CN117320827A - 用于增材制造设备的处理室和用于操作处理室的方法 - Google Patents

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Abstract

处理室壳体(1)，用于增材制造设备，具有：处理室，其具有共同包围处理室(5)的容积(51)的底部(9)、顶部(10)和侧壁(11、12、13)；惰性气体入口6，其在侧壁(11、12、13)的前壁(11)中、配置为将惰性气体提供到处理室(5)中；和惰性气体出口(7)，其在侧壁(11、12、13)的后壁(12)中、配置为将惰性气体释放出处理室(5)。在惰性气体入口(6)和惰性气体出口(7)定位在开口(94)的相反侧且二者面向彼此，从而被配置为建立了在主要流动方向(2)上的、在开口上方从惰性气体入口6到惰性气体出口(7)的惰性气体流(2)的情况下，处理室壳体(1)提供了增加的束质量。

Description

用于增材制造设备的处理室和用于操作处理室的方法
技术领域
本发明涉及通过熔合粉末床的增材制造。具体地，本发明涉及用于增材制造设备的处理室壳体。处理室壳体包括处理室，该处理室具有底部、顶部和侧壁，该底部、顶部和侧壁共同包围处理室的容积。惰性气体入口，例如在侧壁的前壁中，使得能够将惰性气体提供到处理室中，并且设置有惰性气体出口，例如在侧壁的后壁中，来将惰性气体释放出处理室。
背景技术
增材制造是制造3D工件的日益重要且可行的方法。增材制造有不同的变体，但本文重点关注通过选择性地加热粉末颗粒来接合粉末颗粒的方法和设备，例如，在粉末颗粒的床的顶部上选择性地加热粉末颗粒来使一些颗粒彼此粘附。粉末颗粒通过烧结、熔合和/或焊接(下文统称“熔合”)而彼此粘附。用于这些过程的热量通常由聚焦辐射提供，例如由电子束提供或由激光束提供。这些束选择性地加热粉末床的顶层的一部分，从而将顶层的颗粒附着到前面的层的颗粒。该过程通常称为粉末床熔合过程或简称为粉末熔合过程。本文中，我们将不区分不同类型的辐射，并且将简单地称为“束”或“多个束”。
用于粉末床熔合的现代设备具有带有处理室的壳体。处理室具有支撑件开口，该支撑件开口用于容纳可移动的支撑件。最初，将薄的粉末层涂覆到支撑件。这主要是通过重涂机(参见例如WO2018/156264A1、WO2017/143145A1、EP1234625A和DE102006056422B3，仅举几例)完成。一旦层已经经受束处理，涂覆后续的粉末层，然后再次选择性地熔合该后续的粉末层。迭代该过程直到已经完成工件的增材制造。对工件的进一步处理，如研磨、切割、铣削等，可能仍然是需要的。
如所教导的，例如通过EP3321003所教导的，处理室有利地填充有惰性气体。在增材制造过程期间，惰性气体，在底部上方并且由此在支撑件上的粉末的顶层上方，从气体入口流动到气体出口。EP3321003的目的在于基本上层流的惰性气体，从而移除熔合过程的烟气、烟雾或其他副产物(下文统称为“烟雾”)。为此，入口开口由多孔材料制成，从而释放通过处理室的基本上均匀的惰性气体流。惰性气体的选择已经在WO2012/3828A1、WO2020/064147A1、WO2020/064148A1或WO2020/126086A1中讨论，并且具体地，建议了具有氧气浓度低于1000ppm(百万分率)的氩气(Ar)或氮气(N2)氛围。还建议了添加氦气(He)到惰性气体氛围，以允许更高的激光扫描速度。
