CN101410208B - 粉末施加系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在制造三维物体的设备中的工作区(3)上供给和分配粉末的粉末施加系统(1)，所述系统(1)包括适于容纳粉末供应(2)的粉末存贮单元，还包括分配件(6)，其设置成可横跨工作区(3)移动以将部分粉末分配到工作区(3)上。本发明的特征在于，在第一步中，分配件(6)被设置成可移动到放置于粉末存贮单元(11)中的粉末供应(2)中预定距离，所述距离足够长以将来自于所述分配件一侧处的粉末供应(2)的部分粉末输送到分配件(6)的面向工作区(3)的另一侧，并且在第二步中，所述分配件(6)被设置成可朝向并横跨工作区(3)移动以将部分粉末分配到所述工作区(3)上。

Description

粉末施加系统
技术领域
本发明涉及一种粉末施加系统，用于在利用可通过电磁辐射或电子束照射而被固化的粉末材料逐层制造三维物体的设备中将粉末供给和分配到工作区上。
背景技术
使用可通过电磁辐射或电子束照射而被固化的粉末材料逐层制造三维物体的设备从例如US4863538、US5647931和SE524467中可知。这样的设备包括如粉末供应、用来将一层粉末施加在工作区上的装置和引导射束到工作区域上的装置。粉末随射束在工作区上移动而烧结或熔化并固化。出于产品质量原因的考虑，粉末在工作区上均匀分布以及粉末层厚度明确并符合预定值是非常重要的。而且，为保持尽可能高的生产速度而使得粉末层被快速施加是非常有利的。
传统的粉末施加装置通常包括供给件和分配件，其中供给件将来自于粉末供应的一定量粉末传送到分配件，分配件又在工作区上分配粉末。
粉末施加装置工作的条件是恶劣的；温度高，粉末颗粒从开口和狭缝中找到出路，蒸发后的粉末材料冷凝并形成涂层等等。这会产生以下问题，即，轴、铰链和其他可动部件(尤其是供给件)塞住会引起更糟的机械性能。除了生产中断，它还会在为分配件供给正确粉末量方面产生问题，由此导致不均匀的粉末分布。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于制造三维物体的设备的改进粉末施加系统。该目的分别通过包含在权利要求1、8和9中的技术特征而实现。独立权利要求包含优选实施方式，还包括本发明的进一步发展和变型。
本发明涉及一种用于在制造三维物体的设备中的工作区上供给和分配粉末的粉末施加系统，所述系统包括适于容纳粉末供应的粉末存贮单元，还包括分配件，其设置成可横跨工作区移动以将部分粉末分配到工作区上。本发明特征在于，在第一步中，分配件被设置成可移动到放置于粉末存贮单元中的粉末供应中预定距离，所述距离足够长以将来自于分配件一侧处的粉末供应的部分粉末输送到分配件的面向工作区的另一侧，且在第二步中，分配件被设置成可朝向并横跨工作区移动以将部分粉末分配到工作区上。
因此，根据本发明的分配件同时用作供给件和分配件，这使得不需要另外的移动部将粉末供给到分配件。这种设计的优点是它使得系统机械结构简单并且比传统系统更可靠。
在本发明的第一优选实施例中，粉末存贮单元以开放方式设置，使得放置于粉末存贮单元中的粉末在粉末供应面向工作区的一侧形成静止角。因为这样的粉末供应提供了还可以相同方式再次成形的明确形状，因此这种设计能够仅通过控制分配件的移动，即，通过设定分配件移动到粉末存贮单元中并进而移动到粉末供应中的距离，就可以获得部分粉末的明确尺寸。这是一种为分配件输送正确粉末量的简单、可靠方法。
本发明还涉及一种使用可通过电磁辐射或电子束照射而固化的粉末材料逐层制造三维物体的设备，其特征在于，所述设备包括该有创造性的粉末施加系统。
本发明还涉及一种在用于制造三维物体的设备中在工作区上施加粉末的方法，所述方法包括下列步骤：将来自于粉末供应的部分粉末传送至分配件，以及使得分配件横跨工作区移动以将部分粉末分配到工作区上。该有创造性的方法特征在于，该方法包括第一步，使得分配件移动到在粉末供应中预定距离，以使得来自于分配件一侧处的粉末供应的部分粉末输送到分配件的面向工作区的另一侧，和第二步，使得分配件朝向并横跨工作区移动以将部分粉末分配到工作区上。
附图说明
在以下给出的本发明描述中参考下面附图，在附图中：
图1以示意性立体图的形式示出本发明的第一优选实施例；以及
图2A-2D以示意性立体截面图的形式示出本发明第一优选实施例的功能。
具体实施方式
图1和图2示出了本发明第一优选实施例的部件和功能。如这些图所示，粉末施加系统1设置在基本平坦的工作台5上并且包括对称设置于工作区3的相对侧部上的两个粉末存贮单元11，工作区域3位于可竖直调节的平台4的顶部上，该平台4安装在工作台5的切口部分中。每个粉末存贮单元11适于容纳粉末供应源(powdersupply)2(见图2A)。采用横截面为三角形的斜块形式的分配件6沿工作区3延伸，并借助于导轨(未示出)被设置成可在垂直于其延伸方向的方向上横跨工作区3移动。
