TWI781232B - 分配系統與在積層製造設備中分配粉末的方法 - Google Patents

Abstract

分配系統在積層製造處理中分配粉末。分配系統包括含有用以形成物體的粉末的粉末源。分配系統進一步包括位於粉末源的基部處的噴嘴陣列。噴嘴陣列佈置成一排或多排，該等噴嘴以組合的方式跨越待形成物體的壓板的頂表面的寬度。粉末從粉末源通過噴嘴流到頂表面。每個噴嘴中的相應粉末輪控制粉末的流速。每個輪在輪的表面上具有多個槽。當馬達使輪轉動時，槽將粉末輸送通過噴嘴。輪的轉速控制流速。對於物體的實心部分而言，輪旋轉並允許粉末沉積在頂表面上。對於物體的空的部分而言，輪保持靜止以防止粉末流到表面。

Description

分配系統與在積層製造設備中分配粉末的方法

這份說明書關於積層製造，也稱為3D印刷。

積層製造(AM)(也稱為固體自由形式製造或3D印刷)是指通過將原材料(如，粉末、液體、懸浮液或熔融固體)連續分配到兩維層中來構建三維物體的製造處理。相反地，傳統的機械加工技術涉及消去處理，其中自原料(如，木塊、塑膠塊或金屬塊)切割出物體。

多種積層處理可在積層製造中使用。一些方法(如，選擇性雷射熔化(selective laser melting；SLM)或直接金屬雷射燒結(direct metal laser Sintering；DMLS)、選擇性雷射燒結(selective laser sintering；SLS)、熔融沉積建模(fused deposition modeling；FDM))熔化或軟化材料以產生層，而其他方法使用不同技術(如，立體光刻(stereolithography；SLA))來固化液體材料。這些處理可能在形成層以產生最終物體的方式上和在處理中使用的兼容材料上不同。

AM系統通常使用能量源來燒結或熔化粉末材料。一旦第一層上的所有選定位置被燒結或熔化並接著 再固化，就在完成的層的頂部沉積新的粉末材料層，且逐層重複該處理，直到產生所期望的物體。

分配系統在積層製造處理中分配粉末。分配系統包括含有用以形成物體的粉末的粉末源。分配系統進一步包括位於粉末源的基部處的噴嘴陣列。噴嘴陣列佈置成一排或多排，該等噴嘴以組合的方式跨越待形成物體的壓板的頂表面的寬度。粉末從粉末源通過噴嘴流到頂表面。每個噴嘴中的相應粉末輪控制通過噴嘴的粉末的流速。每個輪在輪的表面上具有多個槽。當馬達使輪轉動時，槽將粉末輸送通過噴嘴。輪的轉速控制流速。對於物體的實心部分而言，輪旋轉並允許粉末沉積在頂表面上。對於物體的空的部分而言，輪停止以防止粉末流到表面。

在一個態樣中，分配系統包括粉末源、噴嘴陣列和粉末輪陣列。分配系統是積層製造設備的部件，其配置成由粉末在壓板上形成物體。粉末源配置成將待分配的粉末保持在壓板的頂表面上。噴嘴陣列耦接到粉末源。噴嘴陣列以連續地跨越頂表面的寬度的至少一部分的佈置定位。每個噴嘴為粉末從粉末源流到壓板的頂表面提供相應的路徑。每個粉末輪定位在噴嘴的相應路徑中，並連接到相應的馬達。每個粉末輪在輪的表面上具有多個槽，槽配置成當粉末輪藉由馬達旋轉時，將粉末從粉末源通過相應的路徑輸送到頂表面。對於物體的實心部分而言，粉末輪旋轉以允許粉末從粉末源流到頂表面。對於物體的空部分而言，粉末輪保持靜止以防止粉末從粉末源流到頂表面。

所揭露的技術可包括以下特徵的一個或多個。粉末源可為料斗，料斗包括沿著粉末源的寬度的槳輪或攪拌器。槳輪或攪拌器可配置成將粉末均勻地分佈在料斗中穿過噴嘴。槳輪或攪拌器可具有可調整的轉速。槳輪或攪拌器的轉速和幾何形狀可控制粉末穿過噴嘴的分佈均勻性。粉末源可包括測力計，測力計配置成檢測粉末源中的粉末水平並將粉末水平提供給顯示裝置或控制裝置。

噴嘴可佈置成單排或多個交錯排。噴嘴可定位在粉末源的下部（如，基部）。噴嘴陣列可為沿著壓板的頂表面的長度而對齊的多個噴嘴陣列的一個陣列。

分配系統可包括間距調整器，間距調整器配置成調整噴嘴陣列的間距。調整間距可改變物體的空間分辨率。分配系統可包括高度調整器，高度調整器配置成調整在噴嘴的開口到頂表面之間的距離。與調整間距類似，調整距離可改變物體的空間分辨率。

每個粉末輪可定位在相應噴嘴的入口和出口之間。每個粉末輸送輪上的每個槽可基本上平行於輪的軸線。在各種實施方案中，噴嘴的開口可具有各種幾何形狀。幾何形狀可包括（例如）圓形、矩形、三角形或細長槽。

驅動粉末輪的每個馬達可為藉由相應的步進驅動器電路而控制的步進馬達。每個步進馬達可具有可變的轉速。調整轉速會改變粉末的流速。例如，當轉速為零時，流速為零。通常，較高的轉速對應於較高的流速。粉末輪的每一個可耦接到轉速計，轉速計配置成檢測停轉狀態。

