CN105618750A - 在用于生产三维工件的设备中使用的粉末回路 - Google Patents

在用于生产三维工件的设备中使用的粉末回路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及在用于生产三维工件的设备中使用的粉末回路。该粉末回路包括：容纳载体和用于将原材料粉末施加到载体上的粉末施加装置的处理腔；处理腔提供有用于将原材料粉末供应到粉末施加装置的粉末入口和用于将过量的原材料粉末从处理腔排出的粉末出口。粉末回路进一步包括将处理腔的粉末出口连接到处理腔的粉末入口的粉末循环线路，和设置在粉末循环线路中的用于通过粉末循环线路输送原材料粉末的输送装置。传感器装置适于检测到输送装置的粉末供应的参数特性和来自输送装置的粉末排出的参数特性中的至少一个参数特性。控制单元适于根据供应到输送装置的粉末的参数特性和从输送装置排出的粉末的参数特性中的至少一个参数特性来控制输送装置的操作。

Description

在用于生产三维工件的设备中使用的粉末回路
技术领域
本发明涉及一种在用于通过利用电磁或粒子辐射照射原材料粉末层来生产三维工件的设备中使用的粉末回路。本发明进一步涉及一种操作这种粉末回路的方法以及涉及一种用于通过利用电磁或粒子辐射照射原材料粉末层来生产三维工件的设备，该设备配备有该种类的粉末回路。
背景技术
粉床熔合是加层工艺(additivelayeringprocess)，通过该工艺，粉状的原材料，特别是金属的和/或陶瓷的原材料能够被处理成复杂形状的三维工件。为了该目的，将原材料粉末层施加到载体上并且根据要被生产的工件的期望的几何形状以格位选择(siteselective)的方式使原材料粉末层经受激光辐射。进入粉末层的激光辐射导致发热且熔化或烧结原材料粉末颗粒。进一步，原材料粉末层然后被连续地施加到载体上的已经经受了激光处理的层上，直到工件具有了期望的形状和尺寸。基于CAD数据，粉床熔合可以应用到生产样板、工具、替换件、高价值部件或医学假体，例如牙科假体或整形外科假体。
在DE202013009787U1中描述了通过粉床熔合工艺适于从粉状原材料生产大量模制件的设备。现有技术设备提供有工件生成部，该工件生成部包括辐射装置和处理腔。该处理腔可以对环境空气密封并且容纳用于接收原材料粉末和工件的载体，该工件通过附加分层工艺由在载体上的原材料粉末生成。为了补偿工件生成时渐增的高度，载体相对于处理腔被移置到构造腔中。构造腔利用盖子对环境空气密封，之后该构造腔可以从与处理腔相邻的操作位置传送到工件生成部外部的交换位置。从该交换位置，构造腔被进一步传送到后期处理部。在后期处理部，容纳在构造腔内的工件被冷却并且工件最终被从构造腔移除。设备的粉末回收系统用来从构造腔和处理腔排出过量的原材料粉末，以处理和加工被排出的粉末并且最后将粉末返回到处理腔。
发明内容
本发明的目标在于提供一种粉末回路，该粉末回路在用于通过利用电磁或粒子辐射照射原材料粉末层来生产三维工件的设备中使用，该设备能够以可靠的方式操作并且能够在降低维护工作的情况下操作。本发明的目标进一步在于提供一种操作这种设备的方法，以及在于提供一种用于通过利用电磁或粒子辐射照射原材料粉末层来生产三维工件的设备，该设备配备有该种类的粉末回路。
通过如权利要求1中限定的粉末回路、如权利要求7中限定的方法以及如权利要求13中限定设备提出这些目标。
