BR102016016322A2

BR102016016322A2 - aparelho para fabricação aditiva, módulo de construção e método para fabricação aditiva

Info

Publication number: BR102016016322A2
Application number: BR102016016322A
Authority: BR
Inventors: Richard Barnhart David; Muster Morris Gregory; Shaw Mark; Redden Ronald; Anderson Theodore
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2015-07-29
Filing date: 2016-07-14
Publication date: 2017-01-31
Also published as: CA2936668C; CN106395408A; US20170028472A1; JP2017031505A; US10357827B2; US11292063B2; EP3124140A2; EP3124140A3; EP3124140B1; CA2936668A1; US20190321889A1; JP6340040B2; CN106395408B

Abstract

aparelho para fabricação aditiva, módulo de construção e método para fabricação aditiva trata-se de um aparelho para fabricação aditiva que inclui: um módulo de construção que compreende uma câmara de construção e pelo menos um, mas não todos, dentre os seguintes elementos: (a) uma fonte de energia direcionada; (b) um suprimento de pó; (c) um recipiente de recuperação de pó e (d) um aplicador de pó; e uma estação de trabalho que compreende o restante dos elementos (a) a (d) não incluídos no módulo de construção.

Description

“APARELHO PARA FABRICAÇÃO ADITIVA, MÓDULO DE CONSTRUÇÃO E MÉTODO PARA FABRICAÇÃO ADITIVA” Antecedentes da Invenção [001] A presente invenção refere-se, de modo geral, a um aparelho para fabricação aditiva e, mais particularmente, a um aparelho para produção em massa de componentes.

[002] “Fabricação aditiva” é um termo usado no presente documento para descrever um processo que envolve construção de camada em camada ou manufatura aditiva (em oposição à remoção de material assim como em processos de usinagem convencionais). Tais processos podem também ser denominados como “processos de fabricação rápida”. Os processos de fabricação aditiva incluem, mas sem limitação: Fusão de Metal a Laser Direta (DMLM), Fabricação a Laser em Formato de Rede (LNSM), sinterização de feixe de elétrons, Sinterização a Laser Seletiva (SLS), impressão 3D, tal como por jatos de tinta e jatos a laser, Estereolitografia (SLA), Fusão de Feixe de Elétrons (EBM), Modelagem Projetada a Laser em Formato de Rede (LENS) e Deposição de Metal Direta (DMD).

[003] Atualmente, tecnologias de leito de pó demonstraram as melhores capacidades de resolução de tecnologias de fabricação aditiva de metal de técnica anterior. Contudo, visto que a construção precisa acontecer no leito de pó, máquinas convencionais usam uma grande quantidade de pó, por exemplo, uma carga de pó pode ter mais de 130 kg (300 libras). Isso é dispendioso considerando-se um ambiente de fábrica que usa muitas máquinas. O pó que não é diretamente fundido na peça, mas armazenado no leito de pó vizinho, é problemático devido ao fato de que o mesmo adiciona peso aos sistemas de elevador, complica problemas de vedações e pressão de câmara, é prejudicial para a recuperação da peça ao final da construção da peça e se torna difícil de manejar em sistemas de leito grande que são considerados atualmente para os componentes grandes.

[004] Além disso, sistemas de fabricação aditiva atualmente disponíveis são ajustados para a prototipagem e fabricação de volume muito baixo. Diferenças consideráveis podem existir de peça para peça. Alguns elementos de sistemas atuais são difíceis de manusear devido ao peso e podem exigir interação prática e manual excessiva. A duplicação de máquinas múltiplas em paralelo à fabricação de peças múltiplas resulta na duplicação dispendiosa de componentes e serviços tais como controles e refrigeração e controles ambientais.

[005] Consequentemente, permanece uma necessidade de um aparelho e método para fabricação aditiva que possam produzir componentes com base na produção em massa.

Descrição Resumida da Invenção [006] Essa necessidade é atendida pela tecnologia descrita no presente documento, que fornece aparelho para a fabricação aditiva com a utilização de um ou mais módulos de construção simplificados em combinação com um ou mais componentes comuns que são fornecidos de modo central ou compartilhados dentre os módulos de construção.

[007] De acordo com um aspecto da tecnologia descrita no presente documento, um aparelho para fabricação aditiva inclui: um módulo de construção que tem uma câmara de construção e pelo menos um, mas menos do que todos, dentre os seguintes elementos: (a) uma fonte de energia direcionada; (b) um suprimento de pó; (c) um recipiente de recuperação de pó e (d) um aplicador de pó; e uma estação de trabalho que tem o restante dos elementos (a) a (d) não incluídos no módulo de construção.

[008] De acordo com outro aspecto da tecnologia descrita no presente documento, um aparelho para fabricação aditiva inclui: uma estação de trabalho que inclui uma fonte de energia direcionada; um módulo de construção, que inclui: uma primeira câmara de construção e uma parede periférica que se estende além da superfície de trabalho oposta à primeira câmara de construção para definir um espaço de trabalho; e um mecanismo de transporte operável para mover o módulo de construção para dentro e para fora da estação de trabalho.

[009] De acordo com outro aspecto da tecnologia descrita no presente documento, um método de fabricação aditiva inclui: mover um módulo de construção que tem uma câmara de construção dentro de uma estação de trabalho; depositar pó sobre uma plataforma de construção que é disposta na câmara de construção; direcionar um feixe de uma fonte de energia direcionada para fundir o pó; mover a plataforma verticalmente para baixo dentro da câmara de construção por um incremento de camada de pó; e repetir em um ciclo as etapas de depositar, direcionar e mover para construir a peça em um modo de camada em camada até que a peça esteja completa.

