CN113441736B - 提升增材制造工艺粉末利用效率的粉体系统装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及提升增材制造工艺粉末利用效率的粉体系统装置和方法，包括用于粉末的空间可移动的铺粉装置(20)、用于提供粉末的粉体系统(35)和用于至少控制铺粉装置(20)和粉体系统(35)的控制单元(50)，其中粉体系统(35)至少包括第一粉料容器(36)和第二粉料容器(39)。它们各自被设置为交替地各自充当一个临时粉料供应容器(33)和一个临时粉料溢流容器(38)。

Description

提升增材制造工艺粉末利用效率的粉体系统装置和方法

技术领域

本发明涉及一种用粉体系统通过增材制造技术的设备，以及使用这种设备成型复杂结构工件的加工方法。

背景技术

增材制造技术，即3D打印，通过使用粉末为原材料构建复杂结构工件。粉体材料通过高能的光束聚焦融化，并再次凝固成型，从而获得指定的空间构型。已知的金属增材制造工艺有激光粉床熔融技术（LPBF）、电子束熔融技术或选择性激光烧结技术。在LPBF工艺中，待加工材料以粉末形式由设备铺粉系统在基板平台上进行薄层沉积。粉末材料在激光聚焦熔融下实现局部完全熔融、凝固，形成近二维的固体构型。然后基板平台按指定层厚(通常为20 - 100 µm)进行下沉降低，并再次从由铺粉系统进行铺粉和重复熔融。整个加工过程重复进行，直到整体部件完成逐层加工。

然而，在粉体材料的加工过程中，粉体材料的使用效率是一个关键性问题。在现有技术中，已知有两个容器，其中在第一个容器中是原始粉末，在第二个容器中是基板平台和要制造的部件的所在位置。第一个容器的移动式粉体输送装置将粉体输送到加工平面，铺粉装置将粉末材料从第一容器位置移动到第二容器，实现铺粉过程。而多余的粉末会进一步收集到粉体溢流容器中。溢流容器中多余的粉末在增材制造过程结束时从设备系统中取出，经过粉筛过程，将部分不合格粉末移除，剩余部分作为下一次加工过程的原材料重复使用。

这种粉末使用方法的缺点是效率低下，大量粉末不能用于生产。在加工结束后，要将多余的粉末回收，粉筛，去除，再利用，增加了加工成本。

因此，如果能在制造过程中更有效地提高粉末使用率，从而减少整体粉末的使用量和/或更快地进行生产制造，将是具有实际经济效益的。

发明内容

发明目的：

本发明的一个目的是提供一种设备，该设备能够在增材制造工艺过程中更有效地使用粉末，以便消耗更少的粉末和/或制造过程能够更快地进行。

技术方案：

为实现该目的，本发明通过一种用于复杂结构工件增材制造成型的设备系统来解决，该设备系统包括空间可移动的铺粉装置、用于提供粉末的粉体系统和至少用于控制铺粉装置和粉体系统的控制单元。铺粉装置，用于将一个或多个粉末层在加工平面上涂抹到基板平台或涂抹到前一次由系统处理过的粉末层。粉体系统包括至少一个第一粉料容器和一个第二粉料容器，分别作为临时粉料供应容器和临时的粉料溢流容器，后者用于回收涂抹后超出在第一和第二粉料容器之间基板平台上的多余粉末。控制单元被设置为可以在第一粉料容器和第二粉料容器之间往返精确移动铺粉装置，实现从作为粉料供应的第一粉料容器，到基板平台，再到作为粉料溢流的第二粉料容器的定向移动，并在当前位置以相反的方向从交替后的，当前作为粉料供给的第二粉料容器，通过基板平台，到当前作为粉料溢流的第一粉料容器来移动铺粉装置。从而实现将多余的粉末在一次铺粉过程后立即再用于下一次铺粉。因此，根据本发明的系统能够在增材制造过程中更有效地使用粉末，从而消耗更少的粉末和/或更快地进行制造过程。

