粉末床熔融设备和方法与流程

本发明涉及一种将粉末床的选定区域以逐层方式固化以形成工件的粉末床熔融设备和方法。本发明具体地但非排他性地应用于选择性激光熔化(slm)与选择性激光烧结(sls)设备。

背景技术：

粉末床熔融设备通过使用比如激光或电子束等高能束以将材料(比如，金属粉末材料)逐层固化来产生物体。通过以下方式在包含于构建套筒中的粉末床上形成粉末层：降低构建平台以降低粉末床、在降低的粉末床附近沉积一堆粉末并且用刮拭器跨(从一侧到另一侧)粉末床散布这堆粉末以形成该层。然后通过用束照射这些区域来固化与待形成工件的截面相对应的粉末层部分。该束将粉末熔化或烧结以形成固化层。在层的选择性固化之后，将粉末床降低该新固化层的厚度，并且根据需要在表面上散布另一层粉末并使其固化。

us6042774中公开了这样的装置的示例。us6042774中公开的构建平台包括由铜管的曲折环形成的冷却导管。在整个构建过程中都会对构建平台进行冷却。构建平台的边缘与容器的内壁之间的间隙由围绕构建平台的外边缘的柔性密封唇缘进行密封。

us2004/0056022a1公开了一种加热板，其放置在构建平台中或集成在构建平台的表面中。按一种方式设计加热板并通过隔热层将其与平台隔热，使得在加热期间温度达到至少500℃。加热板与侧壁相隔某个距离。由于散布的粉末的热导率非常低，因而热部件与构建室侧壁之间的隔热由周围的粉末承担。使用该装置，在构建过程中金属部件维持在高于500℃的温度下，从而降低了部件中的张力或开裂的危险。

us2004/0056022a1的加热系统的问题在于，用于密封构建平台与侧壁之间的间隙的密封件可能在高构建温度下变形且失效。此外，在构建结束时，用户必须等待粉末床和部件冷却，然后才能从粉末床熔融机器上拆下部件并移除部件。当进行高温构建时，冷却过程可能花费数小时。

us2007/0023977a1公开了一种包括加热板的装置，该加热板可以加热到300℃至500℃之间的工作温度。该构建平台具有冷却通路，冷却通路在整个构建平台上横向地延伸。在构建室的外周壁中设置有至少一个入口开口。将环境空气通过入口开口供给到构建室。构建室还具有至少一个连接到排放管线的出口开口。

在完成构建之后，将载体降低到冷却位置，在该位置中构建平台的冷却通路与构建室的外周壁中的入口开口和出口开口对准。体积流量流经冷却通路，从而至少对构建平台进行冷却。冷却可能受到脉冲抽吸流的影响。

另外，us2007/0023977a1公开了还可以将冷却通路或冷却软管设置成与构建室的外周壁相邻或设置在构建室的外周壁中，这些冷却通路或冷却软管有助于冷却构建室、模制体和载体。

这种装置的问题在于，通过通路或软管用空气对构建室、模制体和载体进行冷却会花费很长时间。此外，用于密封构建平台与构建室的外周壁之间的间隙的密封件可能在较高的构建温度(比如高于500℃的温度)下变形并失效。

当进行较高温度的构建时，残留在构建表面周围的惰性气体中的任何氧气将部件氧化的可能性增大。因此，期望在氧气非常低的气氛下进行这种构建。然而，在高温下密封件的变形和/或失效会导致空气进入构建表面周围的体积中，从而增加在惰性气氛中的氧气含量，并且因此增加对部件和/或粉末的材料氧化。

wo2010/007394a1公开了一种设备，其中可以维持构建平台上方和下方(即，在构建平台和构建缸筒之间所形成的密封件的两侧)的惰性气氛。通过控制在构建平台上方和下方的气氛以具有相同的压力，可以减轻粉末被轻易地压入密封件与构建筒的孔之间的问题。可以在构建平台的上方和下方都形成真空或减压气氛。在使用中，将构建平台上方和下方的气氛脱气到大致真空，并且一旦已经将气氛脱气，则使用氩气回充腔室。与在没有首先形成真空或减压气氛的情况下通过用惰性气体冲洗腔室来形成惰性气氛的方法相比，这种形成惰性气氛的方法在构建开始时可以实现较低的氧气含量。

技术实现要素：

根据本发明的第一方面，提供了一种粉末床熔融设备，在该设备中以逐层方式构建物体，该设备包括构建套筒、用于支撑粉末床的构建平台以及至少一个集成在构建套筒中的通道，该构建平台可在构建套筒中降低，该通道用于输送传热液体以对构建套筒的围绕粉末床的部分进行冷却或加热。

与通过使用气体作为传热流体相比，通过使用传热液体可以更快地冷却或加热粉末床和物体。此外，与试图通过构建平台来冷却或加热粉末床和部件相比，通过在构建套筒中设置通道可以在构建套筒的周围壁的相对较大的表面积上实现与粉末床之间的快速热传递。

该设备可以包括用于使传热液体再循环的回路，该回路包括至少一个通道和用于在传热液体流经该至少一个通道之前冷却和/或加热传热液体的热交换器或冷却器。

该设备可以包括用于控制该回路的操作的控制器。

该控制器可以布置成控制该回路的操作以在完成构建之后冷却或加热该构建套筒的部分，以控制物体和粉末床的冷却速率。该控制器可以布置成控制该回路的操作在完成构建之后主动冷却粉末床和物体。这可以减少从完成构建到可以从粉末床中拆下物体并将其从设备中移除之时的时间。

该控制器可以布置为控制该回路以使得在物体构建期间冷却或加热该构建套筒的部分。在构建期间对构建套筒进行冷却可以减少由于激光和/或预加热机构(比如加热板)对粉末床的加热而导致的构建套筒变形，以及随后的穿过构建套筒与构建平台之间的间隙的粉末泄露和/或气氛泄漏。

该控制器可以布置成控制该回路的操作以在构建期间冷却该构建套筒的部分。

该设备可以包括用于密封该构建平台与构建套筒之间的间隙的密封件。

该密封件可以包括气体/气密密封件，其防止构建平台下方的气氛(气体)穿过构建平台与构建套筒之间的间隙。该气体/气密密封件的工作温度可以低于通过加热机构可以将粉末预加热(对粉末在通过暴露于高能量束而熔化/烧结之前进行加热)到的整体温度。通过在构建期间和(可选地)之后对构建套筒进行冷却，可以防止这种气体/气密密封件的变形。

