CN107052332A - 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

本发明设计一种用于制造在空间上延展的产品的3D打印设备，其包括至少一个激光源，激光辐射(1，1′，1″)能从所述激光源中射出，一个工作区域(4)，给该工作区域输送或能输送需以激光辐射(1，1′，1′’)施加的用于3D打印的原材料，其中，所述工作区域(4)设置在3D打印设备中，使得激光辐射(1，1′，1″)射到工作区域(4)上，以及扫描装置，这些扫描装置尤其是构造成可动的反光镜(2，12，13)，所述扫描装置能将激光辐射(1，1′，1″)有针对性地输送给工作区域(4)中的期望位置，其中，所述至少一个激光源设计成使得在所述设备运行中在工作区域(4)上彼此间隔开距离地产生激光辐射的多个入射点或入射区域。

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。
开头所述类型的设备例如由Sabina Luisa Campanelli、Nicola Contuzzi、Andrea Angelastro和Antonio Domenico Ludovico(2010)的“Capabilities andPerformances of the Selective Laser Melting Process，New Trends inTechnologies：Devices，Computer，Communication and Industrial Systems，Meng JooEr(Ed.)”，ISBN：978-953-307-212-8，InTech(也见：http：//www.intechopen.com/books/new-trends-in-technologies--devices--Computer--communication-and-industrial-systems/capabilities-and-perfor mances-of-the-selective-laser-melting-process)。图1示意性示出已知设备的一部分。
在那里，准直的激光束1从左侧射到两个可的反光镜2上，图中仅示出其中一个反光镜。两个反光镜2使得激光辐射1沿两个相互垂直的方向转型，以便能够在工作平面4中沿两个相互独立的方向实现扫描。反光镜例如可以构造成电镀反光镜。激光辐射从反光镜起经由构造成F-θ物镜的光学装置3偏转到工作平面4上，使得激光辐射1的聚焦面基本上在工作平面4中。反光镜2在此可以将激光辐射有针对性地引导向工作平面4中的多个点，在这些点中应该为粉末状的原材料施加激光辐射。反光镜2和光学装置3通常被集合在标准激光头中。
这种3D打印设备的缺点在于：通过点状地扫描工作平面来制造较大的产品在某些情况下需要很长时间。
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：至少一个激光源设计成使得在所述设备运行中，在工作区域上彼此间隔开距离地产生激光辐射的多个入射点或入射区域。
在此可以设定：在3D打印设备的运行中通过激光辐射在工作区域中的多个彼此间隔开距离的入射点或入射区域来同时在多个部位使粉末状的原材料硬化，以这种方式缩短制造产品的时间。
存在的可能性是：扫描装置包括至少一个可动的反光镜和至少一个不可动的反光镜，特别是所述至少一个可动的反光镜大于所述至少一个不可动的反光镜。
可以设定：3D打印设备包括至少两个激光源，从所述激光源中可以分别射出一个激光辐射，特别地，所述至少两个激光源的射出面在垂直于激光辐射平均传播方向的平面中彼此间隔开距离。可以实现的是：所述至少两个激光源的激光辐射可以被同时有针对性地引入到工作平面中，从而相应缩短加工时间。
存在的可能性是：扫描装置包括多个不可动的反光镜，所述至少一个不可动的反光镜中的至少一个不可动的反光镜配属给其中每个激光辐射。
可以设定：扫描装置包括一个或多个可动的反光镜，在3D打印设备运行中，多个激光辐射尤其是全部激光辐射从所述反光镜转型。以这种方式可以设置例如一个或两个可动的大反光镜，多个激光辐射尤其是全部激光辐射由所述可动的大反光镜转向。所述大反光镜对于大的激光功率比较不敏感。此外还可以将其它运动系统作为电流促动器(Galvanoaktuator)用于所述大反光镜的运动，使得系统总体上更牢固并且成本更低廉。
可以设定：扫描装置设计成使得激光辐射在工作区域上的入射点或入射区域可以沿以下方向运动，激光辐射的入射点或入射区域沿着该方向并排设置。通过这种运动，工作区域的需施加激光辐射的区域被多次短促地依次施加激光辐射。由此能减小各个焦点的作用持续时间，因为通过接连施加仍然可以在所述区域中施加充足的能量，以便将原材料例如熔化。以这种方式可以增大焦点在工作平面上运动的速度，因此总体上同样可以缩短加工时间。
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示出根据现有技术的3D打印设备示意图；
图2示出根据本发明的3D打印设备第一实施方式的示意图；
图3示出用于根据本发明的3D打印设备的多个激光源的示意图；
图4示出用于说明图2所示的根据本发明的3D打印设备的功能的示意图；
图5示出根据本发明的3D打印设备第二实施方式的示意图；
