CN108941545A - 粉末装填方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及用于增材制造(AM)方法和系统的粉末装填。常规粉末装填方法是手动和非标准化的，且其会导致操作者疲劳且可能导致产品不一致性。根据本公开的粉末装填改进标准且缩短了周转时间，降低AM的成本。

Description

粉末装填方法和设备
技术领域
本公开涉及在基于粉末的增材制造(AM)方法和系统中使用的粉末装填(powderpacking)方法及设备。
背景技术
与减材制造(subtractive manufacturing)方法相比，AM或增材印刷过程通常涉及堆积一种或多种材料以形成网状或近似网状(NNS)物件。尽管“增材制造”是工业标准术语(ASTM F2792)，但AM涵盖多种名称下已知的各种制造和原型开发技术，包括任意形状制造、3D印刷、迅速原型开发/加工等。AM技术能够由广泛多种材料制造复杂的部件。通常，独立的物件可通过计算机辅助设计(CAD)模型制成。特定类型的AM过程使用例如激光束等电磁辐射来烧结或熔融粉末金属材料，从而形成固体三维物件。例如直接金属激光熔融(DMLM)和选择性激光熔融(SLM)等基于粉末的方法已经用于为多种工业生产物件。
选择性激光烧结、直接激光烧结、选择性激光熔融和直接激光熔融是常见的工业术语，用以指代通过使用激光束烧结或熔融精细粉末而产生三维(3D)物件。举例来说，第4,863,538号美国专利和第5,460,758号美国专利描述了常规激光烧结技术。更准确地说，烧结需要在粉末材料的熔融点以下的温度下熔化(聚结)粉末粒子，而熔融需要完全熔融粉末粒子以形成固体均质质量(solid homogeneous mass)。与激光烧结或激光熔融相关联的物理过程包括将热传递给粉末材料，以及随后烧结或熔融粉末材料。尽管激光烧结和熔融过程可应用于广泛范围的粉末材料，但生产流程的科学和技术方面，例如烧结或熔融速率以及处理参数对层制造过程期间的微观结构演变的影响尚未得到很好地理解。这种制造方法伴随着多个热传递、质量和动量传递的模式，以及使过程极其复杂的化学反应。
图1示出了用于直接金属激光烧结(DMLS)或直接金属激光熔融(DMLM)的示范性常规系统100的横截面图的示意图。设备100通过使用由例如激光120等源产生的能量束136烧结或熔融粉末材料(未图示)以逐层方式构建物件，例如零件122。待由能量束熔融的粉末由粉末贮存器126供应。粉末贮存器有时还被称作粉末剂量室。粉末使用在方向134中行进的涂覆机臂116而均匀散布在构建板114上以将粉末维持在水平面118，且将在粉末水平面118上方延伸的过多粉末材料移除到废料容器128。能量束136在检流计式扫描器(galvoscanner)132的控制下烧结或熔融正构建的物件的横截面层。构建板114被降低且另一粉末层散布在构建板和被构建的物件上方，随后通过激光120对粉末连续熔融/烧结。重复所述过程直到由熔融/烧结的粉末材料完全构建零件122。
先前将粉末装填到粉末贮存器或剂量室中的尝试一直聚焦于调平腔室内的散装粉末锥体。图2-3示出了德国专利申请案DE 102012008664 A1中描述的两个系统。在图2中，盖板215的横截面适于剂量室203的内部横截面，这允许将其放置到剂量室203中。通过这种方式，其可按压剂量室内部的散装锥体，同时避免当盖板压平散装锥体时过多粉末被推出到剂量室的边缘区外。可将振动引入到盖板215中。为了使构建材料的表面平滑，有可能在盖板215上提供振动元件。一旦由于振动盖板215已移除散装锥体的最上部分，盖板215就进一步插入到剂量室203中直到再次接触散装锥体。这允许散装锥体逐步地分级。
图3示出了替代方案，其中多个气体供应元件318布置在盖板315的下侧上。气体供应元件318具有矛形状(lance shape)使得其可沉浸在由构建材料形成的散装锥体317中。通过将气体引入到气体供应元件318中，散装锥体317向上卷扬且借此被掩埋。为了压力补偿，用滤纸密封的开口可位于盖板315中，所述开口以不漏粉末的方式密封剂量室303。因此，仅引入到剂量室303中的气体可离开剂量室303，构造材料305不能。气体供应元件318以圆形方式特别有利地布置；其还可由多个同心圆组成。这些圆的中心是出口锥体316的中心，气体供应元件318的所述一个或多个圆以分别在盖板315的开口下方的方式布置，构建材料305经由所述开口降落到剂量室303中。
