CN109483877B - 用于生产增材制造部件的系统、方法和程序 - Google Patents

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Abstract

用于生产增材制造部件的系统、方法和程序。增材制造装置包括定位机构，该定位机构配置成提供至少一个构建单元在至少两个维度上的独立移动。所述构建单元还可以包括气流装置，用于相对于所述构建单元沿着第一方向提供流动区域。所述构建单元还可以包括粉末输送机构和辐射束引导单元。所述辐射束单元可沿着第一辐射路径，形成至少一第一凝固线和相对于所述第一凝固线以不同于0°和180°的角形成的至少一第二凝固线。在第一凝固线的形成期间，所述构建单元可以以第一取向定位，使得所述流动区域的第一方向大致垂直于所述第一凝固线。在第二凝固线的形成期间，所述构建单元可以以第二取向定位，使得沿着第一方向的所述流动区域大致垂直于所述第二凝固线。

Description

用于生产增材制造部件的系统、方法和程序
技术领域
本公开涉及一种控制增材制造装置内的气流的改进方法。
背景技术
增材制造(AM)技术可以包括电子束自由形式制造，激光金属沉积(LMD)，激光线金属沉积(LMD-w)，气体金属电弧焊，激光工程净成形(LENS)，激光烧结(例如，SLS)，直接金属激光烧结(DMLS)，电子束熔融(EBM)，粉末馈电定向能量沉积(DED)，以及三维打印(3DP)。相比减材制造方法，AM过程大体涉及积聚一种或多种材料以制造净形或近净形(NNS)物体。尽管“增材制造”是工业标准术语(ASTM F2792)，但AM涵盖以多种名称公知的多种制造和成型技术，其中包括自由成形制造、3D打印、快速成型/加工等。AM技术能够由范围广泛的材料制造复杂部件。一般来说，独立物件能够通过计算机辅助设计(CAD)模型制造。作为示例，特定类型的AM过程使用能量束、例如电子束或诸如激光束之类的电磁辐射来烧结或熔融粉末材料和/或线材，产生其中材料结合在一起的固体三维物体。
选择性激光烧结、直接激光烧结、选择性激光熔融、和直接激光熔融是用于表示通过使用激光束来烧结或熔融细粉来制造三维(3D)物体的常见工业术语。例如，美国专利号4,863,538和美国专利号5,460,758描述了传统激光烧结技术。更准确地说，烧结需要在低于粉末材料的熔点的温度下熔合(聚结)粉末颗粒，而熔融需要完全熔合粉末颗粒以形成固体均质块。与激光烧结或激光熔融相关的物理过程包括向粉末材料传热并且随后烧结或熔融粉末材料。电子束熔融(EBM)利用聚焦电子束以熔融粉末。这些方法包括连续地熔融粉末层以在金属粉末中构建物体。
AM技术(其示例在上文和整个公开内容中讨论)的特征可以在于使用激光或能量源在粉末中产生热以至少部分地熔融材料。因此，在短时间内在细粉末中产生高浓度的热。在部件的形成期间粉末内的高温梯度可能对完成的部件的微结构具有显著影响。快速加热和凝固可能导致高热应力并且在整个凝固材料中引起局部非平衡相。此外，由于完成的AM部件中的晶粒的取向可以通过材料中的热传导方向进行控制，因此AM装置和技术中的激光的扫描策略成为控制AM构建部件的微结构的重要方法。控制AM装置中的扫描策略对于开发无材料缺陷的部件是至关重要的，缺陷的示例可以包括缺乏熔合孔隙度和/或沸腾孔隙率。
图1是示意图，示出了用于直接金属激光烧结(DMLS)或直接金属激光熔融(DMLM)的示例性常规系统110的横截面图。装置110通过使用由诸如激光器120之类的源产生的能量束136烧结或熔融粉末材料(未示出)以逐层方式(例如，为了图示目的而在尺度上夸大的层L1、L2和L3)构建物体、例如零件122。待由能量束熔化的粉末由储存器126供应，且使用沿方向134行进的重涂器臂116均匀地散布在构建板114上来将粉末保持在一定水平118，并且将延伸到粉末水平118上方的多余粉末材料去除至废物容器128。在振镜扫描器132的控制下，能量束136烧结或熔融正在构建的物体的横截面层(例如，层L1)。构建板114下降并且另一粉末层(例如，层L2)散布在构建板和被构建的物体之上，之后通过激光器120连续熔融/烧结粉末。重复该过程，直到零件122由熔化/烧结的粉末材料完全建成。激光器120可以由计算机系统控制，该计算机系统包括处理器和存储器。计算机系统可以确定每一层的扫描模式并且控制激光器120以根据扫描图案(scan pattern)照射粉末材料。在完成部件122的制造后，可以将多个后处理工艺施加于零件122。后处理程序包括例如通过吹气或抽真空来移除过量粉末。此外，常规的后处理可以包括例如通过机械加工从构建平台/衬底移除零件122。其它的后处理程序包括应力释放过程。此外，热和化学后处理程序能够用于对零件122进行表面处理。
上述AM过程由执行控制程序的计算机控制。例如，装置110包括执行固件，操作系统或提供装置110和操作者之间的接口的其它软件的处理器(例如，微处理器)。计算机接收待形成的物体的三维模型作为输入。例如，使用计算机辅助设计(CAD)程序生成三维模型。计算机分析模型并且为模型内的每个物体提出工具路径。操作者可以限定或调整扫描图案的各种参数，例如功率，速度和间距，但通常不直接编程工具路径。本领域普通技术人员将完全领会，上述控制程序可适用于任何上述AM过程。此外，上述计算机控制可适用于任何后处理或混合过程中采用的任何减材制造或任何前或后处理技术。
上述增材制造技术可以用于由不锈钢，铝，钛，Inconel 625，Inconel 718，Inconel 188，钴铬，以及其它金属材料或任何合金形成部件。举例来说，上述合金可包括以下商标名的材料：Haynes
Figure BDA0001799178090000031
