CN112399897B - 用于将气体进送到增材制造空间的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

根据本发明，提供了一种用于在制造过程期间将气体流进送到增材制造空间的方法，其中气体流由连接至制造空间的泵建立，其中泵由设定的压差控制，并且其中气体流由氦气组成，或者气体流由包含30体积％氩气和70体积％氦气的气体混合物组成，或者气体流由包含50体积％氩气和50体积％氦气的气体混合物组成，或者气体流由包含70体积％氩气和30体积％氦气的气体混合物组成。

Description

用于将气体进送到增材制造空间的方法和装置
本发明涉及用于将气体进送到增材制造空间的方法和装置。
增材制造(AM)的工艺之间的主要差异在于层沉积以形成部件的方式以及所使用的材料。一些方法熔化或软化材料以产生层，例如选择性激光熔化(SLM)或直接金属激光烧结(DMLS)、选择性激光烧结(SLS)、熔融沉积成型(FDM)或熔融长丝制造(FFF)，而其他方法使用不同的复杂技术来固化液体材料。这些增材制造工艺被总结为术语激光粉末床融合(L-PBF)。
选择性激光烧结(SLS)是一种增材制造(AM)技术，其使用激光作为电源来烧结粉末材料，使激光自动对准由3D模型限定的空间点，从而将材料粘结在一起以形成固体结构。它类似于直接金属激光烧结(DMLS)。这两者都是相同概念的实例，但在技术细节上有所不同。选择性激光熔化(SLM)使用类似概念，但在SLM中，材料完全熔化而不是烧结，从而允许不同的特性(晶体结构、孔隙度等)。SLS涉及使用高功率激光(例如，二氧化碳激光)将塑料、金属、陶瓷或玻璃粉末的小颗粒融合成具有期望三维形状的团块。激光通过扫描由粉末床表面上的部件(例如，来自CAD文件或扫描数据)的3-D数字描述生成的横截面来选择性地熔化粉末材料。在扫描每个横截面之后，粉末床降低一层厚度，在顶部施加新的材料层，并且重复该过程直到部件完成。因为成品部件密度取决于峰值激光功率而不是激光持续时间，所以SLS机器通常使用脉冲激光。
选择性激光熔化(DLMS)是被设计成使用高功率密度激光将金属粉末熔化并融合在一起的特定快速成型、3D印刷或增材制造(AM)技术。在许多情况下，SLM被认为是选择性激光烧结(SLS)的子类别。与SLS不同，SLM方法能够将金属材料完全熔化成实体3D部件。利用选择性激光熔化，使用涂覆机构将雾化的细金属粉末薄层均匀地分布到基底板(通常为金属)上，该基板紧固到在竖直(Z)轴上移动的分度台。这发生在包含严格控制的惰性气体气氛的室内部，该惰性气体为氧气水平低于500ppm至1000ppm的氩气或氮气。一旦已分布了每一层，就通过选择性地熔化粉末来融合部件几何形状的每个2D切片。这用高功率激光束(通常为数百瓦的光纤激光)来实现。用两个高频扫描镜在X和Y方向上引导激光束。激光能量足够强以允许颗粒完全熔化(焊接)以形成固体金属。该过程一层一层地重复，直到部件完成。
直接金属激光烧结(DMLS)是一种增材制造金属制造技术，偶尔称为选择性激光烧结(SLS)或选择性激光熔化(SLM)，其直接由计算机辅助设计(CAD)数据生成金属原型和工具。这对于SLS或SLM是独特的，因为该过程使用激光来选择性地熔化细金属粉末。DMLS使用多种合金，从而允许原型为由与产生部件相同的材料制成的功能性硬件。由于部件是逐层构建的，因此可设计不能被浇铸或以其他方式加工的有机几何形状、内部特征和挑战性通道。DMLS产生坚固耐用的金属部件，其作为功能性原型或最终用途的产生部件均很好地发挥作用。DMLS过程从3D CAD模型开始，由此创建stl-文件并将其发送到机器的计算机程序。DMLS机器使用高功率200瓦镱光纤激光。在构建室区域内部，存在材料分配平台和构建平台连同用于在构建平台上方移动新粉末的再涂器叶片。该技术通过使用聚焦激光束将金属粉末局部熔化而将金属粉末融合成固体部件。部件是逐层构建的，通常使用20微米至50微米厚的层。
一般来讲，增材制造是一种制造技术，其包括一种方法，通过该方法热源熔化沉积在基底上的材料原料。热源和原料源移动的计算机控制使得构建复杂的部件成为可能。在增材制造中，处理不限于其中处理金属粉末的上述方法，而是处理复合材料或聚合物。热源可包括(但不限于)已经提及的激光束、电弧或其他基于等离子体的热源。
LMF工艺发生在填充有处理气体的处理室中。通常，使用惰性气体，其中必须严格控制污染物。例如，氧气含量可不超过在1ppm至1000ppm之间的某个阈值。污染的另一个示例是处理空间中存在的水分，这也需要严格控制。杂质的另外的示例为氮气、氢气、CO2和其他气体。
当打开增材制造设备的处理室以移除制造部件以便开始产生新部件时，环境空气进入处理室。必须通过用惰性气体吹扫该室直到氧气含量降至某个阈值来去除该环境空气。吹扫气体通过一个或多个气体入口引入处理室中。室的吹扫花费相对长的时间，尤其是当杂质的阈值水平低时。
污染的另一个来源是粉末本身，其可在颗粒表面上吸收杂质，该杂质然后在熔化过程中被释放，从而污染处理气体气氛。因此，保持处理室的连续清洁过程或冲洗过程以使杂质保持在容许阈值以下。
在增材制造期间，粉末进料的激光烧结或激光熔化需要惰性气体保护，因为所得的熔化金属对于氧化铝合金而言可在超过600℃的范围内，或者对于大多数其他金属而言可在超过1500℃的范围内。至关重要的是，保护熔化池免受大气环境中氧气的高温氧化。至关重要的是，氧气水平低于1000ppm，或对于敏感材料如钛及其合金而言，要求可低于100ppm和更低，并且对于其他一些对氧气非常敏感的合金，要求可低至10ppm。
