CN113195131A - 用于增材制造三维构件的制造设备的工艺腔的加热/冷却 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于通过借助于至少一个涂层单元(13)层式地施加并且借助于至少一个照射单元选择性地加固结构材料的位置来增材制造三维构件的制造设备，所述制造设备包括具有至少一个热反射装置、特别是热反射层(20a、20b)的工艺腔(17)，所述热反射装置屏蔽所述工艺腔(17)内部的表面的至少一个区段。

Description

用于增材制造三维构件的制造设备的工艺腔的加热/冷却

技术领域

本发明涉及一种用于通过层式地施加并且局部选择性地加固结构材料来增材制造三维构件的制造设备。本发明还涉及一种用于运行对应的制造设备的方法以及一种用于制造对应的制造设备的方法。

背景技术

用于通过层式地施加并且局部选择性地加固结构材料来增材制造三维构件的制造设备和对应的方法由现有技术原则上已知。为了层式地施加，通常设置有至少一个对应的涂层单元。为了局部选择性地加固，通常提供对应的照射单元(例如包括至少一个激光器)。在很多应用中，在运行制造设备时可以达到相对高的温度(例如500℃或更大)。经常例如将结构区置于提高的温度，以便简化或总的来说首先能实现(在确定的材料中)增材制造。为了减少对应的热负荷例如按照DE102013222339Al提出：将用于驱动用于平台的承载设备的竖直驱动装置通过壁隔开，该壁包括热绝缘材料。

此外，在WO2017/075285Al描述一种壁，该壁应是可冷却的。然而，在这里重点不是去除不希望的热，而是经调节的冷却，以便(通过凝结)改善制造过程。

发明内容

本发明的任务在于，提供一种尽可能简单的并且然而有效的解决方案，以便减少或完全避免由于在工艺腔中生成的热的可能的影响或或者说损坏。

所述任务特别是通过一种按照权利要求1所述的制造设备解决。

所述任务特别是通过一种制造设备解决，所述制造设备用于通过借助于至少一个涂层单元层式地施加并且借助于至少一个照射单元(特别是包括至少一个激光器)局部选择性地加固结构材料来增材制造三维构件，所述制造设备包括具有至少一个热反射装置、特别是热反射层的工艺腔，所述热反射装置屏蔽所述工艺腔内部的表面的至少一个区段。

本发明的核心构思在于，设置有热反射装置(特别是层)，从而可以使所述制造设备的确定的区域与在工艺腔中产生的热隔离。由此，可以以简单的方式避免或至少减少(如例如驱动装置的)可能敏感的区域的不希望的过热。以简单的方式，也可以当高的热量输入(特别是在结构区的区域中)进行时运行所述制造设备。由此，可以减少特别是在制造时和/或在运行中的成本。

所述制造设备(除了至少一个涂层单元以及至少一个照射单元之外)优选包括至少一个用于构造三维构件的(结构)平台。此外，可以设置有用于构造平台的下降装置(起重装置)，从而能制造三维构件的分别新的平面。为了这种调节，可以设置有对应的调节驱动装置(竖直驱动装置)。此外，特别是设置有至少一个用于使所述制造设备的结构区升温的加热装置(例如通过照射和/或通过对应的加热装置、例如电阻加热装置和/或以经加热的流体工作的加热装置)。作为加热辐射器或者说加热元件优选使用至少一个基于激光器的元件、例如包括至少一个对应的激光二极管阵列、特别是基于VCSEL(竖直腔面发射激光器，Vertical Cavity Surface Emitting Laser)。这样的元件从小的面出发产生非常强烈地对准的辐射。在此，各个激光器元件可以有针对性地能操控或被操控，由此可以非常良好地控制在结构区表面上的辐射分布和因此温度。

优选地，特别是从上面实现(用于使结构区升温的)照射。备选地或附加地，进行从下面(例如对底板)的加热、必要时通过电阻加热装置并且同时从上面、可能经由至少一个加热辐射器对粉末床表面或者说结构区的加热。具体而言，(粉末状的)结构材料可以从下面被预热并且附加地(通过从上面照射)使所述结构材料置于其过程温度(在该过程温度中，于是照射单元最后起作用，以便局部加固结构材料)上。

从上面加热是特别有利的，因为由此可以以简单的方式获得极为有效的或适当的加热。特别是认识到：例如经加热的底板从一定结构高度起失去了相关性，即使所述底板可能对于维持确定的温度场是有利的。

所述照射单元优选包括至少一个激光器。

所述至少一个涂层单元优选包括至少一个涂层臂，所述涂层臂优选能水平运动，从而可以层式地施加结构材料。为此，所述材料可以借助于用于结构材料的对应的储存装置(储存容器)来提供。过量的结构材料特别是可以收集在对应的收集装置(收集容器)中。

按照本发明的(增材)制造设备和对应的制造方法一般特征在于，物体(构件)可以通过逐层地加固(特别是不成形的)结构材料来制造。所述加固可以通过经由以电磁辐射或粒子辐射照射结构材料、例如在激光烧结(“SLS”或“DMLS”)、激光熔化或电子束熔化时将热能输送到结构材料来引起。优选地，制造设备构造为激光烧结或激光熔化设备。在激光烧结或激光熔化时，激光束(激光斑)的作用区域经由层的如下部位运动到结构材料的层上，所述部位对应于该层中的要制造的构件的构件横截面。在此，重复地施加粉末状的结构材料的薄层并且每层中的结构材料通过以至少一个激光束选择性地照射来局部选择性地加固。

