CN113492217A - 增材制造期间的金属冷凝物控制 - Google Patents

增材制造期间的金属冷凝物控制 Download PDF

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Abstract

本发明涉及增材制造期间的金属冷凝物控制。提供了一种用于增材制造的系统和方法。该系统包括限定用于经由增材制造来制造零件的腔室的结构。粉末金属施加器被构造成沉积粉末金属材料层以在构建平台上构建零件。激光源被构造成将一个或多个激光束引导到粉末金属材料的每一层上以熔融粉末金属材料，其中通过激光束（一个或多个）接触粉末金属材料产生金属冷凝物。与粉末材料层间隔开的元件具有不同于腔室温度的温度，使得该元件被构造成借助于该元件与腔室之间的温差吸引或排斥金属冷凝物。该方法包括使用具有不同温度的元件来吸引或排斥腔室内的金属冷凝物。

Description

增材制造期间的金属冷凝物控制
技术领域
本公开涉及用于通过在顺序过程中添加材料、通常是逐层地添加材料来形成零件的增材制造系统和方法。
背景技术
增材制造，也称为3-D打印，是指通过在三维工作包络内的顺序层材料添加/接合通过自动控制来创建三维物体的过程。物体可以被制造成各种形状和几何形状，并且可以包括牺牲或支撑材料，从而实现先前不可实现的设计形状。已知各种增材制造过程，主要区别在于沉积材料层的方式和所使用的材料。特别地，增材制造过程可包括例如熔融沉积成型、激光烧结、电子束熔化、和喷墨3D打印，使用诸如热塑性细丝、金属粉末、石膏、树脂和混凝土的材料。
在粉末床熔融过程中，激光束用于将先前整平的粉末材料的每一层熔融成熔融粉末材料的连续片。在熔融过程期间，激光蒸发一些粉末并产生纳米大小或微米大小的粉尘，称为“冷凝物(condensate)”。冷凝物可在腔室内积聚。例如，冷凝物可在腔室壁上、在激光透镜上以及在所制造的物体的所铺设的粉末上累积。
在金属增材制造的情况下，花费数小时或甚至数天来使用真空从构建腔室清理冷凝物并用异丙醇擦拭以擦洗构建腔室。清理过程显著地减慢了增材制造过程，这显著地阻碍了金属增材制造用于任何大量生产的使用。此外，粉末床或在构建之后待再循环的粉末的冷凝物污染可通过造成零件内的缺陷以及造成过程中的另外延迟而降低零件质量。
发明内容
本公开提供了一种在粉末床熔融制造过程期间帮助控制金属冷凝物的系统和方法。该系统和方法包括使用冷却的和/或加热的元件来吸引或排斥金属冷凝物。因此，金属冷凝物可被构建腔室内的一个或多个加热的元件排斥和/或被构建腔室内的一个或多个冷却的元件收集。
在一种可与本文所公开的其他形式组合或分开的形式中，提供了一种增材制造系统，其包括限定用于经由增材制造来制造零件的腔室的结构。该腔室具有腔室温度。粉末金属施加器被构造成沉积粉末金属材料层以在构建平台上构建零件。激光源被构造成将一个或多个激光束引导到粉末金属材料的每一层上以熔融粉末金属材料，其中通过激光束（一个或多个）接触粉末金属材料产生金属冷凝物。元件与粉末材料层间隔开。所述元件具有不同于所述腔室温度的元件温度，并且所述元件被构造成借助于所述元件与所述腔室之间的温差吸引或排斥所述金属冷凝物。
在可与本文所公开的其他形式组合或分开的另一形式中，提供了一种增材制造方法，其包括将粉末金属材料逐层地沉积到腔室内的构建平台上，所述腔室具有腔室温度。该方法还包括将一个或多个激光束引导到腔室中以接触粉末金属材料的每一层，从而熔融粉末金属材料以用于增材制造，其中由激光束（一个或多个）接触粉末金属材料产生金属冷凝物。该方法还包括用具有不同于该腔室温度的元件温度的元件吸引或排斥该金属冷凝物。
可以可选地提供附加特征，包括但不限于以下：所述温差为至少10摄氏度，或者所述腔室温度和所述元件温度彼此相差至少十摄氏度；其中所述元件温度低于所述腔室温度，并且所述元件被构造成吸引所述金属冷凝物；所述元件是板；所述元件是旋转平台；其中所述元件温度大于所述腔室温度，并且所述元件被构造成排斥所述金属冷凝物；还包括透镜，一个或多个激光束被引导通过该透镜，该元件围绕该透镜；还包括粉末溢流接收器，所述粉末溢流接收器被构造成收集过量的粉末金属材料，所述元件围绕所述粉末溢流接收器设置以排斥所述金属冷凝物远离所述粉末溢流接收器；还包括气流系统，所述气流系统包括设置在所述构建平台的上游侧上的入口和设置在所述构建平台的下游侧上的出口，所述入口被构造成使气流流动通过所述腔室以使所述金属冷凝物在所述腔室内移动，其中所述元件是设置在所述构建平台的下游侧上以吸引所述金属冷凝物的冷却的元件；所述增材制造系统还包括加热的元件，所述加热的元件设置在所述构建平台的所述上游侧上以排斥所述金属冷凝物；还包括过滤器系统，所述过滤器系统被构造成从所述旋转平台去除所述金属冷凝物并将所述金属冷凝物供给到过滤器；所述构建平台被构造成绕中心轴线旋转；所述元件围绕所述构建平台在外部设置；还包括管，所述管沿着所述中心轴线设置并且被构造成输送加热的气体穿过所述构建平台以朝向所述元件排斥所述金属冷凝物；旋转所述元件以收集和去除金属冷凝物；所述元件是冷却的元件或加热的元件；绕中心轴线旋转构建平台，所述元件围绕所述构建平台在外部设置；和/或输送加热的气体穿过构建平台以朝向元件排斥金属冷凝物。
