СИСТЕМА НАНЕСЕНИЯ ПОРОШКА
METHOD OF POWDER PLATING

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к системе нанесения порошка для подачи и распределения порошка по рабочей области в устройстве производства трехмерных объектов послойно из порошкообразного материала, который может затвердевать при облучении его электромагнитным излучением или пучком электронов.
Уровень техники
Оборудование для производства трехмерного объекта послойно из порошкообразного материала, который может затвердевать, путем облучения его электромагнитным излучением или пучком электронов, известно, например, из US 4863538, US 5647931 и SE 524467. Такое оборудование включает в себя, например, источник подачи порошка, средства для нанесения слоя порошка на рабочую область и средства для направления пучка по рабочей области. Порошок спекается или плавится и затвердевает по мере перемещения пучка по рабочей области. Из соображений качества продукта важно, чтобы порошок равномерно распределялся по рабочей области и чтобы он соответствовал заданному значению. Более того, предпочтительно, чтобы слой можно было нанести быстро для поддержания как можно более высокой скорости производства.
Обычные средства нанесения порошка, как правило, включают в себя подающий элемент и распределительный элемент, при этом первый перемещает определенное количество порошка из источника подачи порошка к распределительному элементу, который, в свою очередь, распределяет порошок по рабочей области.
Средства для нанесения порошка работают в жестких условиях: температура высокая, частички порошка проникают в отверстия и щели, испаренный порошкообразный материал конденсируется и формирует покрытия, и т.д. Это вызывает проблемы, связанные с тем, что валы, шарниры и прочие подвижные части, в частности подающего элемента, останавливаются в результате ухудшения механического функционирования. Помимо простоев производства, это приводит к проблемам при подаче требуемого количества порошка к распределительному элементу, что, в свою очередь, приводит к неравномерному распределению порошка.
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является обеспечение улучшенного нанесения порошка для оборудования производства трехмерных объектов. Данная задача достигается при помощи технических признаков, содержащихся в независимых пунктах 1, 8 и 9 соответственно. Зависимые пункты содержат предпочтительные варианты осуществления, дополнительные разработки и варианты изобретения.
Изобретение относится к системе нанесения порошка для подачи и распределения порошка по рабочей области в устройстве производства трехмерных объектов, содержащей блок хранения порошка, выполненный с возможностью вмещения источника подачи порошка и дополнительно содержащей распределительный элемент, установленный с возможностью перемещения по рабочей области для распределения части порошка на рабочей области. Изобретение отличается тем, что распределительный элемент на первом этапе установлен с возможностью перемещения на заданное расстояние в источник подачи порошка, расположенный в блоке хранения порошка, при этом указанное расстояние является достаточно длинным для выполнения перемещения части порошка из источника подачи порошка с одной стороны распределительного элемента к другой стороне распределительного элемента, обращенной к рабочей области, причем распределительный элемент, на втором этапе, установлен с возможностью перемещения к рабочей области и по ней для распределения части порошка на рабочей области.
Таким образом, распределительный элемент согласно изобретению работает и как подающий элемент, и как распределительный элемент, в результате чего отсутствует необходимость в каких-либо дополнительных перемещающихся частях для подачи порошка к распределительному элементу. Предпочтительный эффект настоящей конструкции заключается в том, что она упрощает систему механически и делает ее более надежной по сравнению с обычными системами.
В первом предпочтительном осуществлении изобретения блок хранения порошка выполнен открытым, так что порошок, расположенный в блоке хранения порошка, обеспечивает формирование угла естественного откоса на стороне источника подачи порошка, обращенной к рабочей области. Поскольку такой источник подачи порошка обеспечивает четкую форму, которая также может быть восстановлена постоянным образом, такая конструкция обеспечивает возможность получения четкого размера части порошка путем управления лишь перемещением распределительного элемента, т.е. путем регулирования расстояния, на которое распределительный элемент может перемещаться в блок хранения порошка, и, таким образом, в источник подачи порошка. Это простой и надежный способ подачи требуемых количеств порошка к распределительному элементу.
Настоящее изобретение также относится к устройству производства трехмерных объектов послойно из порошкообразного материала, который может затвердевать, путем облучения его электромагнитным излучением или пучком электронов, отличающееся тем, что оно содержит предложенную систему нанесения порошка.
Настоящее изобретение также относится к способу нанесения порошка на рабочую область в устройстве производства трехмерных объектов, включающему этапы, на которых перемещают часть порошка из источника подачи порошка к распределительному элементу и перемещают распределительный элемент по рабочей области для распределения части порошка на рабочей области. Предложенный способ отличается тем, что он включает в себя первый этап перемещения распределительного элемента на заданное расстояние в источник подачи порошка для перемещения части порошка из источника подачи порошка с одной стороны распределительного элемента к другой стороне распределительного элемента, обращенной к рабочей области, и второй этап перемещения распределительного элемента к рабочей области и по ней для распределения части порошка по рабочей области.
