本實用新型涉增材制造領域，特別涉及增材制造裝置。

背景技術：

增材制造(3D打印)是一種通過連續熔合一個以上薄層的材料來構建三維物體的制造技術。粉床式增材制造是增材制造技術路線的一種，其基本的工藝步驟如下：粉末供應與鋪平系統將粉末材料在工作平臺上鋪展成薄層，高能量密度的射線束(激光或電子束)在粉末層上掃描三維物體的一個截面；之后，工作平臺下降一個粉末層厚度的距離，在工作平臺上鋪一層新的粉末，射線掃描三維物體的下一個截面；重復以上步驟，直至該三維物體制造完成。

用于增材制造的粉末材料要求純凈無雜質，但實際存放過程中難以避免受潮、混入水分等雜質。含有水分的粉末材料會對最終制造的零件產生不利的影響。在制造前，將裝有粉末的容器放入烘箱，對粉末材料進行烘烤是最常見的方法，但存在以下問題：

一是需要較長的時間的烘烤以徹底去除水分，耗時長；

二是水分去除不徹底，特別是位于容器中心的粉末材料，水分難以受熱排除。

ARCAM公司在其專利“用于加成制造的粉末預處理”中公開了一種增材制造中的粉末預處理方法：將粉末放在成形缸中，利用熱源對成形缸表面的粉末材料進行加熱、去除水分；加熱后，將表面一個薄層的粉末轉移至供粉箱中。成形缸中的粉末被逐層加熱，直至成形缸中粉末都被轉移至供粉箱中。然后，再進行增材制造：供粉箱中粉末被逐層轉移至成形缸中，并被射線(激光或電子束)掃描、熔化。

這種方法的缺陷在于：

每次預處理的粉末量等于一個粉末層的量，材料量少，水分去除徹底。但如果粉末量比較多，預處理的耗時長，需要等待較長時間才能開始增材制造，不利于制造效率的提升。

技術實現要素：

本實用新型要解決的技術問題是，在增材制造逐層鋪粉的過程中，對粉末逐層、多批次加熱，加熱后的粉末被鋪展成薄層進行熔合。使得粉末材料的預處理不占用額外的時間，不會降低增材制造的效率；同時每次加熱的粉末材料等于一個層厚度的材料，材料量少，水分去除更徹底。

解決上述技術問題，本實用新型提供了一種增材制造裝置，包括射線發生裝置和成形室，所述射線發生裝置位于所述成形室的上方，所述射線發生裝置用以產生熔化粉末材料的射線，

在所述成形室中還包括粉末接收盒和粉箱，

所述粉末接收盒位于所述粉箱的下方出口處，在所述粉末接收盒內安裝有發熱裝置，在所述粉末接收盒下方連接有稱重傳感器。

更進一步，所述發熱裝置安裝在所述粉末接收盒的底部。

更進一步，所述發熱裝置為發熱電阻絲。

更進一步，所述粉末接收盒的底部設置有弧度，在所述底部內形成一粉末材料儲存空間。

更進一步，所述粉箱由第一粉箱和第二粉箱組成，在所述第一粉箱和第二粉箱一側的下方分別開設有入料口，所述入料口相對設置，且位于粉末接收盒的上方。

更進一步，所述成形室中還包括，鋪粉裝置、鋪粉平臺，成形缸筒和成形缸活塞，

所述鋪粉裝置活動設置于所述鋪粉平臺上，用于鋪粉，并將所述鋪粉平臺上的粉末材料轉移至成形缸活塞上方并形成粉末薄層；

所述成形缸筒與鋪粉平臺并排拼接，所述成形缸活塞設于所述成形缸筒內，用于接納粉末材料，并經由所述鋪粉裝置轉移至所述成形缸活塞上進行射線掃描、熔化。

更進一步，當所述粉末接收盒固定在水平方向的接料位置時，接收粉箱供給的粉末材料；當所述粉末接收盒傾斜位于卸料位置時，將該些接收的粉末材料傾倒。

更進一步，所述射線發生裝置和成形室為連通結構，所述連通結構中為真空環境。

更進一步，述射線發生裝置為提供激光束或者電子束的發生裝置。

更進一步，所述成形室為密閉腔室。

本實用新型的有益效果：

1)本實用新型中的增材制造裝置包括射線發生裝置、成形室、粉箱、粉末接收盒、鋪粉平臺、鋪粉裝置、成形缸筒和成形缸活塞。由于所述粉末接收盒位于所述粉箱的下方出口處，在所述粉末接收盒內安裝有發熱裝置，在所述粉末接收盒下方連接有稱重傳感器。其中粉末接收盒可對粉末材料進行預處理，將粉末材料加熱至預定溫度去除水分，在增材制造逐層鋪粉的過程中，對粉末逐層進行預處理。

