CN107848202B - 用于制造三维物体的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在一个装置(1)中通过逐层施加和选择性固化粉末状构造材料(13)来制造三维物体(2)的方法，所述方法具有以下步骤：通过沿运动方向(B1、B2)在所述装置(1)的施加面(10)上运动的涂布机(14)向所述施加面上的构造区上施加粉末状构造材料(13)的一个粉末层(31、32)；在对应于要制造的物体(2)的横截面的位置处使所施加的粉末层(31、32)选择性固化；以及重复所述施加步骤和所述选择性固化步骤，直至制造完成所述物体(2)。这里这样来执行至少一定数量的所选出的施加粉末层的步骤，使得所施加的粉末层(31、32)的高度沿涂布机(14)的运动方向(B1、B2)至少在粉末层的一个部段上是变化的、优选是单调地增大或减小的。

Description

用于制造三维物体的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于通过逐层施加和选择性固化粉末状构造材料来制造三维物体的方法和装置。
背景技术
这种类型的设备和方法例如在快速原型法、快速制模法和增材制造法中使用。这种方法的一个例子以名称“选择性激光烧结或激光熔化”已知。这里重复地施加粉末状的构造材料的薄层并通过利用激光射束选择性地照射与要制造的物体的横截面相对应的位置来选择性地固化每个层中的构造材料。
但这里，通常不是全部固化所需的能量都通过激光射束施加，而是可以在固化之前对构造材料进行预加热。DE 10 2005 024 790 A1记载了一种激光烧结装置，其中，通过能在工作平面上往复运动的涂布机施加粉末状的构造材料。为了对所施加的、但还没有烧结的粉末层进行预热，在工作平面上方设置辐射加热器。
但这里首先(在涂布机开始在工作平面上运动时)施加的构造材料受到辐射加热的作用时间比最后施加的构造材料长，并且加热的时间相应地更长。由此，沿涂布机的运动方向在所施加的层中形成不均匀的温度分布，这会在所制造的物体中导致质量下降。为了确保，最后施加的构造材料足够长地受到辐射加热作用，由此达到固化所需的工作温度，在施加粉末层之后和在用激光射束进行照射之前需要一定的等待时间。这对于制造物体所需的时间会产生不利影响。
发明内容
本发明的目的是，提供用于通过逐层施加和选择性固化粉末状构造材料来制造三维物体的改进的方法或改进的装置。这里改进特别优选是指，改进所制造的物体的质量和/或缩短其制造时间和/或使得相应的方法更为有效或高效率。
根据本发明，所述目的通过一种用于在一个装置中通过逐层施加和选择性固化粉末状构造材料来制造三维物体的方法来实现，所述方法具有以下步骤：
通过沿运动方向在所述装置的施加面上运动的涂布机向所述施加面上的构造区上施加粉末状构造材料的一个粉末层，
在对应于要制造的物体的横截面的位置处选择性固化所施加的粉末层，以及
重复所述施加步骤和所述选择性固化步骤，直至制造完成所述物体，
其中，这样来执行至少一定数量的所选出的施加粉末层的步骤，使得所施加的粉末层的高度沿涂布机的运动方向至少在粉末层的一个部段上是变化的，
并且其中，在涂布机在施加面上运动期间通过所述涂布机基本上竖直的运动来改变涂布机相对于施加面的涂布距离，和/或
在构造平台和/或底板上构造所述物体，在涂布机在施加面上运动期间通过所述构造平台和/或底板基本上竖直的运动来改变所述构造平台和/或底板相对于施加面的距离，和/或在涂布机在施加面上运动之前和/或期间，使所述构造平台和/或底板相对于所述构造平台和/或底板的基本上水平的定向平面倾斜。
所述目的还通过一种用于制造三维物体的装置的控制单元来实现，所述装置通过逐层施加和选择性固化粉末状构造材料来制造三维物体，所述控制单元构造成在运行中控制根据本发明的方法的步骤。
所述目的还通过一种用于通过选择性地、逐层地固化粉末状的构造材料来制造三维物体的装置来实现，所述装置包括：
能沿运动方向在施加面上运动的涂布机，用于将粉末状的构造材料的一个层施加到施加面的构造区上，以及
固化装置，用于在对应于要制造的物体的横截面的位置处选择性固化所施加的粉末层，
其中所述装置构造和/控制成，使得重复所述施加步骤和所述选择性固化步骤，直至制造完成所述物体，并且这样来执行至少一定数量的所选出的施加粉末层的步骤，使得所施加的粉末层的高度沿涂布机的运动方向至少在粉末层的一个部段上是变化的，
并且其中，在涂布机在施加面上运动期间通过所述涂布机基本上竖直的运动来改变涂布机相对于施加面的涂布距离，和/或
在构造平台和/或底板上构造所述物体，在涂布机在施加面上运动期间通过所述构造平台和/或底板基本上竖直的运动来改变所述构造平台和/或底板相对于施加面的距离，和/或在涂布机在施加面上运动之前和/或期间，使所述构造平台和/或底板相对于所述构造平台和/或底板的基本上水平的定向平面倾斜。
