CN109278289A - 用于添加式地制造三维物体的设施 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于添加式地制造三维物体(2)的设施(1)，所述设施包括用于通过依次逐层地选择性照射和固化多层能通过能量束(6‑9)固化的建造材料(5)来添加式地制造三维物体(2)的至少两个设备(3，4)，其中独立的能量束产生单元(10)配置成产生可被引导到至少一个设备(3，4)的至少一个能量束(6‑9)。本发明还涉及一种用于操作所述设施的方法。

Description

用于添加式地制造三维物体的设施
技术领域
本发明涉及一种用于添加式地制造三维物体的设施，其包括至少两个用于通过依次逐层地选择性照射和固化多层能通过能量束固化的建造材料来添加式地制造三维物体的设备。
背景技术
从现有技术中已知这种设施，其中三维物体可以使用依次逐层地选择性照射建造材料层区域的能量束来制造。通常，设施的每个设备包括产生能量束的能量束产生单元、例如激光束源，所述能量束在设备的建造室内被引导以照射建造材料的特定区域。因此，每个设备包括被结构性地集成在设备中、例如过程室中的能量束源，导致了成本增加，因为能量束产生单元是比较昂贵的部件。
此外，由能量束产生单元产生的能量束由于不能在整个制造过程中始终照射(例如在设备进行涂覆时能量束被切断或抑制)而不能被完全地使用。由于一些能量束源连续地提供能量束——每当能量束不被用于照射建造材料时所述能量束被抑制或消除，浪费了有束时间。
发明内容
本发明的目的是提供一种更有效地使用能量束产生单元和/或所产生的能量束的设施。
该目的通过具有根据权利要求1所述的特征的设施来创造性地实现。
本文描述的设备是通过依次逐层地选择性照射和固化多层能通过能量束固化的粉末状建造材料(“建造材料”)来添加式地制造三维物体例如技术构件的设备。相应的建造材料可以是金属、陶瓷或聚合物粉末。相应的能量束可以是激光束或电子束。相应的设备可以是例如选择性激光烧结设备、选择性激光熔化设备或选择性电子束熔化设备。
该设备包括在其操作期间使用的多个功能单元。示例性功能单元是过程室、配置成使用至少一个能量束选择性地照射布置在过程室中的建造材料层的照射装置、以及配置成产生至少部分地以给定的流特性(例如给定的流轮廓、流速等)通过过程室的气态流体流的流产生装置。气态流体流在流经过程室时能够夹带未固化的颗粒状建造材料，特别是在设备运行期间产生的烟雾或烟雾残余物。气态流体流通常是惰性的，即通常为惰性气体例如氩气、氮气、二氧化碳等的流。
本发明提出了一种独立的能量束产生单元，所述能量束产生单元配置成产生可被引导到少一个设备的至少一个能量束。不同于现有技术，提供了一种独立的、特别是中央式的能量束产生单元，所述能量束产生单元不是设备之一的内置构件，而是构造成产生能被引导到设施的(多个)设备的至少一个能量束。因此，能量束产生单元没有被结构性地集成到设备之一中，并且不是内置在设备之一中的结构性单元。
能量束产生单元例如是独立的外部单元，其配置成产生能够用于照射多个设备内的建造材料的能量束，所述多个设备分别配属于设施或能量束产生单元。如稍后将描述的，能量束可以被选择性地并且根据各种参数引导到设备。
因此，本发明基于在设备外部产生能量束并将能量束引导到需要能量束的至少一个设备的思想。因此，由于能量束可以选择性地被引导到其中需要能量束的执行照射步骤或制造过程的步骤的那些设备，所以有束时间可以更有效率，特别是被完全利用。因此，当一个设备处于其中不需要能量束的制造过程时，例如当设备在进行涂覆时，能量束可以被引导到不同的设备且因此可以被完全地用于照射建造材料，从而可以减少或避免有束时间的浪费。术语“有束时间”是指能量束被用于或分配给设备之一的时间。本发明允许有效地使用有束时间，因为每当能量束被分配给相应的装置时能量束被用于照射建造材料。
另外，使用单个或数量比设备少的能量束源、特别是能量束产生单元是足够的，与现有技术相比，所述能量束源可以更有效地使用。因此，可以降低成本，同时由于能量束的占有率增加可以更有效地使用有束时间。
