CN110625932A - 用于制造至少由一个材料层构建的三维物体的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于制造至少由一个材料层构建的三维物体的装置(1)以及方法，其中，通过选择性固化至少一种借助所述装置(1)的加料单元(2)以原材料幅面形式连续地施加到构建平台(3)上的粉末状原材料(4)进行制造。在此，为了借助辐射、尤其激光辐射的能量输入固化原材料(4)，所述装置(1)具有与加料单元(2)构成组合件(5)的照射单元(6)，其中，具有相互关联的照射元件(7)组的照射单元(6)布置为可转动地支承在所述加料单元(2)上。

Description

用于制造至少由一个材料层构建的三维物体的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于制造至少由一个材料层构建的三维物体的装置，其中，通过选择性固化至少一种借助所述装置的加料单元连续地施加到构建平台上的粉末状原材料构建三维物体。在此，用于借助辐射的能量输入来固化原材料的装置具有与加料单元构成组合件的照射单元。
此外，本发明涉及一种用于利用所述装置制造至少由一个材料层构建的三维物体的方法，方式是借助连续地敷设原材料幅面构造由粉末状原材料构成的层床，并且在所述敷设期间借助辐射的能量输入选择性固化原材料幅面。
背景技术
对于在粉末床中增材式制造构件已知不同的方法。标准化的程序是，把构造台或者粉末床以确定的高度降低并且通过居中的覆层装置施加粉末层。被施加的粉末层接着被相应于待制造的构件区域地借助一个激光源或者多个点状的激光源的激光辐射照射，其中，激光辐射通常通过镜子-扫描系统转向。由于能量输入，在被辐照的区域中进行粉末的熔融或者烧结，由此制造期望的构件区域。
例如文献WO 2014/199149 A1示出这种方法或者说用于执行这种方法的装置。在此，除了使用通过扫描系统转向的、由不可运动地布置的激光源产生的激光辐射之外，在一种实施方式中记载了激光源的布局，该布局由多个激光二极管构成并且设计为可运动的。此外，通过激光二极管产生的激光辐射借助微透镜聚焦并且用于熔融在粉末床中借助相对于激光源单独布置的粉末加料单元施加的粉末。
通过文献DE 10 2015 119 745 A1已知另一种类似于WO 2014/199149 A1的装置，其中使用多个基本上矩阵式布置的激光二极管用于产生熔融粉末所需的激光辐射。激光二极管可以能运动地或者不能运动地固定在布置于粉末床上方的固持装置上，其中，激光二极管的矩阵式布置体跨过待辐照的粉末床区域的一部分或者干脆完全覆盖。此外，在一种实施方式中，在固持装置上布置有与激光二极管布置体分开地设计的粉末加料单元，其中，粉末加料单元设计为相对于固持装置和粉末床水平地可运动。
开始所述种类的方法和装置被文献DE 10 2016 105 097 A1公开，其具有不可运动地布置的、组合式覆层和辐照装置。在此，辐照装置由两个成行和/或成列地构造的激光二极管布置体构成，覆层装置布置在激光二极管布置体之间。由此，可以在支承粉末床的支承板水平运动的情况下、沿两个运动方向熔融被施加的粉末。为此，待施加的粉末可以通过储存单元供给覆层装置。由于激光二极管布置为通过覆层装置(或辐照装置)相互分开地存在的两部分，所以虽然覆盖了两个运动方向，但是可行的辐照也不利地限制在这两个运动方向上。
发明内容
在此背景下，本发明要解决的技术问题是，设计开始所述种类的装置，以便在可以固化原材料的同时实现基本上任意的运动方向。此外，本发明要解决的技术问题是，提供一种方法，借助该方法实现对待制造的物体的特性的影响。
上述第一个技术问题通过按照权利要求1的特征的装置解决。从属权利要求涉及本发明适宜的改进设计方案。
