下描述和所附权利要求，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。附图结合在本说明书中且构成其一部分，附图示出本发明的实施例，而且与描述一起用来说明本发明的原理。

附图说明

在说明书中对本领域普通技术人员阐述本发明的完整且能够实施的公开，包括其最佳模式，说明书参照了附图，其中：

图1是在镜像DME 3D打印机沿向后方向移动时的示意图；

图2是在镜像DME 3D打印器沿向前方向移动时的示意图；以及

图3是使用发光二极管阵列的LED阵列DME 3D打印机的示意图。

部件列表

10直接金属电子照相机器

12可移动壳体

14前部壳体区段

16后部壳体区段

18受光鼓

19鼓外表面

20前部粉末滚筒

22后部粉末滚筒

24前部粉末进料

26后部粉末进料

28前部带电粉末盒

30后部带电粉末盒

32前部切割刀刃

34后部切割刀刃

36前部粉末刮板

38后部粉末刮板

40充电电极

42前部放电灯

44后部放电灯

46固定的反射镜

48前部扫描反射镜

50后部扫描反射镜

52侧部选择器反射镜

54激光二极管

56控制器电路

58前部微波发射器

60后部微波发射器

62前部感应线圈

64后部感应线圈

66前部打印层

68后部打印层

70工件

72固定平台

74带电传递电极

76前部发光二极管阵列

78后部发光二极管阵列。

具体实施方式

现在将详细参照本发明的实施例，在附图中示出实施例的一个或多个示例。详细描述使用数字和字母名称来引用图中的特征。使用图和描述中的相同或相似名称来指示本发明的相同或相似部件。

现在附图，图1和2显示添加式制造系统10的示例性实施例，其描绘成用于打印三维部件的直接金属电子照相机器(DME)的横截面，其具有可移动壳体12，可移动壳体12限定前部壳体区段14和后部壳体区段16。

图1和2的示例性添加式制造系统10包括受光鼓18，受光鼓18具有定位在可移动壳体12内的鼓外表面19。虽然受光鼓18显示为居中地设置在可移动壳体12内，但根据本描述，可利用任何适当的构造。

可移动壳体12定位在工件70附近，使得受光鼓18的鼓外表面19面向工件70的可打印表面71。大体上，工件70由导电材料构建而成，诸如金属，以便允许其有电偏压。例如，工件70可由金属合金构建而成，包括铝、铁、镍、钛、钴、铬或者它们的混合物形成的超合金。

充电电极40定位成在添加式制造过程期间对受光鼓18的外表面19应用静电电荷。虽然显示为居中地位于壳体12内在受光鼓18的与工件70相对的侧，但根据本公开，充电电极40可定位在壳体12内的任何适当的位置上。大体上，充电电极40将静电电荷投射到受光鼓18的外表面19和/或能够在其表面上保持静电电荷的任何其它感光鼓或带上。因而，在打印期间，受光鼓18的外表面19在旋转之后由于充电电极40而带静电。大体上，充电电极40的长度至少像受光鼓18的长度那么长，以便对受光鼓18的整个外表面19充电。在一个实施例中，充电电极40是电晕线材，其定位成平行于受光鼓18的轴线，以将静电电荷投射到其上。注意，这个过程可在没有光的情况下运行(即，在壳体12内无任何发光)。

还对受光鼓18应用AC偏压，以移除前面的层留下的任何残余电荷。受光鼓18还具有DC偏压，从充电电极40在鼓表面19上应用DC偏压，以确保其上有均匀的负电势。

受光鼓外表面19可具有硅涂层，其具有光电导层，光电导层具有三个层，包括从最外面向内的电荷传送层(CTL)、电荷产生层(CGL)和形成于铝衬底下面的阻挡层或氧化层。CTL是大约20微米厚的明层，它允许光穿过到达CGL，并且控制受光鼓外表面19的电荷接受能力。CGL为大约0.1至1微米厚，并且允许有离子流。阻挡层将光电导层结合到铝衬底上。

沿侧向固定的平台72在可移动壳体12的外部设置在工件70附近，并且可具有与沿侧向固定的平台72处于电连通的至少一个带电传递电极74。受光鼓18在由于平台72的背侧上的传递电极74而带正电的工件70附近经过，以将粉末颗粒从受光鼓18拉到工件70，并且根据外表面19上的型式来形成打印层66、68。

