CN107498042A - 3d打印方法和3d打印装置 - Google Patents

Abstract

一种用于部件(1)的增材制造的3D打印方法，包括将成型材料(2)供给至3D打印装置(100)、使用监测装置(5)测定成型材料(2)的质量特征、使用分析装置(13)基于测得的质量特征分析成型材料(2)的产品质量、逐层沉积和液化成型材料(2)以及逐层固化(M5)液态的成型材料(2)。

Description

3D打印方法和3D打印装置

技术领域

本发明涉及一种用于部件的增材制造的3D打印方法并且涉及一种3D打印装置。特别地，本发明涉及在部件的增材制造期间监测所供给的材料的质量。

背景技术

在通常也称为“3D打印方法”的生成制造或增材制造方法中，从物体的数字化几何模型出发，一种或多种起始材料被按顺序地彼此层叠并固化。由此，例如在选择性激光熔化(SLM)期间，部件由成型材料(例如塑料材料或金属)逐层构建，其中成型材料以粉末形式被供给到基体上并选择性地通过局部激光辐射被液化，冷却后产生固态的、连续的部件。3D打印提供了非凡的设计自由度，尤其能够用合理量的支出生产通过常规方法不能生产或仅能用相当大的支出生产的物体。为此，3D打印方法目前广泛用于工业设计、汽车工业、航空航天工业或通常用于工业产品开发，其中节约资源的过程链被用于符合定制部件需求的小批量和大批量生产。

先前使用的粉末材料的粉末残渣、其他外来物和成型材料的污物能够影响由增材方法生产的部件的质量。因此，在3D打印方法中原则上有必要使供给的成型材料受到质量控制或相反地保证成型材料不被外来物或其他污物污染。例如，在使用所有的材料填充3D打印装置之前，可基于代表性样品在实验室环境中分析粉状成型材料的化学组成，例如，参见J.A.Slotwinski等人发表在国家标准与技术研究所研究杂志2014年第119卷中的题为“用于增材制造的金属粉末的表征”的文献。如果该样品满足要求，则可允许所有的成型材料用于打印。然而，如果成型材料未经检查的部分仍然具有缺陷或杂质，则这通常仅在打印之后的所生产的部件的后续检查中被注意到。这使得部件的增材制造非常耗时和成本增加，因为有缺陷的部件必须被作为不合格品被分离。

发明内容

考虑到上述情况，本发明的目的是寻找简单的解决办法在增材制造期间保证所要求的供给材料的质量。

根据本发明，该目的通过具有权利要求1的特征的3D打印方法和具有权利要求14的特征的3D打印装置来实现。

因此，提供了一种用于部件的增材制造的3D打印方法。所述3D打印方法包括将成型材料供给至3D打印装置、使用监测装置测定成型材料的质量特征、使用分析装置基于测得的质量特征分析成型材料的产品质量、逐层沉积和液化成型材料以及逐层固化液态的成型材料。

此外，提供了一种具有根据本发明的3D打印方法的用于部件的增材制造的3D打印装置。所述3D打印装置包括监测装置，其被配置为测定成型材料的质量特征，以及分析装置，其被配置为基于测得的质量特征分析成型材料的产品质量。

本发明基于的构思在于“在线”和原位监测增材方法内供给的材料的质量。为此，监测装置和/或分析装置可被直接集成在3D打印装置中或连接至3D打印装置。例如，分析装置可包括微处理器等，其也可快速地和自动地执行复杂的多元统计分析工序。例如，分析装置可被集成到3D打印装置的中央控制单元中。在本发明中，针对外来颗粒、错误的粉末、污物等等，当材料正被供给至3D打印装置时，原则上讲也在实际的打印工序的同时，材料(例如粉末、颗粒状材料或固体或液体介质)可被检验。因此能直接原位检测出成型材料中相应的质量缺陷。

这具有相当大的优点，在于可以任选地停止实际的打印工序，校正缺陷和/或去除和/或纯化有问题的材料，并且打印工序因此能够继续。由于本发明，可降低缺陷发生的概率，并且最终可降低部件的失败概率。最后，可由此降低受不利影响或质量不足的成本。此外，通过缺陷或问题的早期检测，可极大程度地提高整个打印工序的效率。

