CN114311658A - 用于逐层制造三维物体的设备和方法 - Google Patents

用于逐层制造三维物体的设备和方法 Download PDF

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J·哈曼
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T·叙韦宁
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Abstract

本发明涉及一种用于在与相应层中的待制造物体(2)的横截面对应的位置上通过逐层固化构造材料(13)来制造三维物体(2)的设备(1)，所述设备包括用于在所施加的构造材料(13)层的上方产生气流的通风装置(31、32、34、35)，该通风装置包括用于将气流导入设备中的喷嘴元件(40)。所述喷嘴元件(40)包括具有气体流入侧(44)和气体流出侧(46)的主体(41)并且包括多个通道(42)，这些通道从气体流入侧(44)到气体流出侧(46)贯穿主体、在气体流入侧(44)上具有流入开口(45)并且在气体流出侧(46)上具有流出开口(47)并且通过壁(43)彼此分开。所述通道(42)的长度这样选择，使得在其中在气体流出侧(46)上形成层状流。

Description

用于逐层制造三维物体的设备和方法
本申请是名称为“用于逐层制造三维物体的设备和方法”、国际申请日为2015年3月27日、国际申请号为PCT/EP2015/056722、国家申请号为201580016176.9的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种用于通过在与待制造物体相应层中的横截面相对应的位置上逐层固化构造材料来逐层制造三维物体的设备和方法。
背景技术
用于逐层制造三维物体的方法包括例如选择性激光烧结或激光熔融。在此，逐层施加并且通过激光辐射选择性固化粉末状的构造材料。
DE19649865C1描述了一种用于通过在处理室中逐层施加并且选择性固化金属材料粉末来制造成型体的方法。在该处理室的一侧设有保护气体入口，在另一侧设有保护气体出口。通过所述保护气体入口和保护气体出口在被施加的粉末上方形成层状的保护气体流，以避免材料表面的氧化。
DE19853947C1描述了一种用于选择性激光熔融的处理室，在该处理室的侧壁中设有用于保护气体的流入开口和流出开口，该保护气体穿流处理室。
在这两种情况下，通过滑阀实现从相对于保护气体流位于上游的粉末存储器逐层施加粉末。该粉末存储器和用于构造物体的工作平面并排设置，并且处理室与此相应地是扁长的，在保护气体流到达被施加的粉末层之前，该保护气体流已经穿流了一大半处理室，因此容易实现在所施加的粉末层上方的保护气体流是层状的。
在以其它方式、例如从设置在工作平面上方的粉末存储器施加粉末层的用于逐层制造三维物体的设备中，不具有用于气流的如此长的流入路径。在此，气流基本上仅覆盖在其上构造物体的工作平面。在此较难实现气流在整个所施加的粉末层上方是层状的。
在一种申请人内部已知的设备中，气体经由通道被引导至处理室的一个侧壁并且通过包括多个并排的孔的孔板导入处理室中。在另一侧上气体再次被吸走。在此，在孔板的上游的导流板能够帮助改进气流的层流性。但如此产生的气流具有不均匀性和涡流。
通过将能量引入到待固化的粉末上，可能在粉末表面上产生飞溅物、烟雾、气体和/或蒸汽，它们能够吸收或折射激光束。由此产生的局部照射误差可能不利地影响待制造物体的质量。
在申请人内部已知的所述设备中出现的不均匀性和涡流导致在粉末表面上形成的烟雾、气体和/或蒸汽不均匀地运走。由于由此产生的照射误差以及在保护气体流中出现的可扬起待固化粉末的紊流，待制造物体的质量可能受到影响。
