CN109311089B - 增材制造粉末分配 - Google Patents

Abstract

增材制造中的粉末分配可以包括在利用中间缓冲器或储存器在台上方扫描的同时从所述缓冲器或所述储存器分配粉末的系统或方法。

Description

增材制造粉末分配

背景技术

一种增材制造技术涉及在粉末床中构建物体，由此粉末层被设置在构建台上，并且粉末层内的选择性图案被熔合以逐层地构建物体。在台的表面上分配具有相对恒定的表面的粉末层可能是具有挑战性的。一种粉末分配的技术涉及靠近台的一侧铺设过量的粉末，并且随后使用压平辊将粉末从该侧散布到台的其余部分上。

附图说明

图1图示了用于增材制造装置的粉末分配系统的一个示例的示图；

图2图示了处于第一状态的粉末分配系统的另一示例的示图；

图3图示了处于第二状态的图2的示例性粉末分配系统的示图；

图4图示了处于第三状态的图2和图3的示例性粉末分配系统的示图；

图5图示了用于中间粉末缓冲器的底部结构的一个示例的示图；

图6图示了图5的示例性底部结构的示图，其中，第一孔阵列用挡板(shutter)关闭；

图7图示了图5和图6的示例性底部结构的示图，其中，与第一孔阵列不同的第二孔阵列用挡板关闭；

图8图示了包括示例性粉末分配系统的增材制造子系统的一个示例的示图；

图9和图9A图示了辊的外表面的轮廓的示例；

图10图示了具有第一厚度的分配的粉末层的示例；

图11图示了具有第二厚度的分配的粉末层的示例；

图12图示了在台上分配粉末层的方法的一个示例的流程图；以及

图13图示了在台上分配粉末层的方法的另一个示例的流程图。

具体实施方式

图1图示了用于增材制造装置的粉末分配系统1的一个示例的示图。增材制造装置的其他部件以虚线绘出。该增材制造装置可以是三维(3D)打印机。该增材制造装置可以用于在粉末床中打印物体，其中，粉末层被堆叠并图案化以构建该物体。在本公开中，术语“构建”、“打印”和“增材制造”全都是指在台上构建物体。每层的粉末可以按预定的图案被熔合，或者以任何优选的方式至少部分地被熔化和/或固化，以在堆叠的粉末层中形成最终物体。在一个示例中，能量被发射到粉末上以促进粉末的熔合。该能量可以是如下任何能量，即：其能够被粉末吸收以引起相变，以例如至少部分地熔合或熔化粉末。在另一示例中，所述能量包括热，例如使用红外(IR)波。另一个示例使用紫外(UV)聚合。在另一示例中，试剂可以按所述图案被打印到粉末上，以进一步帮助熔合粉末。

在另一个示例中，例如粘合剂之类的试剂被沉积在粉末上以结合粉末。在再一个示例中，熔合剂和照射的组合被用于熔合粉末中的层中的预定图案，以在粉末床中构建物体。这种组合的增材制造过程的一个示例可以被称为Multi Jet

图1图示了增材制造装置的粉末分配系统1和其他部分。所述其他部分包括：构建台3，其用于堆叠粉末层和构建物体；以及粉末输送系统11，其将例如从外部的例如可更换的粉末供应装置接收的粉末输送到粉末分配系统1。至少在打印期间，台3可以在粉末分配系统1下方延伸。通过使用粉末分配系统1来分配粉末层，粉末床可以被形成到台3上。第一层可以被直接设置到台的表面上，而后续的层将被堆叠在先前设置的粉末层上。堆叠的层可以被称为粉末床。

