CN113165073A - 用于增材制造设备的制造室 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于增材制造设备的制造室，其在壳体中包括：‑工作面；‑制造平台，其用于沉积增材制造材料层并用于支撑正在制造的部件，‑回路，其用于使惰性气体流在所述制造平台的上方循环，其特征在于，所述壳体和/或所述工作面包括用于气体流的入口，所述工作面包括上游斜道，所述上游斜道通过具有圆拱形轮廓的表面连接至所述工作面的设置有所述制造平台的区域，所述具有圆拱形轮廓的表面被构造为通过康达效应使气体流保持贴附至所述工作面。

Description

用于增材制造设备的制造室

技术领域

本发明涉及选择性增材制造的一般领域。

更具体地，其涉及用于增材制造设备的制造室。

背景技术

选择性增材制造包括通过在连续的粉末材料(金属粉末、陶瓷粉末等)层中固结所选择的区域来制造三维物体。经固结的区域对应于三维物体的连续横截面。固结例如通过使用固结源(高功率激光束、电子束或其它)进行的全部或部分选择性熔合而逐层发生。

通常，增材制造设备在固定的制造室中包括：

-可垂直移动的平台，在所述平台上连续沉积不同的增材制造粉末层，

-一个或多个能量束源，其受控用于选择性地扫描粉末床，

-粉末供应存储器，

-诸如刮刀或辊的工具，其在粉末床上平移移动以铺展粉末。

通常，在可移动平台的上方提供惰性气体流，用于排出因粉末的熔合而产生的烟气和喷溅物。所述惰性气体流可防止烟气和喷溅物干扰能量束。所述流还有助于防止这些烟气和喷溅物污染或阻塞供能量束进入制造室的窗口。

然而，迄今为止为这种烟气排放机构提出的构造并不完全令人满意。

发明内容

本发明的一个目的是克服现有技术中已知的增材制造室的缺点，特别是对于大尺寸的平台。

特别地，本发明提出这样一种解决方案，其用于排出因粉末的熔合而产生的烟气和喷溅物，同时尽可能地不干扰层中沉积的粉末。

因此，本发明提出一种用于增材制造设备的制造室，其在壳体中包括：

-工作面；

-制造平台，其用于沉积增材制造材料层并用于支撑正在制造的部件，所述平台随着增材制造粉末层的沉积和熔合的进行而相对于所述工作面以垂直平移的方式移动，

-回路，其用于使惰性气体流在所述制造平台的上方循环，

其特征在于，所述壳体和/或工作面包括用于气体流的入口，该入口的几何形状使得气体流能够被注入到所述壳体中，

所述工作面包括相对于气体流的循环方向在所述制造平台上游的上游斜道，所述上游斜道通过具有圆拱形轮廓的表面连接至所述工作面的设置有所述制造平台的区域，

并且具有圆拱形轮廓的表面被构造为通过康达效应使气体流贴附在所述工作面的上方，所述气体流因此优选地以层流的形式在所述工作面的上方循环。

这种构造可以确保惰性气体在制造平台和工作面的上方循环，优选地以层流的方式循环。

这样确保金属蒸汽和任何喷溅物被无湍流的切向流排出，从而防止将已经就位的粉末吹走。

这种构造还有利地补充有单独或以任何技术上可行的组合考虑的以下不同特征：

-入口将气体流切向地引导至上游斜道；

-入口为沿着与气体流的循环方向垂直的主方向延伸的狭缝；

-入口的狭缝至少在壳体内的制造平台的宽度上延伸；

-具有圆拱形轮廓的表面具有恒定的曲率半径；

-入口的一部分包括布置在壳体的侧壁中的切口；

-具有圆拱形轮廓的表面具有在300mm和1700mm之间，例如等于1500mm的曲率半径；

-具有圆拱形轮廓的表面具有不同的曲率半径或变化的曲率半径，其变化符合指定的函数；

-上游斜道相对于平台的平面以在10°和90°之间，例如在15°和25°之间，例如等于20°的角度倾斜；

-壳体和/或工作面包括在平台下游的牵引气体流通过的出口；

-在制造平台的下游，工作面的表面平行于制造平台的表面，直至出口；

-工作面包括相对于气体流的循环方向在制造平台下游的下游斜道，所述下游斜道通过具有圆拱形轮廓的表面连接至工作面的设置有制造平台的区域，并且出口被构造为将气体流切向地牵引至所述下游斜道。

