CN114505494A - 对金属粉末床熔融过程中形成的污染物的就地收集 - Google Patents

Abstract

一种粉末床熔融系统，包括粉末床，该粉末床包括构建表面和真空系统。真空系统包括位于构建表面上方的收集装置。收集装置包括主体、在主体内限定的通路，其中通路终止于通道开口处，以及在靠近通道开口处与主体相连的颗粒保持器。形成部件的方法包括使用重涂器在粉末床上形成一层未熔化的金属粉末；将气体引入粉末床并用收集装置施加真空；用热源来熔化粉末床上部分未熔化的金属粉末层来形成部件层，并生成污染物；用气体和收集装置施加的真空来收集粉末床的污染物。

Description

对金属粉末床熔融过程中形成的污染物的就地收集

背景技术

粉末床熔融是通过将热源(如激光或电子束)扫描到沉积在构建托盘中一个未熔化金属或聚合粉末材料层上来形成三维物体的过程。热源将一部分粉末固结从而形成三维物体的一层。然后，将构建托盘相对于热源的焦点降低来容纳下一层未熔化的粉末，继而将该层未熔化粉末沉积到粉末床中现有的已熔化和未熔化的粉末上。三维物体随后逐层形成。残留在粉末床中未熔化的粉末有助于支撑正在成形的三维物体。

当把激光用作热源来熔化金属粉末时，夹带的粉末、汽化的金属和飞溅物有时会形成污染物。这些污染物可能会在三维零件中造成孔隙和其他老化，从而降低了未融化粉末的可复用性，阻塞了一部分激光透镜，并且增加了清洁构建舱室内表面所需的清洁时间。有多种原因可造成飞溅物，包括通过局部激光加热产生的气态蒸汽射流喷射未熔化粉末、通过局部激光加热产生的金属蒸汽射流喷射熔池冲的液滴、粉末烧结(包括固-液烧结和部分熔化的液-液烧结)、或者在熔池附近烧结但不会成为熔池一部分的液态粉末、以及因为零件缺陷(例如从孔隙中释放出的截留的气体)而造成的熔融物的飞溅喷射。飞溅物的化学成分可能因飞溅物的氧化而改变。

通常使用在粉末床上方流动的惰性气流把污染物从构建区域清除。一些飞溅物和污染物由气流夹带并带出构建区域。但是，较重的污染物可能会落回粉末床中。这些污染物可能会与未熔化的粉末混合或落在已熔化的粉末层上，之后可能造成空隙、孔隙或其他缺陷。

因此，虽然目前使用的收集工艺达到了其预期的目的，但仍需要一种新型经过改进的系统和工艺来就地收集金属粉末床熔融过程中形成的污染物。

发明内容

从几个方面来看，粉末床熔融系统包括具有构建表面和真空系统的粉末床。真空系统包括位于构建表面上方的收集装置。收集装置包括：主体；限定在主体中的通路，其中所述通路终止于通道开口；以及颗粒保持器，其在通道开口附近与所述主体相连。

进一步来看，颗粒保持器包括磁辊。

而更进一步来看，磁辊由电动机驱动。

进一步来看，颗粒保持器包括刷子。

而更进一步来看，刷子由涡轮驱动。

进一步来看，真空系统包括与主体连接的伸缩管。

从其他方面来看，离心泵在通道开口中与主体相连。

从其他方面来看，包括进料通道的重涂器装置由主体限定。

进一步来看，主体还包括底部，而粉末床熔融系统还包括位于主体底部或附近的调平装置。

从几个方面来看，粉末床熔融系统包括：粉末床，其包括构建表面；进料槽；可与在粉末床上方移动的进料槽相连的重涂器；位于粉末床上方的热源；真空系统以及与粉末床相连的供气系统。真空系统包括位于构建表面上方的收集装置。所述收集装置包括：主体；限定在主体中的通路，其中所述通路终止于通道开口；以及颗粒保持器，其在通道开口附近与主体相连。

进一步来看，重涂器和收集装置是一体的。

进一步来看，收集装置相对于粉末床是可移动的。

进一步来看，粉末床相对于收集装置是可移动的。

进一步来看，粉末床包括真空口，收集装置可以移动以使颗粒保持器与真空口对准。

从几个方面来看，一种形成部件的方法包括用重涂器在粉末床上形成一层未熔化的金属粉末。该方法还包括将气体引入粉末床并利用收集装置来施加真空。而该方法还包括用热源将未熔化金属粉末层的一部分熔化在粉末床上来形成部件层并产生污染物。该方法还包括利用气体和由收集装置施加的真空从粉末床收集污染物，其中将所述收集装置保持在小于距离所述热源的最大距离处。