技术方案1. 一种增材制造系统，包括：
限定用于经由增材制造来制造零件的腔室的结构，所述腔室具有腔室温度；
粉末金属施加器，所述粉末金属施加器被构造成沉积多个粉末金属材料层以在构建平台上构建零件；
激光源，所述激光源被构造成将至少一个激光束引导到粉末金属材料的每一层上以熔融所述粉末金属材料，其中通过所述至少一个激光束接触所述粉末金属材料产生金属冷凝物；以及
与所述多个粉末材料层间隔开的元件，所述元件具有不同于所述腔室温度的元件温度，所述元件被构造成借助于所述元件与所述腔室之间的温差吸引或排斥所述金属冷凝物。
技术方案2. 根据技术方案1所述的增材制造系统，其中，所述温差为至少10摄氏度。
技术方案3. 根据技术方案2所述的增材制造系统，其中，所述元件温度低于所述腔室温度，并且所述元件被构造成吸引所述金属冷凝物。
技术方案4. 根据技术方案3所述的增材制造系统，所述元件是板。
技术方案5. 根据技术方案3所述的增材制造系统，所述元件是旋转平台。
技术方案6. 根据技术方案2所述的增材制造系统，其中，所述元件温度大于所述腔室温度，并且所述元件被构造成排斥所述金属冷凝物。
技术方案7. 根据技术方案6所述的增材制造系统，还包括透镜，所述至少一个激光束被引导通过所述透镜，所述元件围绕所述透镜。
技术方案8. 根据技术方案6所述的增材制造系统，还包括粉末溢流接收器，所述粉末溢流接收器被构造成收集过量的粉末金属材料，所述元件围绕所述粉末溢流接收器设置以排斥所述金属冷凝物远离所述粉末溢流接收器。
技术方案9. 根据技术方案2所述的增材制造系统，还包括气流系统，所述气流系统包括设置在所述构建平台的上游侧上的入口和设置在所述构建平台的下游侧上的出口，所述入口被构造成使气流流动通过所述腔室以使所述金属冷凝物在所述腔室内移动，其中所述元件是设置在所述构建平台的所述下游侧上以吸引所述金属冷凝物的冷却的元件，所述增材制造系统还包括设置在所述构建平台的所述上游侧上以排斥所述金属冷凝物的加热的元件。
技术方案10. 根据技术方案5所述的增材制造系统，还包括过滤器系统，所述过滤器系统被构造成从所述旋转平台去除所述金属冷凝物并且将所述金属冷凝物供给到过滤器。
技术方案11. 根据技术方案3所述的增材制造系统，所述构建平台被构造成绕中心轴线旋转，所述元件围绕所述构建平台在外部设置。
技术方案12. 根据技术方案11所述的增材制造系统，其还包括管，所述管沿着所述中心轴线设置并且被构造成输送加热的气体穿过所述构建平台以将所述金属冷凝物朝向所述元件排斥。
技术方案13. 一种增材制造的方法，包括：
将粉末金属材料逐层地沉积到腔室内的构建平台上，所述腔室具有腔室温度；
将至少一个激光束引导到所述腔室中以接触粉末金属材料的每一层，从而熔融所述粉末金属材料以用于增材制造，其中由所述至少一个激光束接触所述粉末金属材料产生金属冷凝物；以及
利用具有不同于所述腔室温度的元件温度的元件吸引或排斥所述金属冷凝物。
技术方案14. 根据技术方案13所述的方法，其中，所述腔室温度和所述元件温度彼此相差至少10摄氏度。
技术方案15. 根据技术方案14所述的方法，其中，所述元件温度低于所述腔室温度，并且吸引或排斥的步骤包括吸引所述金属冷凝物。
技术方案16. 根据技术方案15所述的方法，还包括旋转所述元件以收集和去除所述金属冷凝物。
技术方案17. 根据技术方案14所述的方法，其中，所述元件温度高于所述腔室温度，并且吸引或排斥的步骤包括排斥所述金属冷凝物。
技术方案18. 根据技术方案17所述的方法，还包括将所述元件围绕透镜设置，以排斥所述金属冷凝物远离所述透镜，所述至少一个激光束被引导通过所述透镜。
技术方案19. 根据技术方案14所述的方法，所述元件是冷却的元件，所述方法还包括使惰性气体经由设置在构建平台的上游侧上的入口和设置在所述构建平台的下游侧上的出口流动通过所述腔室，其中吸引或排斥的步骤包括经由所述冷却的元件在所述构建平台的下游侧上吸引所述金属冷凝物，所述方法还包括经由加热的元件在所述构建平台的上游侧上排斥所述金属冷凝物。
技术方案20. 根据技术方案14所述的方法，还包括：
绕中心轴线旋转构建平台，所述元件围绕所述构建平台在外部设置；以及
输送加热的气体穿过所述构建平台以朝向所述元件排斥所述金属冷凝物。
从本文提供的描述中，另外的方面、优点和适用领域将变得显而易见。应当理解，描述和具体示例仅旨在用于说明的目的，而不旨在限制本公开的范围。
附图说明
本文中的描述的附图仅用于说明目的，而不旨在以任何方式限制本公开的范围。
本文中的附图本质上是示意性的，并且不一定按比例绘制或表示所示元件之间的距离或关系。
图1是根据本公开的原理的增材制造系统的示意性透视图；
图2是根据本公开的原理的增材制造系统的激光熔合过程的示意图；
图3是根据本公开的原理的另一增材制造系统的示意性透视图；
图4是根据本公开的原理的又另一增材制造系统的示意性透视图；
