CN112004657A - 沉积和粘结粉末材料的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种沉积和熔化粉状材料(13)的装置(10)。该装置包括:配置为给粉末材料(13)提供原料的进料喷嘴(11)和配置为产生激光束(121)的激光源(12)。所述进料喷嘴(11)包括径向可调出口(111)，所述装置还包括产生与所述喷嘴(11)同心圆的基本圆形激光投影的装置。

Description

沉积和粘结粉末材料的方法和装置
发明领域
本发明涉及通常用于粉末材料的分布或沉积以及粉末材料的可控沉积方法，特别是用于3D打印、熔覆或类似的方法。
背景技术
熔覆将异种金属或类似粉末材料粘合在一起。例如，激光熔覆可以在局部改善金属机械零件的表面性能。利用激光束将具有所需性能的覆层材料熔凝到衬底上。激光熔覆被认为是一种战略性的技术，因为它所产生的表面层与其他的硬面工艺相比，在纯净性、均匀性、硬度、结合性和微观组织等方面都具有优越的性能。
熔覆也可用于喷涂，其中金属粉末或类似物是沉积材料，其中将粉末注入光束路径中。粉末可以使用惰性气体通过管道(喷嘴)运送，该惰性气体使涂层材料吹入激光束的路径中。吹散的粉末颗粒被光束部分熔化。激光在基材表面上形成一个小熔池，使粉末金属(或其他材料)完全熔化。创建的熔池对应于单个熔覆层。
在增材制造中，即固体自由成形或3D打印中，另一个例子是，三维物体是由原材料，如粉末在一系列二维层或截面上形成。
根据某些方法，层是通过熔化或软化材料产生的，例如，选择性激光熔化(SLM)或直接金属激光烧结(DMLS)，选择性激光烧结(SLS)，熔融沉积成型(FDM)，而另一些则使用不同的技术(如立体光刻(SLA))来固化液体材料。
此外，还有烧结，一种将小颗粒(例如粉末)熔合成物体的过程。烧结通常包括加热粉末，例如使用激光束，当粉末材料在烧结过程中被加热到足够的温度时，粉末颗粒中的原子扩散到颗粒的边界，使颗粒融合在一起形成一个固体块。与熔融不同，烧结用的粉末不需要达到液相，烧结温度不需要达到材料的熔点，烧结常用于钨、钼等熔点高的材料。
烧结和熔融都可用于添加剂制造。选择性激光熔炼(SLM)用于金属或金属合金的添加剂制造，他们具有离散的熔炼温度，并在SLM过程中进行熔融。
在上述过程中，物料给料机以受控的方式和方向在接收表面(即基板)上移动，并沉积材料，使其在接触热源(如激光束)时与前一层结合在一起。给料机通常是喷嘴。
因此，非常重要的是粉末的沉积和熔化过程是可控制的，尤其是当喷嘴可以在不同的方向上移动时。重要的是，通过喷嘴的粉末量应尽可能精确，并且激光的功率取决于所沉积的粉末。
此外，粉末和激光功率的分布要尽可能均匀，或者沉积和/或功率分布要可控。
发明概述
本发明提供了一种工具，一种允许在基板上精确、可控地沉积和熔化粉末材料的排列和方法，例如可以控制沉积速率，最好工具在任何方向移动并以可控制的功率分布施加激光束。
以下描述中所述的这些和其他优点是通过沉积和熔化粉末材料的安排来实现的。该装置包括:配置为将粉末材料送入基板上的进料喷嘴和配置为产生激光束的激光源。所述进料喷嘴包括径向可调出口，所述激光源配置为在所述喷嘴出口周围产生旋转激光束，且所述喷嘴出口基本上位于所述激光束旋转的中心。
在一个实施例中，喷嘴被布置成垂直和/或水平方向移动。
根据一个实施例，喷嘴包括第一固定管状部分和在所述第一固定部分里的第一轴向可移动部分。所述喷嘴包括围绕所述第二第一轴向可更换部件的第二轴向可更换部件。
在一个实施例中，该装置包括在激光熔化粉末材料的点处测量温度传感器。
根据一个实施例，配置了一个控制器，通过控制激光束的旋转和速度来控制熔体中的一个或几个激光功率、功率分布。
本发明还涉及一种用于沉积和熔化粉末材料的***。该***包括：构造成将粉末材料供给到基板上的进料喷嘴，以及构造成产生激光束的激光源和控制器。进料喷嘴包括径向可调节的出口，并且激光源被配置为产生围绕喷嘴出口的激光束旋转，其中喷嘴出口基本上位于所述激光束的旋转中心，并且控制器被布置为控制激光的旋转并调整喷嘴出口。
本发明还涉及在基板上沉积和熔化粉末材料的方法。该方法包括以下步骤：通过喷嘴分配粉末材料；以及在熔点下照射分布的粉末材料；在熔点附近使激光束围绕喷嘴旋转；测量熔点温度；对于所测量的温度，决定调整一个或几个激光参数。该方法还可以包括根据来自送粉、熔化过程和***速度的数据调整喷嘴的开度。
