CN111163882A - 用于积层制造的选择性粉末输送 - Google Patents

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阿耶·M·乔希
卡西夫·马克苏德
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Abstract

用于积层制造的分配系统包括含有用以形成物体的粉末的粉末源和定位于在待形成的物体的压板的顶表面之上的粉末源的基部处的喷嘴阵列。粉末从粉末源通过喷嘴流到顶表面。每个喷嘴中的相应粉末轮控制粉末的流速。每个轮在轮的表面上具有多个槽。当马达使轮转动时，槽将粉末输送通过喷嘴。轮的转速控制流速。对于物体的实心部分而言，轮旋转并允许粉末沉积在顶表面上。对于物体的空的部分而言，轮保持静止以防止粉末流到表面。

Description

用于积层制造的选择性粉末输送
技术领域
这份说明书关于积层制造，也称为3D印刷。
背景技术
积层制造(AM)(也称为固体自由形式制造或3D印刷)是指通过将原材料(如，粉末、液体、悬浮液或熔融固体)连续分配到两维层中来构建三维物体的制造处理。相反地，传统的机械加工技术涉及消去处理，其中自原料(如，木块、塑料块或金属块)切割出物体。
多种积层处理可在积层制造中使用。一些方法(如，选择性激光熔化(selectivelaser melting；SLM)或直接金属激光烧结(direct metal laserSintering；DMLS)、选择性激光烧结(selective laser sintering；SLS)、熔融沉积建模(fused depositionmodeling；FDM))熔化或软化材料以产生层，而其他方法使用不同技术(如，立体光刻(stereolithography；SLA))来固化液体材料。这些处理可能在形成层以产生最终物体的方式上和在处理中使用的兼容材料上不同。
AM系统通常使用能量源来烧结或熔化粉末材料。一旦第一层上的所有选定位置被烧结或熔化并接着再固化，就在完成的层的顶部沉积新的粉末材料层，且逐层重复该处理，直到产生所期望的物体。
发明内容
分配系统在积层制造处理中分配粉末。分配系统包括含有用以形成物体的粉末的粉末源。分配系统进一步包括位于粉末源的基部处的喷嘴阵列。喷嘴阵列布置成一排或多排，所述喷嘴以组合的方式跨越待形成物体的压板的顶表面的宽度。粉末从粉末源通过喷嘴流到顶表面。每个喷嘴中的相应粉末轮控制通过喷嘴的粉末的流速。每个轮在轮的表面上具有多个槽。当马达使轮转动时，槽将粉末输送通过喷嘴。轮的转速控制流速。对于物体的实心部分而言，轮旋转并允许粉末沉积在顶表面上。对于物体的空的部分而言，轮停止以防止粉末流到表面。
在一个方面中，分配系统包括粉末源、喷嘴阵列和粉末轮阵列。分配系统是积层制造设备的部件，配置成由粉末在压板上形成物体。粉末源配置成将待分配的粉末保持在压板的顶表面上。喷嘴阵列耦接到粉末源。喷嘴阵列以连续地跨越顶表面的宽度的至少一部分的布置定位。每个喷嘴为粉末从粉末源流到压板的顶表面提供相应的路径。每个粉末轮定位在喷嘴的相应路径中，并连接到相应的马达。每个粉末轮在轮的表面上具有多个槽，槽配置成当粉末轮通过马达旋转时，将粉末从粉末源通过相应的路径输送到顶表面。对于物体的实心部分而言，粉末轮旋转以允许粉末从粉末源流到顶表面。对于物体的空部分而言，粉末轮保持静止以防止粉末从粉末源流到顶表面。
所公开的技术可包括以下特征的一个或多个。粉末源可为料斗，料斗包括沿着粉末源的宽度的桨轮或搅拌器。桨轮或搅拌器可配置成将粉末均匀地分布在料斗中穿过喷嘴。桨轮或搅拌器可具有可调整的转速。桨轮或搅拌器的转速和几何形状可控制粉末穿过喷嘴的分布均匀性。粉末源可包括测力计，测力计配置成检测粉末源中的粉末水平并将粉末水平提供给显示设备或控制装置。
喷嘴可布置成单排或多个交错排。喷嘴可定位在粉末源的下部(如，基部)。喷嘴阵列可为沿着压板的顶表面的长度而对齐的多个喷嘴阵列的一个阵列。
分配系统可包括间距调整器，间距调整器配置成调整喷嘴阵列的间距。调整间距可改变物体的空间分辨率。分配系统可包括高度调整器，高度调整器配置成调整在喷嘴的开口到顶表面间的距离。与调整间距类似，调整距离可改变物体的空间分辨率。
每个粉末轮可定位在相应喷嘴的入口和出口之间。每个粉末输送轮上的每个槽可基本上平行于轮的轴线。在各种实施方案中，喷嘴的开口可具有各种几何形状。几何形状可包括(例如)圆形、矩形、三角形或细长槽。
驱动粉末轮的每个马达可为通过相应的步进驱动器电路而控制的步进马达。每个步进马达可具有可变的转速。调整转速会改变粉末的流速。例如，当转速为零时，流速为零。通常，较高的转速对应于较高的流速。粉末轮的每一个可耦接到转速计，转速计配置成检测停转状态。