屏蔽特别是理解为，(相应的)热反射装置至少局部处于热源(例如制造设备的结构区)与表面的要保护的或要屏蔽的区段之间。工艺腔内部的表面可以理解为设置在工艺腔内部、即特别是定义工艺腔的(外)壁的内部的任何表面。因此，这样的(外)壁的内面也在这个意义中设置在工艺腔内部。在这里特别是可以为如下表面，当热反射装置不对应地设置时，所述表面与处于工艺腔内部的(过程)气体发生接触或者说会发生接触。热反射装置可以直接与要屏蔽的区段连接(优选)或者必要时仅间接地或与该要屏蔽的区段隔开间距地设置。

结构区特别是理解为用于增材制造的制造设备的工作平面的二维区域(2D部分区域)，在所述二维区域中，所述至少一个照射单元的辐射为了选择性地加固可以射到结构材料上或者说容纳构件的结构容器在所述二维区域中延伸，所述结构容器(也)可以包含(未加固的)结构材料。就这点而言，结构区的面对于制造是可用的。结构区特别是可以理解为最上面的粉末层(2D表面)。结构区优选是圆的、特别是至少基本上是圆形的，但也可以占据其他形状、例如是矩形、特别是方形。

优选地，制造设备这样配置，使得首先(为了增材制造)将(粉末状的)结构材料(至少局部地至少在其表面上)预热到相对高的温度(例如大于200℃或大于500℃或大于700℃、必要时大于900℃或大于1000℃、然而必要时也小于950°或小于900℃或甚至小于850℃)并且接着借助于至少一个照射单元选择性地加固。在通过照射源进行照射期间的这样的预热和造成的热能导致：制造设备的部分(其中这是不希望的)变热(并且例如热量不再能够通过气流导出)。在此，通过热反射装置可以实现：制造设备的确定的构件能相对简单地并且有利地制造或者说保持可制造。特别是可以实现：不必使用通过(非常高的)耐热性表征的特别昂贵的材料。

按照本发明的一个独立的方面(然而该方面特别优选地与热反射装置的上述方面组合)提出：所述制造设备装备有至少一个(主动)冷却装置，所述主动冷却装置特别是包括至少一个冷却板和/或冷却壁。通过这样的冷却装置可以在确定的区域中导出热，这同样(至少在确定的区域中)阻止高的或者说过高的温度的出现。恰好与热反射装置相结合地以有利的方式和方法实现：一方面-经由热反射装置-确定的(必要时特别敏感)的区域被直接保护并且另一方面-经由(主动)冷却装置-反射的热最后也可以导出。由此，以特别简单的并且有效的方式阻止：制造设备在(运行)中被损坏或失去功能。

主动冷却特别是意味着：冷却介质(冷却流体、特别是冷却液)能在至少一个(流体)通道内部流动，从而冷却介质(冷却流体)可以吸收热量并且可以引导到工艺腔外部的位置，在那里热又放出。就这点而言，所述主动冷却装置可以具有至少一个流体流输送设备、例如泵和/或风机。然而，这样的构件也可以必要时在外部提供(从而制造设备就这点而言仅具有对应的连接可能性)。

冷却板特别是理解为如下设备，所述设备与制造设备的(外)壁分开地构造或具有板边缘，所述板边缘不(固定地)与制造设备的(外)壁连接。这样的冷却板可以具有恒定的(或备选地也波动的)厚度。所述厚度优选比冷却板的垂直于厚度方向的最大(几何)延伸尺寸销(得多)。这样的最大延伸尺寸优选是厚度的至少5倍大、进一步优选至少20倍大。只要厚度波动，则在这里应考虑平均厚度或具有恒定的厚度的最大连贯区域的厚度。冷却板优选矩形地构造。在这样的情况下，上述最大延伸尺寸是矩形对角线。

冷却板的厚度优选为至少3mm、进一步优选至少5mm和/或最大50mm、优选最大15mm。至少一个流体通道可以设置在冷却板内部或设置在冷却板(例如作为在冷却板的表面上设置的冷却回路)上。所述至少一个(流体)通道可以具有一个或多个换向部，所述换向部例如回形地和/或环形地伸展。

冷却壁原则上可以如冷却板那样构造。冷却壁特别是可以将制造设备的两个部分区域(空间)彼此隔开。备选地，冷却壁可以将制造设备向外隔开，特别是至少局部地构造壳体壁。冷却壁特别是可以是壳体(外)壁或者说可以是将制造设备向外隔开的壁。然而，冷却壁例如也可以是分隔壁，所述分隔壁将定义制造设备的壳体内部的各个区域彼此隔开。

(粉末状的)结构材料优选包括至少一种金属和/或至少一种具有相对高的熔点的材料，例如大于或等于800℃、优选大于或等于1000℃(必要时大于或等于1200℃；或大于或等于1800℃；或大于或等于2000℃)的熔点，所述材料特别是包括金属、例如(高强度的)铝、钛、镍、铁和/或钨和/或钼和/或其合金、例如钛铝合金(优选具有至少10重量％Al、进一步优选至少50重量％Al的份额)和/或钛铝化物。优选地，结构材料至少10重量％、进一步优选50重量％、还进一步优选至少80重量％、还进一步优选至少99重量％由一种或多种金属构成。

按照实施方案，(粉末状的)结构材料可以包括TiAl-TNM-B1和/或γ-TiAl或由此构成。(粉末状的)结构材料例如可以以原子百分比包括：Ti-43.5Al-4Nb-1Mo-0.1B。