2)由于在本實用新型中還可以包含多個粉箱，可分別向粉末接收盒供給粉末。粉末接收盒可對兩種或多種粉末材料進行混合和預處理。

附圖說明

圖1是本實用新型增材制造裝置的第一個實施例的示意圖。

圖2(a)是在所述接料位置時的示意圖。

圖2(b)是在所述卸料位置時的示意圖。

圖3本實用新型增材制造裝置的第二個實施例的示意圖。

圖4是本實用新型增材制造裝置的第一個實施例的示意圖。

圖5是本實用新型增材制造裝置的第二個實施例的示意圖。

具體實施方式

為使本實用新型的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本實用新型進一步詳細說明。

本實施例中的增材制造裝置包括了：射線發生裝置，產生熔化粉末材料的射線(激光或電子束)；

成形室，提供制造所需要的密閉腔室；

粉箱，用于儲存、供給粉末材料；

粉末接收盒，用于承接粉箱送出的粉末材料并進行預處理；

鋪粉平臺，承接粉末接收盒轉移出的粉末材料；

鋪粉裝置，用于鋪粉，將鋪粉平臺上的粉末材料轉移至成形缸上方并形成粉末薄層；

成形缸，其上表面與鋪粉平臺等高，用于接納粉末材料。粉末材料在成形缸上方被射線掃描、熔化。

該增材制造裝置中的粉末接收盒可對材料進行加熱，加熱方式為電阻絲，可將其中的粉末材料加熱至預定溫度。該預定溫度高于水分蒸發的溫度，但低于粉末材料發生熔化、粉末材料與水分發生化學變化的溫度。

粉末接收盒具有可在接料位置、卸料位置之間轉換。在接料位置，粉末接收盒可接收粉箱供給的粉末材料；在卸料位置，粉末接收盒將其中的粉末材料轉移至鋪粉平臺。粉末接收盒在接料位置接收粉末材料后，等待一段時間，使得其中的粉末材料被加熱至預定溫度以去除水分；之后粉末接收盒切換至卸料位置，將粉末材料轉移至鋪粉平臺。

該增材制造方法的特征是，步驟4)與步驟1)-3)是同時進行的，也就是說，利用射線熔合上一層的時間，進行下一層粉末材料的預處理。每一層的厚度為0.05-0.2mm，粉末接收盒每次僅需要對一層粉末材料進行預處理，粉末材料量少，對其進行預處理的時間消耗與射線熔合一層粉末層的時間相當。因此，粉末材料的預處理并不會增加過多的額外時間。

本實施例所提供的增材制造裝置還涉及另外一種變化形式，涉及兩處變化：一是，將一個粉箱擴展為兩個或兩個以上粉箱，其中裝載不同的粉末材料。所有粉箱均可向粉末接收盒中定量地輸送粉末材料。二是，粉末接收盒除了加熱、切換接料和卸料位置外，還可以對其中的粉末材料進行混合。混合的方式可以是往復旋轉進行攪拌，或借助攪拌葉片進行攪拌，使得其中的多種粉末材料能夠均勻混合。

粉末接收盒加熱粉末材料的預定溫度高于水分蒸發的溫度，但低于粉末材料發生熔化的溫度，低于粉末材料與水分發生化學變化的溫度，低于不同粉末材料之間發生化學變化的溫度。

該裝置進行增材制造的方法如下：

1)多個粉箱分別定量地箱粉末接收盒輸送粉末材料，這些粉末材料的總量恰好等于第n層所需要的粉末材料量，不同粉末材料之間的配比可指定；

2)粉末接收盒對粉末進行混合，同時加熱粉末至預定溫度并保持一定時間；

3)粉末接收盒切換至卸料位置，將其中的粉末轉移至鋪粉平臺，然后恢復至接料位置；

4)與步驟1)-3)同時進行，射線掃描、熔合成形缸表面的粉末，完成第(n-1)的成形；

5)鋪粉裝置將鋪粉平臺上的經過混合及預處理的混合粉末材料轉移至成形缸上方并形成粉末薄層；

6)n遞增1，回到步驟1)

