CN113853263A - 用于对象的多材料生产的粉末床熔合系统 - Google Patents
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Abstract
用于对象的多材料生产的粉末床熔合系统。本发明涉及一种粉末床熔合系统(2)，该粉末床熔合系统用于使用热能来诱导材料的熔合以逐层地进行对象(4)的多材料生产，包括：‑其上形成有对象(4)的制造表面(8)，制造表面(8)是再涂覆表面(6)的子区域，‑材料沉积再涂覆器(20)，该材料沉积再涂覆器配置成将材料中的至少一种材料在制造表面(8)上沉积在一层中，‑能量源，该能量源配置成将能量选择性地导向至设置在制造表面(8)上的材料，‑布置成存储第一材料的第一材料供应容器(16)和布置成存储第二材料的第二材料供应容器(18)。为了以可靠的方式收集多余粉末而不混合不同的材料，在第二供应容器(18)的侧部处布置第一材料溢出容器(12)，该第一材料溢出容器(12)具有将第一材料溢出容器(12)与再涂覆表面(6)分隔开的第一挡板(22)，第一挡板(22)具有打开位置和关闭位置。同样在第一供应容器(16)的侧部处设置第二材料溢出容器(14)，该第二材料溢出容器(14)具有将第二材料溢出容器(14)与再涂覆表面(6)分隔开的第二挡板(24)，第二挡板(24)具有打开位置和关闭位置，其中，第一挡板(22)和第二挡板(24)设计成独立地打开和关闭。
Description
本发明涉及粉末床熔合系统，该粉末床熔合系统用于使用热能来诱导材料的熔合以逐层地进行对象的多材料生产。本发明还涉及使用这种粉末床熔合系统逐层地生产多材料对象的方法。
粉末床熔合(PBF)制造方法比如选择性激光熔合(SLM)、选择性激光烧结(SLS)或电子束熔融(EBM)适用于由优选粉末的基础材料仿造、原型化或制造复杂形状的零件或部件。
粉末床熔合系统通常包括制造或构建平台，在进给基础材料层之后在该制造或构建平台上逐层地构建该部件，该基础材料层随后可以例如通过能量束比——如激光——而熔融并随后固化。层厚度由再涂覆器确定，该再涂覆器例如自动地在粉末床的上方移动并且从再涂覆表面移除多余材料。通常，该层的厚度在20μm与40μm之间。在制造期间，所述能量束在表面上扫描并且使选定区域上的粉末熔融，该选定区域可以通过CAD文件根据待制造的对象的几何形状来被预先确定。所述扫描或照射优选地以计算机实现的方式或经由计算机辅助装置——比如计算机辅助制造(CAM)指令——来执行，计算机辅助制造(CAM)指令可以以数据集的形式存在。
在US 2014/0252685 A1中描述了一种用于逐层地进行对象的多材料生产的粉末床熔合系统。粉末床熔合系统包括多种材料供应粉末进给器，所述多种材料供应粉末进给器能够在多材料零件的情况下实现要选择和使用的不同的粉末材料类型。材料沉积装置配置成在由零件床表面限定的区域中同时将多种材料沉积在一个层中。然后，热源将能量选择性地导向至材料，其中，所吸收的热能的量通过层的区域而变化。对于任何给定的层，被转移至零件床表面的材料的量可能超过形成该层将所需的量。为了避免不必要的材料浪费，该系统包括第二刀片，该第二刀片构造成将未到达零件床表面或者没有被扫描的任何材料移除。多余材料的移除可以在扫描每个层之后和/或完成零件时发生。然而，美国2014/0252685 A1没有提出用于不同类型材料的单独移除的特定解决方案。
因此，本发明的目的是提供一种用于同时使用两种或更多种不同材料逐层地进行打印的粉末床熔合系统，其中，多余粉末以可靠的方式被收集并且使得不同的材料的混合被最小化。
本发明的目的是由独立权利要求1实现的。从属权利要求描述了本发明的有利的发展和改型。
根据本发明，提供了一种粉末床熔合系统，该粉末床熔合系统用于使用热能来诱导材料的熔合以逐层地进行对象的多材料生产，该粉末床熔合系统包括：
-制造表面，在该制造表面上形成对象，该制造表面是再涂覆表面的子区域，
-材料沉积再涂覆器，该材料沉积再涂覆器配置成将材料中的至少一种材料在制造表面上沉积在一层中，
-能量源，该能量源配置成将能量选择性地导向至设置在制造表面上的材料，
