CN107000061B - 用于增材制造设备的模块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于插入到增材制造设备中的模块。该模块包括可安装于该增材制造设备中的固定位置中的支架(201)，该支架(201)界定构建室(205)及投配室(206)。在零件的增材制造期间，构建平台(207)在该构建室(205)中可移动以用于支撑粉末床。投配活塞(210)在该投配室(206)中可移动以从该投配室(206)推动粉末。机构(219a、219b、220)将该构建平台(205)机械地耦合到该投配活塞(210)使得该构建平台(207)在该构建室(205)中构建平台的向下移动引起该投配活塞(210)在该投配室(206)中的向上移动。

Description

用于增材制造设备的模块
技术领域
本发明涉及一种用于增材制造设备的模块及使用该模块的方法。本发明具有特定(但不排它)对用于减小选择性激光熔融(SLM)或选择性激光烧结(SLS)设备的构建体积的模块的应用。
背景技术
选择性激光熔融(SLM)和选择性激光烧结(SLS)设备使用高能量束(例如，激光束)经由材料(例如，金属粉末材料)的逐层固化来产生物体。粉末层通过将粉末堆沉积与粉末床相邻并使用刮片将粉末堆散布于粉末床而在构建室中的粉末床中形成。随后跨越对应于经建构物体的横截面的粉末层207的区域而扫描激光束。激光束熔融或烧结粉末以形成固化层。在层的选择性固化之后，粉末床减少新固化层的厚度并且另一粉末层在表面上散布且视需要固化。此类装置的实例公开于US6042774中。
构建体积由构建室的壁及支撑粉末床的构建平台可降入内构建室的程度界定。在某些情形中，可能需要改变构建体积的大小。举例来说，当由昂贵的材料(例如，金)来制造小零件和/或制造零件时，可能需要减小构建体积以减少用于构建的时间和/或所需要的粉末材料的量。
US2011/0278773公开减小包括用于与构建零件同时将粉末限于较小体积的构建壁的构建体积的方法。用于应用粉末层的应用装置具有插入件以减小应用粉末的工作领域。
DE102009020987公开可插入到构建室中以减小可供用于构建的体积的体积减小元件。还提供子载体以用于支撑粉末床，该子载体包含用于将子载体连接到可在构建室中移动的主要支撑活塞的连接件板。盖板可设置于活塞操作定容器中以减小填充供应腔室所需要的粉末的体积。
US2011/0252618、WO2013/189617及EP2732890还公开其中元件插入于构建室中以减小可用的构建体积的布置。
发明内容
根本发明的第一方面，提供用于插入至增材制造设备中的模块，该模块包括可安装于增材制造设备中的固定位置中的支架，该支架界定构建室及投配室；构建平台，其在零件的增材制造期间在构建室中可移动以用于支撑粉末床；投配活塞，其在投配室中可移动以将粉末从投配室推出；及机构，其将构建平台机械地耦合到投配活塞，使得构建平台在构建室中的向下移动引起投配活塞在投配室中的向上移动。
以此方式，构建平台及投配活塞两者可通过公共驱动机构来移动。举例来说，模块可安装于增材制造设备的较大主构建室中，该模块的构建平台可连接至用于驱动主构建室的主构建平台的驱动机构。构建平台可经由主构建平台连接至驱动机构。或者，构建平台的移动可通过与用于驱动主构建平台的驱动机构分开的驱动机构来驱动。
将构建平台机械地耦合到投配活塞的机构可为齿轮机构。齿轮机构可包括被配置为啮合两个齿条的一个或多个小齿轮，该两个齿条中的一个连接到构建平台，且另一个连接到投配活塞使得构建平台向下的移动驱动一个或多个小齿轮的旋转，该一个或多个小齿轮的旋转反过来驱动投配活塞的向上移动。在一个实施例中，齿轮机构包括单个小齿轮。在此类实施例中，齿轮机构可将投配活塞向上移动等于构建平台向下移动的量。
