CN111372757A - 增材制造方法和装置 - Google Patents

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Abstract

提出了一种增材制造装置。该增材制造装置包括限定腔室的壳体，设置在腔室中的构建平台，构造为在构建平台上方供应第一气流的第一气体入口，构造为在第一气流上方并且在与第一气流基本上相同的方向上供应第二气流的第二气体入口，以及构造为排出气流的气体出口。还提出了一种用于制造物品的增材制造方法。

Description

增材制造方法和装置
技术领域
本公开大体上涉及一种增材制造方法和装置，并且具体地，涉及一种利用聚焦能量选择性地熔融粉末材料以制造物体的增材制造方法和装置。
背景技术
与减材制造方法相反，增材制造处理通常涉及一种或多种材料的堆积以制成净形或近净形的物体。尽管“增材制造”是行业标准术语(ASTM F2792)，但它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/工具等。一种特殊类型的增材制造过程使用聚焦能量(例如电子束或激光束)来烧结或熔化粉末材料，从而创建一个固体三维物体，其中粉末材料的颗粒被粘结在一起。
激光烧结是一个常见的工业术语，用于表示通过使用激光束烧结或熔化细粉末来生产三维(3D)物体。特别地，激光烧结/熔化技术通常需要将激光束投射到基板上的受控量的粉末(例如粉末床)上，以便在其上形成熔融颗粒或熔化的材料的层。当激光束与粉末床处的粉末相互作用时，在腔室内会产生颗粒物质(例如，冷凝水，飞溅物)。该颗粒物质可能沉积在粉末床或腔室的其他部分(例如激光器窗口)上，这可能损害所得物体的质量。
通常，在腔室中引入气流以试图去除颗粒物质并防止沉积。但是，气流会夹带来自腔室的气体，导致腔室内出现大面积再循环的混乱流。这种混乱流可以为颗粒物质提供到包括激光器窗口的腔室的各个部分的路径。
发明内容
本文提供了用于制造物体的改进的增材制造方法和装置。在一个方面，一种增材制造装置包括：限定腔室的壳体；布置在腔室中的构建平台；第一气体入口，其被构造为在构建平台上方供应第一气流；第二气体入口，其被构造为在第一气流上方并在与第一气流基本上相同的方向上供应第二气流；以及气体出口，该气体出口被构造为排出气流。
另一方面涉及一种增材制造方法，其包括(a)将聚焦能量施加到设置在腔室内构建平台上的一定数量的粉末材料上，以形成固化层，(b)将第一气流供应到腔室内构建平台上方，以及(c)在第一气流上方并且在与第一气流基本上相同的方向上将第二气流供应到腔室。
附图说明
当参考附图阅读以下详细描述时，将更好地理解本发明的实施例的这些以及其他特征和方面，其中在整个附图中，相同的字符表示相同的部分，其中：
图1是示出了根据本说明书的一些实施例的增材制造装置的示意图。
图2是示出根据本说明书的一些实施例的图1的增材制造装置中的线性气流布置的示意性立体图；
图3是示出根据本说明书的一些实施例的图1的增材制造装置中的径向气流布置的示意性立体图。
具体实施方式
本公开大体上包括用于使用增材制造来制造物体的装置和方法。如以下详细讨论的，本公开的一些实施例提出了增材制造装置和方法，其采用在构建平台上方供应的第一气流和在第一气流上方且与第一气流基本相同的方向供应的第二气流。通过抑制增材制造装置的腔室内部第一气流的夹带和再循环并且防止颗粒物质沉积在包括激光器窗口的腔室内部的各个位置上，该额外的第二气流有利地克服了上述缺点。
在以下说明书和权利要求书中，单数形式的“一”，“一个”和“该”包括复数对象，除非上下文另外明确指出。除非上下文另外明确指出，如本文所使用的，术语“或”并不意味着是排他的，并且是指存在所引用的部件中的至少一个，并且包括其中可以存在所引用的部件的组合的实例。如本文中所使用的，术语“第一”，“第二”等不表示任何顺序，数量或重要性，而是用于将一个元件与另一个元件区分开。
