CN110337359B - 使用移动式构建空间的增材制造 - Google Patents

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Abstract

本公开大体涉及大尺度形式的增材制造系统及方法。一个方面涉及到一种构建单元，构建单元可以通过定位系统在三个维度上到处移动，构建大型物体的分离部分。构建单元具有将例如激光或电子束照射引导到粉末层上的能量引导设备。在激光照射的情况下，构建空间可以具有气流设备，气流设备向粉末层上面的层流流动区提供层流的气体流。这允许有效去除因照射粉末而产出的烟、冷凝物和其他杂质(“气体羽流”)，而不过多干扰粉末层。构建单元还可以具有重涂覆机，重涂覆机允许其选择性地将特定数量的粉末沉积在工作表面上的具体位置，以构建大型、高质量、高精度物体。

Description

使用移动式构建空间的增材制造
技术领域
本公开大体涉及一种适配成例如通过直接熔化激光制造(“DMLM”)来以较大尺度形式执行增材制造(“AM”)处理的方法及系统。
相关申请的交叉引用
同时参考提交的以下相关申请，其整体以引用的方式并入文中：
美国专利申请号[]，名称为“使用移动式扫描区域的增材制造(AdditiveManufacturing Using a Mobile Scan Area)”，代理案卷号为037216.00060，于2017年1月13日提交。
美国专利申请号[]，名称为“使用动态生长壁的增材制造(AdditiveManufacturing Using a Dynamically Grown Wall)”，代理案卷号为037216.00061，于2017年1月13日提交。
美国专利申请号[]，名称为“使用选择性重涂覆机的增材制造(AdditiveManufacturing Using a Selective Recoater)”，代理案卷号为037216.00062，于2017年1月13日提交。
美国专利申请号[]，名称为“大尺度增材机器(Large Scale AdditiveMachine)”，代理案卷号为037216.00071，于2017年1月13日提交。
背景技术
德国专利号DE19649865中提供了典型的激光粉末床融合处理的描述，专利整体以引用的方式并入文中。与减材制造方法对比，AM处理大体涉及到一个以上材料的堆积，以制作净形或近净形(NNS)物体。尽管“增材制造”是行业标准术语(ASTM F2792)，但是，AM囊括以各种名称已知的各种制造和成型技术，包括自由成形制备、3D打印、快速成型/模具等。AM技术能够由各种材料制备复杂部件。通常，独立物体可以由计算机辅助设计(CAD)模型制备。特定类型的AM处理使用照射发射引导设备，照射发射引导设备引导能量束，例如电子束或激光束，以烧结或熔化粉末材料，生成固态三维物体，其中粉末材料的颗粒结合在一起。使用不同的材料系统，例如工程塑料、热塑性弹性体、金属和陶瓷。激光烧结或熔化是一种值得注意的AM处理，用于快速制造功能原型和工具。应用包括复杂工件的直接制造，用于熔模铸造的型样，用于注塑和压铸的金属模具，以及用于砂铸的模具和型芯。在设计周期期间制造原型物体以增强概念通信和测试是AM处理的其他常见用法。
选择性激光烧结、直接激光烧结、选择性激光熔化和直接激光熔化是常见的行业术语，用以指代通过使用激光束烧结或熔化细粉末来生产三维(3D)物体。例如，通过引用的方式并入文中的美国专利号4,863,538和美国专利号5,460,758描述常规的激光烧结技术。更准确地说，烧结需要在低于粉末材料熔点的温度下融合(聚结)粉末颗粒，而熔化需要使粉末的颗粒充分熔化以形成固态均质物质。与激光烧结或激光熔化关联的物理处理包括向粉末材料热传递然后烧结或者熔化粉末材料。尽管激光烧结和熔化处理可以应用于宽泛范围的粉末材料，但是，生产途径的科学和技术方面(例如烧结或熔化速率以及层制造处理期间处理参数对微观结构演变的影响)还未很好地了解。该制造方法伴随着诸多热、质量和动量传递模式，以及使得该处理非常复杂的化学反应。
图1是示出用于直接金属激光烧结(“DMLS”)或直接金属激光熔化(DMLM)的示范性常规系统100的横截面视图的示意性示图。装置100通过使用由源120产生的能量束136烧结或熔化粉末材料(未示出)以逐层方式构建物体(例如，零件122)，源120例如可以是用于生产激光束的激光器，或者，当电流流过它时发出电子的灯丝。要由能量束熔化的粉末通过贮存器126供应并且使用重涂覆机臂116在方向134上行进而均匀地铺展在粉末床112上，以将粉末维持在水平118并且将在粉末水平118上面延伸的多余粉末材料去除到废物容器128。在照射发射引导设备，诸如振镜扫描器132的控制之下，能量束136烧结或熔化正在构建的物体的横截面层。振镜扫描器132例如可以包含多个可移动反射镜或扫描透镜。扫描激光的速度是至关重要的可控处理参数，其影响激光功率施加到特定斑点多长时间。典型的激光扫描速度在每秒10到100毫米的量级上。降低构建平台114，并且将另一粉末层铺展在粉末床和正在构建的物体上，随后通过激光器120连续熔化/烧结粉末。典型地，粉末层例如是10到100微米。重复该处理，直到零件122完全由熔化/烧结的粉末材料构建起为止。
激光器120可以通过包括处理器和存储器的计算机系统控制。计算机系统可以针对每个层确定扫描图案，并且根据扫描图案控制激光器120照射粉末材料。在完成零件122的制造之后，各种后处理流程可以应用于零件122。后处理流程包括通过例如吹气或抽真空来去除多余粉末。其他后处理流程包括应力释放处理。此外，可以使用热学和化学后处理流程来完成零件122。
