CN113458421A - 一种在增材制造工艺中改善粉床质量的设备***和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在增材制造工艺中改善粉床质量的设备***和方法。该设备***(10)包括空间可移动的粉末(30)铺粉装置(20)和激励单元(40)，铺粉装置(20)被设置为在加工平面(15)将一个或多个粉层(31)涂抹到基板平台(16)上或已经用该设备***处理过的粉床(32)上。激励单元(40)的设置是为了破散各个粉末(30)颗粒相互之间和/或与已经用设备***处理过的粉床(32)之间的团簇和/或粘连，以便铺粉装置(20)能够将光滑的粉层(31)涂抹到基板平台和/或前一个粉层/粉床(31，32)上。

Description

一种在增材制造工艺中改善粉床质量的设备***和方法

技术领域

本发明涉及一种用粉末***通过增材制造技术的设备，以及使用这种设备成型复杂结构工件的加工方法。

背景技术

增材制造技术，即3D打印，通过使用粉末为原材料构建复杂多维结构。粉体材料通过高能的光束聚焦融化，并再次凝固成型，从而获得指定的空间构型。已知的金属增材制造工艺有激光粉床熔融技术（LPBF）、电子束熔融技术或选择性激光烧结技术。在LPBF工艺中，待加工材料以粉末形式由设备铺粉***在基板平台上进行薄层沉积。粉末材料在激光聚焦熔融下实现局部完全熔融、凝固，形成近二维的固体构型。然后基板平台按指定层厚 (通常为20 - 100 µm) 进行下沉降低，并再次从由铺粉***进行铺粉和重复熔融。整个加工过程重复进行，直到整体部件完成逐层加工。

然而，在粉体材料的增材制造过程中，一个众所周知的问题是，粉体材料根据生产或筛分过程的不同，以及粉体材料自身粒度的不同，粉体会有不同的特性。粉末颗粒之间存在粒子间的粘附力，特别是范德华力，可以超过其重量力几个数量级。在铺粉过程中还会产生剪切力，使粉末颗粒在基板平台上呈现不规则的表面结合特性，最终可能导致难以顺利获得平整的粉床表面，从而严重的影响到目标制造工件的成型质量。

为了使粉床表面光滑，如德国3DMikroPrint公司提供的技术，是在基板平台上涂抹粉层后，再次对当前粉床上表面施加接触压力。美国3D-Systems公司则使用辊筒作为粉末铺粉装置。

这些设计的缺点是只适合于以球形为主的大颗粒粉末。无论是对于以细小粉末颗粒为主的粉体材料(如小于20微米)，还是对于由生产和筛分过程引起的具有异形特征的粉体材料，粉体的团簇和粘连现象都会导致例如辊筒再次破坏已经平稳涂抹的粉床。当使用接触压力时，对于细小颗粒的粉末也达不到预期成型质量效果，稳定性也不充足，例如，当打印制造极微小的复杂结构时，粉床上表面的接触压力会导致已经成型的复杂工件产生变形，偏离预期尺寸要求，严重时甚至直接导致已成型工件的损坏。

因此，对于能在考虑到粉末的物理特性，如尺寸和形状的情况下，提升在增材制造过程中的铺粉效果，有现实产需求。

发明内容

发明目的：

本发明的一个目的是提供一种设备，在至少考虑到粉末的物理特性，如尺寸和形状的情况下，该设备能够有效提高和保障在增材制造过程中的铺粉质量和粉床表面质量。

技术方案：

为实现该目的，本发明通过一种用于复杂结构工件的增材制造***来解决，该***包括一个空间可移动的粉末铺粉装置和一个激励单元。该铺粉装置被设计成在加工平面内将一个或多个粉末层涂抹到基板平台上，或是涂抹到已经用设备***处理过的粉床上。激励单元的目的是为了在涂抹粉末时，破散各个粉末颗粒相互之间和/或与已经用设备***处理过的粉床之间的团簇和/或粘连，从而使铺粉装置能够将光滑的粉层涂抹到基板平台和/或之前的粉床上。通过激励单元产生激励刺激打破粉末颗粒之间的相互作用力，降低粉末颗粒之间团簇和/或粘连现象，有效提高了粉末的流动性。因此，即使是小的粉末颗粒和/或具有易结块的异形形状的粉末，也可以实现稳定和高质量的光束熔融加工。同时，已经涂抹的粉床因为表面光滑，表层方向剪切力相对较小，所以可以有效避免粉床在铺粉过程中被破坏。

增材制造工艺是指将材料逐层布置在制造设备上，逐层加工，最终成型出三位结构的部件（即3D打印）。由一种或多种液体或固体材料按照指定的二维尺寸和形状，在计算机控制下通过特定能量源对材料的定点加工处理，进行逐层堆积。在堆积过程中会发生物理或化学硬化或熔化过程。3D打印的典型材料是塑料、树脂、陶瓷和金属。碳和石墨材料也可以用于3D打印。面向工业领域的金属结构部件，定向熔融技术和相关的设备***适用性更高，包括激光粉床熔融（也称为选择性激光熔融）、电子束熔融技术和选择性激光烧结技术。

