CN112721151A - 干燥光束通路 - Google Patents

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Abstract

干燥光束通路。本申请公开了一种增材制造方法，其用于利用激光辐射进行照射而通过建造材料(13)的层状选择固化而在增材制造装置(1)中制造三维物体(2)，其中：在处理腔室(3)中重复地将一层建造材料施加在先前选择固化的建造材料层上，并利用激光辐射在与物体在该层中的横截面相对应的位置处扫描，激光辐射通过激光源(21)来产生，并通过多个光学部件而引导至建造材料层上，其中，由光学隔腔壳体(20a)来封装的光学隔腔容纳该光学部件，其特征在于，确定气体气氛保持在光学隔腔内部，其中，该确定气体气氛的相对湿度保持低于3％。本申请还公开了一种增材制造装置，该增材制造装置用于利用激光辐射进行照射而通过建造材料的层状选择固化而制造三维物体。

Description

干燥光束通路
技术领域
本发明涉及一种增材制造装置和相关的增材制造方法。
背景技术
增材制造装置和相关方法(也称为“增材制造”)的特征通常在于以下事实：物体通过固化无定形建造材料而一层层地制造。固化能够例如通过利用电磁辐射或颗粒辐射(例如激光烧结或激光熔化或电子束熔化)照射建造材料来向建造材料供给热能而实现。例如，在激光烧结或激光熔化中，在建造材料层上的激光束入射区域横过该层的、与要制造的物体在该层中的物体横截面相对应的那些位置而运动。
在最初设想用于制造原型时，所述装置和方法同时也用于生产更大量的零件。这使得所使用装置的快速维护变得越来越重要。不过同时，对精度(意味着细节分辨率)的要求也提高。当激光辐射用于熔化粉末形式的建造材料时，这意味着对聚焦和引导激光束的光学器件的要求也一直增长。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种增材制造装置和增材制造方法，通过该增材制造装置和增材制造方法，能够高精度地批量生产部件。
该目的通过根据本发明的增材制造方法和增材制造装置来实现。本发明还包括进一步发展。特别是，根据本发明的装置还可以通过根据本发明的方法的特征而进一步发展，反之亦然。而且，即使没有明确说明，结合一个装置介绍的特征也能够用于根据本发明的另一装置的进一步发展。
本发明的增材制造方法用于通过激光辐射的照射通过建造材料的分层选择固化而在增材制造装置中制造三维物体，其中：
在处理腔室中重复地将一层建造材料施加在先前选择固化的建造材料层上，并利用激光辐射在与物体在该层中的横截面相对应的位置处扫描，
激光辐射通过激光源来产生，并通过多个光学部件而引导至建造材料层上，其中，由光学隔腔壳体来封装的光学隔腔容纳该光学部件，
其特征在于，确定的气体气氛保持在光学隔腔内部，其中，该确定的气体气氛的相对湿度保持低于3％。
本发明涉及增材制造装置和方法，其中，能量作为电磁辐射而选择地供给一层建造材料。工作平面(也称为构造平面)是顶表面层所处的平面，能量供给该顶表面层。通常，这是在逐层制造中产生的层堆垛的最顶层。这里，能量输入单元包括激光器。本发明特别涉及激光烧结或激光熔化，其中，热量通过辐射来供给建造材料，以使得该建造材料熔化，并在冷却后以固态存在，而不再是无定形状态，这意味着它固化。
这里还应当指出，通过根据本发明的增材制造装置，不仅能够制造一个物体，还能够同时制造多个物体。当在本申请中提及物体的制造时，不要说，相应的说明也可以以相同方式应用于同时制造多个物体的增材制造方法和装置。
光学部件(激光辐射通过该光学部件而引导至构造平面)对在制造中产生的蒸气、污染物或温度很敏感。因此，这些光学部件(也称为光学部分)优选是容纳在与处理腔室分开的空间(光学隔腔)中，该空间优选是与处理腔室密封地分开。原则上，光学隔腔可以包括在激光源的出口和光束进入窗口之间的所有光学部件，辐射通过该光束进入窗口而进入处理腔室。不过，即使当只有一部分光学部件由确定的气体气氛(该确定的气体气氛具有根据本发明限制的相对湿度)包围时，也可以有利地应用本发明的思想。
对于在增材制造装置中在增材制造过程中两个或多个激光束(射线束)能够同时引导至工作平面的情况，对于各光束通路，通常分配的光学部件能够容纳在它们自己的、具有光学隔腔壳体的光学隔腔中。例如，对于各激光束(射线束)，可以存在与分配给其它激光束(射线束)的光学隔腔分离的光学隔腔，从而在不同的光学隔腔中能够保持不同的气体气氛。一方面，这种结构能够在由激光源发射的辐射分开至两个或更多光束通路中时使用。另一方面，引导至工作平面上的各光束(射线束)能够分配它自己的激光源。特别是在后一种情况中，对于不同激光源发射不同波长的激光的情况，能够特意在不同光学隔腔中保持不同的气体气氛。这样，能够在各光学隔腔中选择气体气氛，该选择气体气氛尽可能少地吸收所分配的激光辐射的波长。特别是，在不同的光学隔腔中，还能够设置不同值的相对湿度。
当将光学隔腔壳体设置成用于保持确定的气体气氛时，这意味着气体气氛能够保持在光学隔腔壳体的内部，该气体气氛与增材制造装置周围的气氛不同。差异例如可以由于气体成分和/或气压。
尽管完全可以设想气体在光学隔腔中静止的情况下工作，但是通过使得气流通过光学隔腔将更容易在光学隔腔中建立所希望的气体气氛。为此，增材制造装置可以设置有气体进口和出口。当气体进口与存在于增材制造装置的安装部位处的气体源(例如存在的氮气连接件或可能的气瓶)连接时，流过光学隔腔的气流将由于在气体进口和出口之间的压力差来提供。可选地，增材制造装置包括气体循环单元，特别是用于使得一定量气体运动的驱动部件，例如泵或风扇。
