CN106891001A - 用于制造在空间上延展的产品的3d打印设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于制造在空间上延展的产品的3D打印设备，其包括至少一个第一激光源(1)，所述第一激光源能发射第一激光辐射(2)；工作区域(4)，该工作区域被输送或能被输送用于3D打印的需利用激光辐射(2)输送的原材料，该工作区域(4)如下地设置在3D打印设备中，使得激光辐射(2)射到工作区域(4)上，尤其构成为可动的反光镜的扫描装置(3，7)，这些扫描装置能够有针对性地把激光辐射(2)输送到工作区域(4)中的期望位置上；用于预热工作区域中的原材料的装置，其中，所述用于预热的装置包括至少一个第二激光源(5)，所述第二激光源能发射第二激光辐射(6)。

Description

用于制造在空间上延展的产品的3D打印设备
技术领域
本发明涉及根据权利要求1前序部分所述的用于制造在空间上延展的产品的3D打印设备。
背景技术
在传统的3D打印设备中，例如借助激光束以能量点状地施加粉末状输送的原材料，从而在所施加的位置上启动一个过程例如原材料的熔融或烧结，其中，这个过程导致原材料颗粒的连接。由此通过激光束在工作区域上的光栅状扫描分层地产生需制造的产品。
存在如下的3D打印设备，在这些3D打印设备中发生原材料的预热。这具有的优点是：不是原材料的整个加热都必须由例如光栅状在原材料上方引导的激光束产生。这种3D打印设备的缺点是：通过预热相应加热整个产品，因而在3D打印之后必须进行漫长的冷却过程。
发明内容
基于本发明的问题是：提供一种比由现有技术已知的设备更高效、尤其更快速的3D打印设备。
这根据本发明通过开头所述类型的具有权利要求1特征部分特征的3D打印设备得以解决。从属权利要求涉及本发明的优选的构造。
根据权利要求1规定：用于预热的装置包括至少一个第二激光源，该第二激光源可以射出第二激光辐射。由此存在如下的可能性，即，仅局部预热所述原材料，从而在3D打印过程后无需或只需非常短的冷却阶段。
可以规定：运行3D打印设备时，至少一个第一激光辐射在工作区域中的入射区域比至少一个第二激光辐射在工作区域中的入射区域更小，其中，所述至少一个第一激光辐射的入射区域在3D打印设备运行时相对所述至少一个第二激光辐射的入射区域运动。
此外还可以规定：在3D打印设备运行时，所述至少一个第一激光辐射和所述至少一个第二激光辐射在工作区域中至少局部重叠，其中，所述至少一个第一激光辐射在工作区域中的入射区域比所述至少一个第二激光辐射在工作区域中的入射区域更小，并且在3D打印设备运行时，所述至少一个第一激光辐射的入射区域相对所述至少一个第二激光辐射的入射区域在该至少一个第二激光辐射的入射区域内部运动。
例如存在如下的可能性，第一激光源是光纤激光器，而第二激光源是半导体激光器或CO2激光器。
附图说明
参见附图参照借助下文对优选实施例的描述使得本发明的其它特征和优点变得明显。附图中：
图1示出根据本发明的3D打印设备的第一实施方式的示意图；
图2示出至少一个第一和至少一个第二激光辐射在工作平面中的入射区域的第一布局的示意图，其中示出这些区域的运动和所述至少一个第二激光辐射的示意性强度分布；
图3示出至少一个第一和至少一个第二激光辐射在工作平面中的入射区域的第二布局的示意图，其中示出这些区域的运动所述至少一个第二激光辐射的示意性强度分布；
图4示出至少一个第一和至少一个第二激光辐射在工作平面中的入射区域的第三布局的示意图，其中示出这些区域的运动和所述至少一个第二激光辐射的示意性强度分布；
图5示出至少一个第一和至少一个第二激光辐射在工作平面中的入射区域的第四布局的示意图，其中示出这些区域的运动和所述至少一个第二激光辐射的示意性强度分布；
图6示出至少一个第一和至少一个第二激光辐射在工作平面中的入射区域的第五布局的示意图，其中这些区域的运动和所述至少一个第二激光辐射的示意性强度分布；
图7示出至少一个第一和至少一个第二激光辐射在工作平面中的入射区域的第六布局的示意图，其中示出这些区域的运动和所述至少一个第二激光辐射的示意性强度分布；