图2示出在常规粉末床202中构建的物体201的侧视图，常规粉末床202例如可以是通过图1的元件112图示的粉末床。然后随着构建平台114降低并且构建起连续的粉末层，物体201形成在床202中。粉末床202的壁203限定制作零件所需要的粉末的量。在这类装置中，在构建环境内的粉末的重量是对正在构建的零件的尺寸的一个限制。制作大型零件所需要的粉末的量可能超过构建平台114的限制，或者使之难以通过在正在构建的物体中制作高度均匀的添加层所需要的精密步骤来控制构建平台的降低。
在常规粉末床系统中，诸如图1所示，当构建大到足以占据粉末床118的大部分时，能量束136必须扫描相对大的角度θ1。这是因为随着物体的横截面面积增加，角度θ1必须增加。大体上，当制作这些较大零件时，角度θ1在零件的周边处变大。然后，激光和粉末床之间的接触点处的能量密度随零件而变化。相对于当激光垂向于粉末床时所得到的，能量密度的这些差异以大角度影响熔池。这些熔池差异可能导致正在构建的零件的这些区域中的缺陷和精确性的损失。这些缺陷可能导致期望零件上的表面光洁度较差。
伴随现有技术方法及系统出现的另一问题涉及到冷却粉末状材料层，以及去除通过照射粉末产生的烟、冷凝物及其他杂质(有时称作“气体羽流”)，这可能污染物体并且遮住能量束的视线。快速冷却和凝固层以避免形成变形或其他缺陷也很重要。对于大型物体，即，在xy平面(对于常规粉末床系统，粉末床的平面)中具有400到450mm的最大尺寸的物体，很难提供一致的层流气流以及有效去除不想要的气体、颗粒物、冷凝物及其他不希望的杂质和污染物。
现有技术系统及方法中出现的另一问题是需要精细地控制沉积的粉末的数量和位置，以避免浪费粉末，同时也避免粉末与不希望的材料接触。现有技术方法及系统使用吹气、滑动或螺旋机构沉积粉末。这些机构运用可能发生故障或者可能由于污染问题而不适合与粉末接触的材料制作的诸多移动零件。
例如，Cersten等人的EP 2191922和EP 2202016论述一种粉末施加装置，粉末施加装置使用具有凹部的旋转传送器轴来分配粉末，凹部用于保持分离的、离散量的粉末。这些系统遇到的一个问题是粉末污染和装置失效的风险增加。
克服常规粉末床系统的限制的其他尝试都未能解决与这些机器的尺度扩大关联的问题。在一些情况下，提供大尺寸系统的尝试在由粉末生成激光融合零件时引入额外的问题和挑战。现有系统未能提供均匀的分层粉末分布、对气体羽流的有效管理以及对正在生产的零件上的激光能量密度的良好控制。
例如，在构建区域内移动激光的概念在Herzog等人的美国申请公开号2004/0094728中探索到，本发明人已注意到，该公开未解决粉末如何可以分布到正在构建的零件上。这些技术暗示更传统的激光粉末沉积，其中粉末喷射到激光束中并且熔化到正在构建的物体上。因为没有论述如何在正在构建的零件上实现均匀的层或粉末，所以，这种系统的尺寸准确度非常受限。另外，因为构建环境大，所以，将难以在激光熔池附近实现合适的气体环境。
在另一示例中，其中粉末使用料斗沉积的大尺寸系统的概念在Keremes等人的美国专利申请公开号2013/0101746中探索到。使用材料重涂覆机28，材料30沉积到正在构建的零件40上。运用保持壁42，以允许材料30在零件40制作时构建起。该系统运用放置在构建室顶部附近的静止位置的激光器18。随着零件40尺寸生长，激光束20的角度增加，特别是在零件的周边区块处。此外，因为材料30沉积到零件40上，所以，沉积到零件40上的材料30的厚度难以精密地控制。
McMurtry等人的名称为“增材制造装置和方法(Additive ManufacturingApparatus and Method)”的国际申请号WO 2014/199149(“McMurtry”)论述运用多个多面反射镜与局部气流设备，以在单个维度(即，沿着线条)上构建物体的分离的部分，并且降低构建平台，以提供另一粉末层。对于大型物体，难以构建可以既稳定地保持足够粉末又降低所要求的精密层厚度的平台。
仍然存在对于克服上述问题的大尺寸粉末制造系统的需要。
发明内容
本发明涉及一种增材制造装置。在一个实施例中，该装置包含构建单元、照射发射引导设备和定位系统，构建单元具有粉末分配器和重涂覆机刀片，定位系统适配成在操作期间使构建单元至少在三个维度上移动，三个维度例如可以是x，y和z坐标。构建单元还可以在x-y平面中旋转。有利地，根据本发明的实施例，定位系统可以使构建单元在比重涂覆机刀片的宽度的立方大至少十倍的空间内移动。构建单元还可以使构建单元在xy区域周围移动，xy区域比重涂覆机刀片宽度的平方大至少十倍。照射发射引导设备可以适配成引导激光照射或电子束照射。比如，照射发射引导设备可以是光学反射镜或透镜，或者，它可以是电磁线圈。
构建单元可以进一步在气流设备内包含层流气流区，气流设备适配成在工作表面上提供大致层流的气体流。气流设备还可以适配成在工作表面上提供氧减少的环境。在操作期间，如果气流设备在工作表面上提供气体流，那么照射发射引导设备适配成引导来自激光源的激光照射。激光源可以在构建单元内或者构建单元外侧。如果激光源在构建单元内，比如，在光纤电缆从激光器延伸到构建单元的情况下，光纤电缆将激光器的激光照射输送到(在构建单元内的)照射发射引导设备，那么构建单元可以进一步包含附接到激光源的第二定位系统，第二定位系统适配成使激光源在构建单元内移动，而独立于构建单元的运动。
