CN109862979A - 用于形成粉末的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于形成粉末的装置(10)，包括用于将至少一个能量束(16)发射到工件(12)上的能量源(14)，所述能量束(16)配置为至少部分地熔化所述工件(12)，在所述工件(12)上形成至少一个熔融材料池，其中所述装置(10)配置成在所述工件(12)上施加力，使得至少一个熔融材料珠粒从所述池中弹出并凝固形成粉末颗粒(18)。

Description

用于形成粉末的装置和方法
技术领域
本发明涉及用于形成粉末的装置和方法，更具体地但非排他地，涉及用于形成金属粉末的装置和方法。
背景技术
粉末用于各种工业制造工艺中。特别是金属粉末，用于增材制造工艺，例如3D打印。
用于形成金属粉末的已知方法包括源金属的粉碎、研磨，以及水和气体雾化。这些方法执行起来耗时，并且导致产生质量差、尺寸极不规则的粉末颗粒。这种不均匀性显著降低了这些粉末用于3D打印的效用。
本发明的目的是提供一种粉末生产装置和方法，其至少部分地改善和克服这些问题。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种用于形成粉末的装置，包括：
用于将至少一个能量束发射到工件上的能量源，所述能量束配置成至少部分地熔化所述工件，以在所述工件上形成至少一个熔融材料池，
其中所述装置配置成在所述工件上施加力，使得至少一个熔融材料珠粒从所述池中弹出并凝固形成粉末颗粒。
所述装置还可包括马达，所述马达配置成使所述工件绕轴线旋转，从而在所述工件上施加离心力，使得所述珠粒从所述轴线弹出。
所述工件可包括形成在所述工件中的多个细长通道，每个通道远离中心轴线延伸并终止于所述工件的周边边缘，其中每个通道配置成将流过所述工件的表面的熔融材料朝向所述边缘运送，并且其中每个通道具有决定从所述边缘弹出的熔融材料珠粒的形状和尺寸的横截面形状和尺寸。
所述能量源可以配置成熔化所述工件，使得所述多个通道由所述能量源形成。
所述装置还可包括振动装置，所述振动装置配置成使所述工件振动，从而使所述珠粒从所述池中弹出。
所述装置还可包括充电装置，所述充电装置配置成在所述工件上施加磁力或静电力，从而使所述珠粒从所述池中弹出。
所述能量源可以配置成将所述能量束聚焦到所述工件的一部分上，该部分的表面积小于1,000,000平方微米(μm2)(1mm2)。
所述能量源可以配置为将所述能量束聚焦到所述工件的一部分上，该部分的表面积小于10平方微米(μm2)。
所述能量源可以选自激光束、准直光束、微等离子焊接电弧、电子束或粒子加速器中的任何一种。
所述装置还可包括能量分裂装置，所述能量分裂装置用于将所述能量束分裂成指向所述工件上的多个独立能量束。
所述装置可包括多个能量源，所述多个能量源用于将多个独立能量束发射到所述工件上。
所述装置还可包括聚焦装置，所述聚焦装置用于将多个所述独立能量束聚焦到所述工件上的共同焦点上。
所述工件可基本上由用于形成金属粉末的金属材料组成。
所述工件可以是圆柱形的。
所述工件可以是圆锥形的。
所述工件可以基本上由钛组成。
所述工件可以基本上由不锈钢或钢合金组成。
所述工件可以基本上由纯金属、金属合金、金属基金属陶瓷或其他金属材料组成。
所述工件可以由用于形成非金属粉末的非金属材料组成。
所述工件可基本上由陶瓷、金属氧化物、金属陶瓷、复合材料或用于形成粉末的其他合适材料组成。
所述装置还可包括扫描装置，所述扫描装置配置成确定所述工件的位置、速度和/或表面轮廓。
所述扫描装置还可以配置成测量每个粉末颗粒的尺寸和形状。
所述装置还可包括阀单元，所述阀单元用于从所述装置中弹出积聚的粉末颗粒。
根据本发明的另一个方面，提供一种用于形成粉末的方法，该方法包括以下步骤：
从能量源向工件发射至少一个能量束以至少部分地熔化所述工件，在所述工件上形成至少一个熔融材料池；
在所述工件上施加力以使至少一个熔融材料珠粒从所述池中弹出并固化以形成至少一个粉末颗粒。
所述方法还可以包括：
将所述能量源聚焦在所述工件上，以在所述工件中形成多个通道，每个通道远离中心轴线延伸并终止于所述工件的周边边缘；和
允许熔融材料流过所述工件的表面并通过所述通道流向所述周边边缘，使得熔融材料珠粒从所述边缘弹出。
附图说明
现在将参照附图，以示例的方式描述本发明，其中：
图1显示了根据本发明的一种实施方式的用于形成粉末的装置；
图2显示了根据本发明另一种实施方式的用于形成粉末的装置；
