用于在3D打印/增材制造操作中测量粉末床密度的装置和方法与流程

相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年9月18日提交的美国临时专利申请号62/901,842和于2020年7月6日提交的美国临时专利申请号63/048,469的权益。这两个申请中每一个的内容均通过引用整体并入本文。

本发明一般涉及3d打印/增材制造(additivemanufacturing，以下简称为am)操作。更具体地，本发明涉及用于在这样的操作中测量每层的粉末床密度(powderbeddensity，以下简称为pbd)或粉末密度的装置和方法。本发明的装置和方法还允许确定包括层粗糙度在内的层表面轮廓，以及操作中涉及的过程的静态和动态粉末性能，包括在散布过程粉末的动态流动性能的。

背景技术：

增材制造(am)是一种颠覆性制造技术，在许多行业中越来越受欢迎。根据astmf2792[1]，am过程可分为七类；其中之一是粉末床熔化(powderbedfusion，以下简称为pbf)，由于其高强度和尺寸精度，目前在金属零件的制造中倍受关注。pbf-am至关重要地依赖于能源与符合粉末床的粉末薄层之间的相互作用。为了确保所制造零件的可靠和高质量，必须了解和量化金属粉末原料的性能，不仅是在其整体状态下，而且在运行中的pbf机器中作为薄层(厚度为10至100μm)的状态下。层密度与最终零件质量成正比，与零件孔隙率成反比[2-4]。

为了量化am中的粉末床密度，大多数方法都使用根据astm标准规定的粉末冶金中传统使用的测量技术得出的估算值。根据astmb213[5]和b964[6]，粉末的流动性通过使用霍尔漏斗或卡尼漏斗来表征。根据astmb212[7]，表观密度通过使用霍尔漏斗来量化。振实密度是根据astmb527[8]测量的。最后，静态休止角的确定通常根据工业标准程序来进行。这些技术仅适用于自由流动的粉末，并不代表在增材制造过程中发现的实际动态粉末流动条件。因此，在给定条件下，量化在特定pbf机器内的粉末行为的这些测量参数的适用性受到限制[9]。不考虑机器设置(例如重涂覆器臂的几何形状、速度、表面粗糙度等)对以薄层形式存在的粉末包装的影响。

近来，基于旧方法的最新技术，例如剪切试验和转鼓技术[10-12]，在增材制造领域中找到了利基应用。这两种技术提供了有关粉末的动态体积性能的信息，例如抗流动性和抗内聚性。尽管这两种技术能够为增材制造提供不同粉末批次的指标，但它们仍不能复制不同增材制造机器的粉末床形成。

2015年，vandeneynde等人[13]尝试用聚合物作为原料来测量粉末床密度。粉末层密度的计算是基于粉末的重量(按比例计重)，该粉末在已知的体积构建板上假设其已占满整个体积以受控的速度和重涂覆器臂的几何形状来散布。2016年jacob等人[14]采用了一种不同的方法，在liu等人[15]的开放容器方法的基础上设计了密闭的捕粉容器。将密闭的容器放置在不同的x、y和z位置，并在执行打印作业时建造。然后从捕集的粉末的重量和容器的体积测量平均粉末床密度。

发明人还知道以下文件：gb2564710a、wo2018/060033a1、cn109916771a、ep09784751b1、cn106984816b、us9731450b2、cn209666283u、wo2020/046212a1、us10620103b2和kr101843493b1。

原位测量粉末床密度的方法具有一些缺点。这些缺点包括使用大量粉末进行试验、用于估计密度的3d打印容器未校准、提取样品需要额外的后处理、每次试验中必须使用新的或重新加工的板，以及打印机的清洁也使得整个过程的操作成本很高。另外，每次测试后，粉末的动态性能均不可用。

需要一种允许在3d打印/增材制造操作中有效测量粉末床密度的系统。需要这样的系统，其还允许在操作过程确定其他参数，并且是成本有效的。

技术实现要素：

发明人设计并构造了一种用于在3d打印/增材制造(am)操作中测量粉末床密度(pbd)或层的粉末密度的装置。该装置包括用于确定层的粉末的质量和体积的装置，从而允许确定粉末床密度(所述层的粉末密度)。粉末的体积的确定在散布过程进行的。用于确定粉末的体积的装置包括激光器组件，该激光器组件适于沿左右两个方向在粉末层表面上移动激光以进行扫描。

在操作过程中确定每层的粉末床密度。这导致累积密度的确定。

在本发明的实施例中，装置和相关方法还允许确定层表面轮廓，例如层粗糙度。此外，该装置和相关方法允许确定操作中涉及的过程的静态和动态粉末性能，例如散布过程粉末的动态流动性能。

