CN111051045A - 通过移动生产单元生产大工件的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于生产三维工件的设备(10)，该设备包括：载架(12)，其适于接纳用于生产所述工件的材料(14)；至少一个移动生产单元(24)；移动单元(18)，其适于使移动生产单元(24)相对于载架(12)移动，以使移动生产单元(24)与载架(12)的不同部分相对地定位；感测单元，其适于产生与移动生产单元(24)和载架(12)的相对布置有关的传感器信号；以及控制单元，除了通过移动单元(18)对移动生产单元(24)进行定位之外，该控制单元还提供至少一种精细定位功能，以基于由感测单元产生的传感器信号来补偿与移动生产单元(24)和载架(18)的期望相对布置的偏移。本发明还涉及一种用于制造三维工件的方法。

Description

通过移动生产单元生产大工件的设备和方法

技术领域

本发明涉及一种根据加层构造方法来生产大的三维工件的设备和方法。

背景技术

在加层方法中，通过生成一系列固化和互连的工件层来逐层生产工件。这些工艺可以通过原材料的类型和/或使所述原材料固化以生产工件的方式来进行区分。

例如，粉末床熔合是一种加层工艺，通过该工艺可以将粉状，特别是金属和/或陶瓷原材料加工成复杂形状的三维工件。为此，将原材料粉末层施加到载架上，并根据要生产的工件所需的几何形状以选择位置的方式对该原材料粉末层进行激光辐射。穿透到粉末层中的激光辐射引起对原材料粉末颗粒加热，并因此使其熔化或烧结。然后，将另外的原料粉末层依次施加到载架上的已经进行了激光处理的层上，直到工件具有所需的形状和尺寸。选择性激光熔化或激光烧结可以特别是用于基于CAD数据来生产原型、工具、替换零件或医学假体，例如牙科或整形外科假体。

另一方面，熔融沉积建模或材料喷射代表了不同类型的加层工艺。在这种情况下，将未固化的原材料提供给某种类型的印刷头，该印刷头将所述材料沉积到载架上，然后该材料在所述载架上固化。

加层构造方法的一个重要参数是所生产工件的品质。此外，例如在保持生产周期尽可能短的意义上，生产效率至关重要。例如，已知有许多策略用于加速单个工件层的生产。然而，当生产大工件时，已知的解决方案并不总能实现所需的效率和/或品质。

发明内容

因此，本发明的目的是在保持足够的品质水平的同时，在大工件的加层生产期间提高效率。

该目的通过权利要求1中限定的设备和权利要求15中限定的方法来解决。

根据本发明的用于生产三维工件的设备包括适于接纳用于生产工件的材料的载架。取决于通过该设备实现的加层工艺的类型，材料可以是例如用于执行选择性激光熔化程序的原材料粉末，或在载架上固化的熔化材料。

通常，载架可以限定出在其中生产工件的构建区域。载架可以是可移动的(例如可竖直移动的)载架。然而，优选地，载架是竖直和/或水平固定的。在一个实施方式中，载架的形状和/或轮廓适合于工件的外轮廓，例如为非矩形的。而且，载架可以包括基板，该基板例如可以可拆卸地连接到载架基础结构和/或被构造成直接接纳所沉积的原材料粉末。

在一个示例中，设备为一整体或者至少是载架和/或随后讨论的移动生产单元可以被布置在处理腔室内。所述处理腔室可以相对于环境气氛，即相对于处理腔室周围的环境密封，以便能够使处理腔室内保持受控的气氛，特别是惰性气氛。然而，还考虑到处理腔室可以向一侧敞开，以使得能够接近被容纳在其中的载架(例如使得能够通过下面讨论的移动生产单元来接近载架)。

如果用于生产工件的材料是原材料粉末，则所述粉末优选地是金属粉末，特别是金属合金粉末，但是也可以是陶瓷粉末、塑料或聚合物粉末，或含有不同材料的粉末。粉末可具有任何合适的粒度或粒度分布。然而，优选处理粒径小于100微米的粉末。如果用于生产工件的材料是熔化材料，则所述材料可以选自以上示例中的任何示例，并且优选地是塑料或聚合材料。

该设备还包括至少一个移动生产单元。该移动生产单元可以是代表可共同移动和/或整合的单元的多部件或多零件单元。在一个示例中，移动生产单元是整合的单元，该整合的单元联接到如下详述的移动单元并可通过该移动单元移动。

移动生产单元包括固化装置，该固化装置适于在载架上产生固化的材料层，以便通过加层构造方法来生产工件。在本发明的上下文中，除非相反地指出或明显地不适用，否则表述“在载架上”可以理解为是指某事物发生在载架的平面或空间内，然而不一定需要与该载架的表面直接接触。换句话说，这可能涉及由载架直接或间接支撑的某物。例如，通过固化装置“在载架上”生产固化的材料层可能不一定需要使所生产的材料层与载架直接接触。而是，它也可以涉及在已经存在于该载架上的层的顶部上生产这种层，即，所产生的层由载架间接地支撑。

如下面进一步详细描述的，固化装置可以采取照射装置或用于沉积材料的印刷头的形式。在后一种情况下，固化装置通过使熔化材料以如下的方式沉积来生产固化材料层：该熔化材料在载架上的预定位置处固化，从而生产固化材料层。

移动生产单元可以进一步包括适于将材料供应到载架和/或固化装置的材料供应装置。在固化装置包括照射装置(例如，执行选择性激光熔化过程的设备)的情况下，材料供应装置可以将原材料粉末直接供应给载架，然后可以通过照射装置对其进行照射。在固化装置包括熔化材料印刷头(例如，执行材料喷射过程的设备)的情况下，材料供应装置可以将材料供应到固化装置的印刷头。

