CN112584998B - 用于增材制造系统的下部气体流注入系统和方法 - Google Patents

用于增材制造系统的下部气体流注入系统和方法 Download PDF

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Abstract

一种增材制造(AM)系统(10)，包括：壳体(18)，其限定室(20)；构建平台(22)，其在第一高程(150)处设置在室(20)中；和下部气体入口(98)，其设置在第二高程(152)处并且被构造为供应下部气体流(114)。AM系统(10)包括在下部气体入口(98)和构建平台(22)之间延伸的轮廓表面(118)，以将下部气体流(114)从下部气体入口(98)处的第二高程(152)引导到构建平台(22)处的第一高程(150)，其中，轮廓表面(118)在基本上平行于构建平台(22)的方向(11)上排放下部气体流(98)。AM系统(10)还包括：一个或多个气体输送装置(92)，其联接到下部气体入口(98)以调节下部气体流(98)的一个或多个流动特性；和气体出口(132)，其被构造为排放下部气体流(114)。

Description

用于增材制造系统的下部气体流注入系统和方法
优先权信息
本申请要求于2018年8月21日提交的美国专利申请序列号16/107,696的优先权。
技术领域
本文公开的主题大体涉及增材制造系统和方法，并且更具体地，涉及采用聚焦能量以选择性地熔融粉末材料从而产生物体的直接激光烧结(DLS)或直接激光熔化(DLM)系统和方法。
背景技术
与从初始形式中选择性地去除材料以制作物体的减材制造方法相反，增材制造(AM)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，包括自由形式制作，3D打印和快速原型/工具。特殊类型的AM处理使用聚焦能量源(例如，电子束，激光束)来烧结或熔化沉积在室内构建平台上的粉末材料，从而形成其中粉末材料的颗粒粘结在一起的固体三维物体。
如在直接激光烧结(DLS)和/或直接激光熔化(DLM)中使用的激光烧结/熔化是通用的行业术语，用于指代通过使用激光束烧结或熔化细粉末来生产三维(3D)物体的方法。特别地，激光烧结/熔化技术通常需要将激光束投射到基底上的受控量粉末(例如粉末床)上，以便在其上形成熔融颗粒或熔化材料层。当激光束在粉末床处与粉末相互作用时，在室内会产生烟雾和/或颗粒物(例如冷凝物，飞溅物)。烟雾和/或特定物质可能对所得物体的质量有害。例如，室内的悬浮烟雾和/或特定物质会干扰激光束，并在激光束到达粉末床之前降低其能量或强度。作为另一个示例，烟雾和/或特定物质可能沉积在粉末床上，并可能并入所得物体中。
在某些激光烧结/熔化(或DLS/DLM)系统中，为了去除烟雾和/或颗粒物并防止沉积，气体流被引入室的上部部分(例如，在z方向上朝向室的顶部并远离构建平台)中以大致上平行于构建平台流动。然而，该上部气体流可能不能有效地去除室的下部部分(例如，在z方向上朝向构建平台并远离室的顶部)中的烟雾和/或颗粒物。因此，颗粒物可能被捕获或沉积在室的下部部分内，这会降低DLS/DLM处理的所得物体的质量。
发明内容
在一个实施例中，一种增材制造系统，包括：壳体，其限定室；构建平台，其相对于室在第一高程处设置在室的下部部分中；和下部气体入口，其靠近室的上游端部设置，其中下部气体入口相对于室设置在第二高程处并且被构造为供应下部气体流。增材制造系统还包括在下部气体入口和构建平台之间延伸的轮廓表面。轮廓表面被构造为将下部气体流从下部气体入口处的第二高程引导到构建平台处的第一高程，并且在基本上平行于构建平台的方向上排放下部气体流。增材制造系统还包括：一个或多个气体输送装置，其联接至下部气体入口并且被构造为调节下部气体流的一个或多个流动特性；和气体出口，其设置在室的下游端部中，其中该气体出口被构造为从室中排放下部气体流。
在另一个实施例中，一种操作增材制造系统的方法，该方法包括：在位于室内的第一高程处的构建平台上沉积粉末材料的床；在第二高程处将下部气体流供应到室的下部部分中；以及沿着轮廓表面经由流体导向效应从第二高程到第一高程，并且然后沿着平行于构建平台的方向朝向构建平台引导下部气体流。该方法还包括将聚焦能量束施加到沉积在构建平台上的粉末材料的床的至少一部分，以形成固化层。
在另一个实施例中，一种增材制造系统，包括：壳体，其限定室；构建平台，其设置在室的下部部分中；和下部气体入口，其在室的上游端部中位于构建平台上方或下方一定距离，其中下部气体入口被构造为供应下部气体流。增材制造系统还包括在下部气体入口和构建平台之间切向延伸的轮廓表面，以将下部气体流从下部气体入口朝向构建平台引导，其中下部气体流被构造为沿着轮廓表面流动，并且在基本上平行于构建平台的方向上从轮廓表面排放。增材制造系统还包括：上部气体入口，其设置在室的上部部分的第一侧壁中，并且被构造为在基本上平行于构建平台的方向上供应上部气体流；一个或多个气体输送装置，其联接至下部气体入口和上部气体入口，并且被构造为调节下部气体流和上部气体流的一个或多个流动特性；和气体出口，其设置在室的第二侧壁中，与第一侧壁相对，其中气体出口被构造为从室中排放下部气体流和上部气体流。
附图说明
当参考附图阅读以下详细描述时，将更好地理解本公开的这些和其他特征，方面和优点，其中在整个附图中，相同的字符表示相同的部分，其中：
图1是根据本实施例的具有制造室的增材制造(AM)系统的实施例的示意图；
图2是示出根据本实施例的图1的AM系统的制造室的实施例的示意立体图，该制造室包括上部气体流布置以及下部气体流布置，该下部气体流布置具有被构造为导向下部气体流的轮廓表面；
图3是示出根据本实施例的具有下部气体流布置的图2的AM系统的实施例的示意横截面视图，该下部气体流布置包括轮廓表面；
图4是示出根据本实施例的具有下部气体流布置的图2的AM系统的实施例的示意横截面视图，该下部气体流布置包括轮廓表面；和
图5是根据本实施例的用于操作图2的AM系统的处理的实施例的流程图。
具体实施方式
以下将描述本公开的一个或多个特定实施例。为了提供这些实施例的简要描述，可能未在说明书中描述实际实施方式的所有特征。应当理解，在任何此类实际实施方式的开发中(例如在任何工程或设计项目中)，都必须做出许多特定于实施方式的决策，以实现开发人员的特定目标，例如遵守与系统相关和与业务相关的约束，这可能因实施方式而有所不同。此外，应当理解，这种开发工作可能是复杂且耗时的，但是对于受益于本公开的普通技术人员而言，这仍将是设计，制作和制造的例行工作。
在下面的说明书和权利要求书中，除非上下文另外明确指出，否则单数形式“一”，“一个”和“该”包括复数指代。如本文所使用的，除非上下文另外明确指出，否则术语“或”并不意味着是排他的，并且是指存在所引用部件中的至少一个，并且包括其中可以存在所引用部件的组合的实例。如本文中所使用的，术语“均匀气体流”是指气体流的流动速度跨气体流的路径的宽度和/或长度没有显著变化。如本文中所使用的，术语“增材制造”或“AM”涉及任何合适的激光烧结/熔化增材制造技术，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，激光工程净形，选择性激光烧结，选择性激光熔化，选择性热烧结，熔融沉积建模，混合系统或其组合。
本公开大体包括用于使用基于激光烧结/熔化的增材制造方法来制作物体的系统和方法。如上所述，对于这种增材制造技术，当激光束在封闭的制造室内烧结或熔化粉末床时，烟雾和/或颗粒物(例如，冷凝物，飞溅物)会积聚在室内。如所提及的，该烟雾和/或颗粒物可能与激光束和/或正在被打印的物体相互作用并干扰制作处理。这样，可能期望从室中去除烟雾和/或颗粒物以改善制造处理和/或所得物体的质量。
