CN102123850A - 用于制造三维物体的装置用的框架和具有这样框架的用于制造三维物体的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于制造三维物体(3)的装置用的框架(1)。所述装置在一个制造空间中在与各层中的待制造的物体(3)的横截面相对应的位置上通过逐层地固结粉末状的或液态的构造材料(3a)来制造三维物体(3)，所述制造空间通过框架(1)和处于框架(1)中垂直可移动的平板(2)限定；其中框架(1)在其面向制造空间的内侧上具有玻璃陶瓷板。

Description

用于制造三维物体的装置用的框架和具有这样框架的用于制造三维物体的装置

技术领域

本发明涉及一种按照权利要求1的前序部分所述的用于制造三维物体的装置用的框架。

背景技术

WO 00/21736A中公开同类型的用于制造三维物体的装置用的框架。所述装置借助于激光器或另一能量源的作用在与各层中的待制造的物体的横截面相对应的位置上通过逐层地固结粉末状的构造材料来制造三维物体。框架和平板限定一个制造空间，在所述制造空间中制造三维物体。框架和平板模块式相互连接成可换式机架，其中所述可换式机架可以装入所述装置中和从其中取出。

由DE 199 39 616 A1已知一种类似的用于制造三维物体的装置。在按照该现有技术的装置中，在实施激光烧结过程中通常将制造空间加热到100℃至150℃的温度。

在传统的用于制造三维物体的装置中的一个问题在于，在外部将框架加热到明显较高的温度迄今为止是不可能的，因为框架的周围遭受强烈的热负荷。

发明内容

本发明的目的是，设置一种用于制造三维物体的装置用的框架，它允许将制造空间加热到明显较高的温度。

该目的通过一种具有权利要求1的特征的用于制造三维物体的装置用的框架和通过一种具有权利要求10的特征的装置达到。有利的进一步构成是诸从属权利要求的主题。

通过使用玻璃陶瓷板和通过选择性地控制所需要的加热区，达370℃的过程温度是可能的。如果平板在制造开始时完全处在上面，则只加热框架的上部的区域，根据制造过程接通其他的处在下面的加热区。由此避免特别是处在下面的升降机构的过度的热负荷。玻璃陶瓷板也不过强地沿垂直方向散热。这特别是在制造开始时是有利的，因为升降机构不受过强的热负荷。

该用于制造三维物体的装置特别适合用作高温激光烧结机，借其可以加工具有高熔点的烧结粉末，例如聚醚醚酮(PEEK)。

附图说明

借助附图由实施例的描述得出本发明的其他的特征和合理性。附图示出：

图1按照本发明的用于制造三维物体的装置的示意图；

图2按照本发明的用于制造三维物体的装置用的框架的一部分的示意的水平剖视图；

图3用于按照本发明的框架的具有两个加热区的平面加热元件的示意的垂直剖视图；以及

图4用于按照本发明的框架的具有三个加热区的平面加热元件的示意的垂直剖视图。

具体实施方式

图1示出按照本发明的用于制造三维物体3的装置的示意图，其在实施例中构造成激光烧结装置。

激光烧结装置具有向上开口的框架1以及一个在所述框架中沿垂直方向可移动的平板2，所述平板承载待制造的三维物体3。框架1和平板2在内部限定一个制造空间。平板2连接于升降机构12，所述升降机构使它沿垂直方向移动，从而使当前物体3的待固结的层处于一个工作平面4内。框架1和平板2模块式相互连接成可换式机架。在完成三维物体3的制造以后，可以从所述装置中取出可换式机架以及在其中制成的物体3并且用一个新的可换式机架来代替。

