CN108971485B - 具有大型静止原材料供应机构的设备和连续增材制造方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了用于大型环形物体或多个小型物体的同时连续基于粉末的增材制造的设备。包括粉末传送机构、粉末重涂机构以及照射光束发射和引导机构的设备的构建单元附接到旋转机构，使得构建单元在生产期间在粉末床上方围绕粉末床旋转。旋转机构支撑到塔架上。静止粉末供应机构将粉末进给到粉末传送机构，并且与旋转机构、塔架和非旋转环形粉末床同心。使用该设备的制造方法包括至少同时旋转构建单元以将粉末沉积到粉末床上并照射该粉末以形成熔合增材层的重复和连续循环。粉末床构建表面的螺旋构造可以进一步辅助连续的增材制造工艺。

Description

具有大型静止原材料供应机构的设备和连续增材制造方法
技术领域
本公开总体涉及增材制造设备和方法。更具体地，本公开涉及使得能够同时增材制造大环形物体或多个小物体(例如但不限于飞行器发动机的部件)的连续过程的设备和方法。
背景技术
增材制造(AM)包括用于以增材分层方式生产部件的各种技术。在最受欢迎的AM技术之一的粉末床熔合中，聚焦能量束用于将粉末颗粒分层地熔合在一起。能量束可以是电子束或激光。激光粉末床熔合工艺在工业中被称为许多不同的名称，其中最常见的是选择性激光烧结(SLS)和选择性激光熔化(SLM)，这取决于粉末熔合工艺的性质。当要熔合的粉末是金属时，通常使用术语直接金属激光烧结(DMLS)和直接金属激光熔化(DMLM)。
对于典型的激光粉末床熔合工艺的描述如下所述。参考图1，诸如系统100的激光粉末床熔合系统包括固定且封闭的构建腔室150。在构建腔室150内部是构建板106，构建板106的一端与进料粉末贮存器104侧接，另一端与过量粉末容器130侧接。在生产期间，进料粉末贮存器104中的升降机102将规定剂量的粉末提升到构建板106的高度之上。然后通过重涂器机构110将规定剂量的粉末散布在构建表面108上的薄而均匀的层132中。例如，如图1所示，粉末沿箭头112所示的方向散布。来自构建板106的溢出物由过量粉末容器130收集，然后任选地处理以在再使用之前筛出粗颗粒。目前的粉末床技术是离散的和间歇性的，因为激光或电子束必须暂停以等待随后的粉末层被平整。
重涂器机构110可以是硬刮刀、软刮板或辊。然后，通过在选择部分118的表面上扫描的聚焦激光116烧结或熔化与待制造的部件的“切片”或层相对应的粉末114的选择部分。换句话说，粉末层132根据计算机辅助设计(CAD)数据以选址方式受到激光照射，所述计算机辅助设计(CAD)数据基于待制造的工件的期望几何形状。激光照射烧结或熔化原材料粉末，然后烧结/熔化区域再凝固并重新结晶成工件的熔合区域。
在SLM和SLS处理期间，使用多个可移动反射镜或扫描透镜，检流计扫描仪120移动或扫描由激光源128发射的未聚焦激光束126的焦点穿过构建表面108。粉末床熔合技术中的检流计扫描仪通常处于固定位置，但其中包含的可移动反射镜/透镜允许控制和调节激光束的各种性质。
到目前为止，粉末床技术已经证明了所有已知金属增材制造技术的最佳分辨率能力。但是，由于需要在粉末床中进行构建，因此常规机器使用大量的粉末。例如，粉末可能超过130千克或300磅。这是昂贵且浪费的，特别是考虑到使用大量机器的大型设施的环境。不是直接烧结或熔化到构建物体中而是分布在粉末床上的粉末是有问题的，因为它不仅增加了升降机系统的重量(传统的粉末床通常随着连续的粉末层积聚而降低)，使密封和腔室压力变得复杂，在构建结束时取出物体是不利的，并且在大型物体目前正在考虑的大型床系统中变得难以管理。例如，制造大物体所需的粉末量可能超过粉末床的极限，或者难以以一定精度控制粉末床的下降，该精度足以在正在构建的物体中形成高度均匀的增材层。
鉴于上述情况，需要增材制造设备和方法，其能够以改进的精度处理大型物体的生产，并且既节省时间又节省成本，同时最小化原材料浪费。
发明内容
