CN111315511A - 增材制造机器的气流系统 - Google Patents

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Abstract

一种增材制造机器(900)包括多个子系统，例如用于去除粉末床附近的增材制造产品的副产品的冷凝物疏散子系统(940)，用于从敏感的机器部件(964)中清除污染物的闭环子系统(960)，和/或用于冷却电子设备隔室(980)的电子设备冷却子系统(984)。每个子系统(940、960、984)可以包括专用的气体循环回路(942、966、986)，该气体循环回路(942、966、986)可操作地联接到气体循环装置(944、968、988)，以促使清洁的气体(946、962、990)流到每个子系统(940，960，984)，从而进行特定功能。

Description

增材制造机器的气流系统
优先权信息
本申请人要求2017年11月10日提交的题为“增材制造机器的气流系统”的美国临时专利申请序列号62/584,149的优先权，其公开内容通过引用合并于此。
技术领域
本公开总体上涉及适合于例如通过直接熔化激光制造(DMLM)以较大规模格式进行增材制造(AM)工艺的方法和系统。
背景技术
与减材制造方法相反，增材制造(AM)工艺通常涉及一种或多种材料的堆积，以制成净成形或近净成形(NNS)的物体。尽管“增材制造”是行业标准术语(ISO/ASTM52900)，但是AM包含以各种名称已知的各种制造和原型技术，包括自由形式制造，3D打印，快速原型/加工等。AM技术能够由多种材料制造复杂部件。通常，可以从计算机辅助设计(CAD)模型制造独立的物体。
一种特殊类型的AM工艺使用诸如照射发射引导装置之类的能量源，该能量源引导能量束(例如电子束或激射束)以烧结或熔化粉末材料，从而创建在其中粉末材料的颗粒结合在一起的固体三维物体。AM工艺可以使用不同的材料系统或增材粉末，例如工程塑料，热塑性弹性体，金属和陶瓷。激光烧结或熔化是用于快速制造功能原型和工具的显著AM工艺。应用包括直接制造复杂的工件，熔模铸造的图案，用于注塑成型和压铸的金属模具以及用于砂型铸造的模具和型芯。制造原型物体以增强设计周期中的概念的交流和测试是AM工艺的其他常见用法。
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用的工业术语，用于指通过使用激射束烧结或熔化细粉来生产三维(3D)物体。更准确地，烧结需要在低于粉末材料的熔点的温度下使粉末颗粒熔融(凝聚)，而熔化则需要使粉末颗粒完全熔化以形成固体均质块。与激光烧结或激光熔化相关的物理过程包括热传递到粉末材料，然后烧结或熔化粉末材料。尽管激光烧结和熔化过程可以应用于多种粉末材料，但是生产路线的科学和技术方面，例如，烧结或熔化速率以及在层制造过程中处理参数对微结构演变的影响尚未得到很好的理解。这种制造方法伴随着使过程变得非常复杂的多种模式的传热、传质和动量传递以及化学反应。
在直接金属激光烧结(DMLS)或直接金属激光熔化(DMLM)期间，设备通过使用能量束烧结或熔化粉末材料，以逐层方式构建物体。将被能量束熔化的粉末均匀地散布在构建平台上的粉末床上，并且能量束在照射发射引导装置的控制下烧结或熔化正在构建的物体的横截面层。降低构建平台，将另一层粉末散布在粉末床和正在构建的物体上，然后连续熔化/烧结粉末。重复该过程，直到零件完全由熔化/烧结的粉末材料构建而成。
在零件的制造完成之后，可以将各种后处理程序应用于零件。后处理程序包括通过例如吹扫或抽真空来去除多余的粉末。其他后处理程序包括应力释放过程。此外，可以使用热和化学后处理程序来完成零件。
常规的AM机器包括单个气体回路系统，该系统被配置为在机器内进行多种功能。该气体回路系统可以是封闭的或基本上封闭的系统，其包括气体或其他流体以及用于使该气体在气体回路内循环的循环泵。例如，用于常规AM机器的气体回路系统可用于疏散烟气，冷凝物和其他因照射增材粉末而产生的副产品。另外，同一气体回路系统可用于通过一个或多个喷嘴向AM机器的敏感部件供应吹扫空气，以清洁那些部件并去除或减少可能影响敏感部件操作的污染物的堆积。此外，相同的气体回路系统可用于冷却电子设备隔室，以将电子部件的操作保持在期望温度以下。
值得注意的是，如果循环气体是具有特定于该子系统的流动特性的特定类型的气体，则上述每个子系统都可以发挥最佳作用。例如，为了冷却电子设备或提供冷凝物从构建区域的疏散，可能希望使第一气体在低压和高流速下流动。相比之下，为了提供吹扫空气以清洁AM机器的特定部件，可能希望使第二气体在高压和低流速下流动。此外，将气体流动用于一种功能可以提取更多的颗粒，并且需要比可能需要不同类型的过滤器或根本不需要过滤器的其他功能过滤更多的空气。
因此，具有用于进行各种功能的更加通用的气流回路的AM机器将是有用的。更特别地，将特别有益的是用于增材制造机器的气流系统，其以提高的效率和有效性来进行诸如电子设备冷却，冷凝物疏散和用吹扫空气清洁部件的功能。
发明内容
各方面和优点将在下面的描述中部分地阐述，或者可以从描述中显而易见，或者可以通过实施本发明而获知。
根据本主题的一个实施例，提供了一种增材制造机器。增材制造机器包括构建平台，构建单元和机架，该机架位于构建平台上方并在构建区域内可移动地支撑构建单元。冷凝物疏散子系统包括冷凝物回路和第一气体循环装置，第一气体循环装置可操作地联接到冷凝物回路，用于使第一气体循环通过构建区域。闭环子系统包括吹扫空气回路和第二气体循环装置，该第二气体循环装置可操作地联接到吹扫空气回路，用于使第二气体在增材制造机器的至少一个敏感部件上循环。
