CN109383027B - 用于添加式地制造三维物体的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于通过依次逐层地选择性照射和固化能借助能量束固化的建造材料(3)的多个层来添加式地制造三维物体(2)的设备(1、23、27、30)，其中，所述设备(1、23、27、30)包括至少一个过程室(4)，所述至少一个过程室具有将过程区域(6)隔离成过程室(4)的第一子区域(7)和第二子区域(8)的至少一个室隔离装置(5、24、28、31)，其中，所述室隔离装置(5、24、28、31)包括能移动和/或能变形的至少一个隔离元件(9、29、31)，其中，所述隔离元件(9、29、31)构造成在所述第一子区域(7)与所述第二子区域(8)之间形成用于至少一个工具载架(19)的通道(18)。本发明还涉及用于操作所述设备(1、23、27、30)的方法。

Description

用于添加式地制造三维物体的设备
技术领域
本发明涉及一种用于通过依次逐层地选择性照射和固化由能借助能量束固化的建造材料的多个层而添加式地制造三维物体的设备，其中，所述设备包括至少一个过程室，所述过程室具有将过程区域隔离成过程室的第一子区域和第二子区域的至少一个室隔离装置。
背景技术
其中建造材料借助能量束在过程室中固化的此类用于添加式地制造三维物体的设备是现有技术中已知的。建造材料通过能量束被选择性地照射并从而被选择性地固化。为了确保恒定的过程参数，过程室中的气氛通常被填充过程气体，尤其是惰性气体例如氩气。由于通过能量束对建造材料的照射而出现了残余物，即烟雾、闷烧物等。
在过程气体中输送/携带的残余物需要从过程区域导出。此外，现有技术中已知，导出因固化建造材料而产生的残余物的效率尤其取决于过程室的尺寸/容积。因此，已建议使用室隔离装置，该室隔离装置至少局部地将过程区域隔离成第一子区域和第二子区域，以便减小容积并且以便仅在其中一个子区域中产生过程气体流。
将过程室隔离成多个子区域仅在有限范围内是可行的，因为至少包括建造平面——建造材料在其中被能量束固化——的子区域应当是打开的和/或可进入的以例如用于载持例如覆层装置的工具载架。例如，载持覆层装置的工具载架必须移动穿过过程区域以逐层地将新的建造材料运送至建造平面。因此，过程室无法被完全隔离并且各个子区域的容积中的过程气体进行着交换。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种用于添加式地制造三维物体的设备，其中，改善了子区域间的隔离。
本文中描述的设备是一种通过依次逐层地选择性照射和固化能借助能量束固化的粉末状建造材料(“建造材料”)的多个层而添加式地制造三维物体例如技术构件的设备。所述建造材料可以是金属粉末、陶瓷粉末或聚合物粉末。所述能量束可以是激光束或电子束。所述设备例如可以是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。
该设备包括在其运行期间使用的若干功能单元。示例性的功能单元是过程室、构造成利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、以及构造成产生气态流体流的流产生装置，所述气态流体流以给定流动特性例如给定流动分布、流动速率等至少局部地流动经过过程室。在流动经过过程室时，所述气态流体流能够被夹杂在设备运行期间产生的未固化的建造材料颗粒尤其是烟雾或烟雾残余物。所述气态流体流通常是惰性的，即通常是惰性气体例如氩气、氮气、二氧化碳等的流。
本发明是基于这样的理念，即，室隔离装置包括能移动和/或能变形的至少一个隔离元件，其中，所述隔离元件构造成能在第一子区域与第二子区域之间形成用于至少一个工具载架的通道。因此，所述室隔离装置不仅是将过程室至少局部地隔离成多个子区域的静态装置，而且还包括能移动和/或能变形的至少一个隔离元件。借助所述能移动和/或能变形的隔离元件，过程室内部的过程区域可被分割成第一子区域和第二子区域。根据本发明的过程区域是在其中执行制造过程的区域。例如，在过程区域内部设置有计量模块、建造模块和溢流模块，其中，覆层装置可将新的建造材料从计量模块运送至建造模块的建造平面，并且过量的建造材料被运送至溢流模块。所述可移动和/或可变形的隔离元件优选能在至少第一位置与第二位置之间移动，其中，所述隔离元件能在第一子区域与第二子区域之间形成通道，所述至少一个工具载架能通过该通道。
