CN115023307A - 具有用于在重涂覆期间去除污染物的气体交换机构的3-d打印机 - Google Patents

Abstract

介绍了使用气体交换结构和重涂覆器来清洁打印室的技术。气体交换结构联接到涂覆器，并且两者在相同的方向上移动以受益于气体流动。在一个实施例中，气体交换结构包括歧管。此外，在一个实施例中，行进壁可以联接到重涂覆器的纵向轴线，以便保持清洁的室与脏的室隔开。结果是，在每个循环中，主要由熔融和熔化过程引起的气体污染物被从粉末床和室中去除，并且所得到的3‑D生产的部件在长时间保持非常高的质量。

Description

具有用于在重涂覆期间去除污染物的气体交换机构的3-D打 印机

相关申请的交叉引用

本专利申请要求2020年1月28日提交的题为“3-D PRINTER WITH GAS EXCHANGEMECHANISM FOR REMOVING CONTAMINANTS DURING RE-COATING”的美国专利申请No.16/774，982的优先权，该专利申请被转让给本申请的受让人，并且为了所有目的明确地通过引用结合于此。

技术领域

本公开总体上涉及增材制造，并且更具体地涉及用于防止三维打印机的室中的气体氛围污染的技术。

背景技术

增材制造(AM)过程涉及使用存储的几何模型用于在“构建板”上累积分层材料，以生产具有由模型定义的特征的三维(3-D)物体。AM技术能够使用各种各样的材料打印复杂的部件。基于计算机辅助设计(CAD)模型制造3-D物体。AM过程可以使用CAD模型来创建实体的三维物体。

粉末床熔融(PBF)是AM工艺的典型类型，并且是包括本公开致力于解决的问题的许多工艺中的一个。PBF使用一个或更多个激光或其他能量束(例如流动的电子)连通反射源来选择性地烧结或熔化经由控制器指令沉积在粉末床中的粉末。选择性熔化在目标区域将粉末颗粒结合在一起，以产生具有所需几何形状的无数层3-D结构中的一层(或多层)，该3-D结构最初是3-D的CAD模型，然后被其他软件切片以生产3-D物体的分层的表示。不同的材料或材料的组合，例如金属、工程塑料、热塑性弹性体、金属和陶瓷，可以在PBF中使用以产生3-D物体。其他更先进的AM技术，包括下面进一步讨论的那些，也是可用的或者正在开发中的，并且每个都可以应用于本文的教导。

上述PDF打印循环之间是重涂覆循环，其中重涂覆器使用整平件、刮刀或滚动构件在最后一层上沉积另一层粉末。在重涂覆之后，打印过程可以再次重复以生产另一层。

特别是在打印循环中，不同类型的三维(3-D)打印机可能暴露于污染气体和其他颗粒，例如由各种3-D打印机操作(例如熔融粉末层)产生的烟灰。然而，在大多数3-D技术中，必须维持清洁的气体室，主要是为了避免对打印现象产生不利影响，这可能会损坏构建件。更具体地说，无烟灰的气体有助于确保打印层的材料特性是清洁的和良好控制的，从而确保打印的零件具有可预测的热特性和材料特性。此外，在打印循环后未处理的气体室会累积烟灰和其他有害颗粒，随着时间的推移，这将恶化。

发明内容

本公开的各个方面被设置用于在重涂覆期间提供受控的气体交换，以确保从室中合适地去除污染气体，并用于在随后的循环期间保持室气体清洁。

根据本公开的一个方面，一种生产三维(3-D)结构的设备包括：设置在构建室内的重涂覆器，该重涂覆器用于在重涂覆循环期间在粉末床上方行进以沉积粉末层，在重涂覆循环之后的打印循环期间，每个层都被选择性地暴露于能量源以生产3-D结构；以及气体交换结构，该气体交换结构被构造成与重涂覆器一起行进，以在重涂覆循环期间去除污染气体并添加清洁气体。

在本公开的另一方面，一种用于生产三维(3-D)结构的方法，包括在生产3-D结构的构建室中执行重涂覆操作，其中，设置在构建室内的重涂覆器在重涂覆循环期间在粉末床上方行进以沉积粉末层，在重涂覆循环之后的打印循环期间，每个层都被选择性地暴露于能量源以生产3-D结构，以及用气体交换结构执行气体交换，该气体交换结构被构造成与重涂覆器一起行进以在重涂覆循环期间去除污染气体并添加清洁气体。

