带有平整装置的粉末层三维打印机的制作方法

本发明涉及具有平整装置的粉末层三维打印机，该平整装置包括具有复杂的粉末接合面的反向旋转辊。

背景技术：

目前存在各种类型的三维打印机，即通过系统地堆积一种或多种材料将三维物品的电子表示转换成物品本身的装置。本发明的装置发现尤其对那些通过选择性地将连续沉积的粉末层的预选区域结合在一起而产生三维物品的类型的三维打印机有用。这些类型的三维打印机在本文中称为“粉末层三维打印机”，因为通过这种打印机构造的三维物品利用粉末层作为构建材料。这种类型的粉末层三维打印机的实例包括但不限于粘合剂喷射三维打印机、选择烧结三维打印机和电子束熔化三维打印机。

应理解，术语“粉末”在本领域中有时也称为“颗粒材料”或“颗粒”，而术语“粉末”在本文中应解释为任何此类材料，无论何种名称，在这种三维打印机中用作层形成材料。粉末可以包括能够呈现粉末形式的任何类型的材料，例如金属、塑料、陶瓷、碳、石墨、复合材料、矿物等，以及它们的组合。术语“构建粉末”在本文中用以指用于形成粉末层的粉末，并且物品在粉末层三维打印机中由该粉末构建。

在粉末层三维打印机的操作期间，将第一层构建粉末沉积在垂直可索引的构建平台上，然后在第一粉末层上一次一层地沉积连续的粉末层。当形成一个或多个三维制品时，处理选定粉末层的选定部分以将这些部分中的粉末结合在一起。共同地，沉积的粉末层的未结合在一起的部分在本文中称为“粉末床”。

形成粉末层的过程有时在本领域中称为并且在本文中称为“涂覆”。实现再涂覆的具体粉末层三维打印机的装置或装置的组合有时在本领域中称为，并且在本文中称为“粉末涂覆器(recoater)”或更简单地称为“涂覆器”。

在一些粉末层三维打印机中，每个粉末层通过首先向上分度(indexing)平台，来转移来自敞口固定粉末储存器的预定量的构建粉末而形成，该平台支承储存器内的粉末预定量以在储存器壁上方提高预定量，然后将该量的粉末推过构建平台或粉末床的顶部，例如，通过刮刀刀片或反向旋转辊，形成粉末层。在cima等人的美国专利5,387,380中描述了这种涂覆器的例子。这种涂覆器通常限于与较小尺寸的粉末床一起使用，即具有再涂覆方向长度小于几十厘米的粉末床。

在一些粉末层三维打印机中，每个粉末层通过包括行进粉末分配器的涂覆器沉积在构建平台上或现存的粉末床上，所述行进粉末分配器在横穿构建平台或粉末床时通过开口狭缝分配构建粉末。在hochsmann等人的美国专利7,799,253b2中描述了这种涂覆器的实例。这种涂覆器可以包括或不包括适于使粉末层顶部平整的一些装置。如本文中所用，术语“平整”应阐释为意指对一定量的粉末操作以便做成以下中的至少一个：(a)将至少一部分量的粉末形成为层，(b)使包含一定量粉末的层的表面的至少一部分不那么粗糙，以及(c)压缩包含一定量粉末的层的至少一部分。平整一定量粉末的机构在本文中称为“平整装置”。

具有平整装置的现有技术的涂覆器的示例在图1a和1b中示出。参考图1a，示出了现有技术的涂覆器2，该涂覆器2包括桥部3，桥部3在其端部处具有第一台车安装件4a和第二台车安装件4b，其适于将涂覆器2附连到成对平行的台车(未示出)，以选择性地横跨粉末床(未示出)移动涂覆器2。现在参考图1b，示出了沿着图1a中的切割平面1b-1b截取的涂覆器2的剖视图。涂覆器2包括上部粉末储存器5、粉末分配机构7和呈具有平整圆柱面的机动化反向旋转辊6形式的粉末平整装置。在操作期间，涂覆器2在箭头a所示的方向上行进，将粉末(未示出)通过阀门从上部粉末储存器5和下部粉末储存器8分配到粉末支承板9上，并由此到达粉末床(未示出)上。反向旋转辊6跟随粉末分配机构7并且使沉积的粉末与辊的光滑表面接触，以使沉积的粉末平整。

尽管当今本领域中存在的光滑面圆柱辊通常可用于其预期目的，但是在用于使沉积的粉末平整的涂覆速度方面仍有改进的空间。当将在粉末床中生产一种或多种制品所需的数百或数千层数成倍增加时，即使单层的平整速度的小幅增加也变得显著。

