CN114761205A - 具有有利辐照设备的3d打印机和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种3D打印机，该3D打印机具有有利的辐照设备，还涉及一种用于3D打印的方法。该辐照设备是由多个辐照单元组成的阵列，每个辐照单元的温度可单独控制。根据一个实施例，辐照单元的子集组成一个组，每组辐照单元的温度是可控的。辐照设备边缘位置处的目标温度可设置为高于辐照设备其余区域的目标温度。

Description

具有有利辐照设备的3D打印机和方法
背景技术
本发明涉及一种具有有利辐照设备的3D打印机和方法。
欧洲专利EP 0 431 924 B1描述了一种基于计算机数据生产三维物体的方法。在此过程中，通过重涂器将一薄层颗粒材料沉积在平台上，并且通过打印头将粘合剂材料选择性地打印在该薄层颗粒材料上。其上打印有粘合剂的颗粒区域在粘合剂和可选的附加硬化剂的影响下结合并固化。接下来，将构建平台下降一层厚度或将重涂器/打印头单元升高，以及施加一层新的颗粒材料，这新的一层颗粒材料如上所述打印在构建平台上。重复这些步骤，直到达到物体的某个所需高度。因此，打印区域和固化区域形成三维物体(3D部件，成型制品)。
完成后，由固化的颗粒材料制成的物体嵌入松散的颗粒材料中，随后将其从松散的颗粒材料中释放出来。为此，例如可以使用抽吸装置。这留下了理想的物体，随后必须例如通过刷掉残留粉末的方式使该物体不含任何残留粉末。
其他基于粉末的快速成型工艺，例如选择性激光烧结或电子束烧结，以类似的方式工作，也一层一层地施加松散的颗粒材料，并使用受控的物理辐射源选择性地固化颗粒材料。
在下文中，所有这些工艺均概括为术语“三维打印方法”或“3D打印方法”。
根据现有技术，面板式红外线加热器广泛用于尽可能均匀且可控地加热物体表面。该工艺通常用于干燥印刷表面、预回火或热成型塑料。大多数塑料可以很好地吸收2μm到10μm之间的长波和中波红外电磁辐射，因此除了短波照射单元管外，还经常使用陶瓷辐照单元或石英盒式辐照单元。所有这些辐射单元的共同点是它们根据相同的物理原理工作：载流导体由于其电阻而发热，并且由于其温度，发射通常接近普朗克光谱的电磁辐射光谱。所使用的导体都是所谓的冷导体，具有正温度系数，因此也被称为PTC(正温度系数)导体。因此，它们的欧姆电阻随着温度的升高而增加，这一开始会导致在施加电压时产生更高的热量。电阻率ρ最初随着温度T线性增加
ρ(T)＝ρ0[1-α0(T-T0)]
其中ρ0是电阻率，α0是参考温度T0下的温度系数。
然而，不断增加的电阻限制了最大电流，从而在每种情况下在定义的施加电压下达到一定的温度。这样做的原因是上述近似值的线性有效范围被保留，因为以下通常适用：
Figure BDA0003638906330000011
因此，所述温度取决于所用材料的温度系数、电阻率ρ(T)、加热导体l的长度和加热导体l的横截面积A。通过施加定义的电压U，这样的辐照单元的加热功率P因此可以被控制，因为以下适用
Figure BDA0003638906330000021
这种类型的预回火也用于增材制造工艺，从而特别是在烧结工艺中，在所用颗粒材料的烧结窗口内实现构建场的温度。
在示例性现有技术实施例中，将多个红外辐照单元组合成单个组件以覆盖尽可能大的区域以实现高生产率。为了不使物体表面过热，可以使用红外高温计来测量表面温度，作为加热控制的输入变量。大多数情况下，通过控制单个通道的电压来控制所有红外辐照单元的功率。因此，所有辐照单元的热输出由相同的值控制。然而，由于几何条件(例如从辐照组件到物体表面的距离)的原因，这会导致受辐照表面上的温度变化。尤其是在受辐照的构建场的边缘位置处，达不到3D打印工艺的最佳操作温度。
此外，陶瓷和石英辐照单元在发射的辐射强度方面表现出强烈的波动。其原因除了较大的制造公差外，还直接取决于所达到的辐照单元温度对加热导体的厚度、长度和精确成分的影响。此外，特别是陶瓷辐照单元在包围加热导体的陶瓷材料的厚度上具有很大的变化，这使得由于热导率低导致电磁辐射发射要比金属的少。取而代之的是，所产生的加热功率通过加热导体的供电和将热量散发到辐照单元的安装点而消散。
这导致3D打印工艺，特别是烧结工艺存在相当大的缺陷。由于在先前烧结的模制品固化期间由于体积收缩而发生变形，因此无法在构建区域的外围区域生产模制品。因此，这种装置的生产效率受到限制。然而，温度波动不仅限于外围区域。在生产过程中，产生的机械变量也会发生变化，所用颗粒材料的老化也是如此。随着构建区域的表面积变大，这些影响会增大。
