分配用于增材制造的粉末状构造材料的制作方法

增材制造机通过积累材料的层产生3d(三维)对象。一些增材制造机通常称为“3d打印机”。3d打印机和其他增材制造机使得能够将cad(计算机辅助设计)模型或者对象的其他数字表示转换成物理对象。模型数据可以被处理成切片，每一个切片限定形成对象的构造材料的一层或者多层的部分。

附图说明

图1是示出用于增材制造的构造材料供应系统的一个示例的透视图。

图2和图3是示出用于预热被分配在沿着邻近工作区域的供应甲板的带中的构造材料且然后将预热的构造材料扩散到工作区域上方的一个示例的框图。

图4和图5是示出在图1中所示的示例供应系统中使用的构造材料带分配器的截面图。

图6是示出用于增材制造的构造材料供应系统的另一示例的透视图。

图7是示出来自在图6中所示的示例供应系统的构造材料带分配器的透视图，且图8-11是示出来自在图6中所示的示例供应系统的构造材料带分配器的截面图。

图12-18示出俯视图示意图的序列，其示出使用诸如在图6中示出的示例系统的构造材料供应系统的增材制造过程的一个示例。

图19是示出用于增材制造的构造材料供应系统的另一示例的透视图。

图20是示出来自在图19中所示的示例供应系统的构造材料带分配器的透视图。

图21是示出用于增材制造的构造材料供应过程的一个示例的流程图。

贯穿附图，相同零件编号指示相同或者类似零件。附图不必然按照比例。

具体实施方式

在一些增材制造过程中，热量被用于将在粉末状构造材料中的微粒熔融在一起以形成实心对象。可以例如通过将液体熔融剂以基于对象切片的图案施加到粉末状构造材料的薄层，且然后将图案化的区域暴露于光或者其他熔融能量，来生成用于熔融构造材料的热量。在熔融剂中的能量吸收成分吸收能量以辅助烧结、熔化或者以其他方式熔融构造材料。该过程逐层、逐个切片地重复以完成对象。有时在粉末被铺到工作区域上用于形成图案和熔融之前，期望预热粉末状构造材料。然而，尤其对于被预热到接近其软化温度的粉末，运输和分配热粉末可能是困难的。

已经为增材制造开发了一种新的分配技术，以帮助避免在形成图案和熔融之前处理热粉末的困难。在一个示例中，粉末状构造材料的“带”被分配到紧邻工作区域的供应甲板上。在该上下文中，“带”指的是一层粉末，其中，宽度对高度(厚度)的比至少是15∶1。带的相对大的表面积使得能够快速预热在供应甲板上的粉末，以帮助避免运输和分配热粉末的困难。如下文详细描述地，虽然粉末供应带的宽高比可以取决于构造材料的特征和其他制造参数而变化，但是测试显示，至少15∶1的宽高比对于常用于许多增材制造应用的聚酰胺和其他粉末来说将是足够的。

构造材料供应带可以例如使用阻流型分配器被分配到甲板上，其中，粉末以对应于在分配器和甲板之间的间隙的厚度被铺到供应甲板上，其中，当分配器在甲板上静止时，间隙足够小以阻止来自分配器的粉末的流动。利用阻流型分配器，粉末带能够仅用分配器被铺到供应甲板上，如果期望的话，不会分配过量的粉末，并且被铺成均匀的宽度和厚度。在一个示例中，多叶片分配器被用于分配供应带。在该示例中，分配器包括沿着分配器的一侧的抬升的计量叶片和沿着分配器的另一侧的与甲板齐平的刮擦叶片。当分配器沿着一个方向运动时，计量叶片将粉末以期望的厚度铺到供应甲板上，且当分配器沿相反方向运动时，刮擦叶片刮掉在甲板上的任何粉末。

在下文中描述和在附图中示出的这些和其他示例示出但是不限制专利范围，所述范围在说明书后面的权利要求书中限定。

如在本文献中使用的：“和/或”意思是关联的东西中的一个或者多个；“熔融剂”意思是一种物质，其引起或者帮助引起粉末状的构造材料烧结、熔化或者以其他方式熔融；“细化剂”意思是一种物质，其例如通过修改熔融剂的效果，禁止或者防止或者增强对构造材料的熔融；“能量”意思是任何波长的电磁辐射；“带”意思是一层粉末，在其中，宽度对高度(厚度)的比是至少15∶1；以及“工作区域”意思是支持或者容纳用于熔融的构造材料的任何合适的结构，其包括构造材料的在下方的层和处理中的切片以及其他对象结构。

