CN106475559B - 用于添加制造的涂料器设备及方法 - Google Patents

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Abstract

一种添加制造设备，其包括：涂料器(20,120)，其包括：包括多个并排的沉积阀(40,140)的至少一个槽(38,138)。

Description

用于添加制造的涂料器设备及方法
技术领域
本发明大体上涉及添加制造，并且更具体地涉及用于使用粉末涂料器来添加制造的设备及方法。
背景技术
添加制造是其中材料逐层建立来形成构件的过程。不同于铸造过程，添加制造仅由机器的位置分辨率限制，并且不由用于提供拔模角的要求限制，避免了如由铸造所需的悬垂件等。添加制造还由用语如"分层制造"、"反向加工"、"直接金属激光熔化"(DMLM)和"3-D打印"表示。此类用语看作是针对本发明的目的的同义词。
已知类型的添加制造过程涉及将粉末材料沉积到工作表面上并且接着使用辐射能量来熔合粉末。该类型的过程经常需要提供为床或以连续较大的层施加的大量粉末。这可浪费粉末并且限制过程灵活性。
因此，所需的是能够以灵活图案沉积粉末和/或沉积多种粉末的添加制造过程。
发明内容
该需要由并入具有多个沉积阀的涂料器的、用于部分的分层制造的设备和方法来解决。其还可包括储存器，并且能够使多种粉末沉积。
技术方案1. 一种添加制造设备，其包括：
涂料器，其包括：
包括多个并排的沉积阀的至少一个槽。
技术方案2. 根据技术方案1所述的设备，其特征在于，多个所述槽以并排构造设置。
技术方案3. 根据技术方案1所述的设备，其特征在于，所述设备还包括与所述至少一个槽连通的至少一个储存器，其中所述至少一个储存器包括能够操作成选择性地阻挡或容许粉末从所述储存器至所述槽的流动的进料阀。
技术方案4. 根据技术方案3所述的设备，其特征在于，所述进料阀构造成以恒定流速计量粉末。
技术方案5. 根据技术方案3所述的设备，其特征在于，多个储存器组合成柱，所述柱的所述储存器中的各个与漏斗形收集器连通。
技术方案6. 根据技术方案3所述的设备，其特征在于，多个所述柱以并排方式组合在一起，各个柱的所述储存器与漏斗形收集器连通，其中各个收集器与所述槽中的一个连通。
技术方案7. 根据技术方案1所述的设备，其特征在于，所述涂料器安装用于沿至少一条轴线在限定工作表面的建造平台上方移动。
技术方案8. 根据技术方案7所述的设备，其特征在于，所述设备还包括设置在所述建造平台附近的多余粉末容器。
技术方案9. 根据技术方案7所述的设备，其特征在于，所述设备还包括能够操作成选择性地熔合沉积在所述工作表面上的粉末的定向能量源。
技术方案10. 一种添加制造方法，其包括：
将涂料器定位在工作表面附近，所述涂料器包括槽，所述槽包括多个并排的沉积阀；
通过所述沉积阀中的至少一个将粉末从所述槽沉积到建造平台上；以及
使用辐射能来熔合所述粉末。
技术方案11. 根据技术方案10所述的方法，其特征在于，沉积粉末的所述步骤包括：
通过所述沉积阀中的至少一个将粉末从所述槽沉积到所述建造平台上，同时所述涂料器处于第一位置；
使所述涂料器移动至新位置；以及
重复沉积粉末和移动所述涂料器的步骤来将粉末层建立在所述建造平台上。
技术方案12. 根据技术方案10所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在熔合之前使所述沉积的粉末振动来使其平整。
技术方案13. 根据技术方案10所述的方法，其特征在于，所述涂料器包括以并排布置的多个槽，各个槽包括多个并排的沉积阀，并且沉积粉末的所述步骤包括：
移动所述涂料器来将所述槽中的选择的一个定位在第一位置；
通过其所述沉积阀中的至少一个来将粉末从所述选择的槽沉积到所述建造平台上；以及
使用所述槽中的两个或更多个来重复移动所述涂料器和沉积粉末的步骤，使得来自所述槽中的各个的所述粉末的沉积物位于单排中。
