CN108421974B - 包括加热系统的用于生产三维工件的设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于生产三维工件的设备(10)，包括：适于接收原料粉末层的承载器(14)；控制单元(48)；辐照系统(16)，适于从烧结/熔化辐射发射平面(18)有选择地对施加到承载器(14)上的原料粉末层辐照电磁或粒子辐射，其中，控制单元(48)适于对辐照系统(16)的操作进行控制，使得将原料粉末加热至允许烧结和/或熔化原料粉末以生成三维工件层的第一温度(T1)；以及加热系统(28)，适于从不同于烧结/熔化辐射发射平面(18)的加热辐射发射平面(30a、30b)有选择地对施加到承载器(14)上的原料粉末层辐照电磁或粒子辐射，其中，控制单元(48)适于对加热系统(28)的操作进行控制，使得将原料粉末加热至比第一温度(T1)低的第二温度(T2)。

Description

包括加热系统的用于生产三维工件的设备
技术领域
本发明涉及一种通过用电磁或粒子辐射辐照原料粉末层来生产三维工件的设备。此外，本发明涉及一种用于操作这类设备的方法。
背景技术
粉末床融合(powder bed fusion，粉末床熔融)是一种增材逐层工艺(additivelayering process)，通过该工艺，粉状原料，特别是金属和/或陶瓷原料，可以加工成形状复杂的三维工件。为此，将原料粉末层施加到承载器(carrier,承载部件)上，并根据待生产工件的期望几何结构使原料粉末层以位点选择性(site selective)方式经受激光辐射。穿透到粉末层中的激光辐射导致加热原料粉末颗粒，并因此熔化或烧结原料粉末颗粒。然后向承载器上已经受激光处理的层依次地施加其他原料粉末层，直到工件具有期望的形状和大小。在CAD数据的基础上，选择性激光熔化或激光烧结可以特别地用于生产原型(prototype，样机)、工具、替换部件或医学假体，例如假牙或矫形假体。
EP 2 859 973 A1描述了一种用于通过用电磁或粒子辐射有选择地辐照原料粉末生产三维工件的设备的粉末加工布置，其中，承载器元件包括：适于在原料粉末层被用电磁或粒子辐射有选择地辐照时承载原料粉末层的构造区段(build section)，以及适于在原料粉末层被用电磁或粒子辐射有选择地辐照之前承载原料粉末层的至少一个转移区段。加热装置适于在将承载器元件的转移区段所承载的原料粉末施加至承载器元件的构造区段之前对该原料粉末进行预加热，以形成待用电磁或粒子辐射有选择地辐照的原料粉末层。
此外，EP 2 878 409 A1公开了一种用于控制用于生产三维工件的设备并包括第一辐照单元和第二辐照单元的辐照系统的方法和装置。在适于接收原料粉末层的承载器的表面上限定第一辐照区域和第二辐照区域。在第一辐照区域施加到承载器上的原料粉末层由第一辐照单元辐照，其中，对第一辐照单元的操作进行控制，使得对原料粉末进行预加热。此后，通过第二辐照单元辐照在第一辐照区域施加到承载器上的原料粉末层，其中，对第二辐照单元的操作进行控制，使得将原料粉末加热至允许烧结和/或熔化原料粉末以生成三维工件层的温度。当第一辐照单元辐照在第一辐照区域施加到承载器上的原料粉末层时，在第二辐照区域施加到承载器上的原料粉末层由第二辐照单元辐照。此外，当第一辐照单元辐照在第二辐照区域施加到承载器上的原料粉末层时，在第一辐照区域施加到承载器上的原料粉末层由第二辐照单元辐照。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通过用电磁或粒子辐射辐照原料粉末层生产三维工件的设备，该设备允许生产特别高质量的三维工件。此外，本发明的目的在于提供一种用于操作这类设备的方法。
通过如下所述的设备以及如下所述的方法达到该目的。
一种用于生产三维工件的设备，包括：
-适于接收原料粉末层的承载器，
-控制单元，
-辐照系统，适于从烧结/熔化辐射发射平面有选择地对施加到所述承载器上的所述原料粉末层辐照电磁或粒子辐射，其中，所述控制单元适于对所述辐照系统的操作进行控制，使得将所述原料粉末加热至允许烧结和/或熔化所述原料粉末以生成三维工件层的第一温度，以及
