CN102553484A - 用于制造三维物体用的设备的用于处理粉末的装置以及制造三维物体用的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于混合粉末(17)的装置，该装置用于制造三维物体用的设备，该装置包含搅拌装置(4)和用于将粉末(17)流化的压力流体供给装置。制造三维物体(503)用的设备(100)设计成与用于混合粉末(17)的装置连接并且与用于混合粉末(17)的装置构成一个系统。

Description

用于制造三维物体用的设备的用于处理粉末的装置以及制造三维物体用的设备

技术领域

本发明涉及一种用于制造三维物体用的设备(特别是激光烧结设备)的用于混合粉末的装置，其以较小的能量消耗实施混合并且节省资源地制造。此外本发明涉及一种用于制造三维物体的设备。 

背景技术

通常已知基于粉末的、用于制造三维物体的生成式方法，例如选择性的激光烧结，其中三维物体逐层地通过粉末状材料的固化而形成。在选择性的激光烧结时，固化借助于射入到粉末层上的激光束实现。未固化的粉末通常与新粉末混合并且被重新使用。特别是在选择性的激光烧结时可能在将老粉末返回到材料循环中时导致来自各个不同的烧结过程的材料在设置用于老粉末的老粉末容器中的分层。各个不同的层可能在粉末特性方面不相同，这导致对烧结过程和构件质量的影响。此外根据所使用的粉末，老粉末的特性与新粉末的特性不同，例如可能在使用热塑性的粉末时出现热老化。也存在基于粉末的生成式的方法的应用，其中使用由各种粉末类型构成的混合物，这些粉末在其化学组成和/粒度方面不同。 

为了混合各种不同的粉末，此外通常已知两种原理。 

在流化时在利用粉末散料填充的容器中，从下部导入压缩空气。压缩空气的导入导致粉末的漂浮。为了实现粉末的混合，必须以高压导入大的空气量，其有时以脉动的流动被导入。在此不利的是，基于从下部的空气导入，基本上形成向上的空气流，并且缺少用于粉末的良好混合的横向运动。此外在混合具有各种不同密度的粉末时存在这样的危险，即，较轻的粉末通过强烈的气流，保留在粉末散料的上部 区域中并且不被混合。具有压缩空气的供给系统必须设计成以高压提供大的空气量，这需要供给系统的大的尺寸设计，这带来相应的制造和运行费用，此外需要麻烦地清洁流出的空气，因为需要大的过滤面以便清洁大的空气体积。 

根据其它的原理，借助于被马达驱动的搅拌叶实现粉末散料的混合。在此出现问题的是，马达功率必须非常高，因为搅拌叶必须在静止的粉末散料中被启动，这需要马达的非常高的启动力矩。搅拌叶在此由于静止的散料的反作用力而承受高的机械负载，这导致搅拌叶的构件必须设计有高的机械稳定性，以便一方面经受住所出现的力，并且另外一方面具有高的耐磨性。为了良好混合粉末，搅拌叶的转速必须足够高，以便搅拌粉末和将整个粉末散料保持在运动中。由此除了所需要的搅拌叶的用于高的持续功率的设计之外，附加存在损伤粉末的危险。 

发明内容

本发明的任务是提供一种用于混合粉末的装置，其在制造和运行方面是便宜的并且此外将各种不同的粉末在不存在损害粉末的危险的情况下混合。此外存在这样的任务，提供一种例如通过激光烧结用于制造三维物体的设备，其适合于与用于混合粉末的装置协同作用，其中通过用于混合粉末的装置和用于制造三维物体的设备的协同作用，应当改善了构件的质量以及改善了制造的效率。 

上述任务通过权利要求1、19和20的特征解决。有利的进一步构造是从属权利要求的内容。 

如此构成用于混合粉末的装置，即，它不仅具有搅拌装置，而且具有压力流体供给装置。此外用于制造三维物体的设备设计成与用于混合粉末的装置如此连接，使得用于混合粉末的装置和用于制造三维物体的设备构成一个系统。 