一种在用于通过利用电磁或粒子辐射照射原材料粉末层来生产三维工件的设备中使用的粉末回路，包括：容纳载体和用于将原材料粉末施加到载体上的粉末施加装置的处理腔。优选地，为了能够保持可控的空气环境，具体是在处理腔内的惰性空气环境，处理腔对环境空气密封，即对处理腔周围的环境密封。理论上，载体可以是刚性固定的载体。然而，优选地，载体被设计成在垂直方向上是可移位的，使得当由原材料粉末以层的形式构造工件时，随着工件渐增的构造高度，载体能够在垂直方向上向下移动。原材料粉末优选地是金属粉末，具体是金属合金粉末，但是也可以是陶瓷粉末或包含不同材料的粉末。粉末可以具有任何合适的颗粒大小或颗粒大小分布。然而，优选的是处理颗粒大小小于100μm的粉末。
处理腔提供有粉末入口和粉末出口，粉末入口用于将原材料粉末供应到粉末施加装置并且粉末出口用于从处理腔排出过量的原材料粉末。粉末循环线路将处理腔的粉末出口连接到处理腔的粉末入口。因此，经由粉末循环线路，在工件构造处理期间或之后，从处理腔移除的过量的原材料粉末能够再循环到处理腔中，即再循环到粉末施加装置，并因此能够重新用于构造要被生成的工件。
输送装置被设置在粉末循环线路中，用于通过粉末循环线路输送原材料粉末。例如，输送装置可以以螺旋输送机的形式被设计，该螺旋输送机包括可旋转地支撑在壳体内的螺旋或主轴。然而，可以想到为粉末回路配备另一个合适的输送装置。除了输送装置，可以在粉末循环线路中设置用于在过量粉末再循环到处理腔之前处理、加工和存储从处理腔排出的过量粉末的装置和系统。例如，如果处理腔中对原材料粉末需求高，则为了确保粉末回路的合适操作，可以在粉末循环线路中存在用于使粗颗粒与原材料粉末分离的滤网或者用作缓冲器的存储容器。
粉末回路的传感器装置适于检测到输送装置的粉末供应的参数特性和来自输送装置的粉末排出的参数特性中的至少一个参数特性。基本上，传感器装置可以适于检测到输送装置的粉末供应的参数特性和来自输送装置的粉末排出的参数特性中的仅一个参数特性。然而，优选地，传感器装置被配置成检测到输送装置的粉末供应的参数特性和来自输送装置的粉末排出的参数特性两者。
最后，粉末回路包括控制单元，该控制单元适于控制输送装置的操作。具体是，可以例如以电子控制单元的形式设计的控制单元适于根据到输送装置的粉末供应的参数特性和来自输送装置的粉末排出的参数特性中的至少一个参数特性来控制输送装置的操作。在粉末回路的实施例中，控制单元可适于根据到输送装置的粉末供应的参数特性和来自输送装置的粉末排出的参数特性中的仅一个参数特性来控制输送装置的操作。然而，优选地，控制单元被配置成根据到输送装置的粉末供应的参数特性和来自输送装置的粉末排出的参数特性两者来控制输送装置的操作。
通过考虑实际到输送装置的粉末供应和实际来自输送装置的粉末排出中的至少一个，当控制输送装置的操作时，可以将输送装置的操作参数调节到在输送装置上游和下游的粉末循环线路中存在的粉末量，其中在本申请上下文中的术语“上游”和“下游”指的是粉末通过粉末循环线路的流动方向。换句话说，在粉末回路中，能够将输送装置的操作参数调节到在粉末循环线路中的粉末承载量。因此，能够降低在操作期间损坏输送装置的风险。结果，该粉末回路以特别高的操作可靠性而著称。此外，能够降低用于对输送装置产生的损坏进行维修的维修工作或者用于替换输送装置的维修工作。
在粉末回路的优选实施例中，控制单元适于在到输送装置的粉末供应的参数特性和来自输送装置的粉末排出的参数特性中的至少一个参数特性在预定范围之外的情况下，停止输送装置的操作。到输送装置的粉末供应的参数特性和来自输送装置的粉末排出的参数特性的预定范围可以被存储在例如控制单元的存储单元中，并且例如可以基于输送装置的规格来选择。如果利用传感器装置监控的参数中的至少一个在预定范围之外，则通过停止输送装置的操作，能够可靠地防止在粉末循环线路中由粉末过载或者缺少粉末而引起的对输送装置的损坏。
控制单元可具体适于在到输送装置的粉末供应的参数特性指示在输送装置上游的粉末循环线路中的粉末水平低于预定阈值的情况下，停止输送装置的操作。如果控制单元适于采用这种控制策略，则能够确保防止输送装置在闲置状态中操作，即在输送装置内不存在充足粉末量的情况下的输送装置的操作，这会对输送装置产生严重的损坏，特别是对以螺旋输送机形式设计的输送装置的螺旋或主轴。
