CN116669931A - 用于增材制造三维工件的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于增材制造三维工件(10)的装置(1)，所述装置包括构建室(2)、至少一个打印头(3)、用于接收三维工件(10)的接收装置(4)、用于气态流体(7)的调温和输送的循环空气系统(12)、包括x‑y‑轴系统(15)和z‑轴系统(35)的调节装置(5)，所述x‑y‑轴系统具有打印头接收部(25)。所述装置的其特征在于，循环空气系统(12)具有用于气态流体(7)的调温和输送的装置(6)、带有与构建室(2)连接的至少两个进气开口(43)的进气装置(40)以及排气装置(50)，其中排气装置(50)集成在z‑轴系统(35)中并布置为能借助该z‑轴系统调节。本发明还涉及一种用于利用根据本发明的用于增材制造三维工件(10)的装置(1)来增材制造三维工件(10)的方法。

Description

用于增材制造三维工件的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种具有根据权利要求1的前序部分特征的用于增材制造三维构件的装置。本发明还涉及一种根据权利要求9所述的用于增材制造三维构件的方法。
背景技术
在增材制造中或者说在3D打印中，液体或固体材料分层构建为三维工件。例如，可以使用热塑性材料，特别是热塑性塑料，其首先通过加热液化。然后将液体材料选择性地施加到要形成工件的位置处。材料借助冷却再次凝固。
这种装置包括打印头，原材料在打印头中为打印做好准备。此外，用于在打印头和要在其上形成对象的工作表面之间产生相对运动的轴系统是已知的。在此，能够或者仅使打印头、仅使工作表面运动，或者既使打印头也使工作表面运动。
一些热塑性材料往往在冷却时会收缩。收缩导致制成的工件的尺寸偏差。为了抵消这一点，已知所谓的具有能加热的构建室的3D打印机，从而能够在打印过程期间使构建室的温度尽可能恒定。同时，存在例如能够伸入构建室的元件并由此改变温度结构。尤其当不对这些元件进行温度调节时，可能会出现冷桥，由此导致了构建室的不均匀的调温，并且可能会导致在待生产的工件或者说构件中的热变形。因此，由于已经出现的热变形，不可能无缺陷地构建待制造的工件或者说构件。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种装置，所述装置使由热塑性材料制成的三维工件的增材制造更高效且进而更为成本有利。
该目的通过具有权利要求1特征的根据本发明的用于增材制造三维工件的装置以及根据权利要求9所述的根据本发明的用于增材制造三维工件的方法来实现。
所建议的用于增材制造三维工件的装置包括：构建室、至少一个打印头、用于接收三维工件的接收装置、用于气态流体的调温和输送的循环空气系统、包括x-y-轴系统和z-轴系统的调节装置，所述x-y-轴系统具有打印头接收部，其中根据本发明，循环空气系统具有用于气态流体的调温和输送的装置、带有与构建室连接的至少两个进气开口的进气装置以及排气装置，其中排气装置集成在z-轴系统中并布置为能借助该z-轴系统调节。
用于增材制造三维工件的装置也已知为3D打印机或者说打印机。
通过具有用于气态流体的调温和输送的装置的循环空气系统有利地实现了构建室的调温的优化。因此，根据本发明的用于增材制造三维工件的装置抵制了构建室的不均匀的调温并且保证了整个构建室中更均匀的温度结构。
气态流体能够是空气或有利地是保护气体。
此外，循环空气系统包括用于气态流体的调温和输送的装置，通过该装置有利地加热了气态流体并将其输送到循环空气系统中。气态流体通过进气装置流入构建室，填充该构建室，环绕待制造的工件流动，并且随后流过集成在z-轴系统中的排气装置。由此，用于增材制造三维工件的装置的循环空气系统有利地保证了构建室内部均匀的温度结构。
此外，根据本发明的用于增材制造三维工件的装置将轴的z高度上的调节与用于空气循环系统的过程空气的输出相结合。由于这种改变的通风系统，构建室和工件或者说构件一起温度调节得更加恒定。在此，调温有利地显著更均匀，由此工件或者说构件中出现的变形更小。
尤其有利地实现了用于增材制造三维工件的装置的整个加热系统的效率提升。这尤其是通过阻止构建室内部的冷点或热点来实现，由此有利地达到了工件变形的减小。
