CN102672967A - 改进激光烧结设备惰性化的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种改进激光烧结设备惰性化的装置，本发明涉及尤其是通过选择性熔化和硬化粉末状基底来逐层制造三维物体的方法、用于逐层制造三维物体的装置及根据所述方法制备的三维物体。

Description

改进激光烧结设备惰性化的装置
技术领域
本发明涉及一种尤其是通过选择性熔化和硬化粉末状基底来逐层制造三维物体的方法。
背景技术
快速提供型材是近期经常提出的任务。实现该任务的方法被称为快速成型/快速制造或者叠加式制造方法。尤其适当的是在粉末状材料的基底上进行工作的方法，其中逐层通过选择性熔化和硬化来制造期望的结构。在此，取消了悬垂和底切时的支撑结构，这是因为环绕所熔化区域的粉末层提供了足够的支撑作用。同样不需要去除支撑结构的后续工作。该方法也适合于小规模生产。选择结构空间的温度，以使在结构工艺流程中，逐层制造的结构不会变形。
在此，逐层工作方法的选择性例如可以通过涂覆感受器、吸收剂、抑制剂或者通过掩膜或者通过例如由激光束带来聚焦能量或通过玻璃纤维来实现。通过电磁辐射导入能量。
特别好地适合于实现快速成型/快速制造的目的的方法是选择性激光烧结(SLS)。在该方法中，利用激光束选择性地短暂照射腔室中的塑料粉末，由此使受到激光束作用的粉末颗粒熔化。所熔化的颗粒彼此聚结并且快速地再次变硬成为固体。通过重复照射总在新涂覆的层，利用本方法可以简单和快速地制造三维物体。
专利文献US 6136948和WO 96/06881(均属于DTM公司)中详细描述了一种用于制备由粉末状聚合物制成的成型物的激光烧结(快速成型)方法。多种聚合物和共聚物例如聚醋酸酯、聚丙烯、聚乙烯、离聚体和聚酰胺应用于此。
其他良好适用的方法是例如WO 01/38061中描述的SW方法或者EP1015214中描述的一种方法。这两种方法利用平面红外线加热来熔化粉末。熔化的选择性在第一种方法中通过涂覆抑制剂来实现，在第二种方法中通过掩膜来实现。DE10356193描述了另一方法。在该方法中，通过微波发生器输入熔融所需的能量，并且选择性通过涂覆感受器实现。
例如EP1737646中描述了其他适当的方法，其利用在粉末中所含的或者通过喷射方法涂覆的吸收剂工作。
针对所谓的快速成型或者快速制造方法(RP或者RM方法)可以应用粉末状基底，尤其是聚合物，优选从聚酯、聚氯乙烯、聚缩醛、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚(N-甲基甲基丙烯酰亚胺)(PMMI)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、离聚体、聚酰胺或者它们的混合物中选择。
在加工聚合物粉末时通常需要提高的结构空间温度以避免出现收缩和变形问题。所需的结构空间温度(也被称为加工温度)取决于要加工的聚合物粉末，大多数情况下仅略微低于要加工材料的熔点。在该方法中存在的问题是空气氧的不利影响。在加工时的高温度导致损害要加工的聚合物。基于此原因，在加工时通常利用惰性气体对结构空间实施惰性化。在此，例如在整个过程中，持续利用氮气对结构空间实施扫气。持续的扫气是必要的，这是因为例如由于机器上的泄露会导致惰性气体逸出结构空间。在通过发生器提供氮气时不能保证所需的纯度，从而残余氧气的含量总是过高。另一方面，利用相应纯的氮气对结构空间实施扫气费用非常昂贵。因为所述方法的构件的使用范围不断扩大，因而对构件特性的要求也不断提高。因此，许多要求在未来可能只可利用比目前所用材料的熔融点更高的材料来满足。与此相关的更高的加工温度要求对惰性化进行改进，这是因为在加工时通常随着温度的升高，氧气的不利效果也会增加。
根据现有技术在相应设备中，惰性气体在大多数情况下经透镜和高温计导入，导入方式要避免在透镜和高温计上的沉积。同时惰性气体冷却透镜和高温计。惰性气体必须具有与结构空间温度相比明显更低的温度来获得相应的冷却效果。然而其缺点在于，冷的惰性气体明显冷却了结构空间，尤其是结构区域中的粉末。这干扰了结构流程，这是因为必须重新调节温度以避免变形效果。此外，冷的惰性气体加强结构空间中的涡流。
发明内容
本发明任务是提供简单的方法来制造三维物体，利用本发明一方面可以减少惰性气体的通过量，不会干扰结构流程自身的运行或者降低所获得的构件的质量。
