CN110494271B - 通过增材式制造手段生产物体的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通过增材式制造手段生产物体的系统(1)。该系统具有仪器(19)，该仪器包括用于储存能够固化的粉末材料的储存容器(61)，以及流体连接到储存容器的处理室(3)，该处理室用于接收所述粉末材料的至少一部分，用于在该处理室中形成材料(4)的材料池。此外，提供用于相对于所述材料池的表面高度定位物体的结构。该设备还包括用于固化所述材料池的一层的固化装置(7)。根据本发明，提供供应设备(8)，其具有用于储存可以固化的粉末材料的供应容器(18)，其中供应设备流体连接到储存容器或至少可连接到储存容器，并且其中所述装置被布置为用于在供应容器和储存容器之间转移粉末材料。

Description

通过增材式制造手段生产物体的系统

技术领域

本发明涉及一种通过增材式制造手段生产物体的系统，包括：用于接收能够固化的材料的材料池的处理室；用于将物体相对于所述材料池的表面高度(surface level)进行定位的结构；用于固化表面上材料层的至少一部分的固化装置。

背景技术

3D打印或增材式制造是指用于打印三维物体的各种工艺中的任何一种。诸如注射成型的传统技术对于制造例如大量的聚合物产品来说可以更便宜，但是当生产相对少量的三维物体时，3D打印或增材式制造可以更快，更灵活并且更便宜。

增材式制造被预计在未来变得越来越重要，因为不断增加的竞争压力迫使公司不仅要以稳定的高产品质量更经济地制造，而且还要在产品开发领域节省时间和成本。产品的生命跨度被不断缩短。除了产品质量和产品成本之外，市场推出的时刻对于产品的成功变得越来越重要。

可以通过使用定向能量束来选择性地烧结粉末或液体材料以产生三维，3D，物体来生产三维物体。特别地，可以使用计算机控制的增材式制造系统，其顺序地烧结多个层从而以逐层的方式构建所需的物体。主要使用增材式方法，在该方法中，在计算机控制下放置连续的材料层。这些物体可以是几乎任何形状或几何特征，并且可以从3D模型或其他电子数据源生成。

例如，为了打印三维物体，可以例如用计算机设计包或通过3D扫描仪创建可打印模型。通常，输入是3D CAD文件，例如STL文件，STEP文件或IGS文件。在从CAD文件打印物体之前，该文件将由称为切片器(slicer)的软件处理，该软件将模型转换为一系列薄的后续层。此外，为了控制每个后续层的创建，生成系统设置和向量。

包含在计算机控制的增材式制造系统中的激光遵循这些设置和矢量以铺设液体，粉末，纸或片状材料的连续的层，以从一系列横截面构建3D物体。然后将这些与CAD模型的虚拟横截面对应的层连接或融合以创建最终的3D物体。

为了降低系统的运行成本，一个目的是充分利用系统的能力，同时确保三维物体的总生产交货期(lead time)最小化，即生产队列最小化。

在三维物体的制造中，特别是在金属物体的增材式制造中的挑战之一涉及管理待固化层的质量。待固化的材料的质量对于获得所需的产品特性是至关重要的。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种用于通过增材式制造手段来生产物体的系统，利用该系统可以获得改进的制造速度和精度，特别是在至少保持或甚至提高待固化材料的质量的同时。

为此，本发明提供了一种根据权利要求1的系统。根据本发明的系统包括具有储存容器的仪器，该储存容器用于存储可固化的粉末材料；处理室流体连接到储存容器并且布置成用于接收所述粉末材料的至少一部分，优选地从所述储存容器接收，以在处理室内形成材料池；具有用于相对于材料池的表面高度定位物体的结构；并且具有固化装置，用于固化材料池的一层的至少一部分。

根据本发明，所述系统还包括供应设备，所述供应设备具有用于存储可以固化的粉末材料的供应容器。设置连接装置，该连接装置将供应设备流体连接到所述仪器，或者被布置成用于将供应设备流体连接到所述仪器，优选地用于将供应容器流体连接到储存容器。另外，提供了转移装置，用于在供应容器和所述仪器之间转移粉末材料，优选地用于在供应容器和储存容器之间转移粉末材料。

