用于流化床增材制造的系统、方法和设备技术方案

公开一种用于增材制造的系统、方法和设备。该方法包括利用介质使颗粒流态化以形成流化床，并且增材制造由这些颗粒形成的制品。该制品具有开放多孔结构，该开放多孔结构限定了多个孔隙和通过该制品的多个流体路径。该方法进一步包括在形成流体路径的同时使颗粒和介质流过流体路径。可以通过在流化床表面附近的制品上的目标区域处选择性地烧结颗粒来增材制造制品。

System, method and equipment for fluidized bed additive manufacturing

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于流化床增材制造的系统、方法和设备相关申请的交叉引用本申请要求于2018年3月15日提交的申请号为62/643,632的美国临时申请的优先权，其通过引用整体并入本文。
本公开总体上涉及增材制造，并且特别涉及一种使用选择性定向的能量束以一定图案烧结粉末以制造制品的系统和方法。
技术介绍
增材制造在改善制品的制造方式方面具有巨大潜力。在可用的各种增材制造生产方法中，粉末的激光烧结被认为是这些方法中最有前景的方法之一。激光烧结是基于从料斗分配粉末、使用辊子将粉末散布在光滑层中、然后选择性地照射粉末材料的过程。照射导致聚合物颗粒部分熔化或使得颗粒的表面熔化。然后通过相互粘附以聚结并固化来烧结颗粒，从而产生所需形状的照射粉末层。每层中的烧结粉末的图案对应于正在制造的制品的切片。通过烧结每个随后施加的层，继续进行该逐层处理。重复上述步骤导致在未使用粉末的床中形成激光烧结制品。然后将完成的制品从粉末床中挖出并去尘。通过这种方式，该过程可以生产复杂的三维制品，并且适合于高价值制品的小批量生产。尽管上述激光烧结技术非常适合于小批量制造形状复杂的高价值制品，但存在许多限制因素使该技术不适用于大批量生产制品：·粉末类型仅限于具有良好流动性以使得辊子可以铺设光滑层的粉末。通常只有诸如聚酰胺11和聚酰胺12的少数制剂可用。合适的粉末制剂不仅非常有限，而且比通用塑料贵至少一个数量级。需要更大范围的廉价粉末。·粉末可以被预热的量受结块温度限制，在结块温度以上，粉末开始结块且辊子无法铺设光滑层。·制造速度是个问题，其受到包括利用辊子铺设粉末的步骤在内的限制。·在静态粉末床中，很难对最新制造的层进行良好的温度控制。温度控制不佳会导致制品变形或在边缘和角落的层卷曲。·在静态粉末床中，制造过程中的除热效率较低。由一个或多个激光提供的热量会限制制造速度。·很难制造具有组成梯度的制品。·将制造完成的制品从未使用粉末床移去较麻烦。
技术实现思路
一般而言，本公开可以包括一种系统、方法和设备，其包括使粉末床流态化并使用定向能量束将粉末颗粒结合(例如，烧结)在所选择的目标区域中。目标区域可以在所制造的结构的表面处或附近。目标区域的图案可以对应于所制造的制品的模型的横截面切片。以预定图案烧结颗粒制造了所制造的结构的一部分。该结构的实施例被设计为具有开放多孔结构。该结构的孔隙率足够开放以允许流化床的颗粒移动通过孔隙并移动到构造表面。实施例可以使用粉末流态化的原理来将粉末沉积在通过增材制造而制造的结构的构造表面上。流态化是将粒状粉末材料从类固态转变为类液态的过程。流态化可以通过使流体(例如，气体、液体或超临界流体)经过粉末床来实现。这通常在具有分布器板的容器中完成。粉末在分布器板上方，并且流态化介质被向上推动通过分布器板并通过粉末床。对于待被流态化的粉末，流体速度足够高，以使对粉末颗粒的拖曳力克服重力，从而使颗粒变成悬浮并相互碰撞。如果颗粒足够小，并且速度没有高到形成气泡，则床将以均匀的方式平稳膨胀，而顶部表面将被明确地限定。当固体颗粒的粉末床由此被流态化时，其表现出类似液体的特性。例如，粉末的流化床可以像液体一样填充腔室的体积，以使流化床的表面或多或少是平坦的并且与重力垂直。可以将物体浸入流化床中。流化床的类似液体的特性使密度比流化床密度高的物体下沉。另外，流化的粉末可以被运输，例如通过管道输送。此外，两个相连的流化床容器的表面高度将趋于相等。多种粉末类型都适合于流态化。粉末的颗粒可以具有广泛的组成、不同的形状、尺寸和尺寸分布。还已知流化床可以提供优异的热传递。在当前的激光烧结机器中，通过辊子将粉末逐层分配，以在正在制造的制品的构造表面的顶部上形成静态粉末床。相反，本公开的实施例可以通过正在制造的制品的开放多孔结构中的孔隙而将粉末供应给构造表面。因此，一般而言，这可以是用于通过使用从制品内部或通过制品内部提供的构造材料来构造制品的“由内而外”或“外骨骼”方法。可以在被保持就位在流化床中的构造基板上开始制造所制造的制品。在一些型式中，构造基板或多或少是水平的并且是多孔的，其中至少在开始制造制品的底部的区域上具有孔。孔可以足够大并且分布充足以使流化床可以穿过基板的孔。在制造开始时，可以将基板浸没在流化床表面的稍下方，并用诸如激光的定向能量束进行选择性照射，以在所选择的目标区域将流化床的颗粒烧结到基板表面。