CN112074398A - 用于增材制造的构建平台和粉末传送系统 - Google Patents

Abstract

一种增材制造系统包括：工厂接口腔室；装载锁定腔室；第一阀，所述第一阀将所述工厂接口腔室与所述装载锁定腔室流体地密封；增材制造腔室，所述增材制造腔室包括将粉末的多个层输送到构建平台的分配系统和向分配在所述构建平台的顶表面上的所述粉末施加能量的能量源；至少第二阀，所述第二阀将所述装载锁定腔室与所述增材制造腔室流体地密封；以及多个支撑件和致动器，所述支撑件和所述致动器提供运输工具以将所述构建平台从工厂接口单元运送通过所述装载锁定腔室到达所述增材制造腔室，再返回到所述工厂接口腔室。

Description

用于增材制造的构建平台和粉末传送系统

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年4月30日提交的第62/664,861号美国临时申请的优先权。

技术领域

本说明书总体涉及增材制造，也称3D打印。

背景技术

增材制造(additive manufacturing,AM)，也称实体自由成型制造或3D打印，是指连续地分配原料(例如，粉末、液体、悬浮液或熔融固体)至二维层中以构建三维物体的制造工艺。相比之下，传统机加工技术涉及其中从原材料(例如，木头、塑料或金属块)切出物体的减材工艺。

在增材制造中可使用多种增材工艺。一些方法熔化或软化材料以产生层，例如，选择性激光熔化(selective laser melting,SLM)或直接金属激光烧结(direct metallaser sintering,DMLS)、选择性激光烧结(selective laser sintering,SLS)、熔融沉积建模(fused deposition modeling,FDM)，而另一些方法则使用不同技术(例如，立体光刻(stereolithography,SLA))固化液体材料。这些工艺在形成层以产生完成物体的方式上可能不同，并且在工艺中可相容地使用的材料上可能不同。

常规系统使用能量源来烧结或熔化粉末状材料。一旦在第一层上的所有所选择的位置烧结或熔化并接着再次凝固，新粉末状材料层就沉积在已完成层的顶部上，并且该工艺逐层地重复，直至产生所期望的物体。

发明内容

在一个方面中，一种增材制造系统包括：工厂接口腔室；装载锁定腔室；第一阀，所述第一阀将所述工厂接口腔室与所述装载锁定腔室流体地密封；增材制造腔室，所述增材制造腔室包括将粉末的多个层输送到构建平台的分配系统和向分配在所述构建平台的顶表面上的所述粉末施加能量的能量源；至少第二阀，所述第二阀将所述装载锁定腔室与所述增材制造腔室流体地密封；以及多个支撑件和致动器，所述支撑件和所述致动器提供运输工具以将所述构建平台从工厂接口单元运送通过所述装载锁定腔室到达所述增材制造腔室，再返回到所述工厂接口腔室。

实现方式可包括以下特征中的一者或多者。

所述运输工具可包括运输轨道以运送所述构建平台。

传送腔室可定位在所述装载锁定腔室与所述增材制造腔室之间。所述传输工具可被配置为将所述构建平台从所述工厂接口单元运送通过所述装载锁定腔室和所述传送腔室到达增材制造腔室，再返回到所述工厂接口腔室。所述第二阀可将所述装载锁定腔室与所述传送腔室流体地密封，并且第三阀可将所述增材制造腔室与所述传送腔室流体地密封。多个处理腔室可耦接到所述传送腔室，所述多个处理腔室包括所述增材制造腔室。所述多个处理腔室可包括多个增材制造腔室。所述传送腔室可包括可旋转支撑件以选择性地将构建平台引导到所述多个处理腔室中的一者。

所述工厂接口腔室可包括被配置为保持多个构建平台的存储区域。所述运输工具可被配置为从所述存储区域取出所述构建平台。气体供应源可耦接到所述传送腔室以将所述传送腔室维持在小于约0.01大气压的氧分压下。所述气体供应源被配置为将所述传送腔室维持在约1大气压的压力下。气体供应源可耦接到所述增材制造腔室以将所述传送腔室维持在小于约0.01大气压的氧分压下。所述气体供应源可被配置为将所述增材制造腔室维持在约1大气压的压力下。

