使用多边形扫描仪的增材制造的制作方法

使用多边形扫描仪的增材制造
[0001]
相关申请的交叉引用
[0002]
本申请要求2018年5月9日提交的美国临时申请序列号62/669,329的优先权。
技术领域
[0003]
本公开内容涉及一种用于增材制造的能量输送系统，增材制造也称为3d打印。


背景技术：

[0004]
增材制造(am)，也称为固体自由形状制造或3d打印，是指一种制造工艺，其中通过将原材料(例如，粉末、液体、悬浮液或熔化的固体)连续分配到二维层中来构建三维物体。相比之下，传统的机械加工技术涉及减材工艺，其中从坯料(例如，木块、塑料块、合成材料块或金属块)中切出物体。
[0005]
增材制造中可以使用多种增材制造工艺。一些方法将材料熔融或软化以产生层，例如，选择性激光熔化(selective laser melting,sum)或直接金属激光烧结(direct metal laser sintering,dmls)、选择性激光烧结(selective laser sintering,sls)或熔融沉积成型(fused deposition modeling,fdm)，而其他方法则使用不同的技术、例如是立体光刻(stereolithography,sla)来固化液体材料。这些工艺的不同之处在于形成层以创建完成物体的方式以及对于在所述工艺中使用而言兼容的材料。
[0006]
在一些形式的增材制造中，将粉末放置在平台上，并且激光束将图案映描到粉末上，以将粉末熔融到一起来形成某一形状。一旦所述形状形成，就将平台降低并添加新的粉末层。重复该过程，直到零件完全成型。


技术实现要素：

[0007]
在一个方面中，一种增材制造设备包括：平台；分配器，所述分配器被配置为将多个连续的馈给材料层输送到所述平台上；至少一个光源，所述至少一个光源被配置为生成第一光束和第二光束；多面镜扫描仪；致动器；和振镜扫描仪。所述多面镜扫描仪被配置为接收所述第一光束并将所述第一光束朝向所述平台反射。所述第一多面镜的旋转引起所述光束在第一方向上沿着所述平台上的馈给材料层上的某一路径移动。所述致动器被配置为引起所述路径沿着相对于所述第一方向呈非零角度的第二方向移动。所述振镜扫描仪系统被配置为接收第二光束并将所述第二光束朝向所述平台反射。
[0008]
实现方式可包括以下特征中的一个或多个特征。
[0009]
致动器可包括线性致动器，所述线性致动器被配置为使多面镜扫描仪沿着第二方向移动。多面镜扫描仪可被配置为绕平行于所述第二方向的轴线旋转。所述致动器可包括旋转致动器，所述旋转致动器被配置为使镜子绕平行于第一方向的轴线旋转。所述多面镜扫描仪可被配置为绕垂直于平台的顶表面的轴线旋转。所述多面镜扫描仪的多面镜的刻面可相对于所述多面镜的旋转轴线平行或倾斜。
[0010]
所述多面镜扫描仪和振镜扫描仪系统定位为使得两者同时具有平台的一部分的
不间断视场，例如，平台的实质上所有构建区域的不间断视场。所述多面镜扫描仪的扫描场可适配在振镜扫描仪系统的扫描场内。振镜扫描仪系统可以定位在多面镜扫描仪下方，并且第一光束可以从振镜扫描仪系统上方传播到台板而没有反射。振镜扫描仪系统可以定位在多面镜扫描仪上方，并且第一光束可以在多面镜扫描仪与台板之间反射。
[0011]
一个或多个光源可包括用于第一光束和第二光束的单独光源。一个或多个光源可包括共用光源和分束器，以产生第一光束和第二光束。
[0012]
控制器可被配置为使光源和多面镜扫描仪引起第一光束施加足以将馈给材料的温度从第一温度升高到第二温度的热量，所述第二温度低于馈给材料熔融的第三温度(tf)。控制器可被配置为在馈给材料的温度已经被第一光束升高时，使光源和振镜扫描仪系统引起第二光束施加足够的热量至馈给材料，以使馈给材料的温度进一步升高到高于第三温度。
[0013]
控制器可被配置为使光源和振镜扫描仪系统引起第二光束施加足够的热量至馈给材料，以使馈给材料的温度进一步升高到高于馈给材料熔融的温度(tf)。控制器可被配置为在馈给材料已熔融之后，使光源和多面镜扫描仪引起第一光束将热量施加至馈给材料，以控制馈给材料的冷却速率。
[0014]
可以实现本公开内容中描述的主题的特定具体实现方式，从而实现以下优点中的一个或多个优点。光束可用于粉末或熔融材料的预热或热处理。可减少激光使粉末熔融所需的功率。可减小热应力，这可提供改善的零件质量。