此类方法连同已知手动粉末装填方法(例如，利用泥刀)可能在粉末贮存器内产生非均一装填密度。此外，这些技术通常缓慢且可能导致操作者疲劳和批次间的差异。相应地，需要改进的系统和方法来快速且一致地将粉末装填到粉末贮存器中。均一装填密度还可使操作者能够较好地规划需要多少粉末；可变性可能导致过程中断和浪费。
发明内容
下文呈现本公开的一个或多个方面的简化概述，以便提供对此些方面的基本理解。此概述并非所有所预期方面的广泛综述，既不在确定所有方面的关键或决定性要素，也不是划定任何或所有方面的范围。其目的是以简化形式来呈现一个或多个方面的一些概念，以作为稍后呈现的更详细描述的序言。
在一些方面中，本公开涉及一种制备在增材制造中使用的粉末金属的方法(amethod for preparing a powdered metal to be used in additive manufacturing)，包括步骤a)到c)。步骤a)包括将第一粉末量的粉末添加到粉末贮存器。步骤b)包括将装填工具插入到粉末贮存器中以压紧粉末，其中装填工具包括套筒和振动源。步骤c)包括振动装填工具以压紧粉末贮存器中的粉末且形成经压紧粉末层。在一些方面中，所述方法进一步包括将第二粉末量的粉末添加在所述经压紧粉末层上方。在一些方面中，粉末贮存器包括底板，且装填工具包括压力传感器。在一些方面中，振动装填工具以压紧粉末包括振动装填工具，且同时以某一速度升高底板，直到达到预定压力限制。在一些方面中，所述方法进一步包括在将第一粉末量的粉末添加到粉末贮存器中之前降低底板。在一些方面中，装填工具是顶板，其包括从顶板向下延伸的至少一个机械构件。在一些方面中，所述方法进一步包括升高顶板和将顶板旋转90°。在一些方面中，所述方法进一步包括将顶板降低到粉末贮存器中。在一些方面中，所述方法进一步包括重复以下步骤：振动至少所述至少一个机械构件且同时以某一速度升高底板，直到达到预定压力限制；升高顶板；将顶板旋转90°；以及将顶板降低到粉末贮存器中，直到顶板已相对于其原始位置旋转总共360°。在一些方面中，所述方法进一步包括，在步骤a)之前，将粉末进料到漏斗中且允许粉末从漏斗流动穿过一个或多个管件到粉末贮存器中持续一段时间。在一些方面中，所述方法进一步包括，在允许粉末从漏斗流动穿过所述一个或多个管件到粉末贮存器中之前，降低底板。在一些方面中，所述方法进一步包括，在允许粉末从漏斗流动穿过所述一个或多个管件到粉末贮存器中之前，顶板位置锁定在粉末贮存器的顶部上方。在一些方面中，所述方法进一步包括，在允许粉末从漏斗流动穿过一个或多个管件到粉末贮存器中之前进行以下步骤：升高底板直到压力传感器感测到粉末装填限制或从顶板向下延伸的所述至少一个机械构件接触底板。在一些方面中，装填工具纵向插入到粉末贮存器中。
在一些方面中，本公开涉及一种用于装填粉末金属的设备，包括：振动源；以及至少一个以可变频率和可变强度振动为特征的机械构件；其中所述构件是经配置以包封振动源的至少一部分的套筒；且其中夹具啮合所述套筒的一部分。在一些方面中，振动源为电力驱动。在一些方面中，套筒可从振动源移除。在一些方面中，所述设备进一步包括顶板，其包括向下延伸的所述至少一个机械构件。在一些方面中，顶板进一步包括压力传感器。在一些方面中，所述至少一个机械构件包括压力传感器。
在阅读以下具体实施方式后，本公开的这些和其它方面将得以更充分地理解。
附图说明
图1示出了用于增材制造的示范性常规粉末床设备。
图2示出了包括盖板的常规粉末装填设备。
图3示出了包括气体供应元件的常规粉末装填设备。
图4A示出了根据本公开的用于粉末装填的设备的实例。
图4B示出了与本公开一起使用的示范性装填工具的横截面图。
图4C示出了根据本公开的用于粉末装填的设备的替代实例。
图5A-5C示出了根据本公开的粉末装填方法的示意图。
具体实施方式
下文结合附图阐述的详细描述旨在作为对各种配置的描述，并且并不旨在表示可实践本文中所描述的概念的唯一配置。所述详细描述为了提供对各种概念的透彻理解而包括特定细节。然而，对于所属领域的技术人员来说显而易见的是，可在没有这些特定细节的情况下实践这些概念。为避免混淆这些概念，在一些例子中，以框图形式示出了众所周知的部件。
本申请案涉及制备在增材制造中使用的粉末的自动化方法。此类方法不同于常规的粉末制备方法，其排除了手动力和非标准化设备及程序。通过使粉末装填过程自动化，本公开改进了过程标准化，对于操作者减少有形耗损，且改进机器周转时间(例如，通过使制备时间最小化)。