Haynes
Figure BDA0001799178090000032
Super Alloy Inconel 625TM、
Figure BDA0001799178090000034
625、
Figure BDA0001799178090000035
625、
Figure BDA0001799178090000036
625、
Figure BDA0001799178090000033
6020、Inconel 188，以及具有利于使用上文所提到的技术形成部件的材料特性的任何其它材料。
在上述示例中，通常控制激光和/或能量源以基于图案在粉末层中形成一系列凝固线(下文中可互换地称为阴影线，凝固线和光栅线)。可以选择图案以减少构建时间，改善或控制凝固材料的材料性质，减少完成材料中的应力，和/或减少激光和/或检流计扫描仪和/或电子束上的磨损。各种扫描策略已在过去被考虑并且包括例如棋盘图案和/或条纹图案。
控制构建的AM部件的材料内的应力的一种尝试涉及包含多个相邻的平行矢量作为凝固线的条纹区域的旋转，其垂直于形成条纹区域的边界的凝固线延伸。在AM构建过程期间对于每个层。对于AM构建的每个层，旋转由条纹限定并垂直于条纹的平行凝固线。在Dimter等人的名称为“用于制造三维物体的方法和装置(Method and Device forManufacturing a Three-dimensional Object)”美国专利8,034,279B2中公开了控制AM装置中的扫描策略的一个示例，其全部内容通过引用合并于此。
图2和3表示上述旋转条纹策略。在粉末表面上扫描激光以形成一系列凝固线213A、213B。该系列凝固线形成构建层并且由垂直于形成每个条纹区域的边界的凝固线213A和213B的条纹211A、212A和211B、212B形式的凝固线界定。由凝固线211A和212A界定的条纹区域形成待构建的层的较大表面的一部分。在形成零件时，零件横截面的大部分被分成许多条纹区域(包含横向凝固线的两个凝固条纹之间的区域)。对于在AM构建过程期间形成的每个层旋转条纹取向，如图2和3中所示。第一层可以形成有一系列平行的凝固线213A，在条纹区域中，其大致垂直于凝固条纹211A形成并由其界定。在形成于第一层上的后续层中，条纹211B如图3中所示旋转。通过相对于前一层旋转的一组凝固条纹211B和212B为凝固线213A和213B创建条纹边界，垂直于条纹211B形成并由其界定的凝固线213B也相对于前一层的凝固线213A旋转。
典型的粉末床AM机器需要在材料熔融和/或烧结的区域处的恒定气流。上述AM装置中的处理室通常连接到保护气体回路，保护气体可以通过所述保护气体回路供应到处理室，以便在处理室内建立保护气体气氛。保护气体回路通常还包括排出区域，通过所述排出区域可以从处理室取出含有颗粒杂质的气体，例如残留的原料粉末颗粒和焊接烟雾颗粒。
将气流保持在相对于上述凝固线的特定方向上有利于产生AM构建部件的恒定冶金。例如，美国专利申请公报2014/0301883 A1，Wiesner等人，名称为“用于生产三维工件的方法和装置(Method and Apparatus for Producing Three-dimensional WorkPieces)”，公开了需要相对于上述凝固线控制AM装置内的气流，其全部内容通过引用合并于此。在上述'883申请中，控制AM装置，使得相对于流过构建表面的气流的流动方向的角以0°至90°之间或270°至360°之间的角度延伸。然而，由于大多数AM装置的气流方向是固定的，因此保持气流相对于凝固线的方向将涉及确定凝固线的形成和气流之间的可接受的角范围，并且仅形成取向在相对于所提供的气流可接受的角范围内的凝固线。这极大地限制了在每层中形成的凝固线的角度变化，因此限制了控制完成部件的微结构的能力。
必须改变气流290的方向，这极大地增加了AM设备的复杂性。此外，该变化导致延迟，这增加了构建时间。相对于凝固线的方向保持气流的另一种方法将涉及：确定凝固线的形成和气流之间的可接受的角范围，并且仅形成取向相对于所提供的气流在可接受的角范围内的凝固线213A和/或213B。
至少出于上述原因，需要关于在构建AM部件的同时形成的凝固线控制穿越构建表面的气流。
发明内容
在一方面，公开了一种增材制造装置，其中所述增材制造装置包括定位机构，所述定位机构配置成提供至少一个构建单元在至少两个维度上的独立移动。所述构建单元还可以包括气流装置，用于相对于所述构建单元沿着第一方向提供流动区域。所述构建单元还可以包括粉末输送机构和辐射束引导单元。所述辐射束单元可以遵循第一辐射路径，其中所述第一辐射路径形成至少第一凝固线和相对于所述第一凝固线以不同于0°和180°的角形成的至少第二凝固线。在所述第一凝固线的形成期间，所述构建单元可以以第一取向定位，使得所述流动区域的第一方向大致垂直于所述第一凝固线。在所述第二凝固线的形成期间，所述构建单元可以以第二取向定位，使得沿着所述第一方向的所述流动区域大致垂直于所述第二凝固线。
所述构建单元可以围绕大致垂直于所述第一方向的轴线可旋转地安装到所述定位系统，并且可以从所述第一取向旋转到所述第二取向。上述装置还可以包括移动平台，所述移动平台配置成独立于所述构建单元移动。例如，所述构建平台可以围绕轴线可旋转。
还公开了一种用于制造物体的方法。所述方法可以包括用配置成提供至少一个构建单元在至少两个维度上的独立移动的机构定位构建单元。所述构建单元还可以包括至少一个气流装置，所述至少一个气流装置能够相对于所述构建单元沿着第一方向提供气流区域。所述方法还可以包括沿着第一辐射路径辐射粉末以至少部分地以第一角形成第一凝固线并且沿着第二辐射路径辐射粉末以相对于所述第一凝固线至少部分地以不同于0°和180°的角形成第二凝固线。在所述第一凝固线的形成期间，所述构建单元可以定位成使得所述流动区域的第一方向大致垂直于所述第一凝固线。在所述第二凝固线的形成期间，所述构建单元可以定位成使得沿着所述第一方向的所述流动区域大致垂直于所述第二凝固线。
