CN103660298A - 用于借助冷却元件逐层地制造变形小的三维物体的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于同时逐层地制造三维物体和冷却元件的装置，逐层制造方法以及对应的成型体。

Description

用于借助冷却元件逐层地制造变形小的三维物体的方法

技术领域

本发明涉及一种用于逐层地制造三维物体的装置，逐层制造的方法以及对应的成型体。

背景技术

顺畅地提供原型是最近经常提出的任务。能够实现这一点的方法称为快速原型制作(Rapid Prototyping)、快速制造或者也称为加成法制造(AdditiveFabrication)方法。在粉末状原料基础上工作的方法特别适合，在这些方法中通过选择性熔化和硬化逐层地制造所希望的结构。在此，可放弃在悬垂部分和咬边情况下的支承构造，因为包围熔化的区域的构造区平面(Baufeldebene)提供足够的支承作用。同样取消移除支架的追加工作。这些方法也适用于小批量制造。选择构造空间温度，使得在构造过程期间不会造成逐层制造的结构发生变形。

选择性激光烧结(SLS)是一种特别好地适用于快速原型制作的方法。在该方法中，在室内借助激光束选择性地短暂曝光塑料粉末，由此被激光束击中的粉末颗粒熔化。熔化的颗粒进入彼此并再次快速地凝固成固体块。通过对总是新施加的层的重复曝光，利用该方法可以简单和快速地制造三维体。

在专利文献US6,136,948和WO96／06881(两者均是DTM公司的)中对用于表示由粉末状聚合物构成的成型体的激光烧结方法(快速原型制作法)进行了详细说明。大量聚合物和共聚物可以为该应用所用，例如聚醋酸盐、聚丙烯、聚乙烯、离聚物和聚酰胺。

其它良好适用的方法是，如在WO01／38061中所述的SIV方法(选择性结合抑制)，或如在EP1015214中所述的一种方法。这两种方法都是利用平面红外加热以使粉末熔化。在第一种方法中通过涂覆抑制剂来实现熔化的选择性，在第二种方法中通过掩模来实现熔化的选择性。在US2004／232583A1中描述了另一方法。在该方法中，通过微波发生器导入熔融所需的能量，其中通过涂覆感受剂来实现选择性。文献WO2005／105412描述了一种方法，在该方法中通过电磁辐射导入熔融所需的能量，其中同样也是通过涂覆吸收剂来实现选择性。

由现有技术已知的方法的问题在于，位于粉末块内部的部分被不均匀地冷却。自然地，粉末块的中心部位明显比外部区域(边缘)冷却得慢。还由于由聚合物粉末构成的当前散料的导热性差，这种效果得以强化。粉末块内部的大的温差导致部件变形。此外，由于粉末块的中心部位缓慢冷却，位于粉末块的中心部位的粉末承受很强的热负荷。为了使逐层制造的部件的变形最小化，按照迄今为止的现有技术尽可能缓慢地使粉末块冷却。这可通过在构造容器周围安装的绝缘体或附加的加热器实现。按照现有技术的另一实施方式，在经过对应温度处理的室内冷却构造容器。由此减小部件的变形，但是，冷却时间同样明显提高并且由此聚合物粉末的热负荷也明显提高。

在DE102007009273中对如何能够冷却粉末块进行了描述。该冷却通过使一种流体至少部分地流过层块来进行。在这种情况下，无论是核心区还是边缘区都被冷却。通过同时地，无差异地流过核心区和边缘区，首先是边缘区被冷却，致使在将要制备的物体内可能发生变形。这种处理方式需要耗费的控制电子装置。此外，粉末块和已制备的物体可能会受到污染。

发明内容

因此，本发明的任务是，通过均匀地和／或定义地冷却粉末块使部件的变形最小化。无论是在粉末块的外部区域还是中心部分中都应当均匀地进行冷却。其中，附加地应当降低聚合物粉末的冷却时间和热负荷。这应当尽可能地在不通过流体污染粉末块和不使用耗费的控制技术和调节技术的条件下实现。

所述任务通过按照本发明的装置解决。本发明的第一主题是用于逐层地制造三维物体的装置，包括具有高度可调节的构造平台的构造空间，用于将可通过电磁辐射作用而硬化的材料的层施加到构造平台上的装置，包括发射电磁射线的辐射源、控制单元和位于电磁辐射光路内的透镜的照射装置，用于照射该层的与至少一个物体对应的部位。在所述装置内，可与待制备的物体同时制造至少一个冷却元件。优选该冷却元件包含冷却剂。在优选的实施方式中，冷却元件集成在粉末块内。

