CN108215175A - 用于添加式制造三维物体的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于通过依次逐层地选择性照射和随之依次逐层地选择性固化建造材料层而添加式地制造三维物体(2)的方法，建造材料层由能借助于能量束(4)固化的建造材料(3)组成，其中，在添加式地制造要添加式制造的三维物体(2)的范围中，通过依次逐层地选择性照射和随之依次逐层地选择性预固化由能借助于能量束(4)固化的建造材料(3)组成的建造材料层而形成支撑元件(11)，该支撑元件直接包围要添加式制造或被添加式制造的三维物体(2)。

Description

用于添加式制造三维物体的方法
技术领域
本发明涉及用于通过依次逐层地选择性地照射(Belichtung)以及随之而来地依次逐层地选择性地固化建造材料层而添加式地(additiven)制造三维物体的方法，该建造材料层由可借助于能量束固化的建造材料组成。
背景技术
用于添加式制造三维物体的相应的方法基本上是已知的。对于该相应方法的已知的示例是选择性激光熔化方法，简称SLM方法。
在执行相应方法的范围中进一步已知的是，形成有支撑结构。相应的支撑结构的特征是对于相应的待添加式制造或被添加式制造的三维物体的支撑作用，并典型地包括多个支柱状或支柱形的支撑元件。因此相应的待添加式制造的或被添加式制造的三维物体通过相应的支撑结构来支撑。相应的支撑结构在完成添加式建造过程之后典型地与被添加式制造的三维物体分离。
尤其在具有掐丝的或者复杂的几何结构方面的设计的三维物体的添加式制造中有时难以形成如下支撑结构，该支撑结构一方面在相应的三维物体的难以触及的、例如沉割的/底切的区域中具有足够的支撑作用，另一方面可以在不损坏三维物体的情况下分离。
发明内容
本发明的目的是，提出一种尤其在实现相对改善了的支撑结构方面改善的用于添加式制造三维物体的方法。
上述目的通过根据权利要求1所述的用于添加式制造三维物体的方法来实现。对此的从属权利要求涉及本方法的可能的实施形式。上述目的还通过根据权利要求10所述的设备实现。
在此描述的方法用于通过依次逐层地选择性地照射和随之而来地依次逐层地选择性地固化建造材料层而添加式地制造三维物体、亦即例如技术的构件/建造部件(Bauteil)或者技术的构件组，建造材料层由可借助于能量束固化的建造材料组成。建造材料可以是颗粒状的或粉末状的金属材料、塑料材料和/或陶瓷材料。相应的要选择性地固化的建造材料层的依次逐层的照射以及固化基于与物体相关的建造数据实现。相应的建造数据描述相应的要添加式制造的物体的几何结构方面的构造，并可以包含相应的要添加式制造的物体的例如“被切片的”CAD数据。该方法可以实现为例如选择性激光熔化方法(SLM方法)或选择性激光烧结方法(SLS方法)。
根据本方法，在添加式地制造相应要添加式制造的三维物体(该术语下面简称为“物体”)的范围中就是说除了添加式建造或者说添加式形成相应的真正要制造的物体，还实现了添加式建造或者说添加式形成支撑结构。该支撑结构至少局部地支撑相应物体；该支撑结构因此施加至少局部地作用到相应物体上的支撑作用。
根据本方法形成的支撑结构直接包围相应的物体、亦即相应的物体的单个、多个或所有的物体部段。换句话说，相应的物体至少局部地、尤其完全地埋入支撑机构中。因此在支撑结构和相应的要支撑的或被支撑的物体之间至少局部地、尤其完全地产生直接的机械接触。
在此可以设想的是，支撑结构至少局部地、例如通过多个相连的或多个不相连的支撑结构部段包围相应的物体，或该支撑结构例如通过多个相连的或多个不相连的支撑结构部段完全包围相应的物体。支撑结构因此可以通过多个相连的或多个不相连的支撑结构部段形成或者说包括多个相连的或多个不相连的支撑结构部段。相应的支撑结构部段以至少局部地包围该物体的方式分别至少局部地沿着相应物体延伸。
如上所述，支撑结构的形成实现在添加式制造相应物体的范围中。该支撑结构根据本方法通过依次逐层地选择性照射并因此依次逐层地选择性预固化可借助于能量束固化的建造材料的建造材料层而形成。要选择性固化的建造材料层的该依次逐层地选择性照射以及预固化基于与支撑结构相关的建造数据来实现。相应的建造数据描述相应要添加式制造的支撑结构的几何结构方面的构造，并可以例如包括要添加式制造的支撑结构的“被切片的”CAD数据。
