用于分層地制造三維物體的裝置和方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于通過逐層施加粉末狀的結(jié)構(gòu)材料和通過能量作用對結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行選擇性固化來制造三維物體的方法，其包含以下步驟：將粉末狀的結(jié)構(gòu)材料(11)的具有預(yù)先確定的高度(h)的層(32+33)施加到載體(6)上或施加到之前至少選擇性固化的層上并且將能量(14)從能量源(13)在對應(yīng)于要制造的物體的橫截面的位置上引入所涂敷的層中，以選擇性固化粉末狀的結(jié)構(gòu)材料。具有預(yù)先確定的高度(h)的層的施加分成具有小于預(yù)先確定的高度(h)的第一高度(h1)的第一層(32)的施加和具有小于預(yù)先確定的高度(h)的第二高度(h2)的至少一個第二層(33)的施加，所施加的粉末部分層(32、33，…)的總高(h1+h2+…)對應(yīng)于預(yù)先確定的高度(h)，并且在施加第一粉末部分層的步驟和施加第二和也許其他粉末部分層的步驟之間對分別最后施加的粉末層進(jìn)行加熱。
【專利說明】用于分層地制造三維物體的裝置和方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于分層地制造三維物體的裝置和方法，尤其是如下裝置和方法，所述裝置和方法用于通過在相應(yīng)的層中與要制造的物體的橫截面對應(yīng)的位置上通過引入能量逐層地固化結(jié)構(gòu)材料來制造三維物體。

【背景技術(shù)】
[0002]這種以名稱“選擇性的激光燒結(jié)”已知的方法以及用于實(shí)施所述方法的所屬的裝置由DE 10 2005 024 790 Al已知。按照該文獻(xiàn)，首先借助涂敷器涂敷薄層的粉末狀的結(jié)構(gòu)材料并且接著在對應(yīng)于物體的相應(yīng)的橫截面的位置上通過激光束的作用使所述結(jié)構(gòu)材料固化。該兩個步驟交替地重復(fù)，直到完成要制造的三維物體。為了改善過程穩(wěn)定性和完成的物體的質(zhì)量，在此粉末在涂敷和固化之間通過輻射加熱裝置預(yù)熱。通過溫度測量設(shè)備測量涂敷的粉末層溫度并且對應(yīng)地再調(diào)節(jié)輻射加熱裝置的功率。
[0003]所制造物體的質(zhì)量取決于所使用的粉末的類型。這樣尤其是由具有較高的熔體粘性的粉末制造的物體可能在其表面上具有縮孔(即在所制造的物體的表面中的凹部，通常也稱為“桔皮”)，由此降低了物體的質(zhì)量。
[0004]為了解決該問題，開發(fā)了專門的粉末，然而所述粉末較為昂貴并且因此提高了成本。此外由此制成的構(gòu)件具有較差的機(jī)械特性。
[0005]此外提出特別的涂敷器刀片幾何結(jié)構(gòu)，利用其能夠減少縮孔的出現(xiàn)。然而為此必須對現(xiàn)有的機(jī)器進(jìn)行改裝。
[0006]DE 43 09 524 C2公開一種用于借助立體印刷術(shù)制造三維物體的方法，其中要制造的物體分成核心區(qū)域和包封區(qū)域。要求表面的高精確性和質(zhì)量的包封區(qū)域在涂敷每個層之后全表面被固化。在要求小的變形和小的構(gòu)造時間的核心區(qū)域中只使蜂窩結(jié)構(gòu)固化。在一種特別的實(shí)施形式中，首先施加多層材料并且在包封區(qū)域中使其固化。在多次相繼地施加層和固化包封區(qū)域之后才固化核心區(qū)域的材料。該方法公開為特別是用于液體的結(jié)構(gòu)材料，然而作為備選方案也給出粉末狀的材料。然而出現(xiàn)縮孔的問題在整個文獻(xiàn)中未提到。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的任務(wù)在于，提供一種用于通過層式地固化粉末狀的原材料來制造三維物體的裝置和方法，通過其在使用常規(guī)的粉末和常規(guī)的刀片幾何結(jié)構(gòu)的情況下也可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的物體表面，所述物體表面尤其是沒有縮孔。