冷却元件和物体是两个彼此分开的或可分开的物体。

通过本发明的装置可以引起物体被定义地冷却。

惊讶地表明，通过按照本发明的装置，在不通过流体污染粉末块或无需耗费的控制技术和调节技术的条件下可以实现，在制备物体和冷却元件后均匀地冷却粉末块的核心区和边缘区。

附图说明

图1示出按照本发明的用于制造三维物体的装置1的原理性构造。

具体实施方式

该部件例如定位在构造区的中心。从激光器11射出的激光束12借助扫描系统13通过透镜18被偏转到待成型物体15的加热的并且惰性化的、优选利用氮气惰性化的粉末表面14。在比透镜的任务是，使其余的光学组件——例如扫描仪的反射镜——与构造空间气氛隔开。为了保证尽可能均匀地聚焦在整个工作区上，透镜常常被实施为F-Theta透镜系统。用于将待硬化的材料施加到构造平台16上的施加装置17位于构造空间内部。冷却元件21集成在粉末块中并且用于定义地冷却粉末块。冷却元件21优选由空心体组成，优选所述空心体的壁厚与横截面之比小于0.3。优选，至少一个冷却元件21定位在距离物体155～100毫米，优选10～50毫米的地方。冷却元件21借助逐层方法构造并且由熔化的或烧结的聚合物粉末构成。通过冷却体的几何形状可以调节在粉末块的对应部位处的冷却功率。

冷却体可以具有极为不同的几何形状。例如，冷却体是柱体形，圆环体(torus)形，角锥形，圆柱体形，椎体形，球形，长方六面体形或立方体形或是有结的物体。在一个实施方式中，柱体向一个端部或两个端部漏斗形地扩展。由此应当实现，在(接近)垂直的位置处稳固性得以提高或更好地注入冷却剂。优选，冷却体向下封闭，以便所述冷却体能够例如容纳液态的冷却剂。冷却体可以是部分地或完全封闭或具有至少一个进料口用于注入冷却液。优选，冷却体拥有至少一个进料口和至少一个出料口，以使冷却剂能够循环流动。可以在进料口和出料口处设置用于输送冷却剂的软管。

用于逐层地制造三维物体的方法同样是本发明的主题，其中，所述方法包括下述步骤：

首先，通过使聚合物粉末硬化同时制造至少一个物体15和至少一个冷却体21。然后，在该构造过程期间或构造过程结束之后向冷却体填充冷却剂，其中，冷却体使粉末块的周边区域冷却。在一个优选的实施方式中，在向冷却体填充冷却剂之前，粉末例如通过抽吸从冷却体的内部区域被除去。通过把冷却剂注入冷却体内，粉末块的位于冷却体外部的粉末不会受到冷却剂污染。冷却剂可以一次性注入冷却体内并保留在那里或持续地或定期更换。作为替换，存在循环使用冷却剂并在外部(在冷却体外部)冷却该冷却剂的可能性。这些可能性也可以相互组合。

一个或多个冷却体可以被设计、定位和定向为，使得由此导致的冷却功率在冷却过程期间在粉末块内实现期望的温度分布。一个或多个冷却体可以被设计为，使得为了优化冷却功率存在一个或多个进料口和／或出料口。冷却剂可以由气态的、液态的或固态的材料组成或由所述材料的混合物组成，其中，优选不易起反应的，尤其是惰性的材料。优选气态和／或液态的冷却剂。例如，空气，氮气，氩气，水或水混合物，高沸点的有机溶剂，油或金属——如铜或钢适用。水混合物可以含有表面活性剂。适用的油是硅油。高沸点的有机溶剂具有超过100℃的沸点。优选，沸点高于150℃，特别优选高于200℃和尤其优选高于250℃。例如，Sasol Germany责任有限公司生产的商品名为MarlothermSH的二(苯基甲基)甲苯(Dibenzyltoluol)适用。

冷却剂的温度和材料特性被如下选择为，使得在冷却过程期间在粉末块内实现期望的温度分布。在此，冷却剂能够借助热传导，对流，热辐射或汽化冷却导出热量。

在装置1的内部和外部执行冷却过程。也可以在经过温度调节的外部室内执行冷却过程。

下面将对逐层地制造三维物体进行描述，但是本发明并不局限于此。

原则上，专业人士所熟知的全部聚合物粉末都适于在按照本发明的装置1或按照本发明的方法中使用。尤其是热塑性塑料和热弹性体适用，例如，聚乙烯(PE，HDPE，LDPE)，聚丙烯(PP)，聚酰胺，聚酯，聚酯酯，聚醚酯，聚苯醚，聚缩醛，聚亚烷基对苯二酸酯(polyalkylenterephthalate)——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)，聚乙酸乙烯酯(polyvinylacetal)，聚氯乙烯(PVC)，聚对苯氧化物(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)，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)，聚醚醚醚酮(PEEEK)或聚醚酮醚酮酮(PEKEKK)，聚醋亚胺(PEI)，聚芳硫醚——尤其是聚苯硫醚(PPS)，热塑性聚酰亚胺(PI)，聚酰胺酰亚胺（PAI)，聚氟乙烯，以及所述热塑性塑料的共聚物，例如聚芳基醚酮(PAEK)／聚芳醚砜(PAES)-共聚物，混合物和／或共混聚合物。尤其优选，聚合物粉末包含至少一种聚酰胺或聚醚酮，尤其是聚酰胺12，聚酰胺6，聚酰胺6.6或PEEK，其中上述聚酰胺特别优选。