图6示出根据本发明的3D打印设备的第三实施方式的示意图；
图7a示出用于根据本发明的3D打印设备的多个激光源的射出面的第一布局的示意图；
图7b示出用于根据本发明的3D打印设备的多个激光源的射出面的第二布局的示意图；
图7c示出用于根据本发明的3D打印设备的多个激光源的射出面的第三布局的示意图；
图7d示出用于根据本发明的3D打印设备的多个激光源的射出面的第四布局的示意图；
图8示出焦点在用于根据本发明的3D打印设备的工作平面中的第一种布局的示意图；
图9示出焦点在根据本发明的3D打印设备的工作平面中的第二布局的示意图；
图10示出根据本发明的3D打印设备的第四实施方式的示意图；
图11示出第二实施方式的与图5相应的视图，其中示出焦点在工作平面中的运动；
图12示出第四实施方式的与图10相应的视图，其中示出焦点在工作平面中的运动；
具体实施方式
在附图中，相同和功能相同的部件设有相同的附图标记。
在图2示出的根据本发明的3D打印设备的实施方式中，除了第一激光源之外还设置有第二激光源，从而产生附加的激光辐射1′。第二激光源的射出面在垂直于激光辐射1、1’的平均传播方向的平面中与第一激光源的射出面间隔开距离，特别是间隔开在10μm至10mm之间、例如约100μm的距离。在工作平面4中，激光辐射1、1’同样彼此间隔开距离入射(例如见图2)。
激光辐射1、1’的传播方向略微相互倾斜，使得它们在反光镜2上或者在其前面不远处或在其后大致共同入射。两个激光辐射1、1’由反光镜2同时并且共同转向。
3D打印设备在反光镜2前具有另外的光学装置3′，这些另外的光学装置同样可以构造成F-θ物镜、例如与光学装置3完全相同。但是绝对也存在如下的可能性，即，设置其它形式的光学装置3′，它们例如具有不同于光学装置3的焦距。
还存在的可能性是：完全弃用光学装置3′，并且激光辐射1以及激光辐射1’可以作为很大程度准直的激光辐射射向反光镜2。激光辐射1、1’的传播方向在这里也应略微相互倾斜，使得它们在反光镜2上或者在其前面不远处或者在其后面大致共同入射。
也可以取代两个激光源采用两个以上的激光源，如图2所示例如25个激光源亦或25个以上的激光源。图7a至7d示出多个激光源的射出面5的示例性布局。这些激光源例如例如设置成一排(图7a)或设置成十字形(图7b)。也可以形成圆形(附图7d)或间距较大的行列形式(图7c)。也可以是其它布局。
通过工作平面4中的例如多个并排设置的焦点可以同时在多个部位上使粉末状的原材料硬化，从而可以由此缩短用于制造产品的时间。这相应地也适用于激光源射出面的其它布局。
图4表明不同激光辐射1、1’的焦点在工作平面4中同时运动。为此示出不同的反光镜位置。
图8示出焦点11在工作平面中的线状布局。其沿线纵向运动如通过箭头v所示出的那样。通过沿线纵向方向的运动对工作平面的需施加激光辐射的区域多次短促地依次施加激光辐射。由此能减小各个焦点11的作用持续时间，这是因为通过接连施加仍然可以将充足的能量置入到所述区域中，以便将原材料例如熔化。
以这种方式可以增大焦点11在工作平面上运动的速度。因此总体上同样可以缩短加工时间。
图9示出焦点11在工作平面中的多个相互平行的线的布局的实施例。这些焦点沿平行线的线纵向运动如通过箭头v表示的那样。
通过平行线的沿纵向的运动同时对工作平面的多个需施加激光辐射的区域多次短促地依次施加激光辐射。由此能缩短各个焦点11的作用持续时间，因为通过接连施加仍然可以将充足的能量置入到这些区域中，以便使原材料例如熔化。
与图8的区别在于：在图9所示的实施方式中，所述熔化在多个区域中并行完成。因此总体上可以进一步缩短加工时间。
图3表明，与使用多个尤其是25个示意性示出的激光源6一样，例如可以实现用于激光辐射1、1′、...的多个尤其是25个射出面的菱形布局。
在所示的实施例中，激光源作为光导纤维7的射出端示出。完全也可以使用其它激光源。
光导纤维7的端部以横断面为菱形的聚束，其中，从该聚束中射出的激光辐射1、1′、...在适当的反光镜8上偏转之后射向所述另外的光学装置3′。
图5表明：如通过适当地选择多个激光源和具有多个反光镜2和多个未示出的光学装置的多个激光头一样，在工作平面中可以实现一排例如100个以上的焦点11。为此可以将多个具有反光镜2的激光头并排设置并且分别给其施加多个、例如10个激光辐射1、1′、1″、...。反光镜2可以相互垂直或者可以围绕两个相互垂直的轴线枢转。
图6示出一种类似的布局，其中激光辐射1、1′、...从两个不同侧射向这里设置成相互平行的两排9、9’的反光镜2。在此在工作平面中也产生如100个或更多个焦点11的一长排。
图10示出一种布局，其有别于图5，相互垂直的反光镜2不是可动的，而是不可动的。与图5类似，每个通道或者每个激光源分别采用两个这种反光镜2。
为了使得焦点11在尽管反光镜2不可动的情况下仍然在工作平面中运动，在反光镜2的前面、下面、后面分别设置有至少一个可动的反光镜12、13。这些反光镜12、13长形构造并且可以同时使得激光辐射1、1′、1″中的多个激光辐射或所有激光辐射转向。尤其利用压电促动器14、15实现反光镜12、13的枢转。
第一反光镜12的运动引起焦点11沿多个焦点11并排设置的纵向16的运动。第二反光镜13的运动引起焦点11沿垂直于纵向16的方向的运动。
