CN109421275B - 用于制造三维物体的设备 - 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固化多层由能借助能量束(4)固化的建造材料(3)来添加式地制造三维物体(2)的设备(1)，其具有构造成产生能量束(4)的照射装置(5)，其中所述能量束(4)沿所述能量束(4)的光束路径(6)传播到建造平面(7)上，其中所述能量束(4)在至少一个固化区(8)中照射建造材料(3)，其中设置了探测装置(11)，所述探测装置构造成探测从与所述固化区(8)相邻的至少一个相邻区(9，10)发出的辐射(12b)或探测从所述固化区(8)发出的辐射(12a)和从相邻区(9，10)发出的辐射(12b)。本发明还涉及用于所述设备的探测装置和保护镜以及用于操作所述设备的方法。

Description

用于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多层能借助能量束固化的建造材料来添加式地制造三维物体的设备，其具有构造成产生能量束的照射装置，其中能量束沿光束路径传播到建造平面上，其中能量束在至少一个固化区中照射建造材料。
背景技术
由现有技术公知此类设备，其中能量束选择性地照射建造材料层，其中建造材料通过使用能量束的照射来固化。能量束经由照射装置产生并且沿光束路径被引导到建造平面上。换而言之，能量束被选择性地引导到位于建造平面中的建造材料的表面上，其中能量束被引导到其上的建造材料的表面的部分被照射并由此固化。通过相继选择性地照射若干层，添加式地建造了三维物体。能量束沿其被引导的建造平面中的路径称为能量束路径(“写入路径”)，而光束路径指的是能量束沿着其从照射装置、尤其是从照射装置的束源经光学元件行进到建造平面的路径。换而言之，能量束路径是建造平面中的能量束的位置的变化。
此外，由现有技术已知检测固化区中的温度以生成与制造过程的品质、尤其是被照射的建造材料是否适当地固化有关的信息。过程品质和/或在制造过程中建造的物体的结构参数还取决于与固化区相邻的区中的温度。尤其是，如果固化区与相邻区之间的温度梯度超过规定值，则会发生对建造物体的品质的负面影响，例如建造物体的体积中的裂缝。
发明内容
因此，一个目的是提供一种设备，其中改进了制造过程。
该目的通过根据权利要求1所述的设备创造性地实现。本发明的有利实施例记载于从属权利要求。
本文所描述的设备为一种用于通过依次逐层地选择性地照射和固化多层能借助能量束固化的粉末状的建造材料(“建造材料”)来添加式地制造三维物体——例如技术结构件——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。相应的设备可以为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。
设备包括在其运行期间使用的若干功能单元。示例性的功能单元为：过程室；照射装置，其构造成使用至少一个能量束选择性地照射设置在过程室中的建造材料层；和流产生装置，其构造成产生以给定的流动特性——例如给定的流动轮廓、流速等——至少部分地流经过程室的气态流体流，例如气体流。所述气态流体流在流经过程室的同时能够携带未固化的建造材料颗粒，尤其是在设备运行期间产生的烟雾或烟雾残留物。所述气态流体流典型为惰性的，也就是典型为惰性气体例如氩气、氮气、二氧化碳等的流。探测装置可包括扫描单元，其构造成将从建造平面发出的辐射引导到探测装置的至少一个传感器、尤其是摄像机。
本发明基于以下思想：提供了一种探测装置，其构造成探测从邻近固化区定位的至少一个相邻区发出的辐射或探测从固化区发出的辐射以及从相邻区发出的辐射。因此，设备允许探测从与固化区相邻的区发出的辐射，以便产生与制造过程对与固化区中的建造材料相邻的建造材料的影响有关的信息。因此，可以产生与相邻区直接关联的信息，而在现有技术中仅可以获取与固化区有关的信息并推测对与固化区相邻的区的影响。