-布置成存储第一材料的第一材料供应容器和布置成存储第二材料的第二材料供应容器，
其中，
-第一材料溢出容器设置在第二材料供应容器的侧部处，第一材料溢出容器具有第一挡板，该第一挡板将第一材料溢出容器与再涂覆表面分隔开，第一挡板具有打开位置和关闭位置，以及
-第二材料溢出容器设置在第一材料供应容器的侧部处，第二材料溢出容器具有第二挡板，该第二挡板将第二材料溢出容器与再涂覆表面分隔开，第二挡板具有打开位置和关闭位置，
-第一挡板和第二挡板设计成独立地打开和关闭，
-每个材料溢出容器布置在制造表面与材料供应容器中的一者之间。
本文中所提及的部件可能尤其涉及蒸汽或燃气涡轮机部件，比如刀片、叶片、护罩、屏蔽件，比如隔热屏蔽件、端头、片段、插入件、注入器、密封件、转换件、燃烧器、喷嘴、过滤器、孔口、衬套、分配器、圆顶状物、助推器、圆锥状物、喷枪、板状物、谐振器、活塞或任何相应的改装套件。替代性地，所述部件可以涉及另一部件或类似部件。
粉末床熔合系统包括制造表面，相邻于制造表面布置有粉末输送系统——比如材料供应容器。再涂覆表面可以包括形成在其中的多个开口以容纳材料供应容器。再涂覆表面还包括跨越构建平台的子区域、制造表面。可以作为粉末刮具或辊的再涂覆器在再涂覆表面上移动，从而因此将来自材料供应容器中的一者的材料沉积在制造表面的区域中。
本发明的基本思想是在每当施加不同的材料时能够将多余材料收集在单独的收集器中。这是借助于用于每种材料的材料溢出容器来完成，其中，材料溢出容器可以通过挡板彼此独立地打开和关闭，即第一挡板和第二挡板可以采用不同的位置。这样材料溢出容器可以以交替的方式关闭和打开，使得可以在使每次再涂覆步骤被优化之后进行双向粉末再涂覆以及多余或溢出的粉末的移除。
通过在沉积另一材料时在再涂覆器到达其他材料供应容器之前对用于材料中的每种材料的溢出容器进行布置，可以在多余材料分布在再涂覆表面上之前将多余粉末收集至用于不同材料的材料供应容器。这样有效地避免了第一材料和第二材料的混合。而且，材料供应容器的材料无论何时被用于特定的再涂覆步骤，都不需要复杂的设计来使材料供应容器关闭。
在优选实施方式中，关闭位置中的挡板与再涂覆表面对准，从而构建了从一个材料供应容器伸展至相反的材料溢出容器的一个平面再涂覆表面。
在又一优选实施方式中，提供下述装置：所述装置配置成在第二材料沉积在制造表面上时使第一挡板关闭并且使第二挡板打开，并且在第一材料沉积在制造表面上时使第二挡板关闭并且使第一挡板打开。这种装置包括例如根据要沉积的材料对挡板的状态进行控制的控制单元、以及用于使挡板在关闭位置与打开位置之间移动的机械装置。
优选地，该系统配置成根据待熔合的材料改变照射参数。因此，从能量源被导向的能量强度根据待熔合的材料的类型而变化。这样可以在材料供应容器中使用具有不同熔合特性的两种不同的材料。
优选地，照射参数根据待熔合的层的厚度而变化。在这种情况下，可以根据要同时熔合的层的数目来对从能量源导向的能量强度进行调节。
另外，照射参数的变化在对象的某些区域内、在对象的两个层之间或在对象的特定层内也是可能的。
仍然优选地，能量源包括激光或电子束。
在又一优选的实施方式中，第一材料和/或第二材料选自金属粉末、陶瓷粉末和聚合物粉末中的一者或更多者。
根据本发明，还提供了一种使用如上所述的粉末床熔合系统逐层地生产多材料对象的方法，其中，
-当第二材料沉积在制造表面上时，第一挡板关闭并且第二挡板打开；以及
-当第一材料沉积在制造表面上时，第二挡板关闭并且第一挡板打开。
优选地，该方法包括下述步骤：
-在制造表面上沉积来自材料供应容器中的一者的材料的至少一层，并将来自能量源的能量导向以分别地熔合每个层，以及
-在制造表面上沉积来自另一材料供应容器的材料的至少一层，并且来自能量源的能力分别地熔合每个层。根据该实施方式，来自两个不同材料供应容器、即来自两种不同材料的至少两个层设置成一层在另一层之上并被分别地熔合。而且，在设置并熔合第二材料的层之前，相同材料的很多层可以设置成一层在另一层的顶部上，并且每个层可以被分别地熔合。
在替代性实施方式中，该方法包括下述步骤：在制造表面上沉积来自材料供应容器中的一者的材料的至少两层，并将来自能量源的能量导向以熔合所述层。根据该替代性实施方式，相同材料的两层或更多层被同时熔合。