增材制造工艺是指将材料逐层布置在制造设备上，逐层加工，最终成型出三维结构的部件（即3D打印）。由一种或多种液体或固体材料按照指定的二维尺寸和形状，在计算机控制下通过特定能量源对材料的定点加工处理，进行逐层堆积。在堆积过程中会发生物理或化学硬化或熔化过程。3D打印的典型材料是塑料、树脂、陶瓷和金属。碳和石墨材料也可以用于3D打印。面向工业领域的金属结构部件，定向熔融技术和相关的设备系统适用性更高，包括激光粉床熔融（也称为选择性激光熔融）、电子束熔融技术和选择性激光烧结技术。

所谓 "复杂结构工件"，是指以三维结构为主，在任何应用场景下的部件。例如，可适用于塑料注塑模具、航空零部件、特种模具等。所谓 "复杂结构"，不仅包括成品部件，还包括生产过程中未完成的部件，例如加工过程中部件在粉床内部发生形变而生产的复杂结构工件。

一种 "铺粉装置 "是一种适合于将粉末涂抹到基板平台上的装置系统。铺粉装置被配置为可相对于设备进行空间移动，以将粉末从一个位置(例如，粉料容器)输送和涂抹到另一个位置(例如，基板平台)。在下面的段落中阐述了铺粉装置的各种实施例。

所谓 "粉末"是指待加工的物料，以粉末状态使用。例如，该粉末可以主要由金属或聚合物制成的材料组成。在生产过程中，粉末是逐层地涂抹在基板平台上。铺粉装置每涂抹一次，"粉末层"被涂抹到基板平台(第一层)或已经用设备系统涂抹过的上一层粉末层上。所应用的粉末层通常具有例如10微米或优选<20微米的层厚。因此，"粉层"可以理解为包括已经被设备系统处理的所有粉层的组成，可以被定义为粉床。理论上，在被设备系统加工成型之前(例如，通过激光加工处理)，还可以涂抹"多层粉末"。粉末可主要由同一材料的粉末颗粒组成。但是，也可以是混合粉末材料。粉末的大小、形状和颗粒分布上可能有所不同。这种粉末的不均匀性主要是由粉末材料的生产和/或后处理（如筛分）造成的。特别细小的和/或异形结构的粉末颗粒容易相互结块。

一种 "粉料容器 "适合于储存和输送粉末。粉料容器的形状是可变的。优选地，粉料容器为圆柱形。这样做的好处是，可以用标准的密封元件将容器和与之接触的墙体密封，制造简单，成本低廉。但是，粉料容器不一定是圆柱形的。粉末容器还可以具有其他适合于储存粉末的几何形状(如立方体、圆角立方体、四面体)。另外，粉料容器还可以设置有把手，以方便使用，如开拆卸的安装系统。粉料容器可以由轻金属如铝合金材料形成。这样做的好处是可以把容器做得更轻。

粉料容器可以包括(至少第一和至少第二)一个可移动的粉料输送单元，该装置在控制单元的控制下，根据各粉料容器的运行情况，作为临时粉料供应容器或粉料溢流容器上下移动。当可移动的粉料输送单元上移时，提供一定数量的粉末供给，所以此时粉料容器作为粉料供应容器。当可移动的粉料输送单元向下移动时，容器空间被扩大，从而可以接收多余的粉料。从这个意义上说，粉料容器此时是作为粉料溢流容器使用。这样就不需要额外的粉料容器来盛放多余的粉末。否则，在每一次加工结束后，必须将额外的的粉料容器从设备中移出，回收多余粉末并重新安装粉料容器。

“基板平台 ”是指用于放置待加工部件的构建平台。基板平台设计为可相对于设备进行空间移动。例如，将已经通过铺粉装置涂抹过后的粉末层向下移动(降低)，则能够进一步实现后续粉末层的在加工平面上的涂抹。基板平台通常设计为在封闭的单元内密封移动。该封闭单元可以是一个容器，其中该容器可以设计成例如圆柱体的形式。此容器可以与此发明中的粉料容器进行类比设计，其中基板平台可以类比配置为此发明的可移动的粉料输送单元。但是，理论上基板平台也可以在空间上自由排列设计。

