本發(fā)明涉及增材制造(am)，更具體地說，涉及冷凝物在am系統(tǒng)中的中和。

背景技術(shù)：

am能夠通過鋪設(shè)連續(xù)的材料層的增材工藝從數(shù)字模型或另一電子數(shù)據(jù)源制造三維物體。使用激光束或電子束將預(yù)先整平的粉末表面層熔合成固體材料薄片。然后將另一層粉末施加在先前熔合的薄片的頂部上，并重復(fù)該過程直到逐層構(gòu)建出三維物體。這個工藝被稱為例如粉末床熔合(powderbedfusion，pbf，或稱為粉末床熔融)、激光選擇性熔融或直接激光金屬燒結(jié)。該工藝可以應(yīng)用于能夠熔合在一起的金屬、塑料或其它材料。

am工藝可以在填充有惰性氣體的室中進(jìn)行，以防不希望的化學(xué)反應(yīng)或熔融金屬的氧化。該惰性氣體可以是，例如，氬氣。在例如金屬的層熔合工藝中，熔池的表面過熱并蒸發(fā)。蒸發(fā)的材料在惰性氣氛中冷卻并冷凝成納米尺寸的粉塵，這里稱為“冷凝物”。這些冷凝物顆粒的直徑或最長尺寸可以為約10nm至100μm。該冷凝物最初懸浮在室內(nèi)的惰性氣體中。室內(nèi)的冷凝物可以沉降在表面上，或作為煙霧仍然懸浮在惰性氣體中。這會造成安全隱患，因為在氧氣的存在下，冷凝物可能是高反應(yīng)活性的，這可能導(dǎo)致爆炸或火災(zāi)的嚴(yán)重風(fēng)險。

圖1是現(xiàn)有技術(shù)的am系統(tǒng)100的示意圖。所述am系統(tǒng)100包括構(gòu)建室101，其是層熔合工藝發(fā)生的地方。為了降低對人員的危險，惰性氣體的對流可以引導(dǎo)冷凝物離開構(gòu)建室101。惰性氣體和懸浮的冷凝物(由實心箭頭表示)可被泵送通過過濾器102以捕獲固體材料。然后使用循環(huán)風(fēng)扇103將含有較少冷凝物或甚至沒有冷凝物(由虛線箭頭表示)的惰性氣體泵送到構(gòu)建室101。大量的冷凝物可以在過濾器102中被捕獲，但是過濾器102不能捕獲所有的冷凝物，并不是所有的冷凝物都可以被引導(dǎo)離開構(gòu)建室101。因此，盡管一些冷凝物被引向過濾器102，但是大部分冷凝物可能積聚在室101中及其周圍。

沉降的冷凝物可以積聚在室101的壁上，激光束被引導(dǎo)而穿過的透明窗口上，或正在被制造的物體上。如果冷凝物沉降在透明窗口上，則激光束可能被遮擋，并且am工藝可能被中斷或削弱。這可能導(dǎo)致質(zhì)量差的零件的生產(chǎn)。例如，物體在am系統(tǒng)中可能需要10到200個小時來構(gòu)建。然而，由于形成的沉積物，透明窗口在僅使用約5小時后可能會被遮擋。如果透明窗口被遮擋，可能需要暫停和清掃系統(tǒng)。

在正在制造的物體上積聚的任何冷凝物都能夠影響該物體的質(zhì)量或性質(zhì)。例如，冷凝物可以降低保真度或影響正在制造的物體的形狀、尺寸或物理性質(zhì)。積聚的冷凝物甚至可以破壞正在制造的物體。因此，由于冷凝物的存在，在室101和透明窗口需要清潔之前可能存在最大的構(gòu)建時間。這可能使am不適合制造大型或幾何復(fù)雜的物體。

在室101的壁上積聚的冷凝物可能是火災(zāi)風(fēng)險，其在手動清潔期間給操作者帶來安全問題。冷凝物中的一些材料在空氣中可能是高反應(yīng)活性的，如果已經(jīng)積聚了足夠的冷凝物并且室101被打開以用于清潔或維護(hù)，則可能導(dǎo)致自發(fā)著火。例如，在激光加工期間可能形成鈦或鋁冷凝物。鈦或鋁粉塵是火災(zāi)危害物，當(dāng)暴露在空氣中時，可能會造成爆炸危害。在清潔室101時，尤其是在清掃過程中使用的真空吸塵器或其他清潔設(shè)備中，可能會發(fā)生火災(zāi)或爆炸。在清理冷凝物或處理被冷凝物污染的過濾器102時發(fā)生過嚴(yán)重事故。