根据本发明用于在一个装置中通过逐层施加和选择性固化粉末状构造材料来制造三维物体的方法包括以下步骤：通过沿运动方向在所述装置的施加面上运动的涂布机向所述施加面上的构造区上施加粉末状构造材料的一个粉末层；在对应于要制造的物体的横截面面的位置处使所施加的粉末层选择性固化；以及重复所述施加步骤和所述选择性固化步骤，直至制造完成所述物体。这里，这样来执行至少一定数量的所选出的施加粉末层的步骤，使得所施加的粉末层的高度沿涂布机的运动方向至少在粉末层的一个部段上是变化的、优选是单调地增大或减小的。
关于术语“施加面”要指出的是，这里不是使用常用的并且在上面使用的术语“工作平面”而是使用这个术语，因为这(至少在根据本发明的方法的一些状态下)不是一定涉及平面，而是涉及倾斜的面。备选地，这里也可以采用“工作面”，这个工作面也不是一定必须是平坦的。
利用所述方法，例如可以通过减小一个层中的温度梯度以及通过缩短施加和固化之间的等待时间来提高所制造的物体的质量以及缩短所述物体的制造时间。
优选这样执行所述至少一个所选出的步骤或所述多个所选出的步骤，使得所施加的粉末层沿涂布机的运动方向仅在粉末层的一个分部段上是变化的。
由此，可以将改变粉末层所需的措施限制在确实需要所述措施的区域上。
为了改变所施加的粉末层的高度，优选在其在施加面上运动期间通过所述涂布机基本上竖直的运动来改变涂布机相对于施加面的涂布距离。附加地或备选地，在涂布机在施加面上运动期间通过所述构造平台和/或底板基本上竖直的运动来改变在其上构造物体的构造平台或底板相对于施加面的涂布距离。附加或备选地，在涂布机在施加面上运动之前和/或期间，使所述构造平台和/或底板相对于所述构造平台和/或底板的基本上水平的定向平面倾斜。
由此提供了多个备选的方法，利用这些方法可以沿涂布机的运动方向改变所施加的粉末层的高度。
施加粉末层的步骤优选在每次重复时交替地通过涂布机沿第一运动方向的运动和通过涂布机沿第二运动方向的运动来实现，其中选择性固化的步骤既在沿第一运动方向施加粉末层之后进行，也在沿第二运动方向施加粉末层之后进行，沿第一运动方向所施加的粉末层的高度至少在粉末层的一个部段上沿第一运动方向是变化的，和/或沿第二运动方向所施加的粉末层的高度至少在粉末层的一个部段上沿第二运动方向是变化的。
由此，所述方法能够有利地通过具有两个运动方向的涂布机来实现。
优选施加粉末层的步骤在每次重复时交替地通过涂布机沿第一运动方向的运动和通过涂布机沿第二运动方向的运动来实现，其中在沿第一运动方向施加至少一个粉末层并且沿第二运动方向施加至少一个粉末层之后才进行选择性固化的步骤，沿第一运动方向所施加的所述粉末层或各所述粉末层的高度至少在所述粉末层或各所述粉末层的一个部段上沿第一运动方向是变化的，和/或沿第二运动方向所施加的所述粉末层或各所述粉末层的高度至少在所述粉末层或各所述粉末层的一个部段上沿第二运动方向是变化的。
由此本发明可以在固化之前使用双重或多次涂布。
这里沿第二运动方向施加的粉末层的高度优选与沿第一运动方向施加的粉末层的高度互补地构成，从而两个所述施加的粉末层的总高度在任意位置都等于一个恒定的高度。
由此，每隔一个所施加的粉末层，各粉末层的表面相互平行。在双重涂布的情况下，由此对具有恒定高度的粉末层进行固化。
第二运动方向优选与第一运动方向是不同的、优选与第一运动方向是相反的。
由此根据本发明的方法可以有利地通过涂布机的往复运动来实现。
至少一个粉末层、优选多个、特别优选所有粉末层优选在其施加期间被加热。
由此例如粉末层在施加期间已经被预热并且这样更为快速地达到所需的工作温度。
优选根据粉末层正要固化的位置处的局部高度来改变所施加的粉末层的选择性固化的至少一个参数值。
由此例如防止了，由于粉末层的局部高度固化会过强或过弱。
所述固化优选通过利用能量辐射在要固化的位置选择性地扫描所施加的粉末层的表面来实现，其中根据粉末层在正要固化的位置处的局部高度改变命中粉末的能量辐射的参数值。作为基础的参数优选从能量辐射强度和/或功率和/或焦点，特别是焦点形状和/或焦点位置，和/或扫描速度中选择，利用所述扫描速度在已施加的粉末层的表面上引导能量辐射。
由此主要防止了，由于粉末层局部的高度向粉末层供应了过多或过少的能量。
根据本发明的计算机程序能装载到可编程的控制单元中，所述计算机程序具有程序代码结构，以便当在控制单元上执行所述计算机程序时执行根据本发明的方法的所有步骤。
由此特别是可以通过在控制单元中执行所述计算机程序来简单地执行根据本发明的方法。