通过使用所述具有将粉末材料从供应容器传送到所述仪器(优选地传送到储存容器)的供应设备的系统，可以例如用新的粉末材料快速重新填充储存容器。此外，可以确保再填充材料的高质量标准。在一个实施例中，供应容器可以在所述仪器的使用期间被预填充，并且该系统可以用于在固化装置的空闲状态下重新填充储存容器。这不仅确保了可以在供应容器中提供高质量的材料，而且还意味着可以增加制造速度，因为可以相对快速地执行从供应容器到储存容器的材料转移。在一个替代实施例中，即使在该仪器的使用期间，例如当使用该仪器固化材料池的一层的至少一部分时，该仪器也可以被供应新的粉末。这减少了所述仪器的空闲时间，从而降低仪器的生产率。使用供应设备的另一个优点是粉末材料可以从所述仪器装置被转移回供应容器。这样，可以从仪器中移除一批粉末材料，例如当检测到粉末材料的质量未达到某个标准时，或者当下一个产品需要不同的材料时。

供应设备的另一个优点是已经存在于储存容器中的粉末可以与存在于供应容器中的粉末混合。原则上，这最容易通过从储存容器中抽取粉末并与供应容器中的粉末混合来进行。在混合之后，可以将混合动力供应到储存容器。这种混合平均了两种粉末的质量，这抵消了当粉末材料存在于储存容器中时自然发生的老化效应。这样，供应设备允许提高用过的粉末材料的质量。

因此，由上可知，利用根据本发明的供应设备，可以提高制造的速度和精度，以及待固化材料的质量。由此，实现了本发明的目的。

下面将描述有利的实施例。

在一个实施例中，该系统包括冲洗装置，用于冲洗连接装置，特别是用如氩气的惰性气体或氮气冲洗。这提高了粉末供应的质量，因为粉末吸收氧气将被防止。此外，这增加了系统的安全性，因为当用惰性气体替换氧气时，爆炸的风险会大大降低。

供应设备可以流体连接到储存容器，或至少可连接到储存容器，以将粉末材料供应到储存容器，以向处理室提供粉末材料层。

如果所述储存容器被布置为所述仪器的整体的一部分，这将是有益的。在本公开的上下文中，整体的一部分应被理解为被设计成在相对长的时间段内保留在仪器内部的部分，如与设计为定期更换的消耗部件，例如建造板块(build plate)，相反的。

使用根据本发明的供应设备允许粉末材料的安全的和受控的转移，特别是当在供应设备的连接状态下，供应容器和处理室被从环境密封时。这意味着在连接状态下，建立用于将粉末材料从供应设备转移到所述仪器，或从所述仪器转移到供应设备的封闭系统。粉末材料被阻止离开该封闭系统。

在一个实施例中，该仪器包括抽取装置，该抽取装置流体地连接到处理室并且布置成用于将材料从处理室中抽出。由此，可以从处理室移除在已经固化了一层材料之后保留在处理室中的粉末材料。

抽取装置还可以流体连接到供应设备，或至少可连接到供应设备，以将抽取的材料转移到供应设备。这允许粉末材料直接从所述仪器转移到供应设备。

为了实现有效的粉末抽取，该仪器在一个实施例中包括吹风装置，该吹风装置布置成用于在处理室中引起气流，从而影响待抽取的材料。

在优选实施例中，供应设备布置成可松开地连接到储存容器。这允许供应设备在现场外填充和/或清空，即在远离所述仪器的位置，那里可以优化质量标准和/或条件。

当系统包括用于在供应容器和储存容器之间转移粉末材料的气动转移装置时，可以以有效的方式实现供应容器和储存容器之间的材料转移。如前所述，转移可以是从供应容器到所述仪器，例如到储存容器，或从所述仪器(例如储存容器)到供应容器，或反之亦然，例如由于在所述仪器和供应容器之间形成闭环的事实。