其中能量束直接照射建造材料的区在本申请的范围中被称为“固化区”。与固化区相邻的区(“相邻区”)尤其与固化区热接触，使用能量束照射固化区从而提高固化区中的建造材料的温度导致相邻区中的温度由于热接触而升高。例如，相邻区直接接触或包围固化区。本申请的范围中的术语“发出”或“发射”指的是辐射在表面处的反射以及由物体或体积——例如一定体积的建造材料——进行的辐射、例如归因于加热该物体的热辐射的产生和释放。
尤其是，探测到的辐射沿其行进的探测到的辐射的光束路径与能量束路径不同。探测到的辐射的光束路径指的是从建造平面中的建造材料发出的辐射沿其行进的路径。尤其是，发出的辐射从建造平面行进到探测装置、例如探测装置的光学传感器。因此，设备被设计成，与现有技术中不一样，用于获取信息的辐射——即探测到的辐射——并非在建造平面处反射或在建造平面中产生并且沿与用于沿反方向照射建造材料的能量束相同的光束路径行进。相反，探测装置设置成使得探测到的辐射的光束路径与能量束的光束路径不同。因此，探测到的辐射并不行经照射装置的光学构件，例如用于将能量束准直和/或聚焦到建造平面上的光学构件。典型照射装置的此类光学构件包括过滤单元、例如防反射涂层，其过滤宽范围的波长谱以便主要允许使用该波长的能量束或接近该波长的能量束的辐射通过。探测到的辐射指的是已由建造平面发出的辐射，尤其是热辐射和反射的辐射，该辐射被引向探测装置或经由探测装置探测。
这意味着对宽范围的波长谱的过滤，在其中探测到的辐射沿与用于照射建造材料的能量束相同的光束路径行进的设备中发生信息损失。根据设备的该实施例，探测到的辐射不沿与能量束相同的光束路径行进，从而允许使用不具有或具有允许更宽波长谱的辐射通过的其它过滤单元(涂层)的光学构件。此外，可在不需要干涉能量束的光束路径的探测装置的情况下探测辐射。
根据设备的一个实施例，探测装置构造成探测至少一个固化区和/或至少一个相邻区的温度和/或确定至少一个固化区与至少一个相邻区之间的温度梯度。当然，取决于要建造的物体，可存在多个固化区和多个相邻区。探测装置不仅能够在固化区中而且还能够在至少一个相邻区中进行温度的探测。这实现了与使用能量束的照射对相邻区中的建造材料的影响有关的信息的生成。
尤其是，可以直接探测相邻区的温度并且因此确定固化区与相邻区之间的热通量。相邻区由此由于与被直接照射以能量束的固化区热接触而被加热。基于探测到的相邻区的温度和固化区的温度或例如两个相邻区的温度，可确定建造材料和物体中的热应变和/或机械应力。此外，可推测建造材料和/或物体中发展缺陷——例如裂缝——的趋势。
温度和/或温度梯度的探测允许设备的用户调节各种参数，尤其是诸如能量束的强度和/或功率的束参数，以便避免导致建造材料中的应力的高于预定值的温度梯度。
该设备还可通过设置控制单元来改进，所述控制单元构造成根据探测到的温度和/或所确定的温度梯度来调节或设定至少一个过程参数。因此，控制单元可基于探测到的温度和/或所确定的温度梯度来设定或调节各种过程参数。控制单元对过程参数的控制允许至少半自动化的过程控制，其中控制单元可根据探测到的温度和/或所确定的温度梯度来自动控制相应过程参数。过程参数可被控制成使得过程品质提高，尤其是减轻或避免对建造材料和/或物体的负面影响。
特别地，控制单元可构造成根据尤其是超过预定阈值的探测到的温度和/或所确定的温度梯度来控制、尤其是降低至少一个固化区中的温度，和/或控制、尤其是升高至少一个相邻区中的温度，和/或减小至少一个固化区与至少一个相邻区之间的温度梯度。因此，可以通过直接控制固化区中的温度以及直接或间接控制至少一个相邻区的温度来减小物体中的机械应力或热应变。由于热接触，可通过加热固化区来间接加热相邻区。此外，可经由能量束或相应的温度元件——例如辐射加热器或水加热器——来加热相邻区。可根据探测到的温度和/或所确定的温度梯度来直接控制相应温度。例如，如果温度梯度低于规定阈值，则可以提高固化区的温度。如果温度梯度高于规定阈值，则控制单元可减小特定工艺参数，例如能量束的强度或功率，以降低固化区中的温度。
