粉末去除系统及方法

摘要

粉末去除系统包括具有上游端和下游端的多个管道，流体联接到管道的歧管，以及流体联接到歧管的加压空气供应源，加压空气供应源经由歧管将加压空气供应到管道。管道的下游端插入到部分地填充有粉末的多个通道中。

说明书

背景技术

本公开大体上涉及用于制造的粉末去除的方法和系统。

增材制造或三维(3-d)打印是一种一次形成一层物品的过程。增材制造的几种模式或方法使用粉末床打印过程，其中沉积粉末层并且使用辊或刮刀来平整粉末的高度。可以选择性地将热源引入粉末以熔融或熔化粉末。可选地，可以在粉末被平整之后选择性地将粘合剂施加到粉末。重复该过程，直到打印出零件或部件的几何形状。

当零件在打印期间嵌入粉末床中时，许多或所有内部结构可以填充粉末，粉末可以是金属和/或其他材料。通常执行诸如热处理、表面精加工和减法制造过程的后处理步骤，以进一步增强零件的性能或几何形状。当零件仍在制造中，处于“坯体”状态。坯体零件可能不如完整的成品那么坚固，并且可能需要特殊技术来对坯体零件进行除粉，使得零件本身在处理和除粉期间不会破裂，特别是对于具有复杂内部几何形状和空腔的零件。

发明内容

在一个方面，粉末去除系统包括具有上游端和下游端的多个管道、流体联接至管道的歧管、以及流体联接到歧管的加压空气供应源，加压空气供应源经由歧管将加压空气供应到管道。管道的下游端插入到部分地填充有粉末的多个通道中。

在另一方面，粉末去除的方法包括提供管道阵列，将管道插入到至少部分地填充有粉末的多个通道中，以及将压缩空气分配出管道。每个管道足够窄以允许粉末流过多个通道中的一个通道内的管道。

附图说明

阅读以下参考附图的详细描述时，本公开的这些和其他特征、方面和优点将变得更好地理解，在附图中相同的字符表示整个附图中相同的部分，其中：

图1是通过增材制造形成的粉末填充的零件的示意图；

图2是粉末去除系统的示意图；

图3是粉末去除系统的部件的放大侧视图；

图4是粉末去除系统的部件的放大侧视图；

图5是粉末去除系统的部件的放大侧视图；

图6是粉末去除系统的部件的放大侧视图；

图7是粉末去除系统的部件的放大侧视图；

图8是粉末去除系统的部件的放大侧视图；

图9是粉末去除系统的部件的放大侧视图；还有

图10是根据本实施例的粉末去除系统的部件的放大侧视图。

除非另有指示，本文提供的附图旨在说明实施例的特征。这些特征被认为可应用于包括本公开的一个或多个实施例的各种系统中。因此，附图并不意味着包括本领域普通技术人员为实施本文公开的实施例所需的所有常规特征。

具体实施方式

在下面的说明书和权利要求书中，将引用许多术语，这些术语应定义为具有以下含义。

除非上下文另有明确规定，否则单数形式“一”、“一个”和“这个”包括复数引用。

“可选”或“可选地”是指随后描述的事件或情况可能发生或可能不发生，并且描述包括事件发生的实例和事件不发生的实例。

本说明书和权利要求书中使用的近似语言可用于修改任何可允许变化的定量表示，而不导致其相关的基本功能的变化。因此，由一个或多个术语修改的值，例如“大约”、“近似”和“基本”，不限于规定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可以对应于用于测量值的仪器的精度。在本说明书和权利要求书中，范围限制可以组合和/或互换。除非上下文或语言另有指示，否则识别这些范围并包括其中包含的所有子范围。

如本文所用，术语“模态”指任何增材制造制造方法和加工，包括但不限于粘合剂喷射、定向能量沉积、材料挤压、选择性激光熔化(SLM)、材料喷射、粉末床熔化、片层压、焊接、钎焊、还原光聚合、立体平版打印(SLA)、直接金属激光熔化(DMLM)，熔融沉积模型(FDM)、直接金属激光烧结(DMLS)和电子束熔化(EBM)。也有不使用粉末的增材形式。增材制造也称为生成性构建过程。

