CN109153183A - 用于三维打印机的细粉末涂覆器 - Google Patents

Abstract

公开了适用于细粉末的粉末层三维打印机涂覆器。涂覆器包括可控制振动的行进粉末分配器，该粉末分配器具有：适于容纳构建粉末的料斗部；开口，通过该开口可以将粉末可控制地横向排出进入腔室中，该腔室位于开口旁边并具有覆盖其底部至少一部分的网状物；涂覆器还包括振动器，该振动器可操作地连接到行进粉末分配器，并且适于选择性地使粉末从料斗流过开口并通过网状物排出。在一些实施例中，涂覆器还包括平整装置，该平整装置适于平整通过网状物分配的粉末。在一些实施例中，平整装置适于将分配的粉末水平的密度压缩可选择的量。还公开了具有这种涂覆器的粉末层三维打印机。

Description

用于三维打印机的细粉末涂覆器

技术领域

本发明涉及适用于三维打印的粉末涂覆器和具有这种粉末涂覆器的三维打印机。

背景技术

目前存在各种类型的三维打印机，即通过系统地堆积一种或多种材料将三维物品的电子表示转换成物品本身的装置。本发明的装置发现尤其对那些通过选择性地将连续沉积的粉末层的预选区域结合在一起而产生三维物品的类型的三维打印机有用。这些类型的三维打印机在本文中称为“粉末层三维打印机”，因为通过这种打印机构造的三维物品利用粉末层作为构建材料。这种类型的粉末层三维打印机的实例包括但不限于粘合剂喷射三维打印机、选择烧结三维打印机和电子束熔化三维打印机。

应理解，术语“粉末”在本领域中有时也称为“颗粒材料”或“颗粒”，而术语“粉末”在本文中应解释为任何此类材料，无论何种名称，在这种三维打印机中用作层形成材料。粉末可以包括能够呈现粉末形式的任何类型的材料，例如金属、塑料、陶瓷、碳、石墨、复合材料、矿物等，以及它们的组合。术语“构建粉末”在本文中用以指用于形成粉末层的粉末，并且物品在粉末层三维打印机中由该粉末构建。

在粉末层三维打印机的操作期间，将第一层构建粉末沉积在垂直可分度(indexible)的构建平台上，然后在该第一粉末层上每次一层地沉积连续的粉末层。当形成一个或多个三维物品时，处理选定粉末层的选定部分以将这些部分中的粉末结合在一起。共同地，沉积的粉末层的未结合在一起的部分在本文中称为“粉末床”。

形成粉末层的方法在本领域中有时称为“涂覆”，并且在本文中也称为“涂覆”。实现涂覆的具体粉末层三维打印机的装置或装置的组合在本领域中有时称为“粉末涂覆器”或更简单地称为“涂覆器”，并且在本文中称为“粉末涂覆器”或更简单地称为“涂覆器”。

在一些粉末层三维打印机中，每个粉末层如下形成：借助于首先对在储存器内的支承粉末的平台向上分度出一预定量，从而将该预定的量提升到储存器壁的上方，通过从顶部敞开的静止粉末储存器转移预定量的构建粉末，然后将该量的粉末推过构建平台或粉末床的顶部，例如，通过刮刀刀片或反向旋转辊，来形成粉末层。在Cima等人的美国专利5,387,380中描述了这种涂覆器的实例。这种涂覆器通常限于与较小尺寸的粉末床一起使用，即涂覆方向长度小于几十厘米的那些粉末床。

在一些粉末层三维打印机中，每个粉末层通过包括行进粉末分配器的涂覆器沉积在构建平台上或现存的粉末床上，所述行进粉末分配器在横穿构建平台或粉末床时通过开口狭缝分配构建粉末。在Hochsmann等人的美国专利7,799,253B2中描述了这种涂覆器的实例。这种涂覆器可以包括或不包括适于使平整粉末层顶部平整的一些装置。如本文中所用，术语“平整”应阐释为意指对一定量的粉末操作以便做成以下中的至少一个：(a)将至少一部分量的粉末形成为层，(b)使包含一定量粉末的层的表面的至少一部分不那么粗糙，以及(c)压缩包含一定量粉末的层的至少一部分。平整一定量粉末的机构在本文中称为“平整装置”。

