CN109070456A - 包括提取系统的增材制造机器和使用这种机器的增材制造方法 - Google Patents

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Abstract

用于增材制造部件(2)的机器(1)，所述机器(1)通过选择性地完全或部分熔化粉末来增材制造部件(2)，所述机器(1)包括：工作室(100)；套筒(3)，其具有通向所述工作室(100)的顶部开口(4)，并具有竖直中心轴线(5)；支撑板(6)，其用于在制造过程中接纳所述部件(2)；致动装置(7)，其用于沿套筒(3)的竖直中心轴线(5)致动支撑板(6)在套筒(3)内的平移运动；用于提取部件(2)的提取系统(8)，其包括容器(9)，提取系统(8)还包括至少一个可移动的封闭板(12)，所述封闭板(12)用于封闭容器(9)的底部开口(15)，且支撑板(6)和致动装置(7)之间的固定是能够移除的。还公开了利用这样的机器进行增材制造的方法。

Description

包括提取系统的增材制造机器和使用这种机器的增材制造 方法
技术领域
本发明涉及所谓的增材制造(通常也称为3-D打印)的领域。更具体地，本发明特别涉及在使用3D打印制造部件之后移除部件。
背景技术
3-D打印技术尤其能够制造诸如模制、切削或甚至挤出之类的传统技术无法实现的复杂几何形状的部件，或者这些传统技术不能实现所需精度水平的部件。
存在有许多增材制造技术。一种广泛使用的技术涉及以粉末形式分布在工作表面上的材料制造连续薄片的部件。第一层材料分布在工作表面上。能量源(例如由激光提供)使得待制造的部件的薄片在材料层内固化。粉末颗粒特别取决于材料的性质而通过各种物理过程焊接在一起，从而在材料内形成连续性。这可能例如涉及粉末颗粒的熔化，使得它们熔合在一起。在下文中，所有允许粉末固化的物理过程将被称为表述“完全熔化或部分熔化”。
如果适用的话，然后将工作表面降低与下一层的高度相对应的高度。然后铺开下一层，在该层中绘制下一个薄片，依此类推。
文献US 5 597 589描述了实现上述技术的示例。更具体地，根据该示例，制造机器包括粉末分配器(在该例子中由金属制成)允许第一部分粉末沉积在目标区域上。如果合适，辊子允许粉末铺开。激光束选择性地熔化对应于待制造的部件的第一薄片的第一层。随后一层一层地重复该过程。
为了能够连续形成确定厚度的层，已知工作表面具有可调节的高度。为此目的，工作表面形成在部件支撑平台上，该部件支撑平台可滑动地安装在形成制造室的套筒内。随着待制造的部件的薄片逐渐形成，支撑平台在室内降低。
一旦完整的部件完成，它就因此搁置在平台上处于制造室内的降低位置，并且被能量源没有到达的粉末覆盖。
然后出现的一个问题是提取成品部件。这是因为存在未暴露于能量源的粉末可能在机器中扩散的风险，而这是不希望的，特别是出于机器维护的原因、出于控制所用材料的性质的原因以及为了加速清洁机器并使其恢复生产。
文献US 5,846,370提出从机器中移除包含成品部件和粉末的制造室。如果合适的话，可以在将制造室移除之前将盖子盖到制造室上，以防止成品部件和粉末暴露在空气中。
文献US 2012/0090734也提出通过移除制造室来提取成品部件。更具体地，制造室包括容纳在外壳内的内壳，内壳相对于外壳可移除。为此目的，外壳设置有舱口类型的可再密封的开口，使得包含成品部件和剩余粉末的内壳能够从外壳中提取出，并且新的内壳能够装配在其中。
这两个例子具有缺点，特别是使得制造机器的结构更复杂并且对制造室施加了限制。然而，制造室可能需要安装温度控制装置或用于控制部件周围的气体的装置。因此，移除和更换制造室可能证明是艰苦而漫长的操作。然后需要提供若干制造室的事实也增加了成本。