在第一方面，本发明涉及一种增材制造设备，其包括：至少一个构建单元，所述至少一个构建单元包括粉末传送机构、粉末重涂机构以及照射光束发射和引导机构；粉末供应机构，所述粉末供应机构在操作期间将粉末供应到所述粉末传送机构；构建平台；以及旋转机构，所述至少一个构建单元的至少一部分附接到所述旋转机构，所述旋转机构为所述至少一个构建单元提供围绕旋转中心的旋转运动，使得所述至少一个构建单元围绕所述旋转中心在圆形路径中移动。优选地，粉末供应机构是静止的。优选地，粉末供应机构经由进料槽连接到粉末传送机构。优选地，与构建单元类似，进料槽也围绕旋转中心在圆形路径中移动。
在某些实施例中，该设备还包括塔架，旋转机构支撑在所述塔架上。构建平台、旋转机构、进料槽和塔架优选地是同心的。
优选地，至少一个构建单元的至少一部分附接到旋转机构的圆周。
在某些实施例中，该设备还包括包围设备的构建腔室。
在某些实施例中，该设备还包括支撑臂，其中至少一个构建单元的至少一部分经由支撑臂附接到旋转机构。
在一些实施例中，构建平台包括内壁和外壁。在一个实施例中，内壁和外壁各自包括一个或多个容器以捕获粉末溢出物。
在一个实施例中，构建平台是不旋转的并且是竖直静止的。在替代实施例中，构建平台是不旋转的并且可竖直移动的。
在一些实施例中，塔架是可竖直移动的。
在一些实施例中，该设备包括多个构建单元。
在一些实施例中，构建平台包括具有螺旋构造的构建表面。
在第二方面，本发明涉及一种制造至少一个物体的方法。所述方法包括如下步骤：(a)将粉末供给至少一个构建单元；(b)围绕旋转中心旋转至少一个构建单元以将粉末沉积到构建平台上，使得所述至少一个构建单元围绕旋转中心在优选地圆形的路径中移动；(c)照射粉末的至少一个选定部分以形成至少一个熔合层；和(d)重复至少步骤(b)和(c)以形成至少一个物体。在一些实施例中，该方法还包括步骤(e)：平整粉末的至少一个选定部分。优选地，步骤(b)、(c)和(e)同时且连续地进行。在一些实施例中，该方法还包括竖直地移动构建平台的步骤。
具体地，本申请技术方案1涉及一种增材制造设备，其包括：
至少一个构建单元，所述至少一个构建单元包括粉末传送机构、粉末重涂机构和照射光束引导机构；
粉末供应机构，所述粉末供应机构在操作期间将粉末供应到所述粉末传送机构；
构建平台；和
旋转机构，所述至少一个构建单元的至少一部分附接到所述旋转机构，所述旋转机构为所述至少一个构建单元提供围绕旋转中心的旋转移动，使得所述至少一个构建单元围绕所述旋转中心在圆形路径中移动。
本申请技术方案2涉及根据技术方案1所述的增材制造设备，其中所述粉末供应机构经由进料槽连接到所述粉末传送机构。
本申请技术方案3涉及根据技术方案1所述的增材制造设备，其中所述粉末供应机构是静止的。
本申请技术方案4涉及根据技术方案1所述的增材制造设备，其中所述进料槽围绕所述旋转中心在所述圆形路径中移动。
本申请技术方案5涉及根据技术方案2所述的增材制造设备，其还包括塔架，所述旋转机构支撑在所述塔架上，其中所述构建平台、所述粉末供应机构、所述进料槽、所述旋转机构和所述塔架是同心的。
本申请技术方案6涉及根据技术方案1所述的增材制造设备，其中所述至少一个构建单元的至少一部分附接到所述旋转机构的圆周。
本申请技术方案7涉及根据技术方案5所述的增材制造设备，其还包括构建腔室，其中所述构建腔室至少包围所述至少一个构建单元、所述构建平台、所述旋转机构，并且部分地包围所述粉末供应机构。
本申请技术方案8涉及根据技术方案1所述的增材制造设备，其还包括支撑臂，其中所述至少一个构建单元的至少一部分经由所述支撑臂附接到所述旋转机构。
本申请技术方案9涉及根据技术方案1所述的增材制造设备，其中所述构建平台包括内壁和外壁。
本申请技术方案10涉及根据技术方案9所述的增材制造设备，其中所述内壁和所述外壁各自包括一个或多个容器以捕获粉末溢出物。
本申请技术方案11涉及根据技术方案1所述的增材制造设备，其中所述构建平台是不旋转的并且沿竖直方向是静止的。
本申请技术方案12涉及根据技术方案1所述的增材制造设备，其中所述构建平台是不旋转的并且是可竖直移动的。
本申请技术方案13涉及根据技术方案1所述的增材制造设备，其中所述塔架是可竖直移动的。
本申请技术方案14涉及根据技术方案1所述的增材制造设备，其中所述照射引导机构包括激光源或电子源。
本申请技术方案15涉及根据技术方案1所述的增材制造设备，其中所述构建平台包括具有螺旋构造的构建表面。
