CN114126787A - 用于生产多材料工件的方法和装置 - Google Patents

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克里斯多夫·施滕格尔
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Abstract

在用于生产三维工件(12)的方法中，将第一原料粉末(50)施加在基板(18)上，以生产由第一原料粉末(50)组成的原料粉末层。用电磁辐射或粒子辐射选择性地辐照由第一原料粉末(50)组成的原料粉末层，以由第一原料粉末(50)生产固化的第一工件层部分(52)。随后从基板(18)上移除未固化的第一原料粉末(50)。在下一个步骤中，将第二原料粉末(54)施加在基板(18)上，以生产与第一工件层部分(52)相邻的由第二原料粉末(54)组成的原料粉末层部分。用电磁辐射或粒子辐射来选择性地辐照原料粉末层部分，以由第二原料粉末(54)生产与第一工件层部分(52)相邻的固化的第二工件层部分(56)。加热未固化的第二原料粉末(54)，以由第二原料粉末(54)生产与第一工件层部分(52)和第二工件层部分(56)相邻的连续的多孔烧结层部分(58)。

Description

用于生产多材料工件的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于通过增材分层方法由多于一种的材料生产三维工件的方法。本发明还涉及一种用于生产这种三维工件的装置。
背景技术
在用于生产三维工件的增材方法中，特别是在增材分层方法中，已知将最初不成形形状或中立形状的模制化合物(例如原材粉末)分层地施加到基板上，并通过位置特定的辐照使模制化合物固化，以便最终获得所需形状的工件。辐照可以通过电磁辐射进行，例如以激光辐射的形式进行。模制化合物最初可以作为颗粒、粉末或液体模制化合物以起始状态存在，并且可以作为辐照的结果选择性地或以另一种方式表示的位置具体地固化。模制化合物可以包括例如陶瓷、金属或塑料材料，以及它们的材料混合物。在被称为粉末床熔融的增材分层方法的一个变型中，金属和/或陶瓷原料粉末材料被固化，以形成三维工件。
为了生产单个工件层，还已知的是，将呈原料粉末层形式的原料粉末材料施加到基板上，并根据当前要生产的工件层的几何形状来选择性地辐照该原料粉末材料。例如作为加热的结果，激光辐射穿透原料粉末材料并使该原料粉末材料固化，这导致熔融和/或烧结。一旦工件层被固化，新的未加工的原料粉末材料层被施加到已经生产的工件层上。可为此使用已知的涂覆器装置或粉末施加装置。然后，对现在最顶层的且尚未加工的原料粉末层进行重新辐照。因此，工件逐层连续地建立，每一层限定工件的横截面积和/或轮廓。在这个背景下，还已知的是，访问CAD或类似的工件数据，以大致自动地生产工件。
例如，在EP 2 961 549 A1和EP 2 878 402 A1中可以找到用于生产三维工件的已知装置。这些文献中所描述的装置各自包括载体，该载体可以沿着竖直方向逐层向下降低。然后，在这些已知的装置中，当一层原料粉末被完全辐照时并在下一层粉末被施加之前，然后总是发生载体的对应竖直运动。随着增材分层方法在复杂部件的工业制造中的使用越来越多，对便于生产多材料工件的方法的要求也越来越高。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种便于生产高质量的多材料工件的方法和装置。
该目的通过具有权利要求1的特征的方法和具有权利要求10的特征的装置来实现。
在用于生产三维工件的方法中，将第一原料粉末施加到基板上，以生产由第一原料粉末组成的原料粉末层。用电磁辐射或粒子辐射选择性地、特别是位置选择性地辐照由第一原料粉末组成的原料粉末层，以由第一原料粉末生产固化的第一工件层部分。然后，固化的第一工件层部分位于基板上，该固化的第一工件层部分被未固化的、松散的第一原料粉末围绕。如果需要或必要，在选择性地辐照由第一原料粉末组成的原料粉末层时，可以生产彼此分开形成的多个第一工件层部分，多个第一工件层部分可以任意分布地设置在基板上，并且可以嵌入到未固化的第一原料粉末的周围层中。
然后从基板上移除未固化的第一原料粉末。特别地，从基板的未被第一工件层部分覆盖的区域中移除未固化的第一原料粉末。例如，可以通过抽吸提取未固化的第一原料粉末或以其他方式从基板上移除未固化的第一原料粉末，并且如果适用，还可以从容纳基板的加工室中移除未固化的第一原料粉末。然后，仅第一工件层部分仍然位于基板上。
在下一个步骤中，现在将第二原料粉末施加到基板上，以生产与第一工件层部分相邻的由第二原料粉末组成的原料粉末层部分。换言之，将第二原料粉末至少施加到基板的未被第一工件层部分覆盖的区域中，使得在施加第二原料粉末之后，由第二原料粉末组成的原料粉末层部分围绕第一工件层部分。因此，在此术语“相邻”被理解为，由第二原料粉末组成的原料粉末层部分和第一工件层部分相对于基板彼此紧挨地设置，而不是在基板上一个在另一个之上地设置。优选地，在将原料粉末层部分施加到基板上之后，原料粉末层部分的背向基板的表面和第一工件层部分的背向基板的表面彼此大致共面地设置。
优选地，第二原料粉末由与一个或多个第一原料粉末的材料不同的材料组成。例如，第一原料粉末和第二原料粉末可以分别是金属粉末和金属合金粉末。然而，替代地，也可以想到，第一原料粉末和/或第二原料粉末由陶瓷材料或塑料材料组成。