根据另一示例性实施例，提供一种操作增材制造机器的方法。该方法包括使第一气体循环通过冷凝物回路并通过增材制造机器的构建区域，并使第二气体循环通过吹扫空气回路并经过增材制造机器的敏感部件，用于去除颗粒。
根据又一示例性实施例，提供了一种增材制造机器。增材制造机器包括多个子系统和多个气体循环回路，每个气体循环回路仅与多个子系统之一相关联。
参考以下描述和所附权利要求，将更好地理解这些和其他特征，方面和优点。结合在本说明书中并构成其一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与说明书一起用于解释本发明的某些原理。
附图说明
在说明书中阐述了针对本领域的普通技术人员的本发明的完整而可行的公开，包括其最佳模式，其参考附图，其中：
图1示出了根据本发明实施例的大规模增材制造设备；
图2示出了根据本发明实施例的构建单元的侧视图；
图3示出了根据本发明实施例的分配粉末的构建单元的侧视图；
图4示出了根据本发明实施例的构建单元的俯视图；
图5示出了根据本发明实施例的重涂机的俯视图；
图6示出了根据本发明实施例的具有两个构建单元的大规模增材制造设备；
图7示出了根据本发明实施例的增材制造机器的多个气流系统的示意图；
图8示出了根据本发明实施例的与增材制造机器和气流系统一起使用的示例性控制系统；和
图9示出了本发明的一个实施例的示例性方法的图。
在本说明书和附图中重复使用参考字符旨在表示本发明的相同或相似特征或元件。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的实施例，其中的一个或多个示例在附图中示出。通过举例说明本发明而不是限制本发明来提供每个实施例。实际上，对于本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可以对本发明进行各种修改和变型。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以与另一实施例一起使用，以产生又一实施例。因此，意图是本发明覆盖落入所附权利要求及其等同物的范围内的这种修改和变型。
如本文所使用的，术语“第一”，“第二”和“第三”可以互换地使用，以将一个部件与另一个部件区分开，并且不旨在表示各个部件的位置或重要性。另外，术语“上游”和“下游”是指相对于流体路径中的流体流动的相对方向。例如，“上游”是指流体流出的方向，而“下游”是指流体流向的方向。此外，如本文所使用的，近似的术语，例如“近似”，“基本上”或“大约”是指误差在百分之十的误差范围内。
大体提供一种增材制造机器，其包括多个子系统，例如用于去除粉末床附近的增材制造产品的副产品的冷凝物疏散子系统，用于从敏感的机器部件中清除污染物的闭环子系统，和/或用于冷却电子设备隔室的电子设备冷却子系统。每个子系统可以包括专用的气体循环回路，该专用的气体循环回路可操作地联接到气体循环装置，以促使清洁的气体流到每个子系统，从而进行特定功能。
图1示出了根据本发明的大规模增材制造设备300的一个实施例的示例。设备300包括定位系统301，构建单元302和构建板(在该视图中未示出)，构建单元302包括照射发射引导装置303，层流气流区307，构建板在构建的物体309之下。最大构建区域由定位系统301限定，而不是像常规系统那样由粉末床限定，并且用于特定构建的构建区域可以被限制在可以与物体一起动态构建的构建封套(envelope)308中。机架301具有x横梁304，该x横梁304使构建单元302沿x方向移动。有两个z横梁305A和305B，它们在z方向上移动构建单元302和x横梁304。x横梁304和构建单元302通过在y方向上移动构建单元302的机构306被附接。在本发明的一个实施例的该图示中，定位系统301是机架，但是本发明不限于使用机架。通常，在本发明中使用的定位系统可以是任何多维定位系统，例如delta机器人，缆索机器人，机械臂等。照射发射引导装置303可以通过第二定位系统(未显示)独立地在构建单元302内部移动。通常控制构建单元外部的大气环境，即“构建环境”或“收容区”，使得相对于典型的周围空气减少氧气含量，并使环境处于减压状态。
在使用激光源的情况下，也可能存在照射源，该照射源产生包括由照射发射引导装置引导的激光束照射的光子。当照射源是激光源时，照射发射引导装置可以是例如振镜扫描仪，并且激光源可以位于构建环境之外。在这些情况下，可以通过任何合适的手段(例如，光缆)将激光照射传输到照射发射引导装置。根据示例性实施例，照射发射引导装置使用光学控制单元来引导激光束。光学控制单元可以包括例如光学透镜，偏转器，反射镜和/或分束器。有利地，可以使用远心镜头。当根据本发明实施例的大规模增材制造设备在运行时，如果照射发射引导装置引导了激光束，则通常有利的是包括向气流区提供基本上层流气流的气流装置，气流区如图1的307和图2的404所示。
当照射源是电子源时，则电子源产生包括由照射发射引导装置引导的电子束的电子。电子束是众所周知的照射源。当源是电子源时，重要的是要在电子束通过的空间中保持足够的真空。因此，对于电子束，没有气流流过该气流区(例如，在图1的307示出)。当照射源是电子源时，照射发射引导装置可以是例如电子控制单元，其可以包括例如偏转线圈，聚焦线圈或类似元件。
设备300允许射束的最大角度是相对小的角度θ2，以构建大的零件，因为(如图1所示)构建单元302可以被移动到一个新的位置，以构建正在形成的物体309的新的部分。当构建单元是静止的时候，当θ2为0时能量束接触到的粉末上的点限定了在xy平面中的圆心(当θ2大致为0时的射束的方向限定了z方向)，并且在能量束接触粉末时离圆心最远距离的点限定了在圆的外周上的点。该圆限定了射束的扫描区域，该区域可能小于形成的物体的最小横截面区域(与射束的扫描区域在同一平面上)。相对于射束的扫描区域，物体的尺寸没有特别的上限。