控制器电路56执行示例性实施例的多个操作。控制器电路56可提供运动命令，以使可移动壳体12围绕工件70来回移动，以根据来自打印文件(例如，来自用户的计算机和/或其它控制器)的数据流来定位DME 10。控制器电路56还可选择性地将至少一个激光二极管54的放射反射到受光鼓18上，以暴露外表面19的层轮廓部分51，同时受光鼓18沿相反的前旋转方向和后旋转方向旋转。激光二极管(一个或多个)54可定向到旋转的多边形扫描反射镜48、50，旋转的多边形扫描反射镜48、50引导激光束55通过一系列的透镜和反射镜到达受光鼓18上。受光鼓18在扫掠期间继续旋转，并且扫掠角补偿这个运动。来自控制器电路56的模型数据流打开和关闭激光，以在不对应于建造层横截面的那些区域中选择性地照射受光鼓18的表面19。激光55辐射与光反应性表面19的相互作用使得鼓能够有局部光电导性，并且容许对不希望粉末传递到建造层的区域进行表面静电放电。这个过程在对应于建造横截面的那些区域中保留鼓表面19的静电荷，使得静电荷随后可用来提升粉末且将粉末传递到鼓表面19，以使粉末作为建造层68应用到工件70上。

如图3中显示的那样，还可使用跨越受光鼓18的宽度的前部发光二极管(LED)阵列76和后部发光二极管(LED)阵列78来执行暴露，各个阵列都由控制器电路56控制。

控制器电路56还使前部带电粉末滚筒20和后部带电粉末滚筒22沿相反的旋转方向(相应地，与受光鼓18的前旋转方向和后旋转方向同步和相反)同时旋转，从而将带电粉末形成的部分呈现到受光鼓18的层轮廓上，然后将形成的部分作为相应的金属打印层66、68传递到工件70上。具有层轮廓的受光鼓外表面19暴露于来自前部粉末进料28和后部粉末进料30的粉末颗粒，这取决于受光鼓18的旋转方向。对粉末颗粒提供负电荷，并且粉末颗粒由于静电而吸引到受光鼓层轮廓，即，被激光碰到的区域。因为同种电荷相互排斥，带负电的粉末不会在保留有负电荷处附连到鼓上。前部粉末滚筒20和后部粉末滚筒22还可对受光鼓外表面19应用DC偏压，以确保均匀的负电势。

前部粉末盒28和后部粉末盒30可包括金属材料，诸如铝、铁、镍、钛、钴、铬或者它们的混合物形成的超合金，以形成和淀积具有相同成分的金属打印层66、68。

控制器电路56还可控制设置在可移动壳体12内部的前部微波发射器58和后部微波发射器60的熔化操作，以使相应的金属打印层66、68熔化到工件70。另外，控制器电路56可控制设置在可移动壳体内部的前部感应线圈62和后部感应线圈64的运行，以使用热辐射来加热工件，但可利用任何适当的热供应。在可移动壳体12的向前运动的期间(参见图2)，前部微波发射器58和/或前部感应线圈62预热工件70，以使表面准备好传递形成的层轮廓，并且在后部微波发射器60和/或后部感应线圈64烧结当前形成的层轮廓以结合到工件70上时，用来降低破裂和热扭曲的倾向。在可移动壳体12后向运动的期间(参见图1)，微波发射器和感应线圈的前部和后部熔化操作是相反的。前部微波发射器58和后部微波发射器60可按大约100 MHz至大约300 GHz的频率运行，或者按适合与粉末和/或工件70联接的任何频率运行。也就是说，微波发射器58、60可发射具有大约100 MHz大约300 GHz的波长的电磁辐射。

控制器电路56可包括适当的计算机可读指令，当被执行时，计算机可读指令将控制器电路56构造成执行各种不同的功能，诸如使用计算机逻辑来接收、传输和/或执行控制信号。

计算机大体包括处理器(一个或多个)和存储器。处理器(一个或多个)可为任何已知的处理装置。存储器可包括任何适当的计算机可读介质或媒体，包括(但不限于)RAM、ROM、硬盘驱动器、闪存或其它存储器装置。存储器存储可由处理器(一个或多个)访问的信息，包括可由处理器(一个或多个)执行的指令。指令可为任何指令集，当由处理器(一个或多个)执行时，指令集使处理器(一个或多个)提供期望功能性。例如，指令可为以计算机可读形式呈现的软件指令。当使用软件时，任何适当的编程、脚本或其它类型的语言或语言组合都可用来实现本文中包含的教导。备选地，指令可由硬接线逻辑或其它电路实现，包括(但不限于)特定用途电路。

存储器还可包括可由处理器(一个或多个)读取、操作或存储的数据。例如，在接收DME 10层轮廓之后，存储器可存储信息。另外，存储器可存储各种其它源的参数。

计算装置可包括用于在网络上访问信息的网络接口。网络可包括网络组合，诸如Wi-Fi网络、LAN、WAN、互联网、蜂窝网络，和/或其它适当的网络，并且可包括任何数量的有线或无线通信链路。例如，计算装置可通过有线或无线网络与DME 10通信。

DME 10添加式制造系统的清洁操作可包括前部粉末刮板36和后部粉末刮板38，它们设置在前部带电粉末滚筒20和后部带电粉末滚筒22附近，以从受光鼓18清洁掉多余粉末。前部粉末刮板36和后部粉末刮板38还可包括前部可调节层切割刀刃32和后部可调节层切割刀刃34。当层完成时，电中性的可调节层切割刀刃32、34从受光鼓18清洁掉任何多余粉末，并且使粉末淀积回相应的粉末盒28、30中。为了打印后面的层，沿侧向固定的平台72在可调节层切割刀刃32、34上下降层厚度刀刃设定，并且可移动的打印头壳体12开始沿相反的方向来回移动，以进行下一层。这个操作重复，直到工件完成。

