CN107000060A - 增材制造装置内的气体流动 - Google Patents

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Abstract

一种用于将粉末材料生成三维目标的增材制造的装置(1)，包括主体(11)，该主体提供目标形成室(13)，并且在前壁(15)内，提供用于进入该目标形成室(13)的开口(17)。工作面(21)，该工作面界定了目标形成室(13)并且包括用于在其上制造三维目标的构建平台区段(23A)。该装置(1)进一步包括门(31)，该门设置在前壁(15)处并且可被定位成在关闭状态中密封该开口(17)并且在打开状态中提供进入该目标形成室(13)的通路。该装置(1)进一步包括气体流动系统(41)，该气体流动系统用于提供横跨该构建平台区段(23A)的气体流动(42)。该气体流动系统(41)包括在该主体内(11)延伸的第一主体区段(41A)和为该门(31)的一部分的门区段(41B)，其中该门区段(41B)包括第一开口结构(45A)，该第一开口结构(45A)设置成在该门的关闭状态中将气体释放至该构建平台区段(23A)上方或者从该构建平台区段(23A)上方接收气体。

Description

增材制造装置内的气体流动
技术领域
本发明总得涉及增材制造装置，并且更具体涉及在进行增材制造期间使用惰性气体流来控制烟雾。
背景技术
增材制造，比如选择性激光烧结、选择性激光熔化等通常是在气密目标形成室中进行。在该室中，用如激光的电磁辐射来照射粉末材料，如金属粉末、陶瓷粉末。因此，在该室内的构建平台区段上设置一薄层粉末，这形成了三维目标的底部。在分步生产中，例如，一层一层地制造出三维目标。在多步之间使用刷子结构在已经部分制造好的材料顶部上重新分配粉末以形成下一层。
EP 2 732 890 A2中公开了一种用于增材制造的示例性装置。
目标形成室通常包括一序列的多个区段，其中包括加工区段，它位于粉末供应区段和未使用的粉末区段中间。该序列通常设置在该室内，从而所有的区段能通过装置的开口容易地接近。这些区段的对准的方向在此被称为侧向方向。
制造过程中，激光源可以提供激光束，激光束导向在构建平台上并被粉末吸收以将粉末融化。因此，需要光学元件来引导激光束。此外，在激光束聚焦到粉末并相互作用之前，还需穿过输出透镜或输出窗口。在激光束与粉末相互作用时，室内会有烟雾产生。烟雾的颗粒可沉积在光学元件的表面上或输出透镜或输出窗口上。沉积物例如可能会影响激光性能。并且，设置在室内的其他的内部元件也有可能会被影响，比如加工传感器(如摄像机，高温计，温度计，氧气传感器)。
已知在室里应用惰性气流用来保护，例如，光学元件，不受烟雾沉积形成的危害。DE 10 2010 052 206 A1,DE 10 2006 014 835 A1,和WO 2010/007394 A1中公开了现有技术配置的示范例。现有的技术配置特别公开了纵向的气体流动。
本公开旨在改进或者克服现有技术体系里的一个或者多个方面，至少是部分改进，并且具体是在制造期间提供有效的惰性气体除烟流。
发明内容
一些目标可以通过权利要求1的增材制造装置和权利要求13的用于去除在增材制造装置的操作期间所产生的烟雾方法来实现。更多发展在从属权利要求中给出。
根据本公开的第一方面，用于将粉末材料生成三维目标的增材制造(additivemanufacturing)的装置，包括：主体，该主体提供目标形成室，并且在该主体的前壁内，提供用于进入该目标形成室的开口；工作面，该工作面界定了目标形成室并且具有用于在其上制造三维目标的构建平台区段；门，该门设置在前壁处并且可被定位成在关闭状态中密封该开口并且在打开状态中提供进入该目标形成室的通路；和气体流动系统，该气体流动系统用于提供横跨该构建平台区段的气体流动。该气体流动系统包括在该主体内延伸的第一主体区段和为该门的一部分的门区段。特别地，语句“为该门的一部分”包括该门区段可以是该门的集成部分和/或该门的连接部分。该门区段包括第一开口结构，该第一开口结构设置成在该门的关闭状态中将气体释放至该构建平台区段或者从该构建平台区段接收气体。