最初的粉末床熔合过程是缓慢的，并且已经进行了许多尝试来减少制造时间，例如通过同时使用多个束源从而降低与给定的增材制造工件相关联的成本。该方法的困难在于，在源自第一束的操作的烟羽位于第二束源和粉末床的对应部分之间时，在不严重损害工件的质量的情况下，第二束可能无法熔合粉末床的任何部分。这些烟羽似乎扭曲、吸收和散射了束，并且因此已经开发了许多构思来避免粉末床的被烟羽遮蔽的部分的熔合，该烟羽源自通过其他束扫描粉末床(参见例如WO2016/075026A或WO2020/178216A)。
发明内容
本发明要解决的问题是改进粉末床过程。
该问题的解决方案在独立权利要求中描述。从属权利要求涉及本发明的进一步改进。
处理室壳体包括处理室，该处理室具有底部、顶部和侧壁。底部、顶部和侧壁共同包围处理室的容积。在优选的实施例中，至少一个惰性气体入口在侧壁的前壁中，并且被配置为将惰性气体提供到处理室的容积中。被提供到该容积的惰性气体的至少一部分可以经由在侧壁的后壁中的至少一个惰性气体出口被移除，因此惰性气体出口被配置为将惰性气体释放出处理室。替代地或附加地，气体入口和/或气体出口可以设置在顶部中、在底部中、在侧壁的不同的或相同的一个侧壁中。气体入口和气体出口优选地可以布置在处理室的相反侧。
底部可以具有开口。开口可以由开口壁界定。优选地，可竖向移动的支撑件，用于支撑粉末床并且因此支撑通过选择性地熔合粉末床而制造的三维(3D)物体，可以位于开口壁之间。如已经显而易见的，支撑件优选地可移动地支撑在开口中。例如，在将新的粉末层添加到粉末床之前，支撑件可以进一步缩回到开口中(即，降低的假设水平支撑表面)。
开口壁可以是线性轴承和/或提供线性轴承，该线性轴承将移动限制在至少基本上垂直于由底部和开口壁之间的过渡形成的边缘的方向。至少基本上垂直表示垂直是优选的，但是小的偏差，例如较小的1°、2.5°、5°和/或10°，可以被接受。开口壁可以包围空间，例如盒或圆柱体。该空间可以容纳粉末床的已熔合的部分。开口壁可以被配置为从处理室壳体被移除。这使得能够在已经制造了工件之后、由一组空的壁简单地更换该开口壁。
优选地，惰性气体入口和惰性气体出口定位在开口的相反侧，并且面向彼此。这由此使得能够，通过经由(第一)惰性气体入口注入惰性气体同时经由(第一)惰性气体出口从容积移除惰性气体，或者换言之，通过提供从惰性气体入口到惰性气体出口的压力梯度，来提供在主要流动方向上的主要惰性气体流。该主要惰性气体流优选地至少基本上平行于底部的和/或可选的支撑件的朝上表面。主要惰性气体流也可以具有向上或向下的分量。在优选的示例中，主要惰性气体流的方向具有平行于底部和/或支撑件的非零分量(a non-vanishing component)。该非零分量提供了在利用束扫描粉末床时产生的烟羽相对于竖向倾斜的方向。
在优选的示例中，气体入口连接到惰性气体源，该惰性气体源提供含He惰性气体。惰性气体源优选地被配置为提供惰性气体，该惰性气体至少包括氦气(He)和另一惰性气体(即氖气(Ne)、氩气(Ar)、氪气(Kr)、氙气(Xe)、氡气(Rn)中的至少一种)和/或氮气(N2)。惰性气体源被配置为将来自惰性气体源的含He惰性气体提供到处理室的容积中。特别优选地，惰性气体源提供包括20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、95％、98％、99％中的至少一个的He和/或Ne的气体，其中，百分比涉及He和/或Ne的摩尔量分别相对于气体的摩尔总量的比。