此外，可以例如通过使用加热元件——例如辐射加热器或流体加热器——加热相邻区来直接控制一个或多个相邻区中的温度。此外，也可经由能量束加热相邻区。通过加热相邻区，可降低当前温度梯度，因为相邻区的温度至少部分地适配于固化区中的温度。当然，提高或降低固化区或各种相邻区中的温度的每个组合是可以的。如果温度梯度超过规定阈值，则控制单元可控制相应的温度或温度梯度。可关于建造材料的至少一个特性，例如建造材料的蒸发温度或熔化温度或热膨胀，来规定该阈值。
根据设备的另一实施例，控制单元构造成根据环境参数和/或能量束的路径速率和/或建造材料的状态来控制温度和/或温度梯度。因此，根据环境参数——例如过程室中的环境温度和/或气体流的特性——来控制相应的温度和/或温度梯度。附加地或替代地，可以根据例如与能量束的路径速率对应的建造材料中消耗的能量来控制温度和/或温度梯度，因为能量束照射一定体积的建造材料的持续时间直接影响相应体积的建造材料中消耗的能量。通过使能量束在建造平面上更慢或更快地移动，建造材料中可消耗更多或更少的能量。
此外，可针对建造材料的状态来控制温度和/或温度梯度。可使用合适的传感器来检测建造材料的状态，考虑建造材料的状态与建造材料能忍受的温度或温度梯度的关系。传感器例如可构造成检测建造材料的湿度。
还可通过设置构造成存储至少一个参数、尤其是温度和/或温度梯度的数据存储器来改进设备。至少一个参数的存储允许制造过程的记录和改进的品质管理。由此，制造过程中存在的参数——例如固化区的温度和/或相邻区中的温度——与建造物体的特性之间的相关是可能的。特别地，物体的特定特性或特征可与存储的在物体的制造期间存在的参数关联。物体的当前机械特性或特征因此可回溯至制造过程，其中可记录对物体的正面和负面影响，其中所述记录也可用于将来的制造过程。
此外，可设置扫描单元，其构造成引导从至少一个固化区和/或至少一个相邻区发射至探测装置的辐射。扫描单元因此起到与照射装置的束偏转单元相似的作用，将从源、例如建造平面中的建造材料发出的辐射引导到规定位置、即规定平面——例如探测装置的传感器的传感器表面。扫描单元允许固化区和/或至少一个相邻区在传感器上的成像，其中固化区的温度当然随着能量束在建造平面上的当前位置而变化。因此，可以跟随沿能量束路径行进的能量束在建造平面中的位置以及将固化区和/或至少一个相邻区在探测装置的传感器上成像。由于扫描单元构造成将发出的辐射引导到探测装置，所以可以监测从建造平面的任意位置发出的辐射。
也可以探测从相对于固化区的规定位置——例如离能量束在建造平面中的当前位置规定距离的区——发出的辐射。随着能量束沿能量束路径在建造平面上行进，从规定位置发出的辐射被引导到探测装置。
特别地，通过将至少一个固化区和/或至少一个相邻区在探测装置的测量单元上成像，可使扫描单元与照射装置、尤其是与照射装置的构造成将能量束引导到建造平面上的至少一个束偏转单元同步。扫描单元与照射装置或特别是束偏转单元的同步允许固化区的同步监测，因为能量束在建造平面上的当前位置可经由扫描单元成像到探测装置上。能量束在建造平面上的位置的变化引起经由探测装置监测的位置的更新。因此，实现了“在线”监测。
探测装置可包括构造成将至少一个固化区和/或至少一个相邻区在测量单元上成像的至少一个光学元件，其中该光学元件是复消色差透镜。复消色差透镜的使用是有利的，因为当透过光学元件的辐射的波长改变时，焦距仅轻微变化。因此可减少成像误差。
根据该设备的另一实施例，测量单元包括至少一个高温计摄像机，尤其是比色高温计摄像机。高温计摄像机的使用允许建造平面上的至少一个区的温度的位置解析(localresolution)。此外，至少一个固化区和/或一个相邻区的温度的探测可时间解析地进行。因此，随位置变化的温度和因此的温度梯度的探测是可能的。因此，可位置和时间解析地探测/确定温度和温度梯度。这导致物体中可能的热应变或机械应力的改进的探测或确定。