按照本发明设置一种用于制造至少由一个材料层、尤其由多个材料层构建的三维物体的装置。在此，所述物体或者所述一个或者多个材料层的制造通过选择性固化至少一个连续地借助所述装置的加料单元施加到构建平台上的粉末状的原材料进行。在此，为了借助辐射、尤其激光辐射的能量输入固化原材料，所述装置具有与加料单元构成组合件的照射单元。该照射单元布置为可转动地支承在加料单元上，并且其本身又具有相互关联的照射元件组(尤其仅一组)。这种设计方案有利地导致，由加料单元和照射单元构成的组合件沿任意的方向运动，并且因此，粉末状的原材料的施加和固化不必在直线的、必要时交替的运动中仅沿一个方向进行。因此，在按照本发明的设计方案中，除了在构建平台的涂覆平面中沿一个或者两个方向的直线运动之外，可以想到任意组合的运动，例如在圆形轨道上的运动或者螺旋形的运动。在此，照射装置仅需要借助适配的转动就能始终沿跟随加料单元的运动方向定位。甚至当(在此)优选的运动是沿回形或折尺形轨迹驶过构建平台的敷料平面时，在组合件的各个相互衔接的交替的直线运动方向的情况下、同样仅需要一个关联的照射元件组，这尤其呈现为有利地更简单的构造以及相对于布置多个必须围绕加料单元布置的不动的照射元件组的成本降低。为了实现加料组件的运动可以想到的是，组合件例如布置在XY-机架上或者XY-活节机器人上。除了上述并且优选的激光辐射之外，也可以使用一个或者多个电子射束形式的辐射用于固化粉末状的原材料。在此，原材料的固化通常如何进行取决于原材料的种类。例如一种可行方案在于，把原材料熔融，其中，该原材料通过冷却固化成为实体材料。另一种可行方案是，基于烧结过程固化原材料，其中，粉末状的原材料不转化到液体状态，而同样发生固化。此外，作为原材料在此考虑金属以及塑料。
在本发明的特别有利的改进设计中，照射单元在照射单元的朝向构建平台的底侧面上具有多个、尤其以横向于敷料方向的行列布置的、构造为激光二极管的照射元件，用于产生设计为激光辐射的辐射。在此，每个激光二极管还可以具有用于辐射的射线成形和/或射线聚焦的光学装置，其中，在此情况中，该辐射是相应的激光辐射。此外，为了保护激光二极管配设例如由氩气或者氮气构成的保护气流，该保护气流在激光二极管和由粉末状原材料构成的床台或者构建平台的表面之间流动并且针对喷溅的、可能熔融的原材料保护激光二极管和/或光学装置。除了以行列布置激光二极管之外还可以想到的是，把激光二极管在圆形轨道上或者在部分圆形轨道上布置，以便能保证照射单元围绕加料单元的紧凑的布置方式。
此外，本发明的一种设计方案有利地在于，照射元件是可以单个地控制的，以此一方面改变通过照射在粉末状的原始材料中固化的区域的宽度，也可以通过禁用与不需被固化的区域对应的照射元件产生不固化的中间区域。
在本装置的对此特别以实践为导向的实施方式中，所述激光二极管是VCSEL二极管和/或VECSEL二极管。在此，VCSEL表示垂直腔面发射激光器，VECSEL表示垂直外腔面发射激光器。在两种情况中存在的激光二极管都是表面式发射器。与边发射式激光二极管不同的是，在此发射的光垂直于半导体芯片的平面发出，以此构成非常紧凑的结构方式，并且还可以省掉额外的射束成形的和/或射束聚焦的光学装置。
激光二极管的数量至少为100、在100至1000之间或者大于1000，因此可以以有利的方式实现高分辨率和随此带来的很小的结构宽度。
本发明另外的有利改进设计方案特征在于，所述装置具有至少两个加料单元或者组合件，以此有利地不仅可以施加一种材料的原材料，而且可以施加尤其由相互不同的材料构成的至少两种或者甚至更多的原材料。例如可以是不同的金属，这些金属具有不同的物理(在此尤其是机械)和/或化学特性。在此，不同的原材料可以用于产生该物体本身的不同区域，或者也可以用于产生例如在物体的具有悬出部的区域中需要的支撑结构。
此外，若本发明的实施方式被设计为，借助加料单元依次在构建平台上施加的粉末状原材料的宽度和/或在施加在构建平台上的原材料的借助照射单元覆盖的照射区域的宽度为0.5毫米至2毫米，那么这就如下所述地视为有利的，即尤其结合较多数量的所使用的激光二极管，例如至少100、在100至1000之间或者多于1000，能实现例如物体的固化的结构或者支撑结构的非常小的结构宽度。在此例如实现很小的壁厚，该壁厚会在从0.1毫米至0.2毫米的范围中。
本发明有利的改进设计在于，加料单元具有定量装置和/或用于粉末状原材料的运动激励的振动装置，该定量装置由可转动地布置的第一定量板和与第一定量板共同作用的、不动的第二定量板构成。由此可以以设计上简单、有利的方式控制或者调节应从加料单元的出口排出的原材料的例如以体积或者质量测量的量。在此，定量板分别具有例如各带四个开口的多孔圆盘，其中，通过相互贴靠的定量盘的多孔圆盘的偏转可以改变原材料排出的量。除了定量板和振动装置之外，加料单元也具有用于待敷设的、粉末状的原材料的存储器和布置在加料单元上的刮板用于整平施加到构建平台上的原材料。