中长光谱红外辐照单元的另一个缺点是响应时间慢，制造商通常以分钟为单位报价。因此，所用的辐照单元可能需要花费60多秒才能达到其操作温度，和发射所需的光谱和强度的红外辐射。这是3D打印工艺的主要缺点。在3D烧结工艺中，一层构建周期的时间通常低于已知的长波面板式辐照单元的反应时间。因此，打印工艺中出现的温度波动往往无法通过长波辐照单元及时补偿。
因此，本发明的一个目的是提供一种辐照设备，使用该设备可以在构建区域上实现均匀的温度和/或可以比已知的打印工艺更快地实现温度控制，或至少可以减少或避免现有技术的缺点。
发明内容
一方面，本公开涉及一种适用于3D打印机的辐照设备，该辐照设备的特征在于具有多个辐照单元的阵列，每个辐照单元的温度是可单独控制的，或者辐照单元的子集组合成一组，每组辐照单元的温度都是可控的。
另一方面，本发明涉及一种通过颗粒材料沉积和选择性固化来制造模制品的方法，所述方法使用如本发明所述的辐照设备，其中将辐照设备中的目标温度设置成在辐照单元中的边缘处的目标温度高于辐照设备剩余区域中的温度。
附图说明
图1示出了现有技术的板式加热器。
图2示出了具有时间和局部控制的板式红外加热器以及由此产生的表面温度。
图3示出了根据本公开的辐照设备，其布置有通过示例绘制的测量仪器。
图4示出了根据本公开的示例性辐照设备，其布置有组合成单独加热电路的红外辐照单元组。
图5示意性地示出了根据本公开的具有控件的辐照设备中的辐照单元的示例性实施例。
具体实施方式
本申请的目的是通过一种适用于3D打印机的辐照设备来实现的，该辐照设备的特征在于具有多个辐照单元的阵列，每个辐照单元的温度都可以单独控制，或者辐照单元的子集组合成一个组，每组辐照单元的温度以及使用这种辐照设备的3D打印方法都是可控的。
下文中，将更精确地定义若干术语。否则，所使用的术语应具有本领域技术人员已知的含义。
在本公开的意义上，“层构建方法”或“3D打印方法”或“3D方法”或“3D打印”分别是现有技术中已知的所有能够构建三维形状的部件的方法并且这些方法与本文进一步描述的工艺组件和设备兼容。
如在本公开中所使用的，“粘合剂喷射”是指将粉末分层施加到构建平台上，一种或多种液体被印刷在该粉末层上的零件的横截面上，构建平台的位置相对于前一个位置改变一层厚度，重复这些步骤直到零件完成。在这种情况下，粘合剂喷射也指需要进一步处理组件的层构建方法，例如例如用红外线或紫外线辐射进行的逐层曝光。
在本公开所定义的“高速烧结工艺”中，将薄薄的一层塑料颗粒例如PA12或TPU施加到优选被加热的构建平台(构建区域)上。接下来，喷墨打印头在平台的一大片区域上移动，并用红外光吸收墨水(IR吸收剂、IR受体)润湿构建区域的区域，以创建原型。然后用红外光照射构建平台。润湿区域吸收热量，从而烧结下面的粉末层。然而，未印刷的粉末仍然松散。烧结后，构建平台降低一层厚度。重复此过程，直到完成部件构造。然后，烧结部件在构建区域中以受控方式冷却，然后才能将其取出和拆包。在这方面，除了烧结灯之外，还使用顶灯或辐照组件也可能是有利的，它们使用不同的波长光谱，而波长光谱基本上没有重叠。在一种变体中，除了红外吸收剂之外，还可以印刷一种所谓的细化剂，用于冷却用它印刷的区域。高速烧结工艺的一种变体也称为熔融喷射工艺，其中打印头将导热流体(通常称为“熔剂”，对应于吸收体)喷射到一层颗粒材料上。
打印后立即应用热源(红外线)。与没有这种液体的粉末相比，涂有熔剂的区域受热更强烈。因此，所需区域被融合。然后使用另一种添加剂，也称为细化剂，用于绝缘。这种选择性印痕出现在已印刷定影剂或吸收剂的区域周围。所述添加剂旨在促进锋利边缘的形成。这个目的是通过使印刷了粉末和未使用粉末之间的温差更加显著来实现的。使用这两种印刷液的工艺也可以称为多喷射熔合工艺。
在本公开的意义上，“3D成型制品”、“模制品”或“部件”是指通过根据本发明的方法或/和根据本发明的设备制造的并且表现出尺寸稳定性的任何三维物体。
“构建区域”是制造过程中通过重复涂布颗粒材料使颗粒材料床不断升高的几何位置，其中在应用连续原理时，该床通过该空间。构建区域通常由底部(即构建平台)、壁和开放的顶面(即构建平面)界定。在连续原理中，通常有传送带和限制侧壁。构建区域也可以设计成所谓的作业箱的形式，作业箱构成一个可以移入和移出设备并允许批量生产的单元，完成一个工艺后移出一个作业箱以进行允许立即将新的工作箱移动到设备中，从而增加生产量，从而提高设备的性能。