在成本有效的实施例中，气动转移装置至少包括泵和用于将储存容器连接到供应容器流体管线。泵可以设置在所述仪器本身中，例如设置在其框架单元中。或者，所述可松开的供应设备可包括泵，用于形成自主供应设备。

当系统包括过滤器单元时是有利的，所述过滤器单元用于过滤正在供应容器和所述仪器之间转移的粉末材料。这进一步提高了粉末材料的质量。

在有效的实施例中，过滤器单元包括旋风过滤器。诸如旋风过滤器的过滤器单元可以设置在供应设备上。这样，过滤器单元的维护相对容易。

根据一个方面，本发明提供了一种将粉末材料供应到通过增材式制造手段生产物体的仪器的方法。该方法包括提供仪器的步骤，所述仪器具有：用于储存可固化的粉末材料的储存容器；处理室，所述处理室流体连接到储存容器并且布置成用于接收所述粉末材料的至少一部分，优选地从储存容器接收，以在处理室内形成材料池；用于相对于材料池的表面高度定位物体的结构；以及固化装置，用于固化材料池的一层的至少一部分。

根据本发明，该方法包括以下步骤：提供具有供应容器的供应设备，该供应容器用于存储可固化的粉末材料。该方法还包括通过连接装置将所述供应设备连接到所述仪器，优选地连接到储存容器的步骤，特别是通过在所述仪器和供应设备上设置的相互接合的连接元件，并在供应容器和所述仪器之间，优选地是在供应容器和储存容器之间转移粉末材料。这种方法的优点已在前面描述了。

在一个实施方案中，所述方法包括冲洗连接装置的步骤，特别是用如氩气的惰性气体或氮气冲洗。特别地，该步骤在任何粉末转移发生之前进行。

在一个实施例中，该方法包括将储存容器中的粉末材料与供应容器中的粉末材料混合的步骤。通过混合，可以增加储存容器中粉末材料的质量。混合可以在供应容器中进行。因此，粉末材料可以被从储存容器中取出，被转移到供应容器中，并且在那里与已经存在于供应容器中的粉末材料混合。然后，粉末材料可以被转移回储存容器。

在一个实施例中，该方法包括在使用固化装置期间将粉末材料供应到储存容器的步骤。这降低了所述仪器的生产率，因为所述仪器不需要为了将粉末材料转移到仪器的空闲。附加地或替代地，该方法可以包括在不使用固化装置期间将粉末材料供应到储存容器的步骤。

附图说明

下面结合附图描述本发明的实施例。在图中：

图1示出了根据本发明的用于增材式地制造物体的系统的第一实施例的示意图；

图2示出了根据本发明的系统的第二实施例的示意图；

图3示出了根据本发明的系统的第三实施例的示意图；

图4示出了根据本发明的系统的第四实施例的示意图；

图5示出了根据本发明的系统的第五实施例的详细概要图。

具体实施方式

图1示出了系统1的示意图，系统1用于通过增材式制造手段来生产物体2。该系统包括由若干框架部件11、12、13、14构成的仪器19。仪器19包括处理室3，处理室3用于接收可固化的材料4的材料池。在下框架部件11中，形成井50(shaft)，其中设置支撑件5以相对于所述材料4的材料池的表面高度L(surface level)定位物体2。支撑件5可移动地设置在井50中，例如在固化了层的至少一部分之后，可以降低支撑件5，并且可以在物体2的已经形成的部分的顶部上固化另一层材料。在仪器19的顶部的框架13中，提供有固化装置7以固化所述材料的选择部分。在所示的实施例中，固化装置7是激光装置，其被布置成用于产生激光形式的电磁辐射，以熔化设置在支撑件上的粉末材料，所述材料然后在冷却后形成要生产的物体2的固化部分。然而，本发明不限于固化装置7的类型。可以看出，由激光装置7发射的电磁辐射71通过偏转器单元74偏转，偏转器单元74使用可旋转的光学元件75来朝向所述材料4的层的表面L引导所述发射的辐射71。根据，根据偏转器单元74的位置，辐射可以被发射为，例如，像光线72、73那样。