如以下详细讨论的，本公开的实施例包括增材制造(AM)系统和方法，其采用室的上部部分中的上部气体流和室的下部部分中的下部气体流的组合，其中下部气体流通常平行于室的构建平台被引导。下部气体流经由设置在构建平台上方或下方(例如，相对于z方向)的下部气体入口供应到室。轮廓表面在下部气体入口与构建平台或邻近构建平台的表面之间切向延伸。因此，轮廓表面从下部气体入口的高程(例如，构建平台上方或下方的高程)延伸到构建平台的高程。为了清楚起见，本文中使用的术语“高程”是指感兴趣的部件(例如，下部气体入口，构建平台)竖直地设置在AM系统的下端部分上方的距离。轮廓表面被构造为从下部气体入口接收下部气体流，并将下部气体流引导至构建平台的高程。如本文更详细地描述的，轮廓表面被构造为引起流体导向效应，该流体导向效应将下部气体流从下部气体入口的高程引导到构建平台的高程。如本文所使用的，术语“流体导向效应”包括柯恩达效应(例如，流体流粘附到相邻平坦或弯曲表面的趋势)或可能影响流体沿着表面的流动轨迹的任何其他流体动力学效应。流体导向效应使轮廓表面能够在平行于构建平台的方向上排放(例如，转向，指向，引导)下部气体流。
通过更有效地从室中去除烟雾和/或颗粒物以及抑制AM系统的室内的烟雾和/或颗粒物的再循环，下部气体流的添加可以有利地克服仅具有上部气体流的AM系统的上述缺点。这样，可以显著减少或消除室内部各个位置上的烟雾和/或颗粒物的停滞和/或沉积，从而能够提高AM处理的所得物体的质量。在一些实施例中，下部气体流的某些流动特性可以被控制或调节到期望的水平，该期望的水平有利于生成例如柯恩达效应，并且有助于从室内去除烟雾和/或特定物质。流动特性可以包括但不限于流动速率(例如质量流动速率，体积流动速率)，流动速度(例如以米/秒(m/s)为单位)，流动方向或角度，流动温度或其任何组合。这些和其他特征将在下面参考附图进行描述。
图1示出了AM系统10(例如，激光烧结/熔化AM系统10)的示例实施例，该AM系统10用于使用聚焦的能量源(例如，激光)或光束来生产物品或物体。为了便于讨论，将参考x轴或方向11，y轴或方向13以及z轴或方向15描述AM系统10及其部件。在所示的实施例中，AM系统10包括控制器12，该控制器12具有存储指令的存储器电路14(例如，软件，应用程序)，以及被构造为执行这些指令以控制AM系统10的各种部件的处理电路16。AM系统10包括壳体18，该壳体18限定制造室20(在本文中也称为室20)，该制造室20限定内部容积21。室20被密封以包含惰性气氛并保护构建处理不受室20外部的环境大气23的影响。AM系统10包括构建平台22，该构建平台22设置在壳体18的底表面或底壁24上的室20内部。因此，所示的构建平台22被定向为基本上平行于壳体18的底壁24。例如，构建平台22和底壁24之间的角度可以小于5度(°)，小于3°或小于1°。在一些实施例中，构建平台22可具有在约0.01平方米(m2)和约1.5m2之间的范围内的工作区域(例如，构建平台22的顶表面)。如下所述，在构建平台22上制作AM处理的物品或物体。
AM系统10包括粉末施加装置26，该粉末施加装置26可以布置在室20内，以将一定量粉末材料(例如，粉末材料层或粉末材料床)重复地沉积到构建平台22上。沉积在构建平台22上的粉末材料通常形成粉末床28。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多种形式(包括例如固体，粉末，片材，箔，带，细丝，粒料，线，雾化以及这些形式的组合)来使用。
AM系统10包括可以布置在室20的内部或外部的能量生成系统30，用于生成并选择性地将聚焦能量束31(例如激光)引导到设置在构建平台22上的粉末床28的至少一部分上。对于图1所示的实施例，能量生成系统30被布置在室20的外部，靠近壳体18的顶表面或顶壁32，与底表面或底壁24相对。聚焦能量束31通过设置在顶壁32内的窗口34进入室20。取决于物品的期望几何形状，设置在构建平台22上的粉末床28以由控制器12控制的选择性方式经受聚焦能量束31。在一些实施例中，能量生成系统30包括用于生成聚焦能量束31的聚焦能量源。在一些实施例中，聚焦能量源包括激光源，并且聚焦能量束31是激光束。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。与连续的激光照射相反，脉冲激光束不是连续发射的，而是以脉冲方式(例如，以时间间隔有限的脉冲)发射的。在一些实施例中，能量生成系统30包括多个聚焦能量源，该多个聚焦能量源被构造为使用聚焦能量束31选择性地照射粉末床28。
AM系统10包括定位系统36(例如，机架或其他合适的定位系统)，该定位系统36可以布置在室20内部。定位系统36可以是任何多维定位系统，例如德尔塔机器人，电缆机器人，机器人臂或其他合适的定位系统。定位系统36可以操作地联接到粉末施加装置26，能量生成系统30，构建平台22或其组合。定位系统36可以在x方向11、y方向13、z方向15或其组合中的任何方向上相对于彼此移动粉末施加装置26，能量生成系统30，构建平台22或其组合。
AM系统10还被构造为将上部气体流和下部气体流供应到室20中，以及从室20中排放气体流，如将在图2中讨论的。从室20中排放或排出的气体流包括上部气体流，下部气体流，以及在形成期望的物品期间施加聚焦能量束31以选择性熔化或烧结粉末床28时生成的大部分任何烟雾和/或颗粒物。通过采用本文所述的上部气体流和下部气体流的组合，可以显著减少或消除室内的烟雾和/或颗粒物的再循环，从而显著提高构建处理和/或正在打印的物品的质量。
图2是示出根据本方法的AM系统10的室20的实施例的示意性立体图。如图所示，AM系统10包括由气室侧壁42和气室分隔壁44限定的气室40，气室侧壁42和气室分隔壁44各自在y方向13上沿着室20的整个宽度52从壳体18的侧壁48延伸到侧壁50。因此，气室分隔壁44和气室侧壁42在室20的后壁54和顶壁32之间封闭室20的内部容积21的一部分。封闭的容积与室20的其余容积分开，并且在本文中将被称为气室腔室56。在所示的实施例中，气室腔室56设置在室20的上部部分60内，该上部部分60包括任何部分或竖直地设置在气室分隔壁44上方(例如，相对于z方向15)的室20的部分。例如，在一些实施例中，气室40的高度62(例如，顶壁32和气室分隔壁44之间的距离)可以包括室20的总高度64的40％，50％，60％或70％。因此，取决于不同实施例中的气室分隔壁44的竖直位置，室20的上部部分60可包括室20的上部40％，上部50％，上部60％或上部70％。
在所示的实施例中，气室腔室56经由限定在壳体18的后壁54内的孔口68流体地联接至上部气体输送装置66。如所示的实施例中示出的，孔口68限定在气室分隔壁44的竖直上方的后壁54的一部分内。上部气体输送装置66可以联接至气体供应管线或任何其他合适的气体源，这使得上部气体输送装置66能够将气体流供应至气室腔室56，并且在一些情况下，对气室腔室56加压(例如，相对于室20内的环境压力)。如本文更详细描述的，上部气体输送装置66可包括上部流生成装置70，该上部流生成装置70包括一个或多个合适的传送装置(例如一个或多个流体阀，一个或多个泵或鼓风机或其组合)，其生成和/或调节进入气室腔室56的气体流的流动速率和/或压力。上部气体输送装置66，上部流生成装置70和气室40共同形成上部气体输送系统72，该上部气体输送系统72被构造为将上部气体流74供应到室20中。