在一些实施方式中，所使用的重涂机是选择性重涂机。在图2至5中示出了一个实施例。
图2示出了构建单元400，其包括照射发射引导装置401，具有加压出口部分403A和真空入口部分403B的向气流区404提供气流的气流装置403，以及重涂机405。在气流区404上方，是包含惰性环境419的外壳418。重涂机405具有包括后板407和前板408的料斗406。重涂机405还具有至少一个致动元件409，至少一个门板410，重涂机刀片411，致动器412和重涂机臂413。重涂机安装在安装板420上。图2还示出了可以通过例如增材制造或Mig/Tig焊接来构建的构建封套414，形成的物体415，以及容纳在料斗405中用于形成物体415的粉末416。在该特定实施例中，致动器412致动该致动元件409以将门板410拉离前板408。在实施例中，致动器412可以是例如气动致动器，并且致动元件409可以是双向阀。在实施例中，致动器412可以是例如音圈，并且致动元件409可以是弹簧。在前板408和后板407之间有料斗间隙417，当相应的门板被致动元件拉离粉末门时，料斗间隙417允许粉末流动。粉末416，后板407，前板408和门板410可以全部是相同的材料。可选地，后板407，前板408和门板410可以全部是相同的材料，并且该材料可以是与粉末材料兼容的材料，例如钴铬合金。在该特定实施例中，气流区404中的气流在y方向上流动，但是不是必须的。重涂机刀片411在x方向上具有宽度。在θ2大约为0时的照射发射射束的方向限定此视图中的z方向。气流区404中的气流可以基本上是层流的。照射发射引导装置401可以通过第二定位系统(未示出)独立地移动。图2示出了处于关闭位置的门板410。
图3示出了图2的构建单元，具有处于打开位置的门板410(如元件510所示)和致动元件509。沉积料斗中的粉末以制成新的粉末层521，该新的粉末层521由涂覆器刀片511抹平以形成基本上均匀的粉末层522。在一些实施例中，可以在构建单元移动的同时照射基本均匀的粉末层，这将允许构建单元的连续操作并因此更快地生产物体。
图4示出了图2的构建单元的俯视图。为简单起见，此处未显示物体和壁。构建单元600具有照射发射引导装置601，附接到气流装置603的附接板602，料斗606和重涂机臂611。气流装置具有气体出口部分603A和气体入口部分603B。在气流装置603内有气流区604。气流装置603在气流区604内提供层流气流。还存在具有重涂机臂611的重涂机605，致动元件612A，612B和612C以及门板610A，610B和610C。重涂机605还具有带有后板607和前板608的料斗606。在本发明的一个实施例的特定说明中，料斗被划分为容纳三种不同材料的三个分开的隔室609A，609B和609C。还存在气体管道613A和613B，气体管道613A和613B使气体进出气流装置603。
图5示出了根据一个实施例的重涂机的俯视图，其中重涂机具有料斗700，该料斗仅具有容纳粉末材料的单个隔室701。存在由三个致动元件703A，703B和703C控制的三个门板702A，702B和702C。还具有重涂机臂704和壁705。当重涂机经过壁内的区域时，例如由707表示，相应的门板702C可以保持打开以在该区域707中沉积粉末。当重涂机经过壁外的区域(例如以708表示的区域)时，相应的门板702C被其相应的致动元件703C关闭，以避免粉末沉积在壁外，这可能会浪费粉末。在壁705内，重涂机能够沉积离散的粉末线，例如706所示。重涂机刀片(在此视图中未显示)使沉积的粉末变得平滑。
有利地，根据本文描述的设备和方法的实施例的选择性重涂机允许使用具有独立可控制的粉末闸门的粉末沉积装置(例如，料斗)(例如如图4的606、610A，610B和610C以及图5的702A，702B和702C所示)来精确地控制粉末沉积。粉末闸门由至少一个致动元件控制，该致动元件可以是例如双向阀或弹簧(例如，如图2的409所示)。每个粉末闸门可在特定的时间段内以特定的模式打开和关闭，以精细地控制粉末沉积的位置和量(例如，参见图4)。料斗可以包含分隔壁，以使其包括多个腔室，每个腔室对应一个粉末闸门，每个腔室都包含特定的粉末材料(例如，参见图4和609A，609B和609C)。分开的腔室中的粉末材料可以相同，也可以不同。有利地，每个粉末闸门可以做得相对较小，从而对粉末沉积的控制尽可能地精细。每个粉末闸门的宽度可以例如不大于约2英寸，或更优选地不大于约1/4英寸。通常，粉末闸门越小，粉末沉积分辨率越大，并且粉末闸门的宽度没有特别的下限。所有粉末闸门的宽度的总和可以小于物体的最大宽度，并且相对于粉末闸门的宽度的总和，对物体的宽度没有特别的上限。有利地，根据一个实施例的简单的开/关粉末闸门机构更简单，因此不易发生故障。还有利地允许粉末与更少的部分接触，这减少了污染的可能性。有利地，根据本发明的实施方式的重涂机可以用于构建更大的物体。例如，重涂机的最大xy横截面面积可以小于物体的最小横截面面积，并且相对于重涂机，物体的尺寸没有特别的上限。同样，重涂机刀片的宽度可以小于物体的最小宽度，并且相对于重涂机刀片的物体的宽度没有特别的上限。粉末沉积后，可以在粉末上通过重涂机刀片以产生具有特定厚度(例如约50微米，或优选约30微米，或仍更优选约20微米)的基本上均匀的粉末层。本发明的一些实施例的另一个特征是力反馈回路。选择性重涂机上可以有传感器，传感器检测重涂机刀片上的力。在制造过程中，如果有时刀片上的预期力与检测到的力基本不匹配，则可以修改对粉末闸门的控制，以补偿差异。例如，如果要提供厚的粉末层，但是刀片受到相对小的力，则此情况可能表明粉末闸门被堵塞，从而以低于正常水平的速率分配粉末。在这种情况下，粉末闸门可以打开更长的一段时间以沉积足够的粉末。另一方面，如果刀片承受相对大的力，但所提供的粉末层相对较薄，则这可能表明即使致动器应关闭粉末闸门，粉末闸门也未正确关闭。在这些情况下，暂停构建循环以便对系统进行诊断和维修可能是有利的，这样就可以在不包含零件质量的情况下继续构建过程。本发明的一些实施例的另一个特征是用于监视粉末层厚度的照相机。基于粉末层的厚度，可以控制粉末闸门以添加更多或更少的粉末。