[0008]該任務(wù)通過按照權(quán)利要求1所述的方法、按照權(quán)利要求11所述的裝置和按照權(quán)利要求16所述的計算機(jī)程序解決。本發(fā)明的進(jìn)一步構(gòu)成在相應(yīng)的從屬權(quán)利要求中給出。
[0009]令人吃驚地發(fā)現(xiàn)，通過以兩個或更多相繼的涂敷步驟施加要固化的層，可以生成具有改善的表面質(zhì)量和較小的縮孔(桔皮)的構(gòu)件。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]本發(fā)明其他的特征和適宜性由借助附圖對實(shí)施例的說明得出。
[0011]圖1是用于分層制造三維物體的裝置的一個實(shí)施例的示意的部分地剖面示出的視圖，所述裝置適于實(shí)施本發(fā)明。
[0012]圖2是在圖1中用虛線加框的局部的放大剖面圖，并示出在實(shí)施按照本發(fā)明的方法期間的狀態(tài)。
[0013]圖3是在圖1中用虛線加框的局部的放大剖面圖，并示出在實(shí)施對比方法期間的狀態(tài)，在所述對比方法中如常用的方法那樣進(jìn)行。
[0014]圖4是類似于圖2的放大剖面圖并示出十四哈按照本發(fā)明的方法的一個變型期間的狀態(tài)。
[0015]圖5是類似于圖2的放大剖面圖并示出示出按照本發(fā)明的方法的另一個變型期間的狀態(tài)

【具體實(shí)施方式】
[0016]下面參考圖1說明適于實(shí)施按照本發(fā)明的方法的裝置的一個實(shí)施例。在圖1中示出的裝置構(gòu)成激光燒結(jié)裝置1為了構(gòu)造物體2，所述裝置包含過程室3，所述過程室通過室壁4向外封閉并且用作物體的構(gòu)造空間。
[0017]在過程室3中安裝有向上開口的容器5，具有基本上平的并且與構(gòu)造容器的上邊緣基本上平行定向的上側(cè)的載體6設(shè)置在所述容器中。載體6用于支承要形成的物體2并在圖1中通過垂直的雙箭頭V表示的那樣通過(未示出的)高度調(diào)節(jié)設(shè)備能沿垂直方向運(yùn)動。在此載體6沿垂直方向分別這樣調(diào)節(jié)，使得新的要固化的層的上側(cè)處于工作平面7中。在圖1中示出要形成的物體2的中間狀態(tài)，在該中間狀態(tài)下，多層粉末狀的結(jié)構(gòu)材料已經(jīng)選擇性地固化并由保持未固化的結(jié)構(gòu)材料8包圍。
[0018]此外激光燒結(jié)裝置I具有用于容納通過電磁輻射可固化的粉末狀的結(jié)構(gòu)材料11的儲備容器10和用于將結(jié)構(gòu)材料11施加到工作平面7上的涂敷器12。如在圖1中通過水平的雙箭頭H表示的那樣，涂敷器12能沿水平方向平行于工作平面運(yùn)動。
[0019]此外激光燒結(jié)裝置I具有產(chǎn)生激光束14的激光器13。激光束14通過轉(zhuǎn)向裝置15轉(zhuǎn)向并且通過調(diào)焦裝置16通過過程室3的壁中的入射窗口 17聚焦到工作平面7中的或直接在其工作平面之下的預(yù)先確定的點(diǎn)上。
[0020]為了預(yù)熱粉末，設(shè)置輻射加熱裝置18。此外設(shè)置優(yōu)選通過點(diǎn)高溫計實(shí)現(xiàn)的溫度測量設(shè)備19。