特别优选地是，提供了一种能量束引导单元，其配置成在至少两个设备之间选择性地分配至少一个能量束和/或将至少一个能量束选择性地引导至一个或多个设备。因此，独立的能量束产生单元产生能够被能量束引导单元引导到配属于设施的设备的至少一个能量束。此外，能量束引导单元配置成在设施的设备之间选择性地分配能量束。有利地，可以使能量束产生单元与设备分开地而且独立于单个设备执行的制造过程步骤来产生能量束。例如，能量束引导单元可以根据对能量束的需要来将产生的能量束引导到每个设备。
根据本发明的另一优选实施方式，提供了一种控制单元，其配置成根据至少一个设备的至少一个能量束需求来控制能量束引导单元，其中能量束引导单元根据能量束需求来分配至少一个能量束。因此，可以为每个设备分配或确定能量束需求，其中能量束需求说明或列明单个设备对于能量束的需要或要求。因此，能量束需求可以被认为是相应的设备对于有束时间的要求。例如，对于处于不需要能量束的制造过程中的设备，不发送或产生对有束时间的要求，但是对于处于照射步骤中或下一步骤是照射步骤的设备，产生或发送对有束时间的要求。因此，能量束需求说明了设备对于有束时间的需要。
因此，可以将有束时间优先化，特别是根据能量束需求将能量束引导到特定设备，以确保能量束分别以对能量束的最大需要或相应的能量束需求而被引导到各设备。由此，可以将能量束完全地引导到其中一个设备，或者将能量束在设施的两个或更多个设备之间分配。能量束产生单元可以提供多于一个的能量束，其中能量束中的每一个能够被完全或部分地引导到一个设备，或者可以以任意方式在至少两个设备之间分配。
本发明的设施可以进一步优选地被改进，其方式在于能量束需求包括与至少一个设备的过程步骤和/或制造过程的状态有关的信息。因此，能量束需求包含与相应设备或例如一组设备的过程步骤相对应的信息。该信息说明相应设备处于制造过程的哪个过程步骤或状态，例如当前该设备执行制造周期的哪个过程步骤。根据该信息，可以分别评估或确定设备对于能量束或有束时间的需要。
由于可以通过控制单元为每个设备确定当前的过程步骤和随后的过程步骤，所以可以规定能量束被引导到单个设备或在各单个设备之间分配的顺序。
根据本发明的另一实施方式，能量束引导单元优选地配置成根据至少一个其它设备的能量束需求、特别是制造过程的状态来将至少一个能量束引导到一个设备。因此，有束时间可以在相应设备之间分配，其中单个设备的要求可以根据其能量束需求进行优先化排序。换句话说，有束时间关于相应的能量束需求在各设备之间分配。
因此，关于另一设备的能量束需求，可以评估是否将至少一个能量束引导到一个设备。例如，如果设施包括两个设备，并且其中一个设备在进行涂覆，则执行涂覆步骤的设备没有能量束需求，或者涂覆设备的能量束需求是“低”的。因此，能量束可以根据相应的能量束需求被引导到执行照射步骤的其它设备。当第一设备完成涂覆步骤时，控制单元可以确定下一个制造步骤是照射步骤，由此第一设备的能量束需求可以从“低”变为“高”，并且有束时间可以相应地被重新分配。此外，控制单元可以确定其它设备的后续步骤不涉及照射步骤，因此相应的能量束需求从“高”切换到“低”。当然，能量束需求的各种状态是可能的，其中状态“低”和“高”仅仅是示例性的。
根据本发明的设施的另一实施方式，提供至少一个照射单元，其配置成根据至少一个能量束的至少一个能量束特性来照射物体的至少一个区域和/或至少一个层的区段。照射单元控制能量束在建造平面上的位置，即能量束被引导、特别是聚焦在建造室内的建造材料的表面上，以照射建造材料。例如，照射单元是配置成将能量束偏转到建造材料必须被选择性地照射的建造平面上的位置的扫描单元。
此外，建造材料的各个部分和/或建造平面上的各个区域可以借助于不同的能量束照射。这允许对于不同的照射任务使用不同的能量束。因此，可以以不同的功率水平和/或不同的波长和/或不同的束轮廓(beam profile)来照射各层建造材料的不同区域。由此，由能量束产生单元产生的能量束通过诸如光纤和/或反射镜组件的引导装置被引导到至少一个照射单元。
根据本发明的另一优选实施方式，能量束产生单元包括至少两个能量束源。每个能量束源可以例如被构建为或包括激光器，其中激光器可以例如被构建为激光二极管。因此，如上所述，由两个不同的能量束源产生的能量束可被引导到设施的至少两个设备中或在设施的至少两个设备之间分配。
