粉末增材制造期间的杂质静电分离的制作方法

1.本公开的实施方式总体上涉及从粉末静电分离杂质。更具体地，本公开的实例涉及在增材制造工艺期间从粉末床静电分离杂质。


背景技术：

2.许多增材制造工艺和其他制造工艺都利用到材料供应，其中的材料被加工成被所制造的一个或多个部件。例如，以下工艺可以使用粉末或粉末状材料的供应来制造各种物体和部件：诸如3-d印刷、定向能量沉积、材料喷射成型、粘合剂喷射成型以及粉末床熔融技术(包括但不限于直接金属激光烧结、选择性激光烧结、选择性热烧结、电子束熔化、直接金属激光熔化等)。所使用的粉末还可根据工艺、制造的部件等而变化，并且所使用的粉末可包括金属粉末、热塑性塑料、陶瓷、复合材料、玻璃等。
3.通常，特别是在航空航天器部件的制造中，粉末应在制造工艺期间保持不含杂质。本技术发明人已经发现，在处理或建造工艺本身期间，高分子异物可能会从现有的粉末床增材制造系统引入到金属粉末中。现有的过滤方法和粉末处理工艺通常限制引入到制造材料中的杂质的量，但是证明了对去除所有杂质是无效的并且对去除在制造工艺期间引入的杂质是无效的。
4.现有的增材制造工艺通常具有整合到该工艺中的多个过滤系统以实现无杂质的制造生态系统。从粉末中除去杂质的最普遍的方法是通过指定筛网筛分粉末，该筛网的尺寸适于除去除指定尺寸以外的颗粒。换言之，当前的过滤系统仅按尺寸过滤，而不按材料组成过滤。因此，经常错过与指定尺寸类似尺寸或更小尺寸的杂质。
5.此外，大多数现有的过滤系统是增材制造系统外部的外部机器，并且当通常最关键时的制造工艺期间该机器不能过滤材料。当前系统和方法也存在其他缺点、低效率和问题。


技术实现要素：

6.因此，公开的实例解决了现有系统和方法的以上问题和其他问题。公开的实例包括用于从粉末床去除杂质的设备，该设备包括：粉末床，包含可在增材制造工艺中使用的粉末；铺粉臂(recoater arm)，横向于粉末床以分配粉末；收集元件，连接至铺粉臂；以及静电发生器，电连接以至少在收集元件上赋予静电电荷，并使得粉末中的杂质附着至收集元件。
7.进一步公开的实例包括邻近收集元件用于收集附着到收集元件的杂质的收集隔室。在另一些公开的实例中，设备可包括清洁元件，该清洁元件接触收集元件的至少一部分，并且该清洁元件去除附着到收集元件的杂质并将去除的杂质引导到收集隔室中。
8.在一些公开的实例中，收集元件可以是辊。在其他公开的实例中，收集元件可以是板。
9.在一些公开的实例中，杂质可以是高分子异物。在进一步公开的实例中，杂质是非导电的。在一些公开的实例中，粉末可以是金属粉末。
10.还公开了在增材制造工艺中从粉末去除杂质的方法，该方法包括：沉积步骤，将粉末层沉积在粉末床中；分散步骤，通过铺粉臂将粉末分散在粉末床中；充电步骤，对收集元件充以静电电荷；以及移动步骤，使带电的收集元件在粉末床中的粉末上移动以将粉末中的杂质吸附到带电的收集元件的外表面。
11.在另外的公开的实例中，该方法包括清洁步骤，当收集元件接触清洁元件时，清洁来自收集元件的杂质。在又一些公开的实例中，该方法可以包括沉积步骤，将杂质沉积在收集隔室中。在其他公开的实例中，该方法可包括放电步骤，在预定位置处使收集元件放电以释放杂质。在一些公开的实例中，预定位置在粉末床的端部处。在其他公开的实例中，预定位置包括在粉末床的相对两个端部处的两个位置。
12.在一些公开的实例中，方法可包括移动步骤，将带电的收集元件移动靠近电性相反的第二收集元件，以从带电的收集元件去除杂质。在杂质为高分子异物的实例中，方法可包括将收集元件充电至足以将高分子异物中的至少一些附接到收集元件的量的充电步骤。
13.还公开了用于增材制造航空航天器部件的系统，该系统包括粉末增材制造机器，该粉末增材制造机器包括：粉末床，配置成包含粉末；铺粉臂，横向于粉末床以分配粉末；以及非导电收集元件，连接到铺粉臂。该系统还包括静电发生器，电连接以至少在非导电收集元件上赋予静电电荷，并且使得粉末中的杂质附着至非导电收集元件。
14.进一步公开的系统包括与非导电收集元件连通的收集隔室，以收集附着到非导电收集元件的杂质。在一些公开的实例中，该系统包括清洁元件，与非导电收集元件的一部分接触，该清洁元件去除附着到非导电收集元件的杂质并将去除的杂质引导到收集隔室中。
15.在一些公开的实例中，非导电收集元件可以是辊。在其他公开的实例中，非导电收集元件可以是板。在一些公开的实例中，杂质可以是高分子异物。