根据本发明的控制单元用于制造三维物体的装置，所述装置通过逐层地施加和选择性固化粉末状构造材料来制造三维物体，所述控制单元构造成在运行中控制以下步骤：通过沿运动方向在所述装置的施加面上运动的涂布机向所述施加面上的构造区上施加粉末状构造材料的一个粉末层；在对应于要制造的物体的横截面的位置处选择性固化所施加的粉末层；以及重复所述施加步骤和所述选择性固化步骤，直至制造完成所述物体。这里所述控制单元构造成，这样来控制至少一定数量的所选出的施加粉末层的步骤，使得所施加的粉末层的高度沿涂布机的运动方向至少在粉末层的一个部段上是变化的、优选是单调地增大或减小的。
由此例如可以通过控制单元来执行根据本发明的方法。
根据本发明的用于通过选择性地、逐层地固化粉末状的构造材料来制造三维物体的装置包括：能沿运动方向在施加面上运动的涂布机，用于将粉末状的构造材料的层施加到施加面的构造区上；以及固化装置，用于在对应于要制造的物体的横截面的位置处选择性固化所施加的粉末层。这里所述装置构造和/控制成，使得重复所述施加步骤和所述选择性固化步骤，直至制造完成所述物体，并且这样来执行至少一定数量的所选出的施加粉末层的步骤，使得所施加的粉末层的高度沿涂布机的运动方向至少在粉末层的一个部段上是变化的、优选是单调地增大或减小的。
由此，可以通过用于制造三维物体的装置来执行根据本发明的方法。
所述装置优选还包含辐射加热器，用于在施加粉末层期间加热粉末层。备选地，也可以通过基于接触的加热装置来对粉末层进行(预)加热，所述加热装置例如是能在粉末层上移动的可加热的滚子和/或能临时放置到粉末层上的(特别是可加热的和/或通过压力作用起到加热作用的)加热膜。
由此，在施加期间就可以对粉末层进行预热，从而更为快速地达到必要的工作温度。
附图说明
本发明的其他特征和优点由根据附图对实施例的说明得出。
图1示出用于逐层制造三维物体的装置的一个实施例示意性的部分用剖视图示出的视图，所述装置适于执行根据本发明的方法。
图
图2a至c示出一个局部的放大的示意性剖视图并用于说明根据本发明的方法的第一实施形式，该局部在图1中用虚线框出。
图3a至c示出一个局部的放大的示意性剖视图并用于说明第一实施形式的第一变型，该局部在图1中用虚线框出。
图4a至c示出一个局部的放大的示意性剖视图并用于说明第一实施形式的第二变型，该局部在图1中用虚线框出。
图5a至c示出一个局部的放大的示意性剖视图并用于说明根据本发明的方法的第二实施形式，该局部在图1中用虚线框出。
图6a至c示出一个局部的放大的示意性剖视图并用于说明根据本发明的方法的第三实施形式，该局部在图1中用虚线框出。
图7a至c示出一个局部的放大的示意性剖视图并用于说明根据本发明的方法的第四实施形式，该局部在图1中用虚线框出。
具体实施方式
下面参考图1来说明适于执行根据本发明的方法的装置1的实施例。在图1中示出的装置是激光烧结或激光熔化装置1。为了构造物体2，所述装置包括具有腔壁4的处理腔3。
在处理腔3中设置向上敞开的具有壁部6的容器5。在容器5中设置沿竖直方向V能运动的支座7，在所述支座上安装有底板8，所述底板向下封闭容器5并由此构成容器的底部。所述底板8可以是与支座7分开地构成的板件，所述板件固定在支座7上，或者所述底板可以与支座7一体地构成。根据所使用的粉末和工艺，还可以在底板8上安装构造平台9，在所述构造平台上构造所述物体2。但物体2也可以在底板8本身上构造，此时底板用作构造平台。在图1中，以中间状态示出在施加面10下方的要在容器5中在构造平台9上形成的物体2，所述物体由保持未固化的构造材料11包围。
激光烧结装置1还包含用于能通过电磁辐射固化的粉末状的构造材料13的存储容器12和能沿水平方向H运动的用于向施加面10上施加构造材料13的涂布机14。处理腔3的壁部4在其上侧上包括用于使粉末13固化的辐射的入射窗15。在处理腔中还设置辐射加热器16，用于在固化之前对所施加的构造材料进行预热。
激光烧结装置1还包含具有激光器的照射装置20，所述激光器产生激光射束22，所述激光射束通过转向装置23转向并通过聚焦装置24经由入射窗15聚焦到施加面10上。
此外，激光烧结装置1还包括控制单元29，通过所述控制单元能以协调的方式控制装置1的各个组成部件，以便执行构造过程。所述控制单元可以包含CPU，其运行通过计算机程序(软件)控制。所述计算机程序可以与所述装置分开地存储在存储介质上，由所述存储介质出发可以将计算机程序装载到所述装置中，特别是装载到所述控制单元中。
在运行中，为了施加粉末层，首先使支座7降低对应于希望的层厚的高度。然后通过使涂布机14在施加面10上移动来施加一层粉末状的构造材料13。这种施加至少在要制造的物体2的整个横截面上、优选在整个构造区上进行，就是说在施加面10位于容器5的上部开口内部的区域上进行。通过辐射加热器16对所施加的粉末层进行预热。接下来，由激光射束22扫描要制造的物体2的横截面，从而粉末状的构造材料13在对应于要制造的物体2的横截面的位置处发生固化。重复这些步骤，直到物体2制造完成并能从构造腔中取出。
