CN112605383A - 用于在基于粉末床的激光增材制造过程中使用的构建腔室 - Google Patents
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Abstract
用于在基于粉末床的激光增材制造过程中使用的构建腔室。本发明描述了供与基于粉末床的激光增材制造腔室一起使用的改进的气流系统和方法。所公开的气流构型和相关联的构建腔室设计提高了激光熔化排放物的可去除性。根据各种构型，通过采用这样的系统设计来改进生成的飞溅物污染的清除率，即，在所述系统设计中，气流出口朝向基板降低、气流入口通道长度增加、使用多通道化泵实现均匀的气流、和/或一个或多个补充气体入口流被引入到腔室设计。
Description
技术领域
本公开通常针对基于粉末床的激光增材制造腔室构型，诸如在选择性激光熔化应用中使用的那些构型。更具体地，本公开涉及基于粉末床的激光增材制造构建腔室，所述构建腔室采用新颖的气流系统设计，这些气流系统设计被构造成减少生成的飞溅物污染并提高零件质量。
背景技术
在金属增材制造过程当中，选择性激光熔化（SLM）已引起人们极大的兴趣，因为它有潜力从多种不同的金属和金属合金产生高分辨率和高密度的零件。在SLM过程中，利用高能激光束来熔化和融合金属粉末材料。常常，与SLM过程环境相关联的高的局部温度可以超过材料蒸发点并引起蒸发。这种汽化过程会引起“蒸汽射流”效应，其导致从熔池生成排放物。由于强烈的表面张力效应，这种排放物可以包括汽化的气体、蒸汽射流内的粉末颗粒以及从熔池中喷射的液滴。
排放物内的喷射的颗粒（即，蒸汽射流的粉末颗粒和来自熔池的液滴）通常被称为“飞溅物”。这种飞溅物可以再沉积在粉末床上，从而污染SLM构建腔室的构建区域并由此造成不利地影响所得零件的构建质量的风险。因此，为了减少与喷射的颗粒和液滴相关联的构建质量风险，有效地设计和实施飞溅物控制和去除过程是必要的。
发明内容
在至少一个实施例中，公开了一种基于粉末床的增材制造设备。该设备可包括：构建板，其被构造成支撑包括粉末颗粒的粉末床；以及激光组件，其被构造成将激光束引导到粉末床处以由粉末颗粒形成零件。基于粉末床的增材制造设备可进一步包括气体入口通道，该气体入口通道被构造成在粉末床上面形成气流以夹带通过激光束由粉末颗粒形成的飞溅物颗粒。该设备还可包括被构造成排出（outlet）所夹带的飞溅物颗粒气流的出口通道，该出口通道具有被定位在构建板上方0和10 mm之间的下出口表面，其中，气体入口通道和出口通道被构造成夹带并排出至少85％的飞溅物颗粒。
在至少另一个实施例中，公开了一种基于粉末床的增材制造设备。该设备可包括：构建板，其被构造成支撑包括粉末颗粒的粉末床；以及激光组件，其被构造成将激光束引导到粉末床处以由粉末颗粒形成零件，该激光束使飞溅物颗粒由粉末颗粒形成。基于粉末床的增材制造设备可进一步包括：第一气体入口通道，其被构造成在粉末床上面形成第一气流以夹带飞溅物颗粒来生成所夹带的飞溅物颗粒气流；以及第二气体入口通道，其被定位在第一气体入口通道下方5和55 mm之间并且被构造成在粉末床上面形成第二气流。该设备还可包括出口通道，该出口通道被构造成排出所夹带的飞溅物颗粒气流，其中，第一气体入口通道、第二气体入口通道和出口通道被构造成夹带并排出至少85％的飞溅物颗粒。
在再又一实施例中，公开了一种选择性激光熔化设备。该设备可包括：构建板，其被构造成支撑包括粉末颗粒的粉末床；以及激光组件，其适合于在选择性激光熔化设备内由粉末颗粒形成零件，该激光组件使飞溅物排放物由粉末颗粒形成。选择性激光熔化设备可进一步包括主要气体入口通道，该主要气体入口通道具有沿着其长度定位的入口喷嘴的阵列，其中，该主要气体入口通道被构造成在粉末床上面形成气流以夹带飞溅物排放物来产生所夹带的排放物气流，并且每个入口喷嘴的长度在大约20和150 mm之间。该设备还可包括出口通道，该出口通道被构造成排出所夹带的排放物气流，其中，主要气体入口通道和出口通道被构造成夹带并排出超过85％的飞溅物颗粒。
附图说明
图1描绘了SLM构建腔室和相关联的气流系统的非限制性示例；
图2A和图2B示出了一般的SLM构建腔室构型的透视图；
图3描绘了一般的SLM构建腔室构型的透视图的另一个示例；
图4A至图4D描绘了与SLM腔室内的流场有关的模拟和实验结果；