3D打印方法是尤其有利的，因为所述方法允许在最初成形方法中生产三维部件而不需要适应部件的外部形状的特定的制造工具。因此，能够有用于部件和元件的高效的、节省材料和节省时间的生产方法。尤其有利的是这种类型的3D打印方法用于航空航天领域的结构部件，因为在所述领域中使用适用于特定目的的许多不同的部件，其可在生产所需的生产系统中通过这种类型的3D打印方法以低成本、短交货周期和简单的方式生产。

本申请意义内的3D打印方法包括所有的生成制造或增材制造方法，其中，基于几何模型，借助于化学和/或物理工序在特定的生成制造系统中通过无形状的材料(如液体和粉末)或中立形状的半成品(如带形或线形材料)来制造具有预定形状的物体。本申请意义内的3D打印方法使用增材方法，其中起始材料以预定形状被按序逐层构造。

可参考附图在另外的从属权利要求和说明中得到有利的实施方式和改进。

根据一种改进，可在供给工序期间进行质量特征的测定和产品质量的分析。成型材料的监测也可以用来大体上检验材料质量，例如，以便监测粉末在多个打印周期内增进的老化。因此也能够实现3D打印装置的参数优化，并因此实现打印质量的优化。

根据一种改进，成型材料可被连续供给。

根据一种改进，仅通过随机抽样针对所供给的成型材料的一部分测定成型材料的质量特征。例如，根据成型材料的体积/质量流率，可检验材料的整体或仅检验其一部分。例如，当材料被连续地供给时，粉末的特定部分可被连续地分出来并经受统计评价。

根据一种改进，当被分析的产品质量不满足预定的质量条件时，逐层的沉积和液化可被中止。例如，当在粉状的成型材料中检测到特定的外来物时，或当粉末的杂质严重程度超过特定的污物阈值时，打印工序可被中止。例如，在第一步骤中，3D打印装置可使用粉状的钛。如果假设在第二步骤中从钛换成粉状的铝，那么不希望的钛残留物可能仍留在供给到3D打印装置的粉末中，该残留物会减弱要被打印的铝部件的所需性质。通过本发明，可以在继续打印工序之前局部地检测和选择性地消除这种杂质。

根据一种改进，当被分析的产品质量不满足预定的质量条件时，成型材料可被纯化。因此，例如在粉状的成型材料被外来物污染的情况下，不仅打印工序可被中止，外来物和/或其他杂质也可以被自动地除去。一般而言，成型材料可经受相对必要的加工或纯化，例如，其中除去湿气等。打印工序可随后使用纯化的成型材料来继续。在本改进中本发明的效率因此进一步提高。

根据一种改进，确定质量特征可包括一种方法，该方法来自包括光谱测定法、气体传感器法、光学法和电学法等的组。例如，能够基于化学传感器来执行气体传感器法，该化学传感器将一些成型材料转化成气态，例如通过提供热能来转化，在该状态下所述材料可被定量地研究(称之为电子鼻)。

方法可从包括X射线光谱测定法、电子光谱测定法和红外光谱测定方法等的组中选择。可能的电子光谱测定法例如为光电子能谱、俄歇电子能谱、电子束微量分析或电子能量损失谱。X射线光谱测定法包括X射线吸收谱、X射线发射谱、光电子能谱、X射线荧光分析、能量色散X射线谱以及，例如波长色散X射线谱。然而，原则上，本领域技术人员所熟知且适于本发明目的的任何方法或多个这种方法的组合也可用于这个例子中。

方法可包括涡流法。涡流法是一种用于非破坏性材料试验的电学法，其可用于检验导电性材料，例如金属粉末。在这种情况下，涡流可在成型材料中通过交替的磁场引发。在测量期间，可借助于传感器通过涡流所产生的磁场来检测涡流密度。在这种情况下，利用的是在导电性材料中的杂质具有与材料本身不同的导电率或不同的磁导率的事实。

