CN112512735A - 粉末床熔融设备和方法 - Google Patents

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Abstract

披露了一种粉末床熔融设备，在该粉末床熔融设备中以逐层方式构建物体。该设备包括构建套筒(117)和用于支撑粉末床(104)的构建平台(102)，构建平台(102)可在构建套筒(117)中降低。处理板(115)联接至构建套筒(117)的上端。该设备进一步包括用于投放粉末的投放器(108)和用于将处理板(115)上的所投放的粉末铺展到粉末床(104)上的再涂器(109)。加热器(160，161，162)被设置用于对粉末床(104)进行加热。设置有包括冷却元件和/或冷却通道(153)的主动冷却装置，以在使用中形成从构建套筒(117)通过处理板(115)的热传导的主动热屏障。

Description

粉末床熔融设备和方法
技术领域
本发明涉及一种将粉末床的选定区域以逐层方式固化以形成工件的粉末床熔融设备和方法。本发明具体地但非排他性地应用于选择性激光熔化(SLM)与选择性激光烧结(SLS)设备。
背景技术
粉末床熔融设备通过使用比如激光或电子束等高能束来将材料(比如，金属粉末材料)逐层固化来产生物体。通过以下方式在包含于构建套筒中的粉末床上形成粉末层：降低构建平台以降低粉末床、在降低的粉末床附近沉积一堆粉末并且用再涂器将这堆粉末铺展(从一侧到另一侧)在粉末床上以形成该层。然后通过用束照射这些区域来使与待形成工件的截面相对应的粉末层部分固化。该束使粉末熔化或烧结以形成固化层。在层的选择性固化之后，使粉末床降低新固化的层的厚度，并且根据需要在表面上铺展另一层粉末并使其固化。
US 6042774中披露了这样的装置的示例。US 6042774中披露的构建平台包括由铜管的曲折环路形成的冷却导管。在整个构建过程中都会对构建平台进行冷却。构建平台的边缘与容器的内壁之间的间隙由围绕构建平台的外边缘的柔性密封唇缘进行密封。
US 2004/0056022 A1披露了一种加热板，其放置在构建平台中或集成在构建平台的表面中。按一种方式设计加热板并通过隔热层将其与构建平台隔热，使得在加热期间温度达到至少500℃。加热板与侧壁相隔某个距离。由于铺展的粉末的热导率非常低，因而热部件与构建室侧壁之间的隔热由周围的粉末承担。使用该装置，在构建过程中金属部件维持在高于500℃的温度下，从而降低了部件中的张力或开裂的危险。
US 2007/0023977 A1披露了一种包括加热板的装置，该加热板可以加热到300℃至500℃之间的工作温度。该构建平台具有冷却通路，冷却通路在整个构建平台上横向地延伸。在构建室的外周壁中设置有至少一个入口开口。将环境空气通过入口开口供给到构建室。构建室还具有至少一个连接到排放管线的出口开口。
在完成构建之后，将载体降低到冷却位置，在该位置中构建平台的冷却通路与构建室的外周壁中的入口开口和出口开口对准。体积流量流经冷却通路，从而至少对构建平台进行冷却。冷却可能受到脉冲抽吸流的影响。
另外，US 2007/0023977 A1披露了将冷却通路或冷却软管设置成与构建室的外周壁相邻或设置在构建室的外周壁中，这些冷却通路或冷却软管有助于冷却构建室、模制体和载体。
WO 2010/007394 A1披露了一种设备，其中可以维持构建平台上方和下方(即，在构建平台与构建缸筒之间所形成的密封件的两侧)的惰性气氛。通过控制在构建平台上方和下方的气氛以具有相同的压力，可以减轻粉末被轻易地压入密封件与构建缸筒的孔之间的问题。可以在构建平台的上方和下方都形成真空或减压气氛。在使用中，将构建平台上方和下方的气氛脱气到大致真空，并且一旦已经将气氛脱气，则使用氩气回充这些室。与在不首先形成真空或减压气氛的情况下通过用惰性气体冲洗室来形成惰性气氛的方法相比，这种形成惰性气氛的方法在构建开始时可以实现较低的氧气含量。