[0021]最后設(shè)置控制單元20，通過所述控制單元以協(xié)調(diào)的方式控制所述裝置的組成部分，以實(shí)施構(gòu)造過程?？刂茊卧?0主要控制載體6的垂直運(yùn)動、涂敷器12的水平運(yùn)動和轉(zhuǎn)向裝置15。必要時也控制調(diào)焦裝置16、激光器13的強(qiáng)度和輻射加熱裝置18的功率。為了溫度控制，控制單元20從溫度測量設(shè)備19獲得測量結(jié)果。所述控制單元可以具有CPU，CPU的運(yùn)行通過計算機(jī)程序控制。
[0022]參考圖2現(xiàn)在說明用于制造三維物體的激光燒結(jié)裝置I的按照本發(fā)明的運(yùn)行。
[0023]圖2放大示出在圖1中用虛線加框的局部A。首先部分地完成的物體2由保持未固化的粉末8包圍。因?yàn)榉勰┰诠袒瘯r損失體積，所述物體2的表面處于保持未固化的粉末8之下，從而在該位置上構(gòu)成凹入30。
[0024]為了施加具有厚度h的粉末層，載體6首先以小于希望的層厚h的第一高度hi下降?，F(xiàn)在，使用涂敷器12涂敷粉末狀的結(jié)構(gòu)材料11的第一層32。所述施加至少在要制造的物體的整個橫截面上進(jìn)行，優(yōu)選在整個構(gòu)造區(qū)上進(jìn)行。因此，除了該第一粉末部分層附加地填充凹入30的位置之外，第一粉末部分層32的厚度同樣為hi。由此形成第一粉末部分層32的平的表面。
[0025]在不實(shí)施以激光器13對第一粉末部分層32或該層的部分區(qū)域照射的情況下，現(xiàn)在載體6以第二高度h2下降，該第二高度小于希望的厚度h并且與第一高度hi —起形成希望的高度h(h = hl+h2)。優(yōu)選hi和h2 —樣大并且是h的一半(hi = h2 = h/2)，然而這不是強(qiáng)制的。現(xiàn)在使用涂敷器12涂敷粉末狀的結(jié)構(gòu)材料11的第二層33。第二粉末部分層33的施加也至少在要制造的物體的整個橫截面上進(jìn)行，優(yōu)選在整個構(gòu)造區(qū)上進(jìn)行。第二粉末部分層33的厚度因此同樣為h2，從而新施加的粉末11的總厚度、即層32和33的總厚度為h。由此形成第二粉末部分層33在工作平面7中的平的表面。
[0026]在用激光器13照射之前，在兩個粉末部分層32和33中的新施加的粉末11必須首先置于需要的過程溫度。粉末的加熱在此從上面通過輻射加熱裝置18進(jìn)行，并且更確切地說是不僅在兩個層的施加之間而且也在施加第二層之后進(jìn)行。粉末溫度在此通過溫度測量設(shè)備19檢測并且傳送給控制單元20，所述控制單元這樣操控輻射加熱裝置，即對粉末溫度進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。優(yōu)選溫度測量設(shè)備19的測量區(qū)指向粉末層的沒有通過激光束14進(jìn)行粉末固化的區(qū)域上。為了較快速地達(dá)到要求的過程溫度，可以在兩個涂敷過程之間的時間中不進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)并且代替地在該時間中使輻射加熱裝置18以恒定的功率運(yùn)行。
[0027]參考圖3現(xiàn)在說明用于對照而實(shí)施的方法，其中沒有將要施加的層劃分成兩個或更多層。與按照本發(fā)明的方法相同的參數(shù)和操作方式在此不再次說明。
[0028]圖3如圖2放大地示出一部分A，該部分在圖1中由虛線加框。首先部分地完成的物體2的上面的端部、包圍其的保持未固化的粉末8以及凹入30和在圖2中所示相同并且因此不再說明。
[0029]按照對比方法，為了施加厚度h的粉末層，載體6以高度h下降?，F(xiàn)在使用涂敷器12涂敷新的粉末層31，該粉末層的厚度對應(yīng)于載體的下降、即同樣為h。由此新的粉末層31的上側(cè)處于工作平面7中。
[0030]在可以用激光器13進(jìn)行照射之前，也首先用輻射加熱裝置將新施加的粉末層31的表面置于要求的過程溫度。
