CN115243866A - 粉末床熔融增材制造中的超声波除湿 - Google Patents

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Abstract

公开了用于在粉末床熔融(PBF)三维(3‑D)系统中对被用作打印材料的粉末除湿的技术。料斗包括被定位在关键位置处的一个或多个超声波换能器(UT)。UT在被激活时使用超声波频率的声压来搅拌被容纳在料斗中的粉末颗粒。颗粒的运动将在颗粒之间被捕获的水分驱动到一种或多种干燥剂中。在各种实施例中，干燥剂可以由悬挂在粉末中的干燥器支撑，诸如经由料斗的外壳。在其它实施例中，干燥剂可以是被设置在干燥剂插入件中的干燥剂袋。水分积聚在干燥剂中。除其它优点外，不需要单独的热源来干燥粉末，该粉末可以经由重涂器被直接提供给PBF 3‑D系统，用于沉积层以形成构建件。

Description

粉末床熔融增材制造中的超声波除湿
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年2月27日提交的且标题为“粉末床熔融增材制造中的超声波除湿(ULTRASONIC DEHUMIDIFICATION IN POWDER BED FUSION ADDITIVEMANUFACTURING)”的美国专利申请号16/803,799的优先权，该美国专利申请已转让给本申请的受让人，并其通过引用以其整体并入本文。
技术领域
本公开总体上涉及粉末床熔融(PBF)系统，并且更具体地，涉及从PBF三维(3-D)系统中的基于粉末的打印材料中去除水分。
背景技术
PBF 3-D系统可以产生结构，其被称为构建件，其具有几何复杂的形状，包括用传统制造工艺难以或不可能创建的一些形状。PBF 3-D系统逐层创建构建件。最初提供了结构的3-D软件表示。3-D表示被转换为层，每个层对应于结构的横截面。然后通过以粉末形式沉积打印材料层并将该层的部分暴露于能量束来依次形成每一层或“薄片”。能量束选择性地熔化粉末层中与该层中构建件的横截面重合的区域。熔化的粉末熔融在一起以形成结构的固体部分。
发明内容
公开了用于在PBF增材制造(3-D打印)系统中进行除湿的装置和方法的几个方面。
在本公开的一个方面，PBF系统包括粉末床容器、用于存储粉末的料斗，该料斗包括超声波换能器，该超声波换能器被配置为通过将水分驱动到被定位在料斗中的干燥剂来对粉末进行除湿，以及重涂器，用于将被除湿的粉末层沉积到粉末床上。
在本公开的另一方面，一种用于在PBF 3-D打印机中容纳粉末的料斗包括用于容纳粉末的外壳、在外壳中用于定位干燥剂的插入件、耦接到外壳的至少一个超声波换能器，用于对粉末进行超声地搅拌并将水分驱动到干燥剂中，从而产生被除湿的粉末、以及外壳中的孔，用于将被除湿的粉末提供给重涂器。
在本公开的又一方面，一种用于在包括具有至少一个超声波换能器的料斗的PBF3-D系统中对粉末进行除湿的方法，包括在料斗中接收粉末，并且使用至少一个超声波换能器对所接收到的粉末进行除湿，其包括以一个或多个超声频率来机械搅拌粉末以将水分驱动到干燥剂中。
通过以下详细描述，其它方面对于本领域技术人员将变得显而易见，其中仅通过说明的方式示出和描述了几个示例性实施例。如本领域技术人员将意识到的，本文所描述的概念能够具有其它和不同的实施例，并且若干细节能够在各个其它方面进行修改，所有这些都不背离本公开。因此，附图和详细描述应被视为本质上是说明性的而不是限制性的。
附图说明
现在将在附图中通过示例而非限制的方式在详细描述中呈现各个方面，其中：
图1是参考实施例的示例性PBF 3-D系统的框图，其使用包括超声波换能器和干燥剂的料斗，用于对被用作打印材料的粉末进行除湿。
图2是参考实施例的料斗的透视图，该料斗包括被定位在干燥剂插入件中的干燥剂袋和连接在外壳内的容器中的多个超声波换能器。
图3是参考另一实施例的料斗的框图，该料斗包括悬挂在料斗内的干燥器，用于在超声波换能器被激活时容纳干燥剂以接收来自粉末的水分。
图4是超声波换能器的示例性框图。
图5是参考实施例的示出了在PBF 3-D系统中对用作打印材料的粉末除湿过程的示例性流程图。
具体实施方式
下面结合附图阐述的详细描述旨在提供对本文所公开的概念的各种示例性实施例的描述，并且不旨在表示可以实践本公开的唯一实施例。在本公开中使用的术语“示例”和“示例性”意指“用作示例、实例或说明”，并且不必被解释为优于或比本公开中呈现的其它实施例更好。详细描述包括具体细节，目的是提供向本领域技术人员充分传达概念的范围的全面和完整的公开。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实践本公开。在一些情况下，众所周知的结构和部件可以以框图形式示出，或完全省略，以避免混淆贯穿本公开呈现的各种概念。