也许多余地提到的是，在本公开中，当提及在台3上分配粉末时，这包括在台和粉末床二者上分配粉末。在本公开中，当提及在台3上扫描时，这包括在台上和在粉末床上扫描等。

用于增材制造的粉末颗粒可以具有任何合适的材料，并且可以具有任何合适的平均颗粒尺寸。在某些示例中，所述粉末颗粒具有介于大约10微米和大约200微米之间的平均直径，例如介于大约20微米和大约100微米之间，例如20微米至50微米。在另外的示例中，平均层厚度可以变化，也就是说，可以通过调整粉末分配系统1来选择平均层厚度，为此可以设置将在本公开中稍后论述的特定机构。例如，平均粉末层厚度可以在大约20微米和大约200微米之间，在大约30微米和大约120微米之间，例如为大约80微米。要提到的是，一旦先前沉积的层的部分被熔合(和/或结合和/或固化)，这些部分就可能收缩或膨胀。在本公开中，我们将论述收缩的熔合部分，但是相似的原理将适用于熔合部分膨胀的示例。在任何情况下，在部分地熔合这样的先前层之后，该层不具有恒定的厚度或层表面。因此，为了在先前的部分熔合层上获得相对恒定的层表面，后续的粉末层将被理想地分配成使得它在熔合的部分上更厚/更薄以补偿厚度变化。位于未固化的先前层部分之上的新粉末层的区域仍可具有相对恒定的厚度。

在本公开中，“恒定”、“均匀”或“规则”的层表面是指粉末层的顶表面的平坦度或轮廓。在这种恒定、均匀或规则的层表面的一个示例中，层表面是平坦的并且平行于台表面。在这种恒定、均匀或规则的层表面的另一个示例中，层表面具有一定轮廓，例如波状或脊状表面的轮廓，其中，该轮廓在层的表面上是规则的。

粉末分配系统1包括滑架5。滑架5用于在台3上方扫描以分配粉末。例如使用导轨、轮或滑动件以及电动机，滑架5可以被布置成沿两个相反的方向D平行于台3扫描。滑架5具有安装在其上的中间粉末缓冲器7。该中间粉末缓冲器7用于从粉末输送系统11接收粉末，并将粉末储存在该中间粉末缓冲器7的储存器9中。中间粉末缓冲器7被称为“中间”是因为它被放置在粉末供应系统11和台3之间，从而在于台3上分配粉末之前在扫描期间暂时缓冲粉末。此后，中间粉末缓冲器7可以简单地被称为缓冲器7。缓冲器7包括储存粉末的储存器9。在打印期间，至少部分填充的储存器9在台3上方扫描，由此粉末从储存器9中向外分配并且分布在台3上，如利用箭头A所示。

粉末分配系统1包括分配器13，以在台3上分配粉末。分配器13被安装到滑架5。在粉末分配期间，分配器13与滑架5和缓冲器7一起扫描。在从储存器9分配粉末之后，分配器13散布粉末并使之变平。分配器13可包括辊或刮板或两者。粉末可以直接从缓冲器7分配到台3上，并且随后，通过分配器13来分配，或者缓冲器7可以将粉末分配到分配器13上或旁边，使得分配器13在台3上直接分配粉末。

所公开的具有中间缓冲器7的粉末分配系统1可以允许粉末在台区域上的相对受控的配给和分配，通过该相对受控的配给和分配，可以在台3的整个表面上实现相对均匀的粉末层厚度，或至少相对均匀的粉末层表面。作为该均匀的层表面的结果，可以实现打印物体的相对可预测的材料和机械性能。作为附加的结果，测定量的粉末可以包含在缓冲器7中，使得在每次滑架通过之前需要相对少量的过量粉末，这又可以导致较少的废物和较少的空气传播粉末。

图2-4图示了在增材制造过程中的不同实例中用于增材制造系统的另一示例性粉末分配系统101。系统101包括在台103上方扫描的滑架105。滑架105具有安装在其上的粉末缓冲器107和分配器113。在该示例中，分配器113包括压平辊。粉末缓冲器107具有储存用于分配的粉末的两个储存器109，该两个储存器109在分配器113的相对侧上延伸。储存器109的底部包括具有孔阵列117的板115，该孔阵列117允许粉末朝向台穿过孔119。每个储存器109都可包括一个或多个孔阵列板115。阵列117的孔119和扫描速度可以被校准，以控制粉末分配和粉末层厚度。

振动器元件121可以被安装到滑架105，或安装到缓冲器107，或安装到每个储存器109，或安装到每个孔阵列板115。振动元件121可以按合适的频率提供振动，以有利于通过孔阵列117来筛分粉末。在滑架扫描期间，振动元件121可以帮助提供通过孔阵列117的相对恒定的粉末流。在一个示例中，仅孔阵列板115摇动以帮助筛分。在另一个示例中，整个储存器109摇动，这可有助于使储存器109中的粉末变松以及筛分。在又一个示例中，振动元件121包括至少一个电动机以及连接到电机的轴和储存器109的偏心传动装置。在这样的示例中，当电机旋转时，该传动装置摇动储存器109。在另一个示例中，例如借助于电动机，对储存器109和/或阵列板115引起线性运动，该电动机包括用于将旋转电机(运动)转换成线性往复运动的传动装置。各种其他类型的振动元件121也可以是合适的。

