CN108349235B - 用于具有窄波长光谱的3d印刷的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有窄波长区域的3D印刷方法和装置。

Description

用于具有窄波长光谱的3D印刷的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于制造三维模型或者成形件的方法和装置。

背景技术

在欧洲专利文件EP0431924B1中说明了一种用于由计算机数据建立三维物体的方法。在此，颗粒材料以薄层施加到平台上且选择地借助于印刷头用粘结剂材料印刷颗粒材料。用粘结剂印刷的颗粒区域粘贴和在粘结剂和必要时附加的固化剂的影响下固定。然后平台在构造循环中下降了层厚度且设有新层颗粒材料，所述新层颗粒材料也如上所述地被印刷。重复这些步骤直到实现物体的一定期望的高度。由印刷的和固定的区域产生三维物体。

该由固化的颗粒材料制造的物体完成后嵌入松散的颗粒材料中且然后从中摆脱。这例如借助于抽吸器进行。然后其余保留的是期望的物体，所述物体然后例如通过刷净来摆脱剩余粉末。

其他粉末支持的快速原型法也以类似方式工作，例如选择的激光烧结或者电子束烧结，其中分别同样松散的颗粒材料床地施加和借助于受控制的物理能量源或者辐射源选择地固化。

下面所有方法以术语“三维印刷方法”或者“3D印刷方法”概括。

通过该方法加工不同的颗粒材料，此外也加工聚合材料。但是在这里缺点在于，颗粒材料床不能超过一定的堆积密度，所述堆积密度一般是固体密度的60%。但是期望的构件的强度决定性地取决于实现的密度。只要在这里构件的高强度需要，颗粒材料体积的40%和更多呈液体的粘结剂的形式添加。这不仅仅由于单滴输入是相对时间耗费的过程，而且也产生很多过程问题，所述过程问题例如由于固化过程中液体量的不可避免的收缩出现。

在3D印刷的以术语“高速烧结”，缩写HSS，在专业领域中已知的其他形式中，通过输入红外辐射（IR辐射）进行颗粒材料的固化。颗粒材料在此在物理上通过熔化过程结合。在此，利用在无色的塑料中的相对差的热辐射的吸收。这通过置入IR接收器或者吸收剂到塑料中来增加很多倍。IR辐射在此可以通过不同的可能性例如棒形的IR辐射器置入，所述IR辐射器均匀地运动到构造区上（烧结辐射器）。选择性通过用IR接收器有目的的和选择的印刷相应的层实现。

在被印刷的位置上，IR辐射由此与到未印刷的区域中相比好得多地耦合到颗粒材料中。这在熔化点上导致选择的在层中的加热和因此导致选择的在该区域中的固化。该过程例如在EP1740367B1和EP1648686B1中说明和下面用符号HSS缩写。

由激光烧结过程已知不同的材料，所述材料也可以用该方法加工。在此，到目前为止最重要的材料是聚酰胺12。对于该材料存在多个制造商。其实现对于层构造方法而言杰出的强度。

该材料可以作为细粉获得，所述细粉可以直接以该质量加工。但是受制造过程限制地，成本很高，所述成本可能超过标准聚酰胺的成本20-30倍。

在根据现有技术的HSS过程中，粉末正好如在激光烧结中那样为了加工到温度接近材料的熔点温度。在此粉末“老化”和可以在后续过程中仅仅还可以受限地使用。得出一显著影响过程成本和使过程成本更贵的回收率。

构件的精确性决定性地由过程实施影响。在此粉末床密度的均匀性和构造空间中的温度是决定性的。

以热方式工作的常规IR辐射器的辐射特征通常不称为“单色的”。相反，辐射由不同波长的宽的连续的光谱组成。

对于产生的波长必须发现相应的吸收剂和相应的吸收剂供应给选择地待印刷的材料，也称为墨水。这经常会限制墨水的颜色。此外经常选择受限制，从而通常可以从低效率开始。

此外，辐射源的功率与灯丝或电热丝的温度进而与发出的波长不可分离地相关。这描述了Stefan、Boltzmann以及Wiensche移动法。因此，功率的缩放必须考虑到波长的移动。此外优选在远的IR区域中出现二次辐射，因为灯丝或电热丝外壳例如石英玻璃体也被加热进而本身成为发射体。正好在该波长区域中聚合物一般具吸收最大值。

在可见光范围内（在可见光范围内存在对于不同波长（颜色）的优异的吸收剂），具有热工作的显著的IR部分，所述IR部分不选择地加热和因此在该过程的意义中不受控制地加热未印刷的粉末。目标：能够有目的地影响两种面类型（印刷的和未印刷的）可以仅仅受限地实现。