发明内容
本发明的任务在于，提供一种用于通过逐层施加并且选择性固化构造材料来逐层制造三维物体的设备和方法，其中，引导经过所施加的构造材料层上方的气流的层流性得到改进。
该任务通过根据权利要求1的设备、根据权利要求10的方法、根据权利要求11的喷嘴元件、根据权利要求14的通风装置和根据权利要求15的喷嘴元件应用来解决。本发明的扩展方案由各从属权利要求给出。在此，该方法也可通过设备的下面的或在各从属权利要求中给出的特征进一步扩展，反之亦然。
通过为了产生层状流而使用在这些权利要求中给出的喷嘴元件，引导经过所施加的构造材料层上方的气流的层流性得到改进，并且由此改进所制造的物体的质量。此外，可借助所述喷嘴元件使得：能在具有相对小的尺寸的、尤其是沿待实现的层状气流的流动方向的尺寸相对小的构造室内部实现气流的层状流。
优选通道的水平宽度从喷嘴元件的气体流入侧向气体流出侧逐渐增大。由此引起的气流的扇形散开导致：可借助更窄的喷嘴元件吹过相同的工作区域。
优选所述喷嘴元件在下排通道或各排通道的上方包括倾斜向下定向的板条。由此引起的从下流出开口流出的气流的向下定向进一步导致：在喷嘴元件的气体流出侧产生的气流涡流被限定在明显更小的范围内，并且在距喷嘴元件明显更小的间距处就已经实现了层状流。
附图说明
参考附图由对实施例的说明得出本发明的其它特征和适宜性。
图1示出根据本发明的用于逐层制造三维物体的设备的示意性的局部剖面图；
图2示出根据本发明第一实施方式的、在图1中所示出的设备中用作为气体流入喷嘴的喷嘴元件的透视图；
图3示出图2所示的喷嘴元件的气体流出侧的侧视图；
图4示出图2和图3所示出的喷嘴元件沿在图3中所示的线B-B的剖面图；
图5示出图2至图4所示出的喷嘴元件沿在图3中所示的线E-E的剖面图；
图6示出透视图，其示出在使用根据比较示例的孔板作为气体流入喷嘴时的气流模拟结果；
图7示出透视图，其示出在使用图2至图5所示出的喷嘴元件作为气体流入喷嘴时的气流模拟结果；
图8示出根据本发明第二实施方式的、在图1所示出的设备中用作气体流入喷嘴的喷嘴元件的透视图；
图9示出图8所示出的喷嘴元件在其中心面上的剖面图。
具体实施方式
下面参考图1至图5描述根据本发明第一实施方式的设备的实施例。在图1中所示出的设备是激光烧结或激光熔融设备1。为了构造物体2，所述设备包括具有室壁4的处理室3。
在处理室3中设有向上敞开的、具有壁6的容器5。在容器5中设有能沿竖直方向V运动的支承件7，在该支承件上安装有基板8，该基板向下封闭容器并且因此构成容器底部。基板8可以是与支承件7分开构造的、固定在支承件7上的板，或者该基板可与支承件7一体地构造。根据所使用的粉末和工艺，还可在基板8上安装构造平台9，物体2在该构造平台上构造。但是物体2也可在基板8本身上构造，该基板此时用作构造平台。在图1中示出要在容器5中在构造平台9上构造的、在工作平面10下方处于中间状态中的物体2，该物体具有被未固化的构造材料11包围的多个已固化的层。
激光烧结设备1进一步包括用于可通过电磁辐射来固化的粉末状的构造材料13的存储器12并且包括可沿水平方向H运动的、用于将构造材料13施加到工作平面10上的涂布装置14。处理室3的壁4在其上侧包括用于固化粉末13的辐射的耦入窗15。
激光烧结设备1此外包括具有激光器21的照射装置20，该激光器产生激光束22，激光束通过转向装置23转向并且通过聚焦装置24、经由耦入窗15聚焦到工作平面10上。
激光烧结设备1进一步包括控制单元29，通过该控制单元，以协调的方式控制设备1的各个组件，以实施构造过程。控制单元可包括CPU，其运行由计算机程序(软件)来控制。
为了在工作平面10上方产生层状气流33，激光烧结设备1此外包括气体供应通道31、气体流入喷嘴32、气体出口喷嘴34和气体排出通道35。气体供应和气体排出也可由控制单元29来控制。