包括合适的用户界面的计算机联接到本发明的装置。这允许控制装置的部件以及收集和分析所生成的数据。

本发明的实施例涉及一种用于在3d打印/am的操作中确定每层的粉末质量的系统。进一步的实施例涉及一种用于确定3d打印/am操作中每层的粉末体积的系统；体积的确定是在散布过程中进行的。进一步的实施例涉及一种用于确定包括层粗糙度和/或可视化包括在散布过程粉末的动态流动性能的操作中所涉及的过程的静态和动态粉末性能的层表面轮廓的系统。

因此，本发明根据其各方面提供了以下内容：

(1)一种用于在增材制造(am)的操作过程中测量粉末床密度(pbd)(层的粉末密度)的装置，该装置包括：用于确定粉末质量的装置和用于确定散布过程中粉末体积的装置，从而允许确定粉末床密度(所述层的粉末密度)，其中，用于确定粉末体积的装置包括适于沿左右两个方向在粉末层表面上移动激光以进行扫描的激光器组件。

(2)根据(1)所述的装置，其中用于确定粉末质量的装置包括用于测量系统总质量的装置，该系统包括铺设粉末的板和系统的其他部件，粉末的质量是通过从所测量的总质量中减去板和其他部件的质量得到的。

(3)根据(1)或(2)所述的装置，其中，用于确定粉末的体积的装置包括：用于测量粉末在其上铺设粉末的板上所占据的表面积的装置；以及用于测量所铺设的粉末的厚度的装置，从而确定粉末的体积。

(4)根据(3)的装置，其中层的厚度对应于其上铺设粉末的板与装置的另一板之间的间隔距离。

(5)根据(1)至(4)中的任一项所述的装置，其中，所述激光允许测量所述粉末在其上铺设的板上所占据的表面积。

(6)根据(4)所述的装置，其中，所述粉末占据的表面积对应于其上铺设所述粉末的板的表面。

(7)根据(1)至(6)中任一项所述的装置，其中，所述激光器组件可操作地附接到用于重涂覆的装置，使得在操作过程，两个部件作为一个单元一起移动。

(8)根据(1)至(6)中任一项的装置，其中所述激光器组件可操作地连接到用于将粉末供给到所述装置的装置和用于重涂覆的装置，使得在操作过程，所有三个组件作为一个单元一起移动。

(9)根据(1)至(8)中任一项的装置，其中所述激光器组件允许确定层表面轮廓，例如层粗糙度、散布轮廓。

(10)根据(1)至(9)中任一项的装置，进一步包括设置在装置一侧的相机，该相机允许可视化增材制造中涉及的过程的静态和动态粉末性能，例如散布过程中粉末的动态流动性能。

(11)根据(1)至(10)中任一项的装置，进一步包括用于将任何过量的粉末引导至并沉积在收集板上的装置。

(12)根据(1)至(11)中任一项的装置，其中所述重涂覆装置包括重涂覆器、滚轴和刮刀中的一个或多个；其中，在操作过程，使用者根据需要选择重涂覆器、滚轴或刮刀。

(13)根据(1)至(12)中任一项的装置，其中用于供给粉末的装置允许控制供给过程，由此仅在必要时供给粉末。

(14)根据(1)至(13)中的任一项所述的装置，其中，所述激光器组件进一步适于在层表面上方上下移动。

(15)根据(1)至(14)中任一项的装置，进一步包括联接到其上的计算机系统，该计算机系统具有用户界面，并允许控制装置的部件并收集所生成的数据。

(16)根据(15)所述的装置，其允许从多个连续层确定累积密度。

(17)一种在增材制造(am)中使用的装置，该装置包括：用于确定用于层的粉末质量的装置；用于在散布过程确定层的粉末体积的装置；适于在层表面上的沿左右两个方向移动激光以进行扫描的激光器组件；以及可操作地联接到所述装置的计算机系统，其中，在操作过程，确定粉末床密度(pbd)(层的粉末密度)和层表面轮廓，并且收集和分析所产生的数据。

(18)一种用于在增材制造(am)使用的装置，该装置包括：用于确定层的粉末质量的装置；用于在散布过程确定层的粉末体积的装置；适于在层表面上沿左右两个方向移动激光以进行扫描的激光器组件；设置在所述装置一侧的相机；以及操作地联接到所述装置的计算机系统，其中，在操作过程，确定粉末床密度(pbd)(层的粉末密度)和层表面轮廓，可视化所涉及过程的静态和动态粉末性能，并收集和分析所生成的数据。