在另一个方面中，一种用于形成物体的增材制造设备包括：构建平台，所述构建平台支撑所形成的物体；分配系统，所述分配系统将粉末的多个层输送到所述构建平台；壳体，所述壳体将所述构建平台和所述分配系统包封在密封腔室中；能量源，所述能量源向分配在所述构建平台的顶表面上的所述粉末施加能量；以及粉末传送系统，所述粉末传送系统将粉末输送到所述分配系统。所述粉末传送系统包括：机械接口，所述机械接口接合定位在所述壳体外部的容器；内部容积，所述内部容积接收来自所述容器的粉末；阀，所述阀将所述内部容积与容纳所述分配系统的所述腔室流体地密封；以及真空源，所述真空源在所述粉末被传送到所述分配系统之前净化气体的所述内部容积中的粉末。

实现方式可包括以下特征中的一者或多者。

所述机械接口可被配置为形成至容纳所述粉末的供应的所述容器的内部容积的密封连接。所述机械接口可包括前端操作用户端口。所述分配系统可包括用于保持粉末的料斗，并且所述分配系统和所述料斗可相对于所述构建平台水平地移动。所述粉末传送系统可包括耦接到所述机械接口的贮存器，以从接合到所述机械接口的罐接收粉末，并且阀可定位在所述机械接口与所述贮存器之间。第二阀可控制从所述贮存器到所述料斗的粉末输送。所述贮存器和所述第二阀可为固定的，并且所述料斗可移动到在所述第二阀下方的位置。

前述内容的优点可包括但不限于以下方面。(例如由氧气造成的)粉末的污染可被减少，从而改善零件品质和良率。传送腔室和构建腔室(例如选择性激光熔化腔室)可被维持在大气压下，以避免构建完全真空相容的系统的成本和复杂性。构建板可重复使用。可在不同腔室中输送不同粉末。

附图和以下描述中阐述了本说明书中描述的主题的一个或多个实现方式的细节。根据说明书、附图和权利要求书，其他可能的特征、方面和优点将变得显而易见。

附图说明

图1是增材制造系统的示意性顶视图。

图2是图1的增材制造系统的示意性侧视图。

图3是来自增材制造系统的示例增材制造腔室的示意性剖视图。

图4A是用于示例增材制造设备的打印头的示例的示意性侧视图。

图4B是图4A的打印头的示意性顶视图。

图5是装载到接口中的罐的示意性侧视图。

在各个图中的相似的参考数字和附图标记指示相似的要素。

具体实施方式

增材制造(AM)设备可通过分配并熔融粉末的连续层以在构建平台上形成物体。这种粉末，特别是在金属粉末的情况下，可能非常昂贵。如果粉末被暴露于空气(例如，氧气)，则可能被污染。可通过使用手套箱或等效惰性气体容器以便尝试将氧气减至最小程度来保护对氧化物敏感的工艺免受污染。然而，在商业规模的3D打印应用中，可能必需将构建平台移入和移出打印系统，并且手套箱型方法可能与此功能性不相容。此外，即使是1％氧气量仍然太高，以致无法将氧化物形成减至最小程度。在金属印刷期间，处理腔室中的主要氧气源是在腔室排空(在3DS的情况下)或净化期间从粉末释放的氧气。

为此，可使用装载锁来最小化增材制造平台中氧气向处理腔室中的迁移。可使用单独的腔室进行粉末排空和净化。原则上，从SLM处理腔室移除大量粉末可消除向处理腔室添加氧气和湿气的可能性。另外，增材制造系统包括构建板存储和运输设计。

增材制造系统

图1示出了增材制造系统10的示意性顶视图，并且图2示出了增材制造系统10的示意性侧视图。

系统10包括工厂接口20、真空装载锁25、传送腔室30和一个或多个增材制造腔室100。系统10还包括轨道工具，该轨道工具被设计为将构建板104从工厂接口运送通过真空装载锁并运送到服务于一个或多个增材制造腔室的传送腔室中，再返回到工厂接口。