本发明还涉及一种计算机可读存储介质存储指令，该存储指令在由计算机执行时使计算机执行用于在基板上沉积和熔化粉末材料的计算机***的方法。该方法包括：通过喷嘴分配粉末材料；以及在熔点下照射分布的粉末材料；在熔点附近使激光束围绕喷嘴旋转；测量熔点温度；对于所测量的温度，决定调整一个或几个激光参数。
附图说明
参考附图，其中具有相同参考编号的元素可以代表相同的元素。
图1是其中可以实现本文描述的方法和***的示例性工具的图；
图2示出了喷嘴出口的一个实施例的示意性剖视图。
图3图示了图2的喷嘴截面侧视图；
图4示出了根据本发明的***的一个实施例的示意图
图5是示出图4的***的示例性处理的流程图，以及
图6示出了具有用于激光投影的旋转镜的本发明的第二实施例的另一示意图。
发明详述
下面的详细描述参考附图。不同附图中的相同参考标号可以标识相同或相似的元件。如本文所用，术语“印刷”可以指的是将(粉末)材料转移和沉积到载体上并将材料粘合在一起或粘合到先前的层上。如本文所用，术语“基材”可以指可以在其上沉积和结合合适的粉末材料的任何类型的材料。如本文所使用的术语“喷嘴”可以指被设计成沉积粉末材料的基本上管状的分配器装置，并且一些实施例控制材料流动的方向或特性，因为它连接的腔室或管道。
图1是工厂的总体结构的示意图，示出了根据本发明沉积和生产复合材料的方法和装置的第一实施例。在图1中，附图标记100指的是包括工具10的工厂的一部分，该工具包括喷嘴11和激光源12形式的粉末进料装置。背衬材料或基板称为14，其可以是布置成在工具10下方行进(例如，沿箭头141的方向)的合适材料的条带。
所述喷嘴11被构造为其出口尖端111的至少部分径向可调，开口的直径可以调整。该喷嘴也可以相对于基板片14的表面垂直调节。气体介质，如惰性气体，可用于从喷嘴中喷出粉末13，并保护熔池免受污染气体或其他干扰。
激光源12被配置为发射连续的或脉动的激光束121，其围绕喷嘴的出口旋转，例如旋转。通过电动镜***或光学元件。激光束使基板141的表面上的粉末材料熔化，从而形成熔化/结合层131。这可以使本发明的***能够在任何方向上移动激光束，从而可能在水平或垂直方向上将激光束精确地施加在喷嘴开口周围的任何地方。
图2示出了根据本发明的一个示例的喷嘴11的可调节开口部分111的一个示例性实施例的仰视图。根据该实施例，喷嘴开口部分111包括例如可以是圆锥形的固定部分1111，以及在该固定部分的侧面中的(至少)两个部分1112和1113。部分1113可以围绕部分1112布置，并且两者都可以相对于喷嘴的纵向轴线移动。每个部分1112和1113可以具有与固定喷嘴头相同的形状，并且沿着它们的主体分别包括至少一个狭缝11121和11131。如图3的侧视剖视图所示，当零件1112和1113在喷嘴头的侧面沿其纵轴基本同时移动时，每个零件都从固定部分1111伸出，每个零件被挤压在一起，在其狭缝允许的范围内，从而改变喷嘴出口直径。部件的运动可以通过机械控制，例如通过在每个部件的末端与开口端相对的步进电机(未显示)。当然，这只是控制调节喷嘴出口直径的一个例子，也可以采用其他技术。
根据本发明的一个实施例，可以通过喷嘴11的可调节开口注入合适材料的粉末13(图1)，该喷嘴基本上在工具10中居中，并沉积在基板14的表面上。通过使旋转的激光束121绕中心(相对于喷嘴开口中心并且基本上与开口同心)循环，可以通过调节喷嘴的开口，喷嘴的压力和流速来控制沉积速率。粉末载体，例如使用气体或机械设备，沿工具10(喷嘴和激光的组合)移动的任何方向移动。激光熔化沉积的粉末并形成层131。因此，该工具可用于例如3维打印，超固态激光熔覆，焊接和其他附加方法，而不必依赖旋转对称细节。激光熔化沉积的粉末并形成层131。因此，该工具可用于例如3维打印，超固态激光熔覆，焊接和其他附加方法，而不必依赖旋转对称细节。
图4是根据本发明的示例性***100的示意图。***100包括控制器110，激光控制器120，喷嘴控制器130，温度单元140和工具10，如前所述。
控制器110可以包括处理器111，存储器112，接口部分113和通信接口114。
处理器111可以包括解释和执行指令的任何类型的处理器或微处理器。存储器112可以包括随机存取存储器(RAM)或另一种存储信息和指令以供处理器111执行的动态存储设备。存储器112还可以用于在处理器111执行指令期间存储临时变量或其他中间信息。
