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(guān)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(nèi)容通過該參考被并入。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明一般涉及選擇性激光燒結(jié)，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(jié)領(lǐng)域中的方法。
【附圖說明】
[0004]圖1為本發(fā)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(fā)明的一個實施例的料盒的不意性表不;
[0009]圖6為本發(fā)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(fā)明的實施例的以下描述不旨在將本發(fā)明限制到這些實施例，而是使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解并使用本發(fā)明。
[0014]1、增材制造裝置和應(yīng)用
[0015]如圖1所示，用于增材地制造三維結(jié)構(gòu)(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(gòu)建室120，其包括構(gòu)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(gòu)建平臺122上；激光輸出光學(xué)元件130，其朝向構(gòu)建平臺122輸出能量束；以及致動器124，其在構(gòu)建平臺122之上操縱激光輸出光學(xué)元件130，以將能量束掃過被分配在構(gòu)建平臺122上的粉末材料層。
[0016]通常，裝置充當(dāng)增材制造設(shè)備，其能夠通過選擇性地熔化粉末材料的沉積層的區(qū)域來構(gòu)造三維結(jié)構(gòu)。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(gòu)建平臺122操控激光輸出光學(xué)元件130，并選擇性地朝向旋轉(zhuǎn)鏡輸出一束能量，該旋轉(zhuǎn)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(gòu)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(qū)域，從而“熔化”一層粉末材料的選擇區(qū)域。在龍門架構(gòu)造中，裝置相對于構(gòu)建平臺122操控激光輸出光學(xué)元件130，并選擇性地朝向構(gòu)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(qū)域。在前述構(gòu)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(gòu)建室120內(nèi)的每層粉末材料的選擇熔化區(qū)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(fā)生器)和/或多個激光輸出光學(xué)元件，以實現(xiàn)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(qū)域進(jìn)行預(yù)熱、熔化和/或退火。例如，材料分配器180可在粉末材料層進(jìn)入到構(gòu)建室120之后分配該層，并且致動器124可在構(gòu)建平臺122之上掃描來自激光輸出光學(xué)元件130的能量束以及來自第二激光輸出光學(xué)元件130的能量束，以便熔化每層的選擇區(qū)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(qū)域退火。增材制造裝置100可進(jìn)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(xiàn)該層粉末材料的多個區(qū)域的同時熔化(或應(yīng)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(xiàn)該層的較大單個區(qū)域的熔化(或應(yīng)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(fù)合束，以在構(gòu)建周期期間實現(xiàn)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(xiàn)粉末材料層上的激光燒結(jié)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(shù)，以在激光燒結(jié)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(qū)域的測量溫度、能量束在構(gòu)建平臺122上的掃描方向等等。
[0018]1.1構(gòu)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(gòu)建室120包括構(gòu)建平臺122。通常，構(gòu)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(qū)域來增材地構(gòu)造零件。構(gòu)建室120可包括聯(lián)接到垂直(即，Z軸)致動器125的構(gòu)建平臺122，其中當(dāng)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(gòu)建平臺122步進(jìn)，從而在激光輸出光學(xué)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(gòu)建室120定義側(cè)面平行的直線形空間，并且構(gòu)建平臺122垂直地騎靠在構(gòu)建室120內(nèi)且創(chuàng)建相對于構(gòu)建室120的壁的機(jī)緊密封。在該實施中，構(gòu)建室120的垂直內(nèi)部壁可被鏡面拋光或者折疊到構(gòu)建平臺122的外部垂直側(cè)，以便防止在構(gòu)建平臺122上沉積的粉末材料落入構(gòu)建平臺122和構(gòu)建室120壁之間，以及當(dāng)在沉積每個新層時，向下轉(zhuǎn)位構(gòu)建平臺122的垂直高度時，防止對在構(gòu)建平臺122上分配的粉末材料的水平破壞。可選地，構(gòu)建平臺122可包括刮削器、彈簧鋼密封環(huán)以及/或者彈性密封件或套管，其騎靠在構(gòu)建平臺122和構(gòu)建室的壁之間，以防止粉末材料落下通過構(gòu)建平臺122。構(gòu)建平臺122和構(gòu)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(gòu)建室120內(nèi)的各種操作溫度下維持構(gòu)建室120壁和構(gòu)建平臺122的配合表面(或密封)之間的大致一致間隙。然而，構(gòu)建室120和構(gòu)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(jié)構(gòu)(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(gòu)建平臺122可聯(lián)接到Z軸致動器125，其用于在構(gòu)建室120內(nèi)垂直地移動構(gòu)建平臺122，如圖1所示。例如，Z軸致動器125可包括導(dǎo)螺桿、滾珠螺桿、齒條與齒輪、滑輪、線型馬達(dá)或者通過伺服機(jī)構(gòu)提供動力的其他合適機(jī)構(gòu)、步進(jìn)馬達(dá)，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(qū)動系統(tǒng)，其相對于構(gòu)建室120壁將構(gòu)建平臺122維持在大致垂直的位置中，垂直于激光輸出光學(xué)元件130，以及/或者在構(gòu)建周期期間的各個層的粉末材料的區(qū)域的選擇性熔化期間，相對于激光輸出光學(xué)元件130將構(gòu)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(gòu)建室平臺122垂直定位在構(gòu)建室120內(nèi)。Z軸致動器125還可在零件構(gòu)建周期期間，利用沉積在構(gòu)建平臺122上的附加層的粉末材料的重量，以使構(gòu)建平臺122穩(wěn)定。