关于特定实施例和某些附图描述了本公开，但是本公开不限于此，而是仅由权利要求书限定。所描述的附图仅是示意性的而非限制性的。在附图中，出于说明性目的，某些元件或部件的尺寸可能被放大并且未按比例绘制。尺寸和相对尺寸不对应于实践所公开的设备和方法的实际尺寸。
如本文中所使用的，术语“增材制造”和“增材制造方法”是指用于使用增材制造技术制造物体的方法，并且这些在整个说明书中可以互换使用。增材制造技术通过依次重复地沉积和连接材料层(其中材料颗粒相互粘合在一起)来形成净形或近净形的结构。在一些实施例中，使用诸如激光束或电子束的聚焦能量将材料层熔融(例如，烧结或熔化)在一起。如本文所使用的，“近净形”是指部件形成为非常接近物体的最终形状，不需要大量传统的机械精加工技术，例如在增材制造之后进行机械加工或磨削。如本文所用，“净形”是指部件以部件的最终形状形成，不需要任何传统的机械精加工技术，例如在增材制造之后进行机械加工或磨削。增材制造方法和系统包括，例如但不限于，光聚合，粉末床熔融，粘合剂喷射，材料喷射，片层叠，材料挤出，定向能量沉积和混合系统。
如本文所用，术语“颗粒物质”是指当聚焦的能量与增材制造设备的腔室中的粉末材料相互作用同时使用增材制造制造物品时产生的冷凝物或飞溅物。该颗粒物质可能沉积在腔室的各个部分上，例如粉末床，激光器窗口，并影响所得物品的质量。
本公开大体上涉及利用聚焦能量以选择性地熔融粉末材料以产生三维物体的增材制造装置和方法。根据一些实施例，使用增材制造设备来产生聚焦能量，例如激光束，并执行能够通过将粉末材料的连续层内的颗粒熔化以形成固体均质体来制造物体的烧结/熔化方法。合适的增材制造技术包括但不限于直接金属激光熔化，直接金属激光烧结，直接金属激光沉积，激光工程化净成形，选择性激光烧结，选择性激光熔化，电子束熔化，选择性热烧结，选择性光固化，选择性沉积层压，平滑曲率打印，多喷射熔融，多喷射建模，超声增材制造，数字光处理，熔融长丝制造，熔融沉积建模，立体光刻，混合系统或它们的组合。这些方法和系统可采用例如但不限于所有形式的电磁辐射，热，烧结，熔化，固化，粘结，固结，压制，嵌入或其组合。
一些实施例涉及激光烧结/熔化技术，其中，将粉末材料的各层放下并用激光束照射，从而依次烧结或熔化各层内的粉末材料的颗粒以使该层固化并形成固化层。激光烧结/熔化技术的详细描述可以在美国专利4,863,538，美国专利5,017,753和美国专利5,076,869中找到。
在一些实施例中，一种增材制造装置包括：限定腔室的壳体；设置在腔室中的构建平台；第一气体入口，其构造为在构建平台上方供应第一气流；第二气体入口，其构造为在第一气流上方并且在与第一气流基本相同的方向上供应第二气流；气体出口，其构造用来排出气流。通过气体出口从腔室排出或喷出的气流(即排出的气流)包括第一气流，第二气流和颗粒物质。在一些实施例中，第一气流和第二气流在腔室中分层行进。在一些其他实施例中，第一气流和第二气流在腔室中径向行进。此外，在一些实施例中，第二气流包括均匀气流。
如本文所用，术语“均匀气流”是指气流的流速在气流的整个路径上不变化。
如本文所使用的，术语“在构建平台上方的第一气流”是指第一气流与构建平台的表面切向地供应。在一些实施例中，第一气流切向地流到设置在构建平台上的粉末床。在一些实施例中，第一气流在构建平台的表面上方至少1厘米(cm)的距离处流动。在一些实施例中，该距离在大约2cm到大约5cm的范围内。如本文所用，术语“第一气流上方的第二气流”是指第二气流被供应为在第一气流上方接近第一气流，例如，距第一气流至少1cm。
如本文所用，术语“基本上相同的方向”是指第二气流在腔室内基本上平行于第一气流(并且在第一气流上方)行进，可偏离第一气流的方向从大约-30度到大约30度。在一些实施例中，第二气流可从第一气流方向偏离大约-10度至大约10度。当在腔室内流动时，一些第一气流和第二气流可根据它们的速度，第一气流和第二气流之间的距离以及开口的大小而混合。