[0031]對于在相同的粉末材料和相同的所生成的物體，與對比方法相比，按照本發(fā)明的方法實(shí)現(xiàn)了明顯更為均勻的層分布并明顯減少了縮孔，并且由此實(shí)現(xiàn)顯著改善的表面質(zhì)量。因此在使用具有提高的熔體粘性的粉末的情況下也可以取得滿意的表面質(zhì)量。加熱兩個層所需的、決定性確定過程持續(xù)時長的時間這里在總和上處于用于在對比方法中對總層進(jìn)行加熱所需的時間的數(shù)量級中，從而物體的制造持續(xù)時長沒有或僅不顯著地提高。
[0032]兩個粉末部分層的施加可以如以上說明的通過載體的兩次下降和涂敷器在涂敷的區(qū)域上的兩次移動實(shí)現(xiàn)。但在按照本發(fā)明的方法的一種變型中，這也可以通過載體的一次下降和涂敷器的一次移動實(shí)現(xiàn)，如在圖4和5中示意性示出的那樣。
[0033]如圖4中所示，為此使用涂敷器，所述涂敷器具有兩個沿移動方向相繼地設(shè)置的部分層涂敷器(12a、12b)。載體以要施加的層的總高h(yuǎn)(hl+h2)下降。沿移動方向前面的部分層涂敷器(12a)調(diào)節(jié)到之前施加的層上方的一個高度上，該高度對應(yīng)于第一粉末部分層
(32)的厚度(hi)，并且第二部分層涂敷器(12b)調(diào)節(jié)到對應(yīng)于兩個粉末部分層(32、33)的厚度的總和(hl+h2)的高度上。因此兩個部分層涂敷器之間的高度差對應(yīng)于第二粉末部分層(33)的厚度(h2)。在部分層涂敷器之前施加的粉末(11)由部分層涂敷器分別拉成均勻的層(32、33)。在此第二粉末部分層(33)在如下位置形成，在所述位置上不久前形成第一粉末部分層(32)。為了在這里也可以兩個層的施加之間進(jìn)行加熱，沿移動方向在每個部分層涂敷器(12a、12b)之后設(shè)置加熱元件(18a、18b)，所述加熱元件隨著部分層涂敷器移動并且例如由輻射加熱裝置形成。
[0034]另一種變型在圖5中示出。在這里涂敷器設(shè)有兩個刀片，這兩個刀片在它們之間形成用于要涂敷的粉末的蓄存部。所述粉末分別通過沿移動方向后面的刀片拉出均勻的層(32,33) ο在該變型中沿移動方向在每個部分層涂敷器(12a、12b)之后也設(shè)置有加熱元件(18a、18b)ο
[0035]利用所述兩個變型，在涂敷器的移動方向不同時也可以進(jìn)行涂敷。在此必須首先交換兩個部分層涂敷器的高度位置，因?yàn)橹扒懊娴牟糠謱油糠笃鳜F(xiàn)在是后面的部分層涂敷器并且反之。此外必須確保，所述加熱元件分別沿移動方向設(shè)置在部分層涂敷器的后面。這可以通過各個加熱元件的回轉(zhuǎn)或通過將加熱元件設(shè)置在相應(yīng)的部分層涂敷器的兩側(cè)實(shí)現(xiàn)。
[0036]按照粉末的特性、使用的過程參數(shù)如層厚和粉末溫度等、以及對完成的物體的質(zhì)量要求也可能有利的是，將要施加的和要照射的粉末層分成多于兩個粉末部分層，所述粉末部分層依次相疊地施加，然后進(jìn)行照射。希望的高度h于是為各個粉末部分層高度的總和(h = hl+h2+…+hn)。高度hi至hn在此可以彼此相同或彼此不同。在施加每個單個粉末部分層之后加熱。溫度調(diào)節(jié)此時可以以類似的方式第一粉末部分層的施加和最后的粉末部分層的施加之間中斷并且輻射加熱裝置以其最大的功率運(yùn)行。在層施加的這種變型中，涂敷器在這種情況下包含三個或更多部分層涂敷器和加熱元件。
[0037]為了改善表面質(zhì)量(較均勻的層走向、避免縮孔)將層分成一個或多個在涂敷最后的粉末部分層之后才固化的相應(yīng)較薄的粉末部分層，特別是對于沿要制造的物體的外輪廓的邊緣區(qū)域是重要的。這樣完全可以在核心區(qū)域中在施加每個層之后實(shí)施材料的固化，而其在邊緣區(qū)域中或在外輪廓上在施加最后的層之后才進(jìn)行。