被污染的過濾器102必須在更換期間手動移除并在危險廢物專用設(shè)備中處理。更換或處理過濾器102會增加自燃和嚴(yán)重事故的風(fēng)險。已經(jīng)有數(shù)次在過濾器清潔或更換過程中的傷害被報道。為了減少過濾器102的火災(zāi)風(fēng)險，過濾器102的尺寸保持較小。但是，這限制了am工藝中在過濾器102必須更換之前的最大構(gòu)建時間。此外，不是所有的冷凝物都被收集在過濾器102中，并且在室101中的爆炸或火災(zāi)風(fēng)險仍然存在。

因此，需要一種在am期間的冷凝物中和的系統(tǒng)和方法，更具體地，中和在am工藝期間的凝結(jié)物的系統(tǒng)和方法，其將冷凝物轉(zhuǎn)化為安全形式。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

金屬冷凝物可以通過將其轉(zhuǎn)化為金屬的安全化合物或安全形式來被中和。鈦是可以被轉(zhuǎn)化的金屬冷凝物的一個例子。在一個示例中，反應(yīng)性鈦納米尺度的冷凝物被轉(zhuǎn)化為惰性的宏觀尺度的鈦沉積物。這可以是一個封閉的過程。

附圖說明

為了更全面地理解本發(fā)明的性質(zhì)和目的，應(yīng)參考結(jié)合附圖進(jìn)行的以下詳細(xì)描述，其中：

圖1是現(xiàn)有技術(shù)的am系統(tǒng)的示意性框圖；

圖2表示可用于根據(jù)本發(fā)明一種實施方式的am系統(tǒng)中的化學(xué)反應(yīng)工藝；

圖3是根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的使用鹵化物氣體的am系統(tǒng)的示意性框圖；

圖4是表示使用圖3的am系統(tǒng)的工藝的流程圖；

圖5是根據(jù)本發(fā)明的另一種實施方式的使用鹵化物氣體的am系統(tǒng)的示意性框圖；

圖6是表示使用圖5的am系統(tǒng)的工藝的流程圖；

圖7是根據(jù)本發(fā)明的另一種實施方式的使用鹵化物氣體的am系統(tǒng)的示意性框圖；和

圖8是表示使用圖7的am系統(tǒng)的工藝的流程圖。

具體實施方式

雖然將根據(jù)某些實施方式來描述所要求保護(hù)的主題，但本發(fā)明的范圍還涵蓋其它實施方式，包括未提供本文所陳述的所有益處和特征的那些實施例。在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，可以進(jìn)行各種結(jié)構(gòu)改變、邏輯改變、工藝步驟改變和電子改變。因此，本發(fā)明的范圍僅通過參考所附權(quán)利要求來限定。

圖2表示可用于體現(xiàn)本發(fā)明的am系統(tǒng)的化學(xué)反應(yīng)工藝。固體鹵化物在步驟120中汽化。形成的氣態(tài)鹵化物與金屬冷凝物接觸。雖然鈦被具體公開為金屬冷凝物，但也可以使用鋁、釩或其它金屬。這在步驟121中引發(fā)反應(yīng)。在步驟122中形成氣態(tài)金屬鹵化物化合物。使用纖絲(filament，或稱為長絲)將金屬與鹵化物分離并在步驟123中使反應(yīng)逆轉(zhuǎn)。然后在步驟124中將氣態(tài)鹵化物冷卻并固化。

例如，固體鹵化物可以是含碘的固體材料。i(s)可通過將其溫度升高至例如約150℃以上而汽化。am系統(tǒng)中的壓力也可能會降低。固體鈦冷凝物與i2(g)利用以下反應(yīng)進(jìn)行反應(yīng)形成tii4(g)：

ti(s)+2i2(g)→tii4(g)

可以將纖絲控制為約1400℃以使用以下反應(yīng)分離tii4(g)：

tii4(g)→ti(s)+2i2(g)