分配系統可包括冷卻板和粉末源，冷卻板安裝在噴嘴的基部處。冷卻板配置成保持噴嘴的恆定操作溫度。分配系統可包括輥輪和葉片組件，輥輪和葉片組件配置成使用葉片整平在壓板的頂表面上的粉末並使用輥輪壓實在頂表面上的粉末。分配系統可包括外殼。外殼容納粉末源、噴嘴和粉末輪。外殼可填充有循環的惰性氣體，如，氮氣、氦氣或氬氣。惰性氣體可將氧氣排除在閾值水平以下。

前述的優點可包括（但不限於）以下內容。與傳統的粉末分配系統相比，所揭露的技術更有效。傳統的乾粉重塗不能提供空間選擇性分配和分層，以在金屬3D印刷系統中的粉末床上形成均勻區域。在傳統的3D印刷機中，在散佈之前在葉片重塗器或輥輪的前面提供粉末池。傳統重塗設置的缺點是每次重塗處理的粉末的過量使用。過量使用會增加使後續再生粉末曝露於飛濺物、金屬冷凝物、燒結現象、氧氣污染、結晶性能的潛在變化等的可能性。這些效果已直接影響粉末的流動性、融合行為和最終部分的品質。

所揭露的具有散佈及/或壓實的選擇性粉末分配方式允許根據需要分配粉末。所揭露的「按需分配」方式僅在必要時分配粉末，以在粉末床上形成所期望的構建區域。

因此，可提高形成物體的效率及積層製造的總生產量。所揭露的分配系統可包括若干路徑，粉末可通過這些路徑平行地分配到積層製造設備的平台上。可獨立地控制這些多個可用路徑，使得可控制粉末在構建平台上的放置。因此，分配系統可僅將粉末分配到需要粉末的地方。所揭露的技術可因此減少或避免浪費在積層製造中使用的昂貴材料，如，金屬粉末，從而節省成本。此外，所揭露的技術可確保高品質的重塗層，從而導致更均勻的粉末層厚度和壓實度。所揭露的技術可允許在各種雷射條件下更可預測的粉末融合，這可導致最終產品的更好品質。

在附隨的圖式和以下的實施方案中闡述了這份說明書中描述的標的之一個或多個實施方案的細節。根據說明書、圖式和申請專利範圍，其他潛在的特徵、態樣和優點將變得顯而易見。

積層製造(AM)設備可藉由在構建平台上分配和融合連續的粉末層來形成物體。期望控制在其上分配粉末的構建台上的區域。可控制的分配器可允許控制物體的幾何形狀，或僅僅用以避免在構建平台的不支撐物體的區域中分配粉末，從而減少粉末的消耗。

這份說明書中描述的分配系統可包括可控制和可移動結構，使得設備能夠選擇性地將粉末分配在構建平台（也稱為壓板）上。任選地，分配系統的可控制和可移動結構還能夠控制粉末分配速率，對於局部和精確分配而言，可選擇低粉末分配速率，或對於高產出分配而言，可選擇高分配速率。積層製造設備

第1A圖顯示了示例性積層製造（AM）設備100的示意性側視圖，積層製造（AM）設備100包括用於在構建操作期間分配粉末以形成物體的分配系統。設備100包括印刷頭102和構建平台104（如，構建台）。印刷頭102分配粉末106，並且任選地融合分配在平台104上的粉末106。任選地，如下所述，印刷頭102還可在平台104上分配及/或融合第二粉末108。

參見第1A和1B圖，印刷頭102支撐在支撐件110上，支撐件110配置成橫越平台104。支撐件110可包括水平延伸的平台，印刷頭安裝在平台上。例如，支撐件110可藉由線性致動器及/或馬達沿著一個或多個軌道119而驅動，以便沿著平行於向前方向109（稱為縱向）的第一軸線跨過平台104而移動。支撐件110可為（如）藉由兩個軌道119而支撐在兩個相對側上的台架，如第1B圖所示。替代地，支撐件110可以懸臂佈置的方式而保持在單個軌道上。

在一些實施方案中，印刷頭102可沿著支撐件110移動，支撐件110沿著垂直於第一軸線的水平第二軸線115，該水平第二軸線稱為橫向。沿第一軸線和第二軸線兩者的移動使得印刷頭102及其系統能夠到達支撐件110下方的平台104的不同部分。印刷頭102沿支撐件110的移動和支撐件110沿軌道119的移動為印刷頭102提供多個移動自由度。印刷頭102可沿著在構建平台104之上方並平行於構建平台104的平面而移動，使得印刷頭102可選擇性地定位在構建平台104的可用區域之上方(如，可分配和融合粉末的區域)。

印刷頭102和支撐件110可協作以掃描構建平台104的可用區域，使得印刷頭102能夠根據需要沿著構建平台104分配粉末以形成物體。在如第1B圖所示的示例中，印刷頭102可沿著構建平台104在向前方向109上掃描。在印刷頭102第一次從構建平台104的第一端111行進越過構建平台104到構建平台104的第二端113以沉積粉末層的第一條帶之後，印刷頭102可返回到第一端111，沿著水平第二軸線115在橫向方向上移動，並再次在向前方向109上行進越過構建平台104第二次，以在構建平台104上沉積第二條帶，第二條帶平行於第一條帶。若印刷頭102分配兩種或更多種不同尺寸的粉末，則 印刷頭102可在通過平台104的單次通過期間分配兩種或更多種不同的粉末。

替代地，支撐件110可包括跨越平台104的寬度的兩個或更多個印刷頭。在這種情況下，可能不需要印刷頭102沿水平第二軸線115在橫向方向上的運動。

印刷頭102包括至少第一分配系統116，以選擇性地將粉末106分配在構建平台104上。

設備100還包括能量源114，以選擇性地將能量添加到構建平台104上的粉末層。能量源114可結合到印刷頭102中、安裝在支撐件110上或單獨安裝(如)在支撐構建平台104的框上或圍繞構建平台104的腔室壁上。