此外，设有一个涂敷器5，用以涂覆一层粉末状的构造材料3a。作为构造材料3a可以使用所有可激光烧结的粉末，例如聚酰胺、聚苯乙烯、金属、陶瓷、复合材料和特别是高温塑料例如PEEK。首先从储料容器6向框架1供给构造材料3a。然后将涂敷器5以一个预定的高度移到工作平面4中，以便使粉末状的构造材料3a的层以一个规定的高度位于最后固结的层上。所述装置还具有激光器7，其产生激光束7a，它通过偏转装置8聚焦到工作平面4内的预定的点上。借此激光束7a可以在与各层中的待制造的物体3的横截面相对应的位置上选择性地固结粉末状的构造材料3a。

用附图标记10表示处理腔室，在所述处理腔室中可以设置框架1、平板2、升降机构12和涂敷器5。附图标记9表示在处理腔室10中的开口，用以引入激光束7a。此外设有控制单元11，经由所述控制单元为了实施制造过程以协调的方式控制所述装置。

在所述装置工作时，在第一步骤中通过升降机构12将平板2一直移动这么远，直到其上面处在工作平面4下方的一个层厚度。接着借助于储料容器6和涂敷器5将材料3a的第一层涂覆到平板2上并使其平整。因此控制单元11控制偏转装置8，使偏转的激光束7a按选择击中材料3a的层的要固结的位置。借此在这些位置上固结或烧结所述材料3a。

在下一步骤中，通过升降机构12将平板下降下一层的厚度。通过储料容器6和涂敷器5涂覆、平整第二材料层并且借助于激光束7a按选择地固结。如此常常地实施这些步骤，直到制成所需的物体3。

图2示出按照本发明的用于制造三维物体的装置的框架1的一部分的示意的水平剖视图。

框架1在其面向制造空间的内侧上具有玻璃陶瓷板13。例如可以使用Schott股份公司的名称为Robax(注册商标)的玻璃陶瓷板13。在所示的实施例中，玻璃陶瓷板13具有约5mm的壁厚。玻璃陶瓷板13的特别的特性是高的耐热性和较小的热膨胀系数，借此在大的温度差时沿板几乎不出现扭曲。玻璃陶瓷板13因此不显示出缺陷如爆裂(如在普通的玻璃时)或翘曲(如在金属时)。玻璃陶瓷板13还具有较小的热导率，从而特别是朝向板平面的方向不发生显著的热传送。在板平面内的温度梯度基本上继续存在。此外玻璃陶瓷板13具有很好的平面度，从而特别是在单件的玻璃陶瓷板13的情况下在框架1与平板2或在其上安装的密封唇之间达到良好的密封。此外玻璃陶瓷板13的清洁是简单的并且其不形成膨胀间隙，它可能由粉末填塞。

框架1在玻璃陶瓷板13的远离制造空间的外侧上还具有平面加热元件14。例如可以使用Freek公司的名称为Mikanit(商标)的平面加热元件14。在所示的实施例中平面加热元件14由人造云母片构成，其用扁平的加热金属丝缠绕成电阻加热器。人造云母片通常在两侧与绝缘板和支承板连接。但人造云母片在电绝缘的玻璃陶瓷板13上的直接安装能够省去内部的绝缘板和支承板。由此能够实现加热金属丝在玻璃陶瓷板13上的很好的热连接。

图3示出用于按照本发明的框架1的具有两个加热区14a、14b的平面加热元件14的示意的垂直剖视图。在所示的实施例中，平面加热元件14限定两个垂直重叠设置的加热区14a、14b，它们是可单独控制的。控制单元11按照制造过程仅仅控制在平板2的上方的一个或多个加热区。这样的平面加热元件14允许简单的使用，因为框架1的每一侧面只须安装紧凑的平面加热元件14。此外，这些平面加热元件14允许关于加热区14a、14b的数目和位置的简单的配置，它们是可分开控制的。由此接着制造过程可以向下加大加热的面积，从而只加热当前需要的区域，这些区域实际上用粉末填满。因此一方面向外发送尽可能少的热量，而另一方面防止三维物体的构件扭曲。