分配系统可包括冷却板和粉末源，冷却板安装在喷嘴的基部处。冷却板配置成保持喷嘴的恒定操作温度。分配系统可包括辊轮和叶片组件，辊轮和叶片组件配置成使用叶片整平在压板的顶表面上的粉末并使用辊轮压实在顶表面上的粉末。分配系统可包括外壳。外壳容纳粉末源、喷嘴和粉末轮。外壳可填充有循环的惰性气体，如，氮气、氦气或氩气。惰性气体可将氧气排除在阈值水平以下。
前述的优点可包括(但不限于)以下内容。与传统的粉末分配系统相比，所公开的技术更有效。传统的干粉重涂不能提供空间选择性分配和分层，以在金属3D印刷系统中的粉末床上形成均匀区域。在传统的3D印刷机中，在散布之前在叶片重涂器或辊轮的前面提供粉末池。传统重涂设置的缺点是每次重涂处理的粉末的过量使用。过量使用会增加使后续再生粉末曝露于飞溅物、金属冷凝物、烧结现象、氧气污染、结晶性能的潜在变化等的可能性。这些效果已直接影响粉末的流动性、融合行为和最终部分的质量。
所公开的具有散布及/或压实的选择性粉末分配方式允许根据需要分配粉末。所公开的“按需分配”方式仅在必要时分配粉末，以在粉末床上形成所期望的构建区域。
因此，可提高形成物体的效率及积层制造的总生产量。所公开的分配系统可包括若干路径，粉末可通过这些路径平行地分配到积层制造设备的平台上。可独立地控制这些多个可用路径，使得可控制粉末在构建平台上的放置。因此，分配系统可仅将粉末分配到需要粉末的地方。所公开的技术可因此减少或避免浪费在积层制造中使用的昂贵材料，如，金属粉末，从而节省成本。此外，所公开的技术可确保高质量的重涂层，从而导致更均匀的粉末层厚度和压实度。所公开的技术可允许在各种激光条件下更可预测的粉末融合，这可导致最终产品的更好质量。
在附图和以下的实施方案中阐述了这份说明书中描述的标的的一个或多个实施方案的细节。根据说明书、图和权利要求书，其他潜在的特征、方面和优点将变得显而易见。
附图说明
图1A是积层制造设备的示例的示意性侧视图。
图1B是图1A的积层制造设备的示意性顶视图。
图2显示了积层制造设备的示例性分配系统。
图3是示例性分配系统的顶视图。
图4A是示例性分配系统的示例性料斗轮组件的前透视横截面图。
图4B是图4A的分配系统的侧透视横截面图。
图5显示了示例性粉末轮。
图5A和5B图显示了替代的粉末轮。
图6显示了喷嘴中的粉末轮的示例布置。
图7显示了示例性分配系统的部件。
图8显示了整合粉末源和喷嘴阵列的示例性组件。
图9A是示例性粉末源组件的横截面图。
图9B和9C显示了示例性桨轮、齿轮箱和驱动机构。
图10A是示例性辊轮和叶片组件的顶视图。
图10B是示例性辊轮和叶片组件的底视图。
图11是使用选择性粉末输送的积层制造的示例性处理的流程图。
各图中类似的元件符号和名称表示类似的元件。
具体实施方式
积层制造(AM)设备可通过在构建平台上分配和融合连续的粉末层来形成物体。期望控制在构建台上分配粉末的构建台上的区域。可控制的分配器可允许控制物体的几何形状，或仅仅用以避免在构建平台的不支撑物体的区域中分配粉末，从而减少粉末的消耗。
这份说明书中描述的分配系统可包括可控制和可移动结构，使得设备能够选择性地将粉末分配在构建平台(也称为压板)上。任选地，分配系统的可控制和可移动结构还能够控制粉末分配速率，对于局部和精确分配而言，可选择低粉末分配速率，或对于高产出分配而言，可选择高分配速率。
积层制造设备
图1A显示了示例性积层制造(AM)设备100的示意性侧视图，积层制造(AM)设备100包括用于在构建操作期间分配粉末以形成物体的分配系统。设备100包括印刷头102和构建平台104(如，构建台)。印刷头102分配粉末106，并且任选地融合分配在平台104上的粉末106。任选地，如下所述，印刷头102还可在平台104上分配及/或融合第二粉末108。
参见图1A和图1B，印刷头102支撑在支撑件110上，支撑件110配置成横越平台104。支撑件110可包括水平延伸的平台，印刷头安装在平台上。例如，支撑件110可通过线性致动器及/或马达沿着一个或多个轨道119而驱动，以便沿着平行于向前方向109(称为纵向)的第一轴线跨过平台104而移动。支撑件110可为(如)通过两个轨道119而支撑在两个相对侧上的台架，如图1B所示。替代地，支撑件110可以悬臂布置的方式而保持在单个轨道上。