图5A和图5B示出了SLM腔室内的气体速度等高线（contour）的透视图；
图6A和图6B示出了在SLM腔室的粉末床正上方的模拟的飞溅物再沉积和气体速度等高线的图；
图7A和图7B是示出由SLM腔室内的柯恩达效应产生的气流和飞溅物排放轨迹的曲线图；
图8A和图8B以图形方式描绘了在SLM腔室中产生柯恩达效应的条件；
图9A和图9B分别描绘了一般的SLM构建腔室构型以及与其有关的飞溅物排放轨迹的透视图的示例；
图10A和图10B描绘了根据各种公开的实施例的示例SLM腔室和气流系统构型；
图11A和图11B分别示出了根据各种公开的实施例的SLM腔室和气流系统构型的飞溅物再沉积图和气体速度等高线的示例；
图12A和图12B描绘了根据各种公开的实施例的示例SLM腔室和气流系统构型；
图13A和图13B分别示出了根据各种公开的实施例的针对SLM腔室和气流系统构型的气流轨迹的示例；以及
图14A和图14B描绘了根据各种公开的实施例的曲线图，所述曲线图示出了作为流速的函数的在SLM构建板上方1 mm处的生成的飞溅物污染的清除率和最大气流速度。
图15A至图15C描绘了根据各种公开的实施例的具有不同喷嘴长度的入口通道构型的示例。
图16A和图16B描绘了根据各种公开的实施例的曲线图，所述曲线图示出了作为流速的函数的在SLM构建板上方1 mm处的生成的飞溅物污染的清除率和最大气流速度。
具体实施方式
本文中描述了本公开的实施例。然而，将理解的是，所公开的实施例仅是示例，并且其他实施例可采取各种和替代形式。附图不一定按比例绘制；一些特征可被夸大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文中所公开的具体结构和功能性细节将不被解释为限制性的，而仅仅作为用于教导本领域技术人员以各种方式采用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，参考附图中的任一者所图示和描述的各种特征可与在一个或多个其他图中所图示的特征进行组合，以产生未明确图示或描述的实施例。所图示的特征的组合为典型应用提供了代表性实施例。然而，对于特定的应用或实施方式可期望符合本公开的教导的特征的各种组合和修改。
结合一个或多个实施例，将一组或一类材料描述为适合于给定目的暗示该组或该类中的任何两个或更多个成员的混合物是合适的。以化学术语对成分进行的描述是指在添加到该描述中指定的任何组合时的成分，并且一旦混合，不一定排除混合物的成分当中的化学相互作用。
除了在明确指示的情况下之外，在本描述中的指示尺寸或材料性质的所有数值数量在描述本公开的最广范围时由词语“约”来修饰。
对首字母缩略词或其他缩写的首次定义适用于本文中所有后续使用的相同缩写，并且比照适用于最初定义的缩写的正常语法变型。除非明确陈述为相反，否则对性质的测量是通过针对同一性质在前或在后参考的相同技术来确定。
详细参考发明人已知的组合物、实施例和实施例的方法。然而，应理解的是，所公开的实施例仅是本发明的示例性实施例，其可以以各种和替代形式来体现。因此，本文中所公开的具体细节将不被解释为限制性的，而仅仅作为用于教导本领域技术人员以各种方式采用本发明的代表性基础。
术语“基本上”或“约”在本文中可用于描述公开或要求保护的实施例。术语“基本上”或“约”可修饰在本公开中公开或要求保护的值或相对特性。在这种情况下，“基本上”或“约”可表示其修饰的值或相对特性在该值或相对特性的±0％、0.1％、0.5％、1％、2％、3％、4％、5％或10％以内。
考虑到选择性激光熔化（SLM）技术对多种不同行业的重大潜力及其过程环境中固有的复杂化，需要理解、建模和解决材料汽化以及相关联的颗粒排放物以减少其负面影响。本公开阐述了用于从SLM构建腔室的移动熔池及其周围高效地去除排放物的设计和过程，由此减少由来自生成的飞溅物的污染所造成的对构建质量的潜在损害。尽管本文中阐述的许多示例描述了SLM腔室设计和构型，但本领域普通技术人员将理解，这种设计和构型也可以有效地应用于各种类型的基于粉末床的增材制造装置。