(19)根据(17)或(18)所述的装置，其允许确定来自多个连续层的累积密度。

(20)一种用于在增材制造(am)操作过程测量层粉末质量的系统，该系统包括用于测量系统总质量的装置，该系统包括铺设粉末的板和系统的其他部件，粉末的质量是通过从测量的总质量中减去板和其他部件的质量得到的。

(21)在增材制造(am)中，一种用于在操作过程中测量层粉末体积的系统，该系统包括：在散布过程中测量粉末在其上铺设粉末的板上所占据的表面积的装置；以及测量粉末层厚度的装置，其中，所述系统包括激光器组件，所述激光器组件适于在层表面上沿左右两个方向移动激光以进行扫描。

(22)一种用于在操作过程确定层表面轮廓的系统，在增材制造(am)中，该系统包括激光器组件，该激光器组件适于在散布过程在层表面上沿左右两个方向移动激光以进行扫描。

(23)一种系统，其用于确定层表面轮廓，并在操作过程中可视化所涉及的过程的静态和动态粉末性能，在增材制造(am)中，该系统包括激光器组件，该激光器组件适于在散布过程中在层表面上沿左右两个方向移动激光以进行扫描；以及包括放置在系统一侧的相机。

如本领域技术人员将理解的，上述(2)至(19)中概述的关于该装置的每个特征也适用于上述(20)至(23)中每一个中限定的本发明系统。

(24)一种用于在增材制造(am)中测量粉末床密度(pbd)(层的粉末密度)的方法，该方法包括使用如(1)至(23)中任一项所限定的装置。

(25)一种用于在增材制造(am)中测量粉末床密度(pbd)(层的粉末密度)的方法，该方法包括使用如(20)至(23)中任一项所限定的系统。

(26)根据(24)或(25)所述的方法，其中在使用期间将所述装置或系统放置在气密保持架中。

(27)根据(26)所述的方法，其在包括惰性气体(如氩气)、分压、真空的环境中进行。

(28)一种用于在增材制造(am)操作过程测量粉末床密度(pbd)(层的粉末密度)的方法，该方法包括确定粉末的质量和在散布过程确定粉末的体积，从而允许确定粉末层密度(层的粉末密度)，其中，在散布过程确定粉末的体积包括使用激光扫描粉末层表面。

(29)一种用于在增材制造(am)操作过程中确定层表面轮廓的方法，该方法包括：在散布过程使用适于在整个层表面上沿左右方向移动激光以进行扫描的激光来扫描粉末层表面。

本发明的其他目的、优点和特征在阅读以下仅参考附图以示例方式给出的对其具体实施例的非限制性描述时将变得更加明显。

附图说明

专利或申请文件包含至少一幅彩色附图。在提出请求并支付必要的费用后,专利局将提供带有彩色附图的本专利或专利申请公开的副本。

在附图中：

图1：供料器组件。

图2：升降台组件(顶板升降组件)。

图3：适配器组件。

图4：称重传感器(具有被升降台组件栓接和包围的适配器)。

图5：主板组件和保持架(5a)。主板(5b)

图6：驱动系统。

图7：张力系统。

图8：激光器组件。

图9：用50μm层厚的ti6al4v粉末获得的表观密度。

图10：用100μm层厚的ti6al4v粉末获得的表观密度。

图11：用50μm层厚的in718粉末获得的表观密度。

图12：用100μm层厚的in718粉末获得的表观密度。

具体实施方式

在进一步描述本发明之前，应当理解，本发明不限于以下描述的特定实施例，因为可以对这些实施例进行变型并且仍然落入所附权利要求的范围内。还应理解，所使用的术语是为了描述特定实施例的目的，而不是旨在限制。相反，本发明的范围将由所附权利要求书确定。

为了对本说明书中所使用的术语有清晰和一致的理解，下面提供了一些限定。此外，除非另有限定，本文中所使用的所有技术和科学术语的含义与本公开涉及的本领域普通技术人员通常理解的的含义相同。

当在权利要求和/或说明书中与术语“包括(comprising)”一起使用时，词语“一(a)”或“一(an)”的使用可能意味着“一个(one)”，但其也与“一个或多个”、“至少一个”和“一个或多于一个”的含义一致。类似地，词语“另一个”可以表示至少第二个或更多。