特别优选的是，能量束产生单元配置成产生具有不同或相同的能量束特性的至少两个能量束。优选地，至少两个能量束在能量束的波长和/或能量束的功率水平和/或能量束的束轮廓方面不同。这允许能量束关于能量束特性的引导和/或分配。因此，与相应的能量束特性对应，可以使用能量束来在层的区域和/或区段照射建造材料。由于建造材料各层的不同区域和/或区段需要不同的功率水平和/或波长以用于优化的照射和固化结果，本发明的该实施方式允许最佳地满足相应要求的能量束的引导和/或分配。
此外，本发明涉及一种用于操作至少一个用于添加式地制造三维物体的设施的方法，所述设施包括用于通过连续逐层地选择性照射和固化多层能通过能量束固化的建造材料来添加式地制造三维物体的至少两个设备，其中至少一个能量束由独立的能量束产生单元产生并且被引导到至少一个设备。
根据本发明的方法，能量束由布置在设施的设备外部的独立的能量束产生单元产生。所产生的能量束可以随后被引导到设施的一个或多个设备。本发明的方法可以特别地用于操作如上所述的本发明的设施。显然地，关于本发明的设施描述的所有优点、特征和细节都可以完全转移到本发明的方法中，反之亦然。
附图说明
附图示出了本发明的示例性实施例。附图是示意图，其中：
图1是处于第一制造状态的创造性设施；和
图2是处于第二制造状态的图1的创造性设施。
具体实施方式
图1示出了用于添加式地制造三维物体2的设施1，其包括用于通过依次逐层地选择性照射和固化多层能通过能量束6-9固化的建造材料5来添加式地制造三维物体2的至少两个设备3、4，所述建造材料即金属粉末，所述能量束即激光束。当然，设施1可以包括多个设备，为了便于论述，设备3、4示例性地表示任意数量的设备。设施1还包括配置成产生能量束6-9的独立的激光束产生单元10，其中能量束6-9可被引导到设备3、4。
根据该实施例的独立的能量束产生单元10包括两个能量束源11、12，其中能量束源11配置成产生能量束6和7，能量束源12配置成产生能量束8和9。在能量束产生单元10的下游设置有能量束引导单元13，其配置成将能量束6-9引导到设备3、4的相应的照射单元14、15。显然，每个能量束6-9可以通过能量束引导单元13选择性地引导到设备3或设备4。此外，能量束6-9中的每一个能量束可以例如经由分束器在两个设备3、4之间以任意的方式分割或分配。
各单个能量束6-9在至少一个能量束特性(即能量束功率或波长)方面不同，尽管也可以使能量束6-9具有类似或相同的能量束特性。例如，各单个能量束6-9可以在功率水平方面不同，特别地，能量束6和7可以具有相同的第一功率水平，并且能量束8和9可以具有相同的第二功率水平，其中第一和第二功率水平不同。例如，第一功率水平为400W，第二功率水平为1000W。此外，也可以使能量束6和7具有相同的第一波长，并且能量束8和9具有相同的第二波长，其中第一波长和第二波长不同。
由能量束产生单元10产生的能量束6-9可以经由能量束引导单元13引导到设备3和/或设备4。特别地，能量束6-9可以被引导到照射单元14、15，照射单元14、15配置成将能量束6-9引导到设备3、4的相应的建造室中的建造平面16上。当然，每个能量束6-9可以例如通过分束器被分割从而以任意方式在设备3和4之间分配。
此外，设置有控制单元17，其配置成确定设施1的设备3、4的能量束需求。能量束需求说明各单个设备3、4分别对于要被引导到设备3、4的能量束或有束时间的要求，其中能量束6-9到各个设备3、4的引导可以关于确定的能量束需求来安排优先次序。根据图1所示的制造状态，设备4执行涂覆步骤，其中涂覆器在建造平面16上传送新鲜的建造材料5。在该制造过程步骤中，由于涂覆器在建造平面16上移动，通过能量束6-9中的一个能量束的照射是不需要或不可行的。因此，能量束引导单元13将设备3所需要的相应的能量束6-9引导到照射单元14，该照射单元14将能量束6-9偏转到在设备3的过程室内的建造平面16上，由此照射建造材料5的当前层的各个区域。
因此，确定的设备4的能量束需求为“低”/“0”，设备3的能量束需求为“高”/“1”。显然，有可能具有多个状态的能量束需求，例如类似于0至10级范围的量化表达，所述能量束需求表示设备3、4的有束时间要求。另外，可以评估哪个层的哪个区域应该被哪个能量束6-9照射。由于各单个能量束在至少一个能量束特性(诸如功率水平和/或波长和/或束轮廓)方面不同，所以不同的能量束6-9更适合照射特定区域，从而允许使用最适合相应要求的能量束6-9进行优化的照射和固化。