在PBF系统中，重要的是使用干燥的打印材料，以便可以减少由于水分的不希望的打印材料的结块，并且可以增加粉末的流动性。加热可被用于远离打印机执行的除湿或干燥过程，但很少或不能保证粉末在被沉积到打印系统中之前完全不含水分。
本公开描述了PBF 3-D系统中的集成超声波系统，用于对用作打印材料的粉末进行除湿。在实施例中，多个超声波换能器(UT)分布在料斗上，粉末在用于打印作业之前被存储在该料斗中，其中换能器的超声发射部分延伸穿过料斗外壳的内表面。UT可被用于将粉末颗粒中捕获的水分驱动到被定位在料斗中的一种或多种干燥剂中。在各种实施例中，一个或多个UT可以被集成在料斗的外壳内。可替选地，可以将UT分布在料斗外壳中被重要定位的容器中，以便产生超声波的换能器与粉末接触。接收水分的干燥剂可以是被定位在料斗的相应插入件中并且可操作以接收水分的干燥剂袋。可替选地，可以将一种或多种干燥剂中的每种保持在干燥器中。(多个)干燥器可以被悬挂在料斗的上表面中以延伸到粉末中，并且可以在它被UT驱动向上时接收水分。
金属粉末颗粒通常是小的、吸湿的并且具有高的表面积与体积比。因此，粉末颗粒易于在它们之间的区域中捕获水分。水分趋于保留。如本文所公开的集成超声波搅拌系统致使粉末的颗粒相互机械振动，从而释放出大量水分，否则这些水分趋于损害打印质量。
在众多其它益处中，所公开的超声波除湿系统可以通过确保更有效的整体除湿(与例如热除湿相反)来增强粉末的流动性。特别是，UT可以防止料斗中的粉末颗粒由于被捕获的水分而聚集成簇，其否则会抑制粉末的流动性，这对于创建准确的打印作业至关重要。UT的使用从而去除了水分饱和的粉末团块，并且这样做增强了粉末的整体流动性。
将除湿器部件定位在料斗中是特别有利的，因为新干燥的粉末随后直接被提供到PBF 3-D系统的其它部分(例如，重涂器)以用于沉积到粉末床中。粉末除湿的直接性质意味着，当粉末从料斗经由重涂器进入到粉末床中用于打印作业中时，通常不会通过将水分重新引入到粉末中而污染干燥的粉末。此时，新鲜除湿的粉末可以在一系列随后的打印周期期间被选择性地暴露于能量束源，以用于在打印作业中成功地渲染构建件。
此外，所公开技术的使用避免了需要强大的热源，诸如与PBF 3-D系统集成或相邻的感应线圈，其否则可能会损坏PBF 3-D系统或通过将粉末颗粒暴露在不期望的温度下而烧焦粉末颗粒。尽管本公开不排除结合所描述的超声波技术使用热源，但它使得在敏感打印装备附近使用超高温(在某些情况下为1000K或更高)的粉末除湿技术的使用变得不必要。
所公开的超声波除湿系统既可以用作补充系统，也可以用作大规模替代系统，以用于单独的基于热的除湿源。此外，本文所描述的系统可以向用户提供经济利益。也就是说，通过提高除湿效率，还可以提高粒度分布较大的粉末的流动性，从而可能避免使用更细、更昂贵的粉末的需要。
增材制造。增材制造(“AM”)，也被称为3-D打印，是一种从数字文件制作3-D实体对象的过程。AM最初涉及使用存储的3-D几何模型来在构建板上累积分层材料，以产生具有由模型限定的特征的3-D构建件。AM技术能够使用多种多样的材料来打印任意几何复杂度的结构。
打印周期通常从设计者开始，该设计者渲染出要被打印的对象的3-D计算机辅助设计(CAD)文件，有时被称为“构建件”。此阶段通常涉及部件的严格3-D软件设计，该部件可能专门用于随后在车辆、飞机或其它运输结构中的使用，或者在3-D打印后作为独立部件使用。最初，在CAD阶段期间，部件被创建为3-D软件设计表示，使得模型的细节和特征可以在计算机上以三个维度可被观看者获得。
CAD阶段之后通常是计算机辅助制造(CAM)阶段。这个阶段通常包括支撑结构生成。例如，可能需要支撑结构来支撑构建件的某些结构特征并防止下垂或变形，诸如弯曲或倾斜特征。
在CAM阶段之后，另一软件应用可以操作以将构建件的3-D CAD表示“切片”到单独层的集合中。每个切片都作为基于软件的表示开始，其对应于整个构建块的单个层。使用这些切片连同CAD文件和其它信息可以编译打印命令，并将其提供给PBF 3-D系统，在那里可以开始构建件的实际渲染。
粉末床熔融。PBF是一种增材制造技术，其使用细粉末作为打印介质一次一层地创建构建件。各种金属或合金基粉末可以是用于印刷粉末的候选。通常，较细的粉末更昂贵，但较粗的粉末也可以工作得很好，尤其是在所有湿气都已被去除的情况下。这增加了它们的流动性。较粗的粉末也可被用于构建件区域上，该区域可能不需要其它区域的精确几何精度。
使用能量束源诸如，例如激光或电子束，来烧结或熔化粉末。PBF 3-D系统通常依赖于控制器，该控制器可以是单个或分布式处理系统，其包括一个或多个处理器和存储器电路，该处理器和存储器电路执行适当的打印指令以使用重涂器来沉积粉末层，并按照切片CAD模型的规定在打印机中以逐层方式选择性地熔融沉积的粉末。