最近，已经为粉末层三维打印机的开发出涂覆器，该涂覆器从行进粉末分配器排出粉末，该粉末分配器具有附接到其侧部或底部的网状物，即筛网或筛子，使得粉末可以通过网状物分配到粉末床上。在Buller等人的美国专利9,254,535B2中描述了这种涂覆器的实例。这种涂覆器可以包括或不包括平整装置。

包括行进粉末分配器的现有技术涂覆器的问题在于它们不能很好地适用于细粉末。如本文中所用的术语，细粉末是那些有流动问题和/或凝聚问题倾向的构建粉末，因为对于它们而言，与重力相比表面相关力不再可忽略。通常，细粉末具有低于20微米的平均有效直径，尽管对于一些具有高水平表面相关力的粉末材料，它们落入此细粉末定义范围内的平均有效直径大于20微米。应当理解，表面相关力不仅包括一个颗粒固有地吸引到另一个颗粒的力，而且还包括从至少部分地涂覆颗粒表面(例如，吸附湿气)的材料产生的力。

发明内容

本发明提供适于与细粉末使用的粉末层三维打印机涂覆器。本发明的涂覆器包括可控制振动的行进粉末分配器，该行进粉末分配器具有：适于容纳构建粉末的料斗部；开口，通过该开口可以将粉末可控制地横向排出进入腔室中，该腔室位于开口旁边并具有包括其底部至少一部分的网状物。涂覆器还包括振动器，该振动器可操作地连接到行进粉末分配器，并且适于选择性地使粉末从料斗流过开口并通过网状物排出。尽管这种涂覆器克服了上述分配细粉末的问题，但应理解，在一些实施例中，涂覆器适于分配任何尺寸或类型的用于粉末层三维打印的构建粉末。

在一些实施例中，本发明的涂覆器还包括平整装置，该平整装置适于平整通过网状物分配的粉末。平整装置的实例包括辊、反向旋转辊、刮刀刀片和捣固压板。在一些实施例中，平整装置适于将分配的粉末水平的密度压缩可选择的量。

在另一方面，本发明还包括具有前两段中描述的涂覆器的粉末层三维打印机。

附图说明

通过参考附图将更好地理解本发明的特征和优点的关键性。然而应当理解，附图仅作为说明的目的而设计，而不是作为本发明的范围的限定。

图1示出了粉末层三维打印机10形式的实施例的示意性立体图。

图2A-2C分别是实施例涂覆器22的前视立体图、后视立体图和仰视立体图。

图3A是除去了涂覆器22的其余部分的粉末分配器24的立体剖视图，该视图沿着图2A中所示的切割平面3-3剖开。

图3B是粉末分配器24的下部分的侧面剖视放大图，该下部分包围在图3A中的虚线框3B内。

图4是粉末分配器实施例的立体剖视图，即粉末分配器60，所示立体剖视图除去了其行进支承机构。

具体实施方式

在本部分中充分详细描述了本发明的一些优选实施例，对于本领域技术人员无需过度实验即可实施本发明。然而，应该理解，在该部分中描述有限数量的优选实施例的事实不以任何方式限制权利要求中阐述的本发明的范围。

应当理解，无论何时在本文中描述一系列值，即无论是在本部分还是在本专利文件的任何其他部分中，该范围包括其端点和它们之间的每个点，如同每一个这样的点已被明确描述一样。除非另有说明，否则本文中使用的词语“约”和“基本上”应解释为意指与“约”或“基本上”修饰的值或条件相关的正常测量和/或制造限制。除非另有明确说明，否则术语“实施例”在本文中用于表示本发明的实施例。