进一步来看，重涂器和收集装置是一体的。

从其他方面来看，该方法还包括将未熔化的金属粉从进料槽送入重涂器中。

从其他方面来看，该方法还包括：首先熔化部件层的边框，然后熔化部件层的填充物。

进一步来看，该方法还包括将部件层的填充物划分成给定宽度的若干段，熔化填充物的第一段，然后熔化填充物的相邻段。

进一步来看，该方法还包括倾斜收集装置。

附图说明

此处描述的附图仅供说明之用，并不以任何方式限制本公开的范围。

图1是根据示例性实施例的金属粉末床熔融系统的示意图；

图2是根据示例性实施例的收集系统的示意图；

图3图示出了划分为层的三维部件，该部件由层形成；

图4图示出了根据示例性实施例的收集系统；

图5A示出了根据示例性实施例的收集装置；

图5B是根据示例性实施例的图5A中收集装置的前视图；

图6A示出了根据示例性实施例的收集装置；

图6B是根据示例性实施例的图6A中收集装置的前视图；

图7示出了根据示例性实施例的收集系统相对于部件和热源的定位；

图8示出了根据示例性实施例，在连续金属粉末床熔融系统中，相对于部件和热源的重涂器-收集装置的定位；

图9A示出了根据示例性实施例的包括收集系统的连续金属粉末床熔融系统；

图9B示出了根据示例性实施例的连续金属粉末床熔融系统中收集装置的旋转；

图9C示出了根据示例性实施例的连续金属粉末床熔融系统中收集装置的旋转；

图10A示出了根据示例性实施例的在金属粉末床熔融系统中接收金属粉末的重涂器-收集装置；

图10B示出了图10A的金属粉末床熔融系统，其中根据示例性实施例，重涂器-收集装置正在将一层金属粉末沉积到粉末床表面；

图10C示出了图10A的金属粉末床熔融系统，其中，根据示例性实施例，重涂器-收集装置正在收集污染物，金属粉末正在熔化；

图11示出了根据示例性实施例的利用金属粉末床熔融系统来形成部件的方法，其包括清除污染物；

图12A示出了根据示例性实施例划分为若干段的部件；以及

图12B示出了根据示例性实施例的给定宽度的部件。

具体实施方式

以下描述本质上仅是示例性的，并不旨在限制本公开、应用或使用。

本公开针对在金属粉末床熔融过程中对形成的污染物进行就地收集，包括系统、装置和方法。在一些方面，该装置包括限定收集口的真空通路。进一步来看，该装置包括粉末进料通路。

现在参考图1，图1示出了金属粉末床熔融系统100的一个方面。金属粉末床熔融系统100包括粉末床102，其在金属熔融过程中含有金属粉末104。金属粉末104以分层方式沉积在构建表面106上。当金属粉末104被位于粉末床102上的热源108加热并熔化时，形成金属粉末104污染物111。气体110在粉末床102中的金属粉末104的表面109上流动以清除污染物111。如上所述，污染物111包括例如飞溅物112、夹带金属粉末114和冷凝物116。

金属粉末104存储在图2所示的进料槽118中，并通过粉末床102上的重涂器120进入粉末床102，该重涂器在粉末床102上移动以在粉末床102中分配和整平未熔化的金属粉末。在另一方面，粉末床102相对于重涂器120移动。进料槽118与重涂器120相连。进一步来看，如本文进一步讨论的，进料槽118和重涂器120之间的连接可以是耦合的和不耦合的，从而允许重涂器120可以独立于进料槽118进行移动。金属粉末104包括但不限于一种或多种金属和金属合金，例如钛、铝、铁、铜、钨、镍、金、银、铂、铝化钛、钴铬合金、包括至少40％重量铁的铁合金以及包括至少30％重量镍的镍合金。在一些方面，粉末的粒度在1至150微米的范围内，包括15至60微米、45至105微米等范围内的所有值和范围。进一步来看，金属粉末在粘合剂中被输送到粉末床102，而更进一步来看，还节省了热源108。

气体110通过供气系统124供应到粉末床102，供气系统124与粉末床102相连。气体供应系统124包括以下一种或多种，例如，气罐、阀门、流量控制调节器和分流器。在一些方面，气体110是惰性气体，如氩气或氮气。

热源108包括例如激光器、电子束、诸如红外辐射等辐射热源或诸如热空气等对流热源。在一些方面，热源108可以在x-y轴上移动(见图2)。或者，热源108可以是固定的，并且通过一个或多个透镜(包括光学或磁聚焦透镜)在x-y轴上定向横过粉末床102的表面109。热源108扫描粉末床102中金属粉末104的表面109来熔化热源108扫描通路下的金属粉末104。