现在，由第二原料粉末组成的原料粉末层部分与前述由第一原料粉末组成的原料粉末层一样，用电磁辐射或粒子辐射选择性地、特别是位置选择性地辐照由第二原料粉末组成的原料粉末层部分，以由第二原料粉末生产与第一工件层部分相邻的固化的第二工件层部分。在此术语“相邻”再次被理解为，第一工件层部分和第二工件层部分相对于基板彼此紧挨地设置，而不是在基板上一个在另一个之上地设置。特别地，在选择性地辐照由第二原料粉末组成的原料粉末层部分之后，第二工件层部分的背向基板的表面和第一工件层部分的背向基板的表面彼此大致共面地设置。
当将第二原料粉末施加到基板上时，不排除第二原料粉末也将至少少量地位于第一工件层部分上。然而，在选择性地辐照由第二原料粉末组成的原料粉末层部分期间，基板的由第一工件层部分占据的区域不被辐照，使得该第二原料粉末不固化，并且例如在选择性地辐照由第二原料粉末组成的原料粉末层部分之后可以移除该第二原料粉末。例如，粉末可以通过刷子或通过通过抽吸提取来手动地或自动地移除。
用于辐照施加到基板上的原料粉末层的辐照单元可以包括至少一个光学元件。光学元件可以例如是扫描单元、聚焦单元和/或F-θ透镜。此外，辐照单元可以包括辐射源，例如电子光束源或激光器。然而，由辐照单元发射的辐射也可以通过光束源供给到辐照单元，该光束源位于辐照单元的外部。例如，为此可以使用镜子、光纤和/或其他光导体。
在选择性地辐照由第二原料粉末组成的原料粉末层部分之后，固化的第一工件层部分和固化的第二工件层部分位于基板上，第一固化的工件层部分和第二固化的工件层部分被未固化的、松散的第二原料粉末围绕。如果需要或必要，在选择性地辐照由第二原料粉末组成的原料粉末层部分时，也可以生产彼此分开形成的多个第二工件层部分，多个第二工件层部分可以任意分布地设置成在基板上与至少一个第一工件层部分相邻，并且可以嵌入到未固化的第二原料粉末的周围层中。
最后，在用于生产三维工件的方法中，加热在位置选择性地辐照由第二原料组成的原料粉末层部分之后剩余的未固化的第二原料粉末，以与第一工件层部分和第二工件层部分相邻地生产由第二原料粉末制成的连续的多孔烧结层部分。在此术语“相邻”再次被理解为，第一工件层部分、第二工件层部分和烧结层部分相对于基板彼此紧挨地设置，而不是在基板上一个在另一个之上地设置。因此，在基板的既不被第一工件层部分覆盖也不被第二工件层部分覆盖的区域中生产烧结层部分。因此，未固化的第二原料粉末不像第一未固化的原料粉末那样从基板上移除，而是通过温度的影响形成连续层。
通过温度的作用由第二原料粉末生产的烧结层部分与通过位置选择性地辐照由第二原料粉末生产的第二工件层部分不同，特别是由于该烧结层部分降低了材料密度，即该烧结层部分的孔隙率高于第二工件层部分的孔隙率。然而，另一方面，烧结层部分大致不再包含任何单独的粉末粒子，即，第二原料粉末的最初以单独的粉末颗粒形式存在的至少绝大多数粉末粒子在烧结层部分中彼此结合，然而，仍然完全有可能识别最初的粉末粒子形式。烧结层部分和第二工件层部分可以容易地在光学上，即在显微镜检查的基础上彼此区分。此外，通过孔隙率检查可以区分烧结层部分和第二工件层部分。烧结层部分的孔隙率和第二工件层部分的孔隙率可以例如通过计算机断层摄影或通过根据EN ISO2738的孔隙率测量来确定。
在加热步骤完成时，固化的第一工件层部分、固化的第二工件层部分和围绕第一工件层部分和第二工件层部分的烧结层部分位于基板上。现在，可以将由第一原料粉末组成的另一个原料粉末层施加到该固体“基底”上，并且可以重复上述步骤，直到三维工件被逐层完全构建并具有所需形状。基板可以具有水平表面，可以将原料粉末分层地(即，水平层地)施加到水平表面上。此外，基板可以沿着竖直方向逐层向下降低。
这样，可以生产多材料工件，其中，由第一原料粉末和第二原料粉末生产的区域可以设置成以任何方式分布在工件中。此外，在该方法中，由于避免了将松散的原料粉末施加到位于该原料粉末下方的原料粉末层上，因此可靠地避免了两种原料粉末的混合。相反，总是将两种原料粉末中的每一种施加到固体“基底”上，通过基板在第一层中以及通过烧结层部分、固化的第一工件层部分和/或固化的第二工件层部分在位于上方的层中形成该固体“基底”。这样，可以生产高质量的多材料工件。
粉末施加装置可用于将第一原料粉末和第二原料粉末施加到基板上。粉末施加装置可包括辊、滑块或另一个适当的部件，该部件适于沿着水平方向在基板的表面或者已构建在基板上的层上行进并在这样做时施加新的粉末层，该基板的表面或者已构建在基板上的层由烧结层部分、固化的第一工件层部分和/或固化的第二工件层部分形成。
优选地，粉末施加装置适于将第一原料粉末和第二原料粉末均施加到基板上。适于将不同的原料粉末施加到基板上的粉末施加装置可以例如包括用于第一原料粉末和第二原料粉末的单独的粉末储存器。粉末储存器可与粉末施加装置的如下部件一体形成：该部件可在基板的表面上移动，并且在粉末施加装置的运行中同样可在基板的表面上移动。然后，可以通过适当的控制从粉末储存器中排出的粉末，将第一原料和第二原料全部或者位置选择性地施加到基板上。
然而，作为替代，粉末施加装置还可以包括固定的粉末储存器，这些固定的粉末储存器例如设置成与基板相邻，并且粉末施加装置的移动部件从该固定的粉末储存器中移除粉末，并将粉末分布在基板的表面上。粉末施加装置的移动部件可以包括喷嘴，例如，该喷嘴可以在基板上移动，以将第一原料粉末和第二原料粉末位置选择性地施加到基板上。