16.还公开了一种粉末清洁系统，包括：收集元件，配置为横向于粉末供应器；以及静电发生器，能够电连接至收集元件，以在收集元件上赋予静电电荷，并使得在粉末供应器中的粉末中的杂质附着至收集元件。
17.粉末清洁系统的进一步公开的实例包括清洁元件，该清洁元件接触收集元件的至少一部分并去除附着到收集元件的杂质。
18.在一些公开的实例中，收集元件可以是辊。在其他公开的实例中，收集元件可以是板。在一些公开的实例中，粉末供应器中的粉末可以是金属粉末。其他实例也是可能的。
附图说明
19.图1是用于从粉末床去除杂质的增材制造设备的示意性侧视图。
20.图2是用于从粉末床去除杂质的增材制造设备的另一实例的示意性侧视图。
21.图3a和图3b分别是粉末清洁系统的示意性俯视图和示意性侧视图。
22.图4是粉末清洁系统的示意性俯视图。
23.图5是示出在增材制造工艺中从粉末中去除杂质的方法的流程图。
24.虽然本公开易受不同修改和替代形式的影响，但是具体实例已经通过附图中的实例的方式示出并且将在本文中详细描述。然而，应当理解本公开并不旨在限于所公开的特定形式。更确切地说，本发明旨在覆盖落入由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等同物和替代物。
具体实施方式
25.对受益于本公开的本领域普通技术人员来说显而易见的，所公开的设备、系统和方法在广泛的工业、领域和环境中具有适用性。特别关注的是工业，诸如航空航天器及其部件的制造，其中公差、规格和部件可靠性是非常重要的。如本文中使用的，航空航天器包括但不限于商用飞行器、军用飞行器、无人飞行器、航天器(有人驾驶的和无人驾驶的)、卫星、无人机等。
26.图1是根据本公开实例的用于从粉末床104去除杂质102的增材制造设备100的示意性侧视图。如本文所公开的，增材制造系统和工艺可包括可以使用粉末或粉末状材料的供应来制造各种物体和零部件的以下工艺：3-d印刷、定向能量沉积、材料喷涂成型、喷胶粘粉成型以及粉末床熔融技术(包括但不限于直接金属激光烧结、选择性激光烧结、选择性热烧结、电子束熔化、直接金属激光熔化等)。所使用的粉末还可根据工艺、制造的部件等而变化，并且该粉末可包括金属粉末、热塑性塑料、陶瓷、复合材料、玻璃等。图1示意性地示出了包含将用于增材制造工艺中的粉末106的粉末床104。如还示意性示出，粉末床104可包含杂质102。还如所示，粉末床104可包含由杂质102与粉末106混合在一起的受污粉末108的区域或部位。
27.还如图1所示，增材制造设备100可以包括横向于粉末床104的铺粉臂110，以便还再分配粉末106。如图1中示意性地示出的，铺粉臂110在箭头1的方向上移动。根据增材制造工艺的类型、所使用的设备100、所使用的粉末106、被制造的物体等，铺粉臂110可以在制造工艺期间在不同时间且在不同方向上分配粉末106。铺粉臂110的一些实例可以包括叶片112等，以帮助粉末106分配过程。
28.如图1所示，增材制造设备100包括粉末清洁系统200，以从粉末床104去除杂质102。粉末清洁系统200的实例包括收集元件202，该收集元件在一些实例中可以采取辊或类似物的形式以便在粉末106分配过程中帮助铺粉臂110。如对受益于本公开的本领域普通技术人员来说显而易见的，收集元件202可以采用其他形状，可以不接触粉末床104，并且可以位于增材制造设备100的除铺粉臂110之外的其他部分上。收集元件202的实例由介电或非导电材料形成。
29.粉末清洁系统200还包括静电发生器204，该静电发生器可以是任何类型的静电荷发生器，诸如范德格拉夫静电发生器(van de graaf generator)、威姆斯赫斯特静电发生器(wimshurst machine)、伯内蒂静电感应发生器(bonetti machine)、用于产生静电荷的合适电路等。如示意性地所示，静电发生器204电连接以向收集元件202的外边缘或外表面206赋予电荷(在图1中示意性地示出为负电荷，但不必须是)。外表面206上的电荷将杂质102从粉末床104吸出并将它们附着到收集元件202。对于收集元件202是辊等的粉末清洁系统200的实例，收集元件202可旋转(如图1中箭头r所示)以去除杂质102并将它们沉积在收集隔室210中。