技术方案14. 根据技术方案13所述的方法，其特征在于，沉积粉末的所述步骤还包括重复移动所述涂料器和沉积粉末的步骤来将粉末层建立在所述建造平台上。
技术方案15. 根据技术方案13所述的方法，其特征在于，由各个槽沉积的所述粉末在其成分或颗粒尺寸中的至少一个上不同于由其它槽沉积的粉末。
技术方案16. 根据技术方案10所述的方法，其特征在于，所述涂料器包括与所述至少一个槽连通的储存器，所述储存器包括进料阀，其能够操作成选择性地阻挡或容许粉末从所述储存器至所述槽的流动，所述方法还包括使用所述进料阀来使受控量的粉末从所述储存器流至所述槽。
技术方案17. 根据技术方案10所述的方法，其特征在于，所述涂料器包括与所述至少一个槽连通的储存器，所述储存器包括进料阀，其能够操作成选择性地阻挡或容许粉末从所述储存器至所述槽的流动，所述方法还包括使用所述进料阀来使粉末以受控速率从所述储存器流至所述槽。
技术方案18. 根据权利要10述的方法，其特征在于：
所述涂料器包括两个或更多个槽，其均包括多个并排的沉积阀；
所述涂料器包括与各个槽连通的两个或更多个储存器，各个储存器包括进料阀，其能够操作成选择性地阻挡或容许粉末从所述储存器至对应的槽的流动；并且
其中所述方法还包括使用所述进料阀来使粉末的混合物从所述储存器流至所述槽，其中所述混合物中的所述粉末中的各种在其成分或颗粒尺寸中的至少一个上不同于所述混合物的其它粉末。
技术方案19. 根据技术方案18所述的方法，其特征在于，多个所述储存器组合成柱，所述柱的所述储存器中的各个与漏斗形收集器连通，其中各个收集器与所述槽中的一个连通。
附图说明
本发明可通过参照连同附图进行的以下描述来最佳地理解，在该附图中：
图1为示例性添加制造设备的示意性截面；
图2为能够与图1的设备一起使用的涂料器的示意性透视图；
图3为图2的涂料器的局部截面视图；
图4为安装在建造平台之上的图2的涂料器的透视图；
图5为待构造的示例性部分的俯视图；
图6为图5的部分的俯视图，示出了其示例性的排；
图7-10为示出图5中所示的构件的构造中的粉末沉积的顺序的示意性俯视图；
图11为能够与图1的设备一起使用的备选涂料器的示意性透视图；
图12为图11的涂料器的局部截面视图；
图13为沿图12的线13-13截取的视图；以及
图14为使用本文中所述的设备构造的示例性部分。
部件列表
10 设备
12 建造平台
14 多余粉末容器
16 定向能量源
18 射束操纵设备
20 涂料器
22 壳体
24 工作表面
26 入口端口
28 出口端口
30 储存器组件
32 分送器
34 第一端
36 第二端
38 槽
40 沉积阀
42 储存器
44 进料阀
46 柱
48 收集器
50 出口
52 第一促动器
54 第二促动器
56 振动器
58 电子控制器
60 外部
62 中间部
64 内部
120 涂料器
130 储存器组件
132 分送器
134 第一端
136 第二端
138 槽
140 沉积阀
142 储存器
148 收集器
150 出口
144 进料阀
166 圆柱
168 凹槽
200 机械接头组件
202 支架
204 耳部
206 杆端轴承
208 轴。
具体实施方式
参照附图，其中同样的附图标记表示相同的。图1示意性示出了适合于执行添加制造过程的示例性添加制造设备10。设备10可包括建造平台12、多余粉末容器14、定向能量源16、射束操纵设备18，以及涂料器20，它们所有都可包围在壳体22中。这些构件中的各个将在下面更详细描述。在描述设备10时，可参照如图1和2中所见的标为X,Y和Z的三条相互垂直的轴线的系统。该坐标系仅为了方便使用，并且不暗示设备10的任何特定定向是操作所需的。
建造平台12为提供平面工作表面24的刚性结构。多余粉末容器14为顶部开口的器皿，其位于建造平台12附近，并且用作用于多余粉末P的贮藏器。
定向能量源16为产生具有适合的功率和其它操作特征的辐射能，以在建造过程期间熔化和熔合粉末的装置，在下面更详细描述。例如，定向能量源16可包括激光或电子束枪。