如本文所使用的，术语“粉末”可用于各种材料，包括但不限于金属、陶瓷和聚合物粉末。粉末特性，例如尺寸、材料、密度和其他性质可取决于所采用的模态。

如本文所使用的，术语“除粉”和“粉末去除”是指在制造阶段之后或期间从零件去除多余粉末的过程。

在使用粉末床模态和/或粉末作为输入材料的增材制造构建方法中，粉末尺寸分布存在变化，导致粉末的包装密度变化。例如，对于许多模态，期望更高的粉末填充密度，以便减小所得成品零件的孔隙率。对于其它模态，期望较低的粉末填充密度以增加粉末的流动性，这可提高过程的精细特征细节的分辨率。因此，粉末去除在一些增材模态中可能比在其他增材模态中更具挑战性，特别是当零件处于坯体状态时发生粉末去除的模态，因为在不损坏坯体零件的情况下震动或振动坯体零件的能力的限制。

本文描述的方法和实施例提供了从增材制造的零件和其他零件(特别是具有复杂内部几何形状的零件)、经由粉末床增材制造模态制造的零件和具有精细特征细节的零件中增强地去除粉末。此外，此处描述的方法和实施例增强了用诸如粘合剂喷射的增材模态的粉末去除，其中零件保持在打印后(在热处理之前)的坯体状态，在该状态期间，零件在结构上不那么坚固并且不能适应经常用作去除粉末的手段的摇动引起的大振动。

图1是通过增材制造制成的零件10的示意图。该零件可能处于坯体状态，并且未完全完成。零件10包括限定在多个竖直壁16和多个水平壁18之间的多个水平和竖直间隔开的通道14。零件10可包括至少一个侧壁20、顶表面22和底表面24。作为经由粉末床增材制造过程制造的结果，多个水平和竖直间隔开的通道14中的每个通道充满粉末12。在图1的实施例中，多个水平和竖直隔开的通道14以矩形和/或正方形横截面出现。然而，具有其他横截面形状(例如但不限于圆、三角形、平行四边形、多边形和其他形状)的通道也是可能的。此外，除了通道之外的空腔(例如空隙、储气室、气室、晶格结构空隙、管道、歧管等)也是可能的。

图2是用于从零件10去除粉末的粉末去除系统200的示意图。粉末去除系统200包括沿着竖直方向定向并机械地联接到一组顶部轨道38A和一组底部轨道38B的歧管34。顶部轨道38A和底部轨道38B沿着深度方向42延伸到竖直定向的引导件40，该引导件40包括多个竖直间隔的引导孔46。顶部轨道38A和底部轨道38B允许多个管道44在深度方向42上的移动，允许管道44以期望的深度范围插入通道14中。换句话说，可以使用顶部导轨38A和底部导轨38B将管道44移动到多个通道深度。多个管道44在歧管34和引导件40之间在深度方向42上延伸，使得每个管道44通过引导孔46朝向零件10延伸。引导件40和引导孔46防止空气管道44在它们跨越歧管34和通道14之间的距离上下垂或下沉。套管48机械地联接到歧管34，使得套管既支撑歧管顶端34A又支撑歧管底端34B，并且允许歧管34的竖直平移，使得多个管道44可接近零件10的所有部分。空气供应管线50流体地连接到歧管顶端34A，使得空气可被输送到歧管34的内部。套管48和/或歧管34可机械地联接至水平导轨30。除了套管48和/或支架之外的其它机械联轴器也可用于将歧管34附接到水平导轨30。类似地，除了顶部和底部导轨38B之外的其它机械联接件可用于将引导件40附接到歧管34。在其他实施例中，可以仅使用一个轨道或一组轨道来代替顶部轨道38A和底部轨道38B。在其他实施例中，水平导轨30本身除了水平方向32之外还能够沿着对准平台26在深度方向42上调节或平移，由此消除了对顶部导轨38A和底部导轨38B的需要。

