CN114786847A - Slm工艺中的主动空气调节 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于执行用于根据选择性粉末熔化方法通过由粉末状材料(P)逐层构建来制造物体(G)的方法的设备(100)，该设备包括：构建空间(102)，设计用于容纳待制造的物体(G)；配备有粉末储备容器(212)的粉末交付装置(200)，设计用于将材料粉末(P)输送到构建空间(102)中；粉末层制备装置(104)，设计用于在设置在构建空间(102)中的载体(106)上制备所输送的材料粉末(P)的连续层；辐照装置，设计用于辐照最后制备的粉末层，并且由此使其局部熔化；和保护气体循环设备，设计用于使存在于构建空间(102)中的保护气体循环。根据本发明，设备(100)还包括至少一个空调装置，设计用于在空调运行中对由保护气体循环设备循环的保护气体在其温度和/或湿度方面进行空气调节。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于执行用于根据选择性粉末熔化方法通过由粉末状材料逐层构建来制造物体的方法的设备，该设备包括：构建空间，设计用于容纳待制造的物体；配备有粉末储备容器的粉末交付装置，设计用于将材料粉末输送到构建空间中；粉末层制备装置，设计用于在设置在构建空间中的载体上制备所输送的材料粉末的连续层；辐照装置，设计用于辐照最后制备的粉末层，并且由此使其局部熔化；和保护气体循环设备，设计用于使存在于构建空间中的保护气体循环。
背景技术
特别地，本发明涉及一种用于根据选择性激光熔化或选择性激光烧结的原理制造成型体的设备。关于涉及选择性激光熔化领域的现有技术应参考DE 199 05 067 A1、DE101 12 591 A1、WO 98/24574 A、DE 10 2009 038 165 A1、DE 10 2012 221 641 A1、EP 2052 845 A2、DE 10 2005 014 483 A1和WO 2017/084781 A1。
已知的是：借助选择性激光熔化的方法可根据对应的成型体的几何描述数据通过由金属的或陶瓷的材料粉末逐层构建来制造成型体，如机器部件、工具、假肢、珠宝首饰等，其中在制造工艺中依次将多个粉末层彼此上下施加，并且对每个粉末层之前用聚焦的激光束在预设的区域中加热，使得材料粉末在被辐照的区域中重熔成连续固化的部段，其中该预设的区域对应于成型体的模型的所选择的横截面区域。
在此，分别根据成型体的所选择的横截面区域的几何描述数据或可能从中导出的数据，将激光束在相应的粉末层上方引导。
在选择性激光熔化的这种工艺中，材料粉末通常作为不含粘合剂和助熔剂的金属的、陶瓷的或混合金属/陶瓷的材料粉末的形式施加，并通过激光束加热到其熔化温度，其中将激光束的能量选择成，使得材料粉末在激光束的相遇位置处在其整个层厚度之上尽可能完全熔化，但另一方面，不会将过多热量引入粉末中使得粉末的相邻区域同样熔化，这会导致制造工艺的精度下降，并且导致所制造的物体的壁厚度不期望地高。
通常，将具有高于环境压力的压力的惰性的保护气体气氛、例如氩气气氛维持在激光束和材料粉末之间的交互作用的区域之上，以便排除材料或出自气氛中的分子之间的其他不期望的化学反应或材料的氧化，并且还防止来自环境中的空气侵入。为此使用的保护气体在气体循环过程中被过滤并又输送给构建空间。
为了从保护气体气氛中去除可能仍保留在保护气体或材料粉末中的剩余水分，例如在EP 2 992 986 A1中已经提出使用纯被动气体干燥装置，在该气体干燥装置中例如储备容器中的硅胶以与保护气体气氛进行气体交换的方式存在，并且以已知的方式从保护气体中抽取其水分。此外，在WO 2017/220744 A1中提出：借助于单独的气体系统提供干燥气体流，干燥气体流被引导通过构建空间，以便从材料粉末的最上层中吸收水分。
然而，已经表明：这两种所提出的干燥设备在如下方面是不灵活的：这些干燥设备仅被动作用或不受调节地作用，进而无法设置保护气体气氛的限定的工艺参数，或者其由于设置用于产生干燥气体流的部件而是成本耗费的且构件密集的。
