CN110026553B - 大型粘合剂喷射添加制造系统及方法 - Google Patents

大型粘合剂喷射添加制造系统及方法 Download PDF

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Abstract

本文中公开的主题涉及添加制造技术，并且更具体而言，涉及含有粘合剂喷射打印的添加制造技术。用于制作制件的所公开的添加制造系统包括构建单元和可操作地联接于构建单元的定位系统。定位系统构造成在至少三个维度上移动构建单元。构建单元包括重涂覆器部分，其构造成在添加制造系统的构建区域内沉积粉末层。构建单元还包括粘合剂喷射部分，其构造成在沉积的粉末层的周边内选择性地沉积和固化粘合剂，以在构建区域中形成围绕被制作的制件的动态构建壳层。

Description

大型粘合剂喷射添加制造系统及方法
技术领域
本文中公开的主题涉及添加制造技术，并且更具体而言，涉及含有粘合剂喷射的添加制造技术。
背景技术
添加制造(AM)(也被称为3D打印)大体上是指用于一次一层地制作制件的许多不同技术。与减材制造方法相比，AM大体上含有一个或更多个材料的建立，以制成净或近净形状(NNS)制件。例如，某些AM技术含有连续地沉积粉末层(例如、金属、陶瓷或塑料粉末)，并且接着选择性地粘合粉末层的部分，以形成期望的制件。AM可用于由计算机辅助设计(CAD)模型制作各种制件(例如，燃料喷嘴、燃料喷射器、涡轮叶片)。如此，与其它制造技术(诸如铸造成型或注射成型)相比，AM大体上促进复杂制件的创建并且实现制件定制的灵活性。因此，与其它制造技术相比，AM可降低与生成这些复杂制件相关联的总制造成本。
不同的AM技术熔化，烧结或用化学粘合粉末层，以生成期望的制件。AM技术的实例包括：直接激光熔化(DLM)、直接激光烧结(DLS)以及粘合剂喷射(BJ)。对于DLM和DLS，粉末层的部分选择性地熔化或烧结在一起，以形成制件。烧结需要在低于粉末材料的熔点的温度下熔合(附聚)粉末颗粒，而熔化需要使粉末颗粒完全熔化，以形成是固体均匀物质的固结制件。相反，对于BJ，选择性地沉积粘合剂，以将粉末层的部分暂时化学地粘合在一起，以形成坯体(green body)制件。在固化之后，可预烧结坯体制件，以形成已移除基本上所有粘合剂的棕色体(brown body)制件，并且完全烧结，以形成固结制件。
发明内容
在一个实施例中，一种用于制作制件的添加制造系统包括构建单元和可操作地联接于构建单元的定位系统。定位系统构造成在至少三个维度上移动构建单元。构建单元包括重涂覆器部分，其构造成在添加制造系统的构建区域内沉积粉末层。构建单元还包括粘合剂喷射部分，其构造成在沉积的粉末层的周边内选择性地沉积和固化粘合剂，以在构建区域中形成围绕被制作的制件的动态构建壳层(dynamic build envelope)。
在另一实施例中，一种添加制造的方法包括经由定位系统使构建单元横跨构建区域移动。该方法包括经由构建单元的重涂覆器部分使粉末层沉积，同时使构建单元横跨构建区域移动。该方法还包括经由构建单元的粘合剂喷射部分使粘合剂选择性地沉积到粉末层的周边上，同时使构建单元横跨构建区域移动，其中粘合剂随后被固化，以在粉末层的周边形成动态构建壳层的一部分。该方法还包括熔合或粘合粉末层的一部分，以在动态构建壳层的内部形成制件的熔合层或粘合层，同时使构建单元横跨构建区域移动。
在另一实施例中，一种用于制作制件的添加制造系统的构建单元包括重涂覆器部分，其构造成在添加制造系统的构建区域内沉积粉末层。该系统还包括粘合剂喷射部分，其构造成在沉积的粉末层的周边内选择性地沉积和固化粘合剂，以在构建区域中形成围绕被制作的制件的动态构建壳层。该系统还包括直接激光熔化或直接激光烧结(DLM/DLS)部分，其构造成选择性地熔合沉积的粉末层的一部分，以在动态构建壳层的内部形成制件的熔合层。
实施方案1. 一种用于制作制件的添加制造系统，包括：
构建单元；以及
定位系统，其可操作地联接于所述构建单元，其中所述定位系统构造成在至少三个维度上移动所述构建单元，并且其中所述构建单元包括：
重涂覆器部分，其构造成在所述添加制造系统的构建区域内沉积粉末层；以及
粘合剂喷射(BJ)部分，其构造成在所述沉积的粉末层的周边内选择性地沉积和固化粘合剂，以在所述构建区域中形成围绕被制作的所述制件的动态构建壳层。
实施方案2. 根据实施方案1所述的系统，其特征在于，所述BJ部分构造成在所述动态构建壳层的内部在所述沉积的粉末层的一部分内选择性地沉积和固化所述粘合剂，以在所述构建区域中形成被制作的所述制件的至少一部分。
实施方案3. 根据实施方案1所述的系统，其特征在于，所述构建单元的所述BJ部分包括：
粘合剂储存器，其构造成储存粘合剂；以及
打印头部，其与粘合剂储存器流体地联接，其中所述打印头部构造成从所述粘合剂储存器接收粘合剂，并且构造成将所述粘合剂选择性地沉积在所述沉积的粉末层的所述周边内。
实施方案4. 根据实施方案3所述的系统，其特征在于，所述构建单元的所述BJ部分包括：
固化发射源，其构造成在所述粘合剂沉积之后辐射沉积层的所述周边，以固化所述沉积的粉末层的所述周边内的所述粘合剂。
实施方案5. 根据实施方案1所述的系统，其特征在于，所述构建单元的所述重涂覆器部分包括粉末分配器和重涂覆器叶片或重涂覆器辊。
实施方案6. 根据实施方案1所述的系统，其特征在于，所述重涂覆器部分包括多个粉末分配器。
实施方案7. 根据实施方案1所述的系统，其特征在于，所述构建单元包括直接激光熔化或直接激光烧结(DLM/DLS)部分，其包括：
辐射发射引导装置，其构造成选择性地引导激光束或电子束以熔化或烧结所述沉积的粉末层的一部分，以形成被制作的所述制件的一部分；以及
气流装置，其构造成在熔化或烧结期间围绕所述沉积的粉末层的中心部分提供减少氧气的大气。
