CN107000120A - 反应性金属冷凝物在增材制造中的中和 - Google Patents

Abstract

具有构建室的增材制造系统具有产生卤化物气体的卤化物容器和具有纤丝的解离室。金属冷凝物与所述卤化物气体接触以形成气态金属卤化物化合物。所述气态金属卤化物化合物被分解以在纤丝上沉积金属。在实施例中，钛与气态碘反应形成气态四碘化钛。

Description

反应性金属冷凝物在增材制造中的中和

技术领域

本发明涉及增材制造(AM)，更具体地说，涉及冷凝物在AM系统中的中和。

背景技术

AM能够通过铺设连续的材料层的增材工艺从数字模型或另一电子数据源制造三维物体。使用激光束或电子束将预先整平的粉末表面层熔合成固体材料薄片。然后将另一层粉末施加在先前熔合的薄片的顶部上，并重复该过程直到逐层构建出三维物体。这个工艺被称为例如粉末床熔合(powder bed fusion，PBF，或称为粉末床熔融)、激光选择性熔融或直接激光金属烧结。该工艺可以应用于能够熔合在一起的金属、塑料或其它材料。

AM工艺可以在填充有惰性气体的室中进行，以防不希望的化学反应或熔融金属的氧化。该惰性气体可以是，例如，氩气。在例如金属的层熔合工艺中，熔池的表面过热并蒸发。蒸发的材料在惰性气氛中冷却并冷凝成纳米尺寸的粉尘，这里称为“冷凝物”。这些冷凝物颗粒的直径或最长尺寸可以为约10nm至100μm。该冷凝物最初悬浮在室内的惰性气体中。室内的冷凝物可以沉降在表面上，或作为烟雾仍然悬浮在惰性气体中。这会造成安全隐患，因为在氧气的存在下，冷凝物可能是高反应活性的，这可能导致爆炸或火灾的严重风险。

图1是现有技术的AM系统100的示意图。所述AM系统100包括构建室101，其是层熔合工艺发生的地方。为了降低对人员的危险，惰性气体的对流可以引导冷凝物离开构建室101。惰性气体和悬浮的冷凝物(由实心箭头表示)可被泵送通过过滤器102以捕获固体材料。然后使用循环风扇103将含有较少冷凝物或甚至没有冷凝物(由虚线箭头表示)的惰性气体泵送到构建室101。大量的冷凝物可以在过滤器102中被捕获，但是过滤器102不能捕获所有的冷凝物，并不是所有的冷凝物都可以被引导离开构建室101。因此，尽管一些冷凝物被引向过滤器102，但是大部分冷凝物可能积聚在室101中及其周围。

沉降的冷凝物可以积聚在室101的壁上，激光束被引导而穿过的透明窗口上，或正在被制造的物体上。如果冷凝物沉降在透明窗口上，则激光束可能被遮挡，并且AM工艺可能被中断或削弱。这可能导致质量差的零件的生产。例如，物体在AM系统中可能需要10到200个小时来构建。然而，由于形成的沉积物，透明窗口在仅使用约5小时后可能会被遮挡。如果透明窗口被遮挡，可能需要暂停和清扫系统。

在正在制造的物体上积聚的任何冷凝物都能够影响该物体的质量或性质。例如，冷凝物可以降低保真度或影响正在制造的物体的形状、尺寸或物理性质。积聚的冷凝物甚至可以破坏正在制造的物体。因此，由于冷凝物的存在，在室101和透明窗口需要清洁之前可能存在最大的构建时间。这可能使AM不适合制造大型或几何复杂的物体。

在室101的壁上积聚的冷凝物可能是火灾风险，其在手动清洁期间给操作者带来安全问题。冷凝物中的一些材料在空气中可能是高反应活性的，如果已经积聚了足够的冷凝物并且室101被打开以用于清洁或维护，则可能导致自发着火。例如，在激光加工期间可能形成钛或铝冷凝物。钛或铝粉尘是火灾危害物，当暴露在空气中时，可能会造成爆炸危害。在清洁室101时，尤其是在清扫过程中使用的真空吸尘器或其他清洁设备中，可能会发生火灾或爆炸。在清理冷凝物或处理被冷凝物污染的过滤器102时发生过严重事故。

