CN107771109B - 在增材制造中的材料分配和压实 - Google Patents

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Abstract

一种用于形成零件的增材制造设备包括支撑件、用于在支撑件上或支撑件上的下层上输送第一颗粒层的第一分配器、用于将第二颗粒输送至第一颗粒层上以使得第二颗粒渗入第一颗粒层的第二分配器、用于熔融第一颗粒与第二颗粒以形成零件的熔融层的能量源，及耦接至所述第一分配器、第二分配器和能量源的控制器。

Description

在增材制造中的材料分配和压实
技术领域
本说明书涉及增材制造，也被称为3D打印。
背景技术
增材制造(AM)，也被称为实体自由成形制造或3D打印，是指其中三维物体从原料(通常为粉末、液体、悬浮液或熔化固体)以一系列的二维层或横截面而堆积的任何制造工艺。相比之下，传统机械加工技术涉及减材工艺并且生产从诸如木头块、塑料块或金属块的原料切出的物体。
在增材制造中可以使用各种增材工艺。各种工艺在层沉积以形成完成物体的方式和在每个工艺中可相容地使用的材料上有所不同。一些方法熔化或软化材料以生产层，例如，选择性激光熔化(SLM)或直接金属激光烧结(DMLS)、选择性激光烧结(SLS)、熔融沉积成型(FDM)，而另外一些方法则使用不同技术(例如，立体光刻(SLA))固化(cure)液体材料。
烧结是熔融小粒(例如，粉末)的工艺。烧结通常涉及加热粉末。相较熔化来说，烧结中使用的粉末在烧结工艺期间不需要达到液相。当在烧结工艺中将粉末状的材料加热至低于或接近熔点的温度时，粉末颗粒中的原子扩散穿过颗粒边界，从而将颗粒熔融在一起以形成固体件。由于烧结温度不必达到材料的熔点，常对诸如钨和钼的具有高熔点的材料使用烧结。
使用激光束作为用于烧结或熔化粉末状的材料的能量源的常规系统一般在粉末状的材料的层中的选定点上引导激光束并且将所述激光束跨层选择性光栅扫描到位。一旦已烧结或熔化第一层上的所有选定位置，新的粉末状的材料的层在已完成层的顶部上沉积并且所述工艺逐层重复直至生产出期望物体。
电子束也可用作引起材料中烧结或熔化的能量源。同样，电子束需要跨层光栅扫描以完成特定层的处理。
发明内容
一般来说，在一方面，一种增材制造的方法包括在支撑件上相继形成多个层。从多个层沉积层包括在支撑件上或下层上分配第一颗粒层、将第二颗粒分配至第一颗粒层上以使得第二颗粒渗入第一颗粒层中、以及熔融第一颗粒和第二颗粒以从多个层形成层。第一颗粒具有第一平均直径，并且第二颗粒具有至多是第一平均直径的二分之一的第二平均直径。
实现方式可以包括以下特征的一个或多个。分配第一颗粒层可以包括(例如)利用叶片或辊跨支撑件或下层而推动第一颗粒。分配第一颗粒层可以包括从旋转辊中的孔(aperture)喷射第一颗粒。可以从靠近支撑件的粉末输送床推动第一颗粒。分配第二颗粒可以包括将第二颗粒从喷嘴喷射至第一颗粒层上。喷射第二颗粒可以包括喷洒含有第二颗粒的载体流体。流体可以蒸发。
在熔融第一颗粒与第二颗粒之前，可以压实已渗入第二颗粒的第一颗粒层。例如，旋转辊可以压在已渗入第二颗粒的第一颗粒层上。可以形成具有在第一平均直径的一倍至四倍之间的厚度的第一颗粒层。第二平均直径可以至多是第一平均直径的四分之一。第二平均直径可以是约100nm至10μm。
在分配第一颗粒层之前，可以分配具有第三平均直径的第三颗粒层，第三平均直径至多是第一平均直径的二分之一。第一颗粒层可以分配至第三颗粒层上，并且可以熔融第一颗粒、第二颗粒和第三颗粒以从多个层形成层。
形成多个层可以包括形成第一层和第二层。形成第一层可以包括通过利用第一辊侧向推动第一颗粒来分配第一颗粒的第一层、将第二颗粒分配至第一颗粒的第一层上、以及利用第二辊压实第一颗粒和第二颗粒的第一层，其中第一辊和第二辊在第一方向中水平移动。形成第二层可以包括通过利用第二辊侧向推动第一颗粒来分配第一颗粒的第二层、将第二颗粒分配至第一颗粒的第二层上、以及利用第一辊压实第一颗粒和第二颗粒的第二层，其中第一辊和第二辊在与第一方向相反的第二方向中水平移动。
第一颗粒和第二颗粒可以通过将激光束施加至第一颗粒和第二颗粒的层来熔融。第一颗粒和第二颗粒可以具有相同的材料组成。分配第二颗粒可以包括在逐层基础上选择性地控制第二颗粒的分配以在所制造的物体中提供不同密度的层、或控制在层内第二颗粒的分配以在所制造的物体的层内提供不同密度的区域。