在改进方案中，排气装置具有布置在z-轴系统的壳体中的空隙。
由此实现了，气流被引导通过z-轴，由此也对该z-轴进行了调温。因此，之前未经调温的z-轴有利地不影响构建室的整体调温。此外，以有利的方式实现了仅仍能够使用一中心Z-轴。
在改进方案中，排气装置的空隙布置在接收装置下方。
在优选的改进方案中，进气装置具有通道和带有进气开口的连接装置，其中气态流体能够从用于调温和输送的装置经过进气装置输送到构建室中。
由此允许了在进气-和排气装置处关于流入气流和流出气流的调节可能性，这能够有利地根据构件进行调整。
在改进方案中，进气装置的进气开口布置在工件和z-轴系统上方。
在改进方案中，进气装置的进气开口包括阀。
通过能调节的进气-和排气狭缝或者说进气-和排气阀能够有利地实现气流的更好的控制。在此，主要的优点在于，在构建室下方中央排出或者说中央抽吸气态流体或者说过程空气，由此实现了一种提供了均匀的温度控制的气流以及同时在和用于工件的接收装置或者说基底载体的高度调节相同的组件中进行。从之前例如在构建室的底部中有五个穿口，通过根据本发明的实施方案仅仍需要一个穿口。同时，z-轴的伸缩轴被调温，且由此有利地不再是冷桥。还能够例如在壳体或者说通风井中敷设用于传感器和线路的电缆，或者说用于加热构建板的电缆。这些功能的集中有利地实现了显著更成本有利的实施，并提高了构建室的进入可能性和维护可能性。由此将有利地使得例如能够将整个构建室从打印机拉出。为此，例如，基底载体被拆除并且z-轴或者说伸缩轴从构建室移出。
此外，构建室调温的效率整体得到提高，因为由于改变了z-轴而输出了更少的热量。此外，进气口和排气口的布置使引入的热量分布更均匀，由此防止构建室内部出现冷点或热点。此外，如前所述，在构建室中无需其它穿口，由此简化了在维护时构建室的更换。
在改进方案中，进气装置的进气开口适用于容纳能替换的进气模具，其中进气模具根据工件的几何形状而具有不同的几何形状或者说开口几何形状。
根据本发明提出了一种用于利用根据前述实施例中任一个所述的装置来增材制造三维工件的方法。
附图说明
从附图和对实施例的描述得到其它优点。
在此示出：
图1是根据现有技术的用于增材制造三维工件的装置的图示；
图2是用于增材制造三维工件的装置连同循环空气系统的图示；
图3是根据本发明的用于增材制造三维工件的装置的第一实施方式的图示；
图4是根据本发明的用于增材制造三维工件的装置的第二实施方式的图示，以及
图5是进气模具的剖视图。
具体实施方式
图1示出了从现有技术已知的用于增材制造三维工件10的装置1。所示的装置1，也称为3D打印机或打印机，包括例如被加热的构建室2、调节装置5、打印头3和用于接收三维工件10的接收装置4。调节装置5包括用于在x-y-平面中调节打印头3的、具有打印头接收部25的、布置在工件10上方的x-y-轴系统15以及用于在z-方向上调节接收装置4的、布置在工件下方的z-轴系统35。
调节装置5通过其打印头和接收装置的运动保证了接收装置4上的，或者说所谓的基底板，或者说基底载体上的工件的三维制造。为此，例如将热塑性材料液化并且逐层地施加到基底载体4上，从而产生待生产的工件10。
在打印过程开始时，构建室2例如借助于未示出的集成的加热系统被加热到过程温度。在基底载体4上进行打印，所述基底载体专门被涂层，以便改进液化的热塑性材料在基底载体4的表面上的粘附性。基底载体4位于构建室2内部压力床上。通过真空或者止动螺栓能够将其保持在位置上。
图2示出了用于增材制造三维工件10的装置1连同循环空气系统12，其中循环空气系统12具有用于气态流体7的调温和输送的装置6、进气装置40和排气装置50。进气装置40具有连接到构建室2的通道41和进气开口43。在构建室2中布置了基底载体4，工件10放置在所述基底载体上。基底载体4布置在z-轴系统35上。气态流体7或者说过程空气在用于调温和输送的装置6中被加热并且经由装置6内部未示出的输送系统通过进气装置40的通道41在进气开口43处被输送到构建室2中。过程空气7流入构建室2，在那里均匀分布，并且在抽吸期间从工件10旁边流过到达排气装置50，所述排气装置不能移动地布置在构建室2的底部上。
在此，缺点在于，排气装置50固定地放置在构建室2的底部上。由此使得更难以有针对性地抽出过程空气7以在工件10处产生最佳的气流。
