用于增材制造裝置的料盒和方法
【專利說明】用于増材制造裝置的料盒和方法
[0001]相關申請的交叉參考
[0002]本申請要求于2013年3月15日提交的美國臨時專利申請N0.61/787，659的利益，其全部內容通過該參考被并入。
技術領域
[0003]本發明一般涉及選擇性激光燒結，并更具體地涉及用于增材制造裝置的新的和有用的料盒以及選擇性激光燒結領域中的方法。
【附圖說明】
[0004]圖1為本發明的一個實施例的增材制造裝置的示意性表示；
[0005]圖2為增材制造裝置的一個變型的示意性表示；
[0006]圖3為增材制造裝置的一個變型的示意性表示；
[0007]圖4為增材制造裝置的一個變型的示意性表示；
[0008]圖5A和圖5B為本發明的一個實施例的料盒的不意性表不;
[0009]圖6為本發明的一個實施例的一個變型的流程圖表示；
[0010]圖7為方法的一個變型的流程圖表示；
[0011]圖8為方法的一個變型的流程圖表示；以及
[0012]圖9為方法的一個變型的流程圖表示。
【具體實施方式】
[0013]本發明的實施例的以下描述不旨在將本發明限制到這些實施例，而是使本領域技術人員能夠理解并使用本發明。
[0014]1、增材制造裝置和應用
[0015]如圖1所示，用于增材地制造三維結構(即，對象)的增材制造裝置100包括:接收器150，其接納包含粉末材料的料盒；構建室120，其包括構建平臺122 ;材料分配器180，其從料盒200將一層粉末材料分配在構建平臺122上；激光輸出光學元件130，其朝向構建平臺122輸出能量束；以及致動器124，其在構建平臺122之上操縱激光輸出光學元件130，以將能量束掃過被分配在構建平臺122上的粉末材料層。
[0016]通常，裝置充當增材制造設備，其能夠通過選擇性地熔化粉末材料的沉積層的區域來構造三維結構。如在掃描鏡配置中的美國專利申請N0.14/212,875中所描述的，裝置相對于構建平臺122操控激光輸出光學元件130，并選擇性地朝向旋轉鏡輸出一束能量，該旋轉鏡將間歇性光束投射到透鏡上，該透鏡隨后將光束集中在構建平臺122上所沉積的一層材料上，以選擇性地熔融粉末材料的區域，從而“熔化”一層粉末材料的選擇區域。在龍門架構造中，裝置相對于構建平臺122操控激光輸出光學元件130，并選擇性地朝向構建平臺122上所沉積的一層材料直接輸出一束能量，以便選擇性地熔化一層粉末材料的區域。在前述構造中，裝置可實施類似的方法，以同時或不同時將第二能量束投射到構建室120內的每層粉末材料的選擇熔化區域上，從而使熔化材料的這些體積退火。
[0017]增材制造裝置100還可包括多個激光二極管(或電子槍或光束發生器)和/或多個激光輸出光學元件，以實現多個分離能量束朝向一層粉末材料的同時投射，以同時對材料的多個區域進行預熱、熔化和/或退火。例如，材料分配器180可在粉末材料層進入到構建室120之后分配該層，并且致動器124可在構建平臺122之上掃描來自激光輸出光學元件130的能量束以及來自第二激光輸出光學元件130的能量束，以便熔化每層的選擇區域，并然后在隨后的層沉積在其上之前，分別使每層的選擇區域退火。增材制造裝置100可進一步合并多個分離的激光二極管，以生成多個分離能量(例如，激光)束，其可同時被投射到一層粉末材料上，從而實現該層粉末材料的多個區域的同時熔化(或應力釋放)。多個分離激光二極管還可被歸合成陣列(例如，密排陣列)，以實現該層的較大單個區域的熔化(或應力釋放)，或者多個分離能量束可被歸合成具有較高功率的單個復合束，以在構建周期期間實現較高的能量束掃描速度。因此，增材制造裝置100可合并多個相對低功率的激光二極管，以實現粉末材料層上的激光燒結位置處的功率(或能量)密度，該功率(或能量)密度接近單個較高功率激光二極管132的功率(或能量)密度。增材制造裝置100還可控制各種激光二極管的輸出參數，以在激光燒結位置處或周圍自定義激光相互作用簡檔、能量密度、功率等等，諸如基于載入裝置的料盒200中所包含的材料、粉末材料的分配層的熔化區域的測量溫度、能量束在構建平臺122上的掃描方向等等。
