增材制造设备和与此类设备一起使用的流动装置的制作方法

本发明涉及增材制造设备和与此类设备一起使用的流动装置。本发明尤其但不排他地应用于选择性激光熔化(SLM)和选择性激光烧结(SLS)的设备。

背景技术：

用于生产部件的增材制造或快速原型化方法包括使用经聚焦激光束或电子束对材料(如粉末材料)的逐层固化。在SLM或SLS中，粉末层沉积在构建腔室中，经聚焦激光束在粉末层的的部分(该部分与正在构造的部件的横截面相对应)上扫描，使得在激光扫描的点处的粉末通过烧结或熔合而固化。在固化一层之后，将构建表面降低新近经固化的层的厚度，并且将另一层粉末散布在表面上并如所需要地进行固化。典型地，激光或电子束将通过腔室中的窗口进入到腔室中。

在材料(尤其金属)的SLM/SLS过程中，可能在构建腔室中产生大量的冷凝物。这种冷凝物应从构建腔室中去除以防止不希望的效果，如冷凝物沉降在正在构建的部件上并结合到其中和/或冷凝物阻挡激光或电子束进入腔室的窗口。已知通过引导气流穿过构建腔室来将冷凝物从腔室除去(冷凝物夹带在该气流中)，其中冷凝物随着气流离开腔室。

B.弗尔(B.Ferrar)、l.马伦(l.Mullen)，E.琼斯(E.Jones)、R.斯坦普(R.Stamp)、C.J.苏特克里夫(C.J.Sutcliffe)，气流对选择性激光熔化(SLM)制造性能的影响(“Gas flow effects on selective laser melting(SLM)manufacturing performance，材料加工技术杂志(Journal of Materials Processing Technology)，第212卷，第355至364页，研究了气流对使用SLM制造的试验件的影响。已表明低气流的区域与高孔隙度和低压缩强度的试验件相符，并且气流均匀性是能够生产在强度和密度上一致的构造的重要加工变量。在该文中披露的气流导轨导致了孔隙度和强度上的位置变化，据信这是由于气流沿一段气体导轨行进时的摩擦损失导致的。

发明概述

根据本发明的第一方面，提供了一种增材制造设备，该设备包括在其中构建物体的构建腔室和流动装置，该流动装置包括具有康达表面的主体以及可连接到经加压气体源的通路，该通路具有位于康达表面附近的开口以在使用中在康达表面上引导气体射流，其中在康达表面附近的空间与构建腔室处于流体连通，使得被抽入空间和/或从该空间被推出的气体引起穿过构建腔室的气流。

在使用中，借助于康达效应，将引导到康达表面上的气体射流(或所谓的“康达射流”)拉向表面并沿表面行进，这进而产生了将额外的气体抽入表面附近的空间中的抽吸。典型地，康达表面从射流的方向转开。相对于通过将气体吹过腔室所产生的气流，使用这样的装置以产生穿过腔室的气流可以改进从构建腔室夹带和运输冷凝物。这样的装置可以产生更均匀的气流，从而减少跨越构建腔室的构建物的特性变化。

该主体可以界定围住康达表面的孔口，该孔口的至少一侧通到构建腔室中。在一个实施例中，康达表面形成主体的内表面的界定该孔口的相当大部分(如果不是整体的话)。这样的孔口可以帮助增大由沿着康达表面的射流移动所产生的抽吸，并且可以产生穿过腔室的具有实质性层流的管状气体(有时描述为塞状流)。相对于通过将气体吹过构建腔室所产生的更湍急的流动，这样的管状气体可以更好地夹带和运走冷凝物。

康达表面可以包括相对于气流的上游边缘和下游边缘，该开口朝向上游边缘定位。该开口可以包括一个或多个狭缝，并且该狭缝或该多个狭缝可以绕孔口的大部分延伸，例如孔口的圆周的至少一半。