因此，在两个子区域之间的通道能取决于隔离元件的取向和/或位置而被打开或关闭。两个子区域之间的通道因此能够被关闭和/或封闭，并且仅需为了工具载架要通过通道或者为了允许工具载架在两个子区域中移动而被打开。因此，对于将过程区域隔离成多个子区域进行了改进，因为每当隔离元件处于“关闭”位置时，第一和第二子区域的容积都会被彼此隔离。如果工具载架需要通过该通道，则隔离元件可在“打开”位置移动，和/或可变形，从而形成或打开通道，以使得工具载架能通过或进入另一个子区域。之后，隔离元件可移动和/或变形至初始或“关闭”位置，在该初始或“关闭”位置，该通道被关闭和/或封闭。
尤其优选地，当可以是电子束或激光束的能量束选择性地照射建造材料时，该通道被关闭和/或封闭。通过在选择性地照射建造材料时将所述多个子区域隔离开，能够确保因照射和/或固化建造材料形成的残余物以改善的方式被导出，因为相比整个过程区域，建造材料在其中被选择性地照射的过程区域的子区域的容积更小。因此，能更有效且更高效地利用用于导出残余物的过程气体流。
根据一个优选实施例，隔离元件能与工具载架尤其是用于覆层装置的载架的位置和/或移动相关地进行移动和/或变形。此实施例提出取决于工具载架的位置和/或移动而使隔离元件移动和/或变形。这允许在任何时候工具载架未在通道中或未经通道到达另一个子区域中时，将所述多个子区域隔离开。
尤其，工具载架可承载覆层装置，其中，覆层装置用于将新的建造材料配置在建造材料能在其上被能量束选择性地照射的建造平面上。建造平面因此是过程区域的一部分。从而，在将建造材料配置在建造平面上之后，工具载架被移动通过该过程区域并且通过该通道。优选地，在能量束选择性地照射处于第一子区域中的建造材料时，工具载架穿过例如第二子区域返回至其初始位置。取决于工具载架的实际位置，隔离元件被移动和/或变形，从而打开或关闭通道。特别优选地，在能量束选择性地照射建造材料并且因此产生残余物时，该通道可保持关闭，并且因此该第一子区域的容积可被减小，其中，与在整个过程区域内形成过程气体流相比，所述残余物能更高效地借助过程气体流被导出。
根据另一优选实施例，所述至少一个隔离元件能在两个位置之间移动，其中，室隔离装置中的开口或通道在第一位置是打开的并且在第二位置是关闭的。隔离元件在所述两个位置之间的移动和/或变形优选取决于工具载架的位置和/或移动。在第二位置，该隔离元件关闭和/或封闭该通道，从而将所述子区域隔离开。每当工具载架需要被移动经过该通道时，该隔离元件便可进入第一位置，在该第一位置，该通道被打开以允许工具载架经该通道移动或到达。
此外，该设备可被改进成使得室隔离装置在该隔离元件处于第二位置时提供面向过程区域的一致的表面。当隔离元件处于第二位置时，该隔离装置和该隔离元件提供会正面影响过程区域内部的过程气体流的通常一致的表面。通过提供一致的表面，能够确保隔离装置和隔离元件构建成在过程区域中没有棱边并且没有死区。
特别优选地，设备的所述至少一个隔离元件能在第一位置与第二位置之间竖向移动或者相对于竖直线(竖向轴线)以确定的角度移动。因此，能减小用于隔离元件的移动和/或变形的空间需求，因为隔离元件能例如沿室隔离装置的表面竖向移动。
此外，可行的是，以预定角度移动该隔离元件以允许隔离元件与室隔离装置的表面一致地定位。此外，这正面影响了在第一子区域中提供一致的表面，以改进过程气体流。例如，隔离元件相对于竖直线移动的角度的值在0°与15°之间，更优选地在5°与10°之间，特别是7°。
