CN101553355A - 借助于用于粉末状材料的涂层装置制造三维物体的装置和方法 - Google Patents

借助于用于粉末状材料的涂层装置制造三维物体的装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种装置和一种方法，用于通过固化与物体(3)的各自横截面相应部位上的粉末状材料的层(25)制造三维物体(3)。该装置在此方面具有可在制作区(5)上移动的涂层装置(40)，其用于在制作区(5)内涂覆粉末状材料(47)的层。涂层装置(40)利用第一纵边壁(41a)和第二纵边壁(41b)构成，这些纵边壁通过两个侧壁相互连接。为使粉末状材料(47)均匀化，涂层装置(40)具有用于流化的装置。该装置包括至少一个空心体，该空心体在其壁上具有排出孔，气体通过该排出孔可以从空心体向粉末状材料(47)内流动。

Description

借助于用于粉末状材料的涂层装置制造三维物体的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种按权利要求1前序部分所述的用于涂覆粉末状材料的涂层装置以及一种用于制造三维物体的装置和方法。
背景技术
用于制造例如像选择性激光烧结体或者3D印刷体这种三维物体的方法是已知的。在此方面，三维物体分层通过粉末状材料的固化形成。对于选择性激光烧结体，固化借助于到达粉末层上的激光射束进行，其中，该方法也可以借助其他的电离辐射实施。对于3D印刷体，在粉末层待固化的部位上涂覆粘合剂或胶粘剂。
上述方法中的缺点是，粉末在固化过程之前就已经发生结块。这种结块在保存容器内就已经由于粉末颗粒之间的静电引力而出现。此外在将粉末从保存容器向制作室运输时结块过程会由于环境条件，例如由于制作室内的温度上升而加剧。
DE 101 05 504 A1记载了一种装置和方法，其中粉末在保存容器内由此进行流化，即，使从下面穿过保存容器内的粉末吹送空气。为此保存容器具有双层的底部，其上部具有孔，气体通过孔进入粉末的保存空间内。
DE 101 05 504 A1的方法虽然可以粉末在防止保存容器内的结块，但离开保存容器之后和在制作室中涂覆之前仍始终可能结块。
EP 0 289 116 A1公开了一种用于制造三维物体的装置和方法，其中物体分层地通过熔化粉末材料制造。重叠的粉末层借助流化的粉末床产生，方法是使粉末在形成物体的制作室内形成涡流，从而将各自新的粉末层置于通过熔化固化的层上。在此方面，将空气从下面通过扩散板吹入制作室内，由此粉末产生涡流并同时冷却构件已经固化的部位。
在依据EP 0 289 116 A1的粉末床进行流化时，可以实现涡流并因此可以直接在层的涂覆过程之前防止块形成。但所述方法的缺点是：一方面为产生涡流使用的空气直接在所要制作的构件下面排出，由此所要制作的构件会遮在存在于该构件上面的粉末并仅产生不完全的涡流。另一方面，通过所输送的空气对刚固化的区域的冷却导致构件受到张力和扭曲。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种装置和一种方法，通过该装置和方法在用于制造三维物体的方法中可以使粉末得到均匀涂覆。
该目的通过按权利要求1所述的涂层装置、按权利要求7所述的装置和按权利要求9所述的方法得以实现。本发明的改进方案在各从属权利要求中给出。
附图说明
本发明的其他特征和实用性可由借助附图说明的实施例得出。其中：
图1示出用于制造三维物体的装置一种实施例的示意图；
图2示出本发明第一实施方式的涂层装置的示意横剖视图；
图3示出依据本发明第二实施方式的涂层装置的示意横剖视图；以及
图4示出依据第二实施方式涂层装置的倾斜俯视图。
具体实施方式
第一实施方式