图5是根据本公开的原理的又另一增材制造系统的示意性透视图；
图6是根据本公开的原理的又另一增材制造系统的示意性透视图；
图7是根据本公开的原理的又另一增材制造系统的示意性透视图；以及
图8是示出根据本公开的原理的增材制造的方法的框图。
具体实施方式
本文描述了本公开的实施例。然而，要理解的是，所公开的实施例仅仅是示例，并且其他实施例可以采取各种和替代的形式。附图不一定是按比例的；一些特征可能被夸大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制性的，而仅作为用于教导本领域技术人员以各种方式使用本公开的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，参考任何一个附图示出和描述的各种特征可以与一个或多个其他附图中示出的特征组合，以产生未明确示出或描述的实施例。所示特征的组合提供了典型应用的代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和修改对于特定应用或实施方式可能是期望的。
本文提供了用于经由增材制造形成部件的系统和方法。该系统和方法利用激光能量源以反复地由粉末金属材料或金属丝形成金属层。金属增材制造是逐层构建固体三维金属结构的过程，通常其中能量或热被选择性地施加到起始材料或原料（例如，呈粉末或金属丝的形式）并被其吸收以熔化、固结、凝固、熔融或烧结并产生固体材料层。增材制造通常同义地被称为三维打印。增材制造过程的非限制性示例除了别的之外包括粉末床熔融过程（例如，激光烧结、激光熔化、电子束熔化和选择性加热烧结）、直接金属沉积、熔融沉积成型、吹塑粉末过程（例如，定向能量沉积）、线材馈送定向能量沉积（例如，线材挤出过程）、液体金属3D打印系统、超声固结（例如，经由超声能量源）和粘合剂喷射。在一些实施例中，金属原料可任选地包括化学或聚合物粘合剂。
数字三维建模系统可用于创建待形成的部件的数字模型或构建计划。然后，物理部件可以通过增材制造系统从数字模型形成，所述增材制造系统在逐层构建过程中创建固体熔融结构。能量源施加到金属原料的位置和/或路径由三维产品的每个相应截面层限定，例如由其数字模型限定。
向金属原料施加能量对其引起合金化、相变和/或组成变化。例如，金属原料可以包括非合金金属的混合物，并且能量的施加可以从金属原料产生合金金属。能量源的强度、施加时间和/或施加图案可用于实现由金属原料形成的材料层的特定材料性能。
在粉末床熔融增材制造的情况下，例如，粉末材料的薄层被散布在粉末床上，并且能量源（例如，激光）被引导到粉末材料上以在施加激光的地方熔化粉末材料。熔化的材料固化，从而形成产品的薄截面层。粉末材料的另一层被散布在之前形成的层上，并且能量源被引导到粉末材料上以熔化粉末材料并将其与在其处施加激光的下层熔融。熔化的材料固化，从而形成产品的稍微更厚的截面层。重复该过程直到形成整个三维产品。
在增材制造中使用的金属原料或粉末可以包括金属，诸如铝合金（例如AlSi10Mg、AlSi12）、铜合金、镍合金、钛合金（例如Ti6Al4V）、钴铬合金（例如ASTM F75）、奥氏体镍铬合金、钢合金，包括汽车钢、不锈钢（例如316L、17-4 PH和15-5 PH）、马氏体时效钢、和结构钢（例如HSLA420、4140），以及许多其他金属原料。通常，本文提供的系统和方法可以利用本领域技术人员将认为合适的任何合适的金属原料。
现在参考图1，示出了用于金属增材制造的系统，并且该系统总体上以20表示。系统20包括限定构建腔室24的结构22，该构建腔室用于经由增材制造来制造零件，或者换句话说，用于逐层构建三维打印零件。优选地，使用增材制造的粉末床熔融过程，其包括通过粉末金属施加器26将来自粉末料斗25的粉末材料层沉积到构建平台28上，用擦拭器30整平每一层，并且用激光束34或多个激光束熔融每一层的一部分，所述激光束或多个激光束被引导通过窗或透镜32以逐层地构建零件。可以使腔室24成为真空，并用诸如氩气或另一稀有气体的惰性气体填充所述腔室。尽管示出并描述了粉末床熔融增材制造系统20，但增材制造系统20可以是另一类型的增材制造系统，诸如以上描述的那些。
粉末料斗25包含金属粉末，诸如铝、钢、钛或任何其他所期望的金属材料，诸如以上描述的那些。粉末料斗25和/或构建平台28可以是固定的，或者可以是升降机系统的一部分，该升降机系统竖直地移动以产生多个粉末材料层。例如，粉末金属施加器26被构造成沉积多个粉末金属材料层以在构建平台28上构建零件。可设置在腔室24外部的激光源被构造成将激光束34（或多个激光束34）通过透明透镜32引导到粉末金属材料的每一层上，通常在预先限定的目标区域中，以熔融粉末金属材料并形成零件。例如，激光束（一个或多个）34可以在粉末材料的每一层上的预定目标区域上扫描，以将粉末材料熔融成具有期望形状的层。然后，将下一层沉积在熔融层上，用擦拭器30擦拭，并且然后新的层被激光束（一个或多个）34熔融，等等。