设有喷嘴元件40作为气体流入喷嘴32，该喷嘴元件在图2中以透视图示出。图3示出喷嘴元件40在气体流出侧46的侧视图，并且图4和图5分别示出喷嘴元件40的剖面图。
喷嘴元件40包括由固体材料制成的主体41，并排并且叠置的各个通道42延伸穿过该主体，这些通道由壁43彼此分开。通道42在喷嘴元件40的气体流入侧44终止于流入开口45，在气体流出侧46终止于流出开口47。在本申请中，用于气流的路径被称为通道，该路径优选基本上在其流入开口和其流出开口之间的总长度上、在周边被封闭的壁包围，使得气体基本上不能从一个通道进入相邻的通道中。
根据该实施方式，主体41大致构造成具有高度h和深度t的矩形。但是，由图4可最清晰的看到的那样，基本轮廓是略微梯形的，使得气体流入侧44上的宽度b1小于气体流出侧46上的宽度b2。相应地，各个通道42在水平面中的横截面也从气体流入侧44向气体流出侧46扩宽。气体流出侧46上的宽度b2这样确定尺寸，使得所产生的气流33能够吹过整个构造区域、即工作平面10。
在该实施方式中，通道42分别具有矩形的横截面(在该横截面中各个通道42的宽度大于其高度)，并且以矩阵形式成行和成列地并排和叠置地设置。在图3所示出的侧视图(并且在任何平行于图3的图平面的剖面图)中，位于这些通道之间的壁43构成由水平线和竖直线构成的网格。所有这些壁43的在侧视图中(或在相应剖面图中)的总横截面明显小于所有通道42的总横截面。
主体41的深度t和因此通道42的长度选择为，使得在这些通道中形成层状流并且气体在气体流出侧46上层状地流出。在本申请中，术语“层状”用于气流33，该气流是完全层状的或至少基本上层状的，使得该气流仅以很小的程度包含涡流，使得这些涡流不会妨碍烟雾、气体和/或蒸汽的运走并且不会扬起所施加的粉末层或使该粉末层以其它方式运动。
优选通道长度选择为大于流出开口47的最大尺寸。在该实施方式中所使用的矩形横截面中，流出开口47的最大尺寸是矩形的对角线。优选通道长度是流出开口最大尺寸的至少五倍、进一步优选为至少十倍。
如在图5中能最清晰看到的那样，喷嘴元件40此外在最下排的流出开口47上方包括板条48，该板条从主体41的气体流出侧46伸出并且朝向工作平面10方向倾斜并且在此在主体41的气体流出侧44的整个宽度b2上延伸。板条48厚度大致等于最下排和倒数第二排的流出开口之间的壁的厚度。板条48在其横截面中可构造成直的或略微向下弯曲的。此外，在最下排的各相邻通道42之间的各壁分别通过突出部49这样延长，使得流出开口47的下边缘50与板条48的下边缘51连接。因此，对于下排的通道而言，形成倾斜的流出开口47′，该倾斜的流出开口相对于其它流出开口47以角度α向下倾斜并且因此使气流略微向下偏转。优选角度α大于等于45°，进一步优选大于等于55°。与此无关地，该角度α优选小于等于75°、进一步优选小于等于65°。该角度更进一步优选为大约60°。
最后，喷嘴元件40在两侧具有各一个固定接片50，用于固定在(未示出的)保持装置或处理室5的室壁4上。
在运行中，为了施加粉末层，首先将支承件7下降一定高度，该高度对应于所期望的层厚。在使用涂布装置14的情况下，现在施加一层粉末状的构造材料13。
该施加至少在待制造的物体2的整个横截面上进行、优选在整个构造区域上进行。接着，待制造物体2的横截面被激光束22扫描，以便这些位置上固化粉末状的构造材料13。重复这些步骤，直至物体2制成并且能从构造室中取出。
在构造物体2期间，引导气流33在工作平面10上方通过。该气流33导致：在粉末表面上形成的烟雾、气体和/或蒸汽被运走。
通过通道42的横截面在水平面中从气体流入侧44向气体流出侧46的所描述的扩宽，实现了气流33扇形散开。由此，气流33能够流过与对应于主体41设有流出开口47的部分的宽度b2的区域相比更大的区域。此外，可减少层状流的边缘上的边缘效应。