在运行时，通常首先基于构造程序或类似的数据在计算机中建立或存储将要制造的物体15的模型。为了制造物体15对这些数据进行处理，使得把物体15分解为大量水平的、与物体维度相比很薄的层，并且为其中的每一个层提供模型数据例如作为数据组，例如作为CAD-数据。在此，可以在制造每个层之前或在制造每个层的同时为每个层建立和处理数据。

随后，首先借助高度调节装置将构造平台16移动到最高位置，构造平台16的表面在该位置时与构造空间的表面处于一个平面中，并且随后将构造平台16下降第一材料层的规定厚度，从而在产生的凹口内部形成下降区域，该下降区域在侧面被凹口的壁部限制并且在下部由构造平台16的表面限制。从而借助例如转动的柱体形式的施加装置17把待硬化材料的第一层以规定的层厚(单倍层厚(einfache Schichtdicke))注入由凹口和构造平台16形成的空腔或下降区域内并且在必要时通过加热装置加热到合适的工作温度，例如100℃～360℃，优选120℃～200℃。对于专业人士来说，这种加热很普遍。然后，控制单元13控制偏转装置，使得偏转的光束12并排击中层的所有部位并且在那里烧结材料或使材料熔化。通过这种方式可以首先形成牢固的底层。在第二步骤中，构造平台16借助高度调节装置下降通常单倍层厚的值。借助施加装置17把第二材料层注入在凹口内部由此产生的下降区域内并且在必要时也通过加热装置加热。

在一个实施方式中，控制单元13这次能够以下述的方式控制偏转装置，即偏转的光束12仅击中材料层的与凹口的内表面邻接的区域并且材料层在那里通过烧结硬化，由此产生壁厚为大约2毫米～10毫米的第一环形壁层，该第一环形壁层完全包围该层的剩余的粉末状材料。因此，所述控制的该部分表示用于在每个层内与形成物体15同时生成包围待形成物体15的容器壁的装置。

当构造平台16下降下一个层的(例如单倍)层厚的值，以与上述一样的方式施加材料并加热之后，现在可以开始制造物体15和冷却元件21本身。为此，控制单元13以下述的方式控制偏转装置，即偏转的光束12击中层的应按照待制造的物体15和冷却元件21的保存在控制单元内的坐标硬化的部位。对其它的层以类似的方式处理。如果期望制造容器壁形式的环形壁区域，该环形壁区域把物体15以及剩余的、没有烧结的材料一起包围并且由此当构造平台16下降到工作台下方时阻止材料的泄漏，则对于每一物体层借助所述装置在位于下面的环形壁层上烧结环形壁层。如果使用按照EP1037739的可更换容器或固定安装的容器，则可以放弃制备所述壁。

冷却之后，可以从装置1中取出形成的物体15。可以使用合适的接触式或非接触式测量的温度计来测量所形成的物体内部的或其表面的温度。

通过按照本发明的方法制造的物体15同样是本发明的主题。

即使没有其它实施方式也认为，专业人士可以在最大的范围内使用上述描述。因此，优选的实施方式和示例只能理解为描述性的公开，绝不能理解为以任何方式限制性的公开。

下面借助示例对本发明进行更详细的说明。可以以类似的方式获得本发明的可替换的实施方式。

示例：

如果没有另行说明，按照以下描述处理这些示例。试验是在德国EOS责任有限公司的装置EOSINT P380上执行的。层厚为0.15毫米。构造平台下降3毫米并且涂覆3毫米的粉末。构造室在120分钟内被加热到过程温度。构造室内的温度分配不总是均匀的，因此，通过所安装的该装置的高温计测量的温度被定义为构造室温度／过程温度。过程温度为175℃并且提取室温度为130℃。在首次曝光之前涂覆80层粉末。从激光器11射出的激光束12借助扫描系统13通过透镜18被偏转到经过温度处理的并且惰性化(N₂)的构造区平面14。为了保证尽可能均匀地聚焦在整个构造区平面上，该透镜被实施为F-Theta透镜系统。

总共构造12个物体，其中4个物体为一组分别被定位在一个高度上。一个组的各个物体之间的距离为100毫米。同一组的全部物体与构造区的中心保持相同的距离。组与组之间的高度距离分别为50毫米。成型体是边长分别为50毫米的立方体。结束曝光之后，在关闭构造空间和提取室内的加热元件并且引入冷却阶段之前，还要涂覆100个其它层。在整个构造过程期间，每个层所需的时间低于55秒。