-加热系统，适于从不同于所述烧结/熔化辐射发射平面的加热辐射发射平面有选择地对施加到所述承载器上的所述原料粉末层辐照电磁或粒子辐射，其中，所述控制单元适于对所述加热系统的操作进行控制，使得将所述原料粉末加热至比所述第一温度低的第二温度。
一种用于生产三维工件的方法，包括：
-将原料粉末层施加到承载器上，
-通过辐照系统从烧结/熔化辐射发射平面有选择地对施加到所述承载器上的所述原料粉末层辐照电磁或粒子辐射，其中，对所述辐照系统的操作进行控制，使得将所述原料粉末加热至允许烧结和/或熔化所述原料粉末以生成三维工件层的第一温度，以及
-通过加热系统从不同于所述烧结/熔化辐射发射平面的加热辐射发射平面有选择地对施加到所述承载器上的所述原料粉末层辐照电磁或粒子辐射，其中，对所述加热系统的操作进行控制，使得将所述原料粉末加热至比所述第一温度低的第二温度。
一种用于生产三维工件的设备，包括适于接收原料粉末层的承载器。承载器可以设置在设备的处理室中，并且可以是刚性固定的承载器。然而，优选地，承载器被设计为可沿竖直方向移位，使得随着工件的构造高度增加(因工件是由原料粉末逐层建立的)，可以使承载器沿竖直方向向下移动。处理室可以是对环境大气密封的，即，是对处理室周围的环境密封的，以便能维持受控的气氛，特别是处理室中的惰性气氛(inert atmosphere)。待接收在承载器上的原料粉末优选地为金属粉末，特别是金属合金粉末，但也可以是陶瓷粉末或包含不同材料的粉末。粉末可以具有任何适合的颗粒尺寸或颗粒尺寸分布。然而，优选的是加工颗粒尺寸<100μm的粉末。
设备还包括控制单元，控制单元优选地被设计为电子控制单元的形式。设备的辐照系统适于从烧结/熔化辐射发射平面有选择地对施加到承载器上的原料粉末层辐照电磁或粒子辐射。控制单元适于对辐照系统的操作进行控制，使得将原料粉末加热至允许位点选择性烧结和/或熔化原料粉末以生成三维工件层的第一温度。
辐照系统可以包括烧结/熔化辐射源以及用于引导和/或处理由烧结/熔化辐射源发射的烧结/熔化辐射束的至少一个光学单元。光学单元可以包括：光学元件，诸如物镜，特别地为f-theta透镜；以及扫描单元，扫描单元优选地包括衍射光学元件和偏转镜。辐照系统可以包括仅一个辐照单元或包括多个辐照单元，每个辐照单元均适于从烧结/熔化辐射发射平面发射允许位点选择性烧结和/或熔化原料粉末的电磁或粒子辐射。
最后，设备包括加热系统，加热系统适于从不同于烧结/熔化辐射发射平面的加热辐射发射平面有选择地对施加到承载器上的原料粉末层辐照电磁或粒子辐射。因此，以类似于辐照系统发射的烧结/熔化辐射束的位点选择性方式指引加热系统发射的加热辐射束扫过(across)施加到承载器上的原料粉末层。然而，辐照系统发射的烧结/熔化辐射束与加热系统发射的加热辐射束源于不同的平面，并且彼此独立。控制单元适于对加热系统的操作进行控制，使得将原料粉末加热至比第一温度低的第二温度。
加热系统可以包括加热辐射源以及用于引导和/或处理由加热辐射源发射的加热辐射束的至少一个光学单元。与辐照系统的光学单元一样，加热系统的光学单元也可以包括：光学元件，诸如物镜，特别地为f-theta透镜；以及扫描单元，扫描单元优选地包括衍射光学元件和偏转镜。
例如，在被加热系统发射的电磁或粒子辐射辐照时，原料粉末可以被加热至在其烧结和/或熔化温度以下的温度。然而，也可以想到，在被加热系统发射的辐射辐照时，原料粉末部分地或全部熔化，或者维持在熔化状态。然而，即使原料粉末在被加热系统发射的辐射辐照时熔化或维持在熔化状态，仍然对加热系统和辐照系统进行控制，使得加热系统仅用于将原料粉末加热至比第一温度低的第二温度，使得在原料粉末被辐照系统发射的电磁或粒子辐射辐照时出现原料粉末的成形的(shape-giving)烧结和/或熔化。
在用于生产三维工件的设备中，原料粉末在例如真正烧结以生成三维工件层之前，通过加热系统可以被非常精确且均匀地加热。此外，加热可以无关于原料粉末量的增加且特别是存在于承载器上的随着工件增加的构造高度(因其是由原料粉末逐层建立的)的原料粉末层“堆叠体(stack)”的高度的增加实现。因此，真正受辐照系统发射的电磁或粒子辐射辐照的原料粉末颗粒的温度与布置在辐照区以外的原料粉末颗粒的温度以及已生成工件层的温度之间的差异所造成的温度梯度可以最小化，从而允许也最小化工件内的热应力。因此，可以获得无裂纹、高强度且高质量的工件。