如果需要，在用于生产三维工件的方法中可以重复进行上述通过将第一原料粉末施加到基板上，随后用电磁辐射或粒子辐射选择性地辐照第一原料粉末，以及随后从基板上移除未固化的第一原料粉末来生产至少一个第一工件层部分的步骤。在此，也可以使用不同的第一原料粉末。，在将第二原料粉末在下一个步骤中施加到基板上，即施加到基板的未被第一工件层部分覆盖的区域中之前，可以以这种方式在基板上生产可以由相同的材料或不同的材料组成的多个第一工件层部分。
另外或作为替代，在用于生产三维工件的方法中可以重复进行上述通过将第二原料粉末施加到基板上，随后在加热未固化的第二原料粉末之前用电磁辐射或粒子辐射选择性地辐照第二原料粉末来生产第二工件层部分的步骤。然后，连续的多孔烧结层部分可以由一个在另一个之上地设置的多个原料粉末层部分生产为“块”。从而可以使生产多孔烧结层部分所需的时间最小化。
此外，可以仅加热未固化的第二原料粉末的一部分，以由第二原料粉末生产与第一工件层部分和第二工件层部分相邻的连续的多孔烧结层部分。例如，可以省略未固化的第二原料粉末的加热区域并因此省略烧结区域，这些区域在部件完成后被周围的结构占据。从而可以确保在部件完成之后可以完全地移除多孔烧结层部分。
优选地，第二原料粉末的材料具有比第一原料粉末的材料更低的熔化温度和/或更高的热导率。选择具有较低熔化温度和/或较高热导率的材料来生产烧结层部分使得可以使生产烧结层部分所需的能量和/或时间最小化。另外或作为替代，第二原料粉末的材料可以比第一原料粉末的材料更便宜。从而可以使用于生产烧结层部分的材料成本最小化。
优选地，用于生产烧结层部分的未固化的第二原料粉末被加热到低于第二原料粉末的材料的熔化温度的温度。从而确保未固化的第二原料粉末不发生液相烧结，而仅发生扩散控制的固态烧结过程。因此，可靠地避免了第二原料粉末在加热以生产烧结层部分期间的熔化。
加热未固化的原料粉末以生产连续的烧结层部分所需的时间根据第二原料粉末的材料特性和要生产的工件的几何形状而变化。一方面，用于对未固化的原料粉末进行加热的时间跨度应当足够长，以通过扩散控制的固态烧结过程由未固化的第二原料粉末生产连续的烧结层部分，该部分大致不包含其他单独的粉末粒子。由此，可靠地防止了在将下一层施加到烧结层部分时，第二原料粉末的颗粒对第一原料粉末的污染。然而，另一方面，时间跨度应该尽可能短，以使生产烧结层部分并且此外生产具有所需的孔隙率的烧结层部分所需的时间消耗最小化。
生产连续的烧结层部分所需的能量输入也根据第二原料粉末的材料特性和要生产的工件的几何形状而变化。当对钢粉末进行加工时，例如，生产钢的烧结层部分所需的能量输入大约为使钢粉末熔化所需的能量输入的50％。
烧结层部分的可通过计算机断层摄影或通过根据EN ISO 2738的孔隙率测量来确定的孔隙率可以为10％至20％，特别地，烧结层部分的可通过计算机断层摄影或通过根据EN ISO 2738的孔隙率测量来确定的孔隙率可以为10％至15％。然后，一方面可以以合理的时间和能量消耗来生产烧结层部分。另一方面，然后，如所期望的，烧结层部分中的单独的粉末粒子已经彼此结合，使得烧结层部分大致没有单独的粉末粒子。与此相反，第二工件层部分的可通过计算机断层摄影或通过根据EN ISO 2738的孔隙率测量来确定的孔隙率可以仅为0至5％，特别地，第二工件层部分的可通过计算机断层摄影或通过根据EN ISO 2738的孔隙率测量来确定的孔隙率可以为0至2％，使得由第二原料粉末生产的第二工件层部分在光学上和材料特性(例如，机械特性或电学特性)上与烧结层部分显著不同。
优选地，烧结层部分包含在其表面的区域中彼此结合的粉末颗粒，该粉末颗粒的形状和尺寸大致对应于第二原料粉末的粉末颗粒的形状和尺寸。换言之，优选地，控制用于生产烧结层部分的固态烧结过程，使得大致保持第二原料粉末的粉末颗粒的形状和尺寸，并且仅在彼此相邻的粉末颗粒之间的接触点处出现材料桥或所谓的烧结颈。
原则上可以想到，通过用电磁辐射或粒子辐射进行辐照来加热未固化的第二原料粉末。然而，优选地，通过加热设备来加热未固化的第二原料粉末，该加热设备与辐照设备分开形成，该辐照设备用于通过对施加到基板上的原料粉末层进行电磁辐射或粒子辐射来选择性地辐照。例如，加热设备可以包括激光二极管装置或辐射加热器，加热设备可以通过未固化的第二原料粉末的背向基板的表面将热能供给到未固化的第二原料粉末。另外或作为替代，加热设备还可以通过未固化的原料粉末的面向基板的表面将热能传导到未固化的第二原料粉末。热能可以通过热辐射和/或热传导供给。
例如，加热设备可以包括第一加热元件，该第一加热元件在容纳基板的加工室中设置在基板的上方。这种加热元件可以例如以热辐射的形式向未固化的第二原料粉末的背向基板的表面发射热能。另外或作为替代，加热设备可以包括第二加热元件，该第二加热元件特别用于向未固化的第二原料粉末的面向基板的表面发射热能。第二加热元件例如可以集成到基板中，或者在容纳基板的加工室外部设置在基板的下方。然后，第二加热元件可以加热基板，基板就其本身而言将热能传导到未固化的第二原料粉末。
优选地，从基板上移除的未固化的第一原料粉末被重复使用以生产三维工件。由于在此所描述的方法中尽可能避免第一原料粉末和第二原料粉末的混合，因此可以减少用于在原料粉末的重复使用之前使两种原料粉末分开的工作量。例如，从基板上移除的未固化的原料粉末可以直接供给到粉末回路，并经由粉末回路返回到加工室，并用于构建三维工件的其它层。替代地或除此之外，回收的未固化的第一原料粉末也可仅在用于生产另一个三维工件的未来构建过程中使用。在重复使用第一原料粉末以生产三维工件之前，第一原料粉末可以经受粉末制备过程并被分级，例如特别是被筛选。