射束操纵设备18起作用以使来自定向能量源16的射束"B"可聚焦于期望的点尺寸，并且沿与工作表面24重合的X-Y平面操纵至期望位置。例如，其可包括一个或更多个镜、棱镜和/或透镜，并且设有适合的促动器。
壳体22包围设备10的工作构件，并且可密封来防止污染。壳体22可利用气体或气体混合物分别通过入口端口26和出口端口28吹扫。
如图2和3中所见，涂料器20可包括定位在分送器32上方的储存器组件30。
分送器32具有分别在第一端34与第二端36之间延伸的宽度"W"。如图4中所示，宽度W可大致等于沿X方向的建造平台12的宽度W。分送器32包括平行于宽度W延伸的一个或更多个长形槽(大体上指定为38)。在所示实例中，分送器32包括以并排布置的多个槽38，具体是五个槽38A,38B,38C,38D,38E。如本文中使用的，用语"槽"是指能够在分送粉末之前包围粉末的任何结构，并且不一定暗示开放的通道结构。
各个槽38A-E包括一个或更多个沉积阀40。如本文中使用的，用语"阀"是指具有容许粉末材料流动的第一位置或状况(称为"开放"状态)和阻挡粉末材料流动的第二位置或状况(称为"闭合"状态)的任何结构。沉积阀40的动作可为二进制的(即，开-关)或可变的(即，开至可变的程度)。能够用作沉积阀40的适合装置的非限制性实例包括微机电系统("MEMS")装置或压电装置。在所示实例中，各个槽38A-E包括沿分送器32的宽度W延伸的沉积阀40的线性阵列。沉积阀40的尺寸(即，开启状态中的它们的流动面积)、独立沉积阀40之间的间距，以及沉积阀40的总数可选择成以便提供期望的空间解决方案和总覆盖面积。在使用中，沉积的粉末的量和所得的粉末层厚度可由沉积阀40开启的持续时间控制。
储存器组件30包括设置在各个槽38A-E之上的至少一个储存器42。各个储存器42由适合的壁或分隔物限定，形成有效储存和分送粉末(大体上称为"P")的容积。各个独立的储存器42可加载有具有独特特征如成分和/或粉末颗粒尺寸的粉末P。应当认识到的是，粉末P可为用于添加制造的任何适合的材料。例如，粉末P可为金属粉末、聚合粉末、有机粉末或陶瓷粉末。注意的是，储存器组件30为可选的，并且粉末P可直接地加载到槽38中。
各个储存器42可并入进料阀44，其能够操作成选择性地容许粉末P从储存器42到相关联的槽38A-E中的流动。进料阀44的结构可如上文所述用于沉积阀40。进料阀44可用于出于各种目的使粉末选择性地流动，如用于限制槽38A-E中的粉末P的量(以避免干扰沉积阀40的操作)；或用于将来自若干不同储存器42的粉末在一个槽38A-E中混合在一起。
在所示实例中，一组储存器42以平行于分送器32的宽度W延伸的并排构造布置。为了便于描述，该组可称为"柱"46。柱46内的储存器42在具有单个出口50的漏斗形收集器48上方组合，单个出口50排放到相应的槽38A-E中。一个此类柱46和收集器48可提供用于各个槽38A-E。作为备选，各个储存器42可定位成直接地排放到槽38A-E中的一个中。
可能的是，使各个储存器42任意地加载有独特的粉末(例如，具有独特成分和/或颗粒尺寸的粉末)。还可能的是，使一组储存器42加载有具有至少一个共同的性质的粉末。例如，特定的柱46的储存器42可加载有各个独立储存器42中的具有相同成分但不同粉末颗粒尺寸的若干粉末。
涂料器20安装用于沿平行于工作表面24的至少一条轴线关于建造平台12的受控移动，使得粉末可分送在建造平台12的选择区域之上。在所示实例中，分送器32的宽度W大致等于建造平台12的宽度W，所以在X方向上不需要移动以便将粉末分送在特定位置。涂料器20使用第一促动器52安装于壳体22，容许沿"长度"方向的受控移动。第一促动器52在图2中示意性地绘出，其中理解装置如气动或液压缸、滚珠丝杠或线性电促动器等可用于该目的。
可选地，涂料器20可包括用于关于建造平台12垂直于工作表面24(即，Z方向)的受控移动的设备，以便控制涂料器20与工作表面24之间的距离。第二促动器54出于该目的示意性地示出。沿Z方向的相对移动可通过涂料器20、建造平台12和两者的一些组合的移动产生。