Краткое описание чертежей
В нижеприведенном описании изобретения сделана ссылка на следующие чертежи, на которых:
фиг.1 представляет собой схематичный вид в перспективе, первого предпочтительного варианта осуществления изобретения;
фиг.2А-2D представляют собой схематичный разрез в перспективе и работу согласно первому предпочтительному варианту осуществления изобретения.
Варианты осуществления изобретения
На фиг.1 и 2 показаны элементы и работа согласно первому предпочтительному варианту осуществления изобретения. Как показано на данных чертежах, система 1 нанесения порошка расположена на плоском, по существу, рабочем столе 5 и содержит два блока 11 хранения порошка, симметрично расположенных с противоположных сторон рабочей области 3, расположенной наверху вертикально регулируемой платформы 4, которая вставляется в вырез в рабочем столе 5. Каждый блок 11 хранения порошка содержит источник подачи порошка 2 (см. фиг.2А). Распределительный элемент 6 в виде скребка треугольного поперечного сечения проходит вдоль рабочей области 3 и установлен при помощи направляющих (не показаны) с возможностью перемещения по рабочей области 3 в направлении, перпендикулярном направлению его протяжения.
Источник излучения (не показан) предпочтительно расположен на некотором расстоянии над рабочей областью 3, которая выполняет функцию площади мишени для электромагнитного излучения или пучка электронов, используемых для отверждения порошка.
Каждый блок 11 хранения порошка вместе с соответствующим источником подачи порошка 2 проходит вдоль стороны рабочей области 3 в направлении, по существу, параллельном скребку 6. Стенки 8а, 8b вместе с торцевыми стенками (не показаны), образуют части блоков 11 хранения порошка и поддерживают на месте источник подачи порошка. Блоки 11 хранения порошка выполнены открытыми посредством обеспечения того, что стенки 8а, обращенные к рабочей области 3, оканчиваются на некотором расстоянии над рабочим столом 5. В результате этого часть источника подачи порошка 2 может формировать угол естественного откоса (α) на стороне источника подачи порошка 2, обращенной к рабочей области 3. Эта часть источника подачи порошка 2 показана пунктирной линией и обозначена позицией 2b на фиг.2А. Блоки 11 хранения порошка заполняются или повторно заполняются сверху. Блоки 11 хранения порошка, заполненные порошком, показаны на фиг.2А-2D.
Далее будет описана работа системы 1 нанесения порошка. На фиг.2А-2D показано начальное состояние при производстве трехмерного объекта, т.е. платформа 4 регулируется до положения слегка ниже уровня рабочего стола 5 для облегчения нанесения первого слоя порошка на рабочую область 3. На фиг.2А скребок 6 показан в первом положении, в котором он перемещается вправо к источнику подачи порошка 2. На фиг.2В скребок 6 достиг второго положения, проникнув на заданное расстояние в источник подачи порошка 2, т.е. на заданное расстояние в блок 11 хранения порошка. В этом положении определенная часть порошка под действием силы тяжести перетекла за скребок из источника подачи порошка 2 к стороне скребка 6, обращенной к рабочей области 3. На фиг.2С показан скребок 6 в положении, подобном положению на фиг.2А, но в данном случае скребок 6 перемещается влево, проталкивая часть порошка к рабочей области 3. На фиг.2D скребок 6 находится в четвертом положении после прохождения по рабочей области 3, на которую теперь нанесен первый слой 10 порошка. В этой точке первый слой 10 может затвердевать при помощи средств облучения.
Предпочтительно скребок 6 снабжен, по меньшей мере, одной эластичной полосой (не показана), которая проходит вдоль нижней стороны скребка 6 и плотно прижимается к рабочей области 3, когда скребок 6 проходит по ней. Такая эластичная полоса облегчает достижение равномерного слоя 10. Более того, данная особенность делает систему 1 нанесения порошка менее чувствительной к изменениям расстояния между рабочей областью 3 и нижней стороной скребка 6, вызванных, например, неровностями в спекшейся поверхности. Такая полоса может, например, быть сформирована тонкой металлической пластиной.
Более того, система 1 содержит откидные дверцы 9, которые могут быть открыты для удаления загрязнений, таких как агломерированные частицы порошка или излишек порошка, с рабочего стола 5. Откидные дверцы 9 могут быть открыты вручную при необходимости или могут автоматически открываться с заданным интервалом.
Количество порошка, которое будет перетекать за распределительный элемент 6, т.е. размер части порошка, подлежащей распределению по рабочей области 3, в основном зависит от того, насколько далеко распределительный элемент 6 переместится в источник подачи порошка 2, скорости, формы и свойств поверхности распределительного элемента 6, конструкции блока 11 хранения порошка и типа порошка. Тип порошка воздействует на свойства текучести порошка, которые оказывают влияние как на величину угла естественного откоса α, так и на количество порошка, действительно перетекающего за распределительный элемент 6.