图6和图7分别示出在将孔板60用作为比较示例或将该实施方式的喷嘴元件40用作为气体流入喷嘴的情况下的气流的模拟结果。
在使用孔板60的情况下，空气供应在两个平行板之间进行，在这些板之间设有连接片，但是这该连接片在入口侧和出口侧之间并未构成连续封闭的通道。
如由图6可见的那样，在使用根据现有技术的孔板的情况下，在下排孔的下方出现强的涡流W1。
相反于此地，图7示出在使用喷嘴元件40的情况下，涡流W2明显更小并且在距流出开口47较小的间距处就已经实现了层状的气流。
在粉末表面上形成的烟雾、气体和/或蒸汽可通过气流33运走，而所施加的粉末层不会受涡流影响。从下流出开口47′流出的气流33的向下定向(该向下定向由板条48和下排的通道42之间的各壁的突出部49引起)尤其导致：在气体流出侧46产生的气流涡流W2能被限制在较小的范围内并且在距喷嘴元件40较小的间距处就实现了工作平面10上的层状流。
通过喷嘴元件40改进的气流33的层流性导致：在运走在粉末表面上形成的干扰物时不产生不均匀性或涡流，它们可能干扰照射并且因此影响所制造物体2的质量。因此，所制造的物体2具有更好的特性、如更少更小的孔隙、可预见且更小的机械特性偏差等等。
因此，通过使用在该实施方式中所描述的用于产生层状的气流33的喷嘴元件40实现改进所制造的物体2的质量的效果。
为了使喷嘴元件40匹配于不同的应用领域(例如不同的层厚、所使用粉末的不同颗粒大小)，可以覆盖流入开口44和/或流出开口45的一部分。这可以手动地通过用带粘贴或者通过用作为挡板装置的盖或滑动件来遮挡来实现。但是，用于遮挡的滑动件也可电动地运动，这又可以通过控制单元29来控制。通过这样部分地覆盖流入开口44和/或流出开口45，气体流量能够得到控制。
虽然在上面所描述的实施方式中，通道42具有矩形横截面并且以矩阵形式成行和成列地设置，但本发明不局限于此。通道42的横截面也可以是圆形、三角形、六边形的或者具有任意其它弯曲和/或多边形的边缘。重叠的各排通道也可以侧向相互错开，并排的各排通道可以在高度上相互错开，或者各通道可以任意其它方式相对彼此设置。
虽然在上面所描述的实施方式中，通道42的水平宽度从喷嘴元件40的气体流入侧44向气体流出侧40逐渐增大，但是该宽度也可以保持恒定或减小。
通道42的垂直高度也可以从喷嘴元件40的气体流入侧44向气体流出侧40逐渐增大、减小或保持恒定。并非所有通道都必须具有相同的横截面和/或相同的间距。
在各通道之间的各壁并不必须是固定的，而是也可以构造为可移动的片。
虽然在上面所描述的实施方式中，各通道直线地从气体流入侧向气体流出侧延伸，但是本发明并不局限于此。在第二实施方式中，气体流入侧相对于气体流出侧倾斜90°。
图8示出第二实施方式的喷嘴元件70的透视图，并且图9示出在图8中所示出的喷嘴元件在其中心面中的剖面图。
喷嘴元件70包括主体71，该主体在其气体流入侧74具有用于连接气体供应装置的开口81。
如在喷嘴元件40中那样，在喷嘴元件70中也有被壁73彼此分开的通道72从气体流入侧74延伸到气体流出侧76。这些通道72在气体流入侧74终止于流入开口75，在气体流出侧76终止于流出开口77。
然而，与喷嘴元件40不同的是，这些通道是弯曲的，以便使从上方供应的气体方向转向到水平面中。但是，在气体流出侧76，每个通道72具有直线地水平延伸的末端段78，这些末端段的长度选择为，使得在这些端块中形成层状流并且在气体流出侧76上的气体流出层状地实现。
该第二实施方式的其它特征和变型与第一实施方式相同。