应当提出，当存在多个光学隔腔时，一方面，增材制造装置能够有多个气体进口和出口，以便能够提供用于不同光学隔腔的不同气体气氛。另一方面，当只存在一个气体进口时，气流能够在气体进口之后例如通过分支而在不同光学隔腔中进行分配。这里，应当注意观察在各个光学隔腔中的气体容积流量的相应公差范围，例如通过使用节流阀和流量计。还能够使得离开光学隔腔的气流进行结合，以便将它们引导至公共气体出口，例如通过分支。
为了建立确定的气体气氛，能够使用例如氮气、增压空气或氩气。特别是，也可以使用气体混合物。
确定的气体气氛的相对湿度表示在温度和压力的标准条件下水的当前蒸气压力与水的平衡蒸气压力的百分比，意思是根据DIN 1343，温度为273.15°K，压力为101.325kPa。
发明人已经发现，当制造物体的精度要求提高时，还必须考虑激光辐射与由它穿透的介质的相互作用。当激光辐射在它从激光源至构造平面的途中横穿气态介质时，这种相互作用特别重要。特别是，对于用于固化基于聚合物的建造材料的激光器，必须考虑这些激光器的辐射与空气中的水蒸气的相互作用。因此，根据本发明，至少在增材制造装置中在增材制造处理过程中(意思是在激光辐射导向建造材料时)，由激光穿透的气体气氛的相对湿度设置为低于3％的值。
当然，当激光辐射穿透包含水蒸气的气体气氛时对激光辐射的不利影响的程度取决于光学通路长度。在激光辐射在光学隔腔的气体气氛中的的光学通路不超过0.5m的情况下，相对湿度的所述最大值3％产生令人满意的结果。对于更长的光学通路(例如1m)，可能只容许2％的最大值。同样，对于甚至更长的光学通路(例如1.5m)，可能必须将最大值限制为1.5％。
特别是，在那些使用气体激光器的增材制造装置中，实际上可能很难实现较小的光学通路长度。因此，特别是对于该应用领域，重要的是对光学隔腔中的最大相对湿度的本发明控制。
另一方面，相对湿度的可允许最大值越小，能够获得的精度越高。因此，总而言之，确定的气体气氛的相对湿度在任何情况下都应当保持低于3％，优选是低于2.5％，更优选是低于2％，甚至更优选是低于1.5％，甚至更优选是低于1％，且最优选是低于0.5％。
对于光束通路长度和相对湿度的所述值特别适用于5.5μm的激光波长，水对于该激光波长的吸收光谱最大。对于其它波长，水的吸收将更小，这非常取决于波长，因此能够应用相对湿度的所述最大值中的较高值。
首先，湿度控制能够通过在光学隔腔中布置干燥单元来实现，该干燥单元设置成使得气体气氛的相对湿度降低至合适值。在现有技术中已知用于该目的的所有装置都适合作为干燥单元，例如冷凝干燥器、吸附干燥器、Peltier干燥器或颗粒干燥器，其中使用了干燥介质(例如沸石)。
也可选择，已经能够将供给光学隔腔的、用于提供确定的气体气氛的气体的相对湿度的值设置为低于光学隔腔中的气体气氛的值。例如，在供给光学隔腔的气流中的干燥气体的百分数可以增加。
优选是，光学隔腔壳体内的确定的气体气氛的相对湿度保持低于1％。1％的相对湿度值对应于-37℃的露点或者0.18g/m3的绝对湿度值或者153ppm的水分含量(在确定的气体气氛中的水蒸气比率，意思是水蒸气和干燥气体的质量比率，也称为混合比)。
将相对湿度降低到这样的较低值能够在制造过程(在该制造过程中，重要的是有尽可能高的精度)中大量使用。激光辐射在光学隔腔的气体气氛中的通路较长(例如2m或更长)的情况也是这样。特别是，对于某些应用，可能需要将相对湿度限制为0.5％、0.3％或者甚至0.1％的值。
还优选是，在处理腔室3中保持确定的处理腔室气体气氛，且处理腔室气体气氛的相对湿度保持低于3％。处理腔室中的气体气氛能够与光学隔腔壳体中的气体气氛相同，或者也能够与它不同，例如关于气体成分和/或气压。特别重要的是，在处理腔室中气体气氛的相对湿度限制为这样，使得激光辐射在它到达构造平面的途中不会被过度吸收或衍射。优选是，处理腔室中的气体气氛的相对湿度的允许最大值应当选择为与在光学隔腔中的气体气氛的最大值相同。当光学隔腔中和处理腔室中的气体气氛并不彼此分开时特别是这样。
还优选是，当确定在光学隔腔和处理腔室中的相对湿度的值没有超过时，将考虑光束通路的相应长度，该长度可以导致确定不同的最大值。例如，在处理腔室中的光束通路更长的情况下，能够规定在处理腔室中的相对湿度的较低最大值。而且，在由于处理(例如由于粉末的湿度)而使更多湿气进入处理腔室的那些情况下，在处理腔室中规定更高的最大值可以很合适。在上面和下面提到的、所有可能的用于光学隔腔的湿度控制设计都以相同方式应用于处理腔室。在处理腔室中建立确定的气体气氛的方式也是这样。
关于激光辐射穿过气体气氛的通路长度的说明(在上面相对于光学隔腔进行了该说明)也同样也适用于处理腔室。这里也认为，对于辐射在处理腔室中的小通路长度，能够容许更高的相对湿度值。不过，由于结构类型的限制，在增材制造装置中用于辐射的光学通路长度不能随意减小。特别是当激光束通过扫描仪来偏转，以便用激光束扫描建造材料时，辐射应当以尽可能大或尽可能垂直的角度来入射在建造材料上。不过，对于具有通常尺寸的要扫描区域，这只有在扫描仪与构造平面的距离和(因此)辐射的通路长度足够大时才能够实现。
有利的是，光学隔腔的现有湿度控制单元也用于处理腔室，且供给至光学隔腔用于建立气体气氛的气体也另外供给处理腔室，而不是使用两个独立的系统来用于在光学隔腔和处理腔室中的湿度控制和提供气体气氛。这能够通过在处理腔室处(特别是在它的壁中)的单独气体进口通过向处理腔室供给具有与供给光学隔腔的气体相同成分的气体来实现。换句话说，将具有相同气体百分数的纯净气体的气体混合物供给处理腔室。可选地，能够在处理腔室处没有单独的气体进口，而是能够在光学隔腔和处理腔室之间的公共壁中提供气体可透过的连接件(意思是通道或管)。