图1示出作为用于依据第一实施方式制造三维物体的装置的激光烧结装置。在图1的装置中，使用依据本发明的涂层装置和依据本发明的方法。制作过程在一向上敞开的容器1内进行。容器内设有一用于承载所要形成的三维物体3的载体2。载体2可以借助一驱动装置4在容器1内沿垂直方向A上下运动。容器1的上边缘限定一制作区5。制作区5的上方设置一激光器形式的辐射装置6，该装置发出定向的激光射束18，所述激光射束通过偏转装置7导向到制作区5上。此外还设有一涂层装置40，用于将所要固化的粉末状材料层涂覆到载体2的表面上或者最后固化的层上。涂层装置40可以借助通过箭头B示意示出的驱动装置在制作区5的上面往复运动。通过制作区左侧和右侧的两个计量器9从两个粉末保存容器10向涂层装置供给。此外，制作区的左侧和右侧设有两个溢流装置11，可以接收涂层时落下的多余粉末。
有利的是，该装置此外具有一设置在制作区5上的加热装置12，用于加热粉末层19和特别是用于将已涂覆但尚未烧结(固化)的粉末层预热到适合于烧结的工作温度TA。加热装置12例如设计成一个或者多个热辐射器(例如红外线辐射器)的形式。它这样设置在制作区5的上方，使所涂覆的粉末层可以得到均匀加热。
同样适宜的是，制作区5的上方一定距离处设有一温度测量装置13，例如高温计或者IR照相机，通过其可以测量最后涂覆的粉末层的温度。
根据所使用的粉末类型，有利的是，一处理室16将制作区与外界封闭。由此制作过程可以在隔绝空气的情况下进行并防止粉末氧化。
一控制和/或者调节装置17用于控制和/或者调节涂层装置40的运动。它同样控制/调节载体2的运动A、加热装置12的功率、辐射装置6的功率和通过偏转装置7的偏转。为此控制/调节装置17与涂层装置40的驱动装置、驱动装置4、加热装置12、温度测量装置13、偏转装置7以及辐射装置6连接。
下面说明激光烧结装置的运行：
首先，涂层装置40处于计量器9的下方并从保存容器10中向其填充用于层的粉末状材料的用量。
此后通过涂层装置40平行于制作区5的表面的移动将粉末层25涂覆在载体2上或者此前固化的层26上。此时，粉末状材料47从涂层装置补充流动。
涂覆粉末状材料47的层25之后，在与物体的横截面相应的层25部位上进行固化，方法是利用激光射束18以本身已知的方式照射该层。
对于成品物体的质量特别重要的是，所要固化的最上层的温度具有在确定的工艺窗口内的温度。若温度高于工艺窗口，粉末在没有附加的辐射能量时就已经烧结，而若温度低于工艺窗口，在已固化的层内会形成应力。通常所谓的翘曲(Curl)效应就是由于最上面的粉末层温度过低，在发生这种效应时已经固化层的边缘弯曲或卷起。因此，为了达到良好的结果，用涂层装置涂覆的粉末层25必须利用加热装置12在固化之前加热到工艺窗口内部的工作温度TA并然后在固化期间保持在工艺窗口内。
为此在涂覆粉末层后利用温度测量装置13测量该层的温度。根据此时所测得的温度确定加热装置12的加热功率。如果将最上面的粉末层加热到工作温度TA，那么建造材料的层内的与物体的横截面相对应的部位通过利用激光器6的辐射固化。
在一层固化后，载体2下降一与该层厚度d相对应的距离并重复此前说明的步骤，直至三维物体3的制造完成。
图2示出在用于制造三维物体依据本发明的装置中所使用的涂层装置40的第一实施方式，该涂层装置用于涂覆粉末状材料的层。
涂层装置具有第一纵边壁41a和第二纵边壁41b，这些纵边壁通过未示出的侧壁相互刚性地连接。这里将涂层装置的基本上横向于运动方向(通过图1中的箭头B示出)的侧面看作是纵边。第一纵边壁41a和第二纵边壁41b适宜地彼此平行，但不一定非得如此。在第一纵边壁41a的下端上安装一刮刀41c并在第二纵边壁41b的下端上安装一刮刀41d。
刮刀41c和41d用于刮平所要涂覆的粉末层。和壁相同，刮刀优选由刚性材料，特别是金属、耐热塑料或者陶瓷构成。第一纵边壁41a、第二纵边壁41b和未示出的两个侧壁共同形成向上和向下敞开的保存室48，用于容纳用于层的粉末状材料。与第一纵边壁41a和第二纵边壁41b中分别集成一个由一前室42和一流化壁43组成的流化装置。为使流体介质例如氮气进入前室42，设有带阀45的输送管44。流化壁43具有大量的小孔，其直径小于粉末状材料颗粒的直径，从而氮气可以通过流化壁43从前室42排出，但粉末状材料47不会进入前室42内。