这里参考图2来说明用于制造三维物体的方法的第一实施形式。
图2的三个分视图a)、b)和c)分别放大地示出在图1中用虚线框出的一个局部A。这个只是部分完成的物体2由保持未固化的粉末11包围。
在现有技术中所施加的粉末层在整个施加面上沿竖直方向具有恒定的高度(＝厚度)，这个高度通过在涂布之前支座的下降来确定，而下面说明的实施形式的特征在于，至少一定数量的所选出的施加粉末层步骤、即至少一个步骤或多个步骤这样来执行，使得所施加的粉末层的高度至少在粉末层的一个部段上沿涂布机的一个运动方向是变化的、优选是单独增加或减小的，更为优选地是线性增加或减小的。
在第一实施形式中，如图2a)所示，为此在之前施加并选择性固化的粉末层30上首先通过涂布机14沿第一运动方向B1(在图中从左向右)的运动施加另一个粉末层31。这里，涂布机14附加于其水平的从其初始位置(在图中左侧用虚线示出)向其终点位置(在图中右侧用实线示出)的运动还竖直地降低预定的高度a。因此所施加的粉末层31的高度沿涂布机14的运动方向B1降低。粉末层31的高度的这种变化优选是单调的，更为优选是线性的。
在施加粉末层31期间，辐射加热器16作用到该粉末层已经施加的区域上。这里，首先施加的区域(在图中左侧)比最后施加的区域(在图中右侧)受到更长时间的加热。但由于在随后施加的区域中粉末层31的高度较小并且由此这里要加热较少的构造材料，这里温度也较为快速地升高。由此，与施加具有恒定层高度的粉末层的情况相比，在所施加的该粉末层中，沿涂布方向的温度梯度较小。此外，最后施加的区域还更为快速地达到固化所需的工作温度，从而可以减少施加粉末层与用激光进行照射之间的等待时间。
作为下一步，通过用激光射束进行照射来使粉末层31选择性固化。接下来，如图2b)所示，在已选择性固化的粉末层31上通过涂布机14沿第二运动方向B2(在图中从右向左)的运动施加构造材料13的另一个粉末层32。在当前实施形式中，第二运动方向B2与第一运动方向B1相反。此时涂布机14也附加于其水平的从其初始位置(在图中右侧用虚线示出)向其终点位置(在图中左侧用实线示出)的运动竖直地降低预定的高度b。因此所施加的粉末层32的高度沿涂布机14的运动方向B2降低。该粉末层32的高度的这种变化优选也是单调的，更为优选是线性的。更为优选的是，粉末层32的高度与粉末层31的高度互补地构成，从而两个所施加的粉末层的总高度在任意位置都等于一个恒定的、预先确定的高度。
在粉末层32中，首先施加的区域(在图中右侧)也比最后施加的区域(图中左侧)受到更长时间的加热。但由于在最后施加的区域中粉末层32的高度较小并且由此这里要加热较少的构造材料，这里温度也较为快速地升高。由此，在粉末层32中，沿涂布方向的温度梯度较小，并且可以减少施加粉末层与用激光进行照射之间的等待时间，从而对于粉末层32实现了和对于粉末层31的情况相同的效果。
作为下一步，通过用激光射束进行照射来使粉末层32选择性固化。由此得到在图2c)中示出的结构，在这种结构中，各层30、31和32的选择性固化的区域构成物体2的一部分并且由保持未固化的粉末11包围。如果这些粉末层的高度如上面作为优选方案示出的那样是彼此互补的，则层30和32的表面相互平行。
接下来，如图2a)所示重新施加构造材料13的另一个粉末材料层并使其选择性固化，并重复上面描述的方法，直至物体2制造完成。
通过减小一个层中的温度梯度并且缩短施加和固化之间的等待时间，既可以提高所制造物体的质量，也可以缩短物体的制造时间。
图3示出第一实施形式的第一变型方案。这里，如图3a)所示，首先在之前施加并选择性固化的粉末层30上通过涂布机14沿第一运动方向B1的运动来施加构造材料13的另一个粉末层31。此时，涂布机14类似于参考图2a)说明的那样附加于其水平运动还竖直降低预定的高度a，从而所施加的粉末层31的高度沿涂布机14的运动方向B1降低。粉末层31的这种高度变化优选是单调的、更为优选是线性的。
在粉末层31选择性固化之后，如图3b)中所示，通过涂布机14沿第二运动方向B2的运动向已选择性固化的粉末层31上施加另一个粉末层32。但此时涂布机14不会竖直降低。
在粉末层32选择性固化之后得到在图3c)中示出的结构，在这种结构中，层30、31和32的已选择性固化的区域构成物体2的一部分并且由保持未固化的粉末11包围。由于在这个变型方案中，每隔一个粉末层就有一个粉末层是在涂布机不降低的情况下施加的，这里粉末层31和32的高度也是彼此互补的，并且层30和32的表面相互平行并且水平延伸。
这个变型方案的其他特征与第一实施形式中的情况相同。在一个层中温度梯度的减小和施加与固化之间等待时间的缩短方面，这个变型方案具有与第一实施形式相同的效果。相应地，在这个变型方案中也可以改进所制造的物体的质量并缩短其制造时间。