本发明还涉及一种用于制造物体的方法。在一个实施例中，该方法包含：(a)使构建单元移动，以在第一构建区域的至少第一部分上沉积第一层粉末，构建单元包含粉末分配器和重涂覆机刀片；(b)照射在第一构建区域内的第一层粉末的至少一部分，以形成第一融合层；(c)使构建单元在大致垂直于第一层粉末的方向上向上移动；然后，(d)重复，以形成物体。在步骤(b)之后，但在步骤(c)之前，该方法可以进一步包含至少下述步骤：(a')使构建单元移动，以沉积第二层粉末，第二层粉末抵接第一层粉末；以及，(b')照射第二层粉末的至少一部分，以形成第二融合层。照射可以是激光照射或电子束照射。当存在向工作表面上的层流气流区提供大致层流的气体流的气流设备时，那么照射是激光照射。
本发明还涉及一种包含选择性重涂覆机的增材制造装置。在一个实施例中，该装置包含粉末分配器(如，料斗)，粉末分配器包含粉末储存区域和至少第一门和第二门，第一门能够通过允许打开和闭合第一门的第一致动器操作，第二门能够通过允许打开和闭合第二门的第二致动器操作，并且每个门适配成控制粉末从粉末储存区域到工作表面上的分配。粉末分配器可以具有任何数目的粉末门，比如，至少十个粉末门，或者更优选地，至少二十个门。有利地，粉末分配器和每个门可以由相同材料制成，比如钴铬合金，其也可以是粉末的材料。每个致动器例如可以是电力致动器或是气动致动器。选择性重涂覆机可以是适配成在工作表面上提供粉末层的构建单元的部分。构建单元可以进一步包含照射发射引导设备，照射发射引导设备可以适配成引导激光照射，或者，它可以适配成引导电子束照射。构建单元还可以包含气流设备，气流设备适配成在粉末层上提供大致层流的气体流。
本发明还涉及一种用于使用选择性重涂覆机制造物体的方法。在一个实施例中，该方法包含：(a)将粉末从粉末分配器沉积到工作表面上，粉末分配器包含粉末储存区域和至少第一门和第二门，第一门能够通过允许打开和闭合第一门的第一致动器操作，第二门能够通过允许打开和闭合第二门的第二致动器操作，并且每个门适配成控制粉末从粉末储存区域到工作表面上的分配；(b)照射第一层粉末的至少一部分，以形成第一融合层；以及，(c)重复至少步骤(a)至(b)，以形成物体。每个门可以附接到安装于粉末分配器的弹簧，弹簧抵抗致动器的力。所使用的粉末可以是适合于增材制造的材料，诸如钴铬合金，并且粉末分配器的每个表面以及与粉末接触的门可以由相同材料制成。该方法可以进一步包含打开第一门同时留下第二门闭合以选择性地将粉末沉积到工作表面上的步骤。该方法还可以涉及到，照射第一层粉末的至少一部分，以形成构建封套的一部分，以及，打开第一门以在构建封套内沉积粉末，同时闭合第二门以避免在构建封套外侧沉积粉末。
本发明还涉及一种包含移动式气流设备的增材制造装置。在一个实施例中，该装置包含激光发射引导设备、构建单元、定位系统，构建单元包含气流设备，气流设备适配成向在工作表面的两英寸内的层流气流区提供大致平行于工作表面的大致层流的气体流，定位系统适配成在大致平行于工作表面的至少两个维度上提供构建单元的独立移动，激光发射引导设备适配成在装置操作期间向工作表面上的构建区域引导激光照射。定位系统可以适配成至少在三个维度上提供构建单元的独立移动。定位系统还可以适配成允许构建单元在大致平行于工作表面的两个维度上旋转。气流设备可以适配成维持层流气流区，以在构建单元下面的区域中在工作表面周围提供低氧环境。在层流气流区上面还可以存在氧气减少区。两个气体区均可以容纳在围绕至少构建单元和定位系统的容纳区内。激光发射引导设备可以在构建单元内，并且激光照射可以经由光纤电缆从激光器输送到激光发射引导设备。构建单元可以进一步包含粉末递送单元和重涂覆机臂。
本发明还涉及一种用于使用具有层流流动区的气流设备制造物体的方法。在一个实施例中，该方法包含：(a)使构建单元在工作表面的构建区域上移动，构建单元在构建区域上的层流流动区周围包含气流设备，气流设备在工作表面的两英寸内提供大致平行于工作表面的大致层流的气体流；(b)利用穿过层流流动区的激光照射工作表面的构建区域的至少一部分，以形成第一融合层；以及，(c)重复至少步骤(a)至(b)，以形成物体。该方法可以进一步包含使构建单元竖向上远离工作表面移动的步骤(d)。步骤(a)和(b)可以在步骤(d)之后重复。构建单元可以旋转90°并且在与步骤(a)中的移动方向垂直的方向上移动。
本发明还涉及一种用于使用移动式扫描区域由粉末制作物体的装置。在一个实施例中，该装置包含构建单元和定位系统，构建单元具有粉末递送单元、重涂覆机臂、激光发射引导设备和在层流流动区周围的气流设备，气流设备适配成在工作表面的两英寸内提供大致平行于工作表面的大致层流的气体流，定位系统适配成至少在三个维度上提供构建单元的独立移动。该装置可以进一步包含包围构建单元和定位系统的容纳区。构建单元可以至少部分地被包围，以在工作表面的构建区域上面(即，在射束的路径周围)形成低氧环境。激光发射引导设备可以定位在构建单元内一定高度处，使得当装置在操作时，激光束相对于构建区域内的法线的最大角度小于大约15°。光纤电缆可以从激光器延伸到构建单元，因而将激光照射从激光器输送到激光发射引导设备。激光发射引导设备可以具有激光定位单元，激光定位单元允许激光发射引导设备在构建单元内移动，而独立于构建单元的运动。构建单元可以进一步包含x-y轴线振镜，x-y轴线振镜适配成以在x-y上控制激光束，并且激光定位系统可以适配成使激光发射引导设备在x，y和/或z上移动。定位系统可以适配成允许构建单元在大致平行于工作表面的两个维度上旋转。