保护熔化池免受氧化总是必要的，因为这可导致焊接缺陷和耐腐蚀性降低和机械特性降低以及疲劳和断裂强度降低。在抗蠕变材料、合金钢、不锈钢及其合金、镍及其合金以及钛及其合金中尤其如此。保护单元/室的常用方法是通过使惰性气体(诸如氩气)料流通入单元体积中来吹扫体积以降低氧气水平。这限制了在激光熔化池的侧面处氧气引起氧化的可用性。一些材料在反应性金属中遭受氧化变色并且被氧气脆化。
处理室主要用惰性气体(通常为氩气和很少的氮气)吹扫，以从构建空间和/或处理室中去除空气。在吹扫过程之后和制造过程期间，室内部的氧气含量处于约0.1％O2(1000ppm)的水平。这旨在减少材料氧化。
惰性气体的流动确保了例如清洁的激光路径、激光撞击粉末床的处理区域附近的烟雾和飞溅物的去除。
有关保护气体的热导率和密度的性质和特性显著影响部件有关孔隙率的特性。
大多数改进现有增材制造技术的努力都集中于激光参数，诸如功率、扫描速度等以便优化激光粉末床方法。大多数情况下，处理气体仅用于确保去除烟雾和飞溅物。在这种情况下，为了实现高密度部件，处理窗口很窄并且处理速度有限。
用于激光粉末床融合的气体范围目前限于氩气和/或氮气，原因在于它们对大多数可用金属粉末的惰性特征。然而，虽然氩气是稀有气体，但氮气可解离并与高温金属反应，从而可能形成氮化物。
本发明的一个目的是提供一种增材制造方法和对应的设备，特别是L-PBMF方法和LPBMF装置，其中使用另选的气体和/或气体混合物用于处理，其中可实现期望的气体速度并且其中确保了处理的可重复性。
本发明的另一个目的是提供一种增材制造方法和相应的设备，其中处理室和/或处理气体气氛可有效且以简单和更快的方式去除杂质。
本发明的另一个目的是提供一种用于允许更高(激光)扫描速度的增材制造的改进方法。
这些问题中的一者或多者通过根据独立权利要求1和8所述的方法来解决。有利的实施方案在从属权利要求中限定。
根据本发明，提供了一种用于在制造过程期间将气体流进送到增材制造空间的方法，其中气体流由连接至制造空间的泵建立，其中泵由设定的压差控制，并且其中气体流由氦气组成，或者气体流主要由包含5体积％至40体积％并且优选地30体积％氩气和95体积％至60体积％并且优选地70体积％氦气的气体混合物组成，或者气体流主要由包含41体积％至60体积％并且优选地50体积％氩气和59体积％至40体积％并且优选地50体积％氦气的气体混合物组成，或者气体流主要由包含61体积％至95体积％并且优选地70体积％氩气并且包含39体积％至5体积％并且优选地30体积％氦气的气体混合物组成。
在本发明的范围内，气体可具有10ppm至1000ppm的杂质。
优选地，当气体流由氦气组成时，设定的压差为0.8毫巴至0.16毫巴，或为0.1毫巴至0.14毫巴，并且优选地为0.12毫巴；并且当气体流由包含5体积％至40体积％并且优选地30体积％氩气和95体积％至60体积％并且优选地70体积％氦气(He70)的气体组成时，设定的压差为0.26毫巴至0.34毫巴，或为0.28毫巴至0.32毫巴，并且优选地为0.30毫巴；并且当气体流由包含41体积％至60体积％并且优选地50体积％氩气和59体积％至40体积％并且优选地50体积％氦气(/>He50)的气体混合物组成时，设定的压差为0.37毫巴至0.45毫巴，或为0.39毫巴至0.43毫巴，并且优选地为0.41毫巴；并且当气体流主要由包含61体积％至95体积％并且优选地70体积％氩气并且包含39体积％至5体积％并且优选地30体积％氦气(/>He30)的气体混合物组成时，设定的压差为0.55毫巴至0.63毫巴，或为0.57毫巴至0.61毫巴，并且优选地为0.59毫巴。
本发明的发明人已认识到以下内容。保护或处理气体的密度显著影响构建平台上方的气体速度。在气体(混合物)具有低密度的情况下，L-PBF设备的泵将需要以更高的功率运行以实现与使用传统氩气时相同的气体速度。
根据本发明，已经开发出特别是与设定的压差相关的特定参数以确保类似的气体速度。这些压差值对于能够在氦气和氩气-氦气混合物下进行处理是必要的。
另外，由于现有的氧气传感器是在环境空气处校准的，因此当前的机器设计不允许在氦气(混合物)下的室中有稳定的残余氧气水平。
本发明定义了在氦气和氦气-氩气混合物下处理所需的压差。它详述了气体、压差和气体速度之间的相关性。
根据本发明的方法允许在当前的机器设计中使用具有较低密度的新的处理气体。
为了确保构建室中的一致的残余氧气水平，可将针对处理气体(氦气和He-Ar混合物)特别校准的附加氧气痕量分析仪实施到机器的气体再循环系统中
在没有给出相关性的情况下，气体速度可能无法通过L-PBF机器实现也无法通过其保持。这种相关性允许将用于L-PBF的可用处理气体的范围加宽至较轻的气体和气体混合物。
氧气痕量分析仪还确保了该过程的可重复性。
合适的氧气监测和控制系统以及具有痕量分析仪的氧气监测和控制系统和方法公开于例如EP 3 075 470 A中。该文献以引用方式并入本文。EP 3 075 470 A公开了一种用于通过增材制造以层的形式产生金属工件的方法，其中工件的冶金层通过如下方式来产生：在每种情况下在生产室中为每个冶金层提供金属材料和激光束，并且在生产室中金属材料层的施加期间，提供气体气氛。根据本发明，将气体气氛的一部分作为气体料流从生产室中抽出，确定气体料流和/或气体气氛的至少一个参数并将其与期望值进行比较。根据参数与期望值的比较，将气体料流返回到生产室，并且将处理气体供应到生产室。