如在本说明书和权利要求书中所使用的，词语“包括(comprises)”(以及任何形式的包括，例如“包括(comprise)”和“包括(comprises)”)、“具有(having)”(以及任何形式的具有，例如“具有(have)”和“具有(has)”)、“包括(including)”(以及任何形式的包括，例如“包括(include)”和“包括(includes)”)或“包含”(以及任何形式的包含，例如“包含(contain)”和“包含(contains)”)，都是包含的或开放的，并且不排除其他未引用的元素或过程步骤。

如本文所使用的，当指代数值或百分比时，术语“约(about)”包括由于用于确定数值或百分比、统计方差和人为错误的方法而引起的变化。此外，至少应根据报告的有效数字的数量并通过应用普通的舍入技术来解释本申请中的每个数值参数。

术语“3d打印”和“增材制造(am)”在全文中可互换使用，并且是指本领域技术人员将理解的并且应用了根据本发明的装置或机器的这种操作。

术语“装置”和“机器”在全文中可互换使用，并且是指根据本发明的装置或机器。

如本文所用，术语“粉末床密度(pbd)”是指增材制造(am)中的层的粉末密度。

发明人设计并构造了一种装置，该装置用于在3d打印/增材制造(am)操作过程中测量粉末床密度(pbd)或层的粉末密度。在操作过程中确定每层的粉末床密度，这导致累积密度的确定。因此就监控了每层粉末的质量。

该装置还允许确定层表面轮廓，例如层粗糙度。该装置进一步允许确定am操作中所涉及的过程的静态和动态的粉末性能，例如散布过程中粉末的动态流动性能。

根据本发明的装置的实施例包括至少以下部件：供料器组件、升降台组件、适配器组件、称重传感器、主板组件、调平机构、驱动系统、张力系统、重涂覆器/滚轴/刮刀、试验台、框架、激光器组件。下面将参考相关方法以及附图详细描述装置的这些部件中的每一个。

本发明的方法的实施例如下进行：

步骤1–粉末从供料器组件沉积在主板上。焊接的料仓可容纳粉末，并在适当的时候通过定量供料机制允许粉末从料仓掉落到工作表面上。

步骤2–当供料器组件连同激光器组件和重涂覆器/滚轴/刮刀朝触发器移动时，该触发器将滑块推入和推出，从而打开供料器并允许粉末落到主板上。

步骤3–中心板的位置略低于主板，具体取决于所需的层厚。例如，如果所需的层厚为20μm，则中心板位于主板表面下方20μm处。

步骤4–重涂覆器、滚轴或刮刀将沉积在工作表面上的粉末散布在靠近机器中心的中心板(100×100mm板)上。

步骤5–任何多余的粉末会进入粉末收集器，以免任何成分被粉末损坏。

步骤6–中心板通过升降台组件下降到称重传感器上。测量中心板、粉末和相关适配器的总质量；通过减去中心板和适配器的质量来确定粉末的质量。粉末的体积基于粉末所占据的中心板的表面积和层的厚度来确定。在本发明的实施例中，粉末所占据的中心板的表面积可以对应于中心板的表面。在本发明的其他实施例中，粉末所占据的表面积可以与中心板的表面不同。激光用于确定粉末所占据的确切表面积。激光也可用于确定厚度。根据确定的粉末的质量和体积，计算所述层的粉末密度。

步骤7–用激光扫描中心板上的粉末，以分析粉末表面的轮廓(层表面轮廓)。如本领域技术人员将理解的，层表面轮廓包括各种参数，例如粗糙度、散布的轮廓等。

对每层重复步骤2至7。

以下是对根据本发明的装置的部件的实施例的描述，并且提供了关于上述方法步骤2-7的进一步的细节和实施例。

供料器组件

供料器组件如图1所示。它容纳粉末，并在需要时将粉末落到主板上，使得粉末可以散布在主板上。供料器组件包括三个子组件，即焊接料仓11、定量供料机制12和滑块组件13。

焊接料仓11容纳粉末。料仓底部有槽，用于使粉末掉落并离开料仓。包括前板14的板由铝制成并且被焊接在一起。如本领域技术人员将理解的，板可以由任何其他合适的材料制成。定量供料机制的作用就像阀门，可让粉末离开料仓。

定量供料系统12由保持架组成，该保持架容纳供料器组件的所有部件。保持架内部是钢制的顶板和底板，两个聚四氟乙烯(ptfe)垫圈使滑块基座能够平稳地来回移动(沿重涂覆方向)。如本领域技术人员将理解的那样，定量供料系统的部件可以由任何其他合适的材料制成。