在一些实施方案中，印刷头102可沿着支撑件110移动，支撑件110沿着垂直于第一轴线的水平第二轴线115，所述水平第二轴线称为横向。沿第一轴线和第二轴线两者的移动使得印刷头102及印刷头102的系统能够到达支撑件110下方的平台104的不同部分。印刷头102沿支撑件110的移动和支撑件110沿轨道119的移动为印刷头102提供多个移动自由度。印刷头102可沿着在构建平台104的上方并平行于构建平台104的平面而移动，使得印刷头102可选择性地定位在构建平台104的可用区域的上方(如，可分配和融合粉末的区域)。
印刷头102和支撑件110可协作以扫描构建平台104的可用区域，使得印刷头102能够根据需要沿着构建平台104分配粉末以形成物体。在如图1B所示的示例中，印刷头102可沿着构建平台104在向前方向109上扫描。在印刷头102第一次从构建平台104的第一端111行进越过构建平台104到构建平台104的第二端113以沉积粉末层的第一条带之后。然后，印刷头102可返回到第一端111，沿着水平第二轴线115在横向方向上移动，并再次在向前方向109上行进越过构建平台104第二次，以在构建平台104上沉积第二条带，第二条带平行于第一条带。若印刷头102分配两种或更多种不同尺寸的粉末，则印刷头102可在通过平台104的单次通过期间分配两种或更多种不同的粉末。
替代地，支撑件110可包括跨越平台104的宽度的两个或更多个印刷头。在这种情况下，可能不需要印刷头102沿水平第二轴线115在横向方向上的运动。
印刷头102包括至少第一分配系统116，以选择性地将粉末106分配在构建平台104上。
设备100还包括能量源114，以选择性地将能量添加到构建平台104上的粉末层。能量源114可结合到印刷头102中、安装在支撑件110上或单独安装(如)在支撑构建平台104的框上或围绕构建平台104的腔室壁上。
在一些实施方案中，能量源114可包括扫描激光，扫描激光产生聚焦能量束，聚焦能量束增加粉末层的小区域的温度。能量源114可通过使用(例如)烧结处理、熔化处理或其他处理来融合粉末，以使粉末形成固体的材料块。在一些情况下，能量源114可包括离子束或电子束。
能量源114可定位在印刷头102上，使得当印刷头102在向前方向109上前进时，能量源可覆盖通过分配系统116所分配的粉末线。当设备100包括多个分配系统时，印刷头102还可任选地包括用于分配系统的每一个的能量源。若设备包括多个热源，则能量源可各自位于其中一个热源的正前方。
任选地，设备可包括热源112以引导热量，以升高沉积粉末的温度。热源112可将沉积的粉末加热到低于粉末烧结或熔化温度的温度。热源112可为(例如)加热灯阵列。能量源114可结合到印刷头102中，安装在支撑件110上，或者单独安装(如)在支撑构建平台104的框上或围绕构建平台104的腔室壁上。热源112可相对于印刷头102的向前方向109而位在第一分配系统116后面。当印刷头102在向前方向109上移动时，热源112移动跨过第一分配系统116先前所在的区域。
在一些实施方案中，热源112是可单独控制的光源阵列形式的数字可寻址热源。阵列包括(例如)位于平台104的上方的垂直腔表面发射激光(VCSEL)芯片。阵列可在印刷头102内或与印刷头102分开。可控光源阵列可为通过驱动系统的致动器而驱动以扫过平台104的线性阵列。在一些情况下，阵列是通过致动可单独控制的光源的子集来选择性地加热层的区域的完整二维阵列。替代的或另外地，热源包括灯阵列，以同时加热整个粉末层。灯阵列可为印刷头102的一部分，或可为独立的热源单元，独立的热源单元是设备100的一部分但与印刷头102分离。
在一些实施方案中，构建平台104可包括加热器，加热器可加热分配在构建平台104上的粉末。加热器可为印刷头102的热源112的替代或补充。
任选地，印刷头102及/或支撑件110还可包括第一散布器118(如，压实辊轮或整平叶片)，第一散布器118首先与分配系统116协作，以压实和散布由分配系统116所分配的粉末。散布器118可为层提供基本均匀的厚度。在一些情况下，第一散布器118可压在粉末层上以压实粉末。
印刷头102及/或支撑件110还可任选地包括第一感测系统120及/或第二感测系统122，以检测设备100的性质及由分配系统116所分配的粉末。
在一些实施方案中，印刷头102包括第二分配系统124，以分配第二粉末108。第二散布器126可与第二分配系统124一起操作，以散布和压实第二粉末108。设备100(如印刷头102或者支撑件110)还可包括第二热源125，第二热源125(类似第一热源112)在构建平台104的大区域中将热量引导至粉末。
控制器128可协调能量源114、热源112(若存在)和分配系统116的操作。控制器128可操作分配系统116以分配粉末106，并可操作能量源114和热源112以融合粉末106以形成工件130，工件130成为待形成的物体。
