CN117642277A - 粉末生产及回收 - Google Patents

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詹姆斯·A·德姆斯
弗朗西斯·L·利尔德
德鲁·W·基辛格
柯特·拉伯斯
克雷格·加文
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Abstract

增材制造系统的打印引擎包括打印站，该打印站被配置为保持包含粉末的可移除的盒。激光引擎被定位成将一维或二维图案化激光束引导到可移除的盒中。在一些实施例中，粉末至少部分地用磁流体动力系统生产。

Description

粉末生产及回收
相关申请
本公开是要求于2021年7月15日提交的第63/222,069号美国专利申请的优先权权益的非临时专利申请的一部分，该美国专利申请通过引用以其整体并入。
技术领域
本公开总体上涉及用于适合于增材制造(additive manufacturing)的高通量粉末制造(high throughput powder manufacture)的系统和方法。在一个实施例中，新的或回收的粉末可以被制成用于在可移除的打印盒中使用。
背景
传统的部件加工通常依赖于通过钻孔、切割或研磨来去除材料以形成零件。相比之下，增材制造(也称为3D打印)通常涉及材料的顺序逐层添加以构建零件。以3D计算机模型开始，增材制造系统可以用来由各种材料创建复杂的零件。
一种被称为粉末床熔融(PBF)的增材制造技术使用一个或更多个聚焦能量源，诸如激光或电子束，以通过熔化粉末并将其结合到下面的层而在粉末薄层中绘制图案来逐渐形成3D打印零件。粉末可以是塑料、金属、玻璃、陶瓷、晶体、其他可熔化材料或可熔化材料和不可熔化材料的组合(即塑料和木材或金属和陶瓷)。这种技术非常精确并且通常可以实现小至150um-300um的特征尺寸。然而，目前的粉末生产方法喷涂熔化金属以形成广泛分布的粉末颗粒，这些粉末颗粒通过筛网过滤以获得期望的分布。该方法限于旨在满足最广泛用途的粉末直径分布，而不是集中于任何一种金属增材制造(M-AM)打印方法。PBF打印方法可以更好地使用商业上可获得的较宽分布中的两个或更多个切片的窄粉末分布。另外，可能存在形状更好的结构，这种结构在定量给料(dose)和散布操作期间更适合粉末的致密堆积，并且允许比现有的更高的激光能量吸收，但是目前探索和确定的成本太高。
粉末制造或回收的其他问题可能包括位于原始分布之外的烧结团块和细粉形式的污染。如果这种混合用粉末在重复使用前没有经过过滤和提炼，那么使用它们会在未来打印中产生错误。这种粉末的任何污染都会对包含以前使用过的打印粉末的打印的保真度产生问题。在许多情况下，这种粉末被包装起来，并送回原来的供应商进行再处理。
附图简述
参考以下附图描述了本公开的非限制性的并且非穷举的实施例，其中，除非另有说明，否则在所有各个附图中相似的附图标记指代相似的零件。
图1A示出了重力分离磁流体动力(MHD)粉末生产系统的示例；
图1B示出了MHD辅助的基于喷流的(fountain-based)粉末生产系统的示例；
图1B-2示出了具有气体错流(air cross flow)的MHD辅助的基于喷流的粉末生产系统的示例；
图1C示出了基于冷凝的粉末生产系统的示例；
图1C-i示出了使用溅射的基于冷凝的粉末生产的实施例的示例；
图1C-ii示出了使用激光增强溅射的基于冷凝的粉末生产的实施例的示例；
图1C-iii示出了使用激光增强溅射的基于冷凝的粉末生产的实施例的示例；
图1C-iv示出了使用磁控共溅射(magnetron co-sputtering)的基于冷凝的粉末生产的实施例的示例；
图1D示出了微孔挤出粉末生产系统的示例；
图1D-i示出了在微丝上使用电磁放电的粉末构造的示例；
图1E示出了使用离心方法的粉末回收的示例；
图1F示出了在工作流体中使用磁流变方法的离心力方法的实施例的示例；
图1G示出了使用电解方法的粉末生产的示例；
图2A示出了基于盒的增材制造系统，该系统可以提供有新的或回收的粉末；
图2B示出了适合于处理和容纳新的或回收的粉末的示例增材制造系统的框图；
图2C示出了适合于处理和容纳新的或回收的粉末的增材制造系统的方法；
图3示出了能够向盒提供一维或二维光束的基于盒的增材制造系统；以及
图4示出了能够向盒提供一维或二维光束的基于盒的增材制造系统的操作方法。
详细描述
在以下描述中，参考了形成说明书的一部分的附图，并且其中通过说明其中可实践本公开的具体示例性实施例的方式示出。对这些实施例进行足够详细的描述，以使本领域技术人员能够实践本文公开的概念，并且应当理解，可以对各种公开的实施例进行修改，并且可以利用其他实施例，而不脱离本公开的范围。因此，以下详细描述不被认为是限制性的意义。
图1A示出了重力分离磁流体动力(MHD)粉末生产系统100A的示例。MHD系统100A提供搅拌和可变压力系统，用于更好地控制液态金属的混合和喷射，同时与许多常规重力滴注方法相比允许更小的孔口尺寸和颗粒尺寸。MHD系统100A包括加热容器105A，所需的金属115A放置在加热容器105A中，并使用加热线圈117和MHD线圈125加热至液态110A。加热线圈通过热加热器线圈控制电子器件120A激励和控制，而MHD线圈通过MHD线圈的电子器件130A控制。洛伦兹径向力通过125A中的脉冲电场在液态金属中产生，从而在110A中产生脉冲电流140A，因此驱动脉冲压力波135A，该脉冲压力波的强度由MHD电子器件130A直接控制。这种压力波产生从孔口150A流出的射流，该射流是体积可控的。精确的脉冲射流产生了精确量的熔化金属，这些熔化金属随着它们与惰性气体错流170A的相互作用而分裂成较小球体160A的分布。在其他实施例中，代替惰性气体错流170A或除了惰性气体错流170A之外，球体可以通过静电移动。对错流灌注所需的翻滚以确保球形，同时根据孔口尺寸、液态金属的表面张力和受控的喷射力，将球体冷却成紧密分布内的不同直径的固体颗粒。错流还根据横截面直径和质量向颗粒施加一定量的力160A，根据质量将颗粒快速分离成一种分布，其中最轻的分布被推入比最重的分布180A更大的抛物线重力路径190A。附加的网状过滤器200A放置在离散的收集箱220A上方，以在附加的网状过滤器200A终止各种分布的重力辅助路径进入220A时进一步过滤各种分布。箱可以以一定高度布置，或者在箱之间具有附加屏障，以进一步隔离收集集合体(collections ensemble)210A之间不需要的混合。没有收集在210A中的任何材料都可以返回到110A。
图1B示出了MHD辅助的基于喷流的粉末生产系统100B的示例。在系统100B中，熔化金属被泵送成带电的喷流式喷雾(fountain spray)，其中颗粒尺寸分布利用静电和重力被分离。系统100B包括含有熔化金属110B的加热容器105B。金属使用热加热器线圈120B熔化，热加热器线圈120B由热加热器线圈的电子器件130B控制。MHD线圈140B施加熔化金属的压力，该压力最初通过毛细作用向上传递并进入喷射器160B，但随后由MHD过程产生的洛伦兹力170B支撑并由MHD线圈140B的电子器件150B控制。由150B控制的脉冲MHD压力波使熔化金属从喷射器喷射到110B上方的环境中。离子充电单元180B施加电荷190B并依次向从160B发射的球体195B施加电荷190B。球体根据质量立即分裂，由此产生的行进路径指向相邻壁上的各个点。如果质量和电荷不足以使特定尺寸的球体沿着路径240B到达带电逃逸网格210B，则球体将穿过较低路径245B中的一个，导致球体撞击加热壁250B。在250B上收集的材料流回到110B中，在110B中循环重新开始。对于穿过210B的颗粒，它们的电荷被另一离子充电单元220B中和，产生相反的(所示为正电荷)电荷230B，抵消穿过210B的颗粒电荷。(分别在180B和220B处生成的)静电电荷190B和230B由静电电子驱动器200B供电和控制，该静电电子驱动器200B也对收集狭缝210B充电。穿过210B的颗粒被收集在料斗270B中。