除了钛-铝-合金之外也可以使用难以焊接或不能焊接的其他合金、例如镍合金(例如MAR-M247)以及碳化钨-钴(和类似系统)。“易碎-可延展-过渡”(其中焊接是可能的或者说从其开始对应的材料具有足够的延展性，以便允许焊接)可以处于至少300、优选500℃、进一步优选至少600℃和/或最大1200℃、优选最大800℃之间的范围内。

结构材料的(平均)颗粒大小(粒度)优选大于5μm、进一步优选大于等于15μm和/或小于300μm、优选小于130μm、进一步优选小于100μm。

要观察的颗粒大小优选是单个颗粒或晶粒的直径。如果所述颗粒应至少部分地作为结块存在，则应观察结块的唯一一个颗粒(晶粒)的直径。唯一一个颗粒的直径(颗粒大小)优选是相应的最大直径(＝颗粒的每两点的所有距离的上界)和/或筛直径和/或(特别是关于体积的)等效球直径。

如果颗粒大小不统一，则作为(平均)颗粒大小优选考虑d50颗粒大小。在(平均)颗粒大小中，数值(在这里：50)适用于颗粒的份额(在质量和/或体积百分比中)，所述颗粒小于或等于给出的颗粒大小(即在50μm的d50时，50％的颗粒具有<50μm的大小)。

结构材料的各个颗粒可以(至少大致)一样大或者可以存在颗粒大小分布。当存在颗粒大小分布时，例如d50颗粒大小可以是d10颗粒大小的至少2倍大、优选至少4倍大和/或最大10倍大、优选最大8倍大。备选地或附加地，d90颗粒大小可以是d50颗粒大小的至少1.2倍大、优选至少1.8大倍和/或最大4倍大、优选最大3倍大。颗粒大小必要时可以借助于激光衍射方法(特别是借助于按照ISO13320或ASTMB822的激光衍射测量)确定。备选地或附加地，颗粒大小可以通过(例如借助于显微镜)测量和/或利用动态图像分析(优选按照ISO13322-2、必要时借助于Retsch技术有限公司的

XT)来确定。当颗粒大小由(例如显微镜、特别是电子显微镜)的2维图像确定时，优选考虑由所述2维图像得出的相应的直径(最大直径或等效直径)。

与最大直径垂直的直径(＝颗粒的连接线垂直于最大直径的两点的所有距离的上界)优选是最大直径(在3维中或特别是在由图像确定相应的直径时在关于投影平面的2维中)的至少0.1倍大、进一步优选至少0.5倍大、进一步优选至少0.7倍大和/或最大1.0倍大、优选最大0.9倍大。

在颗粒大小分布的情况下，所述颗粒大小分布可以是单模态的。然而，优选是双模态的或多模态的颗粒大小分布。如果存在双模态的颗粒大小分布，则颗粒大小分布的第一最大值优选处于至少5μm、进一步优选至少10μm和/或最大80μm、优选最大50μm并且第二最大值优选处于至少81μm、进一步优选至少100μm和/或最大300μm、最大260μm。备选地或附加地，在双模态的颗粒大小分布的情况下，两个最大值之间的距离可以是至少50μm和/或最大150μm和/或最大200μm。

优选地，(粉末状的)结构材料中的氧含量处于1000ppm之下，进一步优选800ppm之下。

特别优选地，热反射装置这样设置，使得所述热反射装置屏蔽制造设备的在运行制造设备期间运动的部件的至少一个区段。特别优选地，热反射装置屏蔽涂层单元的涂层臂的至少一个区段。由此，在这样的运动的部件中可以以优选的方式省去(主动)冷却部件(冷却装置)，所述冷却部件会与运动的部件一起运动。然后例如可以省去用于可运动的运行的用于冷却介质(流体)的对应的软管系统。这样的软管系统是相对较昂贵的并且形成误差源并且因此降低制造设备的可靠性。特别优选地屏蔽涂层单元的涂层臂的至少一个区段。进一步优选地，(至少基本上)给涂层臂的整个表面涂层。由此，可以减少未涂层的材料的面，经由所述面可以将热传递给驱动装置。在此认识到：特别是经由涂层臂将热朝涂层单元的驱动装置的方向引导，所述热然后又对于该驱动装置是有问题的。通过(直接)在涂层臂上的热反射装置可以减少这样的热传递。因此可以以简单的方式和方法实现坚实的制造设备。

在一种具体的实施方式中，所述热反射装置屏蔽所述至少一个涂层单元的至少一个区段、特别是所述至少一个涂层单元的驱动装置的至少一个区段。由此能够实现：对于驱动装置本身可以使用如下结构和/或材料，所述结构和/或材料在耐热性方面相比于没有热反射装置的构造较少耗费。这可以有针对性地保护涂层单元或者说其驱动装置。

优选地，所述热反射装置屏蔽工艺腔壁和/或使所述工艺腔分开的分隔壁的至少一个区段。工艺腔壁在上下文中优选理解为(至少基本上竖直延伸的)侧壁，然而在此也可以为顶壁。在这样的壁上，可以以相对简单的方式和方式施加热反射装置，由此可以以简单的方式和方法保护制造设备的部件。

热反射装置优选(至少局部、必要时完全)设置在结构区的水平的上方。由此，可以实现有效保护，以防由结构区发射的热。

所述涂层单元、特别是涂层单元的一个(所述)驱动装置优选部分地设置在特别是侧向的分隔壁、特别是分隔板材后面。所述热反射装置优选至少局部地屏蔽所述分隔壁，进一步优选至少局部地、特别是直接地施加到所述分隔壁上。由此，可以以简单的并且可靠的方式和方法保护涂层单元、特别是其驱动装置，以防过高的温度。热反射装置可以间接或直接与相应的要屏蔽的区段连接。