还优选是，从激光源的出口至光束进入窗口(辐射通过该光束进入窗口而进入处理腔室)，激光辐射沿它在光学部件之外的整个光束通路在确定的气体气氛内引导。因此，能够更大程度地避免包含水蒸气的气体气氛对激光辐射的不利影响。
还优选是，确定的气体气氛的相对湿度使用表征确定的气体气氛的相对湿度的至少一个测量值来反馈控制，该测量值通过布置在光学隔腔中的至少一个湿度传感器来输出，用于反馈控制确定的气体气氛的相对湿度。由于湿度传感器的使用，能够检查在气体气氛中的实际相对湿度。因为气体成分可能根据在空间(气体流过该空间)内部的气流性质而发生变化，因此优选是多个湿度传感器布置在气体流过的空间中的不同位置处。
特别是，当反馈通过访问由该至少一个湿度传感器输出的测量值而使用时(该测量值表征了气体气氛的相对湿度)，能够调节相对湿度，即以特别精确的方式来反馈控制。这里，对于多个湿度传感器，存在用于反馈控制的不同可能性。例如，反馈控制可以基于由传感器输出的测量值的算术平均值，或者反馈控制基于由多个湿度传感器输出的测量值的最大值。而且，还能够将加权因子分配给测量值，该加权因子根据相应湿度传感器的位置来选择。
对于存在多个光学隔腔的情况，能够为各光学隔腔设置至少一个湿度传感器。然后，在各个光学隔腔中的相对湿度能够根据用于光学隔腔输出的传感器值来单独调节。当将光学隔腔与公共气体进口连接时，气体流速调节装置和/或增加在供给光学隔腔的气流中的干燥气体比率的单元能够分别布置在各光学隔腔和气体进口之间。
还优选是，在光学隔腔中的确定的气体气氛通过供给体积流速大于或等于2l/min和/或小于或等于15l/min(优选是10l/min)的气体来维持。优选是，供给气流选择为这样，在光学隔腔和处理腔室中存在相对于周围大气的过大的压力，优选是相对于周围大气有至少50Pa的压力差。这样，能够以特别有效的方式来防止来自周围大气的水蒸气污染。
还优选是，在光学隔腔中的确定的气体气氛通过在体积流速大于50l/min(优选是大于80l/min)和/或小于120l/min(优选是小于150l/min)的情况下灌注光学隔腔而建立。通过灌注光学隔腔，在维护后，光学隔腔能够快速地重新充装在增材制造装置的操作过程中使用的气体，以便损失尽可能少的时间，并能够快速继续或重新开始制造处理。特别是对于批量生产，这很重要。
还优选是，基于塑料的粉末用作建造材料。优选是，用作建造材料的粉末是基于塑料(基于聚合物)的粉末或凝胶，该粉末或凝胶的特征在于至少50重量百分比比率的聚合物。因此，特别是聚芳基甲酮、聚芳醚砜、聚酰胺、聚酯、聚醚、聚烯烃、聚苯乙烯、聚苯硫醚、聚偏氟乙烯、聚苯胺、聚酰亚胺以及它们的共聚物和包含至少一种上述聚合物的混合物，不过其中，选择并不局限于上述聚合物，共聚物也能够作为聚合物。特别合适的聚芳基甲酮能够从以下组中选择，该组包括聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚醚酮(PEK)、聚醚醚酮酮(PEEKK)、聚醚酮醚酮酮(PEKEKK)和聚醚醚醚酮(PEEEK)以及它们的共聚物(特别是与聚芳醚砜一起和包括至少一种上述聚合物的混合物。特别合适的聚酰胺聚合物或共聚物以及它们的混合物能够从以下组中选择，该组包括聚酰胺6/6T、聚酰胺弹性体(如聚醚嵌段酰胺，例如基于PEBAXTM的材料)、聚酰胺6、聚酰胺66、聚酰胺11、聚酰胺12、聚酰胺612、聚酰胺610、聚酰胺1010、聚酰胺1212、聚酰胺PA6T/66、PA4T/46以及包含至少一种上述聚合物的共聚物。合适的聚酯聚合物或共聚物能够从以下组中选择，该组包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(例如PET，PBT)和它们的共聚物。合适的聚烯烃聚合物或共聚物能够从以下组中选择，该组包括聚乙烯和聚丙烯。合适的聚苯乙烯聚合物或共聚物能够从以下组中选择，该组包括间同聚苯乙烯和全同聚苯乙烯。而且，除了相应的聚合物、共聚物或混合物之外，还能够使用包含填料和/或增材剂的聚合物复合粉末。填料中有例如：纤维，例如碳或玻璃纤维和碳纳米管；具有较小长径比的填料，例如玻璃珠或铝砂；矿物填料，例如二氧化钛。增材剂中有例如：加工助剂，例如Aerosil系列的自由流动剂(例如Aerosil 200)；功能增材剂，例如热稳定剂、氧化稳定剂；彩色颜料(例如石墨或炭黑)；以及阻燃剂(例如有机磷酸盐、溴化烃)。
本发明的增材制造装置用于通过激光辐射照射通过建造材料的层状选择固化而制造三维物体，该增材制造装置包括：
处理腔室，在该处理腔室中，能够重复地将一层建造材料施加在先前选择性固化的建造材料层上，并能够利用激光辐射在与物体在该层中的横截面相对应的位置处扫描；
激光源，用于产生激光辐射；
多个光学部件，用于将激光辐射引导至建造材料层上，其中，多个光学部件布置在光学隔腔中，该光学隔腔由光学隔腔壳体包围，该光学隔腔壳体设置成保持在该光学隔腔中的确定的气体气氛；
其特征在于，还包括湿度控制单元，该湿度控制单元在增材制造装置的操作过程中使得光学隔腔壳体内部的确定的气体气氛的相对湿度保持低于3％。
当然，穿透包含水蒸气的气氛的激光辐射的损耗(impairment)程度还取决于通路长度。用于相对湿度的所述最大值3％在激光辐射在光学隔腔的气体气氛中的光学通路不超过0.5m的情况下提供了令人满意的结果。对于更长的通路(例如1m)，可能只能容许2％的最大值。还有，对于更长的通路(例如1.5m)，可能必须将最大值限制为1.5％。
特别是在使用气体激光器的增材制造装置中，实际上很难实现较小的光学通路，因此，特别是在该应用领域中，本发明对光学隔腔中的最大相对湿度的控制非常重要。
