CN101107882A - 用于在激光烧结装置中加热构造材料的辐射加热器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于在激光烧结装置中加热构造材料的辐射加热器，和涉及包括这类辐射加热器的激光烧结装置。辐射加热器包括扁平的热辐射元件(113，213，313)，所述热辐射元件(113，213，313)其特征在于，它由一种具有低的热惰性的材料制成，并且该材料的热扩散系数优选大于1.5·10－4/m2/s，厚度优选小于或等于2mm。

Description

用于在激光烧结装置中加热构造材料的辐射加热器
技术领域
本发明涉及按照权利要求1前序所述的辐射加热器及涉及具有这种辐射加热器的激光烧结装置。
背景技术
这种用于制造三维物品的辐射加热器和激光烧结装置从WO92/08566中已知。
为了在高达1200℃的温度下加工半导体晶片，从US 2004/0074898A1中已知一种石墨制成的电阻加热元件。在这种情况下电阻元件的厚度为0.1英寸(2.54mm)或大于0.1英寸。由于电阻加热元件的厚度高，所以它的热惰性也高。由此尤其是在较低温度下，没有快速温度控制或调节是可能的。
当通过用激光束依次固化若干粉末材料层制造三维物品时，材料的温度必须是在一定的加工范围(Processfenster)内，以便保证三维物品良好的质量。为了快速而精确的调节/控制这个温度，辐射加热的动态特性是决定性的。
发明内容
因此本发明的目的在于，提供用于激光烧结装置的辐射加热器及提供具有这种辐射加热器的激光烧结装置，通过上述辐射加热器可以用快速而精确的方式调节/控制材料的温度。
通过按照权利要求1所述的辐射加热器和通过按照权利要求14所述的用于制造三维物品的激光烧结装置达到该目的。本发明的进一步发展在从属权利要求中说明。
与使用常规的辐射加热器如灯或加热棒相比，在激光烧结装置中使用平板辐射器的优点是它可以在低温下以相同的辐射功率工作。这导致较少的侧向辐射到加工室的壁上和导致在更冷的加工室气氛。
按本发明的辐射加热器具有特别的优点是，它具有较低热惰性的热辐射元件，因此，由热辐射元件所辐射的功率可以快速改变。这可供快速而精确调节/控制由辐射加热器加热的材料温度。
此外，通过本发明在短的构造时间里制造高质量的三维物品是可能的。
石墨用于本发明的热辐射元件的优点是石墨具有高热导系数，而同时具有低的比热容。这对应于高热扩散系α，所述热扩散系数α可以按照以下公式由比热导系数λ、比密度ρ和比热容c计算：
α＝λ/(ρ·c)。
高热扩散系数伴随着低的热惰性和热辐射元件的均匀温度分布或辐射功率。另外，石墨的优点是它可在高温下使用。
附图说明
本发明的其他特征和有效性可以借助附图从实施例的说明中得到。
图1示出激光烧结装置的一个实施例的示意图；
图2示出按照第一实施例所述的辐射加热器；
图3示出图2中辐射加热器的变型；
图4示出按照第二实施例所述的辐射加热器；和
图5示出按照第三实施例所述的辐射加热器。
具体实施方式
图1示出具有本发明的辐射加热的激光烧结装置。激光烧结装置包括向上敞开的容器1。在容器1中设置一支承件2，所述支承件2用于支承待形成的物品3。支承件2可以在容器1中通过驱动装置4沿垂直方向A上下移动。容器1的上边缘限定一工作面5。形式为激光器的照射装置6位于工作面5的上方，并发射一定向激光束，所述激光束通过偏转装置7偏转到工作面5上。此外，提供一涂布装置8用于涂布一层待固化到支承件2表面上或者一最后固化的层的粉末材料。涂布装置可以通过驱动装置在工作面5上来回移动，所述驱动装置用箭头B示意表示。涂布装置8通过在构造区左侧和右侧的两个定量装置9由两个粉末储罐10供料。另外，在施工现场的左面和右面设置两个溢流容器11，所述溢流容器11可以接收在粉末涂布期间积聚的过量粉末。
另外，所述装置具有位于工作面5的上方的辐射加热器12，用于将涂布的但还未烧结的粉末材料层预加热到适合于烧结的工作温度TA。辐射加热器12在此这样建造，以便可以均匀地加热涂布的粉末层。
在工作面5的上方一定距离处，设置一温度测量装置13，所述温度测量装置13用于非接触式测量最后涂布的或最上面的粉末层的温度。
工作区通过一加工室16与周围隔离。因此，如果需要的话，可以防止粉末的氧化作用和释放出可能的过程气体。
控制和/或调节装置17用于控制和/或调节辐射加热器12的功率及照射装置6的功率。为此，把控制和/或调节装置17连接到辐射加热器12、温度测量装置13和照射装置6上。
图2示出辐射加热器的第一实施例。
