CN102240806A - 利用工作区限制来再生制造三维物品的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于在设备中再生制造三维物品的设备和方法，包含下列的步骤：a)在设备的托架或之前涂覆的层上逐层地涂覆粉末材料(11)；b)在与物品(3)的在涂覆的层中的横截面相对应的位置上选择地固化粉末材料；c)重复步骤a)和b)，直至制成物品(3)；其中设备具有一个两维的最大工作区(6)，其具有一个最大长度(L)和一个最大宽度(B)，在该最大工作区中能够涂覆粉末材料；并且该方法具有正常的运行模式和具有借助于减小的工作区(6)进行的特殊的运行模式，在所述正常运行模式时在最大工作区(6)中涂覆粉末材料，在特殊运行模式时在小于最大工作区的最大长度和/或小于最大工作区的最大宽度的范围上涂覆粉末材料。

Description

利用工作区限制来再生制造三维物品的设备和方法
技术领域
本发明涉及一种利用工作区限制来再生制造三维物品的设备和方法。
背景技术
DE 199 37 260 B4描述了一种已知的构成为激光烧结设备的用于再生制造(generatively manufacturing)三维物品的设备，其包含：一个框架，其上部段围成一个工作区；一个托架，其设置在框架中并且通过提升机构至少在工作区下方可垂直运动；一个固化装置，其产生能量束，其通过转向装置被聚焦在工作区中的任意点上，以便选择性地烧结或熔化位于工作区中的粉末材料；以及一个涂层器，其用于将粉末材料层涂覆到托架或之前加设的粉末材料层上。这种设备的制造方法具有下列步骤：a)在托架之前下降一个层厚度的量之后，将粉末材料逐层地涂覆在设备托架或之前涂覆的层上；b)通过包含能量的射线在与物品对应的位置上将粉末材料固化；c)重复步骤a)和b)，直至物品制成。
在框架的上部段中定义一个两维的最大工作区，其具有最大长度和最大宽度，在该工作区中粉末材料能够被涂覆和照射。在垂直方向上最大的物品的高度决定每个建造过程的最小高度。由每个建造过程的三个尺寸，即最大长度、最小的宽度和最小的高度，得到最小建造体积，并且利用粉末床及构件目的能够计算出所需要的粉末材料量。
当仅仅存在少量的粉末材料或出于成本原因所应用的材料而必须被保持较少时，在托架的大面积上仅仅非常小的建造过程高度是可能的。这种情形特别是由此加剧，即不固化的粉末材料仅仅部分地或有时也甚至完全不能被重新使用。具有大的垂直高度的建造过程而后导致大的废料量，特别是当物品不能被有利地设置在框架或建造容器中时。通常所使用的粉末仅仅部分能够被重新使用。
发明内容
本发明的目的是提供用于再生制造三维物品的设备和方法，利用它们能够在使用设备时获得较大的灵活性以及在较小的物品时和在加工成本耗费大的且不可回收的粉末材料时可以实现实现粉末的经济的利用。此外应当可能的是，对于大的设备也能够灵活地和经济地设计粉末材料的发展。这个任务通过具有权利要求1的特征的设备和通过具有权利要求4的特征的方法解决。有利的进一步构造是各从属权利要求的内容
本发明具有这样的优点，即，即使较小的物品也能够在大的激光烧结设备中经济地制造，因为仅仅应用最小量需要的粉末量。此外得到这样的可能性，即利用少的粉末材料在在大的激光烧结设备的热条件下检查建造过程。特别是本发明适合在PAEK(例如PEEK、PEKK灯)粉末作为建造材料的情况下应用。特别是，这种聚合物粉末(其不仅仅由于高的温度稳定性而导致制造的物品的大可以为的特征)仅仅非常受限地可回收和此外在当前仍然相当贵。
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实用性。其中：
图1示出用于制造三维物品的设备的示意图；
图2根据本发明的一个实施例的最大工作区和位于该工作区中的减小的工作区的示意俯视图；以及
图3利用减小的工作区来制造三维物品的设备的示意横截面视图。
具体实施方式
图1示出一种用于制造三维物品3的设备的示意图，其示例地构造成激光烧结设备。
激光烧结设备具有向上敞开的框架1，该框架包括一个处在其中的、沿垂直方向可移动的托架5，其支承待制造的三维物品3。框架1的上部部段2围成一个工作区6。优选框架1和托架5构成可更换的更换框架，其能够从激光烧结设备中取出。托架5与升降机械装置4连接，该升降机械装置将托架5至少在工作区6的平面下方沿垂直方向如此移动，而使相应待固化的粉末层的上侧处于工作区6的平面内。