所述热反射装置优选材料锁合地与相应的要屏蔽的区段连接。

侧向的分隔壁优选理解为制造设备的上壁或顶部与底部之间的任何壁(其不形成外壁)。这样的壁可以基本上竖直地延伸。具体而言，所述侧壁可以为靠近结构区的和/或背侧的侧(靠近结构区以如下意义内，即靠近结构区的侧壁是与结构区最靠近的或至少比相邻的侧壁靠近的侧壁)。背侧特别是通过如下方式定义，即所述背侧与“前侧”最远地远离(或者说对置)，所述前侧可以再次优选通过可封闭的开口(特别是必要时可偏转的门)定义。在这里提到的分隔壁可以为第一分隔壁。还可以设置有其他的、例如第二(特别是进一步在下面提到的第二)分隔壁。

所述热反射层的层厚度为优选至少5nm、进一步优选至少10nm、进一步优选至少50nm、必要时至少100nm和/或最大10μm、优选最大1μm、进一步优选最大500nm、进一步优选最大200nm。

至少一个或全部的热反射装置的(暴露)表面可以为至少10cm²、优选至少100cm²、进一步优选至少1000cm²和/或最大10000cm²、优选最大5000cm²。暴露表面特别是理解为热反射装置的这样的表面，(在运行中)热辐射射到所述表面上。这样的暴露表面特别是可以与在工艺腔内部的气体处于接触。

热反射装置的一个(所述)暴露表面为在工艺腔内部的至少一个壁(例如侧壁)或构件的、特别是涂层臂的整个暴露表面的优选至少5％、进一步优选至少20％、还进一步优选至少50％和/或至少(大致精确)100％或必要时小于100％、必要时最大90％。

热反射装置一般可以施加在一个、两个或更多个壁上。然而，在一种实施方式中，热反射装置仅设置在一个(侧)壁、即(这然而不是强制的)后面的(背侧的)(分开)壁上。

所述热反射装置的材料优选至少部分地包括：至少一种金属或至少一种金属合金，优选包括Al、Ni、Cr、Fe、Au、Ag和/或Pt，特别优选包括Au和/或Ag。相应的金属、特别是贵金属(组合或本身)、优选金可以至少10重量％、优选至少50重量％、必要时至少90重量％或至少98重量％被包含。

所述相应区段的屏蔽可以至少部分地通过如下方式进行，即，优选通过材料锁合施加、例如蒸发和/或喷涂和/或刮抹和/或浸入和/或电镀和/或粘接向所述相应区段上施加热反射层、特别是涂层。

层特别是理解为如下装置，该装置面状地设置在要屏蔽的区段上。在此，例如可以为施加到区段上和/或绕区段缠绕的膜。涂层是层的特别情况。涂层特别是应在如下情况存在，即，热反射材料的层(大)面状地、特别是全表面地与要屏蔽的区段连接。

例如由金构成的热反射层(涂层)可以在增附剂层上优选以大于2nm和/或小于100nm、优选小于5nm(例如包括Ni和/或Cr)的层厚度施加。为了激活要以热反射层(涂层)、例如金涂层的表面，可以进行预处理、特别是等离子预处理。

必要时可以存在要屏蔽的区段与热反射装置之间的例如至少0.lμm和/或最大100mm、优选最大10mm的距离。然而优选的是：热反射装置(层)直接贴靠在要屏蔽的区段上。

热反射装置的(暴露)表面优选被抛光和/或具有优选小于1μm、进一步优选小于500nm的(平均)粗糙度(优选按照ISO1302：2002)。

在5μm的假定的波长以及射到热反射装置(层)上的(热)辐射的假定的垂直的入射角时，热反射装置优选应(至少局部地)具有至少80％、进一步优选至少90％、还进一步优选至少95％、还进一步优选至少99％的反射比(反射强度与入射强度的之间的比例)。即使可以(在运行中)实现这样的波长以及还有垂直的入射角，这些值在这里首先仅用于确定或者说确定反射比。所述反射比可以与实际上存在的波长和实际上存在的入射角有关地有所不同。然而例如在金中，反射也从(至少大约)1μm起(至少基本上)与波长无关。

至少一个(主动)冷却装置优选这样设置，使得所述(主动)冷却装置与垂直于所述热反射装置的至少一个(暴露)表面区段的至少一条线相交。优选地，这个条件适用于热反射装置的整个(暴露)表面的至少50％、还进一步优选用于至少80％、必要时至少95％。由此，可以特别有效地导出由热反射装置反射的热。

至少一个(主动)冷却装置可以相对于热反射装置特别是设置在与热反射装置的至少一个区段相对置的壁中或上。由此，也可以以有效的方式和方法导出由热反射装置反射的热。

在设置(布置)有热反射装置的壁上、特别是在与设置或布置有(主动)冷却装置的另一个壁对置的壁上必要时可以不设置(主动)冷却装置。由此，可以以相对少的构件实现有效冷却。具体而言，所述两个壁的一个壁可以通过热反射装置保护，所反射的热(和其余的热量或热)可以由对置的壁有效地吸收。然而，在一种备选实施方式中，在这样的壁上也可以设置有(主动)冷却装置，在该(主动)冷却装置上设置有热反射装置(涂层)。

