CN115279573A - 一种使用高性能辐射发射器生产3d成型制品的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使用辐射发射装置以及可选的辐射发射单元的特定布置来生产三维模型的方法和设备。

Description

一种使用高性能辐射发射器生产3D成型制品的方法和设备

本发明涉及一种使用高性能辐射发射器生产三维模型的方法和设备。

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构建平台上，并且颗粒材料(通常为流体)具有粘合剂材料，通过打印头将粘合剂材料选择性地打印在颗粒材料上。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，在构建圆柱体中将构建平台降低一层厚度，并且该构建平台提供有新的一层颗粒材料，这一新的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(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。

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(也称为模型的分层构建或层构建技术)，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，并在受控的物理辐射源的帮助下选择性地固化颗粒材料。

在下文中，所有这些工艺将被理解为由术语“三维打印方法”或“3D打印方法”所涵盖。

基于粉状材料和引入液体粘合剂的3D打印是层构建技术中最快的方法。

该方法允许处理各种颗粒材料，包括聚合材料。但其缺点是颗粒料床不能超过一定的堆积密度，堆积密度通常为颗粒密度的60％。然而，所需部件的强度很大程度上取决于达到的密度。在此要求零件的高强度添加40体积％或更多的液体粘合剂形式的颗粒材料。由于单液滴输入，这不仅是一个相对耗时的过程，而且还会引起许多与工艺相关的问题，例如，固化过程中液体体积不可避免的收缩。

在本领域中称为“高速烧结”(HSS)的另一个实施例中，颗粒材料的固化通过红外辐射的输入来实现。颗粒材料因此通过熔合过程物理结合。在这种情况下，利用了无色塑料材料对热辐射的吸收相对较差的优点。通过将IR受体(吸收剂)引入塑料材料中，可以多次增加所述吸收。IR辐射可以通过多种方式，例如条形红外灯引入，其在构建场地上均匀移动。选择性是通过使用IR受体对各个层进行特定打印来实现的。

因此，在打印位置，IR辐射比未打印区域更好地耦合到颗粒材料中。这导致层内选择性加热超过熔点，并因此导致选择性凝固。例如，在EP1740367B1和EP1648686B1中描述了该过程。

高速烧结工艺使用发射器，这会影响工艺控制并影响工作结果或制造的成型制品的质量。这里的一个重要部件是烧结组件，在一个实施例中，该烧结组件使用短波或近红外辐射源将用IR受体润湿的区域的温度升高到颗粒材料的熔化温度之上，从而在该温度下出现固化。在现有技术的实施例中，用该发射器通过该辐射源扫过某些区域被IR受体湿润的颗粒材料表面，该辐射源设计为线性发射器管，布置成与运动方向垂直。

本发明的一个目的是提供构建装置，该构建装置改进了3D打印方法或至少有助于改善现有技术的缺点或完全避免现有技术的缺点。

本发明的另一个目的是提供一种使用有利的辐射发射器的方法和设备，从而改进工作结果。

发明内容

一方面，本发明涉及一种设备，特别是辐射发射装置，其适用于生产3D成形制品或适用于3D打印设备，其中该辐射发射装置包括多个辐射发射单元，多个辐射发射单元安装在扫过颗粒材料表面的保持装置上，并且其中每个辐射发射单元以限定的旋转角α安装在保持装置上，并且辐射发射单元具有不同或相同的定义的旋转角α或者一个或多个辐射发射单元具有一个定义的旋转角α(组1)，并且一个或多个辐射发射单元具有另一个定义的旋转角α(组2)，并且这些辐射发射单元与一个或多个冷却装置组合。

另一方面，本公开涉及一种3D打印设备，其适用于构建包括至少一个如本文所述的辐射发射装置的3D模制品。

另一方面，本发明涉及一种使用如本文所述的辐射发射装置制造3D成型制品的方法。

附图说明

图1示出了从yz平面的侧面观察的烧结辐射发射装置的示例。

图2是市售的L形IR发射器的示例性示意图。

图3是辐射发射器在其在xy平面中的悬挂点处的旋转效果的示例性示意图。

图4示出了对应于图1的烧结辐射发射装置的示例，其中发射器管作为示例旋转，这里从xy平面的下方观察。

图5示出了示例性实施例中的烧结辐射发射装置内的发射器管的示例性布置。

图6是xy平面中的辐射发射装置的俯视图，其中单个发射器管旋转并且在经过构建场地时，在这种情况下指向上方。

图7示出了基本控制算法的示例性实施例的框图，该算法用于控制每个单独的发射器的设定功率以在构建场地上实现期望的温度分布。

具体实施方式

根据本发明，通过如权利要求1所述的装置或/和如权利要求12所述的方法来实现本申请的一个目的。从属权利要求中描述了进一步的优选方面。

首先，下文将更详细地解释本公开的几个术语。

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。

“构建空间”是构建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。构建空间通常由底部(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。构建空间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。