工厂接口20包括端口22，构建板104可通过端口22传入或传出。例如，可插入新构建板，并且可将其上具有已经制造的物体的构建板从工厂接口20移除。工厂接口还可包括存储区域26，一个或多个构建板104可暂时地存储在该存储区域中，例如，直至需要用于在增材制造腔室100中制造物体。

装载锁25将作为低氧环境的传送腔室30与工厂接口20分开，工厂接口30在端口22打开时被暴露于空气。可一次将一个构建板104馈送到装载锁25中，并且然后一次将一个构建板从装载锁25传送到传送腔室30中。

传送腔室30和增材制造腔室100可维持在大气压下(但在小于1％氧气下)，以避免建立完全真空相容的系统的成本和复杂性。

轨道工具可包括一组轨道60，例如导轨，沿着该导轨构建板104在致动器的影响下在工厂接口20、装载锁25、传送腔室30和增材制造腔室100中移动，该组轨道被配置为运输构建板104。为了容纳多个处理腔室，轨道工具可包括支撑轨道60的一个区段62的可旋转基座32。这允许区段62旋转，使得可将构建板传送到通向适当腔室的轨道上。

每个增材制造腔室100可通过阀70(例如狭缝阀)与传送腔室30流体地密封。类似地，传送腔室30可通过阀72(例如狭缝阀)与装载锁25流体地密封，并且装载锁25可通过阀74(例如狭缝阀)与工厂接口20流体地密封。

附接到传送腔室30的每个增材制造腔室100由粉末输送系统服务。粉末可通过重力进行输送，或者可被流化且使用氩气或氮气输送。粉末将在真空下被供应到粉末输送系统，或者可在与处理腔室分开的容积中进行净化和排空。以此方式，可排空困在粉末之间的任何湿气或气体污染物，而不污染SLM处理腔室。

尽管图1示出了三个增材制造腔室100，但其他类型的处理腔室也可位于传送腔室30之外，例如，电子束制造(electron beam manufacturing,EBM)腔室、沉积腔室、蚀刻腔室等。

需注意，在单腔室架构中，传送腔室30和装载锁25可为一个容积。

图3示出了示例增材制造(AM)腔室100的示意性侧视图，AM腔室100包括固定到打印头支撑件119的打印头102和支撑在轨道60上的构建平台104(例如，构建台)。打印头102分配粉末106，并且任选地，熔融分配在平台104上的粉末106。任选地，如下所述，打印头102还可在平台104上分配和/或熔融第二粉末108。

打印头102和构建平台104两者都可包封在壳体180中，壳体180形成密封腔室186，例如真空腔室，密封腔室186提供受控操作环境。腔室180可包括耦接到气源的入口182和耦接到排气系统(例如泵)的出口184。气源可供应惰性气体，例如Ar，或者在熔化期间所达到的温度下不与粉末反应的气体，例如N₂。这允许控制壳体180的内部的压力和氧气含量。例如，当处理Ti粉末颗粒时，氧气可维持低于50ppm。如上文所指出，在一些实现方式中，腔室186维持在大气压下，但维持在低氧含量下(例如，小于1％)。

参考图3和图4B，打印头102被配置为横穿平台104。例如，设备100可包括支撑件，例如，线性导轨或一对线性导轨119，打印头可沿着该支撑件通过线性致动器和/或马达移动。这允许打印头102沿着第一水平轴线在平台104上移动。在一些实现方式中，打印头102可沿着垂直于第一轴线的第二水平轴线移动。

打印头102也可沿着竖直轴线移动。特别地，打印头102可提升等于所沉积的粉末层的厚度的量。这可在打印头上的分配器与平台104上的粉末的顶部之间维持恒定高度差。驱动机构(例如，活塞或线性致动器)可连接到打印头或保持打印头的支撑件，以控制打印头的高度。替代地，打印头102可保持在固定竖直位置中，并且平台104可在沉积每一个层之后降低。

参考图3和图4A，打印头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。参考图3和图4A，第一分配系统116包括用于接收粉末106的料斗131。粉末106可行进通过具有可控制孔(例如，阀)的通道136，该可控制孔控制是否将粉末分配到平台104上。