上述第二个技术问题通过按照权利要求9的特征的方法解决。从属权利要求涉及本发明适宜的改进设计方案。
因此，提供一种用于利用所述装置制造至少由一个材料层、尤其由多个材料层构建的三维物体的方法。在此，通过借助依次地敷设原材料幅面构造由粉末状原材料构成的层床、并且在所述敷设期间借助辐射的能量输入构成选择性固化原材料幅面，来执行物体的制造。在此，原材料幅面的依次施加根据对待制造物体的化学和/或物理特性的第一要求描述(Anforderungsprofil或者说要求型式、要求造型)进行，其中原材料幅面的层厚度在至多100微米的第一层厚度区域中。在此，被施加的由粉末状原材料构成的层床应全面地构造并且覆盖至少一个可以通过物体在构建平台的平面中的投影确定的基面。以简化的方式可以构造矩形的基面。在此，层厚度区域的设置借助组合件的、然而优选构建平台的至少沿垂直方向定向的运动实现。因此，在最简单的情况中，垂直定向的运动由下降构成，即构建平台相对于沿垂直方向不可运动地设计的组合件的背离组合件指向的垂直运动。对所述物体的化学和/或物理特性的第一要求描述可以主要是在必要的机械特性方面，例如在物体的在结构上承受载荷的区域中定义。这些区域相应地利用原材料幅面的至多100微米的层厚度和物体的与此对应的材料层厚制造。同样可以想到的是，要求描述在确定的区域的电学特性方面(即一种设计方案)定义为电导体或者绝缘体，或者在需要的化学耐腐蚀性能方面定义，在此尤其结合布置在装置上的多于一个的组合件。
此外，在按照本发明的方法的更有利的改进设计中，原材料幅面的依次施加根据对待制造的物体的化学和/或物理特性的第二要求描述地进行，用于制造用于物体的待固化的支撑结构和/或用于制造层床的不要固化的区域，其中原材料幅面在第二层厚度区域具有从100微米至2毫米的层厚度。以与第一要求描述同样的方式，对物体的化学和/或物理特性的第二要求描述可以主要在物体的区域的必要的机械特性方面被定义、并且因而在物体的待制造的或者已制造的材料层的至少局部的必要的机械特性方面被定义。然而在此应尤其注意的是，物体的结构上负载较小的区域(其中对材料特性的要求比负载相对更大的区域更低)借助在原材料幅面的从100微米至2毫米的层厚度区域中的更高的层厚度、并且因而借助物体的与之对应的材料层厚度被制造。这同样适用于支撑结构以及由粉末状原材料构成的层床的不被固化的区域。层厚度区域的变化可以在执行所述方法期间进行。
附图说明
本发明允许有大量实施方式。为了进一步说明其基本原理，在附图中示出其中一些实施方式并在下文说明。附图中：
图1示出按照本发明的装置的实施方式；
图2示出具有两个组合件的改进设计方案；
图3示出具有XY机架和XY活节机器人的设计方案；
图4a、4b、4c示出照射单元的实施方式。
具体实施方式
图1示出用于制造至少由一个材料层构建的三维物体的装置。在此，该物体的制造通过在多个材料层中选择式固化施加到构建平台3上的原材料4来进行。为此，原材料4从加料单元2的存储器13通过加料单元的出口14施加到构建平台3上，由此，除了所述物体的固化的区域之外也制成了由不固化的、粉末状原材料4构成的全面的层床和必要时的支撑结构。此外，从出口14供给的原材料4的量能借助通过轴15可转动地设计的第一定量板10和与第一定量板10构成定量装置9的并且与加料单元2的壁固定连接的第二定量板11控制或者调节。为此，定量板10、11分别具有个带有四个孔的多孔圆盘24、25，其中，两个孔在剖面中示出。此外，加料单元2具有用于粉末状的原材料4的运动激励的振动装置12以及用于平整施加到构建平台3上的原材料4的刮板16。与加料单元2构成组合件5的照射单元6用于粉末状原材料4的固化。在此具有相互关联的或者相互连接的照射元件7的组的照射单元6通过支承件17在出口14的区域中在加料单元2上可转动地支承，照射元件7布置在照射单元6的朝向构建平台3的底侧面8上。在所述装置1的此设计方案中，照射元件7设计为VCSEL二极管形式的激光二极管，其中，在照射单元6的底侧面8上布置的数量为至少100个。