每个不受控制的加热是废热源。这样的源减小装置的效率且由于敏感的过程控制也减小3D印刷方法的有效功率。

发明内容

本发明的任务在于，提供一种帮助减少或完全消除现有技术的缺点的方法和装置。本发明的另一任务在于，这样设计方法，使得能够有目的地进行面类型“印刷的和未印刷的”的加热。

这些任务根据本发明通过用于制造3D成形件方法解决，其中，颗粒形的构造材料借助于涂覆器以限定的层被施加到构造区上，选择地施加一个或者多个吸收剂的一个或者多个液体或者颗粒材料，用合适的器件进行能量输入和在粉末的固化温度或者高于粉末的熔化温度的烧结温度下进行用吸收剂印刷的区域的选择性固化，构造区下降层厚度或者涂覆器升高层厚度，重复这些步骤直到产生期望的3D成形件，其特征在于，至少经印刷的面的能量输入借助于基本上单色的辐射和/或在宽度从0.5μm至2μm的窄波长光谱内进行。

根据本发明此外这些任务以如下方式解决，辐射源用作烧结辐射器，所述烧结辐射器具有特征为基本上单色的波长。这可以是特别的单色的放电灯，激光光源或者还有LED光源。所有这些辐射器类型具有非常窄的光谱分布。如果在辐射产生过程中产生附加的热辐射，这可以通过冷却降低。

也可能的是，使用借助于非强制单色的光源照射的面，所述面的特征在于荧光材料，荧光材料然后发出单色的辐射。这具有优点：有目的地使用如下波长，所述波长借助于市售单色的光源不能获得和/或所述波长的使用是不实用的。此外，由此可以实现发出的辐射的强度关于该面的更好的均匀性。

由于使用单色的辐射源或者具有窄的波长光谱的辐射源，此外提高对用于辐射的透明材料的选择。这包括市售的材料，所述材料可以用作漫射体，以便因此也最大化辐射均匀性。

由此可以获得具有较高能量辐射的照射，这增加了进入到粉末层中的穿透深度。在层构造方法中部分熔化的各个面的结合因此可以增加，这有利于待制造的成形件的强度。使用所述的辐射源不仅能够实现减小辐射器到面的间距，而且也可以减小辐射器尺寸，由此实现紧凑的机器几何结构和显著提高能效。

消除了传统辐射源在可见或红外范围内出现的辐射器的加热或冷却时间，由此大大加速层构造过程。也消除由于频繁的加热和冷却过程出现的常规辐射源的大大升高的老化。

由于取消反应惯性，在经过待照射的面上期间选择性地打开或关闭辐射源是可能的，例如根据矩阵方法。

因此能够有目的地调节面的温度。废热损失受限进而提高了装置的整体效率。这尤其在具有温度敏感部件的机器中是有利的，因为机械空间本身可以保持较冷。

考虑到安全方面如防火，由于显著降低的热发展，所提及的改进也具有很大的优点。此外，由于高温引起所使用的颗粒材料的老化或降解在非固化的面上进一步被降低，并且使冷却过程之后固化部位的去除变得简单。

因为辐射器功率不与波长关联，因此可以无问题地提高装置的功率。该过程本身不受影响。

如果非单色的光源具有足够窄的区域并且可以在比商用标准高的温度下运行，上述优点中的一些也可通过使用非单色的光源实现。由此，降低发出的辐射的带宽，例如这可以从普朗克辐射定律中得出。小尺寸允许更均匀的照射并且还允许为非固化表面留空，特别是因为随着发射器温度的增加缩短打开和关闭时间。

所述辐射器的较小的损失功率和尺寸允许发射不同波长的交错的构造方式，而无需放弃相对于表面的辐射强度的均匀性。具有三种不同波长的发射器的设计也是可能的。

在本发明的一个方面中，可以用发射器的窄带选择地有目的地激励活化剂（Aktivator）的各个组成部分，特别是载体液体。由此，液体部分在施加之后立即蒸发，从而它们不会留在要制造的成形件中。

明显有针对性的温度控制允许在同一吸收剂的选择性地液体施加时，通过控制施加量来实现不同温度，从而在混合物中同时使用具有不同烧结温度的两种不同颗粒材料时，可以有目的地实现一种颗粒材料类型的部分熔化，其中，另外的保持不变。由此，通过吸收剂量有目的地影响成形体特性。

下面详细说明本发明的一些术语。

“成形体”或者“构件”在本发明的意义中是所有借助于根据本发明的方法和/或根据本发明的装置制造的三维物体，所述物体具有形状稳定性。

“构造空间”是一种几何位置，在所述几何位置中，颗粒材料床在施工过程中通过重复涂覆颗粒材料增大或该床在连续性原则下穿过所述几何位置。一般，构造空间由底部、即构造平台、由壁和打开的盖面、即构造平面限定。在连续性原则中，通常存在输送带和限定的侧壁。