按照第一实施例所述的辐射加热112包括作为热辐射元件的电阻元件113。电阻元件113用石墨板(比如SGL公司的碳纤维增强的石墨板SigraBond)制成，所述石墨板在20℃温度下有热扩散系数为a＞1.5·10-4m2/s和厚度为d＝2.0mm。石墨板具有基本上是矩形的形状，所述矩形形状在中心处带有矩形开口114，用于激光束和温度测量装置的光学路线。包围矩形开口的电阻元件在周边处通过间隙115中断。在间隙的两侧上，一设计成铜条的触点116和116′分别附接到电阻元件上。一设计成用于大电流(在30-60V的电压下电流近似为20-40A)的可控制电压的电源117连接到触点116，116′上。各狭缝118分别从开口115的角朝电阻元件外周边的角延伸，以便在电压加到电阻元件中的触点116，116′上之后，实现更均匀的分配电流密度和增加外角区中的加热功率。
下面，将说明上述激光烧结装置和本发明的辐射加热器的工作。
首先，通过涂布装置8将第一层粉末涂布到支承件2上。
对制成的物品的质量来说决定性的是，最上面待固化的粉末层的温度是在预定范围内的温度，所述预定范围具有加工范围。在高于这个加工范围上，粉末在没有附加带辐射能的情况下已经烧结，而在低于加工范围的温度下在固化层中形成翘曲。所谓的卷曲效应常常也是由最上面粉末层的太低温度引起，在卷曲效应时固化层的边缘弯曲或卷起。因此，为了达到良好的结果，尤其是为了防止在制成的物品中的翘曲，在固化之前，必须用辐射加热器12将通过涂布装置涂布的粉末层加热到在加工范围内的工作温度TA。
为此，在涂布粉末层之后，用温度测量装置13非接触地测量该层的温度。因而根据测得的温度决定辐射加热器12的加热功率。如果在最上面的粉末层已加热到工作温度TA之后，则粉末层中与各物品的横截面相对应的位置通过用激光照射进行固化。
在一层固化之后，将支承件2下降一与该层厚度相对应的距离，并通过涂布装置8将新的粉末层涂布到上述经过激光照射的层上。然后重复上述步骤，直至完成制造三维物品时为止。
在图3中，示出了第一实施例的变型。按照该变型的热辐射元件113′与图2所示的热辐射元件不同之处在于，它包括曲折形片状线路(Flchenbahnen)，通过所述曲折形片状线路可以增加欧姆电阻值，并因此增加用于加到电阻元件上的某一电压的加热功率。
在图4中，示出本发明的辐射加热器的第二实施例的横截面。
在按照第二实施例所述的辐射加热器212中，提供石墨薄片213(比如SGL Carbon公司的Sigraflex石墨薄片)作为热辐射元件，述石墨薄片213在20℃温度下在与薄片平行的方向上具有热扩散系数为a＝2.14·10-4m2/s，且具有厚度为d＝0.5mm。
为了得到高的辐射系数，将石墨薄片213用黑体喷涂法处理。用薄的刚性成型板条214使石墨薄片213压紧电热丝215，以便在电热丝215和石墨薄片213之间形成良好的热接触。此外，成型板条有助于石墨薄片的机械稳定性。
在电热丝215面向远离石墨薄片的一侧处，设置第一绝热部分216，所述第一绝热部分216有一反射热辐射的底侧。选定具有高机械稳定性的材料作为用于第一绝热部分的材料。优选的是该第一绝热部分216用石墨硬毡(比如SGL Carbon公司的SigraTherm石墨硬毡)制成，所述石墨硬毡具有低的导热系数(在低于100℃的温度下，SigraTherm石墨硬毡的热导系数λ为低于0.3W/mK)。
在第一绝热部分216远离电热丝215的一侧设置第二绝热部分217。该第二绝热部分不需要有机械稳定性，然而，它必须有良好的绝热特性。优选的是第二绝热部分用在低于400℃的温度下具有热导系数λ＝0.03W/mK或更低的材料(比如Proma公司的Promalight)制成。
在远离石墨薄片的一侧及在侧向上，为了机械稳定性，用一不锈钢构架218包围第一和第二绝热部分，成型板条214也安装在上述不锈钢构架218上。另外，为了得到机械稳定性，在侧向在石墨薄片和第一绝热部分之间设置绝热材料制成的隔离片218。
图5示出本发明的辐射加热的第三实施例。
正如第二实施例中的情况那样，在按照第三实施例所述的辐射加热器312中，设置石墨薄片313作为热辐射元件。然而，与第二实施例不同，该石墨薄片不是用电热丝加热，而是通过IR(红外线)热辐射器314加热，所述IR热辐射器314在石墨薄片的一侧上间隔距离地设置。在侧向上和在远离石墨薄片的一侧上，IR热辐射器314间隔距离地被绝热壳体315包围。绝热壳体的特征在于，它朝向IR热辐射器一侧反射热辐射。及优选的是它具有尽可能的低热导系数。像第二实施例中绝热部分由第一和第二绝热部分组成那样，绝热壳体315可以具有多层构造，以便同时将机械稳定性与良好的绝热特性结合。