图1是示出用于增材制造的构造材料供应系统10的一个示例的透视图。参考图1，系统10包括工作区域12、邻近工作区域12的供应甲板14以及分配器16，所述分配器16将粉末状构造材料20的带18分配到供应甲板14上。与例如一堆粉末相比，粉末带18的相对大的表面积使得在将构造材料扩散到工作区域12上方之前，能够更快地预热在供应甲板14上的构造材料20。如果期望的话，在带18中的构造材料20可以例如通过来自下方的导热和/或通过来自上方的照射而在供应甲板14上加热。

图2和图3是框图，其示出用于预热在供应甲板14上的带18中的构造材料20、且然后将构造材料20扩散到工作区域12上的一个示例。参考图2和图3，增材制造机22包括工作区域12、邻近工作区域12的供应甲板14以及将来自带18的构造材料扩散到工作区域12上的扩散器24。增材制造机22还包括构造材料分配器16，诸如在图1中所示的分配器16。在图2和图3中未示出分配器16，以更清楚地示出增材制造机22的其他部件。在该示例中，扩散器24被实施为滚轴。当扩散器滚轴24在工作区域20上方行进时，其可以自由旋转，取决于行进的方向，顺时针或者逆时针惯性滑行(freewheeling)，或者滚轴24可以被沿着任意方向(同向旋转或者逆向旋转)旋转驱动。在图2和图3中的旋转箭头26指示逆时针旋转的扩散器滚轴24。

如上文所述，在附图中的工作区域12表示支持或者容纳用于熔融的构造材料的任何合适的结构，其包括构造材料的在下方的层和正在处理的切片以及其他对象结构。例如，对于构造材料的第一层，工作区域12可以被形成在平台的表面上，所述平台上下运动以调整每一层的厚度。对于构造材料的随后层，例如，工作区域12可以形成在构造材料的下面的层(或者多个层)上，其可以包括熔融和未熔融的构造材料。

仍然参考图2和图3，扩散器滚轴24被安装到可运动滑架28，所述滑架28在工作区域12上方例如沿着导轨30前后运送滚轴24。在图2和图3中，如通过平移箭头32指示地，滚轴24被示出为朝右运动。在该示例中，增材制造机22还包括熔融剂分配器34和光源36或者其他熔融能量。熔融剂分配器34被安装到可运动滑架38，且能量源36被实施为安装到滚轴滑架28上的能量条36。分配器滑架38例如沿着导轨30在工作区域12上方前后运送熔融剂分配器34。

在一个示例操作中，在前的能量条36被充能以照射，且因此当滚轴滑架28在供应甲板14上方朝右运动时，加热粉末带18，如在图2中所示。随着滚轴滑架28继续朝右，滚轴24将构造材料20从在供应甲板14上的带18扩散到在工作区域12上方的层40中，如在图3中所示。如果期望的话，在后的能量条36可以被充能以在扩散操作期间照射粉末层40，同样如在图3中所示。此后，如在下文中参考图12-18所述，当在滑架38上的熔融剂分配器34在工作区域12上方运动时，熔融剂以对应于对象切片的图案被选择性地施加到分层的构造材料。当运送能量条36的滚轴滑架28在工作区域12上方运动时，能量条36的一者或两者被充能，以将图案化的区域暴露于光或者其他电磁辐射。以使在其中已经施加熔融剂的构造材料熔融。熔融剂吸收能量以帮助烧结、熔化或者以其他方式熔融图案化的构造材料。制造逐层且逐个切片地进行，直到对象完成。

图4和图5是示出诸如可以在图1中所示的系统10中使用的分配器16的一个示例的截面图。参考图4和图5，分配器16跨间隙42与供应甲板14间隔开。在该示例中，分配器14构造成料斗，其包括保持构造材料20的容器44和沿着容器44的底部48水平定向的细长开口46。如在图5中所示，当分配器16在甲板14上方运动时，粉末状构造材料20的带18可以从容器44通过开口46被分配到甲板14上。开口46沿着垂直于分配器16的运动方向的方向纵向延伸。分配器16的运动方向由图5中的箭头50指示。