“加热阶段”表示在方法开始时加热装置。当装置的标定温度不变时，加热阶段结束。

“冷却阶段”至少持续这么长时间，直到温度如此低，以至于构件从构造空间中取出时，构件没有经历明显的塑性变形。

所有用于基于粉末的3D印刷的已知的材料可用作“颗粒材料”，尤其聚合物，陶瓷和金属。也可能的是由材料混合物或者不同的材料的复合材料构成的颗粒材料，以及基于可再生原材料例如纤维素纤维或木粉的颗粒材料。颗粒材料优选为干燥的自由流动粉末，但也可以使用内聚抗切粉末或含颗粒的液体。在本文中，颗粒材料和粉末被同义使用。

“活化剂”或者“吸收剂”在本发明的意义中是能被喷墨印刷头或者用其他的矩阵式工作的装置加工的介质，所述介质促进吸收辐射以用于局部加热粉末。“吸收剂"也可以是颗粒形的，例如黑色墨粉。吸收剂可以均匀地或者以不同的量选择地施加。在以不同的量施加时，因此可以控制构造材料中的强度和选择地实现不同的强度，例如在待制造的成形件中的不同的强度。强度的范围从例如构件本身中的强度到仅略高于没有吸收剂施加的构造材料的强度。因此可能的是，在构造区/构造空间中进行温度调节，并且如果需要的话，用于温度调节的外壳也易于用于移除制造的部件。

“IR加热（红外加热）”在本文中特别是表示用IR辐射器对构造区辐射。在此，辐射器同样可为静态的或者通过移动单元运动到构造区上。通过使用活化剂，构造区中的IR加热导致不同的强度的温度升高。

“辐射加热”概括了术语“IR加热”。通过对任意波长的辐射的吸收都可以加热固体或液体。

通过“面类型”来表达具有吸收剂的未印刷区域和印刷区域之间的区别。

“IR辐射器（红外辐射器）”是红外辐射源。在此大多数使用石英或陶瓷壳体中的灼热丝来产生辐射。根据所使用的材料，产生辐射的不同的波长。波长在这种发射器类型的情况下也取决于功率。

“辐射源”通常发射确定的波长或波长范围的辐射。具有接近单色辐射的辐射源被称为“单色辐射器”。辐射源也被称为“发射器”。在本发明的意义中，也可以使用具有窄波长范围的辐射器，其中，范围可以为0.5至2μm到0.05至0.1μm。

“顶置辐射器”在本发明的意义中是被置于构造区上方的辐射源。其可以是静止的但是在其辐射功率方面可以被调节。其基本上提供面式的非选择的加热。

“烧结辐射器”是将工艺粉末加热到其烧结温度之上的辐射源。其可以是静止的。但是在优选的实施方式中，它移动到构造区上。在本发明的意义中，烧结辐射器实施为单色辐射器。

“烧结”是粉末中颗粒部分聚结的术语。在该系统中，强度构造与烧结相关。

术语“烧结窗”表示在第一次加热粉末时出现熔点的温度与在随后冷却中出现固化点时的温度之间的差异。

“烧结温度”是如下温度，从所述温度开始，粉末第一次熔化并结合。

在“再结晶温度”下，表示一次熔化的粉末再次固化并显著收缩。

“包装密度”描述了通过固体填充几何空间。包装密度取决于颗粒材料和施加装置的性质并且是烧结过程的重要输出量。在大多数情况下，包装密度不是100％，并且颗粒材料的颗粒之间存在空心空间，并且在施加颗粒材料时和在成品成形件中存在一定的孔隙率。

术语“收缩”是指由于物理过程几何体的尺寸几何缩短的过程。典型地，非理想包装的粉末的烧结是本身引起相对于初始体积收缩的过程。可以给收缩分配一个方向。

当体（物体）在物理过程中经历不均匀的收缩时，会发生“变形”。该变形可以是可逆的或不可逆的。变形经常与构件的全局几何形状有关。

本文中一种效果称为“卷曲”，所述效果来自所述发明中的分层过程。在此，彼此前后不久产生的层分别经受不同的收缩。由于物理效应，复合材料在与收缩方向不一致的方向上变形。

“灰度值”是指印刷到粉末中的活化剂的量。在此，根据本发明，可以将不同的灰度值印刷到构造区上以实现不同程度的加热。

所有已知用于基于粉末3D印刷的材料，特别是聚合物，陶瓷和金属可以用作“颗粒材料”或“颗粒形构造材料”或“构造材料”。颗粒材料优选为干燥的自由流动粉末，但也可以使用内聚抗切的粉末或含颗粒的液体。在本文中，颗粒材料和粉末被同义使用。

