粉末再循環添加製造設備和方法與流程

2023-08-08 01:04:11

本發明大體上涉及添加製造，且更具體而言，涉及用於生產構件或部件的粉末再循環添加製造設備和方法。

背景技術：

添加製造是鑄造的備選過程，其中逐層建立材料以形成構件或部件。與鑄造過程不同，添加製造僅受限於機器的位置分辨能力(position resolution)，且不受限於如由鑄造所需要的對於提供起模斜度、避免突出部等的需求。還通過術語(諸如「分層製造」、「倒置加工」、「直接金屬雷射熔化」(DMLM)和「3D列印」)稱呼添加製造。出於本發明的目的，這些術語被當作同義詞。

當前，粉末床技術已證明現有技術金屬添加製造技術的最佳分辨能力。然而，因為建造需要發生在粉末床中，所以常規的機器使用大量粉末，例如，粉末裝載量可為超過130kg(300lbs)。當考慮使用許多機器的工廠環境時，這是昂貴的。不直接熔化成部件，而是儲存在鄰近的粉末床中的粉末是有問題的，因為它給升降機系統增加重量，使密封和室壓力問題複雜，對於在部件建造的結束時的部件修補是有害的，且在當前設想用於大型構件的大床系統中變得難以處理。

因此，仍存在對於能夠生產構件而不使用粉末床的添加製造設備和方法的需求。

技術實現要素：

通過本發明來解決此需求，其提供添加製造設備，該添加製造設備以連續流的形式在建造平臺的上方分配粉末。可選地，該設備使不使用的粉末再循環，以用於在製造過程中再使用。

根據本發明的一個方面，一種添加製造設備包括：支撐表面，其構造成支撐在其上的建造平臺；粉末分配器，其配置在支撐表面的上方，該粉末分配器構造成分配粉末，且在支撐表面的上方可側向地移動；刮擦器，其在建造平臺的上方可移動，且構造成刮擦由粉末分配器分配在其上的粉末，以便在建造平臺的上方提供粉末的層增量；以及定向能量源，其構造成以預定的樣式熔化和熔融粉末的層增量，以便於形成部件。

根據本發明的另一方面，分配器構造成以預定的流動速率分配粉末的連續流。

根據本發明的另一方面，該設備還包括粉末供應組件，其配置在支撐表面的上方，且構造成將粉末供應至粉末分配器，其中該粉末分配器在粉末供應組件下面的第一位置和遠離粉末供應組件的第二位置之間是可移動的。

根據本發明的另一方面，該設備還包括構造成將不使用的粉末收集在其中的收集漏鬥，其中收集漏鬥限定支撐表面。

根據本發明的另一方面，該支撐表面包括延伸穿過其的開口，該開口構造成準許不使用的粉末下落穿過支撐表面且到收集漏鬥中。

根據本發明的另一方面，該設備還包括吹風器，該吹風器聯接至收集漏鬥，且構造成將被收集在收集漏鬥中的粉末移動至粉末供應組件來用於再使用。

根據本發明的另一方面，粉末供給管使粉末供應組件和吹風器互相連接；空氣返回管室粉末供應組件和吹風器互相連接；且粉末供應組件、收集漏鬥、吹風器、粉末供給管和空氣返回管限定可操作用於使粉末再循環的迴路。

根據本發明的另一方面，粉末供應組件相對於支撐表面是可豎直地移動的。

根據本發明的另一方面，粉末供給管和空氣返回管各自包括伸縮區段(telescoping section)的對。

根據本發明的另一方面，粉末供應組件包括具有連接至頂部壁的環形側壁的旋流室；粉末供給管在偏離中心位置處全部進入該側壁；且空氣返回管在中心位置處進入該頂部壁。

根據本發明的另一方面，一種通過添加製造過程製作部件的方法包括以下步驟：(a)將建造平臺支撐在支撐表面上；(b)橫移定位在支撐表面的上方的粉末分配器跨過建造平臺，同時分配來自粉末分配器的粉末的連續流，以便於使粉末堆積在建造平臺的上方；(c)用刮擦器橫越建造平臺，以刮擦堆積的粉末，以便於形成粉末的層增量；(d)使用定向能量源以對應於部件的截面的樣式熔融粉末的層增量；以及(e)重複步驟(b)到(d)的循環，來以逐層的方式建立部件。