出乎意料地，发现了：用He和/或Ne代替Ar或N2使得能够，在通过第一束源发射的第一束产生的烟雾位于第二束源的束出口和粉末床的待熔合的部分之间的同时，利用通过第二束源发射的第二束熔合粉末床的部分。因此，在实施例中，本发明包括使用至少两个束来熔合粉末床的步骤，同时控制至少一个第二束来熔合粉末床的被烟羽覆盖的位置，该烟羽是通过利用另一束(至少一个第一束)来熔合粉末床的另一部分而生成，其中，烟羽通过主要惰性气体流从处理室被移除，其中，主要惰性气体流由以下惰性气体建立，该惰性气体包括至少20％的He和/或Ne，和/或具有低于1.4kg/m3、1.2kg/m3、1kg/m3、0.6kg/m3、0.4kg/m3和0.2kg/m3中的至少一个的密度。密度优选地参考正常条件(0℃，1013hPa)，但也可以参考处理室中的实际条件。换言之，至少一个第二束源在另一束源的束斑的下游操作，其中，下游与粉末床上方的主要惰性气体流动方向有关。被覆盖旨在表达烟羽是在至少一个第二束的束路径中。如已经提及的，束源优选地是激光束源，但不限于激光束源。本文中使用的术语“激光束”或“激光束源”应理解为“束”或“束源”的优选示例。在操作中，束源可以被枢转，从而扫描粉末床上的待熔合的位置。例如，被枢转以将激光束投射到粉末床上的所述位置上的镜子可以被认为是束源，即使该束不是由镜子本身生成。在本应用中，束从其朝向粉末床的位置发射的位置是相关的，而不是束或束生成装置的类型是相关的。
与所有现有技术的教导不同，通过用He和/或Ne代替Ar和/或N2的至少一部分，可以在通过利用第一束扫描粉末床的一部分而产生的烟羽中进行操作。进一步的研究表明，这些烟羽中的烟雾对通过穿透由另一束产生的烟羽而被熔合的熔合区域的质量具有相对较小的影响。这些观察结果似乎表明，烟羽中的热诱导的密度变化是激光束畸变的原因，导致原本聚焦良好的束的散焦和/或束轮廓的变化和/或束轮廓上的束强度分布的变化。He和/或Ne的较低密度与He和/或Ne的增加的热导率相结合，在惰性气体流的较热部分和较冷部分之间提供了较低的密度梯度，并且因此提供了减少的散焦影响。通过减少容积中的气体的量，即通过在低于环境压力的压力下操作处理室，可以进一步增强减少激光束畸变的积极效果，该激光束畸变是由于惰性气体流中的热不均匀性而导致。显著地降低压力甚至可以允许使用Ar和/或N2作为惰性气体(或者简单地使用空气)，即允许省略He和/或Ne。降低压力(即减少容积中的气体分子的量)的另一优点是可以增加惰性气体流的流速，而不会由惰性气体流将先前沉积在粉末床上的粉末颗粒移动(吹走)。
特别优选地，惰性气体在正常条件下(0℃，1013hPa)具有为或高于和/>中的至少一个的热导率，和/或在处理室中的条件下具有为或高于/>和/>中的至少一个的热导率。
在优选的示例中，惰性气体流在主要流动方向上可以具有流速，并且在1013hPa下、在开口上方0.5cm处测得的平均流速高于0.75m/s，优选地高于1m/s，和/或低于4m/s，优选地低于3m/s，甚至更优选地低于2.5m/s。在处理室的容积中的气体压力降低的情况下和/或在气体的摩尔质量降低的情况下，这些边界优选地可以增大。