此类增材***可以包括用于控制加工过程的控制单元。这样的控制单元可以包括计算机单元、处理器、存储器单元等。它以合适的方式与设备的软硬件连接，例如用合适的数据线或无线方式，例如通过WLAN。

所谓 "复杂结构工件"，是指以三维结构为主，在任何应用场景下的部件。例如，可适用于塑料注塑模具、航空零部件、特种模具等。所谓 "复杂结构"，不仅包括成品部件，还包括生产过程中未完成的部件，例如加工过程中部件在粉床内部发生形变而生产的复杂结构工件。

一种 "铺粉装置 "是一种适合于将粉末涂抹到基板平台上的设备***。铺粉装置被配置为可相对于设备进行空间移动，以将粉末从一个位置输送和涂抹到另一个位置。在下面的段落中阐述了铺粉装置的各种实施例。

所谓 "粉末"是指待加工的物料，以粉末状态使用。例如，该粉末可以主要由金属或聚合物制成的材料组成。在生产过程中，粉末是逐层地涂抹在基板平台上。铺粉装置每涂抹一次，"粉层"被涂抹到基板平台(第一层)或已经用设备***涂抹过的上一层粉末层上。所应用的粉末层通常具有例如10微米或优选<20微米的层厚。因此，"粉层"可以理解为包括已经被设备***处理的所有粉层的组成，可以被定义为“粉床“。理论上，在被设备***加工成型之前(例如，通过激光加工处理)，还可以涂抹"多层粉末"。粉末可主要由同一材料的粉末颗粒组成。但是，也可以是混合粉末材料。粉末的大小、形状和颗粒分布上可能有所不同。这种粉末的不均匀性主要是由粉末材料的生产和/或后处理（如筛分）造成的。特别细小的和/或异形结构的粉末颗粒容易相互结块。

“基板平台”是指用于放置待加工部件的构建平台。基板平台设计为可相对于设备进行空间移动。例如，将已经通过铺粉装置涂抹过后的粉末层向下移动(降低)，则能够进一步实现后续粉末层的在加工平面上的涂抹。基板平台通常设计为在封闭的单元内密封移动。该封闭单元可以是一个容器，其中该容器可以设计成例如圆柱体的形式。此容器可以与此发明中的粉料容器进行类比设计，其中基板平台可以类比配置为此发明的可移动的粉料输送单元。但是，理论上基板平台也可以在空间上自由排列设计。

“激励刺激”是激励单元发出的可以用来打破粉末颗粒之间的团簇和/或粘连现象，以消除粉末结块。在铺粉过程中，最好是间歇性地使用激励单元产生的激励刺激，以破坏颗粒相互之间和/或与已经用设备涂抹过的粉层之间的团簇和/或粘连。激励单元可进一步仅用于平滑一层粉末，而不发生任何涂抹过程。激励单元的激励可以是振动，但不限于振动，也可以通过例如温度的变化来进行激励。

在此，根据本发明的设备包括了能够在增材制造加工过程中实现平滑铺粉的铺粉装置，该发明装置至少考虑了粉末的物理特性，例如尺寸和形状等实际状态。

在一个实施例中，激励单元可以包括振动单元，该振动单元通过振动可以有效地破散粉末颗粒之间的团簇和/或粘连现象。振动可以通过气动和/或电磁和/或超声波产生。在使用该单元时，可以借助气体，如氩气进行气动激励。带气动激励的振动单元的优点是体积小、结构紧凑，可以集成到铺粉装置内部，不需要过度增加体积和重量，也不需要很多额外的部件。气动激励的缺点是铺粉速度相对较低(约20mm/s) ，粉层的平滑效果比超声激励差。气动激励的频率可以是200Hz左右。电磁激励的优点是不需要气体。电磁激励在技术上也很简单，可以实现。但它有一个缺点，就是不适合所有的金属，例如不适合具有铁磁性的金属。用超声波进行激励刺激，在铺粉速度上有明显优势，可以达到200mm/s以上。超声波的频率可以是例如35 kHz，这适用于粒径尺寸为2 µm（平均直径）的粉末颗粒。超声激励的铺粉平滑效果特别好。振动单元可以适合于产生单一的上述振动和/或这几类振动的组合。激励单元的激发作用发生在基板平台的上方(即粉末层上方)，以便至少激励已经涂抹过的粉床的最上层粉末。激励还应具有至少一个频率。在一个实施例中，激励的频率与设备的谐振频率不重合。这样可以防止设备因产生谐振而损坏。在另一个实施例中，振荡的频率可以具有与粉末的晶粒尺寸相关的波长和/或与铺粉装置沿铺粉方向的移动速度相关的波长。在这种情况下，振荡的幅度与频率相关，因而也与铺粉装置的铺粉速度相关，因此，单个颗粒的大小与振荡的幅度对应。这样做的好处是可以在不损失质量的情况下提高铺粉速度。因此，通过本实施例可以提高制造效率和生产产量。在一个具体的实施例中，激励的频率可以在40Hz到100kHz之间。这样做的好处是可以特别有效地应用在颗粒尺寸小于20微米的粉末上。

