CN112512780A - 带有自密封设计的构建隔室 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在基于粉末床的3D打印系统中使用的构建隔室。构建隔室是3D打印装置中的体积，在那里3D物体(206)是通过薄层的粉末连续固结形成的。构建隔室设计为具有至少两个相对彼此可移动的垂直壁结构(203，204)。可移动的壁结构(203，204)在可移动方向上至少部分地重叠，从而提供用于封闭粉末的可变体积的自密封。与其他可用设计相反，此解决方案不需要可压缩的密封材料(例如弹性体、织物毛毡或编织绳)来防止粉末从构建隔室泄漏。优点是密封更可靠，并且没有被密封材料的碎屑污染粉末的风险。

Description

带有自密封设计的构建隔室

背景

本发明涉及一种增材制造机器，其用于由颗粒材料更具体地由粉末材料制造三维物体，通过将粉末材料逐层固结在粉末床中而由粉末材料制造三维物体。固结可以通过各种方式进行，例如用能量束的熔融或烧结或通过粘合剂喷射的粘合。

相关技术的描述

目前可用的粉末床增材制造机器通常具有可移动台，用于在制造过程中在构建隔室内部降低连续构建的三维物体。为了防止粉末泄漏，通常的做法是在可移动工作台与围绕粉末和三维物体的构建隔室之间具有可压缩的密封材料，例如弹性体、织物毛毡或编织绳。在这样的机器中，由于密封不良而经常存在粉末泄漏的问题。例如，这可能是由于机器中的挑战性的环境(例如摩擦、热、真空、辐射等)导致密封材料退化并失去其密封性能。另一个问题是粉末和三维物体可能被碎屑污染，碎屑来自降解的密封。这样的污染可能会降低三维物体的材料性能，以及也可能使得无法再次使用来自构建隔室的多余粉末。

发明内容

本发明涉及一种用于由粉末制造三维物体的装置，其包括具有至少两个相对彼此可移动的壁结构的构建隔室，所述壁结构在可移动方向上至少部分地重叠，从而提供了可变体积来封闭粉末。

在实施例中，所述至少两个壁结构是垂直壁结构。

在实施例中，所述至少两个壁结构是内壁结构和外壁结构。

在实施例中，所述内壁结构具有固定位置，并且所述外壁结构是可移动的，其中底部被附接到所述外壁结构。

在实施例中，所述两个壁结构具有内圆筒和外圆筒的几何形状。

在实施例中，所述两个壁结构具有内圆柱体和外圆柱体的几何形状。

在实施例中，该装置包括第三壁结构，该第三壁结构用于减少所述构建隔室的三维物体的内部未使用体积。

在实施例中，该装置包括用于从所述构建隔室排空松散粉末的机构。

在实施例中，该装置包括用于冷却所述构建室的设备。

在实施例中，该装置包括用于加热所述构建室的设备。

在实施方式中，所述三维物体由所述粉末逐层制造。

在实施例中，所述三维物体通过增材制造来制造。

本发明的范围由权利要求限定，权利要求通过引用并入本部分。通过考虑以下对一个或多个实施例的详细描述，将给本领域技术人员提供对本发明实施例的更全面理解，以及实现本发明的附加优点。将参考附图，将首先简要描述所述附图。

附图的简要描述

在本发明的描述中，参考以下附图，其中：

图1A以示意性截面图示出了粉末从容器中的开口流出，从而产生了具有安息角α的固定粉末斜坡。没有粉末从容器的开口连续流出。

图1B以示意性截面图示出了从容器中的开口流出的液体。与图1A相反，液体将继续流动直到容器为空。

图2A和2B以示意性截面图示出了本发明的优选实施例。图2A代表制造过程的早期阶段，以及图2B代表制造已经完成的最后阶段。

图3A和3B以示意性截面图示出了本发明的实施例。图3A代表制造过程的早期阶段，以及图3B代表制造已经完成的最后阶段。

图4A和4B以示意性截面图示出了本发明的实施例。图4A代表制造过程的早期阶段，以及图4B代表制造已经完成的最后阶段。

图5A和5B以示意性截面图示出了本发明的实施例。图5A代表制造过程的早期阶段，以及图5B代表制造已经完成的最后阶段。

图6A和6B以示意性截面图示出了本发明的实施例。图6A代表制造过程的早期阶段，以及图6B代表制造已经完成的最后阶段。

通过参考下面的详细描述，将最好地理解本公开的实施例及其优点。应当理解的是，相同的附图标记用于标识在一个或多个附图中示出的相同元件。

本发明的描述和公开

为了促进对本发明的理解，以下定义了一些术语。

在本文中，术语“粉末”是指任何类型的颗粒材料，而与作为颗粒材料的成分的单个微粒或颗粒的大小、形状和组成无关。

术语“三维物体”在本文中是指可以在增材制造机器中由粉末成型的任何类型的三维预成型件或三维预成型件的任意组合。可以理解，三维物体(诸如从增材制造机器中出来的物体)可能需要进一步处理的一个或几个步骤，以便达到某种状态，在该状态中其准备好用于预期用途。