另一方面，可获得的精度越高，用于相对湿度的容许最大值越小。总而言之，确定的气体气氛的相对湿度当然应当保持低于3％，优选是低于2.5％，更优选是低于2％，甚至更优选是1.5％，甚至更优选是低于1％，且最优选是低于0.5％。
光束通路的长度和相对湿度的规定值特别适用于5.5μm的激光波长，对于该波长，水的吸收光谱最大。对于其它波长，水的吸收(在很大程度上取决于波长)将更小，因此能够应用相对湿度的所述最大值中的较高值。
首先，湿度控制单元能够通过在光学隔腔中布置干燥单元来实现，该干燥单元设置成使得气体气氛的相对湿度降低至合适值。现有技术中已知用于该目的的所有装置都适合作为干燥单元，例如冷凝干燥器、吸附干燥器、Peltier干燥器或颗粒干燥器，其中使用了干燥介质(例如沸石)。在这种情况下，湿度控制单元位于增材制造装置中。
也可选择，能够附加或替代地将供给光学隔腔用于提供确定的气体气氛的气体的相对湿度设置为低于3％。例如，在供给光学隔腔的气流中的干燥气体的百分数能够增加。在这种情况下，湿度控制单元位于增材制造装置的外部。
而且，湿度控制单元可以基本包括反馈控制部件，该反馈控制部件是控制增材制造装置的控制单元的一部分，或者与布置在增材制造装置中(特别是在光学隔腔壳体中)的传感器部件相互作用，该传感器部件将在光学隔腔壳体内部的至少一个位置处的相对湿度的当前值通信至反馈控制组件。
通过湿度控制，限制了由激光辐射穿透的气体气氛的水蒸气含量。因此，激光辐射能够以更高精度引导至建造材料上，且在穿透气体气氛时功率损耗更小。
优选是，光学隔腔通过形成在处理腔室和光学隔腔之间的公共壁中的辐射进入窗口而与处理腔室分离。激光辐射通过通常布置在处理腔室顶部的辐射进入窗口而引导至构造平面上。当处理腔室和光学隔腔壳体直接彼此邻接时，能够保证激光辐射沿它到达光束进入窗口的整个通路都只在具有限制含水量的确定气体气氛中传播。这里，具有辐射进入窗口的公共壁能够设计成有一层或多层，例如两层，具有在这些层之间的间隙，特别是在各层中的窗口之间有间隙。
优选是，处理腔室的壁设置成使得能够在处理腔室中保持确定气体气氛，其中，增材制造装置包括处理腔室湿度控制单元，该处理腔室湿度控制单元在增材制造装置操作的过程中将处理腔室中确定的气体气氛的相对湿度保持在低于3％。
独立于在增材制造装置的操作过程中使得在处理腔室中的确定的气体气氛的相对湿度保持低于3％的处理腔室湿度控制单元的存在，被引导通过光学隔腔的气流能够离开光学隔腔后供给至处理腔室。因此，在处理腔室内部，气体气氛的相对湿度也能够保持低于3％或者低于甚至更低值。当使用惰性气体来在光学隔腔中建立干燥气体气氛时，该方法也能够同时提供处理腔室的惰性化。
还优选是，激光源布置在光学隔腔壳体的外部，并通过激光束壳体而与光学隔腔壳体连接，优选是通过气密连接，其中，激光束壳体设置成保持确定的气体气氛，并设计成使得激光辐射能够从激光源穿过激光束壳体而引导至光学隔腔壳体中。当激光源在光学隔腔壳体的外部时，通过激光束壳体能够保证辐射在离开激光源后立即穿透已经具有限制水分含量的气体气氛。因此，优选是激光束壳体提供有与光学隔腔相同的气体气氛，特别是两者彼此连接，以使得来自光学隔腔的气体可以进入激光束壳体，反之亦然，不过，两者彼此密封连接的意思是彼此连接，以使得相对于激光束壳体和光学隔腔壳体的周围存在气体密度。然后，通过湿度控制单元，在激光束壳体中的相对湿度也能够保持低于1％。
还优选是，增材制造装置有气体连接件，该气体连接件允许在增材制造装置的操作过程中将气体供给至光学隔腔中。气体连接件优选是布置在激光束壳体处，特别优选是在激光束壳体和激光源的出口之间的连接部附近。
当气体进口布置在激光源的出口处时，由于在激光束壳体和光学隔腔之间的连接件，能够提供通过激光束壳体和光学隔腔内部的空间的连续气流，看情况还可以通过处理腔室。因此，能够在由激光辐射横穿的整个区域中提供相对均匀的干燥气体气氛。
还优选是，激光源21是CO激光器。特别是，由CO激光器发射的光(该光的波长为大约5.5μm)由水强效吸收和衍射。因此，本发明特别适合与CO激光器结合使用。由于CO激光器发射的波长小于CO2激光器，因此当使用CO激光器来曝光建造材料时，能够实现更小结构。特别是在这种情况下，能够通过本发明提供的干燥气体气氛来提高建造材料的扫描精度。
还优选是，至少一个湿度传感器布置在光学隔腔中。通过使用湿度传感器(该湿度传感器输出表征确定的气体气氛的水分含量或相对湿度的测量值)，能够检查该气体气氛的实际相对湿度。当气体组成可能发生变化(这取决于在气体流过的空间内部的气流性质)时，优选是在气体流过的空间内部的不同位置处布置多个湿度传感器。通过使用由湿度传感器输出的相对湿度的测量值，设计为反馈控制单元的湿度控制单元能够更精确地调节光学隔腔中的相对湿度。
还优选是，增材制造装置包括灌注装置，该灌注装置在启动时能够以大于50l/min(优选大于80l/min)和/或小于120l/min(优选小于150l/min)的体积流速来将气体供给至光学隔腔壳体中。特别是，灌注单元是能够以较高体积流速(大于或等于50l/min)来供给气体的气体源，例如在增材制造装置外部的储气部，该储气部有相对于周围大气的较高压力差，该储气部能够通过阀或气体循环系统来提供具有相应体积流速的气体，该气体循环系统能够提供相应体积流速。优选是，灌注单元布置在气体进口处，还优选是，它是气体供给单元的部件。通过提供灌注单元，能够在手动调节处理时快速地使得光学隔腔重新充装在增材制造装置的操作过程中使用的气体，在手动调节过程中，重复地从外部接近光学部件。因此，时间损失尽可能地小，且在调节后能够快速检查光束特性。
特别是，当有多个光学隔腔，各光学隔腔由光学隔腔壳体包围时，灌注单元必须足够强效，以便能够同时向与它连接的所有光学隔腔提供所述体积流速。也可选择，增材制造装置还可能包括多个灌注单元。例如，专用的灌注装置能够分配给各已有的光学隔腔。