滑动器组件13包括板，该板前后滑动并且仅在需要时才允许粉末从料仓掉落。滑块组件由定量供料系统通过安装在连杆上的轴承支撑。连杆周围具有弹簧，这样，当弹簧(通过触发器)压紧时，滑块就会移入保持架中，并且粉末会落到底板上。然后，随着弹簧的伸展，粉末被推向底板上的槽。一旦粉末到达槽，粉末就会落到主板上。

供料器组件与系统一起移动，该系统包括重涂覆器和/或滚轴和/或刮刀(重涂覆器/滚轴/刮刀)以及激光器组件。在本发明的实施例中，可以通过旋开两个螺栓将供料器组件从机器的前部移除。

升降台组件(顶板升降组件)

升降台组件如图2所示。它控制由方形板24支撑的中心板的高度。更具体地说，它将中心板向下移动到称重传感器上，将中心板向上移动到主板，并整齐地存储从机器零件(例如称重传感器)上掉落的任何多余粉末。升降台组件至少包括以下部件：升降台21、四个垫片、左保持架和右保持架23、粉末收集器、方形板、线性轴和线性轴承、步进电动机、导螺杆和螺母。两个线性量规22测量升降台21的高度变化。线性量规读取接触式适配器，并安装在右保持架23上。

升降台组件上下移动升降台、粉末收集器和支撑中心板的方形板24。当将粉末铺设在中心板上时，由电动机驱动的升降台向下移动，直到中心板接触称重传感器。然后，升降台稍微向下移动，使得称重传感器可以测量粉末、中心板和适配器的质量。升降台从那里向后移动，将中心板移向主板。该过程会为每层重复一次。

当用户想要清洁机器或取下粉末收集器时，用户首先要取下可移动的板。升降台一直向上移动，直至粉末收集器和方形板位于主板表面上方的位置。然后，用户可以松开四个螺栓并从升降台上卸下粉末收集器、方形板和支座，从而可以轻松清理粉末收集器。

升降台包括容纳粉末收集器的板、方形板和中心板，但在称重中心板时除外。升降台由电动机/导螺杆/螺母系统上下驱动。c通道将线性杆保持在一起。c通道栓接在主板的底表面上，以及保持电动机。c通道还保持线性量规及其支座。

粉末收集器具有用于存储任何掉落的粉末的槽。可以将粉末收集器与方形板一起卸下，以供用户清洁。将方形板用螺栓固定在粉末收集器上。方形板包括支撑中心板的成角度的内部槽。在方形板的内边缘设有槽，使得粉末可以掉入粉末收集器中。

线性轴使升降台能够平稳地上下移动。线性轴上的线性轴承是自动调心的，使得升降台不会因偏心负载而卡住。步进电动机、导螺杆和螺母将电动机的旋转运动转换为平移运动。两个线性量规可精确测量升降台的行进距离。它们指向接触式适配器，并支撑在右保持架。在本发明的实施例中，升降台组件适于接收各种类型的称重传感器。

适配器组件

适配器组件如图3所示。它支撑中心板31，并用作称重传感器的联接器。适配器组件至少包括以下部件：中心板31、母适配器32、至少两个公适配器34以及螺栓35和盖33。在称重传感器联接到中心板之前(通过公适配器和母适配器)，公适配器和母适配器分离。然后，当升降台下降时，公适配器与母适配器接触。升降台会稍微降低一点，使得只有适配器、中心板和粉末位于称重传感器上。此时，称重传感器可以测量中心板、粉末和适配器的质量。在本发明的实施例中，考虑到称重传感器的称重极限，将部件设计为尽可能轻便。例如，公适配器和母适配器可以由诸如塑料的材料加工而成。

确定中心板31上的粉末的质量和体积，从而计算密度。中心板从下面栓接到母适配器上。中心板的底部是凹形的。这是因为，当中心板下降到具有凹表面的公适配器上时，中心板与公适配器自调平，其对应表面为凸形。公适配器包括两部分。底部公适配器栓接到称重传感器上。顶部公适配器栓接在底部公适配器上。

称重传感器系统

称重传感器系统如图4所示。它可以测量中心板、粉末和适配器的总质量，最终可以确定中心板上粉末的质量。当中心板下降到称重传感器41上时，称重传感器读取适配器组件、中心板和粉末的质量。粉末的质量可以通过从称重传感器读取的质量中减去中心板和适配器的质量来确定。称重传感器由垫片42和螺栓支撑。称重传感器安装在保持架的框架上。

