CN111182996A - 通过粉末喷射进行3d打印的粉末供给***和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于通过喷射至少第一粉末进行3D打印的设备的切换***(1)，包括主体(10)，该主体限定：‑被构造为接收气体的至少一个第一上游气体导管(G1)；‑被构造为接收第一粉末的至少一个上游粉末导管(A)；‑用于排出第一粉末的至少一个第一下游排出导管(Ra)；以及‑被构造为给喷嘴进料的下游工作导管(T)，该喷嘴被设计用于沉积至少第一粉末。该***还包括分配器(2)，该分配器能在静止位置与至少第一供应位置之间相对于主体移动，优选围绕轴线(D)旋转地移动，在静止位置，第一上游粉末导管经由分配器流体地连接至第一下游排出导管，而在第一供应位置，第一上游粉末导管经由分配器流体地连接至下游工作导管。

Description

通过粉末喷射进行3D打印的粉末供给***和方法

技术领域

本发明涉及一种用于通过喷射至少第一粉末的3D打印设备的切换***，以及这种设备和实现这种***的方法。

例如，本发明涉及直接从计算机辅助设计(CAD)快速制造和维修三维金属零件的领域。本发明涉及一种***和对通过直接添加能够通过激光熔化金属粉末来形成功能零件的材料直接形成形状的材料分配方法(通常称为激光构造)的改进。

背景技术

通过喷射金属粉末或激光金属沉积(LMD)方法进行的增加构造或再装填包括通过激光或其他熔化方法使金属粉末熔化，以生成尺寸完全受控的沉积物。材料层依次堆叠以形成功能性技术零件。这种通过3D打印的制造方法可以用于从汽车到航空的许多技术领域。

更具体地，在LMD中，将连续的金属粉末层直接注入到激光下方，该激光将新层与前一层融合。有利地，该技术基于打印头。头部或零件可在至少一个轴线上移动，因此粉末恰好喷射到激光束下方。粉末可以具有根据所使用的技术而变化的粒度特征。当前，LMD技术相对于传统加工能够节省材料，在传统加工中，材料的去除可达到成品零件的80％。考虑到工业中所用材料的成本，工业家正在寻找能够减少材料消耗的技术。因此，增材制造的参与者试图在保持所生产的零件的机械性能的同时减少粉末的用量。

当前，出于空间、填充和维护的原因，LMD 3D打印机具有至少一个通常位于机器的腔室外部的粉末分配器。分配器经由柔性的软管朝着注入喷嘴连续地分配粉末。注入喷嘴将粉末朝着激光束引导。粉末通常在诸如氩气的载气流中输送，以使其移动。气体流速通常在制造期间不变化。

通常，对于内径为4mm的管，载气流速约为每分钟3升。

当前，分配器和喷嘴之间的大距离导致粉末的离开和到达之间的响应时间相当长(对于当前构造，约为10秒)。该响应时间不利于该技术的改进，因为该响应时间阻止了在没有激光发射的情况下停止打印头两次移动之间的粉末流速的能力。

减少工业家所考虑的不必要的粉末消耗的一种方式是根据需要通过简单的电磁阀中断粉末向喷嘴的流动。该技术的缺点在于，当粉末的分配通道不再通气时，该分配通道容易堵塞。已知US-A-2005/133527，其公开了一种方向阀，其可以使粉末流部分地朝着放电或激光器定向。该技术无法完全解决粉末浪费的问题，并且不适用于使用几种类型的粉末来制造多金属零件的***。

发明内容

因此，本发明旨在解决上述缺点，特别是通过提出一种用于通过喷射粉末的3D打印设备的切换***，该切换***能够非常迅速地中断LMD喷嘴中的粉末流速，同时允许回收未使用的粉末，并且在制造过程需要时，可以非常快速地重新建立LMD喷嘴中的粉末流速。