[0018]1.1構建室
[0019]如在美國專利申請N0.14/212,875中所描述的，增材制造裝置100的構建室120包括構建平臺122。通常，構建室120定義體積，其中通過選擇性地熔化其中所沉積和平整的粉末材料的隨后層的熔化區域來增材地構造零件。構建室120可包括聯接到垂直(即，Z軸)致動器125的構建平臺122，其中當通過材料分配器180在先前的材料層上沉積和平整附加層的粉末材料時，致動器125 (向下)垂直使構建平臺122步進，從而在激光輸出光學元件130以及每個沉積層的最上層的粉末材料的頂表面之間維持大致恒定的距離。
[0020]在一個實施中，構建室120定義側面平行的直線形空間，并且構建平臺122垂直地騎靠在構建室120內且創建相對于構建室120的壁的機緊密封。在該實施中，構建室120的垂直內部壁可被鏡面拋光或者折疊到構建平臺122的外部垂直側，以便防止在構建平臺122上沉積的粉末材料落入構建平臺122和構建室120壁之間，以及當在沉積每個新層時，向下轉位構建平臺122的垂直高度時，防止對在構建平臺122上分配的粉末材料的水平破壞。可選地，構建平臺122可包括刮削器、彈簧鋼密封環以及/或者彈性密封件或套管，其騎靠在構建平臺122和構建室的壁之間，以防止粉末材料落下通過構建平臺122。構建平臺122和構建室120的垂直壁還可具有大致類似的材料，諸如不銹鋼，以在構建室120內的各種操作溫度下維持構建室120壁和構建平臺122的配合表面(或密封)之間的大致一致間隙。然而，構建室120和構建平臺122可具有任何其他材料(例如，鋁、氧化鋁、玻璃等等)、任何其他形狀的幾何結構(例如，直線形、圓柱形)以及/或者以任何其他合適的方式配入口 ο
[0021]如以上所描述，構建平臺122可聯接到Z軸致動器125，其用于在構建室120內垂直地移動構建平臺122，如圖1所示。例如，Z軸致動器125可包括導螺桿、滾珠螺桿、齒條與齒輪、滑輪、線型馬達或者通過伺服機構提供動力的其他合適機構、步進馬達，或其他合適類型的致動器。Z軸致動器125還可包括多軌和多驅動系統，其相對于構建室120壁將構建平臺122維持在大致垂直的位置中，垂直于激光輸出光學元件130，以及/或者在構建周期期間的各個層的粉末材料的區域的選擇性熔化期間，相對于激光輸出光學元件130將構建平臺122維持在恒定的垂直位置處。
[0022]在一個實施中，致動器以具有大約I μπι-5μπι的步長的20μπι-100μπι的分辨率將構建室平臺122垂直定位在構建室120內。Z軸致動器125還可在零件構建周期期間，利用沉積在構建平臺122上的附加層的粉末材料的重量，以使構建平臺122穩定。
[0023]構建室120、構建平臺122、Ζ軸致動器125以及/或者增材制造裝置100的各種其他部件可布置在殼體110內，諸如于2014年3月14日提交的美國專利申請N0.14/212,875中所描述的，其全部內容通過該參考的方式被合并。此外，如圖1中所示，增材制造裝置100可包括進入構建室120的門112，以便一旦在構建室120內完成零件的構造后，可打開門112以移除零件，諸如通過用戶手動或通過機器人輸送機自動移除。
[0024]1.2材料處理和材料分配器
[0025]增材制造裝置100還包括粉末系統，其接收包含粉末材料的一個或多個料盒，其按計量從料盒200向構建室120中供給特定量的粉末材料，并在構建平臺122上或者在先前的一層粉末材料上將每個計量量的粉末材料平整為一層粉末材料。