在进一步的实施例中，公开了一种用于移除从粉状材料增材制造出三维目标的装置的操作期间所产生的烟雾的方法，其中该烟雾在具有目标形成室的加工部位中产生。该方法包括提供气体流动，该气体流动横跨前壁处界定该目标形成室的门与关于该加工部位在与该门相反侧处界定该目标形成室的背侧之间延伸。例如，该气流源自该门并且结束于该背侧，特别地气体在该门中的相应开口处和该背侧中释放/接收，以形成气流。
本公开的其他特征和方面在以下的描述、从属权利要求和附图中描述。
附图说明
图1是示例增材制造装置的透视示意图；
图2是图1装置的平行于XY平面并且延伸通过目标形成室的示意性剖面图；
图3是图1装置的平行于如图2中指出的XY平面的剖面图；
图4是图1装置的平行于如图2中指出的YZ平面的剖面图；
图5是图1所示增材制造装置的门的一区段的放大的透视示意图，显示了集成在门中的气体流动系统的门区段；
图6是图5所示的门的示意性剖面图，平行于XY平面并且延伸通过气体流动系统的门区段；
图7是图5所示的门的一半的示意性透视图，显示了气体流动系统的门区段的结构；
图8和图9是气体流动系统的门区段的其他实施例的示意图。
具体实施方式
以下是本发明的示例性实施例的详细描述。其中描述并在附图中示出的示例性实施例，旨在教导本发明的原理，让本领域的普通技术人员能够在不同的环境和不同的应用上操作和使用本发明。因此，这些示例性实施例不是为了限制专利保护的范围，也不应被视为对专利保护的范围的限制。相反，专利保护的范围应由所附权利要求限定。
本发明在某种程度上，基于以下认识，通过提供气流，气流从前往后或者从后往前穿过构建平台区段部分，可以在制造过程中有效地去除烟雾并且不扩散。特别是为了产生这种气流，相应的气体流动系统可以至少部分地集成到增材制造装置的门中。因此，粉末供应部位，加工部位和未使用的粉末部位横向对准，即沿着一个可以用门来关的接近侧，这个特别的构造可以产生这种气流。
一般情况下，这样的生产过程是在充满惰性气体的气密密封室中进行。这种惰性气体的环境可以避免或至少减少，例如，贱金属在室内与氧反应。在制造过程中，烟雾可能会不可避免的产生并分布在惰性气体中。如上所述，烟雾颗粒可能会影响，例如，光学元件。特别是烟雾颗粒可能会沉积在光学元件上，从而影响光束质量，甚至可能通过吸收作用损坏光学元件。
因此，公开的概念是可以允许使用惰性气体流来减少甚至避免在室内的任何沉积物。该概念可以是基于通过使用装置的门的惰性气体的循环。此外，该概念是允许气流的形成可以至少部分独立于粉末的粉末分配器的运动，特别是通过形成横向于粉末分配器运动的流动。此外，此处公开的概念可以允许减小尺寸，进一步优化相应的气体流动系统所需的空间。此外，此处公开的配置可以以允许易清洁和维护的方式来实施。
图1到图4展示了从粉末材料5生成三维目标3的增材制造装置1。这些装置也被称为三维打印系统或选择性激光烧结机或选择性激光熔化机等。上述EP 2 732 890 A2讲述了这种装置的操作方法。
如图1所示，装置1包括主体11，该主体提供了目标形成室13。前壁15在前侧界定了室13。特别地，前框架15A形成开口17，通过该开口17可以进入主体11内的形成室13。
操作是在工作表面21上执行的，其在底侧处界定室13并且特别提供构建平台区段23A。构建平台区段23A可以关于开口17居中地设置。制造过程在构建平台区段23A上进行，例如，在限定在构建平台区段23A上的加工部位内。
主体11还包括背侧18并且可以进一步容纳至少部分的气体流动系统41，例如用于惰性气体的气体存储器，和泵送系统(未示出)。此外，在主体11的顶部，可以安装诸如光纤/盘形激光器和扫描仪系统的激光系统51，或者将激光系统的光引导到主体11的顶部，用于例如通过光学窗口耦合到形成室13中。激光系统51的激光束被导向在构建平台区段23A的顶部，例如，沿着理想的轨迹来烧结或完全熔化粉末材料5。