技术实现要素：

本发明提供了粉末层三维打印机，其包括适于容纳粉末床的构建箱；平整装置，该平整装置包括具有旋转轴线和沿着旋转轴线延伸的复杂的粉末接合面的反向旋转辊；以及适于使平整装置横跨构建箱移动的托架。

在反向旋转的一些实施例中，复杂的粉末接合面的至少一部分包括沿着旋转轴线延伸的至少一个凹槽。至少一个凹槽可以包括与旋转轴线平行的直槽，或者可以包括绕旋转轴线扭转的螺旋形凹槽。螺旋形凹槽可以具有在大约1比大约0.75英寸至大约1比大约50英寸范围内的扭转比。

此外，反向旋转辊可包括复杂的粉末接合面，该复杂的粉末接合面包括沿着旋转轴线延伸的滚花。在一些实施例中，滚花可包括菱形图案或直脊形图案。

粉末层三维打印机的平整装置的实施例还可以包括定位在托架上的竖直可调节的修整辊，使得随着托架横跨构建箱移动，修整辊跟随反向旋转辊。在一些实施例中，粉末分配器可以定位在托架上，使得反向旋转辊定位在粉末分配器和垂直可调节的修整辊之间。在另外的实施例中，粉末分配器和平整装置是可独立地移动的。

附图说明

通过参考附图将更好地理解本发明的特征和优点的关键性。然而应当理解，附图仅作为说明的目的而设计，而不是作为本发明的范围的限定。

图1a是具有粉末分配机构和反向旋转辊的现有技术涂覆机的立体图。

图1b是沿着图1a的切割平面1b-1b截取的图1a的现有技术的涂覆器的等距剖视图。

图2示出了粉末层三维打印机10形式的实施例的示意性立体图。

图3a是实施例涂覆器的等距侧视图。

图3b是实施例涂覆器xx的等距底部立体图。

图4是根据实施例的具有凹槽面的反向旋转辊的等距立体图。

图5是根据实施例的具有滚花面的反向旋转辊的侧视图。

具体实施方式

在本部分中充分详细描述了本发明的一些较佳实施例，对于本领域技术人员无需过度实验即可实施本发明。然而，应该理解，在该部分中描述有限数量的较佳实施例的事实不以任何方式限制权利要求中阐述的本发明的范围。

应当理解，无论何时在本文中描述一系列值，即无论是在本部分还是在本专利文件的任何其它部分中，该范围包括端点和它们之间的每个点，如同每一个这样的点已被明确描述一样。除非另有说明，否则本文中使用的词语“约”和“基本上”应解释为意指与“约”或“基本上”修饰的值或条件相关的正常测量和/或制造限制。除非另有明确说明，否则术语“实施例”在本文中用于表示本发明的实施例。

本发明的涂覆器具体用于粉末层三维打印机。虽然涂覆器可以与任何类型的粉末层三维打印机一起使用，但为了简明起见，本部分将讨论的唯一类型的粉末层三维打印机是那些粘合剂喷射三维打印机类型。粘合剂喷射三维打印机有时在本领域中称为“三维喷墨打印机”，因为粘合剂喷射是由使用类似于那些为喷墨打印开发的打印头实现的。基本的粘合剂喷射三维打印方法发明于20世纪80年代，并于20世纪90年代在麻省理工学院开发，并在几个美国专利中描述，包括以下美国专利：sachs等人的5,490,882、cima等人的5,490,962、cima等人的5,518,680、bredt等人的5,660,621、sachs等人的5,775,402、sachs等人的5,807,437、sachs等人的5,814,161、bredt5,851,465、cima等人的5,869,170、sachs等人的5,940,674、sachs等人的6,036,777、sachs等人的6,070,973、sachs等人的6,109,332、sachs等人的6,112,804、vacanti等人的6,139,574、sachs等人的6,146,567、vacanti等人的6,176,874、griffith等人的6,197,575、monkhouse等人的6,280,771、sachs等人的6,354,361、sachs等人的6,397,722、sherwood等人的6,454,811、yoo等人的6,471,992、sachs等人的6,508,980、monkhouse等人的6,514,518、cima等人的6,530,958、sachs等人的6,596,224、sachs等人的6,629,559、teung等人的6,945,638、sachs等人的7,077,334、sachs等人的7,250,134、payumo等人的7,276,252、pryce等人的7,300,668、serdy等人的7,815,826、pryce等人的7,820,201、payumo等人的7,875,290、pryce等人的7,931,914、wang等人的8,088,415、bredt等人的8,211,226和wang等人的8,465,777。

为了便于描述，从本发明的涂覆器的粉末排出在本文的在一些地方用所需量的粉末来描述。应当理解，本发明包括控制从发明性涂覆器排出的粉末量和从涂覆器中排出粉末的速率中的一个或两个。

