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CN106794631A - 用于增材制造设备的一体化建造和材料供应系统 - Google Patents

用于增材制造设备的一体化建造和材料供应系统 Download PDF

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CN106794631A
CN106794631A CN201480082227.3A CN201480082227A CN106794631A CN 106794631 A CN106794631 A CN 106794631A CN 201480082227 A CN201480082227 A CN 201480082227A CN 106794631 A CN106794631 A CN 106794631A
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CN
China
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cabin
construction
volume
storage
storage cabin
Prior art date
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Application number
CN201480082227.3A
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English (en)
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亚历杭德罗·曼纽尔·德·佩尼亚
费尔南多·朱昂
保·马丁
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Original Assignee
Hewlett Packard Development Co LP
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Publication date
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Abstract

一种用于增材制造设备(10)的一体化建造和材料供应系统(12)包括：建造舱(24)，适于容纳要借助于增材制造形成的物体(50)；和存储舱(22)，适于存储用于形成所述物体的建造材料。所述建造舱的容积和所述存储舱的容积的大小可变，并且所述系统适于将先前分配给所述存储舱的容积的至少一部分重分配给所述建造舱。

Description

用于增材制造设备的一体化建造和材料供应系统
背景技术
增材制造(AM)，特别是3d打印涉及用于通过增材过程由3d模型或者其它电子数据源制造几乎任何形状的三维物体的技术，其中3d物体是在计算机控制下在逐层基础上生成。已经开发出多种多样的增材制造技术，它们的差异在于建造材料、沉积技术以及从建造材料形成3d物体的物理过程。这些技术涵盖对光敏树脂施加紫外线，到熔融粉末形式的半结晶热塑性材料，再到金属粉末的电子束熔融。
增材制造过程通常以要制造的物体的三维计算机模型开始。物体的这一数字表示通过计算机软件被虚拟地切片成层。每个层均表示期望物体的横截面，并被发送到增材制造机(在有些情况下也可被称为3d打印机)，在增材制造机中每个层建造在先前建造的层上。这一过程被连贯地重复直到物体被完成，从而逐层地建造物体。虽然一些可用技术直接沉积材料，但是其它的技术使用重涂过程以形成附加层，这些附加层随后可选择性地图案化以产生新的物体横截面。
制造物体的建造材料可以根据制造技术而不同，并且可以包括粉末材料、糊剂材料、浆料材料或者液体材料。建造材料通常提供在源容器中，并需要从源容器输送到进行实际制造的建造区域或者建造舱。
附图说明
图1是包括根据示例的一体化建造和材料供应系统的增材制造设备的示意图；和
图2a至图2c示出处于制造过程期间的不同阶段的根据示例的一体化建造和材料供应系统。
具体实施方式
在此描述的示例提供一种用于增材制造设备的一体化建造和材料供应系统。在一个示例中，所述系统包括适于容纳要借助于增材制造形成的物体的建造舱，和适于存储用于形成所述物体的建造材料的存储舱。所述建造舱的容积和所述存储舱的容积的大小可变，并且所述系统适于将先前分配给所述存储舱的容积的至少一部分重分配给所述建造舱，或者反之。