图2示出了在第二制造状态中的图1的设施1，其中设备3、4都执行其中使用能量束6-9的照射步骤，即制造步骤。因此，对应于设备3、4的所确定的能量束需求，能量束引导单元13分配能量束6-9。当然，控制单元17可以根据从设备3、4接收的能量束需求来确定各个能量束6-9的有束时间的优先次序。此外，能量束6-9以任意方式的组合也是可能的。
根据本发明，可以更有效地使用能量束6-9的有束时间。每当设备3、4中的一个设备处于其中不能使用能量束6-9的过程步骤中，能量束6-9可以经由能量束引导单元13被引导到另一设备3、4，使得可以更有效地使用有束时间，减少或避免有束时间的浪费。显然，设备3、4只是示例性的，并且可以将多个设备3、4分配给能量束产生单元10。此外，能量束产生单元10可以包括产生多个能量束6-9的多个能量束源11、12。

Claims (11)

1.一种用于添加式地制造三维物体(2)的设施(1)，所述设施包括至少两个用于通过依次逐层地选择性照射和固化多层能通过能量束(6-9)固化的建造材料(5)来添加式地制造三维物体(2)的设备(3，4)，其特征在于，所述设施包括配置成产生至少一个能量束(6-9)的独立的能量束产生单元(10)，所述至少一个能量束能被引导到所述设备(3，4)中的至少一个。
2.根据权利要求1所述的设施，其特征在于，所述设施包括能量束引导单元(13)，所述能量束引导单元配置成在至少两个设备(3，4)之间选择性地分配至少一个能量束(6-9)和/或将至少一个能量束(6-9)选择性地引导到一个或多个设备(3，4)。
3.根据权利要求1或2所述的设施，其特征在于，所述设施包括控制单元(17)，所述控制单元配置成根据所述设备(3，4)中的至少一个的至少一个能量束需求来控制所述能量束引导单元(13)，其中所述能量束引导单元(13)根据所述能量束需求来分配至少一个能量束(6-9)。
4.根据权利要求3所述的设施，其特征在于，所述能量束需求包括与至少一个设备(3，4)的过程步骤和/或制造过程的状态有关的信息。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的设施，其特征在于，所述能量束引导单元(13)配置成根据至少一个其它设备(3，4)的能量束需求、特别是制造过程的状态来将至少一个能量束(6-9)引导到一个设备(3，4)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的设施，其特征在于，所述设施包括至少一个照射单元(14，15)，所述照射单元配置成根据至少一个能量束(6-9)的至少一个能量束特性来照射所述物体(2)的至少一个区域和/或至少一个层的区段。
7.根据前述权利要求中任一项所述的设施，其特征在于，所述能量束产生单元(10)包括至少两个能量束源(11，12)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的设施，其特征在于，所述能量束产生单元(10)配置成产生具有不同或相同的能量束特性的至少两个能量束(6-9)。
9.根据权利要求8所述的设施，其特征在于，所述能量束特性是能量束(6-9)的波长和/或能量束(6-9)的功率水平和/或束轮廓。
10.一种用于操作至少一个用于添加式地制造三维物体(2)的设施(1)的方法，所述设施包括至少两个用于通过依次逐层地选择性照射和固化多层能通过能量束(6-9)固化的建造材料(5)来添加式地制造三维物体(2)的设备(3，4)，其特征在于，至少一个能量束(6-9)由独立的能量束产生单元(10)产生并被引导到所述设备(3，4)中的至少一个。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，操作根据权利要求1至9中任一项所述的设施(1)。
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