主板组件

主板组件在图5a中示出。主板51在图5b中进一步示出。主板组件在机器的顶部和底部之间提供了分隔物，并为重涂覆器/滚轴/刮刀的表面提供了散布粉末的表面。主板51至少包括以下部件：可移除板52和六个阳极氧化屏障53。主板是固定的，并且防止可移除板降下。阳极氧化屏障将粉末容纳在中心板周围的封闭区域中。因此，防止粉末进入机器的角落，在机器的角落处清洁可能会更加困难。两组阳极氧化屏障栓接在主板上，而可移除板一组阳极氧化屏障栓接在可移除板上。位于主板内的可移除板围绕着方形板(在升降台组件中)。可移除板与主板保持在同一高度，清洁时除外，在该处，粉末收集器和方形板将可移除板推向主板上方。可移除板还具有溢流槽。这样，任何多余的粉末都可以落入该槽中，使得主板保持清洁。任何多余的粉末将最终进入粉末收集器。在大多数操作过程中，可移除板保持附接到主板上。但是，当需要清洁时，将可移动板从主板上拧下，然后升降台将可移动板向上推。用户可以从那里移除可移除板，以拧下移除粉末收集器所需的四个螺栓。

调平机构

调平机构允许手动微调重涂覆器/滚轴/刮刀的高度。在本发明的实施例中，这由指定用户执行，使得普通用户不需要这样做。调平机构至少包括以下部件：调平杆、两个线性轴承座、两个钢轴、两个螺母、两个刻度盘和两个螺杆。调平机构可通过转动位于调平杆两端的两个刻度盘来微调重涂覆器/滚轴/刮刀的高度。通过转动刻度盘，线将上下移动。指定的用户可以调节高度，然后用螺母将其锁定在线性轴承座下方。螺母和刻度盘充当线性轴承座上的夹具，从而锁定调平杆的位置。调平杆安装在螺杆上，并在转动刻度盘时在两端分别上下移动。调平杆还保持重涂覆器/滚轴/刮刀。线性轴承座支撑刻度盘、螺杆和线性杆。螺母紧贴其表面拧紧，以锁定螺杆并防止其移动。该部件还将支撑同步带的夹具。它还栓接到供料器和激光器组件上。钢轴确保调平杆在锁定和调整时稳定。螺杆可对调平杆的高度进行微调。螺杆拧入调平杆，刻度盘和螺母锁定其位置。螺母锁定调平机构并加以约束。刻度盘用于手动调节螺杆的高度，从而调节调平杆和重涂覆器/滚轴筒/刮刀的高度。在操作机器之前，重涂覆器/滚轴/刮刀的表面必须均匀地分布在主板上。调平杆的高度通过微调，然后将其锁定。在本发明的实施例中，调平杆是l形的。

驱动系统

驱动系统如图6所示。它沿着重涂覆方向来回移动重涂覆器/滚轴/刮刀、供料器组件61和激光器组件62。当供料器组件接近触发器64时，它推压触发器，从而推动滑块并打开供料器组件61以使粉末掉落。粉末恰好落在可移除板和重涂覆器/滚轴/刮刀之间。重涂覆器63被示出。驱动系统至少包括以下部件：电动机、可加工联接器68a、变速箱68、轴68e、联接器68b、垫片69、变速箱垫片68、左右l形支架带轮69a、同步带、带夹69b、直线导轨和直线托架65、步进电动机66、电动机支架67和触发器64。

变速箱将运动分为两个轴。变速箱垫片支撑变速箱。变速箱垫片安装在机器的垂直壁上。轴通过一对联接器固定在变速箱的输出轴上。轴部分为d型轮廓。带轮连接到轴上。带轮69将运动从步进电动机66(通过变速箱)传递到供料器组件61、激光器组件62和重涂覆器/滚轴/刮刀。机器的两侧均设有同步带。栓接在垂直壁上的触发器64推动轴承壳体(滑块组件)。这使粉末掉落到底板上。然后，一旦松开触发器，粉末就会从底板掉落到主板上。相对侧上的右l形支架和左l形支架都将线性轴承座连接到激光器组件。带夹69b将同步带的一部分从调平机构保持到线性轴承座。

线性导轨和线性托架使线性轴承座能够平稳移动。步进电动机66经由滑轮69a和同步带驱动激光器组件62、供料器组件61、重涂覆器/滚轴/刮刀。电动机支架67保持并容纳电动机。在本发明的实施例中，电动机是nema23和nema34电动机。这样可以在选择驱动供料器、重涂覆器/滚轴/刮刀和激光器组件的电动机时进行调节。可加工的联接器将电动机的轴螺栓接到变速箱的输入轴。垫片允许轴由轴承支撑。轴承附接在机器的垂直壁上。如本领域技术人员将理解的那样，重涂覆器/刮刀/滚轴与供料器组件和激光器组件一起作为一个整体从前向后移动。在本发明的实施例中，电动机可以直接附接到滑轮。