在本公开的意义上，“构建材料”或“颗粒材料”或“粉末”或“粉末床”，可以使用已知用于3D打印的所有可流动材料，特别是粉末、浆料或液体的形式的可流动材料。这些可以包括例如沙子、陶瓷粉末、玻璃粉末和其他无机或有机材料粉末，例如金属粉末、塑料材料、木材颗粒、纤维材料、纤维素或/和乳糖粉末，以及其他类型的有机粉状材料。颗粒材料在干燥时优选是自由流动的粉末，但也可以使用粘性的、耐切割的粉末。这种粘结性也可能是由于添加了粘合剂材料或辅助材料，例如液体所导致的。添加液体可导致颗粒材料以浆料的形式自由流动。通常，在本公开的意义上，颗粒材料也可以称为流体。
在本申请中，颗粒材料和粉末同义使用。
“颗粒材料施加”是生成定义的粉末层的过程。这可以在构建平台(构建区域)上或在相对于传送带的倾斜平面上以连续原理进行。颗粒材料施加在下文中也将被称为“再涂布”。
本公开意义上的“选择性液体施加”或“选择性粘合剂施加”可以相对于颗粒材料施加在每次颗粒材料施加之后或不规则地多次进行，这取决于模制品的要求和模制品生产的优化。在这种情况下，打印所需物品的截面图像。
用于执行根据本公开的方法的“设备”可以是包括所需零件的任何已知的3D打印设备。常见的部件包括重涂器、构建场、用于在连续过程中移动构建场或其他零件的装置、作业箱、计量装置和加热和/或辐照装置以及本领域技术人员已知的其他零件，因此本文不再描述这些已知零件。
根据本公开的构建材料总是以“定义的层”或“层厚度”施加，根据构建材料和工艺条件对层厚度进行单独调整。例如，层厚度为0.05-0.5mm，优选0.06-0.2mm或0.06-0.15mm，特别优选0.06-0.09mm。
本公开意义内的“重涂器”是一装置部件，其可以容纳流体，例如颗粒材料，例如矿物、金属或塑料材料、颗粒形式的木材或其混合物，并且以受控方式将其分层分配或施加到安装在3D设备的构建平台上。重涂器可以是细长的，并且颗粒材料位于出口开口上方的容器中。但是，重涂器也可以由固定刀片或反向旋转辊组成，每个将特定数量的粉末散布在刀片或辊前面的构建场上。
本公开所定义的“涂布刀片”是由金属或其他合适的材料制成的基本平坦的部件，位于重涂器的出口处，流体通过该部件被排放到构建平台上并被抹平。重涂器可以具有一个或两个或更多个涂布刀片。涂布刀片可以是在被激励时在旋转运动的意义上执行振荡的振荡刀片。此外，该振荡可以通过用于产生振荡的装置来打开和关闭。取决于出口开口的布置，涂布刀片在本公开的含义内被布置为“基本水平”或“基本垂直”。
如在本公开中使用的“辐照组件”是指辐照设备的布置。
本公开中所使用的“辐照设备”是指发射特定光谱的光并且包括多个辐照单元的装置，每个辐照单元的温度可以单独调节并且可选地可控。本公开中所使用的“辐照设备”也可称为“顶灯”或“头顶辐照单元”或“辐照组件”或“发射器单元”或“辐射单元”或“加热散热器”或“构建场加热器”是安装的辐射源在构建场上方并形成一个功能单元的辐射源。发射的电磁辐射的波长是固定的，其辐射通量可调节。辐照设备是发射特定光谱的电磁辐射的功能单元。它可以包含单独的辐照单元或大量的辐照单元，可以单独控制这些辐照单元或将其成组组合。可选地，它基本上覆盖整个构建场并安装在设备中的某个位置，或者它小于构建场且可在构建场上移动。
如本公开中使用的“周边区域”是指辐照组件位于辐照组件边缘且可以与内部区域划分开来的区域。在这种情况下，在这种情况下，周边区域和内部区域根据其上安装有辐照设备的表面形成辐照组件的总区域。
如在本公开中使用的“内部区域”是指位于辐照组件内部且可与周边区域分开的区域。
本公开中使用的“3D打印机”或“打印机”是指可以进行3D打印方法的设备。本公开的意义上的3D打印机包括用于施加构建材料，例如颗粒材料等流体的装置，以及固化单元，例如打印头或能量输入装置，例如激光或加热灯。本领域技术人员已知的其他机器部件和3D打印中已知的部件在个别情况下根据具体要求与上述机器部件组合。
“构建场”是平面，或者广义上而言，是几何位置，在构建过程中通过用颗粒材料重复涂布使颗粒材料床在该几何位置上或中不断升高。构建场通常由底部(即“构建平台”)、墙壁和开放的顶部表面(即构建平面)界定。
本公开意义上的“打印”或“3D打印”工艺概括了材料施加、选择性固化或压印和工作高度调整的操作，并且发生在开放或封闭的工艺室中。