该通路或另外的通路的另外的开口可以布置为在主体的另外的康达表面上以及(在主体界定孔口的情况下)在面向外的康达表面(其并不界定孔口的表面)引导气体射流。该另外的康达表面可以从由该另外的开口产生的射流的方向转开。在一个实施例中，主体具有朝向窄(下游)端逐渐变细的横截面，如泪滴形状，该康达表面定位在窄端的一侧并且该另外的康达表面定位在该窄端的另一侧。以此方式，借助于康达效应，气体被抽入到主体的任何一侧的空间中，该流关于主体的窄端合流。

通路可以是该主体中的内部通路。主体可以从内部通路界定该开口和/或另外的开口，优选将其定位得比窄端更靠近主体的更宽(上游)端。

该开口/另外的开口相对于由主体界定的更宽孔口是较窄的。以此方式，该开口/另外的开口产生了经加压空气射流，而孔口的大小足以从周围中抽入空气。

孔口可以是向构建腔室的入口或出口。

替代性地，主体可以被容纳在构建腔室内，使得孔口的两侧都通到构建腔室中。以此方式，气体从构建腔室被抽入到孔口中并且还从孔口的另一侧被推入到构建腔室中，以产生穿过构建腔室的气流循环。主体在构建腔室中的适当定位将保证气流通过构建平台上方以促使从这个体积中除去冷凝物。

该设备可以包括至少两个如上所述的用于在构建腔室内产生气流的流动装置。这些流动装置可以定位在构建平台上方的体积的任一侧，其中一个流动装置被布置为将气体推入到该体积中，而另一个流动装置被布置为从该体积中抽出气体。这样的布置可以在构建平台上方产生管状层流，相对于通过将气体吹过腔室所产生的更湍急的气流，这可以改进从构建腔室夹带和运输冷凝物。

该设备可以包括用于产生激光束的激光器和用于操控激光束穿过构建腔室中的窗口以固化构建腔室中的材料的光学模块，其中流动装置的康达表面定位在窗口附近以引起构建腔室内跨越窗口的气流。

以此方式，流动装置可以防止/减少窗口表面的污染，例如由于通过增材制造过程所产生的冷凝物。沉降在窗口上的冷凝物可能影响穿过其中的激光束，例如通过使激光束弥散和/或致使激光束从所希望的路径改向。

康达表面可以成形为符合窗口的形状。例如，窗口可以具有弯曲的横截面形状，如圆形，并且康达表面可以按相对应的方式弯曲以遵循窗口的经弯曲的横截面形状。康达表面可以围窗口的圆周的至少25％且优选至少40％来延伸。

康达表面可以定位为使得在窗口下方的体积中的气体被抽入到康达表面附近的空间中以引起跨越窗口的气流。

该设备可以包括跨材料床可移动的刮刷器，其用于跨越材料床散布可流动材料，康达表面被布置为随刮刷器移动。该设备可以包括入口喷嘴和出口喷嘴，其用于产生跨越材料床的气流。该设备可以被布置为在用刮刷器散布材料的同时凝固材料床的材料。康达表面可以被布置为使跨越刮刷器的气流成形，例如以减少湍流。康达表面可以在与气流基本平行的方向上对齐以抽出和/或推动气体。刮刷器可以被布置为通过在与气流方向垂直的方向上或在与气流方向平行的方向上的移动来散布粉末。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于增材制造机器的流动装置，该流动装置包括朝向窄端逐渐变细的主体，该主体具有可连接到经加压气体源的内部通路，该内部通路具有多个开口，一个开口被布置为在窄端的一侧上于主体的康达表面上引导气体射流，另一个开口被布置为在窄端的另一侧上于主体的另外的康达表面上引导气体射流。