优选是，灌注单元的性能设置成这样，当在灌注处理开始时周围气氛普遍存在时，在光学隔腔中(优选是在与它连接的各光学隔腔中)的气体气氛能够在30s内恢复。
还优选是，光学隔腔壳体有至少一个进入开口，特别是维护开口，通过该维护开口，光学部件能够在光学隔腔中保持确定的气体气氛时进行调节。在光学隔腔或处理腔室(根据情况而定)中存在特定的气体气氛可能导致以下情况：当进入光学隔腔或处理腔室的内部区域时必须进行通气，且在进入结束时必须在继续或开始制造处理之前再次恢复该特定气体气氛。当增材制造装置用于批量生产时，导致的时间浪费特别不利，因为时间的浪费使得装置的非生产性停机时间更长。这里，本发明的思想是在光学隔腔壳体和处理腔室壁中分别设置进入开口，该进入开口分别允许从外部触及在光学隔腔(气流通过该光学隔腔)中和在处理腔室(气流通过该处理腔室)中的部件。特别是，这能够在光学隔腔壳体和处理腔室内部的压力分别大于周围压力时实现。特别是，当通过调节光学部件来优化光束通路时，维护开口的存在导致极大地节省调节时间。通常，尽管存在进入开口，但是可以认为当确定的气体气氛的参数(意思是相对湿度、压力、气体组分等)变化小于10％是可接受的。
还优选是，多个光学部件中的一个是激光功率改变装置，优选是声光或电光调制器，它能够通过维护开口从光学隔腔壳体的外部手动调节。声光调制器(AOM)能够用于调节光束功率，特别是当使用一氧化碳激光器时。这里，通过合适控制，激光束在AOM中衍射，且只有零级衍射图通过(也能够使用第一级，尽管在这种情况下将产生损失，因为不是全部辐射都能够产生衍射)。因此，能够将光束中的功率快速减小到可忽略的值，这使得能够快速控制建造材料层的要固化区域的扫描。
还优选是，多个光学部件中的一个是聚焦单元，它能够通过维护开口从光学隔腔壳体的外部手动调节。这里，术语“聚焦单元”用于代表这样的光学部件，它单独地或组合地使得激光束或激光射线束重新成形，特别是使它对准、扩展或聚焦。
还优选是，至少一个进入开口是测量开口，布置在光学隔腔中的感测元件或感测元件的供给线能够通过该测量开口而插入光学隔腔中，同时保持确定的气体气氛。
感测元件可以是永久性地布置在光学隔腔和(看情况)处理腔室内部的传感器，不过有时必须取出用于维护目的。另一方面，所述感测元件也可以是插入光学隔腔和(看情况)处理腔室中仅一定时间的传感器，例如为了在出现不正常情况后检查一些操作参数。只是作为示例，传感器可以是温度传感器、湿度传感器或流速传感器。
这里，术语“供给线”不仅涉及向传感器供给能量的线(例如电源线)，还涉及由传感器用于输出测量结果和/或接收驱动信号所需的信号线。
还优选是，感测元件能够测量由激光源发射的激光辐射的辐射通量。在激光束中的辐射通量能够提供关于偏离所希望状态的有价值信息。为了测量它们，相应传感器插入光束通路中。不过，这只能在并不执行建造材料层的扫描处理时进行。因此，当需要时，优选是使得相应传感器从外部通过测量开口进入光学隔腔内。
还优选是，进入开口能够可逆地关闭。因为在打开状态中气体将通过进入开口流向外面，所以优选是进入开口设计成这样，使得它能够在需要时打开，并在进入光学隔腔或处理腔室内部之后再次关闭。特别是，能够提供弹簧机构，其中，为了进入，进入开口逆着弹力而保持在打开状态。
还优选是，关闭进入开口的盖提供有密封件，该密封件保证在关闭状态中的气体密度，例如密封件由弹性材料制造。
还优选是，进入开口的最大直径小于12mm，优选是小于10mm，和/或最小直径大于5mm，优选是大于8mm。为了避免太多气体逸出的情况，维护开口和/或测量开口的最大直径应当小于12mm，优选是小于10mm。不过同时，开口还应当具有最小直径，以便不会使得从外部进入光学隔腔(气体流过该光学隔腔)和/或处理腔室(气体流过该处理腔室)中的部件将不必要的困难，或者以便不会太多限制要插入的感测元件的直径。因此，开口的最小直径应当大于5mm，优选是大于8mm。
优选是，增材制造装置设置成由基于塑料的粉末(作为建造材料)来制造三维物体，其中，由激光源在它的指定操作中发射的激光辐射能够实现基于塑料的粉末(作为建造材料)的固化。这里，“基于塑料”是指塑料的重量百分数大于50％。
附图说明
通过基于附图对实施例的说明，将得出本发明的其它特征和实用性。
图1表示了根据本发明实施例的示例增材制造装置的示意局部剖视图。
图2示意表示了图1的增材制造装置的细节。
图3表示了具有测量开口的光学隔腔壳体的示意图，该测量开口用于在光学隔腔中执行测量。
图4表示了具有维护开口的光学隔腔壳体的示意图，该维护开口用于调节光束扩展器，该光束扩展器是聚焦单元的部件。
图5表示了具有维护开口的光学隔腔壳体的示意图，该维护开口用于调节声光调制器，该声光调制器用于改变光束中的功率。
具体实施方式
为了说明本发明，下面首先将参考图1使用激光烧结或熔化装置的示例来介绍本发明的增材制造装置。
为了建造物体2，激光烧结或激光熔化装置1包括具有腔室壁4的处理腔室或建造腔室3。在顶部开口和有容器壁6的建造容器5布置在处理腔室3中。建造容器5的顶部开口确定了工作平面7，其中，位于该开口内的工作平面7区域(该区域能够用于建造物体2)称为建造区域8。
支承件10布置在建造容器5中，该支承件10能够沿竖直方向V运动。基板附接在该支承件10上，该基板在底部密封容器5，因此形成它的底部。基板能够是与支承件10分开形成的板，该板固定在支承件10上，或者能够与支承件10一体形成。根据使用的粉末和处理，建造平台11能够布置在基板上，物体2在该建造平台上建造。不过，物体2也能够在基板自身上建造，这时该基板用作建造平台。在图1中，要在建造平台11上的建造容器5中形成的物体2表示为低于工作平面7，该工作平面7由容器5的顶边缘来确定，该容器5处于中间状态，具有多个固化的层，该固化的层由保持未固化的建造材料13来包围。