被污染的过滤器102必须在更换期间手动移除并在危险废物专用设备中处理。更换或处理过滤器102会增加自燃和严重事故的风险。已经有数次在过滤器清洁或更换过程中的伤害被报道。为了减少过滤器102的火灾风险，过滤器102的尺寸保持较小。但是，这限制了AM工艺中在过滤器102必须更换之前的最大构建时间。此外，不是所有的冷凝物都被收集在过滤器102中，并且在室101中的爆炸或火灾风险仍然存在。

因此，需要一种在AM期间的冷凝物中和的系统和方法，更具体地，中和在AM工艺期间的凝结物的系统和方法，其将冷凝物转化为安全形式。

发明内容

金属冷凝物可以通过将其转化为金属的安全化合物或安全形式来被中和。钛是可以被转化的金属冷凝物的一个例子。在一个示例中，反应性钛纳米尺度的冷凝物被转化为惰性的宏观尺度的钛沉积物。这可以是一个封闭的过程。

附图说明

为了更全面地理解本发明的性质和目的，应参考结合附图进行的以下详细描述，其中：

图1是现有技术的AM系统的示意性框图；

图2表示可用于根据本发明一种实施方式的AM系统中的化学反应工艺；

图3是根据本发明的一种实施方式的使用卤化物气体的AM系统的示意性框图；

图4是表示使用图3的AM系统的工艺的流程图；

图5是根据本发明的另一种实施方式的使用卤化物气体的AM系统的示意性框图；

图6是表示使用图5的AM系统的工艺的流程图；

图7是根据本发明的另一种实施方式的使用卤化物气体的AM系统的示意性框图；和

图8是表示使用图7的AM系统的工艺的流程图。

具体实施方式

虽然将根据某些实施方式来描述所要求保护的主题，但本发明的范围还涵盖其它实施方式，包括未提供本文所陈述的所有益处和特征的那些实施例。在不脱离本发明范围的情况下，可以进行各种结构改变、逻辑改变、工艺步骤改变和电子改变。因此，本发明的范围仅通过参考所附权利要求来限定。

图2表示可用于体现本发明的AM系统的化学反应工艺。固体卤化物在步骤120中汽化。形成的气态卤化物与金属冷凝物接触。虽然钛被具体公开为金属冷凝物，但也可以使用铝、钒或其它金属。这在步骤121中引发反应。在步骤122中形成气态金属卤化物化合物。使用纤丝(filament，或称为长丝)将金属与卤化物分离并在步骤123中使反应逆转。然后在步骤124中将气态卤化物冷却并固化。

例如，固体卤化物可以是含碘的固体材料。I(s)可通过将其温度升高至例如约150℃以上而汽化。AM系统中的压力也可能会降低。固体钛冷凝物与I₂(g)利用以下反应进行反应形成TiI₄(g)：

Ti(s)+2I₂(g)→TiI₄(g)

可以将纤丝控制为约1400℃以使用以下反应分离TiI₄(g)：

TiI₄(g)→Ti(s)+2I₂(g)

当冷却时，I₂(g)将固化成I(s)。例如，I₂(g)可以被冷却到150℃以下以形成I(s)。在固化过程中，AM系统中的压力可能会增加。

可以基于例如冷凝物中的金属、AM工艺参数、正在制造的部件或期望的冷凝物去除水平来选择特定的卤化物或气态卤化物种类。可以使用其它卤素如F₂、Br₂或Cl₂代替I₂。也可以使用不同卤化物或一种或多种卤化物与其它气态物质的混合物。熔化固体卤化物材料、冷凝气态卤化物材料、解离气态金属卤化物化合物、加热AM系统中的部件或冷却AM系统中的部件的温度可基于所述用的卤化物、卤化物混合物或气体混合物的汽化温度和冷凝温度而变化。

图3是使用卤化物气体的AM系统200的实施方式的示意图。在图3中，实心箭头表示惰性气体和悬浮的冷凝物，虚线箭头表示含有较少的冷凝物甚至不含冷凝物的惰性气体。较少的冷凝物是指由虚线箭头表示的流比由实线箭头表示的流具有更少的冷凝物。

