CN114025944B - 构建材料装载 - Google Patents

Abstract

根据一个方面，提供了一种用于将粉末装载到粉末供给腔室中的装置。所述装置包括向供给腔室供给粉末的粉末供给模块、一组粉末压实元件和控制器。所述控制器用于：控制粉末供给模块向供给腔室供给粉末；控制压实元件来分布和压实所供给的粉末；以及控制供给平台的高度以及到供给腔室的粉末流，从而向供给腔室装载粉末。

Description

构建材料装载

技术领域

本公开总体涉及三维(3D)打印技术领域，具体涉及用于将粉末装载到粉末供给腔室中的装置、将构建材料装载到供给腔室中的方法和计算机可读介质。

背景技术

存在多种类型的三维(3D)打印技术，这些三维打印技术允许基于3D对象模型通过构建材料的选择性固化来生成3D对象。

一种技术在构建腔室中的构建平台上形成粉末状或颗粒状的构建材料的连续层，并且选择性地将可固化的粘结剂试剂施加在每层的将形成正在被生成的3D对象的一部分的区域上。可固化的粘结剂试剂必须被固化以形成足够坚固的生坯零件，该生坯零件可以从构建腔室移除、清洁、并且然后在烧结炉中烧结以形成最终的3D对象。

发明内容

根据本公开的一方面，提供了一种用于将粉末装载到粉末供给腔室中的装置，所述供给腔室包括供给平台，所述装置包括：粉末供给模块，所述粉末供给模块用于将粉末供给到供给腔室；一组粉末压实元件；致动器，所述致动器用于移动所述压实元件来分布和压实粉末，所述致动器用于以下中的一者：使所述压实元件振动；和使所述压实元件旋转；控制器，所述控制器用于：控制所述粉末供给模块向所述供给腔室供给粉末；控制所述压实元件来分布和压实所供给的粉末；以及控制供给平台的高度以及到所述供给腔室的粉末流以向所述供给腔室装载粉末；其中，所述控制器用于控制所述粉末供给模块、所述压实元件和所述供给平台的高度，以预定的速度降低所述供给平台并且以预定的速率向所述供给腔室供给粉末，同时继续移动所述压实元件。

根据本公开的另一方面，提供了一种将构建材料装载到供给腔室中的方法，所述方法包括：将粉末装载装置和粉末供给腔室移动到接合位置中；将供给平台定位在初始装载位置处；通过进料通道将粉末供给到所述供给腔室中；移动一组压实元件以分布和压实邻接所述压实元件的构建材料；和以预定的速度降低所述供给平台并且以预定的速率向所述供给腔室供给粉末，同时继续移动所述压实元件。

根据本公开的另一方面，提供了一种计算机可读介质，计算机可执行指令被编码在所述计算机可读介质上，当由处理器执行所述计算机可执行指令时，所述计算机可执行指令使得所述处理器：通过进料通道将粉末供给到供给腔室中；移动一组压实元件以分布和压实邻接所述压实元件的构建材料；以预定的速度降低所述供给平台并且以预定的速率向所述供给腔室供给粉末，同时继续移动所述压实元件。

附图说明

现在将参考附图仅通过非限制性的示例来描述示例，在附图中：

图1A至图1C示出了根据一个示例的构建材料装载装置；

图2A和图2B分别示出了根据一个示例的处于脱离构型和处于接合构型的构建材料装载装置和构建材料供给腔室；

图3示出了根据一个示例的构建单元；

图4A至图4F示出了示例构建材料装载过程；

图5是概述操作构建材料装载装置的示例方法的流程图；

图6示出了根据一个示例的构建材料装载装置；

图7A至图7E示出了示例构建材料装载过程；

图8是概述操作构建材料装载装置的示例方法的流程图；

图9A至图9C示出了压实元件的示例；

图10示出了压实元件的示例布置；以及

图11示出了可旋转压实元件的示例布置。

具体实施方式

一些3D打印系统在构建腔室内的构建平台上(或先前形成的层上)散布一体积的粉末状构建材料(下文中通常称为粉末)，诸如粉末状金属、陶瓷或塑料粉末。

一些系统在作为可移动构建单元的一部分的构建腔室中生成3D对象。构建单元可以包括一个或多个供给腔室，在该一个或多个供给腔室中装载来自粉末管理站的粉末。构建单元然后可以被移动到3D打印机，该3D打印机使用(多个)供给腔室中的粉末以通过合适的增材制造技术在构建腔室中生成3D对象。