文献US 2001/0045678提出将成品部件和未暴露的粉末在机器的粉末移除部段中从制造室推出。然后该部件和粉末在支撑网上被发现。粉末例如通过振动从部件上分离并通过支撑网移除。
然而，该解决方案假定未暴露的粉末足够压实以伴随着部件从制造室到粉末移除部段，这对可以使用的材料和制造条件施加了限制。
文献WO 2014/044705提出在套筒上放置壳体，使得部件支撑平台与成品部件和未固化的粉末一起在其中被提升，并且使用平台封闭壳体。
该解决方案的一个缺点是工作平台需要适合于封闭壳体，从而增加了制造成本。此外，工作平台是一个可替换的组件，这意味着成本由于需要库存的平台的数量而成倍增加。
此外，在部件的创建期间，以及在与制造过程相关联的平台的重复向上和向下移动期间，壳体封闭系统可能变得充满粉末或劣化，从而减损其功能并在搬运工作期间造成粉末泄漏。
因此，需要一种特别克服上述缺点的新的增材制造机器。
发明内容
本发明的第一个目的是提出一种增材制造机器，其包括用于提取成品部件而不会显著增加装置成本的系统。
本发明的第二个目的是提出一种增材制造机器，其包括用于提取成品部件而无需检查制造装置的设计的系统。
本发明的第三个目的是提出一种增材制造机器，其包括用于提取成品部件的系统，该系统允许未暴露的粉末可靠地从制造装置中移除。
本发明的第四个目的是提出一种使用完全外部系统提取成品部件的系统，该外部系统的组成部件不会因环境和部件生产中涉及的操作而退化。
因此，根据第一方面，本发明提供了一种通过完全或部分选择性熔化粉末来增材制造部件的机器。该机器包括：
-工作室；
-套筒，其具有通向所述工作室的顶部开口，并具有竖直中心轴线，
-支撑板，其用于接纳制造过程中的所述部件，
-装置，其用于沿套筒的竖直中心轴线致动支撑板在套筒内的平移运动，
-部件提取系统，其包括容器，所述容器包括朝向所述套筒的顶部开口的至少一个底部开口，所述容器安装成能够在所述工作室中相对于所述套筒在待命位置与工作位置之间移动，在所述待命位置处容器设定为远离套筒的开口，在所述工作位置处容器的底部开口至少部分地与套筒的顶部开口重合。
然后，支撑板由致动装置从套筒移动到在工作位置处的容器内部，提取系统还包括至少一个封闭板，所述封闭板能够沿着至少一个水平轴线在工作室内相对于容器移动，从而封闭容器的底部开口，封闭板与支撑板分开。此外，支撑板与致动装置之间的附接是能够移除的类型。
然后，提取系统可以形成独立于部件制造中涉及的元件的组件，这意味着它对这些元件的设计和操作没有影响。
机器可以具有以下单独的或组合的附加特征：
-容器可以沿着与套筒的竖直中心轴线平行的输入轴线在待命位置与工作位置之间移动；
-容器可以沿着与套筒的竖直中心轴线垂直的输入轴线在待命位置与工作位置之间移动；
-容器可以在工作位置与提取位置之间移动，在所述提取位置，容器位于工作室外部；
-致动装置可以包括活塞，支撑板可移除地安装在活塞上，封闭板插置于支撑板与活塞之间以封闭容器的底部开口；
-提取系统包括联接封闭板和容器的可移除的联接装置；
-提取系统包括封闭板与容器之间的至少一个密封件。
根据第二方面，本发明可以涉及采用上面所述的机器增材制造部件的方法，其通过完全或部分选择性熔化粉末来增材制造部件。根据所述方法，在制造所述部件之后：
-容器相对于套筒从待命位置移动到套筒的顶部开口上方的工作位置，
-支撑板通过致动装置沿竖直中心轴线移动直至容器内部，
-封闭板相对于套筒平移移动，以封闭容器的底部开口，或者容器相对于套筒沿水平轴线平移移动到封闭板上，以封闭容器的底部开口。
可能地，在容器的底部开口已经被封闭板封闭之后，容器和封闭板可以一起移动到机器的工作室外部的提取位置。