控制器100或存储器还可以包括ROM(未示出)，该ROM可以包括常规ROM设备和/或存储用于处理器111的静态信息和指令的另一静态存储设备。另外，可以提供存储设备(未示出)。包括磁盘，光盘，固态驱动器及其相应的驱动器和/或某种其他类型的磁或光记录介质及其相应的驱动器，用于存储信息和指令。存储设备还可以包括用于存储信息和指令的闪存(例如，电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)设备)。
接口部分113可以包括输入设备(未示出)，该输入设备包括允许用户向***100输入信息的一种或多种常规机构，诸如键盘，小键盘，方向盘，鼠标，笔，语音。接口部分113还可以包括输出设备(未示出)，该输出设备可以包括向用户输出信息的一种或多种常规机构，包括显示器，打印机，打印机，触摸屏和/或生物识别机制,扬声器等。
通信接口114可以包括使***100能够与其他设备和/或***通信的任何类似于收发器的机制。例如，通信接口114可以包括到LAN的调制解调器或以太网接口。替代地或附加地，通信接口114可以包括用于经由诸如无线网络之类的网络进行通信的其他机制。例如，通信接口可以包括射频(RF)发射器和接收器以及用于发射和接收RF数据的一个或多个天线。
激光器控制器120与控制器110通信，并且可以从控制器110获得指令以控制旋转激光器的不同参数，例如功率，转速，脉冲强度等。另外，***可以是可编程的以控制激光器功率。通过利用带位置反馈的旋转和倾斜镜面***或光纤导引装置控制激光束的旋转来控制熔体中的功率分布。仅一个循环激光束的另一个优点是，可以轻松地直接在光束路径中执行高温计测量，并直接在熔体中直接测量反馈反射，例如用于温度控制或过程控制。激光控制器或附加控制器或附加控制器可以控制激光束相对于喷嘴的开口的旋转宽度。
喷嘴控制器130与控制器110通信并且可以获得来自控制器110的指令控制喷嘴开口的宽度，并且在一些实施例中，使喷嘴水平和/或垂直移动。喷嘴控制器因此可以控制粉末材料到喷嘴(或喷嘴室)中的进料，并且向控制器110提供关于速度，方向，操作宽度等的信息以及可能的错误。
温度单元140连接到非接触式温度测量设备141。测量设备可以是红外传感器，照相机，高温计或类似的传感器。例如直接在光束路径中的高温计测量可以测量直接在熔体中反馈反射，例如可用于温度控制或过程控制(激光控制，物料进料等)中。
根据本发明的***100提供了平台，通过该平台可以实现用于实现3d打印的激光熔覆，SLM，DMLS，SLS，FDM，SLA或任何类似的构造。
根据示例性实现，***100可以响应处理器111执行存储器112中包含的指令序列而执行各种进程。这样的指令可以从另一个计算机可读的媒体，如存储设备，或通过通信接口从一个单独的设备读入存储器112。需要理解的是，计算机可读介质可能会避开一个或多个存储设备或载波。包含在存储器112中的指令序列的执行导致处理器111执行下面将描述的动作。在替代实施例中，硬连线电路可代替软件指令或与软件指令结合使用以实现与本发明一致的方面。因此，本发明不限于硬件电路和软件的任何特定组合。
在一实施例中，控制器110，激光控制器120，喷嘴控制器130和温度单元140可以组合在一个计算机单元中。
图5的流程图示出了根据本发明的一些示例性方法步骤。
该过程通过接收用于构建层的指令而在步骤500开始。指令可以存储在内部存储器中或从运行施工程序，CAD或类似程序的计算机接收。通过喷嘴进行粉末分布501。激光在喷嘴周围旋转时照亮502的熔点。熔点温度为503。根据所需温度504，调整激光参数505，继续加工直到加工完成506、507。喷嘴的开度可以根据进粉、熔化过程(温度)和工厂速度(工厂/基材的相对速度)的数据进行调整。
可以在构成控制器的一台或几台计算机中执行这些步骤。计算机可读存储介质可以存储指令，该指令在由计算机执行时使计算机执行该方法。
图6示出了用于旋转激光束的示意性示例性***。该***包括激光束源12，一个或多个聚焦装置151(可以在激光束121的路径上布置其他光学元件)，旋转镜152(或另一反射元件)和反射和定向镜***153。旋转镜152被布置成绕轴之一旋转并且将激光束121引导到镜***153上。反射镜***153可以是跟随旋转镜152的旋转的反射镜或者是圆形反射镜布置，在两种情况下都倾斜，使得其引导来自与喷嘴11同心的旋转镜152的激光束121。
在又一个实施例中，光学元件可以布置成投射从与喷嘴同心的激光源射出的激光束的圆形投影。
以上解决方案的组合是可能的。