DME 10前部壳体区段14中的额外结构可包括用于反射激光束的至少一个固定的反射镜46和至少一个前部扫描反射镜48，以及用于使受光鼓外表面19放电的至少一个前部放电灯42。DME10后部壳体区段16中的额外结构可包括用于反射激光束的至少一个侧部选择器反射镜52和至少一个后部扫描反射镜50，以及用于使受光鼓外表面19放电的至少一个后部放电灯44。

DME 10添加式制造系统可在大小上设置成不影响功能性的任何长度，并且多个打印头可安装在单个可移动壳体12中。多个可移动壳体12可用来在单个工件70上建造相同部件。

DME 10添加式制造系统仅仅以最小浪费，将建造部件所需的数量和层的建造材料直接淀积到工件上。也就是说，在利用DME 10添加式制造系统的打印之后，从打印表面移除很少多余粉末或没有多余粉末，并且对部件进行很少的后处理。

DME 10添加式制造系统还通过经由逐层加热的过程和二维打印(2D线性熔化)来减小和/或消除热应力。因而，在使用10添加式制造系统打印之后，不需要热循环来减轻工件中的应力。

在一个实施例中，用于打印三维部件的方法包括对旋转受光鼓的外表面充静电电荷；中和旋转受光鼓表面的外表面的一部分上的静电电荷，以形成对应于被中和部分的层轮廓；然后将多个带电金属粉末颗粒传递到旋转受光鼓的对应于被中和部分的外表面上；以及将带电金属粉末颗粒从旋转受光鼓的外表面传递到工件上，以形成金属打印层。方法可使用定位在带电的固定平台上的金属工件，其中旋转受光鼓在工件上滚动，以将带电金属粉末颗粒从旋转受光鼓的外表面传递到工件上。另外，方法可包括使用具有大约100MHz波长至大约300GHz波长的电磁辐射，使金属打印层熔化到工件。打印方法还可在将带电金属粉末颗粒从旋转受光鼓的外表面传递到工件上之前，使用例如热辐射来预热工件。

在一个实施例中，打印方法可通过使用至少一个激光束使旋转受光鼓外表面暴露于层轮廓，来中和静电电荷。层轮廓可由控制器电路提供。然后带电金属粉末颗粒可从至少一个带电粉末滚筒输送到受光鼓的外表面上。然后，在将带电金属粉末颗粒输送到受光鼓的外表面之后，可使用至少一个电中性的可调节粉末刮板刀刃从受光鼓的外表面清洁掉任何多余粉末，然后将多余粉末淀积回至少一个带电粉末滚筒中。然后，可使用至少一个放电灯从受光鼓外表面上放掉任何其余电荷，然后对受光鼓的外表面再充电。

还大体提供用于打印三维部件的方法，包括将金属工件定位在固定平台上；对平台充电；预热金属工件；使旋转受光鼓滚动经过预热金属工件，以将多个带电金属粉末颗粒从旋转受光鼓的外表面传递到工件的外表面上，以形成金属打印层；以及使金属打印层熔化到工件上。在此方法中，可使用具有大约100MHz波长大约300GHz波长的电磁辐射使金属打印层熔化到工件，并且可使用热辐射来预热工件。另外，此方法可包括对旋转受光鼓的外表面充静电电荷；中和旋转受光鼓表面的外表面的一部分上的静电电荷，以形成对应于被中和部分的层轮廓；以及用带电金属粉末颗粒形成层轮廓，使得带电金属粉末颗粒定位在旋转受光鼓的对应于被中和部分的外表面上。可通过使用至少一个激光束使旋转受光鼓外表面暴露于层轮廓，来中和静电电荷。层轮廓可由控制器电路提供。

在该方法的一个实施例中，带电金属粉末颗粒可从至少一个带电粉末滚筒输送到受光鼓的外表面上。在将带电金属粉末颗粒输送到受光鼓的外表面之后，可使用至少一个电中性的可调节粉末刮板刀刃从受光鼓的外表面清洁掉多余粉末，然后使多余粉末淀积回至少一个带电粉末滚筒中。

在这种实施例中，旋转受光鼓沿第一方向滚动经过预热金属工件，然后旋转受光鼓沿第二方向滚动经过预热金属工件，以将第二多个带电金属粉末颗粒从旋转受光鼓的外表面传递到工件的外表面上，以形成第二金属打印层，然后第二金属打印层熔化到工件上。

本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及实行任何结合的方法。本发明的可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这样的其它示例包括不异于权利要求的字面语言的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质性差异的等效结构要素，则它们意于处在权利要求的范围之内。