US 2018/0079033 A1披露了一种通过激光熔化来增材生产零件的设备。粉末床形成在构建平台上，在各自情况下，该构建平台经由杯形壳体中的致动器可以逐步降低粉末层厚度。在壳体和构建平台中，呈电阻加热器形式的加热装置可以预加热正在形成的部件和粉末床的颗粒。
US 2010/0101490 A1披露了一种用于制造三维物体的激光烧结装置。该激光烧结装置包括框架，该框架在上侧敞开并在其中具有平台，该平台可沿竖直方向移动并支撑待制造的三维物体。该框架和该平台在内部限定了构建空间。该框架在面向构建空间的内侧处包括玻璃陶瓷板。该框架在玻璃陶瓷板的远离构建空间的外侧处进一步具有表面加热元件。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种粉末床熔融设备，在该粉末床熔融设备中以逐层方式构建物体，该设备包括：构建套筒；用于支撑粉末床的构建平台，该构建平台可在构建套筒中降低；与构建套筒的上端联接的处理板；用于投放粉末的投放器；以及用于将处理板上的所投放的粉末铺展到粉末床上的再涂器。粉末床熔融设备可以包括用于对粉末床进行加热的加热器。粉末床熔融设备可以具有包括冷却元件和/或冷却通道的主动冷却装置，以在使用中形成从构建套筒通过处理板的热传导的主动热屏障。
粉末床熔融设备可以包括比如再涂器的臂和/或构建室的壁等部件，这些部件如果在粉末床熔融期间被加热到粉末床的温度量级，可能不能令人满意地操作。例如，粉末床可以被加热到500℃以上、800℃以上或1000℃以上的温度。主动热屏障用于保护这些部件免受粉末床的热量的影响。构建套筒典型地从处理板悬挂下来，这样用于将设备的其他部件与构建套筒分开。因此，限制通过处理板的热传导有助于设备的其他部件与加热的粉末床的热隔离。此外，由于处理板是与构建套筒分开的部件，所以较热的构建套筒与较冷的处理板之间的热膨胀可以不同，而不会产生否则会损坏设备的应力。
冷却元件和/或冷却通道可以至少部分地围绕构建套筒的上端的周边(在与处理板的平面平行的平面上)。构建套筒的上端可以被抑制热量传导离开构建套筒的的元件(例如围绕构建套筒的粉末溢流通道和/或在处理板上递送的经冷却的气流)部分地围绕。相应地，冷却元件和/或冷却通道可以至少围绕构建套筒的上端的外周边的其他区段延伸，所述其他区段未被这些抑制热量传导离开构建套筒的其他元件围绕。例如，冷却元件和/或冷却通道可以围绕构建套筒的上端的外周边的至少四分之一。当粉末溢流通道被设置成沿其他两个四分之一延伸并且从沿构建套筒的上端的外周边的另外四分之一延伸的气体喷嘴提供经冷却的气流时，这可能是合适的。替代性地，可以仅设置一个粉末溢流通道，或者气流可以不被冷却，因此，冷却元件和/或冷却通道可以围绕外周边的未被溢流通道/气流喷嘴围绕的一半或四分之三而设置。优选地，冷却元件/冷却通道围绕构建套筒的上端的基本上所有的外周边。冷却元件和/或冷却通道可以被布置成在使用中形成从构建套筒到处理板的大部分的热传导的主动热屏障。
冷却元件可以在至少部分地围绕构建套筒的区域中接触处理板。冷却元件可以接触处理板的底部表面，可以被定位成例如夹在处理板与构建套筒的上端之间，或者可以嵌入在处理板内。
冷却元件可以包括(高)导热元件，例如由主要成分是铜、铝、金和银之一的材料制成的元件，该元件由冷却源进行冷却，该冷却源从冷却元件移除热量。例如，冷却源可以是冷却剂流、珀耳帖(Peltier)装置或类似装置。
冷却通道可以由处理板中的孔形成，冷却通道被布置成运送冷却剂。替代性地，冷却元件可以包括用于运送冷却剂的导管、比如管道。冷却通道可以被布置用于运送冷却剂。冷却装置可以包括用于对冷却剂进行冷却的冷却器，导管和/或冷却通道形成用于使冷却剂通过冷却器再循环的回路的一部分。