此外，可通过设置被布置在建造平面与探测装置之间的保护镜来改进设备，其中保护镜的透射光谱在170nm至5000nm、优选地400nm至2000nm的范围内。所使用的保护镜与构造成让来自宽波长谱的辐射通过的现有技术中不一样。这实现了相邻区、尤其是将与能量束的辐射不同的辐射成像的区的分析。如上所述的探测装置的布置以及保护镜的使用是有利的，因为可使用常规照射装置。此外，不必对现有的照射装置做出变更，其中尤其是可省略照射装置的光学构件的更换，使得照射装置的每个构件的光学有效表面可通常地进行防反射涂覆。这允许不费力的有效设置。
此外，本发明涉及一种探测装置，尤其是用于如上所述的设备的探测装置，其中该探测装置构造成探测从与固化区相邻的至少一个相邻区发出的辐射或探测从固化区发出的辐射和从相邻区发出的辐射。不言而喻，关于设备所描述的所有优点、特征和细节可全部转移至该探测装置。
另外，本发明涉及一种用于操作至少一个用于通过依次逐层地选择性照射和固化多层能借助能量束固化的建造材料来添加式地制造三维物体的设备的方法，其中能量束沿能量束的光束路径传播到建造平面上，其中能量束在至少一个固化区中照射建造材料，其中探测从与固化区相邻的至少一个相邻区发出的辐射或探测从固化区发出的辐射和从相邻区发出的辐射。
此外，本发明涉及一种用于添加式制造设备、尤其是如上所述的设备的保护镜，该保护镜可被布置在建造平面与设备的探测装置之间，其中保护镜的透射光谱在170nm至5000nm、优选地400nm至2000nm的范围内。
当然，关于设备和探测装置所描述的所有优点、特征和细节可全部转移至该方法。特别地，该方法可在如上所述的设备上执行。
根据一个实施例，该方法包括以下步骤：
-探测从由能量束直接照射的至少一个固化区和不直接由能量束照射的至少一个相邻区发出的辐射，
-探测至少一个固化区和/或至少一个相邻区的温度和/或确定至少一个固化区和/或至少一个相邻区之间的温度梯度，
-根据探测出的温度和/或所确定的温度梯度来控制至少一个过程参数。
根据该实施例的方法允许探测来自固化区以及来自相邻区的辐射。固化区中的辐射包括归因于加热建造材料的热辐射和在已于固化区中固化的建造材料的金属表面上反射的能量束的辐射。由于相邻区与固化区的热接触，相邻区中的建造材料也被加热，其中从相邻区发出的辐射主要是可探测到的热辐射。
通过探测来自固化区和/或相邻区的辐射，探测到各区的温度并且可确定温度梯度。基于温度梯度，可以推测是否存在对物体的负面影响，尤其是物体中是否可能存在热应变或机械应力。根据所确定的温度梯度和/或探测到的温度，可控制至少一个过程参数以避免在物体中引起机械应力或热应变。
附图说明
参考附图描述本发明的示例性实施例。唯一的图1是示意图并且示出了本发明的设备。
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多层能借助能量束4固化的建造材料3来添加式地制造三维物体2的设备1，其具有构造成产生能量束4的照射装置5，其中能量束4沿能量束4的光束路径6传播到建造平面7上。能量束4照射多个固化区8中的建造材料3。因此，固化区8中的建造材料3由能量束4照射并由此固化。
图1还示出了与固化区8相邻的相邻区9、10，其中相邻区9、10与固化区8热接触，沉积在固化区8中的热能也加热相邻区9、10。
设备1包括探测装置11，其构造成探测沿发出的辐射12a、12b的光束路径12行进的从相邻区9、10和固化区8发出的辐射12a、12b。在图1中，从固化区8发出的辐射12a以附图标记12a表示并且从相邻区9、10中的一个发出的辐射12b以附图标记12b表示。换而言之，探测装置11探测从建造平面7发出的全部辐射12a、12b，诸如在建造平面7的表面处反射的能量束4的辐射12b以及由于固化区8和相邻区9、10中的建造材料3的加热而发出的热辐射12a、12b。