从一个示例的意义上说，所述建造舱可表示借助于增材制造形成物体的任何空间或者区域。所述建造舱可以是封闭空间，但可替代地为至少部分地在顶表面处对环境开放，以允许将建造材料引入到所述建造舱中和/或允许建造材料与制造过程中可采用的辐射或者热源相互作用。
所述存储舱可表示适于存储在形成所述物体中采用的至少一种建造材料的开放或封闭空间。
所述建造舱的容积可以理解为表示没有建造材料或过剩材料或所制造物体的舱的容积。
类似地，所述存储舱的容积可表示没有建造材料的存储舱的容积。
所述系统可以优选地适合于随着所述物体被形成而增大所述建造舱的所述容积。
所述系统可以优选地适合于随着所述物体被形成而减小所述存储舱的所述容积。
根据一示例，适于容纳要形成的所述物体的所述建造舱和适于存储用于形成所述物体的所述建造材料的所述存储舱被集成在同一物理空间或者容积中，以便所述建造舱的容积可随着所述存储舱的容积减小而增大，或者反之。
在一示例中，所述系统包括包含所述建造舱和所述存储舱的共用舱。
所述共用舱可以用同时容纳所述存储舱及所述建造舱的共用壳体来限定。
所述系统可以适于将先前分配给所述存储舱的、所述共用舱的一部分重分配给所述建造舱，或者反之。
根据在此描述的示例将建造舱与存储舱一体化具有短供应路径的优点。由于减小了建造材料从存储舱到建造舱的行进距离，因而规避了建造材料因污染而降解的风险。就机器稳定性而言，使建造材料处于最下位置是优选的(低重心)，并且利于用户能够将建造材料供应到存储舱。用户便利性由此得以增强。
同时，改进的一体化建造和材料供应系统允许提供更紧凑的增材制造设备。要形成的物体随着制造进程需要更多空间，而存储建造材料所需的空间越来越小。相反，当从增材制造设备移去完成的物体时，建造舱的容积可被减小，而存储舱的容积可随着添加用于形成后续物体的新建造材料而增大。利用所述存储舱的容积来增大所述建造舱的容积或者反之，使得能够随着制造进展而灵活地分配容积，并由此使得建造舱和存储舱的总(组合)容积最小化，从而节省空间。
要形成的所述物体可以是适于借助于增材制造来形成的任何3d物体。
所述系统可进一步包括将所述存储舱与所述建造舱分隔开的可移动分隔元件。
所述分隔元件可以以可移动的方式布置在所述共用舱或者壳体中。
提供同时容纳建造舱和存储舱的共用舱及可移动分隔元件使得能够简单地通过改变所述分隔元件在所述共用舱中的位置而根据制造进程改变建造舱的容积和存储舱的容积。
所述系统可包括适于移动所述分隔元件的驱动单元。
许多增材制造设备配备有用于支撑要形成的物体的建造平台。通常，所述建造平台可移动并且连接到随着附加的建造材料层被加工而改变建造平台的位置的驱动机构。因此，所述建造平台可便利地作为用于将所述建造舱与所述存储舱分隔开的分隔元件工作。
在一示例中，所述分隔元件因此包括用于支撑要形成的所述物体或支撑形成在所述物体下方和/或周围的建造材料层的建造平台。
在一个示例中，所述建造舱可以位于所述存储舱上方。
例如，许多基于粉末的增材制造系统具有在建造平台上方的建造舱，随着附加层被增加到要形成的物体，建造平台向下移动。在这些系统中，存储舱可有利地位于建造平台下方，并且其容积可随着建造平台根据制造进程向下移动而减小。
将存储舱设置在建造舱下方，因而接近于地平面，也简化了建造材料的补充。由于重心低，也给予设备更大的稳定性。
但是，在其它示例中，所述建造舱可位于所述存储舱下方，或可位于所述存储舱附近。
所述建造舱的所述容积增大的速度可对应于所述存储舱的所述容积减小的速度，或者反之。从本示例的意义上说，速度可以按照每时间单位上的容积变化给出。
虽然所述建造舱的所述容积和/或所述存储舱的所述容积可以是可变的，但各自的最大容积可具有固定的大小关系。
在一示例中，所述存储舱的最大容积不小于所述建造舱的最大容积的1.0倍。
在另一示例中，所述存储舱的最大容积不大于所述建造舱的最大容积的1.6倍。
在一个示例中，所述存储舱的最大容积不小于所述建造舱的最大容积的1.2倍。
在一个示例中，所述存储舱的最大容积不大于所述建造舱的最大容积的1.5倍。
在一个示例中，所述一体化建造和材料供应系统可进一步包括适于将建造材料从所述存储舱朝向所述建造舱输送的输送单元。
在一示例中，所述输送单元适于将所述建造材料输送通过形成在所述共用舱或者存储舱或者建造舱的侧壁中的输送通道。
在一个示例中，所述输送单元可包括螺旋驱动部和/或传送带和/或泵，这取决于所述建造材料的性质和稠度(consistency)。
