CN111093953A - 用于粉末层三维打印机的改进的细粉分布系统和粉尘收集系统及相关方法 - Google Patents

用于粉末层三维打印机的改进的细粉分布系统和粉尘收集系统及相关方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于在粉末层三维打印机(2)中分布构造粉末以及用于收集已经变得悬浮在三维打印机的构造平台附近的气体大气中的构造粉末的颗粒的装置。这些装置包括重涂覆器(20)，其在跨构造平台或粉末床的宽度提供精细的构造粉末的均匀分布方面是特别有用的。本发明还包括粉末层三维打印机(2)，其包括用于分布构造粉末的装置和/或用于收集此类悬浮微粒的装置。改进的细粉重涂覆器(20)使用超声换能器(30)使粉末移动通过片状网屏(28)。可以将片状网屏(28)呈现给在狭窄的分配槽中被馈送到该片状网屏(28)上的粉末，以限制来自分配器的粉末的流速并提供对所分配的粉末量的控制。槽的宽度可以延伸以覆盖整个构造箱填充区。超声换能器(30)优选地适于在操作期间周期地扫过频率范围。超声振动系统可以扩充有低频振动系统。粉尘收集系统(160)从构造箱(172)的周边吸取空气，使空气向下穿过打印机(2)的台面板(170)并离开打印机的壳体(164)而到外部粉尘收集器(250)。

Description

用于粉末层三维打印机的改进的细粉分布系统和粉尘收集系 统及相关方法
背景
技术领域：本发明涉及粉末层三维打印机以及通过其制造物品的方法。
背景技术：当今存在各种类型的三维打印机，即，通过系统地构造一种或多种材料而将三维物品的电子表示转换为物品本身的设备。本发明的装置对于通过将连续沉积的粉末层的预选区域选择性地接合在一起来产生三维物品的三维打印机的类型尤其具有效用。由于对三维物品的构造由此类打印机利用粉末层作为构造材料，因此这些类型的三维打印机在本文中被称为“粉末层三维打印机”。此类类型的基于粉末的三维打印机的示例包括但不限于，粘合剂喷射三维打印机、选择性烧结三维打印机和电子束熔化三维打印机。
应理解的是，术语“粉末”在本领域中有时也称为“微粒材料”或“颗粒”，而术语“粉末”在本文中应解释为是指在此类三维打印机中用作成层材料的任何此类材料，无论其名称如何。粉末可包括能够呈粉末形式的任何类型的材料，例如，金属、塑料、陶瓷、碳、石墨、复合材料、矿物等及其组合。本文所用的术语“构造粉末”是指用于形成粉末层并在粉末层三维打印机中从中构造出物品的粉末。
在粉末层三维打印机的操作期间，将第一层构造粉末沉积在竖直可转位的(indexible)构造平台上，然后一次一层地将连续的粉末层沉积在第一粉末层上。可替代地，构造平台保持固定，并且粉末沉积和图像赋予组件向上转位。在形成三维物品时，处理所选粉末层的所选部分以将那些部分中的粉末接合起来。总的来说，经沉积的粉末层的未接合在一起的部分在本文中称为“粉末床”。
在一些粉末层三维打印机中，每个粉末层通过从开顶式固定的粉末储集器转移预定量的构造粉末来形成，该转移通过以下步骤：首先使在储集器内支撑粉末的平台向上转位预定的量，以在储集器壁上方提升该预定的量，然后跨构造平台或粉末床的顶部推动该量的粉末以形成粉末层。在一些粉末层三维打印机中，通过使粉末分配器行进，每个粉末层被沉积在构造平台或现有粉末床上，该粉末分配器可包括或可不包括适于使粉末层的顶部平整的某个设备。
形成粉末层的工艺有时在本领域中称为“重涂覆(recoating)”，并且在本文中称为“重涂覆”。完成重涂覆的特定粉末层三维打印机的设备或设备组合有时在本领域中称为“重涂覆器(recoater)”，并且在本文中称为“重涂覆器”。
尽管当今本领域中存在的重涂覆器对于其预期目的总体上运作良好，但是本领域仍然需要开发始终如一地提供良好的粉末层均匀性的重涂覆器，尤其是对于精细的构造粉末，即，平均颗粒大小(dso)小于20微米的构造粉末。那些熟悉现有技术的人可能记得，粉末层三维打印机中细粉的使用的改进由本申请的申请人拥有的以下专利公开教导：题为“三维打印机的粉末重涂覆器”的WO 2016/176432A1；题为“用于三维打印的选择性活化的网状放电粉末重涂覆器”的WO 2017/040521A1；以及均题为“用于三维打印机的细粉重涂覆器”的WO 2017/040521A1和US 9,486,962B1。通过本申请，本发明公开了对该技术领域的附加改进。
使用精细的构造粉末的两个普遍的难点在于：(a)难以在整个打印床上创建均匀的层；以及(b)在沉积到构造床上期间细粉的“飘升(plume)”倾向，即，悬浮在非常小的气流中，从而被气流带走到三维打印机的其他区域。本领域技术人员将理解，当使层的厚度最小化以努力在被构造的物品的表面上获得精细的特征分辨率时，用精细的构造粉末来创建均匀的层的困难变得尤为严重。技术人员还将理解，由于部件的操作或运动，风扇、热梯度、有意的气流，甚至是构造粉末与构造床的碰撞，在构造区域中可能存在引起飘升的气流。在所有类型的粉末层三维打印机中都存在前一问题，而在其中将构造区域被保持在真空中或接近真空中的那些粉末层三维打印机(例如，电子束熔化三维打印机)中，后一问题不存在或以削弱的程度存在。
在形成粉末层三维打印机的粉末床时固有的另一个问题在于，需要大量的过量粉末(稍后定义该术语)，以补偿跨粉末床以及沿粉末床分配的粉末的缺乏均匀性。当使用细粉时，由于使用具有减小的粉末大小的较薄层的趋势，缺乏均匀性和过量粉末的问题被放大了。
发明内容
本发明包括用于在粉末层三维打印机中三维打印精细的构造粉末的装置和方法，其为前述问题中的一个或多个问题提供了改进的解决方案。