另一方面，一种用于形成零件的增材制造设备包括支撑件、用于在支撑件上或支撑件上的下层上输送第一颗粒层的第一分配器、用于将第二颗粒输送至第一颗粒层上以使得第二颗粒渗入第一颗粒层的第二分配器、用于熔融第一颗粒与第二颗粒以形成零件的熔融层的能量源以及耦接至第一分配器、第二分配器和能量源的控制器。
实现方式可以包括以下特征的一个或多个。第一分配器可以被配置以在横跨层并且被配置以在平行于支撑件表面的第一方向中侧向移动的第一区域中输送第一颗粒层。第二分配器可以被配置以在横跨层并且被配置以在第一方向中侧向移动的第二区域中输送第二颗粒。第一分配器可以包括用于在平行于支撑件表面的第一方向中侧向推动第一颗粒的辊或叶片。第一分配器可以包括靠近支撑件的粉末输送床。
第二分配器可以包括用于喷射第二颗粒的喷嘴或喷嘴阵列。阵列中的喷嘴可以由控制器独立控制。喷嘴可以被配置以喷洒含有第二颗粒的载体流体。
辊可以被定位以压实第一颗粒和第二颗粒的层。第一分配器可以包括用于在平行于支撑件表面的第一方向中侧向推动第一颗粒的第一辊，并且设备可以包括用于压实第一颗粒和第二颗粒的层的第二辊。线性(linear)致动器可以在第一方向中移动第一辊和第二辊。电动机可以旋转第一辊和第二辊。线性致动器可以被配置以利用第一辊和第二辊来移动能量源。第一辊和第二辊可以具有相同的直径。
控制器可以被配置以在形成零件的第二层期间引起线性致动器在与第一方向相反的第二方向中移动第一辊和第二辊，使得第二辊在第二方向中侧向推动第一颗粒并且第一辊压实第二层的第一颗粒和第二颗粒。第一辊可以具有与第二辊相比较大的直径。
能量源可以是激光。设备可以包括用于竖直移动支撑件的致动器。控制器可耦接至致动器并且被配置以在形成零件的层期间引起致动器将支撑件保持在固定竖直位置中。控制器可以被配置以引起第二分配器在逐层基础上选择性分配第二颗粒来在所制造的物体中提供不同密度的层。控制器可以被配置以引起第二分配器在层内选择性分配第二颗粒来在所制造的物体的层内提供不同密度的区域。
第一颗粒可以具有第一平均直径，并且第二颗粒具有至多是第一平均直径的二分之一的第二平均直径。第二平均直径可以是约100nm至10μm。
可实施本说明书中描述的主题的特定的实施方式来实现以下优点的一个或多个。粉末状的材料的层在熔融之前实现增强的物理压实，这可能会减小最终层的物理收缩。也可改善所制造的零件的尺寸准确度，并且针对多种几何形状来说，必需的软件和工艺补偿需求可以较不严格。也可分配多种不同材料，同时控制粉末状层的孔隙率水平和其他机械功能。功能分级可以通过控制孔隙率水平或通过逐层选择性沉积不同材料来实现，并且针对一些实现方式，通过在层内选择性沉积不同材料来获得。所述方式可适用于各种各样具有变化的颗粒形态的基本(primary)颗粒组成和大小。
在本说明书中描述的主题的一个或多个实施方式的细节在附图和以下描述中阐述。本主题的其他潜在特征、方面和优点将从描述、附图和权利要求书中变得显而易见。
附图说明
图1A示出了示例增材制造设备。
图1B示出了示例增材制造设备的顶视图。
图2A至图2B示出了用于将第二粉末颗粒引入粉末层中的分配和层化(layering)的示例工艺。
图3示出了使用叶片将第二粉末颗粒双向层化并压实至粉末层中的示例工艺。
图4示出了使用一对副辊将第二粉末颗粒双向层化并压实至粉末层中的示例工艺。
图5A至图5C示出了使用与分配喷嘴整合的一个或多个辊进行粉末颗粒的层化和压实的示例工艺。
在各图中，相同的参考数字和符号指示相同的元件。
具体实施方式
粉末颗粒大小、粘结剂粘度、液滴大小、和打印层厚度是决定3D打印工艺的强度和表面质量的因素。粉末颗粒的粉末大小和均匀分散影响3D打印工艺。如果粉末大小过小，那么由于粉末可流动性，粉末将不在薄层中扩散，并且辊可过压(overpress)粉末。
在由能量源熔融之前的粉末层的压实(例如，密度)可有助于获得关于所打印的零件的期望结构完整性和尺寸准确度。低粉末压实密度在熔融工艺期间可以产生显著空间收缩，所述显著空间收缩可以导致所制造的零件的不良尺寸准确度并且影响所制造的零件的长期结构完整性和美观性。
用于解决物理收缩、减小在熔融层之间的孔隙率、以及获得的所打印零件的表面质量的方式存在各种挑战。可以采用沿着堆积平面的空间收缩的软件补偿来解决物理收缩。在熔融之前也可使用较厚的粉末层来补偿竖直方向的收缩。相似地，沿着XY堆积平面的物理收缩可以经由零件设计的校正(例如，延伸物理尺寸)的横截面轮廓来补偿。然而，由于几何复杂性，当在材料之间转换时，这些方式不提供一致性。