流化壁43可以是其中带孔的金属板。也可以设想流化壁43由轧制的金属丝网或者烧结的塑料材料构成。此外，流化壁43也可以由透气的复合材料组成，其中金属或者陶瓷颗粒借助粘接剂例如聚合物结合。
工作时，通过打开阀45和使氮气通过输送管44进入前室42，在该前室42内产生过压，其导致氮气从流化壁43上的孔排出。通过粉末的流化，可以改善粉末的流动性并因此提高所涂覆层的质量。
特别有利的是，存在一用于控制和/或者调节可流动的介质的压力和/或者体积流量的装置50。
对此的一个原因是，如果涂层装置没有处于制作区5上方，则不需要流化粉末。此时可流动介质或气体的输送流动可以通过控制/调节装置根据涂层装置的位置进行调整。
此外，对于涂层装置内的粉末尽可能完全的均匀化和混合，高的压力和体积流量是有利的。但特别是随着涂层装置内的粉末量下降，也可能有利的是降低压力和体积流量，以保证从涂层装置中有序地输出粉末。
为了调节流向涂层装置的气流，控制/调节装置可以或者直接作用于阀45，或者限制通向阀门45的气体流动。
涂层装置内填充高度的监测可以借助涂层装置内的填充高度传感器进行，该传感器将相应的填充高度信息传送给调节装置50。
当然，调节也可以根据其他参数、例如温度进行。
特别是为改善粉末均匀性，不必将用于流化的可流动介质的温度提高到高于所要流化的粉末的温度。
但在涂覆之前预热粉末的优点是，可以明显缩短制造三维物体的制作时间，因为可以避免或者至少明显减少新涂覆层的加热时间。此外，涂覆之前的粉末预热可以达到对所要涂覆的粉末层均匀加热的目的。如果加热装置12仅用于加热已经涂覆的粉末层，则例如借助辐射加热产生的辐射会部分被反射，从而在已经涂覆的粉末层内会出现温度梯度并存在表面过热的危险。此外，为了均匀加热，在任何情况下均需避免辐射加热与粉末层之间的障碍。最后，通过粉末的预热可以避免所涂覆的粉末层与已经存在的粉末床之间出现大的温差并由此避免不希望的热效应和扩大工艺窗口。
由于前面提到的优点，依据本发明的涂层装置可以设有一用于预热涂层装置内粉末的装置。为此例如可以在涂层装置中集成一个例如作为电阻加热器的加热装置46。此外，也可以设想其他任何的加热装置，利用所述加热装置可以加热涂层装置与粉末状材料接触的部件。例如，涂层装置可以选择通过辐射加热或者借助通过涂层装置的壁流动的加热介质进行加热。
第二实施方式
图3和4示出依据第二实施方式的涂层装置的横剖视图或从斜上方的俯视图。
在依据第二实施方式的涂层装置中，用于粉末流化的可流动的介质不通过前室42输送到涂层装置壁内。相反，在涂层装置的下半部分内，第一纵边壁141a与第二纵边壁141b之间与其平行地存在两个管131、132。管131、132的壁设有孔133，各孔的尺寸这样确定，即，使其直径较小，从而粉末颗粒不能进入管内。在管端侧的末端上通过输送管144将流动介质供应给管131、132。也像在第一实施方式中那样，每个输送管144内均设有一阀145。其他未说明的详情与实施方式1相同。特别是这一点也适用于涂层装置可能的变型，例如设有用于流动介质的压力和/或者体积流量的控制/调节装置。此外，管131、132的壁可以由与第一实施方式中流化壁43相同的材料组成。
在依据第二实施方式的涂层装置中，用于供应流动介质的装置131、132设置在涂层装置的下部区域内。因为粉末由于重力向下坠落，所以通过这种设置可以实现更好的充分混合。因为粉末颗粒在从涂层装置输出之前在管131、132上经过，所以通过流化装置可以更好地监测总的粉末储备。在实施方式1中在采用步进式输出粉末的前室42上部区域内，流出的流动介质不再到达粉末，与此相反，在第二实施方式中，保证介质始终到达粉末颗粒，因为管设置在涂层装置的下部区域内。