“颗粒材料施加”是一种在其中产生限定的由粉末制成的层的过程。这可以或者在构造平台上或者在相对于输送带的倾斜平面上以连续性原则进行。颗粒材料施加此外也称为“涂覆”或“重涂”。

“选择地液体施加”在本发明的意义中可以在每个颗粒材料施加之后进行，或根据成形体的要求且为了优化成形体制造也可以不规则地、例如关于颗粒材料施加多次地进行。在此，印刷期望的体的截面图像。结合本发明，吸收剂可以被吸收、分散或者溶解在作为载体或印刷介质的液体或墨水中。

任何已知的3D打印装置可以用作用于实施根据本发明的方法的“装置”，所述3D打印装置包括所需的构件。常规部件包括涂覆器、构造区、用于移动构造区的器件或其它在连续进程中的构件、计量装置和热和辐射器件以及本领域专业技术人员已知的其它构件，因此这里不对其进行更进一步讨论。

“吸收”是指通过构造材料接收辐射的热能。吸收取决于粉末类型和辐射的波长。

“载体”是指在其中存在实际的吸收剂的介质。其可以是油、溶剂或一般是液体。此外也提及术语“选择地液体施加”。

在下文中，“辐射引起的加热”是指用固定的或可移动的辐射源照射构造区。吸收剂与辐射类型协调一致并且优选地被优化。在此，应该发生“激活的”和非“激活的”粉末的不同程度的加热。“激活的”意味着通过吸收剂印刷该区域中的温度与构造空间中的剩余区域相比升高。

“基本温度”在本发明的意义下是如下的温度，所述温度在构造空间中在颗粒材料的表面上和在印刷的颗粒材料中通过合适的器件，例如IR辐射器调节。在此，基础温度这样选择，以使其关于颗粒材料并且与吸收剂结合适合用于实现具有有利的材料特性的选择固化。

构造材料总是施加在“限定层”或“层厚度”中，所述“限定层”或“层厚度”根据构造材料和工艺条件单独进行调整。“限定层”或“层厚度”例如为0.05至0.5mm，优选为0.1至0.3mm。

在另一方面，本发明的任务通过如下方法解决，该方法特征在于，基本上单色的辐射被选出或者通过一个或者多个单色的放电灯，激光光源，LED光源和/或通过一个或者多个如下的面产生基本上单色的辐射，所述面特征在于荧光材料，所述荧光材料在照射或者透射时发出单色的辐射。

在另一个优选的方面，窄波长谱可以如下地解决本发明的任务：窄波长谱为0.5μm至1.5μm，优选0.1μm至0.2μm。

根据本发明的方法中的温度控制根据所使用的3D打印装置的要求和结构特征可以以不同的方式实施。因此，可以使用顶置辐射器和/或烧结辐射器。另一方面，该方法的特征可在于，顶置辐射器用于基本加热和烧结辐射器用于将经印刷的面加热到熔化温度之上。

优选该方法这样实施，使得使用如下的烧结辐射器，所述烧结辐射器具有用于将经印刷的面加热到熔化温度之上的波长，和所述烧结辐射器具有用于将未经印刷的面加热到再结晶温度之上的波长，其中，优选不使用静止的顶置辐射器，或者使用这样的静止的顶置辐射器，所述静止的顶置辐射器具有用于将经印刷的面加热到熔化温度之上的波长和所述静止的顶置辐射器具有用于将未经印刷的面加热到再结晶温度之上的波长，其中，优选使用不可运动的烧结辐射器。

此外，该方法特征在于，相应元件的功率可以被调节和可以进行相应的加热的调节。

在另外一个方面，该方法特征在于，为了有目的地加热印刷的和未经印刷的面，在经过构造面上期间进行辐射源的选择的打开和关闭和/或进行静止的辐射源的选择的打开和关闭。

任何合适的和与其它工艺条件相兼容的吸收介质、吸收混合物单独地或者与载体介质或其他组成成分组合地用作吸收剂。优选地，吸收剂是液体，优选含有碳颗粒的油基墨水，例如XAARIK821。

能够与其余的部件一起使用的构造材料用作颗粒形的构造材料，该构造材料优选具有50-60μm，优选55μm的平均的颗粒尺寸，180-190°C，优选186°C的熔化温度和/或140-150°C，优选145°C的再结晶温度，优选聚酰胺12，更优选PA2200®或者Vestosint1115®。

