製造設備和方法
2023-11-11 03:43:52 3
專利名稱：製造設備和方法
技術領域：
本發明涉及用於使用添加製造工藝生產三維物體的設備的構造與操作。特別地， 本發明涉及用於諸如選擇性雷射燒結(SLS)或選擇性雷射熔化(SLM)工藝的快速製造或原型速成的機器的構造。
背景技術：
用於生產三維部件的添加製造或原型速成方法在本領域已眾所周知(例如參見 US 4863538-Deckard)。已知的添加製造的方法有很多種，包括粉末材料的固結和聚合樹脂的固化。本發明涉及有關粉末的方法。這種方法涉及使用諸如雷射束或電子束的聚焦能量束來對粉末材料進行逐層固結。起初，這種自由成型工藝的使用限於通過將粉末顆粒層燒結在一起的原型生產。然而，科技的最新進展在於全緻密的、高度完整性的部件可以通過部件的自由成型而製造。在典型的選擇性雷射燒結(SLS)或選擇性雷射熔化(SLM)工藝中，一薄層粉末被置於SLS或SLM設備內的構造區域或粉末層上。聚集雷射束掃過與正在被構造的三維物體的橫截面相應的粉末層的部分，使得雷射掃描點處的粉末通過燒結或熔化而被固結。橫截面通常由通過掃描原始部件而產生的部件的3D描述所產生，或者由計算機輔助設計(CAD) 數據而產生。在將一層固結之後，將構造表面降低新固結層的厚度，並且另一層粉末散布覆蓋在該表面上。此外，用雷射束照射與三維物體橫截面相應的部逐層的表面，則新固結的層加入到初始固結的層。重複這個過程直到部件形成。為了穩定地製造具有期望的結構特性的物體，在製造期間，在鄰近構造表面處保持通常為低氧含量大氣的受控大氣是重要的。現有設備通過用惰性氣體充滿環繞構造表面的構造腔來將此實現。該惰性氣體以略大於大氣壓的壓力進行供給，並允許在構造腔內的大氣氧含量基本降低至約百分之一的氧。在構造板區域內的低氧大氣允許粉末被加熱，並且在需要熔化處，無需經受過多的不期望的氧化反應。圖1示出了在現有技術的原型速成系統10中的構造腔20的典型設置。構造腔20 限定了在可降低構造平臺30上方的空間25，並且構造腔20被構造為具有充分的完整性，使其在稍許升高的壓力下充滿惰性氣體。構造腔20包含有用於將粉末45散布在構造平臺表面上的粉末分配和塗敷設備40和在腔50上壁的窗口，該窗口允許光學通過雷射束55，用於照射散布在構造表面35處的粉末。因此，在雷射束和粉末56之間的交互點處的任意燒結和/或熔化操作發生在低氧大氣中。構造腔被提供有許多不同的氣體傳輸迴路60、70、80，每個氣體傳輸迴路具有其自身的泵61、71、81和其自身的過濾器62、72、82。構造平臺被設置為在構造缸90的孔95內是可降低的，以允許當由連續的粉末層構造物體100時，構造表面35保持在機器內的基本上相同的位置上。構造平臺通常通過活塞機構110來降低，並且該構造平臺的邊緣32具有與和構造缸90的孔95接合的密封件33，以防止粉末45從構造缸溢出。該現有技術的系統存在許多缺點。構造腔中的過壓趨於對粉末施加壓力使其通過在構造平臺和缸的孔之間的密封件(在圖1中由箭頭示出)。這導致疏鬆粉末在裝置內沉澱，而疏鬆粉末必須從裝置中清除，並且這也會損害密封件的完整性，從而允許氧氣在製造期間進入構造腔。諸如泵、閥和管的氣體傳輸裝置都易於洩漏，特別是在連接點處。任何洩漏進氣體傳輸系統中這樣的點的氧氣都可以破壞在構造腔內的低氧大氣的完整性。
發明內容