在一些實施方案中，能量源114可包括掃描雷射，掃描雷射產生聚焦能量束，聚焦能量束增加粉末層的小區域的溫度。能量源114可藉由使用(例如)燒結處理、熔化處理或其他處理來融合粉末，以使粉末形成固體的材料塊。在一些情況下，能量源114可包括離子束或電子束。

能量源114可定位在印刷頭102上，使得當印刷頭102在向前方向109上前進時，能量源可覆蓋藉由分配系統116所分配的粉末線。當設備100包括多個分配系統時，印刷頭102還可任選地包括用於分配系統的每一者的能量源。若設備包括多個熱源，則能量源可各自位於其中一個熱源的正前方。

任選地，設備可包括熱源112以引導熱量，以升高沉積粉末的溫度。熱源112可將沉積的粉末加熱到低於其燒結或熔化溫度的溫度。熱源112可為（例如）加熱燈陣列。能量源114可結合到印刷頭102中，安裝在支撐件110上，或者單獨安裝（如）在支撐構建平台104的框上或圍繞構建平台104的腔室壁上。熱源112可相對於印刷頭102的向前方向109而位在第一分配系統116後面。當印刷頭102在向前方向109上移動時，熱源112移動跨過第一分配系統116先前所在的區域。

在一些實施方案中，熱源112是可單獨控制的光源陣列形式的數位可尋址熱源。陣列包括（例如）位於平台104之上方的垂直腔表面發射雷射（VCSEL）晶片。陣列可在印刷頭102內或與印刷頭102分開。可控光源陣列可為藉由驅動系統的致動器而驅動以掃過平台104的線性陣列。在一些情況下，陣列是藉由致動可單獨控制的光源的子集來選擇性地加熱層的區域的完整二維陣列。替代的或另外地，熱源包括燈陣列，以同時加熱整個粉末層。燈陣列可為印刷頭102的一部分，或可為獨立的熱源單元，獨立的熱源單元是設備100的一部分但與印刷頭102分離。

在一些實施方案中，構建平台104可包括加熱器，加熱器可加熱分配在構建平台104上的粉末。加熱器可為印刷頭102的熱源112的替代或補充。

任選地，印刷頭102及/或支撐件110還可包括第一散佈器118（如，壓實輥輪或整平葉片），第一散佈器118首先與分配系統116協作，以壓實和散佈由分配系統116所分配的粉末。散佈器118可為層提供基本均勻的厚度。在一些情況下，第一散佈器118可壓在粉末層上以壓實粉末。

印刷頭102及/或支撐件110還可任選地包括第一感測系統120及/或第二感測系統122，以檢測設備100的性質及由分配系統116所分配的粉末。

在一些實施方案中，印刷頭102包括第二分配系統124，以分配第二粉末108。第二散佈器126可與第二分配系統124一起操作，以散佈和壓實第二粉末108。設備100（如印刷頭102或者支撐件110）還可包括第二熱源125，第二熱源125（類似第一熱源112）在構建平台104的大區域中將熱量引導至粉末。

控制器128可協調能量源114、熱源112（若存在）和分配系統116的操作。控制器128可操作分配系統116以分配粉末106，並可操作能量源114和熱源112以融合粉末106以形成工件130，工件130成為待形成的物體。

控制器128可操作第一分配系統116以控制（例如）分配在構建平台104上的粉末106的厚度和分佈。每層的厚度取決於（例如）通過層的高度而堆疊的粉末顆粒106的數量或粉末顆粒106的平均直徑。在一些實施方案中，粉末顆粒106的每一層是單個顆粒厚度。在一些情況下，每一層具有通過將多個粉末顆粒106堆疊在彼此頂部而產生的厚度。

在一些實施方案中，層的高度還取決於粉末顆粒106的分佈密度，如，粉末顆粒106的緊密堆積程度。粉末106的壓實程度可影響所分配的每一層的厚度。與在較低壓實水平下用相同數量的顆粒形成的層相比，粉末106的較高壓實水平可減小所分配的層的厚度。較高壓實水平可進一步增加整個層的厚度均勻性並減少熔化該層所需的雷射駐留時間。可選擇每層的厚度和粉末的壓實度，以控制將在那個層中形成的物體的部分的幾何形狀所期望的分辨率。

每一層所分配的粉末的分佈（如，每一層內粉末的位置）可基於積層製造設備的實施方案而變化。在一些情況下，第一分配系統116可選擇性地跨越構建台分配粉末層，使得一些部分包括粉末，而一些部分不包括粉末。在一些實施方案中，第一分配系統116可在工作表面上分配均勻的材料層。分配系統

第2圖顯示了積層製造設備的示例性分配系統。示例性分配系統可為第1圖的分配系統116（及/或（如）第二分配系統124）。分配系統116包括外殼202，外殼202容納用於分配粉末以用於積層製造的各種部件。第2圖中可見的部件之一是粉末源131。在所示的示例中，粉末源131是儲存器，儲存器可含有用於積層製造的原料，如，粉末、如，金屬粉末，如，鈦粉。粉末源131的儲存器可為料斗，如，朝向儲存器的底部逐漸變細且配置成在底部處排出儲存器的內容物，如，在重力的影響下。

分配系統116可包括一個或多個偏轉及/或高度調整器206。偏轉及/或高度調整器206的每一個用於從待分配粉末的壓板的頂表面調整分配系統116的高度，並用於使分配系統116相對於頂表面整平。例如，分配系統116可包括用於每個角落的高度調整器206，高度調整器206可操作以相對於壓板的頂表面而調整分配系統116的角落的高度。高度調整器206可單獨操作以調整角落的相對高度，使得分配器組件的底部（如，下面論述的孔）平行於壓板的頂表面。

