CN110382208A - 用于增材制造重涂覆的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

用于增材制造系统的重涂覆设备包括多个重涂覆叶片，其包括第一级和第二级。第一级包括多排多个重涂覆叶片并沿横向维度延伸。第二级包括多个重涂覆叶片，并且构造成基本上类似于第一级多个重涂覆叶片。第二级重涂覆叶片在竖直方向上从第一级重涂覆叶片移位。

Description

用于增材制造重涂覆的系统和方法
技术领域
本公开的领域大体涉及增材制造系统，并且更具体地涉及用于在增材制造过程期间重涂覆部件的系统和方法。
背景技术
至少一些增材制造系统涉及颗粒材料的堆积以制造部件。该方法可以以低成本和提高的制造效率从昂贵的材料生产复杂的部件。至少一些已知的增材制造系统，例如直接金属激光熔化(DMLM)，选择性激光烧结(SLS)，直接金属激光烧结(DMLS)和激光熔融系统，使用聚焦能量源(例如激光设备或电子束发生器)、构建平台和颗粒(例如但不限于粉末金属)的制造部件。聚焦的能量源设备使构建平台上的聚焦的能量源入射到颗粒材料上的区域中以及周围的颗粒材料熔化，产生熔池。熔池在构建过程中冷却并形成下一层的至少一部分。
在像DMLM这样的系统中，随着构建的进行，颗粒材料必须在称为重涂覆的过程中铺展在新形成的层的顶部上。部件的结构组成的均匀性取决于每个构建层的颗粒材料的均匀分布。由于许多因素，均匀地分布颗粒材料以形成下一个构建层是困难的，并且抑制了增材制造过程中的快速生产。由颗粒材料的不均匀分布导致的部件中的空隙可导致部件在使用期间被拒绝或可能发生故障。另外，构建层中过量颗粒材料的区域可能在部件上产生高点，然后接触重涂覆设备，这可能导致使用寿命降低。
随着重涂覆过程的比率增加，产生均匀的颗粒材料的构建层的难度增加。颗粒床内的动态效应和颗粒到颗粒的动量转移变得更加普遍。另外，由于快速移动的重涂覆设备引起的空气动力学效应增加了快速增材制造过程的复杂性。
发明内容
在一个方面，提供了一种用于增材制造系统的重涂覆设备。增材制造系统限定纵向维度，横向维度和竖直维度，三个维度彼此正交。重涂覆设备包括多个重涂覆叶片，其包括第一级多个重涂覆叶片和第二级多个重涂覆叶片。第一级多个重涂覆叶片包括多排重涂覆叶片并且在横向维度上延伸。第二级多个重涂覆叶片基本上构造成类似于第一级多个重涂覆叶片。第二级多个重涂覆叶片在竖直维度上从第一级多个重涂覆叶片移位。
在另一个方面，提供了一种增材制造系统。增材制造系统限定纵向维度，横向维度和竖直维度，三个维度彼此正交。增材制造系统包括粉末床，至少一个能量源和重涂覆设备。粉末床构造成保持粉末用于形成部件。能量源构造成产生至少一个能量束，该能量束构造用来在粉末床中产生熔池。重涂覆设备构造成从粉末床分配用于形成部件的构建层的粉末。重涂覆设备包括多个重涂覆叶片，其包括第一级多个重涂覆叶片和第二级多个重涂覆叶片。第一级多个重涂覆叶片包括多排重涂覆叶片并沿横向维度延伸。第二级多个重涂覆叶片基本上构造成类似于第一级多个重涂覆叶片。第二级多个重涂覆叶片在竖直维度上从第一级多个重涂覆叶片移位。
在又一方面，提供一种组装增材制造系统的方法，所述系统包括制造重涂覆设备。增材制造系统限定纵向维度，横向维度和竖直维度，三个维度彼此正交。该方法包括制造在横向维度上延伸的多排涂覆叶片。该方法还包括通过将多排的多个重涂覆叶片的至少第一部分彼此联接来制造第一级重涂覆叶片。该方法还包括通过将多排的多个重涂覆叶片的至少第二部分彼此联接来制造第二级重涂覆叶片。该方法还包括构造第二级重涂覆叶片，使得其基本上类似于第一级重涂覆叶片。该方法包括将第一级重涂覆叶片和第二级重涂覆叶片联接到重涂覆设备。该方法还包括定位第二级重涂覆叶片，使得第二级重涂覆叶片在竖直维度上从第一级重涂覆叶片移位。
附图说明
当参考附图阅读以下详细描述时，将更好地理解本公开的这些和其他特征，方面和优点，附图中相同的字符在所有附图中表示相同的部分，其中：
图1是示出了示例性增材制造系统的立体示意图；
图2是图1中所示的增材制造系统的示意图；
图3是可以与图1中所示的增材制造系统一起使用的示例性重涂覆设备的示意图；
图4是可以与图3中所示的重涂覆设备一起使用的示例性第一级涂覆叶片的示意性侧视图；
图5是图4中所示的第一级涂覆叶片的示意性前视图；
图6是图1中所示的增材制造系统的示意图，添加了可调角度的重涂覆设备；和
图7是流程图，示出了组装图1-图2中所示的增材制造系统的示例性方法的示例性步骤。
除非另外指出，否则本文提供的附图旨在示出本公开的实施例的特征。这些特征被认为适用于包含本公开的一个或多个实施例的各种各样的系统。因此，附图并旨在包括本领域普通技术人员已知的用于实践本文公开的实施例的所有传统特征。
具体实施方式
在以下说明书和权利要求书中，将参考许多术语，其应被定义为具有以下含义。
除非上下文另有明确说明，否则单数形式“一”，“一个”和“该”包括复数形式。“可选的”或“可选地”表示随后描述的事件或情况可能发生或可能不发生，并且该描述包括事件发生的实例和事件没发生的实例。
“可选的”或“可选地”表示随后描述的事件或情况可能发生或可能不发生，并且该描述