在图2的实例中，两个储存器109都已通过粉末输送系统填充粉末。在图2的实例中，粉末分配系统101即将在第一次通过中在台103上分配一层粉末。

在图3的实例中，例如在用于提供第一粉末层的第一次通过期间，滑架105在台103上方向右扫描，同时粉末分配系统101在台103上分配一层粉末。右边的储存器19通过孔阵列117将其粉末分配到台103上。在移动方向的下游，在分配器113的右侧处分配粉末。在相同的扫描移动中，分配器113使在它之前分配的粉末变平，从而进一步散布粉末。随之发生的扫描、分配和变平在台的表面上提供相对恒定的粉末层表面。一次滑架扫描移动覆盖整个台，由此每个储存器109中的粉末的量可以与构建台的表面面积近似相同，也就是说，用于构建的台的表面面积，乘以预期的层厚度，加上选定的相对小的余量，例如1-20％的额外粉末。

在图4的实例中，例如在用于提供跟随第一层的第二粉末层的第二次通过中，滑架105沿与图3的扫描方向相反的方向扫描。在图示中，滑架105向左扫描。这次，左边的储存器19通过孔阵列117将其粉末分配到台103上。在移动方向的下游，在分配器113的左侧处分配粉末。同样，在相同的扫描移动中，分配器113使在它之前分配的粉末变平，从而进一步散布粉末。在进行图3的扫描移动之前，左边的储存器109可能已被填充，也就是说，首先左边的储存器109被填充，然后在清空另一储存器109的同时完整的扫描通过已完成，并且随后，在台上基本上清空左边的储存器109。相对的右侧储存器109可以在台的右侧上被填充，而左边的储存器109可以在台的左侧上被填充，其中，每次填充发生在后续的相反通过之间。在其他示例中，可以每两次或四次通过填充储存器109，由此储存器109包含多层的粉末量。在其他示例中，两个储存器109都在台的相同的横向侧处填充。

图5-7图示了具有多个孔阵列217A、B的孔阵列板组件215。孔阵列板组件215可以形成本公开的粉末分配系统的缓冲储存器的储存器底部的至少一部分。第一孔阵列217A包括第一直径的第一孔219A。第二孔阵列217B包括第二直径的第二孔219B，该第二直径不同于第一直径，例如小于第一直径。例如，第一阵列217A具有比第二阵列217B大的孔直径。图6图示了孔阵列板215的第一实例，其中，第二孔219B被封闭并且第一孔219A敞开。图7图示了孔阵列板215的第二实例，其中，第一孔219A被封闭并且第二孔219B敞开。图6的第一实例允许通过板215的相对较高的粉末流率，从而比具有相同滑架速度的第二实例提供更厚的粉末层。

挡板223可被用于关闭相应孔阵列的孔，同时使另一孔阵列的孔保持敞开。挡板223可以相对于孔阵列板215滑动或移动，以便封闭相应的孔。在一个示例中，挡板例如与储存器相对地在孔阵列板215的底部处延伸，以允许在有限地干扰粉末颗粒的情况下滑动。在其他示例中，可以通过不同的机构获得可变的孔直径。例如，所述孔可以通过隔膜形成，例如有时用于例如相机镜头之类的光学器件中的隔膜，由此该隔膜提供孔的轮廓并允许扩展或收缩孔的轮廓，从而改变每个孔或孔的一个子集的孔尺寸。此外，具有重叠的孔的少至两个板也可以相对于彼此滑动，以通过具有更少或更多的重叠来促进孔的变宽和变窄。可以使用不同的机构来实现不同的孔尺寸，由此可以根据期望的层厚度和/或打印模式来选择孔的表面面积。

在另一个示例中，孔阵列板可包括允许设定打开或关闭的孔的量的机构，例如使用挡板。在再一个示例中，代替改变孔的表面面积或数量，可以调整滑架扫描速度以设定层厚度。例如，较低的扫描速度可导致平均较厚的层，并且较高的速度导致平均较薄的层。