[0015]
在附图和说明书中阐述了一个或多个实现方式的细节。根据说明书、附图和权利要求书，本主题的其他特征、方面和优点将变得显而易见。
附图说明
[0016]
图1是示例增材制造设备的示意性侧视图。
[0017]
图2a和图2b是来自增材制造设备的打印头的示意性侧视图和俯视图。
[0018]
图3a是示例增材制造设备的一部分的示意性侧视图。
[0019]
图3b包括多面镜的示意性俯视图和侧视图。
[0020]
图3c是由能量输送系统扫描的区域的示意性俯视图。
[0021]
图4是另一示例增材制造设备的示意性侧视图。
[0022]
图5是另一示例增材制造设备的一部分的示意性侧视图。
[0023]
在各个附图中，相同的附图标记和标号表示相同的元件。
具体实施方式
[0024]
在许多增材制造工艺中，能量被选择性地输送到由增材制造设备分配的馈给材料层，以使馈给材料按某一图案熔融，从而形成物体的一部分。例如，光束，例如激光束，可以从旋转的多边形扫描仪上反射出，以沿着跨过馈给材料层的线性路径驱动光束。光源与支撑件或次镜(secondary mirror)之间的相对运动可用于引起光束执行对层的光栅扫描。
[0025]
增材制造设备
[0026]
图1示出了示例增材制造(am)设备100的示意性侧视图，所述增材制造设备包括打印头102和构建平台104(例如，构建工作台)。打印头102将一种或多种粉末106的层(图2)分
配到平台104的顶表面105上。通过重复地分配和熔融粉末层，设备100可在平台上形成零件。
[0027]
打印头102和构建平台104都可被包封在壳体180中，所述壳体形成密封腔室186，例如真空腔室，所述密封腔室提供受控的操作环境。腔室186可包括耦接至气体源的入口182和耦接至排气系统的出口184，所述排气系统，例如泵。气体源可提供惰性气体，例如ar，或在粉末熔融或烧结所达到的温度下不反应的气体，例如n2。这允许控制壳体180内部的压力和氧含量。例如，可以将氧气保持在低于0.01个大气压的分压下。
[0028]
腔室186可保持在大气压下(但氧小于1％)，以避免构建完全真空兼容的系统的成本和复杂性。当压力为1个大气压时，例如处理ti粉末粒子时，氧含量可低于50ppm。可通过阀188进入的负载锁定腔室可用于将腔室186与外部环境分隔开，同时允许从所述腔室中取出零件、例如是带有所制造的物体的构建平台，该阀，例如狭缝阀。例如，构建平台104可为在轨道189上可移动的，例如在导轨上可移动的。
[0029]
参照图1至图2b，打印头102被配置为横越平台104(箭头a所示)。例如，设备100可包括支撑件，例如，线性导轨或一对线性导轨119，可以通过线性致动器和/或马达使打印头沿着所述支撑件移动。这允许打印头102沿着第一水平轴线跨平台104移动。在一些实现方式中，打印头102可沿着垂直于第一轴线的第二水平轴线移动。
[0030]
打印头102也可为沿着竖直轴线可移动的。具体地，在每一层熔融之后，可以将打印头102提升等于沉积的粉末层的厚度的量。这可以在打印头上的分配器与平台104上的粉末顶部之间保持恒定的高度差。可以将驱动机构、例如是活塞或线性致动器连接到打印头或保持打印头的支撑件，以控制打印头的高度。或者，可以将打印头102保持在固定的竖直位置，并且可以在沉积每一层之后使平台104降低。
[0031]
参照图2a和图2b，打印头102包括至少第一分配系统116，以将粉末106选择性地分配到构建平台104上。在图2a所示的实现方式中，第一分配系统116包括料斗131以用于接收粉末106。粉末106可以行进穿过具有可控孔口的通道132，所述可控孔口例如是控制是否将粉末分配到平台104上的阀。
[0032]
任选地，打印头102可包括加热器112以升高沉积粉末的温度。热源112可将沉积的粉末加热到低于其烧结或熔化温度的温度。热源112可为例如加热灯阵列。热源112可相对于打印头102的向前移动方向，定位在第一分配系统116的后面。当打印头102沿着向前方向移动时，热源112移动跨过第一分配系统116先前所位于的区域。
[0033]