在沉积周期中每一层都被沉积之后，粉末的指定部分被暴露于能量束源，该能量束源使用偏转器以将其能量束聚焦在期望的方向中。在随后的打印周期中，能量束源选择性地熔化粉末层中与该层中构建件的横截面重合的区域。熔化的粉末冷却并熔融以形成构建件的切片。发生下一个沉积周期，并且可以重复该过程以形成构建件的下一个切片，以及下一个，依此类推，直到构建件完成为止。由此产生的结构是从头开始逐片组装的构建件。
为了成功地实现具有对应于CAD模型的详细特征的高分辨率构建件，通常需要仔细控制温度。颗粒中随机存在的被捕获的水分可能会对通过施加能量束而创建的熔化颗粒的焊池的温度产生显著和不利的影响。此外，在沉积的粉末颗粒包括被捕获的水分的情况下，焊接点处的粉末密度可能会受到不利影响。这些现象可能会导致完成的构建件中的不需要的伪影或变形。因此，保持粉末处于干燥状态是在PBF 3-D系统中实现良好质量控制的理想标准。
图1是参考实施例的使用料斗115的示例性PBF 3-D系统100的框图，该料斗115包括超声波换能器187和干燥剂161，用于对被用作打印材料的粉末124进行除湿。PBF 3-D系统100包括室113，打印作业可以在其中发生。室113可以提供填充有惰性气体(诸如氩气)的封闭环境，以确保粉末124在打印作业期间不会以可能有害地改变打印材料的化学性质的方式与其大气中的元素发生明显反应。使用惰性气体可以最小化反应的机会(例如，由氧气的存在引起的氧化)。
PBF 3-D系统100包括构建底板111以使能够在其上放置诸如构建板107的基板。PBF 3-D系统100还包括周围的粉末床容器壁112，其界定粉末床容器以用于封闭粉末床121。为了便于查看PBF 3-D系统100的内部，图的前面省略了粉末床容器壁112。在各种实施例中，室113或粉末床容器壁112可以包括一个或多个窗口以使技术人员能够查看打印作业的进展。
PBF 3-D系统100包括控制器129，控制器129可以包括一个或多个处理器，诸如微处理器、数字信号处理器(DSP)和各种其它模拟和数字电路，其被配置为接收信号并将指令传输到PBF 3-D系统100的不同区域和被包括在给定区域中的致动器及控制输入。控制器129可以部分或完全被集成在PBF 3-D系统100内，或者它可以是被耦接到PBF 3-D系统100的专用或通用计算设备的一部分。控制器129的具体配置和标准包括应用在哪里运行可能取决于像PBF 3-D系统100(或其中的部件)的模型和/或制造商的偏好的因素。除了集中央或分布式处理系统之外，控制器129还可以包括一个或多个处理器、不同种类的存储器(易失性、非易失性、只读存储器、仅随机存取(RAM)、可编程只读存储器、可擦除可编程只读存储器、静态RAM、动态RAM等)来存储数据文件、程序、动态链接库、配置参数等。控制器129可以包括分布在PBF 3-D系统100的不同位置中的多于一个处理元件，用于执行特定功能。在实施例中，控制器129的该实施例中的一些或所有不同处理元件(为清楚起见被省略)被连接在一起，使得指令和操作可以以最大化效率的方式被协调。在另一实施例中，控制器129与一个或多个外部服务器或工作站联网，以使PBF 3-D系统100能够自动接收来自CAD或CAM应用或切片应用的外部指令，用于执行打印作业。在仍然其它实施例中，联网或直接被连接到控制器129或PBF 3-D系统100(或计算设备上的软件)的计算设备的用户可以被授权在打印作业期间控制PBF 3-D系统100。计算设备还可以被配置为控制打印作业的顺序和优先级等。
PBF 3-D系统100还包括料斗115。在AM的上下文中，料斗被广义地定义为用于存储打印材料的结构。料斗115可以是罐、筒仓、圆筒或适合用于储存粉末的任何其它几何结构。如以下关于图2和图3进一步说明的，图1中的料斗115的长边被指向页面中，并且只有料斗115的边缘部分是可见的。尽管本实施例中的料斗115被集成到PBF 3-D系统100中，但是应当理解，其它实施例中的料斗115可以与PBF 3-D系统100相邻。此外，在各种实施例中，料斗115可以是被连接到PBF 3-D系统100的多个料斗中的一个。例如，后一系统中的料斗可以串联或并联地被并入并被用于最大化打印体积。控制器129或PBF 3-D系统100(或用于PBF 3-D系统100的自动控制单元)的用户可以控制将在任何给定时间被使用的当前料斗。不同的料斗可以包括不同的粉末。