本申请技术方案16涉及一种制造至少一个物体的方法，其包括：
(a)将粉末进给到至少一个构建单元；
(b)使所述至少一个构建单元围绕旋转中心旋转以将粉末沉积到构建平台上，使得所述至少一个构建单元围绕所述旋转中心在路径中移动；
(c)照射粉末的至少一个选定部分以形成至少一个熔合层；以及
(d)重复至少步骤(b)和(c)以形成所述至少一个物体。
本申请技术方案17涉及根据技术方案16所述的方法，其中所述路径是圆形的。
本申请技术方案18涉及根据技术方案16所述的方法，其还包括：
(e)平整粉末的至少一个选定部分。
本申请技术方案19涉及根据技术方案16所述的方法，其中至少步骤(b)、(c)和(e)同时且连续地进行。
本申请技术方案20涉及根据技术方案16所述的方法，其还包括竖直地移动所述构建平台。
附图说明
图1示出了用于增材制造的示例性现有技术基于粉末的系统。
图2A是根据本发明实施例的大型增材制造设备的示意性前横截面图，其具有环形粉末床和使构建单元旋转的机构。
图2B是图2A的大型增材制造设备的B-B'侧横截面图。
图2C是图2A的大型增材制造设备的示意性俯视图。
图3是根据本发明实施例的大型增材制造设备的示意性俯视图，其具有环形粉末床和使多个构建单元旋转的机构。
图4A是根据本发明实施例的环形粉末床的单螺旋底板的透视图。
图4B是根据本发明实施例的环形粉末床的三螺旋底板的透视图。
图5A是根据本发明实施例的大型增材制造设备的俯视图，其中环形粉末床具有三螺旋底板。
图5B是图5A的大型增材制造设备的C-C'侧横截面图。
图6A是具有大型静止粉末传送机构的大型增材制造设备的示意性俯视图。
图6B是图6A的大型增材制造设备的D-D'侧截面图。
具体实施方式
以下结合附图阐述的详细描述旨在作为对各种构造的描述，而不旨在表示可实践本文所描述的概念的唯一构造。详细描述包括了提供对各种概念透彻理解的具体细节。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践这些概念。例如，本发明提供了用于增材制造金属部件或物体的优选方法，并且优选地这些部件或这些物体被用于制造喷气式飞行器发动机。特别地，根据本发明可以有利地生产喷气式飞行器发动机的大型环形部件。然而，可以使用这里描述的设备和方法来制备飞行器和其他非飞行器部件的其他部件。
本发明提供可用于执行基于粉末床的增材制造的大型增材制造设备和设备的实施例，其包括但不限于选择性激光烧结(SLS)、选择性激光熔化(SLM)、直接金属激光烧结(DMLS)、直接金属激光熔化(DMLM)和电子束熔化(EBM)工艺。本发明还包括利用该设备或其实施例来增材制造物体的方法。本发明的设备包括使得它特别适用于以连续的方式制造基本上为环形或圆柱形的大型物体的部件，其中粉末沉积、粉末平整、束流照射和中央塔架和/或粉末床的竖直滑动可能同时发生。如本文所用，术语“连续”是指过程或过程的特定步骤或者运动(例如粉末沉积、粉末平整、束流照射或中央塔架和/或粉末床的竖直滑动)在时间上不中断并且没有空隙或时间间隔。如本文所用，术语“同时”意指同时或在时间上一致发生两个或更多过程或者过程的特定步骤，粉末沉积、粉末平整、束流照射或中央塔架和/或粉末床的竖直滑动，。这些基本环形或圆柱形物体的例子是飞行器发动机或飞行器的环形或圆柱形部件。这种飞行器部件的例子是涡轮或叶片护罩、中央发动机轴、壳体、压缩机衬套、燃烧室衬套、管道等。在某些情况下，这些部件的半径可达2米。另外，可以在构建平台上适当布置多个较小的物体，以便同时进行构建。
因此，本发明的增材制造设备包括环形粉末床而不是传统的矩形粉末床。提供了旋转机构，构建单元附接到该旋转机构。构建单元包括粉末传送机构、粉末重涂机构和照射光束引导机构。优选地与粉末床同心的旋转机构将构建单元定位在环形粉末床的上方并且适当地基本上平行于环形粉末床，并且旋转地移动在环形粉末床的上方并且适当地基本上平行于环形粉末床的构建单元，以同时平整粉末和熔化粉末，从而在粉末床内的一个或多个构建区域处形成构建物体的熔合层。在一些实施例中，旋转机构附接并支撑在中心直立塔架上，所述中心直立塔架也优选与非旋转环形粉末床同心。
