CN102076456A - 通过选择性激光熔化来制造构件的方法和为此适用的操作室 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种通过选择性激光熔化来制造构件的方法以及一种实施本方法的操作室(11)。按本发明规定，借助激光器(17)选择性激光熔化还用于，在处于形成过程的构件(14)上制造具有一种成分的层区(25)，这种成分与构件原料的成分不同。这通过短时引入反应气体(27)实现，反应气体与粉末原料反应，或由在反应气体中存在的前体在构件(14)上制成一种材料。在本发明的操作室中，为了引入反应气体而设置附加的输入管道(28a、28b)，它允许反应气体输入管道尽可能靠近激光器(17)。

Description

通过选择性激光熔化来制造构件的方法和为此适用的操作室
技术领域
本发明涉及一种通过选择性激光熔化来制造构件的方法，其中，构件通过激光束以层的方式由粉末通过熔化原料粒子制成。
背景技术
例如由DE10223796C1可知前言所述类型的方法。它可以通过选择性激光熔化例如制成复杂的三维结构，所述三维结构与消耗的材料量相比有大的表面。这些结构也可以用作催化剂，为此它们借助激光熔化由催化材料获得。当然在这种方法中必须考虑，催化材料的机械特性往往比传统结构原料的机械特性差，所以例如在设计壁厚时对此必须加以考虑。
发明内容
因此本发明要解决的技术问题是，提供一种通过选择性激光熔化来制造构件的方法，采用这种方法，不仅在机械特性而且在其他特性(例如催化功能)方面，均可以令人满意地实现复杂的所要求的的剖面。
上述技术问题通过前言所述方法按本发明采取下述措施得以解决：选择性激光熔化还用于，通过加入一种短时输送的反应气体，在正在形成的构件上制造与构件原料不同成分的局部层区，为此将反应气体加入构成的层区内。由此有利地有可能通过恰当选择原料粒子提供一种结构原料，它有高的机械稳定性并因而适合各式各样的应用场合。尤其是，由此例如也可以在材料消耗量最少的同时，制造精致的三维结构。另一方面通过选择适用的反应气体可以保证，在构件制造过程中形成一些层区，它们可以确保构件的一些特殊功能。例如由催化材料组成的层区也归在其中，所以这种构件可例如使用于化学的工艺流程中。其他的应用例如是使用于空气催化净化的结构(臭氧过滤器)。
按本发明的一项设计规定，所述层区作为末层或最后几层施加在构件上。这以下述方式进行，即在构件上构成一个闭合的表面层。
由此可例如制成构件的熔封，亦即封闭的表面层，它们可起到例如保护构件的作用。可设想例如制造一种具有淬火表面的构件，此时作为反应气体可输入氮或氧，它与金属原料粒子的材料反应。
为了也能为要制造的构件表面区设置一个位于要制造的构件的背对激光束那一侧的表面层，也可以按本发明另一项设计，所述层区作为首层或最初几层施加在构件上，从而在这一侧构成一个闭合的表面层。这一个表面层可以承担与已说明的同样的功能。
表面层的厚度取决于在使用反应气体的条件下最初或最后制造的层数。也就是说，制成的一层厚度受选择性激光熔化方法引起的限制，所以厚层只能通过制造多个层造成。
本发明另一项设计规定，在制成所述层区后，在它上面沉积构件的另一些只是由这种原料组成的层，在这种情况下所述层区成为一个中间层。当所制成的构件特性也应与在构件内部的这些层区有关时，则这样做可以是有利的。例如可以设想制造一个磨损指示器层作为中间层，它有与构件不同的奇特颜色。这可以例如通过不同的陶瓷原料实现。因此磨损指示器的功能是，一旦构件位于中间层上面的区域被磨蚀，便引人注目地改变了构件表面的颜色。这些层区可例如通过再次的选择性激光熔化来重新涂敷在构件上，使构件可以再次使用。
当作为构件制成格栅形结构，它有就激光束射束方向而言的后凹时，获得本发明的一项特殊的设计。在这种情况下总是在进一步形成构件的进程中形成的后凹将阻止激光束到达所述层区之前便已经制成所述层区。按方法的这种方案，在制造构件的同一过程中制成层区的优点特别突出。可以制造几乎任何其中在构件制成后难以或根本不能到达的那些区域内也应设置特殊层区的三维结构。这对于在过程中用作催化剂的构件有突出的优点。也就是说，催化效率取决于可提供使用的表面。因此，在按本发明制成的构件中由制成的层区行使催化功能。它们可以分布在复杂的三维格栅形结构内，以及它们例如通过强迫流过一种流体引起流体反应。
为制造所述层区，原则上尤其可以考虑两种生成机制。因而按方法的一种设计规定，反应气体有一种与熔化的原料粒子反应的成分。这种气体可例如是氧、氮或这两种气体的混合物。通过在选择性激光熔化的激光熔池中存在的温度，原料与反应气体发生反应，从而将反应气体加入正在形成的层区内。由此例如可以生成氮化物或氧化物或氮氧化物陶瓷，它们都有杰出的催化特性。