所述设备的另一优选实施例提出一种构造成在第一子区域中形成过程气体流的流产生装置，其中，至少一个隔离元件将第一子区域与第二子区域隔离开，其中，第一子区域中的过程气体流与第二子区域隔离。因此，当隔离元件处于第二位置时，所述第一子区域和第二子区域被彼此隔离开。在该第二位置，用于工具载架的通道被关闭并且因此在两个子区域之间不存在过程气体的交换。所述流产生装置因此能仅在第一子区域内形成过程气体流，其中，第二子区域中的过程气体不受流产生装置的影响，从而允许更高效地使用流产生装置，因为仅第一子区域内部的过程气体必须被输送。
根据此实施例，还特别优选的是，该第一子区域基本上沿建造平面延伸，尤其是从计量模块的面向建造室的第一侧面延伸至溢流模块的背离建造室的第二侧面。本发明的设备的该优选实施例因此提出，第一子区域与第二子区域的隔离装置仅在其中可能期望有特定过程气体流的区域上延伸。如上所述，流产生装置尤其旨在第一子区域内部产生过程气体流，其中，该过程气体流被用于导出由于照射建造材料而产生的残余物如烟雾和闷烧物。通过此实施例，已认识到，仅局部地且尤其是在其中过程气体流超过特定值的区域中将两个子区域彼此隔离就足够了。
例如，提出仅在从计量模块至溢流模块的范围内或者换言之仅基本上沿过程区域的建造平面将第一子区域与第二子区域隔离开。特别地，该隔离装置可从该计量模块的面向建造室或建造平面的第一侧面延伸至溢流模块的背离建造室或建造平面的第二侧面。因此，该隔离装置从计量模块起沿建造平面并沿溢流模块延伸。
根据另一优选实施例，该隔离元件能够通过工具载架的移动而变形。因此，该隔离元件仅是被动元件，其中，隔离元件定位在第二位置，直至该工具载架移动经过通道从而由于工具载架的移动而使隔离元件变形。工具载架例如能与隔离元件接触并通过其移动迫使隔离元件变形至其中隔离元件打开该通道的第一取向/位置。优选地，一旦该工具载架已通过该通道并且失去与隔离元件的接触，该隔离元件便返回初始位置，特别是第二位置。
根据设备的另一优选实施例，隔离元件可包括柔性材料或者可以至少部分地由柔性材料构建。通过具有柔性或弹性部分或者由柔性材料构建，该隔离元件允许其因工具载架而有效变形。基于柔性材料，该隔离元件关于工具载架的移动是弹性的，从而降低了隔离元件与工具载架的磨损。
本发明的设备还可被改进成使得工具载架的形状与至少一个隔离元件的形状相称或匹配，以便在低磨损下使隔离元件变形。根据此实施例，工具载架的形状可参考隔离元件的形状进行选择，以允许隔离元件在低磨损条件下变形。因此，由于调节了部件之间的接触和相对移动，隔离元件与工具载架之间的磨损得到降低。
设备的另一优选实施例提出，工具载架被构造成尤其通过垂直于覆层方向的移动而至少局部地翻折或翻转隔离元件。工具载架相对隔离元件的移动导致隔离元件至少局部地被翻折，从而通道被打开以供工具载架通过。换言之，工具载架可通过至少局部地翻折隔离元件而使隔离元件变形，其中，隔离元件在其未被限定的状态下处于第二位置且在工具载架翻折隔离元件时处于第一位置。
该隔离元件可例如被构建为刷形件或包括刷形件，或者可以有构建为啮合的刷形件或包括啮合的刷形件的至少两个隔离元件，其中，工具载架能通过该通道从而使刷形件变形。此外，隔离元件可被构建为柔性型材或包括柔性型材，尤其是U形型材，或者可以有被构建为或包括柔性型材尤其是U形型材的两个隔离元件。尤其优选地，各型材彼此对立地布置。
该设备的又一实施例提出，所述至少一个隔离元件是可枢转的，特别是，该隔离元件构建为可枢转的翻门。该隔离元件因此能像门一样在第一位置与第二位置之间移动，从而取决于隔离元件的位置而打开或关闭该通道。再者，隔离元件在第一和第二位置之间的移动可由于工具载架的移动而被驱动或引起。
该设备还可被改进成使得所述至少一个隔离元件被安装在构造成从所述过程室抽吸过程气体的抽吸单元上。根据此实施例，所述隔离元件能可移动地和/或可变形地安装在抽吸单元上，该抽吸单元能使过程室内部形成过程气体流以例如用以导出残余物。
此外，本发明涉及一种用于操作本发明的设备的方法。不言而喻，关于本发明的设备描述的所有特征、细节和优点均可完全转用于本发明的方法中。
附图说明
参考附图描述本发明的示例性实施例。以下附图是示意图并且其中：
图1以主视截面图示出了根据第一实施例的本发明的设备；