[0026]通常，一旦在機器中安裝了料盒且啟動了零件的構建周期，則材料分配器180從料盒200取出粉末材料并作為具有大致恒定厚度的第一層，跨越構建平臺122分配粉末材料。激光二極管、激光輸出光學元件和致動器然后合作以通過選擇性地將一個或多個能量束投射在沉積層上，對該層粉末材料的選擇區域預熱、熔化和/或退火。一旦完成了當前層的掃描，Z軸致動器125垂直向下對構建平臺122進行轉位，材料分配器180在第一層粉末材料上分配第二層粉末材料，并且激光二極管、激光輸出光學元件和致動器再次合作以通過選擇性地將一個或多個能量束投射在沉積層上，對第二層粉末材料的選擇區域預熱、熔化和/或退火。重復該過程，直到零件完成且構建周期結束。
[0027]對于在三維結構的構造期間沉積在構建室120中的每個附加構建層，材料分配器180計量來自料盒200的特定體積、質量和/或重量的材料，并將該一定量的粉末材料均勻地分配在構建平臺122上(或在先前的一層材料上)，以產生平坦和平整的恒定(或受控)厚度，其中該層的頂表面在離激光輸出光學元件130—致和可重復的距離處。例如，材料分配器180可包括再涂葉片182，其水平地移動通過構建室120，以跨越構建平臺122均勻地分配粉末材料。具體地，Z軸致動器125可設置將構建平臺122或者先前平整的一層粉末材料移動到再涂葉片182下方偏移的垂直位置，接收器可將一定體積的材料分配在構建平臺122上，并且材料分配器180可使再涂葉片182跨越構建平臺122或者先前平整的一層粉末材料掃掠，以將一定體積的材料平整為具有特定厚度的一層。再涂葉片182可接收可替換葉片或包括固定的或永久平整葉片。材料分配器180還可實施閉環反饋，以控制再涂葉片182的位置或速度，諸如基于在平整周期期間促進再涂葉片182的致動器的功率消耗，以便識別和/或減少先前材料層的破壞以及/或者防止對之前材料層的先前熔化的區域的毀壞。
[0028]—旦完成構建周期，材料分配器180可將來自構建室120的疏松(未使用的、剩余的)粉末材料再循環回到料盒200中。例如，一旦完成構建周期，材料分配器180可從構建室120收集疏松粉末，將該疏松粉末傳遞通過過濾系統，并將過濾的材料返回到料盒200中。在該示例中，材料分配器180可包括真空裝置，其將疏松粉末材料吸出構建平臺122，使該材料通過基于重量的捕獲系統或過濾器，并經由入口將該過濾的材料分配到料盒200中。在另一個示例中，一旦完成構建周期，材料分配器180可經由重力從構建室120取出疏松粉末，過濾該疏松粉末，并經由機械提升系統(諸如螺旋輸送機)將該過濾的粉末返回到粉末料盒中。在該示例中，構建室120可包括鄰近其底部(例如，在激光輸出光學元件130對面)的排放口 128，并且Z軸致動器125可使構建平臺122向下下降經過排放口 128，以使排放口 128暴露于構建室120。疏松材料可因此經由重力通過排放口 128流出構建室120，并可然后被收集、過濾和返回到料盒200。在該示例中，布置在構建平臺122上的鼓風機或者聯接到排放口 128的真空裝置可迫使任何剩余的疏松材料通過排放口 128以及/或者減小疏松材料從構建室120的排流時間。Z軸致動器125或者增材制造裝置100內的其他致動器還可使構建平臺翹起或傾斜，以進一步幫助分配來自構建室120的疏松粉末材料，諸如通過朝向暴露的或打開的排放口 128傾斜構建平臺120。此外，在這些示例中，增材制造裝置100可為從料盒分配的粉末材料識別合適的過濾器類型，諸如基于直接從料盒收集的或者從根據料盒標識符與料盒關聯的計算機文件提取的數據，如下面所描述，并然后在將再循環材料分配回到一個或多個料盒之前，從構建室使材料增材制造裝置100通過根據所調出的過濾器類型選擇的特定過濾器。材料分配器180還可實施螺旋、輸送機、提升、連桿、活塞和/或氣體、振動或重力輔助的傳輸系統，以將再循環粉末材料返回到料盒200，返回到另一個料盒或者返回到其他材料保持系統。