在一个实施例中，铺粉装置还包括平滑工具。平滑工具用于对涂抹的粉层和/或已经用该装置处理的粉床进行物理平滑。平滑工具可以包括研磨单元、硅脂、塑料棒、刷子或金属条。硅胶特别适合低频激励，因为它非常柔软。塑料棒也有类似的优点。而刷子则很适合不稳定的过程。当工艺已经稳定运行的情况下，金属条非常适合。在一个有利的实施例中，研磨单元包括具有一定硬度的材料，该材料适合于超声波研磨和/或抛光。优选地，研磨单元可以是传统的研磨石。研磨单元中材料自身的硬度特殊性和高稳定性，特别适合应用于超声波等高频范围的激励。而且，可以以低成本获得用于物理研磨的传统磨石。研磨单元可由陶瓷制成。额外的，研磨单元也可以由氧化铝或金刚石制成。

在一个实施例中，本发明设备***的激励单元可以相对于粉床和/或基板平台是静止的。这可能提供结构上的优势，例如当激励单元连接到或集成到基板平台时，可以通过振动基板平台来实现激励刺激。但是，该实施例的缺点是，待加工的部件高度越高，振动激励的效果就越小。这是因为在振动基板平台时，基板平台随着加工过程逐渐下沉，上部空间粉层逐渐增加，逐渐增厚的粉床将减缓激励效果。另外，技术实现的难度在于，粉末可能会因为震动而从基板平台的侧边流下。因此，在另一个实施例中，激励单元可以相对于粉床和/或基底平台进行空间移动。该实施例的优点是，对粉层的激励强度不受加工工件结构复杂程度和尺寸高度的影响。另外，该实施例还允许，例如，铺粉装置可以包括激励单元。因此，可以采用紧凑的构造设计。

在一个实施例中，根据本发明的设备***可以包括减震单元，该减震单元被配置为减少激励向激励单元外部的设备部件的传输。该减震单元的优点是特别能减缓激励单元在不利方向的振动，从而保护整体设备***。特别是，设备的轴对激励单元产生的激励，如振动,十分敏感。如果激励单元集成在铺粉装置中，那么在粉层上方相对于铺粉装置运动轴线方向上对振动激励进行有效抑制就显得尤为重要。铺粉装置可以由支架固定在导轨上，以进行铺粉过程的规则运动，此时，当激励单元布置在铺粉装置中的情况下，支架可设计为减震单元或其一部分。支架可以用软质材料制成，能很好地吸收振动激励。因此，除了稳定和支撑铺粉装置外，支架还可以具有减震的功能。减震单元对设备的保护和延长设备使用寿命是有利的。

由于粉末颗粒尺寸、形貌的不均匀，粉层表面的平滑性控制也很复杂。在一个实施例中，如果所使用的粉末至少一部分具有团聚和/或异形结构的特性，则本发明的设备装置也适用于抹平粉末层。特别是粒径<20微米的细小粉粒容易结块。因此，本发明的设备***特别适用于粒径<20微米的粉末，其中优选的至少一部分粉末的粒径<2微米。非球形的粉粒和/或有角和峰的粉粒("异形散粒")具有散粒特性。异形粉粒在粒径不特别小的情况下，也容易结块。例如，可以根据EN ISO 14688确定粉粒的粒度。

在一个实施例中，本发明的设备***可以包括粉体***，该粉体***从至少第一粉料容器提供粉末，通过铺粉装置实行铺粉过程。至少第一粉料容器包括可移动式粉料输送单元，该移动式粉料输送单元将一定数量的粉末输送到加工平面(例如光束聚焦平面)，以便随后由铺粉装置将粉末以一个或多个粉层涂抹到基板平台上或涂抹到已经用设备***处理过的粉床上。在另一个实施例中，铺粉装置可以将在基板平台区域铺粉结束后的残余粉料推送到粉料溢流容器中。粉料溢流容器可以临时由第一粉料容器或第二粉料容器充当。铺粉装置可以根据当前实际状态，交替的使用第一粉料容器或者第二粉料容器来作为粉料供应容器，而其中未被作为粉料供应容器的第一或第二粉料容器则充当临时粉料溢流容器。这样做的好处是，大幅度提升粉末的使用效率。粉料容器的加工平面以上、待输送的粉末可以与即将涂抹于基板平台上的粉层层厚进行系数适配，适配系数大于或等于1.2，或是系数2，尤其优选系数3或4。粉料容器可以是圆柱体的形式。粉末容器和基板平台(或包括基板平台的容器)可以直接相邻布置。