Breve Descrição das Figuras [010] A invenção pode ser mais bem entendida com referência à descrição a seguir, feita em conjunto com as figuras de desenho anexas, nas quais: A Figura 1 é uma vista em corte transversal de um módulo de construção de fabricação aditiva construído de acordo com um aspecto da tecnologia descrita no presente documento; A Figura 2 é uma vista plana superior do módulo de construção da Figura 1; A Figura 3 é uma vista em corte transversal de um módulo de construção de fabricação aditiva alternativo; A Figura 4 é uma vista plana superior do módulo de construção da Figura 3; A Figura 5 mostra uma vista lateral esquemática do módulo de construção da Figura 1 em uma linha de montagem; A Figura 6 é uma vista lateral esquemática de um módulo de construção alternativo em uma linha de montagem; A Figura 7 mostra uma vista lateral esquemática do módulo de construção da Figura 3 em uma linha de montagem; A Figura 8 é uma vista em corte transversal de um módulo de construção de fabricação aditiva alternativo; e A Figura 9 é uma vista plana superior esquemática do módulo de construção da Figura 8 em um centro de montagem giratório.

Descrição Detalhada da Invenção [011] Em geral, aspectos da tecnologia descrita no presente documento fornecem um aparelho e método para fabricação aditiva em que múltiplos módulos de construção são usados em um processo de linha de montagem. Os módulos de construção individuais são simplificados em comparação com as máquinas aditivas da técnica anterior e podem ser configurados para incluir apenas os componentes necessários para fabricar uma peça específica ou grupo selecionado de peças, em que componentes comuns são fornecidos de modo central ou compartilhados dentre os módulos de construção.

[012] Agora, com referência às figuras em que as referências numéricas idênticas denotam os mesmos elementos por todas as várias vistas, as Figuras 1 e 2 ilustram um módulo de construção de fabricação aditiva exemplificativo 10 para realizar um método de fabricação de acordo com um aspecto da tecnologia descrito no presente documento. O módulo de construção 10 incorpora uma superfície de trabalho 12, um suprimento de pó 14, um aplicador 16, uma câmara de construção 18 que circunda uma plataforma de construção 20, e um recipiente de recuperação de pó 22. Cada um desses componentes será descrito em mais detalhes abaixo.

[013] A superfície de trabalho 12 é uma estrutura rígida e é coplanar com e define um plano de trabalho virtual. No exemplo ilustrado, a mesma inclui uma abertura de câmara de construção 24 que se comunica com a câmara de construção 18, uma abertura de suprimento 26 que se comunica com o suprimento de pó 14 e uma abertura de recuperação 28 que se comunica com o recipiente de recuperação de pó 22. O módulo 10 inclui uma parede periférica 30 que se estende além da superfície de trabalho 12 de modo a definir um espaço de trabalho 32. A superfície de trabalho 12 é cercada pela parede periférica 30 do módulo de construção 10. Opcionalmente, conforme mostrado na Figura 1, o espaço de trabalho 32 é fechado por uma janela passível de abertura ou remoção 34 que é transparente para energia radiante, por exemplo, a janela 34 podería ser produzida a partir de vidro. Conforme mostrado na Figura 6, a janela 34 pode ser eliminada dependendo da configuração de processo desejada.

[014] O aplicador 16 é uma estrutura alongada lateralmente e rígida que repousa sobre ou em contato com a superfície de trabalho 12 e é móvel no espaço de trabalho 32 posicionado acima da superfície de trabalho 12. O mesmo é conectado a um atuador 36 operável para mover de modo seletivo o aplicador 16 paralelo à superfície de trabalho 12. O atuador 36 é retratado esquematicamente na Figura 1, com a compreensão de que dispositivos tais como cilindros pneumáticos ou hidráulicos, atuadores elétricos lineares ou de parafusos de esfera e assim por diante, podem ser usados para esse propósito. Conforme retratado, o aplicador 16 se move da direita para a esquerda para mover o pó do suprimento de pó 14 para a câmara de construção 18 sendo que pó em excesso é movido para o recipiente de recuperação de pó 22. Deve ser observado que o suprimento de pó 14 e recipiente de recuperação de pó 22 podem ser invertidos e o aplicador 16 pode mover da esquerda para a direita para suprir pó do suprimento de pó 14 para a câmara de construção 18.

[015] O suprimento de pó 14 compreende um recipiente de suprimento 38 que é subjacente e se comunica com a abertura de suprimento 36 e um elevador 40. O elevador 40 é uma estrutura tipo placa que é deslizável verticalmente dentro do recipiente de suprimento 38. O mesmo é conectado a um atuador 42 operável para mover de modo seletivo o elevador 40 para cima ou para baixo. O atuador 42 é retratado esquematicamente na Figura 1, com a compreensão que dispositivos tais como cilindros pneumáticos ou hidráulicos, atuadores elétricos lineares ou de parafusos de esfera e assim por diante podem ser usados para esse propósito. Quando o elevador 40 é abaixado, um suprimento de pó “P” de uma composição de liga desejada pode ser carregado no recipiente de suprimento 38. Quando o elevador 40 é elevado, o mesmo expõe o pó P acima da superfície de trabalho 12 para permitir que o aplicador 16 raspe o pó exposto na câmara de construção 18. Deve ser observado que o pó usado na tecnologia descrita no presente documento pode ser de qualquer material adequado para fabricação aditiva. Por exemplo, o pó pode ser um pó metálico, polimérico, orgânico ou cerâmico.