由于辐照系统发射的烧结/熔化辐射束和加热系统发射的加热辐射束源于不同平面，因此可以容易地防止辐射束的不期望的相互作用，甚至在对应的大承载器上生产大三维工件的情况下也如此。因此，可以容易地同时操作加热系统和辐照系统，使得在一个辐照区域施加到承载器上的原料粉末可以由加热系统发射的加热辐射束辐照，同时在另一辐照区域施加到承载器上的原料粉末可以由辐照系统发射的烧结/辐射束辐照。结果，可以加速生成三维工件。
优选地，加热系统包括：第一加热单元，适于从第一加热辐射发射平面有选择地对施加到承载器上的原料粉末层辐照电磁或粒子辐射；以及第二加热单元，适于从第二加热辐射发射平面有选择地对施加到承载器上的原料粉末层辐照电磁或粒子辐射。多个加热单元的存在使得甚至在生产大三维工件的情况下也能均匀可靠地加热原料粉末。第一加热辐射发射平面和第二加热辐射发射平面可以基本上平行于彼此延伸。第一加热单元和第二加热单元于是可以同时或连续地将加热辐射束发射至施加到设置在第一加热辐射发射平面和第二加热辐射发射平面之间的承载器上的原料层上。
烧结/熔化辐射发射平面可以基本上平行于承载器延伸。例如，辐照系统发射的烧结/熔化辐射束可以经由容纳承载器的处理室的顶壁进入处理室，即，可以指引辐照系统发射的烧结/熔化辐射束通过设置在处理室的顶壁中的窗口。第一加热辐射发射平面和/或第二加热辐射发射平面优选地基本上垂直于烧结/熔化辐射发射平面延伸。此外，第二加热辐射发射平面可以基本上平行于第一加热辐射发射平面延伸。特别地，第一加热单元发射的加热辐射束可以经由容纳承载器的处理室的第一侧壁进入处理室，而第二加热单元发射的加热辐射束可以经由容纳承载器的处理室的第二侧壁进入处理室，第二侧壁与第一侧壁相对且基本上平行地设置。例如，可以指引第一加热单元和第二加热单元发射的加热辐射束通过设置在处理室的侧壁中的相应窗口。
加热系统优选地包括至少一个加热辐射源，所述至少一个加热辐射源被设计为激光二极管的形式。辐照系统可以包括烧结/熔化辐射源，烧结/熔化辐射源被设计为激光源(例如二极管泵浦镱光纤激光器)的形式。优选地，加热系统的加热辐射源的最大输出功率低于辐照系统的烧结/熔化辐射源的最大输出功率。此外，加热辐射源发射的激光波长可以不同于辐照系统的烧结/熔化辐射源发射的激光波长。于是可以借助于加热系统以可靠且节约成本的方式加热施加到承载器上的原料粉末。
然而，作为替代方案，还可以想到，通过适当地控制加热辐射束大小、在原料粉末上引导加热辐射束所根据的加热辐射图案(pattern，模式)和/或在施加到承载器上的原料粉末上引导加热辐射束的扫描速度，控制由用于将原料粉末加热至期望的第二温度的加热系统引入施加到承载器上的原料粉末的能量。可以以类似的方式通过适当地控制烧结/熔化辐射束大小、在原料粉末上引导烧结/熔化辐射束所根据的烧结/熔化辐射图案和/或在施加到承载器上的原料粉末上引导烧结/熔化辐射束的扫描速度，控制由用于将原料粉末加热至期望的第一温度的辐照系统引入施加到承载器上的原料粉末的能量，并且因此控制原料粉末的烧结和/或熔化。
在施加到承载器上的原料粉末上引导加热系统发射的加热辐射束以及辐照系统发射的烧结/熔化辐射束所根据的辐射图案可以是任何适合的辐射图案，例如，棋盘图案、条纹图案或包括呈任意形状的区段的图案，其中，辐射图案的各个区段可以由多个扫描向量限定。可以根据与在施加到承载器上的原料粉末上引导辐照系统发射的烧结/熔化辐射束所根据的辐射图案不同的辐射图案在施加到承载器上的原料粉末上引导加热系统发射的加热辐射束。然而，还可以想到，在施加到承载器上的原料粉末上引导加热系统发射的加热辐射束所根据的辐射图案与引导辐照系统发射的烧结/熔化辐射束所根据的辐射图案可以是相同的类型，但它们的影线(hatch)距离(即，辐射图案的相邻影线之间的距离)不同。
控制单元可以适于在原料粉末受加热系统发射的加热辐射束和/或辐照系统发射的烧结/熔化辐射束辐照期间，根据指示原料粉末的温度的温度信号控制加热系统的操作和/或辐照系统的操作。通过在原料粉末受加热系统和/或辐照系统辐照时测量原料粉末的温度，可以以可靠的方式控制将原料粉末的加热至第一温度和/或第二温度。用于控制加热系统和辐照系统的操作的温度信号优选由高温计和/或热成像摄像机提供。