虽然保护气流可以积极地帮助去除SLM构建腔室内的喷射的颗粒，但这种技术的效率取决于所利用的气流系统的设计和优化。SLM构建腔室设计结合所应用的气流系统构型和优化，尚未在文献中进行广泛研究。对这种相互作用的有用研究需要准确的模型并理解许多变量和效果，包括但不限于诸如飞溅物计数、直径和速度之类的飞溅物参数。识别这些参数如何基于不同的扫描速度和激光功率而变化对于高效的SLM腔室气流系统的设计、开发和实施也很重要。在SLM环境内显现的许多其他动力学进一步使SLM气体腔室设计复杂化。这些包括在SLM腔室的出口附近的增加的飞溅物浓度以及不均匀气流，从而在构建板的中心导致具有增加的飞溅物浓度的另一个区域。进一步复杂化由下向气流趋势（被称为柯恩达效应）的现象所造成。
根据本公开，描述了改进的气流系统，其提高了SLM过程排放物的可去除性。这些改进的气流系统能够显著地减少飞溅物的量，而不会增加吹起粉末床颗粒的风险。为了获得这种结果，已考虑到SLM腔室的环境中固有的众多因素和复杂化来设计所公开的构型和方法。计算流体动力学（CFD）模型和有限体积方法（FVM）模拟已用于开发所描述的SLM气流系统。这种模型和模拟已用于更好地捕获构建腔室内的复杂的气流行为动力学。为了准确地模拟腔室内的飞溅物生成，还使用了离散相模型（DPM）模拟。最后，还基于完全耦合的流体-颗粒相互作用方法开发了所公开的设计和构型，该方法用于精确地捕获气流对腔室内的固体颗粒的影响。
在图1中描绘了SLM构建腔室和相关联的气流系统的非限制性示例。SLM腔室100包括在构建平台112上方的激光组件110。粉末床114包括熔池116，在该粉末床中，通过SLM过程来制造所得零件。SLM腔室100还包括与气流出口120相对的气流入口通道118。如将理解的，气流入口通道118可包括一个或多个气流入口喷嘴。附加地，气流出口120可通常被称为出口通道或简单地被称为出口。惰性气体——诸如例如，氩气——流用于从SLM腔室100的构建区域122中去除飞溅物。惰性气体流通常由图1中的气流入口通道118附近的箭头来描绘。如由这些箭头所表示的，气体流通常被引导远离气流入口通道118并引导朝向气流出口120。这种惰性气流在粉末床114和熔池116上方排放的飞溅物颗粒上提供曳力。SLM排放物（包括排放的飞溅物颗粒）的一般轨迹在图1中由熔池116上方的箭头来描绘。这种SLM排放物的可去除性取决于由SLM腔室100的气流系统实现的惰性气流的特性。
根据本文中公开的各种实施例，SLM腔室的气流系统可以被设计成显著提高SLM排放物的可去除性。与生成的飞溅物的总量相比较，从构建区域中去除的飞溅物的百分比被称为清除率。例如，通过这样的气流系统构型来改进生成的飞溅物污染的清除率，即，在所述气体系统构型中，气流出口朝向基板降低、气流入口通道长度增加、使用多通道化泵实现均匀的气流、和/或一个或多个补充气体入口流被引入到腔室设计。
图2A和图2B示出了一般的SLM构建腔室构型（诸如例如，图1中阐述的SLM构建腔室构型）的透视图。与本说明书附随的所有图一样，在图2A和图2B下面出现的测量尺度仅是示例。如本领域技术人员将理解的，可以以多种不同的尺度来采用贯穿本说明书描述的腔室构型设计。图2A具体地描绘了SLM腔室200的非限制性示例，该SLM腔室包括激光组件210在构建区域222上方的位置，该构建区域被定位在气流入口通道218和气流出口220之间。图2B描绘了从构建区域222正上方的角度所见的SLM腔室200的一般构型。如下文详细描述的，在SLM腔室（诸如，SLM腔室200）内飞溅物的生成和排放的模型可包括被定向为垂直于气流的飞溅物生成线224，根据所述飞溅物生成线，飞溅物从构建板的表面随机地喷射。
类似地，图3描绘了一般的SLM构建腔室构型（诸如例如，图1、图2A和图2B中阐述的SLM构建腔室构型）的透视图的另一个示例。具体地，图3示出了SLM腔室300的构型，该SLM腔室包括激光组件310以及气流入口通道318和气流出口320。
需要准确的建模技术来恰当地评估SLM腔室内的气流和飞溅物条件，以便设计和开发新颖的腔室和气流系统构型——提高SLM排放物的可去除性并由此改进制造的零件的构建质量的构型。结合这种建模技术，计算流体动力学（CFD）方法可用于计算气流的量，并且离散相模型（DPM）可用于捕获相关的飞溅物生成特性。附加地，对离散相和连续相的耦合计算可用于对金属颗粒和惰性气体连续相的相互作用进行建模。
示例——对SLM环境进行建模