双模态(bi-modal)或三模态(tri-modal)分布的颗粒可以用于减小熔融层的孔隙率。然而，由于颗粒聚集，在层化工艺期间使用双模态或三模态分布的颗粒存在粉末可流动性的挑战。具体来说，当较大比例的分布朝向较小的颗粒大小倾斜时，此问题可出现。通过将大颗粒层分配至支撑件上，并且随后将较小颗粒分配至较大颗粒的层上，可以实现具有较高密度的层。此外，层的选择性致密化可以通过选择性沉积较小颗粒来获得。
图1A示出了示例增材制造设备100，例如，选择性激光烧结系统(SLS)、选择性激光熔化(SLM)或电子束熔化系统。增材制造设备100包括用于保持粉末床(在粉末床中制造物体)的支撑件142、被配置以输送第一颗粒层并将较小第二颗粒输送至第一颗粒层上的粉末输送系统132、以及用于产生足够的热量来熔融粉末的能量源。
支撑件142可连接至活塞114，活塞114控制支撑件142的竖直高度。在已分配并熔融每层粉末之后，活塞114使支撑件142和支撑件142上的任何粉末层降低一层的厚度，使得组件准备好接收新粉末层。
粉末输送系统包括用于将第一粉末颗粒104的层输送至支撑件142上或先前在支撑件142上分配的层上的第一分配器、以及用于将较小的第二粉末颗粒124输送至第一粉末颗粒104的外层上的第二分配器。相继沉积并熔融的粉末层形成所制造的物体110。
用于第一粉末颗粒104的材料包括金属(例如，钢、铝、钴、铬、和钛)、合金混合物、陶瓷、复合物、和湿型砂(green sand)。
在一些实现方式中，第一分配器包括用于支撑靠近支撑件142的粉末输送床102的粉末输送工作台(platen)112。壁146可以从支撑件142和制造粉末床106分开粉末输送工作台112和粉末输送床102。粉末输送活塞108控制粉末输送工作台112的竖直运动。粉末输送活塞108的竖直运动控制来自粉末输送床102的第一粉末颗粒104的分配(disbursement)。粉末输送活塞108使粉末输送工作台112竖直向上移动一定高度，使得将提供足够的粉末颗粒以在支撑件142上方形成均匀厚度的层。
第一分配器也包括用于将第一粉末颗粒104从粉末输送床102移位至制造粉末床106以形成粉末材料144的层的粉末输送装置，例如，叶片或辊。例如，叶片或辊可以从粉末输送床102跨制造粉末床106推动粉末以形成粉末材料144的层。
粉末材料的每一层可以是单个颗粒厚，或粉末材料的每一层可以具有产生于多个第一粉末颗粒104的堆叠的厚度。例如，每层粉末材料可以具有近似第一粉末颗粒的平均直径的一倍至四倍的厚度。
分配器可以包括用于推动第一粉末颗粒104的至少一个辊。例如，在图1A所示的实现方式中，增材制造设备100包括主辊116和副辊118。主辊116可以侧向移动(即，平行于支撑件142的表面和支撑件142上的任何粉末材料层)以将第一粉末颗粒104从粉末输送床102推动至制造粉末床106来形成粉末材料的最外层。可以设定在制造粉末床106的顶部之上的主辊116的高度以输送期望厚度的第一粉末材料。副辊118可以将所分配的第二粉末颗粒124压实至粉末材料层的空隙中。如果最终厚度超出期望厚度(例如，第一粉末颗粒的平均直径的一倍至四倍)，那么所述工艺可以重复。
在一些实现方式中，一个或两个辊具有辊表面的主动温度控制，例如，通过使冷却剂跨辊的内芯而流动(run)。辊可以由金属(例如，不锈钢、镍合金、钛、或陶瓷涂覆的金属)制成。辊可以具有近似0.05μm-5μm的算术平均表面粗糙度(Ra)。
可选地，为了防止粉末颗粒(例如，第一粉末颗粒104或第二粉末颗粒124)粘附至辊，第一分配器包括用于清洁一个或多个辊(例如，主辊116和/或副辊118)的一个或多个叶片(例如，叶片120a和/或120b)。当用于防止粉末颗粒粘附至辊时，叶片非常靠近辊而定位以当辊旋转时有效地从辊刮下任何粉末颗粒。叶片大致处于小于所分配的颗粒的最小直径的距离处，例如，处于小于或等于分配的最小颗粒的直径的一半的距离处。