系统100B可以通过相对于210B调节经由200B施加到180B上的电荷来收集期望的分布。收集狭缝210B的放置和宽度也允许收集特定尺寸和分布的颗粒。另外，250B下方和210B上方的壁(为清楚起见，未示出)提供了飞溅表面，以允许收集几乎所有未在期望分布中的金属，以再循环回到110B中，而无需除了重力辅助之外的任何额外工作。另外，对这些表面进行成形将允许几乎免维护的动作，而不会干扰所需分布的收集。
图1B-2示出了MHD辅助的基于喷流的粉末生产系统100B-2的示例。在系统100B-2中，熔化金属被泵送成喷流式喷雾，然后被充电，并使用惰性气体的错流分离出合适的颗粒尺寸分布。该系统包括含有熔化金属110B-2的加热容器105B-2。金属使用热加热器线圈120B-2熔化，热加热器线圈120B-2由其电子器件130B-2控制。MHD线圈140B-2施加熔化金属的压力，该压力最初通过毛细作用向上传递并进入喷射器160B-2，但随后由MHD过程产生的洛伦兹力170B-2支撑并由MHD线圈140B-2的电子器件150B-2控制。由150B-2控制的脉冲MHD压力波使熔化金属从喷射器喷射到110B-2上方的环境中。气体的错流180B-2撞击熔化金属喷雾，并将其还原为从160B-2发射的球体195B-2。球体根据质量立即分裂，并根据质量向相邻壁上的各个点的路径行进。如果质量和赋予的气体速度不足以使特定尺寸的球体沿着路径240B-2到达形成在壁250B-2和壁200B-2之间的出口狭缝，那么球体将穿过较低路径245B-2中的一个，从而导致球体撞击加热壁250B-2，或者穿过较高路径230B-2从而撞击加热壁200B-2。在250B-2或200B-2上收集的材料流回到110B-2中，在110B-2中循环重新开始。相反，收集壁200B-2和250B-2可以是未加热的，并且沉积的材料可以在之后进行后处理。对于在壁200B-2和250B-2之间穿过的颗粒，这些颗粒被收集在料斗270B-2中。覆盖气体的再循环回路包括进气口210B-2、过滤和循环气体泵220B-2、通过过滤器和泵190B-2连接进气口以产生气流180B-2的管道。气体进气口210B使气流再循环并将气流输送到过滤器和泵/压缩机/鼓风机系统190B，该过滤器和泵/压缩机/鼓风机系统190B将气体再循环到出口180B。
系统100B-2可以通过调节经由180B-2施加到195B-2上的气流来收集期望的分布。收集狭缝的放置和宽度(即，250B-2和200B-2之间的间隙)也允许收集特定尺寸和分布的颗粒。另外，250B-2下方和210B-2上方的壁(为清楚起见，未示出)提供了飞溅表面，以允许收集几乎所有未在期望分布中的金属，以再循环回到110B-2中，而无需除了重力辅助之外的任何额外工作。另外，对这些表面进行成形将允许几乎免维护的动作，而不会干扰所需分布的收集。
在某些实施例中，狭缝可以是可调节的。在其他实施例中，通过喷嘴160B驱动的流体可以由机械泵、MHD压力或重力供给来提供动力。在另一些实施例中，金属被感应地加热，并且在另一些实施例中，金属被电阻加热，或者通过燃烧或核反应、地热或直接聚光太阳能加热。在另一些实施例中，气流流速经由过滤器和泵/压缩机/鼓风机控制(为清楚起见，未示出控制系统)来实现，并且气流的空间分布可以使用回流管道190B-2内的成形导管、孔口、孔隙和结构来实现。吹出的气流180B-2的空间控制可以允许颗粒被成形为从球形到椭圆形再到片状，作为包含在收集箱270B-2中的最终收集的颗粒形状的几个示例。
图1C示出了基于冷凝的粉末生产系统100C的示例。基于冷凝的系统包括加热容器105C，其中金属使用来自加热线圈的热能被熔化110C，或者由被加热控制系统(未示出)控制的感应线圈115C直接加热而被熔化110C。加热110C的动作将产生金属蒸气(120C分别被输送到一系列冷凝分支点130C、150C和170C)。金属蒸气在分别通过加热线圈140C、160C和180C的输送期间保持气态，从而加热连接在分支点之间的导管。虽然100C被描述为仅具有三个这样的分支点，但这是作为示例示出的，并且根据从该过程中期望的不同颗粒分布的数量，可以有不同的分支点集合。在冷凝分支点的每一个中的蒸气自然地从分支点分离出来，并且一些蒸气将进入相邻的冷凝恒温箱205C(被提供作为用于大颗粒冷凝的一个范例的示例)，其中冷却线圈200C用于将局部温度降低到刚好低于熔融热量，从而允许金属颗粒从金属气相210C中存在(作为大颗粒分布的示例)。金属气体的蒸气压力将即将产生的金属颗粒推入其收集箱(对于大颗粒分布为220C，对于中颗粒分布为230C，且对于小颗粒分布为240C)。
例如，可以添加分支点140C和130C连接凸缘之间的闸门结构(为清楚起见未示出)，以增强和选择蒸气采用的路径和产生的分布。同样，可以添加从分支点通向恒温箱中的闸门，以更好地控制任何一个恒温箱中的温度分布，从而更好地控制每个恒温箱产生的分布。恒温箱上的冷却回路由冷却控制系统(未示出)控制，并且该冷却控制系统可以是电的、热电的或热机械的。
图1C-i示出了通过使用溅射法100C-i而不是纯热驱动方法的冷凝系统的实施例的示例。基于溅射驱动的系统更具有能量效率，因为该系统使用动能方法将材料从所需金属的固体块上驱动下来。在该系统中，离子枪驱动器电子器件105C-i向离子枪/发生器供应受控能量，然后离子枪/发生器对惰性覆盖气体120C-i充电。这些带电气体原子140C-i使用静电网格/线圈150C-i被加速，以形成带电颗粒170C-i的流160C-i，该流高速行进以撞击固体金属靶180C-i。动能转移发生在180C-i处，导致在160C-i和180C-i之间的相互作用点处生成的熔池185C-i。几乎在瞬间，金属蒸气以与160C-i与185C-i所形成的几乎相同的入射角度的角度190C-i从185C-i发射。沿着190C-i行进的蒸气羽流200C-i在动力学碰撞过程中保留了赋予140C-i的电荷。金属颗粒开始从200C-i中凝结出210C-i，这取决于金属颗粒的质量(以及因此取决于金属颗粒的直径)，仍然保留取决于其质量/直径分布的电荷。
图1C-ii示出了通过使用激光辅助溅射冷凝方法110C-ii的冷凝系统的实施例的示例。在该变型中，离子束充电系统被激光器110C-ii代替，该激光器110C-ii通过光学窗口120C-ii进入溅射系统(通常在降低的大气压力或真空室中)。激光器朝向金属靶105C-ii被引导130C-ii，并且可以用由各种光学元件组成的光学回路(未示出)沿着其路径被进一步控制。激光撞击金属靶105C-ii，产生熔池140C-ii，以及以与105C-ii形成的入射激光器角度130C-ii相似的发射角度150C-ii发射的金属蒸气的气体羽流160C-ii。发射羽流经由离子枪170C-ii充电。当羽流远离发射地点行进时，羽流开始冷却，并且带电金属颗粒从蒸气180C-ii中凝结出来，形成基于激光能量学和光束轮廓的各种不同分布。电荷转移在质量大得多的颗粒上收集得更多，并且这些颗粒分别更快地被吸引到附接到收集箱210C-ii的带电收集网格。给出了被吸引到电荷收集板200C-ii(通过平行连接到所有收集网格的195C-ii)的细(小)直径颗粒路径190C-ii的示例。穿过210C-ii，190C-ii上的电荷被抵消，但颗粒的动量将颗粒带入用于细粒的收集箱(所留下的大部分组分被划分为210C-ii)。