本公开意义上的“接收平面”是指施加构建材料的平面。根据本公开，接收平面总是可以通过线性运动在一个空间方向上自由接近。
本公开的意义上的“构建场工具”或“功能单元”是指在生产模制品过程中用于流体施加，例如颗粒材料，和进行选择性固化的任何装置或设备部件。因此，所有材料施加装置和层处理装置同样为构建场工具或功能单元。
根据本公开，“散布”或“施加”是指分布颗粒材料的任何方式。例如，可以将更大量的粉末放置在涂层通道的起始位置，并且可以通过刀片或旋转辊将粉末分布或散布到层体积中。
如在本公开中使用的“重涂器”或“材料施加装置”是指通过其将流体施加到构建场上的单元。该单元可以由流体储存器和流体应用单元组成。根据本发明，流体应用单元包括流体出口和“涂布刀装置”。所述涂布刀装置可以是涂布刀片。然而，可以使用任何其他可能的、合适的涂布刀装置。例如，旋转辊或喷嘴也是可以想到的。材料可以通过容器以自由流动的方式或通过挤出机螺杆、加压或其他材料输送装置进料。
“翘曲”是指由于粘合颗粒固化时在不同时间发生的收缩而导致印刷层弯曲。当结构由于翘曲而从构建场平面隆起时，这可能会导致涂层出现错误，并且可能在下一次涂布操作期间被重涂器带走。
本公开的意义上用于选择性固化的“打印头”或装置通常由各种部件组成。其中，这些可以是打印模块。打印模块具有大量喷嘴，“粘合剂”从这些喷嘴以受控方式作为液滴喷射到构建场上。打印模块与打印头对齐。打印头与机器对齐。这允许将喷嘴的位置分配给机器坐标系。喷嘴所在的平面通常称为喷嘴板。选择性固化的另一种装置也可以是一个或多个激光器或其他辐射源或加热灯。也可以考虑这种辐射源的阵列，例如激光二极管阵列。在本公开的意义上，允许与固化反应分开实施选择性。因此，可以使用打印头或一个或多个激光器来选择性地处理该层，并且可以使用其他层处理装置来开始固化过程。在一个实施例中，将IR吸收剂印刷在颗粒材料上，然后使用红外源进行固化。
本发明意义上的“层处理装置”是指任何适合于在层中实现一定效果的装置。这可以是前述的打印头或激光器等单元，也可以是IR辐照单元或其它辐射源，例如UV辐照单元等的辐射源形式的热源。也可以想到用于层的去离子或电离的装置。所有层处理装置的共同点是它们的作用区域线性分布在层上，并且与如打印头或重涂器的其它分层单元一样，必须将这些层处理装置引导通过构建场，以抵达整个层。
如在本公开中使用的，“进料容器”或“预热容器”是包含颗粒材料并在每层或任意层数之后将一定量的颗粒材料输送到重涂器的容器。为此，进料容器可以有利地在重涂器的整个宽度上延伸。
进料容器在下端有一个封闭件，可防止颗粒材料意外逸出。该封闭件可以设计为例如旋转进料器、简单的滑块或根据现有技术的其他合适的机构。如本公开所定义的进料容器可以包含多于一层的颗粒材料。优选地，进料容器甚至包含用于施加20层或更多层的颗粒材料。颗粒材料通过输送线来以筒仓或大袋子的形式从较大的供应源供应或手动填充到容器中。优选通过顶部边缘的开口进行填充。这允许通过重力在进料容器中输送颗粒材料，从而使得容器中不再需要额外的输送机。进料容器还可以具有振动机构以防止容器中的颗粒材料桥接。进料容器具有接收颗粒材料的区域，通常位于侧壁和封闭件之间。根据本公开，将加热装置布置在接收颗粒材料的区域中是有利的。加热装置布置成使得颗粒材料在加热装置周围流动，从而改进了颗粒材料的加热。进料容器可以是静止的，在这种情况下，它可以位于例如重涂器的保持位置上方或构建场上方。然后通过在进料容器处或下方移动重涂器，根据需要用预回火的颗粒材料再次进行填充或/或控制再填充的体积量。然而，进料容器也可以可拆卸地或不可拆卸地连接到重涂器。出于设计或/和成本原因，重涂器不可加热也可能是有利的。然后重涂器可以具有被动绝缘。然而，如果预热的颗粒材料以基本上等于或1.2至2倍的层体积的体积输送到重涂器，则重涂器也可以完全不加热，也不提供绝缘，从而使其能够施加在构建场处，几乎没有在重涂器中停留，因此几乎没有热损失。
本发明的详细描述
下面将更详细地描述本公开的各个方面和有利实施例。
本申请的目的是通过一种适用于3D打印机的辐照组件来实现的，辐照组件的特征在于它是一个由几个辐照单元组成的阵列，每个辐照单元的温度是独立可控的，或辐照单元的子集可组合成一组，每组辐照单元的温度是可控的。
本申请的目的还通过一种通过颗粒材料施加和选择性固结来生产模制品的方法来实现，所述方法使用如本公开所述的辐照组件，其中辐照单元中辐照组件的边缘处的目标温度设置为比辐照组件的其它区域的温度更高。