可通过将CFD方法与气流特性和离散相模型相结合应用于飞溅物的生成和排放来对SLM环境进行建模。由于不存在时间相关特征，因此可以将流推测为稳定状态且不可压缩。附加地，该模型假定飞溅物沿着直线从构建板喷射，所述直线横跨大约280 mm的构建板宽度并且被定向为垂直于惰性气体流。如图2B中所示，模型构想了飞溅物沿着五条直的飞溅物喷射线224从构建板随机地喷射，所述线横跨构建板的宽度并且被定向为垂直于气流。飞溅物生成线表示来自整个构建板的排放物。飞溅物颗粒可以具有变化的颗粒直径，包括例如在大约10和100 μm之间的直径。飞溅物颗粒还可以展现多种喷射速度，包括例如范围为大约1.5至35 m/s的速度。该模型可进一步应用氩气作为惰性气体。根据这种模型，氩气包括1.6228 kg/m3的密度和2.125e-05 kg/m-s的动力粘度。该模型进一步假定粉末金属材料是密度为7950 kg/m3的316L不锈钢。
在图4A至图4D中结合实验观测到的结果示出了基于此模型的模拟结果。图4A至图4D中所示的流场证明了模拟和实验结果之间的合理的一致。图4A和图4C中所示的实验结果来自Philo, A. M.等人的“A study into the effects of gas flow inlet design ofthe Renishaw AM250 laser powder bed fusion machine using computationalmodelling”（Solid Free. Fabr.（2017））。如该论文中阐述的，图4A和图4C中提供的实验数据是基于雷尼绍AM250 SLM机器的构型和环境动力学，并且使用一系列热线风速计（HWA）探针来测量速度等高线。对于模拟模型和实验两者，中心平面被定义为在构建板上方40 mm处，并且基准平面被定义为在构建板上方3 mm处。图4B中所示的中心平面速度模拟数据密切地跟踪图4A中所示的中心平面速度实验数据。类似地，图4D中所示的基准平面速度模拟数据密切地跟踪图4B中所示的基准平面速度实验数据。
如果SLM腔室内的惰性气流的速度太高，则附加的粉末床颗粒会被吹起。应严格限制局部高的气体速度，以便防止这种附加的过程复杂性。在模拟中，在粉末床上方1 mm的位置处收集局部气体速度。如果最大局部气体速度超过阈值速度，则需要减小相关的入口流速——该入口流速最初在构建腔室的入口处施加。可以分析地计算在粉末床上方1 mm处的阈值速度。对于仅粉末床表面处的位置，阈值速度被定义为描述粉末床颗粒在暴露于粉末床上方的气流时开始移动的点。计算表明，粉末床表面处的阈值速度为大约0.27 m/s。为了计算在粉末床上方的不同位置处的阈值速度，然后通过对数律风速廓线使其与物理廓线速度相关。例如，在粉末床上方1 mm处的阈值速度可以被计算为大约3.383 m/s。因此，如果在粉末床上方1 mm处的气体速度小于3.383 m/s，则粉末床颗粒将保持静止。
因为由惰性气体流施加到飞溅物颗粒的曳力与气体性质和速度紧密相关，因此气流场特别重要。此外，在粉末床正上方的均匀速度场对于飞溅物去除是优选的。图5A和图5B描绘了与上文描述的初始SLM腔室设计相关联的气体速度等高线。图5A中所示的速度等高线数据证明，气流主要集中在长方体区域内，该长方体区域在SLM腔室基板上方且在气流入口/出口的上边缘下方。附加地，图5B中所示的速度等高线数据表明，气流的宽度通常与入口/出口的宽度匹配。图5A进一步示出了在长方体区域上方存在再循环流。尽管此初始气流系统设计可以提供可接受的流场，但某些未解决的设计问题阻碍了气流进一步从构建区域中去除飞溅物的能力。
根据一个或多个实施例，可以通过其中气流出口朝向SLM腔室基板降低的气流系统构型来改进飞溅物污染清除率。在其他实施例中，可以通过其中气流入口通道长度增加的气流系统构型来改进飞溅物污染清除率。在再其他实施例中，可以通过这样的气流系统构型来改进飞溅物污染清除率，即，在该气流系统构型中，通过利用多通道化泵来增加气流的均匀性。在再又其他实施例中，可以通过其中一个或多个补充气体入口流被引入到腔室设计的气流系统构型来改进飞溅物污染清除率。这些气流系统设计调整可以在同一SLM腔室构型中单独地应用或进行组合，以便改进气流场和所得飞溅物去除。这种调整可以减少排放物相关的零件质量退化的风险。