例如，如图所示，气室40包括限定在气室侧壁42内的多个开口76，多个开口76共同限定进入室20的上部气体入口78。因此，多个开口76使得气室腔室56内的加压气体能够流过气室侧壁42并进入室20。多个开口76可包括开口阵列，该开口阵列使得上部气体流74能够沿着x方向11(例如，平行于构建平台22的顶表面82，垂直于z方向15)基本上均匀地流动。多个开口76的尺寸可设置为调节上部气体流74的某些流动特性，诸如流动分布，流动速率(例如，质量流动速率，体积流动速率)，流动速度(例如，以米每秒(m/s)为单位)，流动方向或角度或其任何组合。例如，在一些实施例中，多个开口76的尺寸可设置为基本上有利于上部气体流74沿着室20的上部部分60的层流。在某些实施例中，多个开口76可以是圆孔的形式，如图2所示。然而，在其他实施例中，多个开口76可以以蜂窝状结构，海绵状结构或任何其他合适的几何布置来布置和成形，以有助于生成上部气体流74的期望的流动特性。在另外的实施例中，多个开口76可以包括单个开口，该单个开口例如沿着室20的宽度52的一部分或宽度52的基本上全部延伸。
应该注意的是，尽管在图2所示的实施例中，上部气体入口78限定在气室侧壁42内，但是在其他实施例中，上部气体入口78可以限定在室20的任何其他合适部分或室20的一些部分内。例如，在一些实施例中，多个开口76被限定在除了气室侧壁42之外或代替气室侧壁42的壳体18的顶壁32，侧壁48，侧壁50，前壁80或其组合内。因此，在某些实施例中，上部气体入口78可以相对于x方向11以一定角度将上部气体流74供应到室20中。在这样的实施例中，AM系统10可以包括一个或多个导流元件，该一个或多个导流元件被设置在室20内，并且被构造为从多个开口76接收上部气体流74并在大致平行于x方向11的方向上重定向上部气体流74。导流元件可包括一个或多个小翼，一个或多个翼型件或被构造(例如，成形，定向)为重定向上部气体流74的流动方向的任何其他合适的导流系统。在某些实施例中，可以从AM系统10中省略气室40，使得多个开口76被限定在壳体18的后壁54内，而不是气室40的气室侧壁42内。在这样的实施例中，上部气体输送装置66可以直接流体地联接到多个开口76，从而使得能够通过多个开口76供应上部气体流74。如本文中更详细描述的，在AM系统10的进一步实施例中，上部气体输送系统72可以完全从AM系统10中省略。在这样的实施例中，AM系统10不包括上部气体流74。
图2所示的AM系统10的实施例还包括下部气体输送系统90，该下部气体输送系统90具有包括下部流生成装置96的下部气体输送装置92。下部流生成装置96可设置在下部气体输送装置92内和/或形成下部气体输送装置92的一部分。下部流生成装置96包括生成和/或调节由合适的气体源(例如气体供应管线)供应的气体流的流动速率和/或气体流的压力的任何合适的传送装置(例如，一个或多个流体阀，一个或多个泵或鼓风机，或其组合)。下部气体输送装置92流体地联接至限定在室20的后壁54内靠近室20的上游端部100的下部气体入口98。AM系统10包括沿着室20的长度104延伸的基板102。基板102由室20的底壁24和壳体18的下端部分106限定。通道110限定在基板102内，并且将下部气体入口98流体地联接至限定在底壁24内的通道出口112。如示出的实施例中所示，通道110沿着长度116从下部气体入口98延伸到通道出口112。因此，下部气体入口98可以从下部气体输送装置92接收下部气体流114，并将下部气体流114供应至室20。
通道110部分地由轮廓表面118(例如，弯曲表面或“s”形表面)限定，该轮廓表面118在下部气体入口98和邻近通道出口112的底壁24之间切向延伸。如本文中更详细描述的，轮廓表面118被构造为在下部气体流114中引起流体导向效应(例如柯恩达效应)，该流体导向效应有助于在x方向11上(例如，基本上平行于构建平台22，基本上平行于构建平台22的顶表面82)，或在基本上平行于x方向11的方向上(例如，相对于x方向11成±5度的方向上)从通道出口112排放下部气体流114。如上所述，柯恩达效应是流体流粘附到相邻平坦或弯曲表面的趋势。因此，柯恩达效应使下部气体流114粘附到轮廓表面118并沿着轮廓表面118的长度流动。然而，流体导向效应还可以包括被构造为重定向流体的流动轨迹的任何其他的导向力，例如沿着流体流的长度和/或宽度的静态压力差和/或动态压力差。
如示出的实施例中所示，下部气体入口98横向(例如，垂直)于通道出口112定向。例如，因为下部气体入口98被限定在后壁54内，所以下部气体入口98被设置在由y轴13和z轴15形成的平面内。因此，下部气体入口98平行于后壁54定向，使得下部气体入口98被构造为在x方向11上接收下部气体流114。通道出口112被限定在底壁24内，并且因此被布置在由x轴13和y轴15形成的平面内，并且被定向在z方向15上。如示出的实施例中所示，后壁54垂直于或横向于底壁24延伸。因此，下部气体入口98垂直于或横向于通道出口112定向。即使通道出口112被定向在z方向15(例如，基本上垂直于构建平台22的方向)上，流体导向效应也能够使下部气体流114沿着轮廓表面118(其从下部气体入口98切向延伸到底壁24)流动，并在基本上平行于构建平台22的x方向11上从通道出口112排放。更具体地，流体导向效应能够使下部气体流114跟随轮廓表面118的曲率，并且因此在基本上平行于x方向11的流动方向(例如，相对于x方向11定向为±5度的方向)上从通道出口112排放。应当注意，在其他实施例中，后壁54和底壁24之间的角度可以大于或小于90度。例如，后壁54和底壁24之间的角度可以在大约70度至大约110度之间。因此，取决于后壁54相对于底壁24的取向，下部气体入口98和通道出口112之间的角度可以在大约70度至大约110度之间。
在从通道出口112排放之后，下部气体流114沿着室20的下部部分122引导并跨构建平台22流动。为了清楚起见，应当注意的是，室20的下部部分122包括室20的任何部分，或竖直地设置在气室分隔壁44下方(例如，相对于z轴15)的室20的部分。例如，在一些实施例中，取决于气室分隔壁44相对于z轴15的位置，下部部分122可以包括室20的下部50％，下部40％，下部30％或下部20％。无论如何，在平行于构建平台22的方向上(例如，在x方向11上)跨构建平台22引导下部气体流114可以减轻或基本上消除下部气体流114和设置在构建平台22上的粉末床28之间的不期望的相互作用。例如，由于下部气体流114平行跨构建平台22引导，而不是朝向构建平台22以一定角度引导，因此下部气体流114可能不会通过由下部气体流114可能生成的涡流和/或压力波动来干扰粉末床28。
如图2示出的实施例中所示，下部气体入口98和通道出口112各自包括分别沿着第一宽度124和第二宽度126延伸的大致矩形形状。在不同的实施例中，第一宽度124和第二宽度126可各自包括室20的宽度52的一部分，或室20的宽度52的基本上全部。尽管在所示实施例中第一宽度124和第二宽度126被示为相等，但是应当注意，在AM系统10的某些实施例中，第一宽度124可以大于或小于第二宽度126。例如，在一些实施例中，下部气体入口98的第一宽度124可以相对较小，而通道出口112的第二宽度126相对较大。在这样的实施例中，通道110的宽度可以在从下部气体入口98到通道出口112的下游方向上(例如，在x方向11上)发散。
一个或多个导流元件(例如翅片，空气箔等)可以设置在通道110内，并且被构造为有助于下部气体流114沿着通道出口112的第二宽度126均匀分布。因此，流动分布元件可以确保下部气体流114的流动速率和/或流动速度跨室20的宽度52或宽度52的指定部分基本上均匀。尽管在所示的实施例中下部气体入口98和通道出口112均被示为大致矩形的单个开口，但是应当注意，下部气体入口98和通道出口112可以包括任何合适数量的单独开口。此外，在AM系统10的某些实施例中，开口可以各自具有类似的横截面形状或不同的横截面形状。例如，通道出口112可以包括多个单独的开口，这些开口被构造为调节下部气体流114的某些流动参数，类似于上面讨论的上部气体入口78的多个开口76。通道出口112可包括沿着通道出口112的第二宽度126延伸的多个圆形开口，穿孔和/或狭槽，或具有任何其他合适几何形状的多个开口。