实施方案8. 根据实施方案7所述的系统，其特征在于，所述气流装置构造成在熔化或烧结期间在所述沉积的粉末层的所述部分之上提供气流或真空。
实施方案9. 根据实施方案1所述的系统，其特征在于，包括使用第二构建单元，其中所述第二构建单元包括直接激光熔化或直接激光烧结(DLM/DLS)部分，其包括：
辐射发射引导装置，其构造成选择性地引导激光束或电子束以熔化或烧结所述沉积的粉末层的一部分，以形成被制作的所述制件的一部分；以及
气流装置，其构造成在熔化或烧结期间围绕所述沉积的粉末层的所述部分提供减少氧气的大气。
实施方案10. 根据实施方案1所述的系统，其特征在于，所述三个维度为x、y和z坐标，并且其中所述构建单元能够在x-y平面中旋转。
实施方案11. 根据实施方案1所述的系统，其特征在于，所述定位系统构造成使所述构建单元在为所述重涂覆器叶片的宽度的立方至少十倍的体积内移动。
实施方案12. 一种添加制造的方法，包括：
经由定位系统使构建单元横跨构建区域移动；
经由所述构建单元的重涂覆器部分使粉末层沉积，同时使所述构建单元横跨所述构建区域移动；
经由所述构建单元的粘合剂喷射部分使粘合剂选择性地沉积到所述粉末层的周边上，同时使所述构建单元横跨所述构建区域移动，其中所述粘合剂随后被固化，以在所述粉末层的所述周边形成动态构建壳层的一部分；以及
熔合或粘合所述粉末层的一部分，以在所述动态构建壳层的内部形成制件的熔合层或粘合层，同时使所述构建单元横跨所述构建区域移动。
实施方案13. 根据实施方案12所述的方法，其特征在于，选择性地沉积所述粘合剂包括用过量的粘合剂使所述粉末层的所述周边过饱和，使得随后沉积的粉末层的周边由所述过量的粘合剂阻止溢出到所述动态构建壳层的外部。
实施方案14. 根据实施方案12所述的方法，其特征在于，包括使用发射源来辐射选择性沉积的粘合剂，以固化所述粘合剂并且形成所述动态构建壳层。
实施方案15. 根据实施方案14所述的方法，其特征在于，所述发射源为所述构建单元的所述粘合剂喷射部分的红外(IR)、可见或紫外(UV)发射源。
实施方案16. 根据实施方案14所述的方法，其特征在于，所述发射源为所述构建单元的直接激光熔化或直接激光烧结(DLM/DLS)部分的激光或电子束。
实施方案17. 根据实施方案12所述的方法，其特征在于，熔合或粘合包括通过经由所述构建单元的直接激光熔化或直接激光烧结(DLM/DLS)部分使用激光或电子束辐射所述粉末层的所述部分来熔合，该激光或电子束将所述粉末层的所述部分在所述动态构建壳层的内部熔化或烧结成所述制件的所述熔合层。
实施方案18. 根据实施方案12所述的方法，其特征在于，熔合或粘合包括通过经由所述构建单元的所述粘合剂喷射部分在所述粉末层的所述部分内沉积和固化第二粘合剂来粘合，以在所述动态构建壳层的内部形成所述制件的所述粘合层。
实施方案19. 根据实施方案18所述的方法，其特征在于，所述粘合剂不同于所述第二粘合剂。
实施方案20. 根据实施方案18所述的方法，其特征在于，包括加热所述制件，以从所述粉末层的所述部分内移除所述第二粘合剂，并且以将所述粉末层的所述部分烧结成固结制件。
实施方案21. 根据实施方案12所述的方法，其特征在于，包括：
经由所述定位系统使所述构建单元在熔合或粘合所述粉末层之后沿基本上垂直于工作表面的方向向上移动；
经由所述定位系统使所述构建单元横跨所述构建区域移动；
经由所述构建单元的重涂覆器部分使粉末的第二层沉积，同时使所述构建单元横跨所述构建区域移动；
经由所述构建单元的所述粘合剂喷射部分使所述粘合剂选择性地沉积到所述粉末的第二层的周边上，同时使所述构建单元横跨所述构建区域移动，其中所述粘合剂随后被固化，以在所述粉末的第二层的所述周边形成所述动态构建壳层的第二部分；以及
熔合或粘合所述粉末的第二层的一部分，以在所述动态构建壳层的内部形成所述制件的第二熔合层或粘合层，同时使所述构建单元横跨所述构建区域移动。
实施方案22. 根据实施方案12所述的方法，其特征在于，使所述构建单元横跨所述工作表面移动包括在x-y平面中移动和旋转所述构建单元。
实施方案23. 根据实施方案12所述的方法，其特征在于，包括从所述动态构建壳层移除所述制件，并且使所述动态构建壳层脱脂，以从所述动态构建壳层回收粉末。
实施方案24. 根据实施方案23所述的方法，其特征在于，包括在随后的添加制造过程中再循环回收的粉末。
实施方案25. 一种用于制作制件的添加制造系统的构建单元，包括：
重涂覆器部分，其构造成在所述添加制造系统的构建区域内沉积粉末层；
粘合剂喷射部分，其构造成在所述沉积的粉末层的周边内选择性地沉积和固化粘合剂，以在所述构建区域中形成围绕被制作的所述制件的动态构建壳层；以及
直接激光熔化或直接激光烧结(DLM/DLS)部分，其构造成选择性地熔合所述沉积的粉末层的一部分，以在所述动态构建壳层的内部形成所述制件的熔合层。
附图说明
当参照附图阅读下列详细描述时，将更好地理解本公开的这些和其它的特征、方面和优点，在该附图中，相似的标记在所有附图中表示相似的部件，在附图中：
图1为按照本技术的添加制造(AM)系统的实施例的示意图，该添加制造(AM)系统包括定位系统和构建单元，在动态构建壳层内制作制件；
图2为按照本技术的AM系统的构建单元的实施例的示意图，其中构建单元包括重涂覆器部分、粘合剂喷射(BJ)部分以及直接激光熔化/直接激光烧结(DLM/DLS)部分；
图3为按照本技术的AM系统的构建单元的另一实施例的俯视图的示意图；
图4为按照本技术的AM系统的构建单元的重涂覆器部分(在其用于在动态构建壳层内制作制件时)的另一实施例的俯视图的示意图；
图5为按照本技术的使用BJ制作的动态构建壳层的实施例的截面图；
图6A,6B,6C和6D示出按照本技术的用于使用BJ制作动态构建壳层的过程的步骤；以及