另外，装置1包括门31，该门31连接至前板15，用来在加工过程中关闭目标形成室13。特别地，可以通过门把31A和锁31B将门31锁上处于关闭状态。图2示出了门31的这种关闭状态。
在打开状态，如图1所示，门31提供了通过开口17至室13的进入。因此，用户可以采取必要的加工准备步骤(清洁内部，再填充粉末)，和在加工完成后取出任何目标3。在图1中，例如还进一步显示了存放装置19，该存放装置设置于室13内，以将加工部位内的粉末材料5分配至，例如构建平台区段23A或者目标3的已经产生的部分上。
如图2和图3所示，构建平台区段23A在粉末供应部位23B和粉末收集部位23C之间居中的在侧向方向(图中X方向)上设置。粉末供应部位23B连接至粉末存储器，而粉末收集部位23C收集未使用的或者剩下的不能再用的粉末。总的来说，粉末收集部位23C可以是可选的。
如图1所示，存放装置19在横向方向(图中Y方向)上延伸，该横向方向与部位23A,23B和23C的布置的侧向方向正交。
如图2到图4中箭头所示，此处公开的概念提供了，气流42沿着从门13到背侧18的方向(或者相反方向)横跨构建平台区段23A。
为实施气流42，气体流动系统41包括第一主体区段41A和门区段41B，主体部件41A在主体11中延伸，门区段41B是门31的一部分。
如果用来给形成室13供气，第一主体区段41A可以，比如经由气体泵，与气体流动系统41的惰性气体供应室流体连接。可替换地，如果是用来接收从室13取出的气体，第一主体区段41A可以，如经由过滤器单元71，与气体存储器流体连接。
门41B包括第一打开结构45A。第一打开结构45A被设置在关于门31的一位置处，从而，在门31的关闭状态，气体能从例如构建平台区段23A的上方的加工部位被释放或者接收。特别地，第一打开结构45A位于从构建平台区段23A的Y方向。
气体流动系统41还包括第二主体区段52，第二主体区段52有第二打开结构55。第二打开结构55关于构建平台区段23A定位于第一打开结构45A对面。例如，第二打开结构55可集成到主体11的背侧18内。
总的来说，气体流动系统41被配置成将气体从第一打开结构45A和第二打开结构55释放到室13内，并且经由相应的其他开口接收包括烟雾的气体。由于第一开口结构45A和/或第二开口结构55的定位离加工部位很近，烟雾可以有效地被从目标形成室13导出，并且从而避免或至少减少对激光系统51的光学元件的污染。
总的来说，气体流动系统41被配置成闭环系统或者由分开的系统(例如一个供给区段和一个接收区段)组成，其中被移除的气体可以在重新使用之前被加工和清洁。
再参见图1，第一主体区段41A包括一个主体端口43A，例如位于前壁15的前框架15A处。门31包括相应的门端口43B，其是门区段41B的一部分，并且被流体连接至第一打开结构45A。在门31的关闭状态，主体端口43A与门端口43B被设置成形成气体流动系统41的第一主体区段41A和门区段41B的流体连接。
另外，如图1可见，装置1包括门密封系统，用于提供沿着周向密封路径在门31和前壁15之间的紧密封。周向密封路径例如围绕设置在门31内的观察窗53延伸。例如，主门垫圈61可以与设置在前框架15A处的相反的主体垫圈61B相互作用。特别地，周向密封路径与相似的主门垫圈61A和主体垫圈61B围绕开口17延伸，由此在门31的关闭状态，气密密封室13。
如图1所示，主体垫圈61B也围绕主体端口43A延伸，并且主门垫圈61A同样地也围绕门端口43B延伸。相应的，第一主体区段41A和门区段41B之间的流体连接设置于密封的室13中，从而从该流体连接的任何渗漏被释放到密封的室13中，而不会流入周围环境。
如图1所示，当形成流体连接时，垫圈63A和63B为主体端口43A和门端口43B提供了气密密封。
特别地如图3和4所示，第一开口结构45A和第二开口结构55竖直定位于工作表面21上方，即，它们在Z方向上移动。例如，在Z方向上的位移在0厘米到5厘米的范围内，比如2厘米。