任选地，打印头102还可包括第一散布器118，例如辊或刀片，所述第一散布器首先与分配系统116协作以压实并散布由分配系统116分配的粉末。散布器118可以为所述层提供实质上均匀厚度。在一些情况下，第一散布器118可按压粉末层以压实所述粉末。
[0034]
打印头102还可任选地包括第一感测系统120和/或第二感测系统122，以在粉末由分配系统116分配之前和/或之后检测层的特性。
[0035]
在一些实现方式中，打印头102包括第二分配系统124以分配第二粉末108。第二分配系统124如果存在的话则可以类似地配置有料斗133和通道134。第二散布器126可与第二分配系统124一起操作以散布和压实所述第二粉末108。第二热源136可相对于打印头102的向前移动方向，定位在第二分配系统124的后面。
[0036]
第一粉末粒子106可以具有比第二粉末粒子108更大的平均直径，例如大两倍或更
多倍的平均直径。当将第二粉末粒子108分配在第一粉末粒子106的层上时，第二粉末粒子108渗透到第一粉末粒子106的层中以填充第一粉末粒子106之间的空隙。小于第一粉末粒子106的第二粉末粒子108可以实现更高的分辨率、更高的预烧结密度和/或更高的压实率。
[0037]
可替代地或另外，如果设备100包括两种类型的粉末，则第一粉末粒子106可具有与第二粉末粒子不同的烧结温度。例如，第一粉末可以具有比第二粉末更低的烧结温度。在此类实现方式中，可以使用能量源将粉末的整个层加热到一定温度，使得第一粒子熔融而第二粉末不熔融。
[0038]
在实现方式中，当使用多种类型的粉末时，第一分配系统116和第二分配系统124可以将第一粉末粒子106和第二粉末粒子108各自输送到不同的选定区域中，具体取决于要形成的物体的部分的分辨率要求。
[0039]
金属粒子的示例包括金属、合金和金属间合金。用于金属粒子的材料的示例包括钛、不锈钢、镍、钴、铬、钒，以及这些金属的各种合金或金属间合金。陶瓷材料的示例包括金属氧化物，诸如二氧化铈、氧化铝、二氧化硅、氮化铝、氮化硅、碳化硅，或这些材料的组合。
[0040]
在具有两种不同类型的粉末的实现方式中，在一些情况下，第一粉末粒子106和第二粉末粒子108可以由不同的材料形成，而在其他情况下，第一粉末粒子106和第二粉末粒子108具有相同的材料组成。在操作设备100以形成金属物体并分配两种类型的粉末的示例中，第一粉末粒子106和第二粉末粒子108可具有这样的组成，所述组成进行组合以形成金属合金或金属间材料。
[0041]
用于金属和陶瓷的增材制造的加工条件与用于塑料的那些明显不同。例如，通常，金属和陶瓷需要明显更高的加工温度。因此，用于塑料的3d打印技术可能不适用于金属或陶瓷加工，并且设施可能不等效。然而，在此描述的一些技术可能适用于聚合物粉末，例如尼龙、abs、聚醚醚酮(peek)、聚醚酮酮(pekk)和聚苯乙烯。
[0042]
返回图1，设备100还包括第一能量输送系统140，以选择性地向构建平台104上的粉末层添加能量。第一能量输送系统140可用于在平台140上熔融粉末层，用于预热粉末层，和/或用于对粉末层进行热处理。
[0043]
第一能量输送系统140可产生光束142，并且包括反射器组件，所述反射器组件将光束142朝向平台104上的最上部粉末层重定向。能量输送系统140的示例实现方式将在本公开内容内的后面更详细描述。反射器组件能够使光束142在最上层上沿着路径158(参见图3c)、例如是线性路径扫掠。每次扫掠可以是粉末层上沿着方向b的线性路径。方向b可以垂直于分配器102的行进方向a(例如，进入或离开图1所示的页面)，或平行于分配器102的行进方向a。
[0044]
当光束142沿着所述路径扫掠时，可以例如通过使光源140打开和关闭光束142来调制光束142，以便将能量输送到粉末106的层的选定区域并使所述选定区域中的材料熔融以根据所需图案形成物体。
[0045]
参考图3a，第一能量输送系统140包括光源144，例如激光器，以生成光束142，例如激光束。光源可以是：发光二极管，例如，400-450nm蓝色发光二极管)；激光器，例如，500-540nm二次谐波激光器；或另一种合适的光源。
[0046]
多边形射束扫描仪146位于光束的路径中，以将光束142朝向平台104反射。多边形射束扫描仪146包括例如呈规则多边形形式的多个反射刻面148。多边形射束扫描仪146可