控制单元可以适于对辐照系统和加热系统的操作进行控制，使得施加到承载器上的原料粉末层首先有选择地受加热系统发射的电磁或粒子辐射辐照，然后有选择地受辐照系统发射的电磁或粒子辐射辐照。通过在以较高的第一温度真正烧结/熔化原料粉末以生成三维工件层之前首先将原料粉末预加热至期望的第二温度，可以可靠地最小化待生成工件内的热应力。例如，第二温度可以为200℃或更高。
替代地或附加地，控制单元可以适于对辐照系统和加热系统的操作进行控制，使得施加到承载器上的原料粉末层首先有选择地受辐照系统发射的电磁或粒子辐射辐照，然后有选择地受加热系统发射的电磁或粒子辐射辐照。与预加热类似，对已烧结/熔化原料粉末进行后加热也允许减小待生成工件内的热应力。此外，后加热可以用于定制工件的材料特性，例如，通过使原料粉末在期望时间段内维持在熔化状态，或者通过位点选择性温度处理，即，对烧结的原料粉末进行“退火”。
可以独立地要求保护下述两种情况：为用于生产三维工件的设备配备控制装置，控制装置适于对辐照系统和加热系统的操作进行控制，使得施加到承载器上的原料粉末层首先有选择地受辐照系统发射的电磁或粒子辐射辐照，然后有选择地受加热系统发射的电磁或粒子辐射辐照；为该设备配备辐照系统和加热系统，辐照系统适于从烧结/熔化辐射发射平面有选择地对施加到承载器上的原料粉末层辐照电磁或粒子辐射，加热系统适于从不同于烧结/熔化辐射发射平面的加热辐射发射平面有选择地对施加到承载器上的原料粉末层辐照电磁或粒子辐射。
具体地，可以要求保护下述用于生产三维工件的设备：设备包括适于接收原料粉末层的承载器、控制单元、适于有选择地对施加到承载器上的原料粉末层辐照电磁或粒子辐射的辐照系统以及适于有选择地对施加到承载器上的原料粉末层辐照电磁或粒子辐射的加热系统。控制单元可以适于对辐照系统和加热系统的操作进行控制，使得原料粉末首先有选择地受辐照系统发射的电磁或粒子辐射辐照，以将原料粉末加热至允许烧结和/或熔化原料粉末以生成三维工件层的第一温度，然后有选择地受加热系统发射的电磁或粒子辐射辐照至比第一温度低的第二温度。还可以要求保护对应的方法。
在用于生产三维工件的设备的优选实施方案中，控制单元适于对辐照系统和加热系统的操作进行控制，使得加热系统发射的电磁或粒子辐射束和辐照系统发射的电磁或粒子辐射束以期望距离和/或期望时间间隔(time lag)辐照至施加到承载器上的原料粉末层上。在开始辐照新的原料粉末层时，控制单元可以对辐照系统和加热系统的操作进行控制，使得仅加热系统发射加热辐射束，而辐照系统保持不运行，直到可以以期望距离和/或期望时间间隔引导辐照系统发射的烧结/熔化辐射束扫过原料粉末层。以类似的方式，在开始辐照新的原料粉末层时，控制单元可以对辐照系统和加热系统的操作进行控制，使得仅辐照系统发射烧结/熔化辐射束，而加热系统保持不运行，直到可以以期望距离和/或期望时间间隔引导加热系统发射的加热辐射束扫过原料粉末层。
控制单元可以适于根据原料粉末特性和/或原料粉末施加和/或辐照工艺的工艺参数设置期望距离和/或期望时间间隔。可能影响期望距离和/或期望时间间隔的设置的原料粉末特性可以包括粉末的熔化温度以及整体烧结/熔化性质。可能影响期望距离和/或期望时间间隔的设置的工艺参数可以包括施加到承载器上的粉末层的厚度、加热辐射束和/或烧结/熔化辐射束的大小、在原料粉末上引导加热辐射束和/或烧结/熔化辐射束所根据的加热辐射图案和/或烧结/熔化辐射图案，和/或在原料粉末上引导加热辐射束和/或烧结/熔化辐射束的扫描速度。
一种用于生产三维工件的方法，包括下述步骤：将原料粉末层施加到承载器上；通过辐照系统从烧结/熔化辐射发射平面有选择地对施加到承载器上的原料粉末层辐照电磁或粒子辐射，其中，对辐照系统的操作进行控制，使得将原料粉末加热至允许烧结和/或熔化原料粉末以生成三维工件层的第一温度；以及通过加热系统从不同于烧结/熔化辐射发射平面的加热辐射发射平面有选择地对施加到承载器上的原料粉末层辐照电磁或粒子辐射，其中，对加热系统的操作进行控制，使得将原料粉末加热至比第一温度低的第二温度。