在本文中，术语“制造”仅是指在增材制造机器中将粉末微粒粘合在一起成为三维物体的过程。可以例如通过用能量束熔融或烧结或通过添加液体粘合剂来进行粘合。因此，在这种情况下，术语“制造”并不意味着三维物体已经达到其最终状态。三维物体可能需要进一步处理的一个或几个步骤，以便达到某种状态，在该状态中其准备好用于预期用途。

这里公开的本发明基于以下理解：粉末材料不能向上流动，因此可以通过容器的彼此重叠的侧壁来实现密封。与气体和液体不同，粉末可以承受剪切应力。如图1A所示，当允许粉末从靠近容器底部的开口流动时，粉末表现出的安息角α大于零度。这意味着粉末中粉末粒之间的内部支撑剪切力将产生粉末斜坡，并且当粉末斜坡已经到达开口的上边缘时，粉末将停止从容器中流出。另一方面，液体通常具有等于零度的安息角，如图1B所示。液体不会产生固定的斜坡，以防止液体流出。因此，液体将继续流动直到容器是空的。

本发明的目的是提供一种不会污染粉末、易于清洁并且可工作于许多不同粉末材料的自密封构建隔室。该目的通过独立权利要求中限定的装置来实现。从属权利要求包含本发明的有利实施例、进一步的发展和变型。

图2A和2B示出了本发明的实施例。提供了一种装置，该装置具有用于容纳粉末和制造的三维物体的构建隔室。构建隔室具有第一固定垂直内壁结构203和第二外垂直壁结构204，第二外垂直壁结构204向下可移动以扩大所述构建隔室的体积，从而产生可变体积。可变体积用于通过在逐层制造三维物体206的过程中相继降低底部208来扩大构建体积。所述构建隔室的可移动部分由第二壁结构204和通过无泄漏连接附接到所述第二壁结构204的底部208构成，无泄漏连接用于防止粉末从隔室流出。当第二壁结构204和底部208相对于第一壁结构203向下移动时，构建隔室的体积将扩大。第一壁结构203和第二壁结构204可在水平面中形成适当的横截面，例如圆形或方形横截面，以形成构建隔室的体积。构建隔室的体积由第一壁结构203和底部208形成，用于限制粉末和物体206从构建隔室逸出。隔室在顶部具有开口端，以便提供用于用能量束207熔化粉末层并相继构建三维物体206的粉末表面。在三维物体206的制造期间，所述构建隔室的所述可移动部分被逐层降低。第一垂直壁203和第二垂直壁204布置成基本上彼此平行并且在垂直方向上彼此重叠并且间隔开一定距离，这在第一壁203和第二壁204之间沿水平方向产生间隙。对于通常在粉末床增材制造系统中使用的粉末尺寸，所述间隙的距离可以优选在0.3mm-3.0mm的范围内。即使存在水平间隙，由于粉末不能向上流动的事实，将防止粉末从所述构建隔室中流出。当所述可移动部分相继降低时，由于第一垂直壁203和第二垂直壁204之间的重叠在所述第一壁结构203的下边缘和第二壁结构204的上边缘之间产生垂直距离，所以将防止粉末从隔室流出。为了避免粉末从构建隔室流出，可移动部分的最低位置被限制在第一壁结构203和第二壁结构204会防止粉末从构建室流出的位置。

为了清楚和完整起见，图2A和2B还示出了示意性粉末分配系统，该系统包括粉末容器202，从粉末容器202提供一小部分粉末；粉末分配器201，其在粉末床上移动；以及粉末台205，其用于分配薄薄的一层粉末。应该指出的是，粉末分配系统可以以许多不同的方式实现，并且图2A和2B中的示意表示仅用于说明。粉末分配系统将不再讨论，因为它与本发明的功能无关。