在又一替代性实施方式中，该方法包括以下步骤：
-在制造表面上沉积来自材料供应容器中的一者的材料的至少一层，
-在制造表面上沉积来自另一材料供应容器的材料的至少一层，以及
-将来自能量源的能量导向以熔合所述层。在这种情况下，不同材料的不同层沉积在彼此之上，并且所有层同时熔合。
现在参照附图仅通过示例的方式描述本发明的实施方式，附图中的唯一的图示意性地示出了用于对象的多材料生产的粉末床熔合系统的示例性设计。
尽管已经参照优选实施方式对本发明进行了详细描述，但是可以理解的是本发明不限于所公开的示例，并且在不脱离本发明的范围的情况下，本领域技术人员能够从所公开的示例中进行很多其他修改和变型。
该图示出了粉末床熔合系统2，该粉末床熔合系统2用于对象4、特别是固定涡轮机用的部件的多材料生产。粉末床熔合系统2包括再涂覆表面6，其中，跨越构建平台10的制造表面8形成再涂覆表面6的子区域。活塞(未示出)使构建平台10相对于再涂覆表面6竖向地移动。
与制造表面8相邻、在制造表面8的相反侧部上布置有第一溢出容器12和第二溢出容器14。在第二溢出容器14的侧部上设置有第一材料供应容器16并且在第一溢出容器12的侧部上设置有第二材料供应容器18，使得溢出容器12、14各自位于制造表面8与材料供应容器16、18中的一者之间。材料供应容器16、18含有不同类型的粉末，例如钛、铝、铜和不锈钢合金或聚合物材料比如聚碳酸酯、聚苯乙烯等
可以是粉末刮具或辊的再涂覆器20在再涂覆表面6上移动，从而因此将来自材料供应容器16、18中的一者的材料沉积在制造表面8上。
在再涂覆表面6中形成多个开口以容纳溢出容器12、14和材料供应容器16、18。每个材料供应容器16、18具有底表面19和如上所述的活塞(未示出)。这通过消除再涂覆器20在进给下一层粉末之前返回至一个侧部的需要而允许更有效的粉末进给。
粉末床熔合系统2还包括未在图中示出的能量源，该能量源配置成将能量选择性地导向至设置在制造表面8上的材料。
根据本发明，第一材料溢出容器12设置有第一挡板22，并且第二材料溢出容器14设置有第二挡板24。如图中所示，挡板22、24两者具有关闭位置和由虚线指示的打开位置。在关闭位置中，挡板22、24与再涂覆表面6对准，并且将相应的材料溢出容器12、14与再涂覆表面6分隔开。在挡板22、24的打开位置中，由再涂覆器20设置在再涂覆表面6上的材料可以落入相应的材料溢出容器12、14中。
挡板22、24由在附图中示意性地被示出为框的控制单元26打开和关闭。挡板22、24根据由再涂覆器20分布的材料而交替地打开和关闭。控制单元26配置成在从第二材料供应容器18取出的第二材料沉积在制造表面8上时使第一挡板22关闭并且使第二挡板24打开。另一方面，当来自第一材料供应容器16的材料被进给时，第二挡板24关闭并且第一挡板22打开。这样做是为了确保来自第一材料容器16的粉末没有落入第二材料溢出容器14中并且来自第二材料容器16的粉末没有落入到第一材料溢出容器12中。
关于不同材料的应用的顺序，通常每个层被分别地熔合。然而，粉末床熔合系统2可以以不同的操作方式使用，如下所述。
在第一操作方式中，相同材料的不同层沉积成在彼此之上，并且所有层都被单独地熔合。
在第三操作方式中，相同材料的相邻层被同时熔合。
在第三操作方式中，第一材料和第二材料沉积在制造表面上，并且能量源被导向至制造表面，以同时诱导第一材料和第二材料的熔合。
图1示出了包括两个材料供应容器16、18和两个材料溢出容器12、14的粉末床熔合系统2的示例性实施方式。然而，粉末床熔合系统2可以包括更多容器，例如与垂直于材料供应容器16、18和材料溢出容器12、14的再涂覆表面的平面中对准的额外的两个材料供应容器和额外的两个材料溢出容器。
Claims (11)
1.一种粉末床熔合系统(2)，所述粉末床熔合系统(2)用于使用热能来诱导材料的熔合以逐层地进行对象(4)的多材料生产，所述粉末床熔合系统(2)包括：
-制造表面(8)，在所述制造表面(8)处形成所述对象(4)，所述制造表面(8)是再涂覆表面(6)的子区域，