优选地，在生产三维工件的生产过程完成时，通过分离过程将烧结层部分与完成的三维工件分开。例如，可以通过机加工过程将烧结层部分与完成的三维工件分开。在特别优选的实施例中，用于将烧结层部分与完成的三维工件分开的分离过程包括单颗化过程，通过该单颗化过程，包含在烧结层部分中并彼此结合的粉末颗粒再次彼此分开。如果如上所述地控制用于生产烧结层部分的固态烧结过程，使得第二原料粉末的粉末颗粒的形状和尺寸大致保持，并且烧结层部分包含第二原料粉末的仅在其接触点处彼此结合的单独的粉末颗粒，，则这特别是合理的。例如，也使包含在烧结层部分中的粉末颗粒的单颗化的分离过程是爆破过程。
在单颗化过程中生产的烧结层部分的单独的粉末颗粒可以在未来构建过程中重复使用以生产三维工件。在重复使用单独的粉末颗粒以生产三维工件之前，在分离过程中生产的烧结层部分的单独的粉末颗粒可以经受粉末制备过程并被分级，例如特别是被筛选。
用于生产三维工件的装置包括粉末施加装置，该粉末施加装置适于将第一原料粉末和第二原料粉末施加到基板上。该装置还包括辐照设备，该辐照设备适于用电磁辐射或粒子辐射选择性地辐照施加到基板上的原料粉末层。该装置的移除设备适于从基板上移除未固化的第一原料粉末。移除设备可以包括柔性软管，例如，该柔性软管连接到粉末输送设备，并且可以相对于基板手动地或自动地移动。该装置还包括加热设备，该加热设备适于加热施加到基板上的原料粉末层。用于对施加到基板上的原料粉末层进行加热的加热设备原则上可以由辐照设备形成，该辐照设备用于用电磁辐射或粒子辐射选择性地辐照施加到基板上的原料粉末层。然而，优选地，加热设备与辐照设备分开形成，该辐照设备用于用电磁辐射或粒子辐射选择性地辐照施加到基板上的原料粉末层。例如，加热设备可以包括激光二极管装置或辐射加热器。例如，可被设计为呈电子控制单元形式的控制单元适于控制装置的运行，特别是控制粉末施加装置、辐照设备、加热设备的运行，并且如果适用，还控制移除设备的运行。
特别地，控制单元适于控制装置的运行，使得通过粉末施加装置将第一原料粉末施加到基板上，以生产由第一原料粉末组成的原料粉末层，通过辐照设备用电磁辐射或粒子辐射选择性地辐照由第一原料粉末组成的原料粉末层，以由第一原料粉末生产固化的第一工件层部分，通过移除设备从基板上移除未固化的第一原料粉末，通过粉末施加装置将第二原料粉末施加到基板上，以生产与第一工件层部分相邻的由第二原料粉末组成的原料粉末层部分，通过辐照设备用电磁辐射或粒子辐射来辐照由第二原料粉末组成的原料粉末层部分，以由第二原料粉末生产与第一工件层部分相邻的固化的第二工件层部分，以及通过加热设备来加热未固化的第二原料粉末，以由第二原料粉末生产与第一工件层部分和第二工件层部分相邻的连续的多孔烧结层部分。
优选地，控制单元还适于控制装置的运行，使得在将第二原料粉末施加到基板上之前，重复进行如下步骤，即，将第一原料粉末施加到基板上的步骤，辐照第一原料粉末的步骤，以及从基板上移除未固化的第一原料粉末的步骤。在每次重复这些步骤时，可以使用不同的第一原料粉末。
另外或作为替代，控制单元可适于控制装置的运行，使得在对未固化的第二原料粉末进行加热之前重复进行通过将第二原料粉末施加到基板上，以及随后用电磁辐射或粒子辐射选择性地辐照第二原料粉末来生产第二工件层部分的步骤。
另外或作为替代，控制单元可适于控制装置的运行，使得仅加热未固化的第二原料粉末的一部分，以由第二原料粉末生产与第一工件层部分和第二工件层部分相邻的连续的多孔烧结层部分。
控制单元还可适于控制加热设备，使得用于生产烧结层部分的未固化的第二原料粉末被加热到低于第二原料粉末的材料的熔化温度的温度。另外或作为替代，控制单元可适于控制加热设备，使得用于生产烧结层部分的未固化的第二原料粉末加热所需的时间跨度。另外或作为替代，控制单元可适于控制加热设备，使得用于生产烧结层部分的未固化的第二原料粉末通过能量输入来加热，该能量输入小于将第二原料粉末的材料加热到其熔化温度的熔化能量输入。
加热设备可适于通过未固化的第二原料粉末的背向基板的表面和/或未固化的第二原料粉末的面向基板的表面将热能供给到未固化的第二原料粉末。
例如，加热设备可以包括第一加热元件，该第一加热元件在容纳基板的加工室中设置在基板的上方。另外或作为替代，加热设备可以包括第二加热元件，该第二加热元件集成到基板中，或者在容纳基板的加工室外部设置在基板的下方。
优选地，装置还包括分离设备，该分离设备适于在用于生产三维工件的生产过程完成时将烧结层部分与完成的三维工件分开。该分离设备特别适于将烧结层部分单颗化成单独的粉末颗粒，并且可以例如以爆破装置的形式实现。
附图说明
下文根据所附示意图更详细地解释本发明。所附示意图描绘了：
图1示出了用于生产三维工件的装置在将第一原料粉末施加到基板上并由第一原料粉末生产固化的第一工件层部分之后的示意图；
图2示出了根据图1的装置在从基板上移除未固化的第一原料粉末，随后将第二原料粉末施加到基板上以及由第二原料粉末生产与第一工件层部分相邻的固化的第二工件层部分之后的示意图；
图3示出了根据图2的装置在由未固化的第二原料粉末生产烧结层部分之后的示意图；
图4示出了根据图3的装置在施加另一层第一原料粉末并由第一原料粉末在第一工件层部分、第二工件层部分和烧结层部分上生产另一个固化的第一工件层部分之后的示意图；