本发明还涉及一种包括上述类型的制造室的增材制造设备。

附图说明

本发明的其它特征和优点将通过以下纯说明性和非限制性的描述变得更加明显，所述描述应当参考附图来理解，其中：

-图1为根据本发明的增材制造设备的示意图；

-图2为根据本发明实施方案的制造室的示意图；

-图3为根据图2中实施方案的制造室的横截面图；

-图4为根据本发明另一实施方案的制造室的示意图；

-图5为绘制有图2所示类型的制造室中气体流的速度的图。

具体实施方式

一般设置

参考图1，增材制造设备10包括制造室20。

以常规的方式，制造室20包括由工作面40、侧壁32和顶盖31限定的壳体30，所述侧壁32环绕所述工作面40，所述顶盖31闭合所述壳体30并同时允许能量束通过。壁32和盖31例如由金属制成。工作面40例如由金属制成。

制造室20还包括制造平台50，所述制造平台50用于接收各个连续的增材制造粉末层并且在部件的制造过程中支撑部件。

该平台50的工作表面具有适合增材制造的平坦度和表面状态特性。优选地，平台50还具有能够支撑重达数十公斤或甚至数百公斤的部件的机械强度特性。因此，平台50可以例如由金属制成。

该平台50位于工作面40的中央区域42中，所述中央区域42具有平坦的表面。

通常，该中央区域42的长度可以超过一米(例如，约1300毫米)。

在整个加工中，粉末沉积和熔合平面与该中央区域42的平面重合。

为此，随着增材制造粉末层的沉积和熔合的进行，平台50相对于工作面40进行平移移动。

特别地，在一个实施方案中，随着增材制造粉末层的沉积和熔合的进行，平台50下降，而工作面40保持静止。

在一个变体形式中，工作面40可以与壳体30一起移动，而平台50保持静止。

制造平台50的形状可以为圆形、矩形、正方形、三角形等。在圆形形状的情况下，其直径例如为约1200毫米。

制造室20进一步包括在工作面40和平台50上方移动的滑架60。

通过位于工作面40上方的粉末分配装置(其可以为滑阀或注射器)或粉末存储器将粉末置于或沉积在滑架60的前面。然后可以使用滑架60在制造区域51、平台50或前一粉末层上分配粉末，以制造部件。

滑架60可以例如包括刮刀或辊。

制造室20进一步包括用于熔合增材制造粉末的能量供应构件70。能量供应构件70可以例如为激光束源、电子束源等。

气体入口/气体出口

在本说明书的剩余部分中，将参考直角参考系XYZ。平面XY平行于工作面40的中央区域42的表面，X轴形成横向轴，Y轴形成与工作面40的长度平行的纵向轴，Z轴为竖直轴。

如图2所示，气体(优选惰性气体)在平行于Y轴的区域42的上方循环。

为此目的，壳体30包括气体入口21和气体出口22。在壳体30的外部还设有回路(未示出)和不同的装备件以使气体循环(例如管道、循环泵和过滤器)。

惰性气体例如为基于氮气的气体、钝气(氦气、氖气、氩气、氪气、氙气或氡气)、或这些气体中的一些气体的混合物。

入口21和出口22例如为在工作面40的附近穿过壁32形成的开口(尤其是平行于X轴的狭缝)。

它们也可以穿过工作面40形成，并且通向壳体30内紧邻壁32的区域。

它们有利地至少在壳体30内的平台50的横向宽度上延伸，并且优选地在超过平台50的横向宽度上延伸。

这样的比例使得能够最佳地覆盖平台50的整个表面，因此最佳地排出由粉末的熔合产生的烟气和喷溅物。

特别地，形成入口21的开口的几何形状使得气体流优选地以层流的形式注入到壳体中。

滑架60可以垂直于所述流或以另一方向设置。如果滑架60如图1所示垂直于所述流设置，则可以沿着壳体的侧壁32设置滑架的退回位置。在这样的退回位置下，滑架位于入口21或出口22上方并且不干扰所述流。