虽然料斗115被定位在重涂器101上方，根据需要将粉末124分散到该重涂器101中，在其它实施例中，料斗115(或其网络)可以使用不同的机构以将粉末124提供给PBF 3-D系统100。例如，在使用多于一个料斗的情况下，每个料斗可以通过加压软管被连接到PBF3-D系统100，或者料斗可以被耦接到例如包括不同可选择通道的歧管。此外，尽管料斗115具有明显的倒半三角形外观，但各种实施例中的其它料斗可以具有不同的形状，诸如圆柱形、筒仓形、立方体形或非常适合存储大量打印材料的任何随机或任意形状。应当理解，料斗的形状、数量和输送方法，以及(多个)料斗与PBF 3-D系统100的集成方法，代表了不脱离本公开的精神或范围的设计细节。
在该示例性PBF 3-D系统100中，料斗115可以被固定到在粉末床容器壁112上方的室113的一侧，或者它可以以另一种方式被固定到PBF 3-D系统100。料斗115的功能是存储大部分粉末以用于构建件109的单个渲染或其多个。
在本公开的一个方面，除了按体积存储粉末124之外，料斗115还对粉末124进行除湿。在所示的示例中，料斗115包括在其顶部处的插入件，干燥剂161被定位在该插入件处。干燥剂161可以是干燥剂袋，其可以被定位在插入件内并根据需要被更换，例如，就在其被水分饱和之前。干燥剂161可以替代地是填充有活性炭、硫酸钙、氯化钙、分子筛或一些其它常用干燥剂161的可更换筒，只要所使用的元件与粉末124兼容且不污染粉末124。干燥剂161可以是用于容纳干燥剂材料的干燥器。尽管从视图中看不清楚，但干燥剂161被定位在其中的插入件包括纵向穿过料斗115的上部的孔或狭缝。当料斗115被填充时，该孔能够使干燥剂161与粉末124直接接触。在其它实施例中，可以在单个料斗115上(或在多个料斗中)使用多种干燥剂。当料斗115中的粉末124水平降低时，使用多于一种干燥剂161可能特别有用。为了说明这种情况，料斗115可以包括被布置在料斗115上的下方的插入件或空腔中的干燥剂。在其它实施例中，粉末124首先在料斗115中被填充至最大量，此时可以启动除湿过程以用于整个粉末供应，以在启动打印作业之前实现单个除湿程序。该实施例可以减少对于操作所需的干燥剂的数量或尺寸。在料斗115的表面处或附近使用干燥剂161是有利的，因为干燥剂161易于接近，并且因此在需要时易于更换。尽管如此，替代实施例可以允许将干燥剂161放置在料斗115的空腔内的限定位置中。还有其它实施例可能仅需要在除湿之前将一个或多个干燥剂袋放置在料斗115中，而无需用于容纳干燥剂袋的特定结构或插入件。
料斗115还包含在料斗115的下部处被嵌入在料斗外壳中的多个UT 187。在该实施例中，两个UT 187被示为平行于粉末床121行进，以及两个UT 187被示为垂直与粉末床121行进。取决于UTC 187的功率、可用电源、料斗115的尺寸和容量以及其它因素，可以使用一个或多个UT 187。尽管在所示实施例中UT 187被定位在两个方向上，但各种实施例可以在料斗的外壳的不同部分中使用UT 187(图2、3)。给定实施例中的料斗的形状可能影响UT187的定位。尽管在替代实施例中UT 187可以被配置为直接与干燥剂相对，但这不是必需的。所需要的只是，考虑到使用中的料斗的形状和容量、外壳的曲率(如果有的话)以及超声波沿一般方向向干燥剂反射的趋势，水分最终到达干燥剂。由于这个原因，大量的配置是可能的。此外，尽管UT 187在图1中被示出为嵌入在料斗外壳内，使得换能器/扬声器部分与粉末124接触，但在其它实施例中，UT 187可以位于料斗空腔内，而不是如图所示被固定在外壳中。此外，一个或多个电源可通过电线或金属迹线的网络使其对UT 187可用，其也可被嵌入料斗115内。为清楚起见，省略了电源和连接件。
与左侧料斗115耦接的是粉末装载滚筒119。与步进电机(图3)一起，粉末装载滚筒119可被用于将额外的粉末119装载到料斗115中。
直接在料斗115下方是重涂器101。重涂器101可替代地被称为沉积器、辊等。重涂器101被耦接到矫直机119。在实施例中，重涂器101经由被设置在料斗115和重涂器101中心的控制器使能的粉末流动孔129从料斗115获得粉末，该中心是该两个结构相遇的地方。从控制器129到料斗115的垂直方向的虚线双向箭头指示在该实施例中，控制器129可以控制孔129的打开和关闭连同料斗115和重涂器101的其它功能。通过将受控体积的粉末124从料斗滴入重涂器101可以提供足够的粉末124用于构建每一层。在图1中，仅重涂器101的侧边缘可见。然而，重涂器101足够宽以延伸到图中，以在粉末床121的整个宽度上沉积粉末层124。
已经用来自料斗115的除湿粉末124填充，并且按照来自控制器129的指令，重涂器101启动沉积周期。在该周期中，重涂器101和矫直机119开始沿箭头“RTD”标记的方向(“重涂器行进方向”)扫过粉末床。将第一层沉积在构建板107上的初始扫描是从左到右。重涂器110通常包括在其后表面上的一个或多个狭缝(从视图中看不到)，当重涂器101在粉末床121的表面上被推进(propelled across)时，这些狭缝以通常均匀的量倒出粉末124。矫直机119将分散的粉末124精细地散布到恰到好处的深度以形成与建模的切片相一致的层。在可替代的实施例中，沉积狭缝与矫直机119直接相邻，矫直机119可以是永久附接到料斗115的结构。