通过给所述装置配备搅拌装置和压力流体供给装置，得到这样的效果，即装置尽管配备两个作用机构，即搅拌装置和压力流体供给装 置，然而不仅在制造费用而且在运行费用方面比分别仅仅具有一个作用机构的多个装置更有利。 

在制造方面的费用优点由此产生：搅拌装置和燃气可以构成为具有较小的结构强度，因为粉末在搅拌装置启动时不是作为静止的散料(即作为固体)存在的，而是通过流入的流体业已被流化，即被置于与液体相似的状态。因此搅拌装置的驱动马达可以构成为具有显著较低的结构强度，并且对于支承件和搅拌装置的强度和刚度要求显著较低，从而可以减小材料消耗和使用更有利的材料。 

压力流体供给装置可以同样在可提供的流体的压力和体积流方面较弱地设计，因为在其利用流体运行的纯搅拌装置中流入的流体的压力和体积流必须显著较大，因为流体不仅将粉末流化，而且将其混合，即必须在粉末中加入旋转运动。此外不需要麻烦的控制装置，其例如用于流体的脉动的流入。此外可以不仅将流体的供给装置，而且将用于流出的流体的排出及清洁装置设计成较小尺寸的，因为一方面流入的流体体积是较小的，而且流体被通过高压力和大的体积流涡旋的粉末颗粒和粉尘引起的污染显著较小。 

由于驱动装置和工作构件组的强度较弱的设计，在运行中分别需要较小的功率消耗，从而总能量消耗小于在各单个系统时。 

用于混合粉末的装置的组合结构的优点在于，在非常短的时间内实现非常良好的混合，并且装置的高的填充率是可能的，因为装置可以填充直至其容器容积80％的粉末，这也对于能量消耗是有利的。粉末的机械应力或剪切力是小的，从而不会出现粒度变化并且可以实现粉末与各种不同密度的组分的混合。 

流化和搅拌机构支持粉末从装置中的排出，因为不仅搅拌机构而且流入的流体将粉末保持在类似于液体的运动状态下，从而粉末能够通过重力被排出。通过在底部区域内流入的流体，也阻止了在粉末颗粒和底部之间的摩擦，从而底部的轻微的漏斗形状是足够的，以便清空装置，这也使得紧凑的结构形式成为可能并且节约了空间资源。 

在制造中简单的可扩展性是可能的，并且在运行中在装置的外部 上不存在运动的部件，从而可以放弃保护罩。特别的防噪措施也是不需要的，因为运行非常安静。 

通过各单个粉末之间良好的混合，在例如通过激光烧结制造三维物体时出现的问题被避免了，使得形成了由各种不同粉末(或者是老粉末和新粉末，或者是具有各种不同的粒度、密度的粉末等)构成的层。由此在强度和表面方面改善了所制造的物体的质量并且提高了质量的可重复性。此外，例如在使用热塑性粉末时避免了老粉末在差的混合时被逐层地涂覆时带来的热老化问题。 

附图说明

下面借助于对附图的描述的实施例得到其它特征和优点。附图表示： 

图1本发明提出的用于混合粉末的装置的实施方式；以及 

图2作为用于制造三维物体的设备的一个实施方式的激光烧结装置的示意图。 

具体实施方式

图1表示一种用于混合粉末17的装置。该装置具有容器2，该容器具有一个底部并且在其底部的区域上设有可被流体透过的板3。此外装置1配备搅拌装置4。容器2在其底部的区域内设有流入孔15，流体16能够通过所述流入孔流入容器2中。容器2在上端部上具有一个盖子，其设有粉末进入孔14和流体排出孔12，在该流体排出孔上安装过滤元件13。容器2的底部在此在中心处设有可被封闭的排出孔11。容器具有适合粉末的良好混合的水平的横截面。水平的横截面在此实施例中是圆形的，然而在其它的实施例中也可以是多边形、椭圆形等等。替代地，容器2具有可透过流体的底部，该底部是略呈漏斗形状的。 