该流动装置的主体由使其适合于用在增材制造机器的构建腔室的高温环境下的材料制成。

根据本发明的另一个方面，提供了一种使用增材制造来构建物体的方法，该方法包括使用流动装置跨越增材制造机器的构建腔室中的构建平台来产生气流，该流动装置包括具有康达表面的主体以及可连接到经加压气体源的通路，该通路具有位于该康达表面附近的开口以在使用中在该康达表面上引导气体射流，其中在该康达表面附近的空间与该构建腔室处于流体连通，以使得被抽入到该空间和/或从该空间被推出的气体引起穿过该构建腔室的气流。

此制造方法可以获得具有改进的特性(如更低孔隙度和/或更高压缩强度)的物品。

根据本发明的另外的方面，提供了一种用于通过逐层固化可流动材料来制造三维物体的增材制造设备，该设备包括用于支撑可流动材料床的可降低的构建平台、用于在床的工作表面处选择性地固化可流动材料以形成物体的能量束、用于跨越床来散布可流动材料的刮刷器、以及用于影响横穿刮刷器的气流的有源流动装置，该刮刷器在用能量束固化可流动材料的期间可移动，该有源流动装置可随刮刷器移动。

有源流动装置可以被布置为减少气流中的湍流。

该设备可以包括在构建腔室中的气体入口和气体出口，其用于产生跨工作表面的气流，其中在可流动材料固化期间，随着刮刷器移动以散布粉末，该气流横穿刮刷器，有源流动装置影响在刮刷器周围的气流。

该有源气流装置可以在其中包括至少一个用于从构建腔室抽吸气体的开口。

该有源气流装置可以在其中包括至少一个用于将气体推入构建腔室的开口。开口可以沿有源流动装置的表面产生气体射流。该表面可以是康达表面。该表面可以是平行于射流的方向延伸的表面。沿流动装置/刮刷器的表面产生高速气流可以减小从随着刮刷器移动跨越工作表面而与刮刷器相交的气流所产生的湍流。

附图简述

图1是根据本发明的流动装置的透视图；

图2是图1所示的流动装置的透视图，其中一个区段被切掉；

图3是根据本发明的实施例的增材制造设备从一侧的示意图；

图4是在图3中示出的增材制造设备从另一侧的示意图；

图5是根据本发明的另一个实施例的流动装置的透视图，用于产生在构建腔室中跨窗口的气流；

图6是根据本发明的另一个实施例的气流装置的透视图，该装置安装为可随刮刷器移动；

图7是根据本发明的又另一个实施例的气流装置的透视图，该装置安装为可随刮刷器移动；以及

图8是图7中所示的气流装置的横截面图。

具体实施方式

参考图1和图2，用于增材制造设备中的流动装置1包括主体2，该主体界定孔口/嘴部13和用于支撑主体2的支腿3、4。由主体2界定的孔口/嘴部13具有基本上椭圆的形式，其长度显著大于其宽度。

主体2包括可连接到经加压气体源(未示出)的集气室9，例如经由通过支腿3或4的通路，集气室9经由T形的内部通路10连接到主体2中的开口5、6。限制经加压气体从集气室9进入通路10/开口5、6在开口5、6处产生了气体射流。

主体2具有从宽的上游端7到窄的下游端(在此实施例中，点8)逐渐变细的泪滴形横截面。开口5、6定位在主体2的上游端7附近以分别在主体1的面向内的表面11和面向外的表面12上引导气体射流。在此实施例中，开口5、6是延伸由主体2界定的环路的整个长度的基本上连续的狭缝，其具有用于将主体2的上游端7保持就位的适当的接片(web)(未示出)。

每个表面11、12从射流的方向转开。表面11、12的曲率和射流相对于表面11、12的方向被布置为使得在使用中，借助于康达效应(如虚线箭头所示)每个射流被拉向对应的表面11、12，这进而将额外的周围气体抽入到表面8、9附近的空间中。