此外或替代性地，移动生产单元可以进一步包括气体供应系统，该气体供应系统适于将保护气体供应到载架和/或要被照射的区域。通常，保护气体可以被引导至和/或沿着当前固化的最上部材料层。保护气体可以以合适的保护性的或惰性的气体的形式提供，以避免待固化的材料与周围气氛之间发生不希望的反应。

气体供应系统可以包括气体出口，该气体出口通向移动生产单元的面向载架的部分。气体供应系统还可以包括气体入口，该气体入口用于从移动生产单元和/或载架除去气体，例如以便在设备内实现保护性气体回路。气体供应系统可以连接到用于将保护气体供应到载架的气流产生装置，诸如压缩机。

最后，移动生产单元可以额外地或替代性地包括层沉积机构，该层沉积机构用于将所供应的材料形成为在载架的顶部(或者在已经在其上沉积的材料层的顶部)上的材料层。层沉积机构可以采取滑块或叶片的形式，该滑块或叶片可随着移动生产单元在载架上的移动而移动和/或可独立于移动生产单元在载架上的移动而移动。当用于生产工件的材料是原材料粉末时，层沉积机构可以在选择性地使原材料粉末固化之前和/或之后，确保所述粉末形成基本上为水平的层。类似地，当材料是熔化材料时，层沉积机构可以确保在熔化材料沉积之后，所得的固化的工件层的表面是水平的。

该设备还包括移动单元，该移动单元适于使移动生产单元相对于载架移动，从而使移动生产单元与载架的不同部分相对地定位。在一个示例中，载架通常水平地布置在空间中，并且移动单元使移动生产单元在载架的不同部分上方移动，即，以使该移动生产单元与该载架的不同部分相对地并面向载架布置。

该设备还包括感测单元，该感测单元适于产生与移动生产单元和载架的相对布置有关的传感器信号。感测单元可以包括用于产生相应的传感器信号的至少一个合适的传感器，例如光学传感器。感测单元可以被连接或可连接至设备的控制单元，以便向该控制单元转发所产生的传感器信号。感测单元可以至少部分地安装到移动生产单元或其周围，例如设备的面向载架的顶端区域。相对布置可以特别地涉及水平空间平面内的相对布置和/或指示移动生产单元是否被精确地定位在载架的预定部分上方。此外或替代性地，相对布置可以涉及移动生产单元与载架之间的预定距离，或者换句话说，涉及移动生产单元与载架沿竖直空间轴的预定距离。

该设备还包括控制单元，除了通过移动单元对移动生产单元进行定位之外，该控制单元还被配置为提供至少一种精细定位功能，以基于由感测单元产生的传感器信号来补偿移动生产单元与载架的期望相对布置的偏移。可以独立于通过移动单元的第一粗略定位来提供和/或启动精细定位功能，例如通过应用独立于所述移动单元而运行的致动机构来提供和/或启动精细定位功能。此外或替代性地，可以在借助于移动单元的(例如第一粗略)定位已经完成并且感测单元已经生成关于所得到的相对布置的传感器信号之后，提供和/或启动精细定位功能。换句话说，可以在移动生产单元通过移动单元的第一粗略定位之后和/或响应于该第一粗略定位来提供精细定位功能。

此外，基于所述传感器信号，可以确定与期望相对布置的偏移。如果例如借助于控制单元和/或基于所述传感器信号检测到与期望相对布置的偏移，则可以提供和/或启动精细定位功能，以补偿所述偏移。

此外或替代性地，例如当使移动生产单元在载架上移动时，可以基本上连续地提供精细定位功能，例如以便连续地调节该移动生产单元的位置。换句话说，精细定位功能可以提供基本上连续操作的反馈控制机制，以确保移动生产单元的正确定位。

总之，移动单元可以使得移动生产单元能够粗略地定位，而精细定位功能可以特别是响应于借助于感测检测到的余留偏移而使得移动生产单元能够精细地定位。由此，根据本发明的设备可以确保实现移动生产单元在载架的预定部分上方的特别精确的定位。

根据另一实施例，载架的接纳原材料的面积大于移动生产单元在不被移动单元移动的情况下能够固化的面积。换句话说，当将移动单元并因此将移动生产单元保持在固定位置时，在所述固定位置可固化的面积可以小于载架的总面积。因此，为了使载架的整个面积上的材料固化，可能需要借助于移动单元来使移动生产单元移动。

应当注意，该实施例可以用于生产特别大的工件。在这种情况下，提供能够在不被移动的情况下使载架的整个面积上的材料固化的相应大的固化装置会不适当地增加总成本。换句话说，提供较小的固化装置并借助于移动单元使其在载架的不同部分上移动可能更便宜。

在一个示例中，固化装置包括照射装置，该照射装置用于选择性地将电磁或粒子辐射照射到被施加到载架上的材料的预定位置上。如前所述，在这种情况下，材料可以以原材料粉末的形式被提供和/或加层构造方法可以基于选择性激光熔化。

通常，照射设备可以被配置为在照射时将原材料粉末加热到特定温度，该温度使得能够对材料(例如，以原材料粉末的形式)进行位置选择性烧结和/或熔化，以便产生三维工件层。以通常已知的方式，该设备可以被配置为通过在照射装置已完成一部段工件层的生产后将另一原材料层或其部段添加到载架上并且具体地是添加到刚生产的工件层的部段上来执行循环过程。随后，照射设备可以再次执行位置选择性照射，以在前一个工件层的顶部生产另一个工件层。可以重复进行直到工件完成。