即使本发明借助激光烧结设备或激光熔融设备来说明，但是本发明并不局限于激光烧结或激光熔融。本发明可用于任何的用于通过逐层施加和选择性固化构造材料来制造三维物体的方法，在这些方法中，使用气流、尤其使用保护气流。激光器可例如包括气体激光器或固体激光器或激光二极管。也可使用例如包括激光二极管阵列的线性光源(Linienbelichter)。一般而言，可使用任何能够选择性地将能量施加到构造材料层上的设备。作为激光器的替代，可例如使用适合用于固化构造材料的其它光源、电子束或任何其它能量源或辐射源。本发明也可用于使用扩展光源和掩模的选择性掩模烧结或者用于吸收烧结或抑制烧结。
作为能量输入的替代，选择性固化所施加的构造材料也可例如通过施加胶粘剂来实现。一般而言，本发明涉及与构造材料的固化方式方法无关地、借助逐层施加和选择性固化构造材料来制造物体、例如3D打印。
优选使用基本上不与构造材料发生化学反应的保护气体作为气体，根据所使用的构造材料例如使用氮气或氩气。
在将粉末用作为构造材料的情况下，可使用不同类型的粉末、尤其使用金属粉末、塑料粉末、陶瓷粉末、沙、填充或混合的粉末。

Claims (15)

1.用于在与待制造物体(2)相应层中的横截面相对应的位置上通过逐层固化构造材料(13)来制造三维物体(2)的设备(1)，所述设备包括：
支承件(7、8、9)，所述物体(2)应在其上构造；
用于在工作平面(10)中将构造材料(13)层施加到支承件(7、8、9)上或施加到之前至少选择性固化的构造材料(13)层上的涂布装置(12-14)；
用于在所施加的层中选择性固化构造材料(13)的固化装置(20)；以及
用于在所施加的构造材料(13)层的背离于支承件(7、8、9)的一侧上产生气流的通风装置(31、32、34、35)，其中，所述通风装置包括用于将气流导入设备中的喷嘴元件(40；70)，
其特征在于，所述喷嘴元件(40；70)包括：
具有气体流入侧(44；74)和气体流出侧(46；76)的主体(41；71)以及
多个通道(42；72)，这些通道从气体流入侧(44；74)到气体流出侧(46；76)贯穿主体(41；71)、在气体流入侧(44；74)具有流入开口(45；75)并且在气体流出侧(46；76)具有流出开口(47；77)并且通过壁(43；73)彼此分开，
其中，所述通道(42；72)这样构成并且确定尺寸，使得在这些通道中、在气体流出侧(46；76)上形成层状流。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述通道(42；72)的长度大于它们位于主体(41；71)的气体流出侧(46；76)的流出开口(47；77)上的最大尺寸。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述通道(42；72)的横截面从气体流入侧(44；74)向气体流出侧(46；76)逐渐增大。
4.根据权利要求1至3之一所述的设备，其中，在一排或多排通道(42)的、位于喷嘴元件(40)的朝向工作平面(10)的一侧上流出开口(47)上方安装有板条(48)，该板条远离主体(41)的气体流出侧(46)并且指向工作平面(10)方向。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，定位在板条(48)下方、即从板条(48)向工作平面(10)方向设置的那排通道(42)的各相邻通道(42)之间的壁(43)分别具有远离于主体(41)的气体流出侧(46)延伸出来的突出部(49)，该突出部连接定位在板条(48)下方的那排通道的流出开口(47)的下边缘(50)和板条(48)的下边缘(51)，从而形成倾斜的流出开口(47′)，该倾斜的流出开口相对于其它的流出开口(47)以角度(α)倾斜。
6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述角度(α)大于等于45°、优选大于等于55°，和/或所述角度(α)小于等于75°、优选小于等于65°，所述角度(α)进一步优选为60°。