从下面的详细描述中，其他方面对于本领域技术人员来说将变得容易明白，其中仅通过说明的方式示出和描述了几个实施例。如本领域技术人员将认识到的，本文的概念能够用于其他和不同的实施例，并且几处细节能够在各种其他方面进行修改，所有这些都不脱离本公开。因此，附图和详细描述在本质上被认为是说明性的，而不是限制性的。

附图说明

现在将通过示例而非说明的方式在详细描述中呈现用于生产3-D结构的设备内用于气体交换的方法和设备的各个方面，其中：

图1A-1D示出了在不同操作阶段期间的粉末床熔融(PBF)系统的示例的概念性侧视图。

图2A示出了使用粉末床的3-D打印室的侧视图，该粉末床带有重涂覆器以施加和整平一层。

图2B示出了具有粉末床并且使用重涂覆器3-D打印室的侧视图，该重涂覆器带有歧管和歧管上方的竖直构件以清洁在熔融循环中积累的污染气体。

图2C示出了在重涂覆循环期间的3-D打印室的侧视图，其中行进壁被构建为室的尺寸，以包括入口和出口，以分别传送脏的气体和引入清洁气体。

图3是根据另一个实施例的3-D打印机系统的俯视图，其中歧管固定到重涂覆器的纵向轴线。

图4是在本公开的某些实施例中用于去除污染气体的各种技术的概念框图。

具体实施方式

下面结合附图阐述的详细描述旨在提供对保持清洁、无污染的AM环境的各种示例性实施例的描述，而不旨在代表可以时间本发明的唯一实施例。贯穿本公开使用的术语“示例性”和“示例”意味着“用作示例、实例或说明”，并且不应该被解释为相对于本公开中呈现的其他实施例是优选的或有利的。出于提供彻底和完整的公开的目的，详细描述包括具体的细节，其向本领域技术人员充分传达了本发明的范围。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明。在一些情况下，众所周知的结构和部件可以以框图的形式示出，或者完全省略，以避免模糊贯穿本公开呈现的各种概念。

本公开总体上涉及使用AM技术来构建不同类型的3-D结构，其中可能经常需要大的构建室，并且其中去除污染气体对于避免所得3-D结构的逐渐增加的损坏可能是至关重要的。在一些情况下，这些技术可以用于例如车辆和其他运输结构的模块化部件的组装。如下所示，增材制造技术与去除潜在的有害副产物和气体污染物的方式的增强方案相结合可以为不同类型的部件的长期生产提供优势。此外，这种技术可以为制造商提供明显的优势。生产高精度部件的小型3-D打印机同样可以从这些过程中受益。

这样，在本公开的方面中，重涂覆循环不仅仅用于沉积粉末层，为下一个打印循环做准备。也就是说，在一个实施例中，气体交换结构在两侧联接到重涂覆器，使得重涂覆器和气体交换结构在相同的行进方向上移动。在重涂覆器的前边缘，由于重涂覆器的移动，污染气体被部分地输入到气体交换结构中，同时重涂覆器可以沉积新的粉末层，为下一个循环做准备。

同时，在重涂覆器的后边缘，清洁气体从气体交换结构输出，用于下一个打印循环。在一个实施例中，气体交换结构是歧管，其可以使用包括过滤器在内的复杂的去污染物装置。此外，在一个实施例中，行进壁联接到重涂覆器的纵向轴线，以在室之间确保清洁气体和污染气体的隔离，使得在重涂覆循环结束时，整个室基本上没有污染物。该壁可以使用活塞来获得来自气体压力的益处。

受益于这种提出的特征组合的制造商包括(但不限于)制造几乎任何机械化形式的运输工具的制造商，这些运输工具通常严重依赖于复杂且劳动密集型的机床和模制技术，并且其产品通常需要开发复杂的面板、节点和互连件，以与复杂的机械如内燃机、变速器和日益复杂的电子技术集成。这种运输结构的例子尤其包括卡车、火车、轮船、飞机、拖拉机、摩托车、公共汽车、火车等。这些运输结构往往比使用增材制造技术制造的其他类型的结构更大，因此可能需要增强的制造装备和加工技术。

增材制造(3-D打印)。各种不同的AM技术已经被用于3-D打印由各种类型的材料组成的部件。存在许多可用的技术，并且正在开发更多的技术。例如，定向能量沉积(DED)AM系统使用来自激光或电子束的定向能量来熔化金属。这些系统使用粉末和线材两者进给。线材进给系统有利地具有比其他主要的AM技术更高的沉积速率。单程喷射(SPJ)结合了两个粉末撒布器和单个打印单元，以在单程中撒布金属粉末并打印结构，显然没有浪费的运动。作为另一个说明，电子束增材制造工艺使用电子束经由线材给料或在真空室中的粉末床上烧结来沉积金属。单程喷射是另一种示例性技术，其开发者声称该技术比传统的基于激光的系统快得多。原子扩散增材制造(ADAM)是另一种最近开发的技术，其中使用塑料粘合剂中的金属粉末来一层一层地打印部件。打印后，塑料粘合剂被去除，整个零件立即烧结成所需的金属。