可替代地或另外地，控制单元可适于在来自输送装置的粉末排出的参数特性指示在输送装置下游的粉末循环线路中的粉末水平超过预定阈值的情况下，停止输送装置的操作。在输送装置下游的粉末循环线路中的超过预定阈值的粉末水平可例如由粉末循环线路的堵塞引起或者由例如设置在输送装置下游的粉末循环线路中的滤网或存储容器的另外部件引起。假如检测到在输送装置下游的粉末循环线路中的粉末水平太高，如果控制单元适于停止输送装置，则能够防止当输送装置相对于输送装置下游存在的粉末阻塞而继续输送粉末时所发生的对输送装置的损坏。具体地，能够避免堵塞和因此对设计成螺旋输送机形式的输送装置的螺旋或主轴的破坏，该破坏在尽管输送装置下游的粉末循环线路被堵塞但螺旋或主轴继续操作时发生。
传感器装置可以包括布置在输送装置上游的粉末循环线路中的第一传感器，该第一传感器用于检测到输送装置的粉末供应的参数特性。第一传感器可以例如适于检测在输送装置上游的粉末循环线路中的粉末水平和通过输送装置上游的粉末循环线路的粉末体积流量中的至少一个。
可替代地或另外地，传感器装置可以包括布置在输送装置下游的粉末循环线路中的第二传感器，该第二传感器用于检测来自输送装置的粉末排出的参数特性。与第一传感器相似，第二传感器也可适于检测在输送装置下游的粉末循环线路中的粉末水平和通过输送装置下游的粉末循环线路的粉末体积流量中的至少一个。
在用于通过利用电磁或粒子辐射照射原材料粉末层来生产三维工件的设备中使用的粉末回路的操作方法中，通过处理腔的粉末出口，将过量的原材料粉末从容纳载体和粉末施加装置的处理腔排出，该粉末施加装置用于将原材料粉末施加到载体上。经由粉末循环线路，将从处理腔排出的原材料粉末通过处理腔的粉末入口再循环到处理腔，该处理腔的粉末入口用于将原材料粉末供应到粉末施加装置。原材料粉末利用设置在粉末循环线路中的输送装置通过粉末循环线路输送。检测到输送装置的粉末供应的参数特性和来自输送装置的粉末排出的参数特性中的至少一个参数特性。根据到输送装置的粉末供应的参数特性和来自输送装置的粉末排出的参数特性中的至少一个参数特性来控制输送装置的操作。
在到输送装置的粉末供应的参数特性和来自输送装置的粉末排出的参数特性中的至少一个参数特性在预定范围之外的情况下，可停止输送装置的操作。
具体地，在到输送装置的粉末供应的参数特性指示在输送装置上游的粉末循环线路中的粉末水平低于预定阈值的情况下，可停止输送装置的操作。
可替代地或另外地，在来自输送装置的粉末排出的参数特性指示在输送装置下游的粉末循环线路中的粉末水平超过预定阈值的情况下，可停止输送装置的操作。
到输送装置的粉末供应的参数特性可利用布置在输送装置上游的粉末循环线路中的第一传感器检测。
可替代地或另外地，来自输送装置的粉末排出的参数特性可通过布置在输送装置下游的粉末循环线路中的第二传感器检测。
用于通过利用电磁或粒子辐射照射原材料粉末层来生产三维工件的设备包括辐射装置。辐射装置可以包括至少一个辐射源以及包括至少一个光学单元，该辐射源具体是激光源，该光学单元用于引导和/或处理通过辐射源发出的辐射束。光学单元可以包括光学元件和扫描单元，该光学元件例如物镜，特别是f-theta物镜，该扫描单元优选地包括衍射光学元件和偏转镜。进一步地，设备包括上面描述的粉末回路。
附图说明
参照随附的示意性附图更加详细地解释下面的本发明的优选实施例，其中：
图1示出用于通过利用电磁或粒子辐射照射原材料粉末层来生产三维工件的设备。
具体实施方式