重要的是，支撑结构的形成通过建造材料的预固化来实现。预固化尤其与建造材料的用于形成真正要制造的物体的固化相比可以理解为，建造材料的(较)轻微的固化。为了形成支撑结构而实施的预固化与用于形成真正要制造的物体所实施的固化的不同之处因此是相应实现的固化程度。为了形成支撑结构，与为了形成相应的真正要制造的物体相比，建造材料(显著)较弱地固化(如下文所述的，在此典型地不进行建造材料的完全熔化)，这例如可以通过使用不同的、即尤其不同功率强度的照射装置和/或不同的照射参数，尤其通过较小的照射强度、较短的照射时间等来实现。从不同的固化程度还可得到在支撑结构和真正制造的物体之间的不同的结构上的、尤其机械方面的特性；支撑结构典型地具有比相应的物体例如(显著)较弱的密度和(显著)较弱的强度。
通过使支撑结构(至少局部地)直接包围相应的物体或者使相应的物体(至少局部地)(精确配合地)嵌入到支撑结构中，即使在相应物体的难以触及的、例如沉割的区域(如果存在的话)中该支撑结构也具有足够的支撑作用。通过使该支撑结构通过建造材料的预固化形成，则可以使得该支撑结构无问题地、亦即尤其在不损坏相应物体的情况下与相应物体分离。因此整体上提供了一种改善的用于添加式制造三维物体的方法。
已经指出了，用于形成支撑结构的预固化与用于形成真正要制造的物体的固化的不同之处在于相应实现的固化程度。建造材料的用于形成相应的物体的依次逐层的选择性的固化典型地以建造材料的第一固化程度实现，而建造材料的用于形成支撑结构的依次逐层的选择性的预固化以建造材料的低于第一固化程度的第二固化程度实现。该第二固化程度典型地被选择得较小，从而支撑结构可以无问题地、就是说尤其在不损坏相应的物体的情况下与相应的物体分离。该第二固化程度尤其可以选择得如此小，使得支撑结构可以被手动地(例如用手)与相应物体分离或在取出相应物体期间自行崩落。
具体地，支撑结构可以至少局部地、尤其完全地形成为多孔的，就是说具有确定的孔隙度。支撑结构的多孔的设计通常理解为任何细碎的(feingliedrige)结构，该结构由于其细碎的构造而可以在不损坏相应的物体的情况下与相应的物体分离，即例如海绵结构。
依次逐层的选择性固化建造材料以用于形成物体可以尤其通过完全熔化(并然后冷却)建造材料来实现。依次逐层地选择性固化建造材料以用于形成物体因此典型地通过选择性引入辐射能量实现，该辐射能量将建造材料加热到高于熔化温度的温度，从而使建造材料熔化并发生(固-液)相变。相对地，依次逐层地选择性预固化建造材料以用于形成支撑结构典型地不通过(完全)熔化(并然后冷却)建造材料来实现。依次逐层地选择性预固化建造材料以用于形成支撑结构典型地通过选择性地引入如下辐射能量来实现，该辐射能量将建造材料加热到低于熔化温度的温度，从而不使建造材料熔化并因此不发生(固-液)相变。通过依次逐层选择性地预固化，可能情况下可以形成相邻的建造材料颗粒的烧结连接，该烧结连接通过在相邻的建造材料颗粒之间形成烧结颈而形成。然而建造材料在此不产生相变。
为了尤其是完全地包围要制造或被制造的物体，支撑结构被设计有(完全)包围要制造的或被制造的物体的几何构造。尤其根据要制造的或被制造的物体的几何构造和包围度(就是说支撑结构应以何种程度包围物体)来选择支撑结构的几何构造。相应地仅示例性地指出，支撑结构可以设计为具有直角平行六面体状或直角平行六面体形的、可能情况下立方体状或立方体形的、或者球状或球形的几何形状。当然，该支撑结构也可以设计为自由的、就是说尤其在几何方面未明确定义的几何构造。
例如可行的是，支撑结构被设计有跟随相应要制造或被制造的物体的轮廓、尤其是外轮廓和/或内轮廓的几何构造。支撑结构的跟随物体轮廓的几何构造因此——除了一定的加工余量外——基本上相当于相应要制造或被制造的物体的几何构造。由于支撑结构设计有跟随相应要制造或被制造的物体的轮廓的几何构造，所以可以将用于形成支撑结构的建造材料的量保持在相对较小的程度。