图4示出第一实施形式的第二变型方案。这里如图4a)所示，首先在之前施加并选择性固化的粉末层30上通过涂布机14沿第一运动方向B1的运动来施加构造材料13的另一个粉末层31。此时，涂布机14类似于参考图2a)说明的那样附加于其水平运动还竖直降低预定的高度a，从而所施加的粉末层31的高度沿涂布机14的运动方向B1降低。但这种竖直降低仅在涂布机路程的一部分上进行，就是说在点Pa和Pb之间进行。在这个区域之外，涂布机水平运动。在Pa和Pb之间的区域中，粉末层31的高度变化优选是单调的、更为优选是线性的。
在粉末层31选择性固化之后，如图4b)中所示，通过涂布机14沿第二运动方向B2的运动在已选择性固化的粉末层31上施加构造材料13的另一个粉末层32。在图4b)中示出这样的情况，其中，涂布机如图3b)中示出的那样没有竖直降低，但这里所述涂布机也可以类似于图2b)中示出的那样竖直降低，这里，所述降低也可以限制在Pb和Pa之间的区域上或限制在另外的区域上。
在粉末层32选择性固化之后得到图4c)所示的结构，在该结构中，层30、31和32的已选择性固化的区域构成物体2的一部分并由保持未固化的粉末11包围。在点Pa和Pb之间形成的物体2的区域中，粉末层31和32的层高度沿涂布机14的运动方向改变。在这个区域之外，层高度是恒定的。
Pb和Pa之间的区域不必位于涂布路程的中央。层高度例如也可以仅在涂布机的行驶路程的最后的区域中是变化的，从而Pb对应于涂布路程的终点。
这个变型方案的其他特征与第一实施形式中或其第一变型方案中相同。因此，在该变型方案中，在Pa和Pb之间的区域内部能实现与第一实施形式中或其第一变型方案中相同的效果。相应地，在这个变型方案中也可以改进所制造的物体的质量并缩短其制造时间。
参考图5来说明用于制造三维物体的方法的第二实施形式。
在这个实施形式中，如图5a)所示，首先通过涂布机14沿第一运动方向B1(在图中从左向右)的运动在之前施加并选择性固化的粉末层30上施加构造材料13的另一个粉末层31。此时，涂布机仅实施从其初始位置(在图中在左侧用虚线示出)到其终点位置(在图中右侧用实线示出)的水平运动，而没有竖直降低。替代于此，支座7连同设置在支座上的结构(物体2目前为止制成的由保持未固化的粉末11包围的部分和包围这个部分结构的容器)升高预定的高度a。就是说，在图5a中示出的局部的下侧从其初始位置(在图中通过虚线示出)向上运动预先确定的高度a。这里，首先施加的部段(图中左侧)的表面抬高到涂布机14的下边缘的高度之上，而最后施加的部段(图中右侧)的表面位于涂布机14的下边缘的高度上。
因此，和在第一实施形式中一样，所施加的粉末层31的高度沿涂布机14的运动方向B1减小。粉末层31的高度的这种变化优选是单调的、更为优选是线性的。
在粉末层31选择性固化之后，如图5b)中所示，通过涂布机14沿第二方向B2(在图中从右向左)的运动在已选择性固化的粉末层31上施加构造材料13的另一个粉末层32。在当前实施形式中，第二运动方向B2与第一运动方向B1相反。
这里，支座7也连同设置在支座上的结构抬高了预先确定的高度b。就是说，在首次涂布(在图中用较密的虚线示出)之后，在图5b)中示出的局部的下侧从其位置继续向上运动预先确定的高度b。此时，首先施加的部段(图中右侧)的表面抬高到涂布机14的下边缘的高度之上，而最后施加的部段(图中左侧)的表面位于涂布机14的下边缘的高度上。因此，所施加的粉末层32的高度沿涂布机14的运动方向B2减小。粉末层31的高度变化优选也是单调的、更为优选是线性的。粉末层32的高度更为优选地与粉末层31的高度互补地构成，从而两个所施加的粉末层的总高度在任意位置都等于一个恒定的预先确定的高度。
在粉末层32选择性固化之后，得到在图5c)所示的结构，在这种结构中，各层30、31和32的已选择固化的区域构成所述物体2的一部分并由保持未固化的粉末11包围。
对于第二实施形式可以实现与第一实施形式相同的变型方案。此外，第二实施形式可以与第一实施形式相结合，从而层高度的改变的一部分通过涂布机的竖直运动实现和/或层高度的改变的一部分通过支座的竖直运动实现。
参考图6来说明用于制造三维物体的方法的第三实施形式。
在该实施形式中，如图6a)所示，首先通过涂布机14沿第一运动方向B1(在图中从左向右)的运动在之前施加并选择性固化的粉末层30上施加构造材料13的另一个粉末层31。和第二实施形式相同，涂布机仅实施从其初始位置(在图中在左侧用虚线示出)到其终点位置(在图中右侧用实线示出)的水平运动，而没有竖直降低。替代于此，使支座7连同设置在支座上的结构(物体2目前为止制成的由保持未固化的粉末11包围的部分和包围这个结构的容器)倾斜预定的角度α。就是说，在图6a中示出的局部的下侧从其初始位置(在图中通过虚线示出)沿逆时针方向倾斜预定的角度α。