本发明还涉及一种用于使用移动式扫描区域制造物体的方法。在一个实施例中，该方法包含：(a)使构建单元移动，以在第一构建区域的至少第一部分上沉积第一层粉末，构建单元包含粉末递送单元、重涂覆机臂、激光发射引导设备和气流设备，气流设备在工作表面的构建区域上的层流流动区周围，气流设备在工作表面的两英寸内提供大致平行于工作表面的大致层流的气体流；(b)照射第一构建区域内的第一层粉末的至少一部分，以形成第一融合层；(c)使构建单元在大致垂直于第一层粉末的方向上向上移动；以及，(d)重复至少步骤(a)至(c)，以形成物体。步骤(a)和(b)可以在步骤(d)之后重复。激光发射引导设备可以定位在构建单元内在构建区域上面一定高度处，以相对于构建区域内的法线提供小于15°的最大角度。
本发明还涉及一种用于使用重涂覆机刀片和动态生长的构建封套来制造物体的方法。在一个实施例中，该方法包含：(a)使重涂覆机刀片移动，以在第一构建区域的至少一部分上形成第一层粉末；(b)在第一构建区域内照射第一层粉末的至少一部分，以形成第一融合层；以及，(c)重复步骤(a)和(b)，以形成物体，其中，构建封套保持绕着物体的未融合粉末并且具有比重涂覆机刀片宽度的立方更大的体积。比如，它可以比重涂覆机刀片宽度的立方大十倍。该方法可以进一步包含步骤：(a')使重涂覆机移动，以在第二构建区域的至少一部分上且邻近第一层粉末形成第二层粉末；以及，(b')照射第二构建区域内的第二层粉末的至少一部分，以形成第二融合层。步骤(a')和(b')可以在步骤(b)之后但在步骤(c)之前执行。该方法可以进一步包含移除构建封套和在封套区域内的未融合粉末以露出物体的步骤(d)。粉末材料可以是钴铬合金。构建封套可以由通过照射融合的粉末形成。例如，构建封套可以通过激光粉末沉积形成。第二层粉末可以与第一层粉末大致均匀。照射可以在氧减少的环境中进行，并且可以是激光照射。照射还可以是电子束照射。该方法可以进一步包含，使用第二构建单元，以构建第二物体的至少一部分。该方法还可以包含，使用第二构建单元，以构建构建封套的至少一部分。
本发明还涉及一种用于使用构建单元和动态生长的构建封套来制造物体的方法。在一个实施例中，该方法包含：(a)使构建单元移动，以在第一构建区域的至少第一部分上沉积第一层粉末，构建单元包含粉末分配器、重涂覆机刀片和引导的能量发射引导设备；(b)照射第一构建区域内的第一层粉末的至少一部分，以形成物体的第一融合层；以及，(c)重复步骤(a)和(b)，以形成物体，其中，构建封套保持未融合粉末。该方法可以进一步包含：(a')使重涂覆机移动，以在第二构建区域的至少一部分上且抵接第一层粉末形成第二层粉末；以及，(b')照射第二构建区域内的第二层粉末的至少一部分，以形成第二融合层。步骤(a')和(b')可以在步骤(b)之后但在步骤(c)之前执行。该方法可以进一步包含移除构建封套和在封套区域内的未融合粉末以露出物体的步骤(d)。粉末材料可以是钴铬合金。构建封套可以由通过照射融合的粉末形成。例如，构建封套可以通过激光粉末沉积形成。第二层粉末可以与第一层粉末大致均匀。照射可以在氧减少的环境中进行，并且可以是激光照射。照射还可以来自电子束。
大体上，可以并行地(即，大致同步地)使用任何数目的构建单元，以全都在相同工作表面上构建一个以上物体和/或构建封套。
附图说明
图1示出用于使用粉末床的DMLM 100的示范性现有技术系统。
图2示出随着物体形成而向下移动的常规粉末床。
图3示出根据本发明实施例的大尺度增材制造装置。
图4示出根据本发明实施例的构建单元的侧视图。
图5示出根据本发明实施例的构建单元分配粉末的侧视图。
图6示出根据本发明实施例的构建单元的俯视图。
图7示出根据本发明实施例的重涂覆机的俯视图。
图8图示根据本发明实施例的具有两个构建单元的大尺度增材制造装置。
图9A至图9C图示根据本发明实施例的构建物体的系统及处理。
图10A至图10D图示根据本发明实施例的构建物体的系统及处理。
图11示出根据本发明实施例通过两个构建单元正在构建物体。
图12示出根据本发明实施例通过单个构建单元正在构建两个物体。
具体实施方式
详细描述和附图展示本发明的一些图示实施例，以帮助了解。本发明不受限于附图中图示的实施例，也不受限于文中描述的特定实施例。
本发明涉及一种可以用于执行增材制造的装置，以及用于运用该装置来增材制造物体的方法。该装置包括使之特别适用于制作大型增材制造物体的部件。本发明的一个方面是构建单元。构建单元可以配置成包括对于制作高精度、大尺度增材制造的物体必要的若干部件。这些部件例如可以包括重涂覆机、具有气流区的气流设备以及照射发射引导设备。本发明实施例中使用的照射发射引导设备例如可以是用于引导激光束的光学控制单元。光学控制单元例如可以包含光学透镜、偏转器、反射镜和/或分束器。有利地，可以使用远心透镜。替代地，照射发射引导设备可以是用于引导电子束的电子控制单元。电子控制单元例如可以包含偏转器线圈、聚焦线圈或相似元件。构建单元可以附接到定位系统(如，龙门架、δ(delta)机器人、缆索机器人、机器人臂、皮带驱动器等)，定位系统以允许在期望的任何方向上涂覆薄粉末层的方式允许在整个构建环境中的三维移动以及构建单元的旋转。