在替代实施例中，齿轮机构包括关于公共轴线安装的两个小齿轮，小齿轮中的一个与和构建平台连接的齿条啮合，且另一个小齿轮与连接到投配活塞的齿条啮合以便形成齿条与小齿轮机构对。齿条及小齿轮对的齿轮传动可被配置为使得由投配活塞移动的距离不等于由构建平台移动的距离。此类布置可允许投配室为层投配充足的粉末，甚至投配室具有与构建室相同或比构建室更小的横截面积。
投配室中的投配活塞的投配头的开始位置可为可调整的。此可允许用户调整待由投配机构投配的粉末的体积。
投配室的横截面积可大于构建室的横截面积。粉末从投配机构散布到构建室中的粉末床通常不是100％有效。
此外，粉末的固化可产生经固化区域，该经固化区域比形成该经固化区域的粉末占用更小的量。通过提供具有较大横截面积的投配室，由投配机构供应给层的粉末将比跨越粉末床形成层所需要的稍大，以考虑到随着粉末被散布的粉末损失及前一层的经固化区域的缩小。
替代或另外地，将构建室的移动机械地耦合至投配活塞的移动的机构可被配置为使得就构建平台向下的移动而言，投配活塞向上移动更大距离。
支架可进一步界定用于捕获被散布超出构建室的过量粉末。
根据本发明的第二方面，提供用于插入到增材制造设备的主构建室中的模块，该模块包括可安装于主构建室中的固定位置中的支架，该支架界定次级构建室及投配室；次级构建平台，其可在次级构建室中移动以用于在零件的增材制造期间支撑粉末床；及投配活塞，其可在投配室中移动以将粉末从投配室推出。
次级构建平台及投配活塞可被配置为机械地耦合到用于驱动主构建室中的主构建平台的移动的驱动机构。次级构建平台及投配活塞可被配置为机械地耦合到主构建平台，以使得主构建平台的向下移动引起次级构建室中的次级构建平台的向下移动及投配室中的投配活塞向上移动。
根据本发明的第三方面，提供使用增材制造构建零件的方法，该方法包括根据本发明的第一方面或第二方面将模块插入增材制造设备中及在该模块的构建室中构建零件。
该零件可以是可得益于比增材制造设备中常规地所提供的构建体积更小的构建体积来制造的牙用组件、首饰或其它小零件。
根据本发明的第四方面，提供包括增材制造设备，该增材制造设备中安装有根据本发明的第一方面或第二方面的模块。
根据本发明的第五方面，提供包括构建室的增材制造设备；升降机，其可在构建室中移动，该升降机被布置为使得构建基底可以可释放地方式固定于其上，粉末分配器，其用于随着升降机将构建基底下降而将连续的粉末层沉积到构建基底上，用于产生高能量束的装置，用于将该高能量束转向到层上以选择性地固结每一层的区域从而形成物体的转向装置，其中该构建基底经由固定件以可释放方式固定于升降机，该固定件易于用于自升降机从不是构建基底上的那个/那些表面(粉末分配器在其上沉积层)的表面来释放该基底。
以此方式，可供用于构建的构建基底的表面(例如上表面)的区域不受要易于经由构建基底的表面来接近固定件(例如，螺钉)的需要所限制。此可允许在预设构建体积内构建较大零件且避免用户在设计该构建时需要考虑固定件的位置。在其上沉积层的构建基底的表面至少可由当固结时粉末所黏著的材料组成。举例来说，构建基底的表面可由与粉末相同的材料组成。升降机可包括构建平台，构建基底以可释放方式固定于该构建平台上。
升降机和/或构建基底可包括被收纳于升降机或构建基底中的另一个中的空腔中的至少一个突出部，其中该固定件被布置为使得固定件可进入该空腔且啮合该突出部以将构建基底固定至升降机。该突出部可包括用于收纳固定件的凹口。该凹口可经适当成形，例如，包括倾斜表面，以使得该表面通过固定件的末端的啮合来牵引构建基底朝向升降机。
根据本发明的第六方面，提供构建基底以供用于在根据本发明的第五方面的增材制造设备中使用，该构建基底包括用于以可释放方式将构建基底固定于增材制造设备的升降机的固定件，该固定件易于用于自升降机从不是构建基底上的那个/那些表面(粉末分配器在其上沉积层)的表面来释放该基底。
附图说明
图1为增材制造设备的示意图；
图2为图1中展示的增材制造设备的另一侧的示意图；
图3为根据本发明的实施例的模块的升高视图；
图4为图3中展示的沿线A-A安装于增材制造设备中的模块的横截面图；
图5为该模块的投配活塞的投配头的沿线A-A的放大横截面图；