另一种可能性有利地在于，为了反应，亦即为了制造层区，反应气体含有要造成的层区材料的前体。在这方面可以利用经验知识，与所谓的激光CVD有关联的经验知识已成为现有技术。在激光CVD中，要造成的涂层原料前体混合成一种反应气体(亦即这些前体本身是气态的)，以及通过激光束沉积在表面上。在此过程中应考虑规定的过程窗口，例如有关表面存在的温度，涉及某些材料组合的所述温度，可以从一般的文献中查出。下表举例列出若干这种反应气体连同提及的过程温度。
Figure BPA00001280574500031
此外本发明涉及一种选择性激光焊的操作室。它有一个相对于周围环境气密封闭的包括一个制造构件用的受料台的操作腔。此外操作腔还有惰性气体进口和出口，惰性气体应避免熔池不希望的反应。与之不同，出口也可以用于将操作腔抽成真空。
例如在DE19853947C1中介绍了这种操作室。此操作室有已提及的特征，其中作为惰性气体通过进口和出口泵送氩气。此外，操作室在一个用于激光束的窗口区域内有另一些进口，通过它们可以将氦气吹入操作室内。氦气在窗口区域内排挤氩气和熔化的原料粉末可能处于该区域内的蒸汽，这些蒸汽会污染窗口。
本发明要解决的技术问题还在于制备一种适用于前言所述方法的操作室。
因此按本发明规定，除所述进口和出口外，附加地设置用于输入反应气体的输送装置。也就是说，与按DE19853947C1的输送装置不同，在输送装置上连接一个内含反应气体而不是惰性气体的容器。此外输送必须这样进行，即，使反应气体不是排挤在窗口区域内的惰性气体，而是排挤在制造中的构件表面区内的惰性气体。其理由可以是，在制造层区的时刻甚至希望与反应气体反应，因此与惰性气体要达到的阻止构件原料反应的目的正相反。但通过附加的进口可以优化操作过程，因为惰性气体与反应气体没有必要持续地完全互换。确切地说，在制造层区的时间段将反应气体输入反应室，可以在表面上进行反应。一旦停止引入反应气体，惰性气体将反应气体残余量从构件表面吹除，从而重新保护正在形成的构件原料防止反应。
因此有利的是，输送装置的出口与进口相比位置更靠近受料台。由此可以消耗最少的反应气体，达到比较厚地施加形成的构件表面。特别有利的是，输送装置的出口可以在一个与受料台平行的平面内运动。在这里必须指出，构件要制造的这些层同样分别平行于受料台，因为为了构件能在规定的平面内以层的方式制成，所以这一层要为另一层下降。若输送装置可以在一个位于受料台上方很近的平面内运动，则使反应气体的引入得到进一步优化。也就是说，这就有可能将反应气体的引入管路安置在通过激光束造成的熔池附近，从而在那里可以达到所使用的反应气体的最佳效率。
附图说明
下面借助附图说明本发明的其他详情。附图中相同或对应的部分在这里采用同样的附图标记，以及就此而言仅需着重说明在各附图之间存在的区别。其中：
图1表示本发明操作腔的一种实施例；
图2和图3表示按本发明制成的构件实施例的局部；以及
图4至图9表示按本发明方法一种实施例选出的一些步骤。
具体实施方式
图1所示的操作室11有一个操作腔12，其中设置一个用于要制造的构件14的受料台13。受料台可借助促动器15下降，所以构件14可以在构件原料粉末16的一个储箱内制造，此时，受料台13在构件14的一层借助激光束17制造后，总是下降该层厚度的量。一个具有计量活门19和刮刀20的运动储罐18，可以按没有详细表示的方式在储箱上方移过，由此在受料台13下降后可以在构件14已制成的这一层上施加另一层粉末。
激光器安装在操作室11外部，图中没有进一步表示。操作室有一个窗口21，激光束通过它进入操作室。此外，操作室有一个进口22和一个出口23，它们允许过程气体按图中表示的宽箭头24流动通过操作室。这种惰性气体扫过构件14表面，阻止构件原料的熔池25与气态成分不希望地反应和通过出口23排出构件原料可能产生的蒸发产物。
附加地设输送装置26，通过它可以按窄箭头27供给反应气体。如已说明的那样，反应气体促使形成一个与构件原料成分不同的层区(例如参见图2)。输送装置26按图1表示了两种方案。它可以通过固定的喷嘴28a构成，其出口布置为，使反应气体尽可能近地在处于制造中的构件14上面流动。但也存在另一种方法，规定喷嘴28b以这样的方式运动，亦即使之能平行于受料面运动，并因而可以紧邻熔池25运动。为此，采用用于反应气体的弹性的输送软管29。
图2表示构件14的一种实施例。它有一个表面层30，作为其成分与构件成分不同的层区。此表面层可例如由氮化钛组成，在这里由钛组成的构件14用作工具。