根据该监测系统，将气体气氛的一部分以气体料流的形式从制造室中提取出来并进送到分析仪。在分析仪中确定该气体料流的一个或多个参数。由于气体气氛由惰性氦气或氦气和氩气组成，因此控制气体料流的水蒸气含量或气体料流的氧气含量以确定气体气氛是否仍然足够惰性通常是明智的。否则，在工件的内部会发生不期望的孔形成。
测量参数诸如气体料流的水蒸气含量或氧气含量，并将其与分析仪中的标称值进行比较。如果测量的参数低于标称值，即如果水蒸气含量或氧气含量低于预定的标称值，则气体料流可完全返回到制造室。
L-PBF机器使用标称功率高达400W的激光。典型的构建平台表面为约400cm2并且构建高度为约30cm。该机器依赖于以下原理来建立其保护气氛。将该室用惰性气体(通常为氩气或氮气)吹扫以去除空气。一旦机器检测到少于几千ppm的氧气，其就开始再循环室的气氛。再循环气体流由泵建立。泵功率将取决于操作者输入，该操作者设定的压差。该压差在泵之后测量。增加泵功率，直到达到所需的压力并保持恒定。然后允许该过程开始。
对于给定的材料和气体，压差被设定为获得约2.2m/s的气体速度。这允许确保清洁的激光-材料相互作用区。
提供气体混合物和/或气体流控制系统以用于控制包含氦气和氩气的气体混合物的气体流和/或气体混合物中氦气与氩气的比率//
气体可经由上述气体再循环系统而被再循环，其中经由附加氧气痕量分析仪来保持制造空间中的一致的残余氧气水平，该分析仪针对所使用的气体进行特别校准并且被实施到气体再循环中。
本发明定义了在氦气和氦气-氩气混合物下处理所需的压差。它详述了气体、压差和气体速度之间的相关性。
图2显示了根据本发明的对于氦气(II)和主要由30体积％氩气和70体积％氦气(V)(He70)、50体积％氩气和50体积％氦气(IV)(/>He50)、70体积％氩气和30体积％氦气(III)(/>He30)组成的气体混合物以及氦气的气体速度和压差之间的相关性。
基于这种相关性，对于上述处理气体，操作者可将气体速度控制在传统范围内。本发明建议在0.12毫巴处于氦气中、在0.30毫巴处于30体积％氩气和70体积％氦气(V)中、在0.41毫巴处于50体积％氩气和50体积％氦气(IV)中以及在0.59毫巴处于70体积％氩气和30体积％氦气(III)中进行。
本发明的发明人已经认识到，使用氩气-氦气混合物，使用针对氩气开发的差压的传统设置是不可能的。在没有根据本发明的相关性的情况下，气体速度可能无法通过L-PBF机器实现也无法通过其保持。
这种相关性允许将用于L-PBF的可用处理气体的范围加宽到较轻的气体和气体混合物。
制造空间中的氧气水平可经由氧气监测系统来控制，使得制造空间中的氧气含量降低到设定的预定水平。
制造空间中的氧气水平可经由氧气监测系统控制，使得在如EP 3 075 470 A中公开的处理期间提供恒定的氧气水平。
当前的机器设计仅适应使用氩气或氮气作为保护气体，并且不能为氦气及其混合物建立均匀的处理条件。如果将氦气氩气混合物用于未改进的打印机，则气体流可能不足，并且氧气测量可能不起作用并显示错误的O2值。这两个问题都将导致不可再现的过程。在这种情况下，为了实现高密度部件，处理窗口很窄并且处理速度有限。
因此，制造空间中的氧气水平经由氧气监测控制系统来控制，使得制造空间中的氧气含量降低到设定的预定水平并保持在该水平。
优选地，如EP 3 075 470 A中所公开的痕量分析仪针对Ar-He混合物进行校准并且可用于本发明中。氧气痕量分析仪还确保了该过程的可重复性。为了确保构建室中的一致的残余氧气水平，将附加氧气痕量分析仪针对处理气体(氦气和He-Ar混合物)进行特别校准，并且已经实施到机器的气体再循环系统中。
设定的预定水平可通过粉末对氧气的敏感度来确定，其中所述氧气水平优选地小于1000ppm或小于100ppm或小于10ppm。
氦气和氩气在与激光束碰撞时不解离并且不与材料反应。然而，氦气较轻，具有比氩气更高的热导率和电离能，这是由于其惰性性质、高热导率和电离势。
根据本发明，氩气氦气混合物用于实现相对于密度和更高扫描速度而言更高密度的激光粉末床融合部件。本发明提高了最终产品质量和该过程的生产率。
使用氦气或氩气-氦气气体混合物，在与标准氩气气氛相比更高的扫描速度下实现高密度的部件，这可导致平均构建作业的时间减少，并且与标准扫描速度相比，处理速度(扫描速度×阴影空间×层厚度)高达40％，同时实现类似或更好的质量。
根据本发明的氩气氦气气体混合物包含氦气和至少5体积％，或10体积％，或15体积％，或20体积％，或25体积％，或30体积％，或35体积％，或40体积％，或50体积％，或55体积％，或60体积％，或70体积％，或75体积％，或80体积％，或85体积％，或90体积％，或95体积％氩气，或者分别包含氦气和不超过5体积％，或10体积、％或15体积％，或20体积％，或25体积％，或30体积％，或35体积％，或40体积％，或50体积％，或55体积％，或60体积％，或70体积％，或75体积％，或80体积％，或85体积％，或90体积％，或95体积％氩气。
利用根据本发明的气体混合物，可实现更高的激光扫描速度，其中可实现部件的全密度。激光参数可相对于气体混合物和/或金属粉末的材料进行优化。
在本发明中，术语激光金属融合(L-PBF)包括增材制造技术，如金属选择性激光烧结、金属激光熔化、直接金属印刷、选择性激光熔化和直接金属激光烧结。