可被流体透过的板3例如由多孔的材料(例如烧结的塑料材料)、由孔板或类似件构成，并且可被流体16透过。板3如此设计使得它的 外部形状可配合到容器2的内横截面中。可被流体透过的板3在中心设有一个孔10，其与容器的底部中的排出孔11对齐并且具有相同的大小。可被流体透过的板3的上面构成为略呈漏斗形状的，从而粉末17通过其重力从容器流出。“略呈漏斗形”在此指的是，板3的上面在一个垂直的剖面中与水平线构成一个角度，其为大约20°±10°。由此得到的效果接下来在装置1运行时进行阐述。 

搅拌装置4具有马达5和搅拌工具6。搅拌装置4设置在容器2的中心。 

马达5构成为电机，其设计成转动搅拌工具6。马达5在容器2的外部安装在容器2的盖子上。 

搅拌工具6具有一个轴7，其可围绕轴线8旋转。轴7的轴线8是垂直布置的。 

在轴7上安装搅拌叶9，该搅拌叶9分别位于轴7的径向旁边。在该实施例中搅拌叶9经由固定元件设置在四个平面中，其中总是两个搅拌叶设置在一个平面中。在替代的实施方式中也可以在一个平面中仅仅设置一个搅拌叶9或也可以设置多个搅拌叶9。在一个平面中设置一个搅拌叶9时然而需要注意，除了扭转力之外在轴8上还施加一个弯曲力。搅拌叶9与轴8围成一个角度α，其大于0°且小于90°，从而搅拌叶9相对于轴8倾斜布置。搅拌叶9的形状在此是矩形的，然而也可以是圆形的、椭圆形的或者是其它有利的形状。 

流入孔15与一个未示出的压力流体供给装置连接。压力流体供给装置如此设计，使得它给容器2供给在足够的压力下的、足够量的压缩空气作为流体16。然而也可以替代压缩空气，使用另外的合适的气体作为流体16。在流入孔15和可被流体透过的板3之间在容器中存在一个空腔，在该空腔中流体16可以沿着可被流体透过的板3扩散，以便均匀地穿流所述可被流体透过的板3。 

在容器2的盖子中的粉末进入孔14如此适配，使得粉末17能够通过粉末进入孔14进入容器2中。粉末进入孔14可通过一个合适的封锁机构封闭并且与未示出的用于一种或多种粉末17的供给装置连 接。在替代的实施方式中，粉末输入孔14也可以设置在另外的位置上，例如设置在位于粉末散料的填充高度上方的侧壁中。 

在容器2的盖子中的粉末排出孔12适配成，使得流入容器2中的流体16重新流出。粉末排出孔12或者直接地或者经由管道或软管与过滤元件13连接。粉末排出孔12也可以不在盖子中，而是在替代的实施方式中设置在一个另外的位置上(例如设置在侧壁中)，然而设置在容器的上部区域中，从而流体在穿流粉末之后才排出。此外替代地无过滤元件13的实施方式也是可以的。 

可被封闭的排出孔11是如此适配的，使得被混合的粉末17从容器2中排出。排出孔11设有合适的封锁机构，该封锁机构在其封闭状态下将容器可靠地封闭并且在其打开的状态下对流出的粉末17具有小的流动阻力。排出孔11与一个用于制造三维物体的设备连接。在替代的实施方式中排出孔11也可以不与一个用于制造三维物体的设备连接，而与一个排出装置连接。排出孔11也可以替代地设置在底部中的其它位置上。 

在一个替代的实施方式中，轴7的轴线8也可以在不同于垂直方向的方向上进行定向。容器2的水平横截面相应进行适配。 

装置1如此设计，使得它可以将由各种不同材料构成的粉末混合。粉末17的粒度大致在50μm至150μm之间。装置1如此适配，使得流入的流体16的压力和体积流和搅拌装置4的尺寸、几何比例和转速如此设计，使得由规定的材料构成的粉末17良好地混合成具有相应的粒度。 