在此发明的一个实施例中，基板平台可以在控制单元的控制下，在每次铺粉结束之后进行下沉处理。这样，铺粉装置就可以对基板平台进行再一次铺粉。

在此发明的一个实施例中，可以在第一粉料容器中提供第一材料，额外的在第二粉料容器中提供第二材料。在一个具体实施例中，第一材料可以与第二材料相同。这是传统的情况。在另一个实施例中，第一材料可以不同于第二材料。这样，就可以对设备系统进行原位的多材料加工。通过控制单元的控制，利用至少两个粉料容器，可以使不同物料之间的混合比例灵活掌握。该实施例的优点是，可以对不同粉末材料之间的层键结合的机理进行探索研究。此外，该实施例还有一个优点，即可以将韧性材料与脆性材料进行冶金结合，形成层，以发挥两种材料的优点。

在另一个实施例中，输送到粉料供应容器加工平面上方待输送的粉末数量可以与即将涂抹于基板平台上的粉末层的层厚进行系数适配，适配系数大于或等于1.2，或是系数2，尤其优选系数3或4。为了使第二个粉料容器能有效地用作为粉料溢流容器，容器中必须有足够的空间。传统上，为了保障足够的粉末均匀的涂抹在基板平台上方以及基板平台边缘缝隙落下的粉末，适配系数一般选在指定加工层厚的1.2倍。但在加工过程中，复杂结构工件在局部位置被熔化，造成一定的"山谷"。根据部件几何形状的不同，这些山谷可能相对较大，因此1.2倍的粉末量不足以填满山谷和加工所需的粉末层厚度。另外，局部地区因为需要暴露的面积更大，可能需要更多的粉末。因此，提供更多待输送的粉末数量，如2、3或4倍的粉量是有利的。然而，这只是对根据本发明的设备有利，因为根据本发明的设备可以在生产过程中重复使用多余的粉末，即可交替的把上一层的粉料溢流容器作为下一层的粉料供应容器。在传统的现有粉体系统中，多余的粉末不能重复在加工过程中得到利用，而实从加工平面边缘落下和/或被储存在额外的容器中，直到加工结束被回收。

为了获得高质量的部件（复杂结构工件），涂抹的粉层应特别平整光滑。因此，在此发明一个实施例中，根据本发明的铺粉系统可以包括一个激励单元，该激励单元提供的目的是在扑粉过程中，将粉末颗粒相互之间和/或与已经用设备涂抹过的粉层之间的团簇和/或粘连进行打散，从而铺粉系统可以将光滑的粉末层涂抹到基板平台和/或前一个粉末层上。

“激励刺激”是激励单元发出的可以用来打破粉末颗粒之间的团簇和/或粘连现象，以消除粉末结块。在铺粉过程中，最好是间歇性地使用激励单元产生的激励刺激，以破坏颗粒相互之间和/或与已经用设备涂抹过的粉层之间的团簇和/或粘连。激励单元可进一步仅用于平滑一层粉末，而不发生任何涂抹过程。激励单元的激励可以是振动，但不限于振动，也可以通过例如温度的变化来进行激励。