在图1的左侧，提供了粉末供应装置6。这些粉末供应装置6包括用于储存可固化的粉末材料的储存容器61。该储存容器61通过诸如喷嘴或(旋转)阀的粉末供应喷嘴装置16流体连接到处理室3。连接到储存容器61的是供应设备8。该可移动供应设备8具有供应容器18，用于存储可固化的粉末材料。可以看出，供应设备8通过管线86流体连接到储存容器。根据本发明的系统1被布置成用于在供应容器18和仪器19之间转移粉末材料，特别是在供应容器18和储存容器61之间转移粉末材料。这可以意味着从供应容器18到储存容器61的转移，和/或从储存容器61到供应容器18的转移。为此可以设置转移装置，例如流体管线和一个或多个泵。在图1所示的实施例中，供应设备8能够可松开地连接到储存容器61。为此可以提供合适的连接装置，通过该连接装置供应设备8可以连接和/或重新连接到储存容器61。由于提供了一定数量的轮元件，供应设备8是可移动的。

使用根据本发明的供应设备，可以相对容易地重新填充储存容器61，或者在需要时将其排空。填充和/或排空可以相对快速地完成，甚至可以在仪器19的固化装置7动作时进行。供应设备8的填充可以例如在远离仪器19的位置处执行，并且因此可以在特定和受控的条件下执行，从而确保粉末材料的质量达到预定标准。然后可以相对快速地执行随后的填充。

在一个实施例中，供应设备8设置在仪器19旁边，并且通过连接装置连接到所述仪器。一旦所述供应设备8连接到仪器19，粉末材料可以在供应容器18和仪器19之间转移。

另外，可以提供冲洗装置，用于冲洗连接装置，特别是用如氩气的惰性气体或氮气冲洗。气体供应117(参见图5)可以存在于供应设备8中，以用于冲洗连接装置和导管。或者，气体供应可以存在于仪器19本身中(未示出)。这样，连接装置可以被冲洗，特别是用如氩气的惰性气体或氮气冲洗。在任何情况下，使用惰性气体冲洗管线和导管都会提高粉末供应的质量，因为可以防止粉末吸收氧气。此外，这增加了系统的安全性，因为当氧气被惰性气体替换时，爆炸的风险会大大降低。

而且，当执行将储存容器61中的粉末材料与供应容器18中的粉末材料混合的步骤时，可以提高储存容器61中的粉末材料的质量。为此，储存容器61中的粉末材料可以被抽出到供应容器18，在那里进行混合，之后混合的粉末可以被转移回到储存容器61。

如上所述，根据本发明的供应设备8的使用允许在使用固化装置7期间执行将粉末材料供应到储存容器61的步骤。

图2示出了具有根据本发明的仪器19的系统1的另一实施例。在该实施例中，提供了两个储存容器61、62。两个储存容器61、62都连接到粉末供应喷嘴16。来自两个容器61、62的粉末因此可以被提供给处理室3。供应设备8通过管线86和管线86'连接到两个储存容器。粉末可以被供应到容器61、62两者，或者可以从容器61、62两者中抽出粉末。或者，可以将粉末供应到最顶部的容器62，并且可以从底部容器61中抽出粉末。

图3示出了根据本发明的系统1的另一实施例。在该实施例中，所示的仪器19还包括抽取装置9，该抽取装置9流体连接到处理室3并且布置成用于将材料4从处理室中抽出。抽取装置9可以是泵。供应设备8通过抽取管线89流体连接到抽取装置9，并因此流体连接到处理室3。这样，当抽取装置9被启动时，来自处理室3的过量粉末可以被转移到供应设备8供进一步使用。

图4示出了根据本发明的系统1的另一实施例。该实施例类似于图3的实施例，具有以下附加设置。这里，在处理室3的相对侧，仪器19设置有吹风装置10，其用于在处理室3中引起气流，从而影响待抽取的材料。还可以设置另外的吹风装置，以更有效地影响处理室3中的粉末材料。吹风装置10通过线82连接到控制单元94。抽取装置9通过线84连接到控制单元。控制单元94可用于启动和/或停止吹风装置10(或多个嘴)。抽取装置9，例如以抽吸装置9的形式，也连接到该控制单元94，使得其操作可以被同步。然而，可以想到的是，为抽取装置9设置单独的控制单元。