可选地，设备可包括能够操作成使建造平台12和平整沉积的粉末振动的振动器56，如下文更详细所述。例如，机电振动器可用于该功能。
设备10的功能可使用图1中示意性绘出的电子控制器58实施。例如，一个或更多个基于处理器的装置如微型计算机或可编程逻辑控制器("PLC")可出于该目的使用。控制器58至设备10的其它构件的功能连接示为单条虚线。
上文所述的设备10能够操作成产生包括熔合粉末的分层构件，其中涂料器20可用于将具有特定特征的粉末沉积在层内的各个特定位置处。
现在将参照图4-10来描述使用上述设备的用于构件的示例性建造过程。图4示出了设置在建造平台12上方的涂料器20。
在该实例中，储存器42的第一柱46设有待供给至第一槽38A的第一粉末"P1"，储存器42的第二柱46设有待供给至第二槽38B的第二粉末"P2"，并且存储器42的第五柱46设有待供给至第五槽38E的第三粉末"P3"。
构件"C"的一层绘出为虚线。示例性构件C的示例性层具有由虚线示出的外部60、中间部62和内部64。出于该实例的目的，假定了不同部分需要具有不同特征(例如，化学成分和/或粉末颗粒尺寸)的粉末。
图5示出了构件C的层的一半，其细分成10单元宽×15单元高的网格10。网格单元的尺寸及它们的间距出于图示清楚的目的放大。构件C表示为均具有单元网格的一系列层可例如使用适合的固体模拟或计算机辅助设计软件来模拟。图5中所示的各个独特影线图案表示一种独特粉末的特征(例如，成分和/或颗粒尺寸)。图6示出了位于沿Y轴线的任意站处且表示为1,2,3和4的四个示例性排。
图7示出了将排1的单元施加在工作表面24上的涂料器20。排1的所有15个单元需要第一粉末"P1"。因此，第一槽38A的15个沉积阀40将促动成在第一槽38A在站点1之上对准时沉积粉末。第一促动器52可用于在粉末沉积之前使涂料器20移动至该位置。该移动(和涂料器20的所有移动)可为离散的或连续的。在离散移动的情况下，涂料器20将在促动沉积阀40之前阶跃至期望的位置。在连续移动的情况下，涂料器20将在运动中设置，并且接着沉积阀将编程来在移动期间的特定时间处促动。
图8示出了将排2施加在工作表面上的涂料器20。排2的外侧的六个单元需要第一粉末P1，而内侧的九个单元需要第二粉末P2。因此，第一槽38A的沉积阀40中的六个将在第一槽38A在站点2之上对准(见图8的上部)时沉积粉末。随后，第二槽38B的沉积阀40中的九个将在第二槽38B在站点2之上对准(见图8的下部)时沉积粉末。两个沉积步骤完成排2，如图6中所示。
图9示出了将排3施加在工作表面上的涂料器20。排2的外侧的六个单元需要第一粉末P1，四个中间单元需要第二粉末P2，并且内侧的五个单元需要第三粉末P3。因此，第一槽38A的沉积阀40中的六个在第一槽38A在站点3之上对准(见图9的上部)时沉积粉末。随后，第二槽38B的沉积阀40中的四个在第二槽38B在站点3之上对准(见图9的中部)时沉积粉末。最后，第五槽38E的沉积阀40中的五个在第五槽38在站点3之上对准(见图9的下部)时沉积粉末。三个沉积步骤完成排3，如图6中所示。
图10示出了将排4施加在工作表面上的涂料器20。排4的外侧的六个单元需要第一粉末P1，两个中间单元需要第二粉末P2，并且内侧的七个单元需要第三粉末P3。因此，第一槽38A的沉积阀40中的六个在第一槽38A在站点4之上对准(见图10的上部)时沉积粉末。随后，第二槽38B的沉积阀40中的二个在第二槽38B在站点4之上对准(见图10的中部)时沉积粉末。最后，第五槽38E的沉积阀40中的七个在第五槽38在站点4之上对准(见图10的上部)时沉积粉末。三个沉积步骤完成排4，如图6中所示。
上文所述的沉积步骤将按需要以逐排方式执行，以完成构件C的整层。可选地，装置如以上所述的振动器56可用于在沉积之后平整粉末并且提供更均匀的层。
在沉积之后，定向能量源16用于熔化沉积的粉末，这可对应于建造的构件C的二维截面。定向能源16发射射束"B"，并且射束操纵设备18用于以适合图案在暴露的粉末表面之上操纵射束B的焦点"S"。粉末P的暴露层由射束B加热至允许其熔化、流动和固结的温度。该步骤可描述为使粉末P"熔合"。