本文使用的“颗粒材料”或“颗粒构建材料”或“构建材料”或“流体”可以是已知用于基于粉末的3D打印的任何材料，特别是聚合物、陶瓷和金属。颗粒材料在干燥时优选是自由流动的粉末，但也可以是粘性的、耐切割的粉末或带颗粒的液体。在本说明书中，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”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、构建场地、用于在连续过程中移动构建场地或其他零件的装置、计量装置和加热和/或辐射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，其根据构建材料和工艺条件单独调整。例如，层厚度为0.05-5mm，优选0.07-2mm。

本公开意义内的“重涂器”是一装置部件，其可以接收流体，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。

在本公开的意义上，“容器”应被理解为重涂器的一部分，颗粒材料填充到该重涂器中，并且颗粒材料从该重涂器中以受控方式通过出口分配和施加到3D设备的构建平台上。

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”。

本公开中所使用的“辐射发射装置”是指以定义的方式布置在其旋转角α处的辐射发射单元的组件，其中每个辐射发射单元或一组辐射发射单元可以具有相同的角度α。

本公开所用的“辐射发射单元”是指可旋转设置并发射特定光谱的光的单元。

本公开所用的“旋转角α”是指辐射发射单元设置在辐射发射装置中的角度，参考平面垂直于辐射发射单元在颗粒材料表面上的移动方向。在这种情况下，每个辐射发射单元可以以不同或相同的角度布置在一个辐射发射装置中，在这种情况下也可以根据角度α形成不同的辐射发射单元组，例如组1，组2等。

在本公开的意义上，“组1”或“组2”直至“组n”是形成相同角度的辐射发射单元组。

如本公开中使用的“冷却剂”是能够冷却辐射发射单元的装置，例如水或其他液体或鼓风机气流。

如本公开中使用的“周边区域”是指辐射发射装置的区域，该辐射发射装置位于辐射发射组杭州的边缘且与内部区域分开。在这种情况下，周边区域和内部区域根据其上安装有辐射发射单元的表面形成辐射发射单元的总区域。

如在本公开中使用的“内部区域”是指位于辐射发射装置且可与周边区域分开的辐射发射装置的区域。

如在本公开中使用的“光谱转换器”是一种改变发射光的光谱的装置。例如，这可以是水。

如在本公开中使用的的“辐射强度”是指电磁辐射的发射器，例如辐射发射单元，一组辐射发射单元或辐射发射集每面积发射的电磁辐射的功率。

如在本公开中使用的“短波长光谱”是指基本上具有最大1.2μm或更小的波长的普朗克光谱的电磁辐射。

如在本公开中使用的“近红外区”是指波长为1μm或更小的电磁辐射。

根据本公开，一组辐射发射单元的“均匀光谱”是指普朗克辐射光谱的基本一致的波长分布或相同的波长最大值。

如在本公开中使用的“辐射光谱”是指发射的电磁辐射的波长的集合，这里的电磁辐射特别是指呈普朗克辐射分布的形式的电磁辐射。

如在本公开中所使用的，“连续辐射强度”是指将来自辐射发射单元的发射功率无缝组合成表面上的相干系综。

“层数据”是指逐层构建模制品所需的切割数据，该数据根据虚拟数字可得的模制品数据中预先计算出来的。

“灯丝温度”或“线圈温度”是指通过施加电压加热并位于玻璃灯泡中的线元件产生的温度，该线元件通常设计为线圈。

下面将更详细地描述本发明的其他方面。

本申请的目的尤其通过一种适用于3D打印设备的辐射发射装置来实现，其中辐射发射装置包括安装在保持装置上的多个辐射发射单元，并且其中每个辐射发射单元以定义的旋转角α安装在保持装置上，并且辐射发射单元具有不同或相同的定义的旋转角α，或者一个或多个辐射发射单元具有一个定义的旋转角α(组1)和一个或多个辐射发射单元具有另一个定义的旋转角α(组2)，并且辐射发射单元与一个或多个冷却装置组合。