现在参考图2并继续参考图1，当激光束34或多个激光束接触粉末金属材料36时，产生金属冷凝物38。金属冷凝物38可以是纳米大小或微米大小的颗粒或薄片，作为示例，诸如在小于一微米到10、15或20微米的量级上。为了减少或消除可能涂覆壁39、透镜32、所述零件或构建腔室24的结构22的其他部分的金属冷凝物38的颗粒的量，系统20包括与多个粉末材料层间隔开的元件40，所述多个粉末材料层被分层堆积以在构建平台28上形成所述零件，其中元件40被构造成吸引或排斥金属冷凝物38。
元件40可以采取几种不同的形式，这将在下面更详细地描述。元件40具有不同于腔室温度的元件温度，使得元件40被构造成借助于元件40与腔室24之间的温差吸引或排斥由激光束（一个或多个）34产生的金属冷凝物38。
在图1所示的示例中，元件40是冷却的板，其被构造成吸引冷凝物颗粒38，因为板40比腔室24内的温度冷。因此，通过例如热力学或热泳原理将冷凝物颗粒38吸引到冷却的板40。在热泳原理下，由于冷凝物颗粒非常小，它们在远离热梯度的方向上被排斥。在这种情况下，这意味着冷凝物38被吸向冷却的板40。冷却的板40的温度可以比腔室24中的温度低任何期望的量。通常，腔室24中的空气和冷却的板40之间的温度梯度越大，冷却的板40将越成功地将冷凝物38吸引到冷却的板40。在一些示例中，冷却的板40的温度比腔室24中的空气或气体低至少10摄氏度。例如，腔室温度可以是20-25摄氏度的环境温度，并且板40可以低于15摄氏度或低于10摄氏度。在一些示例中，板40可以具有低得多的温度，诸如低于-180摄氏度，或者在环境温度和经由板40实际实现的尽可能冷的温度之间的任何温度。
板40可以大于构建平台28，或在一些示例中至少大于构建区域。通常，冷却的板40越大，冷却的板40将能够吸引和收集的冷凝物颗粒越多。
冷却的板40可以以任何期望的方式被冷却。例如，冷却的板40可以具有连续施加于其上的冷却效果。在一个示例中，冷却的板40可以通过制冷来冷却，诸如通过使冷却的流体（诸如液氮、氩或乙二醇）循环通过或穿过板40。在替代方案中，板40可以通过这种冷却的流体预先冷却，但不将冷却的流体连续地施加到板40上。在一些示例中，冷却的流体可以喷射或以其他方式施加到板40上以在使用之前冷却板40。
冷却的板40或其他元件可由任何期望的材料形成，作为示例，所述材料诸如不锈钢、诸如以商标Inconel出售的镍-铬超合金、另一镍基合金、钛或钛合金、或者铝或铝合金。导电材料是优选的。
除了冷却的板40之外，系统20可以包括层流气流系统，该层流气流系统包括设置在构建平台28的上游侧上的入口42和设置在构建平台28的下游侧上的出口44。入口42被构造成使气流流动通过腔室24以使金属冷凝物38在腔室24内移动。板40沿气体流动的方向设置在构建平台28的下游侧上。作为示例，金属冷凝物可以通过出口44被收集到过滤器（未示出）中。如果需要，气体可以像参考图7描述的加热的气体一样被加热，以帮助在气体流动的方向上排斥金属冷凝物38。
现在参考图3，示出了用于金属增材制造的另一系统，并且该系统总体上以120表示。系统120可以类似于上述系统20，除了描述为不同的地方。例如，系统120包括限定构建腔室124的结构122，构建腔室124用于经由增材制造来制造零件136。仅作为示例，系统120用于粉末床熔融增材制造，并且包括粉末料斗125，其中粉末金属通过粉末金属施加器126逐层地施加到构建平台128上，并且每一层用擦拭器130整平。每一层的一部分用激光束134或多个激光束熔融，所述激光束被引导通过透镜132以逐层地构建零件136。当激光束134接触粉末金属材料时，产生金属冷凝物138，如图2中所示（冷凝物在图2中示出为元件38）。
系统120包括元件140，其与被分层堆积以形成零件136的多个粉末材料层间隔开，其中元件140被构造成吸引或排斥金属冷凝物138。在这种情况下，元件140是旋转平台，诸如旋转的轮，或者元件140可以是移入和移出腔室124的传送带。在图3的示例中，元件140是绕旋转轴线旋转的旋转平台，并且在旋转平台140的任何给定旋转角度下，旋转平台140的不到一半位于腔室124中。
提供过滤器系统146以清洁旋转平台140的当前设置在腔室124外部的一部分148。例如，过滤器系统146可包括刷旋转平台140的刷子150。刷子150可设置在真空管154的端部152上，该真空管构造成从旋转平台抽吸冷凝物138穿过管154并进入过滤器156中。因此，过滤器系统146构造成从旋转平台140去除金属冷凝物138，并且将金属冷凝物138供给到过滤器156。
排出的空气或气体可被施加到旋转平台的邻近刷子150的部分158，同时冷冻的空气或流体可被施加到旋转平台140的邻近腔室中的开口162的部分160，使得旋转平台的冷却的部分160进入腔室124以收集更多的冷凝物138。