照射源(未示出)优选设置在工作区3上方一定距离处，该工作区3作为用于固化粉末的电磁辐射或电子束的目标区。
每一个粉末存贮单元11连同其相应的粉末供应2一起在基本平行于斜块6的方向上沿工作区3的一侧延伸。壁8a、8b和端壁(未示出)限定了粉末存贮单元11的部分并将粉末供应保持在适当位置中。通过使面向工作区3的壁8a终止于工作台5上方的一定距离处而将粉末存贮单元11设置成开放方式。这具有以下效果，即，使得粉末供应2的一部分是自由的以在粉末供应2的面向工作区3的一侧上形成静止角α。在图2A中这部分粉末供应2由虚线表示出来并标注为2b。粉末存贮单元11从上方被填充或补充。在图2A-2D中示出了装有粉末的粉末存贮单元11。
下面将描述粉末施加系统1的功能。图2A-2D涉及关于三维物体的制造的初始状态，即，平台4被调整到稍微低于工作台5水平面的位置，从而有助于将第一层粉末施加在工作区3上。图2A示出了位于第一位置中的斜块6，在该位置斜块6朝向粉末供应2向右移动。在图2B中，斜块6已经到达进入粉末供应2中预定距离的第二位置，即，进入粉末存贮单元11中预定距离。在此位置，粉末的特定部分已由于重力而从粉末供应2到斜块6的面向工作区3的侧部掠过斜块6。图2C示出了斜块6处于与图2A相似的位置中，但在这种情况下，斜块6向左运动以将部分粉末推向工作区3。在图2D中，斜块6在已经横穿现在其上已施加有第一粉末层10的工作区3之后位于第四位置中。在该点处，第一层10可以通过照射装置被固化。
优选地，斜块6设有至少一个柔性带(未示出)，其沿斜块6的下侧延伸并当斜块6横穿工作区3移动时轻压在工作区3上。这样的柔性带使得比较容易实现均匀层10。而且，这个特征使得粉末施加系统1不易受由例如烧结表面中的不规则部而导致的工作区3与斜块6下侧之间距离变化的影响。这样的带例如可以由薄金属板制成。
另外，系统1包括活板门9，其可被打开以清除杂质，如成团的粉末颗粒或者来自工作台5的多余粉末。活板门9在需要时可人工打开或可被控制成以一定时间间隔自动打开。
将要流过分配件6的粉末量，即，待施加到工作区3上的部分粉末的尺寸，一般取决于分配件6移动至粉末供应2中的距离；分配件6的速度、形状和表面性能；粉末存贮单元11的设计；以及粉末的类型。粉末类型影响粉末的流动性能，粉末的流动性能影响静止角α的大小和实际流过分配件6的粉末量两者。
“形成静止角”一词指的是，粉末供应2中至少在特定区域2b中边界是这样的，即，使得粉末形成一定形状，这通常取决于所述粉末的内摩擦力。通过将粉末存贮单元11设置成至少部分开放的方式，使得粉末可形成这样的静止角。在最简单的形式中，粉末存贮单元11仅是粉末供应2可设于其上的区域。但是，为了将粉末供应2保持在适当位置中并且有助于粉末供应的补充和静止角的重新形成，粉末存贮单元11优选地包括限制件，例如壁8a、8b。
静止角α取决于粉末性质，例如材料类型、尺寸分布和颗粒形状。粉末供应2中形成静止角α的部分2b的形状和位置，以及(可能的)角α本身可受例如改变粉末存贮装置11的设计而影响，该改变设计通过改变壁8a、8b之间的距离和/或改变工作台5与面向工作区3的壁8a之间的距离而实现。
每一层所需要的粉末量，即，待施加到工作区3之上的粉末部分的所需尺寸，例如取决于待制造的物体的尺寸。为确定粉末部分的所需尺寸，对于给定粉末和给定分配件，可以进行少量测试同时通过改变相对于壁8a的高度而调整粉末供应2的位置，和/或调整平台4与分配件6的端部位置(见图2B)之间的距离，所述端部位置与分配件6移动到粉末供应2中的距离有关。如果要使用另一种类型的粉末，则这种简单的测试过程可以被重复。
粉末部分的尺寸不要太小是重要的，这是因为这会导致非均匀的层厚。尽管根据本发明的粉末施加系统1不易受过大粉末部分的影响，但另一方面，如果粉末部分太大的话可导致难以施加均匀层。优选地，每一次均选择比所需稍微大些的粉末量。因为i)该系统仅包括一个移动部分，即分配件6，ii)该可移动部分比较容易完全控制，以及iii)形成静止角α的粉末供应2的形状以同样的方式重新形成，根据本发明的粉末施加系统1每次均能选择非常接近相同尺寸的粉末部分。
根据本发明的粉末施加系统非常适于各种金属、塑料、陶瓷或其他粉末材料。在上下文中术语“粉末”应该针对存在于粉末中的颗粒的尺寸或尺寸分布方面给出一个广义的解释。该有创造性的系统可用于大多数颗粒尺寸分布；典型的颗粒尺寸可为约10-100μm，但颗粒可比该范围小或大至少一个数量级。