供给腔室可以是具有可移动供给平台作为基座的、顶部敞开的长方体形状的腔室。最初，基座被移动到供给腔室的底部，以允许粉末被装载到该供给腔室中。为了供给一体积的粉末以散布在构建平台上，供给平台被提升适当的量以将一体积的粉末提升到供给腔室的顶部上方。重涂覆器机构(诸如，辊或刮板)然后将所提升的粉末散布在构建平台上，以在该构建平台上形成粉末层。

在一些系统中，构建腔室和供给腔室可以集成到3D打印系统中。

通常，粉末在单个位置处被倒入到供给腔室中，这导致在供给腔室的顶部处形成大致金字塔形的粉末堆。堆的高度将与诸如所使用的粉末的流动性和休止角之类的因素相关。使用者可以在装载之后手动地使供给腔室的表面平整，或者也可以使用重涂覆器来自动化该过程。

然而，发明人已经观察到，被装载到供给腔室中的粉末的密度在供给腔室的顶部与底部之间可以变化很大。例如，已经观察到，与在供给腔室底部处的通常可以更紧密和更致密的粉末相比，在供给腔室的顶部处的粉末通常可以具有相对较低的密度(例如，它可以更轻)。附加地，在供给平台向上移动以从供给腔室供给粉末时，供给平台的向上移动也倾向于压实该供给腔室中的粉末，从而导致最初供给的粉末比后来供给的粉末更少地被压实。

另外，如果供给腔室是可移动构建单元的一部分，已经注意到，该构建单元的移动(例如，在该构建单元在粉末管理站与3D打印机之间移动时)可以导致供给腔室中的振动和/或移动，这可以以不可预测的方式压实供给腔室中的粉末。

发明人还观察到，当在构建平台上形成粉末层时，从其中粉末具有不均匀的密度的供给腔室供给粉末可能产生问题。例如，从供给腔室的顶部散布的一体积的粉末可以比从供给腔室的底部散布的粉末包含更少的粉末颗粒。

这些问题特别地涉及粉末状金属粉末，但也可以涉及其他类型的粉末，诸如塑料和陶瓷粉末。

本文公开了用于将粉末装载到供给腔室中使得粉末在供给腔室内具有更均匀的密度的装置和将粉末装载到供给腔室中使得粉末在供给腔室内具有更均匀的密度的方法的示例。

现在参考图1A，示出了根据一个示例的用于将粉末装载到供给腔室中的粉末装载装置100的简化的等距视图。图1B示出了通过平面A-A截取的装置100的截面视图，并且图1C示出了装置100的相对应的仰视图。

装置100包括基座102，多个压实元件104连接到该基座。在一个示例中，每个压实元件104可以采用基本上刚性的材料(诸如，铝、钢或塑料)的薄片的形式。在所示的示例中，每个压实元件104安装在基座102的下侧上，并且在基座下方竖直地延伸。在所示的示例中，压实元件104垂直于基座100的纵向轴线对齐。在图1A中示出了四个压实元件104，然而在其他示例中可以提供其他数量的压实元件。在所示的示例中，压实元件104被等距地隔开，然而在其他示例中可以使用其他间隔。在所示的示例中，每个压实元件104横跨基座102的整个宽度，然而在其他示例中压实元件104可以横跨小于基座102的整个宽度。在一个示例中，可以使用刚性的连接器互连每个压实元件的基座，以增加每个压实元件104的刚性。