图2以俯视图示出了图1的设备；
图3以侧视图示出了图1的设备；
图4以主视截面图示出了根据第二实施例的本发明的设备；
图5以主视截面图示出了根据第三实施例的本发明的设备；
图6示出了根据图5的设备；以及
图7以主视截面图示出了根据第四实施例的设备。
具体实施方式
图1示出了用于通过依次逐层地选择性照射和固化建造材料3的多个层来添加式地制造三维物体2的设备1，建造材料3例如为金属或陶瓷或聚合物，它们可借助能量束尤其是激光束固化，其中，设备1包括过程室4，过程室4具有将过程区域6隔离成过程室4的第一子区域7和第二子区域8(图2)的室隔离装置5。室隔离装置5包括隔离元件9，隔离元件9能够在第一位置10(例如图1)与第二位置11(图3)之间移动。
设备1还包括计量模块12、建造室13和溢流模块14，其中，束源15构造成选择性地照射建造室13中的建造材料3，其中，建造平面16定义为其中能量束可以选择性地照射建造材料3并从而使建造材料3选择性地固化的平面。
此外，设备1包括流产生装置17，该流产生装置17可构建为抽吸单元并构造成在过程室6内部形成过程气体流。如能在图1-3中看到的，室隔离装置5将第一子区域7与第二子区域8至少局部地隔离，换言之将过程区域6分割成第一子区域7和第二子区域8。如上所述，隔离元件9能在第一位置10与第二位置11之间移动，其中隔离元件9构造为形成或打开通道18。通道18允许工具载架19尤其是用于覆层装置的工具载架19从第一子区域7转移/移动至第二子区域8，或者相反。
例如，工具载架19沿覆层方向20(以箭头示出)在计量模块12、建造室13和溢流模块14上方移动经过。然后，工具载架19可沿不同(横向)方向经由垂直于覆层方向的通道18从第一子区域7进入第二子区域8。一旦工具载架19已经离开第一子区域7，隔离元件9便可从第一位置10移动至第二位置11(图3)。在第二位置11，隔离元件9关闭通道18，从而提供面向第一子区域7的平面表面21。在隔离元件9位于第二位置时，第一子区域7和第二子区域8被隔离开，其中，流产生装置17能够仅在第一子区域7中形成过程气体流，这允许更高效地使用流产生装置17。
因此，当工具载架19经由与覆层方向20大致相反的路径返回经过第二子区域8时，隔离元件9就位于第二位置11，从而将子区域7、8二者隔离。因此，在工具载架19返回经过第二子区域8时可执行经由能量束对建造材料3的照射。当照射建造材料3时产生残余物，所述残余物可通过流产生装置17引出。
当暴光或照射完成时，隔离元件9可从第二位置11移动至第一位置10，从而打开通道18并允许工具载架19从第二子区域8返回第一子区域7，以例如进入图2所示位置。隔离元件9优选以一定角度22移动，角度22例如为7°。
图4示出了根据第二实施例的设备23。设备23的基本组装情况与图1-3中所示的设备1相同，因此，相同的附图标记用于标记设备23的相同的部件。设备23与设备1的区别在于室隔离装置24的结构，因为，室隔离装置24和相应的隔离元件9部分地延伸通过过程区域6，并且因此仅将过程区域6的一部分隔离成第一子区域7和第二子区域8。隔离元件9的功能与设备1中相同。
在图4所示的实施例中，室隔离装置24从计量模块12的面向建造室13的第一侧面25开始分割过程区域6并且延伸至溢流模块14的背离建造室13的第二侧面26。侧面25与侧面26之间的区域包含过程气体的主导移动，其中，在侧面25的左侧区域中，过程气体的移动是无关紧要的。通过能量束形成的残余物也主要在建造平面16的上方形成并且经由流产生装置17被引导至右侧，其中在侧面25的左侧区域中仅引起无关紧要的过程气体的移动和因此残余物的输送。
设备23尤其是室隔离装置24的基本功能与设备1类似。因此，关于室隔离装置24的功能参考与图1-3相关的描述。特别地，室隔离装置24还包括隔离元件9，隔离元件9能在第一位置10与第二位置11之间移动。隔离元件9的长度因此与室隔离装置24的长度匹配。
图5和6示出了根据本发明的第三实施例的设备27。设备27与之前关于图1-4描述的设备1和设备23基本类似地构建。因此，相同的附图标记用于标记相同的部件并且参考对相应部件的描述。