按图3将所述层区设计为中间层33。构件原料的构成表面31的部分有厚度d，它正好相应于构件允许的总磨损量。若构件的这一区域磨蚀，导致中间层31的表面外露，这例如可以通过表面的色变确定。因此中间层需要有一种与构件不同的颜色。
图4至图9表示构件14不同的形成阶段，该构件构成一个有层区32的三维格栅，层区32有催化特性。由图9可以看出，三维格栅结构基于其空间定位沿激光束17方向看具有后凹34的填槽(Fülle)。作为后凹，结合本发明认为，在制造位于其上方的结构后，激光束17不再能到达后凹的构件区。
格栅状构件14的空间结构可以想象为变换平面35形成，它用作层区32的底物，然后制造连接相邻平面的柱36，这些柱36保证形成平面35之间的空腔。在加工过程中这些空腔仍充满粉末16。制成的结构可例如用作催化剂，以及被一种流体垂直于图纸平面流过。
图4表示一个阶段，在此阶段中制成柱36。图中表示正好制造一层，它在已制成的结构中形成一个新的平面35。它此时平放在制成的柱36上(以及可按选择平放在之前制造的层区33上)。
图5表示处于成形过程中的平面35是如何将两个相邻柱36互相连接在一起的。
图6中在新得到的平面35上制造第一层。首先，尚处于惰性气体24影响下在此层内制造用于新柱36的柱段36。由图7可以看出，接着借助喷嘴28b使反应气体27在当前层的表面上流动，以及借助激光器在平面35上柱段36之外制造有催化特性的层区32。
图8表示在层区32上随后的一些层内仅分别按“梯段”叠加用于新柱36的柱段。
与图8相比较，由图9可以看出施加其他三层。在第一层内，柱36再一次加长(在这里也可以按选择类似于图1所示方式重新制造一个层区33)。在第二层内制造一个新的平面35，以及在当前加工的第三层内重复按图6和图7的步骤。以此方式可以任意扩展这种三维格栅，直至该结构达到希望的尺寸。

Claims (11)

1.一种通过选择性激光来熔化制造构件(14)的方法，其中，构件(14)通过激光束(33？)以层的方式由粉末(16)通过熔化原料粒子制成，其特征为：选择性激光熔化还用于，通过加入一种短时输送的反应气体，在正在形成的构件(14)上制造与构件原料不同成分的局部层区(32)，为此将反应气体加入构成的层区(32)内。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征为，所述层区(32)作为施加在构件(14)上的末层或最后几层以这样的方式施加，即，它们在构件(14)上构成一个闭合的表面层(30)。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征为，在制造完所述层区(32)后，在它上面沉积所述构件(14)的另一些只是由所述原料组成的层，在这种情况下所述层区成为一个中间层(33)。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征为，所述层区(32)作为施加在构件(14)上的首层或最初几层以这样的方式施加，即，它们在构件(14)上构成一个闭合的表面层(30)。
5.按照权利要求1所述的方法，其特征为，作为构件(14)制成格栅形结构，它有就激光束(17)射束方向而言的后凹(34)，在这种情况下总是在进一步形成构件(14)的进程中形成的后凹(34)将阻止激光束(17)到达所述层区(32)之前制成所述层区(32)。
6.按照前列诸权利要求之一所述的方法，其特征为，所述反应气体具有与熔化的原料粒子反应的成分。
7.按照权利要求1至5之一所述的方法，其特征为，所述反应气体含有要造成的层区(32)的材料的前体。
8.按照权利要求7所述的方法，其特征为，对前体反应所需要的温度控制通过激光束(17)加入的能量来控制。
9.一种用于选择性激光熔化的操作室，它有一个相对于周围环境气密封闭的包括一个制造构件(14)用的受料台(13)的操作腔(12)，其中，操作腔具有惰性气体进口(22)和用于惰性气体或将操作腔抽成真空的出口(23)，其特征为：附加地设置用于输入反应气体的输送装置(26)。
10.按照权利要求9所述的操作室，其特征为，与进口(22)相比，输送装置(26)的出口处于更靠近受料台(13)的位置。
11.按照权利要求9或10之一所述的操作室，其特征为，所述输送装置(26)的出口可以在一个与受料台(13)平行的平面内运动。
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