可选地，该密封件可以是非气体/非气密性密封件，其对间隙进行密封以防止粉末穿过间隙到达构建平台下方，并且该设备包括用于维持构建平台上方和下方的惰性气氛的构建室。该构建室可以如wo2010/007394a1中所描述的，该申请通过引用并入本文。因此，该构建室能够保持真空。该设备可以包括用于在构建室内在构建平台上方和下方形成真空的装置，比如真空泵。应当理解，“保持真空”是指可以在整个构建室中形成负压，比如-500毫巴或更低、或甚至更优选地-900毫巴或更低(相对于大气压)，(而不是简单地在构建室中的一个位置处产生减压而被在另一位置处的正压所平衡的吸力)。

该密封件在惰性气体中的工作温度可能高于500℃。该工作温度可以高于1000℃、且更优选地高于2000℃、且甚至更优选地高于3000℃。该密封件可以是碳基密封件，比如碳毡，例如石墨毡并且特别是pan基石墨毡。替代性地，该碳基密封件是钢密封件或超级合金。这样，该密封件不会因高温构建而扭曲，并且任何通过密封件泄漏的气体都是在构建平台上方和下方所维持的气氛中的惰性气体。

为了达到这样高的工作温度，粉末床熔融设备可以包括集成在构建平台中或位于构建平台上的加热板。该加热板可以布置成将构建平台加热到高于500℃。

根据本发明的第二方面，提供了一种粉末床熔融设备，在该设备中以逐层方式构建物体，该设备包括构建套筒、用于支撑粉末床的构建平台、加热元件、用于密封构建平台与构建套筒之间的间隙以防止粉末穿过该间隙的密封件、以及用于维持构建平台上方和下方的惰性气氛的构建室，该构建平台可在构建套筒中降低，该加热元件集成在构建平台或构建套筒中或位于构建平台或构建套筒上。

这样，该密封件不必是气体/气密性密封件，也不必是粉末密封件，因为从平台的下方到上方的气体都是惰性气体。通常，工作温度高于500℃的密封件不提供气体/气密密封。该密封件的工作温度可以高于1000℃、且更优选地高于2000℃、且甚至更优选地高于3000℃。该密封件可以是碳基密封件，比如碳毡(例如石墨毡、特别是pan基石墨毡)或钢。这样，该密封件不会因高温构建而扭曲，并且任何通过密封件泄漏的气体都是在构建平台上方和下方所维持的气氛中的惰性气体。

该构建室可以如wo2010/007394a1中所描述的，该申请通过引用并入本文。

该粉末床熔融设备可以包括冷却装置，该冷却装置用于产生经冷却的惰性气体并将其引入构建室中以冷却构建套筒。也可以引入经冷却的惰性气体来对构建平台的下表面进行冷却。用于降低构建平台的升降机构可以位于构建室的下部区域中，并且引入经冷却的惰性气体来对升降机构进行冷却。该构建室可以包括上部室和下部室，该上部室用于维持构建平台上方的惰性气氛，该下部室用于维持构建平台下方的惰性气氛，该构建套筒延伸到下部室中并且该冷却装置布置成将经冷却的气体引入下部室中。该升降机构可以位于下部室内。

该冷却装置可以是用于使气体再循环穿过构建室的气体回路的一部分。

该设备可以包括用于驱动构建平台运动的驱动器和用于将经冷却的惰性气体引导到驱动器上的气体喷嘴，该驱动器位于构建室内并且优选地在下部室内。

根据本发明的第三方面，提供了一种粉末床熔融设备，在该设备中以逐层方式构建物体，该设备包括构建套筒、用于支撑粉末床的构建平台、以及用于主动冷却构建套筒的冷却机构，该构建平台可在该构建套筒中降低，该冷却机构布置成在物体构建期间被激活。

在构建期间对构建套筒进行冷却可以减少或消除导致构建套筒不必要地扭曲的加热。

根据本发明的第四方面，提供了一种使用根据本发明的第一方面的粉末床熔融设备以逐层方式制造物体的方法，该方法包括使传热液体再循环经过至少一个通道以对构建套筒进行冷却或加热。该方法可以包括在物体构建过程中使传热液体再循环经过该至少一个通道。该方法可以包括在完成物体构建之后使传热液体再循环经过该至少一个通道。

根据本发明的第五方面，提供了一种制造物体的方法，使用根据本发明的第二方面的粉末床熔融设备以逐层方式构建该物体，该方法包括产生经冷却的惰性气体并将其引入构建室中以冷却构建套筒。该方法可以包括在物体构建期间产生经冷却的惰性气体并将其引入构建室中。该方法可以包括在完成物体构建之后产生经冷却的惰性气体并将其引入构建室中。

根据本发明的第六方面，提供了一种使用粉末床熔融设备以逐层方式制造物体的方法，该粉末床熔融设备包括构建套筒、用于支撑粉末床的构建平台，该构建平台可在该构建套筒中降低，该方法包括在物体构建期间用冷却流体对构建套筒进行冷却。

根据本发明的第七方面，提供了一种粉末床熔融设备，在该设备中以逐层方式构建物体，该设备包括构建套筒和用于支撑粉末床的构建平台，该构建平台可在该构建套筒中降低，其中该构建套筒包括由难熔金属或其合金和多晶陶瓷中的一种或多种制成的壁。

该难熔金属是铌、钼、钽、钨和铼。它们的合金可以具有高于800℃、1000℃以及最优选地1200℃的最高工作温度(使用astme21-17中规定的标准测试方法确定)。该合金可以是包含难熔金属的奥氏体合金。这类合金的示例包括400c、316和317的钢等级。

这样，该构建套筒的壁能够承受为了处理某些材料(比如难熔金属比如钨，碳化硅，超级合金和陶瓷-这些材料具有极高的熔化温度)所需的极高温度而不会明显扭曲或开裂。这些材料可以从将粉末床预加热至高温(例如高于800℃、高于1000℃或高于1200℃)中受益，因此构建套筒壁必须能够在这样的高温下工作。可能期望将粉末预加热至这样的高温，以便以无裂纹的方式处理这些材料。可以使用包含于构建平台和/或构建套筒中的加热元件(例如电阻加热器、微波发射器、红外加热器和/或高能束、比如激光束)将粉末床预加热至这样的高温。