在实施方式中，至少一个(主动)冷却装置可以设置在至少一个、优选靠近结构区的侧向区域中、优选在与所述热反射装置的至少一个区段对置的(前)侧向区域中、优选在门上和/或中。由此，可以特别有利地导出(反射的)热。靠近结构区的侧向区域特别是理解为比至少两个另外的侧向区域更靠近结构区的侧向区域和/或与涂层臂的运动方向平行地延伸的侧向区域和/或不与结构区通过储存和/或收集容器分开的侧向区域。门可以具有(透明的)开口(窗口)。如果在门中集成或在那里设置有(主动)冷却装置，则(透明的)开口可以是(主动)冷却装置的部分或由其包围。

至少一个(主动)冷却装置可以在顶部区域中、优选在悬挂的顶部中或下方或定义这样的顶部地设置。由此，也可以以有效的方式和方法导出热，特别是当所述热由在侧壁(特别是背侧的侧壁)上的热反射装置反射时。特别是来自结构区的热辐射可以由此有效地导出，所述热辐射然后经由在侧壁(特别是背侧的侧壁)上设置的热反射装置朝(必要时悬挂的)顶部的方向反射。

在备选实施方式中，至少一个(主动)冷却装置可以设置在与所述热反射装置不对置的和/或不具有热反射装置的至少一个侧向区域中。

至少一个(主动)冷却装置、特别是冷却板可以作为单独的模块存在，所述模块优选在腔(外)壁或分隔壁的内面上或与其隔开间距地装配或能装配。所述装配优选可逆(在装配经由可松脱的、必要时可手动松脱的紧固装置进行的意义中)。以这种方式和方法，可以特别简单地实施对(现有的)制造设备的配备或扩充或加装备。

至少一个(主动)冷却装置优选在冷却板和/或冷却壁中或上可以具有至少一个流体通道，所述流体通道能由冷流体、特别是冷却液穿流。所述流体通道可以(至少局部)具有圆的或椭圆形的或矩形的、特别是方形的横截面。横截面积(垂直于流动方向)可以至少局部为至少0.05cm²、优选至少0.4cm²和/或最大8cm²、优选最大2cm²。

可以设置有两个或更多个冷却回路，所述冷却回路必要时分别具有自身的(流体)入口和/或(流体)出口(特别是作为相同的(主动)冷却装置的组成部分、特别是冷却板)。第一冷却回路冷却特别是靠近结构区的中间区域。具体而言，第一冷却回路可以(必要时完全)处于如下区域内部，该区域与(主动)冷却装置(冷却板)的(竖直的)侧向边缘具有(优选沿水平方向)长度的至少10％、优选至少20％、必要时至少30％的距离。备选地或附加地，第一冷却回路可以延伸直到结构区的水平和/或直到冷却装置/冷却板的下端部。第二冷却回路可以设置用于冷却板的外部区域和/或(至少部分地、例如U形构造地)绕第一冷却装置设置。通过这样的分开，可以特别有效地冷却靠近结构区的中间部分。(外部的)第二冷却回路的出口必要时可以与第一冷却回路的入口连接并且因此首先冷却外部区域并且然后冷却中间部分。按照一种独立的(改进的)发明思想则提出冷却板内部的至少两个冷却回路，第一冷却回路设置在第二冷却回路内部(从而经由第一冷却回路可以特别有效地冷却靠近结构区的区域)。

一般地，(必要时唯一的)冷却回路的入口和出口可以在相应的冷却装置(冷却板)上这样设置，使得首先穿流靠近结构区的区域和/或中间区域(冷却流体变热)并且之后才对冷却装置(冷却板)的外部区域进行冷却。由此，在那里可以抽出大多数的热，在那里也吸收大多数的热并且因此提高效率。

在至少一个(主动)冷却装置、特别是冷却板内部可以设置有(透明的)开口。由此，尽管存在设置的冷却装置，仍可以至少部分地看清工艺腔的内部。这简化制造设备的运行。

门中的(透明的)开口(窗口)可以相对小地构造，从而所述门可以同时容纳冷却装置或者说可以构造为冷却装置。对应的(透明的)开口可以为门面的小于20％、必要时小于10％和/或按照面积小于冷却装置的0.5倍、优选小于其0.2倍。

至少一个(主动)冷却板可以一件式或必要时多件式地构造。多件式的构造简化或能实现对特别是(现有的)制造设备的加装备。冷却板的零件例如可以通过开口(例如门)引入并且在工艺腔内部然后连接成组装的冷却板。至少一个(主动)冷却板例如可以由至少两个或至少三个、必要时至少四个可组装的零件构成。

(相应的)冷却板优选至少基本上覆盖相应的壁的整个面，在该壁上设置有冷却板(必要时除去用于制造设备、特别是结构区的内部的光学控制的开口)。由此，(特别是在边缘区域中)可以抑制或至少减少涡流，这有利地作用于工艺腔内部的气流。

此外，可以设置有至少一个(第二、特别是上面的)分隔壁并且所述分隔壁这样设置，使得经界定的间隙构造在顶部区域中。

所述分隔壁优选具有至少一个开口(特别是在光学的和/或发热装置的区域中)。

在所述间隙中和/或在所述分隔壁中和/或上优选设置有至少一个光学装置、特别是相机。经由所述相机，优选可以检测工艺腔的内部、优选至少结构区。为此(第二)分隔壁优选具有一个对应的开口或多个开口。这样的光学装置可以通过配置给(第二)分隔壁的或集成到其中的(主动)冷却装置爱冷却或者具有(自身的)、必要时主动的冷却装置。

