CN110139723A - 双壳增材制造机器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及增材制造机器(10)，该增材制造机器包括制造室(12)，制造室是由至少一个工作平面(20)、前壁(22)、后壁(24)、左侧壁(26)、右侧壁和上壁(30)形成，这些壁的至少一个支撑能量源或热源(14)，该增材制造机器(10)包括内壳(32)，该内壳(32)位于制造室(12)的内部，在该室的支撑能量源或热源(14)的每个壁的前面，并且与这些壁具有非零距离，从而用于气体流动(F)的循环空间(V)；并且该增材制造机器(10)包括连接到循环空间(V)的气体流动(F)的产生装置(52)。

Description

双壳增材制造机器

技术领域

本发明属于粉末基增材制造领域，通过使用能量源或热源(例如激光束、电子束或二极管)熔化该粉末的颗粒来进行粉末基增材制造领域。

更具体地，本发明旨在允许制造更好质量的部件。

背景技术

使用熔化来制造部件会在制造的部件中产生残余应力，这可能导致制造的部件中的缺陷或甚至制造的部件的某些部分的破损。

当制造的部件有缺陷时，它们会被报废并对制造商造成损失。此外，必须生产新的部件以满足订购这些部件的客户的需求。

另一方面，当制造的部件的一部分在残余应力的作用下断裂时，不再能够继续制造它。具体地，由于通常受损的是固定到增材制造板的部件的基部，所以部件不再固定地保持在机器的制造框架中。

此外，在通过沉积粉末床进行增材制造的情况下，不再固定到增材制造板上的缺陷部件可能移动，并且损坏用于将粉末分布在工作区域上的装置的刮刀或辊子。

由于在固定到增材制造板的部件的基部以及正在制造的部件的横截面之间存在大的温度梯度时，会产生显著的残余应力，因此已知的做法是使用加热或被其它装置加热的制造板，用以降低固定到增材制造板的部件的基部以及正在制造的部件的横截面之间的温度梯度。

虽然使用加热或被加热的板能够控制残余应力的发生，但是它仍然具有缺点。

具体地说，板的热量传递给制造的部件，但也传递给围绕它们的未固结的粉末。因此，大量的热量从增材制造机器的制造室内的工作表面辐射。

此外，这种辐射热加热了围绕制造室的增材制造机器的所有部件。值得注意的是，这种辐射热可能会加热机器框架的某些部分，所述部分支撑着用于熔化粉末颗粒的能量源或热源，以及用于在粉末床上引导和移动这个/这些能量源或热源的装置。在加热时，机器框架的这些部分变形并导致能量源或热源移动，降低了制造精度并因此降低了制造的部件的质量。

而且，框架的这种变形也会引起密封问题，从而导致粉末或惰性气体的危险泄漏。具体而言，增材制造粉末可能含有有毒的化学化合物或金属。此外，由于增材制造机器的制造室填充有惰性气体，以避免某些增材制造粉末的氧化以及与这些可氧化粉末的一些的氧化相关的爆炸风险，因此如果发生泄漏，惰性气体在机器周围膨胀，安装机器的车间内的操作员可能会缺氧。

最后，从工作区辐射的热量也会导致增材制造室内的温度升高，这会导致粉末结晶，这会损害粉末床的质量，由此降低制造的部件的质量。

发明内容

因此，本发明的目的是保护机器的框架的部分(所述部分支撑用于熔化粉末颗粒的能量源或热源以及用于在粉末床上引导和移动这个/这些能量源或热源的装置)免受从工作表面辐射的热量，特别是当工作表面位于加热或被其它装置加热的板上方时。

为此目的，本发明的主题是一种增材制造机器，该增材制造机器包括制造室，在该制造室内使用至少一个热源或能量源将增材制造粉末熔化在工作表面上，制造室是由至少一个工作平面、前壁、后壁、左侧壁、右侧壁和上壁形成，这些壁的至少一个支撑用于熔化增材制造粉末的能量源或热源。

根据本发明，该增材制造机器包括内壳，该内壳位于制造室的内部，在支撑能量源或热源的每个壁的前面，并且与支撑能量源或热源的每个壁具有非零距离，从而在内壳与前面放置有该内壳的该室的每个壁之间产生用于气体流动的循环空间；并且该增材制造机器包括连接到循环空间的气体流动的产生装置。

得益于内壳以及冷却内壳的气体流动，支撑能量源或热源的每个壁受到较少的从工作表面辐射的热量，因此变形可能降低。因此，可以精确地制造部件，并且避免了由于制造室的密封问题导致的任何粉末泄漏。