此外，同样指出：由于激光辐射的影响，保护气体的持续发生的加热不由所提出的两个干燥装置来消除，进而还会导致构建空间中的所有部件的热膨胀。
保护气体的这种波动的工艺参数湿度和温度导致工艺稳定性和构件质量的劣化，因为存在于构建空间中的水分显著使粉末输送和处理变难，例如通过其流动性、其覆层涂层和其分布而劣化并且已经会阻碍粉末输送进入构建空间中，其中还会造成结块的形成并导致水从大气中剩余的水分中分离，这在极端情况下会导致不受控的爆炸和飞溅颗粒，或至少导致所制造的构件的表面质量较差。
发明内容
因此，本发明的目的是改进用于执行选择性粉末熔化工艺的这种设备，使得在构建空间中可以存在恒定的工艺条件，这可以引起构件质量的改进并引起流程和对应物体制造中的效率提高。
为了实现该目的，根据本发明的设备包括至少一个空调装置，设计用于在空调运行中对由保护气体循环设备循环的保护气体在其温度和/或湿度方面进行空气调节。由此，不仅消除了现有技术的上述缺点，而且还会有助于降低其他机器构件，即例如辐照装置的光学部件所需的冷却功率，并有助于更快地冷却热的粉末，这又可以提高在制造物体时的时钟速率，从而提高设备的效率。
此外，在根据本发明的设备中，保护气体循环设备可以设计用于在构建空间中维持过压。对恒定的过压的保持也是一种运行参数，其可以对所形成的构件质量产生积极影响，其中通过设置过压还可以防止空气从环境中侵入。
根据本发明，根据本发明的设备的空调装置可以包括用于冷却保护气体的冷却单元，特别是热交换器，更特别是逆流热交换器，其中由此以已知的方式实现空调装置在其空调运行中的能量效率的提高。在这种逆流热交换器中，在第一冷却阶段，已经冷却的保护气体与新输送的且待冷却的保护气体呈逆流引导，使得在这两种气体流之间建立热耦合。
为了可以在保护气体的温度和水分含量方面执行空调运行，可以将冷凝物排放系统与冷却单元相关联，冷凝物排放系统设计用于导出由于保护气体的冷却而产生的冷凝物。在此需要注意的是：冷凝物排放系统允许将冷凝物从设备中导出而没有压力损失，然而，本领域技术人员从现有技术中已知适合于此的排放系统。
此外，根据本发明的设备可以包括用于将未熔化的材料粉末引回到粉末储备容器中的粉末引回装置，粉末引回装置形成粉末交付装置的一部分。
可替代地或附加地，粉末交付装置还可以优选地包括至少一个用于材料粉末的过滤设备。此外，根据本发明的设备还可以包括粉末抽吸装置，设计用于抽吸剩余在构建空间中的材料粉末，并且为此包括循环泵，其中由循环泵驱动的保护气体流驱动剩余材料粉末通过分离器、特别是旋风分离器。
尽管可以考虑不同设备用于指示空调装置的空调运行，即例如根据其他的工艺参数，如辐照时间，以预设的时钟时间的间歇式运行，而在一个优选的实施方式中，空调装置可以包括控制单元，控制单元设计用于适配空调运行的参数。该控制单元可以集成在上级的控制单元中或与其在运行方面耦联以交换数据，其中该上级的控制单元控制物体制造的流程的其他工艺。
在此，在另一优选的实施方式中，该设备可以包括至少一个传感器单元，该传感器单元与空调设备的控制单元运行耦合，并且设计用于交付关于设备的至少一个工艺参数的数据。通过传感器单元测量例如保护气体循环设备中适当位置处的保护气体的温度或湿度并将相应的数据输出给控制单元，可以创建用于该至少一个工艺参数或一个或多个从中导出的工艺参数的调节回路，其允许优化的运行以及相应的工艺参数随时间的实际上任意精确的设置。如已经表明的那样，至少一个工艺参数因此可以包括保护气体的温度以及/或者相对湿度或绝对湿度。
尽管可以在根据本发明的设备中在各种位置处设置该至少一个空调装置，但其可以至少部分地设置在构建空间或粉末储备容器中，或设置在所属于保护气体循环设备的气体管线中，或所属于粉末交付装置的气体或粉末管线中，或所属于粉末抽吸装置的气体管线中，以对位于该处的保护气体进行空气调节。
附图说明
当结合附图考虑实施方式时，本发明的其他特征和优点将通过对实施方式的以下描述而变得显而易见。附图中详细地示出：
图1示出根据本发明的设备的一个实施方式中的保护气体循环设备的示意图；