发生AM工艺的构建室201位于过滤器202和循环风扇204的上游。构建室201可以使用例如激光束或电子束。构建室201和过滤器202之间是阀V1和V4。构建室201和循环风扇204之间是阀V1和V2。

循环风扇204的下游是卤化物容器205和解离室206。解离室206和过滤器202通过阀V3和风扇203连接到构建室201。

卤化物容器205连接到构建室201并且具有被配置为产生气态卤化物的卤化物气体源。卤化物容器205包括用于升高固体卤化物材料的温度并汽化固体卤化物材料的加热系统。这产生了气体卤化物，例如I₂。

解离室206具有可更换的纤丝，其可由钨或其它材料制成。解离室206中的纤丝可以放置在气态卤化物或气态金属卤化物化合物的流路中。

图3的实施方案可以用于清洁过滤器202。图4是表示使用图3的实施方案的工艺的图。在步骤300中，阀V1和V3关闭，阀V2和V4打开。过滤器202和卤化物容器205在步骤301中被加热以汽化固体卤化物材料并形成气态卤化物。解离室206中的纤丝在步骤302中被加热。气态卤化物在阀V1和V3之间循环。在步骤303中，气态卤化物与金属冷凝物反应形成气态金属卤化物化合物。在步骤304中，将气态金属卤化物化合物循环至解离室206，并且金属解离到纤丝上。在此，金属可以收集、聚结、或以其它方式沉积在纤丝上。一旦完成清洁，在步骤305中冷却卤化物容器205，使气态卤化物冷凝。然后在步骤306中打开阀V1、V3和V4并关闭阀V2。

为了清洁构建室201，打开图3中的所有的阀V1、V2、V3和V4，或仅关闭阀V4且打开阀V1、V2和V3。这使得气态卤化物循环到构建室201。

当过滤器202被充分清洁并且冷凝物已经沉积在解离室206中的纤丝上时，卤化物气体被输送回卤化物容器205以固化。固体卤化物材料可以保持固体形式，直到需要另一清洁循环。AM系统200的其它部件可以保持在升高的温度以防止或减少除了在卤化物容器205中的固化。

解离室206中的纤丝(其可以是钨丝)被周期性地更换。用过的纤丝可以被丢弃。在钛冷凝物的示例中，钛金属粘附到纤丝上，并且在氧的存在下是惰性的。因此，纤丝通常可以安全地处理和处置。

图5是使用卤化物气体的AM系统400的另一种实施方案的示意图。在图5中，实线箭头表示惰性气体和悬浮的冷凝物，虚线箭头表示含有较少的冷凝物或甚至不含冷凝物的惰性气体。较少的冷凝物是指由虚线箭头表示的流比由实线箭头表示的流含有更少的冷凝物。

发生AM工艺的构建室401可以使用例如激光束或电子束。构建室401在过滤器402和循环风扇404的上游。构建室401和过滤器402之间是阀V1。构建室401和循环风扇404之间是阀V2。

循环风扇404的下游是卤化物容器405和解离室406。解离室406和过滤器402通过阀V3和风扇403连接到构建室401。卤化物容器405可以类似于图3中的卤化物容器205。解离室406可以类似于图3中的解离室206。

在解离室406的下游在该解离室406和阀V3之间的是加热器407。为了钛碘化反应的发生，气态卤化物可能需要保持热(例如≥350℃)。加热器407有助于在该温度下维持气态卤化物。

加热器407还可以附接到构建室401中或者设置在构建室401中。离开卤化物容器405的气态卤化物是热的。如果AM系统400中的管道加了保温套(lagged)，则气态卤化物将保持是热的。构建室401可以包括加热器407以将气态卤化物保持在所需温度。

图5的实施方案可以用于清洁构建室401。图6是表示使用图5的实施方案的工艺的图。在步骤500中，阀V1关闭，阀V2和V3打开。在步骤501中，加热构建室401和卤化物容器405以汽化固体卤化物材料并形成气态卤化物。在步骤502中，加热解离室406中的纤丝。在步骤503中，气态卤化物循环并与金属冷凝物反应形成气态金属卤化物化合物。在步骤504中，将气态金属卤化物化合物循环到解离室406，并且金属解离到纤丝上。在此，金属可以收集、聚结或以其它方式沉积在纤丝上。一旦完成清洁，在步骤505中冷却卤化物容器405，使气态卤化物冷凝。然后在步骤506中打开阀V1并关闭阀V2或关闭阀V2和V3。