旋转角α可以根据辐射发射装置的周边区域和内部区域的要求进行不同设置，由此通过改变旋转角可以在不同区域中改变功率输入并因此优化。如果在辐射发射装置的周边区域中的旋转角α大于在发射辐射装置的内部区域中的旋转角α，则可能是有利的。

例如，还可能希望在不同区域选择不同的辐射强度。例如，如果将辐射发射装置的周边区域中的辐射强度设置为高于辐射发射装置的内部区域中的辐射强度，则可能是有利的。

也可以通过某种方式选择其他参数，例如如果辐射发射装置中的周边区域对应于发射辐射装置到其构建表面的距离，则可能是有利的。

辐射发射装置可以与其他装置组合，例如辐射发射单元可以与光谱转换器组合。

如果辐射发射单元被冷却，例如辐射发射单元可以用冷却剂冲洗，优选地整体冲洗，优选地辐射发射单元可以直接冲洗，则也可以是有利的。

在这种情况下，冷却剂可以是例如水或/和光谱转换器。

发射的光谱是根据需要选择的，对于发射辐射装置而言，发射基本上是短波光谱可能是有利的。

在根据本公开的辐射发射装置中，根据构建要求选择光谱，并且辐射发射装置在构建场地上产生基本均匀的光谱可能是有利的。

辐射发射单元可以根据需要进行选择，辐射单元大致上为L形可能是有利的。

另一方面，本公开涉及一种适用于构建3D成型制品的3D打印设备，所述设备包括至少一个如上所述的辐射发射装置。

另一方面，本公开涉及一种使用至少一个如上所述的辐射发射装置构建3D成型制品的方法。

另一方面，单独的辐射发射单元，优选地一组辐射发射器，彼此连接不同的电力。

此外，通过非接触式温度传感器测量一组发射辐射单元的能量输入并通过测量值控制该组的辐射强度可能是有利的。在这种情况下，辐射发射装置通过限定区域之前和之后的温度分别由一个测量装置测量。

辐射发射单元的有利布置是无间隙顺序的形式，从而产生连续辐射强度的不间断场结果。

在这种情况下，通过将辐射发射单元旋转角度α，可以将一组辐射发射单元中的几个集合相互嵌套，从而能够增加发射的辐射强度。

使用不同尺寸的辐射发射单元可能是有利的，例如，通过在辐射发射装置的侧面设置较短的辐射发射单元来实现更高的辐射强度，从而补偿由于辐射发射单元侧面的辐射强度降低而引起的边缘效应。这是因为辐射发射单元位于距被辐射表面一定的限定距离处并且其范围受到限制。这两个因素都会导致生成的辐射场边缘模糊。由于被照射表面的温度与辐射强度直接相关，这会使温度出现不均一性，这对烧结过程有直接的负面影响，参见图5-1。

在增材制造的成型过程中包含计算的层数据允许在不生成模制品的点以有目标的方式关闭一组辐射发射单元。因此，可以抵消由于被照射的颗粒材料的温度升高而导致的不必要的降解。此外，这也有利地实现节能。

通过使用光谱转换器并消散过滤后的能量，可以独立于辐射功率调节辐射发射装置或一组辐射发射器或单个辐射发射单元的发射光谱。这允许对辐射强度进行有利的、更广域的控制。

另一方面，级联多个光谱转换器以实现更强的转换效果或过滤多个特定的不利波长范围可能是有利的。

在某些工艺中使用高度透明的材料而不是光谱转换器可能是有利的。也可以优选使用光谱转换器和透明材料作为防止接触和灰尘的保护。

使用有效的冷却以通过增加的电压在辐射发射单元中产生比行业中惯用的更高的细丝温度可能是有利的。根据维恩位移定律，这会将发射的辐射光谱转移到更短的波长，有利于高速烧结工艺。此外，这可以增加每个辐射发射单元的发射辐射强度。