在本发明的至少一些实施例中，在构造粉末正被分配到构造床上时，粉末层三维打印机的重涂覆器将构造粉末造粒(pelletize)。为了易于参考，下文中将所得的粒料称为“构造粉末粒料”。在这些实施例中，在构造粉末穿过片状网屏(sheet screen)(如该术语在下文所定义)并通过片状网屏被造粒时，通过将超声振动施加到片状网屏来形成构造粉末粒料。该造粒大大地防止了构造粉末粒料的落下的精细的构造粉末在落到构造床或与构造床碰撞期间在空气(或其他气体)流中被捕捉，从而大大减少了通常与分配细粉相关联的飘升量。
在本发明的至少一些实施例中，粉末层三维打印机的重涂覆器跨粉末床并沿粉末床更均匀地分配构造粉末，从而允许使用较少的过量粉末(如该术语在下文所定义)。
本发明提供粉末层三维打印机，该粉末层三维打印机具有用于收集已经变得悬浮在粉末层三维打印机的构造箱附近的气体大气中的构造粉末的微粒的装置。
本发明的重涂覆器包括构造粉末料斗，该构造粉末料斗适于将构造粉末提供到片状网屏(如该术语在下文中所定义)的顶侧。重涂覆器还包括一个或多个超声换能器，这一个或多个超声换能器适于以约20,000Hz或更高(即，在超声范围内)的频率使片状网屏振动。在一些实施例中，重涂覆器还包括适于辅助构造粉末从料斗流向片状网屏的低频(即，声频)振动器。
与常规的重涂覆器相比，本发明的重涂覆器中的一些重涂覆器提供了可靠的均匀覆盖所需要的减小的最小分配率(如该术语在下文所定义)。例如，一些重涂覆器实施例准许200％作为最小分配率的上限，与针对一些常规的重涂覆器的400％或更大值形成对照。这允许完整的构造箱深度构造，而不使构造箱的收集滑槽或与构造箱相关联的收集滑槽溢出。
优选的重涂覆器实施例的模块化设计允许片状网屏的变化以容纳具有不同的颗粒大小分布、密度和流动特性的粉末。
本发明的一些实施例提供围绕构造箱的周边的局部化的粉尘收集。在粉尘源处或粉尘源附近收集粉尘大大减小机器工作区域内细颗粒的分散，从而大大减少了机器污染。
附图简述
通过参考附图将更好地理解本发明的特征和优点的关键性。然而，应当理解，附图仅出于说明的目的而设计，而不作为对本发明的限制的定义。
图1是由艾克斯温(ExOne)公司制造的商标为
Figure BDA0002379863840000041
的现有技术的粘合剂喷射三维打印机的透视图。
图2是图1的现有技术的粘合剂喷射三维打印机的构造区域部分的平面示意性表示。
图3是安装在支撑台车上的第一重涂覆器实施例的透视侧视图。
图4是图3的重涂覆器的透视仰视图。
图5是沿图3中所示的切割平面5-5截取的图3的重涂覆器的示意性截面侧视图。
图6是图7的重涂覆器的网屏架和片状网屏的顶侧的透视图。
图7是安装在支撑台车上的第二重涂覆器实施例的透视侧视图。
图8是图7的重涂覆器的远离其支撑台车的部分的透视仰视图。
图9是图7的重涂覆器的远离其支撑台车的部分的透视侧视图。
图10是沿图9中所示的切割平面10-10截取的图9的重涂覆器的透视截面侧视图。
图11是第三重涂覆器实施例的透视侧视图。
图12是沿图11中所示的切割平面12-12截取的图11的重涂覆器的截面侧视图。
图13是第四重涂覆器实施例的透视侧视图。
图14是示出在实施例的操作期间，通过由超声换能器驱动的构造粉末穿过片状网屏中的孔而形成的多个构造粉末粒料的形成的照片。
图15A-15C示出孔的大小、分布和形状的可能的变化中的一些，这些变化可以用来抵消机械系统倾向，从而跨床的宽度实现更均匀的分配。
图15A是第一片状网屏实施例的俯视平面图。
图15B是第二片状网屏实施例的俯视平面图。
图15C是第三片状网屏实施例的俯视平面图。
图16A是不锈钢片的示意性平面图，示出了待穿孔并从片切除的多个片状网屏的布局。穿孔图案中的一些在图中指示，而一些未指示。由字母A-J指示的穿孔图案与图16B和图16C中所示的那些相对应。
图16B是在图16A中以A-F指示的穿孔图案的示意性平面图。
图16C是在图16A中以G-J指示的穿孔图案的示意性平面图。
图17是第一粉尘收集系统实施例的示意性截面侧视图。
图18是第二粉尘收集系统实施例的示意性截面侧视图。
图19-23是安装在
Figure BDA0002379863840000051
粉末层三维打印机上的实际粉尘收集系统实施例的一部分的照片。
图19是不具有就位的构造箱或护罩的台板的顶侧的照片。
图20是具有就位的构造箱和护罩的图19的台板的照片。
图21是在台板下方的粉末层三维打印机的壳体的内部的一部分的照片。该视图在台板底部向上看。
图22是粉末层三维打印机的壳体的外部的、排气端口附接到壳体之处的部分的照片。
图23是外部导管连接到的外部粉尘收集单元的照片。
图24是示出实施例的振动控制系统的示意图。
图25A-25F示出实施例的一些优选的孔轮廓的一些片状网屏的示意性截面侧视图。
图25A描绘了具有孔的第一片状网屏，该孔具有直侧壁。
图25B描绘了具有孔的第二片状网屏，该孔具有包括在孔的大约中间高度处汇合的上斜面和下斜面的侧壁。
图25C描绘了具有孔的第三片状网屏，该孔具有包括上斜面、直壁部分和下斜面的侧壁。
图26D描绘了具有孔的第四片状网屏，该孔具有包括在孔的中间高度下方汇合的上斜面和下斜面的侧壁。
图26E描绘了具有孔的第五片状网屏，该孔具有包括在孔的中间高度上方汇合的上斜面和下斜面的侧壁。
图26F描绘了具有孔的第六片状网屏，该孔具有从孔的顶部到底部连续地向内倾斜的侧壁。
优选实施例的描述
在本部分中以足以使本领域技术人员无需过度实验即可实施本发明的程度详细描述了本发明的一些优选实施例。然而，应理解的是，在该部分中描述了有限数量的优选实施例的事实决不以任何方式限制如权利要求书中阐述的本发明的范围。