在一些实施例中，图1示意性地示出了用于使用聚焦能量例如激光束生产物品或物体的增材制造装置100。装置100包括壳体102，壳体102限定具有一定容积的腔室104。腔室104可相对于周围大气密封。构建平台106设置在腔室104内部的壳体102的基部101上，在其上制造物品。装置100还包括粉末施加设备108，该粉末施加设备108可以布置在腔室104中，以将一定量的粉末材料布置到构建平台106上。在构建平台106上布置的粉末材料可以形成粉末床109。构建平台106可以在竖直方向上移动，使得随着在逐层制造物体的同时增加物体的构造高度，构建平台106可以在竖直方向上向下移动。
粉末材料可以包括但不限于聚合物，塑料，金属，陶瓷，沙子，玻璃，蜡，纤维，生物物质，复合材料或这些材料的混合物。这些材料可以以适合于给定材料和方法的各种形式使用，包括例如但不限于固体，粉末，片，箔，带，丝，粒，线，雾化的以及这些形式的组合。
装置100还包括能量生成系统，用于生成聚焦能量并将其引导到构建平台106的至少一部分上。如图1所示，能量生成系统110布置在壳体102的与基部101相对的顶部103上。聚焦能量通过窗口112进入腔室104。设置在构建平台106上的粉末床109可以根据物品的所需几何形状由控制器(图中未示出)控制以一种选择性的方式经受聚焦能量。
在一些实施例中，能量生成系统110包括用于生成聚焦能量的聚焦能量源。在一些实施例中，聚焦能量源包括用于生成激光束的激光源，用于生成电子束的电子束源或其组合。在一些实施例中，激光源包括生成脉冲激光束的脉冲激光源。与连续的激光辐射相反，脉冲激光束不是连续发射，而是以脉冲方式发射，即以时间间隔限制的脉冲发射。在一些实施例中，能量生成系统110包括多个聚焦能量源，其被构造为选择性地将聚焦能量(例如，激光束)辐射到粉末床109上。在聚焦能量包括激光束的实施例中，窗口112可以被称为激光器窗口。
增材制造装置100还被构造为在腔室104中在构建平台106上方(或在粉末床109上方)供应第一气流，在腔室104中在第一气流上方供应第二气流，并从腔室104排出气流。从腔室排出的气流包括第一气流，第二气流和在形成用于制造所需物品的固化层期间向粉末床109施加聚焦能量时生成的颗粒物质。第一气流和第二气流可以层流或径向地引入或供应到腔室104中。图2和3示出了增材制造装置100(图1)的不同实施例。在一些实施例中，图2示出了具有层流气流布置的增材制造装置200。在一些实施例中，图3示出了具有径向气流布置的增材制造装置300。
如图2所示，增材制造装置200包括用于向腔室104供应第一气流(如箭头150所示)的第一气体入口120和用于从腔室104排出气流(如箭头154所示)的气体出口122。第一气体入口120和气体出口122被构造为允许第一气流150在构建平台106上方沿着方向151层流地流动。如图所示，第一气体入口120布置在第一侧壁114处，并且气体出口122布置在与壳体102的第一侧壁114相对的第二侧壁116处。此外，第一气体入口120和气体出口122被布置在相应的侧壁(114、116)上的一定位置处(例如，朝向基部101)，使得第一气流150在构建平台106的整个表面上方层流地行进。如图所示，第一气体入口120在与构建平台106的侧面(面向第一侧壁114)平行对准的部分中沿着第一侧壁114的宽度“a”延伸。类似地，气体出口122在平行于构建平台106的另一侧面(面向第二侧壁116)的部分中沿着第二侧壁116的宽度“b”延伸。此外，第一气体入口120和气体出口122可以朝向侧壁114和116的基部101设置，使得第一气流150在构建平台106上方切向地行进。
为了简化，第一气体入口120和气体出口122在图2中被示出为矩形。然而，第一气体入口120和气体出口122可以是任何形状，例如多边形或椭圆形，其能够在构建平台106的整个表面上方提供第一气流150。此外，第一气体入口120可以连接至气体分散机构，该气体分散机构连接至气体供应管线。气体分散机构有助于在第一气体入口120的整个长度上均匀地供应第一气流150。气体出口122可以连接到抽吸机构，以从腔室104排出气流154。