在一些实现方式中，不是辊，而是叶片(例如，如图2B所示的叶片204)用于将粉末颗粒从粉末输送床102推动至制造粉末床106来形成粉末材料层。在其他实现方式中，与从靠近支撑件的分配床推动粉末不同，第一分配器包括分配阵列，所述分配阵列可在支撑件142上方定位并且从喷嘴喷射颗粒。例如，分配阵列可以在载体流体(例如，高蒸气压载体，例如，异丙醇(IPA)、乙醇、或N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP))中输送第一粉末颗粒以形成粉末材料层。载体流体可以在层的烧结步骤之前(例如，在分配第二颗粒之前)蒸发。或者，可以采用干燥分配机构(例如，由超声搅拌和加压的惰性气体辅助的喷嘴阵列)来分配第一颗粒。
第二分配器可以包括用于将第二粉末颗粒124分配至第一粉末颗粒层上的分配阵列122。由于第二粉末颗粒较小，所述第二粉末颗粒可以渗入第一粉末颗粒层以填充粉末层中的空隙。
分配阵列122可以在制造粉末床106上方定位。分配阵列122可以是可数字寻址的。即，分配器具有可数字寻址的阵列头。分配阵列122可以沉积不同大小的粉末颗粒(例如，亚微米颗粒或纳米颗粒)和不同材料的粉末颗粒或沉积相同大小或相同材料的粉末颗粒。
第二粉末颗粒124可以具有(例如)至多是第一粉末颗粒104的平均直径的二分之一(例如，二分之一至十五分之一，例如，三分之一至十分之一)的平均直径。例如，第二粉末颗粒124可以具有(例如)100nm至10μm的平均直径。分配阵列122可以包括从喷嘴喷射第二粉末颗粒的微型分配阵列头。例如，分配阵列122可以在载体流体中分配第二粉末颗粒。载体流体可以是高蒸气压载体，例如，异丙醇(IPA)、乙醇、或N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)。在烧结层之前，分配阵列122可以(例如)使用热蒸发或抽吸而移除载体流体。分配阵列可以是用于分配第二粉末颗粒的使用惰性气体喷流(jets)(例如，氩气、氮气、或混合气体)的干燥分配机构和/或超声搅拌机构。
可以控制微型分配阵列头以使得第二粉末颗粒渗入第一粉末颗粒层中。因此，第二粉末颗粒可填充在第一粉末颗粒之间的空隙。结果，组合的第一粉末颗粒和第二粉末颗粒的层可以具有较高密度，并且熔融的材料可相似地具有较高密度。
此外，通过选择性控制由分配阵列122分配第二粉末颗粒的位置，既可以逐层控制又可以在层内控制所制造的零件的密度。
微型分配阵列头可以具有多个喷嘴，所述喷嘴具有在1μm与500μm之间的直径。喷嘴头部可以由跨制造粉末床的宽度布置的分隔的喷嘴头部构成。在其他实现方式中，微型分配阵列使用基于槽的阵列头部。材料分配器可以近似0.1-30m/s的速度沉积第二粉末颗粒，并且分配器可以或不以1-50kHz的脉冲频率引入颗粒。
第一粉末颗粒和第二粉末颗粒可以具有相同的材料组成，而仅具有不同平均直径。或者，第一粉末颗粒和第二粉末颗粒可以具有不同的材料组成。用于第二粉末颗粒的可能材料包括上文针对第一粉末颗粒所列出的那些。针对一些实现方式，第一粉末颗粒和第二粉末颗粒具有相同的组成。针对一些实现方式，例如，针对形成金属零件，第一粉末颗粒和第二粉末颗粒具有将结合以形成金属合金或金属间材料的组成。第二粉末颗粒可以提供以体积计组合的第一粉末颗粒和第二粉末颗粒的层的近似15-30％。
增材制造设备100包括用于产生热量来熔融组合的第一粉末颗粒和第二粉末颗粒的层的能量源。例如，能量源可以是用于发射定向能量束128(例如，激光或电子束)的射束装置126。能量束指向在制造粉末床106中位于支撑件142上的粉末材料以将粉末颗粒熔融在一起来形成所制造的物体110。如果能量源是激光器，那么激光器可以包括激光头、安全挡板(shutter)、和镜组件。
增材制造设备包括将能量束128引导在目标区域中的束定位控制机构，例如，扫描器系统130。束定位控制机构操作以瞄准能量束128并调节能量束128来在目标区域中选择性熔融粉末材料层。例如，针对激光束，镜组件沿着能量束的路径设置，而静电板可以用于控制电子束的偏转。或者，束128可以保持固定，而支撑件142水平移动。可以将束调开或调关以选择性产生能量束128，或能量束128可以是连续的。
作为另一示例，能量源可以包括在工作台105上方定位的以可单独控制的光源的阵列的形式的可数字寻址热源，例如，垂直腔面发射激光器(VCSEL)片(chips)。可控光源阵列可以是(例如，通过致动器)跨工作台105扫描的线性阵列或根据激活的(activated)光源来选择性加热层区域的完全二维阵列。