在一个实施例中，本发明的设备***可以被配置以满足选择性激光熔融技术或/和电子束熔融技术。特别是在这些工艺中，使用了不同粒径和形状的粉末。这包括小粒径和/或异形结构的粉末。光滑的粉床表面对加工部件（复杂结构工件）的成型质量特别有利。

本发明涉及的用于复杂结构工件的增材制造***中的铺粉装置能够进一步优化粉床质量。其中，该铺粉装置被设置为通过空间移动，在加工平面上将一个或多个粉层涂抹到基板平台上或涂抹到已经用该设备***处理过的粉床上。铺粉装置还包括一个激励单元，该激励单元被布置成在铺粉过程中将粉末颗粒相互之间和/或与已经用设备涂抹过的粉床之间的团簇和/或粘连进行打散操作，从而使铺粉装置能够将光滑的粉层或粉床涂抹/整平到基板平台和/或之前的粉床上。激励单元在铺粉装置中的布置，允许在抹平过程中(至少在铺粉过程中)对粉末颗粒进行精确和局部的激励刺激。当然，在不铺粉（即铺粉装置进行空铺）的情况下，铺粉装置也可以对粉层或粉床进行二次抹平。这种安排，特别是通过适当的参数选择，如激励单元的频率，可以实现平稳的铺粉效果和光滑的粉床表面。

在此，根据本发明的铺粉装置能够在增材制造工艺中顺利地实现平滑的铺粉效果，它至少考虑到了粉末的物理特性，例如尺寸和形状。

在一个实施例中，激励单元可以包括振动单元，该振动单元利用振动激励来打破粉末颗粒33相互之间的团簇和/或粘连现象。振动激励可以通过气动和/或电磁和/或超声波产生。振动频率不能与设备的谐振频率重合，以免损坏设备。此外，振荡的频率可以具有与粉末的晶粒尺寸相关的波长和/或与铺粉装置沿铺粉方向的移动速度相关的波长。振荡的幅度与频率有关，因而与铺粉速度相关，同样单个粉末颗粒的尺寸与振荡幅度的大小也相关，因此振荡的频率需要合适的进行优化。这样做的好处是可以在不降低铺粉效果的情况下提高铺粉速度。因此，通过本实施例可以提高生产效率。优选地，激励的频率可以在40Hz至100kHz之间。

在一个实施例中，根据本发明的铺粉装置还包括平滑工具，优选地，平滑工具包括研磨单元、硅唇、塑料棒、刷子和/或金属条。特别优选的，研磨单元由具有一定硬度的适合于超声波研磨和/或抛光的材料组成，其中更优选的，研磨单元是传统的研磨石，可以特别优选为陶瓷制成。研磨单元中材料自身的硬度特殊性和高稳定性，特别适合应用于超声波等高频范围的激励。研磨单元也可以由氧化铝或金刚石制成。

在另一个实施例中，铺粉装置可以包括被配置为支撑平滑工具的平滑工具支架。平滑工具支架可以被配置成使平滑工具(例如磨石)固定地安装在铺粉装置上。平滑工具支架可以被配置为在其支架中对平滑工具进行滑动。根据配置的不同，如果将激励单元布置在平滑工具架上方，则平滑工具架也可以充当减震单元。在这种情况下，如果平滑工具支架是由能够提供良好吸收并减缓振动的软材料组成，则是有利的。在一个有利的实施例中，平滑工具支架可以集成到激励单元中。这可以实现一个更紧凑的设计，并且可能提升减震效果。

在一个实施例中，根据本发明的铺粉装置可以包括减震单元，该减震单元用于减少或消除由激励单元向外部其他部件的激励传输。在另一个实施例中，根据本发明的铺粉装置可以包括提供的支架，支架用于将铺粉装置固定在导轨上，以执行铺粉装置的规则运动，其中更优选地，支架被配置为减震或作为其一部分。减震单元在可以被配置为承担连接支架和激励单元的功能。该支架可以由特别适合吸收振动激励的软材料制成。这可以是一种聚合物和/或橡胶和金属的组合。因此，除了稳定和支撑铺粉装置外，支架还可以具有有效的减震功能，这样可以是整体铺粉装置更加紧凑。

根据本发明的铺粉装置所有特征关联于根据本发明的设备***所有特征，应至少具有相应的优点。

根据本发明，一种复杂结构工件的增材制造方法，包括用于粉末的空间可移动铺粉装置和激励单元，该方法包括以下步骤：通过铺粉装置将一个或多个粉层在加工平面上涂抹到基板平台上方或涂抹到已经用设备***处理过的粉床上方；在至少一次铺粉过程中，优选在每次铺粉过程中，通过激励单元激励和破散各个粉末颗粒相互之间和/或已经由激励单元处理过的粉床之间的团簇和/或粘连现象；通过铺粉装置对粉层和/或粉床进行抹平处理。