短语“行进粉末分配器”应理解为意指一种装置，其适于可控制地横穿构建平台或粉末床并且当其横穿构建平台或粉末床时将构建粉末分配到构建平台或粉末床上。

本发明的涂覆器具体用于粉末层三维打印机。虽然涂覆器可以与任何类型的粉末层三维打印机一起使用，但为了简明起见，本部分将讨论的唯一类型的粉末层三维打印机是那些粘合剂喷射三维打印机类型。粘合剂喷射三维打印机有时在本领域中称为“三维喷墨打印机”，因为使用类似于那些为喷墨打印开发的打印头完成粘合剂喷射。基本的粘合剂喷射三维打印方法发明于20世纪80年代，并于20世纪90年代在麻省理工学院开发，并在几个美国专利中描述，包括以下美国专利：Cima等人的5,387,380、Sachs等人的5,490,882、Cima等人的5,490,962、Cima等人的5,518,680、Bredt等人的5,660,621、Sachs等人的5,775,402、Sachs等人的5,807,437、Sachs等人的5,814,161、Bredt的5,851,465、Cima等人的5,869,170、Sachs等人的5,940,674、Sachs等人的6,036,777、Sachs等人的6,070,973、Sachs等人的6,109,332、Sachs等人的6,112,804、Vacanti等人的6,139,574、Sachs等人的6,146,567、Vacanti等人的6,176,874、Griffith等人的6,197,575、Monkhouse等人的6,280,771、Sachs等人的6,354,361、Sachs等人的6,397,722、Sherwood等人的6,454,811、Yoo等人的6,471,992、Sachs等人的6,508,980、Monkhouse等人的6,514,518、Cima等人的6,530,958、Sachs等人的6,596,224、Sachs等人的6,629,559、Teung等人的6,945,638、Sachs等人的7,077,334、Sachs等人的7,250,134、Payumo等人的7,276,252、Pryce等人的7,300,668、Serdy等人的7,815,826、Pryce等人的7,820,201、Payumo等人的7,875,290、Pryce等人的7,931,914、Wang等人的8,088,415、Bredt等人的8,211,226和Wang等人的8,465,777。

为了便于描述，从本发明的涂覆器的粉末排出在本文的在一些地方用所需量的粉末来描述。应当理解，本发明包括控制从涂覆器排出的粉末量和从涂覆器中排出粉末的速率中的一个或两个。

现在参考图1，那儿示出了粉末层三维打印机10形式的实施例的示意性立体图。粉末层三维打印机10包括可移除构建盒12，该可移除构建盒12具有垂直可分度构建平台(不可见)并且包含粉末床14、涂覆器16和选择性定位的粘合剂喷射打印装置18。在操作期间，涂覆器16在构建平台或粉末床14上移动，以在其上沉积粉末层。如果涂覆器16包括平整装置，例如，平整装置20，采用平整装置以平整沉积的粉末，以在粉末床14的预先存在的顶表面上形成均匀厚度的粉末层。这可以在涂覆器16横越粉末床14、粉末被分配的期间完成，在随后的横越粉末床14的期间完成。如果需要，随后可以沉积另一个粉末层，或者随后可以在粉末床14上移动粘合剂喷射打印装置18以选择性地沉积粘合剂到新沉积的层上，接着向后移回粉末床14的左侧，以允许下一个粉末层沉积在粉末床14上。

现在参考图2A-2C，分别示出了实施例涂覆器22的前视立体图、后视立体图和仰视立体图。涂覆器22包括行进粉末分配器24和电动机驱动辊26形式的平整装置，两者都是由桥式推车28支承，以便能够选择性地横越粉末床。粉末分配器24包括用于容纳所需量的构建粉末(未示出)的料斗30和网状物32，粉末通过网状物32选择性地排出。涂覆器22还包括振动器34，振动器34可操作地连接到粉末分配器24，使得选择性地操作振动器34使粉末从料斗30流动并通过网状物32排出。

现在参考图3A和3B。图3A示出了粉末分配器24的立体剖视图，除去了涂覆器22的其余部分并且沿着图2A中所示的切割平面3-3剖开。图3B示出了粉末分配器24的下部分的侧面剖视放大图，该下部分为包围在图3A中的虚线框3B内的一部分。如已经提到的，粉末分配器24包括适于容纳所需量的粉末的粉末料斗30和网状物32，粉末通过网状物32选择性地分配。粉末料斗30的底部分具有侧向开口36(如双头虚线箭头所示)、第一倾斜平坦表面38、弧形表面40和第二倾斜平坦表面42。粉末分配器24具有可选择控制的门部44，该门部44位于开口36附近并适于控制通过开口36离开的粉末量。粉末分配器24还具有位于开口36旁边的腔室46。腔室46的底部包括网状物32。粉末分配器24还具有窗口48，窗口48通过旋钮螺钉(例如旋钮螺钉50)可移除地保持在适当位置，用于观察内部和清洁腔室46。

在操作期间，包含在粉末料斗30内的粉末(未示出)停留在适当位置，直到它被振动器摇动，例如图2B中所示的振动器34。当被振动器的选择性操作摇动时，粉末流过粉末料斗30的底表面，即第一倾斜平坦表面38、弧形表面40和第二倾斜平坦表面42。流动的粉末离开粉末料斗30通过开口36流过门部44的底部进入腔室46，在那里它通过网状物32从粉末分配器24中分配出来。分配优选地在粉末分配器24由推车(例如图2A-2C中所示的桥式推车28)支撑行进通过粉末床或粉末支撑平台时发生。

