金属粉末床增材制造设备和方法技术

一种粉末床熔融设备，该粉末床熔融设备包括：可在构建套筒(131)中移动的构建平台(102)，该构建平台(102)用于支撑金属粉末床(104)；粉末层形成装置，该粉末层形成装置用于形成金属粉末层以形成该床(104)；扫描仪(106)，该扫描仪用于将能量束引导到每个层的选定区域以固结该金属粉末；以及无线电波发生器(110、150、151、152、153、154)，该无线电波发生器被布置成围绕该金属粉末并且产生无线电波以加热形成该床(104)的金属粉末。波以加热形成该床(104)的金属粉末。波以加热形成该床(104)的金属粉末。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】金属粉末床增材制造设备和方法


[0001]本专利技术涉及一种金属粉末床增材制造设备和方法。本专利技术特别适应于使用射频加热来在粉末床增材制造设备中加热金属粉末。

技术介绍

[0002]粉末床熔融设备，比如选择性激光熔化(SLM)设备，通过使用比如激光束等高能束将比如金属粉末材料等材料逐层固化来产生物体。粉末层是通过邻近粉末床沉积堆积粉末、并且使用刮扫器跨过该粉末床(从一侧到另一侧)摊铺堆积粉末以形成层来在构建室中跨过该粉末床形成的。然后，激光束扫过粉末层的与正在被构造的物体的横截面相对应的区域。激光束将粉末熔化以便形成固化层。在层的选择性固化之后，使粉末床降低了新固化的层的厚度，并且根据需要在表面上铺展另一层粉末并使其固化。US 6042774中披露了这样的装置的示例。
[0003]在构建期间，固化材料在冷却期间收缩时所产生的力可能会导致零件变形，比如零件向上卷曲。已知构建支撑件作为构建的一部分以用于将零件固持在适当位置。然而，在构建结束时，可能难以移除这样的支撑件。此外，当零件从支撑件释放时，零件中的残余应力可能会导致零件变形。
[0004]当熔化/烧结粉末材料时，期望使粉末达到烧结/熔化温度，同时尽可能少地使材料汽化。然而，用激光加热粉末层会在整个层厚度中产生递减的温度梯度。因此，要在整个层厚度上熔化粉末可能需要层的上部达到显著高于烧结/熔化温度的温度，这可能导致粉末的汽化(潜在地，爆炸性汽化)。汽化，并且尤其是爆炸性汽化，可能会导致零件中形成空隙。此外，在零件形成期间，由于汽化的材料在粉末床上的不期望的位置处固化，可能会在零件中形成缺陷。
[0005]此外，熔融材料的快速固化可能会导致材料的固化开裂。
[0006]已知通过在用激光熔化或烧结粉末之前将整个粉末床加热到接近于熔化或烧结温度的温度来减小在零件形成期间由激光产生的温度梯度。
[0007]US 9616458 B2披露了一种选择性激光熔化设备，该选择性激光熔化设备包括用于加热粉末床的区带中的粉末的感应加热器。
[0008]WO 2016/051163披露了一种增材制造设备，该增材制造设备包括可控制以产生微波或无线电波场以对材料床进行差异性加热的微波或无线电波源。