构建套筒可以布置成使得这些壁的与粉末床接触的面向内的表面由难熔金属或其合金和多晶陶瓷中的一种或多种制成。构建套筒壁的面向外的表面可以被其他材料、比如绝缘材料包围。

根据本发明的第八方面，提供了一种粉末床熔融设备，在该设备中以逐层方式构建物体，该设备包括构建套筒、用于支撑粉末床的构建平台、以及加热元件，该构建平台可在该构建套筒中降低，其中该构件套筒的壁是陶瓷、比如多晶陶瓷，并且该加热元件是嵌入在壁内的电阻加热器。从构建套筒的陶瓷壁的内部而不是外部加热粉末可以减少对粉末床熔融设备的其他部件的不必要的加热。粉末床熔融设备的其他部件可能无法在使用加热元件将粉末床加热到的温度下工作。

加热元件可以包括被布置为当构建平台在构建套筒中被降低时被相继地激活的多个加热元件。这样，仅在构建套筒所围绕的体积中包含粉末时才对该体积提供加热。

这些陶瓷壁可以包括内部冷却通道，用于冷却剂通过或用于维持部分真空或接近真空。在构建之后可以对构建套筒进行冷却以将粉末床和/或物体冷却至足够低的温度以允许粉末的回收和/或物体的移除。

陶瓷可以是氧化锆、氧化铝或氮化硅。

根据本发明的第九方面，提供了一种粉末床熔融设备，在该设备中以逐层方式构建物体，该设备包括构建套筒、用于支撑粉末床的构建平台、以及用于加热包含于构建套筒中的粉末的微波/无线电波发射器，该构建平台可在该构建套筒中降低，其中该微波/无线电波发射器被定位成将微波/无线电波穿过构建套筒发射到粉末床。

由于可以将能量引向所需的位置(粉末床)并遍及整个粉末床的深度，因此使用微波穿过构建套筒来加热粉末可能是有利的。通过适当的材料选择并对微波进行屏蔽，可以避免微波对其他部件进行不必要地加热。

该构建套筒由这种材料制成：对微波/无线电波透明并且可以承受高于500℃、更优选地高于800℃、甚至更优选地高于1000℃、且最优选地高于1200℃或更高的温度。该材料可以是非金属、优选地是陶瓷。陶瓷可以是多晶陶瓷，比如氧化锆、氧化铝或氮化硅。

微波/无线电波发射器可以包括被布置为当构建平台在构建套筒中被降低时被相继地激活的多个微波/无线电波发射器。这样，仅在构建套筒所围绕的体积中包含粉末时才对该体积提供加热。

根据本发明的第十方面，提供了一种粉末床熔融设备，在该设备中以逐层方式构建物体，该设备包括用于维持惰性气体气氛的构建室、位于该构建室中的构建套筒和用于支撑粉末床的构建平台、以及在构建室中的用于阻挡从粉末床传热的热屏障，该构建平台可在构建套筒中降低，该热屏障包括真空室，该真空室被布置为当将构建室填充有惰性气体时维持至少部分真空或接近真空。

真空室中的部分真空或接近真空通过传导或对流减少了跨屏障的热传递。该真空室可以包括反射涂层，以反射来自粉末床的热辐射。

该构建套筒可以包括真空室或被真空室包围。真空室的作用是将热量留在粉末床/构建套筒内。

可选地，真空室可以提供热屏障，用于阻挡从粉末床散发的热量对位于构建室内或位于构建室上的部件进行加热，比如以下中的一个或多个：用于驱动跨粉末床散布粉末的刮拭器的机构、构建室中的用于允许激光束进入构建室的光学窗口、以及用于驱动构建平台运动的驱动器。

粉末床熔融设备可以包括用于在构建室中形成部分真空或接近真空的装置(比如真空泵和脱气阀)、以及用于向构建室供应惰性气体的入口，并且真空室可以包括用于将真空室连接至构建室中的气氛并将真空室与构建室中的气氛隔离的阀。粉末床熔融设备可以包括控制器，该控制器被布置成控制该阀以使得在形成部分真空或接近真空期间将真空室连接到构建室中的气氛，并在使用惰性气体回充构建室期间将真空室与构建室隔离。这样，可以在惰性气体气氛中进行粉末的熔融，同时维持真空室内的真空，以通过传导或对流来减少从包含于构建套筒中的粉末床的传热。

该控制器可以进一步被布置为控制该阀以使得在完成物体的构建时，真空室与构建室中的惰性气体气氛连接以用惰性气体填充真空室。粉末床熔融设备可以包括用于对通过入口供应到构建室的惰性气体进行冷却的冷却器。真空室可以包括入口和出口，入口和出口由相应的阀控制，以在完成物体的构建时使流通或惰性气体、特别是经冷却的惰性气体穿过真空室。这样，在构建结束时去除真空间隙，以促进粉末床和/或物体的冷却。

根据本发明的第十一方面，提供了一种粉末床熔融设备，在该设备中以逐层方式构建物体，该设备包括构建套筒、用于支撑粉末床的构建平台、以及用于驱动构建平台运动的线性致动器，该构建平台可在该构建套筒中降低，其中该构建平台通过隔热套筒连接到线性致动器的轴，该隔热套筒至少包围轴的上部以针对从构建平台和构建套筒到轴的传热提供热屏障。

对粉末床进行加热会导致对构建平台和构建套筒的加热。该隔热套筒减少了对线性致动器的轴的加热，从而减少了由于轴的热膨胀而导致的构建平台的定位不准确。

该隔热套筒可以包括用于主动冷却隔热套筒的装置。例如，该装置可以包括在隔热套筒内的内部冷却通道，该内部冷却通道用于接收冷却剂、特别是比如水或油等液体冷却剂。可选地，这些内部通道可以布置成用于维持部分真空或接近真空。

构建平台可以安装在该隔热套筒上。冷却通道可以穿过隔热套筒的一部分从而将构建平台与线性致动器的轴分隔开。这样，冷却通道起到热中断的作用，以减少或防止从构建平台穿过隔热套筒到轴的传热。隔热套筒可以包括上部安装构件和中间安装构件，构建平台安装在该上部安装构件上，轴连接到该中间安装构件，该中间安装构件与该上部安装构件在空间上分隔开使得在其间存在(气体或真空的)间隙。这样，就没有了使热量从构建平台向轴传导的直接路径。该上部安装构件可以在一个端部处封闭该隔热套筒。中间安装构件可以包括网状结构(在该间隙包含气体的情况下)，或可以形成封闭室的下壁，该封闭室用于维持上部安装构件和中间安装构件之间的真空。