[0023]構(gòu)建室120、構(gòu)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(nèi)，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(nèi)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(jìn)入構(gòu)建室120的門112，以便一旦在構(gòu)建室120內(nèi)完成零件的構(gòu)造后，可打開門112以移除零件，諸如通過用戶手動或通過機(jī)器人輸送機(jī)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(tǒng)，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(gòu)建室120中供給特定量的粉末材料，并在構(gòu)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(jī)器中安裝了料盒且啟動了零件的構(gòu)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(gòu)建平臺122分配粉末材料。激光二極管、激光輸出光學(xué)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(qū)域預(yù)熱、熔化和/或退火。一旦完成了當(dāng)前層的掃描，Z軸致動器125垂直向下對構(gòu)建平臺122進(jìn)行轉(zhuǎn)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(xué)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(qū)域預(yù)熱、熔化和/或退火。重復(fù)該過程，直到零件完成且構(gòu)建周期結(jié)束。
[0027]對于在三維結(jié)構(gòu)的構(gòu)造期間沉積在構(gòu)建室120中的每個附加構(gòu)建層，材料分配器180計量來自料盒200的特定體積、質(zhì)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(gòu)建平臺122上(或在先前的一層材料上)，以產(chǎn)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(xué)元件130—致和可重復(fù)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(gòu)建室120，以跨越構(gòu)建平臺122均勻地分配粉末材料。具體地，Z軸致動器125可設(shè)置將構(gòu)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(gòu)建平臺122上，并且材料分配器180可使再涂葉片182跨越構(gòu)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(huán)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(jìn)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(qū)域的毀壞。
[0028]—旦完成構(gòu)建周期，材料分配器180可將來自構(gòu)建室120的疏松(未使用的、剩余的)粉末材料再循環(huán)回到料盒200中。例如，一旦完成構(gòu)建周期，材料分配器180可從構(gòu)建室120收集疏松粉末，將該疏松粉末傳遞通過過濾系統(tǒng)，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(gòu)建平臺122，使該材料通過基于重量的捕獲系統(tǒng)或過濾器，并經(jīng)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(gòu)建周期，材料分配器180可經(jīng)由重力從構(gòu)建室120取出疏松粉末，過濾該疏松粉末，并經(jīng)由機(jī)械提升系統(tǒng)(諸如螺旋輸送機(jī))將該過濾的粉末返回到粉末料盒中。在該示例中，構(gòu)建室120可包括鄰近其底部(例如，在激光輸出光學(xué)元件130對面)的排放口 128，并且Z軸致動器125可使構(gòu)建平臺122向下下降經(jīng)過排放口 128，以使排放口 128暴露于構(gòu)建室120。疏松材料可因此經(jīng)由重力通過排放口 128流出構(gòu)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(gòu)建平臺122上的鼓風(fēng)機(jī)或者聯(lián)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(gòu)建室120的排流時間。Z軸致動器125或者增材制造裝置100內(nèi)的其他致動器還可使構(gòu)建平臺翹起或傾斜，以進(jìn)一步幫助分配來自構(gòu)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(gòu)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(jù)料盒標(biāo)識符與料盒關(guān)聯(lián)的計算機(jī)文件提取的數(shù)據(jù)，如下面所描述，并然后在將再循環(huán)材料分配回到一個或多個料盒之前，從構(gòu)建室使材料增材制造裝置100通過根據(jù)所調(diào)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(jī)、提升、連桿、活塞和/或氣體、振動或重力輔助的傳輸系統(tǒng)，以將再循環(huán)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(tǒng)。
[0029]在一個變型中，粉末系統(tǒng)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(huán)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(gòu)建室120中，可選擇地熔化粉末材料的連續(xù)層區(qū)域，以創(chuàng)建三維結(jié)構(gòu)。料盒200可在諸如氬或氮的密封惰性環(huán)境內(nèi)包含粉末材料，以限制對于氧氣的暴露，從而延長在內(nèi)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(gòu)建周期，此時在料盒200內(nèi)恢復(fù)惰性環(huán)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(dāng)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(xì)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(jī)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(nèi)的粉末系統(tǒng)打開料盒200內(nèi)的粉末材料?？蛇x地，料盒200可包括關(guān)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(nèi)，以使料盒200到接收器150中的安裝類似地導(dǎo)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(huán)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(dāng)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(gòu)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(huán)境隔離料盒200的出口222(和/或入口)。具體地，接收器150內(nèi)的密封可從包含氧氣的周圍環(huán)境隔離粉末系統(tǒng)(例如，構(gòu)建室120和材料分配器180)內(nèi)所維持的惰性環(huán)境?？蛇x地，料盒200可類似地包括密封，其接合料盒200內(nèi)的表面，以從周圍環(huán)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(huán)境隔離料盒200內(nèi)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(jīng)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(nèi)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(lián)接到衡量器(例如，負(fù)荷傳感器、應(yīng)變儀)，并且當(dāng)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(zhì)量及其內(nèi)容，并因此檢測其中所包含的粉末材料的量?？蛇x地，接收器150可聯(lián)接到測量料盒200的質(zhì)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(dāng)每個料盒連續(xù)地注入構(gòu)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(dāng)通過將叉狀物、帽狀物移除器或其他致動器轉(zhuǎn)變?yōu)檠刂o態(tài)地布置在接收器150內(nèi)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?？蛇x地，叉狀物、帽狀物移除器或其他致動器在裝置內(nèi)可為靜態(tài)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(zhuǎn)位到分配位置。在該示例中，接收器150可倒轉(zhuǎn)倒空