图6为图3中展示的沿线B-B的模块的横截面图；及
图7为构建基底及构建平台沿线C-C的横截面图。
具体实施方式
参看图1及图2，增材制造设备包括其中具有隔板115、116的主要腔室101，该隔板界定主构建室117及粉末可沉积于其上的表面110。提供主构建平台102以用于支撑粉末床104及由选择性激光熔融粉末104构建的一个或多个物体103。主构建平台102可随着形成物体103的连续层而由驱动机构(例如，马达113)在主构建室117内降下。可用的构建体积由主构建平台102可降低到主构建室117中的程度来界定。
该构建通过使用用于将粉末投配到表面110上的分配设备108及用于将粉末散布于床104的细长刮片109来将粉末层连续地沉积于粉末床104而进行。举例来说，分配设备108可以是如WO2010/007396中所描述的设备。刮片109在线性方向上跨越构建平台102移动。
激光模块105产生用于熔融粉末104的激光，该激光视需要而由光学扫描器106在计算机130的控制下引导。激光束118经由窗107进入腔室101。在此实施例中，激光模块105为纤维激光，例如，nd:YAG纤维激光。
光学扫描器106包括用于将激光束引导到粉末床104上的所要位置的转向光学件(在此实施例中为两个可移动镜面106a、106b)和用于调整激光束的焦距的聚焦光学件(在此实施例中为一对可移动透镜106c、106d)。马达(未图示)驱动镜面106a及透镜106b、106c的移动，该马达由计算机130控制。
参看图3至图7，根据本发明的实施例的模块包括能够插入到增材制造设备的主构建室117中的支架201。支架201的唇缘202被配置成在表面110之上延伸超出构建室117的上开口，以使得支架201在增材制造设备中固定于适当位置中。支架201包括分别界定构建室205及投配室206的向下延伸的壁203及204及用于捕获被散布超出构建室205的过量粉末的上溢料斗221。支架201单个一体式片件或被固定在一起以形成单个单元的一系列分离零件形成。
如从图3清晰可见，投配室206的(水平面中的)横截面积大于构建室205的对应横截面积。在此实施例中，投配室206的横截面为和构建室205的对应横截面相同的矩形形状但大于构建室205的对应横截面。但是，将理解，在其它实施例中，投配室206及构建室205的横截面形状可不同。
模块包括可在构建室205中移动由支架腿208a、208b支撑的构建平台207，该支架腿208a、208b依次安装在支脚209上。支脚209具有用于收纳螺钉的穿通孔，以附接支脚209且因此将构建平台207附接至增材制造设备的主构建平台102。构建平台207包括对抵构建室117的壁来密封该平台的密封件207a。
如图4及图7中所示，构建平台207包括中心圆形插销230及从平台207向上延伸的突出部231(仅示出其中一个)。要以可释放方式固定到构建平台207的构建基底228包括用于收纳插销230的中心空腔及空腔232，其从基底228的中心偏移以用于收纳突出部231。构建基底228包括用于收纳带螺纹固定件235的带螺纹孔洞234。孔洞234通向构建基底228的侧表面，而不是上表面329。固定件235具有当突出部231被收纳于空腔232中时可与突出部231中的凹口237的倾斜表面啮合的圆拱状末端236。
模块进一步包括在投配室206中可移动的投配活塞210。投配活塞210包括由带螺纹连杆212支撑的上活塞头211。连杆212穿过环形坐放头214中的带螺纹孔隙213。上活塞头211相对于坐放头(setting head)214的位置可通过旋转连杆212来调整。上活塞头211相对于坐放头214的移动由连杆212的两侧的两个导轴215a、215b引导。连杆212的头包括其中的斜切凹口223且上活塞头211包括四个带螺纹孔洞。为了防止连杆212在构建期间旋转，夹持板224经使用啮合带螺纹孔洞的螺钉225而被固定到上活塞头211。夹持板224包括啮合斜切凹口223的突起部226，以使得当夹持板224被固定于适当位置时，突起部226与凹口223之间的摩擦用以防止连杆212旋转。
