CN106079432B - 添加制造设备及方法 - Google Patents

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Abstract

一种添加制造设备(10)，包括：构造封壳(18)，其具有限定平面工作表面的上平台(42)和从上平台(42)向下延伸的内侧壁(48)，内侧壁(48)限定构造室(46)；与内侧壁(48)密封接合且构造成沿内侧壁(48)竖直移动的促动器(66)；以及可释放地装固至促动器(66)的构造平台(20)。

Description

添加制造设备及方法
技术领域
本发明大体上涉及添加制造设备，且更具体地涉及用于添加制造的构造封壳(build enclosure)。
背景技术
"添加制造"是本文中用于描述工艺的用语，该工艺涉及逐层构建或添加制造(与关于常规加工过程的材料除去相反)。此过程还可称为"快速制造过程"。添加制造工艺包括但不限于：直接金属激光熔化(DMLM)、激光近净成形制造(LNSM)、电子束烧结、选择性激光烧结(SLS)、3D打印(诸如喷墨和激光打印)、立体光刻(SLA)、电子束熔化(EBM)、激光工程近净成形(LENS)，以及直接金属沉积(DMD)。
目前，粉末床技术已展示了现有技术的添加制造技术的最佳解决能力。然而，由于构造需要在粉末床中进行，故常规机器使用大量驻留粉末，例如，粉末负载可超过130kg(300lb)。在考虑使用许多机器的工厂环境时，这是很昂贵的。并未直接熔化到零件中而是储存在相邻粉末床中的粉末是成问题的，因为其将重量加至升降机系统，使密封件和室压力问题复杂化，不利于零件构成的结束时的零件取得，且在对于大型构件考虑的当前的大床系统中变得不可处理。
此外，当前可用的添加制造系统针对原型设计和非常低体积的制造。较大差异可从零件到零件存在。当前系统的一些元件由于重量而处理麻烦，且可需要过多的人工的亲手相互作用。
因此，仍需要一种可以以一致的质量产生高体积的零件的添加制造设备和方法。
发明内容
该需求通过本发明解决，本发明提供了一种添加制造设备，其具有包围促动器的构造室，其中构造平台可释放地装固到其上。构造平台可与促动器分开，以允许多余粉末的除去和/或完成的零件的除去。
根据本发明的一个方面，{该段将在权利要求核准之后完成}。
附图说明
本发明可连同附图参照以下描述来最佳地理解，在附图中：
图1为根据本发明的方面构成的添加制造设备的示意图；
图2为处于就坐位置的图1的添加制造设备的构造封壳的截面视图；
图3为处于未就坐位置的构造封壳的截面视图；
图4为具有备选的构造平台分离机构的构造封壳的截面视图；
图5为备选的构造平台的底部平面视图；
图6为沿图5中的线6-6截取的视图；以及
图7为图5中的构造平台的一部分的截面视图，其中升降销接合在槽口中。
图解
10 添加制造设备
12 台
14 粉末供应源
16 施加器
18 构造封壳
20 构造平台
20' 构造平台
22 定向能源
24 射束操纵设备
26 粉末回收容器
28 平面工作表面
30 开口
32 促动器
34 供应容器
36 供应开口
38 升降机
40 促动器
42 上平台
44 上开口
46 构造室
48 内侧壁
50 平面工作表面
52 下开口
54 外侧壁
56 室加热器
58 零件
60 上紧固件
62 下紧固件
64 室安装件
66 促动器
68 紧固器件
70 上磁铁
72 下磁铁
74 密封件
76 真空室
78 倒角的内表面
80 倒角的外表面
82 平台升降器
84 升降销
84' 升降销
84'' 升降销
86 弹簧
86 弹簧
88 固定套筒
90 滑动套筒
91 侧向凸起
92 升降固持件
94 开口
96 真空泵
98 除去未使用的粉末孔口
100 粉末收集凹部
102 室振动器
104 键孔槽口
106 下表面
108 放大的头部。
具体实施方式