为了避免干扰所述流，滑架60也可以平行于所述流设置。

工作平台40包括在中央区域42上游的上游斜道41，惰性气体入口21通向紧邻所述上游斜道41的区域。

贯穿本文，术语“上游”和“下游”是参考气体流的方向来限定的。

入口21具有将气体流引导到上游斜道41上(优选切向地引导至上游斜道41)的几何形状。

在一个变体形式中，入口21的几何形状以一定的入射角将气体流引导到上游斜道41。

在上游斜道41的与入口21相对的端部，上游斜道41终止于连接区域41a，所述连接区域具有圆拱形几何形状并与中央区域42的表面形成接合。

在图3中更特别示出的实施方案中，工作面40的上游斜道41相对于平面XY以在10°和90°之间，例如在15°和25°之间的角度α倾斜。角度α例如等于20°。

圆形连接区域41a的曲率半径R1可以在300mm和1700mm之间。其优选地在1400mm和1600mm之间，例如等于1500mm。

圆形连接区域41a也可以具有不同的曲率半径或变化的曲率半径，其变化符合指定的函数。

通过入口斜道和圆形连接区域的这种构造，通过入口21沿着上游斜道41引导的气体流经受康达效应。

当入口21将气体流切向地引导到上游斜道41上时，康达效应得到改善。

应回顾的是，康达效应是流体射流被拱形表面吸引，在所述拱形表面上方流过。

由于圆形连接区域41a的圆拱形形状，气体流被吸引并且在Y轴方向上沿着区域42贴附。

这使得能够在中央区域42上方保持均匀的层流，特别是当平台50和工作面40具有超过400mm的较大长度和宽度时。

由于没有湍流，已经就位的粉末不会被吹走，而由于金属熔合而悬浮的蒸汽和杂质被气体流带走。

如在图2和图3中所示，还可以在区域42的下游设置相对于水平面XY倾斜的下游斜道43。

所述下游斜道43的倾斜角度的绝对值可以与上游斜道41的倾斜角度α相同。它也可以与其不同。

该倾斜角度例如在10°和90°之间，或者优选地在15°和25°之间，并且例如等于20°。

另外，工作面40的中央区域42和下游斜道43通过圆形连接区域43a连接，所述圆形连接区域43a的曲率半径R2可以是恒定的或变化的，并且在300mm和1700mm之间，优选地在1400mm和1600mm之间，例如等于1500mm。

连接工作面40的中央区域42和下游斜道43的圆形连接区域43a也可以具有不同的曲率半径，或者变化的曲率半径，其变化符合指定的函数。

这种具有拱形轮廓的构造使得气体流能够被牵引，同时由于康达效应而保持为层流。

这使得能够朝向气体出口22排出最大量的烟气。

出口22的几何形状优选使得气体流能够被切向地牵引至下游斜道43，从而进一步确保不存在干扰。

还如图所示，上游斜道41和下游斜道43由外表面和内表面(相对于壳体30)以及侧壁32的与斜道相邻的下表面界定，从而使得分别容纳流入流/流出流。

其它变体实施方案是可能的。特别地，如在图4中所示，工作面40可以不具有下游斜道。在该实施例中，中央部分42由下游区域43延长，所述下游区域43的表面与所述中央部分42的表面在同一平面中。出口22平行于该平面进行牵引。

因此，流在中央区域42的表面的延续部分中循环而不受干扰。

还如图所示，入口21的一部分可以包括布置在壳体30的侧壁32中的切口80。该切口80使得入口21的横截面能够在斜道41上方扩大。所述切口80可以用于防止气体流贴附到界定上游斜道41的侧壁32下表面和内表面，从而保持气体流在上游斜道41与工作面40之间的康达效应。