在整个说明书和权利要求书中使用的近似语言可以用于修改任何可以允许变化的定量表示，而不会导致与其相关的基本功能的变化。因此，由一个或多个术语(例如“约”，“大约”和“基本上”)修饰的值不限于指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可以对应于用于测量值的仪器的精度。这里和整个说明书和权利要求书中，范围限制可以组合和/或互换，这样的范围被识别并包括其中包含的所有子范围，除非上下文或语言另有说明。
如这里所使用的，术语“处理器”和“计算机”以及相关术语(例如，“处理设备”，“计算设备”和“控制器”)不仅限于本领域中称为计算机的那些集成电路，而是泛指微控制器，微计算机，可编程逻辑控制器(PLC)和专用集成电路以及其他可编程电路，这些术语在本文中可互换使用。在本文描述的实施例中，存储器可以包括但不限于计算机可读介质，诸如随机存取存储器(RAM)，计算机可读非易失性介质，诸如闪存。或者，也可以使用软盘，光盘-只读存储器(CDROM)，磁光盘(MOD)和/或数字通用盘(DVD)。而且，在本文描述的实施例中，附加输入通道可以是但不限于与诸如鼠标和键盘的操作员界面相关联的计算机外围设备。或者，也可以使用其他计算机外围设备，其可以包括例如但不限于扫描仪。此外，在示例性实施例中，附加输出通道可以包括但不限于操作员界面显示器。
此外，如这里所使用的，术语“软件”和“固件”是可互换的，并且包括存储器中的任何计算机程序存储器，用于由个人计算机，工作站，客户端和服务器执行。
如本文所使用的，术语“非暂时性计算机可读介质”旨在表示以用于短期和长期存储信息的任何技术方法实现的任何有形的基于计算机的设备，例如计算机-可读指令，数据结构，程序模块和子模块，或任何设备中的其他数据。因此，本文描述的方法可以被编码为体现在有形的，非暂时性的计算机可读介质中的可执行指令，包括但不限于存储设备和/或存储器设备。当由处理器执行时，这些指令使处理器执行本文描述的方法的至少一部分。此外，如本文所使用的，术语“非暂时性计算机可读介质”包括所有有形的计算机可读介质，包括但不限于非暂时性计算机存储设备，包括但不限于，易失性和非易失性介质，以及可移动的和不可移动的媒体，如固件，物理和虚拟存储，CD-ROM，DVD，以及任何其他数字源，如网络或互联网，以及尚未开发的数字手段，唯一的例外是短暂的，传播信号。
此外，如这里所使用的，术语“实时”指的是相关事件发生的时间，测量和收集预定数据的时间，处理数据的时间以及系统对事件和环境的响应时间的至少一个。在本文描述的实施例中，这些活动和事件基本上即刻发生。
具有本文所述的重涂覆设备的增材制造系统的实施例在构建过程中用颗粒材料重涂覆部件。增材制造系统包括聚焦能量源和具有多级多排叶片的重涂覆设备。聚焦能量源将能量引导到一层颗粒构建材料，该构造材料覆盖在构建平台上构建的部件。在构建层被能量源熔化并允许冷却之后，重涂覆设备将颗粒材料散布在部件上以形成下一个构建层。多级多排叶片以渐进方式散布颗粒材料。渐进式多级重涂覆设备减少了构建时间和成本，并减少了颗粒构建层中不一致的存在。
图1是示例性增材制造系统100的立体图。在示例性实施例中，增材制造系统100是直接金属激光熔化(DMLM)系统。在替代实施例中，增材制造系统100被构造用于有助于如本文所述的增材制造系统100的操作的任何增材制造过程。例如，在一些实施例中，增材制造系统100用于以下任何过程：选择性激光烧结(SLS)，直接金属激光烧结(DMLS)，选择性激光熔化(SLM)和激光熔融。在示例性实施例中，增材制造系统100包括构建平台102，粉末床104，能量源106，能量束108，熔池110，构建层112，部件114，重涂覆设备116和包含增材制造系统100的部件的壳体117。增材制造系统100的纵向轴线103在重涂覆设备116的行进方向上延伸通过增材制造系统100。横向轴线105在基本平行于构建平台102并垂直于纵向轴线103的平面中延伸。竖直轴线107在垂直于纵向轴线103并垂直于横向轴线105的方向上延伸。纵向轴线103，横向轴线105和竖直轴线107彼此正交。
图2是在示例性实施例中利用激光束的增材制造系统100的示意图，增材制造系统100包括聚焦能量源106，光学元件130，第一扫描设备118，第二扫描设备158，壳体117，光学系统120，重涂覆设备116，颗粒输送系统124和控制器126。在替代实施例中，增材制造系统100包括有助于如本文所述的增材制造系统100的操作的任何部件。另外，在示例性实施例中，构建平台102限定粉末床104，粉末床104构造成用来保持颗粒128。在替代实施例中，粉末床104构造成具有氩气氛。然而，粉末床104可具有任何惰性气体的气氛，任何惰性气体的气氛使得制造系统100能够如本文所述进行操作。
同样，在示例性实施例中，壳体117提供用于容纳增材制造系统100的部件(例如颗粒输送系统124)的受控环境。颗粒输送系统124包括分配器160和颗粒供应162。颗粒输送系统124的至少一部分封闭在壳体117内。特别地，分配器160和颗粒供应162定位在壳体117的受控环境内，以防止颗粒128暴露于周围环境。在替代实施例中，颗粒输送系统124定位在增材制造系统100中有助于如本文所述的增材制造系统100的操作的任何位置。在替代实施例中，增材制造系统100包括有助于如本文所述的增材制造系统100的操作的任何壳体117。