图5示出了通过根据图1至图4的装置生产的三维工件，在根据图1至图4的装置移除之后，烧结层部分连接到该三维工件；
图6示出了根据图5的在与烧结层部分分离之后的三维工件；
图7示出了烧结层部分的表面的显微图像；以及
图8示出了第二工件层部分的表面的显微图像。
具体实施方式
在图1至图4中，示出了用于生产三维工件12的装置10。装置10包括加工室14和设置在加工室14上方的辐照设备16。加工室14与环境气氛密封，使得如果需要，可以在加工室14中设置惰性或反应性气体的气氛或设置与大气压力相比降低的压力。在加工室14中设置有基板18，该基板用于保持原料粉末和通过增材分层方法由原料粉末生产的工件12。基板18可以相对于加工室14沿着竖直方向向下移位到构建室20中。
装置10的辐照设备16包括光束源，优选地为激光源，该光束源发射例如波长大约为1064nm的光。作为替代，光束源(例如，激光器)也可以位于辐照设备16的外部，并且要在原料粉末上方被引导的光束可以例如通过光纤供给到辐照设备16。辐照设备16还具有例如为扫描单元、聚焦单元和F-θ透镜的光学元件。扫描单元适于在水平面内(沿着x方向和y方向)、在最顶层的原料粉末层上方扫描光束。聚焦单元适于改变或调整光束的聚焦位置(沿着Z方向)，使得辐照设备16的聚焦平面位于最顶层的原料粉末层的区域中，该区域由辐照设备16辐照。如果需要，辐照设备16还可以包括多个扫描单元，并且如果适用，还可以包括多个辐射源。
装置10还包括粉末施加装置22，该粉末施加装置用于将为生产工件12而设置的原料粉末分层地施加到基板18的表面上。粉末施加装置22适于将不同的原料粉末施加到基板18上。
在一个实施例中，粉末施加装置22包括滑块，该滑块在粉末施加装置22的运行期间沿着水平方向在基板18的表面上移动，并且具有多个粉末储存器，以保持要施加到基板18上的原料粉末。然后，通过适当地控制从粉末储存器中排出的粉末，可以根据需要将原料粉末全部或位置选择性地施加到基板18上。在替代实施例中，粉末施加装置22包括固定的粉末储存器，这些固定的粉末储存器例如设置成与基板18相邻，并且粉末施加装置22的滑块从该固定的粉末储存器中移除粉末，并将粉末分布在基板18的表面上。然后，滑块包括喷嘴，例如，该喷嘴可以在基板18上移动，以便在需要时将原料粉末位置选择性地施加到基板上。
装置10还配备有移除设备24，该移除设备使得能够从基板18上移除原料粉末。在图中所示的示例性实施例中，移除设备24包括柔性软管26，该柔性软管可以例如通过介入手套手动地移动，或者在加工室14内自动移动。移除设备24还包括粉末输送设备28，该粉末输送设备在此例如形成为抽吸泵并连接到柔性软管26。在移除设备24的运行中，软管26可以在基板18上移动。同时，粉末输送设备28被运行，使得可以从基板28上抽吸原料粉末。
粉末输送设备28连接到粉末回路30，通过移除设备24经由该粉末回路从基板18和加工室14中移除的粉末可以返回到加工室14，即粉末施加装置22的适当的粉末储存器。在粉末回路30中设置有粉末制备系统32，该粉末制备系统用于在粉末返回到加工室14之前制备通过粉末移除设备24从基板18上移除的粉末。粉末制备系统32可以包括筛选系统，例如通过该筛选系统可以对原料粉末进行清洗和分级。粉末回路30还连接到存储容器34。通过移除设备24从基板18上移除但不直接返回到加工室14的原料粉末可以被收纳在存储容器34中。通过适当的控制阀36、38来控制从粉末回路30到加工室14或存储容器34的原料粉末的供给。
装置10还配备有加热设备40。在此所示的装置10的优选实施例中，加热设备40与辐照装置16分开形成。然而，加热设备40也可以由辐照设备16形成。加热设备40适于加热施加到基板18上的原料粉末。在图1至图4所示的装置10的示例性实施例中，加热设备40包括第一加热元件42，该第一加热元件在加工室14中设置在基板18的上方。加热设备10还包括集成到基板18中的第二加热元件44。然而，在替代实施例中，第二加热元件44也可以在装置10的构建室20中设置在基板18的下方。通过第二加热元件44可以加热基板18，并且因此加热施加到基板18上的原料粉末是很重要的。
在此被设计为呈电子控制单元形式的控制单元46用于控制装置10的运行。特别地，控制单元46适于自动控制粉末施加装置22的运行、辐照设备16的运行和加热设备40的运行。如果移除设备24适于自动运行，则移除设备24的运行也由控制单元46控制。
最后，装置10包括分离设备48，该分离设备与加工室14和构建室20分开形成。在图中所示的实施例中，分离设备48被设计为呈爆破设备形式。
下文通过图1至图4所示的装置10来解释用于生产三维工件12的方法。在此所描述的方法中，在控制单元46的控制下，首先通过粉末施加装置22将第一原料粉末50施加到基板18上，使得在基板18上生产由第一原料粉末50组成的原料粉末层。再一次在控制单元46的控制下，通过辐照设备16用激光辐射位置选择性地作用于该原料粉末层。激光辐射的能量输入确保第一原料粉末50的局部熔化和/或烧结，并因此确保由第一原料粉末50组成的原料粉末层的位置选择性固化。在此，由第一原料粉末50生产固化的第一工件层部分52，参见图1。