或者或另外，能量源可包括用于同时加热组合的第一粉末颗粒和第二粉末颗粒的整个层的灯阵列。
图1B示出了增材制造设备100的示例顶视图。控制器138控制连接至粉末输送系统132的传动系，例如，线性致动器146与电动机140a和140b。控制器被配置以使用线性致动器146平行于制造粉末床106的顶表面(沿着由箭头134指示的方向)向后和向前移动射束装置、粉末输送系统132、和辊(例如，主辊116和副辊118)。电动机140a和140b旋转主辊116和副辊118。例如，粉末输送系统132可以由轨道(例如，轨道136a和136b)支撑。
图2A示出了用于将第二粉末颗粒引入粉末层中的分配和层化的示例工艺。例如，增材制造设备(例如，图1A和图1B的增材制造设备100)可以进行工艺200。
为了形成每层，所述设备跨支撑件142或跨先前在支撑件142上沉积的层推动具有第一平均直径的第一粉末颗粒以形成粉末材料144的层(步骤202)。所述设备使用主辊116推动第一粉末颗粒。假设辊116从左至右行进，那么辊116可以在逆时针方向中旋转。主辊116可以在粉末层之上等于期望厚度的高度(例如，颗粒或双微粒化颗粒(dual-micronizedparticle)的高度)处定位。所述高度可以是近似12μm-25μm。主辊116可以近似0.1m/s-10m/s(沿着由箭头206指示的方向)横穿支撑件142并且以近似10rpm-500rpm旋转以形成单颗粒或双颗粒厚的层。
在一些实现方式中，所述设备使用叶片(例如，图2B的叶片204)替代主辊116来跨支撑件142或先前在支撑件142上沉积的层推动具有第一平均直径的第一粉末颗粒。叶片204可以具有面朝前方的刀刃，所述刀刃对于支撑件142的表面倾斜近似5度至90度并且平行于支撑件142的表面移动，使得形成均匀的单颗粒或双颗粒层。
在一些实现方式中，在移动第一粉末颗粒以形成层之前，所述设备将第三粉末颗粒分配至工作台或下面的先前分配的层上。此第三粉末颗粒可以提供薄层(第一粉末颗粒被分配至薄层上)。第三粉末颗粒具有至多是第一平均直径的二分之一的平均直径。这允许第一粉末颗粒沉降至第三粉末颗粒层中。例如，如果第二粉末颗粒不能渗入第一粉末颗粒层底部，此技术可增加物体在第一粉末颗粒层底部处的密度。
在一些实现方式中，如图5B所示，所述设备分配具有第一平均直径的第一粉末颗粒以使用整合至主辊116中的分配阵列122形成粉末材料层。整合的分配阵列在下文参考图5A至图5C进一步描述。
所述设备使用分配阵列122(例如，微型分配阵列头)将具有第二平均直径的第二粉末颗粒(例如，亚微米或纳米颗粒)分配至第一粉末材料层上(步骤214)。所分配的第二粉末颗粒渗入粉末材料层。分配阵列122在主辊116或叶片204后方定位以使得当分配阵列122横穿第一粉末材料层时，所述分配阵列跟随主辊116或叶片204。分配阵列122不与第一粉末材料层接触。
在一些实现方式中，在已经在支撑件142上方输送第一粉末材料的整个层之后，第二分配器分配第二粉末颗粒。或者，在一些实现方式中，第二分配器将第二粉末颗粒分配至已经分配的第一粉末材料的层的区域中，但同时第一分配器仍在支撑件142的另一区域上方输送第一粉末材料。例如，微型分配阵列头122可以跟在主辊116或叶片204后方。在一些实现方式中，如图5A至图5B所示，分配阵列122可以整合至副辊118中。所整合的分配阵列在下文图5A至图5C中进一步描述。
可选地，所述设备压实分配的第二粉末颗粒(步骤216)以填充粉末材料层中的空隙。例如，所述设备可以使用副辊118，所述副辊可以具有与主辊116相同的大小或可以小于主辊116。假设副辊118从左至右行进，辊118可以逆时针旋转。除了压实之外，这也可推动任何过量的第二粉末颗粒离开组合的层。第二辊可以取决于所需压实程度而在主辊116的水线(waterline)之上或之下近似0.1μm-1μm定位以提供粉末层的校平。副辊118横跨遵循主辊116和分配阵列的路径。
所述设备使用叶片120a和120b防止颗粒粘附至辊上，所述叶片非常靠近主辊116和副辊118定位(步骤218)。叶片120a和120b的靠近是近似至少小于颗粒的最小直径的距离，例如，小于或等于分配的最小颗粒的直径的一半的间隙。所述设备使用叶片120a和120b来刮下、清洁、或防止颗粒粘附至辊上。