还公开了一种存储程序的非暂时性计算机可读介质，所述程序配置成使计算机使用增材制造装置执行增材制造过程。所述增材制造过程可以包括形成至少一个第一凝固线。气流装置可以以第一取向定位，使得流动区域沿着大致垂直于所述第一凝固线的第一方向。所述程序还可以配置成控制所述增材制造装置形成相对于所述第一凝固线以不同于0°和180°的角形成的至少第二凝固线。所述气流装置可以重新定位到第二取向，使得所述流动区域大致垂直于所述第二凝固线。
技术方案1.一种用于生产增材制造的部件的系统，所述系统包括：
定位机构，所述定位机构配置成提供至少一个构建单元在至少一个维度上的独立移动，所述构建单元包括：
气流装置，用于相对于所述构建单元沿着第一方向提供流动区域；
粉末输送机构；以及
辐射束引导单元，其中所述辐射束引导单元沿着第一辐射路径，形成至少一个第一凝固线和相对于所述第一凝固线以不同于0°和180°的角度形成的至少一个第二凝固线，其中在所述第一凝固线的形成期间，所述构建单元以第一取向定位，使得所述流动区域的第一方向大致垂直于所述第一凝固线，并且在所述第二凝固线的形成期间，所述构建单元以第二取向定位，使得沿着所述第一方向的所述流动区域大致垂直于所述第二凝固线。
技术方案2.根据技术方案1所述的用于生产增材制造的部件的系统，其中所述构建单元围绕大致垂直于所述第一方向的轴线可旋转地安装到所述定位机构，并且可从所述第一取向旋转到所述第二取向。
技术方案3.根据技术方案2所述的用于生产增材制造的部件的系统，其中所述粉末输送机构将粉末提供到可旋转的构建平台上，其中在形成所述第一凝固线之后旋转所述构建平台。
技术方案4.根据技术方案3所述的用于生产增材制造的部件的系统，其中所述第一凝固线包括多个平行的凝固线。
技术方案5.根据技术方案4所述的用于生产增材制造的部件的系统，其中所述第二凝固线包括多个平行的凝固线。
技术方案6.根据技术方案5所述的用于生产增材制造的部件的系统，其中所述第一凝固线形成在第一粉末层上，其中所述第二凝固线形成在通过所述粉末输送机构铺设在所述第一粉末层上的第二粉末层上。
技术方案7.根据技术方案1所述的用于生产增材制造的部件的系统，其中所述气流装置沿着所述第一方向产生层流。
技术方案8.根据技术方案1所述的用于生产增材制造的部件的系统，其中所述构建单元还包括粉末重涂器。
技术方案9.根据技术方案1所述的用于生产增材制造的部件的系统，其还包括移动构建平台，所述移动构建平台配置成可独立于所述构建单元移动。
技术方案10.一种用于制造物体的方法，其包括：
用一个配置成提供至少一个构建单元在至少两个维度上的独立移动的机构来定位构建单元，其中所述构建单元包括至少一个气流装置，所述至少一个气流装置能够相对于所述构建单元沿着第一方向提供气流区域；
沿着第一辐射路径辐射粉末，以至少部分地以第一角度形成第一凝固线；
沿着第二辐射路径辐射粉末，以至少部分地相对于所述第一凝固线以不同于0°和180°的第二角度形成第二凝固线，其中在所述第一凝固线的形成期间，所述构建单元定位成使得所述流动区域的第一方向大致垂直于所述第一凝固线，并且在所述第二凝固线的形成期间，所述构建单元定位成使得沿着所述第一方向的所述流动区域大致垂直于所述第二凝固线。
技术方案11.根据技术方案10所述的方法，其中所述构建单元围绕大致垂直于所述第一方向的轴线从所述第一取向旋转到所述第二取向。
技术方案12.根据技术方案10所述的方法，其中所述气流装置沿着所述第一方向产生层流。
技术方案13.根据技术方案10所述的方法，其中沿着所述第一辐射路径辐射粉末包括以所述第一角度形成多个平行的凝固线。
技术方案14.根据技术方案13所述的方法，其中沿着所述第二辐射路径辐射粉末包括以所述第二角度形成多个平行的凝固线。
技术方案15.根据技术方案14所述的方法，其中所述第一凝固线形成在第一粉末层上，并且所述第二凝固线形成在通过粉末输送机构铺设在所述第一粉末层上的第二粉末层上。
技术方案16.一种存储程序的非暂时性计算机可读介质，所述程序配置成使计算机使用增材制造装置执行增材制造过程，所述增材制造过程包括：
形成至少一个第一凝固线，其中气流装置以第一取向定位，使得流动区域沿着大致垂直于所述第一凝固线的第一方向；
形成相对于所述第一凝固线以不同于0°和180°的角度形成的至少一个第二凝固线，其中所述气流装置重新定位到第二取向，使得所述流动区域大致垂直于所述第二凝固线。
技术方案17.根据技术方案16所述的程序，其中在所述增材制造过程的执行期间，控制所述增材制造装置构建单元以围绕大致垂直于所述第一方向的轴线从所述第一取向旋转到所述第二取向。
技术方案18.根据技术方案16所述的程序，其中在所述增材制造过程的执行期间，控制所述气流装置以沿着所述第一方向产生层流。
技术方案19.根据技术方案16所述的程序，其中在所述增材制造过程的执行期间，控制辐射束引导单元以形成所述至少一个第一凝固线，所述至少一个第一凝固线包括平行的多个凝固线，其中所述辐射束引导单元被控制来形成所述至少一个第二凝固线，所述至少一个第二凝固线包括平行的多个凝固线。
技术方案20.根据技术方案19所述的程序，其中进一步控制所述增材制造装置以在第一粉末层上形成所述第一凝固线，并且在通过粉末输送机构铺设在所述第一粉末层上的第二粉末层上形成所述第二凝固线。