在优选的示例中，处理室包括至少一个氧气传感器和/或气体密度传感器和/或热导率传感器和/或热容量传感器，该热导率传感器和热容量传感器被配置为分别确定代表惰性气体的热导率和/或热容量的值。这些传感器中的至少一个优选地位于容积的底部部分中。例如，这些传感器中的至少一个可以位于：底部上，和/或底部的凹部中，和/或底部上方5cm距离的下方，和/或支撑件上和/或支撑件下方，和/或距环绕开口的边缘10cm、5cm、2.5cm、1cm、0.5cm中的至少一个处或范围内。在另一示例中，这些传感器中的至少一个优选地位于(第一)惰性气体出口中，优选地在(第一)惰性气体出口的底部处，和/或位于距环绕(第一)惰性气体出口的边缘10cm、5cm、2.5cm、1cm、0.5cm中的至少一个范围内。这些示例位置中的每一个都使得能够测量粉末床的附近的氧气浓度。在使用He(4u)和/或Ne(10u)作为惰性气体(通常，u是统一的原子质量单位)的情况下，氧气具有更高的每分子质量(16u)并且因此将积聚在容积的底部部分中。由此，可以快速地检测由气体源提供的潜在的泄漏或杂质。此外，该测量尽可能地代表粉末床正上方的氧气水平。附加地或替代地，传感器中的至少一个可以位于管道中，该管道连接至少一个惰性气体出口与至少一个惰性气体入口。
至少一个氧气传感器和/或气体密度传感器和/或热导率传感器和/或热容量传感器优选地位于穿过该室的惰性气体流中。特别优选的是，相应的传感器至少基本上平行于惰性气体流取向，其中，至少基本上平行表示平行是优选的，但是在几度内(例如，在±30°、±20°、±10°、±5°、±2.5°、±1°或0°内)的偏差可以被接受。
至少一个氧气传感器和/或气体密度传感器优选地联接到处理室控制装置，即联接到用于控制处理室和/或具有处理室的整个增材制造设备的操作的电子电路(下文中简称“控制器”)。特别地，在例如氧气水平高于预定阈值的情况下，控制器可以增加开口上方的惰性气体流的流速，例如通过增加提供给与惰性气体出口连接的真空泵的功率，和/或通过打开惰性气体入口的上游的节流阀。此外，在熔合粉末床之前，处理室优选地充满惰性气体。一旦氧气水平低于预定阈值，就可以使用惰性气体泵将惰性气体从惰性气体出口循环到惰性气体入口，从而建立惰性气体流。
在优选的示例中，处理室可以包括气体组分浓度传感器，该气体组分浓度传感器被配置为测量代表O2、N2、He、Ne、Ar、Kr、Xe、Rn的浓度中的至少一个和/或代表这些气体中的至少两种在惰性气体中的比例的值。气体组分传感器可以位于上面所指示的用于氧气传感器的位置处或者在上面所指示的用于氧气传感器的位置处具有气体入口。上面提到的传感器可以被认为是气体组分浓度传感器的示例。换言之，气体组分浓度传感器可以是或包括氧气传感器和/或气体密度传感器和/或热导率传感器和/或热容量传感器和/或气相色谱仪和/或光谱仪和/或气体分析仪特别是He分析仪中的至少一个。此外，值得注意的是，在总压已知的情况下，O2、N2、He、Ne、Ar、Kr、Xe、Rn的分压值可以被认为代表这些气体的浓度中的至少一个。由此，测量浓度的简单而有效的方式是测量这些气体中的至少一种的分压，例如借助于穿过半透膜的扩散速率。例如，在半透膜仅可渗透He的情况下，在由膜分隔的空间之间的给定压差下穿过膜的扩散速率可以用于确定惰性气体中的He的分压。
气体组分浓度传感器优选地通过数据线联接到处理室控制装置。因此，由气体组分浓度传感器获得的值可以提供给处理室控制装置。
在任何实施例中，方法可以包括将穿过惰性气体出口被移除的惰性气体的至少一部分经由惰性气体入口供给到处理室。这也称为再循环或循环惰性气体。
由此，用于熔合粉末床的至少一部分的方法可以包括控制在粉末床上方建立的惰性气体流的组成。