如图2所示，增材制造装置200还包括第二气体入口124，用于向腔室104供应第二气流。第二气体入口124被配置为在第一气流150上方并且在与第一气流150基本上相同的方向上(即，在方向151上)供应第二气流(由箭头152所示)。如图所示，第二气体入口124布置在第一侧壁114处，在第一气体入口120上方。例如，第二气体入口124可以布置在第一气体入口120上方至少1厘米处。此外，在一些实施例中，第二气体入口124布置成使得第二气流在整个腔室104中均匀地分布在第一气流上方。如图2所示，第二气体入口124包括在第一侧壁114中的，贯穿第一侧壁114的一部分115的多个开口125，该部分115在第一气体入口120上方延伸直至壳体102的顶部103。多个开口125可以包括开口的阵列，其允许第二气流152在第一气流150上方均匀地流动(即，均匀的第二气流)。开口可以具有允许均匀气流的任何形状和尺寸。在一些实施例中，多个开口125可以是孔的形式。在一些实施例中，孔的直径可以在大约1mm至大约10mm的范围内。
图3示出了具有第一气流和第二气流的径向流动布置的增材制造装置300。在增材制造装置300中，第一气体入口132布置在构建平台106上方。在某些情况下，第一气体入口132布置在构建平台106的中央部分上方。第一气体入口132布置成使得第一气流(由箭头160示出)在腔室104中径向(沿径向方向)流动。此外，腔室104中的第一气流160在构建平台106上方切向地行进。可以通过控制流速和构建平台106与第一气体入口132之间的距离来维持切向流动。在一些实施例中，第一气体入口132在构建平台106上方至少1cm。第一气体入口132可以是喷嘴，其连接到设置在腔室104中的导管130。导管130可以连接到气体供应管线。导管130可以被布置成基本上垂直于构建平台106。如本文所用，术语“基本上垂直”是指导管130与构建平台106的表面105之间的角度可以在100度至80度的范围内。此外，增材制造装置300包括在腔室104的第一侧壁114上的至少一个气体出口136，其允许包括第一气流和颗粒物质的气流(箭头164所示)从腔室104排出。在一些实施例中，如图3所示，腔室104的每个侧壁(114、116、117、118)可包括气体出口136。气体出口136类似于图2中所示并且相对于图2在上面描述的气体出口122。气体出口136可以朝向侧壁的基部101布置，使得第一气流160在构建平台106上方切向地行进。在这种布置中，第一气体入口132和气体出口136允许第一气流160在构建平台106和粉末床109上方径向流动并从侧壁(114、116、117、118)的气体出口136离开。每个气体出口136可以连接至抽吸机构以从腔室104排出气流。
如图3所示，增材制造装置300还包括第二气体入口138，用于在腔室104中供应第二气流(箭头162所示)。第二气体入口138被构造为在第一气流160上方并且在与第一气流160基本上相同的方向(即，径向)上供应第二气流162。如图所示，第二气体入口138布置在第一气体入口132上方。第二气体入口138可以布置成在第一气体入口132至少1cm的距离处。在一些实施例中，第二气体入口138被布置成使得第二气流162在整个腔室104中在第一气流160上方沿径向均匀地流动。在一些实施例中，如图3所示，第二气体入口138包括在导管130的壁134中的多个开口140。壁134包括布置在壁134的一部分139中的多个开口140，该部分139在第一气体入口132上方延伸直至壳体102的顶部103。可以布置多个开口140，以允许第二气流162在第一气流162上方均匀地流动。多个开口140可以具有允许均匀气流的任何形状和尺寸。在一些实施例中，多个开口140可以是孔的形式。在一些实施例中，孔的直径可以在大约1mm至大约10mm的范围内。