图3示出根据本发明的大尺度增材制造装置300的一个实施例的示例。装置300包含定位系统301、包含照射发射引导设备303的构建单元302、层流气流区307以及正在构建的物体309下方的构建板(在该视图中未示出)。最大构建区域通过定位系统301限定，而非与常规系统一样通过粉末床限定，并且针对特定构建的构建区域可以受限于可以随物体一起动态构建的构建封套308。龙门架301具有使构建单元302在x方向上移动的x横梁304。存在两个z横梁305A和505B，z横梁305B和505B使构建单元302和x横梁304在z方向上移动。x横梁304和构建单元302通过机构306附接，机构506使构建单元302在y方向上移动。在本发明的一个实施例的该图示中，定位系统301是龙门架，但本发明不受限于使用龙门架。大体上，本发明中使用的定位系统可以是任何多维定位系统，诸如δ(delta)机器人、缆索机器人、机器人臂等。照射发射引导设备303可以通过第二定位系统(未示出)在构建单元302的内侧独立地移动。典型地，构建单元外侧的大气环境(即，“构建环境”或“容纳区”)控制成使得氧含量相对于一般的外围空气被减少，从而该环境处于减少的压力下。
还可以存在照射源，在激光源的情况下，照射源发起包含通过照射发射引导设备引导的激光照射的光子。当照射源是激光源时，那么照射发射引导设备例如可以是振镜扫描器，并且激光源可以位于构建环境外侧。在这些情境之下，激光照射可以通过任何合适的手段(例如，光纤电缆)输送到照射发射引导设备。当照射源是电子源时，那么电子源发起包含通过照射发射引导设备引导的电子束的电子。当照射源是电子源时，那么照射发射引导设备例如可以是偏转线圈。当根据本发明实施例的大尺度增材制造装置在操作时，如果照射发射引导设备引导激光束，那么大体有利的是，包括图3，307和图4，404图示的向气流区提供大致层流的气体流的气流设备。如果希望是电子束，那么不提供气流。电子束是众所周知的照射源。例如，Larsson的名称为“生成三维产品的装置和方法(Arrangement andMethod for Producing a Three-Dimensional Product)”(“Larsson”)的美国专利7,713,454论述电子束系统，该专利通过引用的方式并入文中。当光源是电子源时，那么重要的是，在电子束穿过的空间中维持足够的真空。因此，对于电子束，没有气体流动横跨气流区(例如，图3,307处示出的)。
本发明的另一优点是，射束的最大角度可以是相对小的角度θ2，以构建大型零件，因为(如图3中图示的)构建单元302可以移动到一个新的部位，以构建正在形成的物体309的新部分。当构建单元是静止的时，当θ2是0时能量束触碰的粉末上的点限定了在xy平面中的圆圈的中心(当θ2近似是0时射束的方向限定z方向)，并且距能量束触碰粉末的圆圈的中心最远的点限定圆圈的外周上的点。该圆圈限定射束的扫描区域，扫描区域可以小于正在形成的物体的最小横截面面积(在与射束的扫描区域相同的平面中)。物体的尺寸相对于射束的扫描区域不存在特定的上限。
在一些实施例中，所使用的重涂覆机是选择性重涂覆机。一个实施例图示在图4至图7中。
图4示出构建单元400，构建单元400包含照射发射引导设备401、气流设备403和重涂覆机405，气流设备403具有加压出口部分403A和向气流区404提供气体流的真空入口部分403B。在气流区404上面，存在容纳惰性环境419的外壳418。重涂覆机405具有包含背板407和前板408的料斗406。重涂覆机405还具有至少一个致动元件409、至少一个门板410、重涂覆机刀片411、致动器412和重涂覆机臂413。重涂覆机安装到安装板420。图4还示出构建封套414、正在形成的物体415和粉末416，构建封套414可以通过例如增材制造或Mig/Tig焊接来构建，粉末416容纳在料斗405中，用以形成物体415。在该特定实施例中，致动器412激活致动元件409，以拉动门板410远离前板408。在一个实施例中，致动器412例如可以是气动致动器，致动元件409可以是双向阀。在一个实施例中，致动器412例如可以是音圈，致动元件409可以是弹簧。在前板408和背板407之间还存在料斗间隙417，允许当对应的门板通过致动元件被拉动远离粉末门时粉末流动。粉末416、背板407、前板408和门板410可以全都是相同材料。替代地，背板407、前板408和门板410可以全都是相同材料，该材料可以是与粉末材料618相容的一种，诸如钴铬合金。在本发明的一个实施例的该特定图示中，气流区404中的气体流在y方向上流动，但这不是必需的。重涂覆机刀片411在x方向上具有宽度。在该视图中，当θ2近似是0时照射发射射束的方向限定z方向。气流区404中的气体流可以是大致层流的。照射发射引导设备401可以通过第二定位系统(未示出)可独立地移动。该图示示出处于闭合位置的门板410。
图5示出图4的构建单元，具有处于打开位置的门板410(通过元件510示出的)和致动元件509。料斗中的粉末被沉积，以制作新的粉末层521，新的粉末层521通过重涂覆机刀片511变平滑，以制作大致均匀的粉末层522。在本发明的一些实施例中，大致均匀的粉末层可以在构建单元移动的相同时间被照射，这将允许构建单元的持续操作，因而允许物体的更快生产。
图6示出图4的构建单元的俯看视图。为简单起见，这里未示出物体和壁。构建单元600具有照射发射引导设备601、附接到气流设备603的附接板602、料斗606和重涂覆机臂611。气流设备具有气体出口部分603A和气体入口部分603B。在气流设备603内存在气流区604。气流设备603在气流区604内提供层流的气体流。还存在具有重涂覆机臂611的重涂覆机605、致动元件612A，612B和612C以及门板610A，610B和610C。重涂覆机605还具有具有背板607和前板608的料斗606。在本发明的一个实施例的该特定图示中，料斗划分成容纳三种不同的材料609A，609B和609C的三个分离的隔室。还存在将气体送出气流设备603和将气体送入气流设备603中的气体管613A和613B。