应理解的是，每当本文描述数值范围时，即，无论是在本部分中还是在本专利文档的任何其他部分中，范围包括其端点和其间的每个点，如同每个和每一个此类点已被明确地描述。除非另有说明，否则如本文中所用的词语“约”和“基本上”应解释为意指与词语“约”或“基本上”修饰的值或条件有关的正常测量和/或制造限制。除非另有明确说明，否则术语“实施例”在本文中用于指本发明的实施例。应理解的是，每当关于任何特定实施例描述特定特征时，在可以可行的范围内将那些特征与关于本文中教导的其他实施例中的任一实施例描述的特征中的任何特征相组合在本发明的范围内。
如上文在背景技术部分中所提及，在利用粉末层三维打印机中来使用精细的构造粉末的领域中的问题包括难以产生均匀的层，减少过量粉末(在稍后定义该术语)的量，以及飘升。本发明的两个重要方面中的每个方面(可以单独使用或与另一个结合使用)解决了这些问题中的一个或多个问题。这些方面分别是改进的重涂覆器和烟羽(plume)收集系统。这些方面将在下面依次讨论。
为简洁起见，下面结合粘合剂喷射三维打印在一些方面描述本发明的改进的重涂覆器和烟羽收集系统。然而，应理解的是，本发明的重涂覆器可与任何类型的粉末层三维打印机一起使用，并且本发明的烟羽收集系统可与在其中在气体大气下进行三维打印的任何类型的粉末层三维打印机一起使用。
在图1和图2中示出了粘合剂喷射三维打印机的示例。图1示出了现有技术的粉末层三维打印机2的透视图，即由美国宾夕法尼亚州北亨廷顿的艾克斯温公司制造的商标为
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的粘合剂喷射三维打印机。打印机2具有封闭的打印站4和连接到打印站4的触摸屏输入控制站6。图2示出了打印站4的构造区域8的平面示意性表示。位于构造区域8中的是重涂覆器10、构造箱12和打印头14形式的成像设备。构造箱10装备有竖直可转位的平台(未示出)，可在该竖直可转位的平台上沉积构造粉末的层以形成打印床，在该打印床中可构造一个或多个所需的三维物品。重涂覆器10适于可控制地在构造箱12上方移动，以便可控制地将各个构造粉末层沉积到打印床上。打印头14适于可控制地在构造箱12上方移动，以便通过将粘合剂喷墨打印到粉末层的预选部分上而选择性地将在形成的三维物品的二维切片的图像赋予位于打印床顶部的粉末层。重复粉末层形成以及随后的图像赋予的序列，直到物品已被形成为止。选择性烧结三维打印机和电子束熔化三维打印机的构造区域和物品构造序列与打印头14类似，在选择性烧结三维打印机的情况下，打印头14被激光系统代替作为成像设备，而在电子束熔化三维打印机情况下，打印头14被电子束系统代替作为成像设备。
改进的重涂覆器
本发明提供了改进的重涂覆器，其具有使用超声振动(20kHz或更大，优选地20kHz至100kHz，并且更优选地30kHz至80kHz)的改进的分配系统和穿孔的片状网屏以实现改善的体积控制和沉积均匀性。为了便于引用，术语“片状网屏”被定义为指由片状材料制成的穿孔的网屏。优选地，通过光蚀刻或激光铣销来完成穿孔，但是可以使用任何机加工方法。重涂覆器还可包括小直径辊和架空干燥或固化设备。尽管如此，使用其他层平滑设备(例如，较大直径的辊和/或刮墨刀片)以及其他干燥或固化设备，或者省去平滑设备、干燥设备和固化设备中的一个或多个在本发明的范围内。重涂覆器的优选实施例的模块化使得改变供应料斗、分配槽的几何形状(宽度和角度)以及片状网屏的孔配置(大小、形状、分布和开口面积百分比)相对容易。
图3-图5图示出第一重涂覆器实施例，即，重涂覆器20，其适于均匀地沉积精细的构造粉末。在附图中示出了重涂覆器20，其安装在具有台板24的支撑台车22上。图3呈现重涂覆器20的透视侧视图。图4呈现重涂覆器20的透视仰视图。图5示出了沿图3中所示的切割平面5-5截取的重涂覆器20的示意性截面侧视图。参考图3-图5，重涂覆器20包括构造粉末供应料斗26、片状网屏28、超声换能器30和低频振动器32。重涂覆器20还包括小直径辊34形式的平滑设备和辐射加热器36形式的干燥设备，这两者分开安装到台车22的台板25。
图6-图10图示出第二重涂覆器实施例，即，重涂覆器40。图6是重涂覆器40的片状网屏42和支撑网屏架44的顶侧(粉末接收侧)的透视图。注意，网屏架44具有任选的斜面46，用于将构造粉末引导到片状网屏42上。斜面46还防止网屏架44和片状网屏42的交界处的外围具有直角边缘和死角区域，如在不包括此类斜面的一些较不优选的实施例的情况下，构造粉末可能会聚集到这些直角边缘和死角区域中。还指示了片状网屏42的跨度S和宽度W。如本文中关于片状网屏所使用，术语“跨度”用于指示片状网屏42的、敞开的以供分配构造粉末的部分的重涂覆器的行进方向上的尺寸，而术语“宽度”用于指示垂直于重涂覆器的行进方向的敞开部分的尺寸。
图7是安装在台车48上的重涂覆器40的透视侧视图。图8是重涂覆器40的一部分的透视仰视图。图9是重涂覆器40的一部分的透视侧视图。图10是沿图9中的切割平面10-10截取的重涂覆器40的一部分的透视截面图。
参考图6-图10，除了已经描述的片状网屏42和支撑网屏架44，重涂覆器40包括构造粉末供应料斗50以及超声换能器52。重涂覆器40还包括反旋转辊组件54形式的平滑设备和辐射加热器56形式的干燥单元，这两者分开安装在台车48上。注意，重涂覆器40通过多个隔振支架62安装到台车48。