在实施方法时，加热这样进行，使得仅仅具有吸收剂的印刷区域通过部分的熔化或者烧结结合，其中，构造材料用作粉末或者悬浮液（Dispersion），和/或其中，给构造区和/或施加的构造材料调温，和/或其中，吸收剂包括辐射吸收组成部分，用于颗粒状构造材料的增塑剂或/和用于干扰再结晶的一种或多种物质。

此外，方法特征在于，吸收剂的量通过印刷头的灰度或抖动（显示）方法来调节。

选择地施加的介质用合适的器件和以合适的和需要的量施加，其中，优选液体借助于一个或者多个印刷头选择地施加，优选其中，一个或者多个印刷头在其滴量方法中能够被调节，和/或其中，一个或者多个印刷头选择地在一个或者两个移动方向上施加液体，和/或其中，颗粒形的构造材料选择地固化，优选选择地固化和烧结。

最后，本发明的一个方面是适合用于实施根据本发明的方法的装置。

下面在本发明的不同的方面说明本发明。

有目的地加热相应的面类型的中心任务优选通过使用单色辐射源来实现。

根据现有技术方法包括如下步骤：生成层，印刷，用辐射照射和下降。第一步骤类似于在已知的基于粉末3D印刷中的层生成。粉末被置于刀片前面，被施加到构造平台上并且用刀片涂平。构造平台在两次前后相继的涂覆过程中的位置在此决定层厚度。

然后印刷层。在这里提到的方法中，用喷墨印刷头施加液体。液体的一部分是活化剂，所述活化剂在辐射的作用下局部引起对粉末加热。

这样印刷的层现在由辐射源扫过和因此选择地被加热。在使用热辐射源的情况下，整个粉末被强烈加热。但是特别在激活的区域中，温度这样升高，使得颗粒开始烧结。在使用单色的辐射器的情况下，该过程能够被更好地控制和有目的地作用到相应的面类型。

在该步骤之后，构造区下降了层厚度。然后重复所有上述的步骤直到产生期望的构件。

构造区或者未经印刷的面保持在接近烧结温度的温度。一方面，用于粉末烧结的附加能量此时很低并且可以通过温和的方式引入。另一方面，该构件周围的温度这样高，使得在正在进行的构造过程期间，在构件的边缘区域中，温度也不会低于再结晶温度进而干扰层生成。

除了扫过构造区的辐射源之外，可选地可以在构造区上方提供附加的静止的辐射源。分别当构造区不被组件、例如涂覆器或印刷头覆盖时，它就可以起作用。这种所谓的顶置辐射器优选被调节，从而在构造区上设定恒定的温度。例如可以使用高温计传感器来确定温度实际值。顶置辐射器在这种布置中是中央温度控制部件。

顶置辐射器的功能是调节过程温度。但是该调节也可以通过烧结辐射器来实现。在此，必须使用与加热未经印刷的面适配的辐射器并且其功率根据工艺要求进行调节。同样，印刷的区域必须用烧结和低收缩的构造所需的辐射进行加热。

因此，在根据本发明使用单色光源的情况下，两种辐射器类型的烧结辐射器和顶置辐射器分别可以相互替换。总而言之，必须只使用一种合适的辐射源，所述辐射源通过不同的离散波长满足两种面类型。其可以经过构造区上方。但是该运动不是强制性的。

因此，能够发现允许短得多的层时间的布置。如果取消通过顶置辐射器的调节，印刷和涂层的过程可以几乎没有时间延迟地串接在一起。

通过这种方法也可以实现结合顶置辐射器功能和烧结辐射器的功能的静态的辐射板。如果辐射强度的几何运动在几何意义上是有意义的，则这些可以由可切换块组成。例如区辐射器可以被关闭，以便例如在其移动时保护打印头等敏感部件。

在辐射产生和辐射吸收时通常较高的效率导致装置中的较低温度。这对保护敏感部件是有好处的。

下面进一步描述优选的实施例，所述实施例不应被理解为限制这里包含的公开内容。此外，公开内容的实施例中包含的所有特征应理解为，所述特征可以单独地和能够在任何以合适的方式的组合中彼此组合，而不限于各个实施例和其中包含的组合。

具体实施方式

装置一般的、详细说明

用于实施本发明所需的装置与用于基于粉末的印刷的3D印刷机密切相关。附加地，使用用于对工艺液体调温和印制的其他工艺单元。

在方法开始时，给整个装置加热。为此，所有加热元件用于升高温度。当温度在系统的所有测量位置上保持恒定时，加热阶段完成。

本发明的优选的实施形式的各个加热系统在下面列出：

构造平台（102）可以通过不同的系统加热，颗粒材料在过程中放置在所述构造平台上和借助于构造平台的帮助，设定层（107）的层厚度。在一个优选的实施形式中，使用电阻加热器（504）。这同样是优选的，由于考虑加热效果的均匀性实施为扁平的加热薄膜。该热作用通过传感器检测和调节。传感器直接与该构造平台连接。这本身有目的地由金属制成，优选由铝制成。在向下的方向上绝缘件（506）覆盖构造平台（102）。