分配系統116可包括夾具或支架208，夾具或支架208嚙合支撐件以將分配系統116保持在支撐件上。為了提供偏轉及/或高度調整，夾具或支架可藉由線性引導件（如，螺釘和引導機構）附接到外殼202。控制構件(如，旋鈕)可用以轉動螺釘，以便調整外殼202的角落的高度。然而，許多其他機構也是可能的。

分配系統116可包括用於連接惰性氣體源（如，氮氣瓶或泵）的一個或多個氣體埠210。在操作期間，分配系統116可用惰性氣體沖洗，以將外殼202內側的氧氣水平保持在低於閾值的水平。分配系統116可包括用於連接到冷卻劑源（如，水泵）的一個或多個冷卻劑埠212，該冷卻劑源將分配系統116的溫度保持在閾值溫度以下。

第3圖是示例性分配系統116的頂視圖。在這個圖式中，在粉末源131的底部處的噴嘴陣列302的頂側是可見的。噴嘴陣列302包括多個噴嘴，噴嘴允許粉末從粉末源131流到壓板的頂表面，在壓板的頂表面上將從粉末印刷物體。噴嘴可包括（例如）噴嘴304和噴嘴306。噴嘴304和噴嘴306的入口在第3圖中可見。在所示的示例中，入口是正方形，但也可使用其他合適的形狀，如，圓形、六邊形、矩形等。入口可為10微米至1毫米寬。陣列302中的噴嘴的入口可具有均勻的尺寸。

噴嘴可以具有一排或多排的佈置而定位。在所示的示例中，噴嘴佈置成兩排。分離器308可突出到儲存器中以分離排。排中的噴嘴以交錯佈置而定位，其中所有噴嘴以組合方式連續地覆蓋壓板的頂表面的寬度的至少一部分，如，整個寬度。因此，當分配系統116沿著壓板的頂表面的長度掃過時，噴嘴陣列302可掃過頂表面的整個區域。

噴嘴陣列302中的每個噴嘴可單獨控制，使得當分配系統116沿著長度掃過時，可控制粉末的流動。受控的流動允許分配系統116僅將粉末分配到待印刷物體的實心部分。

第4A圖是示例性分配系統116的示例性料斗輪組件的前透視橫截面圖。如第3圖所示，噴嘴304和306位於粉末源131的底部處，在這個示例中，粉末源131是料斗。粉末輪402和404分別位於由噴嘴304和306提供的通道中。粉末輪402和404分別耦接到馬達406和408。馬達406和408可為可單獨控制的無刷馬達，如，步進馬達。粉末輪402和404（當由馬達406和408旋轉時）允許粉末流過噴嘴304和306。粉末輪402和404的轉速對應於流速，其中，高達極限時，較高的轉速對應於較高的流速。粉末輪402和404（當不旋轉時）防止粉末流過噴嘴304和306。

第4B圖是第4A圖的分配系統的側透視橫截面圖。粉末輪404由馬達408驅動。每個噴嘴在噴嘴內側具有在噴嘴入口和噴嘴出口之間的粉末輪。由於噴嘴陣列中的噴嘴的鄰近度以及驅動粉末輪的馬達的尺寸，馬達可成組地堆疊在一起，如，成對或三個一組，而不是彼此並排。另外，驅動不同排噴嘴的馬達可位於粉末源131的相對側。

在所示的示例中，粉末輪404由馬達408通過直接驅動來驅動。（第4A圖中的）粉末輪402（第4B圖中未顯示）由馬達406通過傳動機構（如，皮帶、齒輪或蝸桿驅動器）而驅動。噴嘴陣列的另一排中的粉末輪以類似的方式由馬達410和412在粉末源131的與馬達406和408相對的側面上驅動。

第5圖顯示了示例性粉末輪404。分配系統的其他粉末輪（如，第4A圖的粉末輪402和第6圖的粉末輪602）可具有類似的結構。

粉末輪404可具有軸502，軸502耦接到驅動馬達。粉末輪404可圍繞軸502的軸線旋轉。粉末輪404的活動部分（亦即，將與粉末接觸的部分）可包括具有一個或多個槽504的圓柱形表面506。圓柱形表面506可具有比軸502更大的直徑。每個槽504可基本上平行於軸502。每個槽504的長度可對應於噴嘴（如，第3圖的噴嘴306）的寬度或直徑。可基於待分配的粉末的尺寸來選擇每個槽504的寬度，使得至少一個粉末顆粒可適配槽504的寬度。同樣地，可基於待分配的粉末的尺寸來選擇每個槽504的深度，使得至少一個粉末顆粒可適配槽504的深度而不從粉末輪404的表面506突出。槽之間的間距可對應於所期望的印刷的空間分辨率和驅動馬達的速度。

如上所述，第5圖顯示了平行於旋轉軸線（因此平行於軸502）而延伸的槽504。然而，如第5A和5B圖所示，槽504可在圓柱形表面506中與旋轉軸成一角度，以形成圍繞旋轉軸的部分或全螺旋。在平行於旋轉軸線的軸線和槽之間的與圓柱形表面506相切的平面中的角度可在15和45度之間。當粉末輪404旋轉時，粉末將（如，在重力下）移動到槽504中。一個或多個槽504可將粉末輸送通過在圓柱形表面506和噴嘴的側壁之間的間隙。因此，粉末輪404的旋轉將使粉末從噴嘴的入口流到噴嘴的出口，並因此從粉末源流到壓板的頂表面。通常，旋轉越快，流速越高。當粉末輪404靜止時，粉末輪404阻止粉末通過。因此，控制粉末輪404的轉速控制粉末的流速。