仍参考图2，压力控制阀52设置成与歧管34上游的空气供应管线50流体连通，用于控制空气供应管线50内的空气压力。加压空气供应源54与压力控制阀52流体连通，并且在压力控制阀52的上游。经由压力控制阀52和空气供应管线50供应到歧管34的加压空气流向歧管34的内部，在此，空气进入多个管道44中的至少一个管道，每个管道流体地联接到歧管34的内部。空气流经多个管道44进入多个水平和竖直间隔开的通道14，在此，使得通道14中的粉末12松开并流出通道14。在其它实施方案中，在例如存在过量温度和/或潜在挥发性和/或可燃材料的情况下，可能希望使用诸如惰性气体的气体，而不是空气作为除粉流体。在其它实施例中，可能希望使用其它流体和/或液体，而不是加压气体。零件10可包括多个竖直壁16和水平壁18，竖直壁16和水平壁18以重复图案布置，使得水平和竖直间隔开的通道14也重复。因此，多个管道44和引导孔46布置成如图2所示的竖直构造，以及在水平配置(未显示)中包含多个水平列的阵列。另外，多个管道44和引导孔46可以布置成竖直阵列和/或水平阵列。另外，在其他实施例中，可以使用其他配置，例如具有8个竖直列的2个水平行、具有3个竖直列的12个水平行或具有4个竖直列的4个水平行等。

在粉末去除期间，零件10可坐落在可去除平台28上，该可去除平台28能够围绕竖直轴线旋转56，以允许从多个侧面从零件10去除粉末12。可去除平台28可以位于对准平台26上，该对准平台26允许粉末去除系统200与零件10的特征和几何形状对准。包括歧管、套管、导轨、顶部和底部导轨38A和38B以及多个管道44的粉末去除系统200的结构可以沿着包括深度方向42、竖直方向36和水平方向32的三个轴线中的每一个铰接。该三个轴线布置允许多个管道44以各种深度插入到多个水平和竖直间隔开的通道14中，以帮助粉末去除。此外，这种三个轴线布置允许多个管道44可移动，以便经由歧管34沿着套管48的移动从顶表面22到底表面24进入整个零件10，并将经由沿着水平轨道30的移动沿着水平方向32进入全范围的位置。多个管道44可以以多个深度插入到多个通道14中，然后在沿水平方向32和/或竖直方向36移动之前完全抽出。另外，在一些实施例中，根据零件10和多个通道14的几何形状，当多个管道44仍然插入到多个通道14中时，多个管道44可能不能在水平方向32或竖直方向36上移动。

图3示出具有小于通道高度60和通道宽度61的外径58的管道44，使得管道可以装配在通道14内。管道44包括在上游端63的会聚部分62。图3的实施例还示出了会聚部分62上游的密封部分65，其有助于允许管44经由垫圈或其他密封装置(未示出)流体密封到歧管34，允许在沿着深度方向42移动期间维持流体密封。会聚部分62减小空气流过的通道的流动面积，使得密封部分65具有比管道44更大的直径。会聚部分62增加了空气(或惰性气体)通过管道44的速度(遵循理想气体定律的原理)，这有助于在空气从管下游端66排出之后的粉末去除过程。