图8示出至少一个第一和至少一个第二激光辐射在工作平面中的入射区域的第七布局的示意图，其中示出这些区域的运动和所述至少一个第二激光辐射的示意性强度分布；
图9示出至少一个第一和至少一个第二激光辐射在工作平面中的入射区域的第八布局的示意图，其中示出这些区域的运动和所述至少一个第二激光辐射的示意性强度分布；
图10示出至少一个第一和至少一个第二激光辐射在工作平面中的入射区域的第九布局的示意图，其中示出这些区域的运动和所述至少一个第二激光辐射的示意性强度分布；
图11示出至少一个第一和至少一个第二激光辐射在工作平面中的入射区域的第十布局的示意图，其中示出这些区域的运动和所述至少一个第二激光辐射的示意性强度分布；
图12示出至少一个第一和至少一个第二激光辐射在工作平面中的入射区域的第十一布局的示意图，其中这些区域的运动和所述至少一个第二激光辐射的示意性强度分布；
图13示出根据本发明的3D打印设备的第二实施方式的透视图。
附图中相同的和功能相同的部件设有相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出的根据本发明的3D打印设备的实施方式包括至少一个发射第一激光辐射2的第一激光源1。第一激光源1可以是光纤激光器。示意性示出的扫描装置3例如包括两个可动的反光镜和在可能情况下诸如F-θ物镜的适当的光学系统，在该扫描装置中，第一激光辐射2在工作区域4中偏转或者聚焦，在该工作区域中设置有需加工的特别是粉末状输送的原材料。
所描绘的3D打印设备此外包括至少一个发射第二激光辐射6的第二激光源5。第二激光源5可以是半导体激光器或CO2激光器并且尤其是可以具有比第一激光源1更高的功率。
示意性示出的扫描装置7例如包括两个可动的反光镜和在可能情况下诸如F-θ物镜的适当的光学系统，在该扫描装置中，第二激光辐射6在图1中向左偏转到部分透光的反光镜8上，该反光镜尤构成为介电的二向色性反光镜。反光镜8使第二激光辐射6向工作区域4偏转，使其在那里与第一激光辐射2一起入射。还可以使用其它组合装置例如用于组合两个激光辐射2，6的偏振选择性构件来代替反光镜8。
原材料被第二激光辐射6预热，其中，通过附加地施加第一激光辐射2来在施加的位置上启动一个过程例如原材料的熔融或烧结，这个过程导致该原材料颗粒的连接。由此通过仪激光束2，6在工作区域上方的扫描来分层地产生需制造的产品。
在所示出的实施例中，为第一和第二激光辐射2，6设置有不同的扫描装置3，7。然而绝对还存在如下的可能性，即，使这两个激光辐射2，6从相同的扫描装置转向。在这种情况下可以取消部分透光的反光镜。
此外还存在的可能性是：在至少一个第二激光源5和反光镜8之间不设置扫描装置，而是将反光镜8本身设计得可动。
图2示意性示出第一和该第二激光辐射2，6在工作区域上的入射区域9，10。在此，第一激光辐射2的入射区域9基本上呈圆形而且具有小的直径d。例如还存在的可能性是：使所述入射区域呈正方形轮廓。通过第一激光辐射2入射区域9或者焦区的小尺寸可以实现需制造的3D构件小的结构。第一激光辐射2的入射区域9沿着箭头11在第二激光辐射的入射区域10中运动。
与此相对，第二激光辐射6的入射区域10比较大并且具有长度为L和高度为H的矩形轮廓。其它轮廓和尺寸是绝对可能的。第二激光辐射6的强度分布可以是不均匀的、尤其是可以具有强度在高度H上改变的分布，如这图2右边缘所示的那样。由此在入射区域10上边缘范围中的强度大于下边缘的区域中的强度。
第二激光辐射6的入射区域10在图2中沿着箭头12向上运动。由于第二激光辐射6的强度分布和由于该运动获得向需加工的、尤其是需熔化的粉末中的均匀的能量输入。
绝对存在如下的可能性，即，不同地设计第二激光辐射的强度分布，例如其是均匀的或在纵向上具有梯度。
第二激光辐射6在工作区域4的如下区段上方运动，在这些区段中在原材料的相应位置中应该进行粉末的硬化。施加第二激光辐射的各区段的大小根据需制造的构件的轮廓确定。