应当指出的是，“组成”一词不排除所列元素或步骤之外的其他元素或步骤的存在，在元素前面的“a”或“an”不排除这些元素的多个存在。还应当注意，任何附图标记都不限制权利要求的范围，可以至少部分地通过硬件和软件两者来实现本发明，并且可以使用多个“装置”，“单元”或“设备”。可以用相同的硬件来表示。
为了说明和描述的目的，已经给出了本发明实施例的前述描述。前述描述并非旨在穷举或将本发明的实施例限制为所公开的精确形式，并且根据以上教导，修改和变化是可能的，或者可以从本发明的各种实施例的实践中获得。选择和描述本文所讨论的实施例是为了解释本发明的各种实施例的原理和性质及其实际应用，以使本领域技术人员能够在各种实施例中进行本发明的利用，并进行各种修改。为适合预期的特定用途。本文描述的实施例的特征可以以方法，装置，模块，***和计算机程序产品的所有可能组合来组合。

Claims (15)

1.一种用于沉积和熔化粉末材料(13)的装置(10)，该装置包括：
-被配置为供给粉末材料(13)的供给喷嘴(11)
-激光源(12)，其被配置为产生激光束(121)；
其特征在于，进料喷嘴(11)包括可径向调节的出口(111)，并且该装置还包括用于产生与所述喷嘴(11)同心的基本上圆形的激光投影的装置。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，用于通过使所述激光束(121)围绕所述喷嘴出口(111)旋转而产生所述圆形投影的装置，其中所述喷嘴出口(111)基本上位于所述激光束的旋转中心。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述喷嘴可以沿竖直和/或水平方向运动。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述喷嘴包括第一固定管状部分和在所述第一固定部分，所述第二部分内部的第一轴向可移动部分。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，包括围绕所述第二第一轴向可移动部分的第二轴向可移动部分。
6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，包括温度传感器，该温度传感器在激光熔化粉末材料的时候进行测量。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其包括用于控制激光功率，通过控制激光束旋转来控制熔体中的功率分布的一个或多个的转换器。
8.一种用于沉积和熔化粉末材料(13)的***，该***包括：
-供给喷嘴(11)，其被配置为将粉末材料(13)供给到基板(14)上
-激光源(12)，其被配置为产生激光束(121)
其特征在于，进料喷嘴(11)包括径向可调节的出口(111)，并且***还包括产生与所述无喷嘴(11)同心的基本上圆形的激光投影的装置，并且控制器(110)布置成控制所述喷嘴。激光的同心投影和喷嘴出口的调整。
9.如权利要求9所述的***，其特征在于，用于产生所述圆形投影的装置包括用于使激光束(121)围绕喷嘴出口(111)旋转，其中喷嘴出口(111)基本位于所述激光器的旋转中心。光束和控制器被配置为控制激光束的旋转。
10.根据权利要求8或9所述的***，其中，基于来自粉末进料，熔化过程和工具速度的数据进行调整。
11.根据权利要求9-10中的任一项所述的***，其中，所述喷嘴在水平和/或垂直方向上是可移位的。
12.根据权利要求9-11中的任一项所述的***，其被配置用于增材制造。
13.一种在基板(14)上沉积和熔化粉末材料(13)的方法，该方法包括以下步骤：
·通过喷嘴分配(501)粉末材料；
·照射(502)分布的粉末材料的熔点；
·使激光束(121)在喷嘴周围旋转；
·测量(503)熔点温度；
·关于测量的温度，决定调整(505)一个或几个激光参数。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，基于来自粉末进料，熔化过程和***速度的数据调节喷嘴的开口。
15.一种计算机可读存储介质。当由计算机执行时，使计算机执行使用计算机***在基板上沉积和熔化粉末材料的方法，该方法包括：
·通过喷嘴分配粉末材料；
·在熔点时照射散布的粉末材料；
·在接近熔点时使激光束围绕喷嘴旋转；
·测量熔点温度；
·关于测量的温度，决定调整一个或几个激光参数。
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