所述设备熔融由压实的第一粉末颗粒和第二粉末颗粒提供的粉末材料层。如果存在第三粉末颗粒层，那么所述设备熔融由第一粉末颗粒、第二粉末颗粒和第三粉末颗粒提供的粉末材料层。
图3A和图3B示出了可以进行将第二粉末颗粒双向层化并压实至粉末层中的示例工艺的设备300。此增材制造设备与图1A和图1B的增材制造设备100相似，但包括在主要辊或叶片204的两侧上定位的分配阵列308a、308b。可选地，所述设备也可在主要辊或叶片204的两侧上包括副辊318a、318b。假设第一分配器使用粉末床，那么所述系统可以包括在主要辊或叶片204的两侧上定位的粉末输送床102a、102b。
所述设备可以横跨在向前方向中(沿着箭头302的方向)并且从粉末输送床102a跨支撑件142或先前在支撑件142上沉积的层推动具有第一平均直径的第一粉末颗粒以形成粉末材料144的层(步骤304)。所述设备使用辊或叶片204推动第一粉末颗粒。或者或另外，所述设备可以通过辊或叶片204中的槽或喷嘴分配第一粉末颗粒。
用于第二粉末颗粒的分配阵列308a、308b和副辊318a、318b置于辊或叶片204的每一侧上，例如，当辊或叶片在向前方向中(沿着箭头302的方向)横跨粉末材料层时跟在辊或叶片204后面的向前分配阵列308a和当在相反方向中(沿着箭头310的方向)行进时跟在辊或叶片204后面的向后分配阵列308b。副辊318a或318b可以是与如图1A所示的副辊118相同类型的辊，并且分配阵列308a和308b可以是与如图1A所示的分配阵列122相同类型的分配阵列。用于第二粉末颗粒的分配阵列置于在叶片的每一侧上的副辊318a或318b与叶片204之间。
所述设备使用跟在辊或叶片后面的分配阵列分配第二粉末颗粒(步骤312)。例如，假设辊或叶片204从左至右行进，那么分配阵列308a可以用于输送第二粉末颗粒。所述设备使用从动(trailing)副辊318a或318b压实第二粉末颗粒并且在相应方向中使粉末层的顶表面平滑(步骤314)。例如，再次假设辊或叶片204从左至右行进，那么副辊318a可以用于使第一粉末颗粒和第二粉末颗粒的组合层平滑和/或压实第一粉末颗粒和第二粉末颗粒的组合层。
所述设备随后改变方向并且使用随着设备在相反方向中移动现跟在辊或叶片后面的其他分配阵列和其他副辊来重复以上工艺。例如，假设辊或叶片204从右至左行进，那么辊或叶片204可以从粉末输送床102b跨支撑件142或跨先前在支撑件142上沉积的层推动具有第一平均直径的第一粉末颗粒，分配阵列308b可以用于输送第二粉末颗粒，并且可选的副辊318b可以用于使第一粉末颗粒和第二粉末颗粒的组合层平滑和/或压实第一粉末颗粒和第二粉末颗粒的组合层。
所述设备可使用叶片316a和316b来防止颗粒在辊上堆积(步骤320)。
图4示出了使用一对副辊将第二粉末颗粒双向层化并压实至粉末层中的示例设备和工艺。此增材制造设备与图1A和图1B的增材制造设备100相似，但仅包括单个分配器122与两个辊318a和318b。例如，增材制造设备(例如，图1A和图1B的增材制造设备100)可以进行工艺400。
所述设备横跨在向前方向中(沿着箭头402的方向)并且跨支撑件142或先前在支撑件142上沉积的层推动具有第一平均直径的第一粉末颗粒以形成粉末材料144的层(步骤404)。所述设备在分配阵列122的每一侧上具有副辊318a、318b。所述设备使用前导副辊来推动第一粉末颗粒。前导副辊在分配阵列122之前定位，而从动副辊定位在分配阵列122后方并且遵循由分配阵列122横跨的路径。例如，假设辊从左至右行进，那么副辊318b是前导副辊并且可以用于推动第一粉末颗粒来形成粉末材料层。如果辊从右至左行进，那么副辊318a是前导副辊并且可以用于推动第一粉末颗粒。
所述设备使用分配阵列122分配第二粉末颗粒(步骤412)。所述设备使用跟随分配阵列122的从动副辊来压实第二粉末颗粒(步骤414)。例如，再次假设辊从左至右行进，那么副辊318a可以用于压实粉末材料144的层和/或使粉末材料144的层平滑，并且如果辊从右至左行进，那么副辊318b可以用于压实粉末材料144的层和/或使粉末材料144的层平滑。
所述设备可使用叶片416a、416b、416c、和416d来防止颗粒在辊上堆积(步骤420)。
所述设备随后横跨在相反方向中(沿着箭头418的方向)。例如，如果辊先前从左至右行进，那么辊切换方向并且从右至左行进。