在一些方面，如图2所示，提供了一个或多个处理器128。处理器128a、128b(在本文中通常称为处理器128)解析计算机辅助绘图(CAD)文件，将部件130的数字表示分解为多个层132，其一个方面在图3中示出，并为每层132创建一组可执行命令。此外，处理器128执行可执行代码来打印部件130。在一些方面，把处理器128集成到金属粉末床熔融系统100中。在其他方面，一个或多个处理器128a独立于金属粉末床熔融系统100，将可执行命令提供给集成到金属粉末床熔融系统100的其他处理器128b。

除了图2之外，现在参照图4。图4示出了位于粉末床102的构建表面106上的污染物收集装置140的一个方面。在一些方面收集装置140包括真空系统142和颗粒保持器144。真空系统142包括：真空通路146，其由一个或多个管152或形成在收集装置140的主体148中的通道154限定；以及真空源156(在图2中示出)，例如真空泵；以及捕集器158(也在图2中示出)来收集污染物111。在所示的方面中，真空通路146终止于在收集装置140中限定的通道开口150处，其中污染物111被接收到真空系统142中。在所示的方面中，收集装置140包括伸缩管160，该伸缩管160限定真空通路146的一部分并连接到主体148。可伸缩管160允许收集装置140在粉末床102的表面109上移动。

颗粒保持器144在靠近通道开口150处连接到收集装置140的主体148。颗粒保持器144保留了太大而不能通过真空系统142收集的污染物111，或者从扫过粉末床102表面109的气流110中掉落的污染物。在图4所示的方面中，颗粒保持器144包括颗粒捕集器180，未被真空系统142带走的污染物111落入其中。

另一方面，如图5A和5B所示，颗粒保持器144包括刷子166，刷子166位于真空通路146的通道开口150中。刷子166将污染物111扫入真空通路146中。刷子166由真空驱动的涡轮机168旋转，该涡轮机通过真空通路146中的分支170耦合到真空源156。在一些方面，真空驱动的涡轮机168和刷子166通过啮合齿轮或传动带机械耦合。在所示方面中，刷子166包括排列在刷子周围的刷毛172。在一些方面，刷毛172是天然硬毛，可以减少或防止静电积聚。在其他方面，刷毛172可由聚合物材料，如尼龙，或其他合成材料形成。污染物111被刷子166捕获并吸入真空系统142的真空通路146中。

在另一方面，如图6A和6B所示，颗粒保持器144是磁辊174，用于捕获铁磁性污染物。磁辊174和粉末床102之间的距离可用于调整磁辊174拾取的颗粒的大小。通过将磁辊174和粉末床102保持足够的距离，磁辊174可以拾取大部分(如果不是全部)污染物111。磁辊174由电动机176驱动。应当注意图6A和图6B的电动机176可以代替图5A和图5B中的真空驱动涡轮机168，并且图5A和图5B中的真空驱动涡轮机可以代替图6A和图6B中的电动机176。图6A还示出了位于颗粒保持器144后面的颗粒捕集器180。颗粒捕集器180将污染物111收集在收集装置140的主体148内，该污染物太重，无法在真空中夹带。

图5A、图5B、图6A和图6B进一步示出了集成到重涂器120的收集装置140。重涂器-收集装置120,140包括在主体148中限定的进料通道188，用于将未熔化的金属粉末104进料到粉末床102中。在所示的方面中，重涂器-收集装置120,140的进料通道188位于未熔化金属粉末104进料槽118的下方，并且在各方面与未熔化金属粉末104进料槽118相连接，其中金属粉末104从进料槽118分配并进入进料通道188中。进料槽118包括阀门190，当进料通道188充满时，该阀门切断金属粉末104的流动。进一步来看(没有示出)，辅助进料槽被集成到重涂器-收集装置120、140中。进料通道188终止于在重涂器-收集装置120、140的底部184或靠近底部184限定的开口192处。图5A和图6A还示出了调平装置194。在一些方面，调平装置194包括位于收集装置140底部184的突起物，如固定的球状突起物或旋转滚轴，该突起物沿着收集装置140的长度L(见图5B)延伸。在其他方面，调平装置194可以是有角度的突起物或具有另一几何形状的突起物。

在一些方面，如图2和图4所示，收集装置140是收集系统200的一部分，该收集系统200包括气体供应系统124、真空系统142以及在粉末床102的壁204中限定的真空端口202。真空端口202通过端口通路206与真空源156耦合，端口通路206由管子或管道限定。收集装置120与真空端口202对齐，这样就可以通过收集系统200清除颗粒捕集器180中存在的污染物111。