在一个实施例中，激励单元可以包括振动单元，该振动单元通过振动可以有效地破散粉末颗粒之间的团簇和/或粘连现象。振动可以通过气动和/或电磁和/或超声波产生。在使用该单元时，可以借助气体，如氩气进行气动激励。带气动激励的振动单元的优点是体积小、结构紧凑，可以集成到铺粉装置内部，不需要过度增加体积和重量，也不需要很多额外的部件。气动激励的缺点是铺粉速度相对较低(约20mm/s)，粉层的平滑效果比超声激励差。气动激励的频率可以是200Hz左右。电磁激励的优点是不需要气体。电磁激励在技术上也很简单，可以实现。但它有一个缺点，就是不适合所有的金属，例如不适合具有铁磁性的金属。用超声波进行激励刺激，在铺粉速度上有明显优势，可以达到200mm/s以上。超声波的频率可以是例如35 kHz，这适用于粒径尺寸为2 µm（平均直径）的粉末颗粒。超声激励的铺粉平滑效果特别好。振动单元可以适合于产生单一的上述振动和/或这几类振动的组合。激励单元的激发作用发生在基板平台的上方(即粉末层上方)，以便至少激发已经涂抹过的粉末层的最上层粉末。激励还应具有至少一个频率。在一个实施例中，激励的频率与设备的谐振频率不重合。这样可以防止设备因产生谐振而损坏。在另一个实施例中，振荡的频率可以具有与粉末的晶粒尺寸相关的波长和/或与铺粉装置沿铺粉方向的移动速度相关的波长。在这种情况下，振荡的幅度与频率相关，因而也与铺粉装置的铺粉速度相关，因此，单个颗粒的大小与振荡的幅度对应。这样做的好处是可以在不损失质量的情况下提高铺粉速度。因此，通过本实施例可以提高制造效率和生产产量。在一个具体的实施例中，激励的频率可以在40Hz到100kHz之间。这样做的好处是可以特别有效地应用在颗粒尺寸小于20微米的粉末上。

在一个实施例中，本发明设备系统的激励单元可以相对于粉末层和/或基板平台是静止的。这可能提供结构上的优势，例如当激励单元连接到或集成到基板平台时，可以通过振动基板平台来实现激励刺激。但是，该实施例的缺点是，待加工的部件高度越高，振动激励的效果就越小。这是因为在振动基板平台时，基板平台随着加工过程逐渐下沉，上部空间粉层逐渐增加，粉末层将减缓激励效果。另外，技术实现的难度在于，粉末可能会因为震动而从基板平台的侧边流下。因此，在另一个实施例中，激励单元可以相对于粉末层和/或基底平台进行空间移动。该实施例的优点是，对粉层的激励强度不受加工工件结构复杂程度和尺寸高度的影响。另外，该实施例还允许，例如，铺粉装置可以包括激励单元。因此，可以采用紧凑的构造设计。

在一个实施例中，铺粉装置可以包括根据上述实施例中的激励单元。

在一个实施例中，铺粉装置还包括平滑工具。平滑工具用于对涂抹的粉末层和/或已经用该装置处理的粉末层进行物理平滑。平滑工具可以包括研磨单元、硅脂、塑料棒、刷子或金属条。硅胶特别适合低频激励，因为它非常柔软。塑料棒也有类似的优点。而刷子则很适合不稳定的过程。当工艺已经稳定运行的情况下，金属条非常适合。在一个有利的实施例中，研磨单元包括具有一定硬度的材料，该材料适合于超声波研磨和/或抛光。优选地，研磨单元可以是传统的研磨石。研磨单元中材料自身的硬度特殊性和高稳定性，特别适合应用于超声波等高频范围的激励。而且，可以以低成本获得用于物理研磨的传统磨石。研磨单元可由陶瓷制成。此外，研磨单元也可以由氧化铝或金刚石制成。

由于粉末颗粒的不均匀，粉末层的平滑性控制难度高。在一个实施例中，如果所使用的粉末至少一部分具有团聚和/或异形结构的特性，则本发明的设备装置也适用于抹平粉末层。特别是粒径<20微米的细小粉粒容易结块。因此，本发明的设备系统特别适用于粒径<20微米的粉末，其中优选的至少一部分粉末的粒径<2微米。非球形的粉粒和/或有角和峰的粉粒("异形散粒")具有散粒特性。异形散粒在粒径不特别小的情况下，也容易结块。例如，可以根据EN ISO 14688确定粉粒的粒度。