在一个示例中，可以为每个打印作业选择孔尺寸。例如，相对大的孔可以被选择用于草稿打印模式，并且相对小的孔尺寸可以被选择用于相对高质量的打印模式。在另一个示例中，孔尺寸可以在打印作业内变化，例如在层或层集之间变化。这可以允许对物体的不同部分的不同修整。在再一个示例中，孔尺寸可以在单层通过内变化，以改变层内的粉末流和厚度，以例如补偿例如由于熔合和/或固化引起的先前层中的变化的厚度。

图8图示了增材制造装置的子系统331的一个示例。该子系统331包括粉末分配系统301。在打印期间，粉末床303可以位于竖直地处于粉末分配系统301下方的台上。子系统331还包括照射结构333，以将预定波长范围的热和/或光发射到粉末床上，以例如促进在粉末层中熔合物体图案。在一个示例中，照射结构333包括IR照射源。

粉末分配系统301包括滑架305。滑架305沿台上的滑架轨道(未示出)扫描。粉末分配系统301还包括粉末缓冲器307和两个分配器313，它们安装到滑架305以在台上方扫描。分配器313中的一个在缓冲器307的底部处延伸。缓冲器307将粉末直接提供给该分配器313，其在台上分配粉末。另一个分配器313被用于使在台表面上分配的粉末变平。

粉末缓冲器307包括粉末储存器309。粉末缓冲器307包括处于储存器309的底部处的孔阵列板315。孔阵列允许储存器309中的粉末朝向分配器313通过。缓冲器307可包括辅助储存器335、引导板、漏斗等，以将筛分的粉末引向分配器313。

孔阵列板315可包括重新配置孔的表面面积的机构。例如，孔阵列板315可以包括不同的孔阵列和类似于图5-7的挡板，或者孔阵列板315可以包括其他孔尺寸重置机构，例如隔膜等。

处于缓冲器下方的分配器313是辊337，以下称为分配器辊337。分配器辊337用于在滑架扫描期间滚动，由此分配器辊337的滚动移动在台上分配粉末。辊337的外表面可以是脊状/带槽的，其中，这些脊平行于辊的轴延伸。粉末可以在脊之间输送，例如在脊之间的槽中输送。这些脊可以有助于粉末的均匀分配，以在台的表面上获得相对均匀的层厚度。在另一个示例中，这些脊可以有助于允许粉末在辅助储存器335、引导板、漏斗等和分配器辊337之间通过。在再一个示例中，脊状的辊表面轮廓导致脊状的层表面轮廓。与平坦的层表面相比，脊状的层表面轮廓增加了层表面。因此，更多的粉末层表面被直接暴露于辐射。这可以允许更好地预热粉末层。

第二分配器也可以是辊，以下称为压平辊339。压平辊339被安装到滑架305，以在粉末通过分配器辊337分配之后使粉末变平。在所示示例中，粉末分配系统使得分配器辊337引领并且压平辊339尾随，如所述，以在粉末层通过分配器辊337分配之后使粉末表面变平。附加的镜像缓冲器和相关联的分配器辊可以被安装到滑架305。附加的缓冲器和相关联的分配器辊可以相对于图示的缓冲器307和分配器辊337被安装到载体305的相对侧，使得类似于图2-4，分配系统301可以沿相反的方向扫描和分配粉末。

在另一个示例中，代替压平辊，可以使用例如刮板之类的另一种平坦化结构。在又一个示例中，分配器辊337本身提供粉末的最终分配和平坦化，由此不提供附加的压平辊或结构。例如，可能期望维持脊状或波状的层表面轮廓，使得平坦化被省略或限制。

在一个示例中，提供照射结构333来加热粉末床303以促进熔合。例如使用IR灯或LED，照射结构333可以发射IR辐射。在打印期间，滑架305和相关联的分配系统301在照射结构333下方扫描。因此，在扫描期间，储存器309中的粉末被照射结构333加热。结果，粉末在它被分配在粉末床303上之前被预热。通过照射结构333的这种预热可以在增材制造装置中提供更高效的能量使用和/或提供相对快速的熔合。