[016] A plataforma de construção 20 é uma estrutura tipo placa que é deslizável verticalmente na câmara de construção 18 abaixo da abertura 24. A plataforma de construção 20 é presa a um atuador 44 que é operável para mover de modo seletivo a plataforma de construção 20 para cima ou para baixo. O atuador 44 é retratado esquematicamente na Figura 1, com a compreensão que dispositivos tais como cilindros pneumáticos ou hidráulicos, atuadores elétricos lineares ou de parafusos de esfera e assim por diante podem ser usados para esse propósito.

[017] O recipiente de recuperação de pó 22 é subjacente e se comunica com a abertura de recuperação 28 e serve como um repositório para excesso de pó P.

[018] O módulo de construção 10 pode ser implantado em diferentes configurações. Por exemplo, o módulo de construção 100, nas Figuras 3 a 4, inclui uma superfície de trabalho 112, um suprimento de pó 114, um aplicador 116, uma primeira câmara de construção 118 que circunda uma primeira plataforma de construção 120, uma segunda câmara de construção 150 que circunda uma segunda plataforma de construção 152, um primeiro recipiente de recuperação de pó 122, e um segundo recipiente de recuperação de pó 154.

[019] A superfície de trabalho 112 é uma estrutura rígida e é coplanar com e define um plano de trabalho virtual. No exemplo ilustrado, a mesma inclui uma primeira abertura de câmara de construção 124 que se comunica com a câmara de construção 118, uma segunda abertura de câmara de construção 156 que se comunica com a câmara de construção 150, uma abertura de suprimento central 126 que se comunica com o suprimento de pó 114, uma primeira abertura de recuperação 128 que se comunica com o primeiro recipiente de recuperação de pó 122, e uma segunda abertura de recuperação 158 que se comunica com o segundo recipiente de recuperação de pó 154. O módulo 100 inclui uma parede periférica 130 que se estende além da superfície de trabalho 112 de modo a definir um espaço de trabalho 132. A superfície de trabalho 112 é cercada pela parede periférica 130 do módulo de construção 100. Opcionalmente, conforme mostrado na Figura 1, o espaço de trabalho 132 pode ser fechado por uma janela passível de abertura ou remoção 134 que é transparente para energia radiante, por exemplo, a janela 134 podería ser produzida a partir de vidro. Conforme discutido acima, dependendo da configuração desejada, a janela 134 pode ser eliminada.

[020] O aplicador 116 é uma estrutura lateralmente alongada e rígida que repousa sobre a superfície de trabalho 112 e é móvel no espaço de trabalho 132 posicionado acima da superfície de trabalho 112. O mesmo é conectado a um atuador 136 operável para mover de modo seletivo o aplicador 116 ao longo da superfície de trabalho 112. O atuador 136 é retratado esquematicamente na Figura 3, com a compreensão de que dispositivos tais como cilindros pneumáticos ou hidráulicos, atuadores elétricos lineares ou de parafusos de esfera e assim por diante, podem ser usados para esse propósito. O aplicador 116 opera de modo semelhante ao aplicador 16 exceto pelo fato de que o aplicador 116 se move para a direita a partir de um primeiro local de partida 88 para mover pó do suprimento de pó 114 para a câmara de construção 118 e se move para a esquerda a partir de um segundo local de partida 90 para mover pó do suprimento de pó 114 para a câmara de construção 150.

[021] O suprimento de pó 114 compreende um recipiente de suprimento 138 que é subjacente e se comunica com a abertura de suprimento 126 e um elevador 140. O elevador 140 é uma estrutura tipo placa que é deslizável verticalmente dentro do recipiente de suprimento 138. O mesmo é conectado a um atuador 142 operável para mover de modo seletivo o elevador 140 para cima ou para baixo. O atuador 142 é retratado esquematicamente na Figura 3, com a compreensão que dispositivos tais como cilindros pneumáticos ou hidráulicos, atuadores elétricos lineares ou de parafusos de esfera e assim por diante podem ser usados para esse propósito. Quando o elevador 140 é abaixado, um suprimento de pó “P” de uma composição de liga desejada pode ser carregado no recipiente de suprimento 138. Quando o elevador 140 é elevado, o mesmo expões o pó P acima da superfície de trabalho 112. Deve ser observado que o pó usado na tecnologia descrita no presente documento pode ser de qualquer material adequado para fabricação aditiva. Por exemplo, o pó pode ser um pó metálico, polimérico, orgânico ou cerâmico.

[022] As plataformas de construção 120 e 152 são estruturas tipo placa que são deslizáveis verticalmente em invólucros de construção 118 e 150, respectivamente, abaixo das aberturas 124 e 156. As plataformas de construção 120 e 152 são presas a atuadores 144 e 160 que são operáveis para mover de modo seletivo as plataformas de construção 120 e 152 para cima e para baixo. Os atuadores 144 e 160 são retratados esquematicamente na Figura 3, com a compreensão que dispositivos tais como cilindros pneumáticos ou hidráulicos, atuadores elétricos lineares ou de parafusos de esfera e assim por diante podem ser usados para esse propósito.

[023] Os recipientes de recuperação de pó 122 e 154 são subjacentes e se comunicam com aberturas de transbordamento 128 e 158, respectivamente, e servem como um repositório para excesso de pó P.

[024] O módulo de construção 10 e módulo de construção 100 podem incluir, cada um, uma respectiva porta de gás 62, 162 e uma respectiva porta de vácuo 64, 164 que se estende através da parede periférica 30, 130. As portas de gás 62, 162 permitem espaços de trabalho 32 e 132 serem purgados com um gás de proteção apropriado enquanto as portas de vácuo 64, 164 permitem que os espaços de trabalho 32 e 132 sejam limpos do pó solto contido no volume dos espaços de trabalho 32 e 132. Isso assegura que os espaços de trabalho 32 e 132 e as janelas 34 e 134 permaneçam limpas durante a operação.