探测装置11包括扫描单元13，其构造成将从建造平面7发出的辐射12a、12b引导到测量单元14，该测量单元包括光学传感器、例如CMOS或CCD传感器。尤其是，测量单元14可被建造为或包括高温计摄像机，其构造成提供合适的位置解析以探测各单个区8至10的温度。从固化区8发出的辐射12a和从相邻区9、10发出的辐射12b透过在例如400nm至2000nm的波长谱中透明的保护镜15传输。因此，几乎全部从建造平面7发出并沿发出的辐射12a、12b的光束路径12行进的辐射12a、12b能经过保护镜15。
扫描单元13将辐射12a、12b引导到测量单元14，其中辐射12a、12b经过被建造为复消色差透镜的光学元件16。
因此，探测装置11构造成探测辐射12a、12b并由此探测固化区8和相邻区9、10的温度。通过探测该温度，可以确定相邻区9与固化区8之间和固化区8与相邻区10之间的温度梯度。此外，可根据与物体2的特性相关的探测到的温度和所确定的温度梯度来生成相应信息。
设备1还包括控制单元17，其构造成控制各种过程参数，例如束参数，诸如能量束4的功率和/或强度。因此，控制单元17可控制照射装置5，例如能量束4的束速率，例如建造平面7中沿能量束路径行进的能量束4的位置变化速率。
如从图1可以得出的，从建造平面7发出的辐射12a、12b的光束路径12与能量束4的光束路径6不同。因此，照射装置5不必就照射装置5的各单个光学构件(未示出)的透射光谱进行改变。相反，可使用探测装置11，其允许在不降低或降低归咎于保护镜15和在探测装置11中使用的其它构件的宽透射光谱的信息损失的情况下分析或探测辐射12a、12b。
控制单元17还构造成控制各个区8至10中的温度和其间的温度梯度。尤其是，如果超过温度梯度的规定阈值，则控制单元17可控制相应过程参数，尤其是能量束4的能量束功率或能量束强度，以避免对物体2的负面影响，诸如可在物体2中导致裂缝的机械应力或热应变。
此外，设备1可包括构造成加热相邻区9、10的加热元件(未示出)，例如位于建造平面7下方的水加热器或辐射加热器，以通过加热相邻区9、10来减小相邻区9、10与固化区8之间的温度梯度。可对图1所示的设备1执行上文所述的方法。

Claims (14)

1.一种用于通过使用能量束(4)依次逐层地选择性照射和固化多层建造材料(3)来添加式地制造三维物体(2)的设备(1)，所述设备包括：
构造成产生能量束(4)的照射装置(5)，其中所述能量束(4)沿所述能量束(4)的光束路径(6)传播到建造平面(7)上，其中所述能量束(4)在至少一个固化区(8)中照射建造材料(3)，
探测装置(11)，所述探测装置构造成探测从与所述固化区(8)相邻的至少一个相邻区(9，10)发出的辐射(12b)或探测从所述固化区(8)发出的辐射(12a)和从相邻区(9，10)发出的辐射(12b)；以及
扫描单元(13)，所述扫描单元构造成使从所述至少一个固化区(8)和/或所述至少一个相邻区(9，10)发出的辐射(12a，12b)沿光束路径(12)偏转到所述探测装置(11)，所述光束路径(12)偏离所述能量束(4)沿其行进的光束路径(6)。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述探测装置(11)构造成探测至少一个固化区(8)和/或至少一个相邻区(9，10)的温度和/或确定至少一个固化区(8)与至少一个相邻区(9，10)之间的温度梯度。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于具有控制单元(17)，所述控制单元构造成根据探测到的温度和/或所确定的温度梯度来调节或设定至少一个过程参数。
4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述控制单元(17)构造成根据超过预定阈值的探测到的温度和/或所确定的温度梯度来：降低至少一个固化区(8)中的温度；和/或升高至少一个相邻区(9，10)中的温度；和/或减小至少一个固化区(8)与至少一个相邻区(9，10)之间的温度梯度。