因此，和在第一和第二实施形式中相同，所施加的粉末层31的高度沿涂布机14的运动方向B1降低。粉末层31高度的这种变化优选是单调的、更为优选是线性的。
在粉末层31选择性固化之后，如图6b)中所示，通过涂布机14沿第二方向B2(在图中从右向左)的运动在已选择性固化的粉末层31上施加构造材料13的另一个粉末层32。在当前实施形式中，第二运动方向B2与第一运动方向B1相反。
这里，支座7也连同设置在支座上的结构和包围所述结构的容器5(在图中未示出)倾斜预先确定的角度β。就是说，在图6a)中示出的局部的下侧相对于其原始位置(在图中用虚线示出)沿顺时针方向倾斜预先确定的角度β。
因此，所施加的粉末层32的高度沿涂布机14的运动方向B2降低。粉末层12的高度的变化优选也是单调的、更为优选是线性的。更为优选的是，粉末层32的高度与粉末层31的高度互补地构成，从而两个所施加的粉末层的总高度在任意位置处都等于一个恒定的预先确定的高度。
在粉末层32选择性固化之后，得到在图6c)中示出的结构，在这种结构中，各层30、31和32的已选择性固化的区域构成物体2的一部分并且由保持未固化的粉末11包围。
第三实施形式的其他特征与第一或第二实施形式中的情况相同。关于一个层中的温度梯度的减小和施加与固化之间的等待时间的缩短，第三实施形式具有与第一或第二实施形式相同的效果。相应地，在第三实施形式中也改进了所制造的物体的质量并且缩短了其制造时间。
对于第三实施形式可以实现与第一或第二实施形式相同的变型方案。此外，第三实施形式还可以与第一和/或第二实施形式相结合，从而层高度变化的一部分通过涂布机的竖直运动来实现和/或层高度变化的一部分通过支座的竖直运动来实现和/或层高度变化的一部分通过支座的倾斜来实现。
参考图7来说明用于制造三维物体的方法的第四实施形式。这里参考根据第一实施方式的第一变型方案的用于改变层高度的方法来说明所述第四实施形式，但也可以使用每个前面所述的实施形式及其变型方案。
在该实施形式中，如图7a)所示，首先向此前已施加和选择性固化的粉末层30上施加构造材料13的另一个粉末层31。这种施加如图3a)所示那样进行并参考该图进行说明。这里不是固化所施加的层31，而是如图7b)中示出的那样，直接在还未固化的粉末层31上施加构造材料13的另一个粉末层32。这种施加如图3b中示出的那样进行并且参考该图进行说明。
在施加第二个粉末层32之后才使两个粉末层31和32共同固化。由此得到在图7c)中示出的结构，在该结构中，各层30、31和32的已选择性固化的区域构成物体2的一部分并且由保持未固化的粉末11包围。
根据第四实施形式，要固化的粉末层分成两个粉末分层31、32，这两个粉末分层共同固化。由于这两个粉末分层中的每个都沿相应的涂布方向降低，对于第四实施形式得到与第一至第三实施形式的情况相同的效果。相应地，在第四实施形式中也改进了所制造的物体的质量并且缩短了其制造时间。
如果两个粉末分层的高度彼此互补，从而两个分层的总高度是恒定的，则所制造的物体的各个层都具有恒定的层高度，这对应于根据现有技术制造的物体。由此，第四实施形式使得，对于各个固化的层具有恒定的层高度的物体也可以实现本发明前面所述的效果，就是说，通过沿涂布方向均匀的温度分布实现改善质量以及缩短施加与固化之间的等待时间。
替代将要固化的粉末层分成两个粉末分层，也可以设置多于两个粉末分层。在这种情况下，整个层的固化在施加最后一个粉末分层之后才进行。
在上面说明的实施形式及其变型方案中，第一运动方向和第二运动方向彼此相反，而本发明不仅限于此。第二运动方向也可以以不同的方式不同于第一运动方向或者也可以与第一运动方向相同。特别是对于这种情况(但不仅限于这种情况)，粉末层高度根据本发明的变化不仅是粉末层高度沿相应运动方向降低(减小)，而且也可以相反地作为粉末层的高度沿运动方向的增加、即升高来实现。
在上面所述的各实施形式及其变型方案中，涂布机总是以平移运动在施加面上移动，而粉末层的施加也可以通过旋转涂布来实现。在这种情况下，相反的运动方向等同于相反的旋转方向。
在上面所述的各实施形式及其变型方案中，所施加的粉末层的高度沿涂布机的运动方向减小，但所述高度也可以增大。由此，例如也可以这样来实现在图2b中示出的层走势，即，粉末层32的施加同样沿第一运动方向B1进行，但此时涂布机抬高，从而粉末层32的高度沿涂布方向增大。
在上面所述的各实施形式及其变型方案中，每个层的高度沿涂布机的相应运动方向变化，但也可以仅在一定数量的所选出的粉末层中实现这种高度变化。
虽然是参考激光烧结装置或激光熔化装置描述了本发明，但本发明不仅限于激光烧结或激光熔化。本发明可以采用任意用于通过逐层施加和选择性固化粉末状的构造材料来制造三维物体的方法。