如由图2可见，作为用于制造三维物体的设备的一个实施方式的激光烧结装置100具有向上敞开的容器或建造容器101，其具有上部的边缘102。容器101的横截面大于待制造的物体103的最大的横截面面积。在容器101中用于支承待构成的物体的支架104设有一个基本上平面的、面向上部的边缘102的表面105。支架104可以借助于在图1中示意示出的驱动装置在容器101中在垂直方向上来回运动。容器101的上部的边缘102定义一个工作平面106。 

在工作平面106上方设置激光器107形式的照射装置，其发出定向的激光束108。设置偏向装置109(例如作为电流计镜系统)，经过该偏向装置光束108作为被偏向的束108’可被偏向到工作平面106上的任意期望的位置上。 

此外设置涂层器110以用于将待固化的粉末材料17的层涂覆到支架表面105上或一个之前固化的层上。涂层器110借助于示意示出的驱动装置沿着工作平面106可来回移动，从一个在容器101一侧上的第一终端位置至在容器101的对置一侧上的第二终端位置。为了填充涂层器110，在涂层器110的终端位置上方分别设置一个填充容器113用于给涂层器110填充粉末材料17。 

填充容器13与装置1的排出孔11连接，该装置在此实施方式中设置为单独的装置。在替代的实施方式中装置1被整合到设备100中。 

此外设置控制装置140，通过该控制装置用于调节支架104的位置的驱动装置、用于移动涂层器110的驱动装置和用于调节偏向装置109的驱动装置彼此协调地或彼此独立可控制。在该实施方式中，其中装置1被整合到设备100中，装置1的运行也可以通过控制装置140得到控制。 

在运行中设备1的容器2通过粉末进入孔14被填充期望的粉末17。为此打开粉末进入孔14的封锁机构并且经由供给装置将粉末加入到容器2中。 

在填充之后，通过压力流体供给装置通过流入孔将压缩空气16吹入位于可被流体透过的板3下方的空间中，压缩空气分布在该空间中并且而后均匀地流过可被流体透过的板3。通过以恒定流流过粉末17的压缩空气16，粉末17被流化，即被置于与液体相似的状态。由此提高了粉末的可运动性。被引入的压缩空气在穿流粉末17之后通过流体排出孔12从容器2出来并且紧接着通过过滤元件13被清洁，去除粉末颗粒和其它的粉尘。 

在粉末流化(这在整个混合过程中被维持)之后，将搅拌机构进入运行。通过粉末17的流化，粉末17对搅拌叶9运动的阻力是小的， 从而马达5的启动力矩可以是小的并且对于搅拌工具6的机械强度的要求可以不高。通过搅拌叶9的运动和其相对于轴线8的倾斜位置，粉末17在搅拌工具6的区域内向上和向侧向运动。在容器2的壁区域内粉末17下降。由此产生一种粉末流18，其一方面构成为在整个圆周上径向环绕的流并且也具有切向的分量，这导致温和的搅拌过程，伴随着粉末的最小的剪切力并且导致粉末的良好的彻底混合，从而混合时间相对较短。 

当混合过长结束时，打开可被封闭的排出孔11的封锁机构，并且粉末17通过重力从容器2流出。在粉末17流出时，不仅搅拌装置4而且压力流体供给装置进一步运行，从而粉末能够以与液体类似的形式流出并且由于其重力而不会产生静止的散料。通过流入的压缩空气16阻止粉末17在可被流体透过的板3上的堆积。因为由此在粉末17和板3的上面之间的摩擦力被减小或消除，所以粉末17也在板3的仅仅略呈漏斗形状时通过其重力从容器2流出，从而省去了通过强烈的漏斗形状导致的建造空间。 

容器113被填充混合的粉末17，其中由容器2流出的粉末17借助于未示出的传送介质例如压缩空气被传送到容器113中，所述传送介质在排出孔11和容器113之间的连接管路中流动。 

用于制造三维物体的建造过程而后以已知的方式运行。 

本发明不限于激光烧结，而是同样可在其它的基于粉末的生成式方法中用于制造三维的物体。这样的方法的另外的示例是三维打印，其中粉末层借助于粘结剂被固化。另外的例子在于，使用掩膜烧结，其中替代激光器使用延展的光源，其选择地经由掩膜照射粉末层。 