最后负责原材料的逐点硬化的第二激光辐射2在第二激光辐射6的入射区域10中运动。这例如可以用锯齿形的运动进行。尤其可以规定：第一激光辐射基本上入射在第二激光辐射6入射区域10的后边缘的范围中，其中，后边缘是在图2中的下边缘或者说背向运动方向12的边缘。
不同于图2，图3示出第一激光辐射2的多个入射区域9或者多个第一激光辐射2。入射区域9可以平行地同时沿箭头11的方向运动。
尤其可以设置多个第一激光源1，它们尤其可以被单独操控并且产生多个第一激光辐射2。原材料的硬化由此可以同时在多个入射区域9中进行，其中，根据需制造的构件的轮廓可以在工作区域的的确定区段略去其中几个入射区域。
还尤其可以设置多个第二激光源5，它们尤其可以被单独操控并且产生多个第二激光辐射6。原材料的预热由此可以同时在多个入射区域10中进行，其中，根据需制造的构件的轮廓，在工作区域的确定区段上可以略去其中几个入射区域。
在根据图3的实施例中示出第一激光辐射2的四个入射区域9。可以有更多或更少的入射区域9，例如还可以有10个或20个或100个入射区域9。
图4示出第二激光辐射6的较小的入射区域10。入射区域10在工作区域的需预热的区段13中沿着箭头14，15往复运动，其中，入射区域10如图2所示示例那样同时或之后沿着箭头12在图4中向上运动。通过入射区域10的这个运动还可以实现均匀的预热。
除了应用多个第一激光辐射2和与此相应的多个入射区域9，图5与图4相符。
图6示出一种实施方式，其中不仅第二激光辐射6入射区域10的路径而且第一激光辐射2入射区域9的路径都与所制构件的轮廓相匹配。由此为第一激光辐射的入射区域9例如给出螺旋形路径。
为了在第二激光辐射6入射区域10的这个与构件轮廓相匹配的路径上实现尽可能均匀的预热，可以相应调整第二激光辐射6的强度分布。例如如图5所示可以设置M形轮廓(M-Profil)。
图7示出一种实施方式，其中第一激光辐射2的入射区域9锯齿形地在被第二激光辐射6的入射区域10预热的区段13中运动。在此，第一激光辐射2的入射区域9平均(imMittel)沿与区段13相同的方向运动，在该区段中，第二激光辐射6的入射区域10往复运动。在图7中，不仅区段13而且第一激光辐射2的入射区域9平均沿顺时针方向运动。
图8示出一种实施方式，其中第一激光辐射2的入射区域9锯齿形地沿顺时针方向运动，而第二激光辐射6的入射区域10沿逆时针方向运动。
在图9和图10示出的实施方式中，入射区域9，10基本上同步地在工作区域上方运动。在此，图9仅示出一个第一激光辐射2，而图10示出多个第一激光辐射2的入射区域9。
在图11和图12示出的实施方式中，第二激光辐射6的入射区域10往复运动并且在此局部从侧向伸出需预热的区段13。由此可以实现非常均匀的预热。在此的缺点是：还同时加热设置在为了制造3D部件所需区域以外的工作区域的区段。
在此，图11仅示出一个第一激光辐射2，而图12示出多个第一激光辐射2的入射区域9。
在根据本发明的3D打印设备的图13所示的实施方式中设置有多个第一激光源1和多个第二激光源5。为第一激光源1的每个第一激光辐射2各设置有一个扫描装置3，该扫描装置各包括两个可动的反光镜。这些反光镜尤其可以具有基于压电的驱动装置。
对于第二激光源5的激光辐射6不设置单独的扫描装置。更确切地说，使激光辐射2，6联合的部分透光的反光镜8设计成可动的，使得第二激光辐射6由此能够在工作区域上方扫描。
第一激光源1、第二激光源5、扫描装置3和反光镜8联合成一个尤其可动的单元。为此设置有机架16，在该机架中固定有上述的部件。机架16在其下侧具有辊轮17，这些辊轮能够实现机架16在平台18上的运动，所述平台设置在工作区域4上并且与该工作区域间隔开距离设置。
在平台18中设置有多个激光辐射2，6可以穿过的窗口19。当工作区域4的处于窗口19下的区段已被加工时，机架16可以移到下一个窗口19，从而可以加工工作区域的其它区段。
通过这种方式可以非常有效的通过3D打印来生产非常大的构件。

Claims (14)

1.用于制造在空间上延展的产品的3D打印设备，其包括
至少一个第一激光源(1)，所述第一激光源能发射第一激光辐射(2)；