图7示出根据本发明实施例的重涂覆机的俯看视图。在该特定图示中，重涂覆机具有料斗700，料斗700具有容纳粉末材料701的仅单个隔室。存在通过三个致动元件703A，703B和703C控制的三个门板702A，702B和702C。还存在重涂覆机臂704和壁705。当重涂覆机在壁内的区域上穿行时，诸如通过707指示的，对应的门板702C可以保持打开，以在该区域707中沉积粉末。当重涂覆机在该壁外侧的区域(诸如指示为708的区域)上穿行时，对应的门板702C通过其对应的致动元件703C闭合，以避免在壁外侧沉积粉末，这可能潜在地浪费粉末。在壁705内，重涂覆机能够沉积离散的多行粉末，诸如通过706指示的。重涂覆机刀片(在该视图中未示出)使所沉积的粉末平滑。
有利地，根据本发明实施例的选择性重涂覆机允许使用具有独立可控的粉末门(例如，如图6中606，610A，610B和610C以及图7中702A，702B和702C图示的)的粉末沉积设备(如，料斗)来精密控制粉末沉积。粉末门通过至少一个致动元件控制，至少一个致动元件比如可以是双向阀或弹簧(例如，如图4中409图示的)。在特定的型式下，每个粉末门可以打开和闭合特定的时间段，以精细控制粉末沉积的位置和数量(例如，参见图6)。料斗可以容纳划分壁，从而它包含诸多腔室，每个腔室对应于粉末门，每个腔室容纳特定的粉末材料(例如，参见图6和609A，609B和609C)。分离的腔室中的粉末材料可以是相同的，或者，它们可以是不同的。有利地，每个粉末门可以制作得相对小，从而对粉末沉积的控制尽可能精细。每个粉末门的宽度例如可以不大于大约2英寸，或者更优选地，不大于大约1/4英寸。大体上，粉末门越小，粉末沉积分辨率越大，并且粉末门的宽度不存在特定的下限。所有粉末门的宽度的总和可以小于物体的最大宽度，并且物体的宽度相对于粉末门的宽度的总和不存在特定的上限。有利地，根据本发明实施例的简单的开/关粉末门机构更简单，因而不易于发生故障。它还有利地容许粉末与更少的部分接触，这减少污染的可能性。有利地，根据本发明实施例的重涂覆机可以用于构建大得多的物体。例如，重涂覆机的最大xy横截面面积可以小于物体的最小横截面面积，并且物体的尺寸相对于重涂覆机不存在特定的上限。同样地，重涂覆机刀片的宽度可以小于物体的最小宽度，并且物体的宽度相对于重涂覆机刀片不存在特定的上限。在粉末沉积之后，重涂覆机刀片可以在粉末上穿行，以生成具有特定厚度的大致均匀的粉末层，例如，大约50微米，或优选地，大约30微米，或更加优选地，大约20微米。本发明的一些实施例的另一特征是力反馈回路。在选择性重涂覆机上可以存在传感器，检测重涂覆机刀片上的力。在制造处理期间，如果存在预期的刀片上的力不大致匹配检测到的力的时间，那么可以修改对粉末门的控制，以补偿该差异。比如，如果将要提供厚的粉末层，但刀片经受相对小的力，则该场景可能指示粉末门被堵塞，因而以比正常低的速率分配粉末。在这些情境之下，粉末门可以打开更长的时间段，以沉积足够的粉末。另一方面，如果刀片经受相对高的力，但所提供的粉末层相对薄，则这可能指示粉末门未被恰当地闭合，即使是当致动器应该要闭合它们时。在这些情境之下，有利的是，暂停构建循环，从而可以诊断和修复系统，从而可以继续构建，而不包含零件质量。本发明的一些实施例的另一特征是用于监测粉末层厚度的相机。基于粉末层厚度，可以控制粉末门以添加更多或更少的粉末。
此外，根据本发明实施例的装置可以具有受控的低氧构建环境，其具有两个以上气体区，以促进低氧环境。第一气体区定位成紧接在工作表面上。第二气体区可以定位在第一气体区上面，并且可以通过外壳与较大的构建环境隔离。例如，在图4中，元件404构成第一气体区，元件419构成通过外壳418容纳的第二气体区，整个装置周围的环境是受控的低氧构建环境。在图4中图示的实施例中，第一气流区404基本上是气流设备403的内空间，即，通过入口部分和出口部分(403A和403B)的竖向(xz平面)表面以及通过在xy平面中从入口部分的相应上边缘和下边缘延伸到出口部分的上边缘和下边缘的假想表面限定的空间。当照射发射引导设备引导激光束时，那么优选地，气流设备横跨第一气体区提供大致层流的气体流。这促进去除因激光熔化导致的流出物羽流。由此，当照射粉末层时，烟、冷凝物及其他杂质流动到第一气流区中，并且通过层流气体流从粉末和正在形成的物体转移走。烟、冷凝物及其他杂质流动到低压气体出口部分并且最终收集在过滤器中，诸如HEPA过滤器。通过维持层流流动，可以有效地去除前述烟、冷凝物和其他杂质，同时还迅速冷却通过激光生成的熔池，而不干扰粉末层，导致冶金特性改进的更高质量的零件。在一方面，气流容积中的气体流为大约3米/秒。气体可以在x或者y方向上流动。
