用于通过粉末材料的选择性固化建造物件的设备和方法与流程

本发明涉及用于通过粉末材料的选择性固化建造物件的设备和方法。本发明特定应用于控制熔融粉末床所必需的能量。

背景技术：

用于产生物件的选择性固化方法包括使用例如激光束或电子束等高能量束对例如金属粉末材料等材料的逐层固化。粉末层沉积在建造室中的粉末床上并且射束扫描过对应于正构造的物件的横截面的粉末层的部分。射束熔融或烧结粉末以形成固化层。在选择性固化某一层之后，粉末床减少掉新固化层的厚度并且另一粉末层在表面上散布且视需要固化。

选择性固化设备可包括再循环回路，其用于将粉末从建造室再循环到供给用于形成为粉末层的粉末的粉末施配设备。已知随着物件的建造在使用粉末再循环回路的设备中进行，建造的质量可改变。

us2010/0192806揭示一种系统，其中未使用的粉末在建造结束时从激光烧结机器移除且在单独机器/装置中处理，随后在激光熔结机器中再使用以用于后续建造。该处理包含修改该粉末材料，例如移除具有粒度小于所界定粒度的粒子。然而，为了避免粉末材料的传递过程中粉末材料的例如氧化等污染，有必要维持用于传递粉末的所有装置和软管中足够质量的惰性气氛。小粉末粒子(所谓的“粒子”)对空气质量的小差异尤其敏感，因为相对大的表面积使得此些粒子反应性非常高。

us5527877揭示激光可烧结粉末，其允许粉末在选择性激光烧结机器中烧结从而形成据称完全密集的烧结部分。粒子数目的至少80％为11μm到53μm，且粒子的少于5％大于180μm。

jp2005-335199揭示包括粉末回收环路的设备，该粉末回收环路具有组份分析器、混合器和材料补充单元。当经回收粉末的粒度分布与原始粉末不同时，必需大小的粒子可添加到经回收粉末。优选的是，将材料与大量细粒子而非大直径粒子混合，因为细粒子倾向于经由从所收集粉末材料散布而损耗。优选的是，除材料分析之外，组份分析器还在取样期间测量精细度，测得的粒子精细度与原始粉末的粒子精细度比较以确定待添加的材料和数量。

技术实现要素：

根据本发明的第一方面，提供一种用于通过粉末材料的层式熔融建造物件的增材制造机器，该机器包括建造室，该建造室含有建造平台、用于在跨越该建造平台的层中沉积粉末材料的粉末施配器、用于选择性地熔融每一层中的粉末材料的高能量束，以及用于控制该粉末材料的特性的控制装置，该特性是由该粉末材料中的低于经指定用于该建造的粒度上限的建造粒子给出。

控制粉末材料的特性可维持建造或连续建造的过程中的建造质量。特定来说，即使在确保粉末材料仅(或至少主要)含有低于粒度上限的粒子(所谓的建造粒子)之后，剩余粉末材料的其它特性也可能影响建造质量。因此，将这些特性中的一者或多者控制在所要范围内可改进建造质量。通过具有控制装置作为增材制造机器的一部分，粉末材料可在与建造室中共有的气氛中传递到控制装置/从控制装置传递以避免污染。

粉末材料的特性可为湿气含量，控制装置经布置用于控制粉末材料的湿气含量。举例来说，控制装置可通过加热粉末材料来减少粉末材料中的湿气。

粉末材料的特性可为建造粒子的形态，控制装置经布置用于控制粉末材料中不同形状的建造粒子的分布。举例来说，粉末材料中粒子的形态可影响堆积密度，且因此可控制该形态以便维持指定堆积密度。粒子的形态可影响粒子的反应性。举例来说，形态可影响粒子可吸收的能量的量，以及因此影响达到材料的熔融温度所必需的能量的量。因此，可控制粉末材料中不同形状建造粒子的分布以减少达到熔融温度必需的能量。控制装置可包括用于依据形状分离粒子的气体分类器(淘析)装置。