在此，本发明提供了一种在增材制造过程中的实现平滑粉床的方法，该方法至少考虑了粉末的物理特性，例如尺寸和形状。

根据本发明的方法的所有特征关联于根据本发明的铺粉装置所有特征，应至少具有相应的优点。

在另一个实施例中，根据本发明的方法包括至少一个进一步的步骤，即至少由铺粉装置进行二次抹平过程，该铺粉装置在涂抹了上一层粉层之后，再次在已涂抹过的粉层上移动，而不进行新的铺粉。这样做的好处是，不需要再次涂抹粉末，就可以实现二次抹平。

根据本发明，根据本发明的方法还包括进一步的步骤，即从粉体***的至少第一粉料容器中提供粉末，以便由铺粉装置进行铺粉或修复粉床（亦可称之为在不改变粉床高度的情况下，进行二次抹平过程），从而可能实现更加光滑的粉床表面。在另一个实施例中，根据本发明的方法包括另一个步骤，即通过当前临时充当粉料供应容器的第一或者第二粉料容器的可移动的粉料输送单元将一定数量的粉末输送到加工平面以上，以便随后由铺粉装置将该数量的粉末作为粉层涂抹在基板平台上或已经用设备***处理过的粉床上。另外，根据本发明的方法还可以包括进一步的步骤，即当粉末被涂抹到基板平台之外时，将多余的粉末通过铺粉装置推送当前临时充当粉料溢流容器的第一或者第二粉料容器中。优选地，根据本发明的方法可以包括进一步的步骤，即由铺粉装置从第一粉料容器或第二粉料容器交替实施铺粉过程，2个粉料容器在一次铺粉过程中，一者充当临时粉料供应容器，一者则充当临时粉料溢流容器。

在一个有利的实施例中，可以重复上述步骤，直到完成复杂结构工件的最终成型。

即便上文未详尽地说明，本发明的上述特征也可以尽可能地互相组合。

附图说明

图1 a)示出了本发明设备***铺粉装置的一个铺粉过程实施例；b)示出了 a)的侧视图。

图2 a)示出了本发明设备***的铺粉装置与激励单元的一个实施例；b)示出了铺粉装置的侧视图。

图3 a)示出了本发明粉体***的一个实施例；和b)示出了本发明粉体***与第二粉料容器的一个实施例。

图4 示出了本发明方法的一个实施例。

图5 示出了本发明方法的另一个实施例。

图6 示出了a)本发明的设备***正视图；b)示出了粉体***的一个实施例。

图7 a)示出了其他传统方法铺粉后的粉末层实际效果图；b)示出了根据本发明设备***铺粉装置抹平后的光滑粉末层。

具体实施方式

下面参考图1至7详细地、不预判地、尤其是非限制性地说明本发明的实施例。只要未另作说明，相同的元件就设有一致的附图标记。

图1 a)显示了根据本发明的设备***10在通过铺粉装置20对粉末30进行铺粉时的情况。本发明设备***10适用于复杂结构工件11的加成生产，它包括一个用于粉末30的空间可移动的铺粉装置20，它还包括一个激励单元40。

铺粉装置20用于在加工平面15上将一个或多个粉层31输送到基板平台16，或输送到已经处理过的之前的粉床32上。

激励单元40被设置为将粉末颗粒33相互之间和/或与已经用设备涂抹过的粉床32之间的团簇和/或粘连进行打散操作，从而使铺粉装置20能够将光滑的粉层31或粉床32涂抹/整平到基板平台16和/或之前的粉床32上。

在本实施例中，铺粉装置20的配置如下(从上到下)：设备***10的铺粉装置20包括支架23，该支架23被固定在导轨上以实现铺粉装置20的规则移动。由于在本实施例中激励单元40被布置在铺粉装置20内，因此支架23可以全部或部分被置换为减震单元22。

此外，本实施例包括减震单元22，该减震单元22用于减少或消除由激励单元40向外部其他部件的激励传输。减震单元22在此实施列中可以额外承担连接支架23和平滑工具支架24的功能，如图中虚线双箭头所示。铺粉装置20包括激励单元40，激励单元40可相对于粉床32和/或基板平台16进行空间移动。

激励单元40可以包括振动单元，该振动单元利用振动来打破粉末颗粒33相互之间的团簇和/或粘连现象。激励单元40可以安装在平滑工具支架24上方，并与之相连(虚线双箭头)。

所示的实施例包括平滑工具21，该工具可以是研磨单元、硅脂、塑料棒、刷子和/或金属条。研磨单元的材料应具有一定的硬度，适合于超声波研磨和/或抛光，更优选的研磨单元是传统的磨石。例如，研磨单元可以由陶瓷制成。

铺粉装置20将一个或多个粉层31涂抹到基板平台16上(如果它是第一层)，否则涂抹到已经由设备涂抹过的之前的粉床32上，其中，由设备涂抹过的粉床32也包括在此之前已经成型的复杂结构工件11。