冷却元件和/或冷却通道可以包括围绕构建套筒的上端的基本上整个周边的环路。冷却元件和/或冷却通道可以包括多个环路，多个环路中的每个环路围绕构建套筒的上端。
处理板可以具有粉末开口，该粉末开口用于接纳在通过再涂器铺展一层或多层后剩余的多余粉末。冷却元件和/或冷却通道可以在构建套筒与粉末开口之间延伸。在冷却元件和/或冷却通道被布置成运送冷却剂的情况下，环路的第一半(在冷却剂流动的方向上)可以包括环路的在粉末开口与构建套筒之间的区段。以此方式，相比于处理板的在热应力下不太可能翘曲的其他较宽部分，通过冷却剂的冷却优先集中在处理板的构建套筒与粉末开口之间的较窄区段上。
粉末开口可以是粉末溢流口或用于投放粉末的投放器(例如活塞投放器)的开口。
粉末开口可以布置在构建套筒的与投放位置相反的一侧。替代性地，再涂器可以包括用于在粉末床上沿交替方向铺展投放的粉末的机构，比如在EP 1189716或EP 1771267中所披露的，并且投放位置与粉末开口在构建套筒的同一侧、在粉末开口与构建套筒之间。
在一个实施例中，投放器可以被布置成在投放位置对粉末进行投放，并且再涂器被布置成将投放的粉末从投放位置铺展到粉末床上。该冷却元件和/或冷却通道可以被布置成使得粉末可以通过再涂器在投放位置与粉末床之间铺展，而不经过冷却元件和/或冷却通道。冷却元件和/或冷却通道可以围绕包括构建套筒的区域和粉末通过再涂器在投放位置与粉末床之间铺展的区域。可能不希望对处理板的粉末所铺展的部分进行冷却，例如因为所投放的粉末在形成粉末床的层之前被预加热。因此，热屏障可以设置在该粉末铺展区域的外部。粉末床熔融设备可以包括局部加热器，用于加热定位在处理板区域上的粉末。例如，加热器可以一体地安装在再涂器内，或者是安装在相对于处理板的固定位置的局部表面加热器，用于在粉末被再涂器铺展时和/或当粉末处于投放位置时对粉末进行加热。
处理板可以直接或间接联接至构建套筒，使得粉末可以通过再涂器从处理板铺展到粉末床上。例如，处理板可以经由中间构件(比如另一中间处理板或冷却元件)间接联接至构建套筒。
附图说明
图1是根据本发明的第一实施例的粉末床熔融设备的示意性截面视图；
图2是图1所示的粉末床熔融设备的处理平面的平面视图；
图3是根据本发明的第二实施例的粉末床熔融设备的示意性截面视图；
图4是图3所示的粉末床熔融设备的处理平面的平面视图；以及
图5是根据本发明的另一个实施例的粉末床熔融设备的处理平面的平面视图。
具体实施方式
参照图1和图2，根据本发明的实施例的粉末床熔融设备100包括构建室101，该构建室可以与外部环境密封。通过处理板115和构建平台102将构建室101划分为上部处理室120和下部室140，构建平台在构建套筒117的孔116内可往复移动。
通过位于下部室140中的升降机构118、119来移动构建平台102。在此实施例中，构建平台102通过A形框架114连接至驱动机构的导螺杆118，该A形框架用于将导螺杆118与构建平台102隔热。A形框架114可以例如被冷却剂管线(未示出)中流动的冷却剂冷却。围绕A形框架114的是隔热件172、例如碳硬纸板，用于将A形框架114和导螺杆118与构建套筒117的热壁隔热。导螺杆118由驱动器119驱动。
构建平台102与构建套筒117的孔116可密封地接合，以防止粉末渗入到下部室140中。这是通过与构建平台102的边缘相关联的密封件130来实现的，该密封件与构建套筒117的孔116物理地接合。处理板115、构建套筒117、构建平台102和相关联的密封件130起作用形成粉末的屏障，使得粉末留在处理室120中并且不会进到下部室140中。