另外，如图2和3可见，第一开口结构45A和/或第二开口结构55的侧向延伸，即在X方向的延伸，与加工部位的侧向延伸可比较。例如，在10厘米到15厘米范围内侧向延伸用于具有大约10厘米的直径的加工部位，例如，大致关于相同尺寸或者更大。这允许提供，至少在一定程度上，横跨加工部位的线性流动轮廓。提供理想流动配置的可替代配置在下面结合图8和图9描述。
气体流动系统41的门区段41B的第一个示范性实施例将在接下来结合图5至7解释。
图5示出了门31的一区段，它包括门端口43B和第一开口结构45A。特别地，门31包括门板131和盖板133。盖板133用螺钉135连接到门板131上。在门板131和盖板133之间形成通道137。通道垫圈137A将通道137密封，通道垫圈137A定位于门板131和盖板133之间并且围绕通道137。当门31关闭时，门端口43B被部分地显示并且在气体流动系统41的第一主体区段41A和通道137之间提供流体连接。
图6示出了沿门31内的通道137的剖面图，而图7示出了在第一开口结构45A的部位中通过门31的Z方向上的剖面图(竖直切割)。
特别地，示出了第一开口结构45A由单独的单元制成，它包括一系列的通孔145A。每个通孔145A处于封闭状态在Y方向上延伸，该系列的定向为在X方向上。如图6还显示，第一开口结构45A沿着该系列通孔145A渐缩，从而——对于气体通过第一开口结构45A释放的情况——由于气体通过第一对通孔145A离开沿X方向的压降被位于下游的通孔补偿。例如，通道137的横截面沿着第一开口结构45A的延伸变窄至约50％。然而，应注意，压降和它的影响可以大致取决于压力范围、通道137的尺寸和通孔145A的尺寸。
替换地或者另外地，例如，通孔的形状和/或尺寸可以被调整，以改变该系列通孔的流动阻力。
以上是通道形成的示范性实施例，该通道形成基于一些类型的凹进部，该些类型的凹进部设置在门里并且被一些结构元件覆盖(即作为集成的部分)。而如图5到图7中所示的通道137设置于门板131内，替换地或者另外地，通道137可以形成于盖板133中以形成门区段41B，成为门31的集成的部分。
图8和图9中显示了门区段41B的可替代配置。
在图8的实施例中，单独的通道单元141B被连接至门31的内表面47(作为单独的部分)，其被主门垫圈61A界定。因此，主体11的前壁15需要适配，以提供主体端口43A的后放位置。单独的通道单元141B可以延伸至室13内，因此关于构建平台区段23A提供甚至更近的气体的释放/接收。此外以及与门集成式的配置相对比，单独的通道单元141B提供了对现有的门设计改造现有的气体流动系统可能性。
单独通道配置的另一个例子可以基于刚性或挠性管，该刚性或挠性管被连接在门31处或者引导通过门31。在一些实施例中，这些管可以经由门端口43B和主体端口43A被流体连接至第一主体区段41A。一般来说，对于门区段41B可以提供集成的配置和单独部件配置的结合。
图9显示一种配置，其中门区段41B包括多于一个通道和/或每通道多于一个开口结构。延伸至门31的不同位置的通道可以允许从不同位置将空气释放至形成室13内，并且从而在室13内形成所需的流动分布。
例如，图9中示出了，两个侧向位移的开口结构245A和245B，以在更大侧向范围提供横跨构建平台区段23A的线性气流。侧向位移的开口结构245A和245B被流体连接有和例如供应有通过公共通道237的气体。
图9还显示了竖直(Z方向)延伸的第二通道237A，以在离工作表面21一定高度的室13的部位中提供惰性气体。特别地，通道237A与开口结构245C流体连接，该开口结构245C包含竖直设置的通孔的序列，以释放/接收气体。
另外，图9示意图示了双向阀239作为例子，用于通过不同通道的阀控气体供应/接收。特别地，双向阀239被配置成选择性地流体连接通道237和/或通道237A与门端口43B。因此，根据加工的种类或者加工的阶段，可以启动的室13烟雾去除和/或例如冷却/加热。
如上所述，当粉末类型之间切换时，气体流动系统的不同配置(例如，部分地集成在门内或者作为安装在其上的单独的部分)可以简化不同的粉末类型之间的改变和简化对任何不需要的粉末(例如，具有颗粒大小在几到几十微米范围内粉末)的清洁。特别地，对于集成配置，这可以通过在一些增加的管道和门的主结构之间没有增加的表面结构，如边缘，角落，狭窄的凸起或者凹进部。