叶片可取代两个辊318a和318b。
图5A至图5C示出了使用与分配器整合的一个或多个辊进行粉末颗粒的层化和压实的示例工艺。例如，增材制造设备(例如，图1A和图1B的增材制造设备100)可以进行工艺500。
所述设备跨支撑件142或先前在支撑件142上沉积的层推动具有第一平均直径的第一粉末颗粒以形成粉末材料144的层(步骤502)。所述设备使用主辊116推动第一粉末颗粒。主辊116横跨在向前方向中(沿着箭头508的方向)。假设主辊116从左至右行进，那么主辊116可以在逆时针方向中旋转。在一些实现方式中，所述设备不跨工作台推动第一粉末颗粒来形成粉末材料层。而是，所述设备通过如图5B所示的主辊116中的孔(例如，整合的分配阵列506或整合的喷嘴)分配第一粉末颗粒(步骤504)。
所述设备通过孔分配具有第二平均直径的第二粉末颗粒，例如，使用整合至副辊118中的分配阵列510。当副辊118横穿粉末材料层并且压实粉末材料144的层和/或使粉末材料144的层平滑时，副辊跟随主辊(步骤518)。例如，假设辊从左至右行进，那么副辊118压实粉末材料144的层和/或使粉末材料144的层平滑。
当整合的分配阵列510(例如喷嘴或螺旋给料机)分配第二粉末颗粒时，所述整合的分配阵列可以与粉末层接触。
如图5B所示，当主辊116(例如)通过整合的分配阵列506或孔分配第一粉末颗粒并且副辊118(例如)通过孔或整合的分配阵列510分配第二粉末颗粒时，所述设备适当地安排第一粉末颗粒分配的时间，使得在层化工艺的每个旋转段处第一粉末颗粒在第二粉末颗粒之前分配。在其他实现方式中，如图5C所示，双芯壳辊514包括输送第一粉末颗粒的内芯516和分配第二粉末颗粒的外包覆机构522。当在层化工艺期间需要多种材料时，可进一步实施这些辊的阵列。
所述设备也可使用俘获屏蔽(capture shield)而在沉积的区域内含有分配的颗粒，并且使用叶片120a和120b防止颗粒在辊上堆积(步骤520)。
所示出的辊或叶片116、118、204和分配阵列122可以在单个组件上支撑，所述组件作为单元在轨道136a、136b上移动，或每个部件可以分开地可滑动地附接至轨道136a、136b并且可通过部件自身的致动器独立地移动。分配阵列122可以替代地安装/附接至机器臂以用于将第二粉末颗粒放置在粉末床上的指定位置处。
用于金属和陶瓷增材制造的处理条件与用于塑料的处理条件明显不同。例如，一般来说，金属和陶瓷需要明显较高的处理温度。因此，用于塑料的3D打印技术可能不可应用至金属或陶瓷处理并且设备可能不是相等的。然而，本文所描述的一些技术可应用至聚合物粉末，例如，尼龙、ABS、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)和聚苯乙烯。
尽管本文献含有了许多特定实现方式细节，这些不应被理解为对本发明的范围或所要求保护的范围的任何限制，而应当理解为是本发明的特定的实施方式的特殊特征的描述。在本文献中描述的在分开的实施方式的上下文中的某些特征也可在单个实施方式中结合实现。相反，在单个实施方式的上下文中描述的各个特征也可在多个实施方式中分开实现或以任何合适的子组合来实现。此外，尽管特征在上文可能描述为以某些组合起作用并且甚至是初始就如此要求保护，但是所要求的组合中的一个或多个特征在一些情形中可从组合去除，并且所要求的组合可以是指子组合或子组合的变化。
已描述了多个实现方式。尽管如此，应当理解，可能做出各种修改。由此，其他实现方式在权利要求书的范围内。

Claims (15)

1.一种用于形成零件的增材制造设备，包括：
支撑件；
粉末输送系统包括
第一分配器，具有定位在所述支撑件上方的第一孔，用于在所述支撑件之上输送第一颗粒；
第二分配器，具有定位在所述支撑件上方的第二孔并且沿第一轴线与所述第一分配器间隔开，用于在所述支撑件之上输送第二颗粒；
第三分配器，具有定位在所述支撑件上方的第三孔并且沿所述第一轴线与所述第一分配器间隔开，用于在所述支撑件之上输送第二颗粒，所述第三分配器定位在距离所述第一分配器的所述第二分配器的相反侧，以及
致动器，用于沿平行于所述支撑件的表面的所述第一轴线横向移动包括所述第一分配器、所述第二分配器和所述第三分配器的所述粉末输送系统，使得所述第一孔、所述第二孔和所述第三分配器一起跨所述支撑件的表面移动；