已经说明，基于与物体相关的建造数据实现依次逐层地选择性照射以及固化相应的要选择性固化的建造材料层以用于形成相应的物体。还说明了，基于与支撑结构相关的建造数据实现依次逐层地选择性照射以及预固化相应要选择性固化的建造材料层以用于形成支撑结构。为了使尤其计算方面的、用于产生与支撑结构相关的建造数据的花费保持在小的程度，可以基于相应的与物体相关的建造数据产生与支撑结构相关的建造数据。以这种方式一致地保证了，无论如何都在考虑了相应要支撑的物体(部段)的几何构造的情况下形成支撑结构或支撑作用。
本发明还涉及一种用于通过依次逐层地选择性照射和随之依次逐层地选择性固化建造材料层而添加式地制造三维物体的设备，建造材料层由可借助于能量束固化的建造材料组成。该设备可以例如设计为SLM设备，就是说用于执行选择性激光熔化方法(SLM方法)的设备，或设计为SLS设备，就是说用于执行选择性激光烧结方法(SLS方法)的设备。该设备的特征是，该设备被设置用于执行所描述的方法。因此有关本方法的所有实施方案也类似地适用于该设备。
所述设备包括用于执行添加式的建造过程典型所需的功能部件。对此尤其包括覆层装置和照射装置，该覆层装置被设置用于(在设备的建造平面中)形成要选择性固化的建造材料层，该照射装置被设置用于选择性照射(在设备的建造平面中的)要选择性固化的建造材料层。该覆层装置典型地包括多个组成部分、即例如具有——尤其刀片状的——覆层工具的覆层元件以及用于沿着限定的运动轨道引导覆层元件的引导装置。照射装置也典型地包括多个组成部分，即例如用于产生能量束或者说激光束的射束产生装置、用于将由射束产生装置产生的能量束或者说激光束偏转到要选择性固化的建造材料层的要照射的区域上的射束偏转装置(扫描器装置)、以及多个各式各样的光学元件、例如透镜元件、物镜元件等。
附图说明
根据在附图中示出的实施例详细描述本发明，在此示出：
图1示出根据一实施例的设备的原理图；和
图2、3各示出一个根据实施例的支撑结构的原理图。
具体实施方式
图1示出根据实施例的设备1的原理图。
设备1用于借助于能量束或者说激光束4通过依次逐层地选择性照射以及随之而来地依次逐层地选择性固化建造材料层而添加式制造三维物体2、亦即尤其是技术的构件或技术的构件组，建造材料层由能借助于能量束或者说激光束4固化的建造材料3、亦即例如金属粉末组成。设备1可以设计为设备，就是说用于执行选择性激光熔化方法的设备。
设备1包括用于执行添加式建造过程所需的功能部件；在图1中例如示出覆层装置5和照射装置6。
覆层装置5设置用于在设备1的建造平面中形成要选择性照射的或者说要选择性固化的建造材料层。覆层装置5包括具有多个覆层器元件(未示出)的覆层器元件组件(未详细指出)，该覆层器元件组件通过引导装置(未示出)如通过双向箭头P1所示以可在水平方向上运动的方式被支承。
照射装置6设置用于在设备1的建造平面中选择性照射要选择性固化的建造材料层，并为此包括被设置用于产生激光束4的射束产生装置(未示出)和可能的射束偏转装置(未示出)，该射束偏转装置被设置用于将由射束产生装置产生的激光束4偏转到要选择性固化的建造材料层的要照射的区域上，以及还包括多个各式各样的光学元件，例如滤光元件、物镜元件、透镜元件等。
在图1中还示出计量模块7、建造模块8和溢流模块9，这些模块对接在设备1的可惰性化的过程室10的下部区域上。所述模块也可以形成过程室10的下部区域。
利用设备1可以执行用于通过依次逐层选择性照射和随之依次逐层选择性固化由可固化的建造材料3组成的建造材料层来添加式制造三维物体2的方法。基于与物体相关的建造数据来依次逐层地选择性地照射以及固化相应要选择性固化的建造材料层。相应的建造数据描述相应要添加式制造的物体2的几何结构方面的形状并可以包含要添加式制造的物体2的例如“被切片的”CAD数据。所述方法可以是方法，就是说选择性激光熔化方法。
根据本方法在添加式制造各个要添加式制造的物体2的范围内，就是说，除了添加式建造或者说添加式形成真正要制造的物体2外还实现了添加式建造或者说添加式形成支撑结构11。该支撑结构11至少局部地支撑物体2，因此支撑结构11施加至少局部地作用在物体2上的支撑作用。
在图2、3的原理图中示出支撑结构11的实施例。在图2、3中示例性示出作为物体2的掐丝的立方体形的架子结构，其包括各个沿假想的立方体的棱边布置或取向的支柱状的物体部段。