当重涂器101在粉末床121上移动时，旨在对应于单个薄层的受控量的粉末124均匀地被沉积在构建板107上方，并通过矫直机119均匀地被散布在粉末床上。在其它实施例中，粉末124通过反向旋转的辊、擦拭器或刮刀来被沉积和/或散布。
该PBF 3-D系统100中的重涂器101是双向结构，其被配置为与矫直机119一起从粉末床121的一端移动到另一端，以在沉积周期期间沉积和散布粉末层124。在该示例中，在重涂器101到达右侧之后，它在右侧粉末床容器壁112上方移动并且在打印周期发生时变得静止。在各种实施例中，重涂器101沿着PBF3-D 100系统中的轨道或框架移动，该轨道或框架可以与粉末床107平行地精确对齐。在其它实施例中，重涂器101使用机械臂(未示出)移动。
在新近的沉积层上发生打印周期之后(见下文)，重涂器101可以开始向左移动以在粉末床121上启动新的沉积周期。像之前一样，重涂器机101小心地在粉末床121上方沉积另一层粉末124，并且矫直机119均匀地散布沉积的粉末，以在重涂器101最终返回到其在料斗115下方的位置时形成另一层。然后可以在新近沉积的第二层上开始第二打印周期。
在经过多个沉积和打印周期之后，粉末124开始积聚在粉末床121中。为了将每一层保持在与包括反射器105和能量束源103的打印电路(下方)的固定距离处，PBF 3-D系统100的底座可以被配置有活塞159。起始于打印作业的开始，每次重涂器101在沉积周期中进行粉末滴落时，活塞159致使构建底板111(以及因此构建板107和粉末床121)以等于层的厚度的量垂直向下移动。以这种方式，如上所述，允许构建件109在尺寸上增大，同时与能量束源103和反射器105保持相同的距离。这样，一旦能量束源和反射器105之间的距离在打印作业开始时被优化，在增加的粉末滴落的数量下，它可以保持与构建件109和粉末床121相同的优化距离。
每次重涂器101被定位回料斗115下方并且另一打印周期被启动时，重涂器101可以使用电路或机械测量设备来确定有多少粉末124留在其空腔中。该信息可以被传达到控制器129。如果粉末124的量不足以容纳两个沉积周期，则控制器129可以致使粉末流动孔重新打开，从而允许料斗用除湿粉末124重新填充重涂器。否则，如果重涂器有足够的粉末124，则此步骤可以被跳过。在任一情况下，在最近的打印周期已经完成之后，控制器129可以继续指示重涂器101进行另一沉积周期，直到达到重涂器101需要重新填充粉末的点为止。沉积周期之后是打印周期的顺序可以继续，直到所有层都被沉积并且构建件109被完成为止。
在可替代的实施例中，料斗115是重涂器101不可缺少的一部分并且在沉积周期期间与重涂器101同步移动。此外，在一些实施例中，矫直机119可包括一个或多个精密刀片。该刀片可以是硬刀片、软刀片或介于两者之间的某个位置。刀片可以是金属的、塑料的或硬橡胶，并且可以具有不同的形状，以根据像粉末124的密度、重量或类型等因素优化地促进其预期目的。在其它实施例中，矫直机119可以是滚动构件。
例如，矫直机119可以采用圆柱形辊的形式，其被水平地定位在粉末床121上并且通过将沉积的粉末轻轻地平直滚动来使沉积的粉末平滑。在这些情况下，该辊可以使从重涂器101喷射的粉末平滑，或者辊本身可以储存和喷射未熔融的粉末。仍然可以使用保留在本公开范围内的不同粉末喷射机构来采用其它实施例。
参考回控制器129，控制器129可以负责启动打印周期以及粉末沉积周期。从控制器129到能量束源103和偏转器105以及从能量束源106和偏转器105到控制器129的水平双向箭头旨在在概念上表示控制器129向这些设备发出命令并从这些设备接收反馈。
特别地，在按照上述程序沉积层之后，控制器129可以启动与为刚刚沉积的层编译的数据一致的打印周期。响应于控制器指令，偏转器105可以改变其相对于坐标系(例如，x、y、z)的位置。能量束源103使用偏转器105发送能量束，该能量束通过优选地改变偏转器105的角度(以及因此改变能量束127的方向)选择性地熔融沉积粉末124的标识区域。在标识的区域凝固之前，由于来自能量束127的热梯度，初始熔融可能造成熔化粉末的焊池。能量束源103继续使用偏转器105来改变能量束127的轨迹，直到当前层的所有细节都被打印为止。然后可以禁用能量束源103并且可以进行另一个沉积周期。整个过程可以继续，直到构建件109被完成。