另外，根据本发明的实施例的设备可具有带有两个或更多个气体区的受控的低氧构建环境，以促进低氧环境。第一气体区直接位于工作表面上方。第二气体区可以位于第一气体区上方，并且可以通过外壳与较大的构建环境隔离。例如，在图2中，元件404构成第一气体区，元件419构成外壳418所包含的第二气体区，并且整个设备周围的环境是受控的低氧构建环境。在图2所示的实施例中，第一气流区404实质上是气流装置403的内部容积，即由入口部分和出口部分(403A和403B)的垂直表面(xz平面)、以及在xy平面中从入口部分的相应上下边缘延伸到出口部分的上下边缘的虚构的表面而限定的容积。当照射发射引导装置引导激光束时，气流装置优选地提供穿过第一气体区的基本上层流的气流。这有助于去除由激光熔化引起的流出羽流。因此，当照射粉末层时，烟雾，冷凝物和其他杂质流入第一气流区，并从粉末和由层流气流形成的物体中转移出去。烟雾，冷凝物，和其他杂质流入低压气体出口部分，并最终收集在过滤器中，例如HEPA过滤器。通过保持层流，可以有效地去除上述烟雾，冷凝物和其他杂质，同时还可以快速冷却由激光产生的熔池，而不会干扰粉末层，从而可以提供具有改进的冶金性能的更高质量零件。一方面，气流容积中的气流为每秒约3米。气体可以在x或y方向上流动。
第二受控大气环境的氧含量通常大约等于第一受控大气环境的氧含量，尽管不是必须的。两种受控大气环境中的氧含量优选相对较低。例如，可以为1％以下，更优选为0.5％以下，进一步优选为0.1％以下。非氧气体可以是用于该过程的任何合适的气体。例如，通过分离环境空气获得的氮气对于一些应用可能是方便的选择。一些应用可能会使用其他气体，例如氦气，氖气或氩气。本发明的优点是在相对较小容积的第一和第二受控大气环境中维持低氧环境要容易得多。在现有技术的系统和方法中，必须严格控制整个设备和物体周围的较大环境，以具有相对较低的氧含量，例如1％或更少。这可能是耗时的，昂贵的并且在技术上是困难的。因此，优选的是仅相对较小的容积需要这种相对严格的大气控制。因此，在本发明中，第一和第二受控大气环境的容积例如可以比构建环境小100倍。第一气体区以及同样的气流装置可以具有最大xy横截面面积，该最大xy横截面面积小于物体的最小横截面面积。相对于第一气体区和/或气流装置，物体的尺寸没有特别的上限。有利地，照射发射束(例如，以402和502表示)发射穿过第一和第二气体区，第一和第二气体区是相对低氧区。并且当第一气体区是具有基本上层流气流的层流气流区时，由于上述有效地去除了烟雾，冷凝物和其他污染物或杂质，因此照射发射束是对物体具有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，构建板可以是竖直固定的(即，在z方向上)。与需要一些机构来升高和降低构建板的现有技术的方法和系统不同，这允许构建板支撑尽可能多的材料，从而限制了可以使用的材料量。因此，本发明的设备特别适合于在大的(例如，大于1m3)构建封套内制造物体。例如，构建封套的最小xy横截面面积可以大于500mm2，或者优选地大于750mm2，或者更优选地大于1m2。构建封套的尺寸没有特别限制。例如，它的最小横截面面积可高达100m2。同样，形成的物体的最大xy横截面面积可以不小于约500mm2，或者优选地不小于约750mm2，或者还更优选地不小于约1m2。对物体的尺寸没有特别的上限。例如，物体的最小xy横截面面积可能高达100m2。由于构建封套将未熔融的粉末保留在物体周围，因此可以以使特定构建内的未熔融粉末(可能会是浪费的粉末)最小化的方式进行制造，这对于大型构建特别有利。当在动态增长的构建封套中构建大型物体时，使用与物体所用的不同的构建单元，或甚至完全不同的构建方法来构建封套可能是有利的。例如，可能是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个构建单元。对于构建封套，封套的精度和质量可能相对不重要，从而有利地使用了快速构建技术。一般而言，构建封套可以通过任何合适的方式构建，例如通过Mig或Tig焊接，或通过激光粉末沉积。如果通过增材制造来构建壁，则可以使用与用于构建物体不同的照射发射引导装置来构建壁。这是有利的，因为利用特定的照射发射引导装置和方法可以更快地完成构建壁，而可能需要较慢且更准确的引导装置和方法来构建物体。例如，可以使用与物体不同的材料，通过快速构建来构建壁，这可能需要不同的构建方法。调整精度与构建速度的关系的方式在本领域中是众所周知的，在此不再赘述。
例如，如图6所示，本发明的系统和方法可以使用两个或更多个构建单元来构建一个或多个物体。构建单元，物体的数量及其相应的大小仅受设备的物理空间配置限制。图6示出了根据本发明实施例的大规模增材制造机器800的俯视图。有两个构建单元802A和802B安装到定位系统801。有z横梁803A和803B，用于在z方向上移动构建单元。有x横梁804A和804B，用于在x方向上移动构建单元。构建单元802A和802B通过在y方向上移动单元的机构805A和805B而被附接到x横梁804A和804B。该视图中未显示正在形成的物体。可以使用一个或两个构建单元(包括通过激光粉末沉积)来构建一构建封套(此视图中也未显示)。构造封套也可以通过例如焊接来构建。通常，使用本发明的方法和系统可以同时构建任何数量的物体和构建封套。