可以以任何期望的方式冷却旋转平台140。例如，旋转平台140可具有连续施加于其上的冷却效果，例如，可在部分160处施加冷冻的气体或液体。在一个示例中，可以通过制冷，诸如通过使冷却的流体（诸如液氮、氩或乙二醇）循环通过或循环到旋转平台140上来冷却旋转平台140。在替代方案中，旋转平台140可预先通过这种冷却的流体冷却，但不将冷却的流体连续地施加到旋转平台140。在一些示例中，冷却的流体（气体或液体）可被喷射或以其他方式施加到旋转平台140上，以在将旋转平台140的部分160旋转到腔室124中之前冷却该部分160。
类似于关于图1所示和所描述的元件40，旋转平台140具有低于腔室温度的元件温度，使得旋转平台140被构造成借助于旋转平台140和腔室124之间的温差吸引由激光束（一个或多个）134产生的金属冷凝物138。旋转平台140的位于腔室124中的部分164的温度可以比腔室124中的温度低任何期望的量。在一些示例中，旋转平台140的在腔室124内的部分164的温度比腔室124中的空气的温度低至少10摄氏度。例如，腔室温度可以是处于20-25摄氏度的环境温度，并且旋转平台140的部分164可以低于15摄氏度或低于10摄氏度。在一些示例中，旋转平台140的位于腔室124中的部分164可以具有低得多的温度，诸如低于-180摄氏度，或者在环境温度和实际上经由旋转平台140实现的尽可能冷的温度之间的任何温度。
旋转平台140或其他元件可由任何期望的材料形成，作为示例，所述材料诸如不锈钢、诸如以商标Inconel出售的镍-铬超合金、另一镍基合金、钛或钛合金、或者铝或铝合金。导电材料是优选的。
系统120可包括类似于上文关于图1所描述的层流气流系统，包括设置在构建平台128的上游侧上的入口142和设置在构建平台128的下游侧上的出口144。入口142被构造成使气流流动通过腔室124以使金属冷凝物138在腔室124内移动。作为示例，金属冷凝物138可通过出口144收集到过滤器（可与过滤器156相同或分开）中。
现在参考图4，示出了用于金属增材制造的又另一系统，并且该系统总体上以220表示。系统220可以类似于上述系统20、120，除了描述为不同的地方。例如，系统220包括限定用于经由增材制造来制造零件236的构建腔室224的结构222。作为示例，系统220用于粉末床熔融增材制造，并且包括粉末料斗225，其中粉末金属通过粉末金属施加器226逐层地施加到构建平台228上，并且每一层用擦拭器230整平。每一层的一部分用激光束234或多个激光束熔融，所述激光束被引导通过透镜232以逐层构建零件236。当激光束234接触粉末金属材料时，产生金属冷凝物38 （如图2所示）。
系统220包括与多个粉末材料层间隔开的元件240，多个粉末材料层被分层堆积以形成零件236，其中元件240被构造成吸引或排斥金属冷凝物。在这种情况下，元件240围绕激光束234被引导通过其的透镜232。元件240可以被成形为环，或者它可以具有另一形状并且可以是围绕透镜232的连续件或分离件。
环240具有大于腔室温度的温度，并且因此，环240被构造为例如通过热力学和/或热泳原理，借助于环240和腔室224之间的温差，排斥金属冷凝物远离环240并因此远离透镜232。环240的温度可高于腔室224中的温度任何期望的量。在一些示例中，腔室224内的环240的温度比腔室224中的空气或气体的温度高至少10摄氏度。例如，腔室温度可以是处于20-25摄氏度的环境温度，并且环温度可以高于30或35摄氏度。在一些示例中，环240可具有高得多的温度，诸如50、100、150或200摄氏度或更高。
环240可以以任何期望的方式被加热。例如，可以例如用电或加热的气体或液体将热连续地施加到环240或通过环240。
环240或围绕透镜232的其他元件可以由任何期望的材料形成，作为示例，所述材料诸如不锈钢、诸如以商标Inconel出售的镍铬超合金、另一镍基合金、钛或钛合金、或者铝或铝合金。导电材料是优选的。
系统220可包括类似于上文关于图1和图3所描述的层流气流系统，包括设置在构建平台228的上游侧上的入口242和设置在构建平台228的下游侧上的出口244。入口242被构造成使气流流动通过腔室224以使腔室224内的金属冷凝物移动。作为示例，金属冷凝物可以通过出口244被收集到过滤器（未示出）中。
现在参考图5，示出了用于金属增材制造的又另一系统，并且该系统总体上以320表示。系统320可以类似于上述系统20、120、220，除了描述为不同的地方。例如，系统320包括限定用于经由增材制造来制造零件336的构建腔室324的结构322。与上述系统20、120、220类似，图5中所示的系统320可设计用于粉末床熔融增材制造，并且包括粉末料斗325，其中粉末金属通过粉末金属施加器326逐层地施加到构建平台328上，并且每一层用擦拭器330整平。每一层的一部分用激光束334或多个激光束熔融，所述激光束被引导通过透镜332以逐层构建零件336。当激光束334接触粉末金属材料时，产生金属冷凝物38，如图2中所示。