构建平台可以使用绝缘材料和/或点接触被安装在隔热套筒上。绝缘材料和/或点接触可以对于从构建平台的热传导具有热中断作用。

隔热套筒可以被设计尺寸以便与构建套筒在空间上分隔开。构建套筒与隔热套筒之间的间隙可以包括隔热物，比如碳硬质板等。

隔热套筒可以在轴的纵向方向上具有一定范围从而使得当构建平台位于构建套筒的顶部时隔热套筒延伸到构建套筒的底部或底部下方。

隔热套筒可以由具有较低热膨胀系数的材料制成，比如例如低于10x10-6m/mk、优选地低于8x10-6m/mk、且最优选地低于4x10-6m/mk的材料。

构建平台可以带有用于对构建平台与构建套筒之间的间隙进行密封的密封件，以防止粉末穿过间隙。

根据本发明的第十二方面，提供了一种粉末床熔融设备，在该设备中以逐层方式构建物体，该设备包括用于维持惰性气氛的构建室、位于该构建室中的构建套筒、用于支撑粉末床的构建平台、以及热屏障和冷却系统，该构建平台可在构建套筒中降低，该热屏障位于构建室内并位于粉末床上方，用于阻挡从粉末床散发的热量对位于构建室内或位于构建室上的部件进行加热，该冷却系统用于主动冷却该热屏障。

对于被加热到高温(比如高于800℃或1000℃)的粉末床而言，对粉末床熔融设备的部件的不必要的加热可能导致部件的不当工作或可能的故障。设置主动冷却的热屏障可以保护这些部件免受这种不必要的加热。

这些部件可以包括下列项中的一个或多个：用于驱动跨粉末床散布粉末的刮拭器的机构、和构建室中的用于允许激光束进入构建室内的光学窗口和/或顶板。

热屏障包括实心体。

热屏障可以包括内部冷却通道，用于接收被冷却系统冷却的冷却剂。冷却剂可以是液体、比如水或油，或气体、比如空气或惰性气体、比如氩气或氮气。

热屏障可以被引入构建室中的经冷却的惰性气体冷却。构建室可以包括入口，用于在热屏障的远离粉末床的一侧上将冷却的惰性气体供应到构建室中。热屏障中可以包括孔，使得经冷却的惰性气体可以从中流过。

热屏障可以将构建室的包括窗口的区域与构建室的用于容纳粉末床的区域分隔开。

热屏障可以将构建室的容纳用于驱动刮拭器的机构的区域与构建室的用于容纳粉末床的区域分隔开。

根据本发明的第十三方面，提供了一种粉末床熔融设备，在该设备中以逐层方式构建物体，该设备包括用于维持惰性气氛的构建室、位于该构建室中的构建套筒、用于支撑粉末床的构建平台、以及用于跨粉末床散布粉末的刮拭器机构，该构建平台可在该构建套筒中降低，该刮拭器机构包括用于定位陶瓷刮拭器的臂，该臂由具有的热膨胀系数与陶瓷刮拭器的热膨胀系数基本上匹配的金属材料制成。

对于将粉末床加热到高温的应用而言，需要使用陶瓷刮拭器。沿其长度具有均匀横截面形状的陶瓷刮拭器不是太难制造。然而，形状更复杂的臂将难以由相同的陶瓷制造。因此，由金属来制造(例如机加工或增材制造)该臂简化了制造。通过选择一种热膨胀系数与陶瓷刮拭器的热膨胀系数基本匹配的金属，可以避免在构建期间因热膨胀差异引起的应力。

应当理解，如上使用的术语“基本上匹配”是指两种材料的热膨胀系数在彼此的+/-3x10-6m/mk之内。

该臂的金属材料的热膨胀系数可以低于10x10-6m/mk、优选地低于8x10-6m/mk、且最优选地低于4x10-6m/mk。这样，在物体的构建期间对臂的加热会导致对刮拭器刮片位置的最小改变。

陶瓷刮拭器可以由氧化铝制成并且该金属臂由钛制成。

根据本发明的第十四方面，提供了一种用于插入粉末床熔融设备的主构建套筒中的模块，该模块包括：可安装在主构建套筒中的固定位置上的框架，该框架限定了次级构建套筒；用于支撑粉末床的次级构建平台，该次级构建平台可在次级构建套筒中移动；以及用于加热次级构建套筒中的粉末床的加热元件。

该加热元件可以位于次级构建套筒和/或次级构建平台内。

次级构建套筒可以包括由根据本发明第七方面的材料制成的壁。

该加热元件可以包括根据本发明第八方面的微波/无线电波发射器，用于加热包含于次级构建套筒中的粉末，其中微波/无线电波发射器被定位成使微波/无线电波穿过次级构建套筒发射到粉末床。

该模块可以包括根据本发明第九方面的用于阻挡从粉末床传热的热屏障，该热屏障包括真空室，该真空室被布置为当构建室填充有惰性气体时在真空室中维持至少部分真空或接近真空。

该设备可以包括从次级构建平台延伸的连接构件，该连接构件用于使次级构建平台连接至主构建平台而可与其一起移动，该连接构件包括用于减少从次级构建平台到主构建平台的传热的热屏障。该热屏障可以是根据本发明第十方面所描述的热屏障。

该模块可以包括用于阻挡从次级构建套筒中的粉末床传热的热屏障、以及用于主动冷却该热屏障的冷却系统。

该模块可以包括用于感测粉末床熔融过程的属性的传感器。该传感器可以是温度传感器和/或声传感器。

根据本发明的第十五方面，提供了一种将根据本发明的第十四方面的模块改装到粉末床熔融设备的方法，该方法包括将该模块定位在粉末床熔融设备的主构建套筒中，并且将加热元件连接到电源。