联接到基座102的顶部的是进料通道106，该进料通道与粉末储存器(未示出)流体连通，该粉末储存器例如是定位在装置100上方的料斗。进料通道106穿过基座102，以允许粉末被供给(例如，在重力的作用下)到粉末供给腔室，压实元件104插入在该粉末供给腔室中。在进料通道106中设置可控阀108，该可控阀用于在控制器112的控制下停止、启动或以其他方式调控通过进料通道106的粉末流。

机械致动器110设置在基座102上，该机械致动器用于移动压实元件104，以在控制器112的控制下使得压实元件104分布和压实与该压实元件接触的粉末。在所示的示例中，致动器110是振动器，该振动器向基座102施加振动，并且因此向压实元件104中的每一个施加振动，以至少部分地使邻接压实元件104的粉末流体化。粉末的流体化使得粉末在重力的作用下使自身基本上均匀地压实和分布，并且使得具有基本上水平的上表面。在其他示例中，致动器可以联接到压实元件104中的每一个。

控制器112包括存储器，在该存储器中存储粉末装载控制指令114，当由控制器执行该粉末装载控制指令时，该粉末装载控制指令控制该装置100如本文所述那样进行操作。

如图2中所示，装置100被设计成与供给腔室接合。图2A示出了被定位在粉末供给单元200上方的脱离位置的装置100的截面侧视图。供给单元200由侧壁202和可竖直移动的供给平台204形成，该可竖直移动的供给平台形成供给腔室206的基座。在脱离位置中，压实元件104的远端定位在供给腔室206的外部。

图2B示出了与供给单元200处于接合位置的装置100的侧视图，该装置与供给单元处于接合位置使得该装置100的基座102与供给单元200的顶部接触或者在该供给单元的顶部的预定距离内，并且其中压实元件104的远端定位在供给腔室206内。在接合之前，构建单元的供给平台204定位在初始装载位置，该初始装载位置处在供给腔室206的顶部之下与压实元件104的高度相同的距离或略大于该压实元件104的高度的距离。以这样的方式，压实元件104可以与供给平台204接触，或者可以在该供给平台上方(例如，上方0.5cm、上方1cm、上方2cm、上方5cm、上方10cm)。当在接合位置时，可以在装置100和供给单元200之间形成电接触，以使控制器112能够控制该供给平台204的位置。

在一个示例中，装置100可以向下朝向供给腔室206能够移动。在另一示例中，供给单元200可以向上朝向装置100能够移动。在一个示例中，装置100可以包括接口(未示出)以接收供给单元200，并且该装置可以包括合适的移动机构以将装置100和供给单元200相对于彼此移动到接合位置。在一个示例中，移动机构可以包括升降机构，该升降机构用于例如将供给腔室升降到与装载装置100的接合位置。在所示的示例中，当在接合位置时，在基座102与供给腔室206之间形成基本上气密的密封。形成良好的密封有助于防止粉末在粉末装载操作期间到空中，这有助于便利于粉末装载。

在一个示例中，供给单元200可以是构建单元300的一部分，如图3中所示。在这个示例中，一对供给单元200可以设置在构建腔室302的任一侧上。构建腔室304包括可竖直移动的构建平台304，在该可竖直移动的构建平台上由供给单元200中的至少一个供给单元所供给的粉末可以通过合适的层形成模块散布在该构建平台304上，以形成将由3D打印系统处理的粉末层。

现在将参考图4A至图4E以及附加参考图5的流程图来描述装置100的操作。

最初，装置100和供给单元200被定位在接合位置，如图4A所示。这可以例如通过装置100和供给单元200中的任一者或两者的自动移动(例如，在控制器112的控制下)，或通过任何其他合适的机构来实现。如图4A中所示，对粉末402的供给从粉末储存器(未示出)连接到进料通道106。

在框502处，控制器112控制该供给平台204移动到上部装载位置。在一个示例中，这可以由操作者在供给单元200与装置100接合之前执行，在这种情况下，可以从一些示例中省略框502。上部装载位置是当供给平台200和装置100处于接合位置时该供给平台204与压实元件104的基座接触的位置、或者是背离压实元件的基座的非常接近(例如，小于0.5cm、或小于1cm、或小于2cm、或小于5cm)的位置。