以上步驟不斷重復直至三維物體被逐層構建完成。

該三維物體可以是非單一材料的。由于每層所用的粉末材料中不同材料的配比都可指定，因此該方法可以構建在高度方向上材料成分不斷變化的三維物體。

該制造方法的特征是，步驟4)與步驟1)-3)是同時進行的。也就是說，利用射線熔合上一層的時間，進行下一層粉末材料的混合和預處理。每一層的厚度為0.05-0.2mm，粉末接收盒每次僅需要對一層粉末材料進行混合和預處理，粉末材料量少，對其進行混合和預處理的時間消耗與射線熔合一層粉末層的時間相當。因此，粉末材料的預處理并不會增加過多的額外時間。該制造方法還帶來另外一個優點，粉末材料在進行混合的同時進行加熱預處理，粉末材料在混合過程中的流動會加快材料的加熱過程和水分散失過程，從而獲得更好的預處理效果。

粉末材料中的水分蒸發后被真空獲得設備抽走，離開成形室；或者被成形室中的流動的惰性氣體帶出成形室。

本實施例的優點是，下一層粉末材料的預處理是和上一層粉末材料的熔合過程一起進行的，每次預處理的粉末量為增材制造一層所需要的粉末量，粉末量少，可以在較短的時間內將所有粉末材料加熱至去除水分的溫度，盡可能地去除材料中的水分。

在本實用新型的一個實施例中，射線為電子束。當電子束作用于粉末材料時，粉末材料會在電子束作用區域積累電荷。當電荷積累超過一定限度，會因為粉末顆粒之間的電荷斥力而發生放電，導致粉末層被破壞。本實用新型中粉末預處理可以將粉末材料加熱至一定溫度，溫度升高的粉末材料電導率更高，更不容易積累電荷，降低了粉末層在后續的電子束作用時被破壞的風險。

實施例一

圖1和圖4是本實用新型增材制造裝置的第一個實施例的示意圖，該裝置可在進行增材制造的同時對材料進行預處理、去除材料中的水分。該裝置包括射線發生裝置1、成形室2、粉箱3、粉末接收盒4、鋪粉裝置5、鋪粉平臺6、成形缸筒7、成形缸活塞8。

射線發生裝置1可產生電子束11，是粉末材料被熔化的能量來源。成形室2位于射線發生裝置1下方，可通過機械泵、分子泵、擴散泵等真空獲得設備形成真空環境，氣壓范圍0.001-1Pa。粉箱3、粉末接收盒4、鋪粉裝置5、鋪粉平臺6、成形缸筒7、成形缸活塞8均包含在成形室2中。粉箱3的粉末出口置于粉末接收盒4的上方，粉箱3中裝載有粉末材料P，可定量地向粉末接收盒4輸送粉末材料P。粉末接收盒4可通過電阻絲發熱將其中的粉末材料P加熱至預定溫度。粉末接收盒4可在接料位置與卸料位置之間切換，在接料位置時，可承接從粉箱3中輸出的粉末材料P；在卸料位置時，可將粉末接收盒4中的粉末材料P轉移至鋪粉平臺6上。鋪粉平臺6上方有鋪粉裝置5，鋪粉平臺5與成形缸筒7的上邊緣平齊，成形缸筒7中有可在豎直方向上運動的成形缸活塞8。鋪粉裝置5可將鋪粉平臺6上的粉末材料轉移至成形缸活塞8上方，并在成形缸活塞8上方形成粉末薄層。該粉末薄層可在電子束11的掃描下熔化，連續多個薄層熔合在一起得到零件9，未熔化的粉末材料10包裹在零件9周圍。其中可用通過安裝在所述粉末接收盒4下方的稱重傳感器41，來控制粉末量。由于每次預處理的粉末量等于一個粉末層的量，材料量少，水分去除徹底。同時能夠在粉末材料量比較多時，不延誤預處理耗時，加熱后的粉末被鋪展成薄層進行熔合，使得粉末材料的預處理不占用額外的時間，不會降低增材制造的效率利于制造效率的提升。