张力系统

张力系统如图7所示。在带的整个使用寿命过程中，带始终处于张紧张力状态。可以根据需要通过调节带轮的中心距离来调节带的张力。张力系统至少包括以下部件：移动张力块75、固定张力块74和中间块72。其他部件包括调节螺栓73和调节螺母71。每个活动张力块都固定有带轮76，可以通过使用内六角扳手转动调节螺栓来调节其在重涂覆方向上的位置。当带离机器前面较远时，带的张力降低，当带离机器前面较近时，带变紧。可移动张力块包括槽，使得用户可以通过螺栓将可移动张力块的位置固定到中间块。使用者还可以拧紧两个螺母，以确保带轮的位置固定。固定的张力块保持着用于调节移动张力块位置的螺栓。中间块支撑移动张力块和固定张力块。

重涂覆器/滚轴/刮刀

重涂覆器、滚轴或刮刀将离开料仓的粉末散布在中心板上。散布必须尽可能均匀地分布并且保持一致。用户可以选择使用重涂覆器、滚轴或刮刀。所有这三个组件均可拆卸地安装在调平杆(调平机构)上。该重涂覆器包括两个板，并且在两个板之间设置有橡胶筒。橡胶筒不允许向任何方向移动。橡胶筒重涂覆。重涂覆器上方还有坡道。刮刀与重涂覆器相似，不同之处在于橡胶筒和重涂覆器被刮刀代替。滚轴也散布粉末。滚轴的圆柱滚轴旋转并由电动机提供动力。如本领域技术人员将理解的，滚轴可包括其他部件。重涂覆器、刮刀和滚轴易于维修，因为它们每个都可移除地安装在调平杆上，螺栓朝向机器的前部。重涂覆器、滚轴和刮刀都有坡道，以使粉末从料仓中掉落。坡道与垂直轴成一定角度，以模仿霍尔漏斗。在本发明的实施例中，斜坡与竖直轴线成大约30度角。

激光器组件

激光器组件如图8所示。它包括扫描粉末表面并确定粉末层轮廓(层表面轮廓)的激光器81。如技术人员将理解的，层表面轮廓包括各种参数，例如粗糙度、散布轮廓等。在本发明的实施例中，激光用于确定粉末在中心板上占据的表面积。激光也用于确定层的厚度。

激光器组件使激光在中心板上移动，从左到右，从右到左，和上下移动。重涂覆时，激光器需要向上移动，以防止粉末碰到激光器。激光需要向下移动以在其焦点处扫描粉末表面。

激光器组件的其他部件包括线性致动器、线性轴、轴承、夹具86、顶板83、下板82和升降台84(独立于上述升降台组件)。此外，激光器组件包括电动机85、导螺杆和螺母，以在竖直方向上移动。在本发明的实施例中，激光器是2d轮廓仪。线性致动器允许激光从左向右移动，反之亦然。激光通过驱动系统中使用的电动机(使激光器组件、供料器组件和重涂覆器/滚轴/刮刀移动的电动机)从前向后移动。线性轴、轴承和夹具可在支撑和坚固的同时上下移动激光器。顶板用螺栓固定在线性执行器和线性轴上。在本发明的实施例中，顶板以0度或90度定向。下板限制了激光器的最底部位置。它还可以防止激光器撞击系统的任何部件。升降台栓接在激光器上，并允许激光器平稳地上下移动。电动机/导螺杆/螺母的动力允许激光器(和升降台)上下移动。

相机

相机用于确定层表面轮廓。在本发明的实施例中，相机与重涂覆器对准。如本领域技术人员将理解的，层表面轮廓包括诸如粗糙度、散布轮廓等参数。在本发明的实施例中，在这方面，使用激光器和相机。相机还可以观察散布过程中粉末的动态流动性能。的确，相机会跟踪重涂覆过程中的粉末运动。图像被捕获。当粉末被重涂覆器向前推动时，可以看到粉末的流动角度。开发了自动图像收集和图像分析。

保持架(测试台、框架)

