一种在增材制造工艺中改善粉床质量的设备系统技术方案

本实用新型专利技术涉及一种在增材制造工艺中改善粉床质量的设备系统。该设备系统(10)包括空间可移动的粉末(30)铺粉装置(20)和激励单元(40)，铺粉装置(20)被设置为在加工平面(15)将一个或多个粉层(31)涂抹到基板平台(16)上或已经用该设备系统处理过的粉床(32)上。激励单元(40)的设置是为了破散各个粉末(30)颗粒相互之间和/或与已经用设备系统处理过的粉床(32)之间的团簇和/或粘连，以便铺粉装置(20)能够将光滑的粉层(31)涂抹到基板平台和/或前一个粉层/粉床(31，32)上。32)上。32)上。

【技术实现步骤摘要】
一种在增材制造工艺中改善粉床质量的设备系统


[0001]本技术涉及一种用粉末系统通过增材制造技术的设备，以及使用这种设备成型复杂结构工件的加工方法。

技术介绍

[0002]增材制造技术，即3D打印，通过使用粉末为原材料构建复杂多维结构。粉体材料通过高能的光束聚焦融化，并再次凝固成型，从而获得指定的空间构型。已知的金属增材制造工艺有激光粉床熔融技术（LPBF）、电子束熔融技术或选择性激光烧结技术。在LPBF工艺中，待加工材料以粉末形式由设备铺粉系统在基板平台上进行薄层沉积。粉末材料在激光聚焦熔融下实现局部完全熔融、凝固，形成近二维的固体构型。然后基板平台按指定层厚 (通常为20
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m) 进行下沉降低，并再次从由铺粉系统进行铺粉和重复熔融。整个加工过程重复进行，直到整体部件完成逐层加工。
[0003]然而，在粉体材料的增材制造过程中，一个众所周知的问题是，粉体材料根据生产或筛分过程的不同，以及粉体材料自身粒度的不同，粉体会有不同的特性。粉末颗粒之间存在粒子间的粘附力，特别是范德华力，可以超过其重量力几个数量级。在铺粉过程中还会产生剪切力，使粉末颗粒在基板平台上呈现不规则的表面结合特性，最终可能导致难以顺利获得平整的粉床表面，从而严重的影响到目标制造工件的成型质量。
[0004]为了使粉床表面光滑，如德国3DMikroPrint公司提供的技术，是在基板平台上涂抹粉层后，再次对当前粉床上表面施加接触压力。美国3D
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Systems公司则使用辊筒作为粉末铺粉装置。
[0005]这些设计的缺点是只适合于以球形为主的大颗粒粉末。无论是对于以细小粉末颗粒为主的粉体材料(如小于20微米)，还是对于由生产和筛分过程引起的具有异形特征的粉体材料，粉体的团簇和粘连现象都会导致例如辊筒再次破坏已经平稳涂抹的粉床。当使用接触压力时，对于细小颗粒的粉末也达不到预期成型质量效果，稳定性也不充足，例如，当打印制造极微小的复杂结构时，粉床上表面的接触压力会导致已经成型的复杂工件产生变形，偏离预期尺寸要求，严重时甚至直接导致已成型工件的损坏。
[0006]因此，对于能在考虑到粉末的物理特性，如尺寸和形状的情况下，提升在增材制造过程中的铺粉效果，有现实产业需求。