-材料沉积再涂覆器(20)，所述材料沉积再涂覆器(20)配置成将材料中的至少一种材料在所述制造表面(8)上沉积在一层中，
-能量源，所述能量源配置成将能量选择性地导向至设置在所述制造表面(8)上的所述材料，
-第一材料供应容器(16)和第二材料供应容器(18)，所述第一材料供应容器(16)布置成存储第一材料，所述第二材料供应容器(18)布置成存储第二材料，
其特征在于，
-在所述第二材料供应容器(18)的侧部处设置有第一材料溢出容器(12)，所述第一材料溢出容器(12)具有第一挡板(22)，所述第一挡板(22)将所述第一材料溢出容器(12)与所述再涂覆表面(6)分隔开，所述第一挡板(22)具有打开位置和关闭位置，以及
-在所述第一材料供应容器的侧部处设置有第二材料溢出容器(14)，所述第二材料溢出容器(14)具有第二挡板(24)，所述第二挡板(24)将所述第二材料溢出容器(14)与所述再涂覆表面(6)分隔开，所述第二挡板(24)具有打开位置和关闭位置，
-所述第一挡板(22)和所述第二挡板(24)设计成独立地打开和关闭，
-每个材料溢出容器(12、14)布置在所述制造表面(8)与所述材料供应容器(16、18)中的一者之间。
2.根据前述权利要求中的任一项所述的粉末床熔合系统(2)，
其特征在于，处于所述关闭位置的所述挡板(22、24)与所述再涂覆表面(6)对准。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的粉末床熔合系统(2)，
其特征在于，提供下述装置：所述装置配置成在所述第二材料沉积在所述制造表面(8)上时使所述第一挡板(22)关闭并且使所述第二挡板(24)打开，并且在所述第一材料沉积在所述制造表面(8)上时使所述第二挡板(24)关闭并且使所述第一挡板(22)打开。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的粉末床熔合系统(2)，
其特征在于，所述系统(2)配置成根据待熔合的所述材料来改变照射参数。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的粉末床熔合系统(2)，
其特征在于，所述系统(2)配置成根据待熔合的层的厚度来改变照射参数。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的粉末床熔合系统(2)，
其特征在于，所述能量源包括激光或电子束。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的粉末床熔合系统(2)，
其特征在于，所述第一材料和/或所述第二材料选自金属粉末、陶瓷粉末和聚合物粉末中的一者或更多者。
8.一种使用根据前述权利要求中的任一项所述的粉末床熔合系统(2)逐层地生产多材料对象(4)的方法，
其特征在于，
-当所述第二材料沉积在所述制造表面(8)上时，所述第一挡板(22)关闭并且所述第二挡板(24)打开；以及
-当所述第一材料沉积在所述制造表面(8)上时，所述第二挡板(24)关闭并且所述第一挡板(22)打开。
9.根据权利要求8所述的方法，
包括下述步骤：
-在所述制造表面(8)上沉积来自所述材料供应容器(16、18)中的一者的材料的至少一层，并将来自所述能量源的能量导向以分别地熔合每个层，以及
-在所述制造表面(8)上沉积来自另一材料供应容器(16、18)的材料的至少一层，并且来自所述能量源的能量分别地熔合每个层。
10.根据权利要求8或9中的任一项所述的方法，
包括下述步骤：在所述制造表面(8)上沉积来自所述材料供应容器(16、18)中的一者的材料的至少两层，以及将来自所述能量源的能量导向以熔合所述层。
11.根据权利要求8至10中的任一项所述的方法，
-在所述制造表面(8)上沉积来自所述材料供应容器(16、18)中的一者的材料的至少一层，
-在所述制造表面(8)上沉积来自另一材料供应容器(16、18)的材料的至少一层，以及
-将来自所述能量源的能量导向以熔合所述层。
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