通过利用比空气重的惰性气体对结构空间进行扫气可以意外实现明显改善的惰性化。此外，只需要明显更少量的惰性气体来实现良好的惰性化。相应地，本发明第一主题是一种用于逐层制造三维物体的方法，其中，利用其密度高于空气的、反应惰性的气体或者气体混合物实施结构空间惰性化。在本发明范围内，空气可以理解为地球大气的气体混合物。在本发明意义下，所有在本方法条件下不与所应用的粉末状基底发生反应的气体都可以理解为反应惰性的气体。在本发明范围内，所有这样的气体或者气体混合物都被看做为比空气重的气体，即，在标准条件下其密度大于空气密度(在标准条件下(DIN 1343：温度273.15K，压力1.01325巴)，空气密度为1.293kg/m3)。适当的惰性气体尤其是比空气重的惰性气体或者惰性气体化合物，例如氩气、氪气、氙气或六氟化氙。然而其他的重反应惰性气体例如二氧化碳也是适当的。尤其优选的是将氩气、氪气、氙气、六氟化氙和/或二氧化碳用作为惰性气体。
原则上，所有本领域技术人员已知的粉末状基底适用于本发明方法。适当的尤其是热塑性塑料或者热弹性材料，例如聚乙烯(PE、HDPE、LDPE)、聚丙烯(PP)、聚酰胺、聚酯、聚酯酯、聚醚酯、聚亚苯基醚、聚缩醛、聚对苯二甲酸亚烷基酯、尤其是聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯缩醛、聚氯乙烯(PVC)、聚苯醚(PPO)、聚甲醛(POM)、聚苯乙烯(PS)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚碳酸酯(PC)、聚醚砜、热塑性聚氨酯(TPU)、离聚体、聚芳醚酮、尤其是聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚醚酮(PEK)、聚醚醚酮酮(PEEKK)、聚芳醚醚醚酮(PEEEK)或者聚醚酮醚酮酮(PEKEKK)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚芳基硫化物、尤其是聚苯硫(PPS)、热塑性聚酰亚胺(PI)、聚酰胺酰亚胺(PAI)、聚偏二氟乙烯以及这些热塑性塑料的共聚物，例如，聚芳醚酮(PAEK)/聚芳基醚砜(PAES)的共聚物、混合物和/或共混聚合物。离聚体是通过非极性和极性单体共聚获得的热塑性塑料。它们由例如杜邦公司以Nafion为商标提供。极性键抑制结晶并导致“离子交联”。与传统热塑性塑料相比离聚体的优点在于，其不仅具有有效的次价力而且具有有效的离子键。这些离子键是特别牢固的并且赋予物质其特有特性。
特别优选的是，聚合物粉末包含至少一种聚酰胺或者聚醚酮，尤其是聚酰胺12、聚酰胺6或者聚酰胺6.6或者PEEK，其中，所述聚酰胺是特别优选的。
以下说明一些方法，利用所述方法可以由本发明的粉末制造本发明的成型件，然而本发明不应局限于此。下述实施方式的组合属于本领域技术人员技能之内。
附图说明
图1示出改善SLS机的结构空间(1)的惰性化的原理。
图2示出本发明的一种实施方式。
图3示出本发明的另一种实施方式。
图4示出一种用于解决冷惰性气体的干扰影响问题的实施方式。
具体实施方式
图1示出改善SLS机的结构空间(1)的惰性化的原理。此处的优点是使用氩气(3)作为惰性气体，氩气比空气重，因而直接占据在粉末表面(4)上并且置换较轻的空气成分(2)如氧气。因此，为了保证对要加工的粉末材料进行足够保护需要明显更少量的惰性气体。有利的是附加地使用惰性气体以使激光光学装置的透镜上无沉积物。如果通过相应成形的喷嘴(5)经由透镜喷入惰性气体(6)，那么就能够在透镜(7)上避免沉积物。根据类似的原理也可以避免高温计透镜上的沉积物。因为在一些聚合物材料中挥发性成分优选沉积在结构空间的最冷位置处，所以有利的是，将惰性气体加热至结构空间的温度水平。一些材料需要的结构空间温度可能处于对透镜不利的高温度范围内。在这种情况下，用惰性气体吹扫透镜也可以用于冷却。惰性气体的温度在该情况下必须相应调节得较低。
惰性化的另一改进方式如此实现，即，不仅使得结构空间内的粉末惰性化，而且附加地还使储存容器中的粉末惰性化。据此，利用反应惰性的气体或者气体混合物也附加地使储存容器中的、所使用的粉末状基底惰性化。需要用惰性气体进行更长时间的扫气以便从某种程度上多孔的粉末材料中清除氧气。这样阻止了附着在多孔材料上的氧气携同进入结构区域。在该实施方式中可以利用含氮的气体混合物进行储存容器的惰性化。