参看附图，其中相同的参考标号贯穿各种视图表示相同元件，图1-3示出了用于执行本发明的制造方法的添加制造设备10。基本构件为台12、粉末供应源14、施加器(applicator)16、包绕构造平台20的构造封壳18、定向能量源22、射束操纵设备24和粉末回收容器26。这些构件中的每一个将在下文中更详细描述。
台12为提供平面工作表面28的刚性结构。工作表面28与虚拟工作平面共面且限定其。在所示实例中，工作表面28包括用于将构造封壳18收纳在其中的开口30。
施加器16为位于工作表面28上的刚性侧向伸长的结构。施加器16连接到促动器32上，促动器32可操作成使施加器16沿工作表面28有选择地移动。促动器32在图1中示意性地绘出，其中应理解诸如气动或液压缸、滚珠螺杆或线性电促动器等装置可用于此目的。
粉末供应源14包括供应容器34，其下覆供应开口36且与其连通，以及升降机38。升降机38为板状结构，其在供应容器34内可竖直地滑动。升降机38连接到促动器40上，促动器40可操作成使升降机38有选择地向上或向下移动。促动器40在图1中示意性地绘出，其中应理解诸如气动或液压缸、滚珠螺杆或线性电促动器等装置可用于此目的。当升降机38降低时，期望的合金成分的粉末"P"的供应源可载入供应容器34中。当升高升降机38时，其露出工作表面28上方的粉末P。应当认识到的是，用于本发明中的粉末可为用于添加制造的任何适合的材料。例如，粉末可为金属、聚合物、有机物或陶瓷粉末。
构造封壳18定位在开口30中，且包括限定构造室46的上开口44的上平台42，以及从上平台42向下延伸的内侧壁48。上平台42提供平面工作表面50，其与工作表面28基本齐平，以允许施加器将粉末推到上平台42上和构造室46中。侧壁48限定构造室46和下开口52。如图所示，构造室46从下开口52到上开口44延伸内侧壁48的长度。外侧壁54围绕内侧壁48延伸且连接到其上。内侧壁48和外侧壁54限定用于将室加热器56收纳在其中的其间的开口，室加热器56构造成保持构造室46中的所选温度，且促进形成在构造室46中的零件58的大小稳定性。上平台42还可包括粉末收集凹部100，以捕集构造室46外的松散粉末。室加热器56可为能够定位在内侧壁48与外侧壁54之间且加热构造室46的任何类型的加热器。例如，室加热器56可为感应类型的加热器。
构造封壳18由上紧固件60和下紧固件62装固到开口30中。如图所示，室安装件64或隔离件定位在上平台42与台12之间，以将构造封壳18与台12隔离，且允许构造封壳18关于台12的移动。上紧固件60延伸穿过上平台42，且终止于室安装件64，以将构造封壳18装固到室安装件64上，且下紧固件62延伸穿过台12，且终止于室安装件64，以将室安装件64装固到台12上，由此将构造封壳18装固到台12上。室安装件64可由具有隔离和/或回弹性性质的任何材料(诸如橡胶)形成，其适于将构造封壳18装固到台12上，提供其间的隔离，且允许构造封壳18关于台12的移动。
构造平台20为板状结构，其在上开口44下方的构造室46中可竖直地滑动。构造平台装固到促动器66的端部安装件上，其可操作地使构造平台20向上或向下移动。促动器66在图1中示意性地绘出，其中应理解诸如气动或液压缸、滚珠螺杆或线性电促动器等装置可用于此目的。
构造平台20由装固器件68可释放地装固到促动器66上。如本文中所使用的，用语"可释放地装固"是指在正常预计操作力下将构造平台20固持就位的连接，但允许构造平台20从促动器66除去或断开，而不需要工具来拆卸构造平台20或周围的结构。如图所示，装固器件68包括上磁铁70和下磁铁72。上磁铁70由构造平台20承载，且下磁铁72由促动器66承载。上磁铁70和下磁铁72为极性相反的，以提供其间的磁性吸引，由此将构造平台20装固到促动器66上。作为备选，如果促动器66为磁性的，则磁铁可仅被包括在平台70上，或如果构造平台20为磁性的，则仅被包括在促动器66上。