如本文所使用的，术语“机构”是指结构实体，其是单个装置或仪器、具有多个部件的单个装置或仪器、或具有多个不同装置或仪器的系统。术语“机构”与术语“单位”可互换使用，其具有与前述句子中所述相同的定义。
图2A是根据本发明的一个实施例的大型增材制造设备200的示意性前横截面图。设备200包括环形粉末床202和构建单元208。环形粉末床202具有构建平台228、圆形内壁224和直径大于内壁224的直径的圆形外壁222。在基于粉末的增材制造工艺开始时，将原料粉末沉积到为构建平台228的顶部表面的构建表面242上。在一些实施例中，例如图2A所示的实施例，环形粉末床202的内壁224和外壁222各自包括容器226以在生产期间捕获未熔合的粉末溢出物。设备200还包括构建单元208，其具有若干部件，每个部件在基于粉末的增材制造工艺中起到不同的作用，该工艺例如但不限于选择性激光熔化(SLM)、直接金属激光熔化(DMLM)和电子束熔化(EBM)。例如，构建单元208的部件中有粉末传送机构214(例如料斗)、照射光束引导机构212和重涂机构216。重涂机构216可以是刮刀、刀片、刮板、辊或类似物。
在增材制造工艺期间，粉末传送机构214将原材料粉末230定向传送和沉积到粉末床202上和/或内。粉末重涂机构216将沉积的粉末230定向扩散并将其平整成基本上均匀的粉末层，然后通过由照射光束引导机构212发射的激光束或电子束将该基本上均匀的粉末层的一部分(即构建区域)熔化，以形成构建物体220的熔合的增材层。在整个附图中该照射光束用虚线表示。该制造循环自身重复，这导致多个层被堆叠以形成正在生长的构建物体220。虽然图2C示出了单个构建物体220，但应该理解的是，大型增材制造设备200可以用于在环形粉末床202中以增材方式同时制造多个较小的物体。
在本发明的增材制造工艺期间使用的用于原材料粉末的合适材料的代表性实例包括已经被设计为具有良好抗氧化性的合金，称为“超级金”，其在燃气涡轮发动机的升高的操作温度下具有可接受的强度，例如，哈氏合金、铬镍铁合金(Inconel alloys)(例如IN738，IN 792，IN 939)、Rene合金(例如Rene N4，Rene N5，Rene 80，Rene 142，Rene 195)、Haynes合金、Mar M、CM 247、CM 247LC、C263,718、X-750、ECY 768,282、X45、PWA 1483和CMSX(例如CMSX-4)单晶合金。本发明的制造物体可以用一种或多种选择的晶体微结构(例如定向凝固(“DS”)或单晶(“SX”))形成。
重要的是，根据本发明，粉末沉积、粉末平整和粉末熔化的所有三个整体步骤同时且连续发生。优选地，基于粉末的增材制造工艺的这三个步骤在多个构建区域同时且连续地发生。例如，在给定的时间点，粉末传送机构214将粉末230沉积在粉末床202中的区域或构建区域C(未示出)处；粉末重涂机构216在粉末传送机构214先前沉积粉末230的区域或构建区域B(未示出)处将粉末230平整成基本均匀的粉末层；并且照射光束引导机构212在先前由粉末重涂机构216平整的基本上均匀的粉末层内熔化选定区域(即，未示出的区域或构建区域A)。
构建单元208附接到旋转机构204，该旋转机构可操作以围绕旋转轴线210使构建单元进行360°旋转。在一个实施例中，构建单元208直接附接到旋转机构204的圆周238上的区域。在一个替代实施例中，支撑臂218从旋转机构的圆周发出，其上安装有粉末传送机构214、照射光束引导机构212和重涂机构216中的至少一个。作为另外一种选择，构建单元208通过支撑臂直接或间接地附接到底部表面240。
在图2B中，示出了粉末传送机构214和照射光束引导机构212固定到支撑臂，而粉末重涂机构216附接到粉末传送机构214，具体地在粉末230'被分配的粉末传送机构214的底部部分的门处。由于构建单元208以该特定顺序沉积、平整和熔化粉末230，因此布置赋予这些功能的相关的三个部件可能是有利的，使得相对于由旋转机构204的箭头236指示的旋转方向，粉末传送机构214位于粉末重涂机构216之前，粉末重涂机构之后是照射光束引导机构212。
根据本发明，旋转机构204是具有如附图中所体现的圆柱形构造的刚性结构，或者可选地是环形或环状或圆环形构造。