通常，常规的粉末床熔融设备不提供到主构建套筒和主构建平台所限定的构建体积的电连接和/或冷却流体连接。因此，为了使用该模块对粉末床熔融设备进行改装，必须提供到电源的电连接，并且如果需要，还必须提供到冷却剂源的连接。该方法可以包括在构建套筒中形成通道，通过该通道提供到电源的电连接，并且如果需要的话，提供到冷却剂源的连接。该通道可以延伸到围绕主构建套筒的顶板中。可选地，该通道可以被形成为使得到电源的电连接和/或到冷却剂源的连接可以在顶板的下方离开主构建套筒。这样，电连接以及(如果提供的话)冷却剂连接不干扰粉末床熔融设备的正常工作(比如在顶板和粉末床上散布粉末)并且可以隔绝可能将粉末加热到的高温。

该方法可以进一步包括将插入件安装到粉末床熔融室的构建室中，以在该插入件与构建室的内壁之间形成气室，并连接冷却器以对供给到气室的惰性气体进行冷却。该插入件可以布置成位于通向构建室的窗口与粉末床之间，并且包括用于允许将激光束引导到粉末床的次级窗口。该插入件中可以包括孔，以允许经冷却的惰性气体从气室进入插入件与粉末床之间的体积中。

根据本发明的第十六方面，提供了一种粉末床熔融设备，在该设备中以逐层方式构建物体，该设备包括用于支撑粉末床的构建平台、用于密封构建平台与构建套筒之间的间隙以防止粉末穿过该间隙的密封件、用于维持构建平台上方和下方的惰性气体气氛的构建室、通过入口和出口连接到构建室的惰性气体回路、以及用于在输送经过惰性气体回路期间冷却惰性气体以使惰性气体回路将经冷却的惰性气体供应到构建室的冷却装置，该构建平台可在构建套筒中降低，其中该入口位于构建室中以将经冷却的惰性气体供应到构建平台下方和/或构建套筒周围的区域。

该构建室可以包括上部构建室和下部室，该上部构建室被布置成围绕粉末床的工作表面，该下部室用于容纳与构建平台的下表面接触的惰性气体气氛，其中惰性气体回路的通向构建室的入口将经冷却的惰性气体供应到下部室。上部构建室可以限制在增材加工期间产生的粉末和气体悬浮颗粒，以防止粉末和气体悬浮颗粒进入下部室。上部构建室中的惰性气体可以接触粉末床的工作表面，并且下部室中的惰性气体可以接触构建平台的下表面。可以提供气态连接以平衡上部室和下部室中的气体压力。

构建套筒可以延伸到该下部室中，并且入口被定位成递送经冷却的惰性气体以对构建套筒的外表面进行冷却。构建套筒的外表面可以包括冷却叶片，以辅助冷却构建套筒。

用于驱动构建平台运动的线性致动器可以位于构建室内、且优选地在下部室内。气体入口可以被定位成用于递送经冷却的惰性气体以对线性致动器进行冷却。

引入经冷却的惰性气体抵消了由于使用一个或多个加热元件对粉末床进行预加热和/或通过使用一个或多个激光束对粉末床的选定区域进行固化而产生的热量所引起的对构建室中的惰性气氛的加热。特别是，在多激光束系统和/或使用一个或多个高功率激光束(比如500w或更高的激光束)的系统中，递送到粉末床的能量可能导致构建室内过热，并导致构建失败。对惰性气体气氛进行冷却防止了这种失败。

根据本发明的第十七方面，提供了一种用于控制粉末床熔融设备的温度的方法，在该设备中以逐层方式构建物体，该设备包括用于支撑粉末床的构建平台、用于密封构建平台与构建套筒之间的间隙以防止粉末穿过间隙的密封件、以及用于维持构建平台上方和下方的惰性气体气氛的构建室，该构建平台可在构建套筒中降低，该方法包括将经冷却的惰性气体供应到构建室，以在一个或多个物体的构建期间对构建平台下方和/或构建套筒周围的惰性气体气氛进行冷却。

该方法可以包括使用惰性气体回路使惰性气体再循环穿过构建室，并在输送经过惰性气体回路期间对惰性气体进行冷却。这样，经加热的惰性气体从构建室中移除并被较冷的惰性气体代替，同时通过对惰性气体的再利用/再循环限制了惰性气体的消耗。

附图说明

图1是根据本发明第一实施例的粉末床熔融设备的局部剖视立体图；

图2是图1所示的粉末床熔融设备的构建套筒的立体图；

图3是图1所示粉末床熔融设备的构建平台的立体图，其虚线展示了加热元件；

图4是构建平台的立体图，展示了密封件的装配；

图5是图3和图4所示的构建平台的剖视图；

图6是根据本发明第二实施例的粉末床熔融设备的气体回路的示意图；

图7是根据本发明第二实施例的粉末床熔融设备的构建套筒的立体图；

图8是根据本发明第三实施例的粉末床熔融设备的构建套筒的立体图，其包括微波加热器；

图9是根据本发明第四实施例的粉末床熔融设备的下部的示意图；

图10是根据本发明第五实施例的粉末床熔融设备的下部的示意图；

图11是可以与参照图1至图10描述的任何下部一起使用的粉末床熔融设备上部的示意图；

图12示出了用于如上所述的高温粉末床熔融设备中的根据本发明的实施例的再涂器(recoater)的侧视图；以及

图13是可移除地放置在粉末床熔融设备的构建体积中的模块，该模块提供了受加热的构建平台和受加热的构建套筒壁。

具体实施方式

参照图1至图4，根据本发明的实施例的粉末床熔融设备223包括构建室202，该构建室与外部环境隔绝。通过顶板215和构建平台230将构建室202划分为上部处理室220和下部室200，构建平台在构建套筒290的孔299内可往复移动。通过升降机构(未示出)来移动构建平台230，升降机构位于下部室200中。构建平台230与构建套筒290的孔299可密封地接合，以防止粉末渗入到下部室200中。这是通过与构建平台230的边缘相关联的密封件209、210、211来实现的(见图4)，这些密封件与构建套筒290的孔299物理地接合。板215、构建套筒290、构建平台230和相关联的密封件209、210、211起作用形成粉末的屏障，使得粉末留在处理室220中并且不会进到下部室200中。

处理室220围绕构建表面235，在构建表面上可以形成三维的物体。处理室220容纳了用于在构建表面235上散布一层粉末的刮拭器239。通过窗口225为高功率激光束提供进入处理室220的光学通道。可以将高功率激光束引导通过窗口225，用于在构建表面235上扫描以固结连续的粉末层。在该实施例中，构建表面235由构建基板236提供，构建基板由构建平台230支撑，并且在使用中将构建平台230降低以在逐层地形成物体时容纳物体。处理室220允许对直接在构建平台230上方的气氛进行控制，并且即使降低构建平台230，构建平台230的上表面也经受处理室220的气氛。构建室202能够保持真空，例如至少到-950毫巴(相对于大气压)。