图7A,7B和7C示出按照本技术的用于使用BJ或DLM/DLS制作制件，同时使用BJ制作围绕制件的动态构建壳层的过程的步骤。
具体实施方式
尽管“添加制造”为行业标准术语(ASTM F2792)，但AM包括各种各样名称下已知的各种制造和原型制作技术，诸如自由形式制作、3D打印、以及快速原型制作/加工。如所提及的，某些AM过程(诸如DLM和DLS(下文统称为“DLM/DLS”))含有引导能量束(例如，电子束、激光束)，以选择性地熔化或烧结粉末材料的沉积层的部分，来形成固体三维制件。与激光烧结或激光熔化相关联的物理过程包括向粉末材料的热传递，并且接着烧结或熔化粉末材料。尽管激光烧结和熔化过程可应用于广泛的粉末材料，但生产路线的科学和技术方面(例如，烧结或熔化速率以及在层制造过程期间加工参数对微观结构演变的影响)没有被很好理解。这些制作方法伴随着多种热、质量和动量传递模式，以及使DLM/DLS非常复杂的化学反应。此外，在临时结构(诸如固持壁)使用DLM/DLS产生时，它们形成为固结的3D结构。由于这些临时结构由不可逆粘合的粉末材料(不可容易回收)构成，故认识到，使这些临时结构使用DLM/DLS构成降低了效率并且增加了AM操作的成本。
考虑到前述内容，本实施例针对AM系统，其利用BJ来实现大型制件(诸如在大小上1立方米(m3)，或更大)的制作。所公开的AM系统通过使用BJ来在制件被打印时至少制作围绕该制件的固持壁而实现较大制件的制作。如以下论述的，BJ可用于形成强健的固持壁，其限定围绕制件的动态构建壳层，以在构建过程期间固持围绕制件的沉积的粉末层。如所论述的，BJ还实现足够量的粘合剂的沉积，以选择性地使沉积的粉末层的周边过饱和，以改进随后沉积的粉末层的粘附性，这防止大量粉末在固持壁之上滑落并且掉落在动态构建壳层的外部。制件通过经由DLM/DLS选择性地熔化粉末的部分，或经由BJ选择性地粘合粉末的部分或者它们的组合来在动态构建壳层内制作。因此，一旦完成制件的制作，动态构建壳层的固持壁就可遭受脱脂热处理，以移除粘合剂，并且释放粉末，以用于在随后的AM操作中再循环。如此，所公开的AM系统实现更高的效率、减少的浪费，以及更大的自由度，以利用特定的AM过程来构成制件的不同部分。
图1示出按照本技术的大型添加制造(AM)系统10的示例性实施例。AM系统10包括具有存储器电路14和处理电路16的控制器12，存储器电路14储存指令，处理电路16构造成执行这些指令，以控制AM系统10的各种构件。AM系统10还包括定位系统18、构建单元20以及被构建的制件22下方的构建板(在该视图中未示出)。如以下论述的，构建单元20包括BJ部分，其能够选择性地沉积粘合剂，以至少制作围绕被构建的制件22的动态构建壳层24。在某些实施例中，构建单元20还构造成使用BJ，以在动态构建壳层24内制作制件22的至少一部分。此外地或备选地，在某些实施例中，构建单元20或AM系统10的第二构建单元(例如，构建单元26)构造成使用DLM/DLS来在动态构建壳层内制作制件22的至少一部分。在某些实施例中，构建单元20和构建单元26两者可由相同的定位系统18或由单独的定位系统移动和定位。
与常规AM系统形成对比，对于图1中示出的实施例，最大潜在构建区域由定位系统18而不是预限定的粉末床的尺寸来限定。对于示出的实施例，特定构建的构建区域28可由构建壳层24限制，构建壳层24使用BJ过程围绕制件22动态地建立，而制件本身使用BJ过程、DLM/DLS过程或它们的组合构建。对于示出的实施例，定位系统18具有x横梁30，其沿x方向移动构建单元20。存在两个z横梁32A和32B，它们沿z方向移动构建单元20和x横梁30。x横梁30和构建单元20由机构34附接，机构34使构建单元20沿y方向移动。虽然对于示出的实施例，定位系统18示出为门架，但是在其它实施例中，可使用不同的定位系统。例如，定位系统18可为任何多维定位系统，诸如Delta机器人、缆索机器人、机器人臂，或其它合适的定位系统。
图2示出按照本技术的AM系统10的构建单元20的实施例，其中构建单元20构造用于BJ和DLM/DLS两者。具体而言，图2中示出的构建单元20包括重涂覆器部分42，其构造成将粉末44沉积在构建区域28中。示出的构建单元20还包括BJ部分46，其构造成将粘合剂48选择性地沉积到沉积的粉末层50的表面上，以构成至少固持壁52，其形成围绕被制作的制件22的动态构建壳层24。示出的构建单元20还包括DLM/DLS部分54，其构造成通过直接熔化或烧结沉积的粉末层50来在动态构建壳层24内构成制件22的至少一部分。如以上提及的，控制器12将合适的控制信号提供至构建单元20的重涂覆器部分42、BJ部分46以及DLM/DLS部分54，以提供本文中描述的功能性。在其它实施例中，AM系统10的构建单元20可仅包括重涂覆器部分42和BJ部分46，并且该构建单元20可用于制作动态构建壳层24和制件22两者。在又一实施例中，AM系统10的第一构建单元20包括第一重涂覆器部分42和BJ部分46并用于制作动态构建壳层24，并且AM系统10的第二构建单元20包括第二重涂覆器部分42和DLM/DLS部分54，其用于在构建壳层24的内部制作制件22。
对于示出的实施例，重涂覆器部分42具有料斗56，其包括背板58和前板60。重涂覆器部分42还具有至少一个促动元件62、至少一个闸板64、重涂器叶片66、促动器68，以及重涂器臂70。示出的重涂覆器部分42安装至安装板72。在该特定实施例中，促动器68响应于来自控制器12的信号启动促动元件62，以拉动闸板64远离前板60。在实施例中，促动器68可为例如气动促动器，并且促动元件62可为双向阀。在实施例中，促动器68可为例如音圈，并且促动元件62可为弹簧。在某些实施例中，粉末44、背板58、前板60以及闸板64都可由相同的材料制成。作为备选，背板58、前板60以及闸板64可全部为相同的材料，并且该材料可为与粉末44相容的材料，诸如钴铬合金。