對於物體的實心部分而言，粉末輪旋轉以允許粉末從粉末源流到頂表面。對於物體的空部分而言，粉末輪保持靜止以防止粉末從粉末源流到頂表面。

第6圖顯示了噴嘴中的粉末輪的示例佈置。粉末輪402、404和602分別放置在噴嘴401、306和604中。粉末輪402、404和602的直徑對應於噴嘴401、306和604的寬度或直徑。在所示的示例中，粉末輪402、404和602放置在噴嘴401、306和604在頂部處的入口和噴嘴401、306和604在底部處的出口之間。當粉末輪402、404和602不旋轉時，粉末輪402、404和602阻塞噴嘴401、306和604中的路徑，使得粉末不能從入口流到出口。當噴嘴401、306和604旋轉時，粉末可藉由槽從入口輸送到出口。

在所示的示例中，入口和出口是正方形。在各種實施方案中，入口和出口可具有各種幾何形狀，如，正方形、矩形、圓形、橢圓形、細長槽等。在粉末輪402、404和602與它們各自的噴嘴401、306和604的壁之間的空間公差配置成小於粉末顆粒的直徑。因此，粉末可僅在槽中並且僅在當粉末輪402、404和602旋轉時，從入口移動到出口。空間公差的限制防止粉末通過在粉末輪402、404和602與壁之間的空間而洩漏。

第7圖顯示了示例性分配系統116的部件。分配系統116包括粉末源組件702、噴嘴組件704和外殼202。粉末源組件602包括粉末源131、攪拌器單元706及控制和粉末分配電路708。

噴嘴組件704安裝在粉末源組件702的基部處。噴嘴組件704包括噴嘴陣列302、噴嘴陣列302的噴嘴中的粉末輪（未顯示）及用於驅動粉末輪的馬達組710。粉末源組件702（具有噴嘴組件704安裝在基部上）容納在外殼202中。

第8圖顯示了整合粉末源和噴嘴陣列的示例性組件800。噴嘴組件604安裝在粉末源組件702的基部處。馬達組710耦接到控制和粉末分配電路708，其中控制和粉末分配電路708向馬達提供動力並單獨控制每個馬達的旋轉。在一些實施方案中，控制和粉末分配電路708包括配置成檢測粉末輪的停轉的感測器。例如，每個粉末輪可耦接到轉速計。轉速計可測量轉速，如，以rpm為單位。若粉末輪停轉（如，完全停轉或減速）（如，由於粉末中的不均勻尺寸或結塊），相應的感測器可檢測到停轉。控制和粉末分配電路708可將停轉資訊提交給控制設備以停止印刷，或者提交給通知使用者異常的顯示裝置。替代地或另外地，系統可增加相鄰粉末輪的轉速，以增加緊鄰區域中的粉末輸送，以補償從停轉的粉末輪減少的粉末輸送。

第9A圖是示例性粉末源組件800的橫截面視圖。粉末源組件800可提供分配系統116的至少一部分。從側面看，粉末源131（如，料斗）可具有像漏斗一樣的形狀，其中漏斗的壁引導粉末向下朝向噴嘴陣列。特別地，粉末源可包括提供漏斗的變窄部分的上部930和具有均勻寬度的下部932。

分離器308（從側面具有三角形形狀）跨越粉末源131的寬度。分離器308安裝在粉末源131的基部處並向上突出到料斗的下部932中。分離器可引導粉末在多排噴嘴之間分開。分離器308可具有三角形橫截面。

控制和粉末分配電路708和馬達組710位於漏斗的頸部的任一側，並且與粉末源131在寬度方向上對齊。

粉末源131可具有攪拌器902。攪拌器902可為槳輪或螺旋槳，槳輪或螺旋槳振盪（如，圍繞長軸來回旋轉）以保持粉末的流動性。攪拌器902可位於漏斗的頸部內側並沿著粉末源131的寬度運轉。攪拌器902幫助粉末沿著粉末源131的寬度均勻地散佈，並且均勻地散佈在分離器308的側面之間，使得通過活動噴嘴的粉末流動不受阻礙。

第9B圖顯示了示例性槳輪、齒輪箱和驅動機構。槳輪、齒輪箱和驅動機構可安裝在粉末源131上。如第9B圖所示，攪拌器902跨越粉末源131的寬度運轉。作為槳輪，攪拌器902具有一個或多個槳904，槳904從可旋轉軸905向外突出。攪拌器902攪拌粉末源131中的粉末，使得粉末是均勻分佈到噴嘴。

攪拌器902耦接到齒輪箱908。齒輪箱908包括一個或多個齒輪906、皮帶、蝸桿驅動器或配置成旋轉攪拌器902的其他驅動機構。攪拌器馬達910通過齒輪箱908為攪拌器902提供動力。

回到第9A圖，冷卻板1000可安裝在組件800的基部處，或安裝在外殼202的基部處。在所示的示例中，冷卻板1000安裝在組件800的底表面上。冷卻板1000包括熱交換元件1002。熱交換元件1002可包括空氣或液體冷卻管，空氣或液體冷卻管將熱量從分配系統帶走。在所示的示例中，熱交換元件1002是繞過噴嘴陣列的水冷導熱管。冷卻板1000有助於保護分配系統免受來自粉末床或工作部件的熱量的影響。替代地或另外地，組件800可包括隔熱罩以保護分配系統。

第10A圖是示例性輥輪和葉片組件1100的頂視圖。輥輪和葉片組件1100可安裝在第2圖的分配系統116的基部。

滾輪和葉片組件1100可包括托架1102。安裝在托架1102頂部的是整平葉片機構1104，整平葉片機構1104容納和控制整平葉片1106。葉片1106可提供散佈器118或126(參見第1A圖)。另外，壓實輥輪組件1108安裝在托架1102的頂部上。壓實輥輪組件1108配置成容納和控制壓實輥輪1110。