系统320包括与多个粉末材料层间隔开的元件340，多个粉末材料层被分层堆积以形成零件336，其中元件340被构造成吸引或排斥金属冷凝物。在这种情况下，元件340包括围绕粉末溢流接收器362的多个部件，所述粉末溢流接收器被构造成收集用擦拭器330从构建平台328刮下的过量粉末金属材料。元件340围绕粉末溢流接收器362设置，以排斥金属冷凝物远离粉末溢流接收器362，并且因此，元件340具有大于腔室温度的温度，类似于上述环240。元件340被构造成排斥金属冷凝物远离粉末溢流接收器362以保持接收器362中的过量粉末金属清洁并且能够被再使用。（当被足够量的金属冷凝物污染时，过量的粉末金属不能再利用）。
与环240类似，围绕粉末溢流接收器362的元件340例如通过热力学和/或热泳原理，借助于元件340与腔室324之间的温差来排斥金属冷凝物。元件340的温度可以比腔室324中的温度高任何期望的量。在一些示例中，元件340的温度比腔室324中的空气或气体的温度高至少10摄氏度。例如，腔室温度可以是处于20-25摄氏度的环境温度，并且元件温度可以高于30或35摄氏度。在一些示例中，元件340可以具有高得多的温度，诸如50、100、150或200摄氏度或更高。
元件340可以以任何期望的方式被加热。例如，可以例如用电或加热的气体或液体将热连续地施加到元件340或通过元件340。
围绕粉末溢流接收器362的元件340可由任何期望的材料形成，作为示例，所述材料诸如不锈钢、诸如以商标Inconel出售的镍铬超合金、另一镍基合金、钛或钛合金、或者铝或铝合金。导电材料是优选的。
系统320可包括类似于上文关于图1、图3和图4所描述的层流气流系统，其包括设置在构建平台328的上游侧上的入口342和设置在构建平台328的下游侧上的出口344。入口342被构造成使气流流动通过腔室324以使金属冷凝物在腔室324内移动。作为示例，金属冷凝物可以通过出口344被收集到过滤器（未示出）中。
现在参考图6，示出了用于金属增材制造的又另一系统，并且该系统总体上以420表示。系统420可以类似于上述系统20、120、220、320，除了描述为不同的地方。例如，系统420包括限定用于经由增材制造来制造零件436的构建腔室424的结构422。与上述系统20、120、220、320类似，图6中所示的系统420可设计成用于粉末床熔融增材制造，并且包括粉末料斗425，其中粉末金属通过粉末金属施加器426逐层地施加到构建平台428上，并且用擦拭器430使每一层整平。每一层的一部分用被引导通过透镜432的激光束434熔融，以逐层地构建零件436。当激光束（一个或多个）434接触粉末金属材料时，产生金属冷凝物38，如图2中所示。
系统420包括多个元件440、440A、441、441A，这些元件与被分层堆积以形成零件436的多个粉末材料层间隔开，其中元件440、440A、441、441A被构造成吸引或排斥金属冷凝物。
系统420还可包括层流气流系统，类似于上文关于图1、图3、图4和图5所描述的层流气流系统，包括设置在构建平台428的上游侧上的入口442和设置在构建平台428的下游侧上的出口444。入口442被构造成使气流流动通过腔室424以使金属冷凝物在腔室424内移动。作为示例，金属冷凝物可以通过出口444被收集到过滤器（未示出）中。
所述元件中的两个440、440A比腔室温度暖且设置在构建平台428和/或激光透镜432的上游侧上。其他两个元件441、441A比腔室温度冷且设置在构建平台428和/或激光透镜432的下游侧上。
在这种情况下，一个较暖元件440沿着腔室424的上游壁464设置，并且另一个较暖元件440A设置在激光透镜432的上游侧上。与被描述为比腔室暖的其他元件240、340类似，元件440、440A被构造成例如通过热力学和/或热泳原理，借助于较暖元件440、440A与腔室424之间的温差来排斥腔室424内的冷凝物。较暖元件440、440A的温度可以比腔室424中的温度高任何期望的量。在一些示例中，腔室424内的较暖元件440、440A的温度比腔室424中的空气或气体的温度高至少10摄氏度。例如，腔室温度可以是处于20-25摄氏度的环境温度，并且较暖元件的温度可以高于30或35摄氏度。在一些示例中，较热元件440、440A可具有高得多的温度，诸如50、100、150或200摄氏度或更高。
较暖元件440、440A可以以任何期望的方式被加热。例如，可以用电或加热的气体或液体连续地将热施加到或通过较暖元件440、440A。
较冷元件中的一个441沿着腔室424的下游壁466设置，并且另一个较冷元件441A设置在激光透镜432的下游侧上。与被描述为比腔室温度冷的其他元件40、140类似，元件441、441A被构造成例如通过热力学和/或热泳原理，借助于较冷元件441、441A与腔室424之间的温差，吸引腔室424内的冷凝物。
较冷元件441、441A的温度可以比腔室424中的温度低任何期望的量。在一些示例中，较冷元件441、441A的温度比腔室424中的空气的温度低至少10摄氏度。例如，腔室温度可以是处于20-25摄氏度的环境温度，并且较冷元件441、441A可以低于15摄氏度或低于10摄氏度。在一些示例中，较冷元件441、441A可具有低得多的温度，诸如低于-180摄氏度，或者处于环境温度和经由元件441、441A实际实现的尽可能冷的温度之间的任何温度。