[0029]在一個變型中，粉末系統包括接收器150，其與密封的料盒相互作用以將新鮮的或再循環材料饋送到裝置中。在該變型中并且如下面所描述，料盒200界定用于粉末形式的特定類型的材料(例如，7075鋁或316L不銹鋼)或者材料類型的組合(例如，純鋁、純銅、純鎳和純鎂的混合物)的存儲容器。一旦從料盒200分配到構建室120中，可選擇地熔化粉末材料的連續層區域，以創建三維結構。料盒200可在諸如氬或氮的密封惰性環境內包含粉末材料，以限制對于氧氣的暴露，從而延長在內部的粉末材料的工作壽命(即，貯藏壽命)。料盒200還可為可密封的。例如，在載入裝置之后，可打開料盒200，從料盒200移除粉末材料，并完成構建周期，此時在料盒200內恢復惰性環境，并且重新密封料盒200以延長料盒200中剩余的材料的可用壽命。
[0030]在該變型的一個實施中，接收器包括倒鉤156或叉狀物，當料盒200插入接收器150中時，其刺穿布置在料盒200的出口 222上的聚合物密封，諸如圖4中所示。在該實施中，接收器150可包括細長外殼，其中叉狀物布置在外殼的底部處，其中料盒200到外殼的手動或機械線性插入使叉狀物接合抵靠聚合物密封，以便向增材制造裝置100內的粉末系統打開料盒200內的粉末材料。可選地，料盒200可包括關于出口 222布置的螺紋凸臺，接收器150可帶有螺紋以接收螺紋凸臺，并且叉狀物可布置在接收器150內，以使料盒200到接收器150中的安裝類似地導致叉狀物刺穿料盒200的密封。在前述實施中，一旦從接收器150移除，則聚合物密封可返回到密封位置，以便密封其中的(惰性)環境。
[0031]在另一個實施中，料盒200包括通過帽狀物(或“蓋子”)密封的出口 222，以便當料盒200安裝在接收器150中時，材料分配器180移除帽狀物以從料盒200釋放材料。在該實施中，一旦完成了構建周期，則材料分配器180將帽狀物(或另一個類似帽狀物)返回到料盒200，以密封其中剩余的或返回的粉末材料。然而，接收器150和材料分配器180可包括任何其他致動器或元件，其接合料盒200以從其釋放粉末材料。
[0032]接收器150還可包括密封，其接合料盒200以從周圍環境隔離料盒200的出口222(和/或入口)。具體地，接收器150內的密封可從包含氧氣的周圍環境隔離粉末系統(例如，構建室120和材料分配器180)內所維持的惰性環境。可選地，料盒200可類似地包括密封，其接合料盒200內的表面，以從周圍環境隔離料盒200的出口 222(和/或入口)。然而，接收器150可以通過任何其他方式與料盒200合作，以從周圍(即，富氧)環境隔離料盒200內所包含的粉末材料。
[0033]在一個實施中，接收器150包括從增材制造裝置100向外延伸的梁單元，并且料盒200包括掛鉤、孔眼或接收梁單元的類似特征。在該實施中，操作者可經由掛鉤在梁單元上懸掛料盒200，并然后手動地沿梁單元推動料盒200以將料盒200安裝在接收器150中。例如，料盒200可持有一半美國加侖的內部體積并填充有粉末不銹鋼(以75%粉末密度)，以使料盒200重為大約二十四英鎊。在該示例中，從接收器150延伸的梁單元可因此幫助操作者將相對重的料盒安裝到接收器中。在該實施中，梁單元可聯接到衡量器(例如，負荷傳感器、應變儀)，并且當或者一旦料盒200安裝在接收器150中時，衡量器可檢測料盒200的重量或質量及其內容，并因此檢測其中所包含的粉末材料的量。可選地，接收器150可聯接到測量料盒200的質量或重量的衡量器(例如，從衡量器懸吊下來)，其中可基于其中所包含的已知類型的材料確定料盒200的材料填充水平。
[0034]接收器150還可接收多個料盒。在一個示例中，接收器150接收其中線性安裝的一系列料盒，并且當每個料盒連續地注入構建室120時，材料分配器180順序地分配來自一系列料盒中的每個的材料。在該示例中，當通過將叉狀物、帽狀物移除器或其他致動器轉變為沿著靜態地布置在接收器150內的一系列料盒來倒空先前的料盒時，材料分配器180可順序地打開一系列料盒中的每個。可選地，叉狀物、帽狀物移除器或其他致動器在裝置內可為靜態的，并且一旦料盒被完全倒空，接收器150可將滿的料盒向前轉位到分配位置。在該示例中，接收器150可倒轉倒空