[发明专利]增材制造系统中激光烧蚀冷凝物的控制

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2014年9月19日提交并被分配为美国专利申请No.62/052,521的标题为“Control of Laser Ablation Condensate Products within Additive Manufacturing Systems”(增材制造系统中激光烧蚀冷凝物的控制)的临时专利申请的优先权，其公开内容据此以引用方式并入本文。

技术领域

本发明涉及增材制造，更具体地讲，涉及控制冷凝物的增材制造系统。

背景技术

增材制造使得人们能够通过增材方法(此方法中连续的材料层被放置)由模型或另一电子数据源制造三维物体。人们使用激光束将预先整平的粉末表面熔化成固体材料薄片。而后将另一层粉末施加在先前熔化的薄片顶部上，并重复该方法直到逐层地构建出三维物体。该方法称为例如粉末床熔化(PBF)、激光选择性熔化或直接激光金属烧结。该方法可应用于能够熔化在一起的金属、塑料或其他材料。

可在充有惰性气体的室中进行增材制造方法，以防止发生不期望的化学反应。该惰性气体可以是例如氩气。在层熔化方法中，蒸发的材料冷凝成纳米尺寸的粉尘，其在本文中称为“冷凝物”。该冷凝物最初悬浮在室内的惰性气体中。虽然一些冷凝物会被朝向室中的过滤器引导，但是大部分冷凝物都可能积聚在室中以及室周围。

沉积的冷凝物可能积聚在室壁上、激光束被引导而穿过的透明窗口上，以及正被制造的物体上。激光束可能会受到遮蔽，并且如果冷凝物沉积在透明窗口上，则增材制造方法可能会中断或削弱。例如，某物体在增材制造系统中可能需要10到200小时来构建。然而，在已形成沉积物的情况下，透明窗口仅在使用大约五个小时之后就可能变模糊。如果透明窗口变得模糊，则可能需要暂停制造并清洁系统。

室壁上或室中其他位置处累积的冷凝物可能引发火灾风险，这给操作者带来了安全问题。冷凝物中的一些材料在空气中可能是高反应性的，如果已积聚了足够的冷凝物并且室被打开以便清洁或维护，则可能导致自燃。例如，可以在激光加工期间形成钛或铝冷凝物。钛粉尘或铝粉尘具有火灾危害性，且暴露在空气中时会造成爆炸危害。

累积在所制造物体上的任何冷凝物都可影响该物体的质量或性质。例如，冷凝物可能降低保真性，或影响所制造物体的形状、尺寸或物理性质。冷凝物的累积甚至可能损毁正被制造的物体。因此，可能会存在一个可以执行操作的最大构建时间，而后则需要因存在冷凝物而清洁室和透明窗口。这可能使得增材制造不适于制造大型或复杂的物体。

针对上述问题，一种已知方法是引导惰性气体流过室中的过滤器以捕获冷凝物。然而，难以仅靠惰性气体流来控制冷凝物的精确轨迹。一些冷凝物可能被意外地引导到正在形成的物体上方及其表面上。

可手动清洁室壁和透明窗口。然而，这种做法既耗时又耗力。由于频繁的清洁或预防性维护，使得增材制造系统的生产量降低。依赖于系统中所用的材料，手动清洁可因为火灾或爆炸的风险而较为危险。

所以，需要一种改进的增材制造系统和一种改进的操作增材制造系统的方法，以缓解冷凝物带来的问题。

发明内容

具体表现本发明的增材制造系统通常包括透明窗口、粉末床和多个壁。壁和透明窗口在粉末床周围形成室。该系统还包括激光源，其被布置成将激光束引导穿过透明窗口进入室并朝向粉末床，从而在室中产生冷凝物。冷凝物在形成时可具有并保持有电荷，或者可以在形成冷凝物时通过向室施加静电场这一方式而使其带电。根据本发明，在室中设置电极以控制带电的冷凝物。可将电极偏压以吸引或排斥带电的冷凝物。在一个实施例中，电极为设置在透明窗口上的透明电极，其被偏压以排斥带电冷凝物离开透明窗。

本发明扩及一种增材制造的方法，该方法包括以下步骤：将激光束通过透明窗口引导到室中以熔化粉末床中的粉末，其中带电冷凝物产生自所述粉末，以及对设置在室中的电极施加电偏压以吸引或排斥带电冷凝物。

附图说明

为了更全面地理解本发明的性质和目的，应参考结合附图进行的以下详细描述，其中：

图1是根据现有已知技术形成的增材制造系统的示意图；

图2是根据本发明的实施例形成的增材制造系统的示意图；

图3是根据本发明的另一个实施例形成的增材制造系统的示意图；

图4是根据本发明的另一个实施例形成的增材制造系统的示意图；并且

图5是根据本发明的又一个实施例形成的增材制造系统的示意图。

具体实施方式