所述激光器可以例如包括气体或固体激光器或者包括任意其他类型的激光器。一般而言，可以采用任意能将能量选择性地施加到构造材料层上的装置。替代一个激光器，例如可以使用多个激光器、其他光源、电子射束或者任意其他适于使构造材料固化的能量或辐射源。本发明也可以采用选择性掩模烧结，其中使用延展的光源和掩模，或者本发明也可以采用吸收烧结或抑制烧结。
替代引入能量，所施加的构造材料的所述选择性固化也可以通过3D打印进行，例如通过施加粘合剂来进行。一般而言，本发明涉及通过逐层施加和选择性固化构造材料来制造物体，而与构造材料固化的方式和形式无关。
在所有上面所述的实施形式及其变型方案中，优选根据在正要固化的位置处的粉末层的局部高度来改变所施加的粉末层的选择性固化的至少一个参数值。在各实施形式中记载的通过激光射束实现的固化中或在其他能量辐射中，所述参数例如可以是辐射的强度和/或焦点或者是辐射被引导在所施加的粉末层的表面上经过的扫描速度。
作为构造材料可以采用不同类型的粉末，特别是金属粉末、陶瓷粉末、砂、填充或混合的粉末。特别优选的是，使用塑料粉末，因为塑料在激光烧结或类似的选择性固化过程中通常要进行附加的加热、特别是粉末床预热(如上面说明的那样)。

Claims (17)

1.用于在一个装置(1)中通过逐层施加和选择性固化粉末状构造材料(13)来制造三维物体(2)的方法，所述方法具有以下步骤：
通过沿运动方向(B1、B2)在所述装置(1)的施加面(10)上运动的涂布机(14)向所述施加面上的构造区上施加粉末状构造材料(13)的一个粉末层(31、32)，
在对应于要制造的物体(2)的横截面的位置处选择性固化所施加的粉末层(31、32)，以及
重复所述施加步骤和所述选择性固化步骤，直至制造完成所述物体(2)，
其中，这样来执行至少一定数量的所选出的施加粉末层的步骤，使得所施加的粉末层(31、32)的高度沿涂布机(14)的运动方向(B1、B2)至少在粉末层的一个部段上是变化的，
并且其中，在涂布机在施加面(10)上运动期间通过所述涂布机(14)基本上竖直的运动来改变涂布机(14)相对于施加面的涂布距离，和/或
在构造平台和/或底板(7、8、9)上构造所述物体(2)，在涂布机(14)在施加面(10)上运动期间通过所述构造平台和/或底板(7、8、9)基本上竖直的运动来改变所述构造平台和/或底板(7、8、9)相对于施加面(10)的距离，和/或在涂布机(14)在施加面(10)上运动之前和/或期间，使所述构造平台和/或底板(7、8、9)相对于所述构造平台和/或底板(7、8、9)的基本上水平的定向平面倾斜。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所施加的粉末层(31、32)的高度是单调地增大或减小的。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，这样执行所选出的步骤，使得所施加的粉末层(40)的高度沿涂布机(14)的运动方向(B1、B2)仅在粉末层的一个分部段(Pa-Pb)上是变化的。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，施加粉末层(31、32)的步骤在每次重复时交替地通过涂布机(14)沿第一运动方向(B1)的运动和通过涂布机(14)沿第二运动方向(B2)的运动来实现，并且
既在沿第一运动方向(B1)施加粉末层(31)之后进行选择性固化的步骤，也在沿第二运动方向(B1)施加粉末层(32)之后进行选择性固化的步骤，
沿第一运动方向(B1)所施加的粉末层(31)的高度至少在粉末层的一个部段上沿第一运动方向(B1)是变化的，和/或
沿第二运动方向(B2)所施加的粉末层(32)的高度至少在粉末层的一个部段上沿第二运动方向(B2)是变化的。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，施加粉末层的步骤在每次重复时交替地通过涂布机(14)沿第一运动方向(B1)的运动和通过涂布机(14)沿第二运动方向(B2)的运动来实现，并且
在沿第一运动方向(B1)施加至少一个粉末层(31)并且沿第二运动方向(B1)施加至少一个粉末层(32)之后才进行选择性固化的步骤，
沿第一运动方向(B1)所施加的所述粉末层或各所述粉末层(31)的高度至少在所述粉末层或各所述粉末层的一个部段上沿第一运动方向(B1)是变化的，和/或
沿第二运动方向(B2)所施加的所述粉末层或各所述粉末层(32)的高度至少在所述粉末层或各所述粉末层的一个部段上沿第二运动方向(B2)是变化的。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其中，沿第二运动方向(B2)施加的粉末层(32)的高度与沿第一运动方向(B1)施加的粉末层(31)的高度互补地构成，从而两个所述施加的粉末层的总高度在任意位置都等于一个恒定的高度。