在一个实施例中，根据本发明的设备系统可以包括减震单元，该减震单元被配置为减少激励向激励单元外部的设备部件的传输。该减震单元的优点是特别能减缓激励单元在不利方向的振动，从而保护整体设备系统。特别是，设备的轴对激励单元产生的激励，如振动,十分敏感。如果激励单元集成在铺粉装置中，那么在粉层上方相对于铺粉装置运动轴线方向上对振动激励进行有效抑制就显得尤为重要。铺粉装置可以由支架固定在导轨上，以进行铺粉过程的规则运动，此时，当激励单元布置在铺粉装置中的情况下，支架可设计为减震单元或其一部分。支架可以用软质材料制成，能很好地吸收振动激励。因此，除了稳定和支撑铺粉装置外，支架还可以具有减震的功能。减震单元对设备的保护和延长设备使用寿命是有利的。

在一个实施例中，本发明的设备系统可以被配置以满足选择性激光熔融技术或/和电子束熔融技术。特别是在这些工艺中，使用了不同粒径和形状的粉末。这包括小粒径和/或异形结构的粉末。光滑的粉层表面对加工部件（复杂结构工件）的成型质量特别有利。

本发明还阐述了针对复杂结构工件的增材制造成型的粉末效率优化方法，该方法包括用于粉末的空间可移动的铺粉装置、用于提供粉末的粉体系统和用于控制至少铺粉装置和粉体系统的控制单元。其中粉体系统至少包括第一粉料容器和第二粉料容器，包括以下步骤： 由第一粉料容器和第二粉料容器分别交替地提供临时粉料供应容器和临时粉料溢流容器；由控制单元将铺粉装置从当前的粉料供应容器向当前的粉料溢流容器移动；通过粉料供应容器提供的粉料，在加工平面上将一个或多个粉料层涂抹到基板平台上或是已经用设备涂抹过的粉末层上，基板平台位于粉料供应容器和粉料溢流容器之间；将完成基板平台铺粉过程之后多余的粉末回收到当前的粉料溢流容器内；铺粉装置从当前新的粉料供应容器（前粉料溢流容器）反方向移动到现在作为粉料溢流容器的前粉料供应容器，实现再次铺粉以及余粉收集。

在此，根据本发明的方法能够在增材制造成型过程中更有效地利用粉末，从而消耗更少的粉末和/或能够更快地进行生产制造过程。

根据本发明的方法的所有特征与根据本发明的设备系统的特征相关联，应至少具有相应的优点。

在另一个实施例中，本发明的方法可以包括进一步的步骤，即在铺粉装置完成每个铺粉过程之后，由控制单元将基板平台降低一个指定的粉末层厚度。在光束熔融过程中，复杂结构工件由此可以在基板平台逐层下降的过程中，一步步构建成型。

在另一个实施例中，本发明的方法可以包括进一步的步骤，即在铺粉过程中，通过激励单元打破粉末颗粒之间和/或与已经用设备涂抹过的粉层之间的粘连，从而铺粉装置可以将光滑的粉末层涂抹到基板平台和/或前一个粉末层上。

在一个有利的实施例中，可以重复上述步骤，直到完成复杂结构工件的最终成型。

即便上文未详尽地说明，本发明的上述特征也可以尽可能地互相组合。

附图说明

图1 a)示出了根据本发明设备系统的一个实施例示意图，其中包括粉体系统35、铺粉装置20和控制单元50；以及b)示出了图a)的详细视图。

图2 示出了根据本发明的铺粉装置20与激励单元40的一个实施例。

图3 示出了本发明设备系统加工工艺的一个实施例。

图4 示出了本发明设备系统加工工艺的一个实施例。

图 5a)示出了本发明设备系统提及的粉体系统35的一个实施例和b)示出了本发明设备系统10的一个实施例。

具体实施方式

下面参考图1至5详细地、不预判地、尤其是非限制性地说明本发明的实施例。只要未另作说明，相同的元件就设有一致的附图标记。

图1 a)和b)显示了根据本发明介绍的、适用于复杂结构工件增材制造工艺技术的设备系统10，包括用于粉末的空间可移动的铺粉装置20，用于提供粉末的粉体系统35，以及用于至少控制铺粉装置20和粉体系统35的控制单元50。