根据一种改进，可采取粉末形式供给成型材料。

根据一种改进，成型材料可从包括金属材料、金属材料组合物和金属合金的组中选择。

根据一种改进，成型材料可从包括铝、钛、镍或它们的合金的组中选择。

根据一种改进，质量特征可从包括纯度、湿润度、外来物的污染度和杂物的污染度等的组中选择。考虑的其他质量特征例如包括粉末的尺寸或粒径以及其粒径分布或形状分布。此外，成型材料的孔隙度、密度、热性质、表面积和/或表面结构和/或微结构等被认为是质量特征。这些质量特征可影响打印方法的不同方面。例如，形变和流动特性显著地通过成型材料的几何性质来确定，该几何性质例如为粉末颗粒的尺寸和形状，其继而可影响成型材料在沉积期间的足够连续的供给和分配。外来物和杂质可影响所打印的部件的机械完整性，而孔隙度可确定烧结或熔化性质并且最终确定部件将来的密度。例如，粉状的成型材料可被湿气、水、油、脂肪等等渗透。然而，根据本申请微量的这些杂质可以是无关紧要的，并且因此可以仅在污染度超过预定阈值之后中止打印工序。基于质量特征，本领域技术人员将选择相应的方法用于测定。基于测得的质量特征，尤其是可测定和分析材料批料的均匀性(例如粉末的均匀性)，因此可确定和评估在不同批料之间的偏差和波动。

上述的结构和改进可在适当情况下按需彼此结合。本发明的另外可能的结构、改进和实施也不包括先前或在下文中关于实施方式明确提到的本发明的特征的组合。尤其在这种情况下，本领域技术人员也将添加单独的方面作为本发明的各个基本形式的改进或补充。

附图说明

基于在示意图中所示的实施方式，将在下文中更详细地描述本发明，其中：

图1是用于执行根据本发明的一个实施方式的3D打印方法的3D打印装置的示意图；并且

图2是通过图1的3D打印装置执行的3D打印方法的示意性的流程图。

具体实施方式

附图用来提供本发明的实施方式的进一步理解。它们说明实施方式，并且与说明书一起使用来解释本发明的原理和构思。可从附图中得到其他实施方式和许多上述优点。附图的元件不一定彼此之间按比例示出。

在附图的标记中，除非另有规定，否则相似、功能上类似或具有相同效果的元件、特征和组件各自具有相同的附图标记。

图1是用于实施根据本发明的一个实施方式的3D打印方法M的3D打印装置100的示意图。图2是该类型的3D打印方法M的示意性的流程图。

3D打印方法用于部件1的增材制造。为此，3D打印方法M在M1中包括将成型材料2供给至3D打印装置100。此外，在M2中，3D打印方法M还包括使用监测装置5测定成型材料2的质量特征，并且在M3中使用分析装置13基于测得的质量特征分析成型材料2的产品质量。此外，在M4中，3D打印方法M包括逐层沉积和液化M4成型材料2，并且在M5中逐层固化M5液态的成型材料2。

在这种情况下，成型材料2可为塑料材料，或例如从包括金属材料、金属材料组合物和金属合金的组中选择。特别地，成型材料2可例如为钛、铝、镍、钢和/或它们的合金或材料组合物。例如，成型材料2可为铝/硅粉末，例如AlSi10Mg，或更先进的材料或材料混合物，例如等。此外，成型材料2可采取粉末形式被供给和沉积。

原则上，本发明提供用于液化成型材料2的各种可能性，其中热能可通过针对性的方式局部地引入被沉积的成型材料2中。特别地，利用激光和/或粒子束(例如电子束)是有利的，因为在这种情况下可通过极为针对性和受控的方式产生热能。因此，例如，3D打印方法M可从包括选择性激光烧结、选择性激光熔化、选择性电子束烧结和选择性电子束熔化等的组中选择。然而，原则上，可使用任何希望的增材方法。在下文中，通过举例的方式结合选择性激光熔化(SLM)来描述3D打印方法M，其中成型材料2以粉末形式供给到工作平台9并以针对性的方式通过激光束6的局部激光辐照被液化，在冷却后产生固态的、连续的部件1。