[025] Conforme ilustrado nas Figuras 5 a 7, os módulos de construção 10 e 100 são configurados para produzir uma única peça ou um número limitado de peças em um pequeno pacote, de modo que os módulos de construção 10 e 100 possam ser facilmente elevados e colocados em uma transportadora 70 ou outro mecanismo de transporte adequado, o que permite, desse modo, que uma pluralidade de módulos de construção seja posicionada em uma linha de montagem para fabricar uma pluralidade de peças em sequência. Em operação, a transportadora 70 é usada para mover os módulos de construção para dentro de uma estação de trabalho 71. Conforme ilustrado na Figura 5, a estação de trabalho 71 pode ser definida como um local físico dentro da do sistema de fabricação aditiva geral. Na estação de trabalho 71, uma fonte de energia direcionada 72 posicionada acima da transportadora 70 pode ser usada para derreter pó P e formar uma peça 86.

[026] A fonte de energia direcionada 72 pode compreender qualquer dispositivo operável para gerar um feixe de potência adequada e outras características de operação para derreter e fundir o pó durante o processo de construção, descrito em mais detalhes abaixo. Por exemplo, a fonte de energia direcionada 72 pode ser um laser. Outras fontes de energia direcionada, tais como canhões de feixe de elétrons, são alternativas adequadas para um laser.

[027] Um aparelho de orientação de feixe 74 é usado para direcionar a fonte de energia e compreende um ou mais espelhos, prismas e/ou lentes e é dotado de atuadores adequados, e disposto de modo que um feixe “B” da fonte de energia direcionada 72 possa ser focado para um tamanho de ponto desejado e orientado para uma posição desejada em um plano X-Y coincidente com a superfície de trabalho 12, 112.

[028] Em casos em que as janelas 34 e 134 são empregadas, a estação de trabalho 71 pode ser uma área aberta, conforme visto nas Figuras 5 e 7. Isso é possível devido ao fato de que os módulos de construção 10, 100 são completamente encerrados e incluem as portas de gás e vácuo descritas acima.

[029] O sistema geral pode incluir um ou mais serviços centrais, tais como um sistema de ventilação central 78 para suprir gás de proteção e/ou ventilação forçada para proteger o processo de construção e purgar pó entranhado no invólucro de construção 76, um sistema de refrigeração central 79 para fornecer fluido refrigerante para a fonte de energia direcionada 72, e/ou um controlador central eletrônico 80 para fornecer controle para o processo de construção, por exemplo, acionando-se a fonte de energia direcionada 72 e várias funções da estação de trabalho 71 e/ou módulo de construção 10. Os serviços centrais 78, 79, 80 podem ser acoplados a múltiplas estações de trabalho 71 como parte de um sistema de produção geral. As conexões individuais a serviços centrais podem ser feitas manualmente ou com o uso de dispositivos de conexão automatizados quando os módulos de construção 10, 100 são movidos para o local adequado na estação de trabalho 71.

[030] Alternativamente, se os módulos de construção 10, 100 são empregados sem janelas 34, 134, a transportadora 70 pode ser usada para transportar os módulos de construção 10, 100 para dentro de uma estação de trabalho 71' que tem um invólucro de construção 76 que fornece um ambiente fechado. O invólucro de construção 76 pode incluir elementos de vedação 82, 84 (por exemplo, cortinas, abas ou portas) para permitir que os módulos de construção 10, 100 passem através dos mesmos e vedem o invólucro de construção 76 uma vez que o módulo de construção 10, 100 tenha entrado ou saído do invólucro de construção 76. Os serviços centrais descritos acima (por exemplo, sistema de ventilação central 78, sistema de refrigeração central 79, e/ou controlador central 80) seriam acoplados ao invólucro 76.

[031] Para propósitos de clareza, apenas o módulo de construção 10 será discutido abaixo. Deve ser observado que, apesar de o módulo de construção 100 ter uma configuração diferente daquela do módulo de construção 10, o processo de construção para o módulo de construção 100 é essencialmente o mesmo processo exceto para o movimento do aplicador 116 (que se move do centro para a direita e do centro para a esquerda, sendo que a posição central é uma posição de partida) e o fato de que mais do que uma câmara de construção é utilizada para formar peças múltiplas em um único módulo de construção.

[032] O processo de construção para uma peça 86 com o uso do módulo de construção 10 descrito acima é conforme segue. O módulo de construção 10 é preparado carregando-se o suprimento de pó 14 com pó P. Isso é feito abaixando-se o elevador 40 com o uso do atuador 42 até uma posição abaixo da superfície de trabalho 12 e carregando-se pó P suficiente sobre o elevador 40 para construir a peça 86. Uma vez que o módulo de construção 10 é preparado, o módulo de construção 10 é posicionado na transportadora 70 para o transporte para a fonte de energia direcionada 72. Devido ao fato de o módulo de construção 10 ser uma unidade autocontida e ser facilmente movido sobre e para fora da transportadora 70, múltiplos módulos de construção podem ser posicionados sobre a transportadora 70 para fornecer uma linha de montagem de módulos de construção.