现在参考图7，增材制造机器900通常限定竖直或Z方向以及垂直于Z方向限定(也例如由图1中的X方向和Y方向限定)的水平面。如本文所述，构建平台902在水平面内延伸以提供用于沉积增材粉末层的表面(图7中未示出)。通常，增材制造机器900包括构建单元904，其通常用于沉积增材粉末层并将该增材粉末层的部分熔融以形成部件的单层(图7中未示出)。如上所述，在构建单元904沿着竖直方向向上移动时，构建单元904通过打印或熔融增材粉末层来逐层地形成部件。
构建单元904通常包括用于排出增材粉末层的粉末分配器906和用于选择性地将能量引向增材粉末层以熔融增材粉末层的部分的能量源908。例如，粉末分配器906可包括粉末料斗910，闸门系统(例如，参见图4的610A-C和图5的702A-C)，重涂机臂912以及有助于在构建平台902或子层上沉积平滑的增材粉末层的任何其他部件。另外，“能量源”可用于指被配置为将能量束引向增材粉末层以熔融该增材粉末层的一部分的任何装置或装置系统。例如，根据示例性实施例，能量源可以是照射发射引导装置，并且许多包括具有用于引导能量束的透镜914的扫描仪。
如上所述，构建单元904被描述为利用直接金属激光烧结(DMLS)或直接金属激光熔化(DMLM)工艺，该工艺使用能量源来选择性地烧结或熔化粉末层的部分。然而，应当理解，根据替代实施例，增材制造机器900和构建单元904可被配置用于使用增材制造的“粘合剂喷射”工艺。在这方面，粘合剂喷射涉及以与上述类似的方式连续沉积增材粉末层。然而，代替使用能量源来产生能量束以选择性地熔化或熔融增材粉末，粘合剂喷射涉及将液体粘合剂选择性地沉积在每一粉末层上。例如，液体粘合剂可以是光可固化聚合物或其他液体结合剂。其他合适的增材制造方法和变型旨在处于本主题的范围内。
值得注意的是，根据本主题的各方面，构建单元904由机架916支撑，该机架916位于构建平台902上方并且至少部分地限定构建区域918。值得注意的是，如本文所用，“机架”916可以旨在指水平延伸的支撑梁，而不是指将机架916支撑在构建平台902上的垂直支撑腿(未示出)。尽管机架916用于描述本文中对构建单元904的支撑，但是应当理解，根据替代实施例，可以使用任何合适的竖直支撑装置。例如，构建单元904可以附接到诸如delta机器人，缆索机器人，机械臂，带驱动器等的定位系统。另外，尽管本文将构建平台902图示为固定的，但是应当理解，构建平台902可以根据替代实施例移动。就这一点而言，例如，构建平台902可以被配置用于沿着XYZ方向平移或者可以围绕这些轴之一旋转。
根据所示的实施例，机架916限定构建区域918，其具有最大构建宽度(例如，沿X方向测量)，构建深度(例如，沿Y方向测量)和构建高度(沿竖直方向或Z方向测量)。机架916通常被配置用于在构建区域918内可移动地支撑构建单元904，例如，使得构建单元904可定位在构建区域918内的任何位置(例如，沿着XYZ轴)。此外，根据示例性实施例，机架916还可配置为使构建单元绕X，Y和Z轴旋转。因此，构建单元904可以以任何合适的方式在构建区域918内被定位和取向，以进行增材制造过程。
仍然参考图7，根据本主题的示例性实施例，提供了增材制造机器900的气流系统930的示意图。如图所示，增材制造机器900包括各种子系统，这些子系统可能需要气体或其他流体流在该子系统内实现某些功能。因此，如本文中所使用的，“子系统”可以用于指代增材制造机器900内的这些不同系统中的任何一个，这些系统需要用于特定功能的气体流。另外，气流系统930通常可以用来指代与这些子系统中的每一个相关联的多个气体循环回路，其示例在下面描述。
为了解释本主题的各方面，这里将描述三个特定的子系统。但是，应当理解，这三个子系统仅用于示例性目的，并不旨在限制本主题的范围。而且，这些子系统仅以示意性形式示出并且被大体地描述以解释根据本主题的气流回路的构造和操作。本主题不旨在限于所描述的特定子系统，气体回路或特定配置。
增材制造机器900可以包括冷凝物疏散子系统940，该冷凝物疏散子系统940通常被配置为去除由增材制造过程在粉末床附近产生的冷凝物，废液和其他副产品。例如，如上简要所述，当增材粉末被熔化或烧结时，会产生一缕气体，灰尘，微粒或其他副产品。值得注意的是，期望从熔化或烧结区域去除或疏散这些副产品以改善打印。如上所述，增材制造机器900因此可以包括用于促使气体流在粉末床上方并平行于粉末床以去除这种副产品的气流系统。根据图7所示的实施例，该气流系统是冷凝物疏散子系统940。
冷凝物疏散子系统940包括冷凝物回路942和第一气体循环装置944，第一气体循环装置944可操作地联接至冷凝物回路942，用于使第一气体946循环通过紧邻构建平台902或增材粉末子层的构建区域918。就这一点而言，例如，冷凝物回路942是导管，管道或管的基本闭合的回路，第一气体946可以循环通过该冷凝物回路942。冷凝物回路942可在构建区域918内的粉末床附近限定开口部分或疏散区域948，以吸入冷凝物和其他副产品。
更具体地，根据示出的实施例，冷凝物回路942限定沿着水平方向定位在构建单元904和疏散区域948的相对侧上的排出口950和吸入口952。以这种方式，当第一气体循环装置944使第一气体946循环通过冷凝物回路942时，第一气体946的流从排出口950离开，并且接近并基本平行于粉末床的表面行进，以收集冷凝物，烟雾，烟气等。然后，第一气体946的流通过吸入口952被吸入，在此它再循环通过冷凝物回路942。根据示例性实施例，第一气体946的流基本上是层流的，尽管如果需要，第一气体循环装置944也可以产生湍流。