有利地，系统100C-ii提供了：160C-ii中的金属颗粒分布由激光能量学、空间和时间形状所定义，并且可以更好地适应被溅射的金属以及所需的金属粉末的平均值和分布，同时保持溅射方法的能量效率。
图1C-iii示出了激光辅助溅射冷凝系统100C-iii的实施例的示例，该实施例允许将共溅射的金属组分结合到金属羽流中以产生金属合金粉末。在100C-iii中，使用多个激光器来激发各种相同的或不同的金属或其他靶的羽流。虽然这个示例显示了三个激光器和三个靶，但在d溅射室内，从1到由空间和复杂性限制的数字的任何数量都可以用于像100C-iii这样的系统中。在该示例中，激光束1 140C-iii进入溅射系统并撞击金属靶105C-iii，产生熔池110C-iii，并且在这样做时产生了金属蒸气羽流170C-iii。同样，激光器2和激光器3分别撞击靶120C-iii和130C-iii。其他靶可以是金属或合金或各种不同的材料，这取决于所需的粉末材料组成。所有三个激光器(或更多个)及激光器与它们的靶的相互作用使得产生的蒸气羽流在MHD系统175C-iii所在的中心位置重叠，以确保来自每个发射的蒸气被混合并加热到熔融热以下。离子放电系统190C-iii对该蒸气混合物充电。所得合金的冷凝是通过控制MHD启用力以及在140C-iii、150C-iii和160C-iii中的激光器参数来实现的，使得合金金属颗粒从蒸气混合物180C-iii中冷凝出来，并由190C-iii对合金金属颗粒施加电荷。如前所述，颗粒被吸引到一系列相反带电的收集网格(根据颗粒尺寸及颗粒的相对分布，统称为220C-iii)。这里举例说明的是路径200C-iii，其表示被分配到小直径(或细)颗粒直径的颗粒被吸引到收集网格210C-iii及其附接的收集箱。
图1C-iv示出了通过使用磁控管磁头(magnetron heads)作为激光器100C-iv的替代物的基于共溅射的冷凝粉末生产方法的实施例的示例。该系统享有基于激光器的共溅射的许多特性，而没有激光源及其光束传输到溅射室中的外部复杂性。100C-iv系统是一种磁控溅射系统，其被配置为生产金属粉末，并由两个磁控管磁头组成，但是像这样的系统可以被配置用于多于一个的磁头，并且受限于潜在磁头数量的室尺寸约束。每个磁控管磁头110C-iv包含一系列交替的电磁电路，这些电磁电路由磁头的电子控制装置(未示出)和安装在磁头结构顶部的金属靶105C-iv驱动。该系统中的靶可以是金属或其他材料。阴极屏障(电绝缘的阴极屏障)115C-iv将磁控管磁头电气地且磁性地分开，使得每个磁头在附接于其的靶上操作，并且不受其他磁头产生的磁场的影响。惰性覆盖气体150C-iv用于产生等离子体120C-iv，该等离子体120C-iv由每个磁头在磁力线140C-iv之间的磁箍缩点(magneticpinch points)处产生，因为它们穿透靶。磁头相对于室上方的收集网格是带负电的130C-iv。等离子体由于覆盖气体被充电(通过磁头)而产生并通过每个磁头上产生的磁场被加速到靶；加速的带电气体和靶之间的撞击从每个磁头上方的每个靶产生羽流。磁头被配置成使得这些羽流重叠160C-iv，并且金属蒸气由于来自加速的等离子体的能量转移而被充电。在金属蒸气被吸引到收集网格时发生冷凝170C-iv，其中颗粒直径随着传送时间延长而变大，因此路径180C-iv描述了针对大颗粒分布并被吸引到收集网格190C-iv及其相关联的收集箱上的情况。引起这种吸引的抵消电荷185C-iv在金属颗粒被收集时抵消其上的电荷。在该示例中，收集的颗粒在箱200C-iv中，范围是小(细)直径粉末颗粒、中直径粉末颗粒和大直径粉末颗粒(分别从底部到顶部)。
图1D示出了使用微孔挤出系统100D的粉末构建方法的示例。该系统使用柱塞，该柱塞将受控体积的熔化金属从精密微孔中挤压出，从而产生金属粉末的受控分布。该系统包括保持在通过挤出头110D的表面界定的空间中的熔化金属105D、热容器120D和柱塞130D。金属通过由外部加热器电子器件(未示出)控制的热线圈150D被加热至熔化状态。加热系统在该过程期间保持熔化状态，并且可以延伸到下方以包括熔化液滴180D和190D，该熔化液滴180D和190D具有由相同或不同的驱动器/控制电路控制的相似类型的线圈。通过施加力140D以通过110D压出受控体积的熔化金属而产生金属粉末。刀边缘160D通过切割动作170D从压出的量中勾画出离散体积，以形成离散的熔化段180D，现在处于自由落体状态。表面张力通过形成球体190D使这些段降低它们的表面能，然后使用惰性覆盖气体200D固化球体190D。
该方法的实施例包括使用柱塞上的压电控制件来产生精确熔化体积的快速喷射。该实施例可以具有由压电材料构成且其总长度根据所施加电压变化并在140D的方向上的柱塞，或者连接到具有类似控制件的压电致动器的柱塞。具有柱塞连接的一个益处可以是远程定位压电头，因为这些部件是热敏的。在该实施例中，刀边缘切割器可能不是必需的，因为轻微的反向电压可以将液体从喷射中拉回，但是由于材料在该拉回过程期间将不可避免地泄漏，因此有可能从该拉回中产生更宽的分布。
该系统的其他实施例可以包括成形的隔膜，作为110D中的打开的微孔结构的替代物。当没有压力施加到柱塞时，打开的微孔依赖于穿过该界面的熔化金属表面张力来将金属保持在适当的位置，如果温度没有被很好地控制，则产生渗漏或金属泄漏出该微孔的可能性。成形的隔膜可以防止意外释放，但是可能需要施加更大的力来克服通过隔膜的自然阻力。
在其他实施例中，刀被加热到足够热，从而不仅防止凝固，而且还增加熔化，并且在一些实施例中，刀被加热到足够高的沸点从而引起莱顿弗罗斯特效应，利用材料的蒸发有效地排斥/切断液体流。附加的实施例可以用其他类型的闸刀边缘/表面或旋转孔隙代替刀边缘，以允许更短的循环时间和每单位时间产生更多的粉末。标准旋转孔隙的一种形式可以使其相对于液态金属流的取向为钝角(在流和闸刀表面的平面之间大于45°)，使得切割的金属流可以根据其质量/尺寸从表面甩出并落入收集箱中。
另一个实施例用激光器或包括光、电子、离子或声束的其他类型的能量束代替刀边缘，该能量束可以在离散点处使流蒸发，从而允许由通过孔口的稳定流(即，施加到130D的连续压力)形成段。该实施例允许产生颗粒的更宽分布，除非能量束被很好地控制，并且可能被聚焦到流上的点，以确保最小颗粒直径分散体不会被引入到期望的分布中。该实施例的变型是使用电磁放电系统。又一实施例可以使用流体流，诸如水射流或冷氮气或其他气体射流。
又一个实施例可以使用惰性覆盖气体上的错流剪切力将结构化翻滚结合到自由下落段中，或者使用MHD工艺将自由下落段快速旋转成期望的旋转对称形状，包括片状、椭球体或其他圆锥形变体。
系统100D可以使用微通道来分布流体以具有一个挤出点或点，或者被分成大规模平行阵列中的多个挤出点。
图1D-i示出了在微线系统100D-i上使用静电放电的粉末构造的示例。系统100D-i可以包括一卷线(微线或其他线)105D-i，其利用张紧器120D-i和线驱动器130D-i被拉成单股110D-i。当线被130D-i向前拉离105D-i时，静电放电火花发生器被放置在线的两侧上。电弧由静电电弧控制器(未示出)控制，其中电弧轮廓与线类型相匹配。静电产生的电弧(火花或击穿)将受控体积的线150D-i从该股上分离，然后该股经历自由下落，穿过由加热线圈160D-i产生的加热区。该加热区将股段的温度升高到其熔点以上，并且熔化的股段通过坍缩成直径取决于原始股段体积170D-i的球体来降低其表面能。惰性气体180D-i用于在固体金属粉末中冷却170D-i，然后该固体金属粉末被收集到收集箱190D-i中。