控制器128可操作第一分配系统116以控制(例如)分配在构建平台104上的粉末106的厚度和分布。每层的厚度取决于(例如)通过层的高度而堆叠的粉末颗粒106的数量或粉末颗粒106的平均直径。在一些实施方案中，粉末颗粒106的每一层是单个颗粒厚度。在一些情况下，每一层具有通过将多个粉末颗粒106堆叠在彼此顶部而产生的厚度。
在一些实施方案中，层的高度还取决于粉末颗粒106的分布密度，如，粉末颗粒106的紧密堆积程度。粉末106的压实程度可影响所分配的每一层的厚度。与在较低压实水平下用相同数量的颗粒形成的层相比，粉末106的较高压实水平可减小所分配的层的厚度。较高压实水平可进一步增加整个层的厚度均匀性并减少熔化所述层所需的激光驻留时间。可选择每层的厚度和粉末的压实度，以控制将在那个层中形成的物体的部分的几何形状所期望的分辨率。
每一层所分配的粉末的分布(如，每一层内粉末的位置)可基于积层制造设备的实施方案而变化。在一些情况下，第一分配系统116可选择性地跨越构建台分配粉末层，使得一些部分包括粉末，而一些部分不包括粉末。在一些实施方案中，第一分配系统116可在工作表面上分配均匀的材料层。
分配系统
图2显示了积层制造设备的示例性分配系统。示例性分配系统可为图1的分配系统116(及/或(如)第二分配系统124)。分配系统116包括外壳202，外壳202容纳用于分配粉末以用于积层制造的各种部件。图2中可见的部件之一是粉末源131。在所示的示例中，粉末源131是储存器，储存器可含有用于积层制造的原料，如，粉末、如，金属粉末，如，钛粉。粉末源131的储存器可为料斗，如，朝向储存器的底部逐渐变细且配置成在底部处排出储存器的内容物，如，在重力的影响下。
分配系统116可包括一个或多个偏转及/或高度调整器206。偏转及/或高度调整器206的每一个用于从待分配粉末的压板的顶表面调整分配系统116的高度，并用于使分配系统116相对于顶表面整平。例如，分配系统116可包括用于每个角落的高度调整器206，高度调整器206可操作以相对于压板的顶表面而调整分配系统116的角落的高度。高度调整器206可单独操作以调整角落的相对高度，使得分配器组件的底部(如，下面论述的孔)平行于压板的顶表面。
分配系统116可包括夹具或支架208，夹具或支架208啮合支撑件以将分配系统116保持在支撑件上。为了提供偏转及/或高度调整，夹具或支架可通过线性引导件(如，螺钉和引导机构)附接到外壳202。控制构件(如，旋钮)可用以转动螺钉，以便调整外壳202的角落的高度。然而，许多其他机构也是可能的。
分配系统116可包括用于连接惰性气体源(如，氮气瓶或泵)的一个或多个气体端口210。在操作期间，分配系统116可用惰性气体冲洗，以将外壳202内侧的氧气水平保持在低于阈值的水平。分配系统116可包括用于连接到冷却剂源(如，水泵)的一个或多个冷却剂端口212，所述冷却剂源将分配系统116的温度保持在阈值温度以下。
图3是示例性分配系统116的顶视图。在这个图中，在粉末源131的底部处的喷嘴阵列302的顶侧是可见的。喷嘴阵列302包括多个喷嘴，喷嘴允许粉末从粉末源131流到压板的顶表面，在压板的顶表面上将从粉末印刷物体。喷嘴可包括(例如)喷嘴304和喷嘴306。喷嘴304和喷嘴306的入口在图3中可见。在所示的示例中，入口是正方形，但也可使用其他合适的形状，如，圆形、六边形、矩形等。入口可为10微米至1毫米宽。阵列302中的喷嘴的入口可具有均匀的尺寸。
喷嘴可以具有一排或多排的布置而定位。在所示的示例中，喷嘴布置成两排。分离器308可突出到储存器中以分离排。排中的喷嘴以交错布置而定位，其中所有喷嘴以组合方式连续地覆盖压板的顶表面的宽度的至少一部分，如，整个宽度。因此，当分配系统116沿着压板的顶表面的长度扫过时，喷嘴阵列302可扫过顶表面的整个区域。
喷嘴阵列302中的每个喷嘴可单独控制，使得当分配系统116沿着长度扫过时，可控制粉末的流动。受控的流动允许分配系统116仅将粉末分配到待印刷物体的实心部分。
图4A是示例性分配系统116的示例性料斗轮组件的前透视横截面图。如图3所示，喷嘴401和306位于粉末源131的底部处，在这个示例中，粉末源131是料斗。粉末轮402和404分别位于由喷嘴401和306提供的通道中。粉末轮402和404分别耦接到马达406和408。马达406和408可为可单独控制的无刷马达，如，步进马达。粉末轮402和404(当由马达406和408旋转时)允许粉末流过喷嘴401和306。粉末轮402和404的转速对应于流速，其中，高达极限时，较高的转速对应于较高的流速。粉末轮402和404(当不旋转时)防止粉末流过喷嘴401和306。