为了增加辐射发射单元的使用寿命，辐射发射单元的有效冷却也是优选的。

实施例

在图1中以示例的方式示出了从yz平面中的侧面观察的烧结辐射发射装置101。市售的L形发射器管102无缝地放置在一起或可选地旋转过一个平面内角度，从而当从侧面看时，形成无缝组合。供电线所在的发射器的短边从辐射发射装置的顶部引出。管还浸入冷却介质103中，冷却介质103通过供给和排出管线104/105连续交换。由发射器管102产生的废热因此被消散并且由辐射发射器玻璃体的加热引起的二次辐射被抑制。冷却不仅可以通过将玻璃收缩部处的钼馈通保持在约350℃的临界温度以下来延长辐射发射器的使用寿命，还可以同时增加辐射发射器内部的线圈温度，将发射的电磁辐射光谱移向所需的更小波长。发射的辐射光谱与线圈温度直接相关(所谓的维恩位移定律)。细丝色温为2900K而不是2400K也是可能的，这与高速烧结工艺所需的近红外范围中的辐射光谱相对应。冷却液容器在下侧由对特定辐射光谱透明的材料107密封。例如，可以使用硼硅酸盐玻璃。烧结单元的下侧形成另一种辐射传输材料108，辐射传输材料除了可能的过滤特性外，还实现防尘和接触保护的功能。两种材料之间存在间隙106。电磁辐射109可以在装置的下侧逸出。

图2是市售的L形IR发射器201的示意图。这里，跟随玻璃灯泡202的线圈203绕边缘204引导，使得电馈通205位于辐射发射器的顶部。这允许发射器彼此相邻放置，几乎没有间隙。

图3是在xy平面中的悬挂点处旋转辐射发射器301的效果的示意图。如果辐射发射器沿x方向在表面上移动，则发射的辐射集中在较小的表面上，选择的角度越大。因此，较大的旋转角302导致构建场地上的较高温度T2、304。较小的角度β，303导致最终温度T1较低。辐射强度的关系式为I＝[1/cos alpha]，两个温度的比率粗略近似为dT＝[1/cos alpha]^1/4。

图4示出了与图1相对应的烧结辐射发射装置，其中发射器管旋转，例如，这里从xy平面的下方观察。外部辐射发射器402旋转角度比内部辐射发射器403大，从而在边缘实现更高的辐射浓度。

图5描述了以下内容：

1.使用传统的现有技术烧结辐射发射装置沿Y轴在构建场地上得到的温度分布。周边区域接收的辐射强度较小，这导致受辐射表面的温度较低。其原因是辐射发射器在被照射表面上的未聚焦光学图像，这大约对应于高斯分布函数的根，其中归一化的sigma大致遵循发射器管到所述表面的距离。根据经验，已经确定了辐射发射器到两侧构建场的距离的延伸。

所生产的模制品的机械稳定性和质量降低反应了温度较低。为了弥补这一点，辐射发射器必须建造得比构建场地的宽度长得多。这不仅导致整套装置的尺寸增加，而且还导致被照射的区域外部的辐射发射器的装置部件被加热，而通常不希望出现这种情况。此外，装置中的空间通常是有限的。这意味着构建场地的大部分地区必须保持闲置状态，这对生产力和材料消耗产生负面影响。此外，为此需要相应地更多的能量。

2.通过旋转和无缝对齐较小的发射器管，可以独立于辐射光谱来调整能量输入以及构建场地上的最终温度。每个旋转的发射器管在构建场地上产生遵循高斯分布的温度分布，参见(1)中大辐射发射器的分布。当辐射发射器无缝对齐时，高斯曲线的相加结果恰好是一条直线。在示例中，这可能导致温度T2高于(1)中的T0。与(1)中不同，不仅最终的温度可以任意缩放而且总能量以及辐射发射器的长度都可以任意缩放，这将需要根据现有技术基于客户具体要求对发射器管进行调整。

3.具有互相不同旋转角度的无缝发射管序列的组合允许在Y方向上进行温度调节，从而补偿边缘效应，从而可以更有目的性地引入能量，以及可以减小烧结体的辐射发射装置的尺寸。为了补偿温度损失形式的边缘效应，在构建场地的两侧设置了比构建中心更高的温度T2，其中在构建场地中心位置处温度T1就足够了。