促动器66延伸穿过下开口52且到构造室46中。促动器66包括密封件74和真空室76。密封件74围绕促动器66的周边延伸，且构造成用于与内壁48密封接合，以防止粉末穿过粉末开口52逸出构造室46。密封件74包括倒角内表面78，其构造成与构造平台20的倒角外表面80匹配接合。倒角表面78和80允许构造平台20在构造室46内自动定心。
真空室76沿促动器66的长度定位在中心，且构造成一旦完成零件58就从构造室46除去容纳在构造室46中的未使用的粉末。真空室76还可操作地连接到粉末收集凹部100上，以一旦零件58完成就从粉末收集凹部100抽空未使用的粉末。
平台升降器82由促动器66承载，且包括升降销84、弹簧86、固定套筒88、滑动套筒90和升降固持件92。平台升降器82构造成从促动器66升高构造平台20，由此将上磁铁70和下磁铁72分开，且在构造平台20与密封件74之间产生开口94，以允许构造室46中非未使用的粉末从构造室46经由真空室76抽到粉末回收容器26中，见图2和3。如图1中所示，真空由真空泵96产生，以除去未使用的粉末。
平台升降器82可为气动的或由任何其它适合的器件促动。如图所示，升降固持件92装固到促动器66上，且构造成防止平台升降器82沿促动器66向下竖直地移动。固定套筒88抵靠升降固持件92，且防止滑动套筒90向下移动超过升降固持件92。升降销84连接到滑动套筒90上，且向上延伸穿过促动器66中的孔口98来可操作地升降构造平台20。滑动套筒90可滑动地连接到固定套筒88上，且构造成从图2的第一位置竖直向上移动到图3的第二位置，其中滑动套筒90相对于构造平台20向上推动升降销84，促使构造平台20从促动器66向上竖直移动，由此将上磁铁70与下磁铁72分开。作为磁铁70和72的备选方案，构造平台20可使用机械快速连接/断开结构连接到促动器66上。例如，图5和6示出了备选的构造平台20'，其具有形成在其下表面106中的一对直径相对的键孔槽口104。改变的平台升降器将设有图7中所见的升降销84'，其具有放大的头部108，其尺寸确定为配合T形键孔槽口104的宽的部分。平台升降器20'然后可通过使其旋转一圈的一部分来容易地与升降销84'接合或解除接合。该布置或等同的机械联接件将尤其用于粉末为磁性的情况，以防止粉末围绕构造平台、平台升降器和促动器的累积。弹簧86定位在滑动套筒90与促动器66之间，以在平台升降器82未促动来移动构造平台20时将滑动套筒90从图3的第二位置推至图2的第一位置。
图3绘出了在构造室46内的促动器的最低位置处促动的平台升降器82。然而，作为备选，平台升降器82可促动，同时使促动器66在平台升降器82向上移动的相同速率下向下移动。这将具有产生开口94的同时构造平台20保持在其关于构造室46的最后竖直位置的效果。使用该过程，粉末可抽空，而不管构造端部的位置和促动器位置关于室顶部或顶部的位置。
作为备选，构造平台20可用于支承和/或稳定室负载，同时促动器66可允许竖直地向下移动，使得上磁铁和下磁铁可分开，以允许未使用的粉末从构造室46抽出，而非需要升降机构82来升降构造室46的相对较重的零件和粉末负载。
图4示出了这可如何通过消除升降机构82和使用适当定位的静止安装的升降销来完成的实例。在图4中，一个或更多个侧向凸起91(诸如，独立的凸片或环形凸缘)可在其下端处或附近从构造室46的侧壁48向内延伸。侧向凸起91具有从其向上延伸的一个或更多个静止地安装的升降销84''。当促动器66降低时，升降销84''延伸穿过促动器66中的孔，且接触构造平台20。升降销84''支承构造平台20，且防止其在促动器66进一步降低时下降。构造平台20和促动器66的分离产生用于上述粉末排空的开口94。
可选地，室振动器102可围绕外壁54定位，以将摇动或冲击振动给予构造封壳18中，来有助于抽出构造室46的未使用的粉末。室安装件64将构造封壳18与台12隔离开，且允许构造封壳18由室振动器102摇动，而不影响台12。室振动器102可为构造成有助于从构造室46抽出粉末的任何适合的振动器。例如，室振动器102可为机械振动器，其使构造封壳18快速摇动，或超声类型的振动器，其将振动经由构造封壳18发送。