构建套筒117的边沿包括阶梯区段，该阶梯区段包括肩部和插入套环，该肩部和插入套环形成表面和抵靠部，处理板115抵靠该表面和抵靠部而接合，以将处理板115联接至构建套筒117。在此实施例中，构建套筒117具有由固定在一起的四个壁形成的方形水平截面。用于加热粉末床104的电阻加热器161、162嵌入在每个壁内。在构建平台102中设置有另一电阻加热器160，用于加热正构建的物体103和粉末床104。将处理板115安装到构建套筒117上允许两个部件之间的热膨胀不同。在此实施例中，构建套筒117和处理板115两者都由钢板制成。
粉末床熔融设备包括用于对处理板115进行冷却的冷却装置150。冷却装置150包括插入处理板115中的通道中的冷却元件153，该通道通向处理板115的下侧。冷却元件由冷却器151主动进行冷却。在此实施例中，冷却元件呈用于运送冷却剂的导管153的形式，该冷却剂在泵(未示出)的控制下在回路中流过导管153和冷却器151。冷却剂经由供应和回流管线152在导管153与冷却器151之间流动。在此实施例中，导管形成基本上围绕构建套筒117的环路，以在使用中形成从构建套筒117通过处理板115的热传导的主动热屏障。导管153是铜管道，其提供良好的导热性以将热量传导至冷却剂。
在另一个实施例中，冷却通道直接形成在处理板115中。例如，冷却通道可以通过在处理板115中交叉钻孔、然后对开口进行密封以形成单个冷却剂回路来形成。与使用单独的导管相比，将冷却通道直接形成到处理板115中可以降低冷却剂泄漏的风险。
在此实施例中，冷却剂是水。然而，对于温度较高的应用，可能希望使用比如油或气体(比如空气、氮气、氩气和/或低温气体)等冷却剂。
处理室120包围工作平面135，一个或多个能量束(在此实施例中为激光束)被引导至该工作平面，以熔融粉末床104的粉末，从而形成三维物体103。处理室120被布置成保持工作平面125周围的惰性气氛。处理室120容纳投放器108和再涂器109，该投放器用于将待形成层的粉末投放到处理板115上的投放位置129，该再涂器用于将每次投放的粉末从投放位置129铺展成构建平台102/粉末床104上的一层或多层粉末层。投放器可以包括如在WO2010/007396中描述的投放机构。在此实施例中，再涂器108沿单个方向铺展投放的粉末。处理板115中在构建套筒117的沿粉末铺展方向的相反两侧上设置有开口135、136。每个开口135、136连接至粉末收集料斗137、138，该粉末收集料斗用于捕获在粉末层铺展之后留在再涂器109前面或者在再涂器109的返回行程中被拾取的多余粉末。优选地，两个开口135、136通向同一个收集料斗。
在第一实施例中，投放位置129位于处理板115的落在由导管153所围绕的区域外部的部分上。相应地，投放位置在处理板115的“冷”部分。开口135和136也位于由导管153所围绕的区域的外部，并且因此也位于处理板115的“冷”部分。冷却剂流过导管153的方向为使得冷却剂穿过构建套筒117与开口135之间的处理板115的较窄区段，然后穿过处理板115的其他较宽区段。处理板115的这种较窄区段可能比处理板115的较宽区域散热更慢，因为离开这些区段的热传导的路径较窄(特别是开口135，提供了从处理板115的开口135与构建套筒117之间的部分的传导的热屏障)。通过使冷却剂首先穿过处理板117的这种较窄区段、然后使冷却剂穿过处理板117的较宽区段，优先对这些可能较热的较窄区域进行冷却。
围绕构建套筒117设置有隔热件170、171(比如碳硬纸板)，以保持构建体积内的热量。
经由窗口107为高功率激光束提供进入处理室120的光学通道。高功率激光束可以由扫描器106从激光器105引导穿过窗口107，用于在工作平面125上扫描激光束以固结相继的粉末层。扫描器106包括两个转向镜(仅示出其中的一个转向镜110)和聚焦光学器件111。
