CN111629885B - 用于打印过程的关于粉末***回收的方法及设备 - Google Patents

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Abstract

公开了用于在打印过程中使用并且用于移除和回收过量粉末的方法以及设备的粉末***部件。该粉末***产生的截止点为3微米，而不是先前***的50微米。该设备包括粉末施加器、粉末移除器、螺旋旋风器、粉末收集器、以及交替地打开和关闭的两个阀。双阀***防止空气回流。通过双阀***处理粉末。该方法包括：关闭阀1并积聚粉末；还关闭阀2；打开阀1后，粉末穿过(没有空气回流)，然后关闭阀1；然后打开阀2并允许粉末到粉末施加器上；然后关闭阀2；然后再次开始循环。

Description

用于打印过程的关于粉末***回收的方法及设备
本申请要求于2017年3月17日提交的美国临时申请No.62/473,129的权益，该申请的全部内容在此通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及用于打印过程的粉末***回收器，具体地应用于增材制造，并且尤其涉及下述设备，所述设备是用于自动制造基于三维复合材料的物体的设备的粉末***回收器部件。
背景技术
增材制造诸如三维打印在很大程度上可以被视为材料科学问题。当前方法的限制之一是有限的材料调色板和缓慢的构建速度。
通过被称为基于复合材料的增材制造(CBAM)的研究方法避免了现有技术的这些和其他限制。在共同待决的2012年11月2日提交的美国专利申请No.13/582,939、2015年8月25日提交的No.14/835,690和2015年8月25日提交的No.14/835,635中完整地描述了CBAM，上述申请中的每个申请的全部内容通过引用并入本文。
2017年2月13日提交的国际申请no.PCT/US17/17672和2017年6月1日提交的美国申请no.15/611,320描述了用于使基于复合材料的增材制造(CBAM)自动化的特定方法和设备。国际申请no.PCT/US17/17672和美国申请no.15/611,320的全部内容通过引用并入本文。
在CBAM过程中使用的原始粉末回收器的截止点为50微米(也就是说，它不会回收小于50微米的颗粒)。粉末回收器包括：槽，该槽会使粉末沉积到基底片材上(其中粉末将会黏附到片材上的被弄湿区域，该被弄湿区域对应于3D物体的层图像)；用于移除过量粉末的真空；以及回收器，该回收器用于使用排放阀来回收过量粉末以使过量粉末返回到槽中。由于截止点为50微米，所以该装置将仅回收50微米或更大的那些颗粒，而小于50微米的颗粒将被丢弃。
本申请的发明人在CBAM过程中使用的颗粒的典型平均大小在50微米的范围内，具有较大和较小颗粒的分布，但是该过程不限于这些大小，并且可以在许多不同的颗粒平均大小和分布的情况下使用。因此，使用原始粉末回收器，许多颗粒(也就是说，50微米以下的那些颗粒)被丢弃并且因此被浪费。与此相反，期望在CBAM过程中包括较小的颗粒大小，因为它显示出提高了附着到被打印的基底片材上的粉末量。因此，原始粉末回收器不仅丢弃并因此浪费了较小的颗粒，还减弱了CBAM过程的性能。
申请人发现使用不同类型的回收器部分地克服了该问题，但是导致需要解决后续问题。申请人发现用螺旋旋风器(cyclone，旋风分离器)代替原始粉末回收器克服了丢弃较小颗粒的问题。但是，螺旋旋风器与原始排放阀的组合导致回流进入旋风器中，阻碍粉末从旋风器落入到槽中。
发明内容
申请人在将用于保留较小颗粒的螺旋旋风器与防止回流进入旋风器中的双阀(闸门或阀瓣)***进行组合的设计中发现了上述问题的解决方案。该设计回收较大范围的颗粒大小，包括较小的颗粒大小。本申请描述了特定的回收器设备(或粉末***设备)，该特定的回收器设备是用于打印过程的整个机器的一部分。申请人在对自动化的基于复合材料的增材制造(CBAM)进行改进的背景下开发了实施方式。该回收器将先前回收器的截止点从50微米改进到3微米。因此，它回收几乎所有的粉末，并且几乎不丢弃任何粉末。该解决方案还使用了子***，该子***具有交替地打开和关闭以将粉末释放到槽中的两个阀/闸门/阀瓣。