[033] Uma vez que a transportadora 70 tenha transportado o módulo de construção 10 para a fonte de energia direcionada 72, Figuras 5 a 6, o processo de construção pode começar. Uma plataforma de construção 20 é movida para uma posição alta inicial. A posição alta inicial é localizada abaixo da superfície de trabalho 12 por um incremento de camada selecionado. O incremento de camada afeta a velocidade do processo de fabricação aditiva e a resolução da peça 86. Como um exemplo, o incremento de camada pode ter cerca de 10 a 50 micrômetros (0,0003 a 0,002 polegadas). Então, o pó “P” é depositado sobre a plataforma de construção 20. Por exemplo, o elevador 40 do recipiente de suprimento 38 pode ser elevado para empurrar o pó através da abertura de suprimento 26, que expõe o mesmo acima da superfície de trabalho 12. O aplicador 16 é movido através da superfície de trabalho 12 para espalhar o pó elevado P horizontalmente sobre a plataforma de construção 20. Qualquer excesso de pó P é empurrado ao longo da superfície de trabalho 12 e liberado dentro do recipiente de recuperação de pó 22 conforme o aplicador 16 passa da direita para a esquerda. Deve ser observado que a configuração do módulo de construção 10 pode ser invertida, isto é, trocando-se os locais do suprimento de pó 14 e do recipiente de recuperação de pó 22. Subsequentemente, o aplicador 16 pode ser retraído de volta para uma posição de partida.

[034] Para o módulo de construção 100, as plataformas de construção 120 e 152 são movidas para a posição alta inicial e o elevador 140 é elevado para empurrar o pó através das aberturas de suprimento 126. O aplicador 116 se move da primeira posição central 88 através da superfície de trabalho 112 para espalhar o pó P horizontalmente sobre a plataforma de construção 120 com excesso de pó P depositado no recipiente de recuperação de pó 122. O aplicador 116 é movido para a segunda posição central 90, o elevador 140 é elevado para empurrar o pó P através da abertura de suprimento 126, e o aplicador 116 se move através da superfície de trabalho 112 para espalhar o pó P sobre a plataforma de construção 152 com excesso de pó depositado no recipiente de recuperação de pó 154. O aplicador é movido de volta para a primeira posição central 88. As etapas descritas abaixo com relação à plataforma de construção 20 também se aplicam às plataformas de construção 120 e 152.

[035] A fonte de energia direcionada 72 é usada para derreter uma camada ou corte transversal bidimensional da peça 86 que está sendo construída. A fonte de energia direcionada 72 emite um feixe “B” e o aparelho de orientação de feixe 74 é usado para orientar o ponto focal “S” do feixe B ao longo da superfície de pó exposto em um padrão apropriado. A camada exposta do pó P é aquecida pelo feixe B até uma temperatura que permita que o mesmo derreta, flua e se consolide. Essa etapa pode ser chamada de fusão do pó P.

[036] A plataforma de construção 20 é movida verticalmente para baixo pelo incremento de camada, e outra camada de pó P é aplicada em uma espessura similar. A fonte de energia direcionada 72 novamente emite um feixe “B” e o aparelho de orientação de feixe 74 é usado para orientar o ponto focal S do feixe B ao longo da superfície de pó exposto em um padrão apropriado. A camada exposta do pó P é aquecida pelo feixe B até uma temperatura que permita que a mesma derreta, flua e se consolide tanto dentro da camada superior quanto com a camada previamente solidificada inferior.

[037] Esse ciclo de mover a plataforma de construção 20, aplicar o pó P e, então, derreter por energia direcionada o pó P é repetido até que toda a peça 86 esteja completa.

[038] Uma vez que a peça 86 esteja completa, a transportadora 70 move o módulo de construção 10 para longe da fonte de energia direcionada 72 para permitir que um usuário remova o módulo de construção 10 da transportadora 70, remova a peça 86 do módulo de construção 10 e prepare o módulo de construção 10 para construir outra peça 86. Deve ser observado que múltiplos módulos de construção podem ser colocados sobre a transportadora 70 de modo que, quando uma peça 86 estiver completa, a transportadora mova outro módulo de construção 10 para a posição para completar outra peça 86.

[039] Um módulo de construção alternativo é ilustrado na Figura 8 e mostrado, em geral, no número de referência 200. O módulo de construção 200 representa outra configuração de módulo de construção 10. O módulo de construção 200 inclui uma superfície de trabalho 212, uma câmara de construção 218 que circunda uma plataforma de construção 220, e um recipiente de recuperação de pó 222.

[040] Conforme discutido acima com relação ao módulo de construção 10, a superfície de trabalho 212 é uma estrutura rígida e é coplanar com e define um plano de trabalho virtual. No exemplo ilustrado, a mesma inclui uma abertura de câmara de construção 224 para se comunicar com a câmara de construção 218 e expor a plataforma de construção 220 e uma abertura de recuperação 228 que se comunica com o recipiente de recuperação de pó 222.

[041] A plataforma de construção 220 é uma estrutura tipo placa que é deslizável verticalmente na câmara de construção 218 abaixo da abertura 224. A plataforma de construção 220 é presa a um atuador 244 que é operável para mover de modo seletivo a plataforma de construção 220 para cima ou para baixo. O atuador 244 é retratado esquematicamente na Figura 8, com a compreensão que dispositivos tais como cilindros pneumáticos ou hidráulicos, atuadores elétricos lineares ou de parafusos de esfera e assim por diante podem ser usados para esse propósito.

[042] O recipiente de recuperação de pó 222 é subjacente e se comunica com a abertura de recuperação 228 e serve como um repositório para excesso de pó P.