目前的吹扫和气体保护方法是不充分的，因为即使发生吹扫循环，在熔化过程开始时氧气和水分水平也相对较高。
本发明还可被定义为一种用于增材制造的方法，其中通过使用热源选择性地熔化材料，优选地使用激光熔化材料，并且逐层构建部件增材来构建部件，其中该方法在室中进行，并且该室用如上定义的包含氦气和氩气的气体混合物吹扫和/或处理。
本发明增加了扫描速度并且置换了待吹扫的存在于用于增材制造的设备的制造空间或对应部件内部的空气，从而用氦气和/或包含氦气和氩气的气体混合物替换其中存在的空气和氧气，并且还用该气体进行处理。
根据本发明，制造空间可以是由生产单元的外壳的壁和设置在外壳的壁的内部的升降台的构建平台限定的生产单元的构建空间。此外，制造空间可以是用于增材制造的设备的处理室。
根据本发明的方法可包括在吹扫制造空间之后的增材制造的另外的制造步骤，即测量制造空间中的氧气含量、在构建平台上提供金属粉末以及提供根据本发明的气体和/或气体混合物以用于如上所述的处理、用热源即激光装置熔化金属粉末以及重复前述步骤的另外的步骤。
此外，氦气和氩气的稀有气体混合物可用于提高Ti-6Al-4V部件的产量。氦气和氩气混合物在与激光束碰撞时将不解离并且不与材料反应。
此外，提供了一种根据本发明的用于增材制造的设备。该装置包括粉末递送系统，该粉末递送系统包括：用于金属粉末的存储单元和用于将粉末施加到构建平台上的施加装置，作为用于生成等离子体或电弧以熔化粉末的装置的热源，以及用于使用金属粉末进行增材制造的生产单元，该生产单元包括具有壁的外壳、具有设置在外壳的壁的内部的构建平台的升降台，其中该外壳的壁和构建平台限定构建空间，并且其中用于将包含氦气和氩气的气体混合物进送到制造空间的装置连接至构建空间和/或连接至该装置的处理室，并且其中通往增材制造空间的气体流由连接至制造空间的泵建立，其中该泵由设定的压差控制，并且其中当气体流主要由氦气组成时，设定的压差为0.12毫巴；并且当气体流主要由包含30体积％氩气和70体积％氦气的气体混合物组成时，设定的压差为0.30毫巴；并且当气体流主要由包含50体积％氩气和50体积％氦气的气体混合物组成时，设定的压差为0.41毫巴；并且当气体流主要由包含70体积％氩气和30体积％氦气的气体混合物组成时，设定的压差为0.59毫巴。
结合根据本发明的用于进送气体增材制造空间的方法所提及的相同优点加以必要的变更而适用于根据本发明的用于增材制造的设备。
此外，用于进送包含氦气和氩气的气体混合物的装置包括用于包含氦气和氩气的气体混合物的至少一个储存容器或两个单独的储存容器以及用于在制造期间以不同比率提供气体混合物的混合装置。
此外，可提供用于将包含氦气和氩气的气体混合物进送到制造空间的进送装置，如喷嘴和/或泵。
可提供气体混合物和/或气体流控制系统以用于控制包含氦气和氩气的气体混合物的气体流和/或气体混合物中氦气与氩气的比率。
可提供具有氧气传感器的氧气控制系统以用于控制制造空间中的氧气水平。
在制造空间中提供用于测量制造空间中的氧气(O2)的比例的氧气传感器(电子装置)，其中该氧气传感器连接至控制单元，并且该控制单元连接至用于进送包含氦气和氩气的气体混合物的装置，以根据由氧气传感器测量的值控制用于进送包含氦气和氩气的气体混合物的装置。
对于上述目的，可使用根据EP 3 075 470 A的氧气监测和控制系统(包括痕量分析仪)。
用于循环或再循环处理气体的装置可以是用于增材制造的设备的轴流式或径流式风扇。风扇可产生比自然对流高一个数量级或更高的流速。高压径流式风扇与用于例如根据部件的形状吹扫制造空间的适当形状的喷嘴或出口导管组合可提供包含氦气和氩气的气体混合物或有效地提供包含氦气和氩气的气体混合物。在室内部使用风扇使得能够方便地使用室中现有的气体气氛来提供包含氦气和氩气的混合物的气体流。
下面借助于附图中所示的实施方案来解释本发明。附图示出：
图1根据本发明的用于增材制造的装置的粗略示意图，
图2示出了对于处理气氛中的不同气体浓度气体速度和压差之间的相关性.并且
图3用于增材制造的系统的粗略示意图。
下文详细解释根据本发明的用于增材制造的设备1(图1和图2)。
设备1包括生产单元2、递送单元3和热源4。
根据优选实施方案的热源4包括激光和用于熔化金属粉末的对应扫描仪系统(未示出)。
递送单元3或递送圆筒分别包括具有壁6的外壳5，其中粉末递送活塞7设置在外壳5内部。
提供粉末施加装置8，例如辊，以用于将金属粉末从递送单元3推送到生产单元2。
生产单元3包括具有壁10的外壳9。在以上视图形式中，圆柱形生产单元3可具有矩形或正方形或圆形形状，并且可被定义为生产圆筒3。
具有构建平台12的升降台11设置在外壳9的壁10内部。升降台11和对应的构建平台12体现为制造活塞。
外壳9的壁10和生产单元2的升降台11的构建平台12限定构建空间13。
构建空间13容纳制造粉末床，并因此容纳正在制造的物体。
构建平台12可以是制造活塞的升降台11的整体部分或者是连接至升降台11的独立部分。
此外，围绕生产单元2、递送单元3和热源4(例如激光，并且优选地纤维激光)提供处理室17。
因此，根据本发明的制造空间20是由生产单元2的外壳9的壁10和升降台11限定的生产单元2的构建空间13，其中构建平台12设置在外壳9的壁10内部，并且/或者制造空间是处理室17内的房间。
根据本发明，用于将气体即氦气或包含氦气和氩气的气体混合物进送到制造空间的装置14连接至设备1的处理室17。