图1 b)展示出了图1 a)的侧视图，其中本发明设备***10的铺粉装置20在铺粉过程中沿着铺粉方向25移动。铺粉装置以规定的运动速度在已经被设备***10处理过的粉床32或基板平台16上方移动，在铺粉过程中产生气动和/或电磁和/或超声波振动激励，从而破散各个粉末颗粒33相互之间的团簇和/或粘连。但振动频率不能与设备的谐振频率重合，以免损坏设备。破散既发生在粉末30、粉层31和已经被设备***10处理过的粉床32上，也发生在它们之间。振荡的频率可以具有与粉末的晶粒尺寸相关的波长和/或与铺粉装置20沿铺粉方向25的移动速度相关的波长。该频率最好是在40Hz至100kHz的范围内。粉末颗粒33的平均粒径通常小于20微米。然而，与现有技术相比，根据本发明的设备***10的一个特别特征是，在所使用的粉末30的粒径小于2微米的情况下，它仍然可以实现光滑的铺粉效果。

图2 a)展示了根据本发明介绍的、适用于复杂结构工件增材制造工艺技术的设备***10的铺粉装置20，其中，铺粉装置20被设置为通过空间移动，将加工平面15中的一个或多个粉层31涂抹到基板平台16或已经用设备***10处理过的粉床32上。铺粉装置20还包括激励单元40，该激励单元40被设置为用于在铺粉过程中破散各个粉末颗粒33相互之间和/或与已经用设备***10处理过的粉床32之间的团簇和/或粘连，从而使铺粉装置20能够将光滑的粉层31涂抹到基板平台16和/或之前的粉床32上。

图2 b)中铺粉装置20侧面图的一个实施例。铺粉装置20的激励单元40可以包括振动单元，该振动单元通过振动来破散附着物。振动单元可以类比图1中a)和b)的震动单元进行设计。同样类似于图1中a)和b)的实施例，铺粉装置20可以配置相应平滑工具21和平滑工具支架24。激励单元40可以布置在平滑工具支架24的上方。铺粉装置20还包括减震单元22，该减震单元22用于减少或消除由激励单元40向外部其他部件的激励传输。减震单元22可以布置在激励单元40的至少两个侧面上，以减缓振动并联通平滑工具支架24和另一个支架23或减震单元22上。支架23被设置为将铺粉装置20固定在导轨上，以执行铺粉装置20的规定运动，其中优选地，该支架23被设计为减震单元22或其一部分。减震单元22还被配置为将支架23连接到激励单元40。

图3 a)展示了根据本发明的设备***10，包括粉体***35，该***从至少第一粉料容器36提供粉末30，通过铺粉装置20实行铺粉过程。至少第一粉料容器36包括可移动式粉料输送单元37，该移动式粉料输送单元37将一定数量的粉末输送到加工平面15(例如光束聚焦平面)，以便随后由铺粉装置20将粉末以一个或多个粉层31涂抹到基板平台16上或涂抹到已经用设备***处理过的粉床32上。残余粉料34在铺粉后被推到基板平台16之外，并被收集到粉料溢流容器38中(未示出)。

图3 b)展示了粉体***35的一个实施例，其中，第一粉料容器36和与之类比配置的第二粉料容器39均可交替充当临时的粉料溢流容器38。铺粉装置20被设置为分别从第一和第二粉料容器36，39中以各自合适的铺粉方向25交替地进行粉末30的铺粉过程。在粉料容器36、39的加工平面15以上、待输送的粉末可以与即将涂抹于基板平台16上的粉层的层厚进行系数适配，适配系数大于或等于1.2，或是系数2，尤其优选系数3或4。因为每次铺粉过程结束后的残余粉料可以继续会受到充当临时粉料溢流容器38的第一或第二粉料容器36，39内，因此通过使用此粉体***35使粉末的使用效率大幅增加。

图4展示了根据本发明装置的加工生产方法100，该装置包括一个空间可移动的铺粉装置20和一个激励单元40。该方法包括：铺粉110，通过铺粉装置将一个或多个粉层31在加工平面15上涂抹到基板平台上方或涂抹到已经用设备***10处理过的粉床32上方；激励和破散120，在至少一次铺粉过程中，优选在每次铺粉过程中，通过激励单元40破散各个粉末颗粒33相互之间和/或已经由激励单元40处理过的粉床32之间的团簇和/或粘连现象；抹平130，通过铺粉装置20对粉层31和/或粉床32进行整平处理。