已经表明，与通过调节功率的功率控制相比，通过温度控制电路对辐照组件本身进行温度控制，可以更好地调节构建场温度，从而更快地调节构建场的温度偏差。通过这种方式，同样，可以有利地实现温度更均匀地分部在构建场上，尤其是分部在构建场的周边区域上。
此外，温度控制有利地独立于电压供应的波动、制造和组装公差以及其他外部影响，例如环境温度、湿度和对流热传导。
这也最大限度地减少了例如层构建过程中吸收二次辐射引起的反馈效应。
从属权利要求中公开了优选实施例。
根据本公开的优选辐照组件的特征在于，在每个辐照单元或辐照单元组处设置目标温度，条件是辐照单元的功率(瓦特)不被设置为目标参数。
根据本公开的优选辐照组件的特征在于辐照组件中的基本上每个辐照单元或辐照单元组设置为不同的目标温度。
根据本公开的优选辐照组件的特征在于，辐照组件包括用于每个辐照单元的目标温度调节或/和用于构建场上的目标温度调节的控制电路。
根据本公开的优选辐照组件的特征在于，辐照组件使用算法通过辐照组件中的目标温度设置来实现构建场上的目标温度或/和其中目标温度设置通过将辐照单元定义为组合成组的辐照单元的子集来实现。
根据本公开的优选辐照组件的特征在于，辐照组件包括至少一个指向构建场的热成像相机和/或至少一个红外高温计和/或至少一个温度传感器，其中温度传感器优选地是热电偶或电阻温度计。
根据本公开的优选辐照组件的特征在于，热成像相机用于局部测量记录并且红外高温计用于绝对温度值的校准。
另一方面，本公开涉及一种包括根据本公开所述的辐照组件的3D打印机，其中构建场上的目标温度可通过辐照组件中的每个辐照单元的目标温度设置来调节。
另一方面，本公开涉及一种通过颗粒材料施加和选择性固化来制造模制品的方法，该方法使用根据本公开所述的辐照组件，其中辐照组件中的目标温度设置为辐照单元边缘处的目标温度高于辐照组件的剩余区域的温度。
根据本公开的一种优选方法的特征在于，辐照组件横截面中的目标温度对应于图2所示的分布。
根据本公开的一种优选方法的特征在于，该方法为3D高速烧结工艺或3D烧结工艺。
根据本公开的优选方法的特征在于，辐照单元的布置和/或目标温度源自热传递的物理定律和有限元方法计算以及专有算法的开发。
在根据本公开所述的设备和方法中，进一步优选的是，设备中包含有进料容器或设备中用有进料容器。
本发明的进一步示例性描述
下面将以示例的方式描述本公开的各个方面并且本公开的各个方面不应被解释为限制性的。此外，下面所示的示例性附图的任何方面都可以以任何组合使用。
将尝试补偿已知辐照设备的上述缺点及其在3D打印工艺中的使用，并通过将待制造的模制品放置在构建区域的特定布置中来考虑这一点。此外，某些几何形状很难通过烧结工艺创建或只能在某些空间方向上创建。这是实现自动化，低成本生产的障碍，也是烧结模制品成本相对较高的原因之一。
为了规避这些限制，首先尝试通过不同的照射单元功率来补偿物体表面H202上的不均匀温度分布，如图2所示。在这种情况下，辐照组件的外围区域的单个红外辐照单元H201组合成专用的加热电路，与组件中心的加热电路相比，这些加热电路以更高的功率运行。在该示例中，概述了板式红外辐照单元H201的5种不同表面温度H205。表面温度尽可能接近与位置有关的加热曲线H205，该加热曲线H205先前根据几何和物理考虑计算得到。结果是物体表面上的温度场H2O4相对均匀。为了控制产生的温度，再次使用红外高温计H206，但这次与热成像相机H207结合使用，热成像相机H207能够以空间分辨率记录物体表面的温度分布。
来自热成像相机的测量数据现在可以用于有针对性地控制各个板式辐照单元，从而补偿物体表面温度的局部恒定中的不均匀性，特别是包括其外围区域。每个单独的辐照单元在物体表面上分配有一个相应的区域元素。在一个实施例中，红外高温计用于绝对值校正，从而保证在热成像相机的测量中防止温度出现漂移，并保证温度场的时间恒定性。
正如图3所示的各个辐照单元(H303)的组件(H301)一样，由热成像相机(H302)和红外高温计(H305)进行的控制并不是简单地调整各个加热元件的功率，而是通过温度传感器(H304)测量各个加热元件的温度，其中温度传感器(H304)集成在加热元件中，并馈送至控制系统中作为测量值。如果控制系统设计为PID控制器，则其可用于最大限度地减少辐照单元达到目标温度所需的时间。这样做的前提条件是已为各个加热元件的加热功率提供了足够的储备。例如，可以使用最大功率为650瓦的辐照单元，但是要达到平衡的辐照单元的温度已经达到200瓦。然后，控制器能够使设定功率最大化，直到达到目标温度，只是在达到目标温度后的短时间内将其降低回稳态条件。因此，响应时间可以减少到远低于20秒，其在烧结打印机的层循环时间内。因此，系统现在可以及时对温度波动做出反应。