未去除的飞溅物可以掉落到构建床并再沉积。仅仅增加气流的速度增加了吹起新的静止粉末的风险。为了避免这种风险，在粉末床上方1 mm处的气流不应超过临界阈值速度值。图6A和图6B分别描绘了在粉末床正上方的模拟的飞溅物再沉积和气体速度等高线的图。如图6A中所示，腔室内部存在具有增加的飞溅物浓度的两个区域。第一区域位于腔室出口附近的基板上。这是由于SLM腔室的构型所致。由于气体出口的底部高于构建板，因此出口至少部分地阻塞了飞溅物的外出流，从而导致出口附近的浓度增加。具有增加的飞溅物浓度的第二区域是在构建板的中心附近的构建区域本身内。具有增加的飞溅物浓度的这个区域由SLM腔室内的不均匀气流产生。图6B示出了在粉末床上方1 mm处的腔室内的速度等高线和不均匀气流。如由图内的速度等高线所证明的，存在两个高速度区域。如果在不修改SLM腔室和气流部件的构型的情况下增加典型流速（通常为约250 L/min），则颗粒在这些区域内吹起。
除了具有增加的飞溅物浓度和增加的气体速度的局部区域之外，典型的SLM腔室和气流系统设计还展现下向气流趋势（被称为柯恩达效应）。在正常条件下，这些因素的组合会导致观测到的清除率小于50％。50％或更小的清除率通常不足以制造高质量的工程部件。增大流速只可以在一定程度上改进清除率，当然，也冒有吹起颗粒的风险。如图7A中所示，这种局限性是流下向趋势（即，柯恩达效应）的结果。随着流速更高，气流速度和强加在飞溅物颗粒上的曳力成比例地增加。基于飞溅物的力平衡，随着流速的增加，飞溅物变得更有可能遵循气流的方向。如图7B中所示，1500 L/min的流速例如导致与下向流趋势几乎相同的飞溅物轨迹。
图8A和图8B以图形方式描绘了在SLM腔室中产生柯恩达效应的条件。来自入口射流的传入气流夹带靠近入口射流的空气。这种夹带导致入口射流附近的压力减小。入口射流上方的低压区域暴露于整个SLM腔室。因此，该区域可以被快速填充并且大约达到环境压力。入口射流下方的区域受到基板的约束，并且产生了低压区域。沿竖直方向跨越气流的压力差引起流向下转向。
SLM环境的有效模型还可构想不同的飞溅物源位置和喷射轨迹。如图9A中所示，例如，模型可假定飞溅物在构建表面的平面上方以大约45o至70o之间的角度喷射远离入口通道，而不是假定飞溅物沿着横跨构建板宽度的直线从构建板喷射。根据这种模型，在图9B中描绘了腔室内的模拟的飞溅物轨迹。
将气流出口定位在构建板（即，基板）上方——如在现有SLM腔室设计中常见的——将障碍物引入到原本可能逃脱构建区域的飞溅物。可以通过将出口底部降低到构建板的高度来解决出口附近的较高的飞溅物浓度。根据某些实施例，气流出口可被降低到与基板表面相同的水平，使得这两者之间不存在竖直位移。在图10A中示出了这种构型的代表性示例，图10A示出了SLM腔室400的侧视图，该SLM腔室包括气流入口通道418和气流出口420。如图中所示，气流出口420的底部部分426被定位在与基板表面428大约相同的竖直位置处。在至少另一个实施例中，气流出口可被降低，使得其下表面被定位在与基板大约相同的竖直位置处。在其他实施例中，气流出口可被降低，使得其下表面被定位在基板表面上方大约0和10 mm之间。在再其他实施例中，气流出口可被降低，使得其下表面被定位在基板表面上方大约10和30 mm之间。
可以通过以下步骤来解决与不均匀气流（其在图6B中示出）相关联的复杂化：使与气体入口通道相关联的喷嘴延伸并跨越所有通道和相关联的射流提供均匀的流。根据某些实施例，气体入口通道喷嘴的长度可在大约20 mm和150 mm之间。在其他实施例中，气体入口通道喷嘴的长度可在大约50 mm和120 mm之间。在再其他实施例中，气体入口通道喷嘴的长度可在大约80 mm和110 mm之间。可以进一步通过使用多通道泵来实现基本上均匀的流。在图10B中示出了这种实施例中的SLM腔室和气流系统构型的代表性示例。图10B描绘了SLM腔室500的透视图，该SLM腔室包括激光组件510和具有多个延伸的气体入口通道喷嘴528的气流入口通道518。
图11A描绘了腔室设计的飞溅物再沉积图的非限制性示例，该腔室设计并入有降低的出口高度和大约250 L/min的气体流速。如图所示，出口附近的增加的飞溅物浓度已被去除。图11B——其示出了在粉末床上方1 mm处的气体速度等高线——证明，通过使入口气流更均匀，在构建区域中间的具有增加的飞溅物浓度的局部区域也可以被去除。将入口设计修改成提供更均匀的气流导致了粉末床附近的流场更均匀。这种修改可降低吹起粉末床颗粒的风险。附加地，这种设计增加了流速局限性，使得气体流速可增加到大约750和1500L/min之间，而不超过在粉末床上方1 mm处的临界阈值速度。