另外，在示例性实施例中，颗粒128是粉末状构建材料，其在增材制造过程中熔化并再固化以构建固体部件。在示例性实施例中，颗粒128包括以下任何一种的气体雾化合金：钴，铁，铝，钛，镍及其组合。在替代实施例中，颗粒128包括有助于如本文所述的的增材制造系统100操作的任何材料。例如，在一些实施方案中，颗粒128包括但不限于以下任何一种：陶瓷粉末，金属涂覆的陶瓷粉末，热固性树脂和热塑性树脂。在进一步的实施方案中，增材制造系统100使用任何数量的颗粒，例如第一，第二，第三颗粒，第四颗粒等。
在示例性实施例中，分配器160定位在粉末床104上方并且构造成将颗粒128沉积到粉末床104上。特别地，分配器160联接到颗粒供应162并且构造成将颗粒128从颗粒供应160分配到粉末床104上。因此，分配器160便于将颗粒128沉积到粉末床104上。在替代实施例中，增材制造系统100包括便于如本文所述的增材制造系统100的操作的任何分配器。例如，在一些实施例中，颗粒输送系统124包括粉末床和转移机构，以至少将颗粒128沉积到表面粉末床104上。
至少一部分颗粒输送系统124构造成相对于粉末床104移动。特别地，颗粒分配器160构造成相对于粉末床104纵向移动。另外，颗粒分配器160构造成朝向和远离粉末床104移动。因此，颗粒输送系统124构造成在粉末床104上以任何图案沉积至少颗粒128。在替代实施例中，颗粒输送系统124被构造成以促进如本文所述的增材制造系统100的操作的任何方式移动。
同样，在示例性实施例中，重涂覆设备116构造成当颗粒128在粉末床104上时移动颗粒128。例如，在一些实施例中，重涂覆设备116包括构造成接触颗粒128并由此移动一部分颗粒128的工具。在示例性实施例中，重涂覆设备116移动颗粒128以在颗粒128中形成所需形状，例如凹陷，以便形成构造层112来制造部件114。
图3是示例性重涂覆设备116的示意图。在示例性实施例中，重涂覆设备116包括第一级重涂覆叶片200，第一排第一级重涂覆叶片202，第二排第一级重涂覆叶片208，第二排第二级重涂覆叶片210，以及重涂覆设备头220。重涂覆设备头220有助于改变重涂覆设备116相对于粉末床104的角度。另外，在示例性实施例中，粉末床104构造成保持颗粒128，级重涂覆叶片204，第二级重涂覆叶片206，第一排第二级重涂覆叶片208，第二排第二级重涂覆叶片210，和重涂覆设备头220。重涂覆设备头220有助于改变重涂覆设备116相对于粉末床104的角度。另外，在示例性实施例中，粉末床104构造成保持颗粒128。
另外，在示例性实施例中，重涂覆设备116构造成相对于粉末床104移动。特别地，重涂覆设备116构造成相对于粉末床104纵向移动。此外，重涂覆设备116构造成朝向和远离粉末床104移动。因此，重涂覆设备116构造成在任何方向上移动粉末床104上的颗粒128的任何部分，以形成构建层112。在替代实施例中，重涂覆设备116构造成以促进如本文所述的增材制造系统100的操作的任何方式移动。
如图3所示，重涂覆设备116已移动了一部分颗粒128。重涂覆设备116构造成在重涂覆过程中减少不希望的颗粒128破坏。在示例性实施例中，重涂覆设备116包括第一级重涂覆叶片200和第二级重涂覆叶片206。第一级重涂覆叶片200和第二级重涂覆叶片206中的每一个包括多个重涂覆叶片200。重涂覆设备116构造成使得第一级重涂覆叶片200在纵向维度103和竖直维度107上从第二级重涂覆叶片206移动一距离，这有助于通过重涂覆设备116以顺序渐进的方式来移动颗粒128。因此，重涂覆设备116和颗粒输送系统124有助于从颗粒128构建部件114。在替代实施例中，重涂覆设备116以有助于如本文所述的重涂覆设备116和增材制造系统100的操作的任何方式构造。
图4是第一级重涂覆叶片200，第一排第一级重涂覆叶片202，第二排第一级重涂覆叶片204和多个重涂覆叶片212的示意性侧视图。图5是重涂覆叶片200，第一排第一级重涂覆叶片202，第二排第一级重涂覆叶片204和多个重涂覆叶片212的示意性前视图。在示例性实施例中，参考图4和5，第一排第一级重涂覆叶片202包括多个重涂覆叶片212。第一排第一级重涂覆叶片202中的每个重涂覆叶片212在横向维度上与多个重涂覆叶片212的相邻重涂覆叶片212间隔开。第一排第一级重涂覆叶片202的多个重涂覆叶片212至少部分地限定了与横向维度基本平行的第一平面。第二排第一级重涂覆叶片204构造成与第一排第一级重涂覆叶片202基本类似。第二排第一级重涂覆叶片204联接到重涂覆设备116，并且在纵向维度上从第一排第一级重涂覆叶片202移位。第二排第一级重涂覆叶片204中的多个重涂覆叶片212布置成使得第二排第一级重涂覆叶片204中的多个重涂覆叶片212中没有一个与第一排第一级重涂覆叶片202中的多个重涂覆叶片212中的任何一个直接纵向相对。在替代实施例中，第一排第一级重涂覆叶片202，第二排第一级重涂覆叶片204，第一排第二级重涂覆叶片208和第二排第二级重涂覆叶片210被构造成有助于如本文所述的重涂覆设备和增材制造系统100的操作的任何方式。