Под выражением "формирование угла естественного откоса" подразумевается, что границы источника подачи порошка 2, по меньшей мере, на определенном участке 2b такие, что порошок может принимать форму, которая, в основном, зависит от внутреннего трения рассматриваемого порошка. Путем выполнения блока 11 хранения порошка, по меньшей мере, частично открытым порошок может формировать такой угол естественного откоса. В наиболее простой форме блок 11 хранения порошка представляет собой просто область, на которой может быть расположен источник подачи порошка 2. Однако для поддержания источника подачи порошка 2 на месте и для облегчения повторного заполнения источника подачи порошка и восстановления угла естественного откоса блок 11 хранения порошка предпочтительно содержит ограничительные элементы, такие как стенки 8а и 8b.
Угол естественного откоса α зависит от свойств порошка, например от типа материала, размера и формы частиц. Форма и положение части 2b источника подачи порошка 2, формирующей угол естественного откоса α, и, возможно, также сам угол α могут быть изменены, например, путем изменения конструкции блока 11 хранения порошка путем изменения расстояния между стенками 8а, 8b и/или изменения расстояния между рабочим столом 5 и стенкой 8а, обращенной к рабочей области 3.
Количество порошка, необходимое для каждого слоя, т.е. требуемый размер части порошка, которую следует нанести на рабочую область 3, зависит, например, от размера производимого объекта. Для определения требуемого размера части порошка можно для заданного порошка и заданного распределительного элемента произвести ряд испытаний, в то же время регулируя положения источника подачи порошка 2 путем изменения высоты до стенки 8а и/или регулируя расстояние между платформой 4 и конечным положением (см. фиг.2В) распределительного элемента 6, конечное положение которого определяется расстоянием, на которое распределительный элемент 6 помещается в источник подачи порошка 2. Если необходимо использовать другой тип порошка, эту простую процедуру испытания можно повторить.
Важно, чтобы размер части порошка не был слишком мал, поскольку это приведет к неравномерности толщины слоя. Несмотря на то, что система 1 нанесения порошка согласно изобретению относительно нечувствительна к слишком большим частям порошка, это может привести к трудностям при нанесении равномерного слоя, если, с другой стороны, часть порошка слишком большая. Предпочтительно каждый раз выбирать количество порошка слегка больше требуемого количества. Благодаря тому, что
i) система включает в себя лишь одну подвижную часть (распределительный элемент 6),
ii) эту подвижную часть относительно легко контролировать,
iii) форма источника подачи порошка 2, формирующая угол естественного откоса α, восстанавливается постоянным образом,
система 1 нанесения порошка, согласно изобретению, обеспечивает возможность каждый раз выбирать часть порошка, которая очень близка к одному размеру.
Система нанесения порошка согласно изобретению хорошо подходит для различных металлических, пластиковых, керамических или прочих порошкообразных материалов. Термин "порошок" в данном контексте следует рассматривать в широком смысле относительно размера или распределения размеров частиц в порошке. Предложенная система применима к большинству частиц разных размеров: типичный размер частиц может быть 10-100 нанометров, но частицы могут быть, по меньшей мере, на один порядок величины меньше или больше этого диапазона.
Поперечное сечение распределительного элемента 6 в предпочтительном варианте осуществления, показанном на фиг.1 и 2, является треугольным. Однако возможны различные поперечные сечения. Как правило, сторона, обращенная к источнику подачи порошка 2, должна быть выполнена с возможностью перемещения в источник подачи порошка 2, при этом сторона, обращенная к рабочей области 3, должна быть выполнена с возможностью проталкивания и распределения порошка, а верхняя сторона должна быть выполнена с возможностью перемещения порошка с одной стороны к другой во время того как распределительный элемент 6 находится в положении, соответствующем фиг.2В. Например, распределительный элемент 6 может быть выполнен с одним или несколькими проходами для порошка, проходящими через элемент 6 от одной стороны к другой, так что порошку не обязательно проходить над всем элементом 6 в ходе перемещения от источника подачи порошка 2 к другой стороне элемента 6. В случае когда используются два источника подачи порошка 2, как в варианте осуществления, описанном выше, элемент 6 является предпочтительно симметричным. Однако если используются два разных типа порошка, т.е. по одному типу в каждом источнике 2 подачи порошка, распределительный элемент 6 может быть ассиметричным. Треугольное поперечное сечение имеет преимущество, заключающееся в том, что лишь небольшое количество порошка остается наверху элемента 6, чего может не быть в случае, например, прямоугольного поперечного сечения.
Предпочтительно распределительный элемент 6 управляется блоком управления (не показан), который соответственно выполнен с возможностью контролирования также, например, пучка, используемого для облучения порошкообразного материала, и вертикального положения платформы 4.
Изобретение не ограничивается вариантами, описанными выше, и возможно множество изменений в пределах формулы изобретения. Например, могут быть использованы два набора источников подачи порошка 2 и распределительных элементов 6, так что два распределительных элемента 6 перемещаются по одному за раз, по существу перпендикулярно друг другу по рабочей области 3.