该混合物包含氩气和10体积％至75体积％氦气，或30体积％至50体积％氦气。
氩气氦气气体包含氦气和至少10体积％，或15体积％，或20体积％，或25体积％，或30体积％，或35体积％，或40体积％，或50体积％，或55体积％，或60体积％，或70体积％，或75体积％氩气，或者分别包含氦气和不超过10体积％，或15体积％，或20体积％，或25体积％，或30体积％，或35体积％，或40体积％，或50体积％，或55体积％，或60体积％，或70体积％，或75体积％氦气。
氦气和/或氦气与氩气的混合物可用作吹扫气体以及处理气体。
用于将包含氦气和氩气的气体混合物进送到制造空间的装置14至少包括用于将包含氦气和氩气的气体混合物进送到制造空间的储存容器15以及用于将包含氦气和氩气的气体混合物进送到制造空间的进送装置16，如导管和/或喷嘴和/或泵。
提供气体混合物和/或气体流控制系统以用于控制包含氦气和氩气的气体混合物的气体流和/或气体混合物中氦气与氩气的比率。
另选地，提供两个容器，其中在一个容器中储存氦气，并且在另一个容器中储存氩气(未示出)。根据此类实施方案，提供了根据本发明的用于以预定值混合氩气和氦气的混合装置。然后，混合装置是用于将包含氦气和氩气的气体混合物进送到制造空间的装置14的一部分
此外，在制造空间20中提供用于测量制造空间20中的氧气(O2)的比例的氧气传感器(未示出)。
提供具有氧气传感器的外部氧气控制系统19以用于控制制造空间中的氧气水平。
用于控制包含氦气和氩气的气体混合物的气体流和/或气体混合物中氦气与氩气的比率的气体混合物和/或气体流控制系统18、14以及用于再循环气体流的氧气监测和控制系统19可体现在单个系统中，其中制造空间中的一致的残余氧气水平经由氧气痕量分析仪保持。
压力传感器31、32被提供用于测量压差。
合适的氧气监测和控制系统19以及气体流监测和控制系统18公开于例如EP 3075 470中。该文献以引用方式并入本文。EP 3 075 470 A公开了一种用于通过增材制造以层的形式产生金属工件的方法，其中工件的冶金层通过如下方式来产生：在每种情况下在生产室中为每个冶金层提供金属材料和激光束，并且在生产室中金属材料层的施加期间，提供气体气氛。根据本发明，将气体气氛的一部分作为气体料流从生产室中抽出，确定气体料流和/或气体气氛的至少一个参数并将其与期望值进行比较。根据参数与期望值的比较，将气体料流返回到生产室，并且将处理气体供应到生产室。
根据该监测系统19，将气体气氛的一部分以气体料流的形式从制造室中提取出来并进送到分析仪24。在分析仪中确定该气体料流的一个或多个参数。由于气体气氛由惰性氦气或氦气和氩气组成，因此控制气体料流的水蒸气含量或气体料流的氧气含量以确定气体气氛是否仍然足够惰性通常是明智的。否则，在工件的内部会发生不期望的孔形成。
测量参数诸如气体料流的水蒸气含量或氧气含量，并将其与分析仪中的标称值进行比较。如果测量的参数低于标称值，即如果水蒸气含量或氧气含量低于预定的标称值，则气体料流可完全返回到制造室。
在制造空间中提供用于测量制造空间中的氧气(O2)的比例的氧气传感器(电子装置)，该氧气传感器是氧气监测和控制系统19的一部分，其中该氧气传感器连接至控制单元25，并且该控制单元连接至用于进送包含氦气和氩气的气体混合物的装置14，以根据由氧气传感器测量的值控制用于进送包含氦气和氩气的气体混合物的装置14。
用于增材制造的设备1通过首先吹扫室，然后当其测量到氧气小于给定值(通常为1000ppm O2)时，其开始再循环气体混合物来建立其气氛。泄漏和其他副作用由保持流来补偿。
用于在增材制造空间中进行处理的处理气体流由连接至制造空间的泵16建立，其中泵由设定的压差控制。当气体流由氦气(II)组成时，设定的压差为0.8毫巴至0.16毫巴，或0.1毫巴至0.14毫巴，并且优选地为0.12毫巴；并且当气体流由包含30体积％氩和70体积％氦气(V)的气体混合物组成时，设定的压差为0.26毫巴至0.34毫巴，或0.28毫巴至0.32毫巴，并且优选地为0.30毫巴；并且当气体流由包含50体积％氩气和50体积％氦气(IV)的气体混合物组成时，设定的压差为0.37毫巴至0.45毫巴，或0.39毫巴至0.43毫巴，并且优选地为0.41毫巴；并且当气体流主要由包含70体积％氩气和30体积％氦气(III)的气体混合物组成时，设定的压差为0.55毫巴至0.63毫巴，或0.57毫巴至0.61毫巴，并且优选地为0.59毫巴(图2)。
L-PBF机器配备有不同种类的氧气传感器，即电化学电池、陶瓷传感器等。校准程序和传感器操作范围可因OEM而异。为了以最严格的方式使用氧气传感器，后者应在接近该过程所用的处理气体内的目标氧气范围的若干点处进行校准。然而，由于大多数最终使用者尚未意识到该问题，因此定期使用校准气体并不是常见的方式。通常，通过打开室门在空气中校准室氧气传感器。传感器在20.9％O2下校准，而操作范围通常为0.1％O2或更低。因此，单点校准可导致该过程期间的测量不准确。
此外，存在于室气氛中的不同物质的影响可影响传感器的测量，从而产生不期望的偏差。例如，已知陶瓷传感器(即，也称为λ探针)对可能来自空气和原料中湿度的氢气的存在敏感。另一个示例是电化学传感器对气体摩尔质量的依赖性，因为氧气在高分子量气体内将扩散较慢。氩气具有比空气更高的分子量，因此氧气将被低估。氦气具有比空气更低的分子量，因此氧气将被高估。