图4示出了将空气从下游端66排出到填充有粉末12的通道14中的管道44。排出的空气推动粉末12，使得第一粉末流64A在通道14的近端68A处离开通道14。

图5示出了将空气从下游端66排出到部分填充有粉末12的通道14中的管道44。在图5中，管道44的下游端66插入通道14的内部。排出的空气推动粉末12，使得第二粉末流64B返回通过通道14朝向通道14的近端68A行进。如图所示，管道44的下游端66足够窄，以允许第二粉末流64B在通道14内朝通道14的近端68A行进通过。另外，管道44的下游端66足够窄，使得排出的空气不覆盖通道14的整个横截面，再次允许粉末12流向通道14的近端68A。在一个实施例中，管道44的横截面面积在通道14的横截面面积的约0.1％至约10％的范围内。在另一实施例中，管道44的横截面面积在通道14的横截面面积的约0.5％至约5％的范围内。在另一实施例中，管道44的横截面面积在通道14的横截面面积的约1％至约4％的范围内。在另一实施例中，管道44的横截面面积在通道14的横截面面积的约2％至约3％的范围内。在另一实施例中，管道44的横截面面积在通道14的横截面面积的约2.2％至约2.8％的范围内。在另一实施例中，管道44的外径在通道14的最小尺寸的约1％至约50％的范围内。在另一实施例中，管道44的外径在通道14的最小尺寸的约20％至约45％的范围内。在另一实施例中，管道44的外径在通道14的最小尺寸的约25％至约40％的范围内。在另一实施例中，管道44的外径在通道14的最小尺寸的约30％至约35％的范围内。

图6示出了将空气从下游端66排出到部分填充有粉末12的通道14中的管道44。在图6中，管道44的下游端66插入通道14的内部的距离大于图5的实施例中的距离。排出的空气推动粉末12，使得第二粉末流64B返回通过通道14朝向近端68A行进。另外，从管道44的下游端66排出的空气开始将粉末12推出通道14的远端68B，形成第三粉末流64C。

图7是粉末去除系统200的实施例，其可与具有波状外形的和(或非线性的)通道14A的零件10'一起使用。加压空气供应源54向歧管34和管道44’提供空气，该空气经由管道44’的下游端66排出到波状外形的通道14A中。在图7的实施例中，管道44’的下游端66是部分柔性的，以便允许管道44在粉末去除过程中根据波状外形的通道14A的内壁挠曲。

图8是粉末去除系统200的实施例，其可与具有不同尺寸的通道14B的零件10”一起使用。加压空气供应源54向歧管34、第一管道44A和第二管道44B提供空气，然后空气经由管道44A和44B的下游端66排出到通道14B中。第一管道44A和第二管道44B，在图7的实施例中，与具有单个管道44的构造相比排出额外的空气，以在粉末去除过程中针对通道14B的尺寸进行调节。在其他实施例中，可以使用其他数量的管道。在另一实施例中，可以使用包括不同尺寸的管道44的单个管道的构造。

图9是粉末去除系统200A的实施例，包括负压源，例如真空70和至少一个真空管道72。加压空气供应源54向歧管34提供空气，该空气经由管道44的下游端66排出到通道14中，该下游端66插入到通道近端68A中。真空管道72的抽吸端74插入通道远端68B。真空管道72与真空70流体连接。在操作中，粉末(未示出)在通道远端68B处通过真空管道72被抽吸，同时管道44传送迫使粉末在近端68A和/或远端68B处离开通道14的流体气流。在其他实施例中，真空管道72和空气管道44可以插入到零件的同一端(即，通道近端68A或通道远端68B)上的通道14中，而不是插入到相对端处。

图10是粉末去除系统200的实施例，其包括具有小于大气压力的第一空气管道45A和具有正内压的第二空气管道45B。第二空气管道45B进一步延伸到通道14B中，用于将粉末12吹出通道14B。第一空气管道45A产生抽吸力以经由抽吸力将粉末12拉出通道14B。

在操作中，粉末去除系统200、200A可被编程为使得根据零件10的特定特征和几何形状而自动执行粉末去除算法。例如，可以以各种组合和步骤来执行粉末去除系统200在水平方向32、竖直方向36和深度方向42上的各种铰接以及可去除平台28的旋转，以增强粉末12从零件10的去除。粉末去除系统200可包括加压空气供应源54，该加压空气供应源54产生低于大气压力的加压空气，从而在期望使用抽吸力而不是吹送来去除粉末的情况下经由空气管道44产生真空。

此外，各种反馈传感器可包括在粉末去除系统200中，例如摄像机(未示出)，以在粉末去除期间目视检查粉末12和安装到可去除平台28或校准平台26以称重零件10的标尺，以便评估仍保留在零件10中的粉末12的质量(即，因为没有粉末的零件10的近似重量可能是已知的)。这些反馈传感器可用于控制粉末去除系统200。此外，减压阀(未示出)可设置在歧管34内，使得歧管34和管道44内的内部压力不超过预定阈值，从而确保过大的空气压力不会损坏零件10。