此外，这种方法可以大大缩短长时间的加热时间，直到稳态状态低至四分之一为止。
在辐照组件的示例性布置中，每个具有4个热成像相机H302和红外高温计H305，以便能够以尽可能小的角度误差进行无接触式物体表面温度测量，以及保持组件和物体表面之间的距离尽可能得小。一个较小的距离可以导致较高的能量效率。H304是传统的温度传感器，例如热电偶或电阻温度计，它们连续测量红外辐照单元的表面温度，并且由于Stefan-Boltzmann定律，因此辐射功率，并与其他两个测量设备一起为设定点控制提供输入值。使用以下关系计算各个加热元件的目标温度：
Figure BDA0003638906330000101
C12＝ε1·ε2·F12
辐照单元与温度为T1的相应构建场元件之间的热流
Figure BDA0003638906330000102
将通过调整其温度T2来降到最低。除了辐照单元ε2的发射因子和构建场ε1上的颗粒材料之外，所谓的视角因数F12和F21在这里是决定性的。视角因数描述了两个表面相对于彼此的方向，其中F21表示从辐照单元到构建场的辐射通量，F12表示反向路径。找到每个加热元件的目标温度的解决方案可以通过使用有限元方法求解所得微分方程系统来实现。
如果要覆盖更大的表面，可以将多个辐照单元区域交错排列，即组合排列，而没有任何问题。通过重叠热成像相机和红外高温计的测量范围，可以进一步生成校准数据，从而通过比较获得的测量数据来提高所用仪器的测量精度。因此，不包括另一复杂的成本密集型设计步骤均可实现任何构建场几何形状和尺寸。
基于对称性考虑，在根据本公开的一个实施例中，如图4所示，可以形成辐照组件(H400)的辐照单元组，即(H401)到(H406)，每个辐照单元可以一起被控制。因此，可以节省工作量和成本，而不受物体表面温度恒定性的主要限制，并且控制算法更简单。因此，在二阶不连续处，即要加热的物体表面的角处，单独考虑辐照单元(H401)是有意义的，这是因为由于环境温度更低，这些位置处的热流更强。当考虑要加热的物体表面的边缘(H405)和(H406)时，情况类似，其中边缘(H405)和(H406)被分开以补偿设备正面和背面之间的差异。(H203)和(H204)对内部区域执行此操作。然后，组件中间的最大对称中心被(H402)覆盖。组合几个单独的辐照单元也可以对测量精度产生有益的影响。例如，可以在一个组内评估多个温度传感器，使用平均值来平衡制造公差。
此外，图5示意性地示出了对应控制的实施例，其可以应用于图3和图4所示的实施例示例。通过热成像相机测量物体表面温度分布的变化。区域元素也被红外高温计覆盖。取热成像相机测量的该区域元素的温度的平均值，并将该温度与高温计测量的值进行比较。然后重新调整相机，直到这两个值相等。随后，将获得的校正因子应用于其余的测量数据。然后通过算法将校正后的数据传输到加热元件的控制系统。该算法的任务是为每个单独的辐照单元分配一个相应的区域元素。此外，这里还考虑了区域元素的重叠。其原因是由于形成的辐射锥，单个辐照单元也到达相邻的区域元素。此外，算法必须考虑各个辐照单元的几何排列，因为相邻的辐照单元相互影响。在最坏的情况下，这可能会导致各个加热电路的输出随时间发生不希望的振荡。
该算法计算各个加热元件的目标温度并将目标温度发送到每个加热电路的控制器。以传统PID控制器为例的控制器比较目标温度值和实际温度值，并通过控制提供给这些辐照单元的电力，确保在尽可能短的时间内使红外辐照单元达到规定的目标温度，并且偏差尽可能小。
接下来，再次测量温度分布，并重新开始该过程。优选地，整个控制系统在构建过程的每一层循环的定义时间内进行一次循环运行，以便测量不受诸如烧结装置、重涂器和打印头之类的单元的阻碍，这些单元在该时间内在构建场表面上移动。
图5示意性地示出了根据本公开的一种控制的实施例，其中通过热成像相机测量物体表面上的温度分布的变化并且通过红外高温计补偿时间变化，并且可以校准绝对温度值。获得的测量数据被馈送到一个算法，该算法使用这些测量数据来计算每个红外辐照单元的目标温度，并将它们传递给PID控制器。