此外，人们可能会询问机器的传感器位置。一般来讲，机器设计使得氧气传感器相对远离感兴趣的区，即激光-粉末物质相互作用区域。例如，放置在室的顶部处的传感器可能不能代表该过程，并且可能受到保护气体密度的影响。
通过对基板附近的少量气体取样，进行代表熔化池周围的氧气测量。
因此，有必要通过外部系统(即外部氧气控制系统)来调节气体流并控制氧气水平。这些条件允许适当的过程投影去除。
在最简单类型的自动控制回路中，控制器将该过程的测量氧气值与期望的设定值进行比较，并处理所得的误差信号，以改变该过程的一些输入，使得尽管存在干扰也达到设定氧气点。
图3示意性地示出了用于通过增材制造来产生工件的处理室17。成品工件由以连续方式单独产生的不同冶金层构成。分别产生工件的单独冶金层，其中在每个冶金层中分别提供金属材料并用激光束作用于该金属材料。这发生在处理室17中的气体气氛下。处理室17中的气体气氛由例如氦气或上述包含氩气和氦气的气体混合物中的一者组成，其在制造过程开始之前被引入处理室17中。
将气体气氛的一部分以气体料流23的形式从处理室17中提取出来并进送到分析仪24。在分析仪24中确定气体料流23的一个或多个参数。如果气体气氛由如所述示例中的惰性气体组成，则控制气体料流23的水蒸气含量或气体料流23的氧气含量以确定气体气氛是否仍然足够惰性通常是明智的。否则，在工件的内部会发生不期望的孔形成。
测量参数诸如气体料流23的水蒸气含量或氧气含量，并将其与分析仪24中的标称值进行比较。如果测量的参数低于标称值，即如果水蒸气含量或氧气含量低于预定的标称值，则气体料流23完全返回到处理室17。
然而，如果水蒸气含量或氧气含量高于标称值，则气体料流被部分或完全丢弃。为此，将分析后的气体料流23进送到气体控制单元25，该气体控制单元或者将气体流23返回到处理室17，或者将部分料流26或整个气体料流25丢弃或进送到系统中以便根据测量的参数和标称值之间的比较结果以其他方式使用。
不再返回到处理室17中的气体料流23的部分被替换为处理气体27。在本示例中，纯氦气被用作处理气体27。处理气体同样被进送到气体控制单元25(料流7)，与气体料流23混合，然后被引入处理室17中(料流29)。
此外，另一个回路30从处理室17连续地提取气体气氛的一部分，并且再次将气体气氛的该部分返回到处理室17中。以这种方式，气体气氛被再循环并由此均匀化。
除非另外指明，否则结合设备的实施方案描述的所有技术特征均适用于结合根据本发明的方法的方法步骤。
根据本发明，提供了方法，该方法为用于在制造过程期间将气体流进送到增材制造空间的方法，其中该气体流由连接至制造空间的泵建立，其中该泵由设定的压差控制，并且其中该气体流主要由氦气组成，或者该气体流主要由包含30体积％氩气和70体积％氦气的气体混合物组成，或者该气体流主要由包含50体积％氩气和50体积％氦气的气体混合物组成，或者该气体流主要由包含70体积％氩气和30体积％氦气的气体混合物组成。
当气体流由氦气组成时，设定的压差为0.8毫巴至0.16毫巴，或0.1毫巴至0.14毫巴，并且优选地为0.12毫巴；并且当气体流由包含30体积％氩和70体积％氦气的气体混合物组成时，设定的压差为0.26毫巴至0.34毫巴，或0.28毫巴至0.32毫巴，并且优选地为0.30毫巴；并且当气体流由包含50体积％氩气和50体积％氦气的气体混合物组成时，设定的压差为0.37毫巴至0.45毫巴，或0.39毫巴至0.43毫巴，并且优选地为0.41毫巴；并且当气体流主要由包含70体积％氩气和30体积％氦气的气体混合物组成时，设定的压差为0.55毫巴至0.63毫巴，或0.57毫巴至0.61毫巴，并且优选地为0.59毫巴。
制造空间中的氧气水平经由氧气监测和控制系统来控制，使得制造空间中的氧气含量降低到设定的预定水平。
该气体经由气体再循环系统而被再循环。
从而将制造空间中的氧气含量降低到设定的预定水平。
该设定的预定水平由粉末对氧气的敏感度来确定，其中设定的氧气水平优选地小于1000ppm或小于100ppm或小于10ppm。
该方法还包括以下步骤：
在该构建平台上提供金属粉末，
用热源熔化金属粉末，并向构建平台的区域提供处理气体。
然后重复上述步骤。
在下文中，提供了另外的方法步骤，这些步骤可与本发明组合用于测量氧气水平和再循环气体流，并且这些步骤已从EP 3 075 470中获知。
在一种用于通过增材制造以层的形式产生金属工件的方法中，其中金属工件的冶金层通过如下方式来产生：在制造室中为冶金层中的每一者提供金属材料并且用激光束作用于该金属材料，并且其中在作用于冶金层期间，在制造室中存在气体气氛，该方法包括：
从制造室中提取气体气氛的一部分；
将气体气氛的该部分的至少一个参数与标称值进行比较；以及
通过比较确定(i)如果有的话，将有多少量的该气体气氛的该部分返回到制造室，以及(ii)将是否有必要向制造室进送处理气体以将制造室保持在恒定压力。
在一种用于通过增材制造以层的形式产生金属工件的类似方法中，其中金属工件的冶金层通过如下方式来产生：在制造室中为冶金层中的每一者提供金属材料并且用激光束作用于该金属材料，并且其中在作用于冶金层期间，在制造室中存在气体气氛，该方法包括：
从制造室提取气体气氛的一部分作为气体料流；
将气体料流的至少一个参数与标称值进行比较；以及
通过比较确定(i)如果有的话，将有多少量的气体料流返回到制造室，以及(ii)将是否有必要向制造室进送处理气体以将制造室保持在恒定压力。
确定气体气氛的至少一个参数选自由以下项组成的组：水蒸气含量、氧气含量、碳含量和气体气氛的温度。