當(dāng)冷卻時，i2(g)將固化成i(s)。例如，i2(g)可以被冷卻到150℃以下以形成i(s)。在固化過程中，am系統(tǒng)中的壓力可能會增加。

可以基于例如冷凝物中的金屬、am工藝參數(shù)、正在制造的部件或期望的冷凝物去除水平來選擇特定的鹵化物或氣態(tài)鹵化物種類。可以使用其它鹵素如f2、br2或cl2代替i2。也可以使用不同鹵化物或一種或多種鹵化物與其它氣態(tài)物質(zhì)的混合物。熔化固體鹵化物材料、冷凝氣態(tài)鹵化物材料、解離氣態(tài)金屬鹵化物化合物、加熱am系統(tǒng)中的部件或冷卻am系統(tǒng)中的部件的溫度可基于所述用的鹵化物、鹵化物混合物或氣體混合物的汽化溫度和冷凝溫度而變化。

圖3是使用鹵化物氣體的am系統(tǒng)200的實施方式的示意圖。在圖3中，實心箭頭表示惰性氣體和懸浮的冷凝物，虛線箭頭表示含有較少的冷凝物甚至不含冷凝物的惰性氣體。較少的冷凝物是指由虛線箭頭表示的流比由實線箭頭表示的流具有更少的冷凝物。

發(fā)生am工藝的構(gòu)建室201位于過濾器202和循環(huán)風(fēng)扇204的上游。構(gòu)建室201可以使用例如激光束或電子束。構(gòu)建室201和過濾器202之間是閥v1和v4。構(gòu)建室201和循環(huán)風(fēng)扇204之間是閥v1和v2。

循環(huán)風(fēng)扇204的下游是鹵化物容器205和解離室206。解離室206和過濾器202通過閥v3和風(fēng)扇203連接到構(gòu)建室201。

鹵化物容器205連接到構(gòu)建室201并且具有被配置為產(chǎn)生氣態(tài)鹵化物的鹵化物氣體源。鹵化物容器205包括用于升高固體鹵化物材料的溫度并汽化固體鹵化物材料的加熱系統(tǒng)。這產(chǎn)生了氣體鹵化物，例如i2。

解離室206具有可更換的纖絲，其可由鎢或其它材料制成。解離室206中的纖絲可以放置在氣態(tài)鹵化物或氣態(tài)金屬鹵化物化合物的流路中。

圖3的實施方案可以用于清潔過濾器202。圖4是表示使用圖3的實施方案的工藝的圖。在步驟300中，閥v1和v3關(guān)閉，閥v2和v4打開。過濾器202和鹵化物容器205在步驟301中被加熱以汽化固體鹵化物材料并形成氣態(tài)鹵化物。解離室206中的纖絲在步驟302中被加熱。氣態(tài)鹵化物在閥v1和v3之間循環(huán)。在步驟303中，氣態(tài)鹵化物與金屬冷凝物反應(yīng)形成氣態(tài)金屬鹵化物化合物。在步驟304中，將氣態(tài)金屬鹵化物化合物循環(huán)至解離室206，并且金屬解離到纖絲上。在此，金屬可以收集、聚結(jié)、或以其它方式沉積在纖絲上。一旦完成清潔，在步驟305中冷卻鹵化物容器205，使氣態(tài)鹵化物冷凝。然后在步驟306中打開閥v1、v3和v4并關(guān)閉閥v2。

為了清潔構(gòu)建室201，打開圖3中的所有的閥v1、v2、v3和v4，或僅關(guān)閉閥v4且打開閥v1、v2和v3。這使得氣態(tài)鹵化物循環(huán)到構(gòu)建室201。

當(dāng)過濾器202被充分清潔并且冷凝物已經(jīng)沉積在解離室206中的纖絲上時，鹵化物氣體被輸送回鹵化物容器205以固化。固體鹵化物材料可以保持固體形式，直到需要另一清潔循環(huán)。am系統(tǒng)200的其它部件可以保持在升高的溫度以防止或減少除了在鹵化物容器205中的固化。

解離室206中的纖絲(其可以是鎢絲)被周期性地更換。用過的纖絲可以被丟棄。在鈦冷凝物的示例中，鈦金屬粘附到纖絲上，并且在氧的存在下是惰性的。因此，纖絲通?？梢园踩靥幚砗吞幹?。