在所述间隙中和/或在(第二)分隔壁中和/或上可以优选设置有至少一个发热装置、特别是加热辐射器。作为加热辐射器或者说加热元件优选使用至少一个基于激光的元件，例如包括至少一个对应的激光二极管阵列，特别是基于VCSEL(竖直腔面发射激光器，Vertical Cavity Surface Emitting Laser)。这样的元件从小的面出发产生非常强烈地对准的辐射。在此，各个激光元件可以有针对性地能操控或被操控，由此可以非常良好地控制在结构区表面上的辐射分布和因此温度。发热装置优选这样配置，使得能实现结构区或在那里设置的结构材料(特别是通过热辐射)的升温。在这种情况下，分隔壁包括优选至少一个对应的开口，从而来自发热装置的辐射可以延伸穿过(第二)分隔壁。这样的发热装置(特别是加热辐射器)也可以具有(自身的)、必要时主动的冷却装置和/或通过配置给(第二)分隔壁的冷却装置来冷却。

必要时，所述分隔壁可以是(主动)冷却装置。备选地或附加地，(在分隔壁下方)可以设置有(主动)冷却板。

一般而言，一种(所述)工艺气体可以特别是主动地降低温度。为此，例如可以提供冷源(或者说热沉)和/或制冷的(或者说散热的)热泵。

在一种实施方式中，设置有导流装置并且所述导流装置这样配置，使得所述间隙能以流体、特别是气体、优选工艺气体穿流。由此，可以以简单的方式进行对在那里设置的构件(例如光学装置和/或发热装置)的冷却和/或热屏蔽。为此，工艺气体必要时可以在流入到间隙中之前(主动地)降低温度。间隙中的元件优选通过工艺腔的上部区域中的气体流入而溢出。气体流出优选与竖直地在结构区上延伸的气流一起进行。经冷却的气体的导入可以附加地用于降低工艺腔中的温度。

在实施方式中，用于工艺气体的至少一个(另外的)入口可以构造在冷却盖上方。由此，气体可以从上面向工艺腔中经由经冷却的盖向下朝过程区和/或气体出口的方向流动。除了冷却作用，在这里优选附加地产生截止流，该截止流阻止或至少抑制：热气体上升和/或焊接飞溅和/或蒸发产物向上例如到达传感器、过程激光器的透镜、加热模块和/或相机(等)上。

工艺气体(保护气体)的氧含量优选为1000ppm之下、进一步优选500ppm之下或300ppm之下或100ppm之下和/或10ppm之上、必要时50ppm之上。所使用的激光的功率可以是50瓦至350瓦。扫描速度可以为800mm/s至3500mm/s。口(Hatch)距离可以为20μm至160μm。构造平台的下降行程可以为20μm至120μm。激光的曝光路径的长度可以为大于10mm。

曝光策略如棋盘-曝光、交替填充(首先填充多个子域的每第二个区域，然后填充缺口)和/或曝光图案的特定旋转角是可设想的，特别是以便降低内应力。

按照本发明的另一方面，提出一种用于运行上述类型的用于通过层式地施加并且局部选择性地加固结构材料来增材制造三维构件的制造设备的方法。改进的方法步骤从对制造设备的描述、特别是在那里解释的功能特征得出。在所述方法中可以将所述结构区至少局部地预热到至少300℃、优选至少500℃、进一步优选至少700℃、必要时至少900℃或至少1200℃。

按照本发明的另一方面，提出一种用于制造上述类型的用于通过层式地施加并且局部选择性地加固结构材料来增材制造三维构件的制造设备的方法，其中，提供(现有的)制造设备，所述制造设备用于通过层式地施加并且局部选择性地加固结构材料来增材制造三维构件并且装备或加装备有优选首先单独提供的至少一个热反射装置和/或装备或加装备有优选首先单独提供的至少一个主动冷却设备模块、优选冷却板。

按照本发明的另一方面，提出一种成套设备(结构组)，所述成套设备(结构组)包括(特别是上述类型的)用于通过层式地施加并且局部选择性地加固结构材料来增材制造三维构件的制造设备以及优选形式为冷却板的(单独的)主动冷却装置模块。

本发明的其他实施方式由从属权利要求得出。

附图说明

下面借助实施例描述本发明，借助所述图像详细解释所述实施例。在这里：

图1以水平剖视图示出用于增材制造三维构件的制造设备的示意图；

图2以水平剖视图示出按照本发明的用于增材制造三维构件的制造设备的示意图；

图3以垂直剖视图示出按照图2的制造设备；

图4以垂直剖视图示出按照本发明的覆盖冷却板；

图5以从上面的视图示出按照本发明的覆盖冷却板；

图6示出按照本发明的冷却板的一种实施方式的示意图；并且

图7示出按照本发明的冷却板的另一种实施方式的示意图。

具体实施方式

在后续描述中，对于相同的和起相同作用的部分使用相同的附图标记。

图1以示意性水平剖视图示出优选构造为激光烧结或激光熔化设备的用于增材制造三维构件的制造设备。所述制造设备包括用于(粉末状的)结构材料的储存容器10、结构区11和收集容器12。此外，设置有涂层单元13，所述涂层单元具有涂层臂14以及驱动装置15，所述驱动装置包括马达16。照射单元9点虚线地并且纯示意性地示出。照射单元优选包括至少一个激光器。

驱动装置15将涂层臂14移动经过储存容器10、结构区11和收集容器12和并且此时施加(新的)层结构材料。工艺腔17从外部(在前面)经由(特别是可偏转的)门18是可进入的。驱动装置15(包括马达16在内)相对于工艺腔17的具有结构区11的区域通过分隔壁19(优选形式为覆盖板材)分开。分隔壁19可以阻止或至少减少在制造过程期间对驱动装置15的污染。