技术方案21.根据技术方案16所述的程序，其中在形成所述第一凝固线或所述第二凝固线中的至少一个之后，进一步控制所述增材制造装置以旋转移动构建平台。
此外，在任何上述方面或公开内容中，任何数量的构建单元可以并行使用，即大致同时使用，以全部在相同的工作表面上构建一个或多个物体和/或构建封套。
附图说明
并入本说明书中且构成其一部分的附图示出本公开的一个或多个实例方面，且连同具体实施方式一起用于解释各方面原理和实施方案。
图1是用于形成部件的至少一部分的常规增材制造技术的侧视图；
图2是描绘用于形成部件的至少一部分的常规阴影和条纹图案的俯视图；
图3是描绘用于形成部件的至少一部分的常规阴影和条纹图案的俯视图；
图4是透视图，描绘了常规AM过程期间的部件构建的示例性层；
图5是根据本公开的一个方面描绘用于形成图4中所示的部件的每个层的阴影和条纹图案和气流方向的俯视图；
图6是根据本公开的一个方面的构建单元的侧视横截面图；
图7是根据本公开的一个方面的增材制造装置的构建单元和旋转构建平台的一部分的侧视横截面图；
图8是描绘根据本公开的一个方面的构建单元的示例性取向的俯视图；
图9是图6中的装置的透视图，示出了根据本公开的一个方面的构建单元的示例性取向；
图10是图7中的装置的透视图，示出了根据本公开的一个方面的构建单元的示例性取向。
具体实施方式
虽然已结合上文概述的实例方面描述本文所描述的各方面，但无论是否已知或当前未预见到或可能未预见到，各种替代方案、修改、变化、改进和/或实质性等同物至少对于所属领域的一般技术人员来说均可变得显而易见。因此，如上文所阐述的实例方面旨在说明而非限制。可在不脱离本公开的精神和范围的情况下进行各种改变。因此，本公开旨在涵盖所有已知或稍后开发的替代方案、修改、变化、改进和/或实质性等同物。除非上下文另外明确规定，否则单数形式“一”、“一个”以及“所述”可包括复数参考物。
当使用任何上述AM技术通过至少部分地熔融粉末来形成零件时，以光栅扫描方式穿越粉末材料的激光扫描用于产生阴影扫描(下文中可互换地称为阴影扫描，光栅，扫描线或凝固线)。在AM构建期间，上述凝固线用于形成大部分零件横截面。轮廓扫描可以进一步用于勾勒零件横截面的边缘。在光栅扫描过程期间，能量源或激光器开启，增加功率和/或聚焦在期望AM构建的固体部分的区域中，并且在不期望该层中的物体的横截面的熔体形成的地方关闭，散焦和/或降低功率。在光栅扫描过程期间，沿着相邻的凝固线重复至少部分熔融粉末和形成凝固，从而例如形成待构建物体的单个熔融和熔合的横截面，而轮廓扫描产生零件的离散边界或边缘。在使用粉末床的示例性AM装置中，一旦完成正在构建的物体的一个横截面的熔体形成，该装置用另外的粉末层涂覆完成的横截面表面。重复该过程直到物体完成。
由于上述原因，激光和/或能量源被控制来用图案(pattern)在粉末层中形成一系列凝固线，至少为了以下目的：减少构建时间，控制粉末内的热积累和/或提高构建效率，改善和/或控制凝固材料的材料性质，减小完成材料中的应力，和/或减少激光和/或振镜扫描仪上的磨损。
如图4和5中所示，构建的AM部件包括多个层215、216、217。示出了上述策略的一个示例，例如，第一层217可以通过软件分为由形成为凝固线的条纹(stripe)257和277界定的若干条纹区域。条纹257和277可以形成用于单独形成的平行邻接矢量或凝固线267的边界。零件的表面包括覆盖待构建的表面的多个条纹。如图5中所示，每个条纹区域由层217中的凝固条纹257和277界定，形成一系列平行凝固线267的边界。平行凝固线267垂直于凝固条纹边界257和277。条纹在层217中以第一角度定向，垂直凝固线267大致垂直于条纹257和277形成。由第二层216上的凝固条纹256和257界定的条纹区域相对于前一层217上的凝固条纹边界257和277成角度。因此，垂直于凝固条纹256和276延伸的凝固线266也相对于前一层217上的凝固线267成角度。随着构建的进行，具有第三层215上的条纹265和275的下一层相对于层217上的条纹257和277、以及层216上的条纹256和276成角度。
可以根据本发明使用的扫描策略的其它细节可以在以下文献中找到：美国专利申请第15/451,108号，名称为“用于增材制造的三角阴影图案(Triangle Hatch Pattern forAdditive Manufacturing)”，代理人案卷号为037216.00070，并且于2017年3月7日提交；美国专利申请第15/451043号，名称为“用于阴影图案的腿部消除策略(Leg EliminationStrategy for Hatch Pattern)”，代理人案卷号为037216.00078，并且于2017年3月6日提交；美国专利申请第15/459,941号，名称为“用于增材制造的不断变化的阴影(ConstantlyVarying Hatch for Additive Manufacturing)”，代理人案卷号为037216.00077，并且于2017年3月15日提交，其公开内容通过引用合并于本文。
为了最佳可能的构建环境，粉末床增材制造机器需要在材料熔融和/或烧结的区域处的气流恒定。上述和下述AM装置中的处理室通常连接到保护气体回路，保护气体可以通过所述保护气体回路供应到处理室以便在处理室内建立保护气体气氛。保护气体回路通常还包括排出区域，通过所述排出区域可以从处理室取出含有颗粒杂质的气体，例如残留的原料粉末颗粒和焊接烟雾颗粒。使用本文讨论的装置和方法，例如，可以提供相对于凝固线255、266和267成期望取向的气流290A-C。如图5中所示，下面提到的装置和方法允许在AM构建期间为每个层217、216和215控制气流方向。例如，构建单元(下面讨论)可以定位成使得气流290C大致垂直于在层217中形成的凝固线267。一旦层217完成，将粉末提供到期望区域，并且以一定的取向用构造单元形成层216，使得气流290B大致垂直于凝固线266。类似地，一旦完成层216，将粉末提供到期望区域，并且以一定的取向用构造单元形成层217，使得气流290C大致垂直于凝固线255。尽管在整个公开内容中，气流区域可以被称为大致垂直，但是应当注意，本公开不限于此。例如，在不脱离本公开的范围的情况下，可能期望使气体相对于凝固线具有除了90度之外的另一角度。