能量源，用于熔融所述第一颗粒与所述第二颗粒以形成所述零件的熔融层；及
控制器，被耦接至所述第一分配器、所述第二分配器、所述第三分配器、所述致动器和所述能量源，所述控制器配置为交替地(i)致使所述致动器在第一方向沿所述第一轴线移动所述第一分配器、所述第二分配器和所述第三分配器，并且在所述第一方向运动的同时，致使所述第一分配器将所述第一颗粒输送在第一层中，且所述第二分配器输送所述第二颗粒至第一颗粒的所述第一层上，从而所述第二颗粒渗入第一颗粒的所述第一层，以及(ii)致使所述致动器在与所述第一方向相反的第二方向沿所述第一轴线移动所述第一分配器、所述第二分配器和所述第三分配器，以及在所述第二方向的运动的同时致使所述第一分配器将所述第一颗粒输送在第二层中，并且所述第三分配器输送所述第二颗粒至第一颗粒的所述第二层上，从而所述第二颗粒渗入第一颗粒的所述第二层。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述第二分配器被配置以在横跨第一颗粒的所述第一层的第二区域中输送所述第二颗粒。
3.如权利要求1所述的设备，其中所述第一分配器包括用于在平行于所述支撑件的表面的第一方向中侧向推动所述第一颗粒的一个或多个辊或用于在平行于所述支撑件的表面的第一方向中侧向推动所述第一颗粒的叶片。
4.如权利要求1所述的设备，其中所述第二分配器包括用于喷射所述第二颗粒的喷嘴。
5.如权利要求4所述的设备，其中所述第二分配器包括用于喷射所述第二颗粒的喷嘴阵列，其中所述阵列中的喷嘴可由所述控制器单独控制。
6.如权利要求1所述的设备，其中所述第一分配器包括用于在平行于所述支撑件的表面的所述第一方向中侧向推动所述第一颗粒的第一辊，并且所述设备包括用于压实第一颗粒和第二颗粒的所述第一层的第二辊。
7.如权利要求6所述的设备，其中所述致动器是线性致动器，并且所述线性致动器被配置以利用所述第一辊和所述第二辊来移动所述能量源。
8.如权利要求6所述的设备，其中所述致动器是线性致动器，并且所述控制器被配置以在形成所述零件的第二层期间引起所述线性致动器在与所述第一方向相反的第二方向中移动所述第一辊和所述第二辊，使得所述第二辊在所述第二方向中侧向推动第一颗粒并且所述第一辊压实所述第二层的所述第一颗粒和所述第二颗粒。
9.如权利要求1所述的设备，其中所述控制器被配置以引发所述第二分配器在逐层基础上选择性分配所述第二颗粒以在所制造的物体中提供不同密度的层。
10.如权利要求1所述的设备，其中所述控制器被配置以引发所述第二分配器在层内选择性分配所述第二颗粒以在所制造的物体的层内提供不同密度的区域。
11.如权利要求1所述的设备，包括用于供应所述第一颗粒的第一储存器以及用于供应所述第二颗粒的第二储存器，其中所述第一颗粒具有第一平均直径，并且其中所述第二颗粒具有至多是所述第一平均直径的二分之一的第二平均直径。
12.一种增材制造的方法，包括：
在支撑件上相继形成多个层，其中从所述多个层沉积层包括
在支撑件上或下层上分配第一颗粒层，所述第一颗粒具有第一平均直径；
将第二颗粒分配至所述第一颗粒层上，所述第二颗粒具有至多是所述第一平均直径的二分之一的第二平均直径，
交替地i)致使粉末输送系统在第一方向沿第一轴线移动，并且在所述第一方向运动的同时，将所述第一颗粒输送在第一层中，且将所述第二颗粒输送至第一颗粒的所述第一层上，从而所述第二颗粒渗入第一颗粒的所述第一层，以及(ii)致使所述粉末输送系统在与所述第一方向相反的第二方向沿所述第一轴线移动，并且在所述第二方向运动的同时，将所述第一颗粒输送在第二层中，且将所述第二颗粒输送至第一颗粒的所述第二层上，从而所述第二颗粒渗入第一颗粒的所述第二层；
熔融所述第一颗粒和所述第二颗粒以从所述多个层形成所沉积的所述层。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述第一颗粒和所述第二颗粒具有相同的材料组成。
14.如权利要求12所述的方法，其中分配所述第二颗粒包括在逐层基础上选择性控制所述第二颗粒的分配以在所制造的物体中提供不同密度的层。
15.如权利要求12所述的方法，其中分配所述第二颗粒包括在层内选择性控制所述第二颗粒的分配以在所制造的物体的层内提供不同密度的区域。
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