料斗50包括构造粉末储集器58和过渡体60。网屏架44附接到过渡体60的底部。储集器58和过渡体60中的至少一个优选地被设计成用于当构造粉末正离开片状网屏42时将质量流提供给构造粉末。考虑到：(a)预选量的粉末被保留在片状网屏42上方的料斗50中，以确保在粉末分配期间通过片状网屏42的均匀的受控输出(“保留的粉末”)，以及(b)“过量粉末”的量，即，超过将构造箱填充到需要被分配以确保完整的层覆盖的所期望的水平所需的量的构造粉末的量，过量粉末优选地通过平滑设备从所分配的层分流到收集结构中以供重复使用，料斗50优选地尺寸经设定以容纳足够的构造粉末来填充粉末床，而无需在打印操作期间将粉末添加到料斗。过量粉末的量(其被表达为在三维打印操作期间待保留在构造箱中的粉末量的百分比)优选地在约10％至300％的范围内，更优选地在约10％至200％的范围内，并且甚至更优选地在约10％至100％的范围内。过量粉末的量在本领域中有时称为“最小分配率”，即使单词“率(rate)”在该上下文中用词不当。
图11和图12图示出第三重涂覆器实施例，即，重涂覆器70。图11是重涂覆器70的透视侧视图。图12是沿图11的切割平面12-12截取的重涂覆器70的截面图。重涂覆器70包括构造粉末料斗72，该构造粉末料斗72包括构造粉末储集器74和过渡体76，片状网屏和架组合78附接至该过渡体76。注意，重涂覆器70包括两个超声换能器，即，第一超声换能器80和第二超声换能器82。第一超声换能器80和第二超声换能器82可以是相同的，或者可以彼此不同。它们可以同时运行、交替运行、重叠运行或单独运行。第一超声换能器80和第二超声换能器82的振动特性可以是相同的，或者可以彼此不同。此类振动特性尤其包括振动幅度、频率、频率范围、频率范围变化周期和占空比。
应理解的是，本发明的料斗可以具有除先前附图中所示的那些以外的配置。在一些实施例中，过渡体适于相对于水平面以约20度至70度的范围内，更优选地在约30度至50度的范围内的角度来定位网屏。图13示出了此类重涂覆器实施例，即，重涂覆器100。重涂覆器100具有构造粉末供应料斗102和超声换能器104。料斗102包括构造粉末储集器106和过渡体108，片状网屏和架组合110以相对于水平面的一定角度附接到该过渡体108。
应理解的是，在本发明的一些实施例中，超声换能器能以与先前附图中所示不同的方式来定位。超声换能器水平地定位，或与水平方向成任何角度定位，或与重涂覆器行进方向成任何角度定位，或上述定位方式的任何组合在本发明的范围内。优选地，超声换能器被定位成将具有水平分量和竖直分量两者的振动施加到片状网屏，其中这两个分量都在与重涂覆器的行进方向平行的平面内。更优选地，振动的水平分量和竖直分量的幅度在彼此的约50％内，并且更优选地在彼此的约20％内。
本发明的构造粉末分配系统(即，重涂覆器)显著地减少了在三维打印工艺期间需要分配到粉末床上的粉末量。使用这些系统，需要分配的最大粉末量优选地不超过变成被包含在粉末床中的构造粉末量的两倍(200％)，即，过量粉末量为100％。例如，如果层需要2.0克的构造粉末，则将需要分配不超过4克以确保可靠的层覆盖。相比之下，先前的系统需要分配变成被包含在粉末床中的四倍(400％)或更多倍的粉末，即，过量粉末量为300％。本发明的重涂覆器使得在用粉末层三维打印机构造物品期间避免使围绕构造箱的过量粉末收集滑槽溢出成为可能。
粉末供应料斗优选地被设计成保持足够的构造粉末，使得不必在三维打印操作期间向料斗添加构造粉末，且不必为了向料斗中添加构造粉末而停止三维打印操作。在一些情况下，料斗将保持足以以200％的最小分配率执行完整的构造的一定体积的构造粉末，即，其中每个层所需要的构造粉末的量的两倍的量被分配用于该层，再加上确保通过片状网屏的可控的构造粉末分配所需的保留的粉末的量。应理解的是，粉末供应料斗可以保持比本段中先前所描述的量更少量的粉末，并且可以在粉末层三维打印物品构造工艺的操作期间将构造粉末添加到粉末供应料斗。
重涂覆器实施例使用超声换能器(在本领域中也称为“超声压电转换器”或“超声振动器”)来使构造粉末移动通过片状网屏的孔。在一些情况下，超声振动系统可扩充有声频机械振动系统。
应理解的是，如本文中所用的术语“超声换能器”除了包括产生超声振动的电子单元之外，还包括用于电子设备的支撑结构、连接部分(本领域中有时称为“喇叭”)以及用于操作电子单元的控制系统。超声换能器可以被选为提供基本恒定的频率输出的类型，或者提供周期性扫过频率范围的类型，或者跨频率范围以其他方式利用频率的类型。例如，已发现扫过从约34kHz至37kHz的频率范围的超声换能器类型对于具有9微米dso颗粒大小的球形合金316不锈钢粉末特别有效，因为该超声换能器类型提供了出于意料的一致的粉末流。不旨在受限制，据推测，扫过频率范围有助于在料斗显影时中止料斗中构造粉末的挂料(bridging)，或通过移动与超声波相关联的波节和波腹的位置来首先防止否则将伴随着恒定频率的施加而发生的挂料发生。
超声振动的施加可以恒定的振幅或变化的振幅进行。
在一些实施例中，超声换能器包括电子设备，这些电子设备结合了一次性或周期性自动调谐，用于调整输出振动的频率和振幅中的至少一个以实现所需水平的构造粉末流或所需水平的通过片状网屏的构造粉末流一致性。
施加超声振动以引发并继续使构造粉末流过片状网屏的预料不到的益处在于，振动可松散地使粉末在网屏的孔内压紧在一起，使得构造粉末以具有挤出原木的外观的形式离开孔，随着包含多个构造粉末颗粒的粒料落到粉末床上，构造粉末的底部由于重力和/或振动而折断，在粉末床处，料粒在碰撞时粒料可能破碎，或可能不破碎。这些是如上文所定义的构造粉末粒料。该预料不到的压紧大大地防止了构造粉末粒料的落下的细粉在它们落到粉末床期间在空气(或其他气体)流中被捕获，从而大大减少了通常与分配细粉相关联的飘升量。图14是示出通过由超声换能器驱动的构造粉末穿过片状网屏116的孔(例如，孔114)而形成的多个构造粉末粒料112的形成的照片。在该附图中可见的螺栓头118是螺栓118的螺栓头，通过该螺栓118的螺栓头，片状网屏116附接到该片状网屏116的框架并附接到重涂覆器的其余部分，该螺栓118的螺栓头是重涂覆器的一部分。注意，孔中的靠近片状网屏116的边缘的一些孔(例如，孔114)被掩蔽而免于暴露于构造金属粉末，因此没有通过这些孔离开的构造粉末粒料。还注意，构造粉末粒料112中的一些构造粉末料粒在该照片中显得模糊，因为在拍摄此照片时，这些构造粉末料粒移出并远离相机的对焦区域。