上述激光烧结装置、辐射加热器和上述方法的替代和变型是可能的。
本发明的辐射加热器描述成所述热辐射元件具有带矩形轮廓的形状。热辐射元件的这种几何形状尤其适合于均匀加热矩形的目标区域。然而，热辐射元件的形状不限于此，而是可以有任何其他的扁平形状，所述扁平形状适合于相应的几何比例。这样，比如热辐射元件可以形成具有圆形轮廓。因此，矩形开口也可以有不同的形状如圆形状。
也可以设置多个加热区。因此，在按照第一实施例所述的辐射加热器中，可以设置多个电阻加热元件，在按照第二实施例所述的辐射加热器中，可以设置多个电热丝，而在按照第三实施例所述的辐射加热器中，可以设置多个IR热辐射器，在每种情况下它们都可以相互独立工作以便形成多个彼此独立的加热区。
在第一实施例中，石墨板被描述成热辐射元件的材料。使用不同的材料是可行的，只要在20℃的温度下热扩散系数具有一高于大约a＝1.5·10-4m2/s的值。尤其是，也可以像第二实施例中那样使用石墨薄片作为热辐射元件。如有必要，在热辐射元件不自支承的情况下，必须设置具有机械稳定性的元件。比如可以将石墨薄片夹紧或施加到格栅上。
第二实施例说明了将热辐射元件压紧到电热丝上的。然而，电热丝也可以在热辐射元件内和尤其是在热辐射元件中的槽内延伸。此外，电热丝可以在形成夹层结构的情况下夹紧在两个石墨元件之间。
在第二和第三实施例中，已说明了利用石墨薄片作为热辐射元件。然而，使用在20℃下具有热扩散系数高于大约a＝1.5·10-4m2/s，优选的是高于a＝2.0·10-4m2/s的其他的材料也是可行的。尤其是，也可以使用石墨板。
辐射加热器的不同实施例已说明具有一定厚度的热辐射元件。不同的厚度，尤其是较小的厚度是可行的。在热特性方面，优选尽可能小厚度是所希望的。厚度向下通过机械稳定性限定。

Claims (14)

1.用于在激光烧结装置中加热构造材料的辐射加热器，包括扁平热辐射元件(113、213、313)，其特征在于，
热辐射元件(113、213、313)由具有低的热惰性的材料制成。
2.用于在激光烧结装置中加热构造材料的辐射加热器，包括扁平热辐射元件(113、213、313)，其特征在于，
上述热辐射元件(113、213、313)由一种在20℃下热扩散系数为大于约1.5·10-4m2/s的材料制成。
3.按照权利要求1或2所述的辐射加热器，其中热辐射元件(113，213，313)由一种在20℃下热扩散系数为大于约2·10-4m2/s的材料制成。
4.按照权利要求1-3所述的辐射加热器，其中热辐射元件(113、213、313)的厚度为约2mm或小于2mm。
5.按照权利要求1-4其中之一所述的辐射加热器，其中热辐射元件(213、313)由石墨薄片制成。
6.按照权利要求1-4其中之一所述的辐射加热器，其中热辐射元件由石墨板(113)制成。
7.按照权利要求1-6其中之一所述的辐射加热器，其中在热辐射元件(113)上设置电流端子(116，116′)，使得可以通过热辐射元件(113)朝表面的方向输送电流，以便作为电阻加热元件工作。
8.按照权利要求1-7其中之一所述的辐射加热器，其中电热丝(215)设置成与热辐射元件(213)接触，用于加热热辐射元件(213)。
9.按照权利要求1-8其中之一所述的辐射加热器，其中设置IR热辐射器(314)用于加热热辐射元件(313)。
10.按照权利要求9所述的辐射加热器，还包括绝热壳体(315)，其中，
热辐射器(314)夹在绝热壳体(315)和热辐射元件(313)之间，和
绝热壳体(315)在其面向热辐射器(314)的一侧上反射由热辐射器(314)辐射的射束。
11.按照权利要求1-10其中之一所述的辐射加热器，其中热辐射元件(113、213、313)在中心处具有用于通过激光束的开口。
12.按照权利要求7或8所述的辐射加热器，其中热辐射元件(113′)至少在一部分中构成为曲折形的片状线路的形状。
13.按照权利要求1-12其中之一所述的辐射加热器，其中在热辐射元件的一侧上间隔一定距离地设置由石墨制成的绝热部分(216)。
14.用于在对应于各自横断面的位置处通过辐射依次固化可固化的粉末材料层制造三维物品的激光烧结装置，上述激光烧结装置具有按照权利要求1-13其中之一所述的辐射加热器(112，212，312)，用于加热可固化的材料。
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