粉末材料的特性可为化学组成，控制装置经布置用于控制粉末材料中的建造粒子的化学组成。建造粒子的氧化可影响建造质量。因此，减少经氧化建造粒子的数目可改进建造质量。

粉末材料的特性可为建造粒子的粒度分布。控制粉末材料中的粒度分布提供对于建造质量的控制。不受任何一个理论的约束，但据信，现有技术机器中的建造质量由于粉末材料的粒度分布的改变而改变。特定来说，slm过程期间产生的低于粒度上限的建造粒子保持在经再循环粉末中，从而随着建造的进行或在连续建造中改变粉末材料的粒度分布。较小建造粒子可比较大建造粒子更容易吸收能量。此外，在形成熔融池期间，较小粒子可首先熔融，所得熔融物在未熔融的较大粒子之间流动。因此，粒度分布的改变可改变使用高能量束形成的熔融池的特性，并且进而影响所建造的物件的质量。举例来说，由粉末材料吸收的能量的量的增加可增加固化材料的孔隙度。熔融池的大小的改变可影响可建造物件的准确性和/或最终物件的完整性。

控制装置可经布置用于控制物件的建造期间粉末材料中的建造粒子的粒度分布。以此方式，可维持整个建造过程期间恒定的熔融物。另外或作为替代，控制装置可经布置用于控制连续建造之间粉末材料中的建造粒子的粒度分布。

控制装置可控制粉末材料中的微建造粒子的比率，其中微建造粒子是具有小于粒度上限的四分之一，且优选小于五分之一，且更优选地小于十分之一的粒度的粒子。微建造粒子可为大小小于10微米，优选小于5微米的粒子，且任选地为纳米粒子。通常，选择性激光熔融装置中使用的粉末材料的粒度上限为大约50微米，但例如100微米等较大粒度上限可用于较高激光功率装置。据信，微建造粒子的比率的变化将对能量的吸收具有最有效效应，且因此通过控制粉末材料中微建造粒子的比率(例如维持在设定范围内)可实现所要建造性能。

粉末材料中微或宏粒子的比率可为与粉末材料中粒子的总体积、重量或数目相比按体积计、按重量计或按数目计的比率。

控制装置可通过添加或移除微建造粒子和/或通过添加或移除宏建造粒子来改变粒度分布，其中宏建造粒子是具有大于微建造粒子但低于粒度上限的大小的粒子。控制装置可经布置以从粉末材料仅移除一比例的特定大小的建造粒子。举例来说，控制装置可包括用于从粉末材料移除特定大小的建造粒子的建造粒子过滤器，和用于允许一比例的该特定大小的建造粒子绕过建造粒子过滤器且保持在粉末材料中的旁路。从粉末材料移除的特定大小的建造粒子的比例可例如通过更改通过旁路的建造粒子的数目而改变。特定大小可为一范围的颗粒大小，例如大小小于10微米，优选小于5微米的粒子，以及任选地纳米粒子。

控制装置可包括旋风分离器或气体淘析系统，用于从粉末材料移除一比例的特定大小的建造粒子。

控制装置可包括用于从源递送材料的额外粒子的递送装置，和用于将额外粒子与粉末材料掺合的混合器。举例来说，该等额外粒子可包括具有特定大小分布的粒子，例如宏和/或微建造粒子的源，且混合器经布置以基于从建造室回收的粉末材料的预先掺合粒度分布以受控方式掺合额外粒子。来自源的粒子可包括用微粒子涂覆的宏粒子。一批纯粹微粒子可由于小粒度而具有较差流动性。因此，此批粉末材料可能难以传送和与从建造室回收的粉末材料掺合。然而，通过引入宏建造粒子(例如大于10微米的粒子)，微粒子可涂覆宏粒子且通过使宏粒子进行“背负式运输(piggybacking)”的方式而被携载穿过系统。因此，额外粒子的源可包括已知比率的宏粒子与微粒子。额外粒子的比率可小于32％、优选小于10％和更优选地小于5％的微粒子的比率(按体积计)。此可确保存在足够的宏粒子来携载微粒子。

控制装置可包括传感器，用于检测可从其确定/推断粉末材料中微或宏建造粒子的比率的粉末材料的特性，该过滤器和/或混合器响应于来自传感器的信号而控制。举例来说，传感器可包括：用于使粉末材料成像的摄像机、用于测量粉末材料的流的流量计、用于测量粉末材料的密度的装置(例如振实密度机器)、用于根据光(例如激光束)从粉末材料或气体分类器的衍射或散射来测量粒度的装置，其中该粉末材料注入到垂直导向气流中。