同样构造平台可通过流体加热。为此，在优选金属的构造平台下方构造加热线圈（504）。用于使加热效果均匀化的绝热件（506）又位于下方。

加热线圈例如由调温油通流。预选油温度能够实现温度的精确设定。如果通流足够高和功率适配，可以以这种方式实现温度的非常高的调节品质。

构造平台（102）在所谓的构造容器（110）中运动。构造容器视装置的实施形式而定能够从装置取出。由此，可以实现在时间上高的机器利用率，因为在构件去包装期间可以使用装置中的第二构造容器。

构造容器（110）同样被加热。可以使用对于构造平台而言相同的技术。容器本身优选又由金属制成。为了好的导热，优选由铝制成。实际主动加热器（504）又用绝缘件（503）存储。因此提升效果和提高均匀性。

在装置和构造容器之间为了功率连接优选存在插拔系统。这可以包括电连接或者用于液体的插拔连接器。

根据本发明的装置的下一个重要的加热系统是顶置辐射器（108）。顶置辐射器根据本发明优选置于构造区上方和垂直地辐射到构造区上。同样优选的是侧面安置的辐射器，所述辐射器以一定的角度辐射到构造区上。这样的结构是优选，以便通过涂覆器或者印刷头使遮暗（光损失）最小化。

顶置辐射器（108）可以根据本发明配备有单色的辐射器（603，图7）。单色的辐射器可以是放电灯，激光辐射源或者LED辐射器。视选择的活化剂和方法决定的与波长适配的最好的组合而定选出该选择方案。

同样可以配备三个顶置辐射器（108）但是根据本发明也可以配备热辐射器（图6）。这些应该具有尽可能小的选择性。例如可以使用具有极大波长的陶瓷辐射器。不同的表面类型的有目的的加热通过烧结辐射器（109）进行。

由方法决定有利的是，受调节地运行顶置辐射器（108）。为此优选可以将高温计用作传感器。高温计对准构造区中的一个（通过控制保证没有用活化剂印刷的边缘区域）。

实际的烧结在本发明的一个优选的实施形式中通过用涂覆器携带的烧结辐射器（109，501）实施。其在驶过期间加热构造区。其可以用于加热新印刷的粉末或者已经覆盖的粉末层。这里根据本发明使用单色的辐射源（400），但是单色的辐射源，根据本发明可选地，也可以发出多个离散的波长或者可选地由不同波长的辐射器共同组成（401，402）。优选的是交错的构造方式（图4a，4b）。该辐射源可以由放电灯，激光辐射源或者LED辐射器构造。使用荧光的面（601）提供另外的可能性，所述荧光的面借助于非强制的单色的辐射源（604）照亮且由此发出确定波长的单色的辐射（602），所述波长适合用于活化剂的吸收，见图8。

粉末在装置的一个优选的实施形式中在施加到已经存在的粉末表面之前被预加热，因此，该层不被太强烈地冷却。涂覆器（101）中的电阻加热器同样适合用于该粉末预加热。

原则上所有通过接触加热件被加热的组件也可以不直接地通过红外辐射加热。特别优选当出现强烈的振动时，涂覆器通过辐射加热。

优选用该装置根据在加热阶段之后的以下方法步骤顺序实现:在构造平台上由涂覆器（101）生成粉末层（图la）。可选地，新的层可以根据机器的构造形式在此附加地用烧结辐射器（109，501）加热。接着该层由一个（100）或者多个喷墨印刷头（100）（图lb）印刷。然后构造平台（102）下降（ld）。现在印刷的层用烧结灯（109.500）加热和随后又用粉末覆盖。

该过程重复，直到构件（103）在构造容器（110）中完成。接着进行冷却阶段。这优选在构造容器中发生，所述构造容器然后在装置之外被供应能量。

图2又给出温度曲线图。在此图2a示意地示出，当粉末在一个循环中被加热和又被冷却时，由粉末发出的能量的变化曲线。在加热时，示出在一定的温度中强烈地接收能量。在这里该材料熔化或者烧结（烧结温度）。对于适合激光烧结的聚酰胺12而言，该温度在大致185°C。在冷却时同样存在比烧结温度（再结晶温度）低得多的显著位置。在这里熔化的材料被固化。