在进一步实施例中，通道110可包括在下部气体入口98的相应入口与通道出口112的相应出口之间延伸的多个单独的通道。换句话说，通道110可包括彼此相邻设置的多个流体地独立的通道，该多个流体地独立的通道在下部气体入口98和通道出口112之间延伸。多个通道可使用公共歧管或分布室流体地联接至下部流生成装置96。因此，下部流生成装置96可以将下部气体流114供应到多个通道中的每个通道。在一些实施例中，可使用一个或多个流调节元件(例如孔板，阀等)，以有助于跨下部气体流114(例如，跨室20的宽度52)生成速度梯度(例如，就流动速度或流动速率而言的梯度)。在这样的实施例中，每个通道可以与相应的流调节元件相关联，该流调节元件被构造为使预定流动速率和/或预定流动速度的气体能够进入特定通道。
作为非限制性示例，可以调整与靠近室20的侧壁48、50设置的通道相关联的流调节元件，使得这些通道以第一流动速度和/或第一流动速率将下部气体流114供应到室20中。可以调整与靠近室20的中心部分130(例如，沿着x方向11在宽度52的中点附近延伸的室20的部分)设置的通道相关联的流调节元件，使得这些通道以第二流动速度和/或第二流动速率将下部气体流114供应到室20中。在不同的实施例中，第一流动速度和/或第一流动速率可以大于或小于第二流动速度和/或第二流动速率。因此，对于这样的实施例，流调节元件使AM系统10能够使用单个流生成装置(例如，下部流生成装置96)跨下部气体流114(例如，沿着室20的宽度52)生成速度梯度。在一些实施例中，AM系统10可以包括多个下部流生成装置，其中多个下部流生成装置中的每个下部流生成装置联接至多个通道中的相应通道。因此，每个下部流生成装置可以被构造为将预定流动速率和/或预定流动速度的下部气体流114供应到多个通道中的特定通道。因此，除流调节元件之外或代替流调节元件，可以使用多个下部流生成装置以生成跨下部气体流114的速度梯度。
AM系统10还包括用于从室20中排放气体流134的气体出口132，该气体出口132设置在室20的下游端部133中。排放的气体流134包括上部气体流74，下部气体流114，以及在AM处理期间产生的任何烟雾和/或颗粒物的大部分。在所示的实施例中，气体出口132布置在壳体18的前壁80中，与后壁54相对。气体出口132可以朝向室20的下部部分122布置，使得下部气体流114切向地在构建平台22上方行进并且通过气体出口132。然而，在其他实施例中，气体出口132可设置在室20的上部部分60内。尽管为简单起见在图2中将气体出口132的形状示为矩形，但是在其他实施例中，气体出口132可以是使得能够充分排放气体流134的任何合适的形状(例如圆形，多边形，椭圆形)。
在一些实施例中，气体出口132可包括壳体18的前壁80内的多个开口，该多个开口可以设置在室20的上部部分60，室20的下部部分122或两者附近。气体出口132可以联接至抽吸机构以从室20中汲取和排放气体流134。在一些实施例中，抽吸机构还可以包括过滤系统，该过滤系统被构造为例如通过去除已经从室20中去除的悬浮在气体流134内的任何烟雾和/或颗粒物来过滤气体流134。在过滤之后，可将气体流134朝向上部气体输送装置66和/或下部气体输送装置92引导，以在上部和下部气体输送系统72、90中重新使用。应当注意的是，上部和下部气体流74、114可以包括惰性气体(例如氩气或氮气)，而是可以另外包括被构造为有助于从室20中去除在AM系统10的操作期间生成的烟雾和/或颗粒物的任何其他合适的气体。
如示出的实施例中所示，粉末施加装置26设置在靠近侧壁48的室20的后部部分138附近。因此，下部气体流114和粉末施加装置26之间的相互作用可以被大幅减少，从而减轻了当下部气体流114撞击在粉末施加装置26上时可能生成的涡流。在一些实施例中，AM系统10包括邻近室20的后部部分138设置的附加室或隔室，该附加室或隔室在粉末施加装置26的不活动时间段期间(例如，在粉末施加装置26不将粉末材料沉积到构建平台22上的时间段期间)接收并容纳粉末施加装置26。在这样的实施例中，粉末施加装置26在这样的不活动时间段期间横向地设置在侧壁48的后方(例如，相对于y方向13)，使得粉末施加装置26不突出到室20的内部容积21中。在粉末施加装置26的沉积时间段期间(例如，在粉末施加装置26将粉末材料沉积到构建平台22上的时间段期间)，粉末施加装置26平移或延伸出附加室并进入室20(例如，经由限定在侧壁48内的孔口)。因此，粉末施加装置26可以将粉末材料的层连续地沉积到构建平台22上。即，粉末施加装置26沿着y方向13平移以沉积粉末材料的连续层。然而，如上所述，粉末施加装置26也可以在沉积粉末材料的同时在x方向11，z方向15或x方向11，y方向13和/或z方向15的组合上横穿室20。无论如何，在沉积时间段结束之后，粉末施加装置26可以返回到附加室，从而从室20的内部容积21中移除粉末施加装置26。
图3是示出根据本实施例的AM系统10的室20的实施例的示意横截面视图。在所示的实施例中，上部导管140在上部流生成装置70与气室40之间延伸，使得上部流生成装置70可将气体142(例如，形成上部气体流74的气体)从上部气体输送装置66引导至气室腔室56(例如，通过设置在后壁54内的孔口68)。在某些实施例中，上部流生成装置70可调节供应到气室腔室56的气体142的流动速率和/或气室腔室56内的气体142的压力，这可以影响上部气体流74的某些流动特性。因此，除了多个开口76之外或代替多个开口76，上部流生成装置70可用于调整上部气体流74的这种流动特性。
例如，气室腔室56内的气体142的目标压力可以对应于上部气体流74的预定流动速率和/或预定流动速度。因此，可以调整气室腔室56内的目标压力，以实现上部气体流74的期望流动速率和/或期望流动速度。可以使用计算机建模模拟(例如，经由计算流体动力学软件)和/或经验测试来预先确定与上部气体流74的期望流动速率和/或期望流动速度相对应的目标压力的大小。对于所示的实施例，AM系统10包括被构造为测量AM系统10的各种操作参数的一个或多个传感器144(例如，传感器144a，传感器144b)。例如，如图所示，气室40包括设置在气室腔室56内的传感器144a，其被构造为测量指示气体142的压力的参数。传感器144a可以包括压力感测器，压力计或任何其他合适的压力测量仪器。上部流生成装置70和传感器144a经由一个或多个控制传递装置(诸如电线，电缆，无线通信装置等)通信地联接至控制器12。因此，控制器12可以从传感器144a接收指示气体142的实际压力的反馈。在一些实施例中，控制器12将实际压力与目标压力(例如，先前存储在存储器电路14中的目标压力)进行比较，并当实际压力偏离目标压力阈值量时，指示上部流生成装置70增加或减少输送到气室腔室56的气体142的流动速率(例如，通过增加或减小上部流生成装置70的操作速度)。因此，控制器12可以确保从多个开口76排放的上部气体流74的流动速率和/或流动速度保持基本上类似于上部气体流74的目标流动速率和/或目标流动速度。例如，在一些实施例中，目标流动速率可以在约20至1200立方米每分钟(m3/min)之间，在约80m3/min至800m3/min之间或在约200m3/min至400m3/min之间，并且目标流动速度可以在0.1米每秒(m/s)至约10m/s之间，在约2m/s至约8m/s之间或在约3m/s至约5m/s之间。