改进的精细的构造粉末重涂覆器实施例包括至少一个超声换能器，用于使构造粉末移动通过片状网屏的穿孔。如下所述，在一些实施例中，超声振动系统扩充有低频振动系统。
片状网屏可以由具有对于应用而言必要的振动响应、耐用性、以及被蚀刻、或被激光束处理或以其他方式穿孔的能力的任何材料制成。优选地，片状网屏由不锈钢制成，并且更优选地由非磁性奥氏体(austenitic)不锈钢制成。片状网屏的厚度选择为在约0.1127mm(0.0005英寸)与约0.762mm(0.030英寸)之间，并且更优选在约0.0254mm(0.001英寸)与0.2032mm(0.008英寸)之间。片状网屏的使用允许对所分配的构造粉末的体积和跨构造床的分配均匀性的更严格的控制。片状网屏的重要特性包括孔的大小、形状和分布、以及网屏的敞开面积总百分比、以及孔之间的片(即，“陆地区域(land area)”)的形状和大小。如下文所讨论，在图15A中标识了陆地区域的示例。
尽管可以使用具有相同大小和形状的、跨网屏的表面均匀地分布的孔的网屏，但是优选地，孔大小、孔形状、孔分布、网屏敞开区域和陆地区域中的一个或多个被配置成用于抵消(如通过使用均匀的滤网代替片状网屏所确定的)重涂覆器的机械系统的倾向(这尤其可能是由于局部化的共振和刚度变化)，以在跨网屏的宽度的一些区域中比在其他区域中分配更多。为了易于参考，此类机械倾向将用术语“局部振动变化”来指代。在图15A-图15C中给出的片状网屏孔图案的示例图示了孔大小、分布和形状的可能的变化中的一些，这些可能的变化可以用来抵消局部振动变化，从而跨床的宽度实现更均匀的分配。
优选地将片状网屏呈现给在狭窄的分配槽中馈送到该片状网屏上的构造粉末，以限制来自重涂覆器的粉末的流速并提供对所分配的粉末量的控制。片状网屏的宽度(参见图6尺寸W)优选地延伸以覆盖整个构造箱填充区宽度，使得仅需要进行一遍。然而，在一些实施例中，片状网屏宽度具有较短的宽度，因此需要使用多遍以覆盖整个构造箱填充区。优选地将片状网屏的跨度(参见图6中的尺寸S)选择为不长于避免在重涂覆器的料斗中的构造粉末挂料所需的跨度。可以使用更长的跨度，但是使跨度最小化增强了对正在通过片状网屏从重涂覆器分配的构造粉末量的控制。
现在参考图15A和图15B，分别示出了用于在重涂覆器实施例中使用的实施例片状网屏，第一片状网屏120和第二片状网屏122的示意性俯视平面图，其中局部振动变化使由常规网屏分配的粉末量跨床宽变化，从中心的高的量变化到边缘处的较小的数量。第一片状网屏120和第二片状网屏122两者均具有圆形孔。第一片状网屏120的孔从中心处(例如，第一中心孔124)的小直径变化到外边缘附近(例如，第一边缘孔126)的大直径，并且与这些孔相邻的陆地区域(例如，第一陆地区域128)相对于相邻的孔大小变化。第二片状网屏122的孔(例如，第二中心孔130和第二边缘孔132)都具有相同的大小，但是在片状网屏的中心附近的相邻的陆地区域(例如，第二陆地区域134)比在边缘附近的相邻的陆地区域更大。
现在参考图15C，示出了分别具有正方形孔和矩形孔(例如，第三中心孔138和中间孔140)的第三片状网屏136的示意性俯视平面图。第三片状网屏136被设计成用于在重涂覆器中使用，其中局部振动变化使由常规网屏分配的粉末量跨床宽变化，从中心处和外边缘附近的高的量变化到在中间区域中较小的量。如图所示，改变孔的形状以增加局部振动变化将导致从常规网屏分配的粉末量减少所在的区域中的敞开区域的相对量。例如，将第三中心孔138与第三中间孔140进行比较。
现在参考图16A，示出了不锈钢的片150的示意性平面图，其示出了将从片150穿孔并切除的多个片状网屏(例如，具有图案A的片状网屏152)的布局。穿孔图案中的一些(即，图案A-J)在图中被指示，而一些未被指示。穿孔图案A-J的说明性部分在图16B和图16C中示出。在那些图中，未加括号的尺寸以毫米为单位给出，而加括号的尺寸以英寸为单位给出。图案A-J包括各种孔形状、组合和布置。应理解的是，尽管为了易于说明，图案A-J中的每个团仅包括一个孔形状，但是单个片状网屏包括多个不同的孔形状在本发明的范围内。
参考图16C，注意那些实施例中的穿孔中的每个穿孔包括一个或多个尖齿，例如尖齿154。不旨在受限制，人们相信在片状网屏超声振动时，尖齿增强了对构造粉末的刺激，从而增强了其流动。
本发明的片状网屏的另一个特性是待使构造粉末穿过的穿孔中的每个穿孔的轮廓。图25A-图25F是示出一些优选的孔轮廓的片状网屏的示意性截面侧视图。片状网屏(例如，图25A的第一片状网屏280)中的每个片状网屏在这些附图中被描绘成使得其顶侧(例如，第一片状网屏280的顶侧282)面向附图页的顶部，并且其底侧(例如，第一片状网屏280的底侧284)面向附图页的底部。
要注意的是，尽管为了方便起见，在图25A-图25F中所有表面交界处均示出为锐减，并且所有孔侧壁表面均示出为是平面的，但是此类交界处和表面可以是圆角的。同样，尽管所有孔的轮廓均示出为关于孔的贯穿中心线对称，但是在孔的贯穿中心线的任一侧上具有不同轮廓的孔也在本发明的范围内。还应注意，片状网屏可以具有拥有相同孔轮廓或任何数量的不同孔轮廓的孔。