图2中的重涂覆器部分42的闸板64示出为处于闭合位置。在开启位置(未示出)，在对应的闸板64由促动元件62拉开时，间隙74在前板60与后板58之间开启，允许粉末44从料斗56流动。如此，在重涂覆器部分42的闸板64处于开启位置时，沉积料斗56中的粉末44，以制成新鲜的粉末层50，其由重涂覆器叶片66弄平滑，以在构建的工作表面76处制成基本上均匀的粉末层。在一些实施例中，基本上均匀的粉末层50的部分可在BJ过程中使用粘合剂粘附在一起，或者在DLM/DLS过程中熔化/烧结，同时构建单元20横跨工作表面76移动，这实现构建单元20的连续操作以及动态构建壳层24和制件22两者的更快生产。在某些实施例中，代替重涂覆器叶片66，重涂覆器部分42可包括反向旋转的辊，以使新鲜的粉末层50平滑，并且在将沉积层的部分选择性地粘合在一起之前形成构建的工作表面76。
示出的构建单元20的BJ部分46包括打印头部78，其流体地联接于一个或更多个粘合剂储存器80(例如，粘合剂储存器80A和80B)并且设置成邻近于固化发射源81。打印头部78构造成从粘合剂储存器80接收液体粘合剂82(例如，粘合剂82A、粘合剂82B或它们的组合)的供应，并且构造成响应于由控制器12提供的信号将(多个)液体粘合剂82选择性地沉积到由重涂覆器部分42沉积的粉末的工作表面76上。固化发射源81为光源，诸如例如红外(IR)灯、紫外(UV)灯或UV激光器。对于示出的实施例，固化发射源81被激活(例如，连续地或响应于来自控制器12的信号)，以用光83辐射工作表面76的一部分，以在由打印头部78沉积之后固化(多个)粘合剂82。
示出的构建单元20的DLM/DLS部分54包括激光辐射源86，其发射由辐射发射引导装置90引导的光子能量束88。激光辐射可由任何合适的器件(例如，光纤电缆92)传输至辐射发射引导装置。DLM/DLS部分54还包括具有加压出口部分95A和真空入口部分95B的气流装置94，其将气流提供至气流区域96。在气流区域96上方，存在包含惰性环境100的外壳98。对于示出的实施例，气流区域96中的气流沿y方向流动，而其它方向可在其它实施例中为可能的。气流区域96中的气流可基本上为层流的。
当构建单元20的DLM/DLS部分54的辐射源86为激光源时，则辐射发射引导装置90可为例如振镜扫描器，并且辐射源86可位于构建环境的外部。在辐射源90为电子源时，则电子源产生包括由辐射发射引导装置90引导的电子能量束88(即，电子束)的电子。在辐射源86为电子源时，则辐射发射引导装置90可为例如偏转线圈。在辐射源86为激光源时，构建单元20的DLM/DLS部分54包括气流装置94，其在操作期间将基本上层流的气流提供至图2中示出的气流区域96。在辐射源86为电子源时，则真空可维持在电子束88穿过的空间中，代替气流区域96。此外，在某些实施例中，辐射发射引导装置90可以是在外壳98内通过第二定位系统(未示出)可独立地移动的。
对于图2中示出的构建单元20的示出的实施例的DLM/DLS部分54，因为构建单元20可移动至新的地点，以构建被制作的制件22的另一部分，所以由辐射发射引导装置90引导的光束的最大角度(在图2中指示为Ɵ2)可为相对小的，即使在制作大的制件22时。在Ɵ2近似为0时，能量束88的方向限定该视图中的z方向。在构建单元20为固定的时，能量束在Ɵ2为0时接触的工作表面76上的点102限定xy平面中的圆的中心，并且离圆的中心的最远点104(其中能量束接触工作表面76)限定圆的外周边上的点。该圆限定光束88的扫描区域，其可小于被形成的制件22的最小截面区域(在与光束88的扫描区域相同的平面中)。因此，相对于光束88的扫描区域不存在制件22的大小的特定上限。此外，可注意到的是，对于包括BJ部分46和DLM/DLS部分54两者的构建单元20的某些实施例，可控制辐射发射引导装置90，以提供适合于固化由构建单元20的BJ部分42的打印头部78沉积的粘合剂的较低功率(例如，更漫射、较低强度)的辐射，而不显著地熔化或烧结粉末的辐射部分。因此，此类实施例可在构建单元20的BJ部分46中缺少单独的固化发射源81，有利地降低构建单元20的复杂性和成本。
图3示出AM系统10的构建单元20的另一实施例的自上而下视图。图3中示出的构建单元20包括重涂覆器部分42、BJ部分46以及DLM/DLS部分54，它们都联接于构建单元20的附接板110。重涂覆器部分42包括重涂覆器臂112、促动元件114A,114B和114C，以及闸板116A,116B和116C。重涂覆器部分42还包括具有背板58和前板60的料斗56。对于示出的实施例，料斗56分成包含三种不同粉末118A,118B和118C的三个单独的隔室，如以下论述的。
构建单元20的示出的实施例的BJ部分46包括多个打印头部78，其包括打印头部78A,78B和78C。如以上论述的，打印头部78流体地联接于至少一个粘合剂储存器80(未示出)。在某些实施例中，打印头部78A,78B,78C中的至少一个可联接于不同的粘合剂储存器，并且可响应于来自控制器12的信号接收不同的粘合剂并将该不同的粘合剂(相对于其它打印头部78)选择性地沉积到工作表面76上。如以上论述的，打印头部78设置成邻近于固化发射源81，其被激活，以辐射工作表面76的一部分，以固化由打印头部78沉积的粘合剂并且在构建制件22时制作至少动态构建壳层24。
构建单元20的示出的实施例的DLM/DLS部分54包括辐射发射引导装置90和气流装置94。如所论述的，气流装置94实现低氧大气120(例如，惰性大气、真空)，以启用DLM/DLS。示出的气流装置94具有气体出口部分122A和气体入口部分122B，使得在气流装置94内的气流区域96中存在层流气流。导管124A和124B将气体供给出入示出的气流装置94。