[043] O módulo de construção 200 é projetado para trabalhar com um aparelho para fabricação aditiva 300, Figuras 8 e 9, que tem um invólucro de construção 310 e um prato giratório 370. O invólucro de construção 310 aloja um suprimento de pó 314, um aplicador 316, uma fonte de energia direcionada 372 e um aparelho de orientação de feixe 374. O invólucro de construção 310 encerra uma porção do prato giratório 370.

[044] O prato giratório 370 incorpora uma superfície de trabalho 312 que fornece uma estrutura rígida e é coplanar com a superfície de trabalho 212 para definir um plano de trabalho virtual. No exemplo ilustrado, o mesmo inclui uma pluralidade de aberturas de módulo de construção 392 separadas em torno do prato giratório 370 para permitir que um módulo de construção 200 seja posicionado por um usuário em cada uma das aberturas dentre a pluralidade de aberturas de módulo de construção 392. O prato giratório 370 pode ser girado com o uso de métodos conhecidos, tais como engrenagens, motores e outros métodos adequados.

[045] O suprimento de pó 314 compreende um recipiente de suprimento 338 na forma de um funil que tem um bocal estreito 394 para liberar pó P sobre a superfície de trabalho 312. Uma válvula de medição 396 é posicionada no bocal estreito 394 e é configurada para liberar uma quantidade predeterminada de pó P. A quantidade de pó P liberada pela válvula de medição 396 tem por base o tamanho da plataforma de construção 220 e um incremento de camada (descrito acima com referência ao módulo de construção 10) usado durante um processo de construção.

[046] O aplicador 316 é uma estrutura rígida alongada lateralmente que repousa sobre e atravessa as superfícies de trabalho 212 e 312. O mesmo é conectado a um atuador 336 operável para mover de modo seletivo o aplicador 316 ao longo das superfícies de trabalho. O atuador 336 é retratado esquematicamente na Figura 8, com a compreensão que dispositivos tais como cilindros pneumáticos ou hidráulicos, atuadores elétricos lineares ou de parafusos de esfera e assim por diante, podem ser usados para esse propósito. Conforme retratado, o aplicador 316 se move da esquerda para a direita para mover o pó do suprimento de pó 314 para a câmara de construção 218 com excesso de pó sendo movido para o recipiente de recuperação de pó 222. Deve ser observado que a configuração do suprimento de pó 314, fonte de energia direcionada 372, câmara de construção 218 e recipiente de recuperação de pó 222 podem ser invertidos e o aplicador 316 pode se mover da direita para a esquerda para suprir pó do suprimento de pó 314 para a câmara de construção 218.

[047] A fonte de energia direcionada 372 pode compreender qualquer dispositivo conhecido que seja operável para gerar um feixe de potência adequada e outras características de operação para derreter e fundir o pó durante o processo de construção, descrito em mais detalhes abaixo. Por exemplo, a fonte de energia direcionada 372 pode ser um laser. Outras fontes de energia direcionada, tais como canhões de feixe de elétrons, são alternativas adequadas para um laser. O aparelho de orientação de feixe 374 é usado para direcionar a fonte de energia e compreende um ou mais espelhos, prismas e/ou lentes e é dotado de atuadores adequados, e disposto de modo que um feixe “B” da fonte de energia direcionada 372 possa ser focado para um tamanho de ponto desejado e orientado para uma posição desejada em um plano X-Y coincidente com a superfície de trabalho 212, 312.

[048] O processo de construção para uma peça 186 começa posicionando-se um módulo de construção 200 dentro de uma dentre a pluralidade de aberturas de módulo de construção 392. Os múltiplos módulos de construção podem ser posicionados sobre o prato giratório 370 posicionando-se um módulo de construção 200 em cada abertura de módulo de construção 392. Conforme ilustrado, o prato giratório 370 inclui oito aberturas de módulo de construção 392. Deve ser observado que o número de aberturas de módulo de construção pode ser alterado com base no tamanho e na aplicação do prato giratório 370.

[049] Com o módulo de construção 200 posicionado na abertura de módulo de construção 392, o prato giratório 370 é girado para posicionar o módulo de construção 200 em uma posição de construção, Figura 8, de modo a permitir que o aplicador 316, o suprimento de pó 314 e a fonte de energia direcionada 372 formem a peça 186. Conforme discutido acima, a plataforma de construção 220 é movida para uma posição alta inicial. A posição alta inicial é localizada abaixo da superfície de trabalho 212 por um incremento de camada selecionado. A válvula de medição 396 do suprimento de pó 314 é atuada para liberar uma quantidade predeterminada de pó P do suprimento de pó 314 sobre a superfície de trabalho 312. O aplicador 316 é movido através da superfície de trabalho 312 e da superfície de trabalho 212 para espalhar o pó elevado P horizontalmente sobre a plataforma de construção 220. Oualquer excesso de pó P é empurrado ao longo da superfície de trabalho 212 e liberado dentro do recipiente de recuperação de pó 222. O aplicador 316 pode ser movido de volta para sua posição inicial.

[050] A fonte de energia direcionada 372 é usada para derreter uma camada ou corte transversal bidimensional da peça 186 que está sendo construída. A fonte de energia direcionada 372 emite um feixe “B” e o aparelho de orientação de feixe 374 é usado para orientar o ponto focal “S” do feixe B ao longo da superfície de pó exposto em um padrão apropriado. A camada exposta do pó P é aquecida pelo feixe B até uma temperatura que permita que o mesmo derreta, flua e se consolide. Essa etapa pode ser chamada de fusão do pó P.