图2示出根据本发明的设备的一个实施方式中的粉末抽吸装置的示意图；
图3示出根据本发明的设备的一个实施方式中的粉末输送设备的示意图；和
图4示出图1至图3中的设备的空调装置的可行的实施方式的示意图。
具体实施方式
在图1至图3中分别以横截面图示出根据本发明的设备的一个实施方式的示意图，并且其总体地由附图标记100表示。在此，在图1至图3中分别示出不同的回路，然而这些回路用于相同的设备100，并且仅为了清楚起见被划分至1到3。
设备100包括构建空间102，构建空间容纳待制造的物体G，物体G根据选择性粉末熔化的方法通过由粉末材料P逐层构建来制造，其中在构建空间102中存在具有增加的压力的保护气氛。
用于制造物体G的辐照装置在图1至图3中为了清楚起见未被示出，然而在构建空间102中设有粉末层制备装置104，粉末层制备装置设计用于：在设置在构建空间102中的载体106上制备所输送的材料粉末P的连续层。
载体106通过粗略示意示出的升降装置108以可高度转移的方式容纳在构建空间102中，其中载体在图1所示的状态下当前保持在如下高度中，该高度使得由粉末层制备装置104制备的粉末P在适合于后续另外的辐照步骤的水平上铺开以构建物体G的另一层。
此外，图1示出保护气体循环装置110，在保护气体循环装置备中保护气体流通过循环泵112驱动，保护气体流示意地通过箭头S表明。在此，由保护气体循环装置110循环的保护气体被保持在相对于设备100的环境为过压中，并且保护气体循环装置110从构建空间102导出烟气和飞溅颗粒，这些烟气和飞溅颗粒可以被收集在过滤器114中，在循环装置110中待循环的气体穿行该过滤器114。
由于在未示出的辐照装置的运行中由工艺引起将热量输入到构建空间102中，所以在设备100中循环的保护气体被不可避免地加热，此外这也适用于设备100的大量其他部件。因为设备100的部件的这种加热会导致这些部件的热膨胀，所以由此会影响设备100中物体G的制造工艺的精度，从而从现有技术中已知对各种部件的冷却，如辐照装置本身的各个构件。此外，还表明了在保护气体或材料粉末中残留的水分同样会导致设备100中制造的物体G的劣化。
因此，根据本发明，图1至图3中的设备100现在包括下文中结合图4所描述的空调装置中的至少一个，该空调装置首先可以设置在图1中的设备100中的不同位置处，例如设置在循环泵后方的保护气体循环装置110中，即设置在用P1指明的位置处，设置在过滤器114之前在保护气体循环设备110内的位置P2处，或也直接与构建空间102相关联，即设置在位置P3处。在此，位置P1相对于位置P2是优选的，因为位置P1处的保护气流通过先前的过滤器比在位置P2处更好地适合于冷却运行，在位置P2处保护气体流仍可能包含会损坏空调装置的杂质。
此外，至少一个传感器单元在运行方面可以与空调设备相关联，该传感器单元以已知的方式将关于至少一个工艺参数、例如保护气体的温度以及/或者相对或绝对湿度的数据提供给空调装置的未示出的控制单元，以便实现调节回路的构建。至少一个传感器单元例如可以设置在设备100内的三个位置P1至P3之一处。
图2现在示出粉末抽吸装置120，其也形成设备100的一部分。借助该粉末抽吸装置120，在构建空间102中的物体G的制造过程结束后，可以通过操作员将在制造工艺中未熔化的、仍残留的材料粉末P吸出并引回到粉末储备容器122中。为了说明在图2中物体G的制造工艺基本上结束，在那里所示的状态下，升降设备108已经将载体106提升到上部的止挡位置中，并且物体G现在准备好从构建空间102中提取。
对于抽吸剩余粉末的过程，一方面在构建空间102内设有抽吸软管124，可以由操作员将抽吸软管从构建空间102外部引导至待抽出的材料粉末P，并且另一方面，设有循环泵126，其将保护气体从构建空间102抽吸，进而产生气体流，气体流引起材料粉末P的抽出。如此抽出的且随箭头F的材料粉末被引导通过旋风分离器128，在旋风分离器中材料粉末与气体流分离，并被收集在粉末储备容器122中。