返回图4A和图4B，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可被并入到打印头102中(如图4A和图4B所示)，可被安装在保持打印头的支撑件上，或者可被单独地安装，例如，单独地安装在可相对于打印头102独立地移动的单独的支撑件上，或单独地安装在支撑构建平台104的框架上，或单独地安装在包围构建平台104的腔室壁上。

在一些实现方式中，能量源114可包括扫描激光器，该扫描激光器产生聚焦能量束，该聚焦能量束增加粉末层的小区域的温度。在一些情况下，能量源114可包括离子束或电子束。能量源114可通过使用例如烧结工艺、熔化工艺或其他工艺来使粉末熔融，以使粉末形成固体物质。能量源114可定位在打印头102上，使得随着打印头102在向前方向上前进，能量源可选择性地加热由分配系统116分配的粉末的区域。

任选地，该设备可包括热源112以引导热来升高所沉积的粉末的温度。热源112可将所沉积的粉末加热到低于其烧结或熔化温度的温度。热源112可为例如热灯阵列。能量源114可被并入到打印头102中，安装在保持打印头的支撑件上，或者单独地安装，例如，单独地安装在可相对于打印头102独立地移动的单独的支撑件上，或单独地安装在支撑构建平台104的框架上，或单独地安装在包围构建平台104的腔室壁上。相对于打印头102的向前移动方向，热源112可位于第一分配系统116后面。在打印头102在向前方向上移动时，热源112在第一分配系统116先前所在的区域上移动。

任选地，打印头102还可包括第一延展器118，例如辊或刀片，其首先与分配系统116协作以压实并延展由分配系统116分配的粉末。延展器118可为该层提供基本上均匀的厚度。在一些情况下，第一延展器118可压在粉末层上以压实粉末。

打印头102还可任选地包括第一感测系统120和/或第二感测系统122，以检测设备100的性质以及由分配系统116分配的粉末。

在一些实现方式中，打印头102包括第二分配系统124以分配第二粉末108。第二分配系统116(如果存在的话)可类似地构造有料斗134和通道135。第二延展器126可与第二分配系统124一起操作以延展和压实第二粉末108。

第一粉末颗粒106具有的平均直径可比第二粉末颗粒108的平均直径大例如两倍或更大。当第二粉末颗粒108分配在第一粉末颗粒106的层上时，第二粉末颗粒108渗入第一粉末颗粒106的层以填充在第一粉末颗粒106之间的空隙。比第一粉末颗粒106小的第二粉末颗粒108可实现更高分辨率、更高预烧结密度和/或更高压实率。

替代地或另外地，如果设备100包括两种类型的粉末，则第一粉末颗粒106可具有与第二粉末颗粒不同的烧结温度。例如，第一粉末可具有比第二粉末低的烧结温度。在此类实现方式中，能量源114可用于将整个粉末层加热到某一温度，使得第一颗粒熔融而第二粉末不熔融。

在实现方式中，当使用多种类型的粉末时，第一分配系统116和第二分配系统124可将第一粉末颗粒106和第二粉末颗粒108各自输送到不同所选择的区域中，这取决于待形成的物体的部分的分辨率要求。

用于粉末的材料包括金属，诸如例如钢、铝、钴、铬和钛、合金混合物、陶瓷、复合材料和生砂。在具有两种不同类型的粉末的实现方式中，在一些情况下，第一粉末颗粒106和第二粉末颗粒108可由不同材料形成，而在其他情况下，第一粉末颗粒106和第二粉末颗粒108具有相同材料复合材料。在其中设备100被操作来形成金属物体并分配两种类型的粉末的示例中，第一粉末颗粒106和第二粉末颗粒108可具有组合以形成金属合金或金属间化合物的组分。

金属和陶瓷的增材制造的处理条件与塑料的增材制造的处理条件显著地不同。例如，一般来说，金属和陶瓷要求显著更高的处理温度。因此，用于塑料的3D打印技术可能不适用于金属或陶瓷处理，并且设备可能不是等效的。然而，本文中描述的一些技术可能适用于聚合物粉末，例如，尼龙、ABS、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)和聚苯乙烯。

如果设备100分配具有不同烧结温度的两种不同类型的粉末，则第一热源112和第二热源125可具有不同温度或加热设定点。例如，如果第一粉末106可在比第二粉末108低的温度下烧结，则第一热源112可具有比第二热源125低的温度设定点。