有利地，通过在内壳和制造室的壁之间循环，空气流也可以调节制造室中的温度并避免粉末在工作表面上结晶。

附图说明

本发明的其它特征和优点将通过以下的描述变得显而易见。作为非限制性示例给出的该描述参考附图，其中：

-图1为根据本发明的增材制造机器的示意图；

-图2为根据本发明的增材制造机器的横截面图；

-图3为根据本发明的增材制造机器的纵向截面图。

具体实施方式

本发明涉及一种增材制造机器10，其优选使用沉积粉末床的增材制造方法。具体地，采用这种制造方法，大量的未固结粉末围绕制造的部件，因此当制造板被加热或加热时，大量的热量从该粉末辐射。

根据本发明的机器可以与金属类型或者基于例如陶瓷的非金属类型的增材制造粉末一起使用。

为了实施增材制造方法，增材制造机器10包括制造室12，在制造室12内使用至少一个热源或能量源14来熔化工作表面16上的增材制造粉末。热源或能量源14可以是激光束、电子束和/或二极管。优选地，该制造室12在制造循环期间以密封方式封闭，并且填充有惰性气体，例如氮气或氩气，以避免粉末颗粒的氧化。

该制造室12由框架18支撑，并且由至少一个工作平面20、前壁22、后壁24、左侧壁26、右侧壁28和上壁30形成。优选地，这些壁以密封方式连接在一起。为了能够进入制造室12的内部以进行维护或清洁操作，左侧侧壁26和右侧侧壁28可以采用能够以密封方式封闭的门的形式。并行地，并且为了允许操作者看到和进入制造室12的内部以便例如回收制造的部件，前壁22包括由门46封闭的开口44，门46优选地是透明的，该前壁22配备有储物箱48。

在涉及沉积粉末床的制造方法的情况下，工作表面16采用板34的形式，其上散布有多层粉末。为此，机器10包括致动器42，例如汽缸，用于在制造套筒35内升高和降低板34，制造套筒35固定到机器10的框架18并且通向工作平面20。此外，机器10还包括至少一个粉末供给装置36，例如具有滑块、粉末散布装置38(例如具有辊子或刮刀)以及移动装置40(例如具有滑轮和皮带)，用于使该散布装置38在由板34形成的工作表面16上方移动。优选地，粉末供给装置36设置在板34的每一侧上，并且因此沿着机器的长度L10设置在工作表面16的每一侧上。

为了限制制造的部件中残余应力的发生，将板34加热到例如500℃的温度。为此，板34包括发热装置，例如电阻器、加热棒或电感器，或者机器10包括加热装置50，加热装置50产生热量并将其(例如通过传导)传递到增材制造板，加热装置50与制造板34连结(accolé)，并且例如固定在该板下面。

为了保护制造室12的至少一个壁(其支撑用于熔化增材制造粉末的能量源或热源)免受从工作表面16辐射的热，根据本发明的增材制造机器包括内壳32。

更具体地说，该内壳32位于制造室12的内部，在该室的支撑能量源或热源14的每个壁的前面，并且与该室的支撑能量源或热源14的每个壁有非零距离。因此，该内壳32使得可以在内壳32与前面放置有内壳的每个壁之间产生用于气体流动的循环空间V。

与该循环空间V相关联，机器10包括用于连接到循环空间V的气体流动F的产生装置52。通过引入循环空间V并流过该空间V，气体流动F能够冷却内壳32。

优选地，用于产生流动F的气体与用于使制造室12变为惰性的气体相同，例如氩气或氮气。

为了免受从工作表面16辐射的热量，用于使粉末散布装置38移动的装置40本身也放置在内壳32的后面位于气体流动F的循环空间V中。

制造室12的左侧壁26和右侧壁28可以采用门的形式，并且能量源或热源14优选地由后壁24、前壁22和上壁30支撑。而且，为了保护这三个壁免受辐射热的影响，内壳32采用在左侧壁26与右侧壁28之间延伸的通道的形式，距离后壁有非零距离D24，距离前壁有非零距离D22，并且距离上壁有非零距离D30。

更具体地，在图2和3所示的机器10中，制造室12的上壁30保持能量源或热源14，以及用于使能量束或热量束在工作表面16中移动的装置。因此，内壳32包括设置在能量源或热源14前面的上开口54。该上开口54允许用于熔化粉末颗粒的能量束和/或热量束通过。