图3示出了根据本发明的装置1或者说用于增材制造三维工件10的打印机的第一实施方式，其中打印机1具有构建室2；打印头3；接收三维工件10的接收装置4，或者说基底载体；用于气态流体7的调温和输送的循环空气系统12以及调节装置5。调节装置5包括带有未示出的打印头接收部25的、未示出的x-y轴系统15，以及z-轴系统35。循环空气系统12具有用于气态流体7或者说过程空气的调温和输送的装置6、带有四个与构建室2连接的进气开口43的进气装置40，以及排气装置50，其中排气装置50集成在z-轴系统35中并且布置为借助于该z-轴系统能够调节。
排气装置50具有布置在z-轴系统35的壳体36中的空隙51。
排气装置50的空隙51布置在接收装置4或者说基底载体下方。
进气装置40具有带有进气开口43的通道41，其中气态流体7能够从用于调温和输送的装置6经过进气装置40输送到构建室2中。在进气开口43中布置了阀，以便能够调节过程空气7的输入。
进气装置40的进气开口43布置在工件10和z-轴系统35的上方。
循环空气系统12将气态流体7或者说优选为保护气体的过程空气通过用于调温和输送的装置6经由进气装置40的通道41输送到与构建室2连接的进气开口43中进入到构建室2中。从进气开口43经由阀流出的过程空气7流入构建室2并在该构建室中均匀分布。在抽出时，过程空气7流过布置在基底载体4上的工件10，到达排气装置50的空隙51。循环空气系统12保证了过程空气7根据需要流入和流出，其中过程空气7经由排气装置50从构建室2排出。通过循环空气系统12实现了构建室2的调温的优化。
进气装置40的进气开口43布置在工件10上方。
排气装置50集成在z-轴系统35的壳体36中允许了，能够在轴35的z高度上调节排气装置50并进而保证了为循环空气系统12优化过程空气7的排出。
由于循环空气系统的部件40、50的这种特殊布置，构建室2与工件10一起温度调节为恒定。
排气装置50的空隙51在z-轴系统36的壳体36中布置在接收装置4下方确保了，过程空气7的气流被引导通过z-轴35或者说通过z-轴35的壳体36，由此该z-轴也被调温。打印机1仅还具有中央z-轴系统35。
用于过程空气7的调温和输送的装置6是能够调节的，从而能够根据工件10和要求的制造过程来调节气流和/或过程空气的温度。进气装置40的布置结合排气装置50的布置保证了，能根据工件10调整的空气流入和流出。
重要的是在构建室2下方过程空气7的中央排出或者说中央抽吸，由此实现了提供均匀的温度控制的气流并且同时在和用于工件10的接收装置4或者说基底载体的高度调节相同的组件中进行。同时，对z-轴35的伸缩轴进行调温。
循环空气系统12形成闭合回路。
图4示出了用于增材制造三维工件10的根据本发明的装置1，或者说打印机的第二实施方式，其中打印机1具有构建室2；打印头3；用于接收三维工件10的接收装置4，或者说基底载体；用于气态流体7的调温和输送的循环空气系统12以及调节装置5。调节装置5包括带有未示出的打印头接收部25的、未示出的x-y轴系统15，以及z-轴系统35。循环空气系统12具有用于气态流体7或者说过程空气的调温和输送的装置6、带有三个与构建室2连接的进气开口43的进气装置40，以及排气装置50，其中排气装置50集成在z-轴系统35中并且布置为借助于该z-轴系统能够调节。
排气装置50具有布置在z-轴系统35的壳体36中的空隙51。
排气装置50的空隙51布置在接收装置4或者说基底载体下方。
进气装置40具有通道41和带有进气开口43的连接装置42，其中气态流体7能够从用于调温和输送的装置6经过进气装置40输送到构建室2中。
进气装置40的进气开口43布置在工件10和z-轴系统35的上方。
循环空气系统12将气态流体7或者说优选为保护气体的过程空气通过用于调温和输送的装置6经由进气装置40的此处未示出的通道41输送到通过进气开口43与构建室2连接的连接装置42中进入到构建室2中。从进气开口43流出的过程空气7流入构建室2并在该构建室中均匀分布。在抽出时，过程空气7流过布置在基底载体4上的工件10，到达排气装置50的空隙51。循环空气系统12保证了过程空气7根据需要的流入和流出，其中过程空气7经由排气装置50从构建室2排出。通过循环空气系统12实现了构建室2的调温的优化。