本發明提供了一種用於製造三維物體的設備以及如在所附獨立權利要求中所限定的形成三維物體的方法，其中現在應參引所附的獨立權利要求。在從屬子權利要求中限定了本發明的優選的或有利的特徵。因此，在第一方面，提供了通過對粉末逐層、或一層層地固結來製造三維物體的設備。該設備包括用於在製造期間支撐物體的可降低的構造平臺和用於控制環繞物體的大氣的可密封的腔。優選地，該設備被設置成以便於允許在構造平臺的上方和下方保持被控制的例如低氧大氣的大氣。在傳統的設備中，惰性且低氧的大氣僅保持在構造平臺上方的區域中。該惰性大氣通常被保持在與平臺下方壓力不同的壓力下。如果平臺上方的壓力大於下方的壓力，則粉末自然地被壓迫到存在於構造平臺和構造缸的孔之間的密封件之間，其中平臺在構造缸的孔內滑動。通過控制在構造平臺上方和下方的大氣，即在形成於構造平臺和構造缸之間的密封件的兩側的大氣，使其具有相同的壓力，則現有技術的系統的缺點可以被避免。優選地，也保持了大氣的成分，即構造平臺上方和下方的低氧。這意味著，如果粉末阻塞在密封件中，則任何來自構造平臺下方的氣體的向回洩漏將不會破壞構造大氣。應當指出，如果構造腔保持在低壓力下並且構造平臺下方的區域在相對更高的壓力下，則存在類似的問題，而通過控制構造平臺上方和下方的大氣，可以緩解這些問題。限定了構造容積的構造缸不是必需為圓形的。事實上，構造缸更可能是正方形或矩形橫截面。優選地，設備構造成使得低壓力或真空壓力可以被施加到構造平臺上方和下方。 為了實現此效果，設備的構造必須是高完整性的，即沒有裂縫和通向外部環境的孔口，並且在通向外部環境的任意點處必須是密封的。用於為了真空用途該改裝腔的通道開口的方法在本領域中是眾所周知的，例如在通道上使用0型密封圈。特別優選的是該設備允許在構造平臺的上方和下方應用過壓。有利地，該設備還包括用於連接到氣體供給以保持在構造平臺上方和下方的惰性氣體大氣的設備。這樣的裝置例如可以是用於與諸如氬氣或氮氣的惰性氣體的缸相連接的氣體閥連接。在特別地優選實施例中，設備包括兩個單獨的可密封的腔。上部腔或構造腔允許控制環繞物體的並且在構造表面區域的大氣，而下部腔允許控制在構造平臺下側的大氣。 當設備的操作可能需要在物體附近的例如光學防護流的特定的惰性氣體流時，這可能是有利的。如果構造腔與用於控制構造表面下方的大氣的另一個可密封腔是分離的，則更容易提供這些特定氣流。特別優選地，在設備包括上部和下部可密封腔的情況下，在腔之間延伸的閥或開口允許壓力和/或氣體成分和/或溫度變均衡。設備可以包括一個或多個泵，用於將氣體從腔或多個腔排出、供給過壓氣體以及用於驅動在設備內的任何氣體迴路。在一些情況下，可能是有利的是至少一個且優選地為所有的泵被包含在惰性氣體中、優選地在下部腔內。也可能有利的是在設備上的至少一個且優選地是所有的氣體閥被包含在惰性大氣內。也可能有利的是設備的任意氣體傳輸迴路的基本上所有的元件被容納在惰性大氣或低氧大氣中、優選地在下部腔內。使氣體傳輸設備、元件和泵保持在受控大氣中的優點是如果任意元件產生洩漏， 則此洩漏具有構造腔的受控大氣的成分。洩漏進泵或迴路的氣體因此具有與迴路內的氣體基本上相同的成分，並且基本上不應該影響部件的完整性。對於一些應用，氣體傳輸部件容納在低氧大氣中基本上可以改進設備的可靠性，因此使用該設備形成的物體的再現性。形成部分氣體傳輸迴路的泵和閥可以被包括在終端氣體傳輸裝置中，同樣地，用於抽空設備的構造腔以及用於保持惰性氣體供給的泵和閥也可以被包括在該終端中。有利的是氣體傳輸迴路或氣體傳輸系統的管路中的任意接頭也被保持在受控大氣中。更有利的是基本上所有管路自身也被保持在受控大氣中。