图2示出具有两个组合件5的设计方案的极度简化的示意图，两个组合件分别由加料单元2和可转动地支承在加料单元2上的照射单元6构成。在此，组合件5沿敷料方向先后地布置，以便把源自相应存储器13的不同的原材料4施加到构建平台3上。这种设计方案可以被这样地使用，即根据第一要求描述和第二要求描述产生不同的层厚区域，其中，一个组合件5配属第一要求描述，第二个组合件5配属第二要求描述。在此，与不同的原材料4的结合是可行的。
在图3中示出装置1的可行的设计方案，其中，在图3左侧，组合件5在构建平台3上方布置在XY机架22上，在图3右侧则布置在XY活节机器人18上。
图4a示出照射单元6，照射单元6在底侧面8上具有多个照射元件7。照射单元6或者说照射元件7在此借助保护气流19被保护以针对回溅的原材料4，保护气流19通过从流动通道20排出构成保护屏障21。
图4b以及4c分别示出具有多个照射元件7的照射单元6。在图4b中示出的照射元件7在此设计为激光二极管，其分别各需要一个额外的用于射束成形和/或射束聚焦的光学装置23，光学装置在此实施方式中布置在设计为激光二极管的照射元件7的下方。与此相反的是，在图4c中示出的照射元件设计为VCSEL二极管，并不需要额外的光学装置23。
附图标记列表：
1 装置
2 加料单元
3 构建平台
4 原材料
5 组合件
6 照射单元
7 照射元件
8 底侧面
9 定量装置
10 第一定量板
11 第二定量板
12 振动装置
13 存储器
14 出口
15 轴
16 刮板
17 支承件
18XY 活节机器人
19 保护气流
20 流动通道
21 保护屏障
22XY 机架
23 光学装置
24、25 多孔圆盘。

Claims (10)

1.一种用于制造至少由一个材料层构建的三维物体的装置(1)，其中，通过选择性固化至少一种连续地借助所述装置(1)的加料单元(2)施加到构建平台(3)上的粉末状原材料(4)进行所述制造，其中，为了借助辐射的能量输入固化原材料(4)，所述装置(1)具有与所述加料单元(2)构成组合件(5)的照射单元(6)，其特征在于，具有相互关联的照射元件(7)组的照射单元(6)布置为可转动地支承在所述加料单元(2)上。
2.按照权利要求1所述的装置(1)，其特征在于，所述照射单元(6)在照射单元的朝向所述构建平台(3)的底侧面(8)上具有多个构造为激光二极管的照射元件(7)，用于产生设计为激光辐射的辐射。
3.按照权利要求1或2所述的装置(1)，其特征在于，所述照射元件(7)是可以单个地控制的。
4.按照上述权利要求的至少一个所述的装置(1)，其特征在于，所述激光二极管是VCSEL二极管和/或VECSEL二极管。
5.按照上述权利要求的至少一个所述的装置(1)，其特征在于，所述激光二极管的数量至少为100、在100至1000之间或者大于1000。
6.按照上述权利要求的至少一个所述的装置(1)，其特征在于，所述装置(1)具有至少两个加料单元(2)或者组合件(5)。
7.按照上述权利要求的至少一个所述的装置(1)，其特征在于，借助所述加料单元(2)依次在所述构建平台(3)上施加的粉末状原材料(4)的宽度和/或在施加在所述构建平台(3)上的原材料(4)的借助照射单元(6)覆盖的照射区域的宽度为0.5毫米至2毫米。
8.按照上述权利要求的至少一个所述的装置(1)，其特征在于，所述加料单元(2)具有定量装置(9)和/或用于粉末状原材料(4)的运动激励的振动装置(12)，所述定量装置由可转动地布置的第一定量板(10)和与所述第一定量板(10)共同作用的、不动的第二定量板(11)构成。
9.一种用于利用按照上述权利要求的至少一个所述的装置(1)制造至少由一个材料层构建的三维物体的方法，方式是借助连续地敷设原材料幅面构造由粉末状原材料(4)构成的层床，并且在所述敷设期间借助辐射的能量输入选择性固化原材料幅面，其特征在于，所述原材料幅面的依次施加根据对待制造物体的化学和/或物理特性的第一要求描述、利用原材料幅面在第一层厚度区域中至多100微米的层厚度进行。
10.按照权利要求9所述的方法，其特征在于，原材料幅面的依次施加这样进行：
·根据对待制造物体的化学和/或物理特性的第二要求描述，
·用于制造用于物体的待固化的支撑结构和/或
·用于制造层床的不要固化的区域
其中借助原材料幅面的位于从100微米至2毫米的第二层厚度区域中的层厚度。
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