附图说明
图1是用于基于复合材料的增材制造的设备的示例实施方式的示意图。
图2描绘了用于基于复合材料的增材制造的基于辊的连续供给设备。
图3描绘了用于基于复合材料的增材制造的基于辊的卷材到片材设备。
图4A是双阀回收器的示意图。
图4B是收集器***的示意图。
图5示出了示例回收器的底部后部。
图6A示出了示例回收器的底部前部。
图6B示出了回收期间的打开的阀和关闭的阀。
图6C示出了回收期间的关闭的阀和关闭的阀。
图6D示出了回收期间的关闭的阀和打开的阀。
图7A示出了示例回收器的旋风器。
图7B示出了图7A的旋风器，其中粉末旋动穿过该旋风器以回收回到槽。
图8是示例回收器的另一实施方式的底部侧的立体图。
图9是示例回收器的底部后侧的立体图。
图10是示例回收器的底部前侧的立体图。
图11是示例回收器的后视图。
图12是示例回收器的俯视图。
图13是示例回收器的前视图。
图14是示例回收器的侧视图。
图15是示例回收器的等轴测前视图。
图16是示例回收器的另一等轴测前视图。
图17示出了位于回收器***下方的将粉末施加到片材的粉末槽。
图18示出了用于回收器的计算机。
图19例示了即将穿过粉末***被处理时的片材。
图20示出了离开粉末***时的片材。
图21是输送机的视图。
图22是输送机的另一视图。
图23是输送机的另一视图。
图24是输送机的另一视图。
图25是输送机的另一视图。
具体实施方式
申请人开发的实施方式及其相关子***
通过执行下述步骤，使被并入的在先申请(美国专利申请No.13/582,939、No.14/835,690和No.14/835,635)中描述的CBAM过程自动化，所述步骤通过以协同方式运行的多个部件或子***进行。机器100的示例实施方式的主要部件在图1中示出并且包括：材料供给器102；打印机104；粉末***500，该粉末***包括粉末施加器530和粉末移除器/回收器532；可选的熔凝器112；传输***；以及用于连接和控制各种部件的其他元件。虽然在图1中示出了示例部件，但是各种替代性部件和可选部件也适合于与机器100一起使用。
材料供给器102保持基底片材101诸如碳纤维片材的堆叠体，并将它们移动到适当的位置，使得一次可以将单张片材101传输到打印机压印盘300和打印机104。片材101通过传输***被传输到打印机104并被定位用于打印机。然后，打印机104如在被并入的在先申请(美国专利申请No.13/582,939、No.14/835,690和No.14/835,635)中那样在精确的位置将流体沉积到基底片材101上，并且该打印机包括用于将配准孔放置在片材101中处于期望的位置处的冲压机构。配准孔相对于被打印在片材上的层图像的位置被放置在精确的预定义的位置中。这可以通过将冲压机安装在放置有打印机构的同一框架上或者使用本领域公知的其他对准机构来实现。
然后，粉末施加器530将热塑性粉末沉积到基底片材101上，于是粉末附着到片材101的已经被打印机104弄湿的区域，即层图像。在典型的应用中，粉末施加器是包含粉末的槽。该槽在其底侧上具有有狭缝的开口，并且该槽与机电振动器连接。振动器在有效时会使粉末向下流动穿过有狭缝的开口并且从槽中流出。当传感器电路(未示出)在片材101在输送机上经过时感测到在下方存在该片材时，振动器被致动。当片材完全经过时，振动器停用，并且粉末停止从槽中向下流动。
粉末移除器532将未附着到片材101的任何粉末移除。在典型的应用中，这是耦接到旋风器的真空***(待随后进行描述)。当片材101经过粉末移除器532附近时，星形轮组件(未示出)将该片材的边缘向下保持，以防止真空力将该片材从输送机上提起。那些星形轮(薄金属盘)以与输送机相同的速度滚动。熔凝器112——其是可选的——以足以使粉末熔化并由此黏贴到基底片材101上的方式加热该基底片材101上的粉末，使得当并且如果来自打印机104的下面的流体变干，粉末保持在片材101上。对于像制造指定的三维(3D)零件或物体所需的那样多的附加基底片材101——其中每个片材101通常代表3D零件或物体的一层，重复此循环。该设备还包括堆叠器子***400，该堆叠器子***用于基于上述冲压孔以配准方式堆叠片材。