激光烧结或熔化装置1还包括：用于建造材料15的存储容器14，在该示例中，该建造材料15是能够通过电磁辐射来固化的粉末；以及作为材料施加装置的重涂器16，该重涂器16能够沿水平方向H运动，用于在建造区域8内层状施加建造材料15。可选地，加热装置例如辐射加热器17能够布置在处理腔室3中，该加热装置用于加热施加的建造材料。例如，红外加热器可以设置为辐射加热器17。
示例增材制造装置1还包括：能量提供单元20，该能量提供单元20有产生激光束22的激光源21；以及光学部分，该光学部分有扫描仪单元23和聚焦单元24。激光束通过辐射进入窗口25而引导至工作平面10上，该辐射进入窗口25在处理腔室3的顶侧布置在该处理腔室3的壁中。辐射进入窗口包括例如fθ透镜。
在激光烧结或激光熔化中，能量输入单元能够包括例如一个或多个气体或固态激光器或任何其它激光器类型，例如激光二极管，特别是VCSEL(竖直腔表面发射激光器)或VECSEL(竖直外部腔表面发射激光器)，或者一行上述激光器。因此，图1所示的激光烧结或熔化装置的具体设置只是本发明的示例，当然也能够进行修改。特别是，激光源也能够是一氧化碳激光器，例如由Coherent公司以商品名“DIAMOND J-3-5CO Laser”出售的一氧化碳激光器。
而且，激光烧结装置1包括控制单元29，通过该控制单元29，装置1的各个部件能够以协调方式来控制，以便执行建造处理。控制单元能够包括CPU，该CPU的操作由计算机程序(软件)来控制。计算机程序能够与装置分开地存储在存储装置上，它能够从该存储装置上下载至装置中，特别是下载至控制单元中。
在操作中，为了施加粉末层，首先使支承件10降低与所希望的层厚相等的距离。然后，通过使重涂器14横过工作平面7运动，施加一层成粉末形式的建造材料15。它至少横过要制造的物体2的整个横截面来施加，优选是在整个构造场中，该构造场的意思是工作平面7的、位于容器5的顶部开口内的区域。随后，利用激光束22来扫描要制造的物体2的横截面，以使得成粉末形式的建造材料在与要制造的物体2的横截面相对应的那些位置处固化。重复这些步骤，直到物体2完成和能够从处理腔室3中取出。
图2示意表示了增材制造装置1的辐射提供单元20的发明实施例的示例。与图1相比，扫描器单元23和聚焦单元24在光束通路中的位置交换。详细地说，图2中的光学部分包括光束调节单元30和扫描器单元23，该光束调节单元30包括聚焦单元24。当激光束打开时，它首先从激光器21的出口前进至光束调节单元30的进口30a。在光束调节单元30中，它通过偏转镜28而偏转，该偏转镜28将光束引导至聚焦单元24。光束从该聚焦单元24撞击在扫描仪单元23的偏转镜23a(只示意表示)上，以便由该偏转镜23a引导通过光束进入窗口25至要固化的建造材料层的表面上(未示出)。
应当强调，光学部件的几何位置也可以在需要时变化。例如，通过将部件布置成使得在激光器21和聚焦单元24之间的光学通路为直的，可以完全放弃偏转镜28。不过，还能够在不偏离本发明思想的情况下将其它光束偏转部件引入光束通路中。而且，聚焦单元24可以包括一个或多个部件，并可以包括(并不要求全部包括)光束扩展单元、对准单元和聚焦透镜(一个或多个拷贝)。还有，光束调节单元30还可以包括另外的光学部件。例如，在图2中表示了可选的激光功率改变装置27，在本例中，该激光功率改变装置27是声光调制器(AOM)。AOM可以用于调节光束的功率，特别是当使用一氧化碳激光器时。
最后，应当再次强调，在可能的情况下，在光束通路中的部件也可以相互交换，例如通过将扫描仪单元23集成至光束调节单元30中和/或通过交换扫描仪单元23和聚焦单元24在光束通路中的位置。在后一种情况下，也能够由光束调节单元30来外包(outsource)聚焦单元24，而不是由扫描仪单元23来外包。
光学部分的所有部件都由光学隔腔壳体来包围，该光学隔腔壳体提供光学部分的部件对周围大气的基本密封屏蔽。在下文中，在光学隔腔壳体内部的空间将称为光学隔腔。在图2的示例中，光学隔腔壳体包括扫描仪单元23的壁以及与它气密连接的、光束调节单元30的壁20a。该壁20a与激光束壳体20b气密连接，该激光束壳体20b是激光束22的气密包封，它与激光器21的出口以及光束调节单元30的壁20a气密连接。
而且，在图2中能够看见气体供给单元50，该气体供给单元50将气流供给至光学隔腔壳体的内部。在图2中，气体进口50a在激光器21的出口处，气体出口50b在扫描仪单元23的壁中。气体供给单元是用于使得一定量气体运动的驱动部件，意思是例如泵或风扇。在图2中，气体在气体进口50a和气体出口50b之间的路线由箭头示意表示。特别是，能够看见在光束调节单元30和扫描仪单元23之间的公共壁或分隔壁中的用于气流的开口。
气体供给单元50将通过光学隔腔的气体流速设置为在2l/min和15l/min之间的值，优选是大于或等于5l/min和/或小于或等于8l/min。可选地，可以存在灌注单元(未示出)，通过该灌注单元，光学隔腔能够在维护之后再次快速地重新充装在增材制造装置的操作过程中使用的气体，以便损失尽可能少的时间和能够继续或重新开始制造处理。优选是，灌注单元布置在气体进口处，还优选是，它是气体供给单元的部件。优选是，灌注单元能够以大于50l/min(优选是大于80l/min)和/或小于120l/min(优选是小于150l/min)的体积流速来提供气体供给。规定值与标准条件相关，该标准条件的意思是根据DIN1343，温度为273.15°K，压力为101.325k/Pa。