图3显示了根据本发明又一种实施方式的用于形成粉末的装置；
图4显示了根据本发明又一种实施方式的用于形成粉末的装置。
具体实施方式
参考图1，示出了根据本发明第一实施方式的用于形成粉末的装置，一般用附图标记10表示。
装置10包括工件12和用于将至少一个能量束16发射到工件12上的能量源14，能量束16配置成至少部分地熔化工件12，在工件12上形成至少一个熔融材料池。装置10配置成在工件12上施加力，使得熔融材料珠从所述池中弹出并凝固形成粉末颗粒18。
更具体地，工件12的形状为圆柱形。
或者，工件12的形状为圆锥形。
优选地，工件12基本上由用于形成金属粉末颗粒的金属材料组成。例如，工件12优选地基本上由钛、不锈钢或钢合金或金属基金属陶瓷构成。
在替代实施方式中，工件12可以基本上由非金属材料组成，例如陶瓷、金属氧化物、金属陶瓷、复合材料或用于形成非金属粉末的其他合适的非金属材料。
如图4所示，能量源14可以配置成熔化工件12，以在工件12中形成多个细长通道26，每个通道26远离中心轴线延伸并终止于工件12的周边边缘28。
每个通道26配置成将流过工件12的表面22的熔融材料朝向周边边缘28运送，并且每个通道26具有横截面形状和尺寸，该横截面形状和尺寸决定了从边缘28弹出的熔融材料珠粒18的形状和尺寸。
装置10还可包括马达20，马达20配置成使工件12围绕其纵向轴线高速旋转。图1中描绘的马达20配置成使工件12绕其轴线沿顺时针方向旋转。
能量源14优选地是激光束、准直光束、微等离子焊接电弧、电子束或粒子加速器。
能量源14配置成将能量束16聚焦到工件12的一部分上，该部分的表面积小于1,000,000平方微米(μm2)，优选地，小于10,000平方微米(μm2)。
在使用中，能量束16指向所述工件12的一部分上足够长的时间段，该时间段使得所述部分的温度升高并熔化以形成小的熔融材料池。工件12的旋转运动导致离心力施加在工件12和池上。这导致熔融材料珠粒形成并从池中径向地远离工件12的旋转轴线弹出。由于工件12的高旋转速度，在形成熔融材料池之后几乎立即弹出珠粒。
弹出的珠粒在经过工件12周围的空气或真空时凝固，并形成单个粉末颗粒18。由于熔融珠粒的表面张力，所形成的粉末颗粒18具有接近完美的球形形状。移动的球形粉末颗粒18行进通过周围空间，直到它停留在装置10的操作表面22上。重复该过程以产生另外的粉末颗粒18。颗粒18积聚在形成在操作表面22上的料堆24上。
装置10还包括阀单元(未示出)，该阀单元定期打开，以使收集在料堆24中的粉末从装置10中排出，从而可以将其包装和储存以供后续使用。当工件12上的所有源材料都已耗尽时，停止粉末生成过程。
装置10还包括扫描装置(未示出)，该扫描装置配置为在使用期间实时确定工件12的位置、旋转速度和/或表面轮廓以及使用装置10形成的每个粉末颗粒18的尺寸和形状。这些数据与组合逻辑电路结合使用，以控制影响所形成的粉末颗粒18的尺寸和频率的装置10的参数和部件。这尤其包括工件12旋转的速度、能量束16指向工件12的持续时间、能量束16的强度以及对于每个颗粒18，能量束16聚焦在工件12的一部分上的表面积。
扫描装置还配置成在空气传播粉末颗粒18从工件12行进到料堆24并固化时确定每个空气传播粉末颗粒18的尺寸和形状。这些数据还用于控制能量束16的方向和强度，包括必要时将能量束16引导到空气传播颗粒18上以控制其冷却速率。
扫描装置和组合逻辑电路还配置成控制能量束16选择性地工作于其上的工件12的部分的顺序和相应位置。这使得工件12以一致且均匀的方式加工，以便在使用过程中工件12的形状基本上保持均匀和平衡。
图1中所示的实施方式包括单个能量源14，能量源14配置为发射单个能量束16。然而，装置10可替代地包括多个能量源，多个能量源配置成同时或相继地将多个能量束发射到工件12的多个部分上，以便提高粉末形成过程的速度。
或者，装置10可以包括单个能量源14，其与能量分裂装置一起操作，能量分裂装置用于将由能量源14发射的单个能量束16分裂成引导到工件12上的多个独立能量束。
在配置成将多个独立能量束引导到工件12上的本发明的实施方式中，装置10还包括聚焦装置，该聚焦装置适于在使用中将一个或多个单独的能量束聚焦到工件12上的共同焦点上。