根據本發明的另一方面，該方法還包括，在步驟(b)之前：將粉末分配器移動至在粉末供應組件的下面的第一位置，該粉末供應組件配置在支撐表面的上方；以及使來自粉末供應組件的粉末掉落到粉末分配器中。

根據本發明的另一方面，該方法還包括使用定位在支撐表面的下面的收集漏鬥，以收集任何不使用的粉末。

根據本發明的另一方面，支撐表面包括延伸穿過其的開口，該開口允許不使用的粉末下落穿過到收集漏鬥中。

根據本發明的另一方面，該方法還包括使用吹風器，該吹風器聯接至收集漏鬥，以將被收集在收集漏鬥中的粉末移動至粉末供應組件來用於再使用。

根據本發明的另一方面，粉末供給管使粉末供應組件和吹風器互相連接；空氣返回管使粉末供應組件和吹風器互相連接；且吹風器使粉末在從收集漏鬥、穿過粉末供給管、且到粉末供應組件中的迴路中再循環。

根據本發明的另一方面，該方法還包括，在步驟(b)-(d)期間，在建造平臺上建立密閉壁(containment wall)，該密閉壁圍繞部件。

根據本發明的另一方面，建造平臺比密閉壁的外部寬度更寬，以便於限定突出部，且該方法還包括，在步驟(b)-(d)期間，準許過多的粉末建立在突出部上，以便於形成支持物，該支持物支撐密閉壁。

根據本發明的另一方面，選擇突出部的寬度，以準許當部件和密閉壁處於最大預定高度時，該支持物維持預先選擇的最小寬度。

根據本發明的另一方面，製造的物品包括：建造平臺；配置在該平臺上的部件；配置在平臺上的圍繞該部件的粉末的第一部分；和配置在平臺上的圍繞粉末的第一部分和部件的密閉壁。

根據本發明的另一方面，該物品還包括配置在平臺上的圍繞密閉壁的粉末的第二部分，該粉末的第二部分限定傾斜的支持物，該傾斜的支持物提供對於密閉壁的外部側向的支撐。

根據本發明的另一方面，密閉壁具有一致的厚度。

附圖說明

可通過參考結合附圖作出的下列描述來最佳地理解本發明，在附圖中：

圖1是根據發明的一個方面構造的添加製造設備的右側立視圖；

圖2是圖1的添加製造設備的左側立視圖；

圖3是在裝載位置中的圖1的添加製造設備的前橫截面視圖；

圖4是在使用位置中的圖1的添加製造設備的前橫截面視圖；

圖5示出了被分配在支撐平臺上的粉末；

圖6示出了被刮擦或平整的粉末；

圖7示出了通過雷射熔融的圖6的平整的粉末，以形成密閉壁和構件；以及

圖8示出了密閉壁和在圖5-7中示出的過程的多次通過之後建立的構件。

部件列表

10 設備

12 收集漏鬥

14 支撐表面

16 建造平臺

18 粉末供應組件

20 粉末分配器

22 刮擦器

24 吹風器

26定向能量源

28 射束操縱設備

30 第一支撐件

32 收集室

34 底部壁

36 收集點

38 槽道

40 密閉壁

42 部件

44 第二支撐件

46 供應容器

48 旋流室

50 濾網

52 儲存室

54 粉末供給管

56 第一端部

58 第二端部

60 側壁

62 空氣返回管

64 第一端部

66 第二端部

68 頂部壁

54A 伸縮區段

54B 伸縮區段

62A 伸縮區段

62B 伸縮區段

70 穴

72 管口

74 第一軌道

76 底部壁

78 側壁

80 開放頂部

82 頂部邊緣

84 穴

86 第二軌道

100 側向突出部。

具體實施方式

參考附圖(其中遍及各種視圖相同的參考標號表示相同的元件)，圖1-4示出了用於執行本發明的製造方法的設備10。基礎構件是具有構造成支撐一個或更多個建造平臺16的支撐表面14的收集漏鬥12、構造成供應粉末的粉末供應組件18、構造成接收來自粉末供應組件18的粉末，且使該粉末掉落到建造平臺16上的粉末分配器20、用於平整掉落到建造平臺16上的粉末的刮擦器22、構造成將包括在收集漏鬥12中的粉末吹到粉末供應組件18中的吹風器24、用於熔化在建造平臺上的平整的粉末的定向能量源26、和射束操縱設備28。出於此應用的目的，粉末可為任何可分配在層中且由輻射能量源熔融的粉末(例如，金屬和塑料粉末)。將在下面更詳細地描述這些構件中的各個。儘管未示出，但將理解的是，在使用中，整個設備10可被包封在惰性氣體或其他合適大氣的環境中，以防止非期望的氧化和/或汙染，且以提供用於粉末的二級密閉。