图4A示出了根据本公开使用的设备的示例。将第一粉末量的粉末406添加到粉末贮存器404。在一些方面中，粉末贮存器可包括底板405。粉末贮存器404可由一个或多个侧壁414和底板405限定。在一个方面中，底板405在竖直方向上移动。所述移动可以以任何已知方式进行。在一些方面中，底板405是外部板，其添加到基于粉末的增材制造设备以进一步限制粉末贮存器404的尺寸。
在一些方面中，在将粉末添加到贮存器404之前，底板405可降低到粉末贮存器404中。包括振动源401和向下延伸的至少一个机械构件402的装填工具410可插入到含粉末的贮存器404中且振动，以压紧贮存器404中的粉末且形成经压紧粉末层(未图示)。所述至少一个机械构件402是经配置以包封振动源401的套筒。套筒的外表面由选自钴铬、不锈钢、工具钢、马氏体时效钢(maraging steel)、铝合金、镍合金、铜合金或钛合金的金属制成。在一些方面中，套筒的外表面由与同设备一起使用的粉末金属相同的金属制成，以防止污染。在一些方面中，装填工具410可进一步包括一个或多个压力传感器(未图示)。所述设备可进一步包括在所述至少一个机械构件402周围的隔振环(未图示)，且所述隔振环可帮助减振和/或隔离振动且将其定位到装填工具410。在一些方面中，套筒可从振动源移除且可更换。在压紧第一粉末量的粉末之后，可将第二粉末量的粉末添加在经压紧粉末层上方，并且可重复所述过程。
图4B示出与本公开的设备和方法一起使用的示例性装填工具410的纵向横截面图。装填工具410包括振动源401和至少一个机械构件402，所述至少一个机械构件是经配置以包封振动源401的套筒。所述至少一个机械构件402可经配置以通过夹具411包封振动源401，所述夹具又可包括可与套筒上的一个或多个夹持机构(未图示)互补的一个或多个夹持机构412，例如一个或多个齿或唇缘，和一个或多个紧固件413，例如螺丝或螺帽和螺栓。在一些方面中，夹具411包括一个或多个夹持机构412，例如齿，其经配置以啮合套筒的一个或多个夹持机构。在一些方面中，装填工具410插入、沉浸或浸没到含粉末的贮存器404中(图4A)到达不超过所述至少一个机械构件402的长度的深度。在一些方面中，装填工具410插入、沉浸或浸没到含粉末的贮存器404中(图4A)到达大于所述至少一个机械构件402的长度的深度。夹具411可由与金属粉末相同或不同的材料制成。如果将装填工具410插入、沉浸或浸没到含粉末的贮存器404到达大于所述至少一个机械构件402的长度的深度，那么优选的是夹具411由与金属粉末相同的材料制成。
振动源401可以是任何合适的源且可以是市售的。合适的振动源的非限制性实例包括(但不限于)Dewalt铅笔振动器和混凝土振动器。
图4C示出了根据本公开供使用的设备的替代实例。在一些方面中，装填工具410包括顶板400和至少一个机械构件402，所述至少一个机械构件是经配置以包封振动源(未图示)的套筒。第一粉末量的粉末406添加到粉末贮存器404，粉末贮存器404可包括底板405。在一些方面中，粉末可经由漏斗(未图示)和从漏斗延伸的一个或多个管件403添加。在一些方面中，可允许粉末从漏斗流动穿过一个或多个管件403到粉末贮存器404中持续一段时间。在一些方面中，所述一个或多个管件403可打开或关闭。在一些方面中，在允许粉末从漏斗流动穿过一个或多个管件到贮存器404中之前，底板405可降低到粉末贮存器404中。装填工具410可插入到含粉末的贮存器404中且振动，以压紧贮存器404中的粉末且形成经压紧粉末层(未图示)。所述设备可进一步包括在所述一个或多个管件403周围的隔振环(未图示)，且所述隔振环可帮助减振和/或隔离振动且将其定位到装填工具410。在压紧第一粉末量的粉末之后，可将第二粉末量的粉末添加在经压紧粉末层上方，且可重复所述过程。
装填工具410可进一步包括一个或多个压力传感器(未图示)。在一些方面中，在允许粉末从漏斗(未图示)流动穿过所述一个或多个管件403到粉末贮存器404中之前，顶板400或装填工具410的位置可锁定在粉末贮存器404的顶部上方。在一些方面中，所述一个或多个管件403从漏斗延伸到顶板400的中心。在一些方面中，所述一个或多个管件403从漏斗延伸到顶板400的中心和一个或多个隅角。在一些方面中，在允许粉末从漏斗流动穿过所述一个或多个管件403到粉末贮存器404中之前，底板405可升高直到所述一个或多个压力传感器感测到粉末装填限制或从顶板400向下延伸的所述至少一个机械构件402接触底板405。