显而易见，第一反光镜12例如可以仅在±0.15°的范围内以60Hz的频率运动，与此相反，第二反光镜13可以在±15°的范围内以0.005Hz的频率运动，以便使焦点11在工作平面4中实施所期望的运动。基于这些缓慢的运动或者小振幅的运动，可以使用驱动器的如压电促动器14、15的其它实施方式来替代电镀反光镜(Galvanospiegel)。
可以从沿第一方向和与其垂直的第二方向的运动来实现光束的锯齿形运动。图11以类似于图5的视图示意性说明各个焦点11的锯齿形运动。图12以类似于图10的视图示意性说明各个焦点11的锯齿形运动。

Claims (15)

1.用于制造在空间上延展的产品的3D打印设备，其包括
-至少一个激光源，激光辐射(1，1′，1″)能从所述激光源中射出，
-一个工作区域(4)，给该工作区域输送或能输送需以激光辐射(1，1′，1′’)施加的用于3D打印的原材料，其中，所述工作区域(4)设置在3D打印设备中，使得激光辐射(1，1′，1″)射到工作区域(4)上，以及
-扫描装置，这些扫描装置尤其是构造成可动的反光镜(2，12，13)，所述扫描装置能将激光辐射(1，1′，1″)有针对性地输送给工作区域(4)中的期望位置，
其特征在于，所述至少一个激光源设计成使得在所述设备运行中在工作区域(4)上彼此间隔开距离地产生激光辐射的多个入射点或入射区域。
2.根据权利要求1所述的3D打印设备，其特征在于，在3D打印设备的运行中通过激光辐射在工作区域(4)中的多个彼此间隔开距离的入射点或入射区域来同时在多个部位上使粉末状的原材料硬化。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的3D打印设备，其特征在于，扫描装置包括至少一个可动的反光镜(12，13)和至少一个不可动的反光镜(2)，特别地，所述至少一个可动的反光镜(12，13)大于所述至少一个不可动的反光镜(2)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的3D打印设备，其特征在于，所述3D打印设备包括至少两个激光源，从所述激光源中能分别射出一个激光辐射(1，1′，1″)，特别地，所述至少两个激光源的射出面(5)在垂直于激光辐射(1，1′，1″)的平均传播方向的平面中彼此间隔开距离。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的3D打印设备，其特征在于，扫描装置包括多个不可动的反光镜(2)，其中，所述不可动的反光镜(2)中的至少一个不可动的反光镜配属给其中每个激光辐射(1，1′，1″)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的3D打印设备，其特征在于，扫描装置包括一个或多个可动的反光镜(12，13)，在3D打印设备的运行中，激光辐射(1，1′，1″)中的多个激光辐射尤其是全部激光辐射(1，1′，1″)由所述可动的反光镜转向。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的3D打印设备，其特征在于，扫描装置设计成使得激光辐射在工作区域(4)上的入射点或入射区域能沿以下方向运动，激光辐射的入射点或入射区域沿着该方向并排设置。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的3D打印设备，其特征在于，所述3D打印设备包括光学装置(3)，所述光学装置特别是构造成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(3)能够使激光辐射(1，1′，1″)聚焦到工作区域(4)中。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的3D打印设备，其特征在于，在所述至少两个激光源与所述扫描装置之间设置有附加的光学装置(3′)。
10.根据权利要求9所述的3D打印设备，其特征在于，所述附加的光学装置(3′)类似于或者相当于设置在扫描装置与工作区域之间的所述光学装置(3)，特别地，所述附加的光学装置(3′)同样构造成F-θ物镜或平场扫描物镜。
11.根据权利要求1至8中任一项所述的3D打印设备，其特征在于，在所述至少两个激光源与所述扫描装置之间没有设置另外的光学装置。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的3D打印设备，其特征在于，激光辐射(1，1′，1″)从所述至少两个激光源中在很大程度上准直地射出。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的3D打印设备，其特征在于，从所述至少两个激光源中的不同激光源中射出的激光辐射(1，1′，1″)的平均传播方向相互形成夹角、尤其是形成例如小于10°的小夹角。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的3D打印设备，其特征在于，激光源构造成光导纤维(7)的端部。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的3D打印设备，其特征在于，激光源构造成激光设备。
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