图6示出了根据本发明的大型AM装置的一个实施例的示例。该装置包括定位系统(未示出)、包括辐射发射引导装置401的构建单元400、层流气流区域404、以及正在构建的物体415下方的构建板(未示出)。最大构建区域由定位系统(未示出)限定，而不是像常规系统那样由粉末床限定，并且用于特定构建的构建区域可以被限制到可以与物体一起动态构建而成的构建封套414。通常，本发明中使用的定位系统可以是任何多维定位系统，例如门架系统，delta机器人，线缆机器人，机器人臂等。辐射发射引导装置401可以通过第二定位系统(未示出)独立地在构建单元400的内部移动。可以控制构建单元外部的气氛环境，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少，并且使得环境处于减压状态。在一些实施例中，使用的重涂器是选择性重涂器。选择性重涂器411的一个实施例在图6中示出。
也可以有辐射源，在激光源的情况下，所述辐射源产生包括由辐射发射引导装置引导的激光辐射的光子。当辐射源是激光源时，辐射发射引导装置可以是例如振镜扫描仪，并且激光源可以位于构建环境外侧。在这些情况下，激光辐射可以通过任何合适的方式(例如光纤电缆)传输到辐射发射引导装置。当辐射源是电子源时，则电子源产生包括由辐射发射引导装置引导的电子束的电子。当辐射源是电子源时，则辐射发射引导装置可以是例如偏转线圈。当根据本发明的实施例的大型增材制造装置操作时，如果辐射发射引导装置引导激光束，则通常有利的是包括提供大致层流气流403B区域的气流装置404。如图6中所示，流动方向由箭头403B表示，所述箭头在图6所示的示例中表示沿着X方向的流动。也可以使用电子束代替激光或与激光组合使用。电子束是众所周知的辐射源。例如，Larsson的名称为“用于生产三维产品的装置和方法(Arrangement and Method for Producing a Three-Dimensional Product)”(“Larsson”)的美国专利第7,713,454号讨论了电子束系统，并且通过引用合并于本文。
气流装置404可以将气体提供到加压出口部分(未示出)和真空入口部分(未示出)，所述真空入口部分可以将方向403B上的气流提供到气流区域403，以及重涂器405。在气流区域404上方有外壳418，所述外壳可以包含惰性环境419。重涂器405可以包括料斗406，所述料斗包括后板407和前板408。重涂器405也具有至少一个致动元件409，至少一个门板410，重涂器刮板411，致动器412和重涂器臂413。重涂器安装到安装板420。图6也示出了构建封套414，其可以通过例如增材制造或金属惰性气体电弧焊/惰性气体保护钨极电弧焊(Mig/Tig welding)构建，还示出了正在形成的物体415和用于形成物体415的包含在料斗405中的粉末416。在该特定示例中，致动器412启动致动元件409以将门板410拉离前板408。在实施例中，致动器412可以是例如气动致动器，并且致动元件409可以是双向阀。在实施例中，致动器412可以是例如音圈，并且致动元件409可以是弹簧。在前板408和后板407之间也有料斗间隙417，当通过致动元件将对应的门板拉离粉末门时所述间隙允许粉末流动。粉末416，后板407，前板408和门板410可以全部是相同的材料。替代地，后板407，前板408和门板410可以全部是相同的材料，并且该材料可以是与任何期望材料相容的材料，如例如钴铬。在本发明的一个实施例的该特定图示中，气流区域404中的气流在x方向上流动，但也可以相对于构建单元在任何期望的方向上流动。重涂器刮板411具有在x方向上的宽度。当θ2约为0时辐射发射束的方向限定了该视图中的z方向。气流区域404中的气流可以大致是层流的。辐射发射引导装置401可以通过第二定位系统(未示出)可独立地移动。该图示出了处于闭合位置的门板410。
此外应当注意，尽管上述选择性粉末重涂机构405仅包括单个粉末分配器，但是粉末重涂机构可以包括包含多种不同材料粉末的多个隔室。
当门板410处于打开位置时，料斗中的粉末被沉积来形成新鲜粉末层521，其由重涂器刮板511平滑化以形成大致均匀的粉末层。在本发明的一些实施例中，可以在构建单元移动的同时辐射大致均匀的粉末层，这将允许构建单元的连续操作并因此更快地产生物体。
图7示出了制造装置300的侧视图，所述制造装置包括在构建平台的远侧图示的构建单元302的细节。移动构建单元302包括辐射束引导机构506，具有气体入口和气体出口(未示出)的气流机构532，其在方向538上提供到气流区域的气流，以及粉末重涂机构504。在该示例中，流动方向由箭头538表示，所述箭头在图7所示的示例中表示沿着X方向的流动。在气流区域538上方，可以存在包含惰性环境542的外壳540。安装在重涂器板544上的粉末重涂机构504具有包括后板546和前板548的粉末分配器512。粉末重涂机构504也包括至少一个致动元件552，至少一个门板516，重涂器刮板550，致动器518和重涂器臂508。在该实施例中，致动器518启动致动元件552以将门板516拉离前板548，如图7中所示。在前板548和门板516之间也有间隙564，当门板516由致动元件552拉离前板548时，所述间隙允许粉末流动到旋转构建平台310上。