过滤器130也可以与粉末抽吸装置120相关联，以及粉末抽吸装置120也可以与下文结合图4所描述的空调装置中的至少一个相关联，其中至少一个空调装置因此可以设置在构建空间102之内的已经提及的位置P3旁边，也可以设置在粉末抽吸装置120内的其他位置P4和P5处，其中位置P5又优于位置P4，这是因为经过滤的保护气体已经在其中进入，或者可以设置在粉末储备容器122内的位置P6处。
现在，在图3中还示出根据本发明的设备100的粉末输送设备200的示意图。在此，又示出构建室102，构建室具有设置在其中的粉末层制备装置104和未示出的辐照装置。
在构建空间102中，由材料粉末P构成的物体G也已经构建在载体106上，其中物体G的制造类似于图1尚未完全结束，使得升降装置108将载体106也保持在图1中所示的高度上。
在此，除了可以与上述粉末储备容器122相同的粉末储备容器212和旋风分离器214之外，粉末交付装置200还包括用于筛分待输送的材料粉末的超声波筛215、缓冲容器216以及装载单元218，缓冲容器具有用于筛分过的材料粉末的相关联的螺旋输送器217，装载单元将由螺旋输送器217输送的材料粉末最后从下方起输入到构建空间102中，然后在那里材料粉末由制备装置104针对后续的辐照步骤进行准备。
此外，粉末交付装置200包括粉末引回装置219，通过粉末引回装置可以将在辐照过程中未熔化的材料粉末转移回粉末储备容器212中，进而在又输送到构建空间中的随后的步骤中在又穿行旋风分离器214、超声波筛215、缓冲容器216和螺旋输送机217之后被再引入到构建空间102中。此外，将再填充装置212a与粉末储备容器212相关联，在设备200持续运行中材料粉末可以通过再填充装置输入到粉末储备容器212中。
粉末交付装置200又与保护气体循环设备220耦联，更确切地说使得通过循环泵222循环的保护气体将由螺旋输送机217从粉末储备容器212输送出来的材料粉末如通过箭头F表明的那样携带至旋风分离器214，其中保护气体的流由箭头S表明。
如在图4所示出那样设置的至少一个空调装置也可以设置在图3的粉末交付装置200中，以对保护气体进行空气调节，其中该空调装置可以又设置在粉末交付装置200中的不同位置处，例如又设置在粉末储备容器212中的点P6处或构建空间102内的点P3处。
除了上面已经结合图1和图2提到的空调装置的这些可能的位置之外，空调装置还可以在图3中在超声波筛215的区域中设置在位置P7处、设置在与缓冲容器216相关联的位置P8处或设置在与装载装置218或粉末引回装置219相关联的位置P9处。
所提及的位置P1至P9也可以或可替代地又用作为用于检测至少一个工艺参数、例如保护气体的温度和/或水分含量的至少一个传感器单元的装入位置。
最后，现在在图4中示意性地示出空调装置的一个可行的实施方式，并且总体地用附图标记300表示。在此，温且湿的保护气体在点302处被输入到逆流热交换器306中，并且在保护气体根据逆流原理引起温且湿的保护气体第一次预冷却之后，经温度处理的且干燥的保护气体被在点304处再次从热交换器306中提取出。
如从现有技术中已知的，冷却回路314还以经由冷却单元312耦联的方式与热交换器306耦联，在冷却回路中，加热的冷却剂在点316处首先由压缩机318压缩且加热，然后由冷却器320冷却并液化，并且然后经冷却的冷却剂通过节流阀322减压，并且由此被更强地进一步冷却。通过这样冷却的冷却剂在点324处作用于预冷却的保护气流的方式，保护气体流也冷却下来，可以作为干燥和冷的气流被引导至点304，并且最初存在于其中的水分在冷却单元312的区域中冷凝。这种经冷凝的水分可以通过同样从现有技术中已知的冷凝物排放系统326从空调装置300中去除，而保护气体不会由此从设备中逸出或气体不会从外部侵入该设备中。
以该方式，可以实现保护气体流的空气调节，该空气调节由热交换器306和冷却单元312执行，热交换器和冷却单元因此共同地作用为就本发明的意义而言的冷却单元，其中通过空调装置300的未示出的控制装置可以调节工艺参数，比如冷却回路的冷却剂的温度或冷却功率，例如根据由提供上述传感器数据的传感器单元来调节，其中例如保护气体在测量点之一处的提高的所确定温度可以引起：空调装置的控制单元提高冷却回路的冷却功率。