在具有供給氣流到構造腔的多於一個的氣體迴路的設備中，可能有利的是所有氣體傳輸迴路可以由通過適當的閥連接到迴路的單個泵所驅動。該設置可以減少設備內的部件的數量。在優選實施例中，設備具有構造平臺，該構造平臺包括部分的構造缸並且其在構造缸的孔內是可降低的。構造缸限定了構造容積，並且構造平臺在構造缸內下降以確保當相繼的層被添加到物體或加工件時，物體的構造表面基本上在設備內保持在基本相同的高度。優選地，整個構造缸可移除地安裝在設備內部，使得其可以在成型操作的結尾時被簡單並迅速地移除並且用新的構造缸所取代。優選地，整個構造缸被安裝為使得在設備的操作期間，該構造缸可以被受控或低氧大氣所環繞。第二方面，本發明提供了通過對粉末的逐層固結來形成三維物體的方法，包括下述步驟控制環繞可降低的構造平臺的上部和下部的大氣；以及對支撐在構造平臺的上表面的構造表面處的粉末的連續的層部分進行固結，以便形成物體。通常對連續的層部分的固結將通過聚焦雷射束來實現。優選地，在構造平臺上方和下方的大氣被控制成相同的壓力和/或溫度和/或成分。特別優選地，構造平臺的上部和下部在分別可密封的腔內接觸大氣，並且該方法還包括均衡這兩個腔之間的壓力的步驟。
現在將參照附圖描述本發明的優選實施例，其中圖1示意性地示出了在典型現有技術的粉末處理設備中的氣流迴路和構造腔。圖2示出了在根據本發明的設備中的腔和氣體傳輸系統的構造。圖3和4示出了在根據本發明的設備中的氣體傳輸系統的可替選的構造。
具體實施例方式參照圖2，根據本發明實施例的添加製造設備200包括構造腔或處理腔220，該構造腔或處理腔220可以自外部環境密封並且其封裝有構造表面235，在構造表面235上可以形成三維物體300。構造腔220容納有粉末散布裝置對0，用以將粉末層245散布在構造表面235，並且構造腔220允許高能量雷射束255的光學進入，高能量雷射束255用於掃描構造表面235以對粉末的連續層進行固結。構造表面235由構造平臺230所支撐，該構造平臺230在構造缸四0的孔四5內部可往復移動，使得當物體300逐層形成時，該構造平臺 230可以被降低以容納物體300。構造平臺230與構造缸四0的孔295可密封地接合以保持在構造腔內的大氣並且防止粉末245的溢出。這是由與構造缸的孔290物理地接合的構造平臺230的邊緣232相關聯的密封件233，例如矽酮密封件所實現的。在構造平臺正上方的大氣受到構造腔的大氣225的影響，甚至當構造平臺降低時也是如此。除了上部構造腔220之外，該設備還限定了下部腔320，在該下部腔中可以以類似的方式控制大氣325。該下部腔320允許在構造平臺230下方的大氣被控制。上部和下部腔220、320通過開口 330而相互耦接，該開口 330允許每個腔中的壓力均衡。優選地在開口內具有過濾器以防止粉塵和菸灰進入下部腔。這種設置提供了下述優點在構造平臺緊上方和緊下方的壓力可以被保持在相同的水平，例如稍高於大氣壓力。用於在上部腔和下部腔中產生和保持大氣的單個泵450位於下部腔內。該泵連接到排氣閥455以與外部大氣連通，並且連接到第一 465、第二 475和第三485迴路閥以供給氣體到構造腔220內的第一 460、第二 470和第三480氣體迴路。過濾器462也被設置於氣體迴路內的管線中。 泵450、閥465、475、485以及包括氣體迴路460、470、480的管道或管路基本上完全包含在下部腔320內。這允許氣體傳輸迴路被低氧大氣所環繞，使得任何洩漏基本上不影響形成的產品的完整性。