第10B圖是示例性輥輪和葉片組件的底視圖。整平葉片1106和壓實輥輪1110在第10B圖中可見。整平葉片1106和壓實輥輪1110的每一個可執行第1A圖的散佈器118的操作。分配系統的操作

於此所述的分配系統促進將粉末分配和壓實到設備的構建平台上。第11圖是使用選擇性粉末輸送的積層製造的示例性處理1200的流程圖。處理1200可藉由包括分配系統的AM設備，如，包括第1A和1B圖的分配系統116的設備100來執行。

粉末分配系統的粉末源（如，料斗）接收用於印刷物體的粉末。粉末源中的攪拌器攪拌粉末（1202）以使粉末保持在可流動狀態。此舉允許粉末均勻地分佈遍及噴嘴陣列。噴嘴陣列在粉末源的基部處耦接到粉末源。噴嘴以一種佈置（如，一排或多排的方式）而定位。以組合的方式，噴嘴連續地跨越壓板的頂表面的寬度的至少一部分，在該部分上將印刷物體。

噴嘴將粉末從粉末源分配到頂表面（1204）。在分配期間，每個噴嘴中的相應粉末輪控制噴嘴中粉末的相應流速。設備藉由使分配系統移動跨越壓板的頂表面的長度來形成層。

每個粉末輪可在輪的表面上具有多個槽，該多個槽用於在當輪旋轉時輸送粉末。每個粉末輪耦接到相應的馬達。每個粉末輪的槽的轉速和幾何形狀控制相應的流速。例如，旋轉粉末輪允許粉末從粉末源流到物體的一部分需要實心材料的頂表面。不旋轉的靜止粉末輪可防止粉末從粉末源流到將不製造物體的頂表面。

冷卻板可安裝在分配系統上以冷卻分配系統。

任選地，散佈器(如，葉片、輥輪或兩者)使分配在頂表面上的粉末整平及/或壓實(1206)。

設備藉由融合經整平的粉末而形成物體層(1208)。例如，可跨越粉末層掃描具有可控強度的能量束(如，雷射束)，以選擇性地融合對應於正在製造的物體的實心區域的粉末的部分。

在一些實施方案中，該設備具有多個分配系統。分配系統的每一個可分配不同的粉末。至少一種粉末可為金屬粉末。

更一般地，參考第1A、1B圖，控制器128可操作設備100(且尤其是分配系統116)，以控制分配和壓實操作。控制器128可從(例如)設備的使用者界面上的使用者輸入或者來自設備100的感測器的感測信號而接收信號。使用者輸入可提供指示待形成物體的CAD數據。控制器128可使用那個CAD數據以確定在積層製造處理期間所形成的結構的性質。基於CAD數據，控制器128可產生可由控制器128操作的系統的每一個所可使 用的指令，(例如)以分配粉末、融合粉末、移動設備100的各種系統及感測系統的性質、粉末及/或工件130。

在分配和壓實粉末的示例性處理中，首先將粉末顆粒裝載通過第2圖的粉末源131。粉末源131可為用作粉末的儲存器的料斗。粉末顆粒通過粉末源131朝向噴嘴陣列行進。噴嘴陣列中的粉末輪控制粉末分配在壓板頂表面上的位置。

控制器可基於CAD數據中包括的那些參數的每一個的期望水平來控制壓實水平、粉末分配位置和粉末分配速率。有鑒於此，控制器可控制粉末輪(如，第6圖的粉末輪402、404和602)以實現這些所期望的參數。此外，控制器可使用CAD數據，CAD數據可指定待形成的物體的幾何形狀，以控制待分配的粉末的位置。儘管控制器可控制分配系統在構建平台之上方的位置以控制粉末的分配位置，但是控制器也可控制分配系統沿著分配粉末的位置。

參見第1A和1B圖，控制器可控制其他系統來執行操作以形成物體。這些系統包括印刷頭102、熱源112和能量源114，以融合由分配系統116所分配的粉末。在分配系統116已經分配一層粉末之後，控制器可控制熱源112和能量源114以協作，來加熱和融合層內的粉末。控制器可接著控制分配系統116以分配另一層粉末。

控制器和計算裝置可實現於此描述的這些操作和其他處理和操作。如上所述，設備100的控制器128可包括連接到設備100的各種部件（如，致動器、閥和電壓源）的一個或多個處理裝置，以產生用於那些部件的控制信號。控制器可協調操作並使設備100執行上述各種功能操作或步驟序列。控制器可控制印刷頭102的系統的移動和操作。控制器128（例如）控制進給材料（包括第一和第二粉末顆粒）的位置。控制器128還基於待一次融合的一組層中的層數來控制能量源的強度。控制器128還藉由（例如）移動能量源或印刷頭來控制添加能量的位置。

作為於此描述的系統的一部分的控制器128和其他計算裝置可在數位電子電路中實現，或在電腦軟體、韌體或硬體中實現。例如，控制器可包括處理器，以執行儲存在電腦程式產品中，如，在非暫時性機器可讀儲存介質中的電腦程式。這樣的電腦程式（也稱為程式、軟體、軟體應用程序或代碼）可用任何形式的程式語言（包括編譯或解譯語言）編寫，且可以任何形式（包括作為獨立程式或作為適用於計算環境的模組、部件、子常式或其他單元）部署。

作為所描述的系統的一部分的控制器128和其他計算裝置可包括用於儲存數據目標（如，電腦輔助設計（CAD）兼容的檔案，其識別每一層應該沉積進給材料的圖案）的非暫時性電腦可讀介質。例如，數據目標可為STL格式的檔案、3D製造格式（3MF）的檔案或積層製造檔案格式（AMF）的檔案。例如，控制器可從遠端電腦接收數據目標。控制器128中的處理器（如，由韌體或軟體控制）可解譯從電腦接收的數據目標，以產生控制設備100的部件以融合每層的指定圖案所必需的信號集。