在框504处，控制器112控制该阀108以向供给腔室206供给某一量的粉末402，如图4B中所示。在一个示例中，所供给的粉末402的量可以是可以基于供给腔室206的尺寸的预定体积的粉末。在一个示例中，所供给的粉末的量可以在大约1000cm³到3000cm³的粉末的范围内，然而在其他示例中可以供给其他量。在一个示例中，控制器112可以打开该阀108持续一时间量，以允许预定量的粉末流入到供给腔室206中。在另一示例中，可以使用定量或测量机构，以允许控制器112使预定量的粉末流入到供给腔室中。

在框506处，控制器112控制致动器110来移动压实元件104，以沿着供给腔室206的长度和宽度来分布所供给的粉末。在一个示例中，致动器是使得振动传递到压实元件104的振动器(诸如，由马达旋转的偏心质量)。在一个示例中，振动可以具有大约20Hz与100Hz之间的频率，这使得压实元件104例如通过使所供给的粉末流体化来移动所供给的粉末，从而将所供给的粉末分布在供给腔室206内，使得所供给的粉末形成具有基本上均匀密度的基本上平坦的粉末体积。基本上均匀的密度是指从供给腔室的顶部到底部变化小于约20％、或小于约10％、或小于约5％的密度。在一个示例中，控制器112控制致动器110来移动压实元件104持续预定量的时间，诸如持续1秒、持续2秒、持续5秒、持续10秒、持续30秒、持续60秒、持续120秒或持续240秒。

在框508处，控制器112确定粉末装载是否已经完成。在一个示例中，控制器112可以通过确定供给平台何时已经移动到预定位置(诸如，供给平台的最低位置或其他合适的位置)来进行这种确定。在另一示例中，控制器112可以通过确定预定体积的粉末何时已经被供给到供给腔室206来进行这种确定。如果控制器112确定该装载过程已经完成，则该装载过程停止(框512)。否则，控制器112控制该供给平台降低预定高度(框510)，并且重复该过程。在一个示例中，该预定高度是大约2cm，或者大约5cm，或者大约10cm。如图4D中所示，控制器112再次控制该阀108以允许另一预定量的粉末流入到供给腔室206中，并且该控制器控制压实元件104以将新供给的粉末分布在先前所分布和压实的粉末的顶部上，如图4E中所示。

在装载过程结束时，供给平台204定位在该供给平台的最低位置，并且在供给腔室206中提供基本上均匀压实的粉末体积，如图4F中所示。基本上均匀的密度是指从供给腔室的顶部到底部变化小于约20％、或小于约10％、或小于约5％的密度。

上面参考图5所描述的装载过程能够实现批装载过程，在该批装载过程中，粉末被供给到供给腔室，并且压实元件104以一系列批次分布和压实该粉末。

在另外的示例中，如图6中所示，第一粉末水平传感器602设置在压实元件104中的一个压实元件上的第一位置处，并且第二粉末水平传感器604设置在压实元件中的相同的压实元件或不同的一个压实元件上的在该第一位置高度以下的第二较低位置处。在一个示例中，粉末水平传感器是电容传感器，该电容传感器使得控制器112能够检测粉末何时与传感器接触。在其他示例中，可以使用其他类型的传感器，诸如感应传感器。

现在将参考图7A至图7E并且附加参考图8的流程图来描述带有粉末水平传感器602和604的装置100的操作。

最初，装置100和供给单元200定位在接合位置，如图7A中所示。这可以例如通过装置100和供给单元200中的任一者或两者的自动移动(例如，在控制器112的控制下)，或通过任何其他合适的机构来实现。如图7A中所示，对粉末402的供给从粉末储存器(未示出)连接到进料通道106。

在框802处，控制器112控制供给平台204移动到上部装载位置。在一个示例中，这可以由操作者在供给单元200与装置100接合之前执行，在这种情况下，可以从一些示例中省略框502。