收集漏鬥12通過第一支撐件30來支承，且包括收集室32，收集室32構造成收集和儲存不使用的粉末，該不使用的粉末從粉末供應組件18、粉末分配器20掉落、和/或是由刮擦器22從建造平臺16移除的任何粉末。收集室32包括傾斜底部壁34，以促進收集的粉末移動至收集室32中的低點和/或收集點36。支撐表面14提供用於擱置建造平臺16的平坦工作表面。表面14包括多個槽道38或形成在其中的其他開口，以提供有格柵的表面且準許使不使用的粉末掉落穿過槽道38且掉落到收集室32中。收集漏鬥12可被固定在合適位置或可滑動地連接至第一支撐件30，以準許收集漏鬥12的豎直移動。

建造平臺16是板狀結構，其提供構造成接收粉末的平坦建造平面，且準許定向能量源26在其上形成密閉壁40和密閉壁40的內側的部件42。平臺16可由任何能夠準許定向能量源熔化在其上的粉末且準許建造平臺16再用於多個添加製造過程的材料形成。例如，建造平臺16可由金屬或陶瓷材料形成。建造平臺16在確定尺寸為比密閉壁40稍微更大，以使需要用於建造構件42的粉末的量最小化，且以允許使未使用的任何粉末掉落到收集漏鬥12中。如所示出的，建造平臺16在建造過程中定位在支撐表面14上。

粉末供應組件18由第二支撐件44支承，且可滑動地連接至其，以準許使粉末供應組件18豎直地移動。粉末供應組件18包括具有旋流室48、濾網50和儲存室52的供應容器46。粉末供給管54連接在收集漏鬥12和粉末供應組件18之間。更具體而言，粉末供給管54的第一端部56連接至收集室32的收集點36，且粉末供給管54的第二端部58延伸穿過旋流室48的環形側壁60。此外，空氣返回管62連接在吹風器24和粉末供應組件18之間。更詳細而言，在中心位置處，空氣返回管62的第一端部64連接至吹風器24的吸入側，且空氣返回管62的第二端部66連接至供應容器46的頂部壁68。吹風器24在收集點36處連接至收集室32，以將粉末吹到收集室32外，且經由粉末供給管54吹到旋流室48中。應當理解的是，吹風器24可為適用於經由粉末供給管54將粉末從收集漏鬥12移動至粉末供應組件18的任何裝置(諸如風扇或泵)。粉末供給管54和空氣返回管62二者可由兩個伸縮區段54A、54B和62A、62B形成，或以其他方式構造成準許粉末供應組件18和/或收集漏鬥12的豎直移動。

旋流室48是大體柱狀的，且構造成將粉末從夾帶粉末的空氣移除，該夾帶粉末的空氣經由粉末供給管54進入旋流室48。如所示出的，將粉末供給管54的第二端部58定位成偏離中心，以促進旋流作用。換而言之，定位粉末供給管54，使得夾帶在空氣中的粉末沿旋流室的側壁60自旋，以將粉末從空氣移除。使粉末掉落到濾網50上，且通過吹風器24的吸入側經由空氣返回管62將空氣吸出旋流室48。要注意的是，從收集點36至吹風器24至粉末供給管54至儲存室52，且由該處至粉末分配器20或收集室32的粉末再循環過程可連續或間歇地發生。

濾網50包括多個穴70，多個穴70具有適用於收集來自粉末的碎屑，同時允許好的粉末過濾穿過其，且過濾到儲存室52中的預定尺寸。儲存室52包括圓錐形管口72，圓錐形管口72構造成分配來自儲存室52的粉末。應當認識到的是，管口72可具有任何適用於分配來自儲存室52的粉末的形狀。