或者或另外，过滤器和/或混合器可基于随着建造的进程的粒度分布的经预测改变来控制。举例来说，可使用增材制造过程的计算机模型或通过使用先前建造作为基准来预测该等改变。

该机器可包括用于将粉末从建造室再循环到粉末施配器的再循环回路。控制装置可经布置以控制从再循环回路递送到粉末施配器的粉末材料的粒度分布。举例来说，控制装置的传感器可检测再循环回路中粉末材料的特性，且例如建造粒子过滤器和/或混合器等用于更改粒度分布的装置可移除一比例的建造粒子或将特定大小的建造粒子添加到再循环回路中的粉末材料以更改从再循环回路递送到粉末施配器的粉末材料的粒度分布。

该机器可包括阈值过滤器(例如筛网)，用于从粉末材料移除具有高于粒度上限的大小的粒子。在建造过程期间，可形成高于粒度上限的粒子，且需要在再使用粉末材料之前从粉末材料移除这些粒子。因此，阈值过滤器可提供于再循环回路中以从再循环回路中的粉末移除大小高于粒度上限的粒子。

可依据穿过具有特定网孔大小的筛网的粒子界定粒度。此定义在建造粉末过滤器和/或阈值过滤器是筛网时可为适当的。

可依据基于重量的粒度界定粒度。此定义在建造粉末过滤器和/或阈值过滤器为旋风过滤器时可为适当的，其中粒子按质量过滤。

根据本发明的第二方面，提供一种通过粉末材料的层式熔融建造物件的方法，该方法包括：在跨越建造室中的建造平台的层中沉积粉末材料；用高能量束选择性地熔融每一层中的粉末材料；以及在建造期间控制粉末材料的特性，该特性是由粉末材料中的低于经指定用于该建造的粒度上限的建造粒子给出。

该特性可为粉末材料中建造粒子的粒度分布。

根据本发明的第三方面，提供一种通过粉末材料的层式熔融建造物件的方法，该方法包括：在跨越建造室中的建造平台的层中沉积粉末材料；以及用高能量束选择性地熔融每一层中的粉末材料，其中将粒子添加到粉末材料或从粉末材料移除粒子。

可添加或移除粒子以减小达到粉末材料的熔融温度所必需的能量的量。

可在建造之前或期间添加或移除粒子。该方法可包括实行连续建造，其中在该等建造之间，将粒子添加到粉末材料或从粉末材料移除以减少达到粉末材料的熔融温度必需的能量的量。

添加到粉末材料或从粉末材料移除的粒子可为微建造粒子，和任选地相同材料的纳米粒子。

根据本发明的第四方面，提供一种可连接到增材制造机器的粉末容器，该增材制造机器通过利用高能量束进行粉末材料的选择性熔融来建造物件，该粉末容器用以向该增材制造机器供应粉末材料，该容器包括包含大小小于10微米、优选小于5微米的的微粒子且最优选纳米粒子的粉末材料。

该粉末材料可具有高于0.1％、0.5％、1％、2％、3％、4％或5％的微粒子的比率(按体积计)。该粉末材料可具有小于32％、20％、15％、10％、9％、8％、7％、6％或5％的微粒子的比率(按体积计)。在高于微粒子的32％的比率(按体积计)的情况下，可能不存在充足的宏粒子来经由用微粒子涂覆宏粒子而携载微粒子穿过系统。微粒子越小，则越低百分比(按体积计)的微粒子可涂覆在宏粒子上。

根据本发明的第五方面，提供一种控制根据本发明的第一方面的机器的方法，该方法包括接收指示粉末材料的粒度分布的测量信号，以及将控制信号发送到控制装置以调整粉末材料的粒度分布。

根据本发明的第六方面，提供一种具有存储于其上的指令的数据载体，该等指令在由处理器执行时致使该处理器实行本发明的第五方面的方法。

根据本发明的第七方面，提供一种用于通过粉末材料的层式熔融建造物件的增材制造机器，该机器包括建造室。其含有建造平台、用于在跨越该建造平台的层中沉积粉末材料的粉末施配器、用于选择性地熔融每一层中的粉末材料的高能量束，以及用于测量该粉末材料的特性的传感器。