在此实施例中，下部室140作为构建室101的内部体积的一部分可与外部环境密封。然而，应当理解，在另一个实施例中，处理板115和构建平台102下方的区域可以不与外部环境密封，并且在这样的实施例中，密封件130和/或围绕构建平台102的另一个密封件用作气体密封件，以保持处理室120中所期望的(惰性)气氛。
上部室120和下部室140经由开口(未示出)彼此联接，该开口允许室120、140中的压力均衡。优选地，在开口内具有过滤器(未示出)，以防止粉末和烟尘进入下部室。这种布置提供的优点在于，可以将紧邻构建平台102上方和下方的压力维持在同一水平上，使得粉末不会被迫通过密封件130。
粉末床熔融设备包括如WO 2016/079494中描述的用于形成惰性气氛和气刀的气流回路，该文件通过援引并入本文。气刀沿与再涂器109的移动方向垂直的方向(如粉末床104上的箭头所示)形成在气体喷嘴112与排气装置113之间。气流回路可以对穿过气流回路再循环的气体进行冷却，并将经冷却的气体注入处理室120中，例如如WO 2016/102970中所描述的。
在使用中，在通过加热器160、161、162加热粉末床104期间，冷却剂穿过导管153循环，以对导管153区域中的处理板115进行冷却。该冷却区域用作从构建套筒117到粉末床熔融设备的其他部件的热传导的热屏障。以此方式，避免了对这些其他部件的损坏。
参照图3和图4，示出了本发明的另一实施例。此实施例的与以上参考图1至图2描述的实施例的类似或相似的特征相对应的特征已经给出相同的附图标记，但是用系列200给出。下面描述此实施例与先前描述的实施例之间的差异。对于在两个实施例中相同的其他特征的描述，参考以上参考图1和图2对这些特征的描述。
第二实施例与第一实施例的不同之处在于，再涂器209包括双刮拭器系统，其中粉末可以沿两个方向铺展在粉末床上。例如，双再涂器可以是如EP 1189716中所描述的。因为粉末现在可以沿两个方向铺展，所以在处理板215中仅设置有单个开口236。
粉末熔融设备进一步包括加热器264(比如电阻加热器)，该加热器嵌入在处理板215内，用于在粉末铺展在粉末床204上之前对投放位置229的粉末进行加热。例如，再涂器粉末加热系统可以是如WO2017/008890中所描述的。在另一个实施例中，加热器设置在再涂器中，用于在粉末铺展在粉末床104上时对粉末进行加热。导管253布置在处理板115中，以围绕构建套筒217和投放位置229两者。以此方式，运送冷却剂的导管253对处理板215进行冷却，以提供从构建套筒和由加热器264加热的处理板215的“热”区域的热传导的热屏障。
在粉末铺展成层之前对粉末进行预加热可以促进构建过程，因为这确保了新铺展的粉末接近或处于在层已经铺展之后立即熔融所需的温度。
参照图5，示出了本发明的另一实施例。该实施例的与以上参考图1至图4描述的实施例的类似或相似的特征相对应的特征已经给出相同的附图标记，但是用系列300给出。下面描述此实施例与先前描述的实施例之间的差异。对于在两个实施例中相同的其他特征的描述，参考以上参考图1至图4对这些特征的描述。
在此实施例中，处理板315内置有一体形成的冷却通道353。例如，处理板353可以通过增材制造或真空钎焊来构建。以此方式，可以形成形状更复杂的冷却通道353，而不会显著损害处理板315的机械稳定性。在此实施例中，冷却通道形成为在共用平面上形成的一系列盘管(coil)，这些盘管围绕构建套筒317布置成环路。这种布置可以用于冷却处理板315的更大表面积，以提供从构建套筒317的热传导的更宽的热屏障。在另一实施例中，设置了区域冷却通道，其中，处理板中的冷却通道限定了宽度大于其高度的冷却室。散热片或柱可以设置在冷却室的底部与顶部之间，以给处理板115提供足够的结构完整性。
将理解的是，在不背离本文所限定的本发明的情况下，可以对上述实施例进行修改和改变。