此外，图5示意性地示出了相应控制的实施例，正如它可以应用于图3和图4中的实施例示例。
求解器算法的任务是计算各个加热元件的目标温度，其中求解器算法根据描述热流的物理关系来完成这种计算。视角因数Fij在这里代表了一个重要的组成部分。
视角因数描述了两个表面相对于彼此的方向，其中F21表示从辐照单元到构建场的辐射通量，F12表示反向路径。两个相对有限曲面的视角因数具有通式
Figure BDA0003638906330000121
因此，视角因数Fij分别由辐照单元和构建场的相对有限表面Ai和Aj以及它们各自与这些单元法线的角度cosΘi和cosΘj以及表面彼此之间的距离，Rij限定。
就这点而言，根据本公开的辐照设备可以被设计成使得辐照单元不仅照亮区域元素，即，构建场的区域(部分区域)，而且照亮整个构建区域。因此，主辐射被投射到核心区域(区域元素)上，此外，辐射也撞击该核心区域周围。同样，整个构建场的每个区域元素与辐照单元或辐照组件交换辐射。这现在适用于辐照设备中的每个单独的辐照单元。正如要加热的构建场的几何形状，即其方向，长度和宽度，辐照单元的几何布置，例如它们的尺寸、到构建场的距离和彼此之间的距离，通过上述视角因素进行描述。
由于已知使用了哪些材料，因此可以在设计和操作期间，即在执行3D打印工艺期间，考虑其主要与温度有关的发射率。
此外，由于颗粒材料和辐照组件中的对流和热传导而产生的热流又与温度相关，它们包括在根据本公开的辐照组件的设计和操作的计算中。这尤其适用于构建场和辐照组件的外围区域，因为外围区域由于不连续性而更频繁地发生对流和热传导。此外，由于辐照组件的位置和与机器外壳隔离所需的冷却剂，可以考虑额外的热传导。
因此，产生了一组复杂的相关非齐次微分方程。求解器算法的任务现在是求解这个方程组，其方法是根据测量的温度值的输入确定分配给加热散热器的温度的特征值，由此计算得到的辐照单元和构建场之间的总热流
Figure BDA0003638906330000122
通过包括在构建场目标温度中而被最小化。
每个辐照单元n的这些目标温度(T_n,soll)的解可以通过使用有限元方法利用求解器通过求解方程组来实现。由于现代计算机系统计算能力的提高和各个计算步骤的优化，这样的求解器可以在一层周期的时间内完成计算。
将计算得到的各个辐照单元的目标值传输到一组控制器，该组控制器的任务是在最短的时间内设置辐照单元的这些目标温度。
示例性地设计为传统的PID控制器的控制器比较目标温度值和实际温度值(T_n,ist)，并通过改变施加的平均电压通过控制供应至这些辐照单元的电力(P_n)，确保在尽可能短的时间内达到辐照单元(例如红外辐照单元)的指定目标温度，并且出现的偏差尽可能得小。
一旦在辐照单元处达到目标温度，就再次测量温度分布。通过将测量值与计算值进行比较，现在可以得出校正因子，并将校正因子包含在未来的计算中。
因此，该系统能够动态响应结构中的制造公差和干扰，例如环境条件的变化或颗粒材料成分的变化，其中颗粒材料成分发生变化的原因例如有添加到打印工艺中的回收材料出现部分老化。设备本身的老化现象也会自动校正。也避免了像现有技术中通常的那样在几周内试运行3D打印机。
优选地，整个控制系统在构建过程的每一层循环的定义时间内进行一个周期的循环，以便测量不受诸如烧结装置、重涂器和打印头之类的单元的阻碍，这些单元在该段时间在构建场上移动。与辐射场相互作用的变化或分层工艺中使用的单元的温度变化不再产生影响，因为构建场的阴影可以在时间和位置方面被掩盖。
与现有技术相比，这具有以下优点，即不需要对设备进行调整或/和校准。此外，3D打印机即使在环境条件波动的情况下也能稳定运行，因此稳定的运行包括在环境温度较高或较低的区域运行。这带来了成本优势，因为它消除了成本，例如无需环境中的空调。
在打印过程中，利用烧结单元对由IR受体(IR吸收器)湿润的颗粒材料表面进行烧结的工艺带来了额外的能量，这导致该处的温度升高，其中该表面与待制造的模制品的横截面对应。此外，已经制得的模制品部件会改变物理参数，例如颗粒材料的导热性或已打印表面的发射率。在现有技术的设备中，这会由于不可控的工艺条件而反复导致打印工艺中止，甚至损坏机器。