间隙42足够小以在料斗16在甲板14上方静止时阻止来自料斗16的粉末20的流动，且足够大以在料斗16在甲板14上方运动时允许粉末流动。在图4中，料斗16静止以阻止(且因此堵塞)粉末20通过开口46跨间隙42的流动。如在图4中所示，当料斗16静止时，粉末20将仅从开口46流动出去，直到在间隙42中积聚的粉末接触开口46，在此时，流动被阻止。该阻止条件将阻塞粉末20的流动，直到在料斗16和甲板14之间存在相对运动。如在图5中所示，当料斗16运动时，粉末20被从开口46拖动，且流动进入到间隙42中以及甲板14上直到料斗16停止。料斗16的底部48充当将粉末20以带18的方式铺到甲板14上的计量叶片52。(取决于料斗16的运动方向，料斗底部48的一侧将用作计量叶片52-在图5中对于朝右的运动50是左侧)。只要料斗16的速度不超过开口46的流动能力，则带18的厚度将通过间隙42的大小被确定。因此，间隙42能够被设定为用于带18的期望的厚度。

虽然静止的供应甲板14和可运动的分配器16被示出用于分配粉末带18，但是可以期望在一些实施方式中，将带18从静止的分配器16分配到可运动的供应甲板14上，或者通过使甲板14和分配器16相对于彼此运动来分配带18。而且，虽然通过使料斗16和供应甲板14中的一个或者两个相对于彼此垂直地运动可以改变间隙42的大小，但是可调整的计量叶片52也可以用于改变间隙42的大小。

图6是示出在构造材料供应系统10中使用的分配器16的另一示例的透视图。图7-11更详细地示出来自图6的分配器16。参考图6-11，分配器16包括容器44和开口46，粉末可以通过所述开口46从容器44分配。开口46的侧面有两个叶片-计量叶片52和刮擦叶片54。在该示例中，矩形分配器16包括限定容器44的壁56、58、60和62。计量叶片52沿着一个壁56的底部形成，且刮擦叶片54沿着相对的壁60的底部形成。在壁60的底部处的刮擦叶片54和邻近的壁58、60的底部形成基部64，所述基部64抵靠在供应甲板14上。相比壁58-60，壁56更短，以形成在计量叶片52和供应甲板14之间的间隙42。

现在特别参考在图8-11中所示的截面图，间隙42可以被设置成，通过使用阻流条件以期望厚度计量在供应甲板14上的带18。因此，如在图8中所示，当分配器16静止时，粉末20将仅通过间隙42流动出去，直到在间隙42中积聚的粉末接触叶片52，在此时，流动被阻止。该阻止条件(其将阻塞粉末20的流动直到在分配器16和甲板14之间存在相对运动)可以用于在供应甲板14上用构造材料20重新供应容器44。例如，如在图8中所示，分配器16可以停在填料槽66下方(或者槽66可以运动至分配器16上方的位置)，以从(未示出的)更大的供应贮存器重新填充容器44。

如在图9中的箭头50所指示地，当分配器16在计量叶片52在后的情况下运动时，粉末20通过间隙42流动到甲板14上以形成带18。如在图11中的箭头68所指示地，当分配器16在刮擦叶片54在后的情况下运动时，将留在甲板14上的任何粉末收集在容器44中。分配器16可以包括引导件70，以帮助在刮擦操作期间将粉末20引导到容器44中，以及帮助在分配操作期间形成带18的侧。虽然在图6-11中所示的示例中使用固定位置的计量叶片52，但是在其他示例中，可以使用可运动的计量叶片52，以更简单地调整间隙42的大小。

测试显示，在增材制造中常用的聚酰胺构造材料粉末可以使用阻流分配器(诸如在图1和图6中所示的分配器16)在30mm-80mm宽的带18中被均匀地铺成0.8mm-2.0mm的厚度，导致在15∶1到100∶1的范围中的宽高比。在一些操作中，可以期望分配一定体积的粉末至供应带18以仅覆盖工作区域的一部分。在其他操作中，可以期望分配足够体积的粉末至供应带18，以将工作区域12完全覆盖至熔融层的厚度。因此，对于完全的覆盖(在其中例如如在图13中所示，带18可以被分配到对应于工作区域12的长度的任何长度)，带18的每单位长度的体积(h×w)可以至少等于工作区域的每单位长度的体积。例如，如果构造材料跨300mm宽的工作区域被铺成0.1mm的厚度，则例如1mm高和30mm宽、0.8mm高和38mm宽或者0.6mm高和50mm宽的供应带将容纳正好足以将工作区域覆盖到期望的厚度的粉末的体积。当然，可以期望将多于足以将工作区域覆盖到期望的厚度的体积的粉末分配到带18，例如，以考虑粉末密度方面的任何变化和/或在工作区域的表面中的不规则。除了期望的体积，其他因素可以影响在上文中提到的范围内的粉末供应带18的宽高比。对于一个示例，所使用的加热系统的类型可以限制能够在供应甲板14上被有效预热的供应带18的厚度(高度)。对于另一示例，扩散器滚轴或者其他铺层系统可以限制能够在工作区域上方被有效扩散的供应带的宽度。粉末本身的特征也可以影响供应带18的宽高比。