Claims (22)

1.用于混合粉末(17)的装置，该装置用于制造三维物体用的设备，该装置包含：容器(2)，该容器设计成用于容纳粉末(17)，该容器(2)具有可被流体透过的下部的板(3)；压力流体供给装置，其与容器(2)如此连接，使得流体(16)通过所述可被流体透过的下部的板(3)流入，并且该压力流体供给装置如此适配，使得所述通过所述可被流体透过的板(3)流入的流体(16)将粉末(17)向上移动，其特征在于，装置(1)具有搅拌装置(4)，该搅拌装置设计成用于移动粉末(17)。

2.根据权利要求1所述的装置(1)，其特征在于，搅拌装置(4)适配成将粉末(17)在水平方向上移动。

3.根据权利要求1或2所述的装置(1)，其特征在于，搅拌装置(4)具有马达(5)和搅拌工具(6)，该搅拌工具具有带有轴线(8)的轴(7)。

4.根据权利要求3所述的装置(1)，其特征在于，搅拌工具(6)在轴(7)的轴线(8)的横向上、特别是径向上设有多个搅拌叶(9)，。

5.根据权利要求4所述的装置(1)，其特征在于，搅拌叶(9)在轴(7)的轴向上设置在多个层中。

6.根据权利要求4或5所述的装置(1)，其特征在于，搅拌叶(9)相对于轴(7)的轴线(8)围成一个角度α，其大于0°并且小于90°。

7.根据权利要求4至6之一项所述的装置(1)，其特征在于，搅拌装置(4)设计成使得在轴(7)旋转时搅拌叶(9)将在搅拌工具(6)的区域内的粉末(17)向上和向侧向定向地移动。

8.根据权利要求3至7之一项所述的装置(1)，其特征在于，轴(7)的轴线(8)是垂直布置的。

9.根据上述权利要求之一项所述的装置(1)，其特征在于，搅拌装置(4)在一个水平平面中设置在容器(2)的中心。

10.根据上述权利要求之一项所述的装置(1)，其特征在于，装置(1)如此设计，使得流体(16)以恒定流流入。

11.根据上述权利要求之一项所述的装置(1)，其特征在于，可被流体透过的板(3)在其中心设有孔(10)。

12.根据权利要求11所述的装置(1)，其特征在于，装置(1)在下部区域内具有可被封闭的孔(11)，该孔与在可被流体透过的板(3)中的孔(10)对齐。

13.根据上述权利要求之一项所述的装置(1)，其特征在于，可被流体透过的板(3)是漏斗形状的。

14.根据权利要求13所述的装置(1)，其特征在于，所述可被流体透过的板(3)是略呈漏斗形状的。

15.根据上述权利要求之一项所述的装置(1)，其特征在于，装置(1)在上部区域内具有流体排出孔(12)。

16.根据权利要求15所述的装置(1)，其特征在于，流体排出孔(1)设有过滤元件。

17.根据上述权利要求之一项所述的装置(1)，其特征在于，装置(1)具有可被封闭的粉末进入孔(14)，容器(2)通过该粉末进入孔进行填充。

18.根据权利要求17所述的装置(1)，其特征在于，粉末进入孔(14)优选设置在盖子中。

19.用于制造三维物体的设备(100)，该设备包含支架(105)，在该支架上建造所述物体，并且该设备包含涂层器(100)以用于在与所述物体在相应的层中相对应的位置上涂覆由可固化的粉末材料构成的层，并且该设备包含固化装置(107)，以用于在层的与物体相对应的位置上固化粉末材料，其特征在于，设备(100)设计成与根据权利要求1至18之一项所述的装置(1)连接。

20.一种系统，其包含根据权利要求1至18之一项所述的装置(1)和根据权利要求19所述的设备(100)。

21.根据权利要求20所述的系统，其特征在于，装置(1)相对于设备(100)单独设置。

22.根据权利要求20所述的系统，其特征在于，装置(1)整合到设备(100)中。

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