图7示出了构建单元302，其中门板516处于打开位置。粉末分配器512中的粉末515沉积以形成新鲜粉末层554，其通过重涂器刀片510在旋转构建平台310的顶表面(即构建或工作表面)的一部分上平滑化以形成大致均匀的粉末层556，所述粉末层然后由辐射束558辐射为作为打印物体330的一部分的熔合层。在一些实施例中，可以在构建单元302移动的同时辐射大致均匀的粉末层556，这允许构建单元302的连续操作，并且因此允许更加节省时间的打印或生长物体330的生产。在旋转构建平台310上构建的物体330在由外构建壁324和内构建壁326约束的粉末床314中示出。在本发明的一个实施例的该特定图示中，气流区域532中的气流在x方向上流动，但也可以相对于构建单元在任何期望的方向上流动。
应当注意，尽管上述选择性粉末重涂机构504仅包括单个粉末分配器，但是粉末重涂机构可以包括包含多种不同材料粉末的多个隔室也是可能的。
可以根据本发明使用的构建单元和用于单个和/或多个单元的定位机构的附加细节可以在以下文献中找到：美国专利申请第15/610,177号，名称为“使用移动构建体积的增材制造(Additive Manufacturing Using a Mobile Build Volume)”，代理人案卷号为037216.00103，并且于2017年5月31日提交；美国专利申请第15/609,965号，名称为“用于连续增材制造的装置和方法(Apparatus and Method for Continuous AdditiveManufacturing)”，代理人案卷号为037216.00102，并且于2017年5月31日提交；美国专利申请第15/610,113号，名称为“具有动态生长构建壁的实时同时增材和减材制造的方法(Method for Real-Time Simultaneous Additive and Subtractive ManufacturingWith a Dynamically Grown Build Wall)”，代理人案卷号为037216.00108，并且于2017年5月31日提交；美国专利申请第15/610,214号，名称为“实时同时和校准增材和减材制造的方法(Method for Real-Time Simultaneous and Calibrated Additive andSubtractive Manufacturing)”，代理人案卷号为037216.00109，并且于2017年5月31日提交；美国专利申请第15/609,747号，名称为“具有回收未使用的原料的机构的实时同时增材和减材制造的装置和方法(Apparatus and Method for Real-Time SimultaneousAdditive and Subtractive Manufacturing with Mechanism to Recover Unused RawMaterial)”，代理人案卷号为037216.00110，并且于2017年5月31日提交；美国专利申请第15/406,444号，名称为“使用动态生长构建封套的增材制造(Additive ManufacturingUsing a Dynamically Grown Build Envelope)”，代理人案卷号为037216.00061，并且于2017年1月13日提交；美国专利申请第15/406,467号，的名称为“使用移动构建体积的增材制造(Additive Manufacturing Using a Mobile Build Volume)”，代理人案卷号为037216.00059，并且于2017年1月13日提交；美国专利申请第15/406,454号，名称为“使用移动扫描区域的增材制造(Additive Manufacturing Using a Mobile Scan Area)”，代理人案卷号为037216.00060，并且于2017年1月13日提交；美国专利申请第15/406,461号，名称为“使用选择性重涂器的增材制造(Additive Manufacturing Using a SelectiveRecoater)”，代理人案卷号为037216.00062，并且于2017年1月13日提交；美国专利申请第15/406,471号，名称为“大型增材机器(Large Scale Additive Machine)”，代理人案卷号为037216.00071，并且于2017年1月13日提交，其公开内容通过引用合并于本文。
如上文关于图4和5中所示的示例性凝固线取向的描述所述，相对于上述AM装置，随着每层215-217的凝固线(例如255、266和/或267)的角度变化，上述制造装置中的移动构建单元定向成可获得期望的气流方向和凝固线取向。