图1和图2中所示的优选实施例中的分配件6的横截面为三角形。但是，各种截面形状都可以。通常，面向粉末供应2的一侧应适于适当地移动到粉末供应2中，而面向工作区3的一侧应适于适当地推动并分配粉末，并且上侧部应该适于在分配件6位于图2B所示的位置中时适当地将粉末从一侧传递到另一侧。例如，分配件6可设有一个或多个粉末通道，该通道从一侧到另一侧穿过元件6，因此当从粉末供应2传送到分配件6的另一边时，粉末不必在整个元件6上方经过。在使用两个粉末供应2的情况下，如上述实施例中，元件6优选为对称的。但是，如果使用两种不同类型的粉末，即，每一个粉末供应2中使用一种类型，则分配件6可为非对称的。三角形截面的优点在于只有少量粉末停留在分配件6的顶部上，而对于例如矩形截面的情况就不是这样了。
优选地，分配件6由控制单元(未示出)控制，该控制单元还适用于控制例如用来照射粉末材料的射束和平台4的竖直位置。
本发明不局限于上述实施例，而是许多改变都可在权利要求的范围之内。例如，可使用两套粉末供应2和分配件6，这样两个分配件6一次一个地基本相互垂直地穿过工作区3移动。

Claims (13)

1.一种用于在制造三维物体的设备中的工作区(3)上供给和分配粉末的粉末施加系统(1)，所述系统(1)包括设置在基本平坦的工作台上且适于容纳粉末供应(2)的粉末存贮单元(11)，还包括分配件(6)，其设置成可横跨工作区(3)移动以将部分粉末分配到工作区(3)上，所述粉末存贮单元的面向工作区的壁终止于工作台上方的一定距离处，
其特征在于，
在第一步中，所述分配件(6)被设置成可移动到放置于所述粉末存贮单元(11)中的粉末供应(2)中预定距离，所述距离足够长以将来自于所述分配件一侧处的粉末供应(2)的部分粉末输送到分配件(6)的面向工作区(3)的另一侧，并且
在第二步中，所述分配件(6)被设置成可朝向并横跨工作区(3)移动以将所述部分粉末分配到所述工作区(3)上。
2.根据权利要求1所述的粉末施加系统(1)，
其特征在于，
所述粉末存贮单元(11)以开放方式设置，使得放置于粉末存贮单元(11)中的粉末在粉末供应(2)的面向工作区(3)的侧部(2b)上形成静止角(α)。
3.根据权利要求1所述的粉末施加系统(1)，
其特征在于，
所述粉末存贮单元(11)沿工作区(3)的一侧延伸。
4.根据权利要求2所述的粉末施加系统(1)，
其特征在于，
所述粉末存贮单元(11)沿工作区(3)的一侧延伸。
5.根据权利要求3或4所述的粉末施加系统(1)，
其特征在于，
所述分配件(6)基本平行于所述粉末存贮单元(11)延伸。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的粉末施加系统(1)，
其特征在于，
所述工作区(3)位于可竖直调节的平台(4)上。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的粉末施加系统(1)，
其特征在于，
所述系统(1)包括布置于工作区(3)的相对侧上的两个粉末存贮单元(11)。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的粉末施加系统(1)，
其特征在于，
所述分配件(6)具有三角形横截面。
9.一种使用可通过电磁辐射或电子束照射而固化的粉末材料逐层制造三维物体的设备，
其特征在于，
所述设备包括根据权利要求1至8中任一项所述的粉末施加系统(1)。
10.一种用于在用于制造三维物体的设备中的工作区(3)上施加粉末的方法，所述方法包括下列步骤：将来自于粉末供应(2)的部分粉末传送至分配件(6)，以及使得分配件(6)横跨工作区(3)移动以将部分粉末分配到工作区(3)上，
其特征在于，
该方法包括：
第一步，使得分配件(6)移动到在粉末供应(2)中预定距离，以使得来自于分配件(6)一侧处的粉末供应(2)的部分粉末输送到分配件(6)的面向工作区(3)的另一侧，和第二步，使得分配件(6)朝向并横跨工作区(3)移动以将部分粉末分配到工作区(3)上。
11.根据权利要求10所述的方法，
其特征在于，
所述粉末供应(2)以开放方式设置，使得粉末在所述粉末供应(2)的面向工作区(3)的侧部上形成静止角(α)。
12.根据权利要求10或11所述的方法，
其特征在于，
所述粉末供应(2)沿所述工作区(3)的一侧延伸。
13.根据权利要求12所述的方法，
其特征在于，
所述分配件(6)基本平行地沿所述粉末供应(2)延伸。
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