5.根据权利要求3或4所述的设备，其特征在于，所述控制单元(17)构造成根据环境参数和/或所述能量束(4)的路径速率和/或所述建造材料(3)的状态来控制所述温度和/或所述温度梯度。
6.根据前述权利要求1-4中任一项所述的设备，其特征在于具有数据存储器，所述数据存储器构造成存储至少一个参数。
7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，通过将所述至少一个固化区(8)和/或所述至少一个相邻区(9，10)在所述探测装置(11)的测量单元(14)上成像，使所述扫描单元(13)与所述照射装置(5)的构造成将所述能量束(4)引导到所述建造平面(7)上的至少一个束偏转单元同步。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述探测装置(11)包括至少一个光学元件(16)，所述光学元件构造成将所述至少一个固化区(8)和/或所述至少一个相邻区(9，10)在所述测量单元上成像。
9.根据权利要求7或8所述的设备，其特征在于，所述测量单元(14)包括比色高温计摄像机。
10.根据前述权利要求1-4中任一项所述的设备，其特征在于具有布置在所述建造平面(7)与所述探测装置(11)之间的保护镜(15)，其中所述保护镜(15)的透射光谱在170nm至5000nm的范围内。
11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，其中所述保护镜(15)的透射光谱在400nm至2000nm的范围内。
12.一种用于根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)的探测装置(11)，其中，所述探测装置(11)构造成探测从与固化区(8)相邻的至少一个相邻区(9，10)发出的辐射(12b)或探测从所述固化区(8)发出的辐射(12a)和从所述相邻区(9，10)发出的辐射(12b)，其中，使用扫描单元(13)将从所述固化区(8)和/或所述至少一个相邻区(9，10)发出的辐射(12a，12b)沿光束路径(12)偏转到所述探测装置(11)，所述光束路径(12)偏离能量束(4)沿其行进的光束路径(6)。
13.一种用于操作至少一个用于通过依次逐层地选择性照射和固化多层能借助能量束(4)固化的建造材料(3)来添加式地制造三维物体(2)的根据权利要求1至11中任一项所述的设备的方法，其中所述能量束(4)沿光束路径(6)传播到建造平面(7)上，其中所述能量束(4)在至少一个固化区(8)中照射建造材料(3)，其中，探测从与所述固化区(8)相邻的至少一个相邻区(9，10)发出的辐射(12b)或探测从所述固化区(8)发出的辐射(12a)和从所述相邻区(9，10)发出的辐射(12b)，其中，使用扫描单元(13)将从所述固化区(8)和/或所述至少一个相邻区(9，10)发出的辐射(12a，12b)沿光束路径(12)偏转到探测装置(11)，所述光束路径(12)偏离所述能量束(4)沿其行进的光束路径(6)。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于包括以下步骤：
探测从由所述能量束(4)直接照射的至少一个固化区(8)和不直接由所述能量束(4)照射的至少一个相邻区(9，10)发出的辐射(12a，12b)，
探测至少一个固化区(8)和/或至少一个相邻区(9，10)的温度和/或确定至少一个固化区(8)和/或至少一个相邻区(9，10)之间的温度梯度，以及
根据探测出的温度和/或所确定的温度梯度来控制至少一个过程参数。
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