在一个或多个实施例中，SLM腔室的气流系统可被构造成使得至少一个补充气体入口通道设置在主要气体入口通道下方。在图12A中示出了这种构型的代表性示例，图12A描绘了SLM腔室600的侧视图，该SLM腔室包括主要气流入口通道618和出口620。如图12A中所示，SLM腔室600进一步包括在主要气流入口通道618下方的补充气流入口通道630。这种构型可被称为双入口设计。根据其他实施例，至少一个补充气体入口通道设置在主要气体入口通道下方，并且至少一个补充气体入口通道设置在主要气体入口通道上方。在图12B中示出了这种构型的代表性示例，图12B描绘了SLM腔室700的侧视图，该SLM腔室包括主要气流入口通道718和出口720。如图中所示，SLM腔室700进一步包括在主要气流入口通道718下方的第一补充气流入口通道730以及在主要气流入口通道718上方的第二补充气流入口通道732。这种构型——包括既在主要气流入口上方又在其下方的补充气流入口通道——可被称为三入口设计。
可以利用包括这种主要气流入口和补充气流入口——所述气流入口中的每一者可包括一个或多个入口喷嘴——的系统构型来减少柯恩达效应，该柯恩达效应导致竖直压力差，从而导致SLM腔室内的下向流。通过降低在流的上侧上的压力抑或升高在流的下侧上的压力，可以消除下向流趋势。当通过被定位在（一个或多个）主要气体入口通道下方的一个或多个补充入口来供应连续气流时，低压区可以增加到环境水平。类似地，既设置在（一个或多个）主要气体入口通道上方又设置在其下方的至少一个补充气体流允许对局部压力区域进行类似的调整，从而导致柯恩达效应的取消。
在至少一个实施例中，补充气体入口通道设置在主要气体入口通道下方大约5和55 mm之间。在另一个实施例中，补充气体入口通道设置在主要气体入口通道下方大约15和40 mm之间。在再另一个实施例中，补充气体入口通道设置在主要气体入口通道下方大约20和30 mm之间。
在至少一个实施例中，第一补充气体入口通道设置在主要气体入口通道下方大约5和55 mm之间，并且第二补充气体入口通道设置在主要气体入口通道上方大约5和55 mm之间。在其他实施例中，第一补充气体入口通道设置在主要气体入口通道下方大约15和40 mm之间，并且第二补充气体入口通道设置在主要气体入口通道上方大约15和40 mm之间。在再其他实施例中，第一补充气体入口通道设置在主要气体入口通道下方大约20和30 mm之间，并且第二补充气体入口通道设置在主要气体入口通道上方大约20和30 mm之间。
来自补充入口的流速可以小于、等于或高于主要入口的流速。这些多种流设计的流速值是主要气体入口和补充气体入口两者的流速总和。改变流速可以提供不同的效率。在某些实施例中，来自较低补充入口的流速在主要入口流速的25％和200％之间。在一些实施例中，来自较低补充入口的流速在主要入口流速的25％和100％之间，且来自较高补充入口的流速在主要入口流速的25％和100％之间。在图13A和图13B中示出了采用补充气体入口的气流系统构型的模拟速度等高线。如这些图所证明的，可以通过应用这些设计来消除下向流趋势。
如图14A和图14B中所示，通过采用本文中公开的SLM腔室和气流系统构型中的一者或多者，可以显著提高腔室的清除率，从而导致零件质量较高的潜在性。根据一些构型，所得清除率在60％和100％之间。根据其他构型，所得清除率在85%和99.99%之间。根据再其他构型，所得清除率在95％和100％之间。例如，图14A证明，对于以不采用上述构型的初始设计为特征的腔室，在大约750 L/min的流速下，调整可达到大约85%的飞溅物清除率，但即使在流速增加到高达3,000 L/min时也不超过大约85%的飞溅物清除率。附加地，如图14B中所示，在大约800 L/min的流速下，该初始设计达到构建板上方1 mm处的阈值速度。因此，在该初始设计的腔室中，流速不能超过大约800 L/min，而不会冒有从粉末床吹起颗粒的风险。因此，如图14A中所示，初始设计的腔室的最大清除率——在最大亚临界速度（流速）下——为大约84.4％。