应当注意，传感器144a不限于压力传感器，而是可以包括使控制器12能够监测和调整上部气体流74的流动特性的任何合适类型的传感器或传感器阵列。例如，传感器144a可以附加地或替代地包括流动速率传感器，温度传感器，质量流量传感器或被构造为向控制器12提供指示上部气体流74的流动特性的反馈的任何其他合适的传感器。在某些实施例中，传感器144a可以相对于气室腔室56设置在外部，例如在室20内，在多个开口76附近或在上部气体输送装置66的合适部分内。控制器12可以根据以上讨论的技术使用由传感器144a获取的反馈来控制上部流生成装置70的操作。另外，应当注意，尽管图3的所示实施例示出了流体地联接到气室腔室56的单个流生成装置(例如，上部流生成装置70)，但是AM系统10可以包括两个或多个流生成装置，每个流生成装置被构造为有助于气体142从上部气体输送装置66流入气室40的气室腔室56中。
在某些实施例中，AM系统10的壳体18包括在顶壁32和前壁80之间延伸的斜切部分146。斜切部分146可有助于将上部气体流74朝向室20的下部部分122引导(例如，在上部气体流74流过构建平台22之后)，使得上部气体流74可通过室20的气体出口132排出。因此，斜切部分146可以减轻上部气体流74中的涡流的生成和/或室20内的上部气体流74的再循环，如果上部气体流74直接撞击到前壁80上则可能发生这种情况。尽管在所示实施例中将斜切部分146示出为壳体18的线性截面，但是应当注意，在AM系统10的其他实施例中，斜切部分146可以包括在顶壁32和前壁80之间延伸的倾斜轮廓或弯曲轮廓。此外，应注意，在AM系统10的某些实施例中，斜切部分146和前壁80之间的角度(或斜切部分146和顶壁32之间的角度)可以大于45度(°)或小于45°。
AM系统10还包括下部导管148，该下部导管148将下部流生成装置96流体地联接至下部气体入口98。如本文中更详细描述的，下部流生成装置96可以调整下部气体流114的某些流动参数，以有助于跨AM系统10的构建平台22引导下部气体流114。应当注意，在AM系统10的某些实施例中，上部流生成装置70和下部流生成装置96可包括公共流生成装置，其被构造为将气体供应给气室腔室56和下部气体入口84。在这样的实施例中，可以使用一个或多个流调节元件(例如，孔板，阀，挡板，百叶挡板等)以相应的目标流动速率将气体引导至气室腔室56和下部气体入口98。因此，由公共流生成装置供应的气体可用于生成上部气体流74和下部气体流114。如上所述，在某些实施例中，AM系统10不包括上部气体输送系统72。因此，在这样的实施例中，AM系统10仅包括下部流生成装置96，或与下部气体入口98相关联的多个下部流生成装置。
如示出的实施例中所示，构建平台22相对于室20设置在第一高程150处，而下部气体入口98相对于室20设置在第二高程152处。下部气体入口98设置在构建平台22下方(例如，相对于沿着z轴15的位置)，使得下部气体入口98的第二高程152小于构建平台22的第一高程150。换句话说，在图3所示的实施例中，壳体18的下端部分106与下部气体入口98之间的距离154小于下端部分106与构建平台22之间的距离156。因此，下部气体入口98在构建平台22下方距离158处。通道110的轮廓表面118被构造为在第二高程152处(在下部气体入口98处)接收下部气体流114，并且在第一高程150处(在构建平台22处)排放下部气体流114。
例如，轮廓表面118包括设置在下部气体入口98下游(例如，相对于下部气体流114的流动方向)的凹入部分160，随后是设置在凹入部分160下游的凸出部分162。凹入部分160被构造为在x方向11上从下部气体入口98接收下部气体流114。凹入部分160相对于壳体18的下端部分106和构建平台22以角度164在中间方向上重定向下部气体流114。在一些实施例中，角度164可以在大约2度(°)至大约50°之间，在大约15°至大约35°(例如，±5°)之间。轮廓表面118可包括中间部分168，该中间部分168是线性的并且在凹入部分160和凸出部分162之间以角度164切向延伸。因此，下部气体流114沿着中间部分168从第二高程152朝向第一高程150被引导。如示出的实施例中所示，凸出部分162在中间部分168和构建平台22之间切向延伸。流体导向效应导致下部气体流114遵循凸出部分162的轮廓，使得下部气体流114从中间方向重定向到x方向11。因此，下部气体流114在x方向11上从轮廓表面118排放并且朝向构建平台22流动。
在一些实施例中，凹入部分160的曲率半径170和凸出部分162的曲率半径172是恒定的。例如，凹入部分160的曲率半径170和凸出部分172的曲率半径172可包括室20的宽度52的百分比，室20的高度64的百分比，室20的长度104的百分比或AM系统10的任何其他合适尺寸的百分比。例如，曲率半径170、172可以包括在室20的长度104的大约0.5％至大约200％之间，在室20的长度104的大约60％至大约2％之间，在室20的长度104的大约50％至大约10％之间，或在室20的长度104的大约35％至大约25％之间。作为非限制性示例，在一些实施例中，凹入部分160的曲率半径170和凸出部分162的曲率半径172可各自在大约0.2厘米(cm)至大约20cm之间，在大约2cm至大约10厘米或大约5厘米之间。应当注意，在某些实施例中，凹入部分160的曲率半径170可以大于或小于凸出部分162的曲率半径172。例如，凸出部分162的曲率半径172可以相对较大(例如，大于凹入部分160处的曲率半径170)，这可以有助于经由流体导向效应沿着凸出部分162引导下部气体流114。在进一步实施例中，凹入部分160，凸出部分162或两者的曲率半径可以是非线性的，使得凹入部分160的斜率和/或凸出部分162的斜率沿着轮廓表面118的长度变化。通常，轮廓表面118被构造为在x方向11上并在第二高程152处接收下部气体流114，在中间方向上引导下部气体流114，并利用流体导向效应来将下部气体流114从中间方向重定向到x方向11。因此，下部气体流114可在第一高程150处从轮廓表面118排放。
如上所述，在AM系统10的某些实施例中，轮廓表面118可以在下部气体入口98和构建平台22之间延伸整个距离。在这样的实施例中，轮廓表面118的下游端部176可以邻接构建平台22的上游端部178。应该注意的是，构建平台22的高度可以忽略不计，使得轮廓表面118的下游端部176的高程基本上等于构建平台22的顶表面82的高程(例如，第一高程150)。因此，下部气体流114可以从凸出部分162排放并且在没有实质阻碍的情况下跨构建平台22流动。在其他实施例中，构建平台22可以设置在齐平位置180中，在齐平位置180中构建平台22被嵌入在基板102内或插入到基板102中。在这样的实施例中，构建平台22的顶表面82的高程等于轮廓表面118的下游端部176的高程。因此，轮廓表面118的下游端部176和构建平台22的上游端部178均设置在第一高程150处。在任何情况下，轮廓表面118从下部气体入口98的第二高程152延伸到构建平台22的第一高程150，并且因此使得下部气体流114能够从下部气体入口98朝向构建平台22流动。
在某些实施例中，轮廓表面118没有延伸到构建平台22的整个距离。在这样的实施例中，底壁24的一部分设置在轮廓表面118的下游端部176与构建平台22的上游端部178之间。底壁24的该部分在本文中将称为间隔部分182，该间隔部分182平行于x方向11延伸。间隔部分182增加了通道出口112与设置在构建平台22上的粉末材料之间的分隔距离。因此，在AM系统10的操作期间，间隔部分182可以减少或基本上消除粉末材料或其他异物在AM处理期间进入通道出口112的可能性。因此，间隔部分182减轻了通道110内和轮廓表面118上的粉末材料和/或其他异物的聚集。在一些实施例中，间隔部分的长度可以在0.5厘米(cm)至大约3cm之间，在大约3cm至大约10cm之间，或者大于10cm。如上所述，粉末施加装置26可以在y方向13横穿室20，以将粉末材料沉积到构建平台22上。即，粉末施加装置26大致平行于通道出口112的第二宽度126(如图2所示)行进。对于这样的实施例，由于粉末施加装置26没有在每个沉积时间段期间横越通道出口112，因此该构造可以另外减轻通道110内的不期望的粉末沉积。