图2b和2c又给出在根据现有技术的方法的进行过程期间温度的变化曲线。图2b在此示出未经印刷的面上的温度的变化曲线。由于使用烧结辐射源，在实际的恒定的变化曲线中产生加热和冷却阶段。在未印刷的区域中温度一次也没有达到烧结温度。

图2c示出印刷的区域中的变化曲线。在这里波动更强烈。该过程至少如此实施，使得短时地超过烧结温度且部分粉末熔化和保持熔化。如果加热太强烈，在该区域中的所有粉末熔化和发生严重变形。同样必须避免印刷的区域的太强烈的冷却，因为否则出现再结晶和然后所有收缩由于现在可能的力传递导致几何变形（卷曲），所述变形在某些情况下使其他过程变得不可能。

严格遵守熔化温度与再结晶温度之间的“过程窗口”对构件的质量起决定性作用。在此，印刷的和未印刷的区域适用不同的边界条件。使用单色的辐射源可以显著简化两个温度之间的温度控制。

尤其在实施例中说明，如何可以在所述的过程中使用该辐射源的优点。

附图的简短说明

图1：根据现有技术使用热辐射器的方法。

图2：a）粉末例如聚酰胺12的示意的能量吸收和输出曲线，b）未印刷面的面类型的具有液相线和固相线的温度曲线，c）印刷面的面类型的具有液相线和固相线的温度曲线。

图3：a）在应用烧结辐射器组件中的热辐射源的情况下，未印刷面的面类型的温度的高分辨率的示意图，b）在应用烧结辐射器组件中的单色的辐射源的情况下，未印刷面的面类型的温度的高分辨率的示意图。

图4：a）具有不同的波长的LED辐射源的布置，b）其他可能的布置

图5：用没有顶置辐射器的装置的根据本发明的过程的方法流程。

图6：用于使用单色的LED烧结辐射器实施根据本发明的方法的装置。

图7：用于使用单色的烧结辐射器和单色的顶置辐射器实施根据本发明的方法的装置。

图8：通过荧光的介质使烧结灯的辐射转化。

图9：不同的热辐射源和纯单色的辐射源的光谱分布

其他优选的实施例

实施例1：具有烧结灯的装置，所述装置包括具有波长的LED辐射器，且具有热顶置灯。

根据图la），构造过程或者过程周期以用粉末层给构造平台涂覆开始。在通过涂覆器（101）涂覆期间，如果没有由涂覆器（101）光学覆盖，粉末会由顶置辐射器（108）加热。仅仅提供很好地加热被覆盖的面的辐射的烧结辐射器（109），在该步骤中没有打开。

顶置辐射器（108）为了调节构造区的表面温度包括测量装置。理想情况下，测量装置实施为高温计，所述高温计可以无接触地确定温度。该调节必须考虑到测量装置一直又由印刷头（100）和涂覆器（101）遮暗。这可以通过关闭测量值采集或者通过不敏感的控制回路参数进行。

在第二步骤中，活化剂通过印刷头（100）施加，所述活化剂精确地与辐射源的波长协调一致。由印刷头（100）施加到颗粒材料上的图像，与当前的成形体横截面一致。在过程开始时，经常印刷基础层。在这里，印刷头印刷整个可用作构造面的面。

第三步骤是烧结过程。在此，烧结辐射器组件（109）打开且被引导到构造区上。辐射源的功率和速度确定在构造区上的辐射功率。与现有技术相反，具有一波长的烧结辐射器（500）在该移动期间未加热未印刷面。印刷区域的温度因此升高，而未印刷的区域由于通过辐射引起的能量损失慢慢冷却（图3b，区域II）。

第四步骤是将构造平台（102）下降粉末层（107）的厚度。在该过程期间，构造区对于顶置辐射器（108）是自由的且温度可以被调节。之后，过程周期又从头以涂覆过程开始。

图6说明一种装置，所述装置在该实施例中可以实现提到的过程。顶置辐射器（108）实施为热辐射源。烧结辐射器由小件的LED单辐射器（400或者500）共同组成。构造容器底和构造平台通过电阻加热器（504）调温。在该示例的装置中，涂覆器（101）和烧结辐射器组件（109）连接。该单元和印刷头（100）能够独立地运动到构造区上。

图7示出该实施例的特别的实施方式。这里顶置辐射器还配备LED辐射源。因此，在该机器中与现有技术的装置相比出现小得多的废热。

实施例2:烧结辐射器组件的装置，所述烧结辐射器组件包括具有两个波长的LED辐射器，和不具有顶置灯

根据图5构造过程或者过程周期以用粉末层涂覆构造平台（102）开始。组件（109）的烧结辐射器（501）在该步骤中打开并且将粉末加热到在熔化温度之下但是在再结晶温度之上的基础温度，所述烧结辐射器也提供很好地加热未印刷面的辐射。能量供应在此通过功率和移动速度控制。有利地，检测和也调节产生的温度。