在一个示例中，所述输送单元可以操作地联接到适于移动所述分隔元件的所述驱动单元。联接所述输送单元和所述驱动单元能够减小增材制造设备中的驱动部件的数目，并因此提供了一种更简单、更坚固并且更紧凑的增材制造设备。
所述输送机构可以附加地适于将过剩材料从所述建造舱输送到所述存储舱。
在一优选的示例中，所述一体化建造和材料供应系统适于被可拆卸地附接到增材制造设备，诸如3d打印设备。
根据该示例，包括建造平台及建造舱的一体化单元和包括存储舱的材料供应系统可被设置为能够被插入到增材制造设备中的独立单元(其中存储舱在制造之前充满建造材料)，并且可在已经完成制造过程并且存储舱已清空或至少部分清空之后连同整个3d物体被移去，这取决于所建造的物体的大小。这提供了对增材制造设备配备建造材料的供应部的特别灵活的方式。
改进还涉及包括具有上述特征中的一些或全部的系统的增材制造设备，特别是3d打印设备。
改进还涉及一种用于为增材制造供应建造材料的方法，包括从存储舱朝向建造舱输送建造材料的步骤，所述存储舱用于存储所述建造材料，并且所述建造舱用于借助于增材制造由所述建造材料形成物体。所述方法进一步包括根据从所述存储舱向所述建造舱输送所述建造材料，将先前分配给所述存储舱的容积的至少一部分重分配给所述建造舱的步骤。
所述存储舱和/或所述建造舱可以是具有上述特征中的一些或全部的舱。特别地，所述存储舱和/或所述建造舱可以是增材制造设备的舱。
可选地，该方法可以附加地包括使用所述建造材料在所述建造舱中以增材方式形成所述物体的步骤。
所述建造材料可包括粉末材料和/或糊剂材料和/或浆料材料和/或液体材料。
在一个示例中，该方法进一步包括如下步骤，即移动将所述存储舱与所述建造舱分隔开的分隔元件，从而利用所述存储舱的所述容积增大所述建造舱的所述容积，或者利用所述建造舱的所述容积增大所述存储舱的所述容积。
所述移动所述分隔元件的步骤可以操作地联接到所述输送所述建造材料的步骤。
所述方法可以在具有上述特征中的一些或全部的一体化建造和材料供应系统或者增材制造设备中实施。
所述改进还涉及一种包括计算机可读指令的计算机程序产品，其中所述计算机可读指令在由联接到具有上述特征中的一些或全部的系统或者增材制造设备的计算机读取时，相应地在所述系统或者增材制造设备中实施具有上述特征中的一些或全部的方法。
将参考图1以及图2a至图2c描述示例。该示例涉及选择性激光烧结(SLS)系统，其是使用激光作为电源来将诸如塑料粉末、金属粉末、陶瓷粉末或者玻璃粉末等粉末状材料烧结成具有所需的三维形状的团块(mass)的增材制造技术。但是，改进不局限于此，并且通常合适于任意增材制造技术，与建造材料是粉末、糊剂、浆料还是液体无关，并且与能量源无关。
图1是增材选择性激光烧结(SLS)的增材制造设备10的示意图。设备10包括根据本发明的示例的一体化建造和材料供应系统12。如图1所示，一体化建造和材料供应系统12具有由侧壁14和底壁16围起的桶的形式。顶侧是开放的，并且这是建造材料被施加到形成于建造平台20上的物体(未示出)之处。侧壁14和底壁16限定共用舱18，共用舱18的容积由建造平台20划分为在建造平台20下方的存储舱22和在建造平台20上方直到侧壁14的高度的建造舱24。建造舱24的上边界在图1中由虚线标示。
建造平台20被可移动地安装在建造桶12中，并且经由活塞26连接到驱动单元28，驱动单元28适于使建造平台20在共用舱18中上下移动。随着平台20在共用舱18中上下移动，存储舱22的容积Vs和建造舱24的容积Vb相应地变化。然而，它们的总和保持恒定并且等于共用舱18的容积Vc，Vs+Vb＝Vc＝常量。
存储舱22用于存储用于增材制造过程的建造材料，诸如塑料粉末、金属粉末、陶瓷粉末或者玻璃粉末(图1中未示出)。
建造材料借助于输送单元30(诸如集成到侧壁14中的螺旋驱动部)从所述存储舱22输送到建造舱24。输送单元30将建造材料输送到辊子单元32，辊子单元32用作横过建造平台20(或向事先形成的建造材料层上)形成建造材料层。可以包括加热单元34，用以预加热累积在建造舱24中的粉末。
在本示例中，借助于包括诸如紫外光激光器或者二氧化碳激光器的激光器36、光学透镜38和x-y扫描镜40的光学系统实施烧结。x-y扫描镜40将从激光器36发出并由透镜38聚焦的激光束42引导到聚集在建造舱24中的粉末床的表面上的粉末材料的选择部分上。来自激光束42的能量输入熔化粉末材料，由此将材料粘合在一起以造成固体结构。在每个横截面被扫描之后，建造平台20下降一层的厚度，新的材料层借助于辊子单元32被形成在顶部上，并且该过程被重复直到物体完成。