如示出的实施例中所示，AM系统10包括形成通道110的上部部分的中间壁186。中间壁186由底壁24的一部分，后壁54的一部分以及在这两个部分之间延伸的附加轮廓表面188限定。在一些实施例中，附加轮廓表面188从轮廓表面118偏移预定的偏移距离。因此，高度190(例如，轮廓表面118与附加轮廓表面188之间的距离)和通道110的轮廓可以沿着通道110的长度保持基本上相等。在一些实施例中，偏移距离可以在大约1cm至2cm之间。然而，在其他实施例中，偏移距离可以大于或小于5cm。在进一步实施例中，通道110的高度190可以是不均匀的，使得通道110从下部气体入口98到通道出口112会聚或发散(例如，相对于z轴15)。作为非限制性示例，通道出口112附近的通道110的高度可以是靠近下部气体入口98的通道110的高度190的大约一半，三分之一或四分之一。因此，除下部流生成装置96之外或代替下部流生成装置96，通道110的尺寸可用于调整下部气体流114的某些流动参数。例如，减小通道出口112附近的通道110的高度190可以增加从通道110排放的下部气体流114的流动速度和压力。相反，增加通道出口112附近的通道110的高度190可以减小从通道110排放的下部气体流114的流动速度和压力。因此，可以调整通道110的高度190以实现下部气体流114的期望的流动特性和/或增强通道出口112附近(例如，跨轮廓表面118的凸出部分162)的流体导向效应。因此，附加轮廓表面188可有助于将下部气体流114从下部气体入口98导向至通道出口112。
在一些实施例中，除了由轮廓表面118生成的流体导向效应之外或代替由轮廓表面118生成的流体导向效应，附加轮廓表面188可以引起被构造为导向下部气体流114的附加流体导向效应。例如，附加轮廓表面188可以引起柯恩达效应，或有助于将下部气体流114从第二高程152导向到第一高程150的任何其他流体动力学效应(例如，流体压力波动)。在进一步实施例中，轮廓表面118和附加轮廓表面188可以类似于一对级联的翼型件协作，以沿着特定的流动轨迹引导下部气体流114。
有利地，将下部气体入口98和通道110集成在壳体18的基板102内可以减小下部气体输送系统90在室20的某些部分(例如设置在气室40下方的工具区域196)内占据的空间容积。例如，由于下部气体入口98设置在构建平台22和室20的底壁24下方(例如，在第二高程152处)，因此AM系统10的工具197和/或AM系统10的其他操作设备(例如一个或多个替换构建平台)可以占用工具区域196的几乎所有高度198，而不会干扰下部气体传输系统90。此外，由于工具197设置在通道出口112上游(例如，相对于下部气体流114的流动方向)，因此工具197不会阻塞下部气体流114的流动路径。因此，下部气体流114内的流体湍流可以被减轻或基本上消除，使得下部气体流114可以以基本上均匀的流动速率和/或基本上均匀的流动速度跨构建平台22流动。另外，将通道出口112集成在室20的底壁24内允许底壁24沿着室20的长度104保持基本上平坦(例如，平行于x方向11)。因此，AM系统10的工具197可以沿着室20的底壁24的长度104横向穿过，而不会受到下部气体输送系统90的阻碍。
应当注意，在AM系统10的某些实施例中，可以省略中间壁186。在这样的实施例中，AM系统10不包括通道110，而是仅包括在下部气体入口98和构建平台22之间延伸的轮廓表面118。换句话说，中间壁186不在轮廓表面118和中间壁186的表面(例如，附加轮廓表面188)之间形成通道(例如，通道110)。在进一步实施例中，下部气体入口98可以设置在构建平台22上方而不是下方。例如，如图4示出的AM系统10的实施例中所示，下部气体入口98可以竖直地设置在构建平台22上方(例如，相对于z轴15)。因此，构建平台22的第一高程150小于下部气体入口98的第二高程152。换句话说，下部气体入口98设置在构建平台22上方距离158处。在这样的实施例中，轮廓表面118的凸出部分162设置在轮廓表面118的凹入部分160上游。如上所讨论的，流体导向效应使下部气体流114粘附到凸出部分192的轮廓上，同时下部气体流114被跨轮廓表面118引导。因此，凸出部分162将在x方向11上(例如，经由下部气体入口98)进入室20的下部气体流114重定向到中间方向(例如，朝向构建平台22的方向)。下部气体流114随后沿着轮廓表面118的中间部分168被朝向室20的底壁24引导，然后经由凹入部分160从中间方向重定向到x方向11。因此，下部气体流114以基本上等于构建平台22的第一高程150的高程从凹入部分160排放，并在x方向11跨构建平台22流动。
现在返回图3，在一些实施例中，控制器12通信地且可操作地联接至下部流生成装置96，并且可以被构造为指示下部流生成装置96在AM系统的操作期间维持下部气体流114的期望流动速率和/或期望流动速度。在一些实施例中，期望流动速率和/或期望流动速度被预先确定，并且对应于增强流体导向效应的影响的下部气体流114的流动速率和/或流动速度。因此，控制器12可以确保在AM系统10的操作期间下部气体流114被沿着凸出部分162导向，并且因此减轻下部气体流114与凸出部分162之间的流分离的可能性。例如，计算机模拟工具(例如，计算流体动力学软件)和/或经验试验可以用于确定流体导向效应得到增强的下部气体流114的目标流动速率和/或下部气体流114的目标流动速度(例如，基本上所有的下部气体流114被轮廓表面118的凸出部分162重定向的流动速率和/或流动速度)。该目标流动速率和目标流动速度可以存储在控制器12的存储器电路14中。在一些实施例中，目标流动速率可以在大约20至2000立方米每分钟(m3/min)之间，在大约80m3/min至800m3/min之间，或在大约300m3/min至400m3/min之间，并且目标流动速度可以在0.1米每秒(m/s)至大约15m/s之间，在大约2m/s至大约10m/s之间，或在大约3m/s至大约8m/s之间。控制器12可以在AM系统10的操作期间使用传感器144b监测下部气体流114的实际流动速率和/或实际流动速度，并且可以调整下部流生成装置96的操作速度，使得下部气体流114的实际流动速率和/或实际流动速度维持在目标流动速率和/或目标流动速度的公差内。
例如，传感器144b可以设置在下部气体输送装置92，下部导管148，通道110或AM系统10的任何其他合适部分的一部分内。传感器200可以包括流动速率传感器，流动速度监测器，质量流量传感器或被构造为向控制器12提供指示下部气体流114的实际流动速率和/或实际流动速度的反馈的任何其他合适的传感器。例如，在某些实施例中，如果下部气体流114的实际流动速率和/或实际流动速度与目标流动速率和/或目标流动速度偏离大于预定阈值量，则控制器12指示下部流生成装置96增大或减小下部气体流114的流动速率和/或流动速度(例如，通过增大或减小下部流生成装置96的操作速度)，使得下部气体流114的实际流动速率和/或实际流动速度分别接近目标流动速率和目标流动速度。