在层熔合之后，涂料器20以层增量垂直地移离建造平台12，并且另一层粉末如上文所述沉积。定向能量源16再次发射射束"B"，并且射束操纵设备18用于以适合图案在暴露的粉末表面之上操纵射束B的焦点S。粉末P的暴露层由射束B加热至允许其在顶层内并且与之前凝固的下层一起熔化、流动和固结的温度。
可选地，可期望的是在过程的循环之间吹扫槽38A-E，例如在期望沉积与之前循环的粉末的不同混合物的情况下。这可通过使槽38A-E在多余粉末容器14之上移动并且接着开启沉积阀40以倾倒多余粉末来完成。过程可通过使气体或气体混合物流过槽38A-E来加强。
施加粉末P并且接着使粉末P激光熔化的该循环重复，直到完成整个构件C。
图11-13示出了包括定位在分送器132上方的储存器组件130的备选涂料器120。
分送器132具有分别在第一端134与第二端136之间延伸的宽度"W"。宽度W可大致等于建造平台12的宽度W。分送器132包括平行于宽度W延伸的一个或更多个长形槽138。在所示实例中，分送器包括以并排布置的多个槽138。
各个槽138包括一个或更多个沉积阀140。在所示实例中，各个槽138包括沿分送器132的宽度W延伸的沉积阀140的线性阵列。沉积阀140的尺寸(即，开启状态中的它们的流动面积)、独立沉积阀140之间的间距，以及沉积阀140的总数可选择成以便提供期望的空间解决方案和总覆盖面积。在使用中，沉积的粉末的量和所得的粉末层厚度可由沉积阀140开启的持续时间控制。
储存器组件130包括设置在各个槽之上的至少一个储存器142。各个储存器142由适合的壁或分隔物限定，形成有效储存和分送粉末P的容积。注意的是储存器组件130为可选的，并且粉末P可直接地加载到槽138中。
在所示实例(见图13)中，各个储存器142为长形，并且平行于分送器132的宽度W延伸。各个储存器142的底部成形为具有单个出口150的漏斗形收集器148，单个出口150排放到相应的槽138中。一个此类储存器14提供用于各个槽138。
各个储存器142可并入进料阀144，其能够操作成选择性地容许粉末从相关联的储存器142的流动。进料阀144可用于出于各种目的使粉末选择性地流动，如用于限制槽138中的粉末P的量(以避免干扰沉积阀的操作)。进料阀144的结构可如上文所述用于沉积阀140。在该特定实例中，进料阀144可并入计量功能。如图13中所见，进料阀44包括紧密配合至储存器42的内部的具有直径"D"的长形圆柱166。纵向凹槽168形成到圆柱166的外表面中，并且围绕其外周排列。圆柱166可以以恒定RPM旋转，引起粉末P以恒定速率计量到槽138中。
上文所述的设备和方法提供了粉末沉积中的灵活性。例如，两种或更多种不同粉末(成分或颗粒尺寸不同)可在粉末沉积之前混和来产生具有中间性质的粉末。作为备选，在粉末熔合之后，两种或更多种不同粉末可独立地沉积在共同位置之上，以导致混合或分级的性质。
上文所述的设备和方法可用于构造整体或单一的构件，以及多个构件的组件。例如，图14示出了包括支架202的机械接头组件200，支架202限定具有一对间隔开的耳部204的U形夹。杆端轴承206设置在耳部204之间，并且安装用于由轴208的枢转移动。使用上文所述的设备和方法，接头组件可通过包括独立构件之间的间隙"G"中的牺牲支承材料来以单个过程制造。支承材料可接着在建造过程之后除去，留下工作组件。牺牲支承材料的非限制性实例包括未熔合粉末、低温熔化材料，或由酸或腐蚀剂容易地溶解的材料("可滤取材料")。
前文描述了用于添加制造的设备及方法。本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征，和/或如此公开的任何方法或过程的所有步骤可以以除其中此类特征和/或步骤中的至少一些互相排斥的组合之外的任何组合来组合。