为此，本发明涉及一种用于通过喷射至少第一粉末进行3D打印的设备的切换***，该切换***包括主体，该主体限定：

-被构造为接收气体的至少一个第一上游气体导管，

-被构造为接收第一粉末的至少一个第一上游粉末导管，

-用于排出第一粉末的至少一个第一下游排出导管，以及

-被构造为给喷嘴进料的下游工作导管，喷嘴被设计用于至少沉积第一粉末，

该切换***还包括分配器，该分配器能在静止位置和至少第一供应位置之间相对于主体移动，优选围绕轴线旋转地移动，在静止位置，第一上游粉末导管经由分配器流体地连接至第一下游排出导管，而在第一供应位置，第一上游粉末导管经由分配器流体地连接至下游工作导管。

根据特定的实施方式，切换***包括单独考虑或根据所有技术上可能的组合考虑的以下一个或多个特征：

-分配器限定：内部通道，其被构造为在第一供应位置使第一上游粉末导管与下游工作导管处于流体连续；以及内部通道，其被构造为在静止位置使第一上游粉末导管与第一下游排出导管处于流体连续；

-在供应位置，第一上游气体导管通过分配器连接至第一下游排出导管，优选通过由分配器限定的内部通道连接至第一下游排出导管，并且在静止位置，第一上游气体导管通过分配器流体地连接至下游工作导管；

-主体还限定：被构造为接收第二粉末的第二上游粉末导管，该第二粉末有利地不同于第一粉末并被构造为通过3D打印设备喷射；以及用于排出第二粉末的第二下游排出导管，在第一供应位置，第二上游粉末导管通过分配器流体地连接至第二下游排出导管，分配器还能相对于主体朝向第二供应位置移动，优选围绕轴线旋转地移动，在第二供应位置，第二上游粉末导管通过分配器流体地连接至下游工作导管并且第一上游粉末导管通过分配器流体地连接至第一下游排出导管；

-分配器限定：内部通道，其被构造为在第一供应位置使第一上游粉末导管与下游工作导管处于流体连续，并且在第二供应位置使第二上游粉末导管与下游工作导管处于流体连续；以及内部通道，其被构造为在第二供应位置使第一上游粉末导管与第一下游排出导管处于流体连续，并且在第一供应位置使第二上游粉末导管与第二下游排出导管处于流体连续；

-主体还限定被构造为接收气体的第二上游气体导管，在第二供应位置，第二上游气体导管通过分配器连接至第一下游排出导管，优选通过由分配器限定的内部通道连接至第一下游排出导管；

-主体限定：被构造为接收N种粉末的N个上游粉末导管，所述N种粉末有利地彼此不同并被构造为通过3D打印设备喷射，N为大于或等于3的整数；以及分别被构造为排出N种粉末的N个下游排出导管，分配器能在至少N个供应位置之间相对于主体移动，优选通过围绕轴线旋转地移动，在N个供应位置，N个上游粉末导管中的一个上游粉末导管通过分配器相应地流体地连接至下游工作导管并且N个上游粉末导管中的其他上游粉末导管分别通过分配器流体地连接至下游排出导管；以及

-主体限定接收分配器的壳体，该壳体由主体的径向内壁界定，该壁限定：被构造为形成气体收集器的第一圆形凹槽，壁还限定与第一凹槽流体连通并被构造为与N个下游排出导管相对的小室；和/或被构造为形成气体收集器的第二圆形凹槽，壁还限定与第二凹槽流体连通并被构造为与N个上游粉末导管相对的小室。

根据另一个方面，本发明涉及一种用于通过喷射至少第一粉末进行3D打印的设备，该用于3D打印的设备包括：

-上面限定的切换***，以及

-被设计用于至少沉积第一粉末的喷嘴，该喷嘴被构造为在供应位置由下游工作导管供应第一粉末。

根据另一个方面，本发明还涉及一种粉末切换方法，其用于在用于通过喷射至少第一粉末进行3D打印的设备中实施，该方法包括以下步骤：

-提供切换***，

-将分配器置于第一供应位置，

-经由第一上游气体导管接收气体，

-在第一上游粉末导管中接收第一粉末，

-经由下游工作导管给喷嘴供应第一粉末，并经由喷嘴沉积第一粉末，

-将分配器置于静止位置，以及

-经由第一下游排出导管排出第一粉末。

根据一个特定的实施方式，该方法使得：

-在提供切换***的步骤中，主体限定了被构造为接收有利地彼此不同的多种粉末的多个上游粉末导管、分别用于排出粉末的多个下游排出导管，分配器能在多个供应位置之间相对于主体移动，优选围绕轴线旋转地移动，在多个供应位置，上游粉末导管中的一个上游粉末导管通过分配器相应地流体地连接至下游工作导管并且上游粉末导管中的其他上游粉末导管通过分配器流体地连接至下游排出导管，