如果气体气氛的该部分的水蒸气含量和氧气含量中的至少一者大于标称值，则将处理气体进送到制造室。
将气体气氛中的氧气含量保持在50ppm至1000ppm之间的范围内的恒定值。
该至少一个参数的确定发生在制造室中。
用于冶金层的气体气氛为选自以下的气体：氦气，或包含30体积％氩气和70体积％氦气的气体混合物，或主要由包含50体积％氩气和50体积％氦气的气体混合物组成的气体流，或主要由包含70体积％氩气和30体积％氦气的气体混合物组成的气体流。
金属材料可包括低熔点金属，其中低熔点金属具有选自由以下项组成的组的熔点：不大于1500℃，或不大于1200℃，或不大于1000℃。
其中通过比较确定的量选自由以下项组成的组：完全返回到制造室的部分、部分返回到制造室的部分以及不返回到制造室的部分。
参考标号列表
1 装置
2 生产单元
3 递送单元
4 热源
5 外壳
6 壁
7 粉末递送活塞
8 粉末施加装置
9 外壳
10 壁
11 升降台
12 构建平台
13 构建空间
14 用于进送气体和/或包含氦气和氩气的气体混合物的装置
15 储存容器
16 进送装置/泵
17 处理室
18 气体流控制系统
19 氧气监测和控制系统
20 制造空间
21 导管
23 气体料流
24 分析仪
25 控制单元
26 部分料流
27 处理气体
28 料流
29 料流
30 电路
31 压力传感器
32 压力传感器

Claims (19)

1.用于在粉末床增材制造过程期间将气体流进送到增材制造空间的方法，
在构建平台上提供金属粉末，
用热源熔化所述金属粉末，并重复上述步骤，
其中所述气体流由连接至所述制造空间的泵建立，其中所述泵由设定的压差控制，
其中，
当所述气体流由氦气组成时，所述设定的压差为0.08毫巴至0.16毫巴，
并且当所述气体流由包含5体积％至40体积％氩气和95体积％至60体积％氦气的气体组成时，所述设定的压差为0.26毫巴至0.34毫巴，
并且当所述气体流由包含41体积％至60体积％氩气和59体积％至40体积％氦气的气体混合物组成时，所述设定的压差为0.37毫巴至0.45毫巴，
并且当所述气体流由包含61体积％至95体积％氩气并且包含39体积％至5体积％氦气的气体混合物组成时，所述设定的压差为0.55毫巴至0.63毫巴。
2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
所述制造空间是生产单元的构建空间，所述构建空间由所述生产单元的外壳的壁以及升降台限定，其中升降台的构建平台设置在所述外壳的所述壁的内部。
3.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于
所述制造空间中的氧气水平经由氧气监测和控制系统来控制，使得所述制造空间中的氧气含量降低到设定的预定水平，
所述气体经由气体再循环系统而被再循环，以及
所述设定的预定水平由所述粉末对氧气的敏感度来确定，其中所述设定的氧气水平小于1000ppm。
4.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于
当所述气体流由氦气组成时，所述设定的压差为0.12毫巴，
当所述气体流由包含5体积％至40体积％氩气和95体积％至60体积％氦气的气体组成时，所述设定的压差为0.30毫巴，
并且当所述气体流由包含41体积％至60体积％氩气和59体积％至40体积％氦气的气体混合物组成时，所述设定的压差为0.41毫巴，
并且当所述气体流由包含61体积％至95体积％氩气并且包含39体积％至5体积％氦气的气体混合物组成时，所述设定的压差为0.59毫巴。
5.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于
当所述气体流由氦气组成时，所述设定的压差为0.12毫巴，
当所述气体流由包含30体积％氩气和70体积％氦气的气体组成时，所述设定的压差为0.26毫巴至0.34毫巴，
并且当所述气体流由包含50体积％氩气和50体积％氦气的气体混合物组成时，所述设定的压差为0.37毫巴至0.45毫巴，
并且当所述气体流由包含70体积％氩气并且30体积％氦气的气体混合物组成时，所述设定的压差为0.55毫巴至0.63毫巴。
6.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于
当所述气体流由氦气组成时，所述设定的压差为0.12毫巴，
当所述气体流由包含30体积％氩气和70体积％氦气的气体组成时，所述设定的压差为0.30毫巴，
并且当所述气体流由包含50体积％氩气和50体积％氦气的气体混合物组成时，所述设定的压差为0.41毫巴，
并且当所述气体流由包含70体积％氩气并且30体积％氦气的气体混合物组成时，所述设定的压差为0.59毫巴。
7.根据权利要求3所述的方法，
其特征在于
其中所述设定的氧气水平小于100ppm。
8.根据权利要求7所述的方法，
其特征在于
其中所述设定的氧气水平小于10ppm。
9.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于
当所述气体流由氦气组成时，所述设定的压差为0.1毫巴至0.14毫巴，
并且当所述气体流由包含5体积％至40体积％氩气和95体积％至60体积％氦气的气体组成时，所述设定的压差为0.28毫巴至0.32毫巴，