在本例中，部件在构建区域中的位置是已知的。因此，用于IR受体应用的截面视图数据已经可用，并且该截面视图数据可以被馈送到求解器算法并由求解器算法考虑。后者现在能够对颗粒材料表面的不同填充程度做出动态反应。原则上，也可以使用这种方法以工艺优化的方式将模制品自动放置在构建区域中。这省略了手动将待生成的模制品放置在虚拟构建区域中的这一耗时和复杂的步骤。这可以节省大量时间和成本。例如，无需对操作烧结机所需的元件放置和微调进行培训。在现有技术中，为了确保最佳的定向和参数化，模制品经常被创建多次，这在本领域中被称为所谓的“幽灵工作”。取消这些多次预测试打印可显著降低制造成本。
此外，可以实现对工业生产而言很重要的所需可重复性，从而可以将更严格的公差应用于生产的模制品。因此，也实现了质量的提高。
如果要覆盖更大的表面，可以很容易地错开几个辐照单元场(由一组辐照单元或不同辐照设备覆盖的重叠场)。通过重叠热成像相机和红外高温计的测量范围，可以进一步生成校准数据，从而通过比较获得的测量数据来提高所用仪器的测量精度。因此，几乎任何构建区域的几何形状和尺寸都是可能的，而无需包括另一个复杂且成本密集的设计步骤。
附图标记说明
图H1：
H101 红外辐照单元
H102 物体表面
H103 X方向红外辐照单元温度
H104 物体表面产生的温度分布
H105 最佳温度范围
H106 X方向上低于最佳温度的区域
H107 红外高温计
H108 红外辐照组件
图H2：
H201 红外辐照单元
H202 物体表面
H203 X方向上红外辐照单元的计算所需温度
H204 物体表面产生的温度分布
H205 所需表面温度的离散化和各个红外辐照单元的驱动功率的计算
H206 红外高温计
H207 热成像相机
图H3：
H301 辐照组件
H302 热成像相机
H303 红外辐照单元
H304 温度传感器
H305红外高温计
图H4：
H400 辐照组件
H401-H406 组合到各个加热电路的红外辐照单元。

Claims (10)

1.一种适用于3D打印机的辐照设备，其特征在于，该辐照设备具有由多个辐照单元组成的阵列，每个辐照单元的温度可以单独控制，或者是辐照单元的子集组合成一个组，每组辐照单元的温度是可控的。
2.根据权利要求1所述的辐照设备，其特征在于，在每个辐照单元或每组辐照单元中设定目标温度，条件是所述辐照单元的功率(瓦特)不被设定为目标参数。
3.根据权利要求1或2所述的辐照设备，其特征在于，所述辐照设备中的基本上每个辐照单元或辐照单元组可以被设置为不同的目标温度或/和
其中所述辐照设备包括控制电路，用于每个辐照单元的目标温度调节或/和用于所述构建场，优选是所述构建场上的限定区域(部分区域)中的目标温度调节或/和
其中所述辐照设备使用算法通过所述辐照设备中的目标温度设置来实现所述构建场上的目标温度，或/和其中所述目标温度设置是通过将辐照单元定义为组合成组的辐照单元的子集来实现的。
4.根据前述权利要求中任一项所述的辐照设备，其特征在于，所述辐照设备包括至少一个指向所述构建场的热成像相机和/或至少一个红外高温计和/或至少一个温度传感器，优选地，其中所述温度传感器是热电偶或电阻温度计。
5.根据权利要求4所述的辐照设备，其特征在于，所述热成像相机用于局部测量记录，所述红外高温计用于校准绝对温度值。
6.一种3D打印机，包括如权利要求1至4中任一项所述的辐照组件，其特征在于，所述构建场上的目标温度可通过所述辐照设备中的每个辐照单元或/和每组辐照单元的目标温度设置来调整。
7.一种通过颗粒材料沉积和选择性固化来生产模制品的方法，所述方法使用如权利要求1至4中任一项所述的辐照设备，其中每个辐照单元的温度可单独控制，或辐照单元的子集组合成一个组，每组辐照单元的温度是可控的。
8.一种通过颗粒材料沉积和选择性固化来生产模制品的方法，所述方法使用如权利要求1至4中任一项所述的辐照设备，其中所述辐照设备中的目标温度设置被设定为所述辐照单元在边缘处的目标温度比所述辐照设备的其余区域处的目标温度高。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，其条件是所述辐照单元的功率(瓦特)不被设置为目标参数，或/和
其中所述辐照设备中的目标温度分布对应于图2中的目标温度分布，或/和
其中，所述方法为3D高速烧结工艺或3D烧结工艺或多射流熔化工艺。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其特征在于，所述辐照单元的布置和/或目标温度源自热传递的物理定律和有限元方法计算以及专有算法的开发。
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