铺粉装置20用于在加工平面15上将一层或多层粉末输送到基板平台16，或输送到已经处理过的粉末层上。

粉体系统35至少包括第一粉料容器36和第二粉料容器39，它们互相交替设置，作为加工过程中粉料供应容器3来供应要输送的粉料，或者作为临时粉料溢流容器38来储存在每一次铺粉过程之后处于第一和第二粉料容器36、39之间的基板平台16上的多余粉料。

控制单元50被设计成可以移动铺粉装置20从作为粉料供应容器33的第一粉料容器36，经过中间的基板平台16，抵达作为粉料溢流容器38的第二粉料容器39；并从那里，以相反的方向，将铺粉装置20从现在作为粉料供应容器33的第二粉料容器39，经过中间的基板平台16，向现在作为粉料溢流容器38的第一粉粉料容器36移动。

第一粉料容器36和第二粉料容器39可以各自包括一个可移动的粉料输送单元37，该移动的粉料输送单元37在控制单元50的控制下，根据各自的第一粉料容器36和第二粉料容器39作为临时粉料供应容器33或粉料溢流容器38的当下状态进行向上或向下的移动(箭头方向)。

基板平台16可以在控制单元50的控制下，在经过每一次铺粉过程后逐次向下移动。只有在部件制造完毕后，再将基板平台16上移，以进行后续处理和重新开始下一次制造过程。位于粉料容器36、39加工平面15以上、待输送的粉末数量可以与即将涂抹于基板平台16上的粉末层的层厚进行系数适配，适配系数大于或等于1.2，或是系数2，尤其优选系数3或4。

图2显示了本发明铺粉装置20的一个实施例，它包括激励单元40。激励单元40的设置是为了将粉末颗粒相互之间和/或与已经用设备涂抹过的粉层之间的团簇和/或粘连进行打散操作，从而使铺粉装置20能够将光滑的粉层涂抹到基板平台16和/或之前的粉层上。

在本实施例中，本发明设备系统10的铺粉装置20配置如下(从上到下)：铺粉装置20包括支架23，该支架23被固定在导轨上以实现铺粉装置20的规则移动。由于在本实施例中激励单元40被布置在铺粉装置20内，因此支架23可以全部或部分被置换为减震单元22。此外，本实施例包括减震单元22，该减震单元22用于减少或消除由激励单元40向外部其他部件的激励传输。减震单元22可以布置在激励单元40的至少两个侧面上，以减缓振动并联通平滑工具支架24和另一个支架23或减震单元22上。支架23被设置为将铺粉装置20固定在导轨上，以执行铺粉装置20的规定运动，其中优选地，该支架23被设计为减震单元22或其一部分。减震单元22还被配置为将支架23连接到激励单元40。

铺粉装置20包括激励单元40，其中激励单元40相对于粉床和/或基板平台16可进行空间移动地布置。激励单元40可以包括振动单元，该振动单元利用振动来破坏粉末颗粒彼此之间的粘附。激励单元40可以安装在平滑工具支架24的上方，并与之连接。所示的实施例包括平滑工具21，其可以是研磨单元、硅脂、塑料棒、刷子和/或金属条。

研磨单元的材料应具有一定的硬度，适合于超声波研磨和/或抛光，更优选的研磨单元是传统的磨石。例如，研磨单元可以由陶瓷制成。铺粉装置20将一层或多层粉末涂抹到基板平台16上(如果它是第一层)，否则涂抹到已经由设备涂抹过的粉末层32上，其中，由设备涂抹过的粉末层也包括在此之前已经成型的部件区域和/或结构。

图3显示了使用本发明装置的加工方法100，该方法通过根据本发明的设备系统10进行复杂结构工件的增材制造成型，该设备系统10包括用于粉末的空间可移动的铺粉装置20、用于提供粉末的粉体系统35和用于至少控制铺粉装置20和粉体系统35的控制单元50。粉体系统35至少包括第一粉料容器36和第二粉料容器39。