-该方法实现供应粉末的多个供应源，以及

-使分配器在多个位置之间移动。

附图说明

通过阅读以下参照附图仅作为非限制性例子提供的描述，本发明的这些特征和优点将变得显而易见，在附图中：

-图1是根据本发明的3D打印设备的示意图，

-图2是图1所示的双向切换***的立体图，

-图3是图1和图2所示的切换***的垂直剖视图，

-图4和图5分别是图1至图3所示的切换***处于切换***的分配器的两个位置的操作图，

-图6是根据本发明的实现三种粉末的另一种切换***的操作图，以及

-图7是根据本发明的实现六种粉末的另一种切换***的垂直剖视图，以及

-图8是切开的立体图，以示出图7所示的切换***的主体的内部壳体。

具体实施方式

参照图1公开了根据本发明的用于3D打印的设备100。尽管如此，本发明适用于涉及粉末转移的所有领域，与增材制造技术、特别是SLM打印无关。

设备100包括打印头102，该打印头包括被构造为沉积粉末Pa、Pb以便制造对象104的喷嘴3以及回收粉末Pa、Pb的回收装置4、5。设备100还包括激光源106、Pa粉末源108、Pb粉末源110、气体源112以及被构造为从一种粉末切换到另一种粉末的切换***1。

最后，设备100包括用于至少垂直地移动打印头112的移动***114、被构造为在两个水平方向上移动对象104的移动***116以及被构造为控制设备100的控制***118。

为了制造完整零件、维修磨损零件或作为金属零件的表面覆盖物，可以单独地或在分开的层中使用各种金属粉末(例如：钢和不锈钢或所有金属合金，例如镍基合金、钴基合金、钛合金、铜合金或铝合金)、陶瓷、金属间化合物以及聚合物或其他复合材料。可以根据期望的特性和要制造的零件的用途而改变方法，使得LMD类型的增材制造喷嘴的进料通常需要根据需要连接多个独立的粉末分配器。

参照图2至图5，切换***1包括用于粉末Pa和Pb的两个上游导管或管线A和B、用于排出粉末Pa和Pb的两个下游导管Ra和Rb、两个上游气体导管G1和根据龙头的构造的可选的上游气体导管G2以及下游工作导管T，下游工作导管T连接至用于沉积或喷射粉末Pa或Pb的喷嘴3。该切换***1被定位在尽可能靠近用于朝激光器喷射粉末的喷嘴3的位置，以使粉末更换或者将粉末流速从ON模式(运行期间)切换到OFF模式(停止时)的过程中粉末的损失最小化并减少对制造过程变化的响应时间。

图3示出了切换***1的内部。切换***1包括主体10，主体10限定了上游导管A、B、G1、G2、下游导管Ra、Rb和下游工作导管T。

根据一个特定的实施方式，主体10还限定了排气导管RG1、RG2(图2)。

沿切换***1的轴线D观察，一方面，导管A和Ra沿直径方向基本相对，另一方面，导管B和Rb沿直径方向基本相对。同样，一方面，导管G1和RG1沿直径方向基本相对，另一方面，G2和RG2沿直径方向基本相对。

仍然沿轴线D观察，上游气体导管G1和G2成大致直角设置，导管G1以相等的距离成角度地位于上游导管A和排出导管Rb之间，并且导管G2位于导管A和B之间。

下游工作导管T基本上在轴线D的延伸中延伸。

根据本发明，切换***1在其中心包括分配器2，该分配器能在图2至图4所示的第一供应位置、图5所示的第二供应位置和静止或清洁位置(未被示出，但能够从前面的图通过旋转分配器2推导出)相对于主体10移动，有利地沿轴线D旋转地移动。