参见图3和图4，一对这样的歧管1a、1b定位在增材制造设备的构建腔室101内以在构建腔室101中产生气流。增材制造设备包括构建平台102，其用于支撑由选择性激光熔化粉末104构建的物体103。当形成物体103的后续层时，平台102可以在腔室101中降低。当通过分配设备108和刮刷器109构建物体103时，形成粉末104的多个层。例如，分配设备109可以是如在WO 2010/007396中描述的设备。激光器模块105产生用于熔化粉末104的激光，该激光由光学模块106按需要引导。激光经由窗口107进入构建腔室。

歧管1a、1b定位在构建平台102上方的体积的任一侧，每个歧管1a、1b的孔口的两侧均通到构建腔室101中。歧管1a、1b定位为具有与构建平台102平行定位的孔口的横向直径。以此方式，歧管1a从构建腔室101抽取气体(典型地是惰性气体)并且将气体推入构建平台102上方的体积中，并且歧管1b从构建平台102上方的体积中抽取气体(如通过箭头和点划线所示)以在构建平台102上方产生基本上平面的(或叶片式的)层流。层流可以减少正在构建的物体的特性变化，如孔隙度和压缩强度。如更粗的点划线所表示的，来自歧管1a的点8的流动可以比来自中央开口的流动更快。快速流动的气体的这种套可以增强从构建平台102上方的体积夹带和运输冷凝物。

出口110布置为用于捕捉由歧管1b排出的气体和冷凝物。在出口110和歧管1b之间的任何间隙是适当地小的，以减少冷凝物将逸出出口的可能性。在一个实施例(未示出)中，出口110和歧管1b是物理结合的。例如，替代如图3所示的出口110包括延伸到构建腔室101中的带裙边的主体，歧管1b可以形成为构建腔室101的壁的具有逐渐变细表面11的一部分，其用于产生康达效应以将气体抽吸到出口中。

气体通过气体再循环回路111从出口110再循环到入口112和歧管1a和1b中的开口5和6。泵113在入口112和开口5、6处维持所希望的气体压力。气体通过歧管1a、1b的支腿3a、3b和4a、4b被递送到开口5和6。在再循环回路111中提供过滤器114以从气体中过滤已经成为被夹带在气流中的冷凝物。将理解的是，可以在构建腔室101中提供多于一个入口112。另外，再循环回路111可以不是在构建腔室101之外延伸而是可以被包含在构建腔室101内。

因为改进了在从正在构建的物体周围的体积中除去冷凝物，尤其可以减少沉降在物体上并结合到物体中的冷凝物的量，因此使用增材制造设备构建的物体可以包括更少的缺陷。

因为改进的气流，该物体可以具有更低的孔隙度和/或更高的压缩强度。物体的孔隙度和/或压缩强度可以具有更少的改变。

气流还可以减少/消除冷凝物在窗口107上的沉降。冷凝物在窗口107上的沉降可能影响激光的方向和聚焦，这可能影响构建的准确性。

图5示出了用于产生跨越窗口107的气流的专用气流装置201。这样的气流装置201可以与气流装置1a和1b相结合地或独立地提供。气流装置201包括中空主体202，该中空主体提供用于圆形窗口107的环形底座203。流动装置配合在构建腔室101的壁中的孔口内，以提供通过窗口107到构建腔室的光学进入。

中空主体202包括弧形入口部分212和弧形出口部分210，该弧形入口部分提供用于推动气体进入窗口107正下方的体积中的入口212a，该弧形出口部分提供用于从窗口107正下方的体积中抽取气体的出口210a。入口部分和出口部分212、210一起环绕窗口107正下方的空间。

中空主体202的出口部分210界定两个集气腔室209a和209b，并且入口部分212界定单一的集气腔室215。腔室209a、209b和215可连接到经加压气体源(未示出)。腔室209a、209b和215可以连接到一起并因此被相同的气体源加压。来自腔室215的气体可以跨越窗口107的下表面流出入口212a(如箭头所示)。入口212a的弧形足以提供跨越整个窗口107的宽度的气流。