类似地，每个空气管道44可配备有静态压力传感器(未示出)和/或流量阀(未示出)，以便监测和调节每个空气管道44内的压力，以及在粉末去除过程期间选择性地控制到每个管道44的气流。歧管34可包括可配置阵列，使得多个管道44可基于零件10和通道14的几何形状，根据需要被布置成多个水平行和/或竖直列。多个管道44的实施例可以包括多个管道44以及在同一歧管34内同时使用的柔性和非柔性管道44。多个管道44的实施例还可以包括除矩形阵列之外的构造的多个管道44，例如星形构造、三角形构造以及基于特定零件10的特定几何形状或布局来去除粉末12的所期望或生产的任何其他构造或图案。另外，因为通道14的深度可以变化，所以期望一个或多个管道44以与其他管道44不同的深度方向42的距离插入相应的通道14中。

粉末去除系统200可以包括多个歧管34，这些歧管34被类似地和不同地构造，以适应多于一个零件的多个几何形状和/或单个零件的多个方面。歧管34可被构造成使得管道44的尺寸、类型和布置等可被调节以适应多个零件10的几何形状。歧管34可装备有快速连接/快速断开型配件，以允许压力供应管线50与歧管34容易地连接和断开，以便适应例如具有不同几何形状的零件10。在这种布置中，歧管34可以是可互换的。在一个实施例中，粉末去除系统200可包括围绕可去除平台28和/或围绕对准平台26布置的多个歧管。多个歧管34可以类似地或不同地构造。可去除平台28能够围绕竖直轴线旋转56，并且因此可以基于零件10的几何形状旋转，以便将零件10与一个歧管34对准，该一个歧管34包括用于从零件10去除粉末12的期望构造。例如，歧管34可以布置在围绕可去除平台28和/或在对准平台26周围的四个侧面中的每一个上，从而提供粉末去除系统200，该粉末去除系统200能够从许多不同零件10的几何图形、形状和/或通道14尺寸中去除粉末12。粉末去除系统200的其它实施例可包括不同数量的歧管34。在另一些实施例中，粉末去除系统200可包括围绕中心平台旋转的一个或多个歧管或支撑零件10的基部，例如，其中零件10大且难以移动(即，而不是零件10在可去除平台上旋转)。

使用相对于通道14的横截面较窄的管道44允许管道44插入到通道14中，并且还允许松散粉末12被排出的空气朝向近端68A迫使返回到通道14之外。可以结合根据本实施例的粉末去除系统200使用本文描述的部件的其他布置以实现类似的效果。管道44、歧管34、套管48、引导件40、轨道38A、轨道38B和可去除平台28可经由齿轮、液压、导线、电缆、链条、滑轮、连杆、电动机、加压空气、磁铁、活塞、履带系统和其他装置在竖直、水平和深度方向上铰接。此外，管道44和其他结构在竖直、水平和深度方向36、32和42中的任何一个上的调节可以是根据需要的迭代过程，以松散和去除通道14内的粉末12。例如，在多个通道14内沿着深度方向42来回移动管道44可增强粉末去除，以允许流体气流被引导到粉末12以各种距离范围和/或角度积聚的区域。

虽然本公开的各种实施例的具体特征可以在一些附图中示出，而不是在其他附图中示出，但这仅是为了方便。根据本公开的实施例的原理，附图的任何特征可以与任何其他附图的任何特征结合引用和/或要求保护。

该书面描述使用示例来公开本公开的实施例，包括最佳模式，并且还使得本领域技术人员能够实践本公开的实施例，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何结合的方法。这里描述的实施例的可申请专利的范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果它们具有与权利要求书的文字语言不存在差异的结构元件，或者如果它们包括与权利要求书的文字语言具有不显著差异的等效结构元件，则这样的其他示例旨在在权利要求书的范围内。