因此，在由第一原料粉末50组成的原料粉末层的辐照完成时，第一工件层部分52设置在基板18上。图中仅示出了一个第一工件层部分52。根据要生产的三维工件12的几何形状，也可以通过由第一原料粉末50组成的原料粉末层生产多个第一工件层部分52，然而，然后多个第一工件层部分彼此相邻地设置在基板18上。此外，尚未固化的第一原料粉末50还在由第一原料粉末50组成的原料粉末层的未被激光辐射作用的区域中位于基板18上。
然后，通过移除设备24从基板18上移除未固化的第一原料粉末50。为此，柔性软管26被手动地或自动地引导越过基板18。同时，粉末输送设备28被运行，使得从基板18上抽吸未固化的第一原料粉末50。通过移除设备24从加工室14提取的第一原料粉末50在粉末制备系统32中制备，然后通过控制阀36、38的适当控制被传导到存储容器34中，或者经由粉末回路30返回到加工室14。如果第一原料粉末50被传导到存储容器34中，则可以在以后的时间用于生产另一个三维工件12。与此相反，返回到加工室14的第一原料粉末50在当前的构建过程中直接重复使用，以生产三维工件12。
图中仅示出了一种第一原料粉末50的加工。然而，如果需要，可以重复进行上述通过将第一原料粉末50施加到基板18上，随后用电磁辐射或粒子辐射选择性地辐照第一原料粉末，以及随后从基板18上移除未固化的第一原料粉末50来生产第一工件层部分52的步骤。在这种情况下，也可以使用不同的第一原料粉末50。以这种方式，可以在基板18上生产多个第一工件层部分52，多个第一工件层部分可以由相同的材料或不同的材料组成。然后，这些第一工件层部分52彼此相邻地设置在基板18上。
在从基板18上移除未固化的第一原料粉末50之后，在控制单元46的控制下，通过粉末施加装置22将第二原料粉末54施加到基板18上。在此，将第二原料粉末54施加到基板18上是位置选择性地进行的，即第二原料粉末54仅施加到基板18的未被一个或多个第一工件层部分52覆盖的区域中。因此，在基板18上与一个或多个第一工件层部分52相邻地生产由第二原料粉末54组成的原料粉末层部分。
再一次在控制单元46的控制下，通过辐照设备16用激光辐射位置选择性地作用于由第二原料粉末组成的该原料粉末层部分。如在第一原料粉末50的辐照中，激光辐射的能量输入确保第二原料粉末54的局部熔化和/或烧结，并因此确保由第二原料粉末54组成的原料粉末层部分的位置选择性固化。在此，由第二原料粉末54生产固化的第二工件层部分56，该部分设置成在基板18上与第一工件层部分52相邻，参见图2。
在图中所示的示例性实施例中，工件12的第一层仅包括一个环形的第二工件层部分56。根据要生产的三维工件12的几何形状，可以由第二原料粉末54组成的原料粉末层部分生产多个第二工件层部分56，然而，然后多个第二工件层部分彼此相邻地设置并且在基板18上与多个第一工件层部分52相邻。尚未固化的第二原料粉末54还在由第二原料粉末54组成的原料粉末层部分的未被激光辐射作用的区域中位于基板18上。
在下一个步骤中，通过加热设备40加热在位置选择性地辐照由第二原料粉末54组成的原料粉末层部分之后剩余的未固化的第二原料粉末54。特别地，呈热辐射形式的热能通过加热设备40的第一加热元件42经由该第一加热元件的背向基板18的表面供给到第二原料粉末54。同时，热能通过加热设备40的第二加热元件44经由该第二加热元件的面向基板18的表面供给到第二原料粉末54，该热能由第二加热元件44通过基板18传导。
在此，由控制单元46控制具有两个加热元件42、44的加热设备40的运行，使得未固化的第二原料粉末54仅加热到低于第二原料粉末54的熔化温度的温度。特别地，控制单元46控制加热设备40的运行，使得未固化的第二原料粉末54在所需的时间跨度内加热到低于第二原料粉末54的熔化温度的温度。
由于通过加热设备40的加热，在未固化的第二原料粉末54中开始了扩散控制的固态烧结过程。特别地，由控制单元46控制加热设备40的运行，使得输入到未固化的第二原料粉末54中的热量足够大，以使在彼此相邻的第二原料粉末的粉末颗粒之间的接触点处产生材料桥或所谓的烧结颈。由此生产连续的多孔烧结层部分58，该连续的多孔烧结层部分大致没有单独的粉末粒子。烧结层部分58最后延伸到与一个或多个第一工件层部分52相邻并且与一个或多个第二工件层部分56相邻，参见图3。
然而，输入到未固化的第二原料粉末54中的热量不足以使第二原料粉末54熔化。相反，生产包含粉末颗粒的烧结层部分58，尽管该烧结层部分的粉末颗粒在其表面的区域中彼此结合，但该烧结层部分的粉末颗粒的形状和尺寸仍然大致对应于第二原料54的粉末颗粒的形状和尺寸。特别地，用于生产烧结层部分58的未固化的第二原料粉末54通过能量输入来加热，该能量输入小于将第二原料粉末54的材料加热到其熔化温度的熔化能量输入。
例如，烧结层部分58的可通过计算机断层摄影或通过根据EN ISO 2738的孔隙率测量来确定的孔隙率为10％至20％，特别地，烧结层部分的可通过计算机断层摄影或通过根据EN ISO 2738的孔隙率测量来确定的孔隙率为10％至15％，并且因此在光学上和材料特性上与同样由第二原料粉末54组成的第二工件层部分56不同，该第二工件层部分的可通过计算机断层摄影或通过根据EN ISO 2738的孔隙率测量来确定的孔隙率例如仅为0至5％，特别地，该第二工件层部分的可通过计算机断层摄影或通过根据EN ISO 2738的孔隙率测量来确定的孔隙率为0至2％。