4.通过旋转较小的发射器管，可以大大提高能量密度。当使用图1的冷却概念时，高能量密度是可能的。因此，在构建场地可以实现更高的T3温度。根据现有技术，长的单个辐射发射器的最大能量通过钼板在玻璃灯泡处的线路馈通被限制在大约15A在400V，因此T0是可以达到的最高温度。虽然理论上可以通过在Z方向上交错堆叠传统的长且未旋转的辐射发射器来实现类似的高温，但在实践中这很难实现，因为超过一定长度，这将需要非常细且因此对冲击敏感的线辐射发射单元中的绕组。此外，由于需要定制，以这种方式建造的辐射发射单元在价格方面没有竞争力。

图6示出了xy平面中的辐射发射装置601的俯视图，其中旋转的单发射管603和606在经过构建场地时，在这种情况下指向上方。温度传感器604、605、607和608连接到装置601。每个单独的发射器被分配其扫过的构建场地区域A到E。通过温度传感器，例如红外高温计，可以确定每个相应区域A到E的温度，该温度是由每个辐射发射器在曝光之前和之后引入构建场地的能量产生的。在这种情况下，传感器对604和605测量区域A上的第一发射器的轨迹等。

图7示出了用于控制每个发射器的设定功率以在构建场地上实现期望温度分布的基本控制算法的示例性实施例的框图。

将曝光前后的温度差与目标值进行比较，并在此基础上计算和执行各个辐射发射器对每个相应区域，例如此处为A-E区域的功率调整。目标值可以永久存储或遵循特定算法，以便可以从曝光过程中明确排除部分构建场地。因此可以限制由辐射发射器照射时由温度升高引起的构建场地上的颗粒材料的老化。这导致颗粒材料的回收率增加，从而节省与材料消耗相关的成本。

附图标记列表

图	2
				201	市售发射管沿YZ平面的截面示例
	202	发射器管的例如L形的玻璃灯泡
				203	遵循玻璃灯泡的形状的加热线圈
	204	在不中断加热线圈的情况下在发射器管中扭结
				205	加热线圈的电气馈通和连接

图	3
				301	发射器管俯视图
	302	平面内旋转角度α
				303	平面内旋转角度β，其中β<α
	304	较大的旋转角α导致更高的温度和更小的照射宽度
				305	较小的旋转角β导致较低的温度

图	4
				401	从xy平面的下面看的烧结辐射发射装置的示例性实施例
	402	发射器管在平面内旋转
				403	发射器管在xy平面旋转不同的、更小的角度，且无缝连接

Claims (10)

1.一种辐射发射装置，适用于3D打印设备，其中所述辐射发射装置包括安装在保持装置上的多个辐射发射单元，并且其中每个辐射发射单元以限定的旋转角α安装在保持装置上，并且所述辐射发射单元具有不同或相同的定义的旋转角α，或者一个或多个辐射发射单元具有一个定义的旋转角α(组1)，并且一个或多个辐射发射单元具有另一个定义的旋转角α(组2)，并且所述辐射发射单元与一个或多个冷却装置组合。

2.根据权利要求1所述的辐射发射装置，其特征在于，所述辐射发射装置的外周边域的旋转角α大于所述辐射发射装置的内部区域的旋转角α，或/和

其中所述辐射发射装置的所述周边区域中的辐射强度设置为高于所述辐射发射组的内部区域中的辐射强度，或/和

其中所述周边区域对应于所述辐射发射装置到其构建表面的距离。

3.根据前述权利要求中任一项所述的辐射发射装置，其特征在于，所述辐射发射单元与光谱转换器结合。

4.根据权利要求3所述的辐射发射装置，其特征在于，所述辐射发射单元优选地整体用冷却剂冲洗，优选地，所述辐射发射单元被直接冲洗。

5.根据权利要求3所述的辐射发射装置，其特征在于，所述冷却剂例如是水或/和光谱转换器。

6.根据权利要求3所述的辐射发射装置，其特征在于，所述辐射发射装置基本上发射短波光谱。

7.根据前述权利要求中任一项所述的辐射发射装置，其特征在于，所述辐射发射装置在所述构建场地上产生基本均匀的光谱。

8.根据前述权利要求中任一项所述的辐射发射装置，其特征在于，所述辐射发射单元大致呈L形。

9.一种适用于构建3D成型制品的3D打印设备，所述设备包括至少一个如权利要求1至8中任一项所述的辐射发射装置。

10.一种用于构建3D成型制品的方法，其使用至少一个如权利要求1至8中任一项所述的辐射发射装置。

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