图1E示出了使用离心系统100E的粉末回收的示例。进入回收系统的这种粉末可以已经在先前的增材打印中使用，并且可以包含烧结金属、团块和非典型形状的粉末。这种离心方法可以过滤掉团块，但不能自动过滤掉使用过的粉末中的其他两种瑕疵物。诊断可以用于帮助识别收集的分布中的这些瑕疵物，以便进一步处理。将使用过的粉末放置到能够围绕旋转中心130E的高旋转速度125E的精密转盘120E上。当工作台向上旋转时，粉末110E根据其质量径向分离出来，其中次级效应取决于粉末110E的形状。工作台的开口面可以用机构封闭(用盖子以防止气溶胶形成)，以将真空拾取器150E保持在旋转粉末上方的精确位置处。在所示示例中，三个真空拾取器基于在离心过程期间粉末的质量分离被定位在大、中和小(细)直径粉末的半径处，其中140E真空拾取器是用于大直径粉末颗粒145E的真空拾取器的示例。真空拾取器在其半径处被降低，并且施加真空以去除一组已经计算出具有一定质量以及因此直径的颗粒。本示例中的一组拾取器将它们的特定颗粒直径移至其范围从细(右箱)到大(左箱)直径的颗粒粉末的收集箱160E。为了确定烧结或非典型形状是否被收集到这些分布中，电容回路170E示出为位于具有其控制电子器件180E的细粒拾取器上，以测量被去除的颗粒的复阻抗。复阻抗测量测量了颗粒在其穿过电容线圈时的阻抗变化，目的是确定收集的分布是否需要进一步细化，以去除非典型形状或受损的颗粒粉末。
这个概念的实施例可以包括使用典型的有色金属载流体，其中一些可以包含活性化学组分以减少金属粉末内的污染，诸如氧、氢、二氧化碳或来自粉末的可滤取的表面污染。流体还缓冲粉末，如同有助于经由离心力根据质量/直径分离出粉末。载流体可以包括去离子水、缓冲水、醇、弱酸或各种碳氟化合物等。
图1F示出了使用磁流变(MR)系统的离心粉末回收系统100F的实施例的示例。系统100F包括用于帮助系统的旋转方面的磁性工作流体，在回收钢和其他含铁或铁磁性金属粉末的情况下，可能不需要添加磁性流体并使用金属粉末本身与MR系统结合来在流体/粉末上引起离心力以进行分离。在该系统中，待回收的粉末110F与MR流体的某个部分一起被放入容器120F中。MR电路115F包括由MR驱动器电子器件和控制系统130F控制的交替的极化电磁电路。MR驱动电路诱导MR流体的旋转循环125F(并且MR流体载有待回收的粉末)，从而将径向能量赋予该溶液中的每个金属粉末颗粒。粉末根据其质量(以及因此直径)径向扩散，其中通过针对流体混合物的特定旋转速度在适当的径向距离处放置吸管，粉末可以被向上抽吸并吸出混合物。如前所述，作为去除大颗粒的一个示例，通过使用115F结合130F控制流体上的激励，将一定的速度赋予流体，并且向吸管145F施加吸力以提取在该半径处的大直径颗粒140F。通过围绕125F的中心径向设置适当的吸管，可以同时去除范围从小(细)到大的颗粒跨度，其表示为分组150F。去除的粉末分布被运输到收集箱(其统称为160F)，范围从细到大直径颗粒粉末(分别从右到左)。
另外，由于运动是由电磁场控制的，因此这种方法允许通过在径向位置处提供搅动来进一步分离分布同时分布围绕全局旋转中心进行旋转，从而对径向带进行更精细的控制。这方面的示例可以是向对于被定位在吸管165F下方的细(小)直径颗粒粉末的径向位置下方的电磁电路185F添加附加的信号信息，意在从MR浴(bath)提取细颗粒。搅拌可以与阻抗测量线圈170F以及复阻抗驱动器180F结合使用，以在搅拌信号施加到185F时监测颗粒的尺寸。另外，可以任意选择用于分离的旋转中心，或者可以使用MR系统实现多于一个旋转中心，这可以允许初始离心全局描绘，随后进行更精细的区域描绘，而无需向125F施加运动。工作流体的使用消除了在125F以上施加覆盖表面的需要，因为该流体将消除粉末的气溶胶。
图1G示出了使用电解系统100G的粉末生产的示例。系统100G包括用于保持电解溶液120G的电解容器110G，该电解溶液120G可以仅含有碱、酸、还原剂或氧化剂化合物，碱、酸、还原剂或氧化剂化合物可以提取原料金属阳极130G内的材料并将其作为活性离子结合到溶液中。电解溶液还可以包含所需的化学掺杂剂125G，化学掺杂剂125G然后混合并形成以阳极金属类型为中心的带电活性合金。在电场(正侧为140G，到负侧为200G)下，这些离子漂移并被收集到收集阴极150G上，该收集阴极150G连接到阴极分压器树190G并且统称为200G，该200G使某些板相对于其他板偏压，以收集和聚集来自120G的不同尺寸的颗粒。形成的不同尺寸的聚集体将取决于120G和130G至150G中所见的电压，这由200G中哪一组附加电阻来确定。在该示例中，大直径颗粒可以在具有最高电阻路径(最低电压降)的阴极180G上形成，这是由于离子可能需要更长的时间来形成越来越大的聚集体，而中等和细的聚集体以及更小的聚集体可以经历更快的传送时间，因为它们分别沉积到它们的阴极收集板170G和160G上)。
图2A以部分横截面示出了3D打印盒1A，该3D打印盒1A用于保持根据本公开制备的用于增材制造系统的新的或回收的粉末。3D打印盒(下文简称“盒”)将所有“脏的(dirty)”打印功能与系统的其余部分和操作者环境分离，并设计成用于更换或移除。“脏”是指凡是有粉末存在的地方、被处理以用于打印的地方或生成烟灰的地方。每当盒1A连接到诸如稍后描述的站(打印机、去粉机或存储站)的配合设备时，配合设备可以根据需要基于其配合到的站来供应操作盒所需的服务(例如，打印机站允许对盒的完全控制，而存储站可以仅提供加热、电力和气体回收以及相机和灯的使用)。盒1A被设计成在与配合站断开时被密封。
盒1A围绕床或基板24A构建。用于新打印的新的粉末存储在粉末料斗2A中，粉末料斗2A可以具有存储全容积打印(full volume print)所需的所有粉末的容量。新的粉末通过粉末门23A计量到基板24A上。粉末通过粉末散布器4A使用粉末散布刮片扫过板。粉末散布器驱动装置5A使粉末散布器跨过打印板12A来回移动。
窗口3A密封盒1A的顶部，防止粉末或气体泄漏，并允许激光束(未示出)穿过该窗口以焊接粉末。窗口3A允许进入盒以装载打印板、卸载打印件、清洁和维修盒部件(密封件、散布器刮片等)。盒1A的内部可以被相机和灯22A照亮和成像。相机和灯可以在密封室的内部或外部，或者密封室的内部和外部都有，并且可以被定位成在盒内部拍摄场景的照片和/或聚焦在场景上，该场景特别是打印板。相机和灯也可以安装在运动载物台上，允许用户在打印过程中平移或缩放感兴趣的项目。该相机可以与诸如高温计、运动检测器、光电二极管、热感相机或其他传感器的次级打印诊断结合使用，以自动检测事件并平移/缩放相机以聚焦于感兴趣的位置。在一些实施例中，操作员可以在电子或虚拟窗口中查看相机图像，而不是通过盒中的物理端口或窗口直接查看。
惰性气体可以通过气体供应管道6A供应到盒，使得打印可以在对每次打印最有利的任何气氛中进行。气体返回管道7A移除惰性气体。气体经过去除杂质(烟灰、粉末的悬浮纳米颗粒等)的HEPA过滤器8A。然后，气体行进到安装在配合设备上的气体回收器(未示出)。当盒与配合设备断开时，气体供应端口9A和气体返回端口10A被密封以维持盒内的气氛。随后通过由其他设备移除氧气、水汽等来净化气体。
Z轴在每一层被打印后降低打印板，使得新的粉末层可以被散布并随后被打印。在这种设计中，Z轴框架11A保持Z轴部件。打印板(又称为构建板)12A是打印期间焊接粉末的地方。打印板加热器13A包含用于打印板12A的加热机构(如果需要)，并且还可以使密封板14A隔热和/或冷却。密封板14A承载密封件15A，密封件15A将粉末限制到Z轴框架11A。Z轴底板16A封闭Z轴框架11A的下端，并具有容纳可能滑过密封件15A的任何粉末的特征。柱塞17A具有接口，使得柱塞17A可以远程地、自动地且精确地与Z轴驱动装置相接。柱塞密封件18A与底板16A配合，并进一步密封盒1A，以防止粉末和/或气体泄漏。
接口板19A包含盒的所有输入和输出(压缩空气、功率、输入和输出信号、气体、冷却水等)。该盒被设计成在盒被连接到配合设备时进行所有这些连接。该接口还可以包含用于在盒与配合设备配合时电子识别每个盒的机构。滚子20A允许盒1A滚动到配合设备的配合导轨上。叉车管21A允许由叉车或其他运输器系统拾取和移动盒。