7.根据权利要求4或5所述的方法，其中，第二运动方向(B2)与第一运动方向(B1)是不同的。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，第二运动方向(B2)与第一运动方向(B1)是相反的。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，至少一个粉末层(31、32)在其施加期间被加热。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，多个粉末层在其施加期间被加热。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，每个粉末层在其施加期间被加热。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，根据粉末层在正要固化的位置处的局部高度来改变所施加的粉末层(30、31)的选择性固化的至少一个参数值。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述固化通过利用能量辐射(14)在要固化的位置处选择性地扫描所施加的粉末层(30、31)的表面来实现，并且命中粉末的能量辐射(22)的参数值根据粉末层在正要固化的位置处的局部高度改变。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，根据局部高度改变的参数从能量辐射的强度和/或功率和/或焦点和/或扫描速度中选择，利用所述扫描速度在已施加的粉末层的表面上引导能量辐射。
15.用于制造三维物体(2)的装置(1)的控制单元(29)，所述装置通过逐层施加和选择性固化粉末状构造材料(13)来制造三维物体，所述控制单元构造成在运行中控制以下步骤：
通过沿运动方向(B)在所述装置(1)的施加面(10)上运动的涂布机(14)向所述施加面上的构造区上施加粉末状构造材料(13)的一个粉末层(31、32)，
在对应于要制造的物体(2)的横截面的位置处选择性固化所施加的粉末层，以及
重复所述施加步骤和所述选择性固化步骤，直至制造完成所述物体(2)，
其中所述控制单元构造成，这样来控制至少一定数量的所选出的施加粉末层的步骤，使得所施加的粉末层(31、32)的高度沿涂布机(14)的运动方向(B1、B2)至少在粉末层的一个部段上是变化的，
并且其中，在涂布机在施加面(10)上运动期间通过所述涂布机(14)基本上竖直的运动来改变涂布机(14)相对于施加面的涂布距离，和/或
在构造平台和/或底板(7、8、9)上构造所述物体(2)，在涂布机(14)在施加面(10)上运动期间通过所述构造平台和/或底板(7、8、9)基本上竖直的运动来改变所述构造平台和/或底板(7、8、9)相对于施加面(10)的距离，和/或在涂布机(14)在施加面(10)上运动之前和/或期间，使所述构造平台和/或底板(7、8、9)相对于所述构造平台和/或底板(7、8、9)的基本上水平的定向平面倾斜。
16.用于通过选择性地、逐层地固化粉末状的构造材料(13)来制造三维物体(2)的装置(1)，包括：
能沿运动方向(B)在施加面(10)上运动的涂布机(12-14)，用于将粉末状的构造材料(13)的一个层(40)施加到施加面(10)的构造区上，以及
固化装置(20)，用于在对应于要制造的物体(2)的横截面的位置处选择性固化所施加的粉末层(31、32)，
其中所述装置构造和/控制成，使得重复所述施加步骤和所述选择性固化步骤，直至制造完成所述物体(2)，并且这样来执行至少一定数量的所选出的施加粉末层的步骤，使得所施加的粉末层(31、32)的高度沿涂布机(14)的运动方向(B1、B2)至少在粉末层的一个部段上是变化的，
并且其中，在涂布机在施加面(10)上运动期间通过所述涂布机(14)基本上竖直的运动来改变涂布机(14)相对于施加面的涂布距离，和/或
在构造平台和/或底板(7、8、9)上构造所述物体(2)，在涂布机(14)在施加面(10)上运动期间通过所述构造平台和/或底板(7、8、9)基本上竖直的运动来改变所述构造平台和/或底板(7、8、9)相对于施加面(10)的距离，和/或在涂布机(14)在施加面(10)上运动之前和/或期间，使所述构造平台和/或底板(7、8、9)相对于所述构造平台和/或底板(7、8、9)的基本上水平的定向平面倾斜。
17.根据权利要求16所述的装置，其中，所述装置(1)还包含辐射加热器(16)，用于在施加粉末层期间加热粉末层。
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