该特性可为由粉末材料中的低于经指定用于该建造的粒度上限的建造粒子给予该粉末材料的特性。

感测建造粉末的特性可允许用户检验该建造正以必需质量的粉末进行。如果传感器检测到粉末的特性在可接受范围外部，那么可改变该粉末和/或检查增材制造机器以确定粉末材料落到规范外部的原因。

粉末材料的特性可为湿气含量。传感器可包括热重力分析器。

粉末材料的特性可为形态。传感器可为摄像机和处理器，该处理器用于自动分析摄像机俘获的粉末的图像以识别粒子材料的粒子的形状。或者或另外，传感器可包括气体分类器，其中粉末材料注入到垂直导向气流中。

粉末材料的特性可为化学组成。传感器可包括光谱仪。

粉末材料的特性可为建造粒子的粒度分布。传感器可包括用于使粉末材料成像的摄像机和用于从相机撷取的粉末材料的图像来自动确定粒度的处理器、用于测量粉末材料的流的流量计、用于测量粉末材料的密度的装置(例如振实密度机器)、用于测量粒度的装置，其根据来自粉末材料或气体分类器的光(例如激光束)的衍射或散射或微波来测量，其中该粉末材料注入到垂直导向气流中。

该机器可包括用于将粉末从建造室再循环到粉末施配器的再循环回路。传感器可经布置以检测从再循环回路递送到粉末施配器的粉末材料的特性。

该机器可包括沿着机器中的粉末材料路径位于不同位置处的多个传感器，使得可识别沿着该路径的不同位置之间的粉末材料的特性的改变。举例来说，传感器可位于过滤器之前和之后以确定过滤器是否正令人满意地操作。

根据本发明的第八方面，提供一种通过粉末材料的层式熔融建造物件的方法，该方法包括：在跨越建造室中的建造平台的层中沉积粉末材料；用高能量束选择性地熔融每一层中的粉末材料；以及在该建造期间检测粉末材料的特性。

该特性可为由粉末材料中的低于经指定用于该建造的粒度上限的建造粒子给予该粉末材料的特性。

根据本发明的第九方面，提供一种具有存储于其上的指令的数据载体，该等指令在由处理器执行时致使该处理器进行本发明的第八方面的方法。

本发明的以上方面的数据载体可为用于为机器提供指令的合适的媒体，例如非暂时性数据载体，例如软磁盘、cdrom、dvdrom/ram(包含-r/-rw和+r/+rw)、hddvd、蓝光(tm)光盘、存储器(例如记忆棒(tm)、sd卡、紧凑快闪卡或类似物)、光盘驱动器(例如硬盘驱动器)、磁带、任何磁/光存储装置或瞬态数据载体，例如电线或光纤上的信号或无线信号，例如经由有线或无线网络(例如因特网下载、ftp传送或类似物)发送的信号。

附图说明

图1示意性地展示根据本发明的一个实施例的增材制造机器；

图2示意性地展示根据本发明的另一个实施例的增材制造机器；

图3示意性地展示根据本发明的另一实施例的增材制造机器和过滤设备；以及

图4为可用于图1到图3中展示的增材制造机器中的粉末材料的粒度分布的粒度分布特性的曲线。

具体实施方式

参看图1，根据本发明的实施例的激光固化机器包括其中具有界定建造室117的分隔物115的主腔室101。提供建造平台102用于支撑通过选择性激光熔融粉末材料104建造的物件103。平台102可随着形成物件103的连续层而在建造室117内降低。可用的建造体积由建造平台102可降低到建造室117中的程度界定。主要腔室101提供密封环境使得可在物件的建造期间在主要腔室101中维持惰性气氛。可提供泵(未图示)和惰性气体(未图示)的源用于在腔室101中形成惰性气氛。

当建造物件103时用于形成粉末层104的粉末施配器包括用于从贮斗121供给粉末材料的供给设备108，和用于跨越工作区域散布所供给粉末的刮片109。举例来说，供给设备109可为如描述于w02010/007396中的设备。激光模块105产生用于熔融粉末104的激光，该激光视需要由光学模块106在计算机122的控制下导向和聚焦。激光经由窗口107进入腔室101。