尽管排出口950和吸入口952被示出为位于构建单元904和疏散区域948的相对侧，但是应当理解，根据替代实施例，可以使用冷凝物回路942的其他位置和取向。例如，根据另一个实施例，排出口950可以定位在工作表面上方，例如，靠近能量源908。排出口950可以促使第一气体946的流向下到疏散区域948中。在这样的实施例中，吸入口952可以限定在疏散区域948的侧周围，用于吸入和循环第一气体946的流。实际上，产生通过疏散区域948的第一气体946的流的排出口950和吸入口952的任何合适数量，尺寸和定位都是可能的，并且在本主题的范围内。
增材制造机器900还可包括闭环子系统960，该闭环子系统960通常被配置为促使吹扫空气962流过增材制造机器900的一个或多个敏感部件964。如本文所用，“敏感部件”用于指增材制造机900中需要经常清洁用于污染物去除过程以确保增材制造机器900高效且连续操作的一个或多个部件。闭环子系统960通常配置为促使吹扫空气962流过这种敏感部件964，以连续或间歇地吹走或去除灰尘，污垢，碎屑或其他污染物，否则这些灰尘，污垢，碎屑或其他污染物会恶化增材制造机器900的连续操作。
如图所示，闭环子系统960通常包括吹扫空气回路966和第二气体循环装置968，第二气体循环装置968可操作地联接到吹扫空气回路966，用于使第二气体(或吹扫空气962的流)在增材制造机器900的至少一个敏感部件964上循环。类似于冷凝物疏散子系统940的冷凝物回路942，吹扫空气回路966通常是基本闭合的回路，该回路将第二气体962的流循环至敏感部件964，并且可以包括吹扫空气排出口970和吹扫空气吸入口972。在这一点上，吹扫空气排出口970可以是用于将第二气体962的流喷射到敏感部件964上和上方以清洁敏感部件964的喷嘴。为了保持基本密封和封闭的系统，可以通过在敏感部件964的下游的吹扫空气吸入口972来产生负压，以吸入第二气体962的流的一些或全部以及从敏感部件964吹走或去除的所有污染物。第二气体循环装置968可以连续地促使第二气体962流过此类敏感部件964，例如，以确保它们保持清洁，以便增材制造机器900正常操作。
根据本主题的示例性实施例，至少一个敏感部件964是增材制造机器900的机架916的梁，滑动界面或轴承组件。就这一点而言，机架916包括许多部件，以确保构建单元904的精确和可重复的定位。例如，机架916可包括通过轴承连接的多个滑动或旋转部件。如果灰尘或碎屑进入轴承，则可能会影响机架916(进而导致构建单元904)的运动，从而在增材制造过程中引入不精确性。因此，吹扫空气回路966被定位和取向成用于在机架916的轴承或其他配合部件上排出第二气体962的流，以及吸入被污染的气流，并使该流再循环以连续去除灰尘和碎屑。
根据又一实施例，至少一个敏感部件964是构建单元904的扫描仪或能量源908，并且吹扫空气回路966被定位和取向成用于使第二气体962的流在能量源908的透镜914上方循环。就这一点而言，例如，构建单元904的激光束或电子束可以包括一系列反射镜和透镜或用于将能量束聚焦到粉末上的其他部件。在此过程中，灰尘，碎屑和其他污染物自然会掉落到此类部件上，从而导致能量束不精确(从而导致粉末的熔融不精确)。闭环子系统960因此可以被配置为在性能降低之前去除这种污染物。
尽管图7示出了吹扫空气回路966引导第二气体962流过透镜914上方以去除污染物，但是应当理解，闭环子系统960可以包括任何合适数量的吹扫空气回路，以吹扫增材制造机器900的任何部件。例如，闭环子系统960可以包括用于清洁透镜914的第一吹扫空气回路，用于清洁机架梁的第二吹扫空气回路，以及用于清洁机架轴承的第三吹扫空气回路。这些吹扫空气回路中的每一个都可以同时或独立操作。另外，根据一个实施例，单个泵，过滤器和分配歧管可用于分配通过这三个吹扫空气回路中的一个或多个的第二气体962的流。
如图7所示，闭环子系统960包括专用的吹扫空气回路966和第二气体循环装置968。就这一点而言，闭环子系统960限定了用于清洁敏感部件964的再循环，闭合的吹扫空气回路。然而，应当理解，根据替代实施例，闭环子系统960可以与诸如冷凝物疏散子系统940的另一子系统合并或共享部件。就这一点而言，例如，第二气体循环装置968可以被移除并且吹扫空气回路966可以被可操作地联接第一气体循环装置944，用于接收吹扫空气流962。根据其他实施例，闭环子系统960可以是正压子系统，例如，包括新鲜空气供应或进气口(类似于下文所述的进气口991)，用于以相对较低的压力吸入空气并对该空气加压，以使吹扫空气流962相对于通过进气口吸入的空气具有高压。
仍然参考图7，增材制造机器900可进一步包括容纳增材制造机器900的一些或全部电子部件982的电子设备隔室980。值得注意的是，可能经常需要向电子设备隔室980中提供气体流或空气流，以便防止电子部件982过热和/或清洁电子部件982，防止积聚灰尘。因此，根据示例实施例，增材制造机器900还包括电子设备冷却子系统984。
电子设备冷却子系统984包括与电子设备隔室980流体连通的冷却回路986和可操作地与冷却回路986联接的第三气体循环装置988，用于促使第三气体990的流通过电子设备隔室980。通过促使第三气体990的流通过电子设备隔室980，多余的热量，灰尘和/或碎屑从电子设备隔室980中去除，从而延长了增材制造机器900的电子部件982的寿命。
根据图示的实施例，第三气体循环装置988包括进气口991，该进气口991位于机器外壳或周围环境中，用于以相对较低的压力吸入空气并对该空气加压，从而使第三气体990的流相对于通过进气口991吸入的空气具有高压。以这种方式，通常在电子设备隔室980内产生的正压防止粉末和污染物进入电子设备隔室980，并有助于冷却电子部件982。