图1示出用于通过加层构造方法制造部件的设备10。设备10包括处理腔12。布置在处理腔12中的粉末施加装置14用来将原材料粉末施加到载体16上。处理腔12对环境空气密封，即对处理腔12周围的环境密封。载体16被设计成在垂直方向上是可移位的，使得当在载体16上由原材料粉末以层构造部件时，随着部件渐增的构造高度，载体16能够在垂直方向上向下移动。
设备10进一步包括辐射装置18，该辐射装置用于可选择地将激光辐射照射到施加在载体16上的原材料粉末。通过辐射装置18，施加到载体16上的原材料粉末可根据要被生产的部件的期望几何形状以格位选择的方式经受激光辐射。辐射装置18具有不透气的可密封壳体20。由辐射源24，特别是激光源提供的辐射束22，特别是激光束，经由开口26被导向壳体20中，该激光源可以包括例如二极管泵浦掺镱光纤激光器(diodepumpedYtterbiumfibrelaser)，该激光器发射大约在1070至1080nm波长的激光。
辐射装置18进一步包括用于引导和处理辐射束22的光学单元28。光学单元28可以包括用于扩展辐射束22的光束扩展器、扫描仪和物镜。可替代地，光学单元28可以包括光束扩展器，该光束扩展器包括聚光和扫描单元。通过扫描单元，在光束路径方向上和在垂直于光束路径的平面中两者的辐射束22的焦点的位置能够被改变和被调节。扫描单元可以以振镜扫描器(galvanometerscanner)形式设计并且物镜可以是f-theta物镜。
在设备10的操作期间，通过选择性地利用辐射束22照射施加到载体16上的原材料粉末层而在载体16上生成要被生产的部件的第一层。辐射束22根据要被生产的部件的CAD数据而被指引到施加在载体16上的原材料粉末层上。在完成了要被生产的部件的第一层之后，载体16在垂直方向上被降低从而允许利用粉末施加装置14施加连续粉末层。之后，利用辐射装置18照射连续粉末层。因此，部件被一层接一层地构造在载体16上。
处理腔12提供有粉末入口30，粉末入口30用于将原材料粉末供应给处理腔12并进一步供应给粉末施加装置14。经由粉末出口32从处理腔12排出过量的原材料粉末。处理腔12的粉末出口32经由粉末循环线路34被连接到处理腔12的粉末入口30。因此，经由粉末出口32从处理腔12排出的过量的原材料粉末可再循环到处理腔12的粉末入口30并且在粉末施加装置14中被重新使用。处理腔12和粉末循环线路34因此被认为是设备10的粉末回路的部件，设备10的粉末回路在附图1中通过附图标记36指定。
粉末回路36进一步包括输送装置38，该输送装置38被布置在粉末循环线路34中，并且用来通过粉末循环线路34输送经由粉末出口32从处理腔12排出且最后返回到处理腔12的粉末入口30处的原材料粉末。在附图中示出的设备10的实施例中，输送装置38以螺旋输送机的形式设计并且因此包括螺旋和主轴，该螺旋和主轴被可旋转地接纳在壳体内，并且当围绕在壳体内的轴线旋转时，通过粉末循环线路34输送原材料粉末。除了输送装置38之外，可以在粉末循环线路34中布置用于在原材料粉末被循环到处理腔12之前处理、加工和存储原材料粉末的另外系统和装置(在附图中未示出)，例如滤网装置或存储容器。
利用控制单元40控制输送装置38的操作。可以以电子控制单元形式设计的控制单元40可以是唯一地与输送装置38关联的控制单元，即唯一地用来控制输送装置38操作的控制单元。然而，可以想象，通过设备10的叠加控制单元限定控制单元40或者控制单元40被并到设备10的叠加控制单元中。
粉末回路36进一步包括传感器装置42。传感器装置42适于检测到输送装置38的粉末供应的参数特性和来自输送装置38的粉末排出的参数特性中的至少一个参数特性。具体地，传感器装置42包括第一传感器44，第一传感器44被布置在输送装置38上游的粉末循环线路34中并且用来检测到输送装置38的粉末供应的参数特性。传感器装置42的第二传感器46被设置在输送装置38下游的粉末循环线路34中并且用来检测来自输送装置38的粉末排出的参数特性。