图1中描绘的机器的实施方式中还示出了：距离传感器138、Coandaor毡制材料夹持器118、XYZ***116、X***126、Y***128、打印头105、针或毡制材料夹持器120、轨道114、输送机152、旋风器154、以及气刀160。在国际申请no.PCT/US17/1772和美国申请no.15/611,320中详细描述了这些部件。
代替使用基底片材，可以在CBAM过程和自动化机器中使用基底材料的卷材。图2描绘了连续供给卷材实施方案190，并且图3描绘了卷材到片材实施方案195。在这些实施方式中，基底材料的卷材102被安装并位于打印机104之前。张紧***103与供给辊106一起用于保持和推进幅材，该幅材由被供给穿过***的卷材材料的长度限定。幅材102可以延伸穿过***的所有部件——打印机104、包括粉末施加器530和粉末移除器/回收器532的粉末***500以及如果存在的话熔凝器112，然后在由堆叠器子***400堆叠之前由切割器130切割成单张片材101。这在图2中描绘。替代性地，如在图3中所描绘的，幅材102可以在该过程中的任何先前的点处由切割器130切割成单张片材101。例如，可以在将得到的片材101推进到打印机压印盘300上之前将幅材102转换成单张片材101。可以在导引边缘位于压印盘300上之后将幅材102转换成单张片材。可以在完成打印操作之后并且在将得到的片材供给到粉末施加器530中之前等将幅材102转换成单张片材。
回收器子***
本发明的回收器532具有3微米的截止(小于3微米的颗粒将被丢弃而不是被回收器回收)。本发明中公开的回收器532的3微米截止比仅具有50微米截止的先前的回收器小。因此对于3微米截止的机器，大多数颗粒被回收，而在50微米截止的机器中，相当大比例的颗粒未被回收。
在先前的***中，排放阀柱体(公开在国际申请No.PCT/US17/17672和美国申请no.15/611,320中——参见图18至图23以及说明书中的对应说明)是将粉末放入槽中的最终子***。排放阀柱体在具有顶部孔和底部孔的壳体中。随着柱体旋转，在旧旋风器中冷凝的粉末穿过壳体中的顶部孔掉落并进入该柱体中。随着柱体旋转180度，柱体关闭旋风器内的真空。然后，粉末通过壳体中的底部孔从柱体落出并进入槽中。该排放阀设计的问题在于，它仅对某些较重的粉末(较大的颗粒)起作用。为了便于柱形阀工作，它应允许一些空气回流进入旋风器中。当颗粒足够重(足够大)以至于空气回流不会阻止颗粒继续下落(抵抗空气回流)并穿过阀进入槽中时，该设计起作用。当较小/较轻的颗粒成功地向槽行进时，由于空气回流阻止该较小/较轻的颗粒穿过阀并进入槽中，该特征成为问题。
图4A示出了解决该问题的具有两个阀的回收器阀***532b的一部分的示意图。优选的实施方式使用了在旋风器或其他容器79上的具有凸缘70的凹部(depression，凹陷)。本发明具有相对于竖向倾斜的橡胶垫圈72和连接至轴76的阀56。在腔室78中有两个阀56、54。另一旋风器容器/阀具有相反的横向取向(参见70a、72a、54和76a)。一个轴76允许阀56向一侧打开，而另一轴76a允许阀54向另一侧打开。这种设计被称为气动式(aerodyne-style)阀，其在工业环境中的灰烬收集中已经预先存在使用。
迄今为止，其在打印过程或增材制造中的使用是未知的。如果两个阀(56、54)都是关闭的，则旋风器79的上部部分中的体积(与零件70、72、56和76相对的体积，并且未在图4A中示出)与外部隔离。随着粉末77流入旋风器79的顶部部分(其在喷嘴532a处从回收器部分被真空抽吸)，该粉末下落穿过并被收集在旋风器79的底部部分(如在图中所描绘的)。然后阀56打开，并且所收集的粉末向下传送至下部阀体积79a。然后阀56关闭。然后阀54打开，并且然后粉末77a下降到粉末施加器槽530上，并且然后(如果发生传感器致动的振动)下降到基底片材上。这种布置防止了气流上升进入旋风器。从底部注入空气会阻止或减弱旨在有利地沿旋风器内表面切线流动的螺旋气流的运行，从而使粉末向下移动。