照射装置可以包括烧结/熔化照射源(诸如激光源)以及至少一个光学单元，该至少一个光学单元用于引导和/或处理由烧结/熔化照射源发射的烧结/熔化辐射束。光学单元可以包括光学部件(诸如物镜，特别是f-θ透镜)以及扫描仪单元，该扫描仪单元可以包括衍射光学元件和偏转镜。

照射装置可以包括仅一个照射单元或多个照射单元，每个照射单元适于从烧结/熔化辐射发射平面发射电磁或粒子辐射，该电磁或粒子辐射使得能够对原材料粉末进行位置选择性烧结和/或熔化。在一个示例中，照射装置包括以网格或矩阵型图案布置的多个照射单元，所述照射单元例如采用激光LED或所谓的VCSEL的形式。照射单元可以在移动生产单元内固定不动和/或可以例如沿着移动生产单元内的直线轴移动。

在替代性实施例中，固化装置包括印刷头，该印刷头适于沉积材料以便在载架上的预定位置处固化。如前所述，在这种情况下，由印刷头沉积的材料可以至少暂时处于非固化或熔化形式。而且，加层构造方法可以基于熔融沉积建模或材料喷射原理。

精细定位功能可以例如借助于布置在移动单元和移动生产单元之间的致动单元来调节移动生产单元和/或其所选部件与载架之间的相对位置。同样，可以基于或根据感测单元提供的传感器信号来进行调节。通常，可以选择进行调节，例如通过调节可选的印刷头或照射装置的位置来确保在载架上的期望位置处生产固化的材料。

可以提供被布置在移动单元和移动生产单元之间的同样可选的致动单元，该致动单元呈例如被配置为使移动生产单元相对于移动单元移位的三维移动机构的形式。因此，可以借助于移动单元来实现粗略的定位，而可以借助于致动单元来进行精细的定位。

在一个示例中，通过使移动生产单元在相对于载架正交的方向上移动来调节载架和移动生产单元之间的相对位置。换句话说，可优选地沿着竖直轴来调节移动单元与载架之间的距离。这可以例如在完成移动生产单元在载架的预定部分上方的定位之后借助于移动单元来进行。

在另一实施例中，精细定位功能包括调节照射装置的至少一个部件的状态和/或位置。换句话说，可以控制照射装置，以便调节由此忽略的辐射束的取向和/或扩展，从而补偿移动生产单元与载架和/或最顶层或相关的层部段之间的不希望的偏移。这可以例如通过相应地调节照射装置的扫描单元或反射镜的位置或取向来实现。在一个示例中，精细定位功能包括对照射装置的至少一个部件进行校准，该部件例如为一光学元件，诸如可选的扫描仪。

此外或替代性地，通常可以通过对移动单元、先前讨论的可选的致动单元和/或随后讨论的水平移动装置进行致动来实现对偏移的补偿。应注意，除非有相反的指示，否则包括调整照射装置的这些后者的偏移补偿机制通常适用于本发明的所有实施例。

根据另一示例，精细定位功能包括例如通过确认材料的被照射部分与未被照射部分之间的过渡区域来确认照射起点。这在移动生产单元已经照射了预定部分并且被移动单元移动到载架的相邻部分之后可能是重要的。在这种情况下，应从载架上已经被照射的材料部分开始继续照射和/或通过参照载架上已经被照射的该材料部分继续照射。因此，在借助于移动单元对移动生产单元进行粗略定位之后，精细定位功能可以进行进一步的调节，以确保从正确的照射起点开始照射。

同样，这可以通过调节移动生产单元和/或其所选部件的位置或通过适当地调节照射装置来实现。同样，可以借助于合适的传感器(例如，具有图像处理能力的摄像头)和/或通过对关于预定照射位置的数据集进行分析来确认正确的照射起点。换句话说，可以测量和/或计算正确的照射起点。应注意，可以实现相邻部分之间的重叠照射。这可能再次需要确认预定的照射起始点以产生期望的照射重叠。

在进一步的发展中，感测单元包括距离传感器，该距离传感器适于测量移动生产单元与载架和/或沉积在该载架上的最上部材料层之间的距离。这样，可以检测移动生产单元和载架相对于正交于载架延伸的轴线的相对布置，即，距离传感器产生与所述相对布置有关的相应传感器信号。结果，控制单元可以例如使移动生产单元沿着竖直空间轴朝向或远离载架移动来调节该距离。

通常，距离传感器可以被配置为光学传感器。在一个示例中，距离传感器被布置在移动生产单元处以面向载架。这可以帮助提高距离测量的准确性。

根据另一实施例，感测单元包括传感器系统，该传感器系统适于测量移动生产单元在平行于载架延伸的平面内的位置。这可以帮助确保将移动生产单元布置在载架的预定部分上方。此外，可以如前所述调整移动生产单元距所述部分的竖直距离。通常，由传感器系统产生的信号可以指示移动生产单元和载架的(例如水平的)相对布置，并且可以被控制单元用来补偿移动生产单元和载架之间的相应偏移。