在其他示例中，其他预热器元件可被用于预热中间缓冲器中的粉末。例如，缓冲器可以配备有预热器元件。例如，储存器309、孔阵列板315和/或分配器313中的部分可包括预热器元件，例如热线、散热片等。

图9图示了分配器辊表面341的示图。分配器辊表面341的表面轮廓包括脊343和槽345。该表面轮廓可包括金属，例如不锈钢等。锯齿状轮廓仅用于说明的目的。例如图9A中所示的轮廓之类的其他轮廓也可能是合适的，并且可以类似地包括脊343A和槽345A。在一个示例中，分配器辊可具有大约2毫米至大约50毫米的直径。辊的脊343和/或槽345具有介于大约20微米和大约1000微米之间的高度H和/或宽度W。在一个示例中，脊343和/或槽345的高度H和/或宽度W为大约0.2毫米，这可适于在一次通过中产生大约0.1毫米厚的粉末层。在本文中，高度H可以在槽345的最低点和脊343的最高点之间测量。宽度W可以是由槽345的任一侧上的脊343确定的横向峰之间的槽345的宽度W，或者是由脊343的任一侧上的槽345确定的横向最低点之间的脊343的宽度W。在粉末分配系统的操作期间，粉末被提供给分配器辊，由此辊的槽345收集该粉末的至少一部分，并将它输送到粉末床。

图9A图示了另一个分配器辊表面341A的示图。表面341A相应地具有脊343A和槽345A的平坦的峰和底部。在一个示例中，槽345A和脊343A中的每一个可以相应地具有宽度W1、W2。在一个示例中，每个宽度W1、W2可以是大约1毫米。在另一个示例中，槽345A的宽度W1为大约1.3毫米，而脊343A的宽度W2为大约0.7毫米。例如对于0.5毫米的层厚度，槽345A和脊343A的高度H可以相同，并且可以是大约0.1毫米。带槽或脊状的辊表面轮廓的其他示例可包括圆形或波状的表面轮廓，例如正弦形。

图10图示了具有第一厚度t1的第一粉末层347的一部分。层表面可以具有与分配辊的脊状表面轮廓相对应的脊349。该层的所示厚度t1可以是平坦化后的厚度。图11图示了第二粉末层351的一部分。该第二粉末层可以具有脊353，这也是因为分配辊的脊状表面轮廓。第二层351具有小于第一厚度t1的第二厚度t2。在一个示例中，第一层347可能已通过第一孔阵列分配，并且第二层351可能已通过第二孔阵列分配，其中，使用粉末分配系统的相同的扫描速度，第一孔阵列的第一孔具有比第二孔阵列的第二孔的累积表面面积要大的累积表面面积。孔阵列的孔的较大的累积表面面积允许较厚的层，即，使用粉末分配系统的相同的扫描速度。

图12图示了在台上分配粉末的方法的一个示例的流程图。该方法可以是增材制造过程的一部分。该方法包括将粉末供应到中间粉末缓冲储存器(框100)。这样的储存器的示例9、109、309在图1-4和图8中图示。所述方法包括在台或粉末床上方扫描中间粉末缓冲储存器(框110)。所述方法还包括在这种扫描期间将粉末从储存器分配到台上(框120)。在于台上方扫描期间，储存器可以以恒定的粉末流被清空。

图13图示了在台上分配粉末的方法的另一个示例的流程图。该方法可以是增材制造过程的一部分。该方法可以包括设置增材制造作业的平均粉末层厚度(框200)。例如，该厚度可以由操作者在打印作业开始之前使用操作者面板来设置。例如，响应于操作者面板命令，打印机ASIC可以驱动粉末分配系统来设置适当的孔阵列表面面积和/或滑架扫描速度。单个平均层厚度可以被应用于单个打印作业，或者可以在单个打印作业内应用各种不同的层厚度。在一个示例中，ASIC可以基于计算的先前的部分熔合的粉末层的变化的厚度来改变单个层上的粉末量，以便例如补偿由熔合部分形成的“坑”。