下部室200允许对在构建平台230下方的气氛进行控制，并且即使降低构建平台230，构建平台230的下表面也经受下部室200的气氛。

上部室220和下部室200通过开口(未示出)彼此联接，该开口允许每个室中的压力相等。优选地，在开口内具有过滤器，以防止粉末和烟尘进入下部室。这种布置提供的优点在于，可以将紧邻构建平台230上方和下方的压力维持在同一水平上。构建平台230的上方和下方的压力可以在构建期间维持在真空压力或在构建期间维持在超大气压力，例如10毫巴(相对于大气压)。这种超大气压力可以通过使用惰性气体(比如氩气或氮气)通过入口245回充构建室202来实现。

构建室202包括气体喷嘴孔240和气体排出孔241，用于产生穿过处理室220跨越构建平台230的气流。该气流起了气刀的作用，将通过用激光来熔化粉末而产生的冷凝物带离构建区域。该设备包括用于产生跨越窗口225的气流的另外的气体喷嘴244(见图6)。这个气流可以防止冷凝物聚集在窗口225上，冷凝物聚集在窗口上反而可能影响通过窗口225递送的激光束的品质。

用于形成惰性气氛和气刀的气体流动回路可以如wo2016/079494中所描述的。如图6所示，可以使用出口143、阀v-18和真空泵e-1在处理室220和下部室200二者中形成真空。

参照图2，构建套筒290具有正方形的横截面，正方形的横截面由固定在一起的四个壁290a、290b、290c、290d形成。冷却通道228、229集成到每个壁290a、290b、290c、290d中。每个壁290a、290b、290c、290d可以使用常规真空钎焊技术或使用常规机加工而形成有通道228、229。在每个通道228、229内装配有用于输送传热流体的管221、222。管221、222可以被压力装配到通道228、229中。管包括一对连接器216、217；226、227，用于将管221、222连接到软管(未示出)，以使传热液体往返于通道228、229和冷却器231传输。将板(图2中未示出)固定在这些壁上以覆盖管221、222和通道228、229。

参照图3至图5，构建平台230包括顶部加热板219，该顶部加热板中具有用于加热元件201的内部通道。加热板219布置成当通过平台230支撑构建基板236时，加热板201接触构建基板236，从而提供有效的传热。用于加热元件201的电连接203穿过构建平台230的底部。加热元件201通过夹持板213保持在适当位置，并且在加热板219和夹持板213下方设置热绝缘材料204(比如硅酸盐和/或纤维水泥材料)，以限制穿过构建平台230的底部的热损失，并且因此限制对下部构建室200中的气氛的加热。加热板219、夹持板213和隔热物204被容纳在合适的壳体205内。

冷却板206被附接到壳体205的底部。冷却板206包括用于输送冷却剂的通道214，该冷却剂用于对构建平台230的底表面进行冷却。该冷却板是通过将两个经机加工的板真空钎焊在一起而形成。这些冷却通道通过管道207、208连接至冷却剂(比如水)。在平台230于构建套筒290中进行往复运动期间，管207、208与平台一起运动。

三个碳毡密封件209、210、211通过紧固环212固定在构建平台230的顶部周围。碳毡密封件209、210、211布置成与构建套筒290的孔299接触，以防止粉末经构建平台230与构建套筒290之间的间隙而泄漏。

设置了温度传感器(在该实施例中为热电偶258)用于测量加热板219的温度。

还设置了温度传感器(未示出)用于监测构建套筒290的温度。

温度传感器258、加热元件201和冷却器231连接到控制器250。该控制器布置成根据构建的阶段和由传感器258测量的温度来控制加热元件201和冷却器231。在使用中，在构建期间，控制器激活加热元件201以将粉末和在粉末床中固结的任何材料加热到高于500℃。同时，激活冷却器231以对构建套筒290和构建平台230的底部进行冷却以防止构建套筒290的扭曲和对下部室200中存在的装置的加热。可以操作冷却器231以将构建套筒290维持在约70℃。通常，这可以通过约25℃的冷却剂温度来实现。这些条件将一直维持到构建完成为止。

在构建结束时，控制器250停用加热元件201以允许已经构建的物体和粉末床冷却。在这段时间中，控制器250可以控制冷却器231主动地冷却粉末床和物体。在这样的冷却操作期间，可以控制冷却器231改变冷却剂的温度以实现所需的冷却曲线和/或冷却时间。

在图6和图7所示的本发明的第二实施例中，通过将经冷却的惰性气体流引入容纳了构建套筒690的下部室200中来实现对构建套筒290和构建平台230的底部的冷却。经冷却的惰性气体接触构建套筒690的外侧壁和构建平台的下表面并围绕其循环，从而对构建套筒690和构建平台进行冷却。图6展示了用于产生这种经冷却气流的气体回路。大部分气体流动回路及其操作如wo2016/079494中所描述的，该申请通过引用并入本文。另外，本发明的该实施例的气体回路包括附加的气体再循环回路260，用于使经冷却的惰性气体再循环穿过下部室200。再循环回路260包括通过入口247到下部室200的供给管线和离开下部室200的返回管线。泵261使惰性气体再循环穿过下部室200。设置了位于泵261下游的冷却器262用于冷却惰性气体，之后该惰性气体再循环回到下部室200中。可以以与本发明的第一实施例类似的方式进行泵261和冷却器262的操作。

图7示出了该实施例的构建套筒690。冷却叶片691设置在构建套筒690的外表面上，以促进从构建套筒690散热。使经冷却的惰性气体流动穿过冷却叶片691中的间隙，以从构建套筒690周围的区域中去除热量，从而冷却构建套筒690。可以在构建期间和构建完成之后使用经冷却的惰性气体对构建套筒690和构建平台的下表面进行冷却。