出口部分210包括开口205和206，这些开口被布置为使得限制从腔室209a和209b进入开口205、206的经加压气体分别产生了在外表面2011、2012上的气体射流。开口205、206是在出口部分210周围延伸的弧形狭缝。至少表面2011提供康达表面，该康达表面从由出口205提供的射流的方向弯曲离开。相对于由开口205形成的射流的方向，表面2011的曲率被布置为使得借助于康达效应来使射流被拉向表面2011(如虚线箭头所示)，从而产生低压，该低压将气体从窗口107下方的空间抽入到出口210a中。以此方式，从入口212a被推动的气体和被抽入到出口210a的气体形成了跨越窗口107的下表面的气流。这样的气流可以帮助防止在增材制造工艺期间产生的冷凝物沉降在窗口107上。

图6示出本发明的另一个实施例。与图3和图4中所示实施例的特征相对应的这个实施例的特征标有相同的参考号，但是为300系列。

在构建腔室中的入口和出口(未示出)连接到气体再循环回路以产生跨粉末床304的工作表面304a的气流。

这个实施例的气流装置301类似于在图1和图2中所示的，但安装在刮刷器309上。在这个实施例中，刮刷器309包括用于接触粉末的圆柱形元件309a和用于保护刮刷器309前方的粉末堆304b免受气流影响的罩板309b。气流装置301从刮刷器309的一侧抽入气体并且将气体推出到刮刷器309的另一侧。因此，气流装置301影响横穿刮刷器(从刮刷器309的一侧到刮刷器309的另一侧)的气流，以使得即便刮刷器309存在于气流中也保持层状气流。以此方式，在用激光束318a、318b固化粉末期间所产生的碎屑如所希望地被携载到气体出口。

单一激光束318a、318b或多个激光束318a、318b可以在用刮刷器309散布粉末层期间跨越刮刷器309两侧的粉末床304来被扫描。替代性地，每个激光束318a、318b可以在刮刷器309的专用的一侧上被扫描。

图7和图8示出本发明的另一个实施例。与图3、图4和图6中所示实施例的特征相对应的这个实施例的特征标有相同的参考号，但是为400系列。这个实施例与图6中所示的实施例的不同之处在于，跨越工作表面404a的气流被产生为垂直于刮刷器移动以散布粉末层的方向W。

在这个实施例中，刮刷器309包括U形的壳体，该壳体包括一对刮刷器叶片409a、409c。刮刷器叶片409a用于在刮刷器409在方向W之一上移动期间来散布粉末，而刮刷器叶片409c用于在刮刷器409在相反方向W上移动期间来散布粉末。可以理解到的是，刮刷器壳体可以具有不同的形状，并且刮刷器409可以仅包括单一的刮刷器叶片409a、409c。

刮刷器壳体界定集气腔室499，该集气腔室经由柔性管道493连接到经加压气体源。在沿壳体长度的多个位置处间隔开的一系列的开口406a、406b(在这个实施例中为槽)，在与构建腔室中入口412与出口(未示出)之间所产生的气流相平行的方向上来引导平行于壳体表面的经加压气体射流。沿刮刷器409的外表面所引导的高速气体射流影响横穿刮刷器409的气流，以使得在刮刷器409的周围保持基本上层状的气流。相应地，由于刮刷器存在于入口与出口之间的气流中而导致的中断/湍流得以减少。以此方式，在用刮刷器409散布粉末期间用激光束418a、418b固化粉末过程中所产生的碎屑如所希望的通过气流携载。

应当理解，在不偏离如在本文所述的发明范围的情况下，可以对上文所述的实施例进行修改和改变。例如，可以修改图7和图8中所示的实施例以在具有康达表面的刮刷器409上提供气流装置，该康达表面被布置用于在与方向W(刮刷器移动以散布粉末的方向)垂直的方向上产生层状气流。可以在刮刷器的两侧安装两个康达流动装置以沿刮刷器的纵向范围产生层状气流，每个康达流动装置类似于图1和图2中所示的流动装置。