图5 所示的本发明工艺方法100可与图4 所示的发明工艺方法进一步相结合，以获得更加光滑的粉床表面。额外的步骤包括：二次抹平140，至少由铺粉***20进行的二次抹平140，在涂抹完粉层31后，再次利用铺粉***在已涂抹的粉层31（也可以理解为当前的粉床32）上移动，不进行基板平台16的下沉操作，从而不改变当前粉床32的高度；粉料容器确认150，此外，该实施例还包括从粉体***35中选择确定当前的粉料容器36或39来提供可能需要的、用于二次抹平的粉末，以便由铺粉装置20进行铺粉或修复粉床；粉料容器供粉160，进一步的步骤还包括通过当前粉料容器36或39的可移动的粉料输送单元37将一定数量的粉末输送到加工平面15以上，以便随后由铺粉装置20将该数量的粉末作为粉层31涂抹在基板平台16上或已经用设备***10处理过的粉床32上；余粉回收170，此外，该方法包括还包括将被涂抹到基板平台16之外的残余粉料34推入当前临时充当粉料溢流容器38的第一或者第二粉料容器36，39中；交替铺粉180，进一步的步骤包括由铺粉装置20从第一粉料容器36或第二粉料容器39交替进行铺粉，2个粉料容器在一次铺粉过程中，一者充当粉料供应容器，一者则充当粉料溢流容器38。

图6 a)展示了根据本发明的设备***10的一个实施例的正面视图。图6 b)展示了此发明粉体***25的一个实施例，包括第一粉料容器36和第二粉料容器39，两者可以交替作为粉料供应容器33和粉料溢流容器38，还包括含有基板平台16(未示出)的容器，该粉体***25集成在此发明的设备***10中，以提高粉体的利用效率。

图7 a)展示了通过普通铺粉过程进行铺粉之后的粉层(或也称为 "粉床32")31实物图，铺粉效果不好，粉层不平滑。图7 b)展示了利用本发明铺粉装置20在设备***10中已成功将粉层31或粉床32抹平之后的实物图。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的是让熟悉该技术领域的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此来限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作出的等同变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

附图序号注释:

10 本发明设备***

11 复杂结构工件

15 加工平面

16 基板平台

20 铺粉装置

21 平滑工具

22 减震单元

23 支架

24 平滑工具支架

25 铺粉方向

30 粉末

31 粉层

32 之前已经涂抹好的粉层（之前的粉床）

33 粉末颗粒

34 残余粉料

35 粉体***

36 第一粉料容器（也可以称之为第一粉料供应容器）

37 可移动的粉料输送单元

38 粉料溢流容器

39 第二粉料容器（也可以称之为第二粉料供应容器）

40 激励单元

100 本发明操作方法

110…180发明操作方法的步骤

110 铺粉

120激励和破散

130抹平

140二次抹平

150粉料容器确认

160粉料容器供粉

170余粉收集

180交替铺粉。

Claims (33)

1.一种用于复杂结构工件（11）的增材制造设备***(10)，其特征在于，包括空间可移动的粉末(30)铺粉装置(20)和激励单元(40)；其中，铺粉装置(20)被设置为在加工平面(15)将一个或多个粉层(31) 涂抹到基板平台(16)上或已经用该设备***处理过的粉床(32)上；其中，激励单元(40)的设置是为了破散各个粉末(30)颗粒相互之间和/或与已经用设备***处理过的粉床(32)之间的团簇和/或粘连，以便铺粉装置(20)能够将光滑的粉层(31)涂抹到基板平台和/或前一个粉层/粉床(31，32)上。

2.根据权利要求1所述的设备***(10)，其特征在于，激励单元(40)包括利用振动激励来破散粉末团簇和/或粘连现象的振动单元。

3.根据权利要求2所述的设备***(10)，其特征在于，振动激励是以气动和/或电磁方式和/或通过超声波产生的。

4.根据权利要求2或3所述的设备***(10)，其特征在于，振动激励的频率与设备***的谐振频率不重叠。

5.根据权利要求4所述的设备***(10)，其特征在于，振动激励的频率对应的波长有与粉末的粒度相关的波长和/或与铺粉装置(20)沿铺粉方向的铺粉速度的波长相关。

6.根据权利要求2所述的设备***(10)，其特征在于，振动激励的频率在40Hz至100kHz之间。

7.根据权利要求1所述的设备***(10)，其特征在于，铺粉装置(20)包括平滑工具(21)。

8.根据权利要求7所述的设备***(10)，其特征在于，平滑工具(21)包括研磨单元、硅脂、塑料棒、刷子或金属条。

9.根据权利要求8所述的设备***(10)，其特征在于，研磨单元由具有一定硬度的适合超声波研磨和/或抛光的材料组成。

10.根据权利要求9所述的设备***(10)，其特征在于，研磨单元由陶瓷制成。

11.根据权利要求1所述的设备***(10)，其特征在于，激励单元(40)相对于粉床(32)和/或基板平台(16)是静止的。

12.根据权利要求1所述的设备***(10)，其特征在于，激励单元(40)相对于粉床(32)和/或基板平台(16)是空间移动的。

13.根据权利要求12所述的设备***(10)，其特征在于，铺粉装置（20）包括激励单元（40）。

14.根据权利要求1所述的设备***(10)，其特征在于，包括减震单元(22)，该减震单元（22）被配置为减少和/或消除激励向激励单元(40)外部的设备部件的传输。