图8示出了根据本公开的一个方面的气流取向控制的示例。例如，单层(例如，如图4中所示)可以形成有在第一取向606上形成的凝固线。在该示例中，任何上述构建单元的简化版本被示为参考616A。当使用AM过程构建部件610时，可以将构建616A移动到第一位置以形成凝固线606A。构建单元616A可以在第一位置处定向成使得气流在方向608A上，所述方向可以大致垂直于正在形成的凝固线606A。在第二层(例如图4中所示的L2)中，可能期望以不同于用于形成凝固线606A的取向的第二取向形成凝固线606B。构建可以经由路径612移动以使用凝固线606B形成部件610的至少一部分，并且构建单元可以在位置616B处定向成使得气流方向608B大致垂直于正在形成的凝固线606B。类似地，在第三层(例如图4中所示的L3)中，可能期望以不同于用于形成凝固线606B的取向的第二取向形成凝固线606C。构建单元可以经由路径614移动以使用凝固线606C形成部件610的至少一部分，并且构建单元可以在位置616C处定向成使得气流方向608C大致垂直于正在形成的凝固线606C。应当注意，尽管上述示例讨论了凝固线606A-C随着每层(例如，如图4中所示的L1-L3)变化，但是凝固线606A-C也可以在形成单层时变化。换句话说，凝固线606A-C的每一个以及构建单元的取向和气流方向608A-B相应地可以在单个层(例如，仅仅图4中所示的层L1、L2和/或L3)中发生。还应当注意，图8以及所有公开的图中所示的位置和取向仅作为示例示出，本领域普通技术人员将理解，基于本公开，任何取向和/或凝固线和/或一系列取向都是可能的。此外应当注意，可以同时使用多个构建单元以进一步提高构建速度。
图9是公开的发明的示例性应用的透视图。例如，本公开的气流控制可以适用于移动构建单元802，用于在生长构建封套818内形成AM部件810，所述生长构建封套用于容纳在构建过程期间施加的粉末813。可以用在第一取向806A上形成的凝固线形成单层(例如，如图4中所示)。在该示例中，任何上述构建单元的简化版本示出为参考802。当使用AM过程构建部件810时，可以将构建802移动到第一位置和取向816A以形成凝固线806A。构建单元802可以在第一位置816A处定向成使得气流区域803定位成使得气流在方向808A上，所述方向可以大致垂直于正在形成的凝固线806A。在第二层(例如图4中所示的L2)中，可能期望以不同于用于形成凝固线806A的取向的第二取向形成凝固线806B。构建可以经由路径812移动并且在方向R上旋转以使用凝固线806B形成部件810的至少一部分，并且构建单元可以在位置816B处定向成使得气体流动方向808B大致垂直于正在形成的凝固线806B。应当注意，尽管上述示例讨论了凝固线806A-B在每层(例如，如图4中所示的L1-L2)内变化，但是凝固线806A-B也可以在形成单层时变化。换句话说，凝固线806A-B的每一个以及构建单元的取向和气流方向808A-B相应地可以在单个层(例如，仅仅图4中所示的层L1、L2和/或L3)中发生。还应当注意，图9以及所有公开的图中所示的位置和取向仅作为示例示出，本领域普通技术人员将理解，基于本公开，任何取向和/或凝固线和/或一系列取向都是可能的。此外应当注意，可以同时使用多个构建单元以进一步提高构建速度。
图10是公开的发明的示例性应用的透视图。例如，本公开的气流控制可以适用于用于在移动构建平台910上形成AM部件910的移动构建单元902。AM部件910可以构建在用于容纳在构建过程期间施加的粉末813的生长构建封套和/或构建封套818内。在图10中，为了简化附图，构建单元902被示出处于单个位置，然而构建单元可以移动到由虚线916A、916B表示的位置，和/或装置900内的任何位置。此外，应当注意，由于使用可旋转构建平台910，因此构建单元可以相对于y方向保持静止，并且可以简单地在z方向上旋转和移动，并且在径向(图10中所示的x方向)上向内和向外移动。因此，结合可旋转平台910的旋转，该移动允许构建单元在装置900内的几乎任何位置处构建AM部件的一部分。此外，应当注意，与构建单元在z方向上可移动组合或作为其替代，构建平台910可以在z方向上可移动。在一个方面，例如，构建平台910可以在z方向上可移动，而构建单元901可旋转并且在径向(即，如图10中所示的x方向)上向内和向外可移动，同时在z方向上静止。作为又一示例，构建单元902可以足够大，使得构建单元仅需要可旋转和在z方向上可移动。换句话说，如果构建单元902足够大以覆盖正在构建的径向零件的整个宽度，则构建单元可能仅需要可旋转以便改变气流方向，原因是构建单元能够在零件的整个宽度上扫描构建材料。此外，应当注意在上述方面中，构建单元902可以在每个方向上可移动(即，可旋转，z、x和y)，使得可以在任何方向上形成光栅扫描，同时构建平台910保持静止。普通技术人员将理解，下面所述的过程适用于形成AM部件的任何单个上述移动或组合。
可以用在第一取向906A上形成的凝固线来形成单层(例如，如图4中所示)。在该示例中，任何上述构建单元的简化版本示出为参考902。当使用AM过程构建部件910时，可以将构建902移动到第一位置和取向916A以形成凝固线906A。构建单元902可以在第一位置916A处定向成使得气流区域定位成使得气流在方向908A上，所述方向可以大致垂直于正在形成的凝固线906A。在第二层(例如图4中所示的L2)中，可能期望以不同于用于形成凝固线906A的取向的第二取向形成凝固线906B。构建单元可以移动和/或旋转以使用凝固线906B形成部件810的至少一部分，并且构建单元可以在位置916B处定向成使得气流方向908B大致垂直于正在形成的凝固线906B。应当注意，尽管上述示例讨论了凝固线906A-B随着每层(例如，如图4中所示的L1-L2)变化，但是凝固线906A-B也可以在形成单层时变化。换句话说，凝固线906A-B的每一个以及构建单元的取向和气流方向908A-B相应地可以在单个层(例如，仅仅图4中所示的层L1、L2和/或L3)中发生。还应当注意，图10以及所有公开的图中所示的位置和取向仅作为示例示出，本领域普通技术人员将理解，基于本公开，任何取向和/或凝固线和/或一系列取向都是可能的。此外应当注意，可以同时使用多个构建单元以进一步提高构建速度。