此外，设置涂层器10，用以涂覆粉末材料11的层。作为粉末材料可以采用所有可激光烧结的粉末，例如由塑料、金属、陶瓷、型砂和复合材料制成的粉末。特别是粉末可以包含PAEK聚合物粉末。作为含金属的粉末材料考虑任何的金属及其合金以及包含金属组分或与非金属组分的混合物。
涂层器10在工作区6上方的一个预定的高度上移动，从而粉末材料11的层以规定的高度位于托架5上方或位于最近固化的层上方。
该设备此外具有一个激光器7形式的固化装置，该激光器产生激光射线8、8’，其通过转向装置9被聚焦在工作区6中的任意点上。由此激光射线8、8’可以将粉末3a在那些与待制造的物品3的横截面对应的位置上选择性地熔化和固化或烧结。
激光烧结装置可以具有一个在工作区6上方的加热装置(未示出)，以便将刚刚涂覆的粉末层预先加热到一个在粉末材料11的固化所必需的处理温度附近的温度。
用附图标记100表示一个壳体，在其中可以设置框架1、托架5、和涂层器10。优选壳体构成为气密的并且在上部区域内具有一个用于导入激光射线8、8’的入口。优选将保护气体导入壳体100中。此外设置一个控制单元40，设备通过该控制单元被以协调的方式控制，以用以实施建造过程和用于控制通过激光器7的能量输入。为了制造物品3，控制单元40利用物品3的数据集(例如CAD数据)，其定义物品3的几何形状。
工作区6在附图1中以侧视图示出，图2示出工作区6的示意俯视图，其接下来称为最大的工作区6并且具有最大长度L和最大宽度B，粉末材料11能够在其中被涂覆和照射。涂层器10能够与之相关地在x方向上沿着最大的工作区6的最大长度L移动。
如果要制造小的物品3并且不应当利用工作区6的最大宽度B，那么涂层器10能够设有机械嵌件12，其在附图2中仅仅示意地示出并且将粉末材料11的涂覆限定在小于粉末材料11的最大宽度B的范围上。优选机械嵌件12具有一个开口15用于涂覆粉末材料11，该开口在y方向上的长度小于工作区6的最大宽度B。由此定义一个在y方向上减小的工作区13，如在附图2中示例地示出。优选机械嵌件12可更换地设置在涂层器10上。
在设备运行时，在第一步骤中通过升降机械装置4将托架5如此降低，直至其上侧以一个第一粉末层的期望厚度位于工作区6的平面下方。然后通过涂层器10将第一层粉末材料涂覆到托架5上并使之平整。
根据本发明的方法具有一个正常的运行模式，其中粉末材料11在最大的工作区6内部被涂覆和照射。根据本发明的方法此外具有一个特殊的运行模式，其利用减小的工作区13，其中粉末材料11在一个区域内被涂覆和照射，该区域具有小于最大的工作区6的最大长度L的较小长度并且在应用嵌件12的情况下也具有小于最大的工作区6的最大宽度的较小宽度。
如果要制造小的物品3并且不应当利用工作区6的最大长度L，那么涂层器10能够将粉末材料11在x方向上在一个具有相对于最大的工作区6的最大长度L减小的长度的区域内涂覆，即涂层器10在达到最大的工作区6的最大长度L之前反转其运动方向。由此减小的工作区13在x方向上减小，如在图2中示例示出。减小的工作区13在x方向上的限定在结构上例如通过控制单元40实现，该控制单元用作工作区限定装置40并且如此设计程序，使得涂层器10在x方向上没有在整个距离L上运动，而是在x方向上仅仅运动到减小的工作区13的边缘。
因为所述减小的工作区13不是一直延伸到框架1的壁(其将被涂覆的粉末材料11在固化之前保持)，所以建造过程在一个由非固化的粉末材料构成的层结构中开始。令人意想不到地发现，由于通常在粉末颗粒之间存在的粘附力在此甚至能够实现近乎90度的倾斜角，从而尽管缺少限定壁，仍然能够实现具有任意三维形状的物品。图2和图3示出本发明的一个特别实施方式。在此在激光烧结过程中除了三维物品3之后，还制造支承壁14，其围绕物品3延伸并且阻止被涂覆的粉末11从减小的工作区13中出来。
优选减小的工作区13基本上与最大的工作区6的这一侧齐平，在该侧上涂层器10进入工作区6中，因为当它连续从工作区6外部的涂层器填装站开始时，涂层过程不能在工作区6的中间开始。
建造过程在利用减小的工作区在使用特殊的工作方式的情况下如此进行：
在涂覆粉末材料11之后，粉末材料能够在期望的位置上固化。如果设置加热装置，那么能够通过加热装置将最上部的粉末材料11的温度整体上转换到稍微低于固化所需的过程温度之下几摄氏度。紧接着控制单元40如此控制转向装置9，使得被转向的激光射线8、8’选择性地射到粉末材料11层的应当固化的位置上。由此在这些位置上粉末材料11被固化或烧结，从而在此形成三维的物品3和可能时形成支承壁14。