并且当所述气体流由包含41体积％至60体积％氩气和59体积％至40体积％氦气的气体混合物组成时，所述设定的压差为0.39毫巴至0.43毫巴，
并且当所述气体流由包含61体积％至95体积％氩气并且包含39体积％至5体积％氦气的气体混合物组成时，所述设定的压差为0.57毫巴至0.61毫巴。
10.根据权利要求2所述的方法，
其特征在于，
所述制造空间是用于增材制造的设备的处理室。
11.根据权利要求5所述的方法，
其特征在于
当所述气体流由包含30体积％氩气和70体积％氦气的气体组成时，所述设定的压差为0.28毫巴至0.32毫巴，
并且当所述气体流由包含50体积％氩气和50体积％氦气的气体混合物组成时，所述设定的压差为0.39毫巴至0.43毫巴，
并且当所述气体流由包含70体积％氩气并且30体积％氦气的气体混合物组成时，所述设定的压差为0.57毫巴至0.61毫巴。
12.用于增材制造的设备，包括
粉末递送系统，所述粉末递送系统包括用于金属粉末的存储单元和用于将所述粉末施加到构建平台上的施加装置，
热源，所述热源为用于生成等离子体或电弧或激光辐射以熔化所述粉末的装置，和
具有壁的外壳，
升降台，所述升降台具有设置在所述外壳的所述壁的内部的构建平台，
其中所述外壳的所述壁和所述构建平台限定构建空间，并且
用于将包含氦气和氩气的气体混合物进送到所述制造空间的装置连接至所述构建空间和/或所述装置的处理室
其特征在于，
通往所述增材制造空间的所述气体流由连接至所述制造空间的泵建立，其中所述泵由设定的压差控制，
并且其中当所述气体流由氦气组成时，所述设定的压差为0.08毫巴至0.16毫巴，
并且当所述气体流由包含5体积％至40体积％氩气和95体积％至60体积％氦气的气体组成时，所述设定的压差为0.26毫巴至0.34毫巴，
并且当所述气体流由包含41体积％至60体积％氩气和59体积％至40体积％氦气的气体混合物组成时，所述设定的压差为0.37毫巴至0.45毫巴，
并且当所述气体流由包含61体积％至95体积％氩气并且包含39体积％至5体积％氦气的气体混合物组成时，所述设定的压差为0.55毫巴至0.63毫巴。
13.根据权利要求12所述的设备，
其特征在于，
提供用于再循环所述气体流的氧气监测和控制系统，其中所述制造空间中的一致的残余氧气水平经由氧气痕量分析仪来保持，所述氧气痕量分析仪针对所使用的气体进行校准并且被实施到所述气体再循环中。
14.根据权利要求12或13所述的设备，
其特征在于，
提供气体混合物和/或气体流控制系统以用于控制所述包含氦气和氩气的气体混合物的气体流和/或所述气体混合物中氦气与氩气的比率。
15.根据权利要求12或13所述的设备，
其特征在于，
其中当所述气体流由氦气组成时，所述设定的压差为0.12毫巴
并且当所述气体流由包含5体积％至40体积％氩气和95体积％至60体积％氦气的气体组成时，所述设定的压差为0.30毫巴，
并且当所述气体流由包含41体积％至60体积％氩气和59体积％至40体积％氦气的气体混合物组成时，所述设定的压差为0.41毫巴，
并且当所述气体流由包含61体积％至95体积％氩气并且包含39体积％至5体积％氦气的气体混合物组成时，所述设定的压差为0.59毫巴。
16.根据权利要求12或13所述的设备，
其特征在于，
其中当所述气体流由氦气组成时，所述设定的压差为0.12毫巴
并且当所述气体流由包含30体积％氩气和70体积％氦气的气体组成时，所述设定的压差为0.26毫巴至0.34毫巴，
并且当所述气体流由包含50体积％氩气和50体积％氦气的气体混合物组成时，所述设定的压差为0.37毫巴至0.45毫巴，
并且当所述气体流由包含70体积％氩气并且30体积％氦气的气体混合物组成时，所述设定的压差为0.55毫巴至0.63毫巴。
17.根据权利要求12或13所述的设备，
其特征在于，
其中当所述气体流由氦气组成时，所述设定的压差为0.12毫巴
并且当所述气体流由包含30体积％氩气和70体积％氦气的气体组成时，所述设定的压差为0.30毫巴，
并且当所述气体流由包含50体积％氩气和50体积％氦气的气体混合物组成时，所述设定的压差为0.41毫巴，
并且当所述气体流由包含70体积％氩气并且30体积％氦气的气体混合物组成时，所述设定的压差为0.59毫巴。
18.根据权利要求12所述的设备，
其特征在于
当所述气体流由氦气组成时，所述设定的压差为0.1毫巴至0.14毫巴，
并且当所述气体流由包含5体积％至40体积％氩气和95体积％至60体积％氦气的气体组成时，所述设定的压差为0.28毫巴至0.32毫巴，
并且当所述气体流由包含41体积％至60体积％氩气和59体积％至40体积％氦气的气体混合物组成时，所述设定的压差为0.39毫巴至0.43毫巴，
并且当所述气体流由包含61体积％至95体积％氩气并且包含39体积％至5体积％氦气的气体混合物组成时，所述设定的压差为0.57毫巴至0.61毫巴。
19.根据权利要求16所述的设备，
其特征在于，
当所述气体流由包含30体积％氩气和70体积％氦气的气体组成时，所述设定的压差为0.28毫巴至0.32毫巴，
并且当所述气体流由包含50体积％氩气和50体积％氦气的气体混合物组成时，所述设定的压差为0.39毫巴至0.43毫巴，
并且当所述气体流由包含70体积％氩气并且30体积％氦气的气体混合物组成时，所述设定的压差为0.57毫巴至0.61毫巴。
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