图7是使用卤化物气体的AM系统600的另一种实施方案的示意图。在图7中，实线箭头表示惰性气体和悬浮的冷凝物，虚线箭头表示含有较少的冷凝物或者甚至不含冷凝物的惰性气体。较少的冷凝物是指由虚线箭头表示的流比由实线箭头表示的流含有更少的冷凝物。

发生AM工艺的构建室601可以使用例如激光束或电子束。构建室601在过滤器602和循环风扇604的上游。过滤器602的下游是阀V1、V2和V3。V1位于过滤器602和风扇603之间。V2位于过滤器602和循环风扇604之间。V3在加热器607和风扇603之间。

循环风扇604的下游是卤化物容器605和解离室606。卤化物容器605可以类似于图3中的卤化物容器205。解离室606可以类似于图3中的解离室206。加热器607可以类似于图5中的加热器407。

图7的实施方案可以用于清洁构建室601和过滤器602。图8是表示使用图7的实施方案的工艺的图。在步骤700中，关闭阀V1并打开阀V2和V3。在步骤701中，加热构建室601和卤化物容器605以汽化固体卤化物材料并形成气态卤化物。在步骤702中，解离室606中的纤丝被加热。在步骤703中，气态卤化物循环并与金属冷凝物反应形成气态金属卤化物化合物。在步骤704中，将气态金属卤化物化合物循环到解离室606，并且金属解离到纤丝上。在此，金属可以收集、聚结或以其它方式沉积在纤丝上。一旦完成清洁，在步骤705中冷却卤化物容器605以使气态卤化物冷凝。然后在步骤706中打开阀V1并关闭阀V2和V3。

卤化物容器可以位于构建室的上游或下游。在可选的实施方式中，卤化物容器位于构建室的上游，并且解离室位于构建室的下游。当然，其它设计也是可以的。

当卤化物气体在解离室206、406或606中固化时，图3、图5或图7所示的线路可以保持在升高的温度。这防止了固体卤化物沉积在AM系统200、400或600中的其它位置。加热器可以位于多个室或气体管线中以防止这种固化。然而，气态卤化物的温度可以被控制在特定范围内，以防止气态卤化物过度腐蚀壁材料。

在构建工艺期间或在构建工艺的步骤之间，气态卤化物可在构建室201、401或601中循环。对正在制造的部件或构建室201、401或601中的粉末的影响可以是可忽略的、可以被控制或可以被补偿。

在另一种实施方案中，本领域技术人员已知的静电或其它方法可用于使金属卤化物化合物或冷凝物会聚在加热的丝线上，例如解离室206、406或606中的纤丝。

没有与气态卤化物反应的冷凝物仍可在解离室206、406或606中熔融，并在熔融金属冷却后形成沉积物。

本文公开的清洁方法可以与构建室201、401或601中的构建工艺分开。如果对正在制造的部件的影响是可忽略的、可以被控制的或可以被补偿的，清洁方法也可以在构建工艺期间在构建室201、401或601中使用。

本文公开的清洁方法可以是封闭循环或开放循环。根据卤化物和反应产物的性质，开放循环是可能的。

使用AM工艺制造的部件可以具有其上具有部分熔合或松散的粉末颗粒的表面。这些颗粒在组装和使用期间分离，并且可能在部件操作期间引起后续问题。这种颗粒可能较小并且可能具有大的相对表面积。例如，这些颗粒的尺寸可以为约15μm至45μm。当暴露于气态卤化物时，颗粒可以在反应中被消耗并从部件上除去。部件的表面可能没有松散或部分附着的颗粒从而不需要随后的珠光处理(bead blasting，又称为喷砂处理)、HF处理或其它颗粒去除步骤。因此，该清洁方法也可以在AM工艺过程中使用或作为AM工艺的附加步骤用于清洁正在制造的部件。

在可选的实施方案中，单独的清洁室位于AM系统中。该清洁室可以连接到解离室和卤化物容器。使用附加的阀和气体管线将卤化物气体流动到该清洁室。完成的或未完成的部件可以从构建室移动到清洁室以去除颗粒。还可以使用具有解离室和卤化物容器的单独的独立清洁柜(cleaning booth，或称为清洁棚)来替代连接到AM系统的清洁室。