因为控制单元40为了制造物品3例如利用物品3的CAD数据集，其定义物品3的几何形状，所以一旦需要的化，应当给该数据集补充支承壁14的CAD数据。在此首先以传统的方式设定一个数据集，其定义制成的三维物品3的几何形状或尺寸。接下来给该数据集补充定义支承壁14的几何形状或尺寸的数据集。由此支承壁14与实际的物品3通过激光烧结设备同时制造。
保护范围并不限于所示的实施例，而是也包括其他的变型和修改，只要它们落入通过诸从属权利要求确定的范围内。
在所示的实施例中描述一种矩形的最大工作区6以及一个矩形的减小的工作区13。本发明然而不限于这些形状，因为工作区6、13能够具有极其不同的形状，工作区6例如是具有倒圆角的矩形。工作区6、13也可以是圆形的，其中在这种情况下工作区的最大长度和最大宽度等于该圆的直径。椭圆形的工作区6也是可能的。通常减小的工作区13的形状不与最大工作区6的形状或框架1的上部部段2的形状相关联。根据涂层的类型，可以考虑减小的工作区13的不同类型的形状。在设备具有例如圆形横截面的框架时，减小的工作区13在线性的涂层时也可以具有圆形段的形状或在旋转的涂层时可以具有相对于框架1减小的半径的圆形形状。
在所示出的实施例中支承壁14同时与物品3通过同一制造过程制造。
根据本发明的设备不仅在激光烧结时可应用，而且可应用到所有的基于粉末的再生方法，其中为每个待涂覆的层使用一种材料或粉末材料，其例如通过含有能量的射线固化。含有能量的射线不一定是激光射线8’，而是也可以例如是电子射线或粒子射线。同时，整个面的照射是可能的，例如通过遮蔽物。替代含有能量的射线，也可以在期望的位置上加设粘结剂或连接剂，其选择地粘结粉末材料。

Claims (6)

1.用于再生制造三维物品(3)的设备，其包含：
框架(1)，其上部的部段(2)包围工作区(6)；
托架(5)，其设置在框架(1)中并且通过升降机械装置(4)至少在工作区(6)下方能垂直运动；
涂层器(10)，其用于在工作区(6)中将粉末材料(11)层涂覆到托架(5)或一个之前加设的粉末材料(11)层上；
固化装置(7)，其能够将位于工作区(6)中的粉末材料(11)在这些位置上选择地固化，所述位置对应于物品(3)在被涂覆的层中的横截面；其中，
工作区(6)是一个两维的最大工作区(6)，其具有一个最大长度(L)和一个最大宽度(B)，工作区(6)的涂层器(10)能够在所述最大长度上移动，涂层器(10)能够在所述最大宽度上涂覆粉末材料(11)；并且
涂层器(10)具有机械嵌件(12)，该机械嵌件将粉末材料(11)的涂覆限制成小于最大工作区(6)的最大宽度(B)，和/或设备具有工作区限定装置(40)，该工作区限定装置将涂层器(10)的移动路径限制成小于最大工作区(6)的最大长度(L)，从而定义一个减小的工作区(13)。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述机械嵌件(12)具有开口(15)，该开口的沿着工作区(6)的最大宽度(B)的方向的宽度小于最大工作区(6)的最大宽度(B)。
3.如上述权利要求之一项所述的设备，其中所述机械嵌件(12)可更换地设置在涂层器(10)上。
4.用于在一个设备中再生制造三维物品的方法，包含下列的步骤：
a)在设备的托架(5)或一个之前涂覆的层上逐层地涂覆粉末材料(11)；
b)在与物品(3)的在被涂覆的层中的横截面相对应的位置上选择地固化粉末材料(11)；
c)重复步骤a)和b)，直至制成物品(3)；其中
设备具有一个两维的最大工作区(6)，其具有一个最大长度(L)和一个最大宽度(B)，在该最大工作区中能够涂覆粉末材料(11)；并且
该方法具有一个正常的运行模式和具有一个借助于减小的工作区(13)进行的特殊的运行模式，在所述正常的运行模式时在最大工作区(6)中涂覆粉末材料(11)，在所述特殊的运行模式时在小于最大工作区(6)的最大长度(L)和/或小于最大工作区的最大宽度(B)的范围上涂覆粉末材料(11)。
5.如权利要求4所述的方法，其中，三维物品(3)的长度和宽度向上减小。
6.如权利要求4或5所述的方法，其中，除了三维物品(3)之外，还制造支承壁(14)，所述支承壁围绕三维物品(3)在所述减小的工作区(13)中延伸并且阻止被涂覆的粉末(11)从所述减小的工作区(13)中出来。
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