粉末分配器20構造成經由管口72接收來自粉末供應組件18的粉末，且將粉末分配到建造平臺16上。粉末分配器20由第一軌道74支承，以準許粉末分配器20橫越支撐表面14。因為粉末分配器20橫越支撐表面14，所以可圍繞支撐表面14間隔多個建造平臺16，以接收粉末。粉末分配器20包括底部壁76、從底部壁76朝外延伸的多個側壁78和由側壁78的頂部邊緣82限定的開放頂部80。底部壁76包括延伸穿過其的穴84，且在其橫越支撐表面14時，尺寸確定為使粉末以預定的流動速率從粉末分配器20掉落。開放頂部80尺寸確定為接收來自粉末供應組件18的管口72的粉末，且側壁78構造成將粉末容納在粉末分配器20中，且將粉末朝穴84引導。可選地，還可使用已知技術(諸如超聲振動)振動粉末分配器20，以確保粉末以特定速率流動穿過穴84。

刮擦器22是剛性、側向地細長的結構，其構造成刮擦配置在建造平臺16上的粉末，由此平整粉末且移除任何過量的粉末。刮擦器22由第二軌道86支承，以準許刮擦器22橫越支撐表面14。第二軌道86由第一支撐件30支承，以準許第二軌道86準許第二軌道86的豎直移動。

定向能量源26由第二軌道86支承，且可通過沿第一支撐件30移動第二軌道而相對於支撐表面14升起或降低定向能量源26。在下面更詳細地描述，定向能量源26可包括任何已知的具有合適功率和其他操作特徵的輻射能量源，以在建造過程期間熔化和熔融粉末。例如，可使用具有輸出功率雷射源密度的雷射源，該輸出功率密度具有大約104 W/cm2的數量級。其他定向能量源(諸如電子射束槍)是雷射源的合適備選方案。

射束操縱設備28包括一個或更多個鏡子、稜鏡和/或透鏡，且設有合適的促動器，且布置成使得來自定向能量源26的射束「B」(見圖6)可聚集至期望斑點大小，且被操縱至X-Y平面中與支撐表面14一致的期望位置。

促動器(未示出)可用於行動裝置10的構件。更具體而言，促動器可用於選擇性地沿第一支撐件30移動第二軌道86和/或收集漏鬥12、沿第二支撐件44移動粉末供應組件18、沿第一軌道74移動粉末分配器20、和沿第二軌道86移動刮擦器22。促動器(諸如氣動或液壓汽缸、滾珠絲槓或線性電動促動器等)可用於此目的。此外，構件可鍵連接至支撐件或軌道，它們由該支撐件或軌道支撐，以提供允許構件移動的穩定的連接。如所示出的，使用燕尾件類型連接，然而，應當認識到的是，可使用任何類型的穩定且允許構件相對於支撐件和/或軌道移動的連接。

使用如上所描述的設備10的建造過程如下。在圖3中示出，粉末分配器20和刮擦器22移動至初始位置，以允許建造平臺16被固定至支撐表面14。如所示出的，粉末分配器20和刮擦器22沿第一和第二軌道74、86移動，以準許粉末分配器20通過將管口72與粉末分配器20的開放頂部80對齊而接收來自粉末供應組件18的粉末「P」(圖5)。此外，第一和第二軌道74、86沿第一和第二支撐件30和44移動，以將粉末分配器20和刮擦器22定位在基本相同的海拔處，以防止粉末分配器20幹擾定向能量源26，同時防止其橫越支撐表面14。圖7，該初始位置還將定向能量源26放置在合適的海拔處，以熔化配置在建造平臺16上的粉末P的第一層。

粉末供應組件18經由管口72用粉末P填充粉末分配器20。一旦充滿，粉末分配器20就使粉末P的連續流以受控的速率掉落穿過穴84。在填充其後，粉末分配器20可橫越支撐表面14和建造平臺16，從初始位置至端部位置(圖4)，同時使粉末P的流掉落。掉落在支撐表面14上的粉末P下落穿過槽道38，以用於再循環，同時掉落到建造平臺16上的粉末P形成粉末P的第一層。

刮擦器22然後橫越支撐表面14和建造平臺16，以跨過建造平臺16水平地鋪開粉末P的第一層，由此平整粉末P，以形成粉末P的第一層增量(圖6)。該層增量影響添加製造過程的速度和部件42的分辨。作為示例，該層增量可為大約10至50微米(0.0003至0.002英寸)。在刮擦器22從左至右行進時，使任何過多的粉末P掉落穿過槽道38且到收集室32中，以用於再循環。其後，刮擦器22和粉末分配器20可收回至初始位置，在該處可用粉末P再次填充粉末分配器20。返回橫移可被延遲，直到下面所描述的雷射熔化步驟之後。如上所描述的，下落到收集室32中的過多的粉末P由吹風器24吹回到粉末供應組件18中。