元件440、440A、441、441A可由任何期望的材料形成，作为示例，所述材料诸如不锈钢、诸如以商标Inconel出售的镍铬超合金、另一镍基合金、钛或钛合金、或者铝或铝合金。导电材料是优选的。元件440、440A、441、441A可以以任何期望的方式被加热或冷却，诸如以上面关于图1、图3、图4和图5描述的方式。
层流系统和元件440、440A、441、441A协作以远离透镜432并且朝向较冷元件441、441A排斥冷凝物。例如，任何冷凝物（其在构建平台428处产生）被加热的元件440、440A和通过入口端口442流入到腔室424中的层流气体两者排斥而不向上游行进。然后，沿下游方向移动的冷凝物通过层流、通过加热的元件440、440A的排斥现象以及通过冷却的元件441、441A的吸引现象沿下游方向朝向冷却的元件441、441A运送，可在冷却的元件上收集冷凝物。
现在参考图7，示出了用于金属增材制造的又另一系统，并且该系统总体上以520表示。系统520可以类似于上述系统20、120、220、320、420，除了描述为不同的地方。例如，系统520包括限定用于经由增材制造来制造零件的构建腔室524的结构522。与上述系统20、120、220、320、420类似，图7中所示的系统520用于粉末床熔融增材制造并且包括粉末料斗（未示出），其中粉末金属通过粉末金属施加器（未示出）逐层地施加到构建平台528上并且用擦拭器（未示出）将每一层整平。每一层的一部分用激光束或多个激光束熔融，以逐层构建零件（一个或多个）529。当激光束接触粉末金属材料时，产生金属冷凝物38，如图2中所示。
在图7的示例中，增材制造系统520的构建平台528是提供高吞吐量的旋转平台。更具体地说，构建平台528是环形的并且绕中心轴线X旋转。增材制造系统520能够通过使得高功率激光区域扫描系统能够连续操作而大量生产工件529，所述高功率激光区域扫描系统诸如在美国专利公开No.2018/0311731中描述的，该专利公开通过引用以其整体结合于此。
一个或多个元件540可围绕环形构建平台528的外周边设置，其中元件540被构造成吸引金属冷凝物，如同分别关于图1、图3和图6示出和描述的元件40、140、441、441A那样。如图所示，元件540可以沿构建平台528的外围以不连接的环的形状间隔开，或者如果需要，元件540可以是围绕构建平台528设置的单个连续环。元件540比腔室温度冷，并且设置在构建平台528的下游侧上，该下游侧在环形构建平台528的周边的外部。
与被描述为比腔室温度冷的其他元件40、140、441、441A类似，元件540被构造成例如通过热力学和/或热泳原理，借助于较冷元件540和腔室524之间的温差来吸引腔室524内的冷凝物。较冷元件540的温度可以比腔室524中的温度低任何期望的量。在一些示例中，部分较冷元件540的温度比腔室524中的空气或气体的温度低至少10摄氏度。例如，腔室温度可以是处于20-25摄氏度的环境温度，并且较冷元件540可以低于15摄氏度或低于10摄氏度。在一些示例中，较冷元件540可具有低得多的温度，诸如低于-180摄氏度，或者在环境温度和实际上经由元件540实现的尽可能冷的温度之间的任何温度。
与上述冷元件40、140、441、441A类似，冷元件540可由任何期望的材料形成，作为示例，所述材料诸如不锈钢、诸如以商标Inconel出售的镍铬超合金、另一镍基合金、钛或钛合金、或者铝或铝合金。导电材料是优选的。元件540可以以任何期望的方式冷却，诸如以上文关于图1和图3描述的方式。
系统520还可包括排斥气流系统，其使暖或热气体443从构建平台528的中心流动通过管580且越过零件（一个或多个）529流出到外部冷元件540。管580沿着中心轴线X设置并且构造成将加热的气体443输送穿过构建平台528以将金属冷凝物朝向元件（一个或多个）540排斥。这样，冷凝物被热气体443排斥并被吸向冷元件540。
热或暖气体443比腔室温度暖。与被描述为比腔室温度暖的元件240、340、440、440A类似，热或暖气体443例如通过热力学和/或热泳原理，借助于暖/热气体443和腔室524之间的温差，来排斥腔室524内的冷凝物。暖/热气体443的温度可以比腔室524中的温度高任何期望的量。在一些示例中，暖/热气体443的温度比腔室524中的空气或其他气体的温度高至少10摄氏度。例如，腔室温度可以是处于20-25摄氏度的环境温度，并且暖/热气体温度可以高于30或35摄氏度。在一些示例中，暖/热气体443可以具有高得多的温度，诸如50、100、150或200摄氏度或更高。
加热的气体443和冷元件540协作以远离中心轴线X和零件529以及激光透镜（未示出）并且朝向沿着构建平台528的外围设置的冷却元件540排斥冷凝物。例如，通过加热的气体443排斥任何冷凝物（其在构建平台528处产生）使其不朝向中心轴线X行进。然后，沿下游方向朝向构建平台528的外围移动的冷凝物通过加热的气体443并且通过冷却的元件540的吸引现象沿下游方向朝向冷却的元件540运送，冷凝物可在冷却的元件上收集。