中央控制单元44控制驱动单元28以移动活塞26和建造平台20；控制输送单元30以将建造材料从存储舱22输送到建造舱24；控制辊子单元32以将建造材料施加到要制造的物体的表面；控制加热单元34、激光器36和x-y扫描镜40以将激光束42引导到建造平台20的选择部分。
图2a至图2c更详细地示出了制造过程期间处于不同阶段的一体化建造和材料供应系统12。
图2a示出初始阶段的一体化建造和材料供应系统12，在初始阶段，建造平台20处于其最上位置。因此，存储舱22的容积Vs最大，而建造舱24的容积Vb是零。
随着制造开始，建造材料借助于输送单元30从存储舱22的底部被传递到辊子单元32。在图2a至图2c所示的构造中，输送机构30包括设置在桶12的侧壁14中的一对螺旋驱动部30a、30b。随着螺旋驱动部30a、30b旋转，粉末材料向上移动通过侧壁14，直至其到达侧壁14的顶部，并且粉末材料从此处借助于辊子单元32分散横过建造平台20。
然而，螺旋驱动部30a、30b仅仅是输送机构的一个示例，而且也可以使用诸如传送带、拖曳机构、气动传送系统(诸如密相输送或者稀相输送)的其它机构。
当驱动机构48降低活塞26和建造平台20时，输送单元30的驱动机构46可被操作地或机械地联接到驱动单元28的驱动机构48。这可以允许借助于驱动单元28自动并且同时地向上通过侧壁14供给建造材料。然而，这不需要在一个连续的运动中发生。例如，建造平台20可被降低，随后建造材料可被输送出存储舱22，并且在一些延迟之后，建造平台20可被再次降低。
液体建造材料可以借助于转动叶片泵被输送。替代地或附加地，液体可以完全借助于在建造平台20在共用舱18中向下移动时由建造平台20产生的流体动压被输送通过侧壁14中的通道。在此情况下，可以不需要用于输送单元30的分立的驱动机构。
图2b示出在中间阶段的一体化建造和材料供应系统12，在该中间阶段，建造平台20根据要在平台20上形成的物体50的制造进程而部分地降至共用舱18中。
通常，物体50将在平台20上由未固化建造材料包围，但为了呈现清楚，未固化建造材料在图2b和图2c中未示出。
在图2b的构造中，存储舱的容积Vs已减少建造平台20在桶12中已向下移动的那样多，而建造舱24的容积Vb已增大相同的量。
图2c示出在其中物体50已完成的最终阶段的一体化建造和材料供应系统12。与图2b的构造相比，建造平台20已进一步降至共用舱18中。因此，存储舱22的容积Vs已根据已借助于输送单元30输送到建造舱24的建造材料的量而进一步减小。建造舱24的容积已增大与存储舱22的容积Vs已减小的量相同的量。
在建造结束时，舱22中的残余粉末可以再用于将来的建造。舱22中的粉末过量是优选的，用以确保建造总是能够顺利完成并避免在最终层中粉末耗尽。
现在，可以从已经聚集在建造舱24中的过量粉末材料中移去要形成的物体50。随后，平台20可被上升到图2a中所示的初始位置，并且可以形成新的物体。
从图1和图2a至图2c的描述可以看出，一体化建造和材料供应系统12将用于存储建造材料的存储舱22和用于制造物体50的建造舱24集成在同一物理空间，即共用舱18内。建造平台20将下方的存储舱22与上方的建造舱24分隔开。存储舱22的容积Vs和建造舱24的容积Vb因此是可变的，并且根据建造平台20在共用舱18内的位置而变化。随着建造平台20在共用舱18中降低，存储舱22的容积Vs减小与建造舱24的容积Vb增大的量相同的量，存储舱22的容积Vs和建造舱24的容积Vb的总和保持恒定并且等于共用舱18的容积Vc，即建造桶12的容积:Vs+Vb＝Vc＝常量。因此，建造过程的不同阶段(对应于建造平台20在桶12内的不同位置)的差异仅在于共用舱18被分成存储舱22和建造舱24的份额上的不同。
将存储舱22和建造舱24集成在同一物理空间中具有多个优点：
不会为分立的供应容器浪费额外的空间。因此，增材制造设备10紧凑而且小型。
同时，用于从存储舱22向建造舱24输送建造材料的供给通道接近建造舱24，从而减小建造材料的行进距离并由此减少建造材料暴露而因污染降解。
根据本发明的一体化也简化了材料保持，并增加了打印的清洁度。
一体化建造和材料供应系统12可以是增材制造设备10的固定部件，但也可以被设计为可拆卸元件。在后一种情况下，其还可以作为独立的消耗品提供，当粉末沉积物已空时，该独立的消耗品可以由用户更换。所述可拆卸元件构成具有一体化的建造平台20的材料供应部，该一体化的建造平台20可以充满建造材料，并且在插入时可以与增材制造设备10接合，以使得活塞26的移动由打印机控制。