就此而言，传感器系统可以包括至少一个标记器和适于感测标记器位置的至少一个传感器，并且可选地，其中标记器和传感器中的一个被布置在移动生产单元处，而标记器和传感器中的另一个远离移动生产单元布置。传感器可以基于光学和/或电磁检测来检测标记器的位置。标记器的位置可以代表与被控制单元用来实现精细定位功能的相对布置有关的传感器信号。为了将标记器和传感器中的相应一个远离移动生产单元布置，可以使用设备的优选地面向载架的顶端区域或其周围(即，将标记器或传感器布置在此处)。另一方面，为了将传感器或标记器布置在移动生产单元处，可以采用面向所述顶端区域的位置，例如靠近或邻近移动单元连接到移动生产单元的位置的上侧部分。

应注意，为了测量距离和水平布置，感测单元通常可以使用相同和/或共享的传感器(例如，形成上述传感器系统的一部分的距离传感器)。

在进一步的变型中，移动单元根据以下中的至少一个来配置：

-移动单元包括至少一个机械手，例如多轴机器人；

-移动单元安装在水平移动装置上，该水平移动装置用于使移动单元沿至少一个水平空间轴移动；以及

-移动单元和/或水平移动装置适于在不连续的步骤中使移动生产单元移动和/或与执行材料的固化并行地使移动生产单元移动。

多轴机器人可以是六轴机器人，诸如标准工业机器人，其中轴被布置为限定出开放运动链。通常，移动单元可以被安装到与载架间隔开和/或相对于载架成一定角度(例如90°的角度)延伸的区域或平面。例如与安装在基底上的移动单元相比，这可以改善要固化的材料的可及性。

该水平移动装置可以包括至少一个水平轴，该水平轴可以可选地安装在顶部或基底上。移动单元可以通过底座部分或基部部分连接到所述水平轴。替代性地，移动装置可以包括无人驱动系统，例如以将移动单元自由地移动到设备的基底区域上的不同位置。通常，水平移动装置可以包括控制系统(优选地为反馈控制系统)以确保精确的定位并例如避免不必要的振荡。如果与移动生产单元的移动并行地进行固化，则这可能特别重要。

当例如通过设备的控制单元计划工件生产时，可将能够通过移动单元和/或可选的水平移动装置获得的任何其他自由度视为相应的控制参数。

在不连续的步骤中，可以在材料在载架的预定部分中固化完成之后使移动生产单元和/或水平移动装置进行移动，例如以便移动到后续待固化的部分。另一方面，与固化(例如通过辐射)并行地进行的移动可以连续地和/或以预定速度进行。

根据进一步的变型，该设备还包括以下中的至少一个：

-另一移动生产单元，该另一移动生产单元包括单独分配的另一移动单元，其中，所述设备的移动单元可彼此独立地移动；

-另一载架，其中，移动生产单元可优选地布置在设备的两个载架上方；

-至少一个后处理单元，该至少一个后处理单元被配置成执行以下中的至少一项：从载架和/或工件上去除未固化的材料；从生产的工件上去除毛刺；从工件上移除支撑结构；将生产的工件与载架分离。

因此，该设备可以包括由移动生产单元和移动单元组成的第一系统以及由相应的另一移动生产单元和另一移动单元组成的第二系统。这些系统可以独立地运行，使得移动生产单元可以被布置在载架的不同部分上方，从而使所述不同部分同时固化。

通过提供另一载架，可以实现对在多个载架上产生的多个工件的生产。为此，可将移动生产单元在所述载架之间来回移动以使布置在该载架上的相应材料部分固化。应注意，当仅设置一个载架时(即，多个工件在所述单个载架上)，通常也可以生产多个工件。另一方面，当使用多个载架时，通常可以增加可生产的工件的总数。

后处理单元可以包括合适的工具，诸如用于除去未固化材料的鼓风机或真空工具、用于除去毛刺的研磨机或用于将工件与载架(和/或与所述载架包括的基板)分离的切割工具。而且，后处理单元通常可以被配置为对工件进行热精加工处理，并且可选地包括用于执行该处理的相应的加热工具。后处理单元可以借助于单独分配的移动单元(诸如多轴机器人)来移动。在一个示例中，对每个不同工具和/或后处理任务设置一个移动单元。

通常，可以借助于专用管线、管道或管子将任何介质(例如待生产工件的材料)、保护气体等提供给移动生产单元。这些专用管线、管道或管子优选地被固定地安装在移动生产单元处并且沿着移动单元朝向移动生产单元被引导。此外或替代性地，可以采用服务单元，诸如服务机器人。这些服务单元可以包括介质存储器(例如用于相应的材料或保护气体的存储器)，如果有需要，可以将介质存储器转移到移动生产单元和/或其移动单元上。此外或替代性地，移动生产单元和/或其移动单元可以连接到再装填站以对相应的气体或材料存储器进行再装填。

本发明还涉及一种用于制造三维工件的方法，该方法包括以下步骤：

-将用于生产工件的材料沉积在载架上；

-通过移动单元移动移动生产单元以使该移动生产单元与载架相对地定位，该移动单元通常被配置为使该移动生产单元相对于载架移动，以将该移动生产单元布置在载架的不同部分上方，

其中，移动生产单元包括：

-固化装置，该固化装置适于产生固化的材料层，以便通过加层构造方法来生产工件；

-以下中的至少一个：材料供应装置，该材料供应装置适于将材料供应到载架；气体供应单元，该气体供应单元适于将保护气体供应到要被照射的区域；以及层沉积机构，该层沉积机构用于在载架的顶部上将所供应的材料形成为材料层；

该方法还包括以下步骤：

-产生与移动生产单元与载架和/或最顶部层或层部段的相对布置有关的传感器信号；和

-除了通过移动单元对移动生产单元进行定位之外，还提供至少一种精细定位功能，以基于传感器信号补偿与移动生产单元与载架的期望相对布置的偏移。

该方法可以结合任何其他步骤以提供任何先前或随后讨论的操作状态、效果、功能和/或相互作用。这尤其涉及使移动生产单元以上面或下面讨论的方式移动的专用步骤或对上面或下面讨论的任何参数(例如位置或距离)进行感测的专用步骤。