当构建单元208附接到旋转机构204时，旋转机构204又可以例如经由连接器234附接和支撑到塔架206上。在该实施例中，连接器示出为夹在上座圈和下座圈之间的滚珠轴承。本领域技术人员很容易理解，可以使用任何其他类型的合适的连接器。塔架206是竖直伸长和直立的结构，如图2A所示，监控环形粉末床202。优选地，也如图2A所示，塔架206、旋转机构204和环形粉末床是同心的，其中公共中心是点X，如图2C所示。优选地，对于任何给定的塔架和旋转机构，可以围绕它们同心地布置不同尺寸的环形粉末床。换句话说，粉末床的直径通常大于旋转机构的直径和塔架的宽度或直径，但不必如此限制。
在本发明中使用的照射光束引导机构可以是用于引导诸如激光束的照射光束的光学控制单元。光学控制单元可以包括一个或多个光学透镜(包括远心透镜)、偏转器、反射镜和/或分束器。作为另外一种选择，照射光束引导机构可以是用于引导电子束的电子控制单元。电子控制单元可以包括一个或多个偏转器线圈、聚焦线圈和/或类似元件。在某些实施例中，照射光束引导机构由包括多个二极管激光器或发射器的二极管光纤激光器阵列(例如二极管激光器条或堆叠)构成，每个二极管激光器或发射器发射照射光束。柱面透镜可以位于二极管激光器和多个光纤之间。柱面透镜补偿垂直于激光器二极管结的方向上的高角度发散，通常将快轴中的光束发散度减小到小于慢轴的发散度，由此与不使用任何耦合光学器件的组件(即，其中每根光纤被简单地放置在与其耦合的激光器接近的位置)相比，减小整个系统的组装公差。然而，应该认识到，不使用耦合光学器件的二极管光纤激光器阵列可以用于本技术。在某些实施例中，所述多个光纤还可以在其各自的端部处包括透镜，所述透镜被构造为从所述光纤提供准直或发散的激光束。还应该理解的是，即使在没有这些透镜的情况下，光纤的端部也可以适合于提供准直或发散的激光束。
在某些实施例中，根据本发明的照射光束引导机构还可以包括照射源，该照射源在激光源的情况下产生包括由该机构引导的激光照射的光子。当照射源是激光源时，则照射光束引导机构可以是例如振镜扫描仪，并且激光源可能位于构建环境之外。在这些情况下，可以通过任何合适的方式将激光照射输送到照射光束引导机构，例如光纤缆线。当照射源是电子源时，则电子源产生包括由照射光束引导机构引导的电子束的电子。当照射源是电子源时，则光束引导机构可以是例如偏转线圈。当根据本发明的大型增材制造设备处于操作中时，如果照射光束引导机构引导激光束，则通常有利的是包括气体流动机构，该气体流动机构在气体流动区域中提供基本上层流的气流。这是因为使用的激光束会导致产生烟雾，并且烟雾在与构建物体接触时会凝结，从而危害物体的保真度。但是，如果使用电子束，则重要的是在电子束所通过的空间中保持足够的真空，因此气体流动机构不应该包含在构建单元中。
在进一步的实施例中，照射光束引导机构可以包括一个或多个电滑环和/或遥测装置，用于改进对本发明的基于粉末的增材制造工艺的旋转环境中的机构的移动的控制。
在某些实施例中，环形粉末床202和中央塔架206可以另外安装在固定支撑结构232上。在优选实施例中，设备200被包封在构建腔室内，并且通常控制该腔室内的气氛环境，即“构建环境”或“容纳区域”，使得氧含量相对于典型的环境空气减小，并且使得环境处于减压状态。在一些实施例中，构建环境限定惰性气氛(例如，氩气氛)。在进一步的实施例中，构建环境限定了还原气氛以使氧化最小化。在又一些实施例中，构建环境限定真空。
随着基于粉末的增材制造的进展和增材构建的物体的增长，构建平台228可以相应地降低和升高。因此，构建平台的向上或向下移动、粉末的沉积、粉末的平整和束流照射同时且连续发生。作为另外一种选择，构建平台228可以竖直地静止，但塔架206可以构造成可竖直地移动，例如，随着制造过程的进展向上和向下移动。因此，塔架的向上或向下移动、粉末的沉积、粉末的平整和束流照射同时且连续发生。
在某些实施例中，具有激光束照射机构的构建单元可有利地包括具有气体入口和出口的气体流动机构，以在气体流动区中为粉末床上的构建区域提供基本上层流的气流。这是因为使用的激光束会导致产生烟雾，并且烟雾在与构建物体接触时会凝结，从而危害物体的保真度。但是，如果使用电子束，则重要的是在电子束所通过的空间中保持足够的真空，因此气体流动机构不应该包含在构建单元中。