现在参考图2，那儿示出了粉末层三维打印机10形式的实施例的示意性立体图。粉末层三维打印机10包括可移除构建箱12，该可移除构建箱12具有垂直可分度构建平台(不可见)并且包含粉末床14、涂覆器16和选择性定位的粘合剂喷射打印装置18。在操作期间，涂覆器16在构建平台或粉末床14上移动，以在其上沉积粉末层。通常，由涂覆器16沉积的粉末具有表面缺陷，需要在粘合剂喷射打印装置18将粘合剂施加到粉末床上之前去除或校正表面缺陷。采用平整装置20来使沉积的粉末平整，以在粉末床14的预先存在的顶表面上形成均匀厚度的粉末层。这可以在涂覆器16横穿粉末床14期间、粉末被分配的期间或在随后的横穿粉末床14的期间完成。如果需要，随后可以沉积另一个粉末层，或者随后可以在粉末床14上移动粘合剂喷射打印装置18以选择性地沉积粘合剂到新沉积的层上，接着向后移动离开粉末床14，以允许下一个粉末层沉积在粉末床14上。

现在参考图3a和3b，示出了适用于粉末层三维打印机的涂覆器30的实施例的侧视图和侧部立体图。涂覆器30包括行进粉末分配器32和平整装置34，该平整装置34包括带有复杂粉末接触面38的马达驱动的反向旋转辊36，它们均由托架40支承，从而能够选择性地横穿在构建箱中的粉末床。粉末分配器32包括用于容纳期望量的构建粉末的料斗42和开口(未示出)，粉末通过开口选择性地排出。粉末分配器32的元件和机构不受特别限制，并且可以包括适于将选定或受控量的粉末分配到粉末层三维打印机的粉末床上的任何种类的粉末分配器。尽管平整装置34和粉末分配器32被示为连接到涂覆器30，但是应当理解，在一些实施例中，平整装置34不必与粉末分配器32物理连接，并且可以独立于粉末分配器32之外进行独立操作这种布置允许平整装置的运动独立于涂覆器的其它部分的运动，当然这种运动可以彼此协调。例如，当涂覆器和粉末分配器没有物理连接时，平整装置可以在与粉末分配器的行进方向相反、垂直或成角度的方向上操作和行进。

平整装置34包括具有复杂的粉末接合面38的反向旋转辊36。该辊的反向旋转是指围绕旋转轴线的旋转方向与如果该辊子沿粉末床平面滚动辊子将旋转的方向相对或相反。反向旋转辊36较佳地是机动化的，使得使用者可以调节旋转速度。

复杂的粉末接合面38是反向旋转辊的加工面或包裹面，其相对于具有规则圆柱面的圆柱辊增加了辊与施加到和/或容纳在粉末床中的粉末之间的相互作用、摩擦和/或剪切力。复杂的粉末接合面38可包括但不限于诸如辊的圆柱形表面上的凸起、槽、脊、凹槽、滚花和边缘的特征。复杂的粉末接合面38可以是已经被喷珠或喷砂处理(beadorbitblasted)以形成表面的面。

随着反向旋转辊36横跨粉末床移动，反向旋转辊36的反向旋转和复杂的粉末接合面38向粉末床中沉积的粉末的表面提供剪切力。这样，反向旋转辊36从粉末床表面的高的部分去除多余的粉末，并且将粉末重新分布到粉末层中的低点或凹陷处，并且从构建箱去除多余的粉末。

在一些实施例中，反向旋转辊包括沿反向旋转辊的旋转轴线的至少一部分延伸的至少一个凹槽。凹槽包括在反向旋转辊的面上形成的细长槽或凹部，该细长槽或凹部形成适于接合沉积在或容纳在构建箱中的粉末的边缘。复杂的粉末接合面较佳地包括沿着旋转轴线的至少一部分延伸的至少一个或多个凹槽。在一些实施例中，一个或多个凹槽延伸反向旋转辊的长度。在一些实施例中，凹槽的数量可以在大约2至大约40的范围内，并且较佳地在大约2至大约10的范围内。凹槽可以是直的，即，平行于反向旋转辊的旋转轴线延伸，或者凹槽可以是绕旋转轴线扭转的螺旋形凹槽。