在另一实施例中，接口板可以配置为与各种类型或型号的打印机配合。
在一个实施例中，驱动部件(诸如马达、致动器等)可以定位在配合站中，并采用联动装置将动力从外部驱动部件传递到盒内部的从动部件。这将降低每个盒的成本和复杂性。例如，粉末散布驱动装置5A可以联接到联动结构，当盒通过齿轮传动系统、带系统(如5A所示)、磁限制、电、磁、感应、液压或其他类似类型的信号或能量传递而连接到打印站/打印引擎时，该联动结构自动连接。同样地，盒和任何兼容的配合站之间的气体和流体交换可以具有外部粉末泵、流体泵和/或气体泵，该外部粉末泵、流体泵和/或气体泵可以在接口面板19A或其他方便的位置处钩入盒中，该其他方便的位置可以允许粉末的传递(传递到料斗2A中)、流体或气体的传递，而不需要用内部服务传递马达/泵使盒过载。内部叶轮(用于传递粉末和流体)可以经由上述联动装置由外部马达提供动力。
通过接口面板19A的功率耦合(Power coupling)可以是电的、感应的或光学的，后两者允许同时传递功率和通信。此外，可以经由电学或光学方法获得来自内置到盒中的各种传感器的诊断信息。
在一个实施例中，盒1A可以包括电子标识(诸如电子可读存储器25A)或其他电子可读标记(诸如附加的文本、QR码或条形码)。存储器25A可以提供关于盒的电子信息，或者盒部件可以用于识别其品牌、型号、类型、粉末类型或者关于该单元、其子部件或其预期用途的任何其他限定细节。该信息可用于通知打印引擎关于要打印的是哪种材料、期望的气氛(压力和温度)或其他打印相关的方面，以便打印引擎可以根据需要进行调节以适应打印盒或子组件。所引起的变化可以涉及某一动作，例如内部透镜组件的自动交换、透镜组件的z高度/最终光学投射的调节、诸如每单位面积功率、脉冲形状、脉冲持续时间、脉冲重复率、波长、空间脉冲形状、平铺块(tile)大小、平铺块内的空间能量分布的激光参数调节、修改数据诊断、数据反馈算法、打印过程反馈算法或在打印过程期间如何放下平铺块的算法改变。来自与打印盒相关联的电子存储器25A的电子信息可以由站中的任一个读取，以收集关于已经发生多少打印的数据和其他关键度量(诸如散布器循环数目、z轴调节、温度循环、压力循环、或盒或子盒沿途经历的其他属性)。该信息还可以通过站中的任一个、子系统中的一个、工厂自动化系统、盒本身、盒运输系统或其他配合/接口设备来存储在中央数据库中。
图2B示出了包括各种潜在站的增材制造系统1B。在一些实施例中，可移除的盒被装载到站中。站的示例可以是配备盒的打印站，在该打印站中能量(激光或电子束)从激光引擎(站)递送到该打印站中，以使该打印站能够打印零件。通常，激光引擎仅与打印站结合使用，以将该组合变成打印引擎。这些站可以被布置并彼此连接以形成制造系统。制造系统可以包含许多配备盒的站，以及在框架布置中捕获的支撑站，配备盒的站和支撑站由控制系统协调，并且控制系统从用户处获取打印指令以便完成打印订单/作业。这些其他功能站可以抑制脏的过程，以减少在制造3D零件时人的暴露。如前文所提到的，3D打印本身就很乱，同样乱的是盒的前处理和后处理、粉末的后处理和打印零件的后处理。此外，盒系统接口用于与各种诊断系统相互作用。控制系统和数据库2B可以单独地与盒通信，或当盒连接到所列出的站40B中的任何一个时或当盒被运输器5B操纵时，控制系统和数据库2B可以与盒通信。所列出的站不是包括所有的列表，但确实包括打印引擎41B(由打印站42B和激光引擎43B组成)、存储(搁架)站44B、设施站56B和粉末准备/去粉末站45B。粉末准备站可以是用于准备盒的一个站，这可以包括从已经经历打印的盒中移除粉末。这两个功能(准备盒和粉末移除)可以在一个站或两个单独的站中完成，在两个单独的站的情况下，准备站可以被称为“准备(prep)”，而另一个可以被称为“去粉末(de-powdering)”。其它站可以包括表面包覆站46B、热处理站47B、CNC/加工站48B、表面精加工站49B、准备服务站、去毛刺站、粉末再筛分站52B、粉末表面处理/涂覆站53B、诊断站54B、其它体积和表面诊断站55B以及其它处理站56B。激光引擎43B与打印站42B(以形成打印引擎41B)、表面包覆站46B、诊断站54B配合并相互作用，并且可以与热处理站47B和表面精加工站49B相互作用。
打印站42B、表面包覆站46B、热处理站47B、CNC/加工站48B、表面精加工站49B和去毛刺站51B对打印零件进行后处理。表面包覆站46B与激光引擎43B结合来对打印零件操作，以在钻头、翼型表面、涡轮叶片或医疗植入物的情况下将功能层添加到选定的表面。热处理站47B与激光引擎43B结合可以执行表面退火和硬化，或者热处理站47B可以使用诸如标准热源或定向能非激光源的其他传统方法来进行这种形式的后处理。CNC/加工站48B对打印零件执行标准减材制造(subtractive manufacturing)以得到最终图形和形式。表面精加工站49B可以与激光引擎43B相互作用，以经由质量传输(mass transport)/表面张力或激光喷丸/硬化来执行表面平滑。表面精加工站49B也可以以更传统的减材方法执行(这不需要将49B联接至43B)。去毛刺站51B可以使用传统的减材加工方法来增加打印零件的表面光洁度。诊断站54B可以与激光引擎43B联接，以对打印零件进行体积扫描，从而确保打印精度、密度和缺陷统计。此外，体积和其他诊断(分别为54B和55B)可以与存储站和激光引擎结合使用，以确定打印零件在条件环境(诸如高温或低温、高压或部分真空、或其他环境或操作极端情况)下的功能，以确保打印零件可以承受静态操作性能要求。
准备服务站50B用于维护盒，并且可以与粉末站45B和设施站56B结合使用。在准备站中，消耗品以使人类与脏环境的相互作用最小化的方式被替换。气体和液体被移除以经由设施站56B进行后处理。使用过的粉末被移除并转移到粉末再筛分站52B以用于粉末回收。
粉末处理/涂覆站处理粉末以用于化学作用或发射率增强，这可以取决于所使用的粉末/金属，但可以包括化学处理或氧化物处理以增强发射率(例如通过粉末的表面处理增加铜或钢的吸收)，或者通过向粉末中添加化学掺杂剂以获得特殊的打印参数。
其他诊断站55B可以包括x射线断层成像、表面扫描成像、高分辨率表面和温度记录成像等，其中在最小化处理损伤并且不使人暴露于危险的计量方法(如在x射线断层成像的情况下)时操纵打印零件。
其他处理站可以允许通过将潜在危险的过程、测试或诊断过程与工人和/或打印零件隔离来满足客户的需求。
图2C示出了用于操作使用如本公开中所讨论的产生或回收的粉末的基于盒的增材制造系统的工艺流程200C。在步骤202C中，新的或重复使用的可移除的盒被定位在打印引擎中。在步骤204C中，激光能量被引导到盒中以构建3D零件。在步骤204C中，激光能量被引导到盒中以熔融、烧结、熔化或以其他方式改变粉末层。在步骤206C中，添加的粉末被定位并经受激光能量，其中该过程增材地重复以构建每一层并产生3D打印结构。在步骤208C中，盒可以被移除并在单独的粉末处理站处进行维护。同样，如本公开中所讨论的产生或回收的粉末可以用于填充盒。维护过的盒或新的盒可以定位在打印引擎中，用于制造附加的或新的3D打印品。
在关于图3示出的另一实施例中，增材制造系统可以由形成增材制造方法和系统300的各种模块来表示。如图3所见，激光源和放大器312可以构造为连续或脉冲激光器。在其他实施例中，激光源包括脉冲电信号源，例如任意波形发生器或作用于连续激光源(例如激光二极管)的等效物。在一些实施例中，这也可以经由光纤激光器或光纤发射激光源来实现，该光纤激光器或光纤发射激光源随后由声光或电光调制器来调制。在一些实施例中，使用普克尔斯盒的高重复率脉冲源可以用于产生任意长度的脉冲序列。