定向能源22可包括可操作成生成适合功率的射束的任何已知的装置，以及在如下文更详细所述的构造过程期间熔融和熔化粉末的其它操作特征。例如，定向能源22可为激光。其它定向能源(诸如电子束枪)为适合的激光的备选方案。
射束操纵设备24包括一个或更多个反射镜、棱镜和/或透镜，且设有适合的促动器，且布置成使得来自定向能源22的射束"B"可聚焦至期望的点尺寸，且在与工作表面50相符的X-Y平面中操纵至期望位置。
使用上述设备10的用于零件58的构造过程如下。构造平台20装固到促动器66上，且移动到初始高位置。初始高位置以选择的层增量定位在工作表面50下方。层增量影响添加制造过程的速度和零件58的分辨率。举例来说，层增量可为大约10到50微米(0.0004到0.002in)。粉末"P"然后沉积在构造平台20上。例如，供应容器34的升降机38可升高来经由供应开口36推动粉末，以使其露出在工作表面28上方。施加器16移动跨过工作表面，以使升高的粉末P在构造平台20上水平地扩散。当施加器16从左穿到右时，任何多余的粉末P落入粉末收集凹部100中。随后，施加器16可收缩回起始位置。
定向能源22用于熔融构造的零件58的二维截面或层。定向能源22发射射束"B"，且射束操纵设备24用于以适合图案在露出的粉末表面上操纵射束B的焦点"S"。粉末P的露出层由射束B加热至允许其熔融、流动和固结的温度。该步骤可称为熔化粉末P。
构造平台20以层增量竖直地向下移动，且另一层粉末P以类似的厚度施加。定向能源22再次发射射束"B"，且射束操纵设备24用于以适合图案在露出的粉末表面上操纵射束B的焦点"S"。粉末P的露出层由射束B加热至允许其在顶层内且与之前凝固的下层一起熔化、流动和固结的温度。
移动构造平台20、施加粉末P和然后定向能量熔融粉末P的该循环重复，直到整个零件58完成。
一旦零件58完成，则平台升降器82促动成将构造平台20从图2的就坐位置竖直向上升高至图3的未就坐位置。这通过使滑动套筒90竖直向上移动来完成，由此通过竖直向上推动升降销84且促使装固器件68分开且在构造平台20与密封件74之间产生开口94，使未使用的粉末暴露于真空室76。真空泵96触动来将吸力提供至真空室76，其促使容纳在构造室46中的未使用的粉末经由开口94流入真空室76中，且然后流入粉末回收容器26中来再循环。室振动器102还可触动来摆动和/或给予振动到构造室46中，以有助于从构造室46抽出粉末且到粉末回收容器26中。
利用从构造室46除去的未使用的粉末，真空泵96停用。促动器66可触动来升回起始位置，使得附接到构造平台20上的零件58可在工作表面50上方接近，且可在磁铁由平台升降机构82分开的同时容易地除去，或平台的旋转接合由平台的反向旋转解除接合。现在，通过停用升降机82，新的或再修复的平台可咬合或旋转就位，且机器可以开始下一构造。为了实现这个，平台升降机82停止促动，且弹簧86竖直地向下推动平台升降机82，由此使构造平台20从图3的未就坐位置竖直地向下移动到图2的就坐位置。
上文所述的添加制造设备具有优于现有技术的若干优点。它与闭合的粉末处理系统相容，消除对大的开放粉末储存器来制作多个零件的需要，且在构造循环之后节省了处理过多粉末的大量劳动。
如上文所述，室加热器56的结合向设备提供了热控制能力。热控制允许更一致的构造，且减少现有技术中的较大的多零件构造室中的热驱动的缺陷，其中保持热一致性由于具有高热容的大体积的热质量和每层的更多构造时间而更困难。在那些情形中，经由烧结/熔化过程加至构造容积的热越来越变为关于容积尺寸的局部事件，且连续层上的相同位置的激光扫描之间的时间常数显著较长，以允许与环境的相当大热交互和热状态的较大变化(如果使不受控制)。