图4示出了另一种粉末分配器实施例的立体剖视图，即粉末分配器60，所示立体剖视图除去了其行进支承机构。粉末分配器60具有比粉末分配器24更简单的设计。粉末分配器60包括粉末料斗62，该粉末料斗62具有在其底部的弧形表面64和侧向开口66(如双头虚线箭头所示)。粉末分配器60还包括腔室68，该腔室68在其底部具有网状物70。粉末分配器60还包括倾斜的平坦表面72，该平坦表面72部分地限定腔室68。网状物70的一部分被平面覆盖物74选择性地遮盖，以便控制网状物70可用于排出粉末的总量和部分。尽管平面覆盖物74显示为遮盖网状物70的顶表面，但是可以使用一个或多个平面覆盖物来遮盖网状物的顶部和/或底部表面的任何期望部分。这种平面覆盖物可以是任何形状，例如，矩形、弯曲的等，并且可以是连续的或具有粉末可以流过的切口。

尽管对于上述两个实施例中的每一个，行进粉末分配器的粉末料斗部分包括接近粉末料斗的侧向排出开口、在其底部或靠近其底部的弧形表面，不是所有实施例包括这样的弧形部，而其它的具有不止一个弧形表面。优选的实施例包括至少一个弧形表面，因为据信这样的表面有助于粉末横向流动到排出开口。而且，尽管实施例可以使用任何半径的弧形表面，但是当涂覆器与细粉末一起使用时，优选这种弧形表面具有至少1.2厘米的半径。

网状物的尺寸优选设为允许粉末分配器在粉末床的整个宽度上排出构建粉末。在一些实施例中，网状物的尺寸设为使得涂覆器能够从静止位置起在整个粉末床上排出粉末。关于诸如开口尺寸和形状、构造材料和线股尺寸的特性的网状物的选择取决于颗粒尺寸分布、颗粒形状、质量密度和影响与本发明的涂覆器一起使用的构建粉末的流动性的其他因素。通常的情况是，网状物开口尺寸可远大于构建粉末的平均颗粒尺寸，因为当振动器关闭时，粉末桥接可以起限制粉末通过网状物流动的作用。

振动器34是图2A-2C和图3A-3B中描绘的实施例的一部分，该振动器是电机驱动的偏心类型，其中电动机由桥式推车28支承，振动机构直接附接到粉末分配器30。粉末分配器30另外通过减振器(例如阻尼支承件29)与桥式推车28振动隔离，以便最小化操作粉末分配器30所需的振动能量并防止振动器部件不必要的磨损和桥式推车28上振动引起的紧固件松动。可以在实施例中使用本领域中已知的任何类型的减振器，以至少部分地将粉末分配器与其推车或其他支承传送装置振动隔离。要使用的减振器的选择部分地取决于，在使用它的位置，粉末分配器是悬挂在传送装置上还是坐落在传送装置上。尽管如此，本发明包括粉末分配器与其传送支承装置不振动隔离的实施例。

本领域中已知的任何类型的振动器都可以用于本发明的振动器。振动器可以在声波和/或超声波范围内操作。取决于构建粉末的性质和数量以及粉末分配器的质量和其他物理特性以及粉末分配器是否与其传送支承装置振动隔离，可以使用一个以上的振动器和振动器类型。振动器或多个振动器将被定位并适于操作，例如，通过使用手动或自动控制系统，以选择性地使粉末流过粉末料斗的侧向开口流到并穿过开口旁边的腔室中的网状物。在实施例中，振动器仅需要可操作地连接到粉末分配器，适于选择性地使粉末分配器的粉末料斗内的构建粉末流过粉末料斗的侧向开口并通过网状物分配。

应当理解，尽管上述粉末料斗30、62的上部分具有稍微类似的形状，但是实施例涂覆器的粉末料斗的上部分可以具有适合于容纳所需量的构建粉末的任何形状。

尽管本发明的涂覆器，例如，结合图2A-2C描述的涂覆器22，可以包括平整装置，但是并非所有实施例包括平整装置。这种平整装置的实例包括辊、反向旋转辊、刮刀刀片和捣固压板。在一些实施例中，平整装置适于将分配的粉末水平的密度压缩可选择的量。