图4还示出了抽取装置9通过抽取管线89连接到供应设备8。储存容器61设置在仪器19的下框架部件11中，并且还连接到抽取装置9。储存容器61还连接到供应设备8。储存容器61流体连接到处理室3，使得可以将一层材料沉积在处理室3中。该流体连接的细节未在图4示出，但是这些细节已经参考图1描述了。

图5示出了根据本发明的系统1的另一实施例，其具有两个附加喷嘴92、93，其可以是可移动喷嘴92、93，并且其中特别示出了在抽取装置9下游的仪器19的细节。抽取装置9包括抽取管121，抽取管121包括泵送单元(显示为一个单元121)，其中抽取管121的入口开口位于处理室3内。此外，抽取装置9通过管线87流体连接到过滤器单元101，特别是旋风(cyclone)过滤器单元101，其可用于过滤抽取的气流，所述气流包含从处理室抽取的材料。例如，这允许过滤和收集气流中包含的粉末材料以供进一步使用。旋风过滤器单元101经由管线111连接到第一储存容器103或收集器，用于收集由过滤器单元101过滤的粉末材料。气流可以在通过过滤器单元101之后通过排放(exhaust)管114和排放出口104从仪器19中排出。这样，气流可通过排放管114和排放出口104排出。在一个优选实施例中，排气管114连接到吹风装置10，使得过滤后的气流可以再次被引入处理室。

第一储存容器103经由管线112连接到第二储存容器102，第二储存容器102设置在第一储存容器103上方。被收集在第一储存容器103中的材料可以经由管线112转移到第二储存容器102，以供以后使用。在第二储存容器102和过滤器单元101之间设置溢流管线113，其可以用于多次过滤所抽取的材料，例如通过多次将所述材料再次供给回过滤器单元。

这样，抽取装置9可以连接到一个或多个储存容器103、102，用于保存从处理室抽取的材料。该材料可以重复使用，例如用于铺设另一层待固化的材料。

此外，系统1包括供应设备8，供应设备8经由管线86和管线88分别连接到第一储存容器103和第二储存容器102。供应设备8包括供应容器118和设置在其上游的过滤器单元119。泵单元(未示出)可用于将粉末材料从供应设备118转移到第一储存容器103。附加地或替代地，粉末材料可从第二储存容器102抽取到供应容器118。过滤器单元119可用于进一步过滤来自第二储存容器102的粉末材料。

对本领域技术人员来说清楚的是，以上通过若干实施例描述了本发明。然而，本发明不限于这些实施例。这若干实施例的各个部分的组合是可以想到的。所需的保护由所附权利要求限定。

Claims (20)

1.通过增材式制造来生产物体的系统，包括仪器，所述仪器具有：

- 储存容器，所述储存容器用于储存能够固化的粉末材料；

- 处理室，所述处理室流体连接到储存容器并且设置成从所述储存容器接收所述粉末材料的至少一部分，以在处理室内形成材料池；

- 用于将所述物体相对于所述材料池的表面高度定位的结构；和

- 固化装置，所述固化装置用于固化所述材料池的一层的至少一部分；

其中，除了所述仪器，所述系统还包括：

- 供应设备，所述供应设备被布置为在储存容器仍安装在所述仪器中的状态下用新的粉末材料重新填充所述储存容器，所述供应设备具有供应容器，所述供应容器用于储存所述新的粉末材料，所述新的粉末材料能够被固化并且能够供应到所述储存容器，其中，所述供应设备布置成可释放地连接到所述仪器；

- 连接装置，所述连接装置用于将供应容器流体连接到仍安装在所述仪器中的储存容器；和

- 转移装置，所述转移装置用于在供应容器和仍安装在所述仪器中的储存容器之间转移粉末材料，使得粉末材料能够被从所述供应容器转移到所述储存容器，粉末材料也能够被从所述储存容器转移到所述供应容器；