图5示出工作面40上方的气体流的模拟。

从该图中可以看出，气体流在工作面40的上游斜道41和中央部分42处保持层流。

气体流在区域42的整个长度上具有相对恒定的速度。

还可以观察到，在粉末床的附近(距床约1mm)存在“边界层”，其中在粉末高度处的流速实际上为零。流速也随着高度(从几毫米向上)迅速增加达到气体流的标称速度。这样的条件非常适合于带走最大量的烟气而又不损坏粉末床。

例如，紧邻制造平台表面循环的气体流的速度在约1.220m/s和约1.525m/s之间。

而且，例如，在距制造平台表面几毫米处循环的气体流的速度在约1.525m/s和约2.135m/s之间。

Claims (14)

1.一种用于增材制造设备(10)的制造室(20)，其包括壳体(30)并且在所述壳体(30)中包括：

-工作面(40)；

-制造平台(50)，其用于沉积增材制造材料层并用于支撑正在制造的部件，所述平台随着增材制造粉末层的沉积和熔合的进行而相对于所述工作面(40)进行平移移动，

-回路，其用于使气体流在所述制造平台(50)的上方循环，

其特征在于，所述壳体(30)和/或所述工作面(40)包括用于气体流的入口，该入口的几何形状使得气体流能够被注入到所述壳体中，

所述工作面(40)包括相对于气体流的循环方向在所述制造平台(50)上游的上游斜道(41)，所述上游斜道(41)通过具有圆拱形轮廓的表面连接至所述工作面(40)的设置有所述制造平台的区域，

所述入口将气体流引导到所述上游斜道上；

并且具有圆拱形轮廓的表面被构造为通过康达效应使气体流贴附在所述工作面(40)的上方，所述气体流因此优选地以层流的形式在所述制造平台(50)的上方循环。

2.根据权利要求1所述的制造室(20)，其特征在于，所述入口为沿着与气体流的循环方向垂直的主方向延伸的狭缝。

3.根据权利要求2所述的制造室(20)，其中，所述入口(21)的狭缝至少在所述壳体(30)内的制造平台的宽度上延伸。

4.根据前述权利要求中任一项所述的制造室(20)，其中，所述入口(21)将气体流切向地引导至所述上游斜道(41)。

5.根据前述权利要求中任一项所述的制造室(20)，其中，所述入口(21)的一部分包括布置在所述壳体(30)的侧壁(32)中的切口(80)。

6.根据前述权利要求中任一项所述的制造室(20)，其特征在于，具有圆拱形轮廓的表面具有在300mm和1700mm之间，例如等于1500mm的曲率半径。

7.根据前述权利要求中任一项所述的制造室(20)，其特征在于，具有圆拱形轮廓的表面具有恒定的曲率半径。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的制造室(20)，其中，具有圆拱形轮廓的表面具有不同的曲率半径或变化的曲率半径，所述曲率半径的变化符合指定的函数。

9.根据前述权利要求中任一项所述的制造室(20)，其特征在于，所述上游斜道(41)相对于平台(50)的平面以在10°和90°之间，例如在15°和25°之间，例如等于20°的角度倾斜。

10.根据前述权利要求中任一项所述的制造室(20)，其特征在于，所述壳体(30)和/或所述工作面(40)包括在平台(50)下游的牵引气体流通过的出口。

11.根据权利要求10所述的制造室(20)，其特征在于，在所述制造平台(50)的下游，所述工作面(40)的表面平行于所述制造平台的表面，直至所述出口。

12.根据权利要求10所述的制造室(20)，其特征在于，所述工作面(40)包括相对于气体流的循环方向在所述制造平台(50)下游的下游斜道(43)，所述下游斜道(43)通过具有圆拱形轮廓的表面连接至所述工作面(40)的设置有所述制造平台的区域。

13.根据权利要求12所述的制造室(20)，其特征在于，所述出口被构造为将气体流切向地牵引至所述下游斜道(43)。

14.一种增材制造设备(10)，其包括根据前述权利要求中任一项所述的制造室(20)。

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