现在参考在图12-18中的视图的序列，增材制造机22包括供应系统10(带有工作区域12、供应甲板14和带分配器16)、扩散器24、能量条36和熔融剂分配器34。扩散器24和能量条36在图12-18中由标记为seb的框描绘，且可以在图2和图3中所示的滑架28上在工作区域12上方来回一起运送。熔融剂分配器34在图12-18中由标记为fad的框描绘，且可以在图2和图3中所示的滑架38上在工作区域12上方来回运送。在图12中，seb24、36和fad34停止，且分配器16如由箭头50指示的那样在供应甲板14上方运动，以分配构造材料20的带18。在图13中，分配器16已经完成了带18，且在供应甲板14的一侧的外方停止。而且，在该示例中，在将带18分配之后，在分配器16中没有构造材料20。

在图14中，如由箭头32指示地，seb24、36正在工作区域12上方扩散构造材料20的层40。在该阶段期间，seb24、36还可以在扩散器24在工作区域12上方扩散构造材料20之前，利用如在图2中所示的能量条36预热在带18中的构造材料20。在图15和图16中，seb24、36停止，且在fad34在工作区域12上方扫过时(如由在图15中的箭头74指示地)，fad34以对应于对象切片的图案72施加熔融剂到层40中的构造材料20。在图15和图16中还示出在seb24、36在工作区域12上方的铺层阶段之后由seb24、36沉积的粉末残留73的线。

在图17中，fad74在工作区域12上方往回扫描，例如以施加更多的熔融剂和/或以施加细化剂到层40中的构造材料20，或者仅仅返回到其停止位置。同样在图17中，seb24、36在工作区域12上方扫过，以利用熔融能量照射图案化的构造材料(如由箭头32指示地)，且分配器16例如利用在图11中所示的刮擦叶片54清理来自供应甲板14的粉末残留73(如由在图17中的箭头68所指示地)。在图18中，图案化的构造材料已经被熔融以形成对象切片76，seb24、36和fad34停止，且重新供应的分配器16再次在供应甲板14上方运动以分配构造材料20的带18，以准备接下来的图案化和熔融操作，诸如由箭头50指示地。

使用液体熔融剂的增材制造，诸如在图2-3和图12-18中所示的增材制造机22，仅仅是可以利用带有粉末分配器16的构造材料供应系统10的增材制造机的一种类型。使用粉末状构造材料的激光烧结机和其他增材制造机和过程也可以利用新的构造材料供应系统和粉末“带”分配器的示例。

在分配器16中的计量叶片52可以容易地适于使粉末带18的表面粗糙，以减少反射，以及因此增加辐射加热效率。图19是在构造材料供应系统10中使用的使带18的表面粗糙的分配器16的另一示例的透视图。图20是更详细地示出来自图19的分配器16的透视图。参考图19和图20，计量叶片52的边缘78包括使粉末带18的表面82粗糙的不规则部80。在所示的示例中，不规则部80构造成齿，以在带表面82中形成皱纹84。使在带18中的粉末的表面粗糙帮助降低照射能量的反射，用于更有效的加热。

图21是示出用于增材制造的构造材料供应过程100的流程图。参考图21，过程100包括将粉末状构造材料的带分配到表面上(框102)(例如如在图1中所示)，且然后将粉末状构造材料的带扩散到工作区域上方(框104)(例如如在图2和图3中所示)。

在附图中示出和在上文中描述的示例示出但是不限定专利，所述专利在所附权利要求中限定。

在权利要求中使用的“一个”、“一种”以及“所述”意思是至少一种。例如，“一个分配器”意思是至少一个分配器，且随后对“所述分配器”的引用意思是所述至少一个分配器。