[0038]盡管本發(fā)明是借助激光燒結(jié)裝置說明的，但其不限制于激光燒結(jié)。其可以使用于通過逐層施加結(jié)構(gòu)材料和通過能量作用對粉末狀的結(jié)構(gòu)材料的選擇性的固化來制造三維物體的任意方法中。這樣可以例如代替激光器使用發(fā)光二極管(LED)、LED陣列、電子束或任何其他的適合對粉末狀的結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行固化的能量或輻射源。本發(fā)明也可以使用于選擇性的掩模燒結(jié)或使用于吸收或抑制燒結(jié)，在所述掩模燒結(jié)中代替激光束使用掩模和伸展的光源。尤其是本發(fā)明一般地涉及僅借助層式的涂敷和對粉末狀的結(jié)構(gòu)材料的選擇性的固化制造整個物體。
[0039]作為結(jié)構(gòu)材料可以使用所有類型的塑料粉末。合適的塑料粉末的示例是聚酰胺、例如PAll或PA12以及聚醚酮或聚芳醚酮、例如PEEK。按照本發(fā)明的方法能夠特別有利地用于在激光燒結(jié)時承受特別強(qiáng)烈的老化的未調(diào)節(jié)的聚酰胺。
【權(quán)利要求】
1.一種用于通過逐層施加粉末狀的結(jié)構(gòu)材料和通過能量作用對粉末狀的結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行選擇性固化來制造三維物體的方法，包括如下步驟: 將粉末狀的結(jié)構(gòu)材料(11)的具有預(yù)先確定的高度(h)的層(32、33)施加到載體(6)或施加到結(jié)構(gòu)材料的之前至少選擇性固化的層上，并且 將能量(14)從能量源(13)在對應(yīng)于要制造的物體的橫截面的位置上引入已涂敷的層中，以選擇性地固化粉末狀的結(jié)構(gòu)材料，其中 施加具有預(yù)先確定的高度(h)的層的步驟分成施加具有小于預(yù)先確定的高度(h)的第一高度(hi)的第一粉末部分層(32)的步驟和在第一粉末部分層(32)上施加具有小于預(yù)先確定的高度(h)的第二高度(h2)的至少一個第二粉末部分層(33)的步驟， 其中所述施加的各粉末部分層(32、33，…)的總高(hl+h2+…)對應(yīng)于預(yù)先確定的高度(h)并且 在施加第一粉末部分層的步驟與施加第二和可能的其他粉末部分層的步驟之間對分別最后施加的粉末部分層加熱，其特征在于，在施加第一粉末部分層(32)的步驟與施加第二(33)和可能其他的粉末部分層的步驟之間至少在要制造的物體的邊緣區(qū)域中不進(jìn)行用于選擇性地固化粉末狀的結(jié)構(gòu)材料的能量引入。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在施加第一粉末部分層(32)的步驟與施加第二(33)和可能其他的粉末部分層的步驟之間在要制造的物體的整個橫截面上不進(jìn)行用于選擇性地固化粉末狀的結(jié)構(gòu)材料的能量引入。
3.按照權(quán)利要求1至2之一所述的方法，其特征在于，測量粉末狀的結(jié)構(gòu)材料(11)的所施加的層(32、33)的溫度并根據(jù)所施加的層的測量到的溫度調(diào)節(jié)對施加的層(32、33)的加熱。
4.按照權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，在各粉末部分層(32、33)的施加過程之間溫度調(diào)節(jié)中斷并以恒定的功率加熱。
5.按照權(quán)利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，作為電磁輻射、優(yōu)選作為激光器的輻射引入能量。
6.按照權(quán)利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)材料是塑料粉末(11)、優(yōu)選是聚酰胺、例如PAll或PA12、或者是聚芳醚酮、例如PEEK，特別優(yōu)選是未調(diào)節(jié)的聚酰胺。