该方法100包括：供粉110，由第一粉料容器36和第二粉料容器39交替地各自充当一个临时粉料供应容器33和一个临时粉料溢流容器38。

位移控制120，通过控制单元50将铺粉装置20从当前粉料供应容器33向当前粉料溢流容器38移动。

铺粉130，使用由粉料供应容器33提供的粉末，在加工平面15上将一个或多个粉末层涂抹到基板平台16上或是已经用设备涂抹过的粉末层32上，基板平台16位于粉料供应容器33和粉料溢流容器38之间。

余粉收集140，将完成基板平台16铺粉过程之后的残余粉料34回收到当前的粉料溢流容器38内。

反向供粉150，铺粉装置20从当前新的粉料供应容器33（前粉料溢流容器38）反方向移动到现在作为粉料溢流容器38的前粉料供应容器33，实现再次铺粉以及余粉收集。

步骤110至150可以重复任何次数，直至加工过程停止或结束。

图4显示了根据图3所示的方法的另外一个实施例。该方法100还包括进一步的步骤，下沉160，即通过控制单元50将基板平台16向下位移，下降的高度为每一次铺粉装置20涂抹在基板平台16上的粉末层厚度。

此外，该方法100还包括进一步的步骤，破散170，即在铺粉过程中，通过激励单元40打破粉末颗粒之间和/或与已经用设备涂抹过的粉层之间的粘连，以使铺粉装置20能够在基板平台16和/或之前的粉层上进行光滑的粉层涂抹。

上述步骤可根据需要重复进行，直至加工过程停止或结束。

图5 a)展示了此发明粉体系统25的一个实施例，包括第一粉料容器36和第二粉料容器39，两者可以交替作为粉料供应容器33和粉料溢流容器38，还包括含有基板平台16(未示出)的容器，该粉体系统25集成在此发明的设备系统10中，以提高粉体的利用效率。

图5 b)为根据本发明的设备系统10的正视图。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的是让熟悉该技术领域的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此来限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作出的等同变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

附图序号注释:

10 本发明的设备系统

15 加工平面

16 基板平台

20 铺粉装置

21 平滑工具

22 减震单元

23 支架

24 平滑工具支架

25 铺粉方向

33 粉料供应容器

34 残余粉料

35 粉体系统

36 第一粉料容器

37 可移动的粉料输送单元

38 粉料溢流容器

39 第二粉料容器

40 激励单元

50 控制单元

100 本发明操作方法

110…170 本发明操作方法的步骤

110 供粉

120 位移控制

130 铺粉

140 余粉收集

150 反向供粉

160 下沉

170 破散。

Claims (7)

1.一种用于复杂结构工件增材制造成型的设备系统(10)，其特征在于，包括用于粉末的空间可移动的铺粉装置(20)、用于提供粉末的粉体系统(35)和用于至少控制铺粉装置(20)和粉体系统(35)的控制单元(50)；

其中，铺粉装置(20)用于在加工平面(15)上将一层或多层粉末输送到基板平台(16)，或输送到已经处理过的粉末层上；

其中，粉体系统(35)至少包括第一粉料容器(36)和第二粉料容器(39)，它们可交替互换，作为临时粉料供应容器(33)或作为临时粉料溢流容器(38)，在铺粉装置(20)的运动方向上，用于提供要涂抹的粉末，或用于来储存在每一次铺粉过程之后处于第一和第二粉料容器(36、39)之间的基板平台(16)上的多余粉料；

其中，控制单元(50)用于将铺粉装置(20)从作为粉料供应容器(33)的第一粉料容器(36)，经过中间的基板平台(16)，向作为粉料溢流容器(38)的第二粉料容器(39)移动；并从那里，以相反的方向，将铺粉装置(20)从现在作为粉料供应容器(33)的第二粉料容器(39)，经过中间的基板平台(16)，向现在作为粉料溢流容器(38)的第一粉粉料容器(36)移动；