本发明进一步涉及一种大型增材制造设备，例如图3中的设备300，其中多个构建单元308可以经由支撑臂318附接到中央旋转机构304，支撑臂然后可以附接并支撑到中央塔架(在该视图中未示出)上。旋转机构304例如沿着箭头336所示的方向旋转。每个构建单元308具有粉末传送机构314(具有粉末330)、粉末重涂机构(在该视图中未示出)和照射光束引导机构312。旋转机构304、塔架和环形粉末床302优选地在点X处同心，其中旋转机构304和塔架位于设备300的中心并且由粉末床302围绕。使用粉末330，每个构建单元可操作用于在由内壁324和外壁322限定的环形粉末床302中增材制造构建物体320的一部分。
在一些实施例中，环形粉末床的构建平台可以具有大致精细的螺旋状或螺旋形构造，以促进本发明的连续增材制造过程的开始(参见图4A和4B)。例如，当本发明的大型增材制造设备具有单个构建单元时，单螺旋构建平台428A具有构建表面442A，该构建表面在旋转机构的每360°旋转一圈时“滴落”单个增材生长层厚度。作为另一个例子，当本发明的大型增材制造设备具有多个构建单元时，例如三个构建单元，三螺旋构建平台428B具有构建表面442B，该构建表面随着旋转机构的每旋转120°或1/3圈而下降单个增材生长层厚度。
图5A和5B分别显示了大型增材制造设备500的俯视图和C-C'侧截面图。设备500包括具有环形构建平台528、内壁和外壁524、522的环形粉末床502。环形构建平台528具有三螺旋构建表面542(即用虚线a、b和c表示的三个螺旋的起始点)；旋转机构504，其具有如箭头536所示的旋转方向，并具有经由支撑臂518A、518B和518C附接到其上(即附接到圆周538)的三个构建单元508A、508B、508C；以及旋转机构附接并支撑在其上的塔架(未示出)。每个构建单元508A、508B、508C配备有它们各自的光束引导机构、粉末重涂机构和粉末传送机构。
如图5B所示，当使用多个构建单元508A、508B和508C时，它们可以用于沉积粉末530并且以螺旋构造熔合多个重叠的增材层(例如“层A”，“层B”，“层C”)，类似于多导螺杆形式。与试图使用多个熔合单元形成单个增材层相比，该螺旋构造可以更有效且问题更少。
本发明的大型增材制造设备的另一个实施例涉及这样的设备，例如除了在构建单元608中的粉末传送机构614、粉末重涂机构616和照射光束引导机构612之外，还包括中央的、大且静止的粉末供应机构644的设备600。与在此描述的本发明的其他设备类似，设备600包括旋转机构604，该旋转机构被构造成在两个方向(例如由箭头636指示的方向)中的任一个方向上围绕旋转轴线610旋转，并且构建单元608(即粉末传送机构614、粉末重涂机构616和照射光束引导机构612)可以例如经由支撑臂618附接到该旋转机构的圆周。旋转机构604可以例如经由连接器634(示出为在该特定实施例中夹在上座圈和下座圈之间的滚珠轴承)支撑到塔架606上。
粉末供应机构644可以例如经由供料斜槽646连接到粉末传送机构614，供料斜槽优选地沿着相同方向(例如由箭头636指示的方向)与旋转机构604一起旋转。优选地，粉末供应机构644、进料斜槽646、塔架606、旋转机构604和环形粉末床602例如如图6A所示在点X处同心。连接到粉末传送机构614的大型静止粉末供应机构644的使用是特别有利的，因为它减少了由在生产期间旋转的粉末传送机构614以及支撑臂承载的粉末630的重量。
粉末供应机构644可以采取任何合适的三维构造。在一个特定的优选实施例中，例如图6A和6B的实施例，粉末供应机构644具有圆锥形或漏斗形状，其中圆锥体的顶点650连接到进料斜槽646。在这种情况下，顶点650是小开口，其有利地允许粉末630受控地流动到进料斜槽646上并且最终进入粉末传送机构614。
如上所述，本发明的大型增材制造设备可以装入构建腔室内。图6B示出了包围构建单元608、塔架606、旋转机构604和环形粉末床602的构建腔室648以及进料斜槽646。另一方面，粉末供应机构644部分地包封在结构的下部部分处，例如漏斗的柄部或锥体的顶点部分。在替代实施例中，进料斜槽646可部分地或不被包封在构建腔室内。