7.根据权利要求1至6之一所述的设备，其中，所述通道(42；72)通过壁(43；73)彼此分开，并且各壁(43；73)的总横截面小于各通道(42；72)的总横截面。
8.根据权利要求1至7之一所述的设备，其中，在各通道之间的壁(43；73)的至少一部分构造为可移动的片。
9.根据权利要求1至8之一所述的设备，其中，所述流入开口(45；75)和/或流出开口(47；77)的至少一部分可被挡板装置覆盖。
10.用于通过逐层施加并且选择性固化构造材料(13)来制造三维物体(2)的方法，所述方法包括下述步骤：
a)将一层构造材料(13)施加到工作平面(10)上；
b)在与待制造的物体(2)的横截面相对应的位置上选择性固化构造材料(13)的所述层；并且
c)重复步骤a)和b)，直至制成物体(2)，
其中，在制造物体期间使气流(33)被引导在工作平面(10)上通过，并且为了产生气流(33)通过喷嘴元件(40；70)导向气体，
其特征在于，所述喷嘴元件(40；70)包括：
具有气体流入侧(44；74)和气体流出侧(46；76)的主体(41；71)以及
多个通道(42；72)，这些通道从气体流入侧(44；74)到气体流出侧(46；76)贯穿主体、在气体流入侧(44；74)上具有流入开口(45；75)并且在气体流出侧(46；76)上具有流出开口(47；77)并且通过壁(43；73)彼此分开，
其中，所述通道(42；72)这样构成并且确定尺寸，使得在其中在气体流出侧(46；76)上形成层状流。
11.用于将气流导入到用于制造三维物体(2)的设备(1)、尤其是导入到根据权利要求1至9之一所述的设备(1)中的喷嘴元件(40；70)，所述喷嘴元件包括：
具有气体流入侧(44；74)和气体流出侧(46；76)的主体(41；71)；以及
安装或连接接口，其适合用于将主体(41；71)安装到用于制造三维物体(2)的设备上；以及
多个通道(42；72)，这些通道从气体流入侧(44；74)到气体流出侧(46；76)贯穿主体、在气体流入侧(44；74)上具有流入开口(45；75)并且在气体流出侧(46；76)上具有流出开口(47；77)并且通过壁(43；73)彼此分开，
其中，所述通道(42；72)这样构成并且确定尺寸，使得在其中在气体流出侧(46；76)上形成层状流。
12.根据权利要求11所述的喷嘴元件，其中，所述安装或连接接口这样构成，使得喷嘴元件能够可更换地安装在用于制造三维物体(2)的设备上。
13.根据权利要求11或12所述的喷嘴元件，其中，至少一个通道、优选多个通道、特别优选所有通道分别直接并且封闭地连接流入开口(45；75)和流出开口(47；77)。
14.通风装置，所述通风装置用于用以通过逐层固化构造材料来制造三维物体(2)的设备(1)，所述通风装置包括根据权利要求11至13之一所述的喷嘴元件(40；70)。
15.喷嘴元件(40；70)的应用，所述喷嘴用于将气流导入用于制造三维物体(2)的设备(1)、尤其是导入根据权利要求1至9之一所述的设备(1)，其中，所述喷嘴元件(40；70)包括：
具有气体流入侧(44；74)和气体流出侧(46；76)的主体(41；71)以及
多个通道(42；72)，这些通道从气体流入侧(44；74)到气体流出侧(46；76)贯穿主体、在气体流入侧(44；74)上具有流入开口(45；75)并且在气体流出侧(46；76)上具有流出开口(47；77)并且通过壁(43；73)彼此分开，
其中，所述通道(42；72)这样构成并且确定尺寸，使得在其中在气体流出侧(46；76)上形成层状流。
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