输送到第一和第二粉料容器(36、39)加工平面(15)上方的粉末数量与即将涂抹于基板平台（16）上的粉末层的层厚进行系数适配，适配系数大于或等于1.2；

该设备系统(10)包括一个激励单元(40)，激励单元(40)设置在铺粉装置(20)内，或者被配置与基板平台(16)连接或集成以对基板平台(16)进行振动激励；该激励单元(40)被设置为将粉末颗粒相互之间和/或与已经用设备涂抹过的粉层之间的团簇和/或粘连进行打散，从而使铺粉装置(20)能够将光滑的粉层涂抹到基板平台(16)和/或之前的粉层上；

激励单元(40)包括利用振动激励来破散粉末团簇和/或粘连现象的振动单元；其中，振动激励通过气动和/或电磁和/或超声波产生；振动激励的频率具有与粉末的粒度相关的波长和/或与铺粉装置(20)沿铺粉方向的铺粉速度相关的波长，和/或与设备系统(10)的谐振频率不重叠；

设备系统(10)包括减震单元(22)，该减震单元(22)被配置为减少和/或消除激励向激励单元(40)外部的设备部件的传输；激励单元(40)设置在铺粉装置(20)内时，固定在导轨上以实现铺粉装置(20)规则移动的支架(23) 被全部或部分置换为减震单元(22)。

2.根据权利要求1所述的设备系统(10)，其特征在于，第一和第二粉料容器(36、39)各自包括一个可移动的粉料输送单元(37)，该粉料输送单元(37)在控制单元(50)的控制下，根据各自的第一和第二粉料容器(36、39)作为临时粉料供应容器(33)或粉料溢流容器(38)的当下状态进行向上或向下的移动。

3.根据权利要求1所述的设备系统(10)，其特征在于，基板平台(16)可以在控制单元(50)的控制下，在经过每一次铺粉过程后逐次向下移动。

4.根据权利要求1所述的设备系统(10)，其特征在于，在第一粉料容器(36)中提供第一材料，在第二粉料容器(39)中提供第二材料，第一材料与第二材料相同，或者第一材料不同于第二材料。

5.根据权利要求1~4任一项所述的设备系统(10)加工成型复杂结构工件的方法(100)，其特征在于，该方法包括以下步骤:

供粉(110)：由第一粉料容器(36)和第二粉料容器(39)交替地各自充当一个临时粉料供应容器(33)和一个临时粉料溢流容器(38);

位移控制(120)：通过控制单元(50)将铺粉装置(20)从当前粉料供应容器(33)向当前粉料溢流容器(38)移动；

铺粉(130)：使用由粉料供应容器(33)提供的粉末，在加工平面(15)上将一个或多个粉末层涂抹到基板平台(16)上或是已经用设备涂抹过的粉末层上，基板平台(16)位于粉料供应容器(33)和粉料溢流容器(38)之间；

余粉收集(140)：将铺粉装置(20)完成一次基板平台(16)铺粉过程之后的残余粉料(34)回收到当前的粉料溢流容器(38)内；

反向供粉(150)：铺粉装置(20)从当前新的粉料供应容器(33)反方向向现在作为粉料溢流容器(38)的前粉料供应容器(33)移动，新的粉料供应容器(33)为前粉料溢流容器(38)。

6.根据权利要求5所述的方法(100)，其特征在于，还包括进一步的步骤，下沉(160)：在铺粉装置(20)完成一次铺粉过程后，通过控制单元(50)将基板平台(16)向下位移，下降的高度为上一次铺粉的层厚，或是其他需要的高度。

7.根据权利要求5所述的方法(100)，还包括进一步的步骤，破散(170)：在铺粉过程中，通过激励单元(40)打破粉末颗粒之间和/或与已经用设备涂抹过的粉层之间的团簇和/或粘连，使铺粉装置(20)能够在基板平台(16)和/或之前的粉层上进行光滑的粉层涂抹。