在使用中，打開排氣閥455並且激活泵450以將上部和下部腔排放至大致真空狀態。一旦大氣已經被排放，排放閥455被關閉並且上部和下部腔被用氬氣回填至大約10毫巴(millibar)的壓力。氬氣的回填在上部和下部腔中都提供了升高的壓力以確保氧將不能夠洩漏進去。在腔被氬氣填充之後，泵450經由第一 465、第二 475和第三485迴路閥工作，以提供氣流通過每個氣體迴路。這些閥是可調節的，以允許其單獨控制氣流通過每個迴路進入構造腔。如在現有技術中眾所周知的，一旦在構造上部和構造下部腔中的大氣達到期望的構成時，三維部件的製造就通過使用雷射束對粉末逐層固結而得以實現。優選地，氣體流動迴路中的一個是「氣罩」迴路。該迴路使得在構造表面上方能夠形成惰性氣體的護罩，用以當部件形成時對其進行保護。氣罩迴路在低的高度處進入構造腔。
優選地，氣體流動迴路中的一個是「光學防護」迴路。該迴路在腔內的高位置處提供氣體的高速平面流，以保護光設備不受積累的菸灰和顆粒的影響。通常，光學防護迴路通過在腔內高處的狹窄縫隙進入構造腔。可能具有與構造腔相關聯的其他氣體迴路。每個氣體迴路可以具有其自身的從構造腔排出的出口。在圖2中示出的實施例中，氣體迴路在構造腔內相結合，並且經由單個出口 466離開構造腔，且氣體通過第一和第二過濾器500、510。在氣體已離開構造腔之後，第一過濾器500從氣流中移除所有的粉末顆粒和大部分的菸灰。第二過濾器510是移除精細粉塵的高效顆粒空氣(HEPA)過濾器。在優選的實施例中，限定構造容積的構造缸290被安裝在下部腔內(其構造表面在上部腔內)，並且一旦部件已經被完成，該構造缸290可以被快速移除。因此，在一次構造的結尾時包含被未固結粉末245所環繞的固結物體300的構造缸290可以在遠處的位置被移除並卸載。這不僅縮短了機器的在構造之間的停工時間，而且允許在安全的位置從腔內卸載潛在地危險的粉末。在圖3和4中示意性地示出了用於根據本發明設備的可替選的氣流系統。(除了氣流迴路的所有元件與上述關於圖2的描述相同)。在該可替選系統中，氣流迴路位於下部腔外部。單個排氣裝置600引出腔外，並且氣體迴路通過第一過濾器610和第二 HEPA過濾器620。迴路也包括第一閥630、第二閥640 和泵650。泵可以作用於迴路或者可以經由排氣裝置655將氣體泵至大氣。在使用中，泵650經由第一閥630作用以將下部腔325排放至低真空壓力。然後， 氬氣經由入口 660被回填進腔內，直到壓力達到大約為10毫巴為止。在構造腔和下部腔之間是連通的，以使得壓力和成分能夠均衡。一旦大氣達到期望的成分和壓力時，泵650工作，以通過氣流迴路傳輸氣體。在排氣裝置600處離開構造腔的氣體依次通過第一過濾器610和第二過濾器620。第二閥640使得氣體迴路被分為兩部分。第一部分700在高位置處進入構造腔並且用作光學防護或氣刀以保護設備的光元件。第二部分710在低位置處進入構造腔並且用作氣罩以保護構造表面。如果需要，可以添加更多泵，例如光學防護泵720可以被可選地添加到迴路，以使得更高的壓力能夠被遞送到通向構造腔內的孔，以便形成光學防護。
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權利要求
1.一種通過對粉末的逐層固結來製造三維物體的設備，包括 可降低的構造平臺，用於在製造期間支撐所述物體，以及可密封的腔，用於控制環繞所述物體的大氣，以及多個氣體傳輸裝置，其中，所述設備被設置為允許環繞所述氣體傳輸裝置中多於一個的氣體傳輸裝置保持受控的大氣。