图2以示意性水平剖视图示出按照本发明的、优选构造为激光烧结或激光熔化设备的制造设备的图示(类似图1)。按照本发明的制造设备对应于按照图1的制造设备，该制造设备具有在下面描述的附加特征。分隔壁19(覆盖板材)以热反射层20a覆盖。热反射层20a与工艺腔17内部的工艺气体接触。类似地，涂层臂14以热反射层20b覆盖。包括马达16在内的驱动装置15由此保持防止相对高的温度(而不需要在这个区域中设置的主动冷却)。

在门18的内侧21上安装有(前)冷却板22a。在连接前侧23和背侧24的侧25、26上设置有(侧向的)冷却板22b、22c。

图3示出通过按照本发明的制造设备的示意性垂直剖视图。在这里，又能看到储存容器10、结构区11以及收集容器12。结构区11的区域中的(加固的)结构材料28可以通过构造平台29下降。为此，设置有(竖直)驱动装置30。储存容器10也可以关于其高度(经由对应的驱动装置)可调节。

在结构平面31上方，在(侧)壁32、33上能看到(侧向的)冷却板22b、22c。涂层臂14在按照图3的状态中处于收集容器12上方并且在结构平面31上方运动。此外在图3中能看到(构造分隔壁的)(覆盖)冷却板22d。通过(覆盖)冷却板22d界定工艺腔17内部的间隙38。

在(覆盖)冷却板22d中设置有开口34。一个开口34处于光学单元35下方，另一个开口处于相机36下方(也参见图5)。其他开口34分别处于加热辐射器37下面。经由加热辐射器37可以(倾斜地)照射结构区11。在这个意义中，加热辐射器37则倾斜定向。备选地或附加地，可以设置有一个或多个透镜，以便将加热辐射器37的热辐射对准到结构区11上。

(覆盖)冷却板22d可以(附加地)通过(经冷却的)气体、特别是工艺气体冷却或溢出。为此，在冷却板22d上方设置有入口39。由此，还可以至少部分地消除在制造过程期间出现的污物。所述气体在此环流光学单元35、相机36和加热辐射器37。气体出口(在所述图中不能看到)可以在结构区高度上结束(与结构区11的气体溢出一起；未示出)。

图4示出一种具有(集成的)加热辐射器37的(覆盖)冷却板22d的实施方式。加热辐射器37可以通过倾斜的装配面对准到结构区11上和/或光路可以通过(光学的)透镜对准到结构区11上。对加热辐射器37的冷却必要时可以经由在(覆盖)冷却板22d中的(单独的)冷却装置40(冷却回路)进行和/或借助于用于(覆盖)冷却板22d的冷却装置(冷却回路)进行。

图5从上面示出按照本发明的(覆盖)冷却板22d的视图。在这里能看到用于相机36和光学单元35的开口34。此外示出加热辐射器37的布置结构，所述加热辐射器包围用于光学单元的开口。具体而言在这里构造十二个加热辐射器37，然而可以设置或多或少的加热辐射器37。

此外能看到：(覆盖)冷却板22d包括两个部分41、42。所述部分41、42可以在预装配状态中彼此分开地存在并且然后(共同)在装配状态中构造(覆盖)冷却板22d。通过这样的两体式的(一般地多体式的)实施方式可以简化对(现有的)制造设备的加装备。

图6示出具有冷却回路43的冷却板22(例如冷却板22a)的示意性剖视图，所述冷却回路穿过整个冷却板22。经由入口44，冷却介质(流体、特别是液体)引入并且经由出口45引出。

在冷却板22中设置有切口(窗口)46，通过所述切口可以观察结构区11。

在一种按照图7的不同的实施方式中，(特别是为前侧的冷却板22a)设置有两个冷却回路43a、43b。第一冷却回路43a特别是冷却具有(自身的)入口44a以及自身的出口45a的靠近结构区的中间区域。此外，设置有用于冷却板22的外部区域的第二冷却回路43b并且所述第二冷却回路具有(自身的)入口44b和出口45b。通过这样的分开，可以特别有效地冷却靠近结构区的中间部分。此外可能的是：将(外部的)第二冷却回路43b的出口45b与第一冷却回路45a的入口44a连接并且因此首先冷却外部区域并且然后冷却中间部分。

在这里要指出：上面描述的所有部分本身单独地观察并且以每种组合、特别是在附图中示出的细节作为对本发明是重要的要求权利。由此的修改对本领域技术人员是可以想到的。

附图标记列表

9 照射单元

10 储存容器

11 结构区

12 收集容器

13 涂层单元

14 涂层臂

15 驱动装置

16 马达

17 工艺腔

18 门

19 分隔壁(覆盖板材)

20a 热反射层

20b 热反射层

21 内侧

22a 冷却板

22b 冷却板

22c 冷却板

22d 冷却板

23 前侧

24 背侧

25 侧

26 侧

28 结构材料

29 构造平台

30 (垂直)驱动装置

31 结构平面

32 侧壁

33 侧壁

34 开口

35 光学单元

36 相机

37 加热辐射器

38 间隙

39 入口

40 冷却装置

41 第一部分

42 第二部分

43 冷却回路

43a 冷却回路

43b 冷却回路

44 入口

44a 入口

44b 入口

45 出口

45a 出口

45b 出口

46 切口。

Claims (17)

1.制造设备，所述制造设备用于通过借助于至少一个涂层单元(13)层式地施加并且借助于至少一个照射单元(9)局部选择性地加固结构材料来增材制造三维构件，所述制造设备包括具有至少一个热反射装置、特别是热反射层(20a、20b)的工艺腔(17)，所述热反射装置屏蔽所述工艺腔(17)内部的表面的至少一个区段。