在一些实施例中，控制器12基于下部气体流114的热力学特性，基于下部气体流114的组分或两者来调整下部气体流114的流动速率和/或流动速度。例如，轮廓表面118的表面温度，下部气体流114的温度和/或下部气体流114的组分可能影响流体导向效应得到增强的下部气体流114的目标流动速率和/或目标流动速度。与上面的讨论类似，计算机模拟工具，经验试验或两者均可用于确定下部气体流114的热力学特性和组分特性与流体导向效应(例如，下部气体流114附着到凸出部分162的能力)的稳定性之间的相关性。下部气体流114的热力学和组分特性与下部气体流114的相应目标流动速率和目标流动速度之间的相关性可以存储在存储器电路14中(例如，作为方程式，查找表等)。
类似于以上的讨论，控制器12可以在AM系统10的操作期间经由传感器144b监测下部气体流114的热力学和组分特性，以确定下部气体流114的流动速率和/或流动速度的调整是否是期望的。例如，传感器144b可以进一步包括但不限于温度传感器，例如热电偶，电阻温度检测器或热敏电阻，以及气体检测器传感器，例如电化学传感器，超声传感器或颗粒/烟雾传感器。控制器12可以比较下部气体流114的实际流动速率和/或实际流动速度是否对应于与测量的下部气体流114的热力学和组分特性相关联的流动速率和/或流动速度的各自目标值。如果下部气体流114的实际流动速率和/或实际流动速度偏离目标流动速率和/或目标流动速度，则控制器12指示下部流生成装置96增大或减小下部气体流114的流动速率和/或流动速度，使得下部气体流114的实际流动速率和/或实际流动速度接近目标值。因此，控制器12可以确保在AM系统10的操作期间保持下部气体流114内的流体导向效应。附加地或以其他方式，控制器12可以使用由传感器144b生成的指示AM系统10的任何合适的操作参数的反馈来调整下部气体流114，上部气体流74或两者的流动速率和/或流动速度。
考虑到前述，图5是处理210的实施例的流程图，从而可以在物品的制作期间操作AM系统10。以下讨论参考了整个图1-4中使用的元件编号。应当注意，处理210的一个或多个步骤可以存储在存储器电路14中并且由控制器12的处理电路16执行。对于图5所示的实施例，处理210开始于(步骤212)将一定量的粉末材料沉积到AM系统10的室20内的构建平台22上。例如，控制器12指示粉末施加装置26将粉末材料沉积到构建平台22上。控制器12指示定位系统36沿着x轴11，y轴13，z轴15或其组合将粉末施加装置26和/或构建平台22相对于彼此移动到任何合适的位置，从而在粉末施加装置26的每个沉积时间段期间以逐层方式沉积粉末材料。
处理210的所示实施例继续(步骤214)将下部气体流114供应到室20中。例如，控制器12指示相关联的气体输送系统(例如，下部气体输送系统90)将下部气体流114供应到室20中(例如，经由下部气体入口98)。通过特定示例，控制器12指示下部气体输送系统90控制下部气体流114的流动特性，诸如流动分布，流动速率(例如，质量流动速率，体积流动速率)，流动温度或其任何组合。该方法包括(步骤216)沿着轮廓表面118将下部气体流114从下部气体入口98的第二高程152引导到构建平台22的第一高程150。例如，如上所讨论的，轮廓表面118被构造(例如，成形，布置)为引起流体导向效应，使得轮廓表面118的凸出部分162可以与凹入部分160一起使用，以调整下部气体流114的流动方向。因此，轮廓表面118的凸出部分162和凹入部分160可以协作以将下部气体流114从第二高程152引导至第一高程150。在一些实施例中，控制器12可以调整下部气体流114的流动速率(例如，经由下部流生成装置96)，使得下部气体流114的实际流动速率基本上等于有利于生成流体导向效应的目标流动速率。例如，如果下部气体流114的实际流动速率超过或低于目标流动速率达阈值量，则流体导向效应可能无法沿着凸出部分162的曲率充分地导向下部气体流114，使得下部气体流114湍流地排放到室20中并且不基本上平行于构建平台22横穿。因此，控制器12可以通过将下部气体流114的实际流动速率维持为基本上类似于目标流动速率来确保在AM系统10的操作的期望部分期间保持流体导向效应。在某些实施例中，控制器12还指示下部气体输送系统90控制下部气体流114的含量(例如，氩气，氮气，任何其他合适的惰性气体或其组合)。
在所示的实施例中，处理210包括(步骤218)将上部气体流供应到室20中。例如，控制器12指示相关联的气体输送系统(例如，上部气体输送系统72)将上部气体流74供应到室20中。通过特定示例，控制器12指示上部气体输送系统72控制上部气体流74的流动特性，诸如流动分布，流动速率(例如，质量流动速率，体积流动速率)，流动温度或其任何组合。在某些实施例中，控制器12指示上部气体输送系统72控制上部气体流74的含量(例如，氩气，氮气，任何其他合适的惰性气体或其组合)。如上所述，AM系统10的某些实施例不包括上部气体输送系统72。因此，在这样的实施例中，处理210不包括步骤218。
在一些实施例中，控制器12可以指示上部气体输送系统72和下部气体输送系统90控制上部气体流74和下部气体流114的流动速度，使得两个气体流动速度之间的比率被控制在期望的值或范围。例如，在一些实施例中，下部气体流114的流动速度在上部气体流74的流动速度的大约10倍至大约1.5倍之间，在上部气体流74的流动速度的大约9倍至大约7倍或上部气体流74的流动速度的大约8倍之间的范围内。在某些实施例中，下部气体流114和上部气体流74之间的比率可以被调节以有助于经由气体出口132从室20中排放烟雾和/或颗粒物。
处理210的所示实施例包括(步骤220)将聚焦能量束选择性地施加到沉积在构建平台22上的一定量的粉末材料上。例如，控制器12指示能量生成系统30将聚焦能量束31(例如激光束)施加到粉末床28的部分上。在供应上部和/或下部气体流74、114的同时，聚焦能量束31以预定方式选择性地熔化和/或烧结粉末床28的粉末材料以形成固化层。
在一些实施例中，在步骤214中供应下部气体流114，在步骤216中沿着轮廓表面118引导下部气体流114，以及在步骤218中供应上部气体流74可以同时进行。在一些实施例中，可以在步骤218中供应上部气体流74之前或之后进行在步骤214中供应下部气体流114以及在步骤216中沿着轮廓表面118引导下部气体流114。在一些实施例中，在步骤220中施加聚焦能量束31可以与在步骤214中供应下部气体流114，在步骤216中沿着轮廓表面118引导下部气体流114，以及在步骤218中供应上部气体流74同时进行。在一些实施例中，可以在步骤214中供应下部气体流114和在步骤216中沿着轮廓表面118引导下部气体流114之前，或在步骤218中供应上部气体流74之前进行在步骤220中施加聚焦能量束31。在一些实施例中，处理210可以重复步骤212、214、216、218和220，以在先前形成的固化层上形成附加固化层。在一些实施例中，处理210可以包括每次在进行步骤220之后进行步骤214、216和218。在一些实施例中，处理210可以包括多次重复步骤212、214、216、218和220以形成连续的附加固化层，从而形成期望的物品(例如，在步骤214中供应下部气体流114，在步骤216中沿着轮廓表面118引导下部气体流，以及在步骤218中供应上部气体流74的同时，连续地进行在步骤220中施加聚焦能量束31)。
本公开的技术效果包括通过从室中去除在AM处理期间生成的烟雾和/或其他颗粒物来改善AM系统的性能和效率。所公开的AM系统采用上部气体流和下部气体流的组合，该上部气体流从室的上部部分中的侧壁供应并基本上平行于构建平台引导，该下部气体流从构建平台的下方或上方供应并经由轮廓表面朝向构建平台引导。轮廓表面被构造为利用流体导向效应来将下部气体流从下部气体入口引导到构建平台，使得下部气体流在基本上平行于构建平台的方向上被跨构建平台引导。经由轮廓表面将下部气体流引入到室中可以减小由室内的下部气体输送系统占用的空间容积。因此，增加了AM系统的室内的可用容积量。此外，基本上平行于构建平台引导下部气体流可以减轻下部气体流与设置在构建平台上的粉末床之间的相互作用。因此，上部气体流和下部气体流的组合可以显著减少或消除室内的气体再循环，并且有助于通过AM系统的排气出口从室内排出烟雾和/或颗粒物。