此外，通过提供从背侧到门或者相反(即沿图中所示Y轴方向或者反方向)的气流，该公开的配置允许惰性气体能被提供至加工部位和从加工部位取走，即从构建平台区段的上方。因此，发现从加工部位的任何烟雾后，气体可以直接被从目标形成室排出。因此，大部分的烟雾可以直接从目标形成室去除，而不会让任何(大量的)烟雾分布至室内的其他区域。
此外，例如，提供在气体流动系统的气体接收区段处的过滤器可以通过更换该过滤器来简化气流系统的维护。
此外，在此公开的配置可以提供横向(即沿Y方向)的流动，并且因此实质上独立于存放装置的移动，特别地，如果其在Y方向刷状延伸。另外，通过将相应的开口结构集成到门内——例如，关闭的门在理想的位置将气体引导和导向到室内——气体流动系统在目标形成室内的所需空间量被减少。另外，提供在门处的打开结构，提供了在门的打开状态接近目标形成室的更多空间。
另外，气体流动系统可以包括控制单元，当门打开时该控制单元中断惰性气体至门区段41B的任何控制，和/或该控制单元控制例如门内的阀，以选择通道。
另外，如图6所示，在一些实施例中，开口结构被设计成特定的可去除的插入件(即流动形成单元)。它的形状可以被改变，以适配例如特定的制造工艺，因此通过简单的交换就可以保证在不同的条件下所需范围内的均匀流动分布。例如，所需均匀流动在Z方向的延伸可以根据加工对象的大小来决定。
总的来说，在此公开的不同密封可以通过形状密封和/或垫圈密封或基于O形圈的密封来进行。
最后，此处公开的概念的能应用的增材制造机例子包括选择性激光烧结机或者选择性激光熔化机，如TRUMPF下的TRUMPF SISMA生产的“mysint100”。
虽然本发明优选实施例已在此描述，但在不偏离以下权利要求的范围前提下，可以结合改进和修改。

Claims (14)

1.一种用于从粉状材料(5)增材制造三维目标(3)的装置(1)，所述装置(1)包括：
主体(11)，所述主体提供目标形成室(13)，并且在所述主体(11)的前壁(15)内，提供用于进入所述目标形成室(13)的开口(17)；
工作面(21)，所述工作面界定了目标形成室(13)并且具有用于在其上制造三维目标(3)的构建平台区段(23A)；
门(31)，所述门设置在前壁(15)处并且可被定位成在关闭状态中密封所述开口(17)并且在打开状态中提供进入所述目标形成室(13)的通路；
气体流动系统(41)，所述气体流动系统用于提供横跨所述构建平台区段(23A)的气体流动(42)，所述气体流动系统(41)包括在所述主体(11)内延伸的第一主体区段(41A)和为所述门(31)的集成或附接的部分的门区段(41B)，其中所述门区段(41B)包括第一开口结构(45A)，该第一开口结构(45A)设置成在所述门的关闭状态中将气体释放至所述构建平台区段(23A)或者从所述构建平台区段(23A)接收气体。
2.如权利要求1所述的装置(1)，其中所述气体流动系统(41)还包括第二主体区段(52)，该第二主体区段(52)具有关于所述构建平台区段区段(23A)与所述第一开口结构(45A)相反的第二开口结构(55)，其中所述第一主体区段(41A)、所述门区段(41B)和所述第二主体区段(52)特别地提供用于通过所述目标形成室的气体的再循环流动路径。
3.如权利要求1或权利要求2所述的装置(1)，其中所述气体流动系统(41)被配置成在所述三维目标(3)的制造期间将气体从所述第一开口结构(45A)和所述第二开口结构(55)中的一个释放到所述目标形成室中并且在所述门(31)的关闭状态中从相应的另一开口接收包括烟的气体。
4.如前述权利要求中的任一项所述的装置(1)，其中所述第一主体区段(41A)包括主体部分(43A)并且所述门区段(41B)包括门端口(43B)，所述门端口相对于彼此设置以在所述门(31)的关闭状态中在所述第一主体区段(41A)和所述门区段(41B)之间提供流体连接。