如进一步在图14A和图14B中所示的，采用本文中描述的高效构型的腔室设计可以在高流速下实现显著较高的清除率（比初始设计高），而不超过在构建板上方1 mm处的阈值速度。因此，这种设计可以实现较高的流速和清除率，而不会冒有从粉末床吹起颗粒的风险。图14A和图14B证明，本文中描述的设计中的每一者可以实现大于85%的清除率，而不超过在构建板上方1 mm处的阈值速度。具体地，图14A和图14B示出了降低的出口设计在大约1,750 L/min的其最大亚临界速度（流速）下实现了大约93.3％的清除率。双入口设计在大约3,000 L/min的其最大亚临界速度（流速）下实现了大约99.5％的清除率。最后，图14A和图14B示出了三入口设计在大约3,000L/min的流速下实现了大约99.9％的清除率，该流速仍低于其最大亚临界速度（流速）。
如上文描述的，可以通过延长与气体入口通道相关联的喷嘴的长度来解决与不均匀气流相关联的复杂化。根据某些实施例，气体入口通道喷嘴的长度可在大约20 mm和150mm之间。在其他实施例中，气体入口通道喷嘴的长度可在大约50 mm和120 mm之间。在再其他实施例中，气体入口通道喷嘴的长度可在大约80 mm和110 mm之间。图15A至图15C描绘了根据本公开的实施例的具有不同喷嘴长度的入口通道构型的示例。图15A示出了具有一系列入口喷嘴820的单个入口通道构型818的示例，所述入口喷嘴具有20 mm的近似长度。图15B示出了双入口通道构型918的示例，该双入口通道构型具有一系列第一入口喷嘴920和一系列第二入口喷嘴922。如图15B中所描绘的，第一入口喷嘴920和第二入口喷嘴922两者都为大约20 mm长。根据本公开的各方面，延长气体入口通道喷嘴的长度可以有益地应用于采用单个抑或多个入口气体通道的构建腔室构型。例如，在具有被定位在主要气体入口通道下方的补充气体入口通道的构型中，加长两个气体入口通道的喷嘴可增加气流的均匀性，从而导致更好的腔室清除率。例如，图15C描绘了双入口通道构型938，其中第一入口喷嘴940和第二入口喷嘴942两者的长度都已延伸到大约100 mm。更进一步地，在具有既在主要气体入口通道上方又在其下方具有补充气体入口通道的构型中，加长所有入口通道的喷嘴也可增加气流的均匀性，从而导致更好的腔室清除率。
如图16A中所示，添加补充气体入口通道和/或增加（一个或多个）气体入口通道的喷嘴长度可增加相关联的腔室的清除率。图16A证明，取决于具体的入口设计构型，在某些流速下的最大清除率可以从大约69％增加到大于95％。图16B示出了对于相同的入口设计构型在构建板上方1 mm处的最大速度。如图所示，当与单入口行构型（诸如，图15A中所示的构型）相比时，双入口行构型（诸如，图15B中所示的构型）和增加喷嘴长度的双入口行构型（诸如，图15C中所示的构型）两者都有益地在所有流速下减小了在构建板上方1 mm处的最大速度。
虽然上文描述了示例性实施例，但是这些实施例并不旨在描述本发明的所有可能的形式。相反，说明书中使用的词语是描述性的词语而不是限制性的词语，并且应理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可进行各种改变。附加地，各种实施的实施例的特征可进行组合以形成本发明的另外的实施例。
Claims (20)
1.一种基于粉末床的增材制造设备，其包括：
构建板，其被构造成支撑包括粉末颗粒的粉末床；
激光组件，其被构造成将激光束引导到所述粉末床处以由所述粉末颗粒形成零件，所述激光束使飞溅物颗粒由所述粉末颗粒形成；
气体入口通道，其被构造成在所述粉末床上面形成气流以夹带飞溅物颗粒来产生所夹带的飞溅物颗粒气流；以及
被构造成排出所述所夹带的飞溅物颗粒气流的出口通道，所述出口通道具有被定位在所述构建板上方0和10 mm之间的下出口表面，其中，所述气体入口通道和所述出口通道被构造成夹带并排出至少85％的所述飞溅物颗粒。
2.根据权利要求1所述的基于粉末床的增材制造设备，其中，所述构建板包括顶表面，并且所述出口通道的所述下出口表面被定位在与所述顶表面大约相同的竖直位置处。
3.根据权利要求1所述的基于粉末床的增材制造设备，其中，所述气体入口通道和所述出口通道被构造成夹带并排出大于90%的所述飞溅物颗粒。
4.根据权利要求1所述的基于粉末床的增材制造设备，其中，所述气体入口通道和所述出口通道被构造成夹带并排出大于95%的所述飞溅物颗粒。