本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的各个特征可由用于相同、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，否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。
本发明不限于前述(多个)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)中公开的特征中的任何新颖的一个或任何新颖的组合，或者延伸至如此公开的任何方法或过程的步骤中的任何新颖的一个或任何新颖的组合。

Claims (8)

1.一种添加制造设备，其包括：
涂料器(20,120)，其包括：
多个槽，所述多个槽中的至少两个槽均包括多个并排的沉积阀(40,140)，所述多个槽(38,138)以并排构造设置；以及
与至少一个槽(38,138)连通的至少一个储存器(42,142)，其中所述至少一个储存器(42,142)包括能够操作成选择性地阻挡或容许粉末从所述储存器(42,142)至所述槽(38,138)的流动的进料阀(44,144)。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，多个储存器(42,142)组合成柱，所述柱的所述储存器(42,142)中的各个与漏斗形收集器连通。
3.一种添加制造方法，其包括：
将涂料器(20,120)定位在工作表面附近，所述涂料器(20,120)包括多个槽(38,138)，所述多个槽(38,138)中的至少两个槽均包括多个并排的沉积阀(40,140)，所述多个槽(38,138)以并排构造设置；
通过所述沉积阀(40,140)中的至少一个将粉末从所述槽(38,138)沉积到建造平台(12)上；以及
使用辐射能来熔合所述粉末。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，沉积粉末的所述步骤包括：
通过所述沉积阀(40,140)中的至少一个将粉末从所述槽沉积到所述建造平台(12)上，同时所述涂料器(20,120)处于第一位置；
使所述涂料器(20,120)移动至新位置；以及
重复沉积粉末和移动所述涂料器(20,120)的步骤来将粉末层建立在所述建造平台(12)上。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在熔合之前使所述沉积的粉末振动来使其平整。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，沉积粉末的所述步骤包括：
移动所述涂料器(20,120)来将所述槽(38,138)中的选择的一个定位在第一位置；
通过其所述沉积阀(40,140)中的至少一个来将粉末从所述选择的槽(38,138)沉积到所述建造平台(12)上；以及
使用所述槽(38,138)中的两个或更多个来重复移动所述涂料器(20,120)和沉积粉末的步骤，使得来自所述槽(38,138)中的各个的所述粉末的沉积物位于单排中。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，由各个槽(38,138)沉积的所述粉末在其成分或颗粒尺寸中的至少一个上不同于由其它槽(38,138)沉积的粉末。
8.根据权利要3述的方法，其特征在于：
所述涂料器(20,120)包括与各个槽(38,138)连通的两个或更多个储存器(42,142)，各个储存器(42,142)包括进料阀(44,144)，其能够操作成选择性地阻挡或容许粉末从所述储存器(42,142)至对应的槽(38,138)的流动；并且
其中所述方法还包括使用所述进料阀(44,144)来使粉末的混合物从所述储存器(142,142)流至所述槽(38,138)，其中所述混合物中的所述粉末中的各种在其成分或颗粒尺寸中的至少一个上不同于所述混合物的其它粉末。
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