本實施例可通過逐層沉積的方式制造實體零件。待成形室2中的氣壓降低至材料不會被氧化的程度后，開始進行增材制造，步驟如下：

n初始值為1。

1)粉箱3將制造第n層所需要的粉末材料P輸送至粉末接收盒4，此時粉末接收盒4處于接料位置；

2)粉末接收盒4對其中的粉末材料P進行預處理，將粉末材料P加熱至預定溫度，并保持一段時間。該預定溫度高于水分蒸發的溫度，低于粉末材料發生熔化的溫度，低于粉末材料和水分發生化學反應的溫度。該預定溫度與材料的具體性質相關，對于鈦合金粉末材料，該溫度可設置在100-400℃之間。

3)粉末接收盒4切換至卸料位置，將其中的粉末材料P轉移至鋪粉平臺，然后恢復至接料位置；

4)與步驟1)-3)同時進行，電子束11掃描成形缸活塞8上方的粉末層，熔合待制造零件的第(n-1)層。若n＝1，說明第1層粉末尚未分配，此時電子束11掃描加熱成形缸活塞8上的底板。

5)鋪粉裝置5將鋪粉平臺6上的預處理后的粉末材料轉移至成形缸活塞8上方，并形成粉末薄層。這一層即為待制造零件的第n層。

6)n遞增1，回到步驟1)。

以上步驟不斷重復直到待制造零件的所有層均被制造完畢。

現結合圖2(a)、圖2(b)對本實施例中增材制造方法的特點做進一步的說明。圖2(a)是在所述接料位置時的示意圖，粉末接收盒4正對其中的制造第n層所需要的粉末材料P進行加熱預處理；與此同時，電子束11正掃描、熔合成形缸活塞8上方的粉末層，制造零件的第(n-1)層。一層的厚度為0.05-0.2mm，粉末接收盒4中的粉末材料為制造一層所需要的粉末材料，材料的量少，可以在較短時間內較徹底地去除粉末材料中的水分。電子束11掃描、熔合粉末層的時間一般來說和粉末接收盒4對粉末材料P進行預處理的時間相當。在圖2(b)是在所述卸料位置時的示意圖，電子束完成了第(n-1)層的熔合，已經關閉。成形缸活塞8下降等于一層厚度的距離，在成形缸活塞8上方留出一個層厚度的空間。粉末材料P的預處理也已經完畢，粉末接收盒4切換至卸料位置，將粉末材料P轉移至鋪粉平臺6上。然后，鋪粉裝置5向右運動，將粉末材料P轉移至成形缸活塞8上方，形成粉末層，恰好填充預留出的一個層厚度的空間。粉末接收盒4切換至接料位置(圖中未示出)。如此，完成一個循環。

該增材制造方法的特點在于：上一層的粉末材料的預處理與下一層的粉末材料的熔合是同時進行的。在其他增材制造裝置和方法中，當電子束熔合粉末層時，其他裝置處于等待狀態，等待該層材料熔合完畢，進行下一層材料的分配。本實用新型有效利用電子束熔合粉末層的空閑時間進行下一層粉末材料的預處理，不會增加額外的粉末預處理時間，具有更高的效率。

實施例二

圖3和圖5本實用新型增材制造裝置的第二個實施例的示意圖。

該裝置包括射線發生裝置1、成形室2、粉箱3A、粉箱3B、粉末接收盒4、鋪粉裝置5、鋪粉平臺6、成形缸筒7、成形缸活塞8。粉箱3A、3B布置在成形缸筒7一側，可分別向粉末接收盒4定量地輸送粉末材料A、B。粉末接收盒4對其中的兩種粉末材料進行混合，得到混合材料P。粉末接收盒4通過其中的攪拌葉片的旋轉進行粉末混合。在混合粉末的同時，粉末接收盒4通過發熱電阻絲40將混合粉末材料P加熱至預定溫度，去除粉末材料中的水分。所述發熱電阻絲40由于安設在粉末接收盒4內部，能夠將粉末材料中的水分完全、徹底地去除，包括位于容器中心的粉末材料也能夠很好地受熱(預加熱)。且不需要專門的時間進行烘烤以徹底去除水分，粉末接收盒對粉末材料的熱處理和射線熔合上一層粉末材料的過程是同時進行的，不會增加額外的預處理時間，粉末材料的預處理不占用額外的時間，不會降低增材制造的效率。