参考图2，显示了根据本发明另一种实施方式的用于形成粉末的装置10。除了装置10不包括马达20之外，装置10在所有材料方面与图1所示的实施方式相同。相反，装置10包括振动装置26，该振动装置26配置成以摆动运动来回移动工件12。振动装置26以简单驱动轮28和活塞30的形式示出，其配置成使工件12相对于操作表面22以正弦方式上下移动。
在使用中，能量束16从能量源14发射并定向到工件12的一部分上一段时间，使得该部分熔化并形成小的熔融材料池。工件12的摆动运动使得熔融材料珠粒从池中远离工件12弹出。对于随后的粉末颗粒重复该过程。
参考图3，显示了根据本发明另一种实施方式的用于形成粉末的装置10。除了装置10不包括振动装置26之外，装置10在所有材料方面与图3所示的实施方式相同。相反，装置10包括充电装置32，充电装置32配置为向工件12施加磁力或静电力。
在使用中，能量束16从能量源14发射并定向到工件12的一部分上一段时间，使得该部分熔化并形成小的熔融材料池。磁力或静电力使得熔融材料珠粒从池中远离工件12弹出。对于随后的粉末颗粒重复该过程。
参考图4，显示了根据本发明另一种实施方式的用于形成粉末的装置10。在装置10的该实施方式中，能量束16也被引导使得工件12熔化以形成多个通道26，每个通道26远离中心轴线延伸并终止于工件12的周边边缘28。
工件12的旋转运动使离心力施加在工件12和形成在表面上的熔融材料上。这使得熔融材料从中心轴线朝向工件12的周边边缘28流动。当熔融材料流向边缘28时，使材料流入每个细长通道26并沿其行进。当熔融材料到达通道26的末端时，离心力使熔融材料珠粒径向地从通道出口和工件12弹出。
图4中示出了单个熔融材料珠粒，其远离工件12朝向图的右下侧径向行进。然而，应当理解，当使用装置10时，将在周边边缘28处形成大量的珠粒并且在任何一个时间点从工件12弹出。
能量束16选择性地定向到工件12上，使得形成的每个通道26在工件12的周边边缘28处具有特定的横截面形状和尺寸。横截面形状和尺寸决定了从工件12弹出的熔融材料珠粒的形状和尺寸以及随后形成的粉末颗粒18的形状和尺寸。这有利地使得制造的粉末颗粒18的形状、尺寸和形态能够被精确控制。因此，可以制造具有高度规则形状、尺寸和形态的粉末颗粒18。
优选地，通道26同时形成，熔融材料一般形成在工件12的表面上。通道26的形状、尺寸和形态在形成粉末颗粒18的同时由装置10连续监测和控制。这使得工件12可以连续使用，直到包含在工件12中的材料耗尽为止。
本发明的装置10能够有利地使粉末颗粒形成，每个粉末颗粒具有近似球形的形状。颗粒的尺寸和形状是高度均匀的，因此特别适用于增材工业制造工艺，例如3D打印。
装置10还能有利地使粉末颗粒以高速形成。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于形成粉末颗粒18的方法，该方法包括以下步骤：
从能量源14向工件12发射至少一个能量束以至少部分地熔化工件12，在工件12上形成至少一个熔融材料池；
在工件12上施加力，使熔融材料珠粒从池中弹出并凝固形成粉末颗粒18；和
重复上述步骤以形成另外的粉末颗粒18。
所述方法可以进一步包括将能量源14聚焦在工件12上，以在工件12中形成多个通道26，每个通道26远离中心轴线延伸并终止于工件12的周边边缘28，并且允许熔融材料流过工件12的表面并通过通道26流向边缘28，使得熔融材料珠粒从边缘28弹出，以形成粉末颗粒18。
对于技术人员来说显而易见的进一步修改和变化被认为是在本发明的范围内。
在本发明的前述描述中，除非上下文通过明确的语言或必要的暗示要求，词语“包括”或其变体，例如“包含”是根据包含意义使用，亦即，用于指明所述特征的存在，但是不排除在本发明的不同实施方式中存在或添加其他特征。

Claims (23)

1.一种用于形成粉末的装置，包括：
用于将至少一个能量束发射到工件上的能量源，所述能量束配置成至少部分地熔化所述工件，以在所述工件上形成至少一个熔融材料池，
其中所述装置配置成在所述工件上施加力，使得至少一个熔融材料珠粒从所述池中弹出并凝固形成粉末颗粒。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述工件包括多个细长通道，每个通道远离中心轴线延伸并终止于所述工件的周边边缘，其中每个通道配置成将流过所述工件的表面的熔融材料朝向所述边缘运送，并且其中每个通道具有决定从所述边缘弹出的熔融材料珠粒的形状和尺寸的横截面形状和尺寸。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述能量源配置为熔化所述工件，使得所述多个通道由所述能量源形成。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，所述装置包括马达，所述马达配置成使所述工件绕轴线旋转，从而在所述工件上施加离心力，使得所述珠粒从所述轴线弹出。