第二实施例可以具有以下优点，即，可能不需要构建套筒中的单独的冷却通道，也不需要递送冷却液体。因此，这可以简化设备的设计。

在另一个实施例中，除了在构建平台中的加热元件之外，在构建套筒中设置有加热元件以对粉末加热。在这样的实施例中，为了维持构建套筒的完整性/防止其不必要的变形，构建套筒可以包括陶瓷材料的外壳，加热元件被容纳在外壳内。构建套筒的内壁可以由诸如金属的导热材料制成，以有效地将热量从加热元件传递到粉末。像本发明的第一实施例一样，陶瓷外壳可以包括用于输送传热液体的冷却通道，和/或可以如本发明的第二实施例那样，通过将经冷却的惰性气体引入下部室中来冷却陶瓷外壳。通过这种布置可以实现高于1000℃、并且更优选地高于1200℃的温度。

图8示出了本发明的另一实施例。使用相似的但为700系列的附图标记来指代该实施例的与之前描述的实施例的特征相对应的特征。

图8与先前的实施例的不同之处在于，构建套筒790是由陶瓷材料形成的。在该实施例中，没有设置导热材料的内壁。陶瓷材料是多晶陶瓷、比如氧化锆或氧化铝，其可以在高于1000℃的温度下令人满意地工作。这样的温度对于处理高温超级合金可能是期望的。构建套筒790由四个分开的壁790a、790b、790c和790d形成，这四个壁邻接在一起以形成不透粉末的构建套筒790。可以使用已知的增材技术形成每个陶瓷壁790a、790b、790c、790d，其中将选择性地沉积的陶瓷材料层烧结在一起以形成壁。

微波发射器阵列795、796被设置在构建套筒790的周围。构建套筒790的陶瓷材料对微波是透明的，使得可以通过使微波穿过构建套筒壁对包含于构建套筒790中的粉末进行加热。在构建套筒790的每一侧上，堆叠了多个微波发射器795a、795b、796a和795b，并且可以在降低构建平台时选择性地激活它们。选择性地激活微波发射器795a、795b、796a和795b包括控制从其发射的微波的强度，以便控制包含于构建体积中的整个粉末床上的温度。特别地，当与构建平台中的加热元件一起使用时，构建平台中的加热器对顶层粉末的温度的影响将随着构建平台的降低而减小。当构建平台降低时，增加从微波发射器795a、795b、796a和795b发射的微波的强度可以用于补偿构建平台中的加热器的这种减小的加热效果。

图9示出了本发明的另一实施例。使用相似的但为800系列的附图标记来指代该实施例的与之前描述的实施例的特征相对应的特征。

在图9的实施例中，电阻加热元件895、896被设置为嵌入在构建套筒890的陶瓷壁内。可以根据de102013108014中描述的方式形成具有嵌入式电阻加热元件895、896的陶瓷壁。电阻加热元件895、896用于与构建平台830中的加热器801一起对粉末床进行加热。加热元件801、895和896可以布置成将粉末床824加热至高于800℃的温度、并且优选地高于1000℃。为了承受这些温度，可以使用如上所述的碳毡密封件809、810、811。然而，可以对这些密封件809、810、811使用其他材料，比如钢、超级合金或其他可以承受这种温度的金属材料。

在替代性的实施例中，构建套筒890的壁还包括冷却通道，以在物体形成之后帮助冷却构建套筒。构建套筒890的壁被呈碳硬质板897形式的隔热物包围，隔热物被内、外石墨箔898a和898b覆盖。隔热物有助于将热量保持在粉末床824中。

构建平台830安装到线性致动器的导螺杆880上，用于通过热屏障来驱动构建平台830运动，该热屏障使导螺杆880与构建平台830热隔离以防止在构建期间导螺杆880的不可接受的热膨胀。在该实施例中，热屏障是被主动冷却的隔热套筒881和隔热材料块882a、882b。使用诸如水等冷却剂对隔热套筒881进行主动冷却。为此，隔热套筒881具有贯穿其中的用于输送水的冷却管线884。冷却管线是冷却剂再循环回路(未示出)的一部分，该再循环回路包括用于对冷却剂进行冷却的冷却装置(未示出，通常在构建室外部)。可以使用以逐层工艺来构建零件的增材制造来构建隔热套筒881，以便提供与套筒的形状相符的冷却管线/通道884，并提供有效的冷却。隔热物、例如碳硬质板883被安装在隔热套筒881的周围。

隔热套筒881围绕导螺杆880的上部延伸，以使导螺杆880与构建平台830和构建套筒890的热量隔离。隔热套筒881具有一定范围，当构建平台830位于构建套筒890的顶部时，隔热套筒881将导螺杆880一直覆盖到或超过构建套筒890的底部。隔热套筒881具有中间安装构件868和上部安装构件869，导螺杆880连接到中间安装构件，并且构建平台830安装在上部安装构件上。中间安装构件868(和导螺杆880)在空间上与上部安装构件869分离，以进一步将导螺杆880与构建平台830热隔离。

与先前的实施例一样，使用经冷却的惰性气体流对下部室800进行冷却，该经冷却的惰性气体流通过入口847被递送到下部室820中并且通过出口848离开。然而，可以将气体管线885、886连接到气体入口847以将经冷却的气体引导到线性致动器的、驱动导螺杆880运动的马达887和齿轮箱888上。这可以有助于维持马达887和导螺杆888低于最大工作温度。

图10展示了下部室900和构建套筒990的替代性实施例。使用相似的但为900系列的附图标记来指代该实施例的与之前描述的实施例的特征相对应的特征。

在这种布置中，不是在构建套筒990周围使用碳硬质板和石墨箔作为隔热物，而是在构建套筒990周围设置了真空室997。阀992可操作来打开和关闭真空室997通向下部室900的入口/出口。在使用中，在构建室中形成真空的过程中，真空室997通过阀992连接到下部室900，从而在真空室中形成真空。然后，在使用惰性气体穿过入口245回充构建室之前，先关闭阀992。这样，在构建过程中，真空室997包含用于将构建套筒990隔离的真空。在构建结束时，阀992可以向下部室900中的冷的惰性气体打开，从而去除真空的隔离效果，以便于促进对构建套筒990的冷却和对包含于构建套筒990中的粉末床924的冷却。为此，对于真空室997而言，具有入口和单独的出口以允许经冷却的惰性气体穿其而过进行循环可能是很有用的。

图11示出了可以与用于下部室200、800、900的任何上述实施例一起使用的上部室1020的布置。使用相似的但为1000系列的附图标记来指代该实施例的与之前描述的实施例的特征相对应的特征。