技术实现思路

[0007]技术目的：
[0008]本技术的一个目的是提供一种设备，在至少考虑到粉末的物理特性，如尺寸和形状的情况下，该设备能够有效提高和保障在增材制造过程中的铺粉质量和粉床表面质量。
[0009]技术方案：
[0010]为实现该目的，本技术通过一种用于复杂结构工件的增材制造系统来解决，
该系统包括一个空间可移动的粉末铺粉装置和一个激励单元。该铺粉装置被设计成在加工平面内将一个或多个粉末层涂抹到基板平台上，或是涂抹到已经用设备系统处理过的粉床上。激励单元的目的是为了在涂抹粉末时，破散各个粉末颗粒相互之间和/或与已经用设备系统处理过的粉床之间的团簇和/或粘连，从而使铺粉装置能够将光滑的粉层涂抹到基板平台和/或之前的粉床上。通过激励单元产生激励刺激打破粉末颗粒之间的相互作用力，降低粉末颗粒之间团簇和/或粘连现象，有效提高了粉末的流动性。因此，即使是小的粉末颗粒和/或具有易结块的异形形状的粉末，也可以实现稳定和高质量的光束熔融加工。同时，已经涂抹的粉床因为表面光滑，表层方向剪切力相对较小，所以可以有效避免粉床在铺粉过程中被破坏。
[0011]增材制造工艺是指将材料逐层布置在制造设备上，逐层加工，最终成型出三位结构的部件（即3D打印）。由一种或多种液体或固体材料按照指定的二维尺寸和形状，在计算机控制下通过特定能量源对材料的定点加工处理，进行逐层堆积。在堆积过程中会发生物理或化学硬化或熔化过程。3D打印的典型材料是塑料、树脂、陶瓷和金属。碳和石墨材料也可以用于3D打印。面向工业领域的金属结构部件，定向熔融技术和相关的设备系统适用性更高，包括激光粉床熔融（也称为选择性激光熔融）、电子束熔融技术和选择性激光烧结技术。
[0012]此类增材系统可以包括用于控制加工过程的控制单元。这样的控制单元可以包括计算机单元、处理器、存储器单元等。它以合适的方式与设备的软硬件连接，例如用合适的数据线或无线方式，例如通过WLAN。
[0013]所谓 "复杂结构工件"，是指以三维结构为主，在任何应用场景下的部件。例如，可适用于塑料注塑模具、航空零部件、特种模具等。所谓 "复杂结构"，不仅包括成品部件，还包括生产过程中未完成的部件，例如加工过程中部件在粉床内部发生形变而生产的复杂结构工件。
[0014]一种 "铺粉装置 "是一种适合于将粉末涂抹到基板平台上的设备系统。铺粉装置被配置为可相对于设备进行空间移动，以将粉末从一个位置输送和涂抹到另一个位置。在下面的段落中阐述了铺粉装置的各种实施例。
[0015]所谓 "粉末"是指待加工的物料，以粉末状态使用。例如，该粉末可以主要由金属或聚合物制成的材料组成。在生产过程中，粉末是逐层地涂抹在基板平台上。铺粉装置每涂抹一次，"粉层"被涂抹到基板平台(第一层)或已经用设备系统涂抹过的上一层粉末层上。所应用的粉末层通常具有例如10微米或优选<20微米的层厚。因此，"粉层"可以理解为包括已经被设备系统处理的所有粉层的组成，可以被定义为“粉床“。理论上，在被设备系统加工成型之前(例如，通过激光加工处理)，还可以涂抹"多层粉末"。粉末可主要由同一材料的粉末颗粒组成。但是，也可以是混合粉末材料。粉末的大小、形状和颗粒分布上可能有所不同。这种粉末的不均匀性主要是由粉末材料的生产和/或后处理（如筛分）造成的。特别细小的和/或异形结构的粉末颗粒容易相互结块。
[0016]“基板平台”是指用于放置待加工部件的构建平台。基板平台设计为可相对于设备进行空间移动。例如，将已经通过铺粉装置涂抹过后的粉末层向下移动(降低)，则能够进一步实现后续粉末层的在加工平面上的涂抹。基板平台通常设计为在封闭的单元内密封移动。该封闭单元可以是一个容器，其中该容器可以设计成例如圆柱体的形式。此容器可以与
此技术中的粉料容器进行类比设计，其中基板平台可以类比配置为此技术的可移动的粉料输送单元。但是，理论上基板平台也可以在空间上自由排列设计。
[0017]“激励刺激”是激励单元发出的可以用来打破粉末颗粒之间的团簇和/或粘连现象，以消除粉末结块。在铺粉过程中，最好是间歇性地使用激励单元产生的激励刺激，以破坏颗粒相互之间和/或与已经用设备涂抹过的粉层之间的团簇和/或粘连。激励单元可进一步仅用于平滑一层粉末，而不发生任何涂抹过程。激励单元的激励可以是振动，但不限于振动，也可以通过例如温度的变化来进行激励。
[0018]在此，根据本技术的设备包括了能够在增材制造加工过程中实现平滑铺粉的铺粉装置，该技术装置至少考虑了粉末的物理特性，例如尺寸和形状等实际状态。
[0019]在一个实施例中，激励单元本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种在增材制造工艺中改善粉床质量的设备系统，其特征在于，包括空间可移动的粉末(30)铺粉装置(20)和激励单元(40)；其中，铺粉装置(20)被设置为在加工平面(15)将一个或多个粉层(31) 涂抹到基板平台(16)上或已经用该设备系统处理过的粉床(32)上；其中，激励单元(40)的设置是为了破散各个粉末(30)颗粒相互之间和/或与已经用设备系统处理过的粉床(32)之间的团簇和/或粘连，以便铺粉装置(20)能够将光滑的粉层(31)涂抹到基板平台和/或前一个粉层/粉床(31，32)上。2.根据权利要求1所述的设备系统，其特征在于，激励单元(40)包括利用振动激励来破散粉末团簇和/或粘连现象的振动单元。3.根据权利要求2所述的设备系统，其特征在于，振动激励是以气动和/或电磁方式和/或通过超声波产生的。4.根据权利要求2或3所述的设备系统，其特征在于，振动激励的频率与设备系统的谐振频率不重叠。5.根据权利要求4所述的设备系统，其特征在于，振动激励的频率对应的波长有与粉末的粒度相关的波长和/或与铺粉装置(20)沿铺粉方向的铺粉速度的波长相关。6.根据权利要求2所述的设备系统，其特征在于，振动激励的频率在40Hz至100kHz之间。7.根据权利要求1所述的设备系统，其特征在于，铺粉装置(20)包括平滑工具(21)。8.根据权利要求7所述的设备系统，其特征在于，平滑工具(21)包括研磨单元、硅脂、塑料棒、刷子、金属条。9.根据权利要求8所述的设备系统，其特征在于，研磨单元由具有一定硬度的适合超声波研磨和/或抛光的材料组成。10.根据权利要求9所述的设备系统，其特征在于，研磨单元由陶瓷制成。11.根据权利要求1所述的设备系统，其特征在于，激励单元(40)相对于粉床(32)和/或基板平台(16)是静止的。12.根据权利要求1所述的设备系统，其特征在于，激励单元(40)相对于粉床(32)和/或基板平台(16)是空间移动的。13.根据权利要求12所述的设备系统，其特征在于，铺粉装置（20）包括激励单元（40）。14.根据权利要求1所述的设备系统，其特征在于，包括减震单元(22)，该减震单元（22）被配置为减少和/或消除激励向激励单元(40)外部的设备部件的传输。15.根据权利要求14所述的设备系统，其特征在于，铺粉装置(20)通过支架(23)固定在用于进行铺粉装置(20)规定运动的导轨上，在激励单元(40)布置在铺...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈李耀威，
申请(专利权)人：云耀深维江苏科技有限公司，
类型：新型
国别省市：