3D打印方法M通过图1的3D打印装置100实施。采取激光器12(例如Nd：YAG激光器)形式的能源将激光束6选择性地发射到粉状的成型材料2的粉末表面的特定部分上，该成型材料2置于操作室10中的工作平台9上。为此，可设置光学偏转装置或扫描器模块，如可活动的或可倾动的镜子7，其使激光束6根据其倾斜位置偏转到成型材料2的粉末表面的特定部分上。在激光束6的入射点处，成型材料2被加热，因此粉末颗粒局部熔化并且在冷却后形成结块。激光束6基于数字生产模型扫描粉末表面，例如，该数字生产模型通过CAD(计算机辅助设计)系统提供和任选地加工。在成型材料2的表面层中的粉末颗粒选择性地熔化和局部结块之后，不结块的过量的成型材料2可被清除。工作平台9然后通过降低活塞11被降低(参见图1的箭头)，并且新的成型材料2通过粉末供给装置8或其他合适的装置被从储存器输送到操作室10中。为了加快熔化过程，成型材料2可被红外光预热到工作温度，其仅低于成型材料2的熔化温度。以这种方式，在重复的生成构建方法中，三维烧结或“打印”的部件1通过结块的成型材料2生产。在这种情况下，周围的粉状成型材料2可用于支撑金属部件1的已经被构建到这一点的部分。通过工作平台9的连续的向下运动，通过逐层模型生成形成部件1。

所述3D打印方法M的特征在于，在沉积之前，成型材料2在供给到粉末供给装置8期间被检验和分析。在该情况下，成型材料2的整体或一部分被引导穿过监测装置5(参见图1箭头)，其中成型材料2的特定的质量特征被测定。例如，成型材料2的特定的部分可被连续的分流，并且其质量可被评估。例如，这种类型的质量特征可以为纯度、润湿度、外来物或其他杂物的污染度或其他代表性的和可测的变数，其提供成型材料2的等级或质量有关的信息。例如，被考虑的其他质量特征包括粉末的粒度。例如，粉状的成型材料可载有湿气、水、油、脂肪等等，其中杂质的严重程度可因此通过合适的方法定量指示。提供的方法包括光谱测定法、气体传感器方法、光学法、电学法及为本领域技术人员所熟知的其他方法。例如，方法可从包括X射线光谱测定法、电子光谱测定法和红外光谱测定法等的组中选择。可能的X射线光谱测定方法尤其为X射线吸收谱、X射线发射谱、光电子能谱、X射线荧光分析、能量色散X射线谱以及，例如波长色散X射线谱。为了说明该方法，图1显示分析辐射3，其被引导在成型材料2(在这种情况下为粉末)上，相应的检测器4检测从被辐照的粉末中发出的辐射。然而，也可使用光学法、电涡流法或使用化学传感器或电子鼻的气体传感器法。所有成型材料2对于随后的打印方法仍然可用的非破坏性方法可以是尤其有利的。

基于以这种方式测得的质量特征3，成型材料2的产品质量通过分析装置13分析。利用监测装置5和分析装置13之间的通信(参见图1的箭头)，能够分析所供给的成型材料2的部件并且分析不希望的化学元素(如果存在的话)，并且检测其他外来物或外来颗粒或材料残留物。例如，形成评估结果可包括多变量的、即多维的分析方法，例如基于化学统计方法测量的辐射谱的分析方法。因此可以使用多变量数据分析领域已知的数学或统计学工具，因此甚至可以快速检测微小的杂质。本领域技术人员将能够因此在各种解析方法之间选择，以便得到分析的准确性和复杂性之间、最终即分析的持续时间的折中，该折中适于每种应用。在改进3D打印装置100时，可实施不同的分析方法和不同的测定方法，例如，所述方法可被储存在存储工具中，使用者能够从各种选项中选择。分析装置13现在可自动或半自动地或借助于通信通过人工输入来暂停或完全中止打印方法，并且给操作员提供有关产品质量的反馈。在评估了分析结果之后，3D打印装置可清除掉杂质。替代地或额外地，成型材料2具有不足产品质量的部分可被纯化和/或另外加工。随后，可以继续打印。特别地，以这种方式被纯化的成型材料2可继续使用。