连接装置42的进气开口43布置在工件10上方并且布置为相对彼此分别错开90°。
排气装置50集成在z-轴系统35的壳体36中允许了，能够在轴35的z高度上调节排气装置50并进而保证了为循环空气系统12优化过程空气7的排出。
由于循环空气系统的部件40、50的这种特殊布置，构建室2与工件10一起温度调节为恒定。
排气装置50的空隙51在z-轴系统36的壳体36中布置在接收装置4下方确保了，过程空气7的气流被引导通过z-轴35或者说通过z-轴35的壳体36，由此该z-轴也被调温。打印机1仅还具有中央z-轴系统35。
用于过程空气7的调温和输送的装置6是能够调节的，从而能够根据工件10和要求的制造过程来调节气流和/或过程空气的温度。进气装置40的连接装置42的布置结合排气装置50的布置保证了，能根据工件10调整的空气流入和流出。
重要的是在构建室2下方过程空气7的中央排出或者说中央抽吸，由此实现了提供均匀的温度控制的气流并且同时在和用于工件10的接收装置4或者说基底载体的高度调节相同的组件中进行。同时，对z-轴35的伸缩轴进行调温。
该实施例的循环空气系统12同样形成闭合回路。
进气装置40的进气开口43适用于容纳能替换的进气模具44，其中进气模具44根据工件10的工件几何形状而具有不同的几何形状或者说开口几何形状。在该实施方案中，进气开口43具有矩形的开口几何形状。
进气模具44的开口几何形状能够根据构件尺寸进行调整，从而实现了对构建室2的最佳调温。进气模具44或者说进气口和排气口的形状能够变化(参见图5)。因此，进气模具44能够具有不同的空气狭槽形状。
图5示出了进气装置40的进气开口43的进气模具44的各种剖面图。进气模具44能够变化并且例如由长的倒圆的狭缝45(5c)或多个小孔46(5d)组成。
例如，在选择几何形状时，相应的流动模拟的结果很重要，由此能够实现选择最佳的形状。
作为一件式设计的进气模具44、45、46的替代方案，能够将多个进气口47放置在一个进气模具44中(图5e)。

Claims (9)

1.一种用于增材制造三维工件(10)的装置(1)，所述装置包括构建室(2)、至少一个打印头(3)、用于接收三维工件(10)的接收装置(4)、用于气态流体(7)的调温和输送的循环空气系统(12)、包括x-y-轴系统(15)和z-轴系统(35)的调节装置(5)，所述x-y-轴系统具有打印头接收部(25)，其特征在于，所述循环空气系统(12)具有用于气态流体(7)的调温和输送的装置(6)、带有与所述构建室(2)连接的至少两个进气开口(43)的进气装置(40)以及排气装置(50)，其中所述排气装置(50)集成在所述z-轴系统(35)中并布置为能借助所述z-轴系统调节。
2.根据权利要求1所述的装置(1)，
其特征在于，所述排气装置(50)具有布置在所述z-轴系统(35)的壳体(36)中的空隙(51)。
3.根据权利要求1所述的装置(1)，
其特征在于，所述排气装置(50)的所述空隙(51)布置在所述接收装置(4)下方。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置(1)，
其特征在于，所述进气装置(40)具有通道(41)和带有进气开口(43)的连接装置(42)，其中所述气态流体(7)从所述用于调温和输送的装置(6)通过所述进气装置(40)能够输送到所述构建室(2)中。
5.根据权利要求1或4中任一项所述的装置(1)，
其特征在于，所述进气装置(40)的所述进气开口(43)布置在所述工件(10)和所述z-轴系统(35)的上方。
6.根据前述权利要求中任一项所述的装置(1)，
其特征在于，所述进气装置(40)的所述进气开口(43)适合于接收能替换的进气模具(44)。
7.根据权利要求6所述的装置(1)，
其特征在于，所述进气模具(44)具有不同的几何形状。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的装置(1)，
其特征在于，所述进气装置(40)的所述进气开口(43)包括阀。
9.用于增材制造三维工件(10)的方法，其利用根据前述权利要求中任一项所述的装置(1)。
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