优选地，加热系统的第一加热单元从第一加热辐射发射平面有选择地对施加到承载器上的原料粉末层辐照电磁或粒子辐射，第二加热单元从第二加热辐射发射平面有选择地对施加到承载器上的原料粉末层辐照电磁或粒子辐射。第一加热辐射发射平面和第二辐射发射平面可以基本上平行于彼此延伸。
烧结/熔化辐射发射平面可以基本上平行于承载器延伸。额外地或替代地，第一和/或第二辐射发射平面可以基本上垂直于烧结/熔化辐射发射平面延伸。
可以对辐照系统和加热系统的操作进行控制，使得施加到承载器上的原料粉末层首先有选择地受加热系统发射的电磁或粒子辐射辐照，然后有选择地受辐照系统发射的电磁或粒子辐射辐照。
然而，替代地或额外地，还可以对辐照系统和加热系统的操作进行控制，使得施加到承载器上的原料粉末层首先有选择地受辐照系统发射的电磁或粒子辐射辐照，然后有选择地受加热系统发射的电磁或粒子辐射辐照。
可以对辐照系统和加热系统的操作进行控制，使得加热系统发射的电磁或粒子辐射束以及辐照系统发射的电磁或粒子辐射束以期望距离和/或期望时间间隔辐照在施加到承载器上的原料粉末层上。
可以根据原料粉末特性和/或原料粉末施加和/或辐照工艺的工艺参数设置期望距离和/或期望时间间隔。
附图说明
下文参考随附的示意性附图更详细地解释本发明的优选实施方案，附图中：
图1示出了用于生产三维工件的设备的示意性三维表示，
图2示出了图1所示设备的示意性截面图。
具体实施方式
图1和图2示出了通过粉末床融合生产三维工件的设备10。设备10包括处理室12。处理室12是对环境大气密封的，即，是对处理室12周围的环境密封的。设置在处理室12中的粉末施加装置(未示出)用于将原料粉末施加到承载器14上。承载器14被设计为可沿竖直方向移位，使得随着工件的构造高度增加(因工件是由承载器14上的原料粉末逐层建立的)，可以使承载器14沿竖直方向向下移动。
设备10还包括用于从烧结/熔化辐射发射平面18有选择地对施加到承载器14上的原料粉末层辐照电磁或粒子辐射的辐照系统16。在附图所示设备10的实施方案中，烧结/熔化辐射发射平面18基本上平行于承载器14延伸，并基本上与处理室12的顶壁20共面。特别地，辐照系统16发射的烧结/熔化辐射束22通过设置在处理室12的顶壁20中的窗口23进入处理室12。
辐照系统16包括烧结/熔化辐射源24，该烧结/熔化辐射源在附图所示设备10的实施方案中被设计为激光源，例如发射波长大约为1070nm至1080nm的激光的二极管泵浦镱光纤激光器。此外，辐照系统16包括用于引导和/或处理烧结/熔化辐射源24发射的烧结/熔化辐射束22的光学单元26。光学单元26可以包括用于扩展辐射束的扩束器、扫描器以及物镜。替代地，光学单元26可以包括具有聚焦光学器件的扩束器和扫描单元。通过扫描单元，可以改变并调整烧结/熔化辐射束在束路径的方向上以及垂直于束路径的平面内的焦点的位置。扫描单元可以被设计成检流计式扫描器(galvanometer scanner，扫描振镜)的形式，物镜可以是f-theta物镜。因此，通过辐照系统16，可以根据待生产工件的期望几何结构以位点选择性方式使施加到承载器14上的原料粉末经受激光辐射。
设备10还包括加热系统28，该加热系统适于从不同于烧结/熔化辐射发射平面18的加热辐射发射平面30a、30b有选择地对施加到承载器14上的原料粉末层辐照电磁或粒子辐射。在附图所示设备10的实施方案中，加热辐射发射平面30a、30b基本上垂直于烧结/熔化辐射发射平面18延伸，并且因此基本上垂直于承载器14以及处理室12的顶壁20。
具体地，加热系统28包括：第一加热单元32a，适于从第一加热辐射发射平面30a有选择地对施加到承载器14上的原料粉末层辐照电磁或粒子辐射；以及第二加热单元32b，适于从第二加热辐射发射平面30b有选择地对施加到承载器14上的原料粉末层辐照电磁或粒子辐射。第一加热辐射发射平面30a和第二辐射发射平面30b基本上相对并平行于彼此延伸，并基本上与处理室12的两个相对侧壁34、36共面。加热系统28的加热单元32a、32b发射的加热辐射束38a、38b通过设置在处理室12的侧壁34、36中的相应窗口40、42进入处理室12。