值得注意的是，在本文所述的每个子系统940、960、984中，通过进行其各种功能的气体流946、962、990收集各种冷凝物，灰尘，碎屑，增材粉末以及其他副产品或微粒。因为气体是连续循环的，所以可能希望从相应的气体流中去除这种污染物。在这方面，例如，每个子系统可以包括任何合适类型或数量的过滤器或机构，用于从气体流中提取污染物。例如，冷凝物疏散子系统940可以进一步包括过滤器992，例如HEPA过滤器，用于在使第一气体946的流返回通过构建区域918之前捕获收集到的增材制造过程的副产品。闭环子系统960和电子设备冷却子系统984可类似地包括过滤器992或用于提取污染物的其他装置。
另外，根据替代实施例，每个子系统940、960、984可包括配置为从气体流946、962、990去除热量的开放式或封闭式冷却系统。热交换器(未示出)可以与气体循环回路942、966、986一起使用，以控制流过其中的气体的温度。根据需要或期望，子系统内可包括各种导管，泵，阀和/或箱。
值得注意的是，通过具有三个不同的子系统，系统中的流动气体及其相应的性质可以针对每个子系统的需求而不同或可定制。例如，根据示例性实施例，第一气体946，第二气体962和第三气体990都是不同的气体。例如，根据示例性实施例，第一，第二和第三气体中的每一种选自惰性气体(例如，氮气，氩气等)，空气，水和/或其他合适的有机化学品(例如，乙二醇，二甘醇或丙二醇)。替代地，可以简单地通过使用环境空气来冷却电子设备隔室980。
另外，通过为每个子系统使用分开的封闭系统和循环装置，可以根据特定应用的需要来改变和定制每个子系统中的气体流的流速和压力。为了获得可变的流速和压力，每个子系统可以包括专用的气体循环装置。值得注意的是，循环装置可以是配置成用于推动气体流的任何机器或装置，例如压缩泵，鼓风机或任何其他合适的强制气体供应源。因此，例如，第一气体946，第二气体962和第三气体990都可以具有不同的压力，并且都可以大于增材制造机器900所处的环境中的大气压。
因此，在操作中，根据一个实施例，为了实现合适的冷凝物疏散，冷凝物疏散子系统940以相对低压和中等流速促使第一气体946的流动以实现层流。相比之下，为了从敏感部件964去除污垢和碎屑，闭环子系统960可以以相对低的流速但是在高压下促使吹扫空气962的流动。电子设备冷却子系统984还可以以高流速促使第三气体990的流动，以快速地从电子设备隔室980中去除过多的热量。应当理解，这些流速仅是示例性的，并且旨在说明使用三个独立子系统来控制气体流的多功能性。本文使用的示例不旨在限制本主题的范围。
图8描绘了示例性控制系统150的框图，该示例性控制系统150可用于实现根据本公开的示例实施例的方法和系统，特别是增材制造机器900和气流系统930的操作。在这方面，例如，控制系统150可以被配置用于调节气体循环装置944、968和/或988的操作。控制系统150可以是气流系统930的专用控制器，或者可以是增材制造机器900的主要控制器。控制系统150可以位于整个增材制造机器900中的各种位置。
如图所示，控制系统150可以包括一个或多个计算装置152。一个或多个计算装置152可包括一个或多个处理器154和一个或多个存储器装置156。一个或多个处理器154可以包括任何合适的处理装置，例如微处理器，微控制器，集成电路，逻辑装置或其他合适的处理装置。一个或多个存储器装置156可以包括一个或多个计算机可读介质，包括但不限于非暂时性计算机可读介质，RAM，ROM，硬盘驱动器，闪存驱动器或其他存储器装置。
该一个或多个存储器装置156可以存储可由一个或多个处理器154访问的信息，包括可以由一个或多个处理器154执行的计算机可读指令158。指令158可以是当由一个或多个处理器154执行时使一个或多个处理器154进行操作的任何指令集。指令158可以是用任何合适的编程语言编写的软件，或者可以以硬件实现。在一些实施例中，指令158可以由一个或多个处理器154执行以使一个或多个处理器154进行操作，例如用于控制气流系统930的操作或另外操作增材制造设备900的操作。
存储器装置156可以进一步存储可以被一个或多个处理器154访问的数据160。例如，数据160可以包括用于操作如本文所述的气流系统930和/或增材制造机器900的任何数据。数据160可以包括一个或多个表，功能，算法，模型，方程等，用于操作根据本公开的示例实施例的气流系统930和/或增材制造机器900。
一个或多个计算装置152还可以包括用于与例如系统的其他部件进行通信的通信接口162。通信接口162可以包括用于与一个或多个网络接口的任何合适的部件，包括例如发射机，接收机，端口，控制器，天线或其他合适的部件。
现在，已经提出了根据本主题的示例性实施方式的增材制造机器900和气流系统930的构造和配置，提供了根据本主题的示例性实施方式的用于操作增材制造机器的示例性方法1000。制造商或客户可以使用方法1000来操作增材制造机器900或任何其他合适的增材制造机器或组件。应当理解，本文仅讨论示例性方法1000以描述本主题的示例性方面，而无意于进行限制。
现在参考图9，方法1000包括，在步骤1010，使第一气体循环通过冷凝物回路并通过增材制造机器的构建区域。步骤1020可包括使第二气体循环通过吹扫空气回路并经过增材制造机器的敏感部件。另外，步骤1030可包括使第三气体循环通过电子设备冷却回路并通过电子设备隔室，用于从电子部件移去灰尘，碎屑和热量。
尽管在此描述了三个分开的子系统和操作子系统的方法，但是应当理解，可以使用任何其他子系统来提供来自增材制造机器中的任何其他功能的气体流。此外，一个或多个子系统可以与其他系统同时运行。另外，尽管本文中将每个子系统示出为具有单个基本闭合的回路和专用循环装置，但是应当理解，每个子系统可以包括多个回路，可以包括多个泵，或者可以与另一个子系统共享泵。其他配置是可能的，并且在本主题的范围内。