设备27与设备1和23的区别在于室隔离装置28的设计。在图5、6中，室隔离装置28包括隔离元件29，隔离元件29能在第一位置10(图6所示)与第二位置11(图5所示)之间移动。从而，隔离元件29能打开和关闭连结第一子区域7和第二子区域8的通道18。根据本发明的此实施例，第二子区域8还可被称为工具改变区域。
如能在图5和6中看到的，隔离元件29构建为安装至流产生装置17的枢转翻门。因此，工具载架19能移动到过程区域6内尤其是第一子区域7内，并且能在计量模块12、建造室13和溢流模块14上方移动经过。进一步地，如果隔离元件29处于允许工具载架19从第一子区域7移动至第二子区域8的第一位置10处，则工具载架19能通过通道18。
图7示出了根据本发明的第四实施例的设备30。设备30与上述设备1、23和27类似地构建，因此，相同的附图标记用于标记相同的部件并且参考对上述设备1、23和27的基本功能的描述。
设备30与上述设备1、23和27的区别在于包括隔离元件32的室隔离装置31。隔离元件32由柔性材料构建，其中，第一子元件33从过程室4的顶部竖向地延伸并且第二子元件从过程室4的底部竖向地延伸，其中，第一和第二子元件33、34彼此对立布置。
工具载架19能沿覆层方向20移动，其中，工具载架19的移动导致子元件33和34二者变形，从而在子元件33、34二者之间形成狭缝。如能从图7进一步看到的，子元件33、34紧密贴合于工具载架19并将子区域7、8彼此隔离。此外，工具载架19的形状构造成在低磨损下使隔离元件32的子元件33、34变形。
因此，工具载架19的边缘以低摩擦与子元件33、34接合。子元件33、34还形成用于工具载架19的通道18，因为，工具载架19的移动导致子元件33和34变形或翻转，从而允许工具载架19从第二子区域8移动至第一子区域7，或者相反。为了在第一和第二子区域7、8之间转换，工具载架19基本上垂直于覆层方向20移动并从而使子元件33、34翻转。再者，如之前所述，室隔离装置31将过程区域6隔离成第一子区域7和第二子区域8，其中，在束源15形成选择性地照射建造平面16上的建造材料3的能量束时，工具载架19经由与覆层方向20大致相反的路径返回通过第二子区域8。由于所述照射而形成的残余物通过流产生装置17导出。
工具载架19之后能通过翻转子元件33、34并从而经过通道18以使得子元件33、34变形而返回至其初始位置。
当然，设备1、23、27和30的每个方面和细节可任意地彼此交换和转移。

Claims (17)

1.一种用于添加式地制造三维物体(2)的设备(1、23、27、30)，所述设备包括：
过程室(4)，所述过程室(4)限定过程区域(6)，所述过程室(4)构造成借助能量束依次逐层地选择性照射和固化建造材料(3)的多个层；
工具载架(19)，所述工具载架(19)包括用于覆层装置的载架；和
室隔离装置(5、24、28、31)，所述室隔离装置(5、24、28、31)将所述过程区域(6)隔离成第一子区域(7)和第二子区域(8)，所述室隔离装置(5、24、28、31)包括至少一个隔离元件(9、29、32)，其中所述至少一个隔离元件能从第二位置(11)移动和/或变形到第一位置(10)，所述第一位置(10)提供通道(18)以允许所述工具载架(19)至少部分地从所述第一子区域(7)移动到所述第二子区域(8)中，并且所述第二位置(11)将所述第二子区域(8)与流经所述第一子区域(7)的过程气体流隔离。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个隔离元件(9、29、32)在从所述第二位置(11)移动到所述第一位置(10)时能够通过所述工具载架(19)移动。
3.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述至少一个隔离元件(9、29、32)在从所述第二位置(11)移动到所述第一位置(10)时能够通过所述工具载架(19)变形。