[051] A plataforma de construção 220 é movida verticalmente para baixo pelo incremento de camada, e outra camada de pó P é aplicada em uma espessura similar. A fonte de energia direcionada 372 novamente emite um feixe “B” e o aparelho de orientação de feixe 374 é usado para orientar o ponto focal S do feixe B ao longo da superfície de pó exposto em um padrão apropriado. A camada exposta do pó P é aquecida pelo feixe B até uma temperatura que permita que a mesma derreta, flua e se consolide tanto dentro da camada superior quanto com a camada previamente solidificada inferior.

[052] Esse ciclo de mover a plataforma de construção 220, aplicar o pó P e, então, derreter por energia direcionada o pó P é repetido até que toda a peça 186 esteja completa.

[053] Uma vez que a peça 186 esteja completa, o prato giratório 370 gira para mover o módulo de construção 200 para longe da fonte de energia direcionada 372 para permitir que um usuário remova o módulo de construção 200 do prato giratório 370 e substitua o mesmo por outro módulo de construção 200. A peça 186 é removida do módulo de construção 200 e o módulo de construção 200 pode ser preparado para construir outra peça 186.

Deve ser observado que múltiplos módulos de construção podem ser colocados sobre o prato giratório 370 de modo que, quando uma peça 186 estiver completa, o prato giratório 370 gire outro módulo de construção 200 para a posição para completar outra peça 186.

[054] O aparelho e método para fabricação aditiva descritos acima têm diversas vantagens em relação à técnica anterior. São compatíveis com um sistema de manuseio de pó fechado, eliminam a necessidade de um reservatório de pó aberto grande para fazer múltiplas peças e economizam trabalho significativo no manuseio de excesso de pó depois de um ciclo de construção.

[055] O antecedente descreveu um aparelho e método para fabricação aditiva. Todas as funções reveladas neste relatório descritivo (incluindo quaisquer reivindicações, resumo e figuras anexas) e/ou todas as etapas de qualquer método ou processo aqui revelado podem ser combinadas em qualquer combinação, exceto em combinações em que pelo menos algumas dentre tais funções e/ou etapas sejam mutuamente exclusivas.

[056] Cada função revelada neste relatório descritivo (incluindo quaisquer reivindicações, resumo e figuras anexas) pode ser substituída por funções alternativas que satisfaçam um mesmo propósito ou um propósito equivalente ou semelhante, a menos que seja expressamente indicado de outro modo. Portanto, a menos que seja expressamente indicado de outro modo, cada função revelada é apenas um exemplo de uma série genérica de funções equivalentes ou semelhantes.

[057] A invenção não se restringe aos detalhes da(s) realização(ões) antecedente(s). A invenção se estende a quaisquer funções inovadoras ou qualquer combinação inovadoras das funções reveladas neste relatório descritivo (incluindo quaisquer reivindicações, resumo e desenhos anexas), ou a quaisquer etapas inovadoras ou qualquer combinação inovadora das etapas de qualquer método ou processo aqui revelado.

Lista de Componentes módulo de construção 10 superfície de trabalho 12 suprimento de pó 14 aplicador 16 câmara de construção 18 plataforma de construção 20 recipiente de recuperação de pó 22 abertura de câmara de construção 24 abertura de suprimento 26 abertura de recuperação 28 parede periférica 30 espaço de trabalho 32 janela 34 atuador 36 recipiente de suprimento 38 elevador 40 atuador 42 atuador 44 porta de gás 62 porta de vácuo 64 transportadora 70 estação de trabalho 71 estação de trabalho 71 ’ fonte de energia direcionada 72 aparelho de orientação de feixe 74 sistema de ventilação central 78 sistema de resfriamento central 79 controlador central eletrônico 80 elemento de vedação 82 elemento de vedação 84 peça 86 primeiro local de partida 88 segundo local de partida 90 módulo de construção 100 superfície de trabalho 112 suprimento de pó 114 aplicador 116 primeira câmara de construção 118 primeira plataforma de construção 120 primeiro recipiente de recuperação de pó 122 primeira abertura de câmara de construção 124 abertura de suprimento central 126 primeira abertura de recuperação 128 parede periférica 130 espaço de trabalho 132 janela 134 atuador 136 recipiente de suprimento 138 elevador 140 atuador 142 atuador 144 segunda câmara de construção 150 segunda plataforma de construção 152 segundo recipiente de recuperação de pó 154 segunda abertura de câmara de construção 156 segunda abertura de recuperação 158 atuador 160 porta de gás 162 porta de vácuo 164 peça 186 módulo de construção 200 superfície de trabalho 212 câmara de construção 218 plataforma de construção 220 recipiente de recuperação de pó 222 abertura de câmara de construção 224 abertura de recuperação 228 atuador 244 aparelho de fabricação aditiva 300 invólucro de construção 310 superfície de trabalho 312 suprimento de pó 314 aplicador 316 aplicador 316 atuador 336 recipiente de suprimento 338 prato giratório 370 fonte de energia direcionada 372 aparelho de orientação de feixe 374 aberturas de módulo de construção 392 bocal estreito 394 válvula de medição 396 Reivindicações

Claims

1. APARELHO PARA FABRICAÇÃO ADITIVA, caracterizado pelo fato de que compreende: um módulo de construção que compreende uma câmara de construção e pelo menos um, mas menos do que todos, dentre os seguintes elementos: (a) uma fonte de energia direcionada; (b) um suprimento de pó; (c) um recipiente de recuperação de pó; e (d) um aplicador de pó; e uma estação de trabalho que compreende o restante dos elementos (a) a (d) não incluídos no módulo de construção.

2. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um mecanismo de transporte configurado para mover o módulo de construção para dentro e para fora da estação de trabalho.