加热系统28的每个加热单元32a、32b包括加热辐射源44a、44b，加热辐射源在附图所示设备10的实施方案中被设计为激光二极管。此外，加热系统28的每个加热单元32a、32b包括光学单元46a、46b，光学单元用于引导和/或处理相应加热辐射源44a、44b发射的相应加热辐射束38a、38b。与辐照系统16的光学单元26类似，加热系统28的每个光学单元46a、46b均可以包括用于扩展辐射束的扩束器、扫描器和物镜。替代地，每个光学单元44a、44b均可以包括具有聚焦光学器件的扩束器和扫描单元。通过扫描单元，可以改变并调整加热辐射束在束路径的方向上以及垂直于束路径的平面内的焦点的位置。扫描单元可以被设计成检流计式扫描器的形式，物镜可以是f-theta物镜。因此，通过加热系统28，还可以根据待生产工件的期望几何结构以位点选择性方式使施加到承载器14上的原料粉末经受激光辐射。
辐照系统16的操作和加热系统28的操作通过控制单元48控制。具体地，控制单元48对辐照系统16的操作进行控制，使得将原料粉末加热至允许烧结和/或熔化原料粉末以生成三维工件层的第一温度T1。此外，控制单元48对加热系统28的操作进行控制，使得将原料粉末加热至比第一温度T1低的第二温度T2。为了对加热系统28的操作和辐照系统16的操作进行控制，控制单元48在原料粉末受加热系统28发射的加热辐射射束38a、38b以及辐照系统16发射的烧结/熔化辐射束22辐照期间接收指示原料粉末的温度的温度信号。这些温度信号由温度测量装置50提供，该温度测量装置可以被设计为高温计和/或热成像摄像机的形式。
控制单元48可以对辐照系统16和加热系统28的操作进行控制，使得施加到承载器14上的原料粉末层首先有选择地受加热系统28发射的电磁或粒子辐射辐照，然后有选择地受辐照系统16发射的电磁或粒子辐射辐照。通过在以较高的第一温度T1实际烧结/熔化原料粉末以生成三维工件层之前将原料粉末预加热至期望的第二温度T2，可以可靠地最小化待生成工件内的热应力。例如，第二温度T2可以为200℃或更高。
替代地或额外地，控制单元48可以对辐照系统16和加热系统28的操作进行控制，使得施加到承载器14上的原料粉末层首先有选择地受辐照系统16发射的电磁或粒子辐射辐照，然后有选择地受加热系统28发射的电磁或粒子辐射辐照。与预加热类似，对已烧结/熔化原料粉末进行后加热也允许减小待生成工件内的热应力。此外，后加热可以用于定制工件的材料特性，例如，通过使原料粉末在期望时间段内维持在熔化状态，或者通过位点选择性温度处理，即，对烧结的原料粉末进行“退火”。
在附图所示的设备10中，其中，加热系统28配备有两个加热单元32a、32b，加热单元32a、32b发射的两个加热辐射束38a、38b均可以用于同时或相继地对承载器14上的原料粉末进行预加热或后加热。然而，还可以想到，控制单元48对加热系统28的操作进行控制，使得第一加热单元32a发射的加热辐射束38a用于在承载器14上的原料粉末最终被烧结/熔化之前对原料粉末进行预加热，而第二加热单元32b发射的加热辐射束38b用于对已烧结/熔化的原料粉末进行后加热；或者，第二加热单元发射的加热辐射束用于在承载器上的原料粉末最终被烧结/熔化之前对原料粉末进行预加热，第一加热单元发射的加热辐射束用于对已烧结/熔化的原料粉末进行后加热。
具体地，控制单元48对辐照系统16和加热系统28的操作进行控制，使得加热系统28发射的电磁或粒子辐射束38a、38b以及辐照系统16发射的电磁或粒子辐射束22以期望距离和/或期望时间间隔辐照在施加到承载器14上的原料粉末层上。可以通过控制单元48根据原料粉末特性和/或原料粉末施加和/或辐照工艺的工艺参数设置期望距离和/或期望时间间隔。可能影响期望距离和/或期望时间间隔的设置的原料粉末特性可以包括粉末的熔化温度以及整体烧结/熔化性质。可能影响期望距离和/或期望时间间隔的设置的工艺参数可以包括施加到承载器14上的粉末层的厚度、加热辐射束38a、38b和/或烧结/熔化辐射束22的大小、在原料粉末上引导加热辐射束38a、38b和/或烧结/熔化辐射束22所根据的加热辐射图案和/或烧结/熔化辐射图案，和/或在原料粉末上引导加热辐射束38a、38b和/或烧结/熔化辐射束22的扫描速度。