30.图1示出了这样的实例，其中收集隔室210可以是整合到铺粉臂110中的腔室等，但是如在本文中公开的收集隔室210也可能是其他配置和位置。此外，粉末清洁系统200的实例可包括清洁元件208(诸如擦拭物或叶片)，以帮助去除杂质102并将其引导到收集隔室210中。在其他实例中，静电发生器204可被切换或以其他方式施加脉冲，以放电并将杂质沉积到收集隔室210中。在任何情况下，清洁后的收集元件202可在铺粉过程期间或在任何其
他期望的持续时间内持续收集杂质102。
31.受益于本公开的本领域普通技术人员还将理解，所公开的系统、设备和方法允许在构建过程期间或之前收集杂质102，并且可以不受杂质102的尺寸的影响来收集。根据所公开的实例，可以收集不导电的杂质102，诸如高分子异物等。
32.图2是根据公开实例的用于从粉末床104去除杂质102的增材制造设备300的另一实例的示意性侧视图。如图所示，增材制造设备300的一些实例可以包括作为铺粉臂310的部件的粉末储存器312等。粉末储存器312中的粉末106可以通过铺粉槽314或铺粉臂310中的类似孔分配到粉末床104上。
33.如由行进方向箭头1所指示的，该铺粉臂310可以双向地或以其他模式在粉末床104上移动。因此，包括多于一个的粉末清洁系统200a、200b可能是有利的，以沿着每个行进方向去除杂质102。
34.在这些实例中，每个粉末清洁系统200a、200b包括收集元件202a、202b(示意性地示出为在由箭头r、r’指示的方向上旋转的辊)、静电发生器204a、204b、收集隔室210a、210b和清洁元件208a、208b。其他配置也是可能的。
35.图3a和图3b分别是根据本公开实例的粉末清洁系统400的示意性俯视图和侧视图。在这些实例中，清洁系统400固定在特定位置处，并且粉末床104沿由方向箭头1指示的方向在传送器412上移动经过。传送器412可以是移动带等，或者可以是利用重力(例如，倾斜)流体流动等移动粉末床104的通道或料槽。
36.如对其他实例所讨论的，收集元件402(再次示出为在箭头r的方向上旋转的辊)由静电发生器404充电以从粉末床104去除杂质102。清洁元件408可用于从收集元件402去除杂质102并将杂质102沉积到收集隔室410中。
37.图4是根据公开实例的粉末清洁系统500的示意性俯视图。在这些实例中，收集元件502可以是双向地(如由方向箭头1指示的)或以其他方式横向于粉末床104的杆或板。如在其他公开的实例中，静电发生器504将收集元件502充电至足以将杂质102吸出粉末床104的能级。收集隔室510可以在粉末床104的任一端部或在其他预定位置。在收集元件502横向于粉末床104之后且在定位在收集隔室510上方时，该收集元件可被放电以将杂质102沉积到收集隔室510中，电性相反的第二收集元件516(由静电发生器518充电)可用于去除杂质102，或者杂质102以其他方式被去除至收集隔室510。如图所示，收集隔室510可以位于粉末床104的每个端部512、514处。其他配置也是可能的。对受益于本公开的本领域普通技术人员来说显而易见的，诸如粉末清洁系统500的实例是非接触实例，这意味着收集元件502不接触粉末床104中的粉末106，这在一些增材制造应用中可能是有利的。
38.图5是示出了在增材制造工艺中从粉末106去除杂质102的方法600的流程图。虽然在图5中线性地并顺序地示出了本公开的步骤，但是受益于本公开的本领域普通技术人员将理解，它们不需要以所示的次序、以相同的顺序或者对于每个实例执行，并且这些步骤为实例性步骤。所公开的实例包括：在步骤602处，将粉末层(例如，106)沉积在粉末床(例如，104)中。在步骤604处，例如通过铺粉臂(例如，110、310)将粉末分散在粉末床中。在步骤606处，对收集元件(例如，202、402、502)充以静电电荷。在步骤608处，使带电的收集元件在粉末床中的粉末上移动以将粉末中的杂质(例如，102)吸附到带电的收集元件的外表面(例如，206)。
39.该方法的实例还可任选地包括在步骤610处，当收集元件接触清洁元件(例如，208、408)时，清洁来自收集元件的杂质。实例还可以任选地包括在步骤612处，将杂质沉积在收集隔室(例如，210、410、510)中。
40.该方法的实例还可选地包括在步骤614处，在预定位置(例如，512、514)处使收集元件放电以释放杂质。如本文所公开的，预定位置可以在粉末床的端部，可以是一个以上的位置等等。