在图2所示的实施方式中，惰性气体(12)从下方通过位于结构平面(14)上方的储存容器(8)。通过筛底(11)可以借助于惰性气体使位于其上的粉末(9)流态化。这可以使惰性气体特别均匀地通过粉末，因而保证了空气氧从粉末层逸出。筛底可以与计量装置(10)组合，通过计量装置(10)填充再涂器(Recoater)(13)。在图3所示的另一实施方式中，惰性气体(20)从下方通过位于结构平面(16)下方的储存容器(17)。通过筛底(19)也可以特别均匀地将惰性气体引入粉末(18)。利用再涂器(15)可以涂覆没有空气氧的粉末。
此外，在图4所示的实施方式中解决了冷惰性气体的干扰影响问题，该问题出现在加工材料时，材料需要高的结构空间温度，而透镜和高温计需要冷却。根据本发明方法的该实施方式中，独立于结构空间的惰性化，附加地利用反应惰性的气体或者气体混合物对透镜和高温计进行扫气进而冷却。结构空间(24)在此通过分开导入的气体来惰性化。温度接近结构空间温度的惰性气体(25)输入该结构空间，该温度通常仅稍微低于要加工的材料的熔融温度。该结构空间温度通常在60℃至400℃范围内，尤其是120℃至330℃，特别优选的在160℃至220℃范围内。输入结构空间的惰性气体的温度优选比工艺温度最多低30℃，尤其最多低20℃，特别优选的最多低10℃。由此，使结构空间(26)的下部区域惰性化，同时避免了粉末表面(27)的明显降温。明显更冷的惰性气体(22)通过喷嘴(23)输入，以便冷却透镜(21)和高温计。一个特别有利的实施方式在于，为进行透镜和高温计的扫气或者冷却利用密度低于空气的惰性气体例如含氮的气体混合物，同时针对粉末表面的惰性化选择密度尽可能高的惰性气体例如氩气。在结构空间温度非常高情况下可能需要针对结构空间的下部区域选择密度更高的惰性气体例如氙气，以阻止冷却透镜的较冷的惰性气体到达粉末表面并冷却那里的粉末材料。
在所有实施方式中，密封良好的结构空间是有利的，这是因为惰性气体较少向周边环境逸出，因而消耗的惰性气体更少。相应密封结构空间的措施对本领域技术人员而言早已是已知的并且能够以任意方式应用。为了避免过压可以使用泄压阀。在比空气重的惰性气体情况下，泄压阀的位置应明显高于结构平面。
本发明的另一主题是用于逐层制造三维物体的装置用于执行本发明方法，该装置至少包括结构空间和与该结构空间相连的通道，该通道用于密度高于空气密度的反应惰性的气体或者气体混合物。根据本发明的装置的相应实施方式可以参见附图。根据本发明装置通常具有包含可调节高度的结构平台的结构空间；将可通过电磁辐射作用硬化的材料层涂覆到结构平台上的装置；辐照装置，其包括发射电磁辐射的辐射源；控制单元以及位于电磁辐射的光束路径中的透镜，该透镜用于照射层中的与物体对应的位置。
本发明另一主题是根据本发明方法制造三维物体。

Claims (11)

1.用于逐层制造三维物体的方法，其特征在于，
利用其密度高于空气密度的反应惰性的气体或者气体混合物实施结构空间惰性化。
2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
将惰性气体或者惰性气体化合物用作为气体或者气体混合物。
3.根据前述权利要求之一所述的方法，
其特征在于，
氩气、氪气、氙气、六氟化氙和/或二氧化碳用作为惰性气体。
4.根据前述权利要求之一所述的方法，
其特征在于，
附加地利用反应惰性的气体或者气体混合物在储存容器中对所使用的粉末状基底进行惰性化。
5.根据权利要求4所述的方法，
其特征在于，
利用含氮的气体混合物在储存容器中实施惰性化。
6.根据权利要求1至4之一所述的方法，
其特征在于，
所述反应惰性的气体或者气体混合物的温度控制在所述结构空间的温度水平。
7.根据权利要求1至6之一所述的方法，
其特征在于，
独立于所述结构空间的惰性化，附加地利用反应惰性的气体或者气体混合物对透镜和高温计进行扫气。
8.根据权利要求7所述的方法，
其特征在于，
利用密度小于空气的惰性气体实施针对透镜和高温计的扫气。
9.根据前述权利要求之一所述的方法，
其特征在于，
将所述结构空间设计成气密性的。
10.用于逐层制造三维物体的装置，
所述装置至少包括结构空间和与该结构空间相连的通道，所述通道用于密度高于空气密度的、反应惰性的气体或者气体混合物。
11.三维物体，其根据前述权利要求之一所述的方法制造。
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