方法可以包括通过确定在处理室中的和/或经由至少一个惰性气体出口从处理室被移除的和/或经由惰性气体入口被提供到处理室的惰性气体中的O2、N2、He、Ne、Ar、Kr和Xe中的至少一种的浓度和/或分压，来确定建立在粉末上方的惰性气体流中的O2、N2、He、Ne、Ar、Kr和Xe中的至少一种的浓度和/或分压。方法还可以包括获得代表惰性气体中的O2、N2、He、Ne、Ar、Kr和Xe中的至少一种的浓度和/或分压的测量值，并且将该测量值与惰性气体中的相应的O2、N2、He、Ne、Ar、Kr和Xe中的至少一种的浓度和/或分压的上限和/或上限进行比较。值得注意的是，O2不是惰性的，并且因此不应当被包括在惰性气体中。但是，对非预期的O2浓度的监测可以用来增加惰性气体的惰性组分的浓度，从而降低O2的分压和浓度，这可以被认为是从处理室并且因此从熔合过程有效地移除了非预期的O2。
在所述比较提供了该测量值低于下限的情况下，方法可以包括添加对应的消耗组分到处理室中的惰性气体流，例如通过将该消耗组分添加到从惰性气体出口到惰性气体入口并且穿过处理室循环的惰性气体流中，同时不添加或少量添加惰性气体混合物中的至少一种其他组分到惰性气体混合物。在上下文中，“少量”是参考消耗组分的量，即，被添加的至少其他组分的添加量小于消耗组分的添加量。
类似地，在所述比较提供了该测量值高于上限的情况下，方法可以包括添加除了具有高于上限的测量值的所述组分之外的至少一种其他组分到处理室中的惰性气体，例如通过将该至少一种其他组分添加到从惰性气体出口经由管道供给到惰性气体入口(从而进入处理室)的惰性气体流中，同时不添加或少量添加具有高于上限的测量值的所述组分。与上面类似，“少量”是参考被添加的至少一种其他组分的量。换言之，与具有高于上限的测量值的组分相比，至少一种其它组分添加得更多。
该方法允许仅部分地且选择性地补充惰性气体中的在给定组成中不足(underrepresented)的那些组分，该给定组成如由相应组分的上边界和下边界所限定的。这有助于保持较低的操作成本，同时维持较高的工件质量。这些方法步骤基于这样的观察结果：出于实际的目的，惰性气体通常基本上是He和/或Ne与Ar和/或与N2的混合物，其中，混合物中的He、Ne、Ar和N2的浓度是明确限定的。然而，He和Ne以显著地更高的速率扩散穿过管道壁和处理室壳体的其他限制结构。该方法由此允许将惰性气体中的He和/或Ne分压和/或He和/或Ne浓度维持在给定限度内，同时不用(昂贵地)“新鲜”惰性气体代替来自处理室的He和/或Ne消耗的惰性气体。在已经观察到分别低于He和/或Ne的下限的He和/或Ne消耗的情况下，通过测量代表例如He和/或Ne浓度(和/或分压)的值，并且仅将He和/或Ne添加到循环穿过处理室壳体的惰性气体。该方法可以用于上面提及的任何其他惰性气体，即解决He和/或Ne消耗只是优选的示例。任何其他消耗可以通过添加消耗组分来解决，优选地仅添加消耗组分。
控制在粉末床上方建立的惰性气体流的组成的这些步骤可以由处理室控制装置来执行，处理室控制装置也称为“控制器”。换言之，处理室控制装置可以被配置为，直接地或者通过控制对应部件和/或与对应部件通信，执行上面方法步骤中的任何步骤，该对应部件例如是气体组分浓度传感器。
对应的处理室壳体由此可以包括处理室控制装置。处理室控制装置可以例如经由数据线和/或任何其他数据传输装置连接到至少一个气体组分浓度传感器。该气体组分浓度传感器可以位于处理室中。替代地或附加地，该(或另一)气体组分浓度传感器可以位于管道处、附接到管道和/或集成在管道中，该管道连接惰性气体出口与惰性气体入口。