参考图3和图5，在分配系统116分配了一个或多个粉末层之后，料斗131可能最终用尽粉末。在这种情况下，料斗131可能需要再装料。打印头102可移动以将料斗131定位在再装料分配器150下方。再装料分配器150包括用于保持粉末的贮存器152和可控制喷嘴154，可控制喷嘴154通过重力馈送将粉末从贮存器152可控制地输送到粉末分配器116的料斗131中。

提供前端操作用户端口160的机械接口160经由通道156耦接到贮存器152，粉末可例如通过重力流过通道156，或者例如通过螺旋钻系统引导通过通道156。可从壳体180外部接近用户端口160，使得操作员可将罐170放入用户端口160中。

用户端口160被配置为接收罐170，罐170将新粉末或回收粉末保持在内部容积174中。罐170可包括阀172，例如球阀，阀172被偏置到关闭位置以将罐的内部容积174与外部环境隔离。

前端操作用户端口160包括被配置为保持罐170的安装板162。用户端口160还包括例如从安装板162延伸的突出部164。突出部164可为卡口(bayonet)特征。突出部164被配置为当罐与安装板162配合时接合阀172，以便打开阀172。偏置阀172和突出部164的组合有助于防止阀在用户端口160上打开，除非将其连接到安装板162。另外，当罐与安装板162配合时，O形环166可在用户端口160与罐170之间形成密封。这些都减少了内部容积174中的粉末被污染的可能性。

接口160可包括内部容积190，粉末可从罐170流入内部容积190中。容积190可通过阀192与贮存器152和通道156流体地密封。另外，容积190可包括端口194，端口194可耦接到真空源以从容积190中的粉末净化和排空任何气体。这允许粉末在其进入增材制造腔室之前被净化，并且由此降低了氧气污染的风险。

尽管示出为在壳体180的侧面上，但前端操作用户端口可在壳体180的顶部上，并且罐可被取向为使开口和阀在底部上，使得粉末可通过重力流入贮存器152中。

尽管未示出，但如果打印头102包括第二粉末分配器124，则设备100可包括第二再装料分配器和第二机械接口，该第二机械接口用于接收具有第二粉末的罐，其他如上所述那样构造和操作。

控制器128控制设备100的操作，包括打印头102及其子系统(诸如热源112、能量源114和第一分配系统116)的操作。控制器128还可控制(如果存在的话)第一延展器118、第一感测系统120、第二感测系统122、第二分配系统124和第二延展器126。控制器128还可从例如在设备的用户接口上的用户输入接收信号，或者从设备100的传感器接收感测信号。控制器128可操作分配系统116以分配粉末106，并且可操作能量源114和热源112以熔融粉末106来形成变为要形成的物体的工件130。

控制器128可包括计算机辅助设计(CAD)系统，该CAD系统接收和/或生成CAD数据。CAD数据指示将要形成的物体，并且如本文中所述，可用于确定在增材制造工艺期间形成的结构的性质。基于CAD数据，控制器128可生成可由控制器128操作的每个系统可用的指令，例如，以用于分配粉末106、熔融粉末106、移动设备100的各种系统以及感测系统、粉末和/或工件130的性质。在一些实现方式中，控制器128可控制第一分配系统116和第二分配系统124以选择性地将第一粉末颗粒106和第二粉末颗粒108输送到不同区域。

控制器128例如可将控制信号传输到移动设备的各个部件的驱动机构。在一些实现方式中，驱动机构可致使这些不同系统平移和/或旋转，包括分配器、辊、支撑板、能量源、热源、感测系统、传感器、分配器组件、分配器以及设备100的其他部件。驱动机构中的每者可包括一个或多个致动器、连杆以及其他机械或机电部件，以使设备的部件能够移动。

结论

控制器和本文中描述的系统的其他计算装置零件可实现在数字电子电路中，或实现在计算机软件、固件或硬件中。例如，控制器可包括用于执行存储在计算机程序产品中、例如存储在非暂时性机器可读存储介质中的计算机程序的处理器。这种计算机程序(也称程序、软件、软件应用程序或代码)可以任何形式的编程语言(包括编译或解释语言)写入，并且这种计算机程序可以任何形式(包括作为独立程序或作为模块、部件、子例程或适用于计算环境中的其他单元)部署。