2.根據權利要求1所述的設備，其中，受控的大氣被保持在所述構造平臺的上方和下方。
3.根據權利要求1或2所述的設備，其中，所述受控的大氣是低氧大氣。
4.根據權利要求1、2或3所述的設備，其中，在構造平臺的上方和下方能夠形成真空或減少的壓力，和/或，其中在構造平臺的上方和下方能夠形成過壓。
5.根據前述權利要求中的任一項所述的設備，包括用於連接惰性氣體供給的裝置，以環繞基本上所有所述氣體傳輸裝置和/或在所述構造平臺的上方和下方保持惰性氣體大氣。
6.根據前述權利要求中的任一項所述的設備，包括兩個可密封的腔，上部腔用於控制所述構造平臺上方的所述大氣，而下部腔用於控制所述構造平臺下方的所述大氣，其中，優選地所述氣體傳輸裝置位於所述下部腔中。
7.根據權利要求6所述的設備，包括用於均衡所述上部腔和下部腔之間的壓力的閥或開口。
8.根據前述權利要求中的任一項所述的設備，還包括泵，其中，優選地為低氧大氣的受控大氣能夠保持在所述泵的周圍。
9.根據前述權利要求中的任一項所述的設備，其中，環繞所述氣體傳輸裝置的所述大氣是低氧大氣。
10.根據前述權利要求中的任一項所述的設備，包括多於一個的泵，其中，優選地為低氧大氣的受控大氣能夠保持在每個泵的周圍。
11.根據前述權利要求中的任一項所述的設備，其具有進一步包括有過濾器的氣體傳輸迴路，其中，低氧大氣能夠被保持在所述過濾器周圍。
12.根據前述權利要求中的任一項所述的設備，其具有氣體傳輸迴路，所述傳輸迴路包括光學防護迴路和氣罩迴路，用於在製造期間控制所述物體周圍的所述大氣。
13.根據權利要求12所述的設備，其中，所有所述氣體傳輸迴路通過經由閥而連接到所述迴路的單個泵所驅動。
14.根據前述權利要求中的任一項所述的設備，包括可移動的構造缸，所述構造平臺在所述可移動的構造缸內部是可降低的。
15.一種通過使用具有多個氣體傳輸裝置的添加製造設備而對粉末逐層固結以形成三維物體的方法，包括下述步驟在可降低的構造平臺上方和所述氣體傳輸裝置的周圍形成受控大氣， 對所述構造平臺表面所支撐的構造表面處的粉末的連續層的部分進行固結以形成所述物體。
16.根據權利要求15所述的方法，其中，所述受控大氣在所述構造平臺的上方和下方形成，並且優選地，所述構造平臺的上方和下方的所述大氣被控制至相同的壓力。
17.根據權利要求15或16所述的方法，其中，所述構造平臺的上部和下部在分別密封的腔中接觸受控大氣，並且所述方法包括在所述腔之間均衡壓力的步驟。
18.一種通過對粉末的逐層固結來製造三維物體的設備，包括 可降低的構造平臺，用於在製造期間支撐所述物體，以及可密封的腔，用於控制所述物體周圍的所述大氣，其中，所述設備被設置為允許在所述構造平臺的上方和下方保持受控的大氣。
19.一種基本上如本文中所描述的並參照附圖的設備。
20.一種基本上如本文中所描述的並參照附圖的方法。
全文摘要
一種通過對粉末的逐層固結來製造三維物體的設備，該設備包括用於在製造期間支撐物體的可降低的構造平臺和用於控制物體周圍大氣的可密封的腔。該設備也具有諸如泵和閥的氣體傳輸裝置。基本上所有氣體傳輸裝置被保持在受控的大氣中。
文檔編號B22F3/105GK102164696SQ200980132011
公開日2011年8月24日 申請日期2009年7月20日 優先權日2008年7月18日
發明者西蒙·彼得·斯科特 申請人:Mtt科技有限公司