在冷却阶段，在构造区的中心和角落(与毗连的构造区边缘的距离为30毫米)插入德国Newport Electronic责任有限公司的PT100-温度传感器，用于测量那里的温度，其中是从上面插入粉末块内140毫米深的。

示例1(不是按照本发明)：

处理一种具有表1中的粉末特征值的PA12-粉末。曝光参数为：激光功率19.0W，扫描速度1100毫米／秒，曝光线距离0.3毫米。在机器内对粉末块进行冷却。在表2中列出的是构造过程结束后的温度曲线。

示例2(按照本发明)

处理一种具有表1中的粉末特征值的PA12-粉末。曝光参数为：激光功率19.0W，扫描速度1100毫米／秒，曝光线距离0.3毫米。除了12个物体之外还一同构造冷却元件。该冷却元件是外径为14毫米、壁厚为1毫米和高度为150毫米的空心柱体。该柱体稍微定位在构造区的中心之外(空心柱体的中心轴线与构造区的中心点的距离为30毫米)。构造过程结束后把粉末从柱体的内部除去。用7L／min(升／分钟)体积流量的经过加热处理的空气(23℃)冲洗冷却柱体。在机器内对粉末块进行冷却。在表2中列出的是构造过程结束后的温度曲线。

示例3(按照本发明)

处理一种具有表1中的粉末特征值的PA12－粉末。曝光参数为：激光功率19.0W，扫描速度1100毫米／秒，距离曝光线0.3毫米。除了12个物体之外还一同构造冷却元件。冷却元件是外径为16毫米、壁厚为1毫米和高度为150毫米的空心柱体，其中，空心柱体的下端部是封闭的。空心柱体的上端部被实施为漏斗形(漏斗直径25毫米，漏斗高度30毫米)。该冷却元件稍微定位在构造区的中心之外(空心柱体的中心轴线与构造区的中心点的距离为20毫米)。构造过程结束后把粉末从柱体的内部除去。完全用Marlotherm SH(23℃)填充该柱体。在机器内对粉末块进行冷却。在表2中列出的是构造过程结束后的温度曲线。

在不是按照本发明的示例1中可以看出，粉末块的中心冷却得明显比边缘更慢。在按照本发明的示例中，边缘处的温度与中心的温度之间的差异明显更小，从而粉末块更均匀地冷却。由此待制造的三维物体的变形得以降低并且总体上也能够提早拆卸三维物体。

表1：粉末特征值

表2：与测量位置和冷却时间有关的温度[℃]。

Claims (13)

1.用于逐层地制造三维物体的装置(1)，包括具有高度可调节的构造平台(16)的构造空间(20)，用于将可通过电磁辐射的作用而硬化的材料的层施加到构造平台(16)上的施加装置(17)，包括发射电磁射线的辐射源(11)、控制单元(13)和位于电磁辐射的光路内的透镜(18)以用于照射所述层的与至少一个物体(15)对应的部位的照射装置，其特征在于，能够与物体(15)同时制造至少一个冷却元件(21)。

2.根据权利要求1所述的装置(1)，其特征在于，所述至少一个冷却元件(21)集成在粉末块(23)内。

3.根据前述权利要求中任一项所述的装置(1)，其特征在于，所述至少一个冷却元件(21)是空心体。

4.根据权利要求1～2中任一项所述的装置(1)，其特征在于，所述至少一个冷却元件(21)包含冷却剂。

5.根据权利要求4所述的装置(1)，其特征在于，所述冷却剂是气态、液态或固态。

6.根据权利要求4所述的装置(1)，其特征在于，所述冷却元件(21)距离所述物体(15)5～100毫米。

7.根据权利要求1～2中任一项所述的装置(1)，其特征在于，所述冷却元件是封闭的。

8.根据权利要求1～2中任一项所述的装置(1)，其特征在于，所述冷却元件具有用于注入冷却液的进料口。

9.根据权利要求1～2中任一项所述的装置(1)，其特征在于，所述冷却体是柱体形，圆环体形，角锥形，圆柱体形，椎体形，球形，长方六面体形或立方体形或是有结的物体。

10.用于在根据前述权利要求中任一项所述的装置(1)内逐层地制造三维物体的方法，其特征在于，同时制造至少一个物体(15)和至少一个冷却体(21)。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在制造至少一个冷却体(21)结束之后，把没有硬化的材料从冷却体(21)内除去。

12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，在制造至少一个冷却体(21)结束之后，向至少一个冷却体(21)中填充冷却剂。

13.按照权利要求10～12中任一项所述的方法制造的物体(15)。

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