在示例性实施例中，第一排第一级重涂覆叶片202联接到第二排第一级重涂覆叶片204，以形成第一级重涂覆叶片200。第一排第二级重涂覆叶片208构造成基本上类似于第一排第一级重涂覆叶片202。第二排第二级重涂覆叶片210构造成基本上类似于第二排第一级重涂覆叶片204。第一排第二级重涂覆叶片208联接到第二排第二级重涂覆叶片210，以形成第二级重涂覆叶片206。在替代实施例中，第一级重涂覆叶片200和第二级重涂覆叶片206可包括第三排重涂覆叶片，第四排重涂覆叶片，第五排重涂覆叶片，或者另外多排重涂覆叶片212，其有利于第一级重涂覆叶片200和第二级重涂覆叶片206如本文所述运行。
同样，在示例性实施例中，第二级重涂覆叶片206联接到第一级重涂覆叶片200，第二级重涂覆叶片206在竖直和纵向维度上从第一级重涂覆叶片200移位。在替代实施例中，重涂覆设备116可包括第三级重涂覆叶片，第四级重涂覆叶片，第五级重涂覆叶片，或者有助于如本文所述的重涂覆设备116的运行的许多另外的级。
此外，在示例性实施例中，参考图3-5，存在重涂覆叶片212相对于一级重涂覆叶片内的成对排的重涂覆叶片的交错排列、以及多级重涂覆叶片相对于联接在一起的多级重涂覆叶片的交错排列，以减少在重涂覆操作期间粉末床104内颗粒128的不希望的位移的发生。在重涂覆设备116的多排之内和多级之间的重涂覆叶片212的交错排列使得在增材制造系统100的操作期间颗粒128的位移能够逐渐且均匀地发生。在替换实施例中，在重涂覆设备116的多排之内和多级之间的重涂覆叶片212的交错排列可以采用能够使重涂覆设备116和增材制造系统100如本文所述运行的任何形式。
在另一个实施例中，图6是示例性重涂覆设备116的示意图，其中重涂覆设备116的角度通过重涂覆设备头220改变，以便于颗粒128移位的替代方法。
在示例性实施例中，重涂覆叶片212的材料使得重涂覆设备116和增材制造系统100能够如本文所述进行操作。在进一步的实施例中，重涂覆叶片212的材料的预定刚度范围大约在1磅/英寸到100磅/英寸，使得在遇到刚性障碍物时，例如遇到熔化的颗粒128的凸起区域时，重涂覆叶片212能够弯曲。在另一个实施例中，重涂覆叶片212由具有颗粒128的兼容冶金性质的材料制成。
在示例性实施例中，重涂覆叶片212具有大致矩形的横截面形状，其具有尖端区域。在其他实施例中，重涂覆叶片212可具有基本上圆柱形，卵形，三角形，泪滴形或翼型中的一种的横截面形状。在另一个实施例中，重涂覆叶片212具有横截面形状，该横截面形状使得重涂覆设备116和增材制造系统100能够如本文所述操作。
参考图1，在示例性实施例中，能量源106被构造为加热颗粒128。聚焦能量源106光学地联接到光学元件130和第一扫描设备118。光学元件130和第一扫描设备118被构造为有助于控制能量源106的扫描。在示例性实施例中，能量源106是激光设备，例如基于钇的固态激光器，其构造成发射具有约1070纳米(nm)波长的激光束164。在替代实施例中，增材制造系统100包括促进增材制造系统100如本文所述的操作的任何能量源106。例如，在一些实施例中，增材制造系统100包括具有第一功率的第一能量源106和具有不同于第一功率的第二功率的第二能量源106。在进一步的实施例中，增材制造系统100包括具有基本相同的功率输出的至少两个能量源106。在进一步的实施例中，增材制造系统100包括至少一个能量源106，其是电子束发生器。在一些实施例中，增材制造系统100包括二极管纤维激光器阵列(未示出)，其包括多个二极管激光器和多个光纤。在这样的实施例中，二极管纤维阵列同时将来自光纤的激光束引向粉末床104以加热颗粒128。
此外，在示例性实施例中，光学元件130有助于将光束164聚焦在粉末床104上。在示例性实施例中，光学元件130包括设置在能量源106和第一扫描设备118之间的光束准直器132，以及设置在第一扫描设备118和粉末床104之间的F-θ透镜134。在替代实施例中，增材制造系统100包括有助于增材制造系统100如本文所述的操作的任何光学元件。
在操作期间，在示例性实施例中，第一扫描设备118被构造为将光束164引导穿过粉末床104的选择性部分以产生固体部件114。在示例性实施例中，第一扫描设备118是检流计扫描设备，其包括可操作地联接到检流计控制的电动机138(广义上是致动器)的镜子136。电动机138被构造成响应于从控制器126接收的信号而移动(具体地，旋转)镜子136，从而使光束164朝向粉末床104的选择部分偏转并穿过粉末床104的选择部分。在一些实施例中，镜子136包括反射涂层，其具有对应于光束164的波长的反射光谱。在替代实施例中，增材制造系统100包括有助于增材制造系统100如本文所述操作的任何扫描设备。例如，在一些实施例中，第一扫描设备118包括两个镜子和两个检流计控制的电动机，每个电动机可操作地联接到一个镜子。在进一步的实施例中，第一扫描设备118包括但不限于以下任何一种：二维(2D)扫描检流计，三维(3D)扫描检流计和动态聚焦检流计。