圖5是使用鹵化物氣體的am系統(tǒng)400的另一種實施方案的示意圖。在圖5中，實線箭頭表示惰性氣體和懸浮的冷凝物，虛線箭頭表示含有較少的冷凝物或甚至不含冷凝物的惰性氣體。較少的冷凝物是指由虛線箭頭表示的流比由實線箭頭表示的流含有更少的冷凝物。

發(fā)生am工藝的構(gòu)建室401可以使用例如激光束或電子束。構(gòu)建室401在過濾器402和循環(huán)風(fēng)扇404的上游。構(gòu)建室401和過濾器402之間是閥v1。構(gòu)建室401和循環(huán)風(fēng)扇404之間是閥v2。

循環(huán)風(fēng)扇404的下游是鹵化物容器405和解離室406。解離室406和過濾器402通過閥v3和風(fēng)扇403連接到構(gòu)建室401。鹵化物容器405可以類似于圖3中的鹵化物容器205。解離室406可以類似于圖3中的解離室206。

在解離室406的下游在該解離室406和閥v3之間的是加熱器407。為了鈦碘化反應(yīng)的發(fā)生，氣態(tài)鹵化物可能需要保持熱(例如≥350℃)。加熱器407有助于在該溫度下維持氣態(tài)鹵化物。

加熱器407還可以附接到構(gòu)建室401中或者設(shè)置在構(gòu)建室401中。離開鹵化物容器405的氣態(tài)鹵化物是熱的。如果am系統(tǒng)400中的管道加了保溫套(lagged)，則氣態(tài)鹵化物將保持是熱的。構(gòu)建室401可以包括加熱器407以將氣態(tài)鹵化物保持在所需溫度。

圖5的實施方案可以用于清潔構(gòu)建室401。圖6是表示使用圖5的實施方案的工藝的圖。在步驟500中，閥v1關(guān)閉，閥v2和v3打開。在步驟501中，加熱構(gòu)建室401和鹵化物容器405以汽化固體鹵化物材料并形成氣態(tài)鹵化物。在步驟502中，加熱解離室406中的纖絲。在步驟503中，氣態(tài)鹵化物循環(huán)并與金屬冷凝物反應(yīng)形成氣態(tài)金屬鹵化物化合物。在步驟504中，將氣態(tài)金屬鹵化物化合物循環(huán)到解離室406，并且金屬解離到纖絲上。在此，金屬可以收集、聚結(jié)或以其它方式沉積在纖絲上。一旦完成清潔，在步驟505中冷卻鹵化物容器405，使氣態(tài)鹵化物冷凝。然后在步驟506中打開閥v1并關(guān)閉閥v2或關(guān)閉閥v2和v3。

圖7是使用鹵化物氣體的am系統(tǒng)600的另一種實施方案的示意圖。在圖7中，實線箭頭表示惰性氣體和懸浮的冷凝物，虛線箭頭表示含有較少的冷凝物或者甚至不含冷凝物的惰性氣體。較少的冷凝物是指由虛線箭頭表示的流比由實線箭頭表示的流含有更少的冷凝物。

發(fā)生am工藝的構(gòu)建室601可以使用例如激光束或電子束。構(gòu)建室601在過濾器602和循環(huán)風(fēng)扇604的上游。過濾器602的下游是閥v1、v2和v3。v1位于過濾器602和風(fēng)扇603之間。v2位于過濾器602和循環(huán)風(fēng)扇604之間。v3在加熱器607和風(fēng)扇603之間。

循環(huán)風(fēng)扇604的下游是鹵化物容器605和解離室606。鹵化物容器605可以類似于圖3中的鹵化物容器205。解離室606可以類似于圖3中的解離室206。加熱器607可以類似于圖5中的加熱器407。

圖7的實施方案可以用于清潔構(gòu)建室601和過濾器602。圖8是表示使用圖7的實施方案的工藝的圖。在步驟700中，關(guān)閉閥v1并打開閥v2和v3。在步驟701中，加熱構(gòu)建室601和鹵化物容器605以汽化固體鹵化物材料并形成氣態(tài)鹵化物。在步驟702中，解離室606中的纖絲被加熱。在步驟703中，氣態(tài)鹵化物循環(huán)并與金屬冷凝物反應(yīng)形成氣態(tài)金屬鹵化物化合物。在步驟704中，將氣態(tài)金屬鹵化物化合物循環(huán)到解離室606，并且金屬解離到纖絲上。在此，金屬可以收集、聚結(jié)或以其它方式沉積在纖絲上。一旦完成清潔，在步驟705中冷卻鹵化物容器605以使氣態(tài)鹵化物冷凝。然后在步驟706中打開閥v1并關(guān)閉閥v2和v3。