所述方法可包括使用粉末输送系统将粉末供应到中间粉末缓冲储存器(框210)。所述方法可包括在构建台上方扫描中间粉末缓冲储存器，同时加热储存器中的粉末(框220)。在不同的示例中，储存器中的粉末可以使用增材制造装置的粉末床照射结构或粉末分配系统中的专用加热器元件中的至少一个来加热。所述方法可以包括在扫描期间将粉末从储存器分配到台上(框230)，其中，粉末在扫描期间从储存器中流出。在一个示例中，脊状或带槽的分配器辊被用于在台上分配粉末。粉末可以从储存器直接流动到台上，或者粉末可以从储存器流动到分配器上并从该分配器流动到台上。储存器中的孔阵列的孔尺寸可以被设置成允许均匀和受控的配给。所述方法可以包括使用分配辊和压平辊中的至少一个在台上进一步分配粉末和/或使粉末变平(框240)。可以使用其他分配结构或平坦化结构，例如刮板等。在一个示例中，可以限制或省略平坦化以获得脊状的层表面轮廓，使得与平坦的表面相比，更多的粉末表面被直接暴露于辐射。在一些示例中，与平坦的层相比，脊状的层表面轮廓甚至可以使层表面加倍。

Claims (14)

1.一种用于增材制造装置中的粉末分配系统，包括：

在构建台上方扫描的滑架，

处于所述滑架上的中间粉末缓冲器，所述中间粉末缓冲器从所述增材制造装置的粉末输送系统接收粉末，

处于所述滑架上的分配器，所述分配器将来自所述中间粉末缓冲器的粉末分配在所述构建台上，

其中，所述中间粉末缓冲器被布置成将粉末分配到所述分配器上；

其中所述分配器包括处于所述中间粉末缓冲器下方的辊。

2.如权利要求1所述的粉末分配系统，其特征在于，

所述滑架沿两个相反的方向扫描越过所述台，以能够沿两个方向在所述台上分配粉末，以及

所述中间粉末缓冲器向所述分配器的两个相对侧提供粉末，以便于沿两个方向分配所述粉末。

3.如权利要求1所述的粉末分配系统，其特征在于，所述粉末缓冲器包括储存器，所述储存器在其底部中具有孔阵列板，以允许粉末朝向所述台通过。

4.如权利要求3所述的粉末分配系统，其特征在于，所述粉末缓冲器包括用于改变所述孔阵列板的孔的尺寸的结构。

5.如权利要求4所述的粉末分配系统，其特征在于，

所述孔阵列板包括具有不同直径的孔的不同的孔阵列，其中，在每个孔内，所述孔具有相同的直径，以及

关闭至少一个阵列的孔的挡板。

6.如权利要求3所述的粉末分配系统，其特征在于，所述粉末缓冲器包括振动元件，所述振动元件摇动所述板，以促进通过所述孔的相对恒定的粉末流。

7.如权利要求1所述的粉末分配系统，其特征在于，所述中间粉末缓冲器将所述粉末提供给所述分配器，使得所述分配器将来自所述缓冲器的粉末分配在所述台上。

8.如权利要求3所述的粉末分配系统，其特征在于，所述分配器在所述储存器下方延伸，以：

接收通过所述孔阵列的粉末，以及

将所述粉末分配在所述台上。

9.如权利要求1所述的粉末分配系统，其特征在于，

所述中间粉末缓冲器将所述粉末提供给所述台，以及

所述分配器进一步将所述粉末散布在所述台上。

10.如权利要求1所述的粉末分配系统，其特征在于，所述辊包括平行于其中心轴线的脊和/或槽，以有利于从所述缓冲器均匀地分配所述粉末。

11.如权利要求1所述的粉末分配系统，其特征在于，所述分配器包括：

使所分配的粉末变平的压平辊。

12.如权利要求1所述的粉末分配系统，包括处于所述粉末缓冲器和所述分配器中的至少一个中的预热器元件。

13.一种用于增材制造装置的增材制造子系统，包括：

如权利要求1所述的粉末分配系统，以及

至少一个照射结构，在滑架扫描期间，所述至少一个照射结构在于粉末床上分配之前加热粉末缓冲器中的粉末。

14.一种借助于如权利要求1至12中任一项所述的粉末分配系统在台上分配粉末的方法，包括：

将粉末供应到中间缓冲储存器，

在所述台上方扫描所述中间缓冲储存器，以及

在扫描期间通过将粉末分配到分配器上而将粉末从所述储存器分配到所述台上。

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