技术实现思路

[0009]根据本专利技术的第一方面，一种粉末床熔融设备包括：能够在构建套筒中移动的构建平台，该构建平台用于支撑金属粉末床；粉末层形成装置，该粉末层形成装置用于形成金属粉末层以形成该床；扫描仪，该扫描仪用于将能量束引导到每个层的选定区域以固结该金属粉末；以及无线电波发生器，该无线电波发生器被布置成产生无线电波以加热该金属粉末。
[0010]无线电波发生器可以被布置成产生在30MHz到500MHz之间、更优选地在100MHz到500MHz之间并且最优选地在100MHz到300MHz之间的频率。相信该频率范围对于加热粉末床熔融中使用的大小(例如10
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40μm)的颗粒是最佳的。即使趋肤深度仍然很小(大约是颗粒大小)，但大量粉末几乎可以被射频(RF)磁场完全穿透(因此被加热)，因为每个颗粒都独立地而不是集体地表现。以此方式，可以使用中等功率的无线电波发生器，比如提供100W或更低功率的无线电波发生器。
[0011]由于金属表面的高导电性和比样品尺寸小得多的趋肤深度，通过频率为30MHz至500MHz的无线电波直接加热致密的大体积(块状)金属结构是无效的，从而导致RF磁场的无效穿透。对于具有显著颗粒间体积的金属粉末，情况并非如此。至少从电学的角度来看，这样的金属粉末应该被视为人造电介质——金属粉末与气体/真空的复合体。在粉末中，金属颗粒被由空气、惰性气体或真空组成的介电区并且通常由薄氧化物涂层隔开。这些特征显著改变了纯金属壳体的相互作用。主要的相互作用是在颗粒表面上或附近感应出的涡电流。这些电流可以产生对无线电波场的强耦合，从而产生高效、局部发热(所谓的射频加热)。如果颗粒上的涂层(比如氧化物层)导电性较弱，从而产生“介电加热”，则颗粒之间的欧姆电流也可能由RF电场直接产生。由于无线电波场在加热大体积金属结构(比如构建室的金属壁)时无效，因此金属粉末被“选择性地”加热到高温，同时对大体积金属结构(比如构建室壁)的不必要加热得以避免。
[0012]RF和介电加热与感应加热形成对比，在感应加热中，低频(kHz量级)交变磁场在导电物体中感应出涡电流。涡电流流过材料的电阻，以通过焦耳加热来加热材料。这样的感应加热在加热金属粉末时是无效的。
[0013]该设备可以包括被布置成围绕金属粉末的无线电波谐振器，并且无线电波发生器被布置成以无线电波谐振器的谐振频率产生无线电波以加热形成床的金属粉末。
[0014]通过在无线电波谐振器内加热粉末，可以使用中到低功率无线电波发生器将粉末加热到所需温度，例如400℃以上。
[0015]当容纳金属粉末床时，无线电波发生器可以被布置成以无线电波谐振器的谐振频率产生无线电波。无线电波发生器可以包括控制器，该控制器用于改变所产生的无线电波的频率以使谐振频率与床的粉末和无线电波谐振器相匹配。控制器可以控制信号发生器以响应于用户输入(例如用于形成床的粉末类型)和/或响应于由传感器(比如信号分析器或监测床的温度的温度传感器)产生的信号而设置所产生的无线电波的频率。控制器可以被布置成控制信号发生器以在一定频率范围内扫掠无线电波的频率以识别和/或跟踪谐振频率。例如，无线电波谐振器的谐振频率可能会随着构建平台降低和/或更多粉末添加到床而改变。因此，控制器可以被布置成随着构建的进行而跟踪由无线电波谐振器围绕的体积内的谐振频率的变化。传感器可以测量无线电波谐振器的正向功率与反射功率之间的差异。控制器可以控制信号发生器在高功率状态与低功率状态之间切换，并且基于在低功率状态期间产生的来自传感器的信号来调整无线电波的频率。在低功率状态下，可以跨越一定范围的频率扫掠无线电波的频率以识别谐振频率。控制器可以被布置成选择无线电波的频率，在该频率下，在正向功率与反射功率之间实现峰值损耗。
[0016]无线电波发生器可以被布置成产生脉冲式无线电波功率。控制器可以控制无线电波发生器改变脉冲宽度，例如基于粉末床中的粉末量和/或响应于传感器。可以改变脉冲宽
度以控制粉末的温度和温升。
[0017]无线电波发生器可以包括阻抗匹配电路。控制器可以被布置成基于来自传感器(比如，测量无线电波谐振器的正向功率和反射功率的传感器)的信号控制阻抗匹配电路。以此方式，无线电波发生器可以在负载变化时跟踪系统的阻抗，例如由于进一步的粉末层的铺设和/或能量束对粉末的固化(产生不能有效地由无线电波加热的固体物质)。
[0018]该无线电波发生器和/或谐振器可以被布置成围绕该床的至少一部分，使得该金属粉末在成为该床的一部分时被加热。这可能是有利的，因为粉末是原位加热的。替代地或另外，无线电波发生器和/或谐振器可以被布置成围绕尚未形成为床层的粉末。例如，层形成装置可以包括用于将粉末成层地散布在整个床中的重涂装置，并且无线本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种粉末床熔融设备，所述粉末床熔融设备包括：能够在构建套筒中移动的构建平台，所述构建平台用于支撑金属粉末床；粉末层形成装置，所述粉末层形成装置用于形成金属粉末层以形成所述床；扫描仪，所述扫描仪用于将能量束引导到每个层的选定区域以固结所述金属粉末；无线电波发生器，所述无线电波发生器被布置成围绕所述金属粉末并且产生无线电波以加热形成所述床的金属粉末。2.根据权利要求1所述的粉末床熔融设备，其中，所述无线电波发生器被布置成产生30MHz至500MHz之间的无线电波。3.根据权利要求1或权利要求2所述的粉末床熔融设备，其中，所述无线电波发生器包括围绕所述金属粉末的无线电波谐振器，并且所述无线电波发生器被布置成在容纳金属粉末床时以所述无线电波谐振器的谐振频率操作。4.根据权利要求3所述的粉末床熔融设备，其中，所述无线电波发生器包括信号发生器和控制器，所述控制器被布置成控制所述信号发生器以改变所产生的无线电波的频率以匹配在形成所述金属粉末床时所述无线电波谐振器的谐振频率。5.根据权利要求4所述的粉末床熔融设备，其中，所述控制器被布置成控制所述信号发生器以改变所产生的无线电波的频率以跟踪在形成所述金属粉末床时所述无线电波谐振器的谐振频率的变化。6.根据权利要求4或权利要求5所述的粉末床熔融设备，其中，所述控制器控制所述信号发生器以响应于用户输入而设置所产生的无线电波的频率。7.根据权利要求4至6中任一项所述的粉末床熔融设备，其中，所述控制器控制所述信号发生器以响应于由传感...

【专利技术属性】
技术研发人员：艾德里安，
申请(专利权)人：瑞尼斯豪公司，
类型：发明
国别省市：