另一种AM技术包括粉末床熔融(“PBF”)。像DMD一样，PBF一层一层地创建“构建件”。每一层或“片”是通过沉积一层粉末并将部分粉末暴露于能量束而形成的。能量束被施加到粉末层的与层中的构建件的横截面一致的熔化区域。熔化的粉末冷却并熔融以形成构建件的片。可以重复该过程以形成构建件的下一片，以此类推。每个层都被沉积在前一层的顶部上。所得到的结构是从底部向上一片一片地聚集而成的构建件。

图1A-1D示出了在不同操作阶段期间的示例性PBF系统100的相应的侧视图。图1A-1D所示的特定实施例是采用本公开原理的PBF系统的许多合适示例中的一种。还应注意的是，图1A-1D以及本公开中的其它附图的要素未必按比例绘制，而是可以出于更好地示出本文所述的概念的目的而绘制得更大或更小。

PBF系统100可以包括：沉积器114，其可以沉积每层金属粉末；辐射能量源103，其可以产生一个或更多个能量束；偏转器105，其可以施加能量束以熔融粉末；以及构建板125，其可以支撑一个或更多个构建件(比如构建件109)。PBF系统100还可以包括定位在粉末床接收部内的构建底板111。粉末床接收部的壁112(左侧)和112(右侧)总体上限定粉末床接收部的边界，该粉末床接收部从侧面被夹在壁112之间并且在下面邻接构建底板111的一部分。构建底板111可以逐渐降低构建板125(见例如图1B上的箭头)，使得沉积器114可以沉积下一层。整个机构可以置于构建室161中，该构建室可以封闭其他部件，从而保护装备，实现气体氛围和温度的调节，并减轻污染风险。在一些实施方式中，辐射能量源103和/或偏转器105可以是构建室161的一部分或者被包括在该构建室内。沉积器114可以包括容纳粉末129(如金属粉末)的料斗115，以及可以整平每层淀积粉末的顶部的整平器123。

具体参照图1A，该图示出了在构建件109的一个切片已经被熔融之后，但是在下一层粉末已经沉积之前的PBF系统100。事实上，图1A示出了PBF系统100已经沉积并熔融多层切片以形成构建件111的当前状态的时刻。已经沉积的多个层已经形成了粉末床121，该粉末床包括已沉积但未熔融的粉末。

图1B示出了处于一定阶段的PBF系统100，在所述阶段中构建底板111可以降低粉末层厚度129a的阶段。构建底板111的降低使得构建件109和粉末床121下降相同的粉末层厚度129a，使得构建件109和粉末床121的顶部比粉末床接收部壁112和112的顶部低一定量，该量等于粉末层厚度129a。例如，以这种方式，可以在构建件109和粉末床121的顶部上形成具有等于粉末层厚度129a的一致厚度的空间。

图1C示出了处于一定阶段的PBF系统100，在所述阶段中沉积器114被定位成将粉末129沉积在形成在构建件109和粉末床121的顶部表面上方并以粉末床接收部壁112和112为边界的空间中。在该示例中，沉积器114在限定的空间上方逐渐移动，同时从料斗115中释放粉末129。整平器123可以整平释放的粉末以形成具有基本上等于粉末层厚度129a(见例如图1B)的厚度的粉末层。因此，PBF系统100中的粉末可以由粉末支撑结构支撑，该粉末支撑结构可以包括例如构建板125、构建底板111、构建件109、粉末床接收部壁112和112等。应该注意的是，如图所示，粉末层厚度129a可以大于用于上面参照图1A讨论的与先前沉积层有关的示例的实际厚度。换句话说，对于不同的层，粉末层厚度129a可以不同。

图1D示出了处于一定阶段的PBF系统100，在所述阶段中，在沉积具有粉末层厚度129a的粉末层之后(图1C)，辐射能量源103产生能量束104，并且偏转器105施加能量束104以熔融构建件109中的下一切片(例如，熔融的粉末129a)。在各种示例性实施例中，辐射能量源103可以是电子束源，在这种情况下，能量束104构成电子束。偏转器105可以包括偏转板，该偏转板可以生成电场或磁场，该电场或磁场选择性地偏转电子束，以使电子束在指定要熔融的区域上扫描。在各种实施例中，辐射能量源103可以是激光，在这种情况下，能量束104是激光束。偏转器105可以包括光学系统，该光学系统使用反射和/或折射来操纵激光束以扫描所选择的待熔融的区域。在任一种情况下，能量束104可以具有相关的辐射能量190的包络，该包络代表能量束104的潜在覆盖范围或者与能量束104相关的能量分布。