图4B是图4A的分配系统的侧透视横截面图。粉末轮404由马达408驱动。每个喷嘴在喷嘴内侧具有在喷嘴入口和喷嘴出口之间的粉末轮。由于喷嘴阵列中的喷嘴的邻近度以及驱动粉末轮的马达的尺寸，马达可成组地堆叠在一起，如，成对或三个一组，而不是彼此并排。另外，驱动不同排喷嘴的马达可位于粉末源131的相对侧。
在所示的示例中，粉末轮404由马达408通过直接驱动来驱动。(图4A中的)粉末轮402(图4B中未显示)由马达406通过传动机构(如，皮带、齿轮或蜗杆驱动器)而驱动。喷嘴阵列的另一排中的粉末轮以类似的方式由马达410和412在粉末源131的与马达406和408相对的侧面上驱动。
图5显示了示例性粉末轮404。分配系统的其他粉末轮(如，图4A的粉末轮402和图6的粉末轮602)可具有类似的结构。
粉末轮404可具有轴502，轴502耦接到驱动马达。粉末轮404可围绕轴502的轴线旋转。粉末轮404的活动部分(亦即，将与粉末接触的部分)可包括具有一个或多个槽504的圆柱形表面506。圆柱形表面506可具有比轴502更大的直径。每个槽504可基本上平行于轴502。每个槽504的长度可对应于喷嘴(如，图3的喷嘴306)的宽度或直径。可基于待分配的粉末的尺寸来选择每个槽504的宽度，使得至少一个粉末颗粒可适配槽504的宽度。同样地，可基于待分配的粉末的尺寸来选择每个槽504的深度，使得至少一个粉末颗粒可适配槽504的深度而不从粉末轮404的表面506突出。槽之间的间距可对应于所期望的印刷的空间分辨率和驱动马达的速度。
如上所述，图5显示了平行于旋转轴线(因此平行于轴502)而延伸的槽504。然而，如图5A和5B图所示，槽504可在圆柱形表面506中与旋转轴成一角度，以形成围绕旋转轴的部分或全螺旋。在平行于旋转轴线的轴线和槽之间的与圆柱形表面506相切的平面中的角度可在15和45度之间。当粉末轮404旋转时，粉末将(如，在重力下)移动到槽504中。一个或多个槽504可将粉末输送通过在圆柱形表面506和喷嘴的侧壁之间的间隙。因此，粉末轮404的旋转将使粉末从喷嘴的入口流到喷嘴的出口，并因此从粉末源流到压板的顶表面。通常，旋转越快，流速越高。当粉末轮404静止时，粉末轮404阻止粉末通过。因此，控制粉末轮404的转速控制粉末的流速。
对于物体的实心部分而言，粉末轮旋转以允许粉末从粉末源流到顶表面。对于物体的空部分而言，粉末轮保持静止以防止粉末从粉末源流到顶表面。
图6显示了喷嘴中的粉末轮的示例布置。粉末轮402、404和602分别放置在喷嘴401、306和604中。粉末轮402、404和602的直径对应于喷嘴401、306和604的宽度或直径。在所示的示例中，粉末轮402、404和602放置在喷嘴401、306和604在顶部处的入口和喷嘴401、306和604在底部处的出口之间。当粉末轮402、404和602不旋转时，粉末轮402、404和602阻塞喷嘴401、306和604中的路径，使得粉末不能从入口流到出口。当喷嘴401、306和604旋转时，粉末可通过槽从入口输送到出口。
在所示的示例中，入口和出口是正方形。在各种实施方案中，入口和出口可具有各种几何形状，如，正方形、矩形、圆形、椭圆形、细长槽等。在粉末轮402、404和602与它们各自的喷嘴401、306和604的壁之间的空间公差配置成小于粉末颗粒的直径。因此，粉末可仅在槽中并且仅在当粉末轮402、404和602旋转时，从入口移动到出口。空间公差的限制防止粉末通过在粉末轮402、404和602与壁之间的空间而泄漏。
图7显示了示例性分配系统116的部件。分配系统116包括粉末源组件702、喷嘴组件704和外壳202。粉末源组件602包括粉末源131、搅拌器单元706及控制和粉末分配电路708。
喷嘴组件704安装在粉末源组件702的基部处。喷嘴组件704包括喷嘴阵列302、喷嘴阵列302的喷嘴中的粉末轮(未显示)及用于驱动粉末轮的马达组710。粉末源组件702(具有喷嘴组件704安装在基部上)容纳在外壳202中。
图8显示了集成粉末源和喷嘴阵列的示例性组件800。喷嘴组件604安装在粉末源组件702的基部处。马达组710耦接到控制和粉末分配电路708，其中控制和粉末分配电路708向马达提供动力并单独控制每个马达的旋转。在一些实施方案中，控制和粉末分配电路708包括配置成检测粉末轮的停转的传感器。例如，每个粉末轮可耦接到转速计。转速计可测量转速，如，以rpm为单位。若粉末轮停转(如，完全停转或减速)(如，由于粉末中的不均匀尺寸或结块)，相应的传感器可检测到停转。控制和粉末分配电路708可将停转信息提交给控制设备以停止印刷，或者提交给通知使用者异常的显示设备。替代地或另外地，系统可增加相邻粉末轮的转速，以增加紧邻区域中的粉末输送，以补偿从停转的粉末轮减少的粉末输送。