为可通过旋转致动器152而绕轴线150旋转的。刻面148可以平行于旋转轴线150，或者是相对于旋转轴线150倾斜的(例如，如图3a所示)。多边形射束扫描仪146的旋转将使每个刻面148移动，从而引起光束142在平台104上沿着路径158(参见图3c)扫掠。旋转轴线150可以垂直于光束沿着所述路径的行进方向b。
[0047]
至少多边形射束扫描仪146为沿着方向c可移动的，所述方向c与光束跨平台104的行进方向b的方向呈非零角度，例如，垂直。因此，随着多边形射束扫描仪146移动，由光束142扫描的区域也将跨平台104和粉末层移动。例如，参见图1，多边形射束扫描仪146可以在路径158靠近平台的一个边缘的第一位置开始，并移动到路径158靠近平台的相对边缘的第二位置(以假想线示出)。
[0048]
例如，如图1所示，设备100可包括支撑件，例如，线性轨道或一对线性轨道119，可通过线性致动器和/或马达使多边形射束扫描仪146沿着所述支撑件移动。结合多边形射束扫描仪146和平台104的相对运动，光束142沿着路径的一系列扫掠可以在整个最上部层116上形成光束142的光栅扫描。方向c可以平行于旋转轴线150。
[0049]
多边形射束扫描仪146可以由沿着支撑件149可移动的壳体154保持。光源144也可以由壳体154保持并随所述壳体移动。可替代地，光源144可以是固定的，并且光可由柔性光纤输送到多边形射束扫描仪。柔性光纤的一个端部将是可移动的并且相对于多边形射束扫描仪146固定在固定位置。
[0050]
任选地，光束142可穿过一个或多个聚焦透镜156。聚焦透镜156可定位在多边形射束扫描仪146之前和/或之后。
[0051]
返回图1，在一些实现方式中，设备100还包括第二能量输送系统160，以选择性地向构建平台104上的粉末层添加能量。第二能量输送系统160可生成第二光束162，并且可包括第二反射器组件，所述第二反射器组件将第二光束162朝向平台104上的最上部粉末层重定向。
[0052]
参考图3a，第二能量输送系统160可包括第二光源164，例如第二激光器164，以生成第二光束162。第二光源可以为相对高的功率，例如1-10kw。可以通过一对振镜扫描仪166使第二光束162跨平台104上的构建区域扫描，所述一对振镜扫描仪可以提供光束162沿着两个垂直轴线的运动。扫描透镜167可用于聚焦和引导第二光束162。
[0053]
参考图1和图3c，第二能量输送系统160的扫描场168，例如是可由一对振镜扫描仪166寻址的区域，可以跨越平台104上的实质上所有构建区域。或者，可由所述一对振镜扫描仪166寻址的区域可以是构建区域的一部分，并且第一能量输送系统140和第二能量输送系统160的整体组件可为可移动的，以使场扫描场在整个平台104上移位。由于所述一对振镜扫描仪166，光束162可以沿任意路径穿过粉末层，例如，与第一能量输送系统140不同，光束不被约束为沿着线性路径或光栅扫描移动。
[0054]
在一些实现方式中，打印头102、第一粉末输送系统140和第二能量系统160机械地耦接至相同的竖直致动器，使得它们全部可一起向上或向下移动。这允许分配器、第一光源和第二光源在逐层的基础上与最上部粉末层保持恒定的距离。
[0055]
多面镜扫描仪146可以竖直地定位在第二能量输送系统160上方。这允许第二能量输送系统160不受遮挡地看到扫描场168。
[0056]
在一些实现方式中，第一能量输送系统140用于预热或热处理，而第二能量输送系
统160用于使粉末熔融。在预加热的情况下，第一光束142将粉末的温度从初始温度升高到升高的温度，所述升高的温度仍然低于粉末熔化或熔融的温度。然后，第二光束162扫描粉末层并且选择性地将粉末的温度升高至足以使粉末熔化或熔融的温度。在加热处理的情况下，第一光束142输送能量以便控制材料的冷却速率。
[0057]
参考图4至图5，设备100类似于参照图1至图3c所述的设备，但是第二能量输送系统包括振镜170以使光束142偏转，以便扫描整个平台104上的路径168，而不是移动多面镜扫描仪。在所述实现方式中，旋转轴线150可以是竖直的，例如垂直于平台104的顶表面。振镜扫描仪170的镜子172可以由致动器174驱动以绕平行于平台104的顶表面且平行于路径168的轴线旋转。因此，路径168沿方向c的位置可由镜子172的角度控制。