在各种实施例中，偏转器105可以包括可以旋转和/或平移辐射能量源103以定位能量束104的一个或更多个万向节和致动器。在各种实施例中，辐射能量源103和/或偏转器105可以随着偏转器105的扫描来调制能量束104(例如开启和关闭能量束104)，使得仅在粉末层的适当区域中施加能量束104。举例来说，在各种实施例中，可以通过使用由数字信号处理器(DSP)或其它类似信号产生装置或部件生成的信号来调制能量束104。

在熔融过程发生的打印循环期间，通常需要室中的气体流动。因此，例如，当能量束熔融粉末材料时，大的蒸汽云可能射向室的一侧。烟灰的产生是熔融过程的产物。烟灰必须被去除，因为它可能含有杂质和水分，导致污染气体。被污染气体可能包括氧气，氧气倾向于不期望地氧化构建件的部分。因此，一个期望的目标是防止该套装(suit)重新安置在室上，这降低了未来的粉末质量。气体还倾向于弄脏室的顶部处的激光“窗口”，反射镜通过该激光窗口发出光，并且其不透明性降低了反射镜材料的有效性。受污染气体会使光学元件变得模糊，并使激光发生衍射，从而产生质量较低的激光。

传统的方法在室中使用固定的歧管来收集污染物并将清洁气体引入到室中。歧管通常在粉末床的下部高速喷射气体，烟灰最有可能沉淀在该粉末床的下部处并导致上述问题。传统方法的一个问题是，由于气体流动的速度，高速歧管还去除了粉末层的一部分，在粉末层中产生毛刺。引入到粉末中的毛刺会损害构建件的质量。在较大的构建区域的情况下，这个问题加剧，在这种情况中，较大的毛刺倾向于形成在构建件上。在这些传统方法中使用的气体流动动力学也对机器的宽度施加了总体限制。

除了高速气体流动之外，低速气体交换往往更成问题，因为低速气体交换会在焊接熔池中引起湍流，这会对熔融过程本身产生负面影响。因此，固定歧管的另一个功能是减少这种湍流。也就是说，还是使用高速气体来去除较慢积累的烟灰沉积物。然而，如上所述，高速气体自身存在剥离粉末层的问题。

因此，现代方法试图解决一些或基本上所有这些问题。在本公开的一个方面中，可移动的气体交换歧管系统与重涂覆机构一起实施，以在打印循环之间的重涂覆过程期间提供受控的整体的气体交换。这里使用的歧管可以指分成两个或更多个开口的管道或室，或者它可以指一个或更多个管道，或通道网络，其自身起作用或与其它过程协同作用，将气体和污染物移出室，并使清洁气体移动到室中。在一些实施例中，歧管可以包括其他制品，例如小风扇或其他引导气体流动的机构、单向阀、过滤器等。在打印循环之间，重涂覆过程通常使用重涂覆器在构建板上施加并精细地刷下一层均匀的粉末。存在许多各类型的重涂覆器，并且它们的特性通常取决于打印机的类型。例如，在1A-1D的3-D打印机中，重涂覆机构可以集成到料斗115的底部部分中。以这种方式，重涂覆器可以从料斗115中接收粉末材料，并且如图3所示，在重涂覆循环期间，重涂覆器和料斗可以共同滑动过粉末床，以使用通常是重涂覆器的整平器123的部件来施加粉末。

在其他3-D打印机中，重涂覆器不直接涉及料斗115。例如，重涂覆器可以是软质重涂覆器或硬质重涂覆器。软质重涂覆器具有由硅、橡胶或软碳纤维制成的刀片(例如刷式重涂覆器)，并将粉末从构建平台的一侧撒布到另一侧。由于其柔性，在与任何正在制造的金属零件发生碰撞的情况下，软质重涂覆器可以稍微让路。软质重涂覆器也更容易损坏。硬质重涂覆器具有由HS钢或陶瓷制成的刀片，并对粉末施加压力。与软质重涂覆器相比，这种类型的重涂覆器不允许部分变形。