附图说明

下面参照附图详细解释本发明的优选实施例，在附图中：

图1示出了根据本发明的设备的俯视图，该设备包括多个移动生产单元和相关的移动单元；

图2示出了根据图1的设备的局部侧视图，其用于指示移动生产单元的位置检测；

图3示出了根据图1的移动生产单元的详细视图；以及

图4a至图4d示出了可以在根据图1的设备中使用的移动生产单元的替代性实施例。

具体实施方式

在图1中，示出了根据本发明的实施例的设备10的俯视图。设备10被配置为执行用于根据选择性激光熔化方法生产三维大工件的加层构造方法。工件在水平空间平面内的最大长度例如可以大于1米、大于2米或大于3米。

设备10包括载架12，该载架具有非矩形的形状。而是，从顶视图可以明显看出，载架12限定出基本上C形的平面，在该平面上沉积了用于生产工件的原材料粉末形式的材料14。如以下将详细描述的，由所述材料14制成的工件16具有与载架12相似的C形或C形轮廓。

设备10还包括六轴工业机器人形式的两个独立的移动单元18。每个移动单元18被安装在无人驱动的水平移动装置20上。所述移动装置20使得能够将移动单元18定位在设备10的基底区域内的不同位置。水平移动装置20提供的自由度在图1中由相应坐标系22表示。

通过移动装置20进行的相应定位可以在生产新型工件之前和/或期间并且根据生产新型工件来完成。此外或替代性地，在单个工件的生产期间，可借助于水平移动装置20来使移动单元18移位，从而移动装置20动态地扩大了下面讨论的移动生产单元24的工作空间。替代性地，移动单元18可以固定地布置在设备10的基底区域中，其中，可以例如在开始生产新型工件之前，根据要生产的工件来调节精确的位置。

附接到每个移动单元18的是可移动生产单元24。如下文将详细描述的，借助于所述移动生产单元24，可以以选择位置的方式使原材料粉末14固化，以便逐层地生产工件16。可以通过移动单元18和/或水平移动装置20来使移动生产单元24移动，以使其面向载架12的不同预定部分。由移动单元的腕部轴提供的一种可能的旋转自由度在图1中由每个移动生产单元24的相应箭头26表示。

此外，在图1中示出了标记器28(和/或传感器46，参见下文)在移动生产单元24的背离载架12的顶侧上的位置。每个移动生产单元24包括四个这样的标记器28，在图1中，并非全部的标记器都设有相应的附图标记。下面将参照其他附图来讨论标记器28的功能。

在设备10的运行中，移动生产单元24在载架12上方移动，以便使沉积在该载架上的最上部的原材料粉末14层位置选择性地(局部)固化。如将在下面详细描述的，所述最上部的原材料粉末14层的形成可以与所述移动并行地进行，即，移动生产单元24使所述层的以位置选择的方式立即固化的部分沉积。

通常，例如通过在载架12上方保持基本上固定的位置，直到完成最上部的原材料粉末14层的沉积和/或位置选择性(局部)固化，可以使移动生产单元24的移动以不连续的方式进行。随后，可以朝向载架12上方的相邻部分进行不连续的移动，其中，上方被布置移动生产单元24的相邻部分优选地彼此交叠。这还可以包括交叠的照射和/或基于在载架12的预先处理过的部分内已经被照射的材料14来确认照射起始点。

替代性地，可使移动生产单元24优选地以预定的恒定速度进行基本上连续的移动。在这种情况下，使最上部的原材料粉末14层沉积和/或位置选择性地固化可以与移动生产单元24的移动并行地进行。

当然，也可以想到根据不同的策略(例如，一个不连续地和一个连续地)来分别使移动生产单元24移动。而且，可以例如根据当前生产的工件层或取决于载架12的当前面向移动生产单元24的部分来灵活地改变每个移动生产单元24的移动策略。

下面参照图3，将讨论借助于移动生产单元24之一形成新的最上部的原料粉末层。如箭头M所示，移动生产单元24通过仅部分示出的移动单元18在载架12上方移动。该移动通常水平地以及平行于载架12并且离载架12等距地进行。在所述移动期间，将原材料粉末14沉积到先前被照射的下部原材料粉末层上，所述沉积的原材料粉末14在载架12上形成新的最上部层。

借助于材料供应装置30来实现使原材料粉末沉积，该材料供应装置30借助于真空力从附接到移动单元18和移动生产单元24的未示出的供应管线中吸入原材料粉末14。材料供应装置30进一步将所述原材料粉末14引向载架12。此外，叶片元件32用作层沉积机构，以使原材料粉末14按照箭头M移动而形成为水平的和最上部的新粉末层。

移动生产单元24还包括呈激光照射装置形式的固化装置34，该激光照射装置根据通常已知的配置来发射位置选择性固化的激光束41。这样，使得原材料粉末14以选择性激光熔化的方式固化。

应注意，在图3中，移动生产单元24被定向成使得当从移动方向M观察时，材料供应装置30和层沉积机构32被布置在照射装置34的前方。因此，当使移动生产单元24在载架12上方移动时，可以借助于照射装置34立即照射新的最上部的原料粉末层的沉积部分。