优选实施例和附图的描述仅用于例示本发明及其带来的众多优点，但不应被理解为暗示任何限制。本发明的范围由所附权利要求确定。
附图标记
10 增材制造设备
12 一体化建造和材料供应系统/建造桶
14 一体化建造和材料供应系统12的侧壁
16 一体化建造和材料供应系统12的底壁
18 共用舱
20 建造平台
22 存储舱
24 建造舱
26 建造平台20的活塞
28 驱动单元
30 输送单元
30a,30b 输送单元30的螺旋驱动部
32 辊子单元
34 加热单元
36 激光器
38 光学透镜
40 x-y扫描镜
42 激光束
44 中央控制单元
46 输送单元30的驱动机构
48 驱动单元28的驱动机构
50 要形成的物体

Claims (15)

1.一种用于增材制造设备(10)的一体化建造和材料供应系统(12)，所述系统(12)包括：
建造舱(24)，适于容纳要借助于增材制造形成的物体(50)；和
存储舱(22)，适于存储用于形成所述物体(50)的建造材料；
其中所述建造舱(24)的容积和所述存储舱(22)的容积的大小可变；并且
其中所述系统(12)适于将先前分配给所述存储舱(22)的容积的至少一部分重分配给所述建造舱(24)，或者反之。
2.根据权利要求1所述的系统(12)，其中所述系统(12)包括将所述存储舱(22)与所述建造舱(24)分隔开的可移动分隔元件(20)。
3.根据权利要求2所述的系统(12)，进一步包括适于移动所述分隔元件(20)的驱动单元(28)。
4.根据权利要求2或3所述的系统(12)，其中所述分隔元件包括用于支撑要形成的所述物体(50)的建造平台(20)。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的系统(12)，其中所述建造舱(24)位于所述存储舱(22)上方。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的系统(12)，其中所述建造舱(24)的所述容积增大的速度与所述存储舱(22)的所述容积减小的速度一致，或者相反。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的系统(12)，其中所述存储舱(22)的最大容积不小于所述建造舱(24)的最大容积的1.0倍，和/或不大于所述建造舱(24)的最大容积的1.6倍。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的系统(12)，进一步包括适于从所述存储舱(22)向所述建造舱(24)输送所述建造材料的输送单元(30)。
9.根据权利要求8所述的系统(12)，其中所述输送单元(30)包括螺旋驱动部(30a，30b)和/或传送带和/或泵。
10.根据权利要求8或9所述的系统(12)，进一步包括根据权利要求3所述的驱动单元(28)，其中所述驱动单元(28)被操作地联接到所述输送单元(30)。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的系统(12)，其中所述系统(12)适于能拆卸地附接到所述增材制造设备，特别是3d打印设备(10)。
12.一种增材制造设备，特别是3d打印设备(10)，包括根据前述权利要求中的任一项所述的系统(12)。
13.一种用于为增材制造供应建造材料的方法，包括：
从存储舱(22)朝向建造舱(24)输送建造材料，所述存储舱(22)用于存储所述建造材料，并且所述建造舱(24)用于借助于增材制造由所述建造材料形成物体(50)；以及
根据所述建造材料从所述存储舱(22)向所述建造舱(24)的所述输送，将先前分配给所述存储舱(22)的容积的至少一部分重分配给所述建造舱(24)。
14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括如下步骤：
移动将所述存储舱(22)与所述建造舱(24)分隔开的分隔元件(20)，从而将先前分配给所述存储舱(22)的容积的所述一部分重分配给所述建造舱(24)。
15.一种包括计算机可读指令的计算机程序产品，其中所述计算机可读指令在由联接到根据权利要求1-11中的任一项所述的系统(12)或者联接到根据权利要求12所述的增材制造设备(10)的计算机读取时，相应地在所述系统(12)或者所述增材制造设备(10)中实施根据权利要求13或14所述的方法。
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