处理室还可以包括惰性气体组分源，该惰性气体组分源仅包括处理室中的惰性气体中的一种组分或有限数量的组分。例如，在惰性气体是所有三种气体的混合物的情况下，惰性气体组分源可以仅包括He和/或Ne，但不包括Ar或N2。实际上，若消耗的惰性气体组分在由惰性气体组分源提供的气体中的浓度大于消耗的组分在惰性气体中的预设的或预期的浓度就足够了，因为在这种情况下，添加来自惰性气体组分源的气体混合物增加了在循环通过处理室和管道的惰性气体中被消耗的组分的浓度，该管道连接惰性气体出口与惰性气体入口。
处理室还可以包括多于一种的惰性气体组分源，分别包括一种不同的惰性气体组分和/或包括不同的惰性气体混合物。
通常，“有限数量的组分”是指(预期的)惰性气体混合物中的至少一种组分不包括在惰性气体组分源中或者在惰性气体组分源中是不足的。惰性气体组分源可以经由至少一个惰性气体组分阀与惰性气体入口或单独的气体入口流体地连接，例如经由管道的分支。经由管道的流体连接是优选的，因为提供到处理室的惰性气体的组分的浓度均匀化。换言之，处理室中的惰性气体具有更均匀的组成。
处理室控制装置可以，经由例如至少一个控制线和/或非接触式数据连接，连接到惰性气体组分阀，从而使得能够打开和关闭惰性气体组分阀。
在另一优选的示例中，处理室包括加热器，该加热器被配置为将穿过处理室的惰性气体流的至少一部分加热为温度至或高于25℃、40℃、60℃、80℃、100℃、150℃、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃中的至少一个。在使用更高的温度时，处理室壳体优选地是热隔离的。通过气体温度的这种增加，烟羽中的温度梯度减小，并且由此烟羽的束畸变，在不是可忽略的小的情况下，被减少。
如上文已经解释的，处理室优选地包括压力控制器，该压力控制器被配置为将处理室内部的压力维持在低于处理室外部的环境压力，和/或维持为或低于1000hPa、900hPa、800hPa、700hPa、600hPa、500ha、400hPa、300hPa、200hPa、100hPa中的至少一个。压力控制器可以集成到处理室控制器或形成处理室控制器的一部分。在另一优选的示例中，处理室中的压力高于环境压力，从而确保没有氧气被意外地吸入到处理室中。在另一示例中，处理室被包围在另一壳体中，并且处理室中的压力低于环境压力，而由处理室的边界和另一壳体限定的容积中的压力高于环境压力，并且所述容积中的气体也是惰性气体，优选地与处理室中的气体相同。这使得能够确保处理室中的压力较低，同时降低氧气被意外地吸入到处理室中的风险，因为处理室的边界和另一壳体之间的容积填充有惰性气体并且具有高于环境压力的压力。
例如，惰性气体出口可以与气泵的低压入口(例如真空泵入口)流体地连通，例如经由上面提及的管道，和/或惰性气体入口可以与惰性气体源(例如气泵的高压气体出口)流体地连通，其中，节流阀可以位于惰性气体入口的上游。可选的压力控制器可以被配置为增加和/或减少提供到气泵的功率。可选的压力控制器还可以被配置为打开和/或关闭节流阀，例如通过为致动器供电。因此，可选的压力控制器也可以控制惰性气体流的流速。可选的压力控制器可以连接到至少一个压力传感器和/或流速传感器，并且可以响应于由压力传感器和/或流速传感器中的至少一个提供的信号来控制处理室中的压力和/或流速。