根据图2、3可看到，支撑结构11直接包围相应的物体2，就是说包围相应物体2的单个、多个或所有的物体部段。换句话说，物体2(准确配合地)嵌入到支撑结构11中。因此在支撑结构11和相应要支撑或被支撑的物体2之间存在直接的机械接触。该支撑结构11为此可以设计有多个相连的或多个不相连的支撑结构部段，或者包括多个相连的或多个不相连的支撑结构部段。相应的支撑结构部段以至少局部地包围该物体的方式至少局部地沿着相应的物体2延伸。
如已说明的，支撑结构11的形成在添加式制造相应物体2的范围内实现。该支撑结构11根据本方法通过依次逐层地选择性地照射和随之依次逐层地选择性地预固化建造材料层来形成，建造材料层由可借助于能量束4固化的建造材料3组成。基于与支撑结构相关的建造数据来实现依次逐层地选择性照射以及预选固化相应要选择性固化的建造材料层。相应的建造数据描述相应要添加式制造的支撑结构的几何结构方面的形状，并可以例如包括要添加式制造的支撑结构11的“被切片的”CAD数据。为了将尤其计算方面的、用于产生与支撑结构相关的建造数据的成本保持在小的程度，可以基于相应的与物体相关的建造数据产生与支撑结构相关的建造数据。以这种方式同时保证了，支撑结构11无论如何在考虑了相应要支撑的物体2的几何形状的情况下形成。
重要的是，通过预固化建造材料3实现支撑结构11的形成。尤其与固化建造材料3以形成真正要制造的物体2相比，预固化可被理解为建造材料3的(较)轻微的固化。用于形成支撑结构11所执行的预固化与用于形成真正要制造的物体2所执行的固化的区别是所实现的固化程度。为了形成支撑结构11，与用于形成真正要制造的物体2相比使建造材料3(显著)更弱地固化，这例如通过使用不同的照射装置和/或不同的照射参数、尤其通过较小的照射强度、较短的照射时间等来实现。由不同的固化程度也得到支撑结构11与真正制造的物体2之间的不同的结构方面的、尤其是机械的特性；支撑结构11具有例如比相应的物体2(显著)更小的密度和(显著)更小的强度。
建造材料3的用于形成物体2的依次逐层选择性固化以建造材料3的第一固化程度实现，而建造材料3的用于形成支撑结构11的依次逐层选择性预固化以建造材料3的低于第一固化程度的第二固化程度实现。该第二固化程度选择得较小，从而支撑结11可以无问题地、就是说尤其在不损坏物体2的情况下与物体2分离。尤其将第二固化程度选择得如此小，使得可以手动地使支撑结构11与物体2分离，或在取出物体2期间使支撑结构自行崩落。
建造材料3的用于形成物体2的依次逐层选择性固化通过完全地熔化(并然后冷却)建造材料3实现。建造材料3的用于形成物体的依次逐层选择性固化因此通过选择性引入辐射能量实现，该辐射能量将建造材料3加热到高于其熔化温度的温度，从而使建造材料3熔化。建造材料3在此发生相变。相对地，建造材料3的用于形成支撑结构11的依次逐层选择性预固化并不通过(完全地)熔化(并然后冷却)建造材料3来实现。建造材料3的用于形成支撑结构11的依次逐层选择性预固化通过选择性引入将建造材料3加热到低于熔化温度的温度的辐射能量来实现，该温度可能情况下允许相邻的建造材料颗粒的烧结连接，该烧结连接通过形成烧结颈而形成。建造材料3在此不发生相变。
为了实现支撑结构11的相应脆弱的特性，支撑结构11可以至少局部地、尤其完全地形成为多孔的、就是说具有确定的孔隙度。支撑结构11具体地可以例如形成为海绵结构(“海绵支撑”)。
通过使支撑结构11直接包围物体2，或者使物体2嵌入支撑结构11中，支撑结构11即使在物体2的难以触及的、例如沉割的区域(如果存在的话)中也具有足够的支撑作用。通过使支撑结构11通过建造材料3的预固化来形成，支撑结构可以无问题地、即尤其在不损坏物体2的情况下与物体2分离。
为了包围要制造的或被制造的物体2，支撑结构11如在图2中所示设计有(完全)包围物体2的几何形状。支撑结构11的几何形状根据物体2的几何形状和包围度来选择，该包围度就是说，支撑结构11应以何种程度包围物体2。在图2中示出的实施例中，支撑结构11直角平行六面体状或直角平行六面体形地、可能情况下立方体状或立方体形地设计。可以看到，物体2布置在支撑结构11内部，支撑结构11完全包围物体2。尤其每个支柱状的物体部段都直接被支撑结构11包围。