图9A是示例性粉末源组件800的横截面视图。粉末源组件800可提供分配系统116的至少一部分。从侧面看，粉末源131(如，料斗)可具有像漏斗一样的形状，其中漏斗的壁引导粉末向下朝向喷嘴阵列。特别地，粉末源可包括提供漏斗的变窄部分的上部930和具有均匀宽度的下部932。
分离器308(从侧面具有三角形形状)跨越粉末源131的宽度。分离器308安装在粉末源131的基部处并向上突出到料斗的下部932中。分离器可引导粉末在多排喷嘴之间分开。分离器308可具有三角形横截面。
控制和粉末分配电路708和马达组710位于漏斗的颈部的任一侧，并且与粉末源131在宽度方向上对齐。
粉末源131可具有搅拌器902。搅拌器902可为桨轮或螺旋桨，桨轮或螺旋桨振荡(如，围绕长轴来回旋转)以保持粉末的流动性。搅拌器902可位于漏斗的颈部内侧并沿着粉末源131的宽度运转。搅拌器902帮助粉末沿着粉末源131的宽度均匀地散布，并且均匀地散布在分离器308的侧面之间，使得通过活动喷嘴的粉末流动不受阻碍。
图9B显示了示例性桨轮、齿轮箱和驱动机构。桨轮、齿轮箱和驱动机构可安装在粉末源131上。如图9B所示，搅拌器902跨越粉末源131的宽度运转。作为桨轮，搅拌器902具有一个或多个桨904，桨904从可旋转轴905向外突出。搅拌器902搅拌粉末源131中的粉末，使得粉末是均匀分布到喷嘴。
搅拌器902耦接到齿轮箱908。齿轮箱908包括一个或多个齿轮、皮带、蜗杆驱动器或配置成旋转搅拌器902的其他驱动机构。搅拌器马达910通过齿轮箱908为搅拌器902提供动力。
回到图9A，冷却板1000可安装在组件800的基部处，或安装在外壳202的基部处。在所示的示例中，冷却板1000安装在组件800的底表面上。冷却板1000包括热交换元件1002。热交换元件1002可包括空气或液体冷却管，空气或液体冷却管将热量从分配系统带走。在所示的示例中，热交换元件1002是绕过喷嘴阵列的水冷导热管。冷却板1000有助于保护分配系统免受来自粉末床或工作部件的热量的影响。替代地或另外地，组件800可包括隔热罩以保护分配系统。
图10A是示例性辊轮和叶片组件1100的顶视图。辊轮和叶片组件1100可安装在图2的分配系统116的基部。
滚轮和叶片组件1100可包括托架1102。安装在托架1102顶部的是整平叶片机构1104，整平叶片机构1104容纳和控制整平叶片1106。叶片1106可提供散布器118或126(参见图1A)。另外，压实辊轮组件1108安装在托架1102的顶部上。压实辊轮组件1108配置成容纳和控制压实辊轮1110。
图10B是示例性辊轮和叶片组件的底视图。整平叶片1106和压实辊轮1110在图10B中可见。整平叶片1106和压实辊轮1110的每一个可执行图1A的散布器118的操作。
分配系统的操作
于此所述的分配系统促进将粉末分配和压实到设备的构建平台上。图11是使用选择性粉末输送的积层制造的示例性处理1200的流程图。处理1200可通过包括分配系统的AM设备，如，包括图1A和图1B的分配系统116的设备100来执行。
粉末分配系统的粉末源(如，料斗)接收用于印刷物体的粉末。粉末源中的搅拌器搅拌粉末(1202)以使粉末保持在可流动状态。此举允许粉末均匀地分布遍及喷嘴阵列。喷嘴阵列在粉末源的基部处耦接到粉末源。喷嘴以一种布置(如，一排或多排的方式)而定位。以组合的方式，喷嘴连续地跨越压板的顶表面的宽度的至少一部分，在所述部分上将印刷物体。
喷嘴将粉末从粉末源分配到顶表面(1204)。在分配期间，每个喷嘴中的相应粉末轮控制喷嘴中粉末的相应流速。设备通过使分配系统移动跨越压板的顶表面的长度来形成层。
每个粉末轮可在轮的表面上具有多个槽，所述多个槽用于在当轮旋转时输送粉末。每个粉末轮耦接到相应的马达。每个粉末轮的槽的转速和几何形状控制相应的流速。例如，旋转粉末轮允许粉末从粉末源流到物体的一部分需要实心材料的顶表面。不旋转的静止粉末轮可防止粉末从粉末源流到将不制造物体的顶表面。
冷却板可安装在分配系统上以冷却分配系统。
任选地，散布器(如，叶片、辊轮或两者)使分配在顶表面上的粉末整平及/或压实(1206)。
设备通过融合经整平的粉末而形成物体层(1208)。例如，可跨越层粉末扫描具有可控强度的能量束(如，激光束)，以选择性地融合对应于正在制造的物体的实心区域的粉末的部分。
在一些实施方案中，所述设备具有多个分配系统。分配系统的每一个可分配不同的粉末。至少一种粉末可为金属粉末。