螺旋形凹槽的扭转比没有特别限制，并且可以基于设计考虑因素而变化。如本文所用，“扭转比”是指凹槽围绕辊的旋转轴线的旋转圈数与以英寸为单位的辊的长度或距离的比，并且可以表示为旋转量：距离(以英寸为单位)。通常，期望较高的扭转比以去除较少的材料，而期望较低的扭转比以去除更多的材料。在一些实施例中，凹槽的扭转比可以在大约1比大约0.75英寸(1：0.75)到高达大约1比大约50英寸(1：50)的范围内，并且较佳地在大约1比大约2英寸(1：2)到大约1比大约15英寸(1：15)的范围内。在某些实施例中，扭转比可以是大约1比大约7英寸(1：7)。凹槽的形状没有特别限制，但是期望凹槽包含用于接触粉末床的边缘，该边缘适于从粉末床的顶部粉末层剪切多余的粉末。凹槽可以包括用于从粉末床接收和去除剪切的过量粉末的通道或凹部。

现在参考图4，示出了反向旋转辊50的实施例，该反向旋转辊50具有复杂的粉末接合面52，该复杂的粉末接合面包括多个凹槽，一个这样的凹槽由附图标记54表示。凹槽54是螺旋形的并且沿着旋转轴线56延伸。

在其它实施例中，复杂的粉末接合面可包括沿着反向旋转辊的旋转轴线的至少一部分的滚花。滚花可以包括直的、成角度的或交叉的脊的图案，或者正方形或菱形的图案。参考图5，示出了根据本发明实施例的反向旋转辊60。反向旋转辊60包括复杂的粉末接合面62，该复杂的粉末接合面62具有呈沿着旋转轴线66延伸的菱形图案形式的滚花64。

用于制作反向旋转辊的材料可以包括诸如不锈钢之类的金属、陶瓷或其它刚性可机加工材料。在许多实施例中，可以通过将期望的图案加工到反向旋转辊的本体中来产生复杂的粉末接合面。替代地，可以在反向旋转辊上使用具有期望的复杂的粉末接合面的包裹物或套筒。另外，反向旋转辊的直径没有特别限制。在一些实施例中，反向旋转辊的直径可在大约0.25英寸至大约6英寸的范围内，较佳地在大约0.25英寸至大约2英寸的范围内，并且在一些实施例中，在大约0.25英寸至大约1英寸的范围内。

虽然由反向旋转辊产生的粉末床的表面可能适合于许多打印操作，但是可能期望进一步平整和/或压实粉末层。为此并且参考图3a和3b，平整装置34可包括竖直可调节的修整辊35，以随着托架40横跨或横穿构建箱跟随反向旋转辊36。修整辊35是竖直可调节的，即，在相对于托架40的行进方向法向或正交的方向上，这样，修整辊35的面可以被调节为在反向旋转辊36的复杂的粉末接合面38的最低部分的上方或下方。较佳地，修整辊被定位成使得修整辊的面定位在反向旋转辊36的复杂的粉末接合面38的下方。在某些实施例中，修整辊35可以是具有规则的、光滑的圆柱形面的规则的圆柱体。在一些实施例中，修整辊35是机动化的，并且能够在与反向旋转辊36相同的方向或相反的方向上滚动或旋转。在多余的粉末已被反向旋转辊去除或重新分布的情况下，修整辊适用于压缩或抹平最小量的粉末，以进一步平整并压实沉积的粉末。修整辊的直径可以与反向旋转辊的直径相同或不同。修整辊的直径没有特别限制。在一些实施例中，修整辊的直径可在大约0.25英寸至大约6英寸的范围内，较佳地在大约0.25英寸至大约2英寸的范围内，并且在一些实施例中，在大约0.25英寸至大约1英寸的范围内。

还应理解，在一些实施例中，可以选择性地采用平整装置，即，仅对选定的层和/或仅对选定的层的选定部分或对所有层使用。此外，在一些实施例中，可以使用多个平整装置。这些平整装置可以与粉末层三维打印机一起使用，并且可以包括相同类型或不同类型的反向旋转辊和修整辊。

示例

将9微米的316不锈钢粉末横跨粉末床散布。在第一试验中，使用类似于图1a和1b的涂覆器，其中平整装置是常规平整圆柱体。在第二试验中，使用类似于图3a和3b所示的涂覆器的根据本发明的涂覆器，其中该平整装置包括图4所示的带凹槽的反向旋转辊。在第三试验中，使用类似于图3a和3b所示的涂覆器的根据本发明的涂覆器，其中该平整装置包括图4所示的带滚花的反向旋转辊。测量了涂覆过程提供均匀粉末层而不引入明显缺陷的速度。第一试验中的涂覆器实现了大约5mm/秒的速度，而第二实验和第三实验中的涂覆器分别实现了大约85mm/秒和大约125mm/秒的速度。

虽然仅示出和描述了本发明的几个实施例，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以对那些进行许多改变和修改，而不脱离如在权利要求书中描述的本发明的精神和范围。所有美国专利和专利申请，所有外国专利和专利申请以及本文中确定的所有其他文件均通过引用并入本文，如同在本文中在法律允许的最大范围内完整阐述一样。