湿度控制单元调节流过光学隔腔的气体的相对湿度，以使得它尽可能小，不过在任何情况下，相对湿度将低于1％，优选是低于0.5％。这里，例如连续添加至气流中的干燥气体的百分数能够调节，其中，湿度控制单元包括干燥气体供给控制单元60。也可选择或者另外，湿度控制单元可以包括用于除湿器(图2中未示出)的干燥能力的控制单元(未示出)。该除湿器可以布置在任意位置，因此布置在气体进口50a处或在光学隔腔中，或者布置在增材制造装置的外部，特别是与它分开。另外应当指出，图2中的湿度控制单元60的位置只是示例，湿度控制单元60也可以布置在不同位置。
优选是，湿度控制单元60有效控制气体的湿度含量。为此，至少一个湿度传感器布置在光学隔腔中。例如，在图2中，湿度传感器70位于光束调节单元30中。根据由湿度传感器70通过连接线70a而向湿度控制单元60输出的信号或值，湿度控制单元60将湿度含量调节至所希望的预定值。通过在光学隔腔中布置多个湿度传感器70，能够解决这样的问题，即由于气体将在某些位置处不充分地流过光学隔腔，因此将有比其它位置更高的湿度含量。湿度控制单元60再能够例如根据由各个湿度传感器输出的湿度测量值中的最高一个来调节气体的湿度含量。
即使当光学隔腔优选是抵靠处理腔室3以密封或气密方式界定时，在改进装置中也能够使得相同气体流过光学隔腔和处理腔室，意思是在光学隔腔中和在处理腔室中建立几乎相同的气体气氛。然后，通过湿度控制单元60来限制气体气氛的湿度含量，特别是在处理腔室3中。优选是，至少一个湿度传感器70也能够因此布置在处理腔室3中。
尽管图2实际上是示意图，但是图2仍然表示了激光源21的优选安装方向：假定图2中的竖直方向(意思是图纸的竖直方向)与增材制造装置在安装状态中的竖直方向相同，可以看见，激光向上(意思是逆着重力的方向)离开激光源21。由于气体进口50a布置在激光源21的出口处，因此供给的气体也沿逆着重力的方向流过激光束壳体20b进入光学隔腔壳体20a中。这很有利，因为在激光源21的出口处的激光离开窗口(未标明)能够因此自动地防止灰尘，否则灰尘能够积聚在其上。显然，该解决方案的优点在激光相对于与重力相反的方向以一定角度离开激光源时也能够获得，例如，该角度小于或等于45°，优选是小于或等于30°。
当在气体进口50a处的气体获得水平运动分量时，特别能够使得灰尘远离激光源21的激光离开窗口，该水平运动分量导致在激光束壳体20b内部的气流螺旋向上运动。
由于在光学隔腔和/或处理腔室中存在特定气体气氛，因此当进入光学隔腔或处理腔室内部的区域时必须进行通气，且在进入结束后必须在继续或开始制造处理之前再次恢复特定气体气氛。由此导致的时间花费在批量生产中使用增材制造装置时特别不利，因为时间花费增加了装置的非生产停机时间。本发明的思想是，维护开口设置在光学隔腔壳体和/或处理腔室壁中，该维护开口只有较小的直径，并允许从外部触及在光学隔腔(气体流过该光学隔腔)和/或处理腔室(气体流过该处理腔室)中的部件。也可选择或者另外，可以设置测量开口，该测量开口只有较小直径，并允许感测元件从外部插入光学隔腔(气体流过该光学隔腔)和/或处理腔室(气体流过该处理腔室)中。
在下文中，将基于图3至5来解释本发明的维护和测量开口的各个示例，其中，示例的列表并不意味着穷举，还存在使用维护和测量开口的很多其它可能性。
图3示出了光学隔腔壳体20a的视图，其中能够识别测量开口300，该测量开口300在示图中由盖310来覆盖。因此，图3表示了在未使用时处于关闭状态的测量开口300。这里，关闭机构能够通过未示出的弹簧机构来实现。例如，已经插入光学隔腔壳体内部的传感器或感测元件的供给电缆可以穿过测量开口300，以便在测量过程中将信号从光学隔腔内部传输至外部或者从光学隔腔外部传输至内部。特别是，感测元件可以是能够检测光学隔腔中激光束的辐射通量的感测元件。
由于使用了测量开口，因此通常能够在增材制造装置进行操作时插入感测元件，例如以便检查操作参数是否留在允许值范围，或者在检测制造处理中的不规则性时，以便能够研究该不规则性的原因，而并不必须中断制造处理。
优选是，测量开口300将布置成使得感测元件能够分别引导至光学隔腔和处理腔室3内部的特别合适位置。
图4表示了维护开口400，该维护开口400允许在光束扩展器24a处执行操纵。为此，维护开口400布置在透明的拉制光学隔腔壳体20a中，使得能够通过该维护开口400利用杆形仪器而到达光束扩展器24a。从光学隔腔壳体的外部至光束扩展器24a的不同位置的通路通过两个箭头来表示。
同样，在应当从外部操纵的单元(在本例中是光束扩展器24a)的侧部，能够更容易地从光学隔腔壳体20a的外部进行处理或调节。因此，图4中的光束扩展器有套环241，该套环在图中像环一样包围光束扩展器，并在它的外部面处有凹口242，该凹口242能够与杆形仪器接合。然后，通过向凹口的侧壁施加压力，能够使得一个或多个光束扩展器元件绕轴线运动(特别是旋转)，用于调节该光束扩展器。
图5表示了激光功率改变装置27位于光学隔腔中的情况。与其它光学部件相同，对于激光功率改变装置27也必须进行光学调节，以便优化光束通路，用于将辐射聚焦在构造平面或工作平面上。因此，在图5中，在光学隔腔壳体20a中的维护开口500布置成靠近激光功率改变装置27的两个调节元件271和272。因此，两个调节元件271和272能够通过杆形仪器穿过维护开口500来操作。这在图中由两个箭头来表示。即使当在处理腔室中的建造材料的曝光处理过程中并不立即进行光学通路校正时，维护开口500的存在仍然很有利。为了估计在激光功率改变装置27处的变化的影响，必须测量激光束中的辐射通量，该测量必须在干燥的气体气氛中进行。一方面，由此获得更精确的测量结果，另一方面，它还将在随后重建用于各调节处理的气体气氛时省略“通气”。