其中，所述仪器包括抽取装置，所述抽取装置流体地连接到所述处理室并且被布置成用于将材料从所述处理室中抽出，所述供应设备流体连接到所述抽取装置，或至少可连接到所述抽取装置，以将所述抽取的材料转移到所述供应设备，从而允许将粉末材料直接从所述处理室转移到所述供应设备。

2.根据权利要求1所述的系统，还包括用于冲洗连接装置的冲洗装置。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述储存容器被布置为所述仪器的整体的一部分。

4.根据权利要求1或2所述的系统，其中，在所述供应设备的连接状态下，所述供应容器和所述处理室被与环境密封。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述仪器包括吹风装置，所述吹风装置布置成用于在所述处理室中引起气流，从而影响要被抽取的材料。

6.根据权利要求1-2中任一项所述的系统，其中，所述转移装置包括气动转移装置。

7.根据权利要求6所述的系统，其中所述气动转移装置包括至少一个泵和用于将所述供应容器连接到所述仪器的流体管线。

8.根据权利要求7所述的系统，其中所述供应设备包括所述泵。

9.根据权利要求1-2中任一项所述的系统，包括过滤器单元，所述过滤器单元用于过滤正在供应容器和所述仪器之间被转移的粉末材料。

10.根据权利要求9所述的系统，其中所述过滤器单元包括旋风过滤器。

11.根据权利要求9所述的系统，其中所述供应设备包括所述过滤器单元。

12.根据权利要求2所述的系统，其中所述冲洗装置用于使用惰性气体来冲洗连接装置。

13.根据权利要求12所述的系统，其中所述惰性气体是氩气或氮气。

14.一种将粉末材料供应到通过增材式制造来生产物体的仪器的方法，其中所述仪器包括：

- 储存容器，所述储存容器用于储存能够固化的粉末材料；

- 处理室，所述处理室流体连接到储存容器并且设置成从储存容器接收所述粉末材料的至少一部分，以在处理室内形成材料池；

- 用于将所述物体相对于所述材料池的表面高度定位的结构；

- 固化装置，所述固化装置用于固化所述材料池的一层的至少一部分；和

- 抽取装置，所述抽取装置流体地连接到所述处理室并且被布置成用于将材料从所述处理室中抽出；

其中所述方法包括以下步骤：

- 提供供应设备，所述供应设备被布置为在储存容器仍安装在所述仪器中的状态下用新的粉末材料重新填充所述储存容器，所述供应设备具有用于储存粉末材料的供应容器，所述粉末材料能够固化并且能够被供应到所述储存容器，其中，所述供应设备布置成可释放地连接到所述仪器，

- 通过连接装置将所述供应容器连接到仍安装在所述仪器中的所述储存容器，以及

- 在供应容器和仍安装在所述仪器中的储存容器之间转移粉末材料，其中，粉末材料能够被从所述供应容器转移到所述储存容器，粉末材料也能够被从所述储存容器转移到所述供应容器；

其中，所述供应设备流体地连接到抽取装置，并且所述方法包括以下步骤：

- 将抽取装置抽取的材料转移到所述供应设备，从而使粉状材料被直接从所述处理室转移到所述供应设备。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述方法包括冲洗连接装置的步骤。

16.根据权利要求14或15所述的方法，其中所述方法包括将所述储存容器中的粉末材料与所述供应容器中的粉末材料混合的步骤。

17.根据权利要求14或15所述的方法，其中所述方法包括在使用所述固化装置期间将粉末材料供应到所述储存容器的步骤。

18.根据权利要求14或15所述的方法，其中所述方法包括在不使用所述固化装置期间将粉末材料供应到所述储存容器的步骤。

19.根据权利要求15所述的方法，其中冲洗连接装置的步骤是用惰性气体冲洗。

20.根据权利要求19所述的方法，其中所述惰性气体是氩气或氮气。

Images