保持架、测试台或框架应能够约束用于测试的机器部件。保持架的一部分可以在图5a中看到。保持架可以是具有由铝挤压件制成的框架的外壳。它还可以包括数个铝板，以支撑机器的各个部件。保持架的面板体现了机器的组件，例如垂直壁、导轨板、粉末板和底板。框架的垂直壁栓接触发器、变速箱垫片、垫片和电动机支架。切口(cutouts)用于电缆和同步带。导轨板支撑线性导轨和张力机构。粉末板在可能泄漏的任何粉末与电气组件(例如驱动器和控制器)之间提供了分隔物。底板支撑着称重传感器。

保持架是刚性的，并支撑装置的所有部件。在本发明的实施例中，保持架进一步支撑外部面板。在其他实施例中，保持架包括气密密封件。这允许在所需的环境中进行操作，例如惰性气体、分压、真空。在本发明的其他实施例中，保持架由铝挤压件制成。

在本发明的实施例中，保持架在前面和/或侧面上具有门。门允许用户执行多项任务，包括移除粉末收集器、重涂覆器/滚轴/刮刀和/或供料器以进行清洁，以及检查位于机器后部的电子装置。

计算机

结合本发明的装置和方法使用计算机。提供了合适的用户界面。计算机允许控制装置所有部件的移动并相应地收集数据。

in718和ti6al4v粉末的粉末表征

选择了两种粉末进行基准密度测量：根据astmb212和b213在壳体内充分表征了in718和ti6al4v的粉末；结果总结在下表1中。对于每种粉末，在24℃和40％的湿度下重复三次。如表1所示，每种粉末的d50约为35μm，与制造商提供的信息一致。对于in718粉末，霍尔流量为16.09s/50g；但是，ti6al4v粉末在测试条件下没有流动。用霍尔流量计测量的表观密度，in718为4.36g/cm³，ti6al4v为2.19g/cm³；使用卡尼流量计时，它们分别为4.36g/cm³和2.21g/cm³，实际上是相同的。

in718和ti6al4v粉末的密度测量

对于密度测量，使用橡胶重涂覆器，重涂覆速度为2500mm/分钟。测量的平均温度为24℃，湿度为40％。没有使用电离鼓风机。对于粉末和层厚的每种组合，进行20层(或不破坏测力计的最大可能层数)的5次重复。平均密度总结在下表2-4中。

对于in718粉末(表2)，对于50和100μm的层厚，平均表观密度分别为4.42±0.35和4.86±0.19g/cm³。因此，在50μm层上测得的平均表观密度在统计学上与用霍尔流量计测得的平均表观密度(4.36±0.04g/cm³；表1)相同。但是，对于100μm层测得的平均表观密度要高10％。

对于ti6al4v粉末(表3)，对于50和100μm的层厚，平均表观密度分别为2.01±0.06和2.40±0.06g/cm³。因此，这两个值均在霍尔流量计测得的密度(2.19±0.02g/cm³；表1)的10％以内。

对于in718和ti6al4v粉末，其累积表观密度(表4)在统计学上与使用霍尔流量计(表1)测得的密度相同或高出10％。另外，对于100μm层测得的表观密度总体上大于对于50μm层测得的表观密度。这种差异是由于粉末的动力学性能造成的：厚度/粉末直径(delta/d)比增加了。

表3-4中列出的四种粉末和层厚组合(层厚分别为50和100μm的in718和ti6al4v粉末)的典型试验结果分别显示在下表5-8和图9-12中。观察到两个总体趋势。

首先，为第1层测得的表观密度(表5-8中突出显示的值)始终显着高于随后各层获得的表观密度。这些异常高的密度可能是由于底涂层(或第0层)的松散堆积所致，该底涂层由直接涂在顶板上的200μm粉末层组成。这种松散堆积的原因可能与顶板的表面粗糙度有关：它没有产生足够的摩擦力来保留足够的粉末，因此，过多的粉末从顶板和中心板之间的缝隙掉落，这导致底漆包装不佳。当随后散布层1时，添加的粉末会使底涂层(层0)致密，并且所产生的多余空间将填充在体积测量中未考虑的粉末。结果，层1的体积被低估，这导致更高的计算密度。因此，总是排除为层1计算的表观密度。

其次，随着增加更多的层，在层的表观密度中观察到振荡。但是，累积表观密度保持接近粉末表观密度。可能的原因是由一层到另一层的粉末尺寸分布(psd)的差异引起的堆积密度变化。当使用分辨率更高的激光器来测量粉末表面的粗糙度轮廓时，可以确定此psd变化。另一个可能的原因是在重涂覆过程中由重涂覆器施加的向下推力：当添加新层时，它会使现有层致密，从而导致更高的表观密度。因此，粉末被松散地堆积在致密的床上。这是粉末自然动态行为的一部分。

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