本书面描述使用实例来公开本发明，包括优选实施例，并且还使所属领域的技术人员能够实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何并入的方法。本发明的可获专利的范围由权利要求书界定，且可以包括所属领域的技术人员所想到的其它示例。如果此类其它示例具有与权利要求书的字面语言相同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质差别的等效结构元件，那么此类其它示例希望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个此类方面的其它已知等效物可由所属领域的一般技术人员混合和匹配以根据本申请的原理构造出额外实施例和技术。

Claims (18)

1.一种用于生产增材制造的部件的系统，所述系统包括：
定位机构，所述定位机构配置成提供至少一个构建单元在至少一个维度上的独立移动，所述构建单元包括：
气流装置，用于相对于所述构建单元沿着第一方向提供流动区域；
粉末输送机构；以及
辐射束引导单元，其中所述辐射束引导单元沿着第一辐射路径，其中所述第一辐射路径形成至少第一凝固线和相对于所述第一凝固线以不同于0°和180°的角度形成的至少第二凝固线，其中在所述第一凝固线的形成期间，所述构建单元以第一取向定位，使得所述流动区域的第一方向大致垂直于所述第一凝固线，并且在所述第二凝固线的形成期间，所述构建单元以第二取向定位，使得沿着所述第一方向的所述流动区域大致垂直于所述第二凝固线；
其中所述构建单元围绕大致垂直于所述第一方向的轴线可旋转地安装到所述定位机构，并且从所述第一取向旋转到所述第二取向。
2.根据权利要求1所述的用于生产增材制造的部件的系统，其中所述粉末输送机构将粉末提供到可旋转的构建平台上，其中在形成所述第一凝固线之后旋转所述构建平台。
3.根据权利要求1所述的用于生产增材制造的部件的系统，其中所述气流装置沿着所述第一方向产生层流。
4.根据权利要求3所述的用于生产增材制造的部件的系统，其中所述第一凝固线包括多个平行的凝固线。
5.根据权利要求4所述的用于生产增材制造的部件的系统，其中所述第二凝固线包括多个平行的凝固线。
6.根据权利要求1所述的用于生产增材制造的部件的系统，其中所述构建单元还包括粉末重涂器。
7.根据权利要求5所述的用于生产增材制造的部件的系统，其中所述第一凝固线形成在第一粉末层上，其中所述第二凝固线形成在通过所述粉末输送机构铺设在所述第一粉末层上的第二粉末层上。
8.根据权利要求1所述的用于生产增材制造的部件的系统，其还包括移动构建平台，所述移动构建平台配置成可独立于所述构建单元移动。
9.一种用于制造物体的方法，其包括：
用配置成提供至少一个构建单元在至少两个维度上的独立移动的机构来定位构建单元，其中所述构建单元包括至少一个气流装置，所述至少一个气流装置能够相对于所述构建单元沿着第一方向提供流动区域；
沿着第一辐射路径辐射粉末，以至少部分地以第一角度形成第一凝固线；以及
沿着第二辐射路径辐射粉末，以至少部分地相对于所述第一凝固线以不同于0°和180°的第二角度形成第二凝固线，其中在所述第一凝固线的形成期间，所述构建单元以第一取向定位，使得所述流动区域的第一方向大致垂直于所述第一凝固线，并且在所述第二凝固线的形成期间，所述构建单元以第二取向定位，使得沿着所述第一方向的所述流动区域大致垂直于所述第二凝固线；
其中所述构建单元围绕大致垂直于所述第一方向的轴线从所述第一取向旋转到所述第二取向。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述气流装置沿着所述第一方向产生层流。
11.根据权利要求9所述的方法，其中沿着所述第一辐射路径辐射粉末包括以所述第一角度形成多个平行的凝固线。
12.根据权利要求11所述的方法，其中沿着所述第二辐射路径辐射粉末包括以所述第二角度形成多个平行的凝固线。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述第一凝固线形成在第一粉末层上，并且所述第二凝固线形成在通过粉末输送机构铺设在所述第一粉末层上的第二粉末层上。
14.一种存储程序的非暂时性计算机可读介质，所述程序配置成使计算机使用增材制造装置执行增材制造过程，所述增材制造过程包括：
形成至少一个第一凝固线，其中气流装置以第一取向定位，使得流动区域沿着大致垂直于所述第一凝固线的第一方向；以及
形成相对于所述第一凝固线以不同于0°和180°的角度形成的至少第二凝固线，其中所述气流装置重新定位到第二取向，使得所述流动区域大致垂直于所述第二凝固线；
其中在所述增材制造过程的执行期间，控制所述增材制造装置构建单元以围绕大致垂直于所述第一方向的轴线从所述第一取向旋转到所述第二取向。
15.根据权利要求14所述的非暂时性计算机可读介质，其中在所述增材制造过程的执行期间，控制所述气流装置以沿着所述第一方向产生层流。
16.根据权利要求14所述的非暂时性计算机可读介质，其中在所述增材制造过程的执行期间，控制辐射束引导单元以形成所述第一凝固线和平行于所述第一凝固线的多个凝固线，其中所述辐射束引导单元被控制来形成所述第二凝固线和平行于所述第二凝固线的多个凝固线。
17.根据权利要求16所述的非暂时性计算机可读介质，其中进一步控制所述增材制造装置以在第一粉末层上形成所述第一凝固线，并且在通过粉末输送机构铺设在所述第一粉末层上的第二粉末层上形成所述第二凝固线。
18.根据权利要求14所述的非暂时性计算机可读介质，其中在形成所述第一凝固线或所述第二凝固线中的至少一个之后，进一步控制所述增材制造装置以旋转移动构建平台。
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