环形粉末床602具有构建平台628、圆形内壁624和直径大于内壁624的直径的圆形外壁622。在基于粉末的增材制造工艺开始时，将原材料粉末沉积到为构建平台628的顶部表面(未在图6A和6B中示出)的构建表面上。在一些实施例中，例如图6A和图6B中所示的实施例，环形粉末床602的内壁624和外壁622各自包括容器626以在生产期间捕获未熔合的粉末溢出物。在某些实施例中，环形粉末床602和中央塔架606可以另外安装在固定支撑结构632上。
构建单元608可操作以执行基于粉末的增材制造工艺，例如但不限于选择性激光熔化(SLM)、直接金属激光熔化(DMLM)和电子束熔化(EBM)。在基于粉末的增材制造过程中，粉末传送机构614将原材料粉末630定向地传送和沉积到粉末床602上和/或内。粉末重涂机构616将沉积的粉末630定向扩散并将其平整成基本上均匀的粉末层，然后通过由照射光束引导机构612发射的激光束或电子束将该基本上均匀的粉末层的一部分(即构建区域)熔化，以形成构建物体620的熔合的增材层。该制造循环自身重复，这导致多个层被堆叠以形成正在生长的构建物体620。虽然图6A示出了单个构建物体620，但应该理解的是，大型增材制造设备600可以用于在环形粉末床602中以增材方式同时制造多个较小的物体。随着制造过程的进行，储存在粉末传送机构614中的粉末630可以通过粉末供应机构644中的充足供应经由进料斜槽646补充。
本发明进一步提供了一种用本文所述设备制造物体的方法，包括环形物体，例如飞行器部件，例如但不限于涡轮或叶片护罩、中央发动机轴、壳体、压缩机衬套、燃烧器衬套、管道等。在一个实施例中，该方法包括以下步骤：(a)使至少一个构建单元围绕旋转中心旋转以将粉末沉积到构建平台上，使得所述至少一个构建单元围绕所述旋转中心在圆形路径中移动；(b)照射粉末的至少一个选定部分以形成至少一个熔合层；和(c)至少重复步骤(a)和(b)以形成至少一个物体。在一些实施例中，该方法还包括使粉末的至少一个选定部分平整的步骤(d)。优选地，至少步骤(a)、(b)和(d)同时且连续地进行。在一些实施例中，该方法还包括竖直地移动构建平台的步骤。
在另一个实施例中，该制造方法包括以下步骤：(a)将粉末供给至少一个构建单元；(b)围绕旋转中心旋转至少一个构建单元以将粉末沉积到构建平台上，使得所述至少一个构建单元围绕旋转中心在优选地圆形的路径中移动；(c)照射粉末的至少一个选定部分以形成至少一个熔合层；和(d)重复至少步骤(b)和(c)以形成至少一个物体。在一些实施例中，该方法还包括步骤(e)：平整粉末的至少一个选定部分。优选地，步骤(b)、(c)和(e)同时且连续地进行。在一些实施例中，该方法还包括竖直地移动构建平台的步骤。
本发明的设备和方法可以与申请人在以下共同未决的专利申请中描述的设备和方法的特征相结合：
名称为“Additive Manufacturing Using a Mobile Build Volume”的美国专利申请号15/406,467，代理卷号为037216.00059，并且于2017年1月13日提交。
名称为“Additive Manufacturing Using a Mobile Scan Area”的美国专利申请号15/406,454，代理卷号为037216.00060，并于2017年1月13日提交。
名称为“Additive Manufacturing Using a Dynamically Grown BuildEnvelope”的美国专利申请号15/406,444，代理卷号为037216.00061，并且于2017年1月13日提交。
名称为“Additive Manufacturing Using a Selective Recoater”的美国专利申请号15/406,461，代理卷号为037216.00062，并且于2017年1月13日提交。
名称为“Large Scale Additive Machine”的美国专利申请号15/406,471，代理卷号为037216.00071，并于2017年1月13日提交。