第二受控大气环境的氧含量大体近似等于第一受控大气环境的氧含量，尽管这不是必需的。优选地，两个受控大气环境的氧含量相对低。例如，它可以是1％以下，更优选地，0.5％以下，更加优选地，0.1％以下。非氧气可以是用于该处理的任何合适的气体。比如，通过分离外围空气得到的氮气对于一些应用可能是方便的选项。一些应用可以使用其他气体，诸如氦、氖或氩。本发明的一个优点是在第一受控大气环境和第二受控大气环境的相对小的容积内维持低氧环境容易得多。在现有技术系统及方法中，整个装置和物体周围的较大环境必须严格控制，以具有相对低的氧含量，比如1％以下。这会是耗时的、昂贵的并且技术上困难的。因而，优选的是，仅相对较小的容积要求这种相对严格的大气控制。因此，在本发明中，第一受控大气环境和第二受控大气环境在容积方面可以比构建环境小例如100倍。第一气体区(同样地，气流设备)可以具有比物体的最小xy横截面面积小的最大xy横截面面积。物体的尺寸相对于第一气体区和/或气流设备不存在特定的上限。有利地，照射发射射束(例如，图示为402和502)通过第一气体区和第二气体区射出，第一气体区和第二气体区是相对低氧区。并且，当第一气体区是具有大致层流的气体流的层流气流区时，由于对烟、冷凝物和其他污染物或杂质的前述有效去除，照射发射射束是具有对物体的更清晰视线的激光束。
本发明的一个优点是，在一些实施例中，构建板可以是竖向上静止的(即，在z方向上)。这容许构建板视所需支撑更多的材料，不像现有技术方法及系统那样要求一些机构来升高和降低构建板因而限制可以使用的材料的量。由此，本发明的装置特别适于在大(如，大于1m3)的构建封套内制造物体。比如，构建封套的最小xy横截面面积可以大于500mm2，或优选地，大于750mm2，或更优选地，大于1m2。构建封套的尺寸不特别受限。比如，它可以具有大到100m2的最小横截面面积。同样地，所形成物体的最大xy横截面面积可以不小于大约500mm2，或者优选地，不小于大约750mm2，或者更加优选地，不小于大约1m2。物体的尺寸不存在特定的上限。例如，物体的最小xy横截面面积可以大到100m2。因为构建封套保持绕着物体的未融合粉末，所以，它可以以在特定构建内使未融合粉末(可能潜在地被浪费的粉末)最小化的方式制作，这对于大型构建特别有利。当在动态生长的构建封套内构建大型物体时，可以有利的是，比之于被用于物体，使用不同的构建单元或者甚至一起使用不同的构建方法来构建封套。例如，可以有利的是，具有引导电子束的一个构建单元和引导激光束的另一构建单元。相对于构建封套，封套的精度和质量可能相对不重要，使得有利地使用迅速构建技术。大体上，构建封套可以通过任何合适的手段构建，比如，通过Mig或Tig焊接，或者，通过激光粉末沉积。如果壁通过增材制造构建，那么比之于用于构建物体，可以使用不同的照射发射引导设备来构建该壁。这是有利的，因为利用特定的照射发射引导设备及方法，构建壁可以更快速地做成，而可能希望更慢和更准确的引导设备及方法来构建物体。例如，壁可以使用与物体不同的材料由迅速构建而被构建，这可能要求不同的构建方法。调节准确度比对构建速度的方法在本领域中是公知的，这里不再叙述。
例如，如图8所示，本发明的系统及方法可以使用两个以上构建单元来构建一个以上物体。构建单元、物体的数目及其相应尺寸仅受限于该装置的物理容积配置。图8示出根据本发明实施例的大尺度增材制造机器800的俯看视图。存在安装到定位系统801的两个构建单元802A和802B。存在z横梁803A和803B，用于使构建单元在z方向上移动。存在x横梁804A和804B，用于使构建单元在x方向上移动。构建单元802A和802B通过在y方向上移动这些单元的机构805A和805B附接到x横梁804A和804B。在该视图中未示出正在形成的物体。构建封套(在该视图中也未示出)可以使用构建单元中的一个或两个构建，包括通过激光粉末沉积。构建封套还可以通过例如焊接来构建。大体上，任何数目的物体和构建封套可以使用本发明的方法及系统同步地构建。
有利地，在本发明的一些实施例中，壁可以动态地围绕物体构建起，从而其形状遵循物体的形状。有利地，动态构建的腔室壁导致腔室壁构建成更接近物体，这减少所要求的支撑结构的尺寸，因而减少构建支撑结构所要求的时间。进一步，较小的支撑结构更稳定并且具有更大的结构完整性，导致失效更少的更稳健的处理。在一个实施例中，可以构建两个构建封套(一个在另一个内并与之同心)，以构建例如圆形、椭圆形和多边形形状的物体。如果壁通过焊接构建，那么有利地，可以视需要在该壁上构建支撑结构，诸如扶壁，以支撑物体的悬垂部和其他向外构建的特征。因此，根据本发明的实施例，动态构建的腔室壁允许使用常规技术不可能或不切实的物体特征。
图9A至图9C图示根据本发明的一个实施例，在竖向上静止的构建板上、在动态生长的构建封套内由粉末竖向向上构建的物体。在该图示中，使用构建单元901将物体900构建在竖向上静止的构建板902上。由于构建单元901可以能够在构建封套903内选择性地分配粉末，所以，未融合的沉积粉末904大体整体在构建封套903内，或者，未融合的沉积粉末904的至少大部分停留在构建封套903内。如图9C所示，构建单元901可以远离物体900移动，以更容易接近物体900。可以通过比如定位系统(在该视图中未示出)来允许构建单元901的可移动性。
图10A至图10D图示使用构建单元1003在竖向上静止的构建板1002上逐层构建物体1000和构建封套1001的系统及处理。物体1000具有最顶部的融合层1004，构建封套1001具有最顶部的融合层1005。存在未融合的沉积粉末1006。在本发明的一个实施例的该特定图示中，构建构建封套1001的第一层，如图10B中通过元件1007示出的。然后，构建单元可以提供新的粉末层1008(图10C)。然后，可以照射新的粉末层，以形成物体的新的最顶部的融合层1009(图10D)。可以通过比如定位系统(在该视图中未示出)来允许构建单元1003的可移动性。