图2A示出了3-D打印机200A的标准零件，其使用粉末床121和重涂覆器202来施加层并使之平顺。嵌入重涂覆器202的是气体交换结构，其可以包括歧管238。当重涂覆器在粉末床221上从左向右移动以施加用于随后的打印循环的层时，歧管与重涂覆器202一起移动，如图右侧的箭头A所示。为了简单起见，从图中省略了构建件，但是假设的是，对应于构建件的一个或更多个突起正好在被施加的该层下面。歧管可包括多个管道或其它通道，这些管道或通道可以进一步分成多个入口和多个出口，视情况而定，污染气体或清洁气体可以流动通过这些入口和出口。多个入口可以联接到设置在歧管的一侧上的至少一个入口端口。类似地，多个出口可以联接到设置在歧管的相反侧上的至少一个出口端口。在各种实施例中，多个入口和/或多个出口可以仅包括单个入口和单个出口。

这种方法的一个优点是，因为歧管238是在重涂覆循环而不是打印循环的背景下移动的，所以歧管238的活动不会干扰打印熔融活动。3-D打印中使用的歧管在操作原理上可以类似于排气歧管，排气歧管是具有多个入口端口239的发动机零件，入口端口被设计成将来自多个气缸的“废气”或其他污染气体收集到单个管道中，在该单个管道中，气体204b可以被过滤并且污染物可以被处理掉。虽然入口端口239可以采用多种几何构造，并且歧管原则上可以使用任意复杂程度，但是为了说明的目的，示出了几个水平的入口端口239。

因此，图2A显示了用于接收污染气体204b的多个示例性入口端口239(例如，管道)。一个或更多个入口端口239和出口端口241还可以包括一个或更多个活塞，例如活塞209，用于如下所述地压缩空气。入口端口239位于歧管238的右侧，出口端口241在歧管238的左侧。入口端口238可以包括例如活塞，或者将污染气体204a传送到过滤器的管道，或者使用一些其他机构。入口端口和出口端口的多种构造都是可能的。例如，在一些实施例中可以使用单个入口端口和单个出口端口。同样，由于歧管被布置成邻近重涂覆器，在不同的实施例中，可以使用歧管及其组成元件的许多几何变型。在图2A的实施例中，歧管可以：接收或收集污染气体204(b)(例如经由入口端口239)；过滤或以其他方式将污染气体204(b)与室中的气体氛围分离；并喷射清洁气体(例如，经由歧管238的左侧上的出口端口241)。替代地或附加地，歧管238可以利用活塞(例如，在管道内)来截留污染物并迫使清洁空气从其左侧离开。在一些实施例中，出口端口241可以是单个管道，或者管道阵列或网络，或者具有其他形状的通道。入口端口239和出口端口241的几何形状仅出于示例性目的示出，并且每个都可以以实现所述目的的方式构造。

此外，在一些实施例中，一个或更多个过滤器可以被包括在歧管内(从视图中看不到)，用于分离在一个或更多个入口端口239处接收的污染颗粒。因此，出口端口241，例如重涂覆器202左侧的管道，可以用于将清洁空气排出到室中。例如，右侧的入口端口239可以是排气管或通道，其共同将污染物引导至歧管过滤器，之后清洁气体204a可以自由地从相对于重涂覆器202在室的左侧的一个或更多个出口端口241移出。

仍然参照图2A，当重涂覆循环正在进行时，可能在粉末床221的表面附近发现大量的污染物，部分是因为激光在紧接的前一个打印循环期间瞄准粉末床221的特定区域。随着歧管238和重涂覆器202在重涂覆器202的行进方向上快速移动，重涂覆器允许沉积没有变形的新层，并且污染气体204b接触歧管238的前表面。污染气体204b和歧管238的移动所产生的压力可以用来有利于去除污染的颗粒。例如，污染气体204d可以经由入口端口239进入歧管，并可以压缩歧管238内的活塞209(或多个活塞)，这进而将污染物截留在例如由压缩的活塞限定的容积内。同时，随着活塞被压缩并移动到左侧位置，活塞施加压力使得清洁气体204a从歧管238释放，例如，经由出口端口241，或者直接从活塞释放。为此目的，可以使用一个以上的活塞。替代地或附加地，歧管238可以使用一个或更多个过滤器，所述一个或更多个过滤器被设计成，在重涂覆器202通过向右移动剩余路程而完成重涂覆循环时，容纳污染物同时允许清洁空气离开气体交换结构的左部分(例如，经由出口端口241)并进入到室的左部分中。