为了说明的目的，示出了一个能量束源103和一个偏转器105。在其它配置中，PBF3-D系统100可以包括多个能量束源103和分布在室113上的偏转器105，用于生成一个或多个相应的能量束127。例如，PBF 3-D系统100可以被容纳在具有天花板的封闭室113中，其中一个或多个能量束源103顺序地或以图案被布置。
在打印周期期间，控制器129可以具体地引导偏转器105以熔融标识的区域，其中粉末熔化并被固化。未被熔融的层部分以粉末形式保持并且不成为构建件109的一部分。
如图所示具有许多特定特征的PBF 3-D系统的操作。然而，相当数量的PBF 3-D系统要么是商业上可用的，要么是具有不同特征的正在开发中的。应当理解，PBF 3-D系统的具体特征可能不同，并且出于上下文和说明的目的讨论了上述细节。因此，本领域技术人员在阅读本公开内容后将理解，PBF 3-D系统、料斗115或重涂器101可以包括附加的或不同的特征和几何形状，同时保持在本公开的范围内。
图2是参考实施例的料斗215的透视图，料斗215包括被定位在干燥剂插入件206中的干燥剂袋208和被连接在外壳容器211内的多个超声波换能器(UT)287a-c。图2中的料斗215的几何形状与图1中的类似，除了料斗215的下部具有附加的表面区域266a之外。料斗215本质上是粉末储存罐，其包括用于容纳粉末的外壳210。上表面区域266b包括用于使干燥剂袋208能够被定位在其中的干燥剂插入件206。干燥剂插入件206可包括使袋子能够与孔、狭缝或细网孔、或的另一合适的几何形状一起被安置的区域，该几何形状允许干燥剂袋208在料斗被填充时接触粉末。
料斗215还包括多个外壳容器211，相应的UT 287a-c已经被插入其中。UT 287a-c可以被定制制造。可替选地，UT 287a-c可以是商业现货(COTS)零件，并且外壳容器211被形成为接收COTS UT 287a-c。在一些实施例中，UT 287a-c可以在几何形状上(但在功能上不)类似于车辆火花塞，并且可以经由螺纹、粘合剂等被插入到相应的外壳容器211中。在其它实施例中，UT 287a-c可以使用机械紧固件被装配到外壳容器211中。电源(未示出)可以在外壳内部布线，使得每个UT 287a-c可以接收运行所需的功率。在实施例中，UT 287a-c还包括用于激活和去激活它们的输入。电线或金属迹线可以从控制器129被路由到每个UT 287a以执行激活/去激活。
应当注意，由于在图2中仅示出了料斗215的相关部分，因此料斗215可以包括在附图中不可见的不同表面区域上的附加UT 287a-c。
在操作中，料斗215可以经由装载滚筒(图1、3)或上表面区域266b中的开口被填充有粉末。控制器129可以随即同时或以随机或受控顺序激活UT 287a-c(和其它，如果可用)。UT 287a-c机械搅拌粉末，以去除已经聚集在粉末中的被捕获的水分。去除水分减少或去除粉末中的团块并增强流动性。使用超声波代替强大的热源保护3-D PBF系统100中潜在脆弱结构的完整性。
由于干燥剂袋被定位在上表面区域266b上并且UT 287a-c通常被布置在低得多的表面区域中，因此预计超声波将通过粉末传播。在某些情况下，超声波会向上反射。该活动将继续进行，以便确保几乎所有粉末都被移动，并且被捕获的水分将向上移动，直到它到达干燥剂袋208为止。在各种实施例中，UT 287a-c可以以可替代的方位被定位，以确保水分被向上推进到干燥剂袋208中。在其它方位中，多个干燥剂袋可以被定位在不同的位置中以确保在除湿期间从粉末中收集大部分或全部水分。
如上所述，在各种实施例中，UT 287a-c可以被嵌入料斗218内，例如，在底部表面区域(从视图中看不到)处以向上驱动粉末。在其它实施例中，部分内部托盘或挡板(从视图中看不到)可以被定位在料斗218内以捕获即将到来的颗粒团块和/或水滴，使得这些物品被拉近干燥剂，尽管存在相反的重力或其它干扰因素。
图3是包括干燥器305a-b的料斗315的框图，该干燥器305a-b经由上部上的外壳被悬挂在料斗内，用于将干燥剂308a-b容纳在粉末324的至少一部分内。干燥剂308a-b可以由适合于从其周围诱捕水珠的任何材料组成，并且在更复杂的配置中，它们本质上可能是机电的。可替选地，可以使用典型的分子物质，诸如上述那些。当UT 387a-b被激活时，干燥剂308a接收被驱动通过粉末的水分。如图2所示，UT 387a-b发射被嵌入料斗315的外壳310内，并发射去除捕获的水分的超声波脉冲(例如，离散的或连续的)。尽管示出了两个UT 387a-b，但可以使用一个或多个此类设备来适应特定料斗(例如，料斗315)的尺寸。