本发明还包括粉末层三维打印机，例如，图1所示的粉末层三维打印机10，该粉末层三维打印机10包括上述涂覆器的任何实施例。

虽然仅示出和描述了本发明的几个实施例，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以对那些进行许多改变和修改，而不脱离如在权利要求书中描述的本发明的精神和范围。所有美国专利和专利申请、所有外国专利和专利申请以及本文中确定的所有其他文件均通过引用并入本文，如同在本文中在法律允许的最大范围内完整阐述一样。

Claims (20)

1.涂覆器，包括：

行进粉末分配器，具有

(i)适于容纳构建粉末的料斗，

(ii)具有底部的第一腔室，所述底部包括网状物，以及

(iii)适于可控制地将所述构建粉末从所述料斗侧向排出到所述第一腔室中的开口；以及

可操作地连接到所述粉末分配器的振动器；

其中，所述第一腔室位于所述开口旁边，所述振动器适于选择性地使所述构建粉末从所述料斗流过所述开口并通过所述网状物排出。

2.权利要求1所述的涂覆器，其特征在于，所述第一腔室包括倾斜表面，所述倾斜表面适于接收从所述开口排出的至少一些所述构建粉末并将所接收的构建粉末输送到所述网状物。

3.权利要求1所述的涂覆器，其特征在于，所述料斗具有底部，所述底部具有靠近所述开口的弧形表面。

4.权利要求1所述的涂覆器，其特征在于，所述料斗具有底部，所述底部具有倾斜的平坦表面。

5.权利要求1所述的涂覆器，其特征在于，还包括传送支承装置和减振器，由此所述传送支承装置适于在所述粉末床上传送所述粉末分配器，并且所述粉末分配器至少部分地与所述传送支承装置通过所述减振器振动隔离。

6.权利要求1所述的涂覆器，其特征在于，所述振动器适于在超声频率范围内振动。

7.权利要求1所述的涂覆器，其特征在于，还包括平整装置，所述平整装置适于平整通过所述网状物排出的粉末。

8.权利要求1所述的涂覆器，其特征在于，还包括门部，所述门部适于选择性地控制所述开口的尺寸。

9.权利要求1所述的涂覆器，其特征在于，还包括平面覆盖物，所述平面覆盖物适于遮盖所述网状物的至少一部分。

10.权利要求1所述的涂覆器，其特征在于，所述料斗具有底部，所述底部具有靠近所述开口的弧形表面，所述弧形表面具有至少1.2厘米的半径。

11.包括涂覆器的粉末层三维打印机，所述涂覆器包括：行进粉末分配器，具有

(i)适于容纳构建粉末的料斗，

(ii)具有底部的第一腔室，所述底部包括网状物，以及

(iii)适于可控制地将构建粉末从所述料斗侧向排出到第一腔室中的开口；以及

可操作地连接到所述粉末分配器的振动器；

其中所述第一腔室位于所述开口旁边，所述振动器适于选择性地使所述构建粉末从所述料斗流过所述开口并通过所述网状物排出。

12.权利要求11所述的粉末层三维打印机，其特征在于，所述第一腔室包括倾斜表面，所述倾斜表面适于接收从所述开口排出的至少一些所述构建粉末并将所接收的构建粉末输送到所述网状物。

13.权利要求11所述的粉末层三维打印机，其特征在于，所述料斗具有底部，所述底部具有靠近所述开口的弧形表面。

14.权利要求11所述的粉末层三维打印机，其特征在于，所述料斗具有底部，所述底部具有倾斜的平坦表面。

15.权利要求11所述的粉末层三维打印机，其特征在于，还包括传送支承装置和减振器，由此所述传送支承装置适于在粉末床上传送所述粉末分配器，并且所述粉末分配器至少部分地与所述传送支承装置通过所述减振器振动隔离。

16.权利要求11所述的粉末层三维打印机，其特征在于，所述振动器适于在超声频率范围内振动。

17.权利要求11所述的粉末层三维打印机，其特征在于，还包括平整装置，所述平整装置适于平整通过所述网状物排出的粉末。

18.权利要求11所述的粉末层三维打印机，其特征在于，还包括门部，所述门部适于选择性地控制所述开口的尺寸。

19.权利要求11所述的粉末层三维打印机，其特征在于，还包括平面覆盖物，所述平面覆盖物适于遮盖所述网状物的至少一部分。

20.权利要求11所述的粉末层三维打印机，其特征在于，所述料斗具有底部，所述底部具有靠近所述开口的弧形表面，所述弧形表面具有至少1.2厘米的半径。