图2B示出了3-D打印机200B的侧视图，该3-D打印机具有粉末床221，并使用重涂覆器202，该重涂覆器具有歧管238和歧管上方的竖直壁208，以容纳并因此清洁在熔融循环期间积累的污染气体。竖直壁208可以联接到气体交换结构(例如，歧管)或重涂覆器202，或气体交换结构和重涂覆器两者。在一些实施例中，竖直壁208可以是气体交换结构的一部分。在该实施例中，歧管238也与重涂覆器202集成，使得当重涂覆在由箭头B标识的行进方向上进行时，也可以进行气体交换。例如，如果重涂覆器的行进方向是向右的，则污染气体可以通过歧管238的入口端口240(其可以包括一个或更多个入口或单个较大的通气口等)从右侧吸入，而清洁气体在歧管238的左侧引入。随着重涂覆器202在重涂覆器循环结束时到达最右侧，压力继续在室中的竖直壁208的右侧积累，这意味着大部分剩余的污染的空气204b被激励进入入口端口240。在这种压力积累的情况下，剩余的清洁空气(例如，过滤的空气、加压的清洁空气等)可以经由歧管238左侧的出口端口244(也可以是一个或更多个出口或通气口)排出。应当理解，由于歧管及其内部构造的各种可能的构造，入口端口240和出口端口244没有具体示出。相反，指示这些端口的线表示歧管238的适用侧，端口位于该使用侧中。

在实施例中，壁208跨越室200B的整个宽度(即，按照需要而进出页面)。因此，该实施例意味着当重涂覆完成时，所有污染气体无处可去，只有进入歧管238的输入气体管道(例如，入口端口240)。歧管238内的这种被截留的污染气体可以被保持在歧管238内部的过滤器中，或者以其他方式被处理在室外部的另一个限定的位置中。清洁气体204a然后可以离开歧管到粉末床221的左侧，例如经由出口端口244。接下来，在重涂覆器202和歧管238移动离开粉末床221之后，能量束源准备好开始该循环的熔融过程。

在又一个实施例中，歧管没有与重涂覆器集成在一起。图2C示出了在重涂覆循环期间的3-D打印室200C的侧视图，其中行进壁被构建在室上，以包括入口和出口气体室或其它机构来传递脏的气体。在该实施例中，重涂覆器202不包括歧管，因此不需要对歧管纵横比进行特殊考虑。重涂覆器202不包括歧管，但是像图2B的前述实施例一样，它包括联接到重涂覆器并延伸横跨室的行进壁。

此外，与图2B的行进壁实施例不同，图2C中的壁264本身包括用于收集污染气体的入口207和用于在左侧散布清洁气体的出口209。随着重涂覆器202继续向右在箭头C的方向上沉积一层粉末时，行进壁264的右侧内部的嵌入端口收集污染气体，而壁的左侧的端口可以通过出口209引入清洁气体。该壁可以包括活塞278或多个活塞。在各种实施例中，活塞278可以布置在行进壁264内的密封管道中。当污染气体进入行进壁264时，污染气体的压缩可以移动内部活塞，这可将活塞压缩到足以迫使清洁气体在另一侧离开壁264的量。在一些实施例中，随着重涂覆器202从右向左返回时，活塞可以迫使脏的气体进入过滤隔室，同时从壁264左侧的端口释放清洁气体。该实施例的一个优点是，粉末床221在正常操作中与重涂覆装置202仅物理接触。在又一个实施例中，图2C的行进壁264连接到气体歧管，气体歧管进而联接到重涂覆器。这些用于清洁室的选择方案的可用性有助于确保其在许多循环中的完整性。

在仅涉及歧管的实施例的另一视图中，图3是根据另一实施例的3-D打印机系统300的俯视图。在重涂覆循环期间，重涂覆器302被显示为延伸横跨粉末床321。歧管338作为细长结构385的一部分延伸横跨重涂覆器302的长度。在该实施例中，可以在粉末床321的右侧看到歧管338，其形式为入口端口368(例如管道等)，用于传递粉末床321的右侧的污染气体302b。此外，在该实施例中，可以在粉末床321的左侧看到歧管338，其形式为出口端口366(例如管道等)，用于传递清洁气体302a进入到室的左侧。歧管338还具有总入口端口374和总输出端口376。总输入端口374由左输出箭头限定，用于清洁气体302a的进入(进入到室中)。总输出端口376由右输入箭头限定，用于污染气体302b的离开和进入到歧管338中的适当位置。用于污染气体302b的入口端口368可以被定位成邻近重涂覆器302的前边缘(相对于重涂覆器的从左到右的移动)以去除污染气体。用于清洁气体的出口端口302a可以被定位成邻近重涂覆器的后边缘，以引入清洁气体。