附图说明
根据本发明优选实施方案的描述，并结合附图，其他特征和优点将变得显而易见，所述附图中：
-图1至图4是根据第一实施方案的增材制造机器内部的示意图，
-图5和图6是根据第二实施方案的增材制造机器内部的示意图，其类似于图1至图4的示意图。
具体实施方式
在图1至图6中示出通过完全或部分地选择性熔化粉末材料来增材制造部件2的机器1。该材料可以特别是金属或塑料。
机器1特别地包括制造室100，其构成具有受控气氛的封闭空间。特别地，该室100填充有相对于所使用的材料是惰性的气体，以便限制腐蚀。制造室100由顶壁101、底壁102和侧壁103界定。底壁102形成工作表面，粉末在该工作表面上铺开。
机器1包括套筒3，该套筒3包括顶部开口4，顶部开口4与工作表面102中的开口重合并通向室100。更具体地，套筒3沿向上定向的顶部开口4与底部14(其可以开放或不开放)之间的竖直中心轴线5延伸。因此，套筒3的侧壁可用于引导部件支撑板6。
在下文中，为了清楚起见，水平方向和竖直方向对应于图1至图6的自然方向。同样的，术语“顶部”，“底部”，“下部”，“上部”及其各种变型参考图中的竖直方向来理解。
部件支撑板6用于在制造过程中接纳部件2。通过致动装置7使其沿中心轴线5竖直移动。致动装置7包括例如活塞，支撑板6直接或间接地固定到该活塞上。例如，加热装置可以定位在支撑板6与活塞之间，以便控制板6的温度。优选地，支撑板6与致动装置7之间的附接是可拆卸类型的。因此，支撑板6可以从致动装置7中撤出，例如以便从机器1中取出。
机器1还包括未示出的熔化系统，其使粉末颗粒能够熔化而熔合在一起。这例如是激光系统，将光束引导到工作室100内的粉末上。
因此，通过粉末的完全或部分熔化逐层制造部件2。每层粉末依次分布并铺开在工作表面102上，以便至少部分地覆盖部件支撑板6，板6在每层之间在套筒3内下降确定高度。
因此，当部件2完成时，它在套筒3内部完全位于顶部开口4与底部14之间的支撑板6上。由于不是每层中的所有粉末都必须熔化，所以未熔化的剩余粉末在套筒3中围绕部件2。
为了从套筒中取出成品部件2，机器1还包括部件2的提取系统8。
提取系统8包括至少一个容器9，容器9的尺寸至少等于套筒3的尺寸，使得容器9的容积至少等于套筒3的容积。容器9(优选仅)包括至少一个向下定向的底部开口15。容器9可以例如具有圆柱形整体形状，具有正方形或圆形横截面。容器9的底部开口15的尺寸大于部件支撑板6的尺寸，因此部件支撑板6可以穿过底部开口15。优选地，容器9的底部开口15的尺寸大于套筒3的顶部开口4的尺寸，使得容器9可以抵靠工作表面102，覆盖套筒3的顶部开口4。
因此，容器9形成成品部件2和未熔化粉末的接受器。
容器9安装成能够相对于套筒3在机器1中平移移动，从而采用至少两个位置：
-待命位置，其中容器9设定为远离套筒3的顶部开口4，以便允许光束到达待熔化的粉末；
-工作位置，其中容器9放置在套筒的顶部开口4上，容器9的底部开口15至少部分地与套筒3的顶部开口4重合，以便允许成品部件2从套筒3进入容器9。
更具体地说，当容器9处于工作位置时，通过使用致动装置7向上移动支撑板6，部件2可以穿过套筒的顶部开口4和容器9的底部开口15从套筒3进入容器9。
提取系统8另外包括封闭板12，当部件2和支撑板6在内部时，允许容器9的底部开口15再次封闭。为此目的，封闭板12能够沿着至少一个水平轴线相对于容器9移动，使得一旦部件2和支撑板6放置在容器9内它就可以在容器9下方滑动并且封闭其底部开口15。
因此，为了实现容器9的底部开口15的封闭，或者封闭板12相对于套筒3保持固定在室100中而容器9相对于封闭板12水平移动，或者容器9相对于套筒3保持固定而封闭板12相对于容器9水平移动。