在第二步骤中，施加活化剂，所述活化剂精确地与用于印刷的区域的辐射源（500）的波长协调一致。由印刷头（100）施加到粉末上的图像与当前的成形体一致。在过程开始时，经常印刷基础层。在这里，印刷头印刷整个可用作构造面的面。

第三步骤是烧结过程。在此，烧结组件（109）打开且被引导到构造区上。辐射源的功率和速度确定在粉末床上的辐射功率。与现有技术相反，该组件在该过程期间用两个波长（500，501）有针对性地影响未印刷的和经印刷的面。印刷的区域的温度因此升高，而在未印刷的区域中能量损失可以通过辐射补偿。

第四步骤是将构造平台（102）下降层厚度和在该实例的过程中保持非常短。在这里未被调节和每个延迟导致由热辐射引起的能量损失。因此，该步骤未在图中列出。

附图标记列表

100印刷头

101涂覆器

102构造平台

103构件

107层

108顶置辐射器

109烧结辐射器组件

110构造容器

400烧结组件中的单色的辐射器

401烧结组件中的不同波长的单色的辐射器

402交错的构造方式的具有辐射器的烧结辐射器组件

500单色的烧结辐射器

501其他波长的烧结辐射器

503绝缘构造容器

504电阻加热器或加热线圈

506向下的绝缘构造平台

601具有荧光层的材料

602由荧光层发出的二次辐射

603顶置辐射器，借助于单色的辐射器实施

604到荧光层上的辐射

701传统辐射器的具有二次峰值的典型辐射光谱

702传统辐射器在较低的功率时的辐射光谱

703单色的辐射。

Claims (22)

1.一种用于制造3D成形件的方法，其中，借助于涂覆器将颗粒形的构造材料以限定的层施加到构造区上，选择地施加一种或者多种吸收剂的一种或者多种液体或者颗粒材料，通过合适的器件进行能量输入并且在粉末的熔化温度之上的烧结温度或者固化温度时进行印刷有吸收剂的区域的选择性的固化，将构造区下降层厚度或者将涂覆器升高层厚度，重复这些步骤直到产生期望的3D成形件，其特征在于，至少经印刷的面的能量输入由借助于LED的烧结辐射器在宽度从0.2μm至0.1μm的窄波长光谱内进行。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，顶置辐射器用于基本加热和烧结辐射器用于将经印刷的面加热到熔化温度之上。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，使用具有用于将经印刷的面加热到熔化温度之上的波长的烧结辐射器，和具有用于将未经印刷的面加热到再结晶温度之上的波长的烧结辐射器。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，不使用静止的顶置辐射器。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，使用静止的顶置辐射器，该静止的顶置辐射器具有用于将经印刷的面加热到熔化温度之上的波长和该静止的顶置辐射器具有用于将未经印刷的面加热到再结晶温度之上的波长。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，使用不可运动的烧结辐射器。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，相应元件的功率能够被调节和能够进行相应的加热的调节。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，为了有目的地加热印刷的和未经印刷的面，在经过构造面上期间选择性地打开和关闭辐射源。

9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，选择性地打开和关闭静止的辐射源。

10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，吸收剂是液体。

11.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，吸收剂是含有碳颗粒的油基墨水。

12.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，吸收剂是XAARIK821。

13.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，颗粒形的构造材料具有50-60μm的平均的颗粒尺寸，180-190℃的熔化温度和/或140-150℃的再结晶温度。

14.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，颗粒形的构造材料具有55μm的平均的颗粒尺寸，186℃的熔化温度和/或145℃的再结晶温度。

15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，颗粒形的构造材料为聚酰胺12。

16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，颗粒形的构造材料为

或者

17.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，加热这样进行，使得仅仅印刷有吸收剂的区域通过部分的熔化或者烧结结合，和/或

其中，构造材料用作粉末或者悬浮液，和/或

其中，给构造区和/或施加的构造材料调温，和/或

其中，吸收剂包括辐射吸收组成部分，用于颗粒状构造材料的增塑剂或/和用于干扰再结晶的一种或多种物质。

18.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，一或者多种吸收剂的量通过印刷头的灰度或抖动方法来调节。

19.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，液体借助于一个或者多个印刷头选择地施加。

20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，一个或者多个印刷头在其滴量方面能够被调节，和/或

其中，一个或者多个印刷头选择地在一个或者两个移动方向上施加液体，和/或

其中，颗粒形的构造材料选择地固化。

21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，颗粒形的构造材料选择地固化和烧结。

22.一种适合用于实施根据权利要求1-21中任一项所述的方法的装置。

Images