出于说明和讨论的目的，图9描绘了以特定顺序进行的步骤。使用本文提供的公开内容，本领域普通技术人员将理解，可以在不背离本公开内容的范围的情况下以各种方式来适应，重新布置，扩展，省略或修改本文讨论的任何方法的步骤。此外，尽管以增材制造机器900为例说明了方法1000的各个方面，但是应当理解，这些方法可以应用于操作任何合适的增材制造机器。
本文所述的气流系统包括多个气体回路，用于使气体循环至增材制造机器中的一个或多个子系统。值得注意的是，每个气体回路可以包含任何合适的压力或流速的不同的气体或流体，并且可以被供应到增材制造机器的任何合适的零件或部件上或在其上循环。以此方式，气流系统包括可定制的专用气流回路，以满足所有机器对改善性能和操作的需求。通过具有用于每个子系统的专用气流回路，相对于进行所有功能的单个气体回路系统，可以减少所有子系统内所需的新鲜气体的量。另外，泵的类型和容量，以及每个气流环路所需的过滤器或过滤器系统均可针对该特定环路进行调整和定制，从而延长其使用寿命并改善其操作。因此，可以提高增材制造机器的性能并降低其操作成本。
该书面描述使用示例性实施例来公开本发明，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发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本发明的专利范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这样的其他示例包括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没有实质性差异的等效结构元件，则意图在权利要求的范围内。

Claims (13)

1.一种增材制造机器(900)，其特征在于，包括：
构建平台(902)；
构建单元(904)；
机架(916)，所述机架(916)位于所述构建平台(902)上方，并在构建区域(918)内可移动地支撑所述构建单元(904)；
冷凝物疏散子系统(940)，所述冷凝物疏散子系统(940)包括冷凝物回路(942)和第一气体循环装置(944)，所述第一气体循环装置(944)可操作地联接至所述冷凝物回路(942)，用于使第一气体(946)循环通过所述构建区域(918)；和
闭环子系统(960)，所述闭环子系统(960)包括吹扫空气回路(966)和第二气体循环装置(968)，所述第二气体循环装置(968)可操作地联接到所述吹扫空气回路(966)，用于使第二气体(962)在所述增材制造机器(900)的至少一个敏感部件(964)上循环。
2.根据权利要求1所述的增材制造机器(900)，其特征在于，还包括：
电子设备隔室(980)，所述电子设备隔室(980)包含电子部件(982)；和
电子设备冷却子系统(984)，所述电子设备冷却子系统(984)包括与所述电子设备隔室(980)流体连通的冷却回路(986)和第三气体循环装置(988)，所述第三气体循环装置(988)与所述冷却回路(986)可操作地联接，用于使第三气体(990)循环通过所述电子设备隔室(980)，从而冷却所述电子部件(982)。
3.根据权利要求1所述的增材制造机器(900)，其特征在于，其中，所述冷凝物回路(942)限定排出口(950)和吸入口(952)，所述排出口(950)和所述吸入口(952)被定位成接近工作表面(902)，用于使所述第一气体(946)在所述工作表面(902)上循环。
4.根据权利要求1所述的增材制造机器(900)，其特征在于，其中，所述第一气体(946)和所述第二气体(962)是不同的气体。
5.根据权利要求1所述的增材制造机器(900)，其特征在于，其中，所述第一气体(946)和所述第二气体(962)是氩气或氮气。
6.根据权利要求1所述的增材制造机器(900)，其特征在于，其中，所述第一气体(946)和所述第二气体(962)具有大于大气压力的不同压力。
7.根据权利要求1所述的增材制造机器(900)，其特征在于，其中，所述第一气体(946)以比所述第二气体(962)更低的压力和更高的流速循环。
8.根据权利要求1所述的增材制造机器(900)，其特征在于，其中，所述冷凝物疏散子系统(940)和所述闭环子系统(960)中的至少一个包括过滤器(992)。
9.根据权利要求1所述的增材制造机器(900)，其特征在于，其中，所述第一气体循环装置(944)和所述第二气体循环装置(968)是压缩泵或鼓风机。
10.根据权利要求1所述的增材制造机器(900)，其特征在于，其中，所述至少一个敏感部件(964)是所述机架(916)，所述吹扫空气回路(966)被定位和取向用于使所述第二气体(962)在所述机架(916)上循环。
11.根据权利要求1所述的增材制造机器(900)，其特征在于，其中，所述至少一个敏感部件(964)是所述构建单元(904)的扫描仪(908)，所述吹扫空气回路(966)被定位和取向用于使所述第二气体(962)在所述扫描仪(908)的透镜(914)上循环。
12.根据权利要求1所述的增材制造机器(900)，其特征在于，其中，所述冷凝物疏散子系统(940)产生接近于并平行于粉末床的所述第一气体(946)的基本层流。
13.一种操作增材制造机器的方法(1000)，其特征在于，所述方法(1000)包括：
使第一气体循环通过冷凝物回路并通过所述增材制造机器的构建区域(1010)；和
使第二气体循环通过吹扫空气回路并经过所述增材制造机器的敏感部件，用于去除颗粒(1020)。
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