可以通过支撑结构11的例如球状或球形的几何构型来实现相同的结果。支撑结构11的球状或球形的几何构型的尺寸可以如此确定，使得其完全包围物体2。原则上，支撑结构11也可以设计为具有自由的几何形状、就是说尤其是几何上没有明确定义的几何形状。
在图3中示出实施例中示出，支撑结构11也可以设计为具有跟随物体2的轮廓、尤其是外轮廓和/或内轮廓的几何形状。支撑结构11的跟随物体2的轮廓的几何形状因此——除了一定的加工余量外——基本上相当于物体2的几何形状。在图3中示出的实施例中，支撑结构11同样具有掐丝的立方体状的架子结构的几何形状，其由各个沿着假想的立方体的棱边布置或取向的(空心)支柱式的支撑结构部段组成。所述(空心)支柱式的支撑结构部段完全包围分别分配给支撑结构部段的支柱式的物体部段。
通过使支撑结构11形成为具有跟随物体2的轮廓的几何形状，由此可以将用于形成支撑结构11的建造材料3的量保持在相对较小的程度。

Claims (10)

1.一种用于通过依次逐层地选择性地照射和随之依次逐层地选择性地固化建造材料层而添加式地制造三维物体(2)的方法，所述建造材料层由能借助于能量束(4)固化的建造材料(3)组成，其特征在于，在添加式地制造要添加式制造的三维物体(2)的范围中，通过依次逐层地选择性照射和随之依次逐层地选择性预固化由能借助于能量束(4)固化的建造材料(3)组成的建造材料层来形成支撑结构(11)，该支撑结构直接包围要添加式制造或被添加式制造的三维物体(2)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以建造材料(3)的第一固化程度实现建造材料(3)的用于形成三维物体(2)的依次逐层的选择性固化，而以建造材料(3)的低于第一固化程度的第二固化程度实现建造材料(3)的用于形成支撑结构(11)的依次逐层的选择性预固化。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将建造材料(3)的第二固化程度选择得小到使得支撑结构(11)在取出被添加式制造的三维物体(2)的过程中能够自行崩落或手动去除。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，支撑结构(11)至少局部地形成为多孔的。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过完全熔化并然后冷却建造材料(3)来实现建造材料(3)的用于形成三维物体(2)的依次逐层的选择性固化，而不通过完全熔化并然后冷却建造材料(3)来实现建造材料(3)的用于形成支撑结构的依次逐层的选择性预固化。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，支撑结构(11)被设计为具有多个相连的或多个不相连的支撑结构部段。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，支撑结构(11)被设计为具有包围要添加式制造或被添加式制造的三维物体(2)的、立方体形的几何形状，或者支撑结构(11)被设计为具有跟随要添加式制造或被添加式制造的三维物体(2)的轮廓、尤其是外轮廓和/或内轮廓的几何形状。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，支撑结构(11)被设计为至少局部地包围或完全地包围要添加式制造或被添加式制造的三维物体(2)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，基于与支撑结构相关的建造数据来实现依次逐层地选择性照射和随之依次逐层地选择性预固化由能借助于能量束固化的建造材料(3)组成的建造材料层，其中，基于与物体相关的建造数据来产生与支撑结构相关的建造数据。
10.一种用于通过依次逐层地选择性照射和随之依次逐层地选择性固化建造材料层而添加式地制造三维物体(2)的设备(1)，所述建造材料层由能借助于能量束(4)固化的建造材料(3)组成，其特征在于，该设备被设置用于执行根据上述权利要求中任一项所述的方法。
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