轴线D在此是切换***1的纵向轴线，有利地是垂直的。

在该例子中，分配器2为圆锥形的中央衬套的形式，但是在变型中可以是圆柱形的，或者甚至是球形的或半球形的。

分配器2限定使上游导管A、B、G1、G2与下游导管Ra、Rb、T处于流体关系的内部通道21、22和23。

如图3所示，通道21是笔直的，以便将粉末Pb直接从上游导管B输送到下游导管Rb，以便进行再循环。通道22相对于水平方向转动大致45°，以便在通道22的起点和终点之间获得135°的角度。通道22例如在通道21上方经过，以便将气体从G1输送到排气管线Ra。通道23由导管A进料，并且将粉末流Pa转向下游工作导管T以便给喷嘴3进料。

通过使分配器2围绕轴线D旋转，通道21、22和23与上游导管和下游导管的连接改变。根据需要将通道23连接至上游导管A以接收粉末Pa，连接至上游导管B以接收粉末Pb，或者连接至上游气体导管G1以从下游工作导管T排出任何粉末残留物。其他通道21和22用于偏转未使用的粉末流或向下游导管排气。分配器2通过任何类型的机械***、特别是千斤顶、电动马达、磁致动器等而沿轴线D旋转。

图4示出了具有两种类型的粉末和分配器的三个可能位置的分配器2的操作图。这些位置随着分配器2的旋转而呈现。在图4中，呈现的位置是可以将粉末Pa用作工作粉末的第一供应位置，因为粉末Pa通过下游工作导管T和分配器2的通道23直接从上游导管A输送到喷嘴3。

被供应粉末Pb的导管B通过通道21连接至下游导管Rb。粉末Pb回收在粉末Pb回收装置4中。上游气体导管1通过分配器2的通道22连接至下游导管Ra。这种连接具有通过吹送气体清洁下游导管Ra，从而避免该导管的堵塞的优点。

粉末Pa通过专用于粉末Pa的回收装置5回收。气体的抽吸和过滤单元7连接在回收装置4和5的出口(图4至图6)。

图5示出了处于第二供应位置的相同的切换***1，第二供应位置使粉末Pb可以朝向喷嘴3输送。下游导管B经由分配器2的通道23联接至下游工作导管T。粉末Pa继续通过上游导管A到达，但通过通道21向下游导管Ra偏转，以便对其进行回收并保持粉末循环，以便在喷嘴3处更换粉末期间具有更大的反应性。连接至通道22的上游导管G1清洁下游导管Rb以避免粉末Pb的沉积。

然后，有利地，通过上游气体导管G1和通道23仅给下游工作导管T供应气体，这导致在A和B之间改变位置时停止粉末的注入并清洁直至喷嘴3的下游导管T。

同样，在第一供应位置和第二供应位置之间的过渡期间，通道21在中间位置被来自导管G1的纯净气体穿过。然后将气体朝向排气导管RG1排出。

在另一个中间位置，来自导管G2的气体在通道21中循环并通过排气导管RG2排出。

分配器2的该中间位置在从粉末供应A到粉末供应B的过渡期间起作用。在这种情况下，当通道23经过导管G1或G2时，发生短暂的供应切断A和B，以便清洁直到喷嘴3的下游导管T。

在正常使用期间，仅在实际需要使用粉末Pa或Pb之前的15至20秒启用上游导管A或B。通过将分配器从有效管线(例如A)切换到无效管线(例如B)来完成从粉末Pa到粉末Pb的切换，反之亦然。管线A和B很少但可以同时不使用，并且立即从A切换到B是有用的。对于双组分的使用，三向分配器更适合(关于六向分配器的例子，请参见图7和图8)。

为了避免导管的磨损和载气浪费，在实际需要使用每种粉末之前和之后的几秒钟，启用和停用未使用的回路中的粉末分配器和气体循环。

图6示出了根据本发明的另一个示例性实施方式的使用三种不同粉末Pa、Pb、Pc的另一个操作图。在该例子中，切换***1类似于图1至图5所示的切换***。下面仅描述不同之处。

在此例子中，切换***1将三个上游粉末导管A、B、C、上游气体导管G1与三个下游排出导管和一个下游工作导管T连接。为了允许这种连接，切换***1包括具有四个连接通道21、22、23、24的分配器2。分配器2可以采取四个不同的位置，以确保***1的运行，并根据制造计划在适当的时候将合适的粉末引导到喷嘴3。