5.如权利要求4所述的装置(1)，还包括用于沿着围绕所述开口(17)的周向密封路径在所述门(31)和所述前壁(15)之间提供密封的门密封系统，特别是，将所述目标形成室(13)密封成气密，
其中所述第一主体区段(41A)和所述门区段(41B)之间的流体连接被设置在所述密封的目标形成室(13)内，从而特别是所述流体连接的泄漏被释放到所述密封的目标形成室(13)内。
6.如前述权利要求中的任一项所述的装置(1)，其中所述气体流动系统(41)还包括在相应的开口结构(45A、55)下游或者在接收气体处被连接至所述开口结构(45A、55)的过滤器单元(71)。
7.如前述权利要求中的任一项所述的装置(1)，其中所述门(31)包括由所述密封路径界定的内表面(47)，并且其中所述门端口(43B)被设置在所述内表面(47)上；和/或
所述门(31)包括门板(131)，和至少一个通道(137)和/或至少一个通道单元(141B)，其中所述至少一个通道(137)和/或至少一个通道单元(141B)流体地连接，作为所述气体流动系统(41)的所述门区段(41B)的一部分，至少一个开口结构包括具有所述门端口(43B)的所述第一开口结构(45A)，并且其中所述至少一个通道(137)被集成在所述门板(131)中并且所述至少一个通道单元(141B)被附接到所述门(31)上并且特别是在所述内表面(47)上延伸。
8.如前述权利要求中的任一项所述的装置(1)，其中所述第一开口结构(45A)和/或所述第二开口结构(55)相对于所述构建平台区段(23A)和/或沿所述开口(17)的侧向方向、面对所述构建平台区段(23A)地位于0cm至5cm，例如，大致2cm的高度处。
9.如前述权利要求中的任一项所述的装置(1)，其中所述门区段(41B)包括形成所述第一开口结构(45A)的第一流动形成单元，所述第一流动形成单元特别是被附接到所述门板(131)上和/或被集成到所述门板(131)中，和/或
其中所述第二主体区段(52)包括形成所述第二开口结构(55)的第二流动形成单元，所述第二流动形成单元特别是被附接到背侧(18)上和/或被集成到背侧(18)内，该背侧(18)在与所述门(31)的相反侧处界定所述目标形成室(13)。
10.如权利要求9所述的装置(1)，其中所述第一流动形成单元和/或所述第二流动形成单元被定位和配置成，分别横跨所述构建平台区段(23A)，特别是均匀地，导向气体和/或替换地接收源于所述构建平台区段(23A)的气体烟雾，由此特别是增强了横跨所述构建平台区段(23A)的气流(42)。
11.如前述权利要求中的任一项所述的装置(1)，其中所述门(31)还包括第二开口结构(245A、245B)和/或第二通道(237A)和特别是切换单元(239)，该切换单元(239)用于选择性控制从所述门端口(43B)至一个或多个通道(137,137A)的流体连接，该一个或多个通道(137,137A)各在所述门(31)的相应位置处具有开口结构(245A、245B、245C)。
12.如前述权利要求中的任一项所述的装置(1)，其中用于将气体释放到所述气体形成室(13)中的所述开口结构和/或所述通道(137)被配置成沿着所述开口结构补偿压力和流动变化。
13.一种用于移除在用于利用在具有目标形成室(13)的加工部位中从粉状材料(5)增材制造出三维目标(3)的装置(1)的操作期间所产生的烟雾的方法，所述方法包括：
提供气体流动(42)，该气体流动(42)横跨在前壁(15)处界定所述目标形成室(13)的门(31)与关于所述加工部位在与所述门相反侧处界定所述目标形成室(13)的背侧(18)之间延伸。
14.如权利要求13所述的方法，其中，为了形成了气体流动(42)，气体被从所述门(31)处的开口结构释放或接收，该开口结构特别是被流体地连接至用于增材制造的所述装置(1)的气体流动系统(41)的第一主体区段(41A)，和/或
其中用于增材制造的所述装置(1)是根据权利要求1到11中的任一项配置的。
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