在框804处，控制器112控制该致动器110来启动压实元件104，例如通过使压实元件振动。在框806处，控制器112控制该阀108打开，并且允许粉末402流入到供给腔室206中，直到下部粉末水平传感器604检测到粉末的存在，如图7B中所示。在框808处，控制器112等待预定的时间(诸如，10秒、30秒、60秒、120秒或240秒)，同时通过压实元件204来分布和压实被供给到供给腔室206的粉末，如图7C中所示。

在框810处，控制器112控制供给平台204的致动器以开始以预定的速度向下移动，并且同时该控制器控制该阀108以预定的流率供给粉末。可以选择预定的速度和粉末流率，使得被供给到供给腔室的粉末在连续的粉末供给和供给平台的降低操作期间被充分地分布和压实。

在框812处，控制器112确定在上部传感器602处是否检测到粉末。如果是，则控制器112使得该过程暂停进一步粉末的供给，同时压实元件104继续分布和压实所供给的粉末。

在框814处，控制器112确定粉末装载是否已经完成，如图7E中所示。在一个示例中，控制器112可以通过确定供给平台何时已经移动到该供给平台的最低位置来进行该确定。在另一示例中，控制器112可以通过确定预定体积的粉末何时已经被供给到供给腔室206来进行该确定。如果控制器112确定装载过程已经完成，则该装载过程停止(框816)。否则，控制器112控制供给平台继续以预定的速度降低，同时以预定的速率向供给腔室供给粉末。

在装载过程结束时，供给平台204定位在该供给平台的最低位置，并且在供给腔室206中提供基本上均匀压实的粉末体积，如图4F中所示。上面参考图8所描述的装载过程能够实现连续装载过程，在该连续装载过程中，粉末被供给到供给腔室，并且压实元件104以大致连续的过程分布和压实该粉末。

在一个示例中，压实元件104中可以在该压实元件中具有一组孔口，如图9A和图9B中所示。在图9A中，每个压实元件104具有以网格构型布置的一系列孔口。在图9B中，每个压实元件具有以竖直构型布置的一系列槽。在其他示例中，可以提供孔口和/或槽的其他构型。孔口和/或槽的存在使得粉末能够在压实元件之间流动，这已经被示出提高了在供给腔室中发生的粉末的分布和压实的速度。在图9C中，示出了压实元件104的另外的示例，该压实元件在该元件的中部具有实心部分，并且在该元件的下部部分具有一组孔口。利用这种布置，中间区段用于压实粉末，而下部部分用于分布粉末。应当理解的是，可以使用压实元件的其他设计。

在另外的示例中，如图10中所示，可以倾斜于基座102的纵向轴线来布置压实元件104。

在又另外的示例中，如图11中所示，压实元件104可以铰接在基座102处，以使压实元件104中的每一个能够绕着铰接件旋转。例如，致动器110可以是马达，该马达联接到每个压实元件，以在控制器112的控制下围绕压实元件的旋转轴线来旋转每个压实元件。在这个示例中，是压实元件的旋转导致粉末在供给腔室内的分布和压实。在又另外的示例中，可以设置振动器，以在压实元件104旋转时向这些压实元件施加振动，从而进一步增强粉末在供给腔室中的分布和压实。

在一个示例中，粉末装载装置100可以是粉末管理站的一部分。在另一示例中，粉末装载装置100可以是3D打印机的一部分。

应当理解的是，本文所描述的示例可以以硬件、软件、或硬件和软件的组合的形式来实现。一些示例提供了一种包括用于实施如任何前述权利要求所要求保护的系统或方法的代码的程序、和一种存储这种程序的机器可读存储装置。

本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征，和/或如此公开的任何方法或过程的所有步骤可以以任何组合(除了这样的特征和/或步骤中的至少一些相互排斥的组合)进行组合。

除非另外明确说明，否则本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由用于相同、等同或类似目的的替代性特征代替。因此，除非另外明确说明，否则所公开的每个特征仅仅是通用系列的等同或类似特征的一个示例。

Claims (12)