通过用于流动介质的流出孔133有利的布置可能性，可以减少所使用的流动介质量，因为流动介质得到更加有效的利用。
特别是孔133不必均匀地在管131、132的壁上分布。例如，孔133可以仅设置在管的上半部分内，也就是设置在管背离粉末床层25的侧面上。
此外，当然可以取代管形状选择任意其他的形状。唯一的边缘条件是，它必须是这样的空心体，流动介质可以通过该空心体流动并在其壁上具有用于流动介质的排出孔。例如，可以设有横向于涂层装置的移动方向具有相同距离的大量的这种空心体。
其他变型
本发明说明了激光烧结装置，其中使用激光器作为辐射源。也可以使用向粉末状建造材料内施加电磁或者粒子辐射的其他任何辐射源。这样例如可以使用用于非相干的光辐射、IR辐射、X射线辐射或者电子辐射的辐射源。与此相应，应使用可以利用相应的辐射固化的粉末状建造材料。
在所述的装置中，作为用于预热已经涂覆的层的加热装置12建议采用制作区上方的红外线辐射器。也可以设想加热建造材料的最后涂层的其他可能性。例如，可以将热空气或者氮的循环用于预热所涂覆的层，其中，引导热空气或者热氮通过新涂覆的层。
介绍了各自具有一个保存室的涂层装置。但也可以将保存室分成多个室并由此实现一种位置分开的涂层装置。在此方面，可以分开地给不同的室装载不同的粉末状材料。
所输送的流动介质不局限于气体例如压缩空气或者氮。例如借助流化可以加湿涂层装置内的粉末或者进行化学处理。
虽然在说明书中介绍了用于制造三维物体的装置，其中粉末状材料在涂层装置内进行流化，但当然也可以附加在该装置内的其他部位上对粉末进行流化，例如像在保存容器或者计量器内。
虽然上面的说明书中介绍了预热涂层装置内粉末的可能性，但当然也可以在其他部位上进行预热，例如在保存容器或者计量器内。

Claims (11)

1.涂层装置，用于在一装置内涂覆粉末状材料，所述装置用于通过在与物体各自的横截面相对应的部位上固化粉末状材料的层来制造三维物体，该涂层装置具有：一第一纵边壁(41a)和一第二纵边壁(41b)，这两个纵边壁通过两个侧壁相互连接，其特征在于，具有一用于利用供应给涂层装置的气体使粉末状材料流化的装置(42、43、44、45、46)和一用于控制和/或者调节所述气体的压力和/或者体积流量的装置(50)。
2.按权利要求1所述的涂层装置，其中，用于流化粉末状材料的装置具有至少一个由气体流动通过的空心体，所述空心体在空心体壁内带有气体排出孔(133)。
3.按权利要求2所述的涂层装置，其中，空心体具有管形状。
4.按权利要求2或3所述的涂层装置，其中，空心体设置在第一纵边壁(41a)或者第二纵边壁(41b)的下棱边附近。
5.按权利要求3或4所述的涂层装置，其中，在涂层装置内设置两个平行的管(131、132)作为空心体。
6.按权利要求1至5之一所述的涂层装置，还具有一调节装置(17)，利用该调节装置能够调节涂层装置(40)的温度。
7.用于通过在与物体各自的横截面相对应的部位上固化粉末状材料的层来制造三维物体的装置，具有一能够在一制作区(5)上移动、按权利要求1至6之一所述的涂层装置(40)。
8.按权利要求7所述的装置，其中，固化借助电磁辐射或者粒子辐射进行。
9.用于制造三维物体的方法，具有以下步骤：
(a)利用一涂层装置(40)在一制作区的表面上涂覆粉末状材料(47)的一层(25)；
(b)在与物体(3)的横截面相对应的部位上使层固化；
(c)重复步骤(a)和(b)，直至制成三维物体(3)。
其特征在于，在步骤(a)中借助于所供应的气体在涂层装置(40)内使粉末状材料流化，其中，控制和/或者调节气体的压力和/或者体积流量。
10.按权利要求9所述的方法，其中，使用按权利要求1至6之一所述的涂层装置。
11.按权利要求9或10所述的方法，其中，借助于供应电磁辐射或者粒子辐射进行固化。
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