图4显示AM系统10的构建单元20的实施例的重涂覆器部分42(在其制作围绕被形成的制件22的动态构建壳层24的固持壁52时)的自上而下视图。更具体而言，按照本技术的实施例，重涂覆器部分42构造用于选择性重涂覆。对于示出的实施例，重涂覆器部分42具有料斗56，其仅具有包含粉末44的单个隔室。示出的重涂覆器部分42的三个闸板64A,64B和64C按照来自通信耦合控制器12的控制信号由三个促动元件62A,62B和62C控制。当重涂覆器部分42在位于动态构建壳层24的固持壁52内的区域(诸如在区域130中)之上经过时，对应的闸板64C可保持开启，以将粉末44沉积在区域130中。当重涂覆器部分42在位于固持壁52的外部的区域(诸如区域132)之上经过时，对应的闸板64C由其对应的促动元件62C闭合，以避免在动态构建壳层24的外部沉积粉末44，在动态构建壳层24的外部沉积粉末44可潜在地浪费粉末44。因此，在动态构建壳层24的内部，重涂覆器部分42选择性地沉积离散的粉末44的线，如由要素134所指示的。如所论述的，重涂覆器叶片66或反向旋转的重涂覆器辊使沉积的粉末平滑。
选择性重涂覆器部分42有利地实现粉末沉积使用粉末沉积装置(例如，料斗)的精确控制，该粉末沉积装置具有可独立控制的粉末闸，如例如在图3和图4中示出的。粉末闸由至少一个促动元件控制，其可例如为双向阀或弹簧(例如，图2中的元件62)。各个粉末闸可以以特定模式开启和闭合达特定的时间段，以精细地控制粉末沉积的地点和数量，如图3中示出的。料斗可包含分隔壁，使得其包括多个室，各个室对应于粉末闸，并且各个室包含特定的粉末材料，如图3中示出的。在某些实施例中，单独的室中的粉末44可为相同的，或者可为不同的。有利地，各个粉末闸可制成相对小的，使得对粉末沉积的控制为适当精细的。各个粉末闸具有可为例如不大于大约2英寸，或不大于大约1/4英寸的宽度。大体上，粉末闸越小，粉末沉积分辨率就越大。在某些实施例中，所有粉末闸的宽度的和可小于制件的最大宽度。有利地，在某些实施例中，粉末闸可为简单的开/关粉末闸机构，其可不太容易出故障。此类开/关粉末闸机构还有利地容许粉末44与较少的零件接触，这减少污染的可能性。有利地，公开的重涂覆器可用于构建大得多的制件。
例如，重涂覆器部分42的最大xy截面区域可小于制件22的最小截面区域，并且相对于重涂覆器部分的大小不存在制件的大小的特定上限。同样，重涂覆器叶片66的宽度可小于制件22的最小宽度，并且相对于重涂覆器叶片66不存在制件22的宽度的特定上限。在粉末44沉积之后，重涂覆器叶片66可在粉末44之上经过，以创建具有特定厚度(例如大约50微米，或大约30微米，或大约20微米)的基本上均匀的粉末层。在某些实施例中，特定粉末层的厚度可与用于形成层的粉末颗粒44(例如，单层粉末44)的平均直径基本上相同。
在某些实施例中，重涂覆器部分42可由控制器12基于力反馈控制来操作。在某些实施例中，重涂覆器部分42的传感器可检测施加于重涂覆器叶片66的力。在制造过程期间，在重涂覆器叶片66上的预期力基本上不与检测到的力匹配时，则控制器12可修改粉末闸的操作，以补偿差异。例如，如果相对较厚的粉末层待提供并且重涂覆器叶片66经历相对小的力，则控制器12可确定粉末闸被堵塞并且以比正常速率低的速率分配粉末。在这些情形下，控制器12可开启粉末闸达更长的时间段，以沉积足够的粉末。另一方面，如果控制器12确定重涂覆器叶片66在提供的粉末层相对薄时经历相对高的力，则控制器12可确定粉末闸没有被正确地闭合。在这些情形下，可有利的是，暂停构建周期，使得AM系统10可被诊断和修复，使得构建可继续，而不包括制件22的质量。在某些实施例中，控制器12可通信耦合于摄像机，以用于监控粉末层厚度。基于粉末层厚度，控制器12可控制粉末闸的操作，以添加更多或更少的粉末。
此外，构建单元20的某些实施例包括DLM/DLS部分54并且具有受控的低氧构建环境，其具有两个或更多个气体区域，以促进低氧环境来促进DLM/DLS过程。例如，如图2中示出的，第一气体区域96直接定位在工作表面76上方。第二气体区域100定位在第一气体区域96上方，并且通过外壳98与较大的构建环境隔离。在图2中示出的实施例中，第一气流区域96本质上为气流装置94的内部体积(例如，由入口部分(95A)和出口部分(95B)的竖直(xz平面)表面，且通过将假想表面从入口部分的相应上边缘和下边缘延伸至xy平面中的出口部分的上边缘和下边缘限定的体积)。在辐射发射引导装置90引导光束88时，则气流装置94可提供横跨第一气体区域96的基本上层流气流。这促进由激光熔化引起的流出羽流的移除。因此，在粉末层被辐射时，烟雾、冷凝物以及其它杂质流动到第一气流区域中，并且远离粉末和由层流气流形成的制件转移。烟雾、冷凝物以及其它杂质流动到低压气体出口部分中，并且最终被收集在过滤器(诸如HEPA过滤器)中。通过维持层流，可有效地移除上述的烟雾、冷凝物以及其它杂质，同时还快速冷却由激光创建的(多个)熔池，而不干扰粉末层，从而导致具有改进的冶金特性的更高质量的零件。在某些实施例中，第一气流区域中的气流为大约3米/秒，并且气体可沿x或y方向流动。