同样，在示例性实施例中，光学系统120被构造为有助于监测由光束164产生的熔池110。特别地，光学系统120被构造为检测由熔池110产生的电磁辐射，并将关于熔池110的信息传输到控制器126。更具体地，光学系统120被构造为接收由熔池110产生的EM辐射，并响应于此而产生电信号。光学系统120通信地联接到控制器126，并且被构造成将电信号传输到控制器126。在替代实施例中，增材制造系统100包括有助于增材制造系统100如本文所述操作的任何光学系统120。例如，在一些实施例中，光学系统120包括但不限于以下任何一种：光电倍增管，光电二极管，红外相机，电荷耦合设备(CCD)相机，CMOS相机，高温计或高速可见光相机。在进一步的实施例中，光学系统120被构造为检测红外光谱内的EM辐射和可见光光谱内的EM辐射。在一些实施例中，光学系统120包括分束器(未示出)，该分束器被构造为将来自熔池110的EM辐射划分和偏转到相应的光学检测器。
虽然光学系统120被描述为包括用于由熔池110产生的EM辐射的“光学”检测器，但应该注意，术语“光学”的使用不等同于术语“可见”。相反，光学系统120被构造为捕获宽光谱范围的EM辐射。例如，在一些实施例中，光学系统120对波长在紫外光谱(约200-400nm)，可见光谱(约400-700nm)，近红外光谱(约700-1,200nm)和红外光谱(约1,200-10,000nm)的光敏感。此外，因为熔池110发射的EM辐射的类型取决于熔池110的温度，所以光学系统120能够监测和测量熔池110的尺寸和温度。
同样在示例性实施例中，光学系统120包括第二扫描设备158，其构造成引导由熔池110产生的EM辐射。在示例性实施例中，第二扫描设备158是检流计扫描设备，其包括可操作地联接到第一检流计控制电动机142(广义上是致动器)的第一镜子140，以及可操作地联接到第二检流计控制电动机146(广义上是致动器)的第二镜子144。第一电动机142和第二电动机146被构造为响应于从控制器126接收的信号而分别移动(具体地，旋转)第一镜子140和第二镜子144，以将来自熔池110的EM辐射偏转到光学系统120。在一些实施例中，第一镜子140和第二镜子144中的一个或两个包括反射涂层，该反射涂层具有对应于光学系统120被构造来检测的EM辐射的反射光谱。在替代实施例中，增材制造系统100包括有助于增材制造系统100如本文所述操作的任何扫描设备。
增材制造系统100被操作为通过逐层制造工艺来制造部件114。部件114由部件114的3D几何形状的电子表示制成。在一些实施例中，电子表示在计算机辅助设计(CAD)或类似文件中产生。在替代实施例中，电子表示是有助于增材制造系统100如本文所述操作的任何电子表示。在示例性实施例中，部件114的CAD文件被转换为逐层格式，其包括用于每个构建层112的多个构建参数。在示例性实施例中，部件114相对于在增材制造系统100中使用的坐标系的原点以期望的取向电子地排列。将部件114的几何形状切成所需厚度的构建层112的堆叠，使得每个构建层112的几何形状是穿过在该特定构建层112位置处的部件114的横截面的轮廓。穿过相应的构建层112的几何形状而生成一条或多条“刀具路径”。沿着一条或多条刀具路径应用构建参数，以从用于构造部件114的材料来制造部件114的构建层112。对于部件114几何形状的每个相应构建层112，重复这些步骤。一旦该过程完成，包括所有构建层112的电子计算机构建文件(或多个文件)就生成了。构建文件被加载到增材制造系统100的控制器126中，以在制造每个构建层112期间控制系统。
在将构建文件加载到控制器126中之后，增材制造系统100被操作为通过实施逐层制造过程(例如DMLM方法)来生成部件114。示例性的逐层增材制造过程不使用预先存在的制品作为最终部件114的前体，而是该过程用可构造的形式的原材料(例如颗粒128)来产生部件114。例如但不限于，钢部件114使用钢粉来增材制造。增材制造系统100有助于使用多种材料(例如但不限于金属，陶瓷和聚合物)来制造部件114。在替代实施例中，DMLM用有助于增材制造系统100如本文所述操作的任何材料来制造部件114。
如本文所用，术语“参数”是指用于定义增材制造系统100的操作条件的特性，例如能量源106的功率输出，能量源106的矢量扫描速度，光栅功率输出，能量源106的光栅扫描速度，能量源106的光栅刀具路径，以及增材制造系统100内的能量源106的轮廓功率输出。在一些实施例中，参数最初由用户输入到控制器126中。参数表示增材制造系统100的给定运转状态。通常，在光栅扫描期间，光束164沿着一系列彼此间隔开并且彼此平行的基本是直的线顺序扫描。在矢量扫描期间，通常沿着一系列基本上直线或矢量顺序扫描光束164，其中矢量相对于彼此的方向有时变化。通常，一个矢量的结束点与下一个矢量的起始点重合。矢量扫描通常用于定义部件114的外轮廓，而光栅扫描通常用于“填充”由轮廓包围的空间，其中部件114是实心的。