图4B是在图4A中示出的双阀***上方的收集器***的示意图。收集器23是必要的，因为空气吹入其中(在项目80处)的旋风器26在“I”方向88上产生螺旋旋动36，并且有必要在粉末离开***时不扰乱粉末在“I”方向88上的流动。因此，必须始终存在越过旋动36的点84的收集区域，以便粉末77可以积聚在86处。
图5例示了示例回收器***532的底部后部的实施方式，该回收器***包括粉末真空喷嘴532a和阀***532b。阀***532b将回收的粉末放回到粉末施加器槽530中(参见图17)。项目26——回收器旋风器——可以从
Figure BDA0002251782970000081
购买，商品名称为Dust Deputy。
然而，由于颗粒被回收的方式，仅有旋风器是行不通的。因此，需要整体的设计(包括旋风器)，使得颗粒得以回收。项目532b(阀***)确保粉末落入槽中，如已经在图4A和图4B的上下文中所描述的。积聚显著量的粉末后，粉末(不是空气)被释放而没有回流。阀56将关闭，而另一阀54将打开，以允许仅粉末向下流动到槽并且不允许空气向上流动到旋风器。
图6A例示了示例回收器***532的底部前部。回收过程如下进行。阀54打开，并且阀56关闭，并且反之亦然。只要任一阀是关闭的(通常是这种情况)，粉末就一直积聚在粉末收集器23中。在大多数时候，阀56是关闭的，并且粉末积聚到位于阀56紧上方的第一容器中(参见例如图4A中的容器79)。然后阀54也关闭。之后，阀56打开，并且粉末从第一容器流动到阀56与阀54之间的腔室中(参见例如图4A中的腔室78)(没有空气回流，因为该腔室被阀54封堵)，然后阀56关闭。然后阀54打开并且允许粉末流动通过(没有空气回流，因为该腔室被阀56封堵)并进入槽530中。然后阀54关闭。然后循环再次开始。机构确保阀54和阀56交替地打开和关闭。在图6B至图6D中示出阀54和阀56的打开和关闭。在图6B中，阀56是打开的并且阀54是关闭的。在图6C中，阀56是关闭的并且阀54是关闭的。在图6D中，阀56是关闭的并且阀54是打开的。在图5至图17中可以看到执行该操作的机械***。这些由弹簧、凸轮、马达、齿轮和其他部件组成以执行必要的机械运动。
图7A例示了示例回收器532的实施方式的旋风器26。在该实施方式中，
Figure BDA0002251782970000091
Dust Deputy旋风器26代替了在PCT/US17/17672和美国申请no.15/611,320中公开的旋风器154。在这种类型的旋风器的运行中，粉末在装置顶部旋动。图7B(使用普通真空马达)示出了粉末36在旋风器26中旋动。
图8至图16示出了回收器532的另一实施方式。图8是示例回收器532的另一实施方式的底部侧的立体图。图9是示例回收器532的底部后侧的立体图。图10是示例回收器532的底部前部的立体图。图11是示例回收器532的后视图。真空马达27被示出为在顶部，与真空喷嘴532a连通。图12是示例回收器532的俯视图。图13是示例回收器532的前视图。
图14是示例回收器532的侧视图。
图15是回收器***532的等轴测前视图。图16是回收器532的另一等轴测前视图。图17示出了在回收器532下方的粉末的粉末施加器槽530。
图18示出了用于回收器532的计算机34。在操作中，基底片材在粉末***的槽530下方的输送机带上被打印，并且然后在该输送机带上被输送。当每个基底片材接近槽530时，计算机34通过传感器读取并启动粉末施加器槽530的振动，以促进粉末流动通过该槽并被分配在正被输送的基底片材上。被分配的粉末的一部分黏附到基底片材的被弄湿区域(由于先前的步骤中的打印而被弄湿)。回收器将通过对片材进行真空抽吸来收集没有黏附到片材的被弄湿区域的粉末，并且然后等待下一片材。当片材从回收器中离开时，计算机34关掉振动以使粉末流出槽停止或最小化。这样，使被回收的粉末在槽中的维持最大化。