5. 根据权利要求1所述的基于粉末床的增材制造设备，其中，所述气体入口通道被构造成在所述粉末床上面形成在200和2000 L/min之间的气流。
6. 根据权利要求1所述的基于粉末床的增材制造设备，其中，所述气体入口通道被构造成在所述粉末床上面形成在500和1500 L/min之间的气流。
7.一种基于粉末床的增材制造设备，其包括：
构建板，其被构造成支撑包括粉末颗粒的粉末床；
激光组件，其被构造成将激光束引导到所述粉末床处以由所述粉末颗粒形成零件，所述激光束使飞溅物颗粒由所述粉末颗粒形成；
第一气体入口通道，其被构造成在所述粉末床上面形成第一气流以夹带飞溅物颗粒来生成所夹带的飞溅物颗粒气流；
第二气体入口通道，其被定位在所述第一气体入口通道下方5和55 mm之间并且被构造成在所述粉末床上面形成第二气流；以及
出口通道，其被构造成排出所述所夹带的飞溅物颗粒气流，其中，所述第一气体入口通道、所述第二气体入口通道和所述出口通道被构造成夹带并排出至少85％的所述飞溅物颗粒。
8.根据权利要求7所述的基于粉末床的增材制造设备，其中，所述第一气体入口通道、所述第二气体入口通道和所述出口通道被构造成夹带并排出大于90%的所述飞溅物颗粒。
9. 根据权利要求7所述的基于粉末床的增材制造设备，其中，第二气体入口通道被定位在所述第一气体入口通道下方15和40 mm之间。
10. 根据权利要求7所述的基于粉末床的增材制造设备，其进一步包括第三气体入口通道，所述第三气体入口通道被定位在所述第一气体入口通道上方5和55 mm之间并且被构造成在所述基于粉末床的增材制造设备内形成第三气流。
11. 根据权利要求7所述的基于粉末床的增材制造设备，其中，所述出口通道包括被定位在所述构建板上方10和30 mm之间的下出口表面。
12.根据权利要求7所述的基于粉末床的增材制造设备，其中，所述构建板包括限定水平构建平面的顶表面，并且所述出口通道的所述下出口表面被定位在与所述水平构建平面大约相同的竖直位置处。
13. 根据权利要求12所述的基于粉末床的增材制造设备，其进一步包括第三气体入口通道，所述第三气体入口通道被定位在所述第一气体入口通道上方5和55 mm之间并且被构造成在所述基于粉末床的增材制造设备内形成第三气流。
14. 根据权利要求12所述的基于粉末床的增材制造设备，其中，所述第一气体入口通道具有沿着其长度定位的入口喷嘴的阵列，并且每个入口喷嘴的长度在大约50和120 mm之间。
15.一种选择性激光熔化设备，其包括：
构建板，其被构造成支撑包括粉末颗粒的粉末床；
激光组件，其适合于在所述选择性激光熔化设备内由所述粉末颗粒形成零件，所述激光组件使飞溅物排放物由所述粉末颗粒形成；
主要气体入口通道，其具有沿着其长度定位的入口喷嘴的阵列，其中，所述主要气体入口通道被构造成在所述粉末床上面形成气流以夹带飞溅物排放物来产生所夹带的排放物气流，并且每个入口喷嘴的长度在大约20和150 mm之间；以及
出口通道，其被构造成排出所述所夹带的排放物气流，其中，所述主要气体入口通道和所述出口通道被构造成夹带并排出超过85％的所述飞溅物颗粒。
16. 根据权利要求15所述的选择性激光熔化设备，其中，每个入口喷嘴的长度在大约50和120 mm之间。
17. 根据权利要求15所述的选择性激光熔化设备，其中，所述出口通道包括被定位在所述构建板上方0和10 mm之间的下出口表面。
18.根据权利要求15所述的选择性激光熔化设备，其进一步包括补充气体入口通道，所述补充气体入口通道被定位在所述主要气体入口通道下方并且具有沿着其长度定位的入口喷嘴的补充阵列，其中，所述补充气体入口通道被构造成在所述选择性激光熔化设备内形成补充气流。
19. 根据权利要求18所述的选择性激光熔化设备，其中，入口喷嘴的所述补充阵列中的每个入口喷嘴的长度在大约20和150 mm之间。
20.根据权利要求18所述的选择性激光熔化设备，其进一步包括第二补充气体入口通道，所述第二补充气体入口通道被定位在所述主要气体入口通道上方并且具有沿着其长度定位的入口喷嘴的第二补充阵列，其中，所述补充气体入口通道被构造成在所述选择性激光熔化设备内形成第二补充气流。
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