通常，从图3中可以看出，移动生产单元24被形成为中空构件，该中空构件限定出面向载架12的内部空间36。在所述内部空间36内，布置有照射装置24以及层沉积机构32和材料供应装置30的一部分。应注意，在图2中而且也在图3和图4a)至图4d)中的每一个中，移动生产单元24被描绘为具有敞开的侧表面，以示出其内部部件。然而，通常可以设想，在每种情况下，移动生产单元24在五个侧面上是闭合的，并且仅在其面向载架12的底面上敞开。

回到图1，很明显，根据移动生产单元24的移动，可以在载架12的顶部上形成许多不同高度的层。例如，基部层n可以存在于载架12上，而移动生产单元24中的一个沉积并照射随后的至少在局部上是最上部的n+1层，另一个移动生产单元24沉积并照射整体上是最上部的n+2层。在这种情况下，必须以如下的方式协调移动生产单元24的移动：沉积n+2层的移动生产单元24仅移动到另一个移动生产单元24已经完成n+1层沉积的部分。然而，应注意，为了开始沉积n+2层，不必已经在整个载架12上形成n+1层。

另一方面，也可以想到，移动生产单元24将不同种类的材料沉积到载架12上(所谓的多材料沉积)。在这种情况下，可以生产由多个区域组成的工件，每个区域由单独的材料形成。

鉴于以上所述，很明显，移动生产单元24主要借助于移动单元18而相对于载架12定位。换句话说，移动单元18执行用于将移动生产单元24相对于载架12布置的粗略定位功能。

然而，所描绘的实施例还包括精细定位功能，该精细定位功能用于将移动生产单元24相对于载架12更精确地定位。这样，可以更可靠地确保位置选择性照射和/或材料沉积实际上按预期进行。这将参照图2进行进一步讨论。

在图2中，示出了设备10的侧视图，其中仅可见承载移动生产单元24的一个移动单元18。同样，可以看到，移动生产单元18被构造成六轴工业机器人，该机器人包括形成相应轴的多个关节19(参见图2中所示的弯曲箭头)。同样，示出了使移动单元18在设备10的基底区域上移动的水平移动装置20。应注意，关于移动生产单元24，并未包括其根据图3的所有细节。总体上，图3仅描绘了移动生产单元24的将材料直接沉积到载架12上的可选实施例。类似于图2中的图示，移动生产单元24也可以没有相应的粉末沉积机构。

此外，示出了载架12的横截面，在该横截面的顶部上设置有许多已经固化的工件层15。这些工件层被松散的原材料粉末14的相应层包围。沿着载架12的外边缘，布置有可选的侧壁38(注意：在图1中未具体示出)。这些侧壁38确保了在由工件层15形成的工件的构建高度增加时，松散的原材料粉末14以及保护气体能停留在载架12的区域内。在图2中，侧壁38各自包括三个不同的部段。在构建高度增加时，这些部段38可以堆叠以扩大所得到的侧壁结构的整体高度。图2中由箭头40指示了侧壁38响应于构建高度的增加而进行的可能运动。

而且，可以例如在靠近箭头40的尖端处设置未图示的保护气体供应喷嘴。因此，这些保护气体供应喷嘴被均匀地布置在载架12的边缘处(应注意：在图1中未具体示出)。这些保护气体供应喷嘴可以以如下的方式沿着载架12的边缘分布：使得在载架12上方的包含工件层15和原材料粉末14的空间被可靠地充满保护气体。应注意，远离移动生产单元24布置并将保护气体供应到载架12的顶部上的空间(例如，包括载架12、粉末14和/或工件层15)的保护气体供应系统的方面表示本发明的不限于当前讨论的实施例的总体方面。

在不包括可选的侧壁38的情况下，本发明替代性地考虑以碎屑锥的方式将材料14沉积在载架12的顶部上。在这种情况下，保护气体可以由固定布置的气体供应系统提供，该气体供应系统甚至可以覆盖其中布置有设备10的整个工作室。在这种情况下，可以提供设备10的合适的访问装置和/或远程控制装置以确保充有气体的工作室的安全可操作性。

如先前所讨论的，在第一粗略定位期间，移动单元18将移动生产单元24布置成面对载架12的预定部分。在使沉积在该预定部分中的原材料14实际固化之前，设备10的未示出的控制单元启动精细定位功能。在所示的实施例中，所述精细定位功能还包括通过移动单元18使移动生产单元24独立于第一粗略定位地沿竖直方向以及沿水平面相对于载架12定位。

为此，设备10包括感测单元，每个感测单元包括如下所示的专用传感器。

例如，为了在竖直方向上精细地定位，距离传感器42被布置在移动生产单元24的内部空间36内并且面对载架12。距离传感器42可以例如施加光学相干断层扫描以感测移动生产单元24和/或照射装置34到载架12和/或布置在该载架上的材料14或工件层15的距离。如果检测到该距离与期望的设定值不对应，即与期望的竖直相对布置存在偏差，则可以相应地调节移动生产单元24的竖直位置。这可以通过布置在移动单元18和移动生产单元24之间的未示出的另一致动单元和/或通过这样的移动单元18来完成。然而，此外，相应地完成了对照射装置34的部件的状态和/或位置的调节。换句话说，该实施例考虑到响应于已经检测到的不正确的相对布置，可以启动除移动单元18之外的致动装置以对设定的偏移进行补偿。照射装置34可以例如包括该致动装置。

而且，移动生产单元24可以包括未示出的另一感测单元，该另一感测单元用于例如通过确认在载架12的顶部上已经被照射的材料部分的端点来确认照射起点。如果所述照射起点与例如在设备10的处理程序中定义的期望起点不对应，则可以以上述方式来相应地调节移动生产单元24的位置和/或照射装置34的设置。照射起点的这种确认代表了可以借助于设备10提供的另一可选的精细定位功能。