所述至少一个机械构件402可延伸任何长度；确定所述至少一个机械构件402的适当长度是在所属领域的一般技术人员的知识范围内。在一些方面中，所述至少一个机械构件402从装填工具410向下延伸某一长度，所述长度是粉末贮存器404的高度的函数。举例来说，较高粉末贮存器404或较高粉末高度可与具有较长的至少一个机械构件402的装填工具401一起使用。举例来说，粉末贮存器404的高度与所述至少一个机械构件402的长度的比率可在4∶1到8∶1的范围内，或两者之间的任何比例。所述至少一个机械构件402优选地适合于将振动从装填工具410传输到下面的粉末。在一个实施例中，振动经由圆柱形机械构件402传输。所述至少一个机械构件402的形状还可为另一形状，例如正方形或矩形。
粉末贮存器404可具有适合与当前方法和设备一起使用的任何尺寸。在一些方面中，粉末贮存器404具有矩形或正方形基底，侧壁从所述基底的边缘升高。在一些方面中，粉末贮存器404具有不超过4英尺的壁高度。在一些方面中，粉末贮存器404具有不超过3英尺的壁高度。在一些方面中，粉末贮存器404具有在至少一个侧部上测量为不小于1英尺长的矩形或正方形基底。在一些方面中，粉末贮存器404具有在至少一个侧部上测量为不大于5英尺长的正方形基底。
至少一个机械构件402，即经配置以包封振动源的套筒可具有任何套筒壁厚度，所述套筒壁厚度是机械构件402的外径和内径之间的差。在一些方面中，所述至少一个机械构件402具有不大于1.5英寸的套筒壁厚度。在一些方面中，所述至少一个机械构件402具有不小于0.25英寸的套筒壁厚度。
至少一个机械构件402可包括任何数目的机械构件402或任何阵列数目。在一些方面，机械构件402的数目是粉末贮存器404的宽度和/或深度的函数。在一些方面中，机械构件402的数目是所述至少一个机械构件402的厚度(外径)的函数。举例来说，所述至少一个机械构件402的厚度(外径)越小，则机械构件402的数目越大。不希望受任何特定理论束缚，据信可存在每一振动传输元件周围的衰减区，其相对于单独使用振动板提供改进的粉末装填能力。此外，本发明提供改进的粉末装填，而不引入气体或任何其它粉末装填手段，例如用泥刀手动装填。
图5A-5C展示根据一些方面使用本公开的设备的步骤的示意图。在图5A中，装填工具410降低到粉末贮存器404中，粉末贮存器404含第一粉末量的粉末406，其通常具有由通过倾倒动作形成的散装粉末锥体。随着装填工具410降低，所述至少一个机械构件402变为沉浸在第一粉末量的粉末406中(图5B)。一旦沉浸到所需深度，装填工具410就被振动，且所述至少一个机械构件402将所述振动向下传输到粉末中。在一些方面中，顶板400在降低的同时振动。在一些方面中，顶板400降低，同时底板405升高。所述至少一个机械构件402可振动，同时以某一速度升高底板405，直到达到如所述一个或多个压力计(未图示)检测到的预定压力限制。在一些方面中，所述压力限制和/或底板405升高的所述速度可使用计算机来控制。据信所述至少一个机械构件402将振动向下延伸到顶板400和底板405之间的粉末中。预定压力限制的使用可改进粉末装填的一致性。振动可处于任何合适的频率且持续任何合适的持续时间。
在合适的或所要振动持续时间之后，装填工具410可升高离开粉末贮存器404(图5C)。装填工具410可升高，旋转90°，且降低到粉末贮存器404中。可重复这样的步骤：振动所述至少一个机械构件402且同时以某一速度升高底板405直到达到预定压力限制，升高装填工具410，将装填工具410旋转90°，且将装填工具410降低到粉末贮存器404中。在一些方面中，所述步骤在顶板400和底板405之间装填一定量的粉末。在一些方面中，可重复所述步骤直到装填工具410已经相对于其原始位置旋转总共360°或其倍数。在一些方面中，装填工具410相对于其原始位置旋转360°或其倍数，使得由所述至少一个机械构件402在粉末中形成的任何孔在旋转期间或由于所述旋转而被粉末填充。
在一些方面中，计算机还可用于控制装填工具410的移动，开始将粉末进料到漏斗(未图示)中，启动至少一个机械构件402的振动，以及底板405的升高或降低。顶板400、装填工具410和/或底板405的升高和降低可以是任何合适的距离；确定这样的距离在所属领域的一般技术人员的知识范围内。