15.根据权利要求14所述的设备***(10)，其特征在于，铺粉装置(20)通过支架(23)固定在用于进行铺粉装置(20)规定运动的导轨上，在激励单元(40)布置在铺粉装置(20)中的情况下时，支架(23)被设计为减震单元(22)或作为其一部分。

16.根据权利要求1所述的设备***(10)，其特征在于，使用的至少一部分粉末(30)具有团簇和/或结块和/或异形结构的特性。

17.根据权利要求16所述的设备***(10)，其特征在于，粉末（30）的粒径<20微米，至少一部分粉末(30)的粒径<2微米。

18.根据权利要求1所述的设备***(10)，其特征在于，包括粉体***(35)，从至少第一粉料容器（36）中提供粉末(30)，以便由铺粉装置(20)进行铺粉过程。

19.根据权利要求18所述的设备***(10)，其特征在于，至少第一粉料容器(36)包括可移动式粉料输送单元(37)，该可移动式粉料输送单元（37）将一定数量的粉末输送到加工平面(15)中，以便随后由铺粉装置(20)将其以一个或多个粉层涂抹到基板平台(16)上或涂抹到已经用设备***处理过的粉床(32)上。

20.根据权利要求18或19所述的设备***(10)，其特征在于，铺粉装置(20)被布置成在涂抹粉末(30)时将基板平台(16)之外的残余粉料(34)推送到粉料溢流容器(38)中。

21.根据权利要求20所述的设备***(10)，其特征在于，粉料溢流容器(38)表示为与第一粉料容器(36)类比配置的第二粉料容器(39)，铺粉装置(20)被设置为以分别合适的铺粉方向(25)从第一和第二粉料容器(36，39)交替地进行铺粉过程，其中，第一粉料容器(36)也被用作粉料溢流容器(38)。

22.根据权利要求21所述的设备***(10)，其特征在于，在第一和第二粉料容器(36，39)的应用加工平面(15)以上、待输送的粉末与即将涂抹于基板平台(16)上的粉层层厚进行系数适配，适配系数大于或等于1.2，或是系数2~4中的其中一个整数。

23.根据权利要求1所述的设备***(10)，其特征在于，其被配置以满足选择性激光熔融技术或/和电子束熔融技术。

24.根据权利要求7所述的设备***(10)，其特征在于，铺粉装置(20包括被配置为容纳平滑工具(21)的平滑工具支架(24)。

25.根据权利要求24所述的设备***(10)，其特征在于，激励单元（40）布置在平滑工具支架(24)上方。

26.根据权利要求24所述的设备***(10)，其特征在于，平滑工具支架(24)与激励单元(40)进行集成设计。

27.根据权利要求15所述的设备***(10)，其特征在于，减震单元(22)被配置为将支架(23)连接到激励单元(40)。

28.根据权利要求1所述的设备***(10)的一种复杂结构工件的增材制造方法(100)，其特征在于，该方法包括以下步骤：

铺粉(110): 通过铺粉装置(20)将一个或多个粉层(31)在加工平面(15)上涂抹到基板平台(16)上方或涂抹到已经用设备***(10)处理过的粉床(32)上方；

激励和破散(120): 在至少一次铺粉过程中，优选在每次铺粉过程中，通过激励单元(40)破散各个粉末颗粒(33)相互之间和/或已经由激励单元(40)处理过的粉床(32)之间的团簇和/或粘连现象；

抹平(130): 通过铺粉装置(20)对粉层(31)和/或粉床(32)进行整平处理。

29.根据权利要求28所述的方法，其特征在于，包括进一步的步骤：第二次抹平(140)：至少由铺粉***(20)进行的二次抹平，在涂抹完粉层(31)后，再次利用铺粉***在已涂抹的粉层上移动，而不进行额外的粉末涂抹。

30.根据权利要求28或29所述的方法，其特征在于，包括进一步的步骤：粉料容器确认(150)：粉体***(35)中选择确定当前的粉料容器(36，39)来提供需要的、用于二次抹平的粉末(30)，以便由铺粉装置(20)进行铺粉或修复粉床。

31.根据权利要求30所述的方法，其特征在于，包括进一步的步骤：粉料容器供粉(160)：通过当前粉料容器(36，39)的可移动的粉料输送单元(37)将一定数量的粉末输送到加工平面(15)以上，以便随后由铺粉装置(20)将该数量的粉末作为粉层(31)涂抹在基板平台(16)上或已经用设备***(10)处理过的粉床(32)上。

32.根据权利要求31所述的方法，其特征在于，包括进一步的步骤：余粉回收(170)：将被涂抹到基板平台(16)之外的残余粉料(34)推入当前临时充当粉料溢流容器(38)的第一或者第二粉料容器(36，39)中。

33.根据权利要求32所述的方法，其特征在于，包括另一个步骤：交替铺粉(180)：由铺粉装置(20)从第一粉料容器(36)或第二粉料容器(39)交替进行铺粉，2个粉料容器在一次铺粉过程中，一者充当粉料供应容器(36，39)，一者则充当粉料溢流容器(38)。

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