图4示出另一实施例的平面加热元件14′的示意的垂直剖视图。平面加热元件14′类似于平面加热元件14，只是平面加热元件14′具有三个加热区14a、14b、14c。控制单元11按照制造过程(亦即以时间上的顺序14a、14b、14c)仅仅控制在平板2的上方的一个或多个加热区。

在平面加热元件14、14′中集成温度探测器(未示出)。它们大致在相应的加热区14a、14b、14c的中心与相应的玻璃陶瓷板13处于平面的接触。这能够实现接近过程的温度测量，其中能够非常接近过程温度地引出粉末床的温度。

各平面加热元件14、14′在其远离制造空间的外侧上还具有层状石墨板15。这些层状石墨板15不一定是必需的，但具有均匀的热分布的优点。它们具有相应的平面加热元件14、14′的加热区14a、14b、14c的尺寸。例如可以使用SGL Carbon股份公司的名称为Sigraflex(注册商标)的层状石墨板15。层状石墨板15具有强的各向异性的热导率的特性，亦即热导率沿层状石墨板15的平面方向显著大于垂直于该平面方向。

框架1在各层状石墨板15的远离制造空间的外侧上还具有玻璃纤维垫16。例如可以使用Promat股份有限公司的名称为Promaglaf HTI1200(注册商标)的玻璃纤维垫16。各玻璃纤维垫16的作用是，朝向以下描述的支承元件18大面积地偏压玻璃陶瓷板13和框架1的其他的板部件。

玻璃纤维垫16同时保证向外和向下的很好的绝热。玻璃纤维垫16的另一优点是其在温度循环时的弹性。

框架1在各玻璃纤维垫16的远离制造空间的外侧上还具有外面的板17，所述外面的板优选由玻璃陶瓷构成。所述外面的板17要辅助以下描述的支承元件18向内挤压玻璃纤维垫16。

框架1还具有多个支承元件18，其优选由优质钢构成，它们特别在框架的各边缘上支承框架1。特别是支承元件18的作用是，彼此相对压紧玻璃陶瓷板13和所述外面的板17。由此压缩和偏压处在中间的玻璃纤维垫16。此外，各支承元件18分别设置在框架1的边缘上并在那里连接框架1的各个壁。在所示的实施例中，支承元件18由优质钢构成，从而它们与铝相比具有较小的热导率和较小的热膨胀系数。此外优质钢比铝具有更好的耐腐蚀性。

支承元件18具有由尽可能薄壁的四边形空心型材构成的多角板条18a。通过薄的壁厚限制热导率，支承元件18还具有多个夹持金属板18c，它们从内部支承各玻璃陶瓷板13。支承元件18还具有外面的压紧金属板18b，它们用螺钉拧紧到各空心型材18a上并且与夹持金属板18c相配合相互夹紧框架1的各层部件。框架1的四个壁通过这样的结构连接在一起。支承元件18还具有多个垫块18d，优选由绝热材料构成，它们固定地预定在玻璃陶瓷板13与所述外面的板17之间的间距。支承元件18还具有多个金属板条18e，它们使框架1在其各内边缘上成圆形。各金属板条18e防止粉末进入在框架1的各不同的部件之间的接缝中并且便于框架1的清洁。各支承元件18保证框架1的完全的支承，从而较脆的玻璃陶瓷板13不必具有用于支承框架1的功能。

框架1在所述外面的板17的远离制造空间的外侧上还具有外壳19。外壳19构成框架1的壳体并还保证向外的另一绝热。

这样构成的框架1具有以下特征：

框架1和属于此类的装置适用于由熔点高于150℃和特别是高于180℃的构造材料3a制造三维物体3。通过所使用的材料和通过需要的加热区14a、14b、14c的选择性的控制，达约370℃的过程温度是可能的。如果平板2在制造开始时完全处在上方，则只加热框架1的上部的区域，其实际上由粉末填满。接着制造过程接通其他的处在下方的加热区。由此避免特别是升降机构12的过度的热负荷。玻璃陶瓷板13的材料也几乎不沿垂直方向散热。这特别是在制造开始时是有利的，因为升降机构12不受过强的热负荷。结果是尽可能少地向下和向外发送热。