一旦容器9被封闭板12封闭，它就可以与封闭板12一起再次移动到提取位置，在该提取位置，容器9可以从制造室100中移除。
抽取系统8可以另外包括联接封闭板12和容器9的可移除的联接装置13。其可以是允许封闭板12临时附接到容器9的任何装置。它可以例如是具有可伸缩的销钉的装置、扣件紧固式装置或者可替选地为吸盘装置。
现在将参考图1至图6中所示的机器1的两个实施方案来描述如何实现提取系统8的两个示例。
根据第一实施方案(图1至图4)，容器9沿着输入轴线10在待命位置与工作位置之间平移移动，输入轴线10是水平的，这意味着垂直于套筒3的中心轴线5。
当部件2处于制造过程中时，容器9保持在待命位置，远离套筒3的顶部开口4，从而使其不被覆盖并允许激光束到达粉末以将其熔化。然后，只要部件2处于制造过程中，封闭板12就处于同样远离套筒3的顶部开口4的位置。封闭板12尽可能靠近工作表面102定位，并具有恰好足够的间隙以允许封闭板12相对于工作表面102滑动。例如，处于待命位置的容器9在初始位置位于封闭板12的上方，容器9的底部开口15的边缘与封闭板12接触。
一旦部件2完成，容器9首先沿输入轴线10移动到室100中，底部开口15的边缘在保持固定的封闭板12上滑动。接下来，容器9在室100中以垂直于输入轴线10(即平行于套筒3的中心轴线5)的运动移动，使得容器9的底部开口15与套筒3的顶部开口4对齐。
当容器9处于工作位置时，执行致动装置7以使支撑板6向上移动，从而将由支撑板6、部件2和围绕其的粉末组成的组件转移到容器9中。由于容器9的底部开口15的边缘围绕套筒3的顶部开口4与工作表面102接触，因为套筒3的顶部开口4和容器9的底部开口15之间的连续性，粉末在转移过程中不会逸出。
一旦组件处于容器9内，如图3所示，容器9以及支撑板6以平行于套筒3的中心轴线5的运动(因此竖直地)移动了高度h，该高度h差不多对应于封闭板12的厚度e。
接下来，容器9再次沿着轴线水平移动，根据这里给出的示例，该轴线是同一输入轴线10，封闭板12仍然保持不动。预先或于此同时，支撑板6从致动装置7的活塞断开连接，然后支撑板6由容器9的水平移动驱动而相对于致动装置7的活塞水平滑动。然后，容器9返回到与待命位置相同的位置，在封闭板12上方承载支撑板6、成品部件2和围绕它的粉末，使得容器9的底部开口15的边缘与封闭板12接触。因此，容器9的底部开口15再次被封闭板12封闭。
然后致动联接装置13，以将封闭板12和容器9固定在一起。
优选地，与联接装置13平行地，在封闭板12与容器9之间设置密封件16。该密封件16防止粉末从容器9和封闭板12所形成的室中逸出。因此能够提取成品部件2及围绕它的粉末，而同时限制在机器附近工作的操作员的健康风险。另外，通过防止空气进入由容器9和封闭板12形成的室，密封件16能够避免未熔化粉末污染和氧化，从而使得该粉末更容易重新用于制造其他部件。
由封闭板12封闭并容纳成品部件2的容器9然后可以被带到清洁站以除去未熔化的粉末。清洁站可以形成在机器1的与制造室100分开的专用隔室中。在这种情况下，容器9和封闭板12设计成移动到专用隔室。清洁站可以与机器分开。在这种情况下，容器9和封闭板12设计成可从机器1拆卸。因此，容器9和板12之间的密封件16可以防止粉末在从机器运输到清洁站时被氧化。因此可以回收和再循环粉末。
然而，优选地，在所有情况下，一旦容器9被封闭板12封闭，为了不必打开具有惰性气氛的制造室100，容器9移动到制造室100之外的提取位置。例如，容器沿着抽取轴线11平移地移动到抽取位置，抽取轴线11可以是水平的或竖直的，并且特别地可以与输入轴线10重合。可以在顶壁101中或者在室100的一个侧壁103上形成出舱口，以允许容器9在提取位置离开制造室100，例如在允许操作者接近容纳(可能已经或可能没有清除过粉末的)成品部件的容器9的气闸室中。