在图2和图3所示的实施例中，供应给腔室104的第一气流(150、160)，第二气流(152、162)或两者都可以包括惰性气体，例如氩气，氮气等。然而，也可以想到向腔室104供应空气。第一气流(150、160)，第二气流(152、162)或两者均可通过合适的输送设备例如泵或鼓风机(图中未示出)分别经由第一气体入口(120、132)和第二气体入口(124、138)被供应至腔室104。另外，图2和3中的第一气体入口(120、132)，第二气体入口(124、138)和气体出口(122、136)中的一个或多个可以连接至一个或多个控制器，以控制腔室104中的第一气流和第二气流。一个或多个控制器可以控制腔室104中的第一气流和第二气流的速度和方向。
本公开的一些实施例涉及一种用于制造物品的增材制造方法。该方法包括：(a)将聚焦能量施加到设置在腔室内构建平台上的一定数量的粉末材料上，以形成固化层，(b)将第一气流供应到腔室内构建平台上方，以及(c)在第一气流上方并且在与第一气流基本上相同的方向上将第二气流供应到腔室内。该方法的步骤(b)和(c)可以同时进行。
参照图2和图3，该方法包括步骤(a)在构建平台106上提供一定数量的粉末材料，形成粉末床109。步骤(a)还包括将来自能量生成系统110的聚焦能量施加到粉末床109上。聚焦能量以预定的方式熔化粉末床109的粉末材料以形成固化层。在形成固化层之后，该方法包括步骤(b)：将第一气流供应到腔室104中构建平台106上方，即固化层上方。
如本文所用，术语“预定的方式”是指其中应布置多个固化层以形成所需制品的结构或几何形状的布局。
参照图2，在执行步骤(a)之后，该方法包括步骤(b)：从第一气体入口120在方向151上供应第一气流150。在这些实施例中，第一气流150是在构建平台106上方行进的层状气流。该方法还包括以下步骤(c)：在第一气流150上方并且在与第一气流150基本上相同的方向(即151)上将第二气流152供应到腔室104中。在一些情况下，步骤(c)包括通过第二气体入口124供应第二气流152。参照图2，步骤(c)包括通过多个开口125供应第二气流152。该方法还包括通过气体出口122从腔室104排出包括第一气流150，第二气流152和颗粒物质的气流。
在一些实施例中，参考图3，步骤(b)包括从第一气体入口132径向地供应第一气流160。该方法进一步包括步骤(c)：通过第二气体入口138将第二气流162供应到腔室104中。也就是说，在这些实施例中，第一气流160和第二气流162在腔室104中在构建平台106上方径向行进。在一些实施例中，如图3所示，步骤(c)包括通过多个开口140供应第二气流。该方法还包括通过气体出口136从腔室104排出包括第一气流160，第二气流162和颗粒物质的气流。
参照图2和图3，在一些实施例中，供应第二气流(152、162)的步骤(c)包括供应均匀的气流(如前所述)。第一气流上方的腔室104中均匀的第二气流可通过抑制第一气流的再循环来帮助使腔室104中的总气流流线化。多个开口125(图2)或140(图3)使得能够将第二气流(152、162)均匀地分配在腔室104中第一气流(150、160)上方。而且，在一些实施例中，第二气流(152、162)的质量流量基本上等于第一气流(150、160)的质量流量。在一些实施例中，第二气流(152、162)的质量流量可以在第一气流(150、160)的质量流量的0.5倍至第一气流(150、160)的质量流量的5.0倍的范围内。在一些实施例中，第二气流(152，162)的质量流量等于第一气流(150，160)的质量流量。
在一些实施例中，步骤(b)和步骤(c)可以同时进行。即，该方法包括在腔室104中同时供应第一气流(150、160)和第二气流(152、162)。当第一气流(150、160)和第二气流(152、162)在腔室104中在构建平台106上方行进时，这些第一气流和第二气流会夹带在执行步骤(a)时生成的颗粒物质。包括第一气流(150、160)，第二气流(152、162)和颗粒物质的气流(154、164)通过气体出口122(图2)或气体出口136(图3)从腔室104离开。在执行步骤(b)和(c)之后，该方法包括重复步骤(a)以在先前形成的固化层上形成至少一个另外的固化层。在一些实施例中，该方法还包括在执行步骤(a)之后每次执行步骤(b)和(c)。在一些实施例中，该方法包括重复步骤(a)，(b)和(c)多次以形成连续的另外的固化层以形成期望的物品。步骤(b)和(c)有助于除去在步骤(a)期间产生的颗粒物质。