使用本文公开的实施方案，由于危险冷凝物的消除或减少，AM工艺的安全性得到改善。人员可能不需要处理被冷凝物污染的过滤器或清洁污染的构建室。由于消除了有害废物，制造成本下降。构建室和透明窗口将保持更长时间的清洁，这将延长构建时间，提高系统正常运行时间，并减少必要的预防性维护。激光光学器件将保持更长时间的清洁，这将提供改善的激光束质量和改善的产品质量、保真度和一致性。使用AM工艺生产的部件可以更干净或具有更少的附着在表面上的不期望的颗粒。可以提供这些优点而不会影响使用AM工艺制造的部件的质量。

以下是为了说明的目的并不旨在限制而呈现的示例性权利要求。

Claims (22)

1.一种增材制造系统，包括：

构建室；

激光源，配置用于引导激光束到所述构建室中从而在所述构建室中形成金属冷凝物；

连接到所述构建室的卤化物容器，其中所述卤化物容器包括卤化物气体源；和

连接到所述卤化物容器的解离室，其中所述解离室包括纤丝。

2.根据权利要求1所述的增材制造系统，其中所述卤化物气体源被配置为从固体卤化物材料产生气态卤化物。

3.根据权利要求2所述的增材制造系统，其中所述气态卤化物是I₂。

4.根据权利要求1所述的增材制造系统，其中所述纤丝由钨制成。

5.根据权利要求1所述的增材制造系统，其中所述卤化物容器位于所述构建室的下游，并且所述解离室位于所述卤化物容器的下游。

6.根据权利要求5所述的增材制造系统，还包括在所述构建室下游与所述卤化物容器和所述解离室并联的过滤器。

7.根据权利要求1所述的增材制造系统，其中所述卤化物容器包括加热系统。

8.一种方法，包括：

将激光束引导到增材制造系统的构建室中，从而形成金属冷凝物；

将所述金属冷凝物与气态卤化物接触以形成气态金属卤化物化合物；

将所述气态金属卤化物化合物输送至纤丝；

在所述纤丝存在下分解所述气态金属卤化物化合物；和

在所述纤丝上沉积气态金属卤化物的金属。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述金属冷凝物包括钛。

10.根据权利要求8所述的方法，其中所述气态卤化物包括I₂。

11.根据权利要求8所述的方法，其中所述气态金属化合物包括TiI₄。

12.根据权利要求8所述的方法，还包括加热固体卤化物材料以产生所述气态卤化物。

13.根据权利要求8所述的方法，还包括将所述气态卤化物从所述纤丝输送到过滤器或所述构建室。

14.根据权利要求8所述的方法，还包括将所述气态卤化物输送到卤化物容器并将所述气态卤化物固化成固体卤化物材料。

15.根据权利要求8所述的方法，还包括更换所述纤丝。

16.一种从部件的表面除去颗粒的方法，包括：

将激光束引导到增材制造系统的构建室中以形成部件；和

使所述部件与气态卤化物接触，从而从所述部件的表面除去颗粒。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述颗粒包括粉末颗粒。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述粉末颗粒部分地熔合到所述表面。

19.根据权利要求16所述的方法，其中所述接触发生在所述引导期间或所述引导之后的至少一个期间。

20.根据权利要求16所述的方法，其中所述接触发生在所述构建室或与所述构建室分离的清洁室中的至少一个中。

21.一种增材制造系统，包括：

构建室；

激光源，配置用于引导激光束到所述构建室中从而在所述构建室中形成金属冷凝物；

连接到所述构建室的卤化物容器，其中所述卤化物容器包括卤化物气体源；

连接到所述卤化物容器的解离室，其中所述解离室包括纤丝；和

连接到所述解离室和卤化物容器的清洁室。

22.一种增材制造系统，包括：

构建室；

激光源，配置用于引导激光束到所述构建室中从而在所述构建室中形成金属冷凝物；和

清洁柜，包括：

清洁室；

连接到所述清洁室的卤化物容器，其中所述卤化物容器包括卤化物气体源；和

连接到所述卤化物容器的解离室，其中所述解离室包括纤丝。