上活塞头211及坐放头214两者包括密封件21la、214a以对抵投配室206的壁204来密封头211、214。坐放头214包括一对支架腿217a、217b。连接到构建室205及投配室206中的每一个的底部的承压板226提供用于在构建平台207及投配活塞210的移动期间引导支架腿208a、208b、217a、217b的承压。
支架腿208b及支架腿213a中的每一个包括啮合小齿轮220上的齿排216的齿排219a、219b的齿条。此齿轮机构将构建平台207机械地耦合到投配活塞210，以使得构建平台207在构建室205中的向下移动引起投配活塞210在投配室206中的向上移动。以此方式，构建平台207及投配活塞210两者通过构建平台102的移动而移动。
该模块进一步包括各自包括用于啮合主要构建室117的侧壁的可移动对接件242a、242b的四个夹钳(示出其中的两个240a、240b)。对接件242a、242b通过旋转具有螺纹的与支架201中的互补螺纹啮合的螺钉241a至241d而移动到啮合腔室117的侧壁的位置中。在每一螺钉241a至241d的末端为与对应的倾斜表面(未图示)相啮合的楔形部件(未图示)。倾斜表面中的一个为固定的，且其它倾斜表面为可使用对接件242a、242b中的一个来移动的，以使得螺钉241a至241d到支架201中的移动对抵着倾斜表面而推送楔形部件，其中将倾斜表面推至分开且因此对接件242a、242b朝向构建室117的侧壁。例如弹簧或橡皮圈的偏置部件可将倾斜表面朝向彼此偏置，使得当楔形部件远离倾斜表面移动时对接件242a、242b在偏置部件的偏置下远离侧壁移动。
在使用中，模块被安装在主构建室117中以提供通过主构建平台102的驱动机构113驱动的经减小体积的次级或从构建平台207。为了将模块安装于增材制造设备中，主构建平台102升高到主构建室117及附接到构建平台102的模块的支脚209的顶部。构建平台102随后降下以将模块下降到主构建室117中直到支架201的唇缘202与表面110啮合为止。用户通过致动螺钉241a至241d将模块夹持于构建室117中的适当位置而迫使对接件242a、242b与构建室117的壁的侧面相抵。
构建基底228通过将构建平台228升高到构建室205的顶部及定位构建基底228的中心腔室中的插销230及空腔232中的突出部231而被安装在构建平台207上。用户随后将固定件235与突出部231中的凹口237对准，以使得固定件235的拧紧迫使末端236与倾斜表面相抵而进入凹口237中。此动作引起构建基底228被朝向平台207推送而将构建基底228固定于其上。构建基底228被固定之后，构建平台102降低以定位构建基底226的上表面与支架201的上表面相平。
投配活塞210随后被调整以设定上投配头211在投配室206中的开始位置。通过旋转连杆212以将上投配头211相对于坐放头214移动而设定开始位置。基于用于构建所需要的粉末量来设定开始位置，相应地通过当完成构建时粉末床的所需要的深度来设定粉末的量。所需要的深度将取决于被构建零件的大小及定向。当上投配头211按需要定位时，夹持板224被固定以将连杆212保持在适当位置。薄的(例如2mm)的遮盖板227放置于投配头211上方以防止粉末进入头212的上表面上的凹口。
当投配头211已经定位于所要开始位置处时，可装载粉末且开始构建。这通过将构建平台102降低一层的厚度而实现，相应地，其降低构建活塞207且升高投配活塞210。刮片109随后被致动以散布所投配粉末，在支架201的上表面的上方推送，跨越安装在构建平台207上的构建基底228。任何过量粉末被推送到上溢料斗221中。跨越构建基底所形成的粉末层的所选区域随后通过在计算机130的控制下将激光束转向所择区域而熔融。随后关于后续层重复此过程直到构建完成为止。