可能的激光类型包括但不限于：气体激光器、化学激光器、染料激光器、金属蒸气激光器、固态激光器(例如光纤)、半导体(例如二极管)激光器、自由电子激光器、气动激光器、“镍样”钐激光器、拉曼激光器或核泵浦激光器。
气体激光器可以包括诸如以下项的激光器：氦氖激光器、氩激光器、氪激光器、氙离子激光器、氮激光器、二氧化碳激光器、一氧化碳激光器或准分子激光器。
化学激光器可以包括诸如以下项的激光器：氟化氢激光器、氟化氘激光器、COIL(化学氧碘激光器)或Agil(全气相碘激光器)。
金属蒸气激光器可以包括诸如以下项的激光器：氦-镉(HeCd)金属蒸气激光器、氦-汞(HeHg)金属蒸气激光器、氦-硒(HeSe)金属蒸气激光器、氦-银(HeAg)金属蒸气激光器、锶蒸气激光器、氖-铜(NeCu)金属蒸气激光器、铜蒸气激光器、金蒸气激光器或锰(Mn/MnCl2)蒸气激光器。也可以使用铷或其他碱金属蒸气激光器。固态激光器可以包括诸如以下项的激光器：红宝石激光器、Nd:YAG激光器、NdCrYAG激光器、Er:YAG激光器、钕YLF(Nd:YLF)固态激光器、掺钕钒酸钇(Nd:YVO4)激光器、掺钕氧硼酸钇钙Nd:YCa4O(BO3)3或简称为Nd:YCOB、钕玻璃(Nd:玻璃)激光器、钛蓝宝石(Ti:蓝宝石)激光器、铥YAG(Tm:YAG)激光器、镱YAG(Yb:YAG)激光器、镱:2O3(玻璃或陶瓷)激光器、掺镱玻璃激光器(棒、板/片和光纤)、钬YAG(Ho:YAG)激光器、铬ZnSe(Cr:ZnSe)激光器、掺铈锂锶(或钙)氟化铝(Ce:LiSAF、Ce:LiCAF)、掺钷147磷酸盐玻璃(147Pm+3:玻璃)固态激光器、掺铬金绿宝石(翠绿宝石)激光器、掺铒和铒镱共掺玻璃激光器、掺三价铀氟化钙(U:CaF2)固态激光器，掺二价钐氟化钙(Sm:CaF2)激光器、或F中心激光器。
半导体激光器可以包括诸如以下项的激光器介质类型：GaN、InGaN、AlGaInP、AlGaAs、InGaAsP、GaInP、InGaAs、InGaAsO、GaInAsSb、铅盐、垂直腔表面发射激光器(VCSEL)、量子级联激光器、混合硅激光器、或它们的组合。
如图3所图示的，增材制造系统300使用能够提供一维或二维定向能量的激光器作为能量图案化系统310的一部分。在一些实施例中，一维图案化可以被引导为线性或弯曲的条带、光栅线、螺旋线或任何其他合适的形式。二维图案化可以包括分离的或重叠的平铺块，或者具有激光强度变化的图像。可以使用具有非正方形边界的二维图像图案，可以使用重叠或互穿的图像，并且图像可以由两个或更多个能量图案化系统提供。能量图案化系统310使用激光源和放大器312将一个或更多个连续或间歇的能量束朝向束成形光学器件314引导。在成形之后，如果需要，束由能量图案化单元316图案化，通常一些能量被引导到废弃能量处理单元318。图案化能量由图像中继器320向物品处理单元340传递，在一个实施例中，作为聚焦在床346附近的二维图像322。物品处理单元340可以包括诸如前面所讨论的盒。物品处理单元340具有板或床346(具有壁348)，板或床346一起形成密封的盒室，该密封的盒室容纳由粉末料斗或其他材料分配器342分配的材料344(例如金属粉末)。如本公开中所讨论的，可以产生或回收分配的粉末。由图像中继器320引导的图案化能量可以熔化、熔融、烧结、合并(amalgamate)、改变晶体结构、影响应力分布型式(stress pattern)，或者以其他方式化学或物理地改变分配和分布的材料344，以形成具有期望性能的结构。控制处理器350可以连接到各种传感器、致动器、加热或冷却系统、监测器和控制器，以协调激光源和放大器312、光束成形光学器件314、激光图案化单元316和图像中继器320以及系统300的任何其他部件的操作。如将理解的，连接可以是有线的或无线的、连续的或间歇的，并且包括用于反馈的能力(例如，可以响应于感测到的温度来调节热力加热(thermal heating))。
在一些实施例中，光束成形光学器件314可以包括多种成像光学器件，以组合、聚焦、发散、反射、折射、均化、调节强度、调节频率，或者以其他方式对从激光源和放大器312接收的一个或更多个激光束进行成形和引导，使激光束朝向激光图案化单元316。在一个实施例中，可以使用波长选择镜(例如二向色的)或衍射元件组合多个光束，每个光束具有不同的光波长。在其他实施例中，可以使用多面镜、微透镜和折射或衍射光学元件来均化或组合多个光束。
激光图案化单元316可以包括静态或动态能量图案化元件。例如，激光束可以被具有固定或可移动元件的掩模阻挡。为了增加图像图案化的灵活性和简易性，可以使用像素可寻址掩蔽、图像生成或传输。在一些实施例中，激光图案化单元包括可寻址光阀，该可寻址光阀是单独的或与其他图案化机构结合以提供图案化。光阀可以是透射的、反射的，或者使用透射元件和反射元件的组合。可以使用电寻址或光寻址来动态地改变图案。在一个实施例中，透射式光学寻址光阀用于旋转穿过该阀的光的偏振，其中光学寻址像素形成由光投影源限定的图案。在另一实施例中，反射式光学寻址光阀包括用于改变读取光束的偏振的写入光束。在某些实施例中，可以使用非光学寻址光阀。这些可以包括但不限于电可寻址像素元件、可移动镜或微镜系统、压电或微致动光学系统、固定或可移动掩模、或屏蔽物，或能够提供高强度光图案化的任何其他常规系统。
废弃能量处理单元318用于消散、重定向、或利用未被图案化并通过图像中继器320的能量。在一个实施例中，废弃能量处理单元318可以包括从激光源和放大器312以及激光图案化单元316两者移除热量的被动或主动冷却元件。在其他实施例中，废弃能量处理单元可以包括“光束转储场”以吸收在限定激光图案中未使用的任何光束能量并将其转换为热量。在还有的其他实施例中，可以使用光束成形光学器件314回收废弃激光束能量。可替代地或另外地，废弃光束能量可以被引导到物品处理单元340以用于加热或另外的图案化。在某些实施例中，废弃光束能量可以被引导到附加能量图案化系统或物品处理单元。
在一个实施例中，可以使用“开关站”式光学系统。开关站系统适用于减少增材制造系统中由于要打印的图案而废弃不需要的光而造成的光浪费。开关站涉及复杂图案从其生成(在这种情况下，空间图案被赋予结构化或非结构化光束的平面)到其通过一系列开关点的递送的重定向。每个开关点可以任选地改变入射光束的空间轮廓。开关站光学系统可以用于例如但不限于基于激光的增材制造技术中，其中掩模应用于光。有利地，在根据本公开的各种实施例中，丢弃的能量可以以均化的形式或作为用于保持高功率效率或高吞吐率的图案化光被回收。此外，丢弃的能量可以回收和再利用，以增加强度来打印较困难的材料。
图像中继器320可以直接或通过开关站从激光图案化单元316接收图案化图像(一维或二维)，并将其朝向物品处理单元340引导。以类似于光束成形光学器件314的方式，图像中继器320可以包括用于组合、聚焦、发散、反射、折射、调节强度、调节频率或以其他方式对图案化光进行成形和引导的光学器件。可以使用不需要实质性物理移动的可移动镜、棱镜、衍射光学元件或固态光学系统来引导图案化光。多个透镜组件中的一个可以被配置成提供具有放大比的入射光，其中透镜组件既有第一组光学透镜又有第二组光学透镜，并且第二组光学透镜可从透镜组件交换。安装在补偿台架上的一组或更多组镜和安装在构建平台台架上的最终镜的旋转可以用于将来自前体镜的入射光引导到期望的位置上。补偿台架和构建平台台架的平移移动还能够确保来自前体镜的入射光与物品处理单元340的距离基本上等于像距(image distance)。实际上，这使得不同材料的光束递送尺寸和强度能够在构建区域的位置之间快速变化，同时确保系统的高可用性。