[0058]
控制器128控制设备100的操作，包括打印头102及其子系统的操作，所述子系统，诸如分配系统116和热源112、第一能量输送系统140和第二能量输送系统160。控制器128还可接收来自例如设备的用户界面上的用户输入的信号，或者来自设备100的传感器的感测信号。控制器128可操作分配系统116以分配粉末106，并且可操作第一能量输送系统140和第二能量输送系统160以加热和熔融粉末106用以形成工件10，所述工件变成要形成的物体。
[0059]
控制器128可包括计算机辅助设计(cad)系统，所述cad系统接收和/或生成cad数据。cad数据指示要形成的物体，并且如本文所述，可用于确定在增材制造过程中形成的结构的特性。基于cad数据，控制器128可生成可用控制器128操作的系统中的每个系统可用的指令，例如，用以分配粉末106，以使粉末106熔融，以移动设备100的各种系统，以及以感测系统、粉末和/或工件10的特性。在一些实现方式中，控制器128可控制第一分配系统116和第二分配系统124以将第一粉末粒子106和第二粉末粒子108选择性地输送到不同的区域。
[0060]
控制器128例如可将控制信号传输到驱动机构，所述驱动机构移动设备的各个部件。在一些实现方式中，驱动机构可引起这些不同系统的平移和/或旋转，这些不同系统包括分配器、辊、支撑板、能源、热源、感测系统、传感器、分配器组件、分配器以及设备100的其他部件。驱动机构中的每个驱动机构可包括一个或多个致动器、连杆以及其他机械或机电零件，以使设备的部件能够运动。
[0061]
控制器要被配置为执行特定操作或动作，意味着所述控制器使软件、固件、硬件或它们的组合在操作中使系统执行所述操作或动作。一个或多个计算机程序要被配置为执行特定操作或动作，意味着所述一个或多个程序包括这样的指令，所述指令在由数据处理设备执行时使所述设备执行所述操作或动作。
[0062]
结论
[0063]
本文所述的系统的控制器和其他计算装置零件可以以数字电子电路或以计算机软件、固件或硬件来实现。例如，控制器可包括处理器，以执行存储在计算机程序产品中，例如存储在非暂时性机器可读取存储介质中的计算机程序。此类计算机程序(也称为程序、软件、软件应用程序或代码)可以用包括编译型或解释型语言的任何形式的编程语言编写，也可以以任何形式进行部署，包括作为独立程序或作为适用于计算环境中的模块、部件、子例程或其他单元。
[0064]
尽管该文件包含许多特定的实现方式细节，但是这些细节不应解释为对任何发明或可能要求保护的范围的限制，而是作为对特定发明的特定实施方式所特有的特征的描
述。在本文中在单独的实施方式的上下文中描述的某些特征也可以在单个实施方式中组合实现。相反，在单个实施方式的上下文中描述的各种特征也可以在多个实施方式中单独地或以任何合适的子组合来实现。此外，尽管以上可以将特征描述为以某些组合起作用并且甚至最初如此要求保护，但是在一些情况下可以从所要求保护的组合中切除来自所述组合的一个或多个特征，并且可以将所要求保护的组合指向子组合或子组合的变型。
[0065]
已经描述了许多实现方式。然而，应当理解的是，可以进行各种修改。例如：
[0066]
·
其他技术可用于分配粉末。例如，可以将粉末分配在运载液中，例如快速蒸发的液体，诸如异丙醇(ipa)、乙醇或n-甲基-2-吡咯烷酮(nmp)中，和/或从压电打印头中喷出。或者，可以通过刀片将粉末从与构建平台相邻的粉末贮存器推出。
[0067]
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对于一些粉末，可以使用电子束代替激光束来使粉末熔融。因此，第二能量输送系统可包括电子束源和电子束扫描仪，而不是光源和一对振镜扫描仪。
[0068]
·
用于部件的各种支撑件可以实现为支撑在相对端(例如，如图2b所示的平台104的两侧上)上的台架，或悬臂组件(例如，支撑在平台104的仅一侧上)。
[0069]
因此，其他实现方式在权利要求书的范围内。

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