在构建结尾时，主构建平台102升高，将次级构建平台207升高到次级构建室205的顶部使得零件可被移除且粉末被收回。用户将粉末刷拭到料斗221中而收回未固化粉末。料斗221的容积等于可装载到投配室206中的粉末的最大的量。料斗221可随后从支架201脱离以用于收回粉末。举例来说，把手250可附接到料斗221以用于移除料斗221。把手包括在其中的孔洞251，粉末可在构造结束时从该孔洞倒入(例如)滤筛中。
将理解，在不脱离如本文中所描述的本发明的范围的情况下可对上述实施例作出修改和更改。举例来说，模块可具有其自身的专用驱动机构，而不是将构建平台207附接到主构建平台102。模块可包括连接在公共转轴上的两个小齿轮，而不是单个小齿轮，该等小齿轮的齿轮传动被布置以使得针对由构建平台207向下移动的距离，投配活塞210向上移动更大的距离。此类布置可有利于确保分配充足的粉末从而形成层。

Claims (14)

1.一种用于插入到增材制造设备的主构建室的模块，所述主构建室包括在所述主构建室中可降低以界定一构建体积的主构建平台，所述主构建平台通过驱动机构降低，所述模块包括：
可安装于所述主构建室中的固定位置中的支架，所述支架界定投配室和次构建室以提供经减小的构建体积；
次构建平台，其在零件的增材制造期间在所述次构建室中可移动以用于支撑粉末床；及
投配活塞，其在所述投配室中可移动以将粉末从所述投配室推出，
其中所述次构建平台可连接到所述主构建平台的所述驱动机构。
2.根据权利要求1所述的模块，其中，所述次构建平台及投配活塞被配置为机械地耦合到所述驱动机构，所述驱动机构用于驱动所述主构建室中的所述主构建平台的移动。
3.根据权利要求2所述的模块，其中，所述次构建平台及投配活塞被配置为经由所述主构建平台而机械地耦合到所述驱动机构，以使得所述主构建平台的向下移动引起所述次构建平台在所述次构建室中的向下移动及所述投配活塞在所述投配室中的向上移动。
4.根据前述权利要求中任一权利要求所述的模块，其中，将所述次构建平台机械地耦合到所述投配活塞的机构为齿轮机构。
5.根据权利要求4所述的模块，其中，所述齿轮机构包括一个或多个小齿轮，该一个或多个小齿轮被配置为啮合被连接到所述次构建平台的齿条及被连接到所述投配活塞的齿条，从而使得所述次构建平台的移动向下驱动所述一个或多个小齿轮的旋转，所述旋转反过来驱动所述投配活塞的向上移动。
6.根据权利要求5所述的模块，其中，所述齿轮机构包括啮合被连接到所述次构建平台的所述齿条及被连接到所述投配活塞的所述齿条两者的单个小齿轮。
7.根据权利要求5所述的模块，其中，所述齿轮机构包括关于公共轴线安装的两个小齿轮，所述小齿轮中的一个与和所述次构建平台连接的所述齿条啮合，且另一个小齿轮与被连接到所述投配活塞的所述齿条啮合以便形成齿条与小齿轮机构对。
8.根据权利要求7所述的模块，其中，所述齿条及小齿轮机构对的齿轮传动被布置为使得由所述投配活塞移动的距离不等于由所述次构建平台移动的距离。
9.根据前述权利要求1至3中任一权利要求所述的模块，其中，所述投配室中的所述投配活塞的投配头的开始位置是可调整的。
10.根据前述权利要求1至3中任一权利要求所述的模块，其中，所述投配室的横截面积大于所述次构建室的对应横截面积。
11.根据前述权利要求1至3中任一权利要求所述的模块，其中，将所述次构建平台的移动机械地耦合到所述投配活塞的移动的机构被布置为使得就所述次构建平台向下的移动而言，所述投配活塞向上移动较大距离。
12.根据前述权利要求1至3中任一权利要求所述的模块，其中，所述支架进一步界定用于获取散布在所述次构建室之外的过量粉末的料斗。
13.一种使用增材制造构建零件的方法，包括将根据前述权利要求中任一权利要求所述的模块插入增材制造设备中且在所述模块的所述次构建室中构建所述零件。
14.一种增材制造设备，包括根据权利要求1至12中任一权利要求所述的模块。
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