儘管這份文件含有許多具體的實現細節，但這些不應被解釋為對任何發明或可能要求保護的範圍的限制，而是作為特定於特定發明的特定實施例的特徵的描述。在單獨的實施例的上下文中的這份文件中描述的某些特徵也可以結合的方式在單個實施例中實現。相反地，在單個實施例的上下文中描述的各種特徵也可在多個實施例中單獨地或以任何合適的次結合的方式來實現。此外，儘管上面的特徵可描述為以某些結合的方式起作用並且甚至最初如此聲明，但是在一些情況下可從結合中切除來自所要求保護的組合的一個或多個特徵，並且所要求保護的結合可涉及次結合或次結合的變化。

第1A圖的印刷頭包括使設備100能夠構建物體的若干系統。在一些情況下，代替印刷頭，AM設備包括獨立操作的系統，該系統包括獨立操作的能量源、分配器和感測器。這些系統的每一個都可獨立移動，並且可是或可不是模組化印刷頭的一部分。在一些示例中，印刷頭僅包括分配器，並且設備包括單獨的能量源以執行融合操作。因此，這些示例中的印刷頭將與控制器協作以執行分配操作。

儘管操作被描述為包括單一尺寸的粉末顆粒，但在一些實施方案中，這些操作可用多種不同尺寸的粉末顆粒實現。儘管於此描述的AM設備的一些實施方案包括兩種類型的顆粒(如，第一和第二粉末顆粒)，但在一些情況下，可使用其他類型的顆粒。如上所述，第一粉末顆粒具有比第二粉末顆粒更大的尺寸。在一些實施方案中，在分配第二粉末顆粒以形成層之前，設備將第三粉末顆粒分配到壓板或下面的先前分配的層上。

金屬和陶瓷的積層製造的處理條件與塑料的處理條件明顯不同。例如，通常來說，金屬和陶瓷需要明顯更高的處理溫度。因此，塑料的3D印刷技術可能不適用於金屬或陶瓷處理，且配備可能不相同。然而，這裡描述的一些技術可適用於聚合物粉末，如，尼龍、ABS、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)和聚苯乙烯。

已經描述了許多實施方案。然而，將理解可進行各種修改。例如，

‧上述作為印刷頭一部分的各種部件(諸如(多個)分配系統、(多個)擴散器、(多個)感測系統，熱源及/或能源)可安裝在台架上，而不是安裝在印刷頭中，或安裝在支撐台架的框架上。

‧(多個)分配系統可各自包括以交錯配置而佈置的多於兩排的噴嘴。

‧粉末源在不同的實施方案中可具有不同的形狀和尺寸。粉末源可為漏斗形圓形容器。在一些實施方案中，粉末源可包括將粉末供應到多排噴嘴的管。

•藉由在粉末離開噴嘴之後將粉末散佈在頂表面上而可部分地實現橫跨寬度的連續跨越。因此，噴嘴可或可不緊鄰彼此對齊。

因此，其他實施方案在申請專利範圍的範圍內。

100‧‧‧設備102‧‧‧印刷頭104‧‧‧平台106‧‧‧粉末/粉末顆粒108‧‧‧第二粉末109‧‧‧向前方向110‧‧‧支撐件111‧‧‧第一端112‧‧‧熱源113‧‧‧第二端114‧‧‧能量源115‧‧‧水平第二軸線116‧‧‧分配系統118‧‧‧散佈器119‧‧‧軌道120‧‧‧第一感測系統122‧‧‧第二感測系統124‧‧‧第二分配系統125‧‧‧第二熱源126‧‧‧散佈器128‧‧‧控制器130‧‧‧工件131‧‧‧粉末源202‧‧‧外殼206‧‧‧高度調整器208‧‧‧支架210‧‧‧氣體埠212‧‧‧冷卻劑埠302‧‧‧噴嘴陣列304‧‧‧噴嘴306‧‧‧噴嘴308‧‧‧分離器401‧‧‧噴嘴402‧‧‧粉末輪404‧‧‧粉末輪406‧‧‧馬達408‧‧‧馬達410‧‧‧馬達412‧‧‧馬達502‧‧‧軸504‧‧‧槽

506:圓柱形表面

602:粉末輪

604:噴嘴

702:粉末源組件

704:噴嘴組件

706:攪拌器單元

708:控制和粉末分配電路

710:馬達組

800:組件

902:攪拌器

904:槳

905:可旋轉軸

906:齒輪

908:齒輪箱

910:攪拌器馬達

930:上部

932:下部

1000:冷卻板

1002:熱交換元件

1100:葉片組件

1102:托架

1106:葉片

1108:壓實輥輪組件

1110:壓實輥輪

1200‧‧‧處理1202‧‧‧攪拌粉末1204‧‧‧噴嘴將粉末從粉末源分配到頂表面1206‧‧‧使分配在頂表面上的粉末整平及/或壓實1208‧‧‧藉由熔化經整平的粉末而形成物體層