在图3A和3B所示的另一实施例中，构建隔室是可伸缩的，其中多个壁结构303、304、307彼此滑动。在图3A和3B中示出了三个壁结构303、304、307，但是也可以使用更多数量的壁结构。该实施例的功能与前一实施例的功能相同，其另外的优点在于，可以在降低的构建隔室的总高度的情况下制造出具有增加的高度的三维物体206。

在图4A和图4B所示的又一实施例中，可移动部分由彼此连接的第二壁结构404、第三壁结构409和底部208组成。当可移动部分设置有第三垂直壁结构409时，可以将底部208安置在构建隔室中较高位置。以这种方式，在开始制造三维物体206之前将需要较少的粉末来填充隔室，因为否则粉末分配器201需要在可以开始制造物体206之前用粉末填充未使用的构建隔室的体积。当提供第三壁结构409时，在制造的物体下方粉末的未使用的死体积将被避免。在这种情况下，在第一垂直壁409、第二垂直壁403和第三垂直壁404之间将存在两个水平间隙。第二壁结构404和第三壁结构409两者在可移动方向上至少部分地与第一壁结构403重叠。通过提供第三壁结构409，可以通过减小构建隔室的内部体积来避免未使用的粉末体积。因此，三维物体使用了构建隔室的较大部分，并且减少了所述构建隔室的内部未使用体积。

在又一实施例中，如图5A和5B所示，当可移动部件到达其最低位置时，可移动部分的最外壁结构504由提升机构510提升。通过这种机制，第二壁结构504与第三壁结构409和底部208是可分离的，用于从构建隔室排空松散的粉末。这样，可以在制造完成后立即通过重力将松散的粉末从构建室中清空。当增材制造机准备用于下一个构建时，这使得清除多余的粉末变得更加容易。立即去除粉末的另一个优点是，因为围绕三维物体206的任何剩余粉末将充当热绝缘体，所以改善了三维物体206的冷却速率。

在图6A和6B中所示的又一实施例中，底部208被设计为具有良好导热性的材料的厚块，例如铜或另一种金属。在底部208内部，存在用于冷却或加热的设备611。为了冷却，所述设备611可以是内部通道，其填充有流动的冷却介质，例如冷水、油或空气。为了加热，所述设备611可以是内部通道，其填充有流动的加热介质，例如热油。替代地，为了加热，所述设备611可以是内部电加热设备。图6A和6B中的实施例的优点在于，所述巨大的底部208用作构建隔室的热缓冲器，有助于在整个制造过程中保持稳定的温度。此外，所述加热/冷却设备611可用于调节构建温度，以稳定制造过程并优化三维物体的质量。此外，所述设备611可以用于在制造完成之后立即改善冷却速率。

对于一些实施例，构建隔室的可移动部分可以在其最低位置(图2B，4B和6B)到达在垂直壁结构之间在垂直方向上具有负重叠的位置。由于粉末的安息角，即使很小的负重叠仍可以防止粉末流出。然而，期望在垂直壁结构之间保持正重叠，以便对当粉末会从隔室流出时的位置留有余地。

这些不同的实施例仅应被视为示例，而不限制构建隔室的可能的不同几何形状。实施例也可以彼此以各种组合来采用。

Claims (12)

1.一种由粉末制造三维物体(206)的装置，所述装置包括

具有至少两个相对彼此可移动的壁结构(203、204、303、304、307、403、404、409、503、504、603、604)的构建隔室，所述壁结构在可移动方向上至少部分地重叠，以提供用于封闭粉末的可变体积。

2.根据权利要求1所示的装置，其特征在于，所述至少两个壁结构(203、204、303、304、307、403、404、409、503、504、603、604)是垂直壁结构。

3.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述至少两个壁结构(203、204、303、304、307、403、404、409、503、504、603、604)是内壁结构和外壁结构。

4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述内壁结构(203、303、403、503、603)具有固定位置，并且所述外壁结构(204、304、404、504、604)是可移动的，其中底部(208)附接到所述外壁结构。

5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述两个壁结构(203、204、303、304、307、403、404、409、503、504、603、604)具有内圆筒和外圆筒的几何形状。

6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述两个壁结构(203、204、303、304、307、403、404、409、503、504、603、604)具有内圆柱体和外圆柱体的几何形状。

7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，包括第三壁结构(409)，所述第三壁结构用于减小所述构建隔室的三维物体(206)的内部未使用体积。

8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，包括用于从所述构建隔室排空松散粉末的机构。

9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，包括用于冷却所述构建隔室的设备(611)。

10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，包括用于加热所述构建隔室的装置(611)。

11.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述三维物体(206)由所述粉末逐层制造。

12.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述三维物体(206)通过增材制造来制造。

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