定向能量源26用於熔化密閉壁40和正在建造的部件42的二維截面(圖7)。如上所提及的，將密閉壁40連同部件42一起建造在建造平臺16上。定向能量源26發射射束「B」，且射束操縱設備28用於以適當的樣式在暴露的粉末表面上方操縱射束B的焦點「S」。通過射束B將粉末P的暴露的層加熱至允許其熔化、流動且固化的溫度。

粉末供應組件18和粉末分配器20可沿第二支撐件44以與第一層增量基本相等的距離豎直朝上地移動，以定位粉末分配器20來用於鋪開與第一層類似厚度的粉末P的第二層。第二軌道86還沿第一支撐件30以與第一層增量基本相等的距離豎直朝上地移動，以定位刮擦器22來用於鋪開粉末P的第二層，且以定位定向能量源26來用於熔化粉末P的暴露的第二層。可選地，收集漏鬥12可沿第一支撐件30以與第一層增量基本相等的距離豎直朝下地移動，或可執行構件的朝上或朝下的豎直移動的組合(對於收集漏鬥12為朝下，且對於粉末供應組件18、粉末分配器20、刮擦器22和定向能量源26為朝上)，以將收集漏鬥12和粉末供應組件18、粉末分配器20、刮擦器22和定向能量源26之間的距離增加與第一層增量基本相等的距離。

一旦在合適位置，粉末分配器20從初始位置至端部位置橫越支撐表面14和建造結構16，且施加粉末P的第二層。刮擦器22然後橫越支撐表面14和建造平臺16，以與第一層增量的厚度類似的厚度鋪開施加的粉末P的第二層。備選地，取決於粉末分配器20的容量和從穴84的流動速率，在粉末分配器20從端部位置至端部位置往回橫移(而不必須完成返回行程以再次填充)時，可施加粉末P的第二施加。引導能量源26再次發射射束Ｂ，且射束操縱設備28用於以適當的樣式在暴露的粉末表面上方操縱射束B的焦點Ｓ。將粉末P的暴露的層加熱至允許其既在頂部層內也與較低、先前固化的層熔化、流動且固化的溫度。

重複移動構件、施加粉末P和定向能量源熔化粉末P的循環，直到整個部件42完成。連同部件42一起建立密閉壁40。

如在圖7和8中所見，可將建造平臺16製造地比密閉壁40的整體寬度更寬，從而產生側向突出部100。該突出部100準許粉末P圍繞密閉壁40的外部在建造過程期間建立在建造平臺16上。缺乏外部支撐的粉末P趨向於以粉末P的自然靜止角度傾斜。剩餘的粉末P限定支持物「b」，其提供用於密閉壁40的外部橫向支撐，使得可在建造期間維持其的完整性和壁厚度(即，壁厚度可與朝上延伸的密閉壁40一致)。可選擇突出部100的側向寬度(已知特定粉末P的靜止角度)，使得粉末P的最小寬度「W」保持支撐密閉壁40，即使是在部件42和密閉壁40的最大高度「H」處。

如上所描述的設備和過程提供用於部件的添加製造的方式，而沒有對於固定的粉末容器和有關的過多粉末需要的需求。這將在建造過程中節省時間和金錢，降低固定的裝備的大小和複雜性，且增加建造過程的靈活性。

前面已描述粉末再循環添加製造設備和方法。在本說明書(包括任何附隨的權利要求、說明書摘要和附圖)中公開的所有特徵，和/或由此公開的任何方法或過程的所有步驟可以以任何結合(除了此種特徵和/或步驟中的至少一些互斥的結合之外)的方式結合。

在本說明書(包括任何附隨的權利要求、說明書摘要和附圖)中公開的各特徵可由用作相同、等同或類似目的的備選特徵替換，除非以其他方式特別地規定。因此，除非另外清楚地規定，否則公開的各特徵僅為同等或類似特徵的一般系列中的一個示例。

本發明不限於前述(多個)實施例的細節。本發明擴展在本說明書(包括任何附隨的權利要求、說明書摘要和附圖)中公開的特徵中的任何新穎特徵或任何新穎的結合，或擴展至如此公開的任何方法或過程的步驟中的任何新穎的步驟或任何新穎的結合。