在构建单元20的DLM/DLS部分54内，在某些实施例中，第二气体区域100的氧含量可大体上近似等于第一气体区域96的氧含量。气体区域96和气体区域100两者的氧含量是相对低的。例如，气体区域96和/或100的氧含量可为1％或更低，或者为0.5％或更低，或者为0.1％或更低。无氧气体可为用于过程的任何合适的气体。例如，通过分离环境空气获得的氮气可对于一些应用为方便的选择。一些应用可使用其它气体，包括惰性气体，诸如氦气、氖气或氩气。本途径的优点在于，在第一气体区域96和第二气体区域100的相对小体积中维持低氧环境要容易得多。在现有技术的系统和方法中，围绕整个设备和制件的较大环境将严格控制，以具有相对低的氧含量，例如1％或更低，这可为耗时的、昂贵的且技术上困难的。因此，对于所公开的构建单元20，第一气体区域96和第二气体区域100可在体积方面为构建环境的例如1/100。例如，第一气体区域96(以及同样地，气流装置94)可具有最大xy截面区域，其小于制件22的最小截面区域。相对于第一气体区域96和/或气流装置94不存在制件22的大小的特定上限。有利地，辐射发射光束88发射穿过第一气体区域96和第二气体区域100，它们为相对低氧区域。在第一气体区域96为具有基本上层流气流的层流气流区域时，辐射发射光束88可拥有至制件22的更清晰的视线，这是由于烟雾、冷凝物以及其它污染物或杂质的上述高效移除。
本技术的一个优点在于，在一些实施例中，AM系统10的构建板105可为竖直固定的(例如，在z方向上)。这容许构建板105按需要支承尽可能多的材料，这与现有技术的方法和系统不同，该现有技术的方法和系统典型地含有一些机构来升高和降低构建板，因此限制可使用的材料的量。因此，本技术的设备特别适合于在大的(例如，大于1m3)构建动态壳层24内制造制件22。例如，动态构建壳层可具有大于500mm2，或大于750mm2，或大于1m2的最小xy截面区域。动态构建壳层24的大小不特别限制。例如，动态构建壳层24可具有大至100 m2的截面区域。同样，形成的制件22可具有不小于大约500mm2，或不小于大约750mm2，或不小于大约1m2的最大xy截面区域。不存在制件22的大小的特定上限。例如，制件22的最小xy截面区域可大至100m2。因为动态构建壳层24将未熔合粉末44绕着制件22固持，所以其大体上最小化用于特定构建的未熔合粉末的量，这对于大的构建而言特别有利。当在动态构建壳层24内构建大的制件22时，可有利的是，使用与制件所使用的不同的构建单元或甚至完全不同的构建方法来构建壳层。如所论述的，所公开的动态构建壳层24经由BJ制作，这在回收和再循环用于制作构建壳层的粉末以及防止粉末落到动态构建壳层24的外部的方面实现特定优点，如以下论述的。
图5为按照本技术的使用BJ过程制作的动态构建壳层24的实施例的截面图。动态构建壳层24包括大量固持壁52，其在沉积的粉末层142的外边缘或周边140附近使用构建单元20的上述BJ部分46形成。如此，动态构建壳层24限定构建区域28的外边缘，并且包含固持壁52内的沉积的粉末层142，该沉积的粉末层142待由构建单元20的DLM/DLS部分54选择性地熔化或烧结，使用由构建单元20的BJ部分46沉积的粘合剂选择性地粘合，或者它们的组合。
如图5中示出的，在构建单元20的重涂覆器部分42在构建区域28的周边140附近沉积粉末时，粉末的一部分可从固持壁的顶部滑落或溢出，并且开始在固持壁52的底部附近积聚在动态构建壳层24的外部。由于位于动态构建壳层24的外部的溢出的粉末144不可用于BJ或DLM/DLS，故溢出的粉末140降低构建过程的效率。然而，目前认识到，通过使用BJ过程来制作固持壁，构建单元20和AM系统10的本实施例可引人注目地减少或消除溢出的粉末144免于在动态构建壳层24的外部收集。
例如，图6A,6B,6C和6D示出用于以如下方式制作动态的粘合剂喷射的构建壳层24的过程的实施例的步骤：在制件(未示出)在构建壳层24的内部被制造的同时显著地减少粉末免于溢出构建壳层24。在图6A-D中示出的AM系统10的构建单元20的实施例包括重涂覆器部分42，其设置成邻近于构建单元20的BJ部分46。如图6A中示出的，在构建单元20在构建区域28之上移动时(如箭头150指示的)，重涂覆器部分42在构建板105之上沉积粉末44的层，并且沉积的粉末44的层由重涂覆器叶片66弄平滑，以在构建区域28中产生工作表面76。
转到图6B，在构建单元20继续在构建区域38之上移动时，构建单元20的BJ部分46的打印头部78变得与由图6A中的沉积的粉末44的层形成的工作表面76的周边140对准。一旦对准，打印头部78就选择性地启动，以将粘合剂48沉积到工作表面76的周边140上。为了降低制作成本，在某些实施例中，沉积到工作表面76的周边140中的粘合剂48可为与用于在动态构建壳层24内形成制件的部分的粘合剂不同的粘合剂(例如，更便宜的粘合剂、不太干净的燃烧粘合剂)。此外，可选择性地启动打印头部78，以用过量的粘合剂48使工作表面76的周边140过饱和，使得沉积的粘合剂48的一部分保留在粉末44的层的周边140的表面处，并且不完全吸收或渗透到工作表面76中。转到图6C，在构建单元20继续在构建区域38之上移动时，固化发射源81变得与工作表面76的周边140对准，并且用光83辐射表面，以至少部分地固化沉积的粘合剂，以形成围绕被制作的制件的动态构建壳层24的固持壁52的一部分。
转到图6D，一旦构建单元20相对于基板105增加竖直高度，重涂覆器部分42就沉积粉末44的另一层，以形成新的工作表面76。然而，由于打印头部78使下置的层过饱和(如图6B中示出的)，故先前沉积的粘合剂48的一部分在工作表面76的周边140处渗出穿过新的粉末44的层，如由图6D中的箭头154指示的。渗出到新沉积的粉末44的层的周边140中的粘合剂44有助于维持新工作表面76的位置，并且减少(例如，阻挡或防止)沉积的粉末免于溢出固持壁52的顶部。如此，通过使用BJ来使工作表面76的周边140过饱和，更大量的粉末可被固持在动态构建壳层24的内部，减少粉末浪费并且提高AM系统10的效率。