图7示出了组合的重涂器-收集装置120、140的另一方面。在所示的方面中，离心泵162在重涂器-收集装置120、140中限定的真空通路146的通道开口150中与重涂器-收集装置102、140的主体148相连。离心泵162可以由电动机或真空通路146中的真空压力驱动。在一些方面，离心泵162的速度多变，从而适应重涂器-收集装置120、140和热源108之间距离d的变化。

图8示出了与连续移动粉末床102一起使用的组合式重涂器-收集装置120,140的另一方面。在此方面，粉末床102限定了一条径向线r，并围绕一个中心点C旋转。重涂器-收集装置120、140保持静止，在某些方面与粉末床102的径向线r平行。在所示的方面中，可以在金属粉末床104中于的粉末床102周围一层一层地形成几个部件130。如图所示，部件130不必相同，但可以同时形成各种部件130。此外，在这个方面，气体110在粉末床102上流动并流向且垂直于重涂器-收集装置120、140的长度L。将热源108保持在与重涂器-收集装置120、140的距离d的给定范围内。当粉末床102经过重涂器-收集装置120、140下方时，重涂器-收集装置120、140在新层中沉积额外的金属粉末104。

图9A至图9C示出了与连续移动的粉末床102一起使用的收集装置140的另一方面。粉末床102再次限定了一条径向线r，并围绕一个中心点C旋转。在这个方面，收集装置140相对于粉末床102的径向线r以角度Y旋转，从而适应所形成的部件130的位置以及热源108的位置。在一些方面，角度Y在+/-0度至+/-45度的范围内，包括其中的所有值和范围。与图8类似，在金属粉末104中，可以在粉末床102周围一层一层地形成若干部件130。部件130不必相同，但可同时形成多种部件130。此外，在这个方面，气体110以平行于收集装置140的长度L的角度流过粉末床102。然而，应当注意的是，可以使用其他的气流角度。如图4所示，在某些方面，借助于收集装置140的旋转，将热源108保持在距收集装置140的距离d的给定范围内。此外，在这个方面，重涂器120独立存在并且在收集装置的上游。重涂器120将金属粉末104沉积在包括粘合剂的糊剂218中。在某些方面，加热器220用于清除粘合剂，留下金属粉末104。

图10A、图10B、图C和图11示意性地示出了从粉末床102清除污染物111的过程。在一些方面，该过程是较大过程300的一部分，该较大过程300是将金属粉末104送入粉末床102中、收集污染物111并形成部件130。在一些方面，过程300从块302开始，往重涂器120中加入金属粉末104。在这些图示中，重涂器120和收集装置140集成为一个单独的重涂器-收集装置120,140；然而，应当注意的是，可以使用两种不同的设备。金属粉末104从进料槽118接收并进入到进料通路188。一旦进料通路188装满，进料槽118中的阀门190即关闭。

在块304处，重涂器-收集装置120、140沿箭头A的方向从进料槽118移开，并且金属粉末104被涂覆在粉末床102的表面上并且覆盖在可能存在于粉末床102上的任何部件130上，形成一层未熔化的金属粉末104。在其他方面，粉末床102可以相对于前文所述的重涂器-收集装置120、140移动。

在块306，收集系统200被激活，其中气体110被引入并流过粉末床102的表面109，并且激活真空源156来向真空通路146施加真空(见图2)。如图10C所示，气体在重涂器-收集装置120、140的移动方向流过粉末床102的表面109。然而，应当注意到，气体110可以一定的角度流动，该角度包括垂直于(如图4所示)重涂器-收集装置120、140的移动方向。在块308处，热源108(如图所示方面的激光器)被激活，并且在块310处，金属粉末104熔化，如图1所示，形成部件130的层132(图3所示)。在块310处，在金属粉末熔化期间，重涂器-收集装置120、140相对于热源108移动，保持距热源108的距离小于最大距离d，从而捕获污染物111，并且在某些方面距粉末床102中的金属粉末104的表面109上的热源108距离小于最大距离d。另外，气体流速和真空压力可以根据例如热源108与重涂器-收集装置120、140之间的距离d来调节。重涂器-收集装置120、140沿箭头B的方向向后移动至进料槽118。在所示的方面中，当热源108正在形成部件130时，重涂器-收集装置120、140朝着进料槽118移动。然而，在本文进一步描述的其他方面，重涂器-收集装置120、140保持静止，并且粉末床102相对于重涂器-收集装置120、140移动。任选地，在块312处，留在颗粒捕集器180中的污染物111通过真空端口202清除，该真空端口被激活并且捕集器180被清理。还应当注意的是，气体110和真空源156可在热源108被激活之前或之后被激活，并且在热源108被终止时或之后被终止。因此，块306和308可能会重叠。对部件130的每一层132重复该过程，直到完成部件130。再次注意，可以同时形成多个部件130。例如图10A至图10C示出了一次形成了三个部件。然而，可以形成单个部件130，或可以一起形成多个部件130，这取决于部件130的大小和粉末床102的大小。