再次参考图25A-图25F。在图25A中，第一片状网屏280的孔286具有直侧壁，例如，第一侧壁288。在图25B中，第二片状网屏290被示出为具有孔292，该孔292具有第一侧壁294，该第一侧壁294包括在孔292的约中间高度处汇合的上斜面296和下斜面298。在图25C中，第三片状网屏300被示出为具有孔302，该孔302具有第一侧壁304，该第一侧壁304包括三个部分，即，上斜面306、直壁部分307和下斜面308。在图25D中，第四片状网屏310被示出为具有孔312，该孔312具有第一侧壁314，该第一侧壁314包括在孔312的中间高度下方汇合的上斜面316和下斜面318。在图25E中，第五片状网屏320被示出为具有孔322，该孔322具有第一侧壁324，该第一侧壁324包括在孔322的高度上方汇合的上斜面326和下斜面328。最后，在图25F中，第六片状网屏300被示出为具有孔332，该孔332具有第一侧壁334，该第一侧壁334从孔332的顶部到底部连续地向内倾斜。
除了包括超声换能器之外，一些实施例还包括低频振动器。一个此类实施例是重涂覆器20，该重涂覆器20在图3-图5中图示出且如上文所讨论。参考那些附图，重涂覆器20包括超声换能器30和低频振动器32。在这些实施例中，施加到粉末料斗的低频振动和施加到片状网屏的超声频振动的组合对于提供对构造粉末分配的良好控制是重要的。
同样重要的是对这两种类型的振动的施加的定序。这两种类型可以在分配构造粉末期间同时施加，并且两种类型连续地施加。还发现首先施加短持续时间(例如，0.5秒至2秒)的低频振动，然后连续施加超声振动是有利的。结合使用两种类型的振动的组合的优点在于，可以使构造粉末从料斗流动而不挂料，并且构造粉末作为构造粉末粒料而不是多个单个的粉末颗粒的形式通过片状网屏的开口，因此防止或减少了被气流夹带并作为粉尘烟羽被带走的细粉的出现。
图24是示出重涂覆器实施例的振动控制系统260的示意图。振动控制系统260包括振动控制单元262，该振动控制单元262与至少一个超声换能器(例如，超声换能器264)和至少一个低频振动器(例如，低频振动器266)可操作地连通(如虚关系线所指示)。超声换能器264和低频振动器266分别可操作地连接到粉末层三维打印机的片状网屏268和构造粉末料斗270(如实关系线所指示)。振动控制单元262可以是粉末层三维打印机的的总体控制系统的部分，或者可与粉末层三维打印机分开。振动控制单元262适于使超声换能器和低频振动器以上述方式中的任何方式操作。
当被使用时，可以由电机驱动的偏心轴承系统(例如，图3的低频振动器32)在该系统中提供低频振荡，但是可以使用其他低频振动设备。此类低频设备的振动可以电子地、气动地和/或机械地生成。低频振动通过消除或克服料斗中潜在的挂料或拱起条件而在料斗内引起和/或增强构造粉末流。
片状网屏优选地安装在架中，该架进而附接到构造材料料斗上的所选位置。如上文所讨论，在图6中示出此类布置的示例，其中片状网屏42被安装在架44中。在一些实施例中，片状网屏被夹持在架的顶部与底部之间。螺栓可用于提供夹紧力，并且优选的是，例如，通过将夹持螺栓中的每个夹持螺栓调整到相同的扭矩水平并交替螺栓的拧紧顺序，将夹持张力均匀地施加到网屏。这些螺栓可以与可用于将架附接到料斗的螺栓相同或不同。可替代地，可以使用粘合剂将网屏接合到架。优选的粘合剂是来自乐泰(Loctite)的被称为Ablestick 215的两部分环氧树脂，。焊接或铜焊也可用于将片状网屏接合到架，但在此类接合操作期间必须小心以避免使部件翘曲。优选地，片状网屏安装在架内的凹口中，该凹口深度与片状网屏的厚度大致相同或略大于片状网屏的厚度。
片状网屏架可以通过任何固定方式(例如，通过螺栓、夹具、粘合剂)附接到料斗。(例如，通过焊接或铜焊)将所有网屏架的或网屏架的一部分永久性地固定到料斗也在本发明的范围内，只要能以准许将一个片状网屏更换为另一片状网屏的方式将片状网屏附接到网屏架。例如，网屏架可以具有被永久地固定到料斗的上部以及可以被移除的下部，以准许被保持在这两个部分之间的片状网屏被移除和更换。
使用不锈钢和碳化硅细粉已成功评估了一些重涂覆器实施例。这些粉末包括dso为9.5微米的316L以及dso为11微米和dso为5微米的碳化硅粉末。还发现系统的一些方面对较大的粉末(即，dso为30微米的不锈钢粉末)起作用。
从片状网屏的底部到粉末床表面的距离可以是任何期望的距离。在一些实施例中，优选的是使距离最小化，以便减少可能由于床碰撞使粒料破碎而产生的飘升量。
粉尘收集系统
本发明的第二方面是改进的粉尘收集系统，其在粉末层三维打印工艺期间，在紧密地围绕构造箱的区域中使已经变得悬浮在气体大气(例如，空气)中的细颗粒的收集局部化。尽管本发明的粉尘收集系统可用于在其中在气体大气下进行三维打印的任何类型的粉末层三维打印机，但为简洁起见，在随后的讨论中将提及的仅有的大气气体是空气。
粉尘收集系统的实施例被设计成用于从构造箱的周边吸取空气，并使空气向下穿过粉末层三维打印机的台面板。空气通过粉末层三维打印机的外壳部分(即，壳体)被排出到外部粉尘收集器。应理解的是，当在任何实施例中使用之前，应当对构造粉末的过滤要求进行审查，以确定可能与构造粉末相关联的相关环境健康和安全问题。一些标准的粉尘收集器具有对0.3微米(1.181x10-5英寸)或更大的颗粒的高达99.97％的HEPA过滤。对于颗粒大小小于HEPA过滤可收集的粉末，更积极的过滤是必要的。
图17和图18是示意性侧视截面图，其图示出粉尘收集系统实施例。图17示出了第一粉尘收集系统160。第一粉尘收集系统160包括被封闭在壳体164中的第一粉末层三维打印机打印站162。壳体164具有一个或多个空气泄漏(例如，围绕其盖168的未密封间隙166)，空气可通过该空气泄漏被吸取到由壳体164封闭的空间中。