提供再循环回路120用于将没有用于建造物件的粉末材料再循环返回到贮斗121。再循环回路120与建造室101成气连通，从而使得建造室101和再循环回路120共享共同惰性气体气氛。滑槽116在刮片109移动的方向上在建造室117的任一端的，其用于收集从工作区域刮拭的粉末材料。滑槽116将粉末引导到集料斗128中。与集料斗128相关联的是传感器129，其用于测量所收集粉末材料的特性。举例来说，传感器129可为用于测量粉末材料的化学特性的光谱仪。来自传感器129的信号发送到计算机122(由双点虚线指示)，且如果认为粉末材料的氧化水平过高，那么计算机将产生警告以告知用户。用户可随后研究以确定氧水平增加的原因，例如失败的密封。

用于集料斗128的粉末馈送到阈值过滤器126中，阈值过滤器126滤出大小高于经指定用于建造的粒度上限的粒子。通常，大小上限将在50与100微米之间。阈值过滤器126可为具有适当网孔大小的筛网。

由阈值过滤器126过滤的粉末材料输出到中间贮斗118中。传感器119提供在来自中间贮斗118的输出上以检测微建造粒子(在此实施例中，小于10微米的粒子)在从中间贮斗118施配的粉末材料中的比率。来自传感器119的信号发送到计算机122(由双点虚线指示)。举例来说，传感器119可为用于根据激光束的衍射或散射来确定粒度的装置。

从中间贮斗118输出的粉末材料被引导朝向微建造粒子过滤器124，或被引导朝向旁路管线125来用于通过可移动挡扳123绕过过滤器124。挡扳123可移动以改变流动到过滤器124和旁路管线125中的粉末材料的比例，且由计算机122控制。

来自过滤器124和旁路管线125的粉末材料收集在另一贮斗127中。额外粒度传感器130提供在到贮斗127的管线上以便提供所要粒度分布已实现的验证。来自传感器130的信号被发送到计算机122(由双点虚线指示)。

与贮斗127相关联的是用于对贮斗127中的粉末材料称重的传感器135和加热器136。贮斗127中的粉末材料可用加热器136加热，且使用传感器135记录粉末材料的重量的改变。从重量的此些改变可推断粉末材料的湿气含量。计算机122可经布置以接收来自传感器135的信号，且产生湿气含量是否下降到预定阈值外的警告。例如通过机械装置将粉末材料从贮斗127传送到贮斗121。

计算机122包括处理器单元131、存储器132、显示器133、用户输入装置134(例如键盘、触摸屏等)、到激光熔融单元的模块的数据连接，该等模块例如用于降低平台的马达(未图示)、光学模块106、激光模块105、供给单元108、刮片109、传感器119、129、130和135，以及可移动挡扳123。该等模块由计算机根据存储在存储器132上的计算机程序的指令来控制。

以适当文件格式(例如+mtt文件格式)界定的物件导入到存储在计算机122上的计算机程序中。在使用中，物件根据文件中的物件定义通过激光单元的模块的适当控制来建造，使得通过用激光束选择性地熔融粉末材料的连续层而在层式过程中建造物件。

在建造期间，通过刮片109和馈送到集料斗128的重力来将过剩粉末推送到滑槽116中。在集料斗128中，使用传感器129分析粉末材料的化学组份以确定建造室101内的条件是否可接受。来自集料斗128的粉末传递到阈值过滤器126，阈值过滤器126从所收集的粉末材料移除熔融过程期间形成的聚结物。经过滤粉末材料收集在中间贮斗118中。

中间贮斗118输出的粉末落下通过传感器119，传感器119检测流中微粒子的比率。响应于从传感器119产生的信号，计算机控制挡扳123以控制通过旁路管线125和过滤器124的粉末材料的流的比例以提供贮斗127中微粒子的必需比率。如果所产生的微粒子的量高于所希望水平，那么一比例的流被导向穿过过滤器124。此比例随着流中微粒子的数目改变而变化。通过以此方式控制该流，控制/调整经再循环到贮斗121的粉末材料的粒度分布。