该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本发明的可专利范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这样的其他示例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言没有实质性差异的等效结构元件，则这些其他示例意图落入权利要求的范围内。

Claims (15)

1.一种增材制造系统(10)，其特征在于，包括：
壳体(18)，所述壳体(18)限定室(20)；
构建平台(22)，所述构建平台(22)相对于所述室(20)在第一高程(150)处设置在所述室(20)的下部部分(122)中；
下部气体入口(98)，所述下部气体入口(98)靠近所述室(20)的上游端部(100)设置并且被构造为供应下部气体流(114)，其中，所述下部气体入口(98)相对于所述室(20)设置在高于或低于所述第一高程(150)的第二高程(152)处；
轮廓表面(118)，所述轮廓表面(118)在所述下部气体入口(98)和所述构建平台(22)之间延伸，并且被构造为将所述下部气体流(114)从所述第二高程(152)引导至所述第一高程(150)，其中，所述轮廓表面(118)在基本上平行于所述构建平台(22)的方向(11)上排放所述下部气体流(114)；
一个或多个气体输送装置，所述一个或多个气体输送装置联接到所述下部气体入口(98)，并且被构造为调节所述下部气体流(114)的一个或多个流动特性；和
气体出口(132)，所述气体出口(132)设置在所述室(20)的下游端部中，其中，所述气体出口(132)被构造为从所述室(20)中排放所述下部气体流(114)。
2.根据权利要求1所述的增材制造系统(10)，其特征在于，其中，所述轮廓表面(118)包括设置在所述下部气体入口(98)下游的凹入部分(160)，其中，所述凹入部分(160)相对于所述构建平台(22)以角度(164)朝向所述第一高程(150)延伸，并且被构造为在中间方向上朝向所述构建平台(22)引导所述下部气体流(114)。
3.根据权利要求2所述的增材制造系统(10)，其特征在于，其中，所述轮廓表面(118)包括从所述凹入部分(160)朝向所述构建平台(22)切向延伸的凸出部分(162)，其中，所述凸出部分(162)被构造为引起流体导向效应，以将所述下部气体流(114)从所述中间方向重定向到基本上平行于所述构建平台(22)的所述方向(11)。
4.根据权利要求3所述的增材制造系统(10)，其特征在于，其中，所述凹入部分(160)的曲率半径(170)和所述凸出部分(162)的曲率半径(172)各自在所述室(20)的长度(104)的0.5％至所述室(20)的所述长度(104)的200％之间。
5.根据权利要求1所述的增材制造系统(10)，其特征在于，其中，所述轮廓表面(118)进一步包括：
凸出部分(162)，所述凸出部分(162)设置在所述下部气体入口(98)下游，其中，所述凸出部分(162)相对于所述构建平台(22)以角度(164)朝向所述第一高程(150)延伸，并且被构造为引起流体导向效应，以在中间方向上朝向所述构建平台(22)重定向所述下部气体流(114)；和
凹入部分(160)，所述凹入部分(160)从所述凸出部分(162)朝向所述构建平台(22)切向延伸，其中，所述凹入部分(160)被构造为将所述下部气体流(114)从所述中间方向重定向到基本上平行于所述构建平台(22)的所述方向(11)。
6.根据权利要求1所述的增材制造系统(10)，其特征在于，包括：上部气体入口(78)，所述上部气体入口(78)设置在所述室(20)的上部部分(60)中，并且被构造为在基本上平行于所述构建平台(22)的所述方向(11)上供应上部气体流(74)，其中，所述上部气体入口(78)联接到所述一个或多个气体输送装置，并且其中，所述一个或多个气体输送装置被构造为调节所述上部气体流(74)的一个或多个流动特性。
7.根据权利要求1所述的增材制造系统(10)，其特征在于，包括附加轮廓表面(188)，所述附加轮廓表面(188)从所述轮廓表面(118)偏移距离(190)，以限定从所述下部气体入口(98)延伸一定长度到限定在所述室(20)的底壁(24)内的通道出口(112)的通道(110)。
8.根据权利要求7所述的增材制造系统(10)，其特征在于，其中，所述下部气体入口(98)被限定在横向于所述底壁(24)定向的所述壳体(18)的后壁(54)内，使得所述下部气体入口(98)横向于所述通道出口(112)定向。
9.根据权利要求7所述的增材制造系统(10)，其特征在于，其中，所述距离(190)沿着所述通道(110)的所述长度减小。
10.根据权利要求1所述的增材制造系统(10)，其特征在于，包括：
传感器(144b)，所述传感器(144b)与所述下部气体流(114)流体连通；
所述一个或多个气体输送装置的流生成装置(96)，其中，所述流生成装置(96)被构造为生成所述下部气体流(114)；和
控制器(12)，所述控制器(12)包括处理器(16)和存储器(14)，其中，所述处理器(16)通信地联接到所述传感器(144b)和所述流生成装置(96)，其中，所述处理器(16)被构造为从所述传感器(144b)接收指示所述下部气体流(114)的流动参数的反馈，并且其中，所述处理器(16)被构造为当所述流动参数偏离目标参数预定阈值量时调整所述流生成装置(96)的操作速度。
11.根据权利要求10所述的增材制造系统(10)，其特征在于，其中，所述流动参数包括所述下部气体流(114)的流动速率，所述下部气体流(114)的流动速度，所述下部气体流(114)的温度，所述下部气体流(114)的组分，或其组合。
12.根据权利要求1所述的增材制造系统(10)，其特征在于，其中，所述第一高程(150)设置在所述第二高程(152)下方。
13.一种操作增材制造系统(10)的方法，其特征在于，包括：
在位于室(20)内的第一高程(150)处的构建平台(22)上沉积(212)粉末材料(28)的床；
在高于或低于所述第一高程(150)的第二高程(152)处将下部气体流(114)供应到所述室(20)的下部部分(122)中；
沿着轮廓表面(118)经由流体导向效应从所述第二高程(152)到所述第一高程(150)，然后沿着平行于所述构建平台(22)的方向(11)朝向所述构建平台(22)引导(216)所述下部气体流(114)；和
将聚焦能量束施加(22)到沉积在所述构建平台(22)上的所述粉末材料(28)的所述床的至少一部分，以形成固化层。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，其中，供应所述下部气体流(114)包括以第一流动速度供应所述下部气体流(114)，所述第一流动速度在1米每秒至15米每秒之间。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，包括沿着平行于所述构建平台(22)的所述方向(11)将上部气体流(74)供应到所述构建平台(22)上方的所述室(20)的上部部分(60)中。
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