在一些方面，如图10C所示，随着收集装置140或重涂器-收集装置120、140之间距离d的变化，在真空源156和通道开口150之间调节真空压力，其中距离d的增加可能伴随真空压力的增加，距离d的减少可能伴随真空压力的降低。过多的真空压力会干扰粉末床102中的金属粉末104，过少的真空压力不会拾取污染物111。

此外，为了保持收集装置140或重涂器-收集装置120、140之间的最大距离小于d，如图12A所示，在创建用于熔化每个层132的可执行指令时，处理器128将部件每一层132的填充物138划分为给定宽度的离散段136。在某些方面中，为了帮助保持部件的完整性，对可执行代码进行编程以首先将给定层132的边框与热源熔化，然后将每个层132的填充物熔化。每段136被热源108连续不断地扫描，从最靠近收集装置140的段136开始，然后移动到相邻段。对可执行代码进行编程，并扫描每个层132，从而在热源108扫描段136时，将重涂器-收集装置120、140定位在距热源108的最大距离d内。在一些方面，重涂器-收集装置120、140之间的最大距离d在1毫米至20毫米的范围内，包括其中的所有值和范围。

此外，在一些方面，热源108的扫描图案相对于重涂器-收集装置120,140的前缘成角度Z来打印填充物138。填充物在本文中理解为形成部件130的内部体积或支撑结构。在一些方面，角度Z随每一层132而变化，例如相对于重涂器收集装置120、140变化+/-0度至+/-60度。避免了在段136之间扫描热源108时的重叠。图12B示出了具有宽度w的部件130，该宽度w是段136的整个宽度，在1毫米至20毫米的范围内，包括其中的所有值和范围。在这种情况下，在移动收集装置140之前将部件130的整个层132熔化。

当前要求保护的系统和方法的好处在于，飞溅物的就地收集减少了飞溅物在粉末床和透镜上的扩散，防止了污染物通过粉末床、在粉末床室上以及透镜上的扩散。另一个优点是，收集装置改善了未熔化粉末的可重复使用性，降低了孔隙率，并改善了粉末的可回收性。而另一个优点是，收集装置还可以在相对较大的建筑区域中使用。

本公开的描述本质上仅是示例性的，并且不偏离本公开主旨的变化均在本公开的范围内。这样的变化不应被视为背离本公开的技术方案和范围。

Claims (10)

1.一种粉末床熔融系统，包括：

粉末床，包括构建表面；以及

真空系统，包括位于构建表面上方的收集装置，所述收集装置包括：

主体；

在主体中限定的通路，其中所述通路终止于通道开口处；以及

颗粒保持器，在靠近所述通道开口处与所述主体相连。

2.根据权利要求1所述的粉末床熔融系统，其中所述颗粒保持器包括磁辊。

3.根据权利要求2所述的粉末床熔融系统，其中所述磁辊由电动机驱动。

4.根据权利要求1所述的粉末床熔融系统，其中所述颗粒保持器包括刷子。

5.根据权利要求4所述的粉末床熔融系统，其中所述刷子由涡轮机驱动。

6.根据权利要求1所述的粉末床熔融系统，其中所述真空系统包括与所述主体相连的伸缩管。

7.根据权利要求1所述的粉末床熔融系统，还包括离心泵，其在所述通道开口处与所述主体相连。

8.根据权利要求1所述的粉末床熔融系统，还包括重涂器装置，其包括由所述主体限定的进料通路。

9.根据权利要求1所述的粉末床熔融系统，其中所述主体还包括底部，并且所述粉末床熔化系统还包括位于所述主体底部或靠近所述主体底部的调平装置。

10.一种形成部件的方法，包括：

使用重涂器在粉末床上形成一层未熔化的金属粉末；

将气体引入粉末床，并使用收集装置来施加真空；

使用热源将粉末床上未熔化的金属粉末层的一部分熔化来形成部件层，并生成污染物；以及

使用气体和由收集装置施加的真空来从粉末床收集污染物，其中所述收集装置距所述热源的距离保持在小于最大距离处。

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