更一般地，参考图1A、图1B，控制器128可操作设备100(且尤其是分配系统116)，以控制分配和压实操作。控制器128可从(例如)设备的使用者界面上的使用者输入或者来自设备100的传感器的感测信号而接收信号。用户输入可指示待形成物体的CAD数据。控制器128可使用那个CAD数据以确定在积层制造处理期间所形成的结构的性质。基于CAD数据，控制器128可产生可由控制器128操作的系统的每一个所可使用的指令，(例如)以分配粉末、融合粉末、移动设备100的各种系统及感测系统的性质、粉末及/或工件130。
在分配和压实粉末的示例性处理中，首先将粉末颗粒装载通过图2的粉末源131。粉末源131可为用作粉末的储存器的料斗。粉末颗粒通过粉末源131朝向喷嘴阵列行进。喷嘴阵列中的粉末轮控制粉末分配在压板顶表面上的位置。
控制器可基于CAD数据中包括的那些参数的每一个的期望水平来控制压实水平、粉末分配位置和粉末分配速率。有鉴于此，控制器可控制粉末轮(如，图6的粉末轮402、404和602)以实现这些所期望的参数。此外，控制器可使用CAD数据，CAD数据可指定待形成的物体的几何形状，以控制待分配的粉末的位置。尽管控制器可控制分配系统在构建平台的上方的位置以控制粉末的分配位置，但是控制器也可控制分配系统沿着分配粉末的位置。
参见图1A和图1B，控制器可控制其他系统来执行操作以形成物体。这些系统包括印刷头102、热源112和能量源114，以融合由分配系统116所分配的粉末。在分配系统116已经分配一层粉末之后，控制器可控制热源112和能量源114以协作，来加热和融合层内的粉末。控制器可接着控制分配系统116以分配另一层粉末。
控制器和计算装置可实现于此描述的这些操作和其他处理和操作。如上所述，设备100的控制器128可包括连接到设备100的各种部件(如，致动器、阀和电压源)的一个或多个处理装置，以产生用于那些部件的控制信号。控制器可协调操作并使设备100执行上述各种功能操作或步骤序列。控制器可控制印刷头102的系统的移动和操作。控制器128(例如)控制进给材料(包括第一和第二粉末颗粒)的位置。控制器128还基于待一次融合的一组层中的层数来控制能量源的强度。控制器128还通过(例如)移动能量源或印刷头来控制添加能量的位置。
作为于此描述的系统的一部分的控制器128和其他计算装置可在数字电子电路中实现，或在计算机软件、韧体或硬件中实现。例如，控制器可包括处理器，以执行储存在计算机程序产品中，如，在非暂时性机器可读储存介质中的计算机程序。这样的计算机程序(也称为程序、软件、软件应用程序或代码)可用任何形式的程序语言(包括编译或解译语言)编写，且可以任何形式(包括作为独立程序或作为适用于计算环境的模块、部件、子例程或其他单元)部署。
作为所描述的系统的一部分的控制器128和其他计算装置可包括用于储存数据目标(如，计算机辅助设计(CAD)兼容的文件，所述文件识别每一层应该沉积进给材料的图案)的非暂时性计算机可读介质。例如，数据目标可为STL格式的文件、3D制造格式(3MF)的文件或积层制造文件格式(AMF)的文件。例如，控制器可从远程计算机接收数据目标。控制器128中的处理器(如，由韧体或软件控制)可解译从计算机接收的数据目标，以产生控制设备100的部件以融合每层的指定图案所必需的信号集。
尽管这份文件含有许多具体的实现细节，但这些不应被解释为对任何发明或可能要求保护的范围的限制，而是作为特定于特定发明的特定实施方式的特征的描述。在单独的实施方式的上下文中的这份文件中描述的某些特征也可以结合的方式在单个实施例中实现。相反地，在单个实施方式的上下文中描述的各种特征也可在多个实施方式中单独地或以任何合适的次结合的方式来实现。此外，尽管上面的特征可描述为以某些结合的方式起作用并且甚至最初如此声明，但是在一些情况下可从结合中切除来自所要求保护的组合的一个或多个特征，并且所要求保护的结合可涉及次结合或次结合的变化。
图1A的印刷头包括使设备100能够构建物体的若干系统。在一些情况下，代替印刷头，AM设备包括独立操作的系统，所述系统包括独立操作的能量源、分配器和传感器。这些系统的每一个都可独立移动，并且可是或可不是模块化印刷头的一部分。在一些示例中，印刷头仅包括分配器，并且设备包括单独的能量源以执行融合操作。因此，这些示例中的印刷头将与控制器协作以执行分配操作。
尽管操作被描述为包括单一尺寸的粉末颗粒，但在一些实施方案中，这些操作可用多种不同尺寸的粉末颗粒实现。尽管于此描述的AM设备的一些实施方案包括两种类型的颗粒(如，第一和第二粉末颗粒)，但在一些情况下，可使用其他类型的颗粒。如上所述，第一粉末颗粒具有比第二粉末颗粒更大的尺寸。在一些实施方案中，在分配第二粉末颗粒以形成层之前，设备将第三粉末颗粒分配到压板或下面的先前分配的层上。