本发明因此实现所供给的成型材料2的在线质量监测，这能够在实际的打印方法期间仍然检验使用的成型材料2，并且基于结果任选地中止打印和进行材料的替换和/或加工。此外，例如，借助于这种类型的在线检查，可测得和分析出材料批料的均匀性，因此可最终更好地确定和评估不同批料的问题。

描述的方法可主要用于运输工业的所有方面，例如用于机动道路车辆、轨道车辆或船舶，但是还可用于土木工程和机械工程工业。

在上述详细说明中，用于提高本陈述的说服力的各种特征已被总结在一个或多个例子中。然而应当清楚的是，在这种情况下上述描述仅仅是说明性的，不以任何方式限制主旨。所述描述用来覆盖各种特征和实施方式的所有的替代物、变型和等同物。鉴于上述描述，本领域技术人员基于他们的专业知识会即刻清楚许多其他的例子。

已经选择和描述了实施方式，以尽可能地表示本发明基于的原理和其可能的实际运用。因此，本领域技术人员可针对预定用途最佳地修改和使用本发明和其各种实施方式。在权利要求书和说明书中，术语“含有”和“包括”用作针对相应的术语“包含”的中性语言术语。此外，术语“一”和“一个”的使用不意味着从根本上排除以这种方式描述的多个特征与部件。

附图标记列表

1 部件

2 成型材料

3 分析辐射

4 检测器

5 监测装置

6 激光束

7 镜子

8 粉末供给装置

9 工作平台

10 操作室

11 下活塞

12 激光器

13 分析装置

100 3D打印装置

M 3D打印方法

M1 方法步骤

M2 方法步骤

M3 方法步骤

M4 方法步骤

M5 方法步骤

Claims (14)

1.一种用于部件(1)的增材制造的3D打印方法(M)，包括：

将成型材料(2)供给(M1)至3D打印装置(100)；

使用监测装置(5)测定(M2)成型材料(2)的质量特征；

使用分析装置(13)基于测得的质量特征分析(M3)成型材料(2)的产品质量；

逐层沉积和液化(M4)成型材料(2)；以及

逐层固化(M5)液态的成型材料(2)。

2.根据权利要求1所述的3D打印方法(M)，其中，在供给(M1)期间进行质量特征的测定(M2)和产品质量的分析(M3)。

3.根据前述权利要求中任一项所述的3D打印方法(M)，其中，成型材料(2)被连续地供给。

4.根据前述权利要求中任一项所述的3D打印方法(M)，其中，仅通过随机抽样针对所供给的成型材料(2)的一部分测定成型材料(2)的质量特征。

5.根据前述权利要求中任一项所述的3D打印方法(M)，其中，当分析的产品质量不满足预定的质量条件时，逐层沉积和液化(M4)被中止。

6.根据前述权利要求中任一项所述的3D打印方法(M)，其中，当分析的产品质量不满足预定的质量条件时，成型材料(2)被纯化。

7.根据前述权利要求中任一项所述的3D打印方法(M)，其中，测定(M2)质量特征包括来自包含有光谱测定法、气体传感器法、光学法和电学法的组中的方法。

8.根据权利要求7所述的3D打印方法(M)，其中，从包含有X射线光谱测定法、电子光谱测定法和红外光谱测定法的组中选择方法。

9.根据权利要求7所述的3D打印方法，其中，该方法包括涡流法。

10.根据前述权利要求中任一项所述的3D打印方法(M)，其中，采取粉末形式供给成型材料(2)。

11.根据前述权利要求中任一项所述的3D打印方法(M)，其中，从包含有金属材料、金属材料组合物和金属合金的组中选择成型材料(2)。

12.根据权利要求11所述的3D打印方法(M)，其中，从包含有铝、钛、镍或它们的合金的组中选择成型材料(2)。

13.根据前述权利要求中任一项所述的3D打印方法(M)，其中，从包含有纯度、湿润度、外来物的污染度和杂物的污染度的组中选择质量特征。

14.一种3D打印装置(100)，其用于使用根据权利要求1-13中任一项所述的3D打印方法进行部件(1)的增材制造，该3D打印装置包括：

监测装置(5)，其被配置为测定成型材料(2)的质量特征；以及

分析装置(13)，其被配置为基于测得的质量特征分析成型材料(2)的产品质量。