类似地，由于室12的前壁22包括由门46关闭的主开口44，因此内壳32包括与制造室的前壁中的主开口44相对设置的前开口56。

在优选实施例中，内壳32包括后内壁58，上内壁60和前内壁62，它们连接在一起以形成通道，后内壁58在制造室12内部位于制造室的后壁24前面，上内壁60在制造室内部位于制造室的上壁30前面且因此在其下方，而前内壁62在制造室内部位于制造室的前壁22前面。

在该优选实施例中，前内壁62包括与制造室的前壁中的主开口44相对设置的前开口56，并且上内壁60包括用于能量束和/或热量束通过的上开口54。

仍然在该优选实施例中，用于使粉末散布装置38移动的装置40包括用于驱动和引导散布装置38平移的前装置64和后装置66，前驱动和引导装置64位于容纳仓68中，容纳仓68位于内壳的前内壁62与制造室的前壁22之间，后驱动和引导装置66位于容纳仓70中，容纳仓70位于内壳的后内壁58与制造室的后壁24之间。随着散布装置38在位于工作平面20延伸处(située dans le prolongement du plan de travail 20)的工作表面16上移动，容纳仓68和70位于制造室12的下部并且因此位于室和内壳的壁的下部。根据本发明，这些容纳仓68和70属于气体流动F的循环空间V。

由于存在制造室的前壁中的主开口44以及内壳的前内壁62中的前开口56，因此隔板72将制造室的前壁中的主开口44连接到前内壁62中的前开口56。因此，循环空间V在该隔板72附近在制造室的前壁与内壳的前内壁62之间延伸。为了允许气体流动F进入制造室12，该隔板72包括在这些开口44、56附近设置的各种孔74。

由于存在内壳的上内壁60中的上开口54，因此隔板76将上开口54连接到制造室的上壁30。因此，循环空间V在该隔板76附近在制造室的上壁30与内壳的上内壁60之间延伸。

由于存在制造室的前壁中的主开口44以及内壳的前内壁62中的前开口56，并且考虑到制造室12的上壁30保持能量源或热源14而内壳32包括设置在能量源或热源14前面的上开口54，因此本发明优选地设置成将来自产生装置52的气体流动F在制造室12的后壁24与内壳的后内壁58之间引入。为此目的，连接到气体流动F的产生装置52的引入管道78通向制造室12的后壁24。

优选地，具有电气隔间80，即用于容纳各种电缆的电气隔间80，设置在制造室12的后壁24与内壳的后内壁58之间以及保持后驱动和引导装置66的容纳仓70上方，管道78在制造室12的后壁24的上部开口。

在内壳的前内壁62打开时，循环空间V在制造室的后壁24与内壳的后内壁58之间延伸，然后在制造室的上壁30与内壳的上内壁60之间延伸，然后在制造室的前壁22与内壳的前内壁62之间延伸，最后通向内壳32的内部(l'intérieur de la peau intérieure 32)和工作表面16上方，例如通过在隔板72中所设置的孔。

通过这种方式限定的循环空间V使得气体流动F在制造室的后壁24与内壳的后内壁58之间循环，然后在制造室的上壁30与内壳的上内壁60之间延伸，然后在制造室的前壁22与内壳的前内壁62之间延伸，最后到达内壳32的内部和工作表面16上方。

得益于由内壳的内壁限定的循环空间V，气体流动F因此可以有效地保护支撑热源或能量源14的室的三个壁免受热量的影响。

为了排出在工作表面16上方循环并且已经被从该工作表面16辐射的热量C加热的气体流动F，用于气体流动F的抽吸管道82在通向内壳32的内部并且通向工作表面16的上方之前，穿过制造室12的后壁24以及内壳的后内壁58。更具体地，为了更好地抽吸气体流动F，进气管道82以沿着机器10的长度L10延伸的嘴部84的形式通向内壳的后内壁58。

优选地，抽吸管道82穿过电气隔室80。

为了具有封闭的冷却回路，抽吸管道82连接到气体流动F的产生装置52。

由于粉末的熔化产生许多对机器10的正常操作有害的颗粒，因此在抽吸管道82与引入管道78之间，产生装置52优选地包括过滤装置86，再包括用于冷却过滤后的气体的热交换器88，然后包括用于产生冷却的气体流动F(其旨在在制造室12的壁与内壳的内壁之间引入)的通风机90，最后包括用于关闭回路的阀92。

优选地，为了确保适当地填充循环空间V，气体流动F是湍流的。为此目的，气体流动F以5至15m/s的速度以及100至300m³/h的流量引入循环空间V，流动F的速度和流量根据制造室12的体积在上述值之间变化。