通过在用于执行用于根据选择性粉末熔化的方法制造物体的方法的设备中对保护气体进行在此描述的主动空气调节的方式，可以实现对相关的工艺参数，比如在构建空间102内的保护气体的温度和湿度的出色调节，进而可以实现制造工艺的精度改进和效率提高。
Claims (11)
1.一种用于执行用于根据选择性粉末熔化方法通过由粉末状材料(P)逐层构建来制造物体(G)的方法的设备(100)，所述设备包括：
-构建空间(102)，设计用于容纳待制造的所述物体(G)；
-配备有粉末储备容器(122；212)的粉末交付装置(200)，所述粉末交付装置设计用于将材料粉末(P)输送到所述构建空间(102)中；
-粉末层制备装置(104)，设计用于在设置在所述构建空间(102)中的载体(106)上制备所输送的所述材料粉末(P)的连续层；
-辐照装置，设计用于辐照最后制备的粉末层，并且由此使最后制备的粉末层局部熔化；和
-保护气体循环设备(110)，设计用于使存在于所述构建空间(102)中的保护气体循环；
其特征在于，所述设备还包括至少一个空调装置(300)，所述空调装置设计用于在空调运行中对由所述保护气体循环设备(110)循环的保护气体在其温度和/或湿度方面进行空气调节。
2.根据权利要求1所述的设备(100)，其特征在于，所述保护气体循环设备(110)还设计用于在所述构建空间(102)中维持过压。
3.根据权利要求1或2所述的设备(100)，其特征在于，所述空调装置(300)包括用于冷却所述保护气体的冷却单元(306，312)，特别是热交换器(306)，更特别是逆流热交换器(306)。
4.根据权利要求3所述的设备(100)，其特征在于，将冷凝物排放系统(326)与所述冷却单元(306，312)相关联，所述冷凝物排放系统设计用于导出由于所述保护气体的冷却而产生的冷凝物。
5.根据前述权利要求中任一项所述的设备(100)，其特征在于，所述设备还包括用于将未熔化的材料粉末引回到所述粉末储备容器(122；212)中的粉末引回装置(219)，所述粉末引回装置是所述粉末交付装置(200)的一部分。
6.根据前述权利要求中任一项所述的设备(100)，其特征在于，所述粉末交付装置(200)还优选地包括至少一个用于所述材料粉末的过滤设备(215)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的设备(100)，其特征在于，所述设备还包括粉末抽吸装置(120)，所述粉末抽吸装置设计用于抽吸在所述构建空间(102)中的剩余材料粉末(P)，并且为此包括循环泵(126)，其中由所述循环泵(126)驱动的保护气体流驱动所述剩余材料粉末(P)通过分离器(128)、特别是旋风分离器(128)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的设备(100)，其特征在于，所述空调装置(300)包括控制单元，所述控制单元设计用于适配所述空调运行的参数。
9.根据权利要求8所述的设备(100)，其特征在于，所述设备包括至少一个传感器单元，所述传感器单元与所述空调设备(300)的所述控制单元运行耦合，并且设计用于交付关于所述设备(100)的至少一个工艺参数的数据。
10.根据权利要求9所述的设备(100)，其特征在于，至少一个所述工艺参数包括所述保护气体的温度以及/或者相对湿度或绝对湿度。
11.根据前述权利要求中任一项所述的设备(100)，其中所述至少一个空调装置(300)至少部分地设置在所述构建空间(102)中或所述粉末储备容器(122；212)中或在所属于所述保护气体循环设备(110)的气体管线中或在所属于所述粉末交付装置(200)的气体或粉末管线中或在所属于所述粉末抽吸装置(120)的气体管线中，以对位于该处的保护气体进行空气调节。
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