在开始制造新部件之前，新的部件支撑板6在制造室100中附接到致动装置7的活塞。
根据第二实施方案(图5和图6)，容器9沿着输入轴线10在待命位置与工作位置之间平移移动，输入轴线10是竖直的，这意味着平行于套筒3的中心轴线5，在这种情况下，根据这里提出的第二实施方案，其与中心轴线5重合。
因此，容器9被放置在套筒3上方的待命位置，设置成足够远离顶部开口4，使得激光束能够到达粉末。然后，封闭板12处于初始位置，同样远离套筒3的开口4，这与前一实施方案类似，但不是必须的。接下来，容器9沿输入轴线10移动到工作位置，在该工作位置，其底部开口15与套筒3的顶部开口4对齐。如在第一实施方案中，容器9的底部开口15的边缘围绕套筒3的顶部开口4与工作表面102接触，并且由于套筒3的顶部开口4与容器9的底部开口15之间的连续性，粉末在转移期间不会逸出。
然后，致动装置7在容器9内部升高由支撑板6、成品部件2和围绕成品部件2的粉末形成的组件。
更具体地，致动装置7平行于套筒3的中心轴线5使由支撑板6、成品部件2和围绕成品部件2的粉末形成的组件升高高度h，该高度h差不多对应于封闭板12的厚度e。在此之后，容器9也立即平行于套筒的中心轴线5向上移动高度h，该高度h差不多对应于封闭板12的厚度e，如在图6中可以看到的那样。
因此，封闭板12可以从其初始位置水平移动，使得它插置于套筒3的顶部开口4与容器9的底部开口15之间，与底部开口15的边缘接触并且在支撑板6的下方。同时，随着封闭板12移动，致动装置7与支撑板6断开连接，以便允许封闭板12完全覆盖容器9的底部开口15。
然后致动联接装置13以连接封闭板12和容器9，并且密封件16在封闭板12与容器9之间提供密封。
如在第一实施方案中那样，一旦容器9被封闭板12封闭，它就可以再次移动到操作者可接近的气闸室中的提取位置，经由舱口出口绕过制造室100。气闸室可以在机器1内形成粉末清洁站，使得打开气闸室的操作者可以直接接近清除了粉末的部件。操作者还可以拆卸由封闭板12封闭的容器9，以便将部件带到远离机器1的清洁站。
例如，容器9通过沿着提取轴线11的平移运动而移动到提取位置，该提取轴线11可以与输入轴线10重合，使得容器9在被提升的同时移动到提取位置。然而，输入轴线10和提取轴线11不一定朝向相同方向。因此，提取轴线11可以是水平的，不与输入轴线10重合。
由于容器9的尺寸大于支撑板6的尺寸，后者对容器9的封闭没有贡献，因此使支撑板6更容易设计。具体地，支撑板6不需要任何特殊特征。
此外，当支撑板6与部件2和未固化的粉末插入容器9中时，容器中的气体可以通过底部开口15逸出，从而避免容器9中的压力上升。
可替选地，在所提出的两个实施方案中，容器9可以配备有装置17，例如阀或过滤器，允许容器中存在的气体通过而阻挡粉末，以防止当容器中的部件和粉末的体积增加时，与气体的运动相关联的任何粉末的泄漏。
在所提出的两个实施方案中，容器9能够沿着直线的输入轴线10和提取轴线11移动。然而，它们可以是弯曲的，或者由相对于彼此倾斜的多个直线部分构成。

Claims (10)

1.用于增材制造部件(2)的机器(1)，所述机器(1)通过粉末的完全或部分选择性熔化来增材制造部件(2)，所述机器(1)包括：
工作室(100)；
套筒(3)，其具有通向所述工作室(100)的顶部开口(4)，并具有竖直中心轴线(5)，
支撑板(6)，其用于接纳制造过程中的所述部件(2)，