有利地，由于构建壳层24的固持壁52围绕制件22动态地建立，故构建壳层24的形状可遵循制件22的形状。动态构建壳层24可有利地靠近制件，这减小动态构建壳层24的大小(例如，总体积)。此外，认识到，较小的支承结构大体上更稳定并且具有更大的结构完整性，从而导致具有更少故障的更强健的过程。例如，在一个实施例中，两个动态构建壳层24可彼此同心地构建，以制作例如圆形、椭圆形以及多边形形状的制件。此外，通过使用BJ来动态地形成动态构建壳层24，支承结构(例如，扶壁)可按需要有利地构建在固持壁52上，以支承被制作的制件的悬垂部和其它向外构建的特征。因此，本途径实现动态构成的构建壳层24和制件22的制作，它们将在使用常规技术的情况下为不可能的或不切实际的。
图7A,7B和7C示出按照本技术的用于使用BJ或DLM/DLS制作制件，同时使用BJ过程制作围绕制件的动态构建壳层的过程的步骤。更具体而言，图7A-C示出根据本技术的实施例的在竖直固定的构建板105上在动态构建壳层24内由粉末44竖直向上构建的制件22。对于这些图，制件22使用构建单元20构建在竖直固定的构建板105上。如所提及的，制件22的部分可熔化或烧结在一起(例如，使用图2中示出的构建单元20的DLM/DLS部分54)，化学地粘合在一起(例如，使用图2中示出的构建单元20的BJ部分46)，或者它们的组合，而动态构建壳层24的固持壁52化学地粘合在一起(例如，使用图2中示出的构建单元20的BJ部分46)。由于构建单元20可以能够在动态构建壳层24内选择性地分配粉末44，故未熔合的沉积粉末44大体上完全在动态构建壳层24内，或者至少相当一部分未熔合的沉积粉末44停留在动态构建壳层24内。如图7B和图7C中示出的，构建单元20可逐渐远离制件24移动，以更容易地接近制件24。构建单元20的移动性可由例如以上论述的定位系统18实现。
本技术的技术效果包括实现AM系统的制造，该AM系统利用BJ来实现大型(诸如在大小上为1m3，或更大)制件的制作。所公开的AM系统通过使用BJ来在制件被打印时至少制作限定围绕该制件的动态构建壳层的固持壁，来实现较大制件的制作。制件通过经由DLM/DLS过程选择性地熔化粉末的部分，或经由BJ过程选择性地粘合粉末的部分或者它们的组合来在动态构建壳层内制作。此外，本实施例实现足够量粘合剂的沉积，以使沉积的粉末层的周边过饱和，使得随后沉积的粉末至少部分地粘附于先前沉积的粘合剂，这显著地减少粉末溢出到动态构建壳层的外部。此外，一旦完成制件的制作，动态构建壳层的固持壁就可遭受脱脂热处理，以移除粘合剂，并且释放粉末，以用于在随后的AM操作中再循环。如此，所公开的AM系统实现更高的效率、减少的浪费，以及更大的自由度，以利用特定的AM过程来构成制件的不同部分。
该书面描述使用实例来公开本技术(包括最佳模式)，并且还使本领域技术人员能够实践所公开的技术(包括制造和使用任何装置或系统并且执行任何并入的方法)。本公开的可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这些其它实例具有不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果这些其它实例包括与权利要求的字面语言无显著差别的等同结构元件，则这些其它实例意图在权利要求的范围内。

Claims (25)

1.一种用于制作制件的增材制造系统，包括：
构建单元；以及
定位系统，其可操作地联接于所述构建单元，其中所述定位系统构造成在至少三个维度上移动所述构建单元，并且其中所述构建单元包括：
重涂覆器部分，其构造成在所述增材制造系统的构建区域内沉积粉末层；以及
粘合剂喷射部分，其构造成在沉积的粉末层的周边内选择性地沉积和固化粘合剂，以在所述构建区域中形成围绕正被制作的所述制件的动态构建壳层，其中所述动态构建壳层的形状遵循所述制件的形状且所述动态构建壳层靠近所述制件。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述粘合剂喷射部分构造成在所述动态构建壳层的内部在所述沉积的粉末层的一部分内选择性地沉积和固化所述粘合剂，以在所述构建区域中形成正被制作的所述制件的至少一部分。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述构建单元的所述粘合剂喷射部分包括：
粘合剂储存器，其构造成储存粘合剂；以及
打印头部，其与粘合剂储存器流体地联接，其中所述打印头部构造成从所述粘合剂储存器接收粘合剂，并且构造成将所述粘合剂选择性地沉积在所述沉积的粉末层的所述周边内。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述构建单元的所述粘合剂喷射部分包括：
固化发射源，其构造成在所述粘合剂沉积之后辐射沉积层的所述周边，以固化所述沉积的粉末层的所述周边内的所述粘合剂。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述构建单元的所述重涂覆器部分包括粉末分配器和重涂覆器叶片或重涂覆器辊。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述重涂覆器部分包括多个粉末分配器。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述构建单元包括直接激光熔化或直接激光烧结部分，该激光熔化或直接激光烧结部分包括：
辐射发射引导装置，其构造成选择性地引导激光束或电子束以熔化或烧结所述沉积的粉末层的一部分，以形成正被制作的所述制件的一部分；以及
气流装置，其构造成在熔化或烧结期间围绕所述沉积的粉末层的中心部分提供减少氧气的氛围。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述气流装置构造成在熔化或烧结期间在所述沉积的粉末层的所述一部分之上提供气流或真空。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，包括使用第二构建单元，其中所述第二构建单元包括直接激光熔化或直接激光烧结部分，该直接激光熔化或直接激光烧结部分包括：