粉末接收盒4可在接料位置與卸料位置之間切換，在接料位置時，可承接從粉箱3A、3B中輸出的粉末材料；在卸料位置時，可將粉末接收盒4中的粉末材料P轉移至鋪粉平臺6上。鋪粉裝置5可將鋪粉平臺6上的粉末材料轉移至成形缸活塞8上方，并在成形缸活塞8上方形成粉末薄層。該粉末薄層可在電子束11的掃描下熔化，連續多個薄層熔合在一起得到零件9，未熔化的粉末材料10包裹在零件9周圍。零件9的每一層的材料中的A、B兩種粉末材料的配比均可指定，因此，零件9可以是非單一材料的、可在高度方向上實現材料成分不斷變化的梯度零件。本實施例可通過逐層沉積的方式制造非單一材料的實體零件。待成形室2中的氣壓降低至材料不會被氧化的程度后，開始進行增材制造，步驟如下：

n初始值為1。

1)粉箱3A、粉箱3B將制造第n層所需要的粉末材料A、B分別輸送至粉末接收盒4，此時粉末接收盒4處于接料位置；

2)粉末接收盒4對其中的粉末材料P進行混合，同時進行預處理，將粉末材料P加熱至預定溫度，并保持一段時間。該預定溫度高于水分蒸發的溫度，低于粉末材料發生熔化的溫度，低于粉末材料和水分發生化學反應的溫度，低于A、B兩種粉末材料發生化學反應的溫度。

3)粉末接收盒4切換至卸料位置，將其中的混合粉末材料P轉移至鋪粉平臺，然后恢復至接料位置；

4)與步驟1)-3)同時進行，電子束11掃描成形缸活塞8上方的粉末層，熔合待制造零件的第(n-1)層。若n＝1，說明第1層粉末尚未分配，此時電子束11掃描加熱成形缸活塞8上的底板。

5)鋪粉裝置5將鋪粉平臺6上的預處理后的粉末材料轉移至成形缸活塞8上方，并形成粉末薄層。這一層即為待制造零件的第n層。

6)n遞增1，回到步驟1)。

以上步驟不斷重復直到待制造零件的所有層均被制造完畢。

同第一實施例，在第二實施例中，上一層的粉末材料的預處理與下一層的粉末材料的熔合是同時進行的。本實用新型有效利用電子束熔合粉末層的空閑時間進行下一層粉末材料的預處理，不會增加額外的粉末預處理時間，具有更高的效率。

在第二實施例中，粉箱有兩個，可分別輸送粉末材料A和B。可在此基礎上做進一步拓展，設置兩個以上的多個粉箱，向粉末接收盒分別輸送多種粉末材料。其特點是：可對兩種或兩種以上粉末組成的混合材料進行混合和預處理，并且混合、預處理過程是和電子束熔合上一層粉末材料的過程是同時進行的，不會增加額外的粉末預處理時間。

粉末預處理方法在第一、二實施例中的另一個優點在于降低了粉末層被電子束破壞的風險。在第一、二實施例中，采用電子束作為熔合粉末的能量來源。當電子束作用于粉末材料時，粉末材料會在電子束作用區域積累電荷。當電荷積累超過一定限度，會因為粉末顆粒之間的電荷斥力而發生放電，導致粉末層被破壞。本實用新型中粉末預處理可以將粉末材料加熱至一定溫度，溫度升高的粉末材料電導率更高，更不容易積累電荷，降低了粉末層在后續的電子束作用時被破壞的風險。

在第一、二實施例中，成形室通過與之連接的真空獲得設備形成真空環境。粉末材料在預處理過程中蒸發的水分被真空獲得設備不斷被帶離成形室，避免滯留在成形室中。

在第一、二實施例中的替代實施例包括：將電子束更改為激光束，成形室通過灌流惰性氣體形成保護氣氛。電子束和激光束均屬于射線，這種改變也在本專利的保護范圍。在以激光為能量來源的實施例中，粉末材料在預處理過程中蒸發的水分被流動的惰性氣體帶離成形室，避免滯留在成形室中。

所屬領域的普通技術人員應當理解：以上，所述僅為本實用新型的具體實施例而已，并不用于限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。