装置(7)，其用于沿所述套筒(3)的竖直中心轴线(5)致动所述支撑板(6)在套筒(3)内的平移运动，
部件(2)的提取系统(8)，其包括容器(9)，所述容器(9)包括朝向所述套筒(3)的顶部开口(4)的至少一个底部开口(15)，所述容器(9)安装为能够在所述工作室(100)中相对于所述套筒(3)在待命位置和工作位置之间移动，在所述待命位置处所述容器(9)设定为远离所述套筒(3)的开口(4)，在所述工作位置处所述容器(9)的底部开口(15)至少部分地与所述套筒(3)的顶部开口(4)重合，所述支撑板(6)由致动装置(7)从所述套筒(3)移动到在工作位置处的容器(9)内部，所述机器(1)的特征在于，所述提取系统(8)还包括至少一个封闭板(12)，所述封闭板(12)能够沿着至少一个水平轴线在所述工作室(100)内相对于所述容器(9)移动，从而封闭所述容器(9)的底部开口(15)，所述封闭板(12)与所述支撑板(6)分开，所述支撑板(6)与所述致动装置(7)之间的附接是能够移除的类型。
2.根据权利要求1所述的制造机器(1)，其中，所述容器(9)沿着与所述套筒(3)的竖直中心轴线(5)平行的输入轴线(10)在待命位置与工作位置之间移动。
3.根据权利要求1所述的制造机器(1)，其中，所述容器(9)沿着与所述套筒的竖直中心轴线(5)垂直的输入轴线(10)在待命位置与工作位置之间移动。
4.根据前述权利要求中任一项所述的制造机器(1)，其中，所述容器(9)在工作位置与提取位置之间移动，在所述提取位置，所述容器(9)位于所述工作室(100)的外部。
5.根据前述权利要求中任一项所述的制造机器，其中，所述致动装置(7)包括活塞，所述支撑板(6)能够移除地安装在所述活塞上，所述封闭板(12)插置于所述支撑板(6)与所述活塞之间以封闭容器(9)的底部开口(15)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的制造机器，其中，所述提取系统(8)包括联接所述封闭板(12)和所述容器(9)的能够移除的联接装置(13)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的制造机器，其中，所述提取系统(8)包括位于所述封闭板(12)与所述容器(9)之间的密封件(16)。
8.采用根据前述权利要求中任一项所述的机器(1)增材制造部件(2)的方法，通过完全或部分选择性熔化粉末来增材制造部件(2)，其特征在于，在制造所述部件(2)之后：
容器(9)相对于套筒(3)从待命位置移动到套筒(3)的顶部开口(4)上方的工作位置，
支撑板(6)通过致动装置(7)沿竖直中心轴线(5)移动直至容器(9)内部，
封闭板(12)相对于套筒(3)平移移动，以封闭容器(9)的底部开口(15)。
9.采用根据权利要求1至7中任一项所述的机器(1)增材制造部件(2)的方法，通过完全或部分选择性熔化粉末来增材制造部件(2)，其特征在于，在制造所述部件(2)之后：
容器(9)相对于套筒(3)从待命位置移动到套筒(3)的顶部开口(4)上方的工作位置，
支撑板(6)通过致动装置(7)沿竖直中心轴线(5)移动直至容器(9)内部，
容器(9)相对于套筒(3)沿水平轴线平移移动到封闭板(12)上，以封闭容器(9)的底部开口(15)。
10.根据权利要求8或权利要求9所述的方法，其中，在所述容器(9)的底部开口(15)被所述封闭板(12)封闭之后，所述容器(9)和所述封闭板(12)一起移动到所述机器(1)的工作室(100)外部的提取位置。
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