1.一种用于将粉末装载到粉末供给腔室中的装置，所述装置包括：

粉末供给模块，所述粉末供给模块用于将粉末供给到供给腔室；

一组粉末压实元件，所述压实元件采用薄片的形式，并且具有孔口和/或槽；

致动器，所述致动器用于移动所述压实元件来分布和压实粉末，所述致动器用于以下中的一者：使所述压实元件振动；和使所述压实元件旋转；以及

控制器，所述控制器用于：

控制所述粉末供给模块向所述供给腔室供给粉末；

控制所述压实元件来分布和压实所供给的粉末；以及

控制供给平台的高度以及到所述供给腔室的粉末流以向所述供给腔室装载粉末。

2.根据权利要求1所述的装置，还包括用于使所述装置和所述供给腔室相对于彼此移动的机构，从而使所述装置和所述供给腔室在第一接合位置与第二脱离位置之间移动，在所述第一接合位置中，所述压实元件的远端定位在所述供给腔室内，在所述第二脱离位置中，所述压实元件的所述远端定位在所述供给腔室的外部。

3.根据权利要求1所述的装置，还包括基座，所述粉末压实元件连接到所述基座，并且设置进料通道穿过所述基座，所述进料通道用于将粉末从所述粉末供给模块供给到所述供给腔室。

4.根据权利要求3所述的装置，还包括用于使所述装置和所述供给腔室相对于彼此移动的机构，从而使所述装置和所述供给腔室在第一接合位置与第二脱离位置之间移动，在所述第一接合位置中，所述压实元件的远端定位在所述供给腔室内，在所述第二脱离位置中，所述压实元件的所述远端定位在所述供给腔室的外部，其中，当在所述第一接合位置中时，所述基座抵靠所述供给腔室密封，以基本上气密地密封所述供给腔室。

5.根据权利要求3所述的装置，其中，所述控制器用于：

控制所述进料通道中的阀以向所述供给腔室供给经定量的量的粉末；

控制所述致动器来移动所述压实元件以分布和压实所供给的粉末；

控制所述供给平台降低预定的高度；以及

重复上述过程，直到所述控制器确定所述供给平台处在预定的位置处。

6.根据权利要求1所述的装置，还包括在压实元件上的第一位置处的第一粉末传感器和在压实元件上的第二较低位置处的第二粉末传感器，并且其中所述控制器用于：

启动所述致动器来移动所述压实元件；

向所述供给平台供给第一量的粉末；

等待预定的时间长度；以及

以预定的速度降低所述供给平台，同时以预定的速率向所述供给腔室供给粉末，直到所述供给平台到达预定的位置。

7.一种将构建材料装载到供给腔室中的方法，所述方法包括：

将粉末装载装置和粉末供给腔室移动到接合位置中；

将供给平台定位在初始装载位置处；

通过进料通道将粉末供给到所述供给腔室中；

移动一组压实元件以分布和压实邻接所述压实元件的构建材料，所述压实元件采用薄片的形式，并且具有孔口和/或槽。

8.根据权利要求7所述的方法，还包括：将所述供给平台降低预定的距离；向所述供给腔室供给另外量的构建材料；以及移动所述一组压实元件，以将所述另外量的构建材料分布和压实在先前所分布和压实的构建材料的顶部。

9.根据权利要求7所述的方法，其中，移动所述压实元件包括以下中的一者：使所述压实元件振动；和使所述压实元件旋转。

10.根据权利要求9所述的方法，还包括：以预定的速度降低所述供给平台；以及以预定的流率向所述供给腔室供给构建材料，同时继续移动所述压实元件。

11.根据权利要求7所述的方法，还包括：当所述供给平台到达预定的位置时，停止构建材料的供给和所述压实元件的移动。

12.一种计算机可读介质，计算机可执行指令被编码在所述计算机可读介质上，当由处理器执行所述计算机可执行指令时，所述计算机可执行指令使得所述处理器：

通过进料通道将粉末供给到供给腔室中；

移动一组压实元件以分布和压实邻接所述压实元件的构建材料，所述压实元件采用薄片的形式，并且具有孔口和/或槽；

降低供给平台；以及

向所述供给腔室供给另外的粉末。