图19示出了即将进入粉末***500时的片材101。图20示出了离开粉末***500时的片材101。
图21至图25例示了具有通道153的示例输送机152。输送机将基底片材输送出粉末***500。通道153使片材101对准(例如，如果矩形片材相对于输送机152不是直线的)。
尽管以上说明书和示例提供了本发明的描述，但是在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以做出本发明的许多实施方式。应当理解，前述实施方式被提供为仅是例示性的，并不限制或限定本发明的范围。各种其他实施方式也在权利要求的范围内。

Claims (26)

1.一种用于在打印***中沉积粉末并且用于移除和回收过量粉末的粉末***设备，包括：
粉末施加器，所述粉末施加器用于将粉末沉积在打印基底上；
第一封闭体积体，所述第一封闭体积体在所述粉末施加器上方，所述第一封闭体积体包括用于将粉末添加到所述粉末施加器的双阀***，所述双阀***包括第一阀和第二阀，所述第一阀和第二阀被构造成所述第一阀和所述第二阀两者不能同时打开，并且还被构造成使得所述第一阀在第一水平方向上向一侧打开，所述第二阀在第二水平方向上向另一侧打开，其中，所述第一水平方向和第二水平方向彼此相反；
真空***，所述真空***被构造成移除没有附着到所述基底的过量粉末；以及
收集器***，所述收集器***在所述真空***与所述第一封闭体积体之间，用以为粉末提供从所述真空***到所述第一封闭体积体的路径，所述收集器***包括旋风器，所述旋风器在包括所述双阀***的第一封闭体积体上方；
其中，几乎所有的过量粉末都能够有效地行进通过所述设备以进行进一步沉积和回收。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述收集器***包括：
旋风器，所述旋风器用以创建粉末的螺旋路径，使得所述粉末在“I”方向上朝向所述双阀***前进；以及
收集器，粉末积聚在所述收集器中，所述收集器使朝向所述旋风器的添入点的气流倒转，以便不扰乱粉末在所述“I”方向上的螺旋流动。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，使用马达在所述旋风器的添入点处吹入空气，使得所述马达将所述过量粉末从所述真空***传输到所述旋风器的添入点。
4.根据权利要求2所述的设备，其中，所述旋风器引起螺旋气流，使用与旋风器内表面相切的气流来使粉末向下移动。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述收集器***位于所述第一封闭体积体的上方。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述粉末施加器是槽。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，输送机将基底输送到所述粉末***。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述输送机包括使所述基底与所述输送机对准的通道。
9.根据权利要求1所述的设备，其中：
所述第一阀具有凸缘和垫圈，且连接到第一腔室并连接到第一轴，所述第一轴允许所述第一阀在一侧打开；以及
位于所述第一阀下方的所述第二阀具有凸缘和垫圈，且连接到第二腔室并连接到第二轴，所述第二轴允许所述第二阀在另一侧打开。
10.根据权利要求9所述的设备，还包括：
用以打开和关闭所述第一阀的机构；以及
用以打开和关闭所述第二阀的机构。
11.根据权利要求10所述的设备，其中，用以打开和关闭所述第一阀和第二阀的机构包括相互耦接的弹簧和凸轮，使得两个阀从不同时打开。
12.根据权利要求9所述的设备，其中，如果所述第一阀和第二阀关闭，则已经积聚在所述第一腔室中的一定体积的粉末与位于所述腔室外部的气流隔离。