图7示出了烧结层部分58的表面的显微图像，而图8示出了第二工件层部分56的表面的显微图像。图7中的烧结层部分58的图像示出了烧结的粉末颗粒，该烧结的粉末颗粒在其表面的区域中彼此结合，然而，该烧结的粉末颗粒的形状和尺寸仍然大致对应于第二原料粉末54的粉末颗粒的形状和尺寸。与此相反，图8中的第二工件层部分56的显微图像示出了完全熔化的表面结构，在完全熔化的表面结构中，不再能识别出单独的粉末粒子。
如果需要，可以重复进行上述通过将第二原料粉末54施加到基板18上，然后在加热未固化的第二原料粉末54之前用电磁辐射或粒子辐射选择性地辐照第二原料粉末54来生产第二工件层部分56的步骤。然后，连续的多孔烧结层部分58可以由一个在另一个之上地设置的多个原料粉末层部分生产为“块”。
此外，仅未固化的原料粉末54的一部分可以被加热，从而进一步加工成多孔烧结层部分58。例如，可以省略未固化的第二原料粉末54的加热区域并因此省略烧结区域，这些区域在部件完成后被周围的结构占据。
如图3所示，在加热未固化的第二原料粉末54并生产烧结层部分58之后，固化的第一工件层部分52、固化的第二工件层部分56以及围绕第一工件层部分和第二工件层部分的烧结层部分58位于基板18上。参见图4，现在，将由第一原料粉末50组成的另一个原料粉末层施加到该固体“基底”上，并且重复上述步骤，直到三维多材料工件12被逐层完全构建并具有所需形状。
在多材料工件12完成之后，工件12与围绕工件12的一个在另一个之上地设置的烧结层部分58一起从构建室20中移除，参见图5。然后，通过分离设备48将工件12与烧结层部分58分开。特别地，通过被设计为呈爆破设备的形式的分离设备48对烧结层部分58进行处理，使得一方面暴露工件12(参见图6)，另一方面形成烧结层部分58的粉末颗粒再次被单颗化。然后，这些粉末颗粒可以例如通过筛选来制备并最终重复使用，以生产另一个三维工件12。

Claims (16)

1.用于生产三维工件(12)的方法，所述方法具有以下步骤：
(i)将第一原料粉末(50)施加到基板(18)上，以生产由所述第一原料粉末(50)组成的原料粉末层，
(ii)用电磁辐射或粒子辐射选择性地辐照由所述第一原料粉末(50)组成的所述原料粉末层，以由所述第一原料粉末(50)生产固化的第一工件层部分(52)，
(iii)从所述基板(18)上移除未固化的第一原料粉末(50)，
(iv)将第二原料粉末(54)施加到所述基板(18)上，以生产与所述第一工件层部分(52)相邻的由所述第二原料粉末(54)组成的原料粉末层部分，
(v)用电磁辐射或粒子辐射选择性地辐照所述原料粉末层部分，以由所述第二原料粉末(54)生产与所述第一工件层部分(52)相邻的固化的第二工件层部分(56)，
(vi)加热未固化的第二原料粉末(54)，以由所述第二原料粉末(54)生产与所述第一工件层部分(52)和所述第二工件层部分(56)相邻的连续的多孔烧结层部分(58)。
2.根据权利要求1所述的方法，
在进行步骤(iv)之前多次执行步骤(i)至(iii)，其中，在每次重复步骤(i)至(iii)时，特别地使用不同的第一原料粉末(50)，和/或
在进行步骤(vi)之前多次执行步骤(iv)至(v)，使得在步骤(vi)中，由一个在另一个之上地设置的多个原料粉末层部分生产所述连续的多孔烧结层部分(58)，和/或
在步骤(iv)中，仅加热所述未固化的第二原料粉末(54)，以由所述第二原料粉末(54)生产与所述第一工件层部分(52)和所述第二工件层部分(56)相邻的连续的多孔烧结层部分(58)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，
所述第二原料粉末(54)的材料具有比所述第一原料粉末(50)的材料更低的熔化温度和/或更高的热导率，和/或
所述第二原料粉末(54)的材料比所述第一原料粉末(50)的材料更便宜。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，
用于生产所述烧结层部分(58)的所述未固化的第二原料粉末(54)被加热到低于所述第二原料粉末(54)的材料的熔化温度的温度，和/或
用于生产所述烧结层部分(58)的所述未固化的第二原料粉末(54)被加热所需的时间跨度，和/或
用于生产所述烧结层部分(58)的所述未固化的第二原料粉末(54)通过能量输入来加热，所述能量输入小于将所述第二原料粉末(54)的材料加热到其熔化温度的熔化能量输入。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，
其中：
-所述烧结层部分(58)的孔隙率为10％至20％，特别是10％至15％，和/或
-所述第二工件层部分(56)的孔隙率为0至5％，特别是0至2％，和/或
-所述烧结层部分(58)包含在其表面的区域中彼此结合的粉末颗粒，所述粉末颗粒的形状和尺寸大致对应于所述第二原料粉末(54)的粉末颗粒的形状和尺寸。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，
通过加热设备(40)加热所述未固化的第二原料粉末(54)，所述加热设备通过所述未固化的第二原料粉末(54)的背向所述基板(18)的表面和/或所述未固化的第二原料粉末(54)的面向所述基板(18)的表面将热能供给到所述未固化的第二原料粉末(54)。
7.根据权利要求6所述的方法，