当然，对于各调节元件，可以分配专用的维护开口。不过，通过光学部件的调节元件的合适定位和定向，通常能够节省维护开口，其中，不同调节元件能够通过一个维护开口来操作，该不同调节元件当然也可以属于不同的光学部件。
在图5中，调节元件271和272是螺钉，该螺钉有在螺钉头部处的六边形凹口。通过接合至六边形的凹口中和通过使得螺钉绕它们的轴线旋转，能够调节激光功率改变装置27在光束通路中的位置。不要说，代替六边形凹口，现有技术中已知的任何其它螺钉头轮廓也能够这样从外部操作，例如十字形凹口、外部六边形插座、Torx轮廓等。

Claims (18)

1.一种增材制造方法，所述增材制造方法用于利用激光辐射进行照射而通过建造材料(13)的层状选择固化而在增材制造装置(1)中制造三维物体(2)，其中：
在处理腔室(3)中重复地将建造材料层施加在先前选择固化的建造材料层上，并利用激光辐射在对应于物体在所述层中的横截面的位置处扫描，
激光辐射通过激光源(21)来产生，并通过多个光学部件而引导至建造材料层上，其中，由光学隔腔壳体(20a)来封装的光学隔腔容纳所述光学部件，
其特征在于，确定的气体气氛保持在光学隔腔内部，其中，所述确定的气体气氛的相对湿度保持低于3％。
2.根据权利要求1所述的增材制造方法，其中：在光学隔腔壳体(20a)内部的所述确定的气体气氛的相对湿度保持低于1％。
3.根据权利要求1或2所述的增材制造方法，其中：确定的处理腔室气体气氛保持在处理腔室(3)中，所述处理腔室气体气氛的相对湿度保持低于3％。
4.根据前述任意一项权利要求所述的增材制造方法，其中：从激光源(21)的出口至辐射进入处理腔室(3)所穿过的光束进入窗口(25)，激光辐射沿它在光学部件外部的整个光束通路在确定的气体气氛内引导。
5.根据前述任意一项权利要求所述的增材制造方法，其中：所述确定的气体气氛的相对湿度使用表征确定的气体气氛的相对湿度的至少一个测量值进行反馈控制，所述测量值通过布置在光学隔腔中的至少一个湿度传感器(70)来输出，用于反馈控制所述确定的气体气氛的相对湿度。
6.根据前述任意一项权利要求所述的增材制造方法，其中：在光学隔腔中的所述确定的气体气氛通过供给体积流速大于或等于2l/min和/或小于或等于15l/min、优选是10l/min的气体来维持。
7.根据前述任意一项权利要求所述的增材制造方法，其中：在光学隔腔中的确定的气体气氛通过在体积流速大于50l/min和优选大于80l/min和/或小于120l/min和优选小于150l/min的情况下灌注光学隔腔而建立。
8.根据前述任意一项权利要求所述的增材制造方法，其中：基于塑料的粉末用作建造材料。
9.一种增材制造装置，所述增材制造装置用于利用激光辐射进行照射而通过建造材料(13)的层状选择固化而制造三维物体(2)，所述增材制造装置包括：
处理腔室(3)，在所述处理腔室(3)中，能够重复地将建造材料层施加在先前选择固化的建造材料层上，并能够利用激光辐射在对应于物体在所述层中的横截面的位置处扫描；
激光源(21)，用于产生激光辐射；
多个光学部件，用于将激光辐射引导至建造材料层上，其中，所述多个光学部件布置在由光学隔腔壳体(20a)包围的光学隔腔中，所述光学隔腔壳体设置成保持在所述光学隔腔中的确定的气体气氛；
其特征在于，还包括湿度控制单元，所述湿度控制单元在增材制造装置的操作过程中使得光学隔腔壳体(20a)内部的确定的气体气氛的相对湿度保持低于3％。
10.根据权利要求9所述的增材制造装置，其中：光学隔腔通过形成在处理腔室和光学隔腔之间的公共壁中的辐射进入窗口(25)而与处理腔室(3)分离。
11.根据权利要求9或10所述的增材制造装置，其中：激光源(21)布置在光学隔腔壳体(20a)的外部，并通过激光束壳体(20b)而与光学隔腔壳体(20a)连接，优选是通过气密连接，其中，激光束壳体(20b)设置成保持所述确定的气体气氛，并设计成使得激光辐射能够从激光源穿过激光束壳体(20b)而引导至光学隔腔壳体(20a)中。
12.根据权利要求9至11中任意一项所述的增材制造装置，其中：激光源(21)是CO激光器。
13.根据权利要求9至12中任意一项所述的增材制造装置，其中：至少一个湿度传感器(70)布置在光学隔腔中。
14.根据权利要求9至13中任意一项所述的增材制造装置，还包括：灌注装置，所述灌注装置在启动时能够以大于50l/min和优选大于80l/min和/或小于120l/min和优选小于150l/min的体积流速来将气体供给至光学隔腔壳体(20a)中。
15.根据权利要求9至14中任意一项所述的增材制造装置，其中：光学隔腔壳体(20a)具有至少一个进入开口(300、400、500)，特别是维护开口，光学部件能够通过所述进入开口(300、400、500)进行调节，同时在光学隔腔中保持所述确定的气体气氛。
16.根据权利要求15所述的增材制造装置，其中：所述多个光学部件中的一个是激光功率改变装置(27)，优选是声光或电光调制器，所述激光功率改变装置(27)能够通过维护开口(500)从光学隔腔壳体(20a)的外部手动调节。
17.根据权利要求15或16所述的增材制造装置，其中：进入开口(300、400、500)能可逆地关闭。
18.根据权利要求15至17中任意一项所述的增材制造装置，其中：进入开口(300、400、500)具有小于12mm和优选小于10mm的最大直径和/或大于5mm和优选大于8mm的最小直径。
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