3. APARELHO, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o mecanismo de transporte é uma transportadora.

4. APARELHO, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que: a estação de trabalho compreende um invólucro dimensionado para encerrar um ou mais módulos de construção; e o mecanismo de transporte compreende um prato disposto parcialmente dentro do invólucro e que define uma superfície de trabalho configurada para receber o módulo de construção na mesma.

5. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que ou o módulo de construção ou a estação de trabalho inclui uma superfície de trabalho plana que inclui uma abertura de câmara de construção que se comunica com a câmara de construção.

6. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o módulo de construção inclui: uma superfície de trabalho plana que tem uma abertura de câmara de construção que se comunica com a câmara de construção; uma parede periférica que se estende além da superfície de trabalho oposta à câmara de construção para definir um espaço de trabalho; e uma janela transparente para energia radiante que atravessa a parede periférica para fechar o espaço de trabalho.

7. APARELHO, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a estação de trabalho compreende um invólucro dimensionado para encerrar um dentre os módulos de construção, sendo que o invólucro inclui uma ou mais vedações configuradas para permitir que um módulo de construção passe através das mesmas.

8. APARELHO PARA FABRICAÇÃO ADITIVA, caracterizado pelo fato de que compreende: uma pluralidade de estações de trabalho e módulos de construção, conforme definido na reivindicação 1; e um controlador central eletrônico conectado de modo operacional a cada uma das estações de trabalho.

9. APARELHO PARA FABRICAÇÃO ADITIVA, caracterizado pelo fato de que compreende: uma pluralidade de estações de trabalho e módulos de construção, conforme definido na reivindicação 1; e um suprimento de gás de proteção central acoplado a cada uma das estações de trabalho.

10. APARELHO PARA FABRICAÇÃO ADITIVA, caracterizado pelo fato de que compreende: uma pluralidade de estações de trabalho e módulos de construção, conforme definido na reivindicação 1; e um suprimento de fluido refrigerante central acoplado a cada uma das estações de trabalho.

11. APARELHO PARA FABRICAÇÃO ADITIVA, caracterizado pelo fato de que compreende: uma pluralidade de estações de trabalho e módulos de construção, conforme definido na reivindicação 1; e um sistema de ventilação central acoplado a cada uma das estações de trabalho.

12. APARELHO PARA FABRICAÇÃO ADITIVA, caracterizado pelo fato de que compreende: uma estação de trabalho que inclui uma fonte de energia direcionada; um módulo de construção que compreende: uma primeira câmara de construção; e uma parede periférica que se estende além da superfície de trabalho oposta à primeira câmara de construção para definir um espaço de trabalho; e um mecanismo de transporte operável para mover o módulo de construção para dentro e para fora da estação de trabalho.

13. APARELHO, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que o módulo de construção inclui uma superfície de trabalho plana com uma primeira abertura de câmara de construção que se comunica com a primeira câmara de construção.

14. APARELHO, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que cada módulo inclui uma janela transparente para energia radiante que atravessa a parede periférica para fechar o espaço de trabalho.

15. APARELHO, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a estação de trabalho compreende um invólucro dimensionado para encerrar um dentre os módulos de construção, sendo que o invólucro inclui uma ou mais vedações configuradas para permitir que um módulo de construção passe através das mesmas.

16. APARELHO, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que o mecanismo de transporte é uma transportadora.

17. APARELHO, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que: a estação de trabalho compreende um invólucro dimensionado para encerrar um ou mais dos módulos de construção; e o mecanismo de transporte compreende um prato disposto parcialmente dentro do invólucro e que define uma superfície de trabalho configurada para receber o módulo de construção na mesma.

18. APARELHO, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que o invólucro contém um suprimento de pó configurado para liberar pó sobre a superfície de trabalho.

19. MÓDULO DE CONSTRUÇÃO, conforme definido na reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um aplicador de pó móvel disposto no espaço de trabalho e que está em contato com a superfície de trabalho.

20. MÉTODO PARA FABRICAÇÃO ADITIVA, caracterizado pelo fato de que compreende: mover um módulo de construção que tem uma câmara de construção dentro de uma estação de trabalho; depositar pó sobre uma plataforma de construção que é disposta na câmara de construção; direcionar um feixe a partir de uma fonte de energia direcionada para fundir o pó; mover a plataforma verticalmente para baixo dentro da câmara de construção por um incremento de camada de pó; e repetir em um ciclo as etapas de depositar, direcionar e mover para construir a peça de um modo de camada em camada até que a peça esteja completa.

21. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: mover o módulo de construção para fora da estação de trabalho; mover outro módulo de construção que tem uma câmara de construção para dentro da estação de trabalho; realizar em um ciclo as etapas de depositar, direcionar e mover para construir uma peça subsequente de um modo de camada em camada até que a peça subsequente esteja completa.

22. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato de que os módulos de construção são movidos para dentro e para fora da estação de trabalho com o uso de uma transportadora.

23. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato de que os módulos de construção são movidos para dentro e para fora da estação de trabalho com o uso de um prato.

24. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: fornecer uma pluralidade de estações de trabalho; e controlar a operação da pluralidade de estações de trabalho com o uso de um controlador central eletrônico.

25. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: fornecer uma pluralidade de estações de trabalho; e resfriar uma fonte de energia direcionada de cada estação de trabalho com o uso de um sistema de refrigeração central.

26. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: fornecer uma pluralidade de estações de trabalho; e fornecer gás de proteção para a pluralidade de estações de trabalho com o uso de um sistema de suprimento de gás central.

27. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: fornecer uma pluralidade de estações de trabalho; e fornecer ventilação à pluralidade de estações de trabalho com o uso de um sistema de ventilação central.