在壳体164内部的是台板170和重涂覆器174，该台板170支撑构造箱172，该重涂覆器174周期地将构造粉末分配到构造箱172中。台板170具有多个贯穿通道,例如，通道176，这些贯穿通道在台板170的顶侧与底侧上的大气之间提供流体连通。靠近并且优选地附接到台板170的底部是集气室178，该集气室与通道的底侧流体连通。集气室178还与第一排气管道180流体连通，该第一排气管道180延伸到壳体164中的排气端口182。外部管道184在排气端口182的外侧与第一外部粉尘收集单元186之间延伸。第一外部粉尘收集单元186包括微粒过滤器188、用于将经过滤的空气排回到第一粉尘收集单元186外部的大气中的第二排气管道190、以及真空源192。
从重涂覆器174分配构造粉末可使构造粉末中的一些构造粉末进入围绕构造箱170的壳体内部的大气194中，即，飘升。飘升的另一来源可以是将平滑设备(未描绘)施加到被包含在构造箱172内的构造粉末床的顶部。飘升的另一来源可以是在填充重涂覆器174期间将构造粉末转移到重涂覆器174中。
在第一粉尘收集系统160的操作期间的气流在图17中由细箭头(例如，箭头196)描绘。当操作第一外部粉尘收集单元186时，从粉末层三维打印机162的外部通过壳体164中的泄漏(诸如，间隙166)将空气吸取到壳体164的内部中。在壳体164的内部，空气与大气192中充满粉末的空气混合或夹带大气192中充满粉末的空气，然后空气被吸取通过通道(例如，通道176)而进入集气室178中。空气通过排气管道180离开集气室178，然后通过排气端口182而进入外部管道184中，并从外部管道184进入到第一外部粉尘收集单元186中。随着空气随后通过颗粒过滤器188，颗粒过滤器188(在其能力范围内)从空气中去除空气携带的粉末颗粒。然后，经净化的空气经由排气管道190排出到第一粉尘收集单元188外部的大气中，或者可以被进一步处理、收集和/或排出。
现在参考图18，在图18中描绘的第二粉尘收集系统200与上文所讨论的第一粉尘收集系统160相同，例外在于关于以下特征。第二粉末层三维打印机打印站204的壳体202在其盖(未描绘)周围不具有空气可通过其进入壳体202的内部大气中的未密封的间隙。相反，提供了具有多个通风口(例如，第一通风口206A和第二通风口206B)的壳体202，这些通风口被设计成允许空气到壳体202内部的空间中。此类通风口可包括过滤器，以防止微粒物进入或离开粉末层三维打印机，并且可具有单向阀，使得空气可以通过这些单向阀进入壳体202中，但不能通过这些单向阀离开壳体202。第二粉尘收集系统200包括围绕构造箱210的护罩208，以便产生在构造箱周围的环形空间212，该环形空间212与穿过台板214的通道(例如，通道216)流体连通，这些通道与台板214的顶侧与底侧上的大气以及集气室218流体连通。优选地，环形空间212位于构造箱210的顶部附近或旁边，以便在空气有机会从构造箱210的附近迁移出去之前更高效地从构造箱210的附近吸取载有颗粒的空气。
当操作第二粉尘收集系统200的第二外部粉尘收集单元220时，将空气从粉末层三维打印机200的外部通过通风口206A、206B吸取到该粉末层三维打印机200的壳体202的内部中。也将空气从台板214的顶侧通过环形空间212吸取到通道(例如，通道214)中，然后吸取到集气室218中。从集气室218，空气以与上述针对第一粉尘收集系统160的相应元件描述的相同的方式从壳体202流出并进入和通过外部粉尘收集单元220。
图19-图23是安装在
Figure BDA0002379863840000181
粉末层三维打印机228上的实际粉尘收集系统实施例的部分的照片。图19和图20分别示出了没有就位的构造箱232或护罩234以及具有就位的构造箱232或护罩234的台板230的顶部。台板230包括多个通道(例如，通道236)，这些通道与台板230的顶侧与底侧上的大气流体连通。注意，构造箱232的底部密封了台板232的由虚线矩形238包围的部分。护罩234和构造箱232在它们之间产生与构造箱232的顶部相邻的环形空间240，通过该环形空间240可以从构造箱232周围吸取空气并使空气通过通道(例如，通道236)。图21示出了在台板230下方的粉末层三维打印机228的壳体242的内部的一部分的示意图。该视图在台板230的底部向上看。在该照片中可以看到集气室244的、与穿过台板230的通道流体连通的一部分。附接到集气室244的是排气管道246，该排气管道246与集气室244的内部流体连通。图22示出了粉末层三维打印机228的外部的、排气端口248被附接到壳体242之处的部分。尽管未在附图中示出，但是排气端口248还延伸通过壳体242，在壳体242处该排气端口248附接到排气管道246。在操作中，外部管道(图22中不存在)将被附接到排气端口248的外侧，以将离开排气端口248的空气输送到外部粉尘收集单元。图23示出了外部管道252连接到的外部粉尘收集单元250。尽管在该附图中不可见，但是外部管道252连接到粉末层三维打印机228的排气端口248。
本发明还包括通过粉末层三维打印制造三维物品的方法。一些实施例方法包括从超声振动的片状网屏分配构造粉末的步骤。一些实施例方法包括在构造粉末被分配时将该构造粉末造粒的步骤。一些方法实施例包括如上所述的在三维构造工艺期间将低频振动施加到重涂覆器料斗的步骤。
一些实施例方法包括在三维打印工艺期间的上述粉尘收集系统的实施例的操作。一些实施例包括在三维打印工艺期间从超声振动的片状网屏分配构造粉末的步骤、以及粉尘收集系统的实施例的操作。