金属和陶瓷的积层制造的处理条件与塑料的处理条件明显不同。例如，通常来说，金属和陶瓷需要明显更高的处理温度。因此，塑料的3D印刷技术可能不适用于金属或陶瓷处理，且配备可能不相同。然而，这里描述的一些技术可适用于聚合物粉末，如，尼龙、ABS、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)和聚苯乙烯。
已经描述了许多实施方案。然而，将理解可进行各种修改。例如，
·上述作为印刷头一部分的各种部件(诸如(多个)分配系统、(多个)扩散器、(多个)感测系统，热源及/或能源)可安装在台架上，而不是安装在印刷头中，或安装在支撑台架的框架上。
·(多个)分配系统可各自包括以交错配置而布置的多于两排的喷嘴。
·粉末源在不同的实施方案中可具有不同的形状和尺寸。电源可为漏斗形圆形容器。在一些实施方案中，粉末源可包括将粉末供应到多排喷嘴的管。
·通过在粉末离开喷嘴之后将粉末散布在顶表面上而可部分地实现横跨宽度的连续跨越。因此，喷嘴可或可不紧邻彼此对齐。
因此，其他实施方案在权利要求书的范围内。

Claims (15)

1.一种分配系统，包含：
粉末源，配置成储存待分配在压板的顶表面之上的粉末；
喷嘴阵列，耦接到所述粉末源，所述喷嘴阵列以组合的方式以连续地跨越所述顶表面的宽度的至少一部分的布置而定位，每个喷嘴提供用于所述粉末的相应路径，以使所述粉末从所述粉末源流到所述压板的所述顶表面；及
粉末轮阵列，每个粉末轮定位在喷嘴的相应路径中并连接到相应马达，每个粉末轮在所述粉末轮的表面上具有多个槽，所述槽配置成当所述粉末轮通过所述马达而旋转时，从所述粉末源通过所述相应路径输送所述粉末到所述顶表面，
其中，所述分配系统是积层制造设备的部件，所述积层制造设备配置成从所述压板上的粉末形成物体。
2.如权利要求1所述的分配系统，其中所述粉末源是料斗，所述料斗包括沿着所述粉末源的宽度的桨轮或搅拌器，所述桨轮或搅拌器配置成使所述粉末均匀地分布遍及所述喷嘴。
3.如权利要求2所述的分配系统，其中所述桨轮或搅拌器具有可调整的转速。
4.如权利要求1所述的分配系统，其中所述喷嘴以单排或多排交错排而布置，所述喷嘴位于所述粉末源的基部。
5.如权利要求1所述的分配系统，其中所述喷嘴阵列是沿着所述压板的所述顶表面的长度对齐的多个喷嘴阵列的一个阵列。
6.如权利要求1所述的分配系统，所述分配系统包含间距调整器，所述间距调整器配置成调整所述喷嘴阵列的间距。
7.如权利要求1所述的分配系统，所述分配系统包含高度调整器，所述高度调整器配置成调整从所述喷嘴的多个开口到所述顶表面的距离。
8.如权利要求1所述的分配系统，其中：
每个粉末输送轮上的每个槽平行于所述轮的轴线，及
所述喷嘴的多个开口是圆形、矩形、三角形或细长槽。
9.如权利要求1所述的分配系统，其中每个粉末轮定位在相应喷嘴的入口和出口之间。
10.如权利要求1所述的分配系统，其中每个马达是由相应的步进驱动电路所驱动的步进马达，每个步进马达具有可变的转速，其中调整所述转速改变所述粉末的流速。
11.如权利要求1所述的分配系统，其中所述粉末轮的每一个耦接到转速计，所述转速计配置成检测停转状态。
12.如权利要求1所述的分配系统，所述分配系统包含冷却板，所述冷却板安装在所述喷嘴和粉末源的基部上，所述冷却板配置成保持恒定的操作温度。
13.如权利要求1所述的分配系统，所述分配系统包含外壳，所述外壳容纳所述粉末源、所述喷嘴和所述粉末轮，所述外壳填充有循环惰性气体，所述惰性气体将氧气排除在阈值水平以下。
14.一种在积层制造设备中分配粉末的方法，所述方法包含以下步骤：
将在粉末分配系统的粉末源中的粉末均匀地分布遍及耦接到所述粉末源的喷嘴阵列，所述喷嘴以连续跨越压板的顶表面的宽度的至少一部分的布置而定位；
将所述粉末从所述粉末源通过所述喷嘴而分配到所述顶表面，所述分配的步骤包括通过相应的粉末轮控制所述粉末通过所述喷嘴的每一个的相应流速，其中每个粉末轮定位在相应喷嘴的入口和出口之间，每个粉末轮在所述粉末轮的表面上具有多个槽，且每个粉末轮耦接到相应的马达；
整平分配在所述顶表面上的所述粉末；及
通过融合经整平的所述粉末而形成物体的层，其中形成所述层的步骤包括使所述分配系统移动跨越所述压板的所述顶表面的长度。
15.如权利要求14所述的方法，其中分配所述粉末包含以下步骤：
旋转粉末轮以使所述粉末从所述粉末源流到所述物体的一部分是实心材料处的所述顶表面处；及
停止粉末轮以防止所述粉末从所述粉末源流到所述物体的一部分是空的空间的所述顶表面处。
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