41.该方法的实例还可任选地包括在步骤616处，将带电的收集元件移动靠近电性相反的第二收集元件(例如，516)，以从带电的收集元件去除杂质。
42.该方法的实例还可任选地包括将带电的收集元件移动靠近电性相反的第二收集元件(例如，516)，以从带电的收集元件去除杂质。如本文所公开的方法，其中杂质包含高分子异物，收集元件可被充电至足以将高分子异物中的至少一些吸附到收集元件的量。其他方法、步骤顺序、步骤组合等也是可能的。
43.进一步地，以下段落中描述了根据本公开内容的说明性和非排他性实例：
44.在根据本公开的实例中，一种用于从粉末床104去除杂质102的设备100、300、400、500，该设备包括：粉末床，包含可用于增材制造工艺的粉末106；铺粉臂110、310，横向于粉末床以分配粉末；收集元件202、402，连接至铺粉臂；以及静电发生器204、404，电连接至收集元件，以至少在收集元件上赋予静电电荷，并使得粉末中的杂质附着至收集元件。
45.可选地，前述段落中所述的设备中，收集隔室210、410邻近用于收集附着到收集元件的杂质的收集元件。
46.可选地，前述段落中任一项所述的设备中，清洁元件208、408接触收集元件的至少一部分，并且该清洁元件去除附着到收集元件的杂质并将去除的杂质引导到收集隔室中。
47.可选地，前述段落中任一项所述的设备中，收集元件包括辊202和板502中的一个。
48.可选地，前述段落中任一项所述的设备中，杂质包含高分子异物以及非导电材料中的至少一种。
49.可选地，前述段落中任一项所述的设备中，粉末包含金属粉末。
50.可选地，前述段落中任一项所述的设备中，粉末包含热塑性塑料、陶瓷、复合材料以及玻璃中的至少一个。
51.在根据本公开的另一实例中，一种在增材制造工艺中从粉末106去除杂质102的方法600，该方法包括：沉积步骤602，将粉末层沉积在粉末床104中；分散步骤604，通过铺粉臂210、310将粉末分散在粉末床中；充电步骤606，对收集元件202、402充以静电电荷；以及移动步骤608，使带电的收集元件在粉末床中的粉末上移动，以将粉末中的杂质吸附到带电的收集元件的外表面。
52.可选地，前述段落中所述的方法还包括：清洁步骤610，当收集元件接触清洁元件208、408时，清洁收集元件上的杂质。
53.可选地，前述段落中任一项所述的方法还包括：沉积步骤612，将杂质沉积在收集隔室210、410、510中。
54.可选地，前述段落中任一项所述的方法进一步包括：放电步骤614，在预定位置512、514处使收集元件放电以释放杂质。
55.可选地，前述段落中任一项所述的方法中，预定位置在粉末床的端部512、514处。
56.可选地，前述段落中任一项所述的方法中，预定位置包括粉末床的相对两个端部处的两个位置512、514。
57.可选地，前述段落中任一项所述的方法还包括：移动步骤616，将带电的收集元件移动靠近电性相反的第二收集元件516，以从带电的收集元件去除杂质。
58.可选地，前述段落中任一项所述的方法中，杂质包含高分子异物，并且该方法还包括：将收集元件充电至足以将高分子异物中的至少一些吸附到收集元件的量。
59.在根据本公开的另一实例中，一种用于增材制造航空航天器部件的系统，该系统包括：粉末增材制造机器100、300，该粉末增材制造机器包括：粉末床104，配置为包含粉末106；铺粉臂110、310，横向于粉末床以分配粉末；非导电收集元件202，连接至铺粉臂；以及静电发生器204，电连接以在至少非导电收集元件上赋予静电电荷，并使得粉末中的杂质102附着至非导电收集元件。
60.可选地，前述段落中所述的系统中，收集隔室210与非导电收集元件连通，以收集附着于非导电收集元件的杂质。
61.可选地，前述段落中任一项所述的系统还包括：清洁元件208，与非导电收集元件的一部分接触，并且该清洁元件去除附着到非导电收集元件的杂质并且将所去除的杂质引导到收集隔室中。
62.可选地，前述段落中任一项所述的系统中，非导电收集元件包括辊202和板502中的一个。
63.可选地，前述段落中任一项所述的系统中，杂质包含高分子异物以及非导电材料中的至少一种。
64.可选地，前述段落中任一项所述的系统中，粉末包含金属粉末、热塑性塑料、陶瓷、复合材料以及玻璃中的至少一种。
65.尽管已经示出和描述了不同实例，但是本公开不限于此，并且将被理解为包括对本领域技术人员来说显而易见的所有这样的修改和变化。