在一些方面中，所述设备包括漏斗(未图示)、一个或多个管件403、隔振环(未图示)和装填工具410，且可与粉末贮存器404分离。通过所属领域的一般技术人员已知的任何合适的手段，所述设备可与粉末贮存器404分离或可接合到粉末贮存器404。
所述设备、漏斗、一个或多个管件403、隔振环、装填工具410、顶板400、至少一个机械构件402、粉末贮存器404、底板405和一个或多个压力传感器可由此项技术中已知的任何合适的材料组成，包括(但不限于)钴铬。优选地，可接触粉末的零件，例如漏斗、一个或多个管件403、装填工具410、顶板400、至少一个机械构件402、一个或多个压力传感器、粉末贮存器404和底板405并不污染粉末。此外，所述设备、漏斗、一个或多个管件403、隔振环、装填工具410、顶板400、至少一个机械构件402、粉末贮存器404、底板405和一个或多个压力传感器优选地由可承受具有根据本公开使用的频率和持续时间的振动的材料制成。
本公开的方法和设备可与任何基于粉末的增材制造方法及设备一起使用，例如，DMLM或SLM。本公开的方法和设备可与任何粉末材料一起使用；优选地，粉末并不与制成设备的材料反应。
本书面描述用示例来公开包括优选实施例的本发明，并且还使所属领域的技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本发明的可获专利的范围由权利要求书限定，并且可包括所属领域的技术人员所想到的其它示例。如果这些其它示例具有并非不同于权利要求书的字面语言的结构要素，或如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质差异的等效结构要素，那么它们既定在权利要求书的范围内。来自所描述的各种实施例的方面以及每一方面的其它已知等效物可由所属领域的一般技术人员根据本申请案的原理混合和匹配以构造额外实施例和技术。

Claims (10)

1.一种制备在增材制造中使用的粉末金属的方法，包括：
a)将第一粉末量的粉末添加到粉末贮存器；
b)将装填工具插入到所述粉末贮存器中以压紧所述粉末，其中所述装填工具包括套筒和振动源；以及
c)振动所述装填工具以压紧所述粉末贮存器中的所述粉末且形成经压紧粉末层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：包括在所述经压紧粉末层上方添加第二粉末量的粉末。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述粉末贮存器包括底板，且其中所述装填工具包括压力传感器。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：振动所述装填工具以压紧所述粉末包括振动所述装填工具，且同时以某一速度升高所述底板，直到达到预定压力限制。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：进一步包括，在将所述第一粉末量的粉末添加到所述粉末贮存器之前，降低所述底板。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述装填工具是顶板，包括从所述顶板向下延伸的至少一个机械构件。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，进一步包括：
升高所述顶板；和
将所述顶板旋转90°。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：进一步包括将所述顶板降低到所述粉末贮存器中。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，进一步包括重复以下步骤：
振动至少所述至少一个机械构件且同时以某一速度升高所述底板，直到达到预定压力限制；
升高所述顶板；
将所述顶板旋转90°；以及
将所述顶板降低到所述粉末贮存器中，
直到所述顶板已相对于其原始位置旋转总共360°。
10.一种用于装填粉末金属的设备，包括：
振动源；和
至少一个以可变频率和可变强度振动为特征的机械构件；
其中所述构件是经配置以包封所述振动源的至少一部分的套筒；以及
其中夹具啮合所述套筒的一部分。
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