在期望如上所述对原料粉末进行预加热的情况下，在开始辐照新的原料粉末层时，控制单元48对辐照系统16和加热系统28的操作进行控制，使得仅加热系统28发射加热辐射束38a、38b，而辐照系统16保持不运行，直到可以以期望距离和/或期望时间间隔引导辐照系统16发射的烧结/熔化辐射束22扫过原料粉末层。以类似的方式，在期望对原料粉末进行后加热的情况下，在开始辐照新的原料粉末层时，控制单元48对辐照系统16和加热系统28的操作进行控制，使得仅辐照系统16发射烧结/熔化辐射束，而加热系统28保持不运行，直到可以以期望距离和/或期望时间间隔引导加热系统28发射的加热辐射束38a、38b扫过原料粉末层。

Claims (19)

1.一种用于生产三维工件的设备(10)，包括：
-处理室(12)，
-承载器(14)，设置在所述处理室(12)中且适于接收原料粉末层，
-控制单元(48)，
-辐照系统(16)，适于从烧结/熔化辐射发射平面(18)有选择地对施加到所述承载器(14)上的所述原料粉末层辐照电磁或粒子辐射，其中，由所述辐照系统(16)辐照的电磁或粒子辐射经由所述处理室(12)的顶壁(20)进入所述处理室(12)，并且其中，所述控制单元(48)适于对所述辐照系统(16)的操作进行控制，使得将所述原料粉末加热至允许烧结和/或熔化所述原料粉末以生成三维工件层的第一温度(T1)，以及
-加热系统(28)，适于从不同于所述烧结/熔化辐射发射平面(18)的加热辐射发射平面(30a、30b)有选择地对施加到所述承载器(14)上的所述原料粉末层辐照电磁或粒子辐射，其中，由所述加热系统(28)辐照的电磁或粒子辐射经由所述处理室(12)的侧壁(34，36)进入所述处理室(12)，并且其中，所述控制单元(48)适于对所述加热系统的操作进行控制，使得将所述原料粉末加热至比所述第一温度(T1)低的第二温度(T2)。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述加热系统(28)包括：第一加热单元(32a)，所述第一加热单元适于从第一加热辐射发射平面(30a)经由所述处理室(12)的第一侧壁(34)有选择地对施加到所述承载器(14)上的所述原料粉末层辐照电磁或粒子辐射；以及第二加热单元(32b)，所述第二加热单元适于从第二加热辐射发射平面(30b)经由所述处理室(12)的第二侧壁(36)有选择地对施加到所述承载器(14)上的所述原料粉末层辐照电磁或粒子辐射。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述烧结/熔化辐射发射平面(18)基本上平行于所述承载器(14)延伸。
4.根据权利要求2所述的设备，其中，所述第一加热辐射发射平面(30a)和所述第二加热辐射发射平面(30b)中的至少一个基本上垂直于所述烧结/熔化辐射发射平面(18)延伸。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述加热系统(28)包括至少一个加热辐射源(44a、44b)，所述至少一个加热辐射源被设计为激光二极管的形式。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述控制单元(48)适于对所述辐照系统(16)和所述加热系统(28)的操作进行控制，使得施加到所述承载器(14)上的所述原料粉末层首先有选择地受所述加热系统(28)发射的电磁或粒子辐射辐照，然后有选择地受所述辐照系统(16)发射的电磁或粒子辐射辐照。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述控制单元(48)适于对所述辐照系统(16)和所述加热系统(28)的操作进行控制，使得施加到所述承载器(14)上的所述原料粉末层首先有选择地受所述辐照系统(16)发射的电磁或粒子辐射辐照，然后有选择地受所述加热系统(28)发射的电磁或粒子辐射辐照。
8.根据权利要求6所述的设备，其中，所述控制单元(48)适于对所述辐照系统(16)和所述加热系统(28)的操作进行控制，使得所述加热系统(28)发射的电磁或粒子辐射束(38a、38b)以及所述辐照系统(16)发射的电磁或粒子辐射束(22)以期望距离和/或期望时间间隔辐照在施加到所述承载器(14)上的所述原料粉末层上。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述控制单元(48)适于根据原料粉末特性、原料粉末施加和辐照工艺的工艺参数中的至少一个设置所述期望距离和所述期望时间间隔中的至少一个。