随着重涂覆器302在箭头3的方向上行进以沉积另一连续层，污染气体302b被迫流动到歧管338右侧的入口端口368的阵列中，并向下流动到主排放口处的总出口端口376，用于使粉末床321的污染物离开。以同样的方式，由于歧管338开始于粉末床321的最左侧，清洁气体302a将被迫进入左侧的总体入口端口374，之后，随着清洁气体302a穿过出口端口366的阵列，随着清洁气体302a开始填充粉末床，清洁气体将被分配到歧管338的左侧的区域中。随着重涂覆器302到达粉末床321的最右侧，在一个实施例中，重涂覆器可以移动到粉末床321的一侧，以允许使用清洁气体进行另一个打印循环。

一般来说，在小型机器中，重涂覆可以持续大约十五秒。在较大的机器中，例如具有较高激光的机器，重涂覆延迟变得更大。因此，歧管的尺寸和从粉末床清除污染物的时间量最初非常小，但是可以随着打印机的整体尺寸而增加。

取决于打印技术，可以以不同的方式构造重涂覆器。在基于粉末的熔融构造中，作为一个示例，重涂覆器可以被构造成包括整平器的料斗的下部或基部。重涂覆器可以横向横跨粉末床的表面，以以均匀的方式向粉末床添加粉末层。在替代实施例中，重涂覆器可以包括用于涂覆和整平粉末的滚子。如上所述，在一些实施例中，料斗可以直接涉及横越粉末床的表面。

图4是在本公开的某些实施例中使用的各种过程的概念框图。步骤410表示打印循环，即在粉末床上的粉末层上执行选择性熔融操作，这是打印3-D结构的许多步骤中的一个。各种不同的能量束源，包括激光、电子束和其他能量源，都可以在这个步骤中使用。

步骤420通常指的是打印循环之后的重涂覆循环，以在下一个打印循环之前在打印床上沉积另一层粉末。因此，在完成上一次的打印循环时，控制器可以在构建室(即，在其中生产3-D结构的室)中启动重涂覆操作，使得重涂覆器布置在室中，该重涂覆器被构造成至少部分地在随后的打印操作期间处理和沉积将构成3-D结构的层。在步骤425所示的实施例中，重涂覆器和气体交换结构(例如，歧管、气体交换壁)在相同的行进方向上移动，以确保在正确的时间去除污染物。

接下来，在步骤430中，联接到重涂覆器的气体交换结构在构建室内执行气体交换。在该步骤的第一部分435中，去除生产3-D结构产生的包含烟灰的污染气体。在该步骤的第二部分440中，将清洁气体引入到构建室中。

提供前面的描述是为了使本领域技术人员能够实践本文描述的各个方面。对于本领域技术人员来说，对贯穿本公开呈现的示例性实施例的各种修改将是容易明白的，并且本文公开的概念可以应用于其他背景中并且用于不同的目的。因此，权利要求不旨在限于贯穿本公开内容给出的示例性实施例，而是符合与语言权利要求一致的全部范围。本领域普通技术人员已知的或以后将会知道的贯穿本公开内容描述的示例性实施例的要素的所有结构和功能等同物旨在被权利要求涵盖。此外，本文公开的任何内容都不旨在专用于公众，无论这种公开是否在权利要求中明确陈述。在35U.S.C§112(f)的条款或适用司法管辖权内的类似法律下，将不解释权利要求的要素，除非使用短语“用于……的手段”来明确地叙述该要素，或者在方法权利要求的情况中，使用短语“用于……的步骤”来叙述该要素。

Claims (24)

1.一种生产三维结构的设备，包括：

设置在构建室内的重涂覆器，该重涂覆器用于在重涂覆循环期间在粉末床上方行进以沉积粉末层，在所述重涂覆循环之后的打印循环期间，每个层被选择性地暴露于能量源以生产所述三维结构；以及

气体交换结构，该气体交换结构被构造成与所述重涂覆器一起行进，以在所述重涂覆循环期间去除污染气体并添加清洁气体。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述气体交换结构联接到所述重涂覆器。

3.根据权利要求2所述的设备，进一步包括壁，该壁联接到所述重涂覆器或所述气体交换结构，并且具有沿着所述重涂覆器的纵向轴线设置的长度和在所述粉末床上方竖直延伸的高度，所述壁被构造成在与所述重涂覆器相同的方向上行进。