现在参考图8，以框图格式示出了增材制造的方法，并且该方法总体上以600表示。作为示例，方法600可由诸如上述系统20、120、220、320、420、520中的任一个的系统执行，或者由另一系统执行。方法600包括将粉末金属材料逐层地沉积到腔室内的构建平台上的步骤602，腔室具有腔室温度。方法600还包括将激光束或多个激光束引导到腔室中以接触粉末金属材料的每一层以熔融粉末金属材料用于增材制造的步骤604，其中金属冷凝物由接触粉末金属材料的激光束（一个或多个）产生。方法600还包括利用具有不同于腔室温度的元件温度的元件吸引或排斥金属冷凝物的步骤606。
方法600可以包括附加选项，诸如关于上文的系统20、120、220、320、420、520描述的任何其他选项。例如，方法600可包括提供彼此相差至少10摄氏度的腔室温度和元件温度。元件温度可以低于腔室温度，并且吸引或排斥的步骤606可以包括吸引金属冷凝物。方法600也可包括旋转所述元件以收集和去除金属冷凝物，诸如图3中所示。在一些示例中，元件温度可高于腔室温度，并且吸引或排斥的步骤606可包括排斥金属冷凝物。方法600可以包括将元件围绕透镜设置，以排斥金属冷凝物远离透镜，激光束被引导通过该透镜，诸如图4中所示。
在一些示例中，方法600可包括使惰性气体经由设置在构建平台的上游侧上的入口和设置在构建平台的下游侧上的出口流动通过腔室。吸引或排斥的步骤606可包括经由冷却的元件在构建平台的下游侧上吸引金属冷凝物，诸如图6中所示，方法606可进一步包括经由加热的元件在构建平台的上游侧上排斥金属冷凝物，也在图6中示出。参考图7-图8，方法600可包括：使构建平台绕中心轴线旋转的步骤，该元件围绕构建平台在外部设置；以及输送加热的气体穿过构建平台以朝向该元件排斥金属冷凝物的步骤。
上述系统20、120、220、320、420、520中的任何一个可以使其元件与其他系统20、120、320、420、520的那些元件组合，或者可以分离被示出为在一起的元件。尽管冷或暖/热元件40、140、240、340、440、440A、441、441A、443、540被示出为用于粉末床熔融增材制造系统20、120、220、320、420、520，但应当理解，元件40、140、240、340、440、440A、441、441A、443、540将用于控制其他类型的增材制造系统中的冷凝物，并且在本文中设想的是，元件40、140、240、340、440、440A、441、441A、443、540用于其他类型的增材制造系统中。
该描述本质上仅仅是示例性的，并且变型旨在处于本公开的范围内。在不超出本公开的精神和范围的情况下，可以以各种方式组合本文所示的示例。这种变型不应被认为是偏离了本公开的精神和范围。

Claims (10)

1.一种增材制造系统，包括：
限定用于经由增材制造来制造零件的腔室的结构，所述腔室具有腔室温度；
粉末金属施加器，所述粉末金属施加器被构造成沉积多个粉末金属材料层以在构建平台上构建零件；
激光源，所述激光源被构造成将至少一个激光束引导到粉末金属材料的每一层上以熔融所述粉末金属材料，其中通过所述至少一个激光束接触所述粉末金属材料产生金属冷凝物；以及
与所述多个粉末材料层间隔开的元件，所述元件具有不同于所述腔室温度的元件温度，所述元件被构造成借助于所述元件与所述腔室之间的温差吸引或排斥所述金属冷凝物。
2.根据权利要求1所述的增材制造系统，其中，所述温差为至少10摄氏度。
3.根据权利要求2所述的增材制造系统，其中，所述元件温度低于所述腔室温度，并且所述元件被构造成吸引所述金属冷凝物。
4.根据权利要求3所述的增材制造系统，所述元件是板。
5.根据权利要求3所述的增材制造系统，所述元件是旋转平台。
6.根据权利要求2所述的增材制造系统，其中，所述元件温度大于所述腔室温度，并且所述元件被构造成排斥所述金属冷凝物。
7.根据权利要求6所述的增材制造系统，还包括透镜，所述至少一个激光束被引导通过所述透镜，所述元件围绕所述透镜。
8.根据权利要求6所述的增材制造系统，还包括粉末溢流接收器，所述粉末溢流接收器被构造成收集过量的粉末金属材料，所述元件围绕所述粉末溢流接收器设置以排斥所述金属冷凝物远离所述粉末溢流接收器。
9.根据权利要求2所述的增材制造系统，还包括气流系统，所述气流系统包括设置在所述构建平台的上游侧上的入口和设置在所述构建平台的下游侧上的出口，所述入口被构造成使气流流动通过所述腔室以使所述金属冷凝物在所述腔室内移动，其中所述元件是设置在所述构建平台的所述下游侧上以吸引所述金属冷凝物的冷却的元件，所述增材制造系统还包括设置在所述构建平台的所述上游侧上以排斥所述金属冷凝物的加热的元件。
10.根据权利要求5所述的增材制造系统，还包括过滤器系统，所述过滤器系统被构造成从所述旋转平台去除所述金属冷凝物并且将所述金属冷凝物供给到过滤器。
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