最后，设备10包括另一感测单元，该另一感测单元用于确认移动生产单元24在载架12上方的水平位置(即，移动生产单元24在水平地且平行于载架12延伸的平面中的位置)。在这种情况下，多个标记器28被布置在移动生产单元24的面向设备10的顶端区域44的顶部或上侧。从图1可以看出，总共有四个标记器28，在移动生产单元24的上侧的每个拐角处设置一个。在顶端区域44，面向载架12设置有多个传感器46，其感测标记器28的位置。传感器46和标记器28一起形成用于检测移动生产单元24的水平和/或竖直位置的传感器系统。应注意，标记器28和传感器46的布置也可以颠倒，即标记器28被布置在顶端区域44，而传感器46布置在移动生产单元24的顶部。此外，可以通过将标记器28和传感器46中的一些布置在顶端区域并且将相应其余的布置在移动生产单元24的顶部上来实现混合分布。

同样，通常可以实现：将包括标记器28和感测单元46的传感器系统额外地或专门地用于测量移动生产单元24在空间中的竖直位置。基于该信息，可以计算出到载架12和/或沉积在该载架上的材料14的距离(例如，当知道载架12顶部上的材料层的数量时)。换句话说，作为本发明的一般方面，设备10可以包括单个感测单元，该感测单元可以通过使用相同的传感器布置(例如，包括标记器28和传感器46的传感器系统)中的一种来检测移动生产单元24与载架12的竖直和水平相对布置。

最后，可以通过调节照射装置34的状态来提供精细定位功能。例如，可以调节所述照射装置34的扫描镜的位置和/或定向，以便鉴于确定的偏移量来调整照射束的扩展和照射位置。

总体上，本实施例因此提供了精细定位功能，该精细定位功能包括：调整移动生产单元24的竖直位置(例如，通过距离传感器42进行测量以及使移动单元18或未示出的中间致动单元移动)、调整移动生产单元24在水平面内的位置(例如，通过包括标记器28和传感器46的传感器系统进行测量以及使移动单元18或未示出的中间致动单元移动)、以及调整照射位置和/或照射起点的位置(例如，通过未示出的感测单元进行测量并相应地调节照射装置34的扫描镜)。

在图4a)至图4d)中，示出了移动生产单元24的替代性实施例。在所述附图中，将用与第一实施例中相似的附图标记来表示相似的特征。

在图4a)中，照射装置34包括多个照射源35，每个照射源发射单独的辐射束。此外，示出了保护气体系统48，该保护气体系统被直接整合到移动生产单元24的内部空间36中。保护气体系统48包括每个照射源35两个气体管线50、52，该气体管线的开口彼此面对。具体地并且关于图4a的左保护气体系统48，第一气体管线50包括通至左照射源35下方的空间的气体出口。另一方面，第二气体管线52被布置在照射源35的相对侧并且包括气体入口。这样，在气体管线50和气体管线52之间可以产生沿着载架12或沉积在该载架上的任何材料14的表面流动的气体流G。对于右照射源35也可以产生类似的气体流G。最后，示出了呈叶片形式的层沉积机构32，该层沉积机构用于使沉积在载架12上的原材料粉末14变平坦。应注意，甚至可以设置其它的照射源35，每个照射源优选具有自身的保护气体系统48。

在图4b)中，示出了照射装置34的至少两组照射源35的设置。同样，照射源35的组中的每一个都设置有用于产生单独的气体流G的自身保护气体系统48。然而，在该实施例中，照射源35不形成发射单个辐射束的标准激光源。相反，照射源35包括所谓的VCSEL或激光LED，并且以矩阵或网格状图案分组。通过从所述矩阵中仅启动专用的照射源，可以产生预定的照射图案。

在图4c)中，仅设置有一个照射装置34，该照射装置可沿着如水平箭头H所示的直线轴51移动。应注意，还可以想到设置多个照射装置34，每个照射装置被布置在相应的直线轴51处以及沿着正交于图4c)的平面延伸的轴线位于彼此后方。同样，照射装置34包括发射激光的照射源35以及产生如上所述的气体流G的保护气体系统48。

最后，在图4d)中示出了移动生产单元24，该移动生产单元包括呈材料印刷头37形式的替代性固化单元。材料印刷头37包括内部材料存储器39，在该内部材料存储器中容纳有熔化的原材料14。所述材料14可以沉积在载架12上的预定位置处，然后在此处固化。该工作原理通常可以称为材料喷射。同样，印刷头37可沿水平轴51(参见箭头H)移位。

Claims (15)

1.用于生产三维工件的设备(10)，

所述设备包括：

载架(12)，所述载架适于接纳用于生产所述工件的材料(14)；

至少一个移动生产单元(24)，所述至少一个移动生产单元包括：

-固化装置(35，37)，所述固化装置适于在所述载架(12)上生产固化的材料层，以便通过加层构造方法来生产工件；

-以下中的至少一个：材料供应装置(30)，所述材料供应装置适于将材料供应到载架(12)和/或所述固化装置(35，37)；气体供应系统(48)，所述气体供应系统适于将保护气体供应到要被照射的区域；以及层沉积机构(32)，所述层沉积机构用于在所述载架(12)的顶部上将所供应的材料(14)形成为材料层；