7.按照權(quán)利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，具有預(yù)先確定的高度(h)的層的施加分成兩個粉末部分層(32、33)的施加，所述粉末部分層分別具有預(yù)先確定的高度的一半(h/2) ο
8.按照權(quán)利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，具有預(yù)先確定的高度(h)的層的施加分成三個或更多粉末部分層的施加。
9.按照權(quán)利要求1至8之一所述的方法，其特征在于，所述兩個或更多粉末部分層(32,33)的施加在兩個或更多個相繼地移動的部分層涂敷器(12a、12b)的水平運(yùn)動期間進(jìn)行。
10.按照權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，不僅在所述兩個或更多相繼地移動的部分層涂敷器(12a、12b)沿一個方向的水平運(yùn)動期間，而且在所述部分層涂敷器沿相反的方向的水平運(yùn)動期間，進(jìn)行所述兩個或更多粉末部分層(32、33)的施加，其中各個部分層涂敷器的高度位置在更換移動方向時交換。
11.一種用于通過逐層施加粉末狀的結(jié)構(gòu)材料和通過能量作用對粉末狀的結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行選擇性固化來制造三維物體的裝置，其包括: 載體￠)，在所述載體上構(gòu)造物體(2)， 用于將結(jié)構(gòu)材料(11)的層涂敷到載體上或涂敷到之前至少選擇性地固化的層上的涂敷器(12)， 用于將能量(14)引入結(jié)構(gòu)材料的之前涂敷的層中的能量源(13)，以及 用于控制層的涂敷和能量引入的控制單元(20)， 其中所述控制單元優(yōu)選包含CPU，所述CPU的運(yùn)行能通過計算機(jī)程序控制， 其特征在于，控制單元適配成，用于控制用于實(shí)施按照權(quán)利要求1至10之一所述的方法的裝置。
12.按照權(quán)利要求11所述的裝置，還具有用于對粉末狀的結(jié)構(gòu)材料(11)的所施加的層(32,33)進(jìn)行加熱的輻射加熱裝置(18)。
13.按照權(quán)利要求12所述的裝置，還具有用于測量粉末狀的結(jié)構(gòu)材料(11)的所施加的層(32、33)的溫度的溫度測量裝置(19)，其中所述溫度測量裝置(19)優(yōu)選是點(diǎn)高溫計。
14.按照權(quán)利要求11至13之一所述的裝置，其特征在于，所述能量源(13)是電磁輻射源、優(yōu)選是激光器。
15.按照權(quán)利要求11至14之一所述的裝置，其特征在于，所述涂敷器(12)包括兩個或更多沿移動方向相繼地設(shè)置的部分層涂敷器(12a、12b)。
16.一種計算機(jī)程序，當(dāng)所述計算機(jī)程序執(zhí)行時，能這樣控制用于通過逐層施加粉末狀的結(jié)構(gòu)材料和通過能量作用對粉末狀的結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行選擇性固化來制造三維物體的裝置，使得所述裝置實(shí)施按照權(quán)利要求1至10之一所述的方法。
17.—種三維物體，所述三維物體通過按照權(quán)利要求1至10之一所述的方法制造。
【文檔編號】B29C35/02GK104470703SQ201380037514
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2013年6月27日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月18日
【發(fā)明者】S·帕特爾諾斯特, J·菲利皮 申請人:Eos有限公司電鍍光纖系統(tǒng)