图7示出了根据本发明的另一个示例性实施方式的操作图，其类似于图1至图6所示的操作图。下面仅描述不同之处。

在该例子中，切换***1包括六个独立的粉末供应管线和六个回收管线。

该例子示出了管线间小室26、26A(图8)的***如何由于纯净气体在圆形凹槽24上的作用一方面能够清洁分配器2的从一条管线到另一条管线的每个通路之间的内部通道以及另一方面如何收集在第二圆形凹槽25上更换管线时可能已滞留在回路中的粉末残留物。

可以增加切换***1的导管的数量和分配器2的通道的数量，以便使用一定数量的不同粉末来按需自动地给喷嘴3进料，而无需改变布线，也不会损失粉末。

通过仅向位于两个粉末供应管线之间的管线供应气体，当两个供应管线之间的位置改变或在两次发射之间进行激光束的切断时，可以有利地受益于可以延伸的“静止”位置。

旋转分配器似乎最适合于允许这些导管和通道集成在一起，同时也满足切换***1紧凑性的需求。实际上，切换***1的紧凑性使其可以尽可能地靠近3D打印头放置。

根据本发明的另一个实施方式，切换***1使用相对于主体10不是旋转地移动而是平移地移动(例如水平或竖直)的分配器2，从而经由分配器的内部通道连接上游导管和下游导管。因此，分配器2可以采取允许该功能的任何形式，特别是长方体形状。

根据本发明，使用的粉末数量没有限制。

Claims (11)

1.一种用于通过喷射至少第一粉末(Pa)进行3D打印的设备(100)的切换***(1)，该切换***(1)包括主体(10)，所述主体限定：

-被构造为接收气体的至少一个第一上游气体导管(G1)，

-被构造为接收第一粉末(Pa)的至少一个第一上游粉末导管(A)，

-用于排出第一粉末(Pa)的至少一个第一下游排出导管(Ra)，以及

-被构造为给喷嘴(3)进料的下游工作导管(T)，所述喷嘴被设计用于至少沉积第一粉末(Pa)，

其特征在于，所述切换***还包括分配器(2)，该分配器能在静止位置和至少第一供应位置之间相对于主体(10)移动，优选围绕轴线(D)旋转地移动，在所述静止位置，第一上游粉末导管(A)通过分配器(2)流体地连接至第一下游排出导管(Ra)，而在所述第一供应位置，第一上游粉末导管(A)通过分配器(2)流体地连接至下游工作导管(T)。

2.根据权利要求1所述的切换***(1)，其特征在于，所述分配器(2)限定：

-内部通道(23)，其被构造为在所述第一供应位置使第一上游粉末导管(A)与下游工作导管(T)处于流体连续，以及

-内部通道(21)，其被构造为在所述静止位置使第一上游粉末导管(A)与第一下游排出导管(Ra)处于流体连续。

3.根据权利要求1或2所述的切换***(1)，其特征在于：

-在所述供应位置，第一上游气体导管(G1)通过分配器(2)连接至第一下游排出导管(Ra)，优选通过由分配器(2)限定的内部通道(22)连接至第一下游排出导管(Ra)，并且

-在所述静止位置，第一上游气体导管(G1)通过分配器(2)流体地连接至下游工作导管(T)。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的切换***(1)，其特征在于，所述主体(10)还限定：

-被构造为接收第二粉末(Pb)的第二上游粉末导管(B)，第二粉末(Pb)有利地不同于第一粉末(Pa)并被构造为通过3D打印设备(100)喷射，以及

-用于排出第二粉末(Pb)的第二下游排出导管(Rb)，

在所述第一供应位置，第二上游粉末导管(B)通过分配器(2)流体地连接至第二下游排出导管(Rb)，

分配器(2)还能相对于主体(10)朝向第二供应位置移动，优选围绕轴线(D)旋转地移动，在该第二供应位置，第二上游粉末导管(B)通过分配器(2)流体地连接至下游工作导管(T)并且第一上游粉末导管(A)通过分配器(2)流体地连接至第一下游排出导管(Ra)。