5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述装置包括振动装置，所述振动装置配置为使所述工件振动，从而使所述珠粒从所述池中弹出。
6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述装置包括充电装置，所述充电装置配置成在所述工件上施加磁力或静电力，从而使所述珠粒从所述池中弹出。
7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述能量源配置为将所述能量束聚焦到所述工件的一部分上，该部分的表面积小于1,000,000平方微米(μm2)(1mm2)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述能量源配置为将所述能量束聚焦到所述工件的一部分上，该部分的表面积小于10平方微米(μm2)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述能量源选自由激光束、准直光束、微等离子焊接电弧、电子束和粒子加速器组成的组中。
10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述装置包括能量分裂装置，所述能量分裂装置用于将所述能量束分裂成指向所述工件上的多个独立能量束。
11.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述装置包括多个能量源，所述多个能量源用于将多个独立能量束发射到所述工件上。
12.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述装置包括聚焦装置，所述聚焦装置用于将多个独立能量束聚焦到所述工件上的共同焦点上。
13.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述工件是圆柱形的。
14.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述工件是圆锥形的。
15.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述工件基本上由用于形成金属粉末的金属材料组成。
16.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述工件基本上由选自由钛、不锈钢、钢合金、金属基金属陶瓷组成的组中的材料组成。
17.根据权利要求1-14中任一项所述的装置，其中所述工件基本上由用于形成非金属粉末的非金属材料组成。
18.根据权利要求1-14中任一项所述的装置，其中所述工件基本上由陶瓷、金属氧化物、金属陶瓷、复合材料或用于形成粉末的其他合适材料组成。
19.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述装置包括扫描装置，所述扫描装置配置成确定所述工件的位置、速度和/或表面轮廓。
20.根据权利要求19所述的装置，其中所述扫描装置配置成测量每个粉末颗粒的尺寸和形状。
21.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述装置包括阀单元，所述阀单元用于从所述装置中弹出积聚的粉末颗粒。
22.一种用于形成粉末的方法，该方法包括以下步骤：
从能量源向工件发射至少一个能量束以至少部分地熔化所述工件，在所述工件上形成至少一个熔融材料池；
在所述工件上施加力以使至少一个熔融材料珠粒从所述池中弹出并固化以形成至少一个粉末颗粒。
23.根据权利要求22所述的方法，所述方法包括以下步骤：
将所述能量源聚焦在所述工件上，以在所述工件中形成多个通道，每个通道远离中心轴线延伸并终止于所述工件的周边边缘；和
允许熔融材料流过所述工件的表面并通过所述通道流向所述周边边缘，使得熔融材料珠粒从所述边缘弹出。
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