例如，对粉末床的加热可以通过除电阻加热器以外的方式来进行，例如通过如US2013/0309420中描述的感应加热或如WO 2016/051163中描述的微波加热。
此外，用于对部件进行热保护以免受粉末床产生的热量影响的设备可以与没有预加热粉末床的装置的粉末床熔融设备一起使用。例如，在多激光粉末床熔融设备中，可以在短时间内将一定量的能量递送到粉末床，从而实现粉末床/构建体积的显著加热。因此，可能需要诸如上述的那些装置来保护构建室内的部件免受该热量影响。
可以使用底部投放器(比如活塞投放机构)而非使用如上所述的顶部投放器108、208，该底部投放器通过处理板中的开口来投放粉末。冷却元件/冷却通道可以在底部投放器与构建套筒之间延伸，或者围绕构建套筒和底部投放器两者。如果粉末要在投放活塞中预加热，后者可能是所期望的。粉末可以在投放活塞中被预加热到比其在构建套筒中被加热到的温度更低的温度，以避免粉末在投放活塞中结块或粘结。

Claims (15)

1.一种粉末床熔融设备，在所述粉末床熔融设备中以逐层方式构建物体，所述设备包括：构建套筒；用于支撑粉末床的构建平台，所述构建平台可在所述构建套筒中降低；联接至所述构建套筒的上端的处理板，所述处理板是与所述构建套筒分开的部件；用于投放粉末的投放器；用于将所述处理板上的所投放的粉末铺展到所述粉末床上的再涂器；用于对所述粉末床进行加热的加热器；以及包括冷却元件和/或冷却通道的主动冷却装置，以在使用中形成从所述构建套筒通过所述处理板的热传导的主动热屏障。
2.根据权利要求1所述的粉末床熔融设备，其中，所述冷却元件和/或冷却通道至少部分地围绕所述构建套筒的上端。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的粉末床熔融设备，其中，所述冷却元件接触所述处理板。
4.根据权利要求3所述的粉末床熔融设备，其中，所述冷却元件接触所述处理板的底部表面。
5.根据以上权利要求中任一项所述的粉末床熔融设备，其中，所述冷却元件和/或冷却通道位于所述处理板与所述构建套筒的上端之间。
6.根据以上权利要求中任一项所述的粉末床熔融设备，其中，所述冷却元件嵌入在所述处理板内。
7.根据以上权利要求中任一项所述的粉末床熔融设备，其中，所述冷却通道由所述处理板内的孔形成。
8.根据以上权利要求中任一项所述的粉末床熔融设备，其中，所述冷却元件包括由冷却源进行冷却的导热元件，所述冷却源从所述冷却元件移除热量。
9.根据以上权利要求中任一项所述的粉末床熔融设备，其中，所述冷却元件包括用于运送冷却剂的导管，和/或所述冷却通道被布置成运送冷却剂。
10.根据权利要求9所述的粉末床熔融设备，其中，所述冷却装置包括用于对冷却剂进行冷却的冷却器，所述导管和/或冷却通道形成用于使所述冷却剂通过所述冷却器再循环的回路的一部分。
11.根据以上权利要求中任一项所述的粉末床熔融设备，其中，所述冷却元件和/或冷却通道包括围绕所述构建套筒延伸的环路。
12.根据权利要求11所述的粉末床熔融设备，其中，所述冷却元件和/或冷却通道包括多个环路。
13.根据以上权利要求中任一项所述的粉末床熔融设备，其中，所述处理板具有粉末开口，所述粉末开口用于接纳在通过所述再涂器铺展一层或多层后剩余的多余粉末，并且所述冷却元件和/或冷却通道在所述构建套筒与所述粉末开口之间延伸，其中，所述粉末开口能够是粉末溢流口或用于投放粉末的投放器的开口。
14.根据以上权利要求中任一项所述的粉末床熔融设备，其中，所述冷却元件和/或冷却通道被布置成使得粉末能够通过所述再涂器在投放位置与所述粉末床之间铺展，而不经过所述冷却元件和/或冷却通道。
15.根据以上权利要求中任一项所述的粉末床熔融设备，其中，使用增材制造方法来构建所述处理板，所述处理板中包含有所述冷却通道。
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