图3还示出了被嵌入在料斗315下部处的外壳310中的粉末传感器321a-b。粉末传感器321a-b是例如可以被耦接到控制器129的电子设备，或者它们可以包括与工作站或其它计算设备联网的数字输入和输出。粉末传感器321a-b可以起到保持PBF 3-D系统100或其用户通知(apprised of)料斗315的填充状态的作用。当粉末324达到阈值，使得其无法再沉积足够的粉末324以完成下一次(多个)沉积周期时，或在某些情况下，远在该点之前，料斗315可以被重新填充并且然后除湿。图3示出了被耦接到粉末装载器步进电机349的粉末装载滚筒319。粉末装载滚筒319可被用于将粉末从滚筒自动装载到料斗315中。
在各种实施例中，粉末装载滚筒319可以被脱离并与粉末装载器步进电机349一起被使用以在料斗315的装载完成之后装载另一料斗。如在上述实施例中，某些复杂的配置使多个料斗能够串联被使用，使得在给定料斗的粉末被耗尽后，另一个可用以代替它。这些料斗中的每一个都可以被配备有单独的UT和干燥剂，用于在使用前立即启动除湿。如以上所讨论的，给定的料斗315可以接收来自滚筒或其它设备的再填充物。在多料斗系统中，在PBF3-D系统100中所使用的每个料斗必须被配备以向重涂器101提供粉末。除湿后，可以使用软管、管道或歧管将粉末324从给定的料斗315转移到多料斗实施例中的重涂器101。可以在多个料斗上并行运行超声波除湿，或者可替选地，可以仅对指定用于一系列打印作业的多料斗系统的料斗进行除湿。
图4是超声波换能器487的示例性框图。超声波换能器是在超声波范围内产生波的设备。超声波范围包括高于约18,000-20,000赫兹(Hz)的频率，这通常高于人类听觉的能力。超声波换能器487通过将电能转换成声音并通过传送所产生的声波来发挥作用。压电晶体，诸如压电晶体464，通常被用于该转换过程。在施加交流电(AC)电势时，压电晶体通过在高频下改变尺寸和形状来振荡。施加的AC电势在由输入信号控制的压力下产生高频声音。振荡量与输入信号的频率相似或相同。
UT 487可以接收用于压电晶体464、微控制器466和发射器468中的接口的输入电源VDD(460)和GND(462)。微控制器466可以从控制器129接收激活信号，该激活信号也可以同时被传送到料斗中的其它UT。微控制器466或控制器129可以致使AC输入电压在490中的AC处被接收，这导致压电晶体464的振荡并且继而在压电晶体494处产生机械运动。微控制器466可以提供压电晶体输出到发射器468，发射器468可以被调谐以驱动压电晶体464输出到更高的强度。增强的输出可随即被提供给超声波扬声器。发射器468和/或超声波扬声器470可以包括用于传送输出超声波的膜片和谐振器，其进而将超声波脉冲发射到粉末供应中。这些可以是超声波、能量、脉冲、搅动等的脉冲致使粉末颗粒振动并释放如本文所述的被捕获的水分。持续的超声波脉冲导致水分从UT 487移动远离，并最终进入到适当定位的干燥剂中，在其中水分可以被捕获并随后被从料斗中去除。
应当注意，在一些实施例中，UT 487缺少单独的微控制器并且仅由相对于UT 487远程坐落的控制器电路来控制。例如，如图4所示，单独的控制信号来自打印控制器129。可替选地，单独的控制信号可以来自另一位置处的电路。在一些实施例中，代替微控制器466，单独的控制信号可被用于直接控制晶体和发射器，例如，以控制超声波的定时和传输。在所示的实施例中，UTC的激活由远程电路(例如，打印机的另一位置处的电路或与打印机联网的电路等)引起，而微控制器466控制晶体和发射器，尽管如上所述，但在一些实施例中，情况不必如此。
尽管超声波换能器487的参数可以根据它们的构造和功能而广泛变化，但是作为示例，它们可以接收5-30Vrms的平均输入电压并且在0.2到6米的范围内产生输出声音。例如，一种示例性超声波换能器可以在施加20Vrms的最大输入电压时输出标称频率为40kHz的声音。
可以实施其它类型的UTC技术。在实施例中，可以使用电容式超声波换能器(CUT)。CUT通常包括由背板分隔开的两个导电层。超声波是通过各层之间施加AC电压而产生的。CUT可以具有高频率范围，并且可以在高达2MHz或更高的频率下操作。其它用于将电能转换成产生高频声音的机械运动的换能器类型是可用的。
图5是参考实施例的示例性流程图，其示出了在PBF 3-D系统中用于对用作打印材料的粉末进行除湿的过程。料斗可以被配置在PBF 3-D系统上，以在干燥器、袋子或插入件(500)中包括一个或多个分布式UT和干燥剂材料。当基于粉末的打印材料被接收在料斗中时，诸如手动或通过粉末装载滚筒自动地接收，除湿周期可以开始(594)。控制器可以激活UT，其继而可以通过使用超声波频率机械搅拌粉末以驱动被颗粒捕获的水分进入到被定位在料斗中的干燥剂中，来对料斗处的粉末进行除湿(596)。