这些申请中的每一个的公开内容整体并入本文，只要它们公开了可与本文公开的核心-壳体模具结合使用的核心-壳体模具和制造方法的另外方面。
此书面描述使用实例来公开本发明，包括优选实施例，并且还使得本领域的任何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所并入的方法。本发明的可获专利的范围由权利要求书界定，且可包括所属领域的技术人员所想到的其它实例。如果此类其它实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，那么此类其它实例希望在权利要求书的范围内。根据本申请的原理，来自所描述的各种实施例的各方面以及每个这样的方面的其他已知等同物可以由本领域的普通技术人员混合和匹配以构建另外的实施例和技术。

Claims (18)

1.一种增材制造设备，其包括：
至少一个构建单元，所述至少一个构建单元包括粉末传送机构、粉末重涂机构和照射光束引导机构；
粉末供应机构，所述粉末供应机构在操作期间将粉末供应到所述粉末传送机构；
构建平台；和
旋转机构，所述至少一个构建单元的至少一部分附接到所述旋转机构，所述旋转机构为所述至少一个构建单元提供围绕旋转中心的旋转移动，使得所述至少一个构建单元围绕所述旋转中心在圆形路径中移动，
其中，在所述旋转移动的方向上，所述粉末传送机构设置成位于所述粉末重涂机构之前，所述粉末重涂机构之后是所述照射光束引导机构。
2.根据权利要求1所述的增材制造设备，其中所述粉末供应机构经由进料槽连接到所述粉末传送机构。
3.根据权利要求1所述的增材制造设备，其中所述粉末供应机构是静止的。
4.根据权利要求2所述的增材制造设备，其中所述进料槽围绕所述旋转中心在所述圆形路径中移动。
5.根据权利要求2所述的增材制造设备，其还包括塔架，所述旋转机构支撑在所述塔架上，其中所述构建平台、所述粉末供应机构、所述进料槽、所述旋转机构和所述塔架是同心的。
6.根据权利要求1所述的增材制造设备，其中所述至少一个构建单元的至少一部分附接到所述旋转机构的周界表面。
7.根据权利要求5所述的增材制造设备，其还包括构建腔室，其中所述构建腔室至少包围所述至少一个构建单元、所述构建平台和所述旋转机构，并且部分地包围所述粉末供应机构。
8.根据权利要求1所述的增材制造设备，其还包括支撑臂，其中所述至少一个构建单元的至少一部分经由所述支撑臂附接到所述旋转机构。
9.根据权利要求1所述的增材制造设备，其中所述构建平台包括内壁和外壁。
10.根据权利要求9所述的增材制造设备，其中所述内壁和所述外壁各自包括一个或多个容器以捕获粉末溢出物。
11.根据权利要求1所述的增材制造设备，其中所述构建平台是不旋转的并且沿竖直方向是静止的。
12.根据权利要求1所述的增材制造设备，其中所述构建平台是不旋转的并且是可竖直移动的。
13.根据权利要求5所述的增材制造设备，其中所述塔架是可竖直移动的。
14.根据权利要求1所述的增材制造设备，其中所述照射光束引导机构包括激光源或电子源。
15.根据权利要求1所述的增材制造设备，其中所述构建平台包括具有螺旋构造的构建表面。
16.一种制造至少一个物体的方法，其包括：
（a）将粉末进给到至少一个构建单元，所述至少一个构建单元包括成特定顺序的：用于沉积所述粉末的粉末传送机构、用于平整所述粉末的粉末重涂机构和用于熔化所述粉末的照射光束引导机构；
（b）使所述至少一个构建单元围绕旋转中心旋转以将粉末沉积到构建平台上、平整在所述构建平台上所沉积的粉末和熔化所平整的粉末以形成至少一个熔合层，使得所述至少一个构建单元围绕所述旋转中心在路径中旋转移动，其中，在所述至少一个构建单元的旋转移动的方向上，所述粉末传送机构设置成位于所述粉末重涂机构之前，所述粉末重涂机构之后是所述照射光束引导机构；以及
（c）重复以上步骤以形成所述至少一个物体。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述路径是圆形的。
18.根据权利要求16所述的方法，其还包括竖直地移动所述构建平台。
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