物品处理单元340(例如，盒)中的材料分配器342(例如，粉末料斗)可以分配材料、移除材料、混合材料、提供材料类型或颗粒尺寸的级配或变化，或者调节材料的层厚度。材料可以包括金属、陶瓷、玻璃、聚合物粉末、能够经历从固体到液体再回到固态的热诱导相变的其他可熔化材料或其组合。该材料还可以包括可熔化材料和不可熔化材料的复合材料，其中一个或两个部件可以被成像中继系统选择性地瞄准以熔化可熔化部件，同时不可熔化材料被留下或使其经历蒸发/破坏/燃烧或其他破坏过程。在某些实施例中，可以使用材料的浆料、喷雾、涂层、线、条带或片材。不需要的材料可以通过使用鼓风机、真空系统、清扫、振动、摇动、倾翻、或床346的倒置来去除以用于一次性处理或回收。
除了材料处理部件之外，物品处理单元340可以包括用于保持和支撑3D结构的部件、用于加热或冷却室的机构、辅助或支撑光学器件、以及用于监测或调节材料或环境条件的传感器和控制机构。物品处理单元可以全部或部分地支持真空或惰性气体气氛，以减少不希望的化学相互作用以及减轻火灾或爆炸(特别是与活性金属)的风险。在一些实施例中，可以使用其他气氛的各种纯气体或混合物，包括包含Ar、He、Ne、Kr、Xe、CO2、N2、O2、SF6、CH4、CO、N2O、C2H2、C2H4、C2H6、C3H6、C3H8、i-C4H10、C4H10、1-C4H8、cic-2、C4H7、1,3-C4H6、1,2-C4H6、C5H12、n-C5H12、i-C5H12、n-C6H14、C2H3Cl、C7H16、C8H18、C10H22、C11H24、C12H26、C13H28、C14H30、C15H32、C16H34、C6H6、C6H5-CH3、C8H10、C2H5OH、CH3OH、iC4H8的纯气体或混合物。在一些实施例中，可以使用制冷剂或大的惰性分子(包括但不限于六氟化硫)。可以使用具有至少约1％体积(或密度数)的He以及选定百分比的惰性/非反应性气体的封闭气氛组分。
在某些实施例中，多个物品处理单元、盒或构建室(每个都具有容纳粉末床的构建平台)可以与多个光学机械组件结合使用，该多个光学机械组件被布置成接收一个或更多个入射能量束并将其引导到盒中。多个盒允许同时打印一个或更多个打印作业。
在另一个实施例中，一个或更多个物品处理单元、盒或构建室可以具有保持在固定高度的盒，而光学器件是可竖直移动的。透镜组件的最终光学器件和粉末床的顶表面之间的距离可以通过将最终光学器件向上转位相当于粉末层厚度的距离而被管理成基本上恒定，同时将构建平台保持在固定高度。有利的是，与竖直移动的构建平台相比，可以更容易地制造大而重的物体，因为不需要构建平台的不断变化的质量的精确微米级移动。通常，意图用于体积大于约0.1-0.2立方米(即大于100-200升或大于500-1,000千克)的金属粉末的构建室将最大限度地受益于将构建平台保持在固定高度。
在一个实施例中，盒中的粉末床层的一部分可以被选择性地熔化或熔融，以由粉末床层的熔融部分形成一个或更多个临时壁，从而在构建平台上容纳粉末床层的另一部分。在选定的实施例中，流体通道可以形成在一个或更多个第一壁中，以实现改进的热管理。
在一些实施例中，增材制造系统可以包括物品处理单元或盒，物品处理单元或盒支撑粉末床，粉末床能够倾斜、倒置和摇动，以将粉末床大体上与料斗中的构建平台分离。形成粉末床的粉末材料可以收集在料斗中，以便在以后的打印作业中再利用。粉末收集过程可以是自动化的，并且真空或气体喷射系统也用于帮助粉末驱逐和移除。
在一些实施例中，增材制造系统可以配置为容易地处理比可用的构建室或盒更长的零件。连续(长)零件可以在纵向方向上从第一区顺序前进到第二区。在第一区中，粒状材料的选定粒体可以被合并。在第二区中，粒状材料的未合并粒体可以被移除。连续零件的第一部分可以从第二区前进到第三区，同时连续零件的最后部分形成在第一区内，并且第一部分在侧向和横向方向上保持在与第一部分在第一区和第二区内占据的位置相同的位置。实际上，增材制造和清理(例如，未使用或未合并的粒状材料的分离和/或回收)可以在零件传送带上的不同位置或区并行地(即，同时)进行，而不需要为了移除粒状材料和/或零件而停止。
在另一个实施例中，可以通过使用限制气体物质在封闭部内部和封闭部外部之间交换的封闭部来提高增材制造能力。气闸提供了内部和外部之间的界面；内部具有多个增材制造室，包括那些支持粉末床熔融的腔室。气体管理系统将内部中的气态氧保持在极限氧浓度或低于极限氧浓度，增加了系统中可以使用的粉末类型和处理的灵活性。
在另一个制造实施例中，可以通过将物品处理单元、盒或构建室容纳在封闭部内来提高能力，构建室能够创建重量大于或等于2,000千克的零件。气体管理系统可以将封闭部内的气态氧保持在低于大气水平的浓度。在一些实施例中，轮式载具(wheeled vehicle)可以从封闭部内部运输零件通过气闸(因为气闸在封闭部内部的气体环境和封闭部外部的气体环境之间起缓冲作用)，并且将零件运输到封闭部和气闸两者外部的位置。
其他制造实施例涉及从粉末床实时收集粉末样品。摄取系统用于粉末样品的过程中收集和表征。收集可以周期性地进行，并且表征的结果导致对粉末床熔融过程的调节。摄取系统可选地可以用于评估、过程调节或动作中的一个或更多个，例如改变打印机参数或验证许可粉末材料的正确使用。
描述了对增材制造过程的另一种改进，这种改进可以通过使用操纵器装置来提供，操纵器装置例如是起重机、提升台架、机器人臂或类似的允许操纵人类可能难以或不能移动的零件的装置。操纵器装置可以抓住零件上的各种永久或临时附加制造的操纵点，以使零件能够重新定位或操纵。
控制处理器350可以被连接以控制本文描述的增材制造系统300的任何部件，包括激光器、激光放大器、光学器件、热控制、构建腔室和操纵器装置。控制处理器350可以连接到各种传感器、致动器、加热或冷却系统、监测器和控制器以协调操作。各种传感器，包括成像仪，光强度监测器，热、压力、或气体传感器，可以用于提供控制或监测中使用的信息。控制处理器可以是单个中央控制器，或者可替代地，可以包括一个或更多个独立的控制系统。控制器处理器350设置有允许输入制造指令的界面。各种传感器的使用允许各种反馈控制机制，以提高质量、制造吞吐量和能效。
操作适合于增材制造或减材制造的制造系统的一个实施例在图4中被示出。在该实施例中，流程图400示出了由所描述的光学器件和机械部件支持的制造过程的一个实施例。在步骤401中，如本公开中所讨论的产生或回收的材料粉末被形成。在步骤402中，粉末材料被放置在盒、床、室或其他合适的支撑物中。在一些实施例中，材料可以是使用减材制造技术进行激光切割的金属板，或者能够被熔化、熔融、烧结、诱导以改变晶体结构、使应力模式被影响、或通过增材制造技术以其他化学或物理方式改性以形成具有所需性能的结构的粉末。
在步骤404中，未图案化的激光能量由包括但不限于固态或半导体激光器的一个或更多个能量发射器发射，且然后由一个或更多个激光放大器放大。在步骤406中，对未图案化的激光能量进行成形和修改(例如强度调制或聚焦)。在步骤408中，对该未图案化的激光能量进行图案化，在步骤410中处理未形成图案的一部分的能量(这可以包括转换为废热、再循环作为图案化或未图案化的能量、或在步骤404中通过冷却激光放大器产生的废热)。在步骤412中，现在形成一维或二维图像的图案化能量向材料传递。在步骤414中，将图像施加于材料，减材处理或者增材构建3D结构的一部分。对于增材制造，可以重复这些步骤(循环418)，直到图像(或不同的和随后的图像)已经被应用到材料顶层的所有必要区域。当能量施加到材料顶层结束时，可以施加新层(循环416)以继续构建3D结构。这些过程循环一直持续到3D结构完成，这时剩余的过多材料可以被移除或回收。
受益于前述描述和相关联附图中呈现的教导的本领域技术人员将会想到本发明的许多修改和其他实施例。因此，应当理解，本公开不限于所公开的特定实施例，并且修改和其他实施例被认为被包括在所附权利要求的范围内。还应当理解，本发明的其他实施例可以在没有本文具体公开的元素/步骤的情况下实践。