图11示出在竖向上静止的构建板1103上正在通过构建单元1102构建物体1100并且正在通过构建单元1101构建构建封套1105。存在未融合的沉积粉末1104。可以通过比如定位系统(在该视图中未示出)来允许构建单元1101和1102的可移动性。
图12示出正在通过单个构建单元1202在竖向上静定的构建板1203上构建两个物体1200和1201。存在未融合的沉积粉末1204和1205。可以通过比如定位系统(在该视图中未示出)来允许构建单元1202的可移动性。

Claims (22)

1.一种增材制造装置，其特征在于，包含：
激光照射引导设备；
构建单元，所述构建单元包含具有层流流动区的气流设备，所述气流设备适配成在第一气体区内提供实质上平行于工作表面实质上层流的气体流，所述第一气体区位于所述工作表面上方两英寸内，所述第一气体区是所述气流设备的内空间，并且第二气体区在所述第一气体区上方由外壳容纳，所述第一气体区和所述第二气体区由所述气流设备隔开，并且所述激光照射引导设备在所述装置的操作期间引导激光束穿过所述层流流动区；以及
定位系统，所述定位系统适配成在至少两个维度上提供所述构建单元的独立移动，所述至少两个维度实质上平行于所述工作表面。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，其中，所述定位系统适配成在至少三个维度上提供所述构建单元的独立移动。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，其中，所述气流设备适配成在所述构建单元下面的区域中在所述工作表面周围提供低氧环境。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，其中，所述构建单元在所述层流流动区上方包括氧气减少区。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，进一步包含容纳区，所述容纳区至少围绕所述构建单元和定位系统。
6.如权利要求3所述的装置，其特征在于，其中，所述激光照射引导设备在所述构建单元内。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，其中，光纤电缆从激光器延伸到所述构建单元。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，其中，所述定位系统允许所述构建单元在实质上平行于所述工作表面的两个维度上旋转。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，其中，所述构建单元进一步包含粉末递送单元和重涂覆机臂。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，其中，所述激光照射引导设备在所述构建单元内。
11.一种用于由粉末制作物体的方法，其特征在于，包含：
（a）在工作表面的构建区域上移动构建单元，所述构建单元包含在所述构建区域上具有层流流动区的气流设备，在所述气流设备内的第一气体区位于所述工作表面上方两英寸内，并且第二气体区在所述第一气体区上方由外壳容纳，所述气流设备适配成在所述第一气体区内提供实质上平行于所述工作表面实质上层流的气体流，所述第一气体区是所述气流设备的内空间，所述第一气体区和所述第二气体区由所述气流设备隔开；
（b）利用穿过所述层流流动区的激光来照射所述工作表面的所述构建区域的至少一部分，以形成第一融合层；以及
（c）至少重复步骤（a）至（b），以形成所述物体。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，进一步包含步骤（d）：远离所述工作表面竖直地移动所述构建单元。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，进一步包含在步骤（d）之后重复步骤（a）和（b）。
14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，其中，所述气流设备在所述构建单元下方的区域中在所述工作表面周围提供低氧环境。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，其中，所述构建单元在所述层流流动区上方包括氧气减少区。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，进一步包含容纳区，所述容纳区至少围绕所述构建单元和定位系统。
17.如权利要求11所述的方法，其特征在于，其中，所述激光照射引导设备在所述构建单元内。
18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，其中，所述定位系统允许所述构建单元在实质上平行于所述工作表面的两个维度上旋转。
19.如权利要求11所述的方法，其特征在于，其中，所述构建单元进一步包含粉末递送单元和重涂覆机臂。
20.如权利要求18所述的方法，其特征在于，其中，所述构建单元旋转90度并且在与步骤（a）中的移动方向垂直的方向上移动。
21.如权利要求11所述的方法，其特征在于，进一步包含：使用第二构建单元在所述工作表面上构建第二物体的至少一部分。
22.如权利要求11所述的方法，其特征在于，进一步包含：使用第二构建单元构建所述构建封套的至少一部分。
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