2.按照权利要求1所述的制造设备，其特征在于，设置有至少一个主动冷却装置，所述主动冷却装置特别是包括至少一个冷却板(22a-22d)和/或冷却壁。

3.按照权利要求2所述的制造设备，其特征在于，所述热反射装置(20a)屏蔽工艺腔壁的和/或使所述工艺腔分开的分隔壁(19)的至少一个区段，所述至少一个主动冷却装置与所述热反射装置相对地设置。

4.按照权利要求2或3所述的制造设备，其特征在于，所述热反射装置(20a)屏蔽工艺腔壁的和/或使工艺腔分开的分隔壁(19)的至少一个区段，所述至少一个主动冷却装置设置成，使得所述主动冷却装置与垂直于所述热反射装置的至少一个表面区段的至少一条线相交。

5.按照上述权利要求中任一项所述的制造设备，其特征在于，所述热反射装置(20b)屏蔽所述制造设备的在运行所述制造设备期间运动的部件的至少一个区段、特别是所述涂层单元(15)的涂层臂(14)的至少一个区段。

6.按照上述权利要求中任一项所述的制造设备，其特征在于，所述热反射装置(20a)屏蔽所述至少一个涂层单元(13)的至少一个区段、特别是所述至少一个涂层单元(13)的驱动装置(15)的至少一个区段。

7.按照上述权利要求中任一项所述的制造设备，其特征在于，所述热反射装置(20a)屏蔽工艺腔壁的和/或使工艺腔分开的分隔壁(19)的至少一个区段。

8.按照上述权利要求中任一项所述的制造设备，其特征在于，所述涂层单元(13)、特别是所述涂层单元的驱动装置(15)部分地设置在特别是侧向的分隔壁(19)、特别是分隔板材后面，所述热反射装置(20a、20b)优选至少局部地屏蔽所述分隔壁(19)，进一步优选至少局部地、特别是直接地施加在所述分隔壁(19)上。

9.按照上述权利要求中任一项所述的制造设备，其特征在于，所述热反射装置(20a、20b)材料锁合地与要屏蔽的相应区段连接和/或所述热反射装置(20a、20b)间接或直接与要屏蔽的相应区段连接。

10.按照上述权利要求中任一项所述的制造设备，

其特征在于，所述热反射层(20a、20b)的层厚度为至少10nm、优选至少50nm、必要时至少100nm和/或最大10μm、优选最大1μm、进一步优选最大500nm、进一步优选最大200nm，和/或

其特征在于，

所述热反射装置的材料至少部分地包括：至少一种金属或至少一种金属合金，优选包括Al、Ni、Cr、Fe、Au、Ag和/或Pt，和/或

其特征在于，所述相应区段的屏蔽至少部分地通过如下方式进行，即，优选通过材料锁合地施加、例如蒸发和/或喷涂和/或刮抹和/或浸入和/或电镀和/或粘接向所述相应区段上施加热反射层(20a、20b)、特别是涂层。

11.按照上述权利要求中任一项所述的制造设备，其特征在于，至少一个主动冷却装置设置成，使得所述主动冷却装置与垂直于所述热反射装置的至少一个表面区段的至少一条线相交和/或与所述热反射装置相对地设置。

12.按照上述权利要求中任一项所述的制造设备，其特征在于，至少一个主动冷却装置设置在至少一个侧向区域中、优选在与所述热反射装置的至少一个区段对置的侧向区域中、优选在门上和/或中。

13.按照上述权利要求中任一项所述的制造设备，其特征在于，至少一个主动冷却装置设置在顶部区域中、优选在悬挂的顶部中或下方。

14.按照上述权利要求中任一项所述的制造设备，

其特征在于，

至少一个主动冷却装置设置在与所述热反射装置不对置的和/或不具有热反射装置的至少一个侧向区域中，和/或

至少一个主动冷却装置、特别是冷却板作为单独的模块存在，所述模块优选装配或能装配在腔壁的内面上，和/或

至少一个主动冷却装置优选在冷却板和/或冷却壁中或上具有至少一个流体通道，所述流体通道能由冷流体、特别是冷却液穿流，和/或

在至少一个主动冷却装置内部设置有透明的开口、特别是切口(46)。

15.按照上述权利要求中任一项所述的制造设备，

其特征在于，

设置有至少一个、特别是上面的、必要时构造为冷却壁或冷却板(22d)的分隔壁并且所述分隔壁设置成，使得经界定的间隙(38)构造在顶部区域中，

在所述间隙(38)中和/或在所述分隔壁中和/或上优选设置有至少一个光学装置(35)、特别是相机(36)，和/或

在所述间隙(38)中和/或在所述分隔壁中和/或上优选设置有至少一个发热装置、特别是加热辐射器(37)，和/或

设置有导流装置并且所述导流装置配置成，使得所述间隙(38)能以流体、特别是气体、优选工艺气体穿流，和/或

所述分隔壁特别是在光学装置和/或发热装置的区域中具有至少一个开口(34)。

16.用于通过层式地施加并且局部选择性地加固结构材料来增材制造三维构件的按照上述权利要求中任一项所述的制造设备的运行。

17.用于制造用于通过层式地施加并且局部选择性地加固结构材料来增材制造三维构件的按照上述权利要求1至15中任一项所述的制造设备的方法，

其中，提供制造设备，所述制造设备用于通过借助于至少一个涂层单元层式地施加并且借助于至少一个照射单元局部选择性地加固结构材料来增材制造三维构件并且装备或加装备有优选首先单独提供的至少一个热反射装置和/或装备或加装备有优选首先单独提供的至少一个主动冷却装置模块、优选冷却板。

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