所述加热设备(40)包括第一加热元件(42)，所述第一加热元件在容纳所述基板(18)的加工室(14)中设置在所述基板(18)的上方，和/或所述加热设备(40)包括第二加热元件(44)，所述第二加热元件集成到所述基板(18)中，或者在容纳所述基板(18)的所述加工室(14)外部设置在所述基板(18)的下方。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，
重复使用在步骤(iii)中从所述基板(18)上移除的所述未固化的第一原料粉末(50)以生产三维工件(12)。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，
在用于生产三维工件(12)的生产过程完成时，通过分离过程将所述烧结层部分(58)与所述三维工件(12)分开，所述分离过程优选地包括单颗化过程，特别地包括用于将所述烧结层部分(58)单颗化成单独的粉末颗粒的爆破过程。
10.根据权利要求9所述的方法，
在所述单颗化过程中生产的所述烧结层部分(58)的单独的粉末颗粒被重复使用以生产三维工件(12)。
11.用于生产三维工件(12)的装置，所述装置包括：
-粉末施加装置(22)，所述粉末施加装置适于将第一原料粉末和第二原料粉末(50，54)施加到基板(18)上，
-辐照设备(16)，所述辐照设备适于用电磁辐射或粒子辐射选择性地辐照施加到所述基板(18)上的原料粉末层，
-移除设备(24)，所述移除设备适于从所述基板(18)上移除未固化的第一原料粉末(50)，
-加热设备(40)，所述加热设备适于加热施加到所述基板(18)上的原料粉末，以及
-控制单元(46)，所述控制单元适于以如下方式控制所述装置(10)的运行：
(i)通过所述粉末施加装置(22)将所述第一原料粉末(50)施加到所述基板(18)上，以生产由所述第一原料粉末(50)组成的原料粉末层，
(ii)通过所述辐照设备(16)用电磁辐射或粒子辐射选择性地辐照由所述第一原料粉末(50)组成的所述原料粉末层，以由所述第一原料粉末(50)生产固化的第一工件层部分(52)，
(iii)通过所述移除设备(24)从所述基板(18)上移除所述未固化的第一原料粉末(50)，
(iv)通过所述粉末施加装置(22)将所述第二原料粉末(54)施加到所述基板(18)上，以生产与所述第一工件层部分(52)相邻的由所述第二原料粉末(54)组成的原料粉末层部分，
(v)通过所述辐照设备(16)用电磁辐射或粒子辐射来辐照所述原料粉末层部分，以由所述第二原料粉末(54)生产与所述第一工件层部分(52)相邻的固化的第二工件层部分(56)，
(vi)通过所述加热设备(40)来加热未固化的第二原料粉末(54)，以由所述第二原料粉末(54)生产与所述第一工件层部分(52)和所述第二工件层部分(56)相邻的连续的多孔烧结层部分(58)。
12.根据权利要求11所述的装置，
所述控制单元(46)还适于控制所述装置(10)的运行，使得在进行步骤(iv)之前多次执行步骤(i)至步骤(iii)，其中，每次重复步骤(i)至步骤(iii)时，特别地使用不同的第一原料粉末(50)，和/或
所述控制单元(46)还适于控制所述装置(10)的运行，使得在进行步骤(vi)之前多次执行步骤(iv)至步骤(v)，使得在步骤(vi)中，由一个在另一个之上地设置的多个原料粉末层部分生产所述连续的多孔烧结层部分(58)，和/或
所述控制单元(46)还适于控制所述装置(10)的运行，使得在步骤(iv)中，仅加热所述未固化的第二原料粉末(54)的一部分，以由所述第二原料粉末(54)生产与所述第一工件层部分(52)和所述第二工件层部分(56)相邻的连续的多孔烧结层部分(58)。
13.根据权利要求11或12所述的装置，
所述控制单元(46)还适于控制所述加热设备(40)，使得
用于生产所述烧结层部分(58)的所述未固化的第二原料粉末(54)被加热到低于所述第二原料粉末(54)的材料的熔化温度的温度，和/或
用于生产所述烧结层部分(58)的所述未固化的第二原料粉末(54)加热所需的时间跨度，和/或
用于生产所述烧结层部分(58)的所述未固化的第二原料粉末(54)通过能量输入来加热，所述能量输入小于将所述第二原料粉末(54)的材料加热到其熔化温度的熔化能量输入。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的装置，
所述加热设备(40)适于通过所述未固化的原料粉末(54)的背向所述基板(18)的表面和/或所述未固化的原料粉末(54)的面向所述基板(18)的表面将热能供给到所述未固化的第二原料粉末(54)。
15.根据权利要求14所述的装置，
所述加热设备(40)包括第一加热元件(42)，所述第一加热元件在容纳所述基板(18)的加工室(14)中设置在所述基板(18)的上方，和/或所述加热设备(40)包括第二加热元件(44)，所述第二加热元件集成到所述基板(18)中，或者在容纳所述基板(18)的所述加工室(14)外部设置在所述基板(18)的下方。
16.根据权利要求11至15中任一项所述的装置，
所述装置还包括分离设备(48)，所述分离设备适于在用于生产三维工件(12)的生产过程完成时，将所述烧结层部分(58)与完成的三维工件(12)分开，所述分离设备(48)特别适于将所述烧结层部分(58)单颗化成单独的粉末颗粒。
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