尽管本文中所述的本发明的装置和方法在与精细的构造粉末一起使用时特别有益，但是应理解的是，本发明的范围包括将此类装置和方法与任何大小的构造粉末一起使用。
虽然已示出和描述了本发明的仅一些实施例，但是对于本领域技术人员将显而易见的是，可对本发明进行许多改变和修改而不背离如在权利要求书中所描述的本发明的精神和范围。本文中所标识的所有美国专利和专利申请、所有外国专利和专利申请以及所有其他文档均通过引用并入本文，就如同在法律允许的最大范围内完整阐述于此。

Claims (20)

1.一种粉末层三维打印机(2)，包括：重涂覆器(20)，所述重涂覆器(20)具有：片状网屏(28)，所述片状网屏(28)具有多个穿孔(126)以及第一侧和第二侧；超声换能器(30)，所述超声换能器(30)适于使所述片状网屏(28)振动；以及料斗(26)，所述料斗(26)适于将构造粉末提供给所述片状网屏(28)的第一侧，其中当所述超声换能器(30)使所述片状网屏(28)振动时，来自所述料斗(26)的构造粉末经由所述穿孔(126)从所述片状网屏的第二侧被分配。
2.如权利要求1所述的粉末层三维打印机(2)，其中当所述超声换能器(30)使所述片状网屏(28)振动时，来自所述料斗(26)的构造粉末经由所述穿孔(126)从所述片状网屏的第二侧被分配为构造粉末粒料(112)。
3.如权利要求1所述的粉末层三维打印机(2)，其中所述料斗(26)适于将构造粉末的质量流提供到所述片状网屏的第一侧。
4.如权利要求1所述的粉末层三维打印机(2)，其中所述料斗(26)包括上部分(58)和靠近所述片状网屏(28)的下部分(60)，所述下部分(64)和所述上部分(58)被互连以形成连续的储集器。
5.如权利要求1所述的粉末层三维打印机(5)，进一步包括片状网屏架(参见78和110)，所述片状网屏架(参见78和110)具有第一侧、第二侧以及在第一侧与第二侧之间延伸的孔口，其中所述片状网屏(28)附接到所述片状网屏架(参见78和110)，使得所述片状网屏(28)的所述穿孔(126)中的至少一些穿孔与所述孔口流体连通。
6.如权利要求5所述的粉末层三维打印机(2)，其中所述片状网屏(28)通过粘合剂接合到所述片状网屏架(参见78和110)。
7.如权利要求1所述的粉末层三维打印机(2)，其中所述片状网屏的第二侧以与水平面成20度与70度之间的角度来定位。
8.如权利要求1所述的粉末层三维打印机(2)，其中所述超声换能器(30)定位成与水平面成一定角度，从而能够将具有水平分量和竖直分量两者的振动施加到所述片状网屏(28)。
9.如权利要求1所述的粉末层三维打印机(2)，其中所述超声换能器(30)适于在所述超声换能器(30)的操作期间扫过频率范围。
10.如权利要求1所述的粉末层三维打印机(2)，其中所述片状网屏(28)的所述穿孔(126)的大小、形状和分布中的至少一个改变，以减少所述重涂覆器(20)否则将由于局部振动变化而不得不非均匀地分配构造粉末的任何趋势。
11.如权利要求1所述的粉末层三维打印机(2)，其中所述穿孔(126)中的至少一个穿孔具有包括至少一个尖齿(154)的孔形状。
12.如权利要求1所述的粉末层三维打印机(2)，进一步包括适于将振动施加到所述料斗(26)的低频振动器(32)。
13.如权利要求12所述的粉末层三维打印机(2)，进一步包括振动控制器(262)，所述振动控制器(262)与所述超声换能器(30)和所述低频振动器(32)可操作地连通，并适于使所述超声换能器(30)和所述低频振动器(32)以同时和非同时中的至少一种方式进程操作。
14.如权利要求1所述的粉末层三维打印机(2)，进一步包括适于承载所述重涂覆器(20)的台车(22)。
15.如权利要求1所述的粉末层三维打印机(2)，其中所述重涂覆器(20)进一步包括平滑设备(34)、干燥设备(36)和固化设备中的至少一个。
16.如权利要求1所述的粉末层三维打印机(2)，进一步包括：壳体(164)，包围具有气体大气的空间；水平设置的台板(170)，将所述空间划分成上部分和下部分；构造箱(172)，定位呈靠近所述台板(170)并且至少在空间的所述上部分的一部分中；穿过所述台板(170)的多个通道(176)，定位成围绕所述构造箱(172)并且提供空间的所述上部分与所述下部分之间的流体连通；集气室(178)，位于空间的所述下部分中并且与所述通道(176)流体连通；排气管道(180)，与所述集气室(178)流体连通；以及粉尘收集单元(186)，位于所述壳体(164)外部并且包括均与所述排气管道(180)流体连通的受控的真空源(192)和过滤器(188)两者，其中当操作所述真空源(192)时，在空间的所述下部分中的所述气体大气中的气体中的至少一些气体被吸取通过所述通道(176)并且通过所述过滤器(188)。
17.如权利要求16所述的粉末层三维打印机(2)，进一步包括护罩(208)，所述护罩(208)围绕所述构造箱(172)并在所述护罩(208)与所述构造箱(172)之间形成环形空间(212)，所述环形空间(212)在空间的所述上部分与所述通道(176)之间提供流体连通。
18.如权利要求16所述的粉末层三维打印机(2)，其中所述壳体(164)具有至少一个通风口(206A)，所述至少一个通风口(206A)在空间的所述上部分中的气体大气与所述壳体(164)外部的大气之间提供流体连通。
19.一种三维打印物体的方法，包括从超声振动的片状网屏(28)分配构造粉末的步骤。
20.如权利要求19所述的方法，包括在所述构造粉末正在被分配时将所述构造粉末造粒的步骤。
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