鹵化物容器可以位于構(gòu)建室的上游或下游。在可選的實施方式中，鹵化物容器位于構(gòu)建室的上游，并且解離室位于構(gòu)建室的下游。當(dāng)然，其它設(shè)計也是可以的。

當(dāng)鹵化物氣體在解離室206、406或606中固化時，圖3、圖5或圖7所示的線路可以保持在升高的溫度。這防止了固體鹵化物沉積在am系統(tǒng)200、400或600中的其它位置。加熱器可以位于多個室或氣體管線中以防止這種固化。然而，氣態(tài)鹵化物的溫度可以被控制在特定范圍內(nèi)，以防止氣態(tài)鹵化物過度腐蝕壁材料。

在構(gòu)建工藝期間或在構(gòu)建工藝的步驟之間，氣態(tài)鹵化物可在構(gòu)建室201、401或601中循環(huán)。對正在制造的部件或構(gòu)建室201、401或601中的粉末的影響可以是可忽略的、可以被控制或可以被補(bǔ)償。

在另一種實施方案中，本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的靜電或其它方法可用于使金屬鹵化物化合物或冷凝物會聚在加熱的絲線上，例如解離室206、406或606中的纖絲。

沒有與氣態(tài)鹵化物反應(yīng)的冷凝物仍可在解離室206、406或606中熔融，并在熔融金屬冷卻后形成沉積物。

本文公開的清潔方法可以與構(gòu)建室201、401或601中的構(gòu)建工藝分開。如果對正在制造的部件的影響是可忽略的、可以被控制的或可以被補(bǔ)償?shù)?，清潔方法也可以在?gòu)建工藝期間在構(gòu)建室201、401或601中使用。

本文公開的清潔方法可以是封閉循環(huán)或開放循環(huán)。根據(jù)鹵化物和反應(yīng)產(chǎn)物的性質(zhì)，開放循環(huán)是可能的。

使用am工藝制造的部件可以具有其上具有部分熔合或松散的粉末顆粒的表面。這些顆粒在組裝和使用期間分離，并且可能在部件操作期間引起后續(xù)問題。這種顆粒可能較小并且可能具有大的相對表面積。例如，這些顆粒的尺寸可以為約15μm至45μm。當(dāng)暴露于氣態(tài)鹵化物時，顆?？梢栽诜磻?yīng)中被消耗并從部件上除去。部件的表面可能沒有松散或部分附著的顆粒從而不需要隨后的珠光處理(beadblasting，又稱為噴砂處理)、hf處理或其它顆粒去除步驟。因此，該清潔方法也可以在am工藝過程中使用或作為am工藝的附加步驟用于清潔正在制造的部件。

在可選的實施方案中，單獨(dú)的清潔室位于am系統(tǒng)中。該清潔室可以連接到解離室和鹵化物容器。使用附加的閥和氣體管線將鹵化物氣體流動到該清潔室。完成的或未完成的部件可以從構(gòu)建室移動到清潔室以去除顆粒。還可以使用具有解離室和鹵化物容器的單獨(dú)的獨(dú)立清潔柜(cleaningbooth，或稱為清潔棚)來替代連接到am系統(tǒng)的清潔室。

使用本文公開的實施方案，由于危險冷凝物的消除或減少，am工藝的安全性得到改善。人員可能不需要處理被冷凝物污染的過濾器或清潔污染的構(gòu)建室。由于消除了有害廢物，制造成本下降。構(gòu)建室和透明窗口將保持更長時間的清潔，這將延長構(gòu)建時間，提高系統(tǒng)正常運(yùn)行時間，并減少必要的預(yù)防性維護(hù)。激光光學(xué)器件將保持更長時間的清潔，這將提供改善的激光束質(zhì)量和改善的產(chǎn)品質(zhì)量、保真度和一致性。使用am工藝生產(chǎn)的部件可以更干凈或具有更少的附著在表面上的不期望的顆粒?？梢蕴峁┻@些優(yōu)點(diǎn)而不會影響使用am工藝制造的部件的質(zhì)量。

以下是為了說明的目的并不旨在限制而呈現(xiàn)的示例性權(quán)利要求。