在示例性实施例中，控制器126耦接到颗粒输送系统124和能量源106。控制器126包括存储器设备148和耦接到存储器设备148的处理器150。在一些实施例中，处理器150包括一个或多个处理单元，例如但不限于多核构造。在示例性实施例中，处理器150包括现场可编程门阵列(FPGA)。可替换地，处理器150是允许控制器126如本文所述操作的任何类型的处理器。在一些实施例中，可执行指令存储在存储器设备148中。控制器126可构造为通过编程处理器150来执行本文描述的一个或多个操作。例如，通过将操作编码为一个或多个可执行指令并在存储器设备148中提供可执行指令来对处理器150进行编程。在示例性实施例中，存储器设备148是便于存储和检索诸如可执行指令或其他数据的信息的一个或多个设备。在一些实施例中，存储器设备14包括一个或多个计算机可读介质，例如但不限于，随机存取存储器(RAM)，动态RAM，静态RAM，固态盘，硬盘，只读存储器(ROM)，可擦除可编程ROM，电可擦除可编程ROM或非易失性RAM存储器。上述存储器类型仅是示例性的，因此不限制可用于存储计算机程序的存储器类型。
在一些实施例中，存储器设备148被构造为存储构建参数，包括但不限于，实时和历史构建参数值，或任何其他类型的数据。在替代实施例中，存储器设备148存储有助于增材制造系统100如本文所述操作的任何数据。在一些实施例中，处理器150基于数据的年代从存储器设备148移除或“清除”数据。例如，处理器150重写与后续时间或事件相关联的先前记录和存储的数据。另外或替代地，处理器150移除超过预定时间间隔的数据。另外，存储器设备148包括但不限于足够的数据，算法和命令，以助于监测和测量由增材制造系统100制造的部件的构建参数和几何条件。
在一些实施例中，控制器126包括耦接到处理器150的呈现界面152。呈现界面152向用户呈现诸如图像的信息。在一个实施例中，呈现界面152包括耦接到显示设备(未示出)的显示适配器(未示出)，例如阴极射线管(CRT)，液晶显示器(LCD)，有机LED(OLED)显示器。，或“电子墨水”显示器。在一些实施例中，呈现界面152包括一个或多个显示设备。另外或替代地，呈现界面152包括音频输出设备(未示出)，例如但不限于音频适配器或扬声器(未示出)。
在一些实施例中，控制器126包括用户输入接口154。在示例性实施例中，用户输入接口154耦接到处理器150并从用户接收输入。在一些实施例中，用户输入接口154包括，例如但不限于，键盘，指示设备，鼠标，触控笔，触敏面板，例如但不限于，触摸板或触摸屏，和/或音频输入接口，例如但不限于麦克风。在进一步的实施例中，单个部件(例如触摸屏)用作呈现界面152和用户输入接口154的显示设备。
在示例性实施例中，通信接口156耦接到处理器150并且被构造为与一个或多个其他设备(例如颗粒输送系统124)通信地耦接，并且在作为输入信道执行时，执行关于这样的设备的输入和输出操作。例如，在一些实施例中，通信接口156包括但不限于有线网络适配器，无线网络适配器，移动电信适配器，串行通信适配器或并行通信适配器。通信接口156从一个或多个远程设备接收数据信号或将数据信号发送到一个或多个远程设备。
呈现界面152和通信接口156都能够提供与本文描述的方法一起使用的信息，诸如向用户和/或处理器150提供信息。因此，呈现界面152和通信接口156被称为输出设备。类似地，用户输入接口154和通信接口156能够接收与本文描述的方法一起使用的信息，并且被称为输入设备。
图7是说明组装增材制造系统100(图1和2中所示)的示例性方法300的流程图。方法300包括通过制造302各自具有多个重涂覆叶片212的第一排第一级重涂覆叶片202和第二排第一级重涂覆叶片204来制造重涂覆设备116叶片。
一旦制造出第一排第一级重涂覆叶片202和第二排第一级重涂覆叶片204，通过将第一排第一级重涂覆叶片202的多个重涂覆叶片212联接到第二排第一级重涂覆叶片204的多个重涂覆叶片212来制造304第一级重涂覆叶片200就完成了。两排多个重涂覆叶片212在横向维度上延伸。
同样，一旦制造了第一级重涂覆叶片200，就完成了构造306第一排第一级重涂覆叶片202和第二排第一级重涂覆叶片204。第一排第一级重涂覆叶片202中的多个重涂覆叶片212中的每个重涂覆叶片212与第一排第一级重涂覆叶片202中的多个重涂覆叶片212中的相邻的重涂覆叶片212间隔开，以至少部分地限定基本平行于横向维度的第一平面。第一排第一级重涂覆叶片202中的多个重涂覆叶片212中的每个重涂覆叶片212在横向维度上从第一排第一级重涂覆叶片202中的多个重涂覆叶片212中的相邻的重涂覆叶片212移位，使得第一排第一级重涂覆叶片202中的多个重涂覆叶片212中没有一个重涂覆叶片212与第二排第一级重涂覆叶片204中的多个重涂覆叶片212中的任何一个重涂覆叶片212直接纵向相对。
此外，一旦构造了第一排第一级重涂覆叶片202和第二排第一级重涂覆叶片204，就完成了制造308第二级重涂覆叶片206。多个重涂覆叶片212构造成基本上类似于第一级重涂覆叶片200中的多个重涂覆叶片，以形成第二级重涂覆叶片206。在制造第二级重涂覆叶片206之后，完成了将第一级重涂覆叶片200和第二级重涂覆叶片206联接到重涂覆设备116。