传感器44、46的检测结果被传送到控制单元40。因此，控制单元40能够根据到输送装置38的粉末供应的参数特性和来自输送装置38的粉末排出的参数特性中的至少一个参数特性来控制输送装置38的操作。具体地，控制单元40在到输送装置38的粉末供应的参数特性和来自输送装置38的粉末排出的参数特性中的至少一个参数特性在预定范围之外的情况下，停止输送装置38的操作，其中预定参数范围被存储在控制单元40的存储单元中。
在附图示出的粉末回路36的具体实施例中，第一传感器44适于检测在输送装置38上游的粉末循环线路34中的粉末水平。因此，利用第一传感器44检测的到输送装置38的粉末供应的参数特性指示在输送装置38上游的粉末循环线路34中的粉末水平，并且具体指示粉末回路36的操作状态，其中例如由于在输送装置38上游的粉末循环线路34中设置的存储容器中缺少粉末或者由于从处理腔12排出的粉末减少，没有给输送装置38上游的粉末循环线路34的部分提供充足量的粉末。
控制单元40在由第一传感器44提供的到输送装置38的粉末供应的参数特性指示在粉末循环线路34中的粉末水平低于预定阈值(预定阈值可以被存储在控制单元40的存储单元中)的情况下，停止输送装置38的操作。因此，能够可靠地避免可导致输送装置38严重损坏的处于闲置状态中的输送装置38的操作以及具体设计成螺旋输送机形式的输送装置38的螺旋或主轴的严重损坏。
第二传感器46适于检测在输送装置38下游的粉末循环线路34中的粉末水平。因此，利用第二传感器46检测的从输送装置38排出的粉末的参数特性指示在输送装置38下游的粉末循环线路34中的粉末水平，并且具体指示粉末回路36的操作状态，其中例如由于输送装置38下游的粉末循环线路34的堵塞或者设置在输送装置38下游的粉末循环线路34中的装置的堵塞，输送装置38下游的粉末循环线路34的部分加载有过量的粉末。
控制单元40在由第二传感器46提供的到输送装置38的粉末供应的参数特性指示在粉末循环线路34中的粉末水平高于预定阈值(预定阈值可以存储在控制单元40的存储单元中)的情况下，停止输送装置38的操作。因此，能够避免对在输送装置38下游的粉末循环线路34中存在的粉末阻塞或者对设置在输送装置38下游的粉末循环线路34中的装置中存在的粉末阻塞不利的输送装置38的操作，以及因此能够避免堵塞和对设计成螺旋输送机形式的输送装置38的螺旋或主轴的破坏。

Claims (13)

1.一种在用于通过利用电磁或粒子辐射照射原材料粉末层来生产三维工件的设备(10)中使用的粉末回路(36)，所述粉末回路(36)包括：
容纳载体(16)和用于将原材料粉末施加到所述载体(16)上的粉末施加装置(14)的处理腔(12)，所述处理腔(12)提供有用于将原材料粉末供应到所述粉末施加装置(14)的粉末入口(30)和用于将过量的原材料粉末从所述处理腔(12)排出的粉末出口(32)；
将所述处理腔(12)的粉末出口(32)连接到所述处理腔(12)的粉末入口(30)的粉末循环线路(34)；
被设置在所述粉末循环线路(34)中的用于通过所述粉末循环线路(34)输送所述原材料粉末的输送装置(38)；
传感器装置(42)，所述传感器装置(42)适于检测到所述输送装置(38)的粉末供应的参数特性和来自所述输送装置(38)的粉末排出的参数特性中的至少一个参数特性；以及
控制单元(40)，所述控制单元(40)适于根据到所述输送装置(38)的粉末供应的参数特性和来自所述输送装置(38)的粉末排出的参数特性中的至少一个参数特性来控制所述输送装置(38)的操作。