10.根据权利要求2所述的设备，其中，所述第一加热辐射发射平面(30a)和所述第二加热辐射发射平面(30b)基本上平行于彼此延伸。
11.一种用于生产三维工件的方法，包括：
-将原料粉末层施加到承载器(14)上，
-通过辐照系统(16)从烧结/熔化辐射发射平面(18)有选择地对施加到所述承载器(14)上的所述原料粉末层辐照电磁或粒子辐射，其中，由所述辐照系统(16)辐照的电磁或粒子辐射经由容纳所述承载器(14)的处理室(12)的顶壁(20)进入所述处理室(12)，并且其中，对所述辐照系统(16)的操作进行控制，使得将所述原料粉末加热至允许烧结和/或熔化所述原料粉末以生成三维工件层的第一温度(T1)，以及
-通过加热系统(28)从不同于所述烧结/熔化辐射发射平面(18)的加热辐射发射平面(30a、30b)有选择地对施加到所述承载器(14)上的所述原料粉末层辐照电磁或粒子辐射，其中，由所述加热系统(28)辐照的电磁或粒子辐射经由所述处理室(12)的侧壁(34，36)进入所述处理室(12)，并且其中，对所述加热系统(28)的操作进行控制，使得将所述原料粉末加热至比所述第一温度(T1)低的第二温度(T2)。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述加热系统(28)的第一加热单元(32a)从第一加热辐射发射平面(30a)经由所述处理室(12)的第一侧壁(34)有选择地对施加到所述承载器(14)上的所述原料粉末层辐照电磁或粒子辐射，且第二加热单元(32b)从第二加热辐射发射平面(30b)经由所述处理室(12)的第二侧壁(36)有选择地对施加到所述承载器(14)上的所述原料粉末层辐照电磁或粒子辐射。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述烧结/熔化辐射发射平面(18)基本上平行于所述承载器(14)延伸。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第一加热辐射发射平面(30a)和所述第二加热辐射发射平面(30b)中的至少一个基本上垂直于所述烧结/熔化辐射发射平面(18)延伸。
15.根据权利要求11所述的方法，其中，对所述辐照系统(16)和所述加热系统(28)的操作进行控制，使得施加到所述承载器(14)上的所述原料粉末层首先有选择地受所述加热系统(28)发射的电磁或粒子辐射辐照，然后有选择地受所述辐照系统(16)发射的电磁或粒子辐射辐照。
16.根据权利要求11所述的方法，其中，对所述辐照系统(16)和所述加热系统(28)的操作进行控制，使得施加到所述承载器(14)上的所述原料粉末层首先有选择地受所述辐照系统(16)发射的电磁或粒子辐射辐照，然后有选择地受所述加热系统(28)发射的电磁或粒子辐射辐照。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，对所述辐照系统(16)和所述加热系统(28)的操作进行控制，使得所述加热系统(28)发射的电磁或粒子辐射束(38a、38b)以及所述辐照系统(16)发射的电磁或粒子辐射束(22)以期望距离和/或期望时间间隔辐照在施加到所述承载器(14)上的所述原料粉末层上。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，根据原料粉末特性、原料粉末施加和辐照工艺的工艺参数中的至少一个设置所述期望距离和所述期望时间间隔中的至少一个。
19.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第一加热辐射发射平面(30a)和所述第二加热辐射发射平面(30b)基本上平行于彼此延伸。
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