在所示的实施例中，所述框架描述为多部件的层状复合件，其中各邻接的部件相互接触。但这样的接触对于本发明是不重要的，从而在描述的各层部件之间可以设置其他的层，而不偏离诸权利要求中限定的保护范围。特别在诸权利要求中采用的概念“远离制造空间的外侧”并不是一定指相应的层部件的具体的外表面。更确切地说概念“远离制造空间的外侧”说明层结构从制造空间开始向外侧的定向。

保护范围并不限于所示的实施例，而它包括其他的改变和变型，只要它们落入在由诸从属权利要求限定的范围内。

例如按照本发明的框架和用于制造三维物体装置并不限于激光烧结装置。框架也适用于在立体平板印刷装置中应用，其中代替粉末将可光硬化的树脂用作为构造材料，或适用于电子射线烧结或熔化装置，其中代替激光利用电子射线。也可考虑在三维印刷或FDM(熔融沉积成型)中的应用。

Claims (12)

1.用于制造三维物体(3)的装置用的框架(1)，其中所述装置在一个制造空间中在与各层中的待制造的物体(3)的横截面相对应的位置上通过逐层地固结粉末状的或液态的构造材料(3a)来制造三维物体(3)，该制造空间通过框架(1)和处于所述框架(1)中的垂直可移动的平板(2)限定；其特征在于，所述框架(1)在其面向制造空间的内侧上具有玻璃陶瓷板(13)。

2.按照权利要求1所述的框架(1)，其特征在于，还包括平面加热元件(14，14′)，所述平面加热元件在玻璃陶瓷板(13)的远离制造空间的外侧上。

3.按照权利要求2所述的框架(1)，其特征在于，所述平面加热元件(14，14′)限定多个垂直重叠设置的加热区(14a、14b、14c)，所述加热区能单独地控制。

4.按照权利要求3所述的框架，其特征在于，还包括控制单元(11)，所述控制单元按照制造过程仅仅控制在平板(2)的上方的一个或多个加热区。

5.按照权利要求2至4之一项所述的框架(1)，其特征在于，所述平面加热元件(14，14′)在其远离制造空间的外侧上具有层状石墨板(15)。

6.按照权利要求2至5之一项所述的框架(1)，其特征在于，还包括玻璃纤维垫(16)，所述玻璃纤维垫设置在平面加热元件(14，14′)的远离制造空间的外侧上。

7.按照权利要求6所述的框架(1)，其特征在于，还包括外面的板(17)，所述外面的板位于玻璃纤维垫(16)的远离制造空间的外侧上，所述外面的板优选由玻璃陶瓷制成。

8.按照上述权利要求之一项所述的框架(1)，其特征在于，还包括支承元件(18)，所述支承元件优选由优质钢制成，所述支承元件特别是在框架的边缘上支承所述框架(1)的构件。

9.按照上述权利要求之一项所述的框架(1)，其特征在于，框架(1)和平板(2)模块式相互连接成一个可换式机架，其中所述可换式机架能够装入所述装置中和从所述装置中取出。

10.用于制造三维物体(3)的装置，包括按照上述权利要求之一项所述的框架(1)，其中所述装置在一个制造空间中在与各层中的待制造的物体(3)的横截面相对应的位置上通过逐层地固结粉末状的或液态的构造材料(3a)来制造三维物体(3)，所述制造空间通过框架(1)和处于框架(1)中的垂直可移动的平板(2)来限定。

11.按照权利要求10所述的装置，其特征在于，所述装置具有型式为激光器(7)或另一种能量源的固结装置。

12.按照权利要求10或11所述的装置，其特征在于，所述装置适于由熔点高于180℃的构造材料(3a)来制造三维物体(3)。

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