Claims (36)

1.一种增材制造系统的打印引擎，包括：
打印站，所述打印站被配置成保持容纳粉末的可移除的盒；
激光引擎，所述激光引擎被定位成将激光束引导到所述可移除的盒中；并且
其中，所述粉末至少部分地用磁流体动力系统生产。
2.根据权利要求1所述的增材制造系统的打印引擎，其中，所述可移除的盒包括：可密封室，所述可密封室具有粉末床；激光可穿透窗口，激光束能够被引导通过所述激光可穿透窗口；粉末料斗，所述粉末料斗定位在所述可密封室内；以及粉末散布器，所述粉末散布器定位在所述可密封室内以用于将粉末从所述粉末料斗分布到所述粉末床上。
3.根据权利要求1所述的增材制造系统的打印引擎，其中，所述激光引擎能够将二维图案化激光束引导到所述可移除的盒中。
4.一种增材制造系统的打印引擎，包括：
打印站，所述打印站被配置成保持容纳粉末的可移除的盒；
激光引擎，所述激光引擎被定位成将激光束引导到所述可移除的盒中；并且
其中，所述粉末至少部分地用冷凝系统生产。
5.根据权利要求4所述的增材制造系统的打印引擎，其中，所述可移除的盒包括：可密封室，所述可密封室具有粉末床；激光可穿透窗口，激光束能够被引导通过所述激光可穿透窗口；粉末料斗，所述粉末料斗定位在所述可密封室内；以及粉末散布器，所述粉末散布器定位在所述可密封室内以用于将粉末从所述粉末料斗分布到所述粉末床上。
6.根据权利要求4所述的增材制造系统的打印引擎，其中，所述激光引擎能够将二维图案化激光束引导到所述可移除的盒中。
7.一种增材制造系统的打印引擎，包括：
打印站，所述打印站被配置成保持容纳粉末的可移除的盒；
激光引擎，所述激光引擎被定位成将激光束引导到所述可移除的盒中；并且
其中，所述粉末至少部分地用微孔挤出系统生产。
8.根据权利要求7所述的增材制造系统的打印引擎，其中，所述可移除的盒包括：可密封室，所述可密封室具有粉末床；激光可穿透窗口，激光束能够被引导通过所述激光可穿透窗口；粉末料斗，所述粉末料斗定位在所述可密封室内；以及粉末散布器，所述粉末散布器定位在所述可密封室内以用于将粉末从所述粉末料斗分布到所述粉末床上。
9.根据权利要求7所述的增材制造系统的打印引擎，其中，所述激光引擎能够将二维图案化激光束引导到所述可移除的盒中。
10.一种增材制造系统的打印引擎，包括：
打印站，所述打印站被配置成保持容纳粉末的可移除的盒；
激光引擎，所述激光引擎被定位成将激光束引导到所述可移除的盒中；并且
其中，所述粉末至少部分地用微线系统上的静电放电生产。
11.根据权利要求10所述的增材制造系统的打印引擎，其中，所述可移除的盒包括：可密封室，所述可密封室具有粉末床；激光可穿透窗口，激光束能够被引导通过所述激光可穿透窗口；粉末料斗，所述粉末料斗定位在所述可密封室内；以及粉末散布器，所述粉末散布器定位在所述可密封室内以用于将粉末从所述粉末料斗分布到所述粉末床上。
12.根据权利要求10所述的增材制造系统的打印引擎，其中，所述激光引擎能够将二维图案化激光束引导到所述可移除的盒中。
13.一种增材制造系统的打印引擎，包括：
打印站，所述打印站被配置成保持容纳粉末的可移除的盒；
激光引擎，所述激光引擎被定位成将激光束引导到所述可移除的盒中；并且
其中，所述粉末至少部分地用电解系统生产。
14.根据权利要求13所述的增材制造系统的打印引擎，其中，所述可移除的盒包括：可密封室，所述可密封室具有粉末床；激光可穿透窗口，激光束能够被引导通过所述激光可穿透窗口；粉末料斗，所述粉末料斗定位在所述可密封室内；以及粉末散布器，所述粉末散布器定位在所述可密封室内以用于将粉末从所述粉末料斗分布到所述粉末床上。
15.根据权利要求13所述的增材制造系统的打印引擎，其中，所述激光引擎能够将二维图案化激光束引导到所述可移除的盒中。
16.一种增材制造系统的打印引擎，包括：
打印站，所述打印站被配置成保持容纳粉末的可移除的盒；
激光引擎，所述激光引擎被定位成将激光束引导到所述可移除的盒中；并且
其中，所述粉末至少部分地用离心系统再循环。
17.根据权利要求16所述的增材制造系统的打印引擎，其中，所述可移除的盒包括可密封室，所述可密封室具有粉末床；激光可穿透窗口，激光束能够被引导通过所述激光可穿透窗口；粉末料斗，所述粉末料斗定位在所述可密封室内；以及粉末散布器，所述粉末散布器定位在所述可密封室内以用于将粉末从所述粉末料斗分布到所述粉末床上。
18.根据权利要求16所述的增材制造系统的打印引擎，其中，所述激光引擎能够将二维图案化激光束引导到所述可移除的盒中。
19.一种增材制造系统的打印引擎，包括：
打印站，所述打印站被配置成保持粉末；
激光引擎，所述激光引擎被定位成将激光束引导到所述打印站中；并且
其中，所述粉末至少部分地用磁流体动力喷流系统生产。
20.根据权利要求19所述的增材制造系统的打印引擎，其中，所述磁流体动力喷流系统是重力供给的。
21.根据权利要求19所述的增材制造系统的打印引擎，其中，所述磁流体动力喷流系统还包括惰性气体错流。
22.根据权利要求19所述的增材制造系统的打印引擎，其中，所述磁流体动力喷流系统是带静电的。
23.根据权利要求19所述的增材制造系统的打印引擎，其中，所述激光引擎能够将二维图案化激光束引导到所述打印站中。
24.一种增材制造系统的打印引擎，包括：
打印站，所述打印站被配置成保持粉末；
激光引擎，所述激光引擎被定位成将激光束引导到所述打印站中；并且
其中，所述粉末至少部分地用冷凝系统生产。
25.根据权利要求24所述的增材制造系统的打印引擎，其中，所述冷凝系统使用加热线圈熔化金属。
26.根据权利要求24所述的增材制造系统的打印引擎，其中，所述冷凝系统使用溅射系统熔化金属。
27.根据权利要求24所述的增材制造系统的打印引擎，其中，所述冷凝系统使用激光辅助系统熔化金属。
28.根据权利要求24所述的增材制造系统的打印引擎，其中，所述冷凝系统使用溅射系统和激光辅助系统熔化多个金属靶。
29.根据权利要求24所述的增材制造系统的打印引擎，其中，所述冷凝系统使用磁控管磁头熔化金属。
30.根据权利要求24所述的增材制造系统的打印引擎，其中，所述激光引擎能够将二维图案化激光束引导到所述打印站中。
31.一种增材制造系统的打印引擎，包括：
打印站，所述打印站被配置成保持粉末；
激光引擎，所述激光引擎被定位成将二维图案化激光束引导到所述打印站中；并且
其中，所述粉末至少部分地用孔挤出系统生产。
32.一种增材制造系统的打印引擎，包括：
打印站，所述打印站被配置成保持粉末；
激光引擎，所述激光引擎被定位成将二维图案化激光束引导到所述打印站中；并且
其中，所述粉末至少部分地用微线系统生产。
33.一种增材制造系统的打印引擎，包括：
打印站，所述打印站被配置成保持粉末；
激光引擎，所述激光引擎被定位成将二维图案化激光束引导到所述打印站中；并且
其中，所述粉末至少部分地用微线系统生产。
34.一种增材制造系统的打印引擎，包括：
打印站，所述打印站被配置成保持粉末；
激光引擎，所述激光引擎被定位成将二维图案化激光束引导到所述打印站中；并且其中，所述粉末至少部分地用离心系统生产。
35.一种增材制造系统的打印引擎，包括：
打印站，所述打印站被配置成保持粉末；
激光引擎，所述激光引擎被定位成将二维图案化激光束引导到所述打印站中；并且
其中，所述粉末至少部分地用微线系统生产。
36.一种增材制造系统的打印引擎，包括：
打印站，所述打印站被配置成保持粉末；
激光引擎，所述激光引擎被定位成将二维图案化激光束引导到所述打印站中；并且
其中，所述粉末至少部分地用电解系统生产。
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