第1A圖是積層製造設備的示例的示意性側視圖。

第1B圖是第1A圖的積層製造設備的示意性頂視圖。

第2圖顯示了積層製造設備的示例性分配系統。

第3圖是示例性分配系統的頂視圖。

第4A圖是示例性分配系統的示例性料斗輪組件的前透視橫截面圖。

第4B圖是第4A圖的分配系統的側透視橫截面圖。

第5圖顯示了示例性粉末輪。

第5A和5B圖顯示了替代的粉末輪。

第6圖顯示了噴嘴中的粉末輪的示例佈置。

第7圖顯示了示例性分配系統的部件。

第8圖顯示了整合粉末源和噴嘴陣列的示例性組件。

第9A圖是示例性粉末源組件的橫截面圖。

第9B和9C圖顯示了示例性槳輪、齒輪箱和驅動機構。

第10A圖是示例性輥輪和葉片組件的頂視圖。

第10B圖是示例性輥輪和葉片組件的底視圖。

第11圖是使用選擇性粉末輸送的積層製造的示例性處理的流程圖。

各圖式中類似的元件符號和名稱表示類似的元件。

國內寄存資訊 (請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無

國外寄存資訊 (請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無

306‧‧‧噴嘴

401‧‧‧噴嘴

402‧‧‧粉末輪

404‧‧‧粉末輪

602‧‧‧粉末輪

604‧‧‧噴嘴

Claims (20)

1. 一種分配系統，包含：一粉末源，配置成儲存待分配在一壓板的一頂表面之上的粉末；一噴嘴陣列，耦接到該粉末源，該噴嘴陣列以組合的方式以連續地跨越該頂表面的寬度的至少一部分的一佈置而定位，每個噴嘴提供用於該粉末的一相應路徑，以使該粉末從該粉末源流到該壓板的該頂表面；及一粉末輪陣列，每個粉末輪定位在一噴嘴的一相應路徑中並連接到一相應馬達，每個粉末輪在該粉末輪的一表面上具有複數個槽，該等槽配置成當該粉末輪藉由該馬達而旋轉時，從該粉末源通過該相應路徑輸送該粉末到該頂表面，其中，該分配系統是一積層製造設備的一部件，該積層製造設備配置成從該壓板上的粉末形成一物體。
2. 如請求項1所述之分配系統，其中該粉末源是一料斗，該料斗包括沿著該粉末源的一寬度的一槳輪或攪拌器，該槳輪或攪拌器配置成使該粉末均勻地分佈遍及該噴嘴。
3. 如請求項2所述之分配系統，其中該槳輪或攪拌器具有可調整的轉速。
4. 如請求項1所述之分配系統，其中該粉末源包括一測力計，該測力計配置成檢測該粉末源中的粉末水平並將該粉末水平提供給一顯示裝置或一控制裝置。
5. 如請求項1所述之分配系統，其中該等噴嘴以一單排或複數排交錯排而佈置，該等噴嘴位於該粉末源的一基部。
6. 如請求項1所述之分配系統，其中該噴嘴陣列是沿著該壓板的該頂表面的長度對齊的複數個噴嘴陣列的一個陣列。
7. 如請求項1所述之分配系統，包含一間距調整器，該間距調整器配置成調整該噴嘴陣列的一間距。
8. 如請求項1所述之分配系統，包含一高度調整器，該高度調整器配置成調整從該等噴嘴的多個開口到該頂表面的一距離。
9. 如請求項1所述之分配系統，其中：每個粉末輪上的每個槽平行於該輪的一軸線，及該等噴嘴的多個開口是圓形、矩形、三角形或細長槽。
10. 如請求項1所述之分配系統，其中每個粉末輪定位在一相應噴嘴的一入口和一出口之間。
11. 如請求項1所述之分配系統，其中每個馬達是由一相應的步進驅動電路所驅動的一步進馬達，每個步進馬達具有可變的轉速，其中調整該轉速改變該粉末的一流速。
12. 如請求項1所述之分配系統，其中該等粉末輪的每一者耦接到一轉速計，該轉速計配置成檢測一停轉狀態。
13. 如請求項1所述之分配系統，包含一冷卻板，該冷卻板安裝在該等噴嘴和粉末源的一基部上，該冷卻板配置成保持一恆定的操作溫度。
14. 如請求項1所述之分配系統，包含一輥輪和葉片組件，該輥輪和葉片組件配置成使用該葉片組件整平該壓板的該頂表面上的粉末，並使用該輥輪壓實在該頂表面上的該粉末。
15. 如請求項1所述之分配系統，包含一外殼，該外殼容納該粉末源、該等噴嘴和該等粉末輪，該外殼配置為填充有一循環惰性氣體，該惰性氣體將氧氣排除在一閾值水平以下。
16. 一種在一積層製造設備中分配粉末的方法，該方法包含以下步驟：將在一粉末分配系統的一粉末源中的粉末均勻地分佈遍及耦接到該粉末源的一噴嘴陣列，該等噴嘴以連 續跨越一壓板的一頂表面的一寬度的至少一部分的一佈置而定位；將該粉末從該粉末源通過該等噴嘴而分配到該頂表面，該分配之步驟包括藉由一相應的粉末輪控制該粉末通過該等噴嘴的每一者的一相應流速，其中每個粉末輪定位在一相應噴嘴的一入口和一出口之間，每個粉末輪在該粉末輪的表面上具有複數個槽，且每個粉末輪耦接到一相應的馬達；整平分配在該頂表面上的該粉末；及藉由融合經整平的該粉末而形成一物體的一層，其中形成該層之步驟包括使該分配系統移動跨越該壓板的該頂表面的一長度。
17. 如請求項16所述之方法，其中分配該粉末包含以下步驟：旋轉一粉末輪以使該粉末從該粉末源流到該物體的一部分是實心材料處的該頂表面處；及停止一粉末輪以防止該粉末從該粉末源流到該物體的一部分是空的空間的該頂表面處。
18. 如請求項16所述之方法，包含藉由調整該分配系統的一間距來控制該物體的空間分辨率。
19. 如請求項16所述之方法，包含藉由安裝在該分配系統的基部上的一冷卻板來冷卻該分配系統。
20. 如請求項16所述之方法，其中該分配系統是該積層製造設備的複數個分配系統中的一個，該等分配系統的每一個分配不同的粉末，至少一種粉末是一金屬粉末。

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