辐射发射引导装置，其构造成选择性地引导激光束或电子束以熔化或烧结所述沉积的粉末层的一部分，以形成正被制作的所述制件的一部分；以及
气流装置，其构造成在熔化或烧结期间围绕所述沉积的粉末层的所述一部分提供减少氧气的氛围。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述三个维度为x、y和z坐标，并且其中所述构建单元能够在x-y平面中旋转。
11.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述定位系统构造成使所述构建单元在为所述重涂覆器叶片的宽度的立方的至少十倍的体积内移动。
12.一种用于制件的增材制造的方法，包括：
经由定位系统使构建单元横跨构建区域移动；
在使所述构建单元横跨所述构建区域移动的同时，经由所述构建单元的重涂覆器部分使粉末层沉积；
在使所述构建单元横跨所述构建区域移动的同时，经由所述构建单元的粘合剂喷射部分使粘合剂选择性地沉积到所述粉末层的周边上，其中所述粘合剂随后被固化，以在所述粉末层的所述周边形成动态构建壳层的一部分，其中所述动态构建壳层的形状遵循所述制件的形状且所述动态构建壳层靠近所述制件；以及
在使所述构建单元横跨所述构建区域移动的同时，熔合或粘合所述粉末层的一部分，以在所述动态构建壳层的内部形成制件的熔合层或粘合层。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，选择性地沉积所述粘合剂包括用过量的粘合剂使所述粉末层的所述周边过饱和，使得随后沉积的粉末层的周边由所述过量的粘合剂阻止溢出到所述动态构建壳层的外部。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，包括使用发射源来辐射选择性沉积的粘合剂，以固化所述粘合剂并且形成所述动态构建壳层。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述发射源为所述构建单元的所述粘合剂喷射部分的红外(IR)、可见或紫外(UV)发射源。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述发射源为所述构建单元的直接激光熔化或直接激光烧结部分的激光或电子束。
17.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，熔合或粘合包括通过经由所述构建单元的直接激光熔化或直接激光烧结部分使用激光或电子束辐射所述粉末层的所述一部分来熔合，该激光或电子束将所述粉末层的所述一部分在所述动态构建壳层的内部熔化或烧结成所述制件的所述熔合层。
18.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，熔合或粘合包括通过经由所述构建单元的所述粘合剂喷射部分在所述粉末层的所述一部分内沉积和固化第二粘合剂来粘合，以在所述动态构建壳层的内部形成所述制件的所述粘合层。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述粘合剂不同于所述第二粘合剂。
20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，包括加热所述制件，以从所述粉末层的所述一部分内移除所述第二粘合剂，并且以将所述粉末层的所述一部分烧结成固结制件。
21.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，包括：
经由所述定位系统使所述构建单元在熔合或粘合所述粉末层之后沿基本上垂直于工作表面的方向向上移动；
经由所述定位系统使所述构建单元横跨所述构建区域移动；
在使所述构建单元横跨所述构建区域移动的同时，经由所述构建单元的重涂覆器部分使粉末的第二层沉积；
在使所述构建单元横跨所述构建区域移动的同时，经由所述构建单元的所述粘合剂喷射部分使所述粘合剂选择性地沉积到所述粉末的第二层的周边上，其中所述粘合剂随后被固化，以在所述粉末的第二层的所述周边形成所述动态构建壳层的第二部分；以及
在使所述构建单元横跨所述构建区域移动的同时，熔合或粘合所述粉末的第二层的一部分，以在所述动态构建壳层的内部形成所述制件的第二熔合层或粘合层。
22.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，使所述构建单元横跨所述构建区域移动包括在x-y平面中移动和旋转所述构建单元。
23.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，包括从所述动态构建壳层移除所述制件，并且使所述动态构建壳层脱脂，以从所述动态构建壳层回收粉末。
24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，包括在随后的增材制造过程中使所回收的粉末再循环。
25.一种用于制作制件的增材制造系统的构建单元，包括：
重涂覆器部分，其构造成在所述增材制造系统的构建区域内沉积粉末层；
粘合剂喷射部分，其构造成在沉积的粉末层的周边内选择性地沉积和固化粘合剂，以在所述构建区域中形成围绕正被制作的所述制件的动态构建壳层，其中所述动态构建壳层的形状遵循所述制件的形状且所述动态构建壳层靠近所述制件；以及
直接激光熔化或直接激光烧结部分，其构造成选择性地熔合所述沉积的粉末层的一部分，以在所述动态构建壳层的内部形成所述制件的熔合层。
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