2.根据权利要求1所述的粉末回路，其中所述控制单元(40)适于在到所述输送装置(38)的粉末供应的参数特性和来自所述输送装置(38)的粉末排出的参数特性中的至少一个参数特性在预定范围之外的情况下，停止所述输送装置(38)的操作。
3.根据权利要求1所述的粉末回路，其中所述控制单元(40)适于在到所述输送装置(38)的粉末供应的参数特性指示在所述输送装置(38)上游的粉末循环线路(34)中的粉末水平低于预定阈值的情况下，停止所述输送装置(38)的操作。
4.根据权利要求1所述的粉末回路，其中所述控制单元(40)适于在来自所述输送装置(38)的粉末排出的参数特性指示在所述输送装置(38)下游的粉末循环线路(34)中的粉末水平超过预定阈值的情况下，停止所述输送装置(38)的操作。
5.根据权利要求1所述的粉末回路，其中所述传感器装置(42)包括被布置在所述输送装置(38)上游的粉末循环线路(34)中的第一传感器(44)，所述第一传感器(44)用于检测到所述输送装置(38)的粉末供应的参数特性。
6.根据权利要求1所述的粉末回路，其中所述传感器装置(42)包括被布置在所述输送装置(38)下游的粉末循环线路(34)中的第二传感器(46)，所述第二传感器(46)用于检测来自所述输送装置(38)的粉末排出的参数特性。
7.一种在用于通过利用电磁或粒子辐射照射原材料粉末层来生产三维工件的设备(10)中使用的粉末回路(36)的操作方法，所述方法包括下述步骤:
通过处理腔(12)的粉末出口(32)将过量的原材料粉末从容纳载体(16)和粉末施加装置(14)的所述处理腔(12)排出，所述粉末施加装置(14)用于将所述原材料粉末施加到所述载体(16)上；
经由粉末循环线路(34)将从所述处理腔(12)排出的原材料粉末通过所述处理腔(12)的粉末入口(30)再循环到所述处理腔(12)，所述粉末入口(30)用于将原材料粉末供应到所述粉末施加装置(14)；
利用设置在所述粉末循环线路(34)中的输送装置(38)通过所述粉末循环线路(34)输送所述原材料粉末；
检测到所述输送装置(38)的粉末供应的参数特性和来自所述输送装置(38)的粉末排出的参数特性中的至少一个参数特性；以及
根据到所述输送装置(38)的粉末供应的参数特性和来自所述输送装置(38)的粉末排出的参数特性中的至少一个参数特性来控制所述输送装置(38)的操作。
8.根据权利要求7所述的方法，其中在到所述输送装置(38)的粉末供应的参数特性和来自所述输送装置(38)的粉末排出的参数特性中的至少一个参数特性在预定范围之外的情况下，停止所述输送装置(38)的操作。
9.根据权利要求7所述的方法，其中在到所述输送装置(38)的粉末供应的参数特性指示在所述输送装置(38)上游的粉末循环线路(34)中的粉末水平低于预定阈值的情况下，停止所述输送装置(38)的操作。
10.根据权利要求7所述的方法，其中在来自所述输送装置(38)的粉末排出的参数特性指示在所述输送装置(38)下游的粉末循环线路(34)中的粉末水平超过预定阈值的情况下，停止所述输送装置(38)的操作。
11.根据权利要求7所述的方法，其中到所述输送装置(38)的粉末供应的参数特性利用布置在所述输送装置(38)上游的粉末循环线路(34)中的第一传感器(44)检测。
12.根据权利要求7所述的方法，其中来自所述输送装置(38)的粉末排出的参数特性通过布置在所述输送装置(38)下游的粉末循环线路(34)中的第二传感器(46)检测。
13.一种用于通过利用电磁或粒子辐射照射原材料粉末层来生产三维工件的设备(10)，所述设备(10)包括：
辐射装置(14)，以及
根据权利要求1所述的粉末回路(36)。
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