5.根据权利要求4所述的切换***(1)，其特征在于，所述分配器(2)限定：

-内部通道(23)，其被构造为在所述第一供应位置使第一上游粉末导管(A)与下游工作导管(T)处于流体连续，并且在所述第二供应位置使第二上游粉末导管(B)与下游工作导管(T)处于流体连续，以及

-内部通道(21)，其被构造为在所述第二供应位置使第一上游粉末导管(A)与第一下游排出导管(Ra)处于流体连续，并且在所述第一供应位置使第二上游粉末导管(B)与第二下游排出导管(Rb)处于流体连续。

6.根据权利要求4或5所述的切换***(1)，其特征在于：

-主体(10)还限定被构造为接收气体的第二上游气体导管(G2)，

-在所述第二供应位置，第二上游气体导管(G2)通过分配器(2)连接至第一下游排出导管(Ra)，优选通过由分配器(2)限定的内部通道(22)连接至第一下游排出导管(Ra)。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的切换***(1)，其特征在于，所述主体(10)限定：

-被构造为接收N种粉末(Pa，Pb)的N个上游粉末导管(A，B)，所述N种粉末有利地彼此不同并被构造为通过3D打印设备(100)喷射，N为大于或等于3的整数，

-分别被构造为排出N种粉末(Pa，Pb)的N个下游排出导管(Ra，Rb)，

分配器(2)能在至少N个供应位置之间相对于主体(10)移动，优选通过围绕轴线(D)旋转地移动，在所述至少N个供应位置，N个上游粉末导管(A，B)中的一个上游粉末导管通过分配器(2)相应地流体地连接至下游工作导管(T)并且N个上游粉末导管(A，B)中的其他上游粉末导管分别通过分配器(2)流体地连接至下游排出导管(Ra，Rb)。

8.根据权利要求7所述的切换***(1)，其特征在于，所述主体(10)限定接收分配器(2)的壳体(2A)，该壳体(2A)由主体(10)的径向内壁(2B)界定，壁(2B)限定：

-被构造为形成气体收集器的第一圆形凹槽(24)，壁(2B)还限定与第一凹槽(24)流体连通并被构造为与N个下游排出导管(Ra，Rb)相对的小室(26)，和/或

-被构造为形成气体收集器的第二圆形凹槽(25)，壁(2B)还限定与第二凹槽(25)流体连通并被构造为与N个上游粉末导管(A，B)相对的小室(26A)。

9.一种用于通过喷射至少第一粉末(Pa)进行3D打印的设备(100)，该用于3D打印的设备(100)包括：

-根据权利要求1至8中任一项的切换***(1)，以及

-被设计用于至少沉积第一粉末(Pa)的喷嘴(3)，该喷嘴(3)被构造为在供应位置由下游工作导管(T)供应第一粉末(Pa)。

10.一种粉末切换方法，其用于在用于通过喷射至少第一粉末(Pa)进行3D打印的设备(100)中实施，该方法包括以下步骤：

-提供根据权利要求1至8中的任一项所述的切换***(1)，

-将分配器(2)置于第一供应位置，

-经由第一上游气体导管(G1)接收气体，

-在第一上游粉末导管(A)中接收第一粉末(Pa)，

-经由下游工作导管(T)给喷嘴(3)供应第一粉末(Pa)，并经由喷嘴(3)沉积第一粉末(Pa)，

-将分配器(2)置于静止位置，以及

-经由第一下游排出导管(Ra)排出第一粉末(Pa)。

11.根据权利要求10所述的方法，其中：

-在提供切换***(1)的步骤中，主体(10)限定了被构造为接收有利地彼此不同的多种粉末(Pa，Pb)的多个上游粉末导管(A，B)、分别用于排出粉末(Pa，Pb)的多个下游排出导管(Ra，Rb)，分配器(2)能在多个供应位置之间相对于主体(10)移动，优选围绕轴线(D)旋转地移动，在所述多个供应位置，上游粉末导管(A，B)中的一个上游粉末导管通过分配器(2)相应地流体地连接至下游工作导管(T)并且上游粉末导管(A，B)中的其他上游粉末导管通过分配器(2)流体地连接至下游排出导管(Ra，Rb)，

-该方法实现供应粉末(Pa，Pb)的多个供应源(108，110)，以及

-使分配器(2)在多个位置之间移动。

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