尽管本文件含有许多具体实现细节，但这些细节不应被解释为对任何发明内容或可要求保护的内容的范围的限制，而应被解释为对特定发明内容的特定实施例的特定特征的描述。本文件中在单独的实施例的上下文中描述的某些特征也可组合地实现在单个实施例中。相反地，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可分开地实现在多个实施例中或以任何合适的子组合实现。此外，尽管上文可将特征描述为以某些组合起作用并甚至最初是如此要求保护，但在一些情况下可从这些组合除去所要求保护的组合的一个或多个特征，并且所要求保护的组合可涉及子组合或子组合的变型。

已经描述了许多实现方式。尽管如此，将理解，可做出各种修改。

因此，其他实现方式落入权利要求书的范围内。

Claims (15)

1.一种增材制造系统，包括：

工厂接口腔室；

装载锁定腔室；

第一阀，所述第一阀将所述工厂接口腔室与所述装载锁定腔室流体地密封；

增材制造腔室，所述增材制造腔室包括分配系统和能量源，所述分配系统将粉末的多个层输送到构建平台，所述能量源向分配在所述构建平台的顶表面上的所述粉末施加能量；

至少第二阀，所述第二阀将所述装载锁定腔室与所述增材制造腔室流体地密封；以及

多个支撑件和致动器，所述多个支撑件和所述致动器提供运输工具以将所述构建平台从工厂接口单元运送通过所述装载锁定腔室到达所述增材制造腔室，再返回到所述工厂接口腔室。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述运输工具包括运输轨道以运送所述构建平台。

3.如权利要求1所述的系统，包括位于所述装载锁定腔室与所述增材制造腔室之间的传送腔室，并且所述运输工具被配置为将所述构建平台从所述工厂接口单元运送通过所述装载锁定腔室和所述传送腔室到达所述增材制造腔室，再返回到所述工厂接口腔室。

4.如权利要求3所述的系统，其中所述第二阀将所述装载锁定腔室与所述传送腔室流体地密封，并且所述系统包括第三阀，所述第三阀将所述增材制造腔室与所述传送腔室流体地密封。

5.如权利要求3所述的系统，包括耦接到所述传送腔室的多个处理腔室，所述多个处理腔室包括所述增材制造腔室。

6.如权利要求5所述的系统，其中所述多个处理腔室包括多个增材制造腔室。

7.如权利要求5所述的系统，其中所述传送腔室包括可旋转支撑件以选择性地将构建平台引导到所述多个处理腔室中的一者。

8.如权利要求1所述的系统，其中所述工厂接口腔室包括存储区域，所述存储区域被配置为保持多个构建平台，并且所述运输工具被配置为从所述存储区域取出构建平台。

9.如权利要求1所述的系统，包括气体供应源，所述气体供应源耦接到所述传送腔室，以将所述传送腔室维持在小于约0.01大气压的氧分压下。

10.如权利要求9所述的系统，其中所述气体供应源被配置为将所述传送腔室维持在约1大气压的压力下。

11.如权利要求1所述的系统，包括气体供应源，所述气体供应源耦接到所述增材制造腔室以将所述传送腔室维持在小于约0.01大气压的氧分压下。

12.如权利要求11所述的系统，其中所述气体供应源被配置为将所述增材制造腔室维持在约1大气压的压力下。

13.一种增材制造系统，包括：

构建腔室；

阀，所述阀流体地密封所述构建腔室；

支撑件，所述支撑件将构建板保持在所述构建腔室内；

致动器，所述致动器将所述构建板运送通过所述阀并运送到所述支撑件上；

分配系统，所述分配系统将粉末的多个层输送到所述构建腔室中的所述构建板上；以及

能量源，所述能量源向分配在所述分配腔室中的所述构建平台的顶表面上的所述粉末施加能量。

14.如权利要求13所述的系统，包括运输轨道，所述运输轨道运送所述构建平台。

15.如权利要求13所述的系统，其中所述阀包括狭缝阀。

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