随即，可以开始打印作业。PBF 3-D系统可以使用被耦接到料斗的重涂器将除湿粉末的连续层沉积到粉末床上(598)。在沉积周期之间，一个或多个能量束源使用相应的偏转器在先前的打印周期中选择性地熔融沉积层，使得生成构建件109的固化横截面部分，其持续直到构建作业完成为止(599)。在各种实施例中，多个装载机和相关联的料斗可以串联或并联地被组织，并准备好与现有的可操作料斗立即更换，以最大化用于PBF 3-D系统的各种类型的干打印材料(粉末)的可用性(593)。
提供前述描述以使本领域的任何技术人员能够实践本文所描述的各个方面。对整个本公开所呈现的这些示例性实施例的各种修改对于本领域技术人员来说将是显而易见的。因此，权利要求不旨在限制于整个本公开中所呈现的示例性实施例，而是要符合与权利要求的语言一致的全部范围。本领域普通技术人员已知的或以后将知晓的整个本公开中所描述的示例性实施例的元件的所有结构和功能等效物旨在被涵盖在权利要求中。此外，本文所公开的任何内容均不旨在专用于公众，无论此类公开内容是否在权利要求中明确记载。根据35U.S.C.§112(f)或适用司法管辖区的类似法律，没有权利要求元素被构建，除非该元素使用短语“用于。。。的装置”明确陈述，或者在方法权利要求的情况下，使用短语“用于。。。的步骤”陈述该元素。

Claims (21)

1.一种粉末床熔融(PBF)系统，包括：
粉末床容器；
用于存储粉末的料斗，所述料斗包括超声波换能器，所述超声波换能器被配置为通过将水分驱动到被定位在所述料斗中的干燥剂来对所述粉末进行除湿；和
重涂器，用于将被除湿的粉末层沉积到所述粉末床上。
2.根据权利要求1所述的PBF系统，其中，所述超声波换能器包括用于控制所述超声波换能器的超声波换能器电路。
3.根据权利要求1所述的PBF系统，其中，所述超声波换能器被配置为通过使用一种或多种超声频率搅拌所述粉末的颗粒来对所述粉末进行除湿而无需单独的热源。
4.根据权利要求1所述的PBF系统，其中，所述超声波换能器被布置在所述料斗的外壳中的与所述干燥剂相对的表面区域处。
5.根据权利要求1所述的PBF系统，其中，所述超声波换能器包括多个超声波换能器，所述多个超声波换能器被布置在所述料斗的至少一个表面区域上。
6.根据权利要求1所述的PBF系统，还包括干燥器，所述干燥器穿过所述料斗的外壳突出，并且被配置为将干燥剂悬挂在所述存储的粉末中。
7.根据权利要求1所述的PBF系统，还包括能量束源，所述能量束源被定位在所述粉末床上方以选择性地熔融由所述重涂器沉积的被除湿的粉末层。
8.根据权利要求1所述的PBF系统，其中，所述干燥剂包括干燥剂袋。
9.根据权利要求1所述的PBF系统，其中，所述料斗的外壳包括用于安装所述超声波换能器以接近所述存储的粉末的容器。
10.根据权利要求1所述的PBF系统，其中，所述料斗包括用于定位所述干燥剂的插入件。
11.根据权利要求1所述的PBF系统，其中，所述超声波换能器和所述干燥剂在所述料斗中相对于彼此被定向，使得由所述超声波换能器引起的所述粉末的超声波搅拌所推动的水分的方向朝向所述干燥剂。
12.根据权利要求1所述的PBF系统，其中，所述料斗包括：
外壳，用于容纳所述粉末；
插入件，其在所述外壳中用于定位干燥剂；
超声波换能器，其被耦接至所述外壳以用于超声地搅拌所述粉末并将水分驱动到所述干燥剂，从而产生被除湿的粉末；和
孔，其在所述外壳中用于将所述被除湿的粉末提供给重涂器。
13.一种用于在粉末床熔融(PBF)系统中容纳粉末的料斗，所述料斗包括：
外壳，用于容纳所述粉末；
插入件，其在所述外壳中用于定位干燥剂；
超声波换能器，其被耦接至所述外壳以用于超声地搅拌所述粉末并将水分驱动到所述干燥剂，从而产生被除湿的粉末；和
孔，其在所述外壳中用于将所述被除湿的粉末提供给重涂器。
14.根据权利要求13所述的料斗，其中，所述干燥剂包括干燥剂袋。
15.根据权利要求12所述的料斗，其中，所述干燥剂包括机械部件，所述机械部件包括用于接收所述水分的流体槽。
16.根据权利要求12所述的料斗，其中，所述超声波换能器被定位在所述外壳内。
17.根据权利要求12所述的料斗，其中，所述超声波换能器包括被布置在所述外壳的至少一个表面区域上的多个超声波换能器。
18.一种用于在包括料斗的粉末床熔融(PBF)系统中对粉末进行除湿的方法，所述料斗包括超声波换能器，所述方法包括：
在所述料斗中接收粉末；和
使用所述超声波换能器对所述接收到的粉末进行除湿，包括以一个或多个超声波频率机械搅拌所述粉末以将水分驱动到干燥剂。
19.根据权利要求17所述的方法，还包括在印刷作业期间通过被耦接到所述料斗的重涂器将所述被除湿的粉末的连续层沉积到粉末床上。
20.根据权利要求17所述的方法，其中，所述干燥剂包括干燥剂袋。
21.根据权利要求17所述的方法，还包括将所述干燥剂定位在所述料斗的区域中，使得所述水分的运动方向朝向所述干燥剂。
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