可以根据计算机中结构的三维模型的切片或制品结构的数学描述来确定激光扫描的目标区域。使用流化床分配粉末来制造多孔结构的方法有若干实施例。在一个实施例中，由于结构通过烧结颗粒构造时，该结构被浸入流化床中，使得该结构的最近构造的部分略低于流化床的表面。在另一实施例中，将构造基板或构造表面升高到流化床上方，选择性地照射以在构造表面上的目标区域处发粘或熔融，然后浸入流化床中以便收集新颗粒。除了将所制造的结构降低到流化床中之外，还可以通过各种手段来升高流化床。所制造的结构的类型可以是足够开放和多孔的，以允许流态化介质和流态化粉末的颗粒被输送通过正在制造的结构。由于这种开放孔隙率特性，新粉末可以继续通过流过多孔结构的流态化介质而传输到构造表面。制品的计算机化模型可以用于将能量束选择性地定向到与所制造的结构的横截面相对应的构造表面的目标区域。例如，目标区域的边界可以由激光焦点的扫描构成，而中间部分由光栅扫描填充。可选地，可以将激光焦点的单个点用于与诸如支柱的结构元件的横截面相对应的构造表面。可以使用计算机化的手段来控制流化床表面的高度以及结构相对于流化床容器的高度。计算机可以控制多个操作，包括床流态化、循环流态化介质、向流化床供应粉末以及控制温度、温度和流量。流化床是用于热传递的优异媒介，并且该性质可用于控制被带到构造表面的粉末的温度并调节结构的新构造部分的温度。可以控制流化床的温度，使得粉末接近但低于颗粒发粘并彼此粘附的温度。通过控制温度，需要向构造表面供应更少的能量来加热颗粒。通过被浸入流化床中，可以使新构造结构中的温度梯度变缓，这有助于防止结构的几何变形。流态化介质的向上流动有效地除去了在烧结过程期间由能量束供应给构造表面的热量。被加热的流态化介质可以从流化容器的顶部除去，然后可以通过换热器被冷却。然后，可以通过泵或压缩机使冷却的流态化介质流通过流化床容器的底部循环回去。通过有效的除热以及对所制造的颗粒和结构以及整个容器的温度的良好控制，与现有解决方案相比，有可能缩短构造时间。在烧结过程期间，会产生挥发性副产物。由此产生的挥发物被流态化介质带走，离开流化容器并进入过程的其他区域，在该区域中，杂质的部分可以通过分离单元被除去。在净化步骤之后，流态化介质可以循环回到流化床。本公开不限于特定类型的粉末，而是适用于许多可流态化的粉末类型。这些材料可以包括塑料、金属、聚合物、陶瓷粉末、复合颗粒粉末或这些粉末的混合物。具有广泛的颗粒形状、尺寸和尺寸分布的粉末可以被流态化并被使用。通过除去粉末并向流化床中添加不同类型的粉末，可以以特定的比率改变流化床中的粉末的组成本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制造方法，包括：/n利用介质使颗粒流态化以形成具有表面的流化床，/n增材制造包含所述颗粒的制品，所述制品具有开放孔隙率，在所述制品中形成多个孔隙，所述多个孔隙限定通过所述制品的流体路径，并且/n在形成所述制品和所述流体路径的同时，使所述颗粒和所述介质流过所述流体路径。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180315 US 62/643,6321.一种制造方法，包括：
利用介质使颗粒流态化以形成具有表面的流化床，
增材制造包含所述颗粒的制品，所述制品具有开放孔隙率，在所述制品中形成多个孔隙，所述多个孔隙限定通过所述制品的流体路径，并且
在形成所述制品和所述流体路径的同时，使所述颗粒和所述介质流过所述流体路径。


2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括使所述颗粒和所述介质同时流过所述制品中的所有孔隙。


3.根据权利要求1所述的方法，其中形成所述多个孔隙包括形成互连的孔隙。


4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括为所述制品提供一定的体积，使得所述多个孔隙构成所述体积的大部分。


5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
在所述制品上增材制造顶部，并且进一步包括：
利用所述流化床的表面整平所述制品的顶部的高度，使得所述流化床包裹所述顶部，并且所述顶部与所述流化床的表面相邻；
将所述制品连续降低到所述流化床中；或者
连续提升所述流化床的表面。


6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
将所述制品支撑在基板上，所述基板限定延伸穿过所述基板的多个通道，并且
使所述颗粒和所述介质流过所述基板中的所有通道。


7.根据权利要求6所述的方法，进一步包括将所述制品结合到所述基板。


8.根据权利要求6所述的方法，进一步包括：...

【专利技术属性】
技术研发人员：简·威廉·凡·埃格蒙德，
申请(专利权)人：简·威廉·凡·埃格蒙德，
类型：发明
国别省市：美国;US