与冷却气体流动F的回路并行地，产生装置52还可以包括第二气体流动F'的回路，用于排出在制造期间由熔化导致的烟气。为此目的，管道94经由阀96连接到产生装置52的通风机90。该管道94穿过室12的前壁22的下部以及内壳32的前内壁62的下部，并且以低角度在工作表面16上方(de manière rasante au-dessus de la surface de travail 16)通向内壳32内部。

为了具有封闭的烟气排出回路，另一个管道98连接到产生装置52的过滤器86。该另一个管道98穿过室12的后壁24的下部以及内壳32的后内壁58的下部，并且低掠过工作表面16上方通向内壳32内部。

优选地，用于排出烟气的气体流动F'是层流的。为此目的，流动F'的气体以1至5m/s的速度以及20至100m³/h的流量引入循环空间V，流动F'的速度和流量根据制造室12的体积在上述值之间变化。

Claims (11)

1.增材制造机器(10)，该增材制造机器包括制造室(12)，在该制造室内使用至少一个热源或能量源(14)将增材制造粉末熔化在工作表面(16)上，制造室是由至少一个工作平面(20)、前壁(22)、后壁(24)、左侧壁(26)、右侧壁(28)和上壁(30)形成，这些壁的至少一个支撑用于熔化增材制造粉末的能量源或热源(14)，该增材制造机器(10)的特征在于其包括内壳(32)，该内壳(32)位于制造室(12)的内部，在该室的支撑能量源或热源(14)的每个壁的前面，并且与该室的支撑能量源或热源(14)的每个壁具有非零距离(D1、D2、D3)，从而在内壳(32)与前面设置有该内壳的该室的每个壁之间产生用于气体流动(F)的循环空间(V)；并且该增材制造机器(10)包括连接到循环空间(V)的气体流动(F)的产生装置(52)。

2.根据权利要求1所述的增材制造机器(10)，其中，所述机器包括用于在工作表面(16)上散布粉末的装置(38)以及用于使散布装置在工作表面上方移动的装置(40)，移动装置在气体流动(F)的循环空间(V)中位于内壳(32)的后面。

3.根据权利要求1或2所述的增材制造机器(10)，其中，能量源或热源(14)由室(12)的后壁(24)、前壁(22)和上壁(30)支撑，内壳(32)采用在左侧壁(26)与右侧壁(28)之间延伸的通道的形式，内壳(32)距离后壁具有非零距离(D24)，距离前壁具有非零距离(D22)，并且距离上壁具有非零距离(D30)。

4.根据权利要求3所述的增材制造机器(10)，其中，制造室(12)的上壁(30)保持能量源或热源(14)，内壳(32)包括上开口(54)，上开口(54)设置成在能量源或热源前面。

5.根据权利要求3或4所述的增材制造机器(10)，其中，制造室(12)的前壁(22)包括由门(46)关闭的主开口(44)，内壳(32)包括与制造室的前壁中的开口(44)相对设置的前开口(56)。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的增材制造机器(10)，其中，内壳(32)包括后内壁(58)、上内壁(60)和前内壁(62)，它们连接在一起以形成通道，后内壁(58)在制造室(12)内部位于制造室的后壁(24)前面，上内壁(60)在制造室内部位于制造室的上壁(30)前面而因此在上壁(30)下方，而前内壁(62)在制造室内部位于制造室的前壁(22)前面。

7.根据权利要求6所述的增材制造机器(10)，其中，来自产生装置(52)的气体流动(F)引入制造室(12)的后壁(24)与内壳的后内壁(58)之间。

8.根据权利要求7所述的增材制造机器(10)，其中，内壳的前内壁(62)打开，循环空间(V)在制造室的后壁(24)与内壳的后内壁(58)之间延伸，然后在制造室的上壁(30)与内壳的上内壁(60)之间延伸，然后在制造室的前壁(22)与内壳的前内壁(62)之间延伸，最后通向内壳(32)的内部和工作表面(16)上方。

9.根据权利要求6至8的任一项所述的增材制造机器(10)，其中，用于气体流动(F)的抽吸管道(82)在通向内壳(32)的内部和工作表面(16)上方之前，穿过制造室的后壁(24)以及内壳的后内壁(58)。

10.根据权利要求9所述的增材制造机器(10)，其中，抽吸管道(82)连接到气体流动(F)的产生装置(52)。

11.根据权利要求10所述的增材制造机器(10)，其中，气体流动的产生装置(52)包括热交换器(88)，用于冷却经由抽吸管道(82)抽吸的气体。