计算机122还可使用来自传感器119的信号以确定阈值过滤器126是否正按需要执行。举例来说，如果传感器119正感测到高于粒度上限的显著比例的粒子，那么此指示阈值过滤器已发生故障，例如孔已形成于其中，从而需要替换过滤器126。如果计算机122确定高于粒度上限的粒子的比例高于预设阈值，那么可例如在显示器133上产生警告。

所要粒度分布可为如下分布：其减少达到粉末材料的熔融温度而所必需的能量的量，该熔融温度与粉末的流动性以及含有穿过机器中的密封件的较高比率的较小粒子的粉末材料的经增加损耗相称。

经输入以便实现熔融温度的所要能量以及因此微建造粒子与总建造粒子的所要比率将依据若干因素变化，该等因素例如正熔融的材料、激光功率、光斑大小、影线距离、扫描速度等等。计算机可经编程以控制挡扳123以实现粉末材料中恒定比率的微粒子。为实现此目的，粉末材料的初始供应可包括所要比率的微粒子。通常，微粒子的比例(按体积计)将小于32％，且更通常将在0.1与10％之间，且更加通常在0.1与5％之间。图4展示粒度分布的典型曲线，其中存在两个峰值，一个用于微建造粒子且一个用于宏建造粒子。

在建造结束时，粉末床104中包含的粉末材料可通过升高建造平台102而被推送到滑槽116中。此粉末材料经过滤和再循环而进入贮斗121用于下一建造。

参看图2，展示机器的替代实施例。在此实施例中，作为与参看图1描述的实施例类似或相同的特征的特征已被给予相同的但在系列200中的参考标号。

在此实施例中，提供含有微建造粒子的额外贮斗237。阀238控制微建造粒子从贮斗237的流动，从贮斗237递送的粒子与从贮斗227传送的粉末材料混合。阀238由计算机222控制。微粒子的此源允许在传送材料中不存在充足量的微粒子的情况下将微粒子添加到粉末材料。微粒子可截留在机器表面上，且因此，即使正由熔融过程产生微粒子，这些粒子也可能未能再循环到贮斗221。因此，额外贮斗237提供微粒子的源，用于视需要补充微粒子。

贮斗237可包括用微粒子涂覆的载体粒子，用于将微粒子传送穿过阀238以与再循环粉末混合。小于10微米的细粒子往往具有较差流动性。通过提供载体粒子，可促进微粒子的流动。载体粒子可为宏建造粒子。参看图3，展示机器的另一实施例。在此实施例中，作为与参看图1和2描述的实施例类似或相同的特征的特征已被给予相同的但在系列300中的参考标号。

在图3中，在建造过程期间将粉末材料收集在贮斗318中。在建造过程结束时，从增材制造机器300移除贮斗318且将其转移到单独过滤设备340。在过滤设备340中，粉末材料通过重力馈送穿过一个或多个过滤器到贮斗321中。该一个或多个过滤器包含过滤器324，其从自贮斗318通过重力馈送的粉末材料中过滤微建造粒子。旁路回路325在微建造粒子过滤器324周围延伸，且可移动挡扳323控制经由微建造粒子过滤器324从贮斗318馈送的粉末材料的比例。可移动挡扳323由计算机(未图示)控制以基于贮斗318中包含的粉末材料中微粒子的比率而引导必需比例的流穿过微建造粒子。可通过取粉末的样本且使该样本通过分析装置来确定贮斗318中微粒子的比率。该一个或多个过滤器还可包含阈值过滤器，用于移除高于经指定用于建造的粒度上限的聚结物。或者，阈值过滤器可提供于增材制造机器300中以便在粉末材料到达贮斗318(以与图1和2中展示的方式类似的方式)之前过滤大聚结物的粉末材料。

经过滤的粉末材料收集在贮斗321中，贮斗321可从过滤设备340移除且可定位在增材制造机器300中以将粉末材料供应到供给机构308。可提供多个贮斗318、321使得机器300可使用一组贮斗318、321实行建造，同时由设备340在另一组贮斗318、321上实行过滤。

将理解，在不脱离如权利要求书中界定的本发明的范围的情况下可对上述实施例做出更改和修改。举例来说，除了从粉末材料过滤微粒子或将微粒子添加到粉末材料之外，还可将具有大于10微米但小于经指定用于建造的粒度上限的大小的宏建造粒子过滤和/或添加到粉末材料以实现所要粒度分布。