形成期间的控制室温度可有助于关于烧结/熔化过程保持构造截面的热方面，且在层叠层到彼此上时，是控制大小稳定性和保持区段特征的相对位置的关键因素。构造容积的热控制对于确保产生的完成零件的一致物理属性和机械性质是基本的。具有构造室的热控制允许了使用者将构造容积保持在期望热状态下，这有助于确保稳健过程，其可用于生产，且提供了从零件到零件一致的高过程产量。
前文已经描述了添加制造设备和方法。本说明书中公开的所有特征(包括任何所附权利要求、摘要和附图)和/或如此公开的任何方法或工艺的所有步骤可以以除至少一些此类特征和/或步骤互斥的组合外的任何组合来组合。
本说明书中公开的各个特征(包括任何所附权利要求、摘要和附图)可由用于相同、等同或类似目的的备选特征替换，除非明确另外指出。因此，除非明确另外指出，则公开的各个特征仅为普通的一系列等同或类似特征的一个实例。
本发明不限于(多个)前述实施例的细节。本发明延伸至本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的任何新颖的一个特征、或任何新颖的特征组合，或延伸至如此公开的任何方法或工艺的任何新颖的一个步骤或任何新颖的步骤组合。

Claims (8)

1.一种添加制造设备(10)，包括：
构造封壳(18)，其具有限定平面工作表面的上平台(42)和从所述上平台(42)向下延伸的内侧壁(48)，所述内侧壁(48)限定构造室(46)；
与所述内侧壁(48)密封接合的促动器(66)；
可释放地装固至所述促动器(66)的构造平台(20)；以及
平台升降器(82)，其由所述促动器(66)承载且构造成有选择地分开所述构造平台(20)和所述促动器(66)，由此产生所述构造平台(20)与所述促动器(66)之间的开口；
所述促动器(66)包括真空室(76)，其由所述促动器(66)的外壁限定，且与所述构造室(46)连通。
2.根据权利要求1所述的设备(10)，其特征在于，还包括设置在所述内侧壁(48)附近的加热器(56)。
3.根据权利要求1所述的设备(10)，其特征在于，还包括用于将所述构造平台(20)可释放地装固至所述促动器(66)的装固器件(70,72,104,108)。
4.根据权利要求1所述的设备(10)，其特征在于，还包括至少一个升降销(84)，其安装至所述构造封壳(18)，且定位成以便响应于所述促动器(66)的移动来分开所述构造平台(20)和所述促动器(66)。
5.根据权利要求1所述的设备(10)，其特征在于，还包括可操作地连接至所述构造封壳(18)的振动器(102)。
6.一种制造零件的方法，包括以下步骤：
将构造平台(20)装固至设置在构造室(46)中的促动器(66)，
将粉末沉积在所述构造平台(20)上；
引导来自定向能源(22)的射束以熔化所述粉末；
以粉末的层增量在所述构造室(46)内竖直向下移动所述促动器(66)；
在循环中重复以逐层方式沉积、引导和移动来构成所述零件的步骤，直到所述零件完成；
将所述构造平台(20)升离所述促动器(66)来在它们之间产生开口；从所述构造室(46)穿过所述开口抽出所述粉末；以及
使用平台升降器(82)来将所述构造平台(20)与所述促动器(66)分开；
所述平台升降器(82)由所述促动器(66)承载，且所述平台升降器包括：
滑动套筒(90)，其可相对于所述促动器上下移动；以及
连接至所述滑动套筒且向上延伸穿过所述促动器(66)中的开口的至少一个销。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述滑动套筒(90)的移动促使所述至少一个销将所述构造平台(20)推离所述促动器(66)。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，真空室(76)由所述促动器(66)的外壁限定，所述方法还包括使用真空泵来经由所述开口和所述真空泵抽出所述粉末。
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