所述设备(10)还包括：

移动单元(18)，所述移动单元适于使所述移动生产单元(24)相对于所述载架(12)移动，以使所述移动生产单元(24)与所述载架(12)的不同部分相对地定位；

感测单元，所述感测单元适于产生与所述移动生产单元(24)和所述载架(12)的相对布置有关的传感器信号；以及

控制单元，所述控制单元被配置为除了通过所述移动单元(18)对所述移动生产单元(24)进行定位之外，还提供至少一种精细定位功能，以基于由所述感测单元产生的所述传感器信号来补偿所述移动生产单元(24)与所述载架(18)的期望相对布置的偏移。

2.根据权利要求1所述的设备(10)，

其中，所述载架(12)的接纳所述材料(14)的面积大于通过所述移动生产单元(24)在不被所述移动单元(18)移动的情况下能够固化的面积。

3.根据权利要求1或2所述的设备(10)，

其中，所述固化装置(35)包括照射装置(34)，所述照射装置用于选择性地将电磁或粒子辐射照射到被施加到所述载架(12)上的所述材料(14)的预定位置上，所述材料优选为原材料粉末。

4.根据权利要求1或2所述的设备(10)，

其中，所述固化装置(37)包括印刷头，所述印刷头适于沉积所述材料(14)以便在所述载架(12)上的预定位置处进行固化。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的设备(10)，

其中，所述精细定位功能包括例如借助于布置在所述移动单元(18)和所述移动生产单元(24)之间的致动单元来调节所述移动生产单元(24)和/或其所选部件与所述载架(12)之间的相对位置。

6.根据权利要求5所述的设备(10)，

其中，所述相对位置通过使所述移动生产单元(24)沿相对于所述载架(12)正交的方向移动来进行调节。

7.根据权利要求3所述的设备(10)，

其中，所述精细定位功能包括对所述照射装置(34)的至少一个部件的状态和/或位置进行调节。

8.根据权利要求3或7所述的设备(10)，

其中，所述精细定位功能包括例如通过确认所述材料(14)的被照射部分与未被照射部分之间的过渡区域来确定照射起点。

9.根据前述权利要求中任一项所述的设备(10)，

其中，所述感测单元包括距离传感器(42)，所述距离传感器适于测量所述移动生产单元(24)与所述载架(12)和/或沉积在所述载架上的最上部材料层之间的距离。

10.根据权利要求9所述的设备(10)，

其中，所述距离传感器(42)布置在所述移动生产单元(24)处，以面向所述载架(12)。

11.根据前述权利要求中任一项所述的设备(10)，

其中，所述感测单元包括传感器系统，所述传感器系统适于测量所述移动生产单元(24)在平行于所述载架(12)延伸的平面内的位置。

12.根据权利要求11所述的设备(10)

其中，所述传感器系统包括至少一个标记器(28)和至少一个传感器(46)，所述至少一个传感器适于感测所述标记器(28)的位置，并且可选地，其中，所述标记器(28)和所述传感器(46)中的一个被布置在所述移动生产单元(24)处，而所述标记器(28)和所述传感器(46)中的另一个远离所述移动生产单元(24)地布置。

13.根据前述权利要求中任一项所述的设备(10)，

其中，所述移动单元(18)根据以下中的至少一个来配置：

-所述移动单元(18)包括至少一个机械手，例如多轴机器人；

-所述移动单元(18)安装在水平移动装置(20)上，所述水平移动装置用于使所述移动单元(18)沿至少一个水平空间轴移动；以及

-所述移动单元(18)适于在不连续的步骤中使所述移动生产单元(24)移动和/或与执行所述材料(14)的固化并行地使所述移动生产单元(24)移动。

14.根据前述权利要求中的任一项所述的设备(10)，

其中，所述设备(10)还包括以下中的至少一个：

-另一移动生产单元(24)，所述另一移动生产单元包括单独分配的另一移动单元(18)，其中，所述设备(10)的移动单元(18)能够彼此独立地移动；

-另一载架，其中，所述移动生产单元(24)能够优选地布置在所述设备(10)的两个载架(12)上方；

-至少一个后处理单元，所述至少一个后处理单元被配置成执行以下中的至少一项：从所述载架(12)和/或所述工件上去除未固化的材料(14)；从所生产的工件上去除毛刺；从所述工件上移除支撑结构；将所生产的工件与所述载架(12)分离。

15.用于生产三维工件的方法，

所述方法包括以下步骤：

-将用于生产工件的材料(14)沉积在载架(12)上；

-通过移动单元(18)移动移动生产单元(24)以使所述移动生产单元与所述载架(12)相对地定位，所述移动单元(18)通常被配置为使所述移动生产单元(24)相对于所述载架(12)移动，以将所述移动生产单元布置在所述载架(12)的不同部分上方，

其中，所述移动生产单元(24)包括：

-固化装置(35，37)，所述固化装置适于产生固化的材料层(15)，以便通过加层构造方法来生产所述工件；

-以下中的至少一个：材料供应装置(30)，所述材料供应装置适于将材料供应到所述载架(12)；气体供应系统(48)，所述气体供应系统适于将保护气体供应到要被照射的区域；以及层沉积机构(32)，所述层沉积机构用于在所述载架(12)的顶部上将所供应的材料(14)形成为材料层；

该方法还包括以下步骤：

-产生与所述移动生产单元(24)和所述载架(12)的相对布置有关的传感器信号；和

-除了通过所述移动单元(18)对所述移动生产单元(24)进行定位之外，还提供至少一种精细定位功能，以基于所述传感器信号来补偿所述移动生产单元(24)与所述载架(12)的期望相对布置的偏移。

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