具有本文所述的重涂覆设备的增材制造系统的实施例在构建过程中用颗粒材料重涂覆部件。增材制造系统包括聚焦能源和具有多级多排叶片的重涂覆设备。聚焦能量源将能量引导到覆盖正在构造的部件的颗粒构建材料层。在构建层被能量源熔化并允许冷却之后，重涂覆设备将颗粒材料散布在部件上以形成下一个构建层多级。多排叶片以渐进的方式散布颗粒材料。渐进的多级重涂覆设备减少了构建时间和成本，并减少了颗粒构建层中不一致的存在。
本文描述的方法和系统的示例性技术效果包括：(a)用多级多叶片组重涂覆设备重涂覆增材制造部件；(b)减少部件的制造时间；以及(c)减少部件中的缺陷。
以上详细描述了包括重涂覆设备的增材制造系统的示例性实施例。所述装置、系统和方法不限于本发明所述的具体实施例，相反，所述方法和系统部件的操作可以独立于本文描述的其他操作或部件而单独使用。例如，本文描述的系统，方法和装置可以具有其他工业或消费者应用，并且不限于使用如本文所述的部件来实践。而是，可以结合其他行业实现和利用一个或多个实施例。
尽管可以在一些附图中示出本技术的各种实施例的特定特征而不在其他附图中示出，但这仅是为了方便。根据本发明的原理，可以结合任何其他附图的任何特征来参考或要求保护附图的任何特征。
一些实施例涉及使用一个或多个电子或计算设备。这样的设备通常包括处理器，处理设备或控制器，诸如通用中央处理单元(CPU)，图形处理单元(GPU)，微控制器，精简指令集计算机(RISC)处理器，专用集成电路(ASIC)，可编程逻辑电路(PLC)，现场可编程门阵列(FPGA)。数字信号处理(DSP)设备，和/或能够执行本文所述功能的任何其他电路或处理设备。本文描述的方法可以被编码为体现在计算机可读介质中的可执行指令，包括但不限于存储设备和/或存储设备。当由处理设备执行时，这些指令使处理设备执行本文描述的方法的至少一部分。以上示例仅是示例性的，因此并不旨在以任何方式限制术语处理器和处理设备的定义和/或含义。
该书面描述使用示例来公开本公开的实施例，包括最佳模式，并且还使本领域的任何技术人员能够实践本公开的实施例，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何结合的方法。这里描述的实施例的可专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差别的等效结构元件，则这些其他示例意图在权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种用于增材制造系统的重涂覆设备，其特征在于，所述增材制造系统限定纵向维度、横向维度和竖直维度，三个维度彼此正交，所述重涂覆设备包括：
多个重涂覆叶片，所述多个重涂覆叶片包括：
第一级多个重涂覆叶片，所述第一级多个重涂覆叶片包括沿所述横向维度延伸的多排所述多个重涂覆叶片；和
第二级多个重涂覆叶片，所述第二级多个重涂覆叶片构造成与所述第一级多个重涂覆叶片基本相似，其中所述第二级多个重涂覆叶片在所述竖直维度上从所述第一级多个重涂覆叶片移位。
2.根据权利要求1所述的重涂覆设备，其特征在于，其中所述第一级多个重涂覆叶片和所述第二级多个重涂覆叶片包括：
在所述横向维度上延伸的第一排多个重涂覆叶片；和
在所述横向维度上延伸的第二排多个重涂覆叶片，所述第一排多个重涂覆叶片中的每个重涂覆叶片与所述第一排多个重涂覆叶片中相邻的重涂覆叶片间隔开，以至少部分地限定基本平行于所述横向维度的第一平面，其中所述第一排多个重涂覆叶片中的每个重涂覆叶片在所述横向维度上从所述第一排多个重涂覆叶片中的所述相邻的重涂覆叶片移位，使得所述第一排多个重涂覆叶片中没有一个重涂覆叶片与所述第二排多个重涂覆叶片中的任何一个所述重涂覆叶片直接纵向相对。
3.根据权利要求2所述的重涂覆设备，其特征在于，其中所述多个重涂覆叶片包括具有预定柔性的材料。
4.根据权利要求3所述的重涂覆设备，其特征在于，其中：
在所述纵向平面中，所述第一排多个重涂覆叶片和所述第二排多个重涂覆叶片之间限定间隙；并且
所述第一排多个重涂覆叶片中的每个重涂覆叶片构造成在所述纵向平面内弯曲，使得与所述第二排多个重涂覆叶片中的相对的重涂覆叶片的所述间隙变化，所述第一排多个重涂覆叶片从所述第二排多个重涂覆叶片移位，使得当所述第一排多个重涂覆叶片中的所述每个重涂覆叶片弯曲时，所述第一排多个重涂覆叶片不接触所述第二排多个重涂覆叶片。
5.根据权利要求2所述的重涂覆设备，其特征在于，其中所述第一排多个重涂覆叶片和所述第二排多个重涂覆叶片构造成围绕相对于所述重涂覆设备基本平行于所述横向维度的轴线旋转。
6.根据权利要求2所述的重涂覆设备，其特征在于，其中：
所述第一排多个重涂覆叶片具有第一高度；
并且所述第二排多个重涂覆叶片具有第二高度。
7.根据权利要求1所述的重涂覆设备，其特征在于，其中所述多个重涂覆叶片的横截面形状是基本上圆柱形，卵形，三角形，泪滴形，矩形和翼型中的一种。
8.根据权利要求1所述的重涂覆设备，其特征在于，所述第一级和所述第二级构造成围绕相对于所述重涂覆设备基本平行于所述横向方向限定的轴线旋转。
9.一种增材制造系统，其特征在于，所述增材制造系统限定纵向维度、横向维度和竖直维度，三个维度彼此正交，所述增材制造系统包括：
粉末床，所述粉末床构造成容纳用于形成部件的粉末；