如前所述，通常将线性或径向气流提供给腔室以去除/夹带颗粒物质。但是，当提供这样的气流时，它可能在腔室内循环并在腔室内形成混乱的气流。这种混乱的流动为颗粒物质沉积在腔室的各个部分上提供了一条路径，这可能会降低所得物体的质量。如上文在一些实施例中所讨论的，供应到腔室的第二气流抑制了第一气流的夹带和再循环，并且能够使在腔室中的构建平台上方行进的总气流流线化。
尽管本文仅示出和描述了本公开的某些特征，但是本领域技术人员将想到许多修改和改变。因此，应当理解，所附权利要求书旨在覆盖落入本公开范围内的所有此类修改和改变。

Claims (18)

1.一种增材制造装置，其特征在于，包括：
壳体，所述壳体限定腔室；
构建平台，所述构建平台设置在所述腔室内；
第一气体入口，所述第一气体入口被构造为在所述构建平台上方供应第一气流；
第二气体入口，所述第二气体入口被构造为在所述第一气体上方并且在与所述第一气流基本上相同的方向上供应第二气流；以及
气体出口，所述气体出口被构造为从所述腔室排出气流。
2.根据权利要求1所述的增材制造装置，其特征在于，其中所述第一气体入口布置在第一侧壁处，并且所述气体出口布置在与所述壳体的所述第一侧壁相对的第二侧壁处。
3.根据权利要求2所述的增材制造装置，其特征在于，其中所述第二气体入口布置在所述第一侧壁处。
4.根据权利要求3所述的增材制造装置，其特征在于，其中所述第二气体入口布置在所述第一气体入口上方。
5.根据权利要求4所述的增材制造装置，其特征在于，其中所述第二气体入口布置在所述第一气体入口上方至少1厘米处。
6.根据权利要求3所述的增材制造装置，其特征在于，其中所述第二气体入口包括所述第一侧壁中的多个开口。
7.根据权利要求1所述的增材制造装置，其特征在于，其中所述第一气体入口设置在所述构建平台上方。
8.根据权利要求7所述的增材制造装置，其特征在于，其中所述第一气体入口包括布置在所述腔室中的所述构建平台上方的导管的喷嘴。
9.根据权利要求8所述的增材制造装置，其特征在于，其中所述第二气体入口布置在所述第一气体入口上方。
10.根据权利要求9所述的增材制造装置，其特征在于，其中所述第二气体入口设置在所述第一气体入口上方至少1厘米处。
11.根据权利要求9所述的增材制造装置，其特征在于，其中所述第二气体入口包括布置在所述腔室中的所述构建平台上方的所述管道的壁中的多个开口。
12.根据权利要求7所述的增材制造装置，其特征在于，其中所述气体出口至少布置在所述壳体的第一侧壁中。
13.一种用于制造物品的增材制造方法，其特征在于，包括：
(a)将聚焦能量施加到设置在腔室内构建平台上的一定量的粉末材料上，以形成固化层；
(b)将第一气流供应到所述腔室内所述构建平台上方；以及
(c)在所述第一气流上方并且在与所述第一气流基本上相同的方向上将第二气流供应到所述腔室内。
14.根据权利要求13所述的增材制造方法，其特征在于，其中所述第一气流在所述构建平台上方层流地供应。
15.根据权利要求13所述的增材制造方法，其特征在于，其中所述第一气流在所述构建平台上方径向地供应。
16.根据权利要求13所述的增材制造方法，其特征在于，其中所述第二气流的质量流量基本上等于所述第一气流的质量流量。
17.根据权利要求13所述的增材制造方法，其特征在于，其中步骤(c)包括在所述腔室中均匀地供应所述第二气流。
18.根据权利要求13所述的增材制造方法，其特征在于，进一步包括：在执行步骤(b)和(c)之后，重复步骤(a)，用于在所述固化层上形成至少一个附加固化层。
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