4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述气体交换结构包括歧管。

5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述歧管包括：

一个或更多个入口，来自所述构建室的污染气体流动到所述一个或更多个入口中，其中所述污染气体包括由生产所述三维结构所产生的烟灰；以及

一个或更多个出口，所述出口用于将清洁气体添加到所述构建室中。

6.根据权利要求5所述的设备，其中：

所述一个或更多个入口连接到所述歧管的一侧的至少一个入口端口，其中污染气体从所述构建室经由所述至少一个入口端口输入，并且

一个或更多个气体出口连接到所述歧管的另一侧的至少一个出口端口，其中所述清洁气体经由所述至少一个出口端口被添加到构建室中。

7.根据权利要求6所述的设备，其中：

所述至少一个入口端口被定位成邻近所述重涂覆器的前边缘，以从室中去除污染气体，并且

所述至少一个出口端口被定位成邻近所述重涂覆器的后边缘，以将清洁气体引入到室中。

8.根据权利要求7所述的设备，其中：

所述歧管包括总出口端口和总入口端口。

9.根据权利要求7所述的设备，其中：

所述歧管包括沿着所述重涂覆器的纵向轴线设置的细长结构，

所述至少一个入口端口设置在所述细长结构的一侧，并且

所述至少一个出口端口设置在所述细长结构的相反侧。

10.根据权利要求1所述的设备，其中，所述气体交换结构包括壁，所述壁包括用于从所述构建室中去除污染气体的第一端口和用于将清洁气体添加到所述构建室中的第二端口。

11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述壁包括可移动的活塞，该可移动的活塞使污染气体被去除并且清洁气体被添加。

12.根据权利要求1所述的设备，其中，所述气体交换结构被构造成当所述重涂覆器在第一方向上行进时以第一模式执行气体交换，并且当所述重涂覆器在第二方向上行进时以第二模式执行气体交换。

13.根据权利要求1所述的设备，其中，所述构建室包括被构造成用于粉末床熔融增材制造的室。

14.一种用于生产三维结构的方法，包括：

在生产所述三维结构的构建室中执行重涂覆操作，其中设置在所述构建室内的重涂覆器在重涂覆循环期间在粉末床上方行进以沉积粉末层，在所述重涂覆循环之后的打印循环期间，每个层被选择性地暴露于能量源以生产所述三维结构；以及

用气体交换结构执行气体交换，该气体交换结构被构造成与所述重涂覆器一起行进，以在所述重涂覆循环期间去除污染气体并添加清洁气体。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述气体交换结构联接到所述重涂覆器，使得移动所述重涂覆器导致所述气体交换结构与所述重涂覆器一起行进。

16.根据权利要求14所述的方法，其中：

所述气体交换结构包括歧管，并且

执行所述气体交换包括：

通过所述歧管中的一个或更多个气体出口从所述构建室去除污染气体，其中所述污染气体包含由生产所述3D结构所产生的烟灰，以及

通过所述歧管中的一个或更多个气体入口将清洁气体添加到所述构建室中。

17.根据权利要求16所述的方法，其中：

去除污染气体包括通过所述歧管的一侧的输出气体端口去除污染气体，所述输出气体端口连接到所述一个或更多个气体出口，以及

引入清洁气体包括通过所述歧管的所述一侧的输入气体端口引入清洁气体，所述输入气体端口连接到所述一个或更多个气体入口。

18.根据权利要求14所述的方法，其中，执行所述气体交换包括：

在所述重涂覆器的前边缘处从所述构建室中去除污染气体，以及

在所述重涂覆器的后边缘处将清洁气体添加到所述构建室中。

19.根据权利要求14所述的方法，其中：

所述气体交换结构包括壁，并且

执行重涂覆操作包括在相同方向上移动所述重涂覆器和所述壁。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，在相同方向上移动所述重涂覆器和所述壁包括在第一方向上移动所述重涂覆器和所述壁，并且随后在不同于所述第一方向的第二方向上移动所述重涂覆器和所述壁。

21.根据权利要求19所述的方法，其中，执行所述气体交换包括激活可移动的活塞，以使污染气体从所述构建室中被去除，并使清洁气体被添加到所述构建室中。

22.根据权利要求14所述的方法，其中：

所述气体交换结构包括歧管和壁，并且

执行重涂覆操作包括在相同方向上移动所述重涂覆器、歧管和壁。

23.根据权利要求21所述的方法，其中，在相同方向上移动所述重涂覆器、歧管和壁包括在第一方向上移动所述重涂覆器、歧管和壁，随后在不同于第一方向的第二方向上移动所述重涂覆器、歧管和壁。

24.根据权利要求14所述的方法，其中，执行气体交换包括当所述重涂覆器的行进方向是第一方向时以一种模式执行气体交换，当重涂覆器的行进方向是第二方向时以第二模式执行气体交换。

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