工作区域(4)，该工作区域被输送或能被输送用于3D打印的需利用激光辐射(2)输送的原材料，该工作区域(4)如下地设置在3D打印设备中，使得激光辐射(2)射到工作区域(4)上，
尤其构成为可动的反光镜的扫描装置(3，7)，这些扫描装置能够有针对性地把激光辐射(2)输送到工作区域(4)中的期望位置上；
用于预热工作区域中的原材料的装置，
其特征在于，所述用于预热的装置包括至少一个第二激光源(5)，所述第二激光源能发射第二激光辐射(6)。
2.根据权利要求1所述的3D打印设备，其特征在于，在3D打印设备运行时，所述至少一个第一激光辐射(2)在工作区域(4)中的入射区域(9)小于所述至少一个第二激光辐射(6)在工作区域(4)中的入射区域(10)，其中，所述至少一个第一激光辐射(2)的入射区域(9)在3D打印设备运行时相对所述至少一个第二激光辐射(6)的入射区域(10)运动。
3.根据权利要求1所述的3D打印设备，其特征在于，在3D打印设备运行时，所述至少一个第一激光辐射(2)和所述至少一个第二激光辐射(6)在所述工作区域中至少局部重叠，所述至少一个第一激光辐射(2)在工作区域(4)中的入射区域(9)小于所述至少一个第二激光辐射(6)在工作区域(4)中的入射区域(10)，并且在3D打印设备运行时，所述至少一个第一激光辐射(2)的入射区域(9)相对所述至少一个第二激光辐射(6)的入射区域(10)在所述至少一个第二激光辐射(6)的入射区域(10)内运动。
4.根据权利要求1至3中一项所述的3D打印设备，其特征在于，所述第一激光辐射(2)在工作区域中具有比所述第二激光辐射(6)更大的分辨率或更小的焦区。
5.根据权利要求1至4中一项所述的3D打印设备，其特征在于，所述第一激光源(1)是光纤激光器。
6.根据权利要求1至5中一项所述的3D打印设备，其特征在于，所述第二激光源(5)是半导体激光器或CO2激光器。
7.根据权利要求1至6中一项所述的3D打印设备，其特征在于，设置有多个第一激光源(1)和/或多个第一激光辐射(2)，所述第一激光辐射在所述工作区域中各具有至少一个焦区。
8.根据权利要求1至7中一项所述的3D打印设备，其特征在于，设置有多个第二激光源(5)和/或多个第二激光辐射(6)，所述第二激光辐射在所述工作区域中各具有至少一个焦区。
9.根据权利要求1至8中一项所述的3D打印设备，其特征在于，所述至少一个第一激光源(1)或所述多个第一激光源(1)设计成使得在所述设备运行时，在所述工作区域(4)上产生激光辐射(2)的多个彼此间隔开距离的入射点或入射区域(9)。
10.根据权利要求9所述的3D打印设备，其特征在于，扫描装置(3)设计成使得所述第一激光辐射(2)在工作区域(4)上的入射点或入射区域(9)能沿下述方向或垂直于下述方向运动，在该方向上，激光辐射(2)的入射点或入射区域(9)并排设置。
11.根据权利要求1至10中一项所述的3D打印设备，其特征在于，所述至少一个第一激光辐射(2)和所述至少一个第二激光辐射(6)在所述工作区域中至少局部重叠和/或在时间上至少短时间依次入射。
12.根据权利要求1至11中一项所述的3D打印设备，其特征在于，所述至少第二激光辐射(6)对需固化的原材料进行加热，而所述至少一个第一激光辐射(2)如下地给原材料输送附加的能量，从而引起固化过程，例如通过熔融或烧结。
13.根据权利要求1至12中一项所述的3D打印设备，其特征在于，该3D打印设备包括光学装置，这些光学装置尤其构成为F-θ物镜或平场扫描物镜并且优选设置在扫描装置与工作区域(4)之间，其中，所述光学装置能够将所述第一辐射(2)和/或所述第二激光辐射(6)聚焦到工作区域(4)中。
14.根据权利要求1至13中一项所述的3D打印设备，其特征在于，所述第二激光辐射(6)在工作区域(4)上的强度分布是均匀的或是不均匀的，尤其在下述方向上具有强度梯度，在该方向上，所述第二激光辐射(6)的强度分布在所述工作区域(4)中运动。
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