13.根据权利要求9所述的设备，其中，随着过量粉末被从所述基底片材真空抽吸并穿过所述收集器***，粉末积聚在所述第一腔室中的顶部。
14.根据权利要求9所述的设备，其中，当所述第一阀打开时，粉末从所述第一腔室向下传送并积聚到所述第二腔室中。
15.根据权利要求9所述的设备，其中，当所述第二阀打开时，粉末下降到所述粉末施加器中。
16.根据权利要求1所述的设备，还包括执行被存储的指令的计算机，所述指令实施包括下述步骤的方法：
感测新的基底片材何时进入所述粉末***；
开启所述粉末施加器以将粉末分配在所述基底上；
当所述片材离开所述粉末***时，关掉所述粉末施加器；以及
等待下一片材进入所述粉末***。
17.根据权利要求16所述的设备，其中，所述粉末施加器通过振动被开启。
18.根据权利要求16所述的设备，其中，计算机实施的方法还包括：在3D物体的增材制造期间重复所述步骤。
19.一种用于在打印***中沉积粉末并且用于移除和回收过量粉末的方法，所述方法包括下述步骤：
将粉末沉积到打印基底上；
移除没有附着到所述基底的松散粉末；
为松散粉末提供朝向双阀***的路径，所述双阀***防止空气回流；以及
致动位于粉末施加器上方的所述双阀***以将粉末添加到所述粉末施加器，所述双阀***包括第一阀和第二阀，所述第一阀和第二阀被构造成使得两个阀从不同时打开，并且还被构造成使得所述第一阀在第一水平方向上向一侧打开，所述第二阀在第二水平方向上向另一侧打开，其中，所述第一水平方向和第二水平方向彼此相反；和
提供收集器***，所述收集器***在真空***与第一封闭体积体之间，用以为粉末提供从所述真空***到所述第一封闭体积体的路径，所述收集器***包括旋风器，所述旋风器在包括所述双阀***的第一封闭体积体上方；
由此平均颗粒大小为50微米的所有粉末几乎都有效地行进通过***以进行沉积和回收。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括在3D物体的增材制作期间重复所述步骤。
21.根据权利要求19所述的方法，其中，移除所述松散粉末是通过真空抽吸执行的。
22.根据权利要求19所述的方法，还包括最初将粉末添入旋风器中的步骤。
23.根据权利要求19所述的方法，其中，致动所述双阀***包括具有下述步骤的方法：
使粉末积聚到通过第一阀密封的第一腔室中；
在第二阀被关闭时打开所述第一阀，以将粉末从所述第一腔室添加到通过所述第二阀密封的第二腔室中；
关闭所述第一阀；
在所述第一阀被关闭时打开所述第二阀，以将粉末从所述第二腔室添加到粉末施加器；以及
关闭所述第二阀。
24.根据权利要求23所述的方法，还包括在3D物体的制作期间重复所述步骤。
25.一种用于在打印***中沉积粉末并且用于移除和回收过量粉末的粉末***设备，包括：
粉末施加器，所述粉末施加器用于将粉末沉积在打印基底上；
第一封闭体积体，所述第一封闭体积体在所述粉末施加器上方，所述第一封闭体积体包括用于将粉末添加到所述粉末施加器的双阀***，所述双阀***包括第一阀和第二阀，所述第一阀和第二阀被构造成所述第一阀和所述第二阀两者不能同时打开，并且还被构造成使得所述第一阀在第一水平方向上向一侧打开，所述第二阀在第二水平方向上向另一侧打开，其中，所述第一水平方向和第二水平方向彼此相反；
用以将没有附着到所述基底的过量粉末移除的装置；以及
收集器***，所述收集器***位于用以将过量粉末移除的装置与所述第一封闭体积体之间，用以为粉末提供从所述用以将过量粉末移除的装置到所述第一封闭体积体的路径，所述收集器***包括旋风器，所述旋风器在包括所述双阀***的所述第一封闭体积体上方；
其中，几乎所有粉末都能够有效地行进通过所述设备以进行沉积和回收。
26.根据权利要求25所述的设备，其中，所述用以将过量粉末移除的装置是与真空马达耦接的真空喷嘴。
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