4.根据权利要求1或2所述的设备，其中在所述至少一个隔离元件(9、29、32)处于所述第二位置(11)时，所述至少一个室隔离装置(5、24、28、31)提供面向所述过程区域(6)的一致的表面(21)。
5.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述至少一个隔离元件(9、29、32)能在所述第一位置(10)与所述第二位置(11)之间竖向地移动或以相对于竖直线的限定角度(22)移动。
6.根据权利要求1或2所述的设备，进一步包括：构造成向所述第一子区域(7)提供过程气体流的流产生装置(17)。
7.根据权利要求6所述的设备，其中所述过程室(4)包括：
建造室(13)；
计量模块(12)，所述计量模块(12)构造成向所述建造室(13)提供建造材料(3)，所述计量模块(12)包括面向所述建造室(13)的第一侧面(25)；和
溢流模块(14)，所述溢流模块(14)构造成接收已经提供给所述建造室(13)的过量的建造材料(3)，所述溢流模块(14)包括面向所述建造室(13)的第二侧面(26)；以及
其中所述第一子区域(7)基本上从所述第一侧面(25)到所述第二侧面(26)在建造平面(16)上横向延伸，所述建造平面(16)由所述建造室(13)中的建造材料(3)的连续层限定。
8.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述至少一个隔离元件(9、29、32)包括第一子元件(33)和第二子元件(34)，其中所述第一子元件(33)和所述第二子元件(34)能通过所述工具载架(19)的移动而变形。
9.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个隔离元件(9、29、32)包括柔性材料。
10.根据权利要求1所述的设备，其中所述隔离元件至少部分地由柔性材料构建而成。
11.根据权利要求1所述的设备，其中所述工具载架(19)的形状与隔离元件(9、29、32)中的相应一个的形状相匹配。
12.根据权利要求9或11所述的设备，其中所述工具载架(19)构造成通过垂直于覆层方向的移动而至少局部地将所述隔离元件(9、29、32)的相应一个从所述第二位置(11)移动至所述第一位置(10)。
13.根据权利要求9或11所述的设备，其中所述至少一个隔离元件(9、29、32)是能枢转的。
14.根据权利要求13所述的设备，其中所述至少一个隔离元件(9、29、32)构建为能枢转的翻门。
15.根据权利要求13所述的设备，进一步包括：
抽吸单元，所述抽吸单元构造成从所述过程室(4)抽吸过程气体，所述至少一个隔离元件(9、29、32)被安装在所述抽吸单元上。
16.根据权利要求15所述的设备，其中所述至少一个隔离元件(9、29、32)包括从所述过程室(4)的顶部延伸的第一子元件(33)和从所述过程室(4)的底部延伸的第二子元件(34)，其中所述第一子元件(33)和所述第二子元件(34)能够通过所述工具载架(19)的移动而变形。
17.用于操作根据前述权利要求中任一项所述的用于添加式地制造三维物体的设备的方法，所述方法包括：
当过程气体流流经所述第一子区域(7)时，使用位于所述第二位置(11)的所述室隔离装置(5、24、28、31)照射和固化在所述过程室(4)的所述第一子区域(7)内的建造材料(3)的第一层；
将所述室隔离装置(5、24、28、31)从所述第二位置(11)移动到所述第一位置(10)；
将所述工具载架(19)从所述第二子区域(8)至少部分地移动到所述第一子区域(7)中，并返回到所述第二子区域(8)中；
将所述室隔离装置(5、24、28、31)从所述第一位置(10)移动到所述第二位置(11)；以及
当过程气体流流经所述第一子区域(7)时，在所述过程室(4)的所述第一子区域(7)内照射并固化建造材料(3)的第二层。
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