对于高温构建、例如高于800℃和/或高于1000℃的构建而言，对与粉末床分隔开的部件的辐射加热变成了重要的问题。特别地，穿过窗口1025对光学扫描仪(未示出)的加热会导致扫描仪对激光束的操纵精度产生明显的漂移，并且对刮拭器机构的加热会损坏刮拭器机构和/或使刮拭器机构扭曲。

因此，在该实施例中，上部室设有屏蔽物1070、1071、1072、1073，以保护上部室1220内的或连接到上部室的部件免受粉末床1024的热辐射。屏蔽物1070包括例如碳毡的“假”顶，其具有熔融石英的次级窗口1074。“假”顶与构建室1002的顶板间隔开以在其间限定气室1076。在“假”顶1070中设有孔阵列1075，以允许来自气室1076的气体穿过“假”顶并产生朝向粉末床1024的大致向下的流动。设置了气体入口1044用于将惰性气体引入气室中。惰性气体可以是经冷却的惰性气体，以对“假”顶1070(包括次级窗口1074)和室窗口1025进行冷却。

除了将窗口1025和1074暴露于气室中的经冷却气体之外，在窗口附近还设有气体流动装置1077，用于将经冷却气体的射流引导到窗口1025、1074上。气体流动装置1077可以从气体供应管线1078接收气体。

屏蔽物的另一部件是冷却夹套1071，该冷却夹套包括围绕上部处理室1020延伸的多个竖直壁。至少两个竖直壁、且优选地所有四个竖直壁中包括冷却通道1079，用于使冷却剂(比如，经冷却的空气)穿其而过。冷却夹套1071用于保护部件(比如驱动机构(未示出)和用于刮拭器1039的导轨1018a、1018b、1018c)免于粉末床1024的热辐射。

由于紧邻粉末床1024的辐射热的强度，可以以高反射角表面的形式设置补充屏蔽物1072。该补充屏蔽物可以起到进一步保护驱动机构和用于刮拭器1039的导轨1018免受粉末床1024的热辐射的作用。

如图12所示，刮拭器1039连接到两个屏蔽板1073a和1073b以随其可移动。屏蔽板1073a、1073b基本上沿着刮拭器1039的长度延伸，并且起到将粉末床1024的热辐射反射离开刮拭器1039的作用。当刮拭器静止在粉末床1024的任一侧时，这可能具有特别的价值。当刮拭器移动跨越粉末床时，气体喷嘴1040和气体排出口1041之间的气流可以起到将热量从刮拭器1039带走的作用，而在粉末床1024的任一侧的静止位置，气流对刮拭器1039的冷却可能被减弱。屏蔽板1073a和1073b分别通过隔热构件1037a、1037b连接到刮拭器臂1038a、1038b，隔热构件在屏蔽板1073a、1073b与刮拭器臂1038a、1038b之间提供热传导中断。刮拭器臂1038a、1038b可以由可机加工的金属材料制成，这种材料具有与陶瓷刮拭器刮片1039的热膨胀系数基本上匹配的热膨胀系数。例如，陶瓷刮拭器刮片1039可以由氧化铝制成并且刮拭器臂1038a、1038b由钛制成。刮拭器刮片和刮拭器臂的热膨胀系数都可以低于10x10-6m/mk。这样，与使用常规的钢臂相比，减少了在构建期间刮拭器刮片1039的位置变化。刮拭器刮片1039可以由与构建材料相同的材料，例如由超级合金或陶瓷形成，使得刮拭器刮片1039可以承受粉末床1024处的热量。

图13展示了模块1123，该模块可移除地插入到增材制造设备的构建体积中以提供尺寸减小的构建体积，在构建体积中可以加热粉末床。使用相似的但为1100系列的附图标记来指代模块的与前述实施例的特征相对应的特征，并且使用1200系列的附图标记来指代模块被插入其中的增材制造设备的与前述实施例的特征相对应的特征。

从wo2016/055523中已知了用于插入增材制造设备的构建体积中的模块，但是这些模块不具有加热粉末床的能力。期望该模块1100能够被改装到不具有加热能力的增材制造设备中。

模块1100包括限定了顶板1115和构建套筒1190的框架。构建平台1130可在构建套筒1190内移动。构建平台1130通过连接柱1180可连接到增材制造设备的主构建平台1230，使得构建平台1130在构建套筒1190内的移动可以通过构建平台1230的移动来实现。柱1180包括热中断件1182，以限制热量从构建平台1130到主构建平台1230的传导。加热元件1101、1195、1196被容纳在构建平台1130和构建套筒1190中，用于对减小的构建体积中的粉末进行加热。可以参照图8至图12如上所述地形成构建套筒1190和构建平台1130。

在构建套筒1190和柱1180的周围设有隔热物1197和1183。如上所述，每部分隔热物1197、1183可以是碳硬质板和反射箔或可密封的真空室。

为了给这些加热元件1101、1195、1196供电，向这些加热元件提供电连接。在典型的增材制造设备中是不向构建体积供电的。因此，作为将模块1100改装到增材制造设备的一部分，可以例如通过顶板1215在构建套筒1190中钻出通道1252，并且穿过构建套筒的壁将电源线1251穿进构建体积中。如果期望将增材制造设备恢复到其原始状况，可以将止挡件插入通向构建套筒/顶板中的孔1252的开口。电线将加热元件1101、1195、1196连接到电源线1251，而到加热元件1101的电线具有足够的松弛度以适应构建平台1130的移动。

可以提供用于插入到上部处理室中的插入件，以提供参考图11所描述的特征的全部或一些。

在另一个实施例(未示出)中，对模块提供冷却管线以及电源线，用于递送冷却剂以在构建期间对部件、比如构建套筒1190和柱1180进行冷却。在替代性的实施例中，电源线和/或冷却管线可以在顶板1215的表面上方延伸。

将理解的是，在不背离本文所限定的本发明的情况下，可以对上述实施例进行修改和改变。例如，对粉末床的加热可以通过除加热基板以外的方式来进行，例如通过如us2013/0309420中描述的感应加热或如wo2016/051163中描述的微波加热。此外，用于对部件进行热保护以免受粉末床产生的热量的设备可以与粉末床熔融设备一起使用，而不需要用于预加热粉末床的装置。例如，在多激光粉末床熔融设备中，可以在短时间内将一定量的能量递送到粉末床，从而在构建室内产生大量的热量。因此，可能需要诸如上述的那些装置来保护构建室内的部件免受该热量。