至少一个能量源，所述至少一个能量源构造成产生至少一个能量束，所述至少一个能量束被构造成在所述粉末床中产生熔池；和
重涂覆设备，所述重涂覆设备构造成从所述粉末床分配用于形成部件的构建层的粉末，所述重涂覆设备包括：
多个重涂覆叶片，所述多个重涂覆叶片包括：
第一级多个重涂覆叶片，所述第一级多个重涂覆叶片包括沿所述横向维度延伸的多排所述多个重涂覆叶片；和
第二级多个重涂覆叶片，所述第二级多个重涂覆叶片构造成与所述第一级多个重涂覆叶片基本相似，其中所述第二级多个重涂覆叶片在所述竖直维度上从所述第一级多个重涂覆叶片移位。
10.根据权利要求9所述的增材制造系统，其特征在于，其中所述第一级多个重涂覆叶片和所述第二级多个重涂覆叶片包括：
在所述横向维度上延伸的第一排多个重涂覆叶片；和
在所述横向维度上延伸的第二排多个重涂覆叶片，所述第一排多个重涂覆叶片中的每个重涂覆叶片与所述第一排多个重涂覆叶片中相邻的重涂覆叶片间隔开，以至少部分地限定基本平行于所述横向维度的第一平面，其中所述第一排多个重涂覆叶片中的每个重涂覆叶片在所述横向维度上从所述第一排多个重涂覆叶片中的所述相邻的重涂覆叶片移位，使得所述第一排多个重涂覆叶片中没有一个重涂覆叶片与所述第二排多个重涂覆叶片中的任何一个所述重涂覆叶片直接纵向相对。
11.根据权利要求10所述的增材制造系统，其特征在于，其中所述多个重涂覆叶片包括具有预定柔性的材料。
12.根据权利要求11所述的增材制造系统，其特征在于，其中：
在所述纵向平面中，所述第一排多个重涂覆叶片和所述第二排多个重涂覆叶片之间限定间隙；并且
所述第一排多个重涂覆叶片中的每个重涂覆叶片构造成在所述纵向平面内弯曲，使得与所述第二排多个重涂覆叶片中的相对的重涂覆叶片的所述间隙变化，所述第一排多个重涂覆叶片从所述第二排多个重涂覆叶片移位，使得当所述第一排多个重涂覆叶片中的所述每个重涂覆叶片弯曲时，所述第一排多个重涂覆叶片不接触所述第二排多个重涂覆叶片。
13.根据权利要求9所述的增材制造系统，其特征在于，其中所述多个重涂覆叶片的横截面形状是基本上圆柱形，卵形，三角形，泪滴形，矩形和翼型中的一种。
14.根据权利要求9所述的增材制造系统，其特征在于，其中所述重涂覆设备构造成围绕相对于所述增材制造系统基本平行于所述横向维度限定的轴线旋转。
15.根据权利要求9所述的增材制造系统，其特征在于，其中所述第一级和所述第二级构造成围绕相对于所述重涂覆设备基本平行于所述横向方向限定的轴线旋转。
16.一种组装增材制造系统的方法，其特征在于，所述方法包括制造重涂覆设备，所述重涂覆设备构造成分配用于形成部件的构建层的粉末，所述增材制造系统限定纵向维度、横向维度和竖直维度，三个维度彼此正交，所述方法进一步包括：
制造在所述横向维度上延伸的多排多个重涂覆叶片；
制造第一级重涂覆叶片，所述制造第一级重涂覆叶片包括将所述多排多个重涂覆叶片的至少第一部分彼此联接；
制造第二级重涂覆叶片，所述制造第二级重涂覆叶片包括将所述多排多个重涂覆叶片的至少第二部分彼此联接，所述第二级重涂覆叶片构造成基本上类似于所述第一级重涂覆叶片；
将所述第一级重涂覆叶片和所述第二级重涂覆叶片联接到所述重涂覆设备；和
定位所述第二级重涂覆叶片，使得所述第二级重涂覆叶片在所述竖直方向上从所述第一级重涂覆叶片移位。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，进一步包括：
制造第一排第一级重涂覆叶片和第二排第一级重涂覆叶片，每一排具有多个重涂覆叶片；
通过将所述第一排第一级重涂覆叶片中的所述多个重涂覆叶片联接到所述第二排第一级重涂覆叶片中的所述多个重涂覆叶片来制造第一级重涂覆叶片，两排所述多个重涂覆叶片在所述横向维度上延伸；和
构造所述第一排第一级重涂覆叶片和所述第二排第一级重涂覆叶片，使得所述第一排第一级重涂覆叶片中的所述多个重涂覆叶片中的每个重涂覆叶片与所述第一排第一级重涂覆叶片中的所述多个重涂覆叶片中的相邻的重涂覆叶片间隔开，以至少部分地限定基本平行于所述横向维度的第一平面，其中所述第一排第一级重涂覆叶片中的所述多个重涂覆叶片中的所述每个重涂覆叶片在所述横向维度上从所述第一排第一级重涂覆叶片中的所述多个重涂覆叶片中的所述相邻的重涂覆叶片移位，使得所述第一排第一级重涂覆叶片中的所述多个重涂覆叶片中没有一个重涂覆叶片与所述第二排第一级重涂覆叶片中的所述多个重涂覆叶片中的任何一个重涂覆叶片直接纵向相对。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，进一步包括用预定柔性的材料形成所述多个重涂覆叶片。
19.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，进一步包括形成所述多个重涂覆叶片，所述多个重涂覆叶片的横截面形状是基本上圆柱形、卵形、三角形、泪滴形、矩形和翼型中的一种。
20.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，进一步包括将所述重涂覆设备构造成围绕相对于所述增材制造系统基本平行于所述横向维度限定的轴线旋转。
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