改变惰性气体可能会影响通过流速传感器和/或压力传感器提供的信号。当在工件的制造过程中或在两个工件的制造之间改变惰性气体的情况下，这种影响可能需要重新校准传感器。例如，在使用具有增加的热容量和/或增加的热导率的惰性气体的情况下，用于测量流速的风速计可能需要重新校准。例如，在增加惰性气体的热导率的情况下，热线风速计经历更好的冷却。因此，热线的电阻率下降，在不考虑热导率的增加的情况下，这直接转化为可能错误的流速读数。类似地，惰性气体的(平均)摩尔质量和/或密度的变化可能需要重新校准流速传感器，例如在使用叶式风速计或杯式风速计的情况下。
在优选的示例中，处理室还包括在底部、支撑件、开口壁和开口底部的至少之一个中的至少一个第二气体出口。在由惰性气体、例如由He和/或Ne和/或Ar和/或N2中的至少一种代替气体(混合物)如空气时，可以使用第二气体出口，然后该惰性气体优选地可以经由顶部中的至少一个第二惰性气体入口被提供到容积。通过这些措施中的每一个措施都可以减少昂贵的He和/或Ne或另一惰性气体的使用。
可选的第二气体出口可以连接到第二气体出口控制阀，优选地连接到止回阀，该止回阀被配置为禁止气体经由第二气体出口流动到处理室中。此外，第二气体出口也可以通过管等连接到第二出口真空泵的气体入口。
如已经显而易见的，处理室优选地包括至少一个(激光)束进入窗口，至少一个(激光)束进入窗口可以位于支撑件上方。在特别优选的示例中，处理室还包括至少一个惰性气体射流入口喷嘴。如下面将更详细地解释的，术语“射流”仅用于指示它是在惰性气体流上方流动的且在语言上可区别的第二气体流。惰性气体射流入口喷嘴优选地定位在处理室的上部分中，并且优选地取向成将惰性气体射流提供到窗口和支撑件之间。特别优选地，惰性气体射流附着到窗口表面和/或被向下导引。这可以通过将惰性气体射流入口喷嘴相应地取向来获得，例如通过朝向窗口表面取向和/或通过利用柯恩达效应。
优选地，与惰性气体射流入口喷嘴相对的是至少一个惰性气体射流出口喷嘴，因此惰性气体射流出口喷嘴也定位成将惰性气体射流提供到窗口和支撑件之间。
惰性气体射流补偿了在降低的密度氛围中烟雾趋于上升更高的影响。惰性气体射流保护窗口免受冷凝烟雾或升华烟雾的污染，该冷凝烟雾或升华烟雾也会降低束质量并且因此降低工件质量。由此，建议的措施使得能够保持容积的竖向尺寸合理，这降低了操作成本以及安装成本和最后但并非最不重要的工件质量，因为激光源和粉末之间的距离的增加使工件质量降低，由于束聚焦中的缺陷变得更明显。
例如，至少一个惰性气体射流入口喷嘴可以具有喷嘴出口开口，该喷嘴出口开口取向为在角度αjs内平行于(第一)惰性气体入口，其中，αjs∈A，并且A＝{30°，20°，10°，5°，2.5°，1°，0.5°，0°}。该措施减少了容积中的湍流并且因此提高了从容积的有效烟雾移除。
优选地，惰性气体射流相对于窗口的流速为开口上方0.5cm处的惰性气体流的流速的至少1.1、1.25、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、7.5和/或10倍。由此，该增加的流速提供了从底部到顶部的流速梯度。该梯度使得能够在不将粉末从粉末床吹向惰性气体出口的情况下安全地移除烟雾。
在优选的示例中，可选的至少一个惰性气体射流中的一个的温度低于主要惰性气体流的温度，该射流的温度至少在对应的喷嘴开口处测得。由此，烟雾中的残留物可以在到达窗口之前就冷凝，并且烟雾中没有或至少是很少的残留物冷凝在窗口上。
在另一示例中，可选的至少一个惰性气体射流中的一个的温度高于主要惰性气体流的温度，该射流的温度至少在对应的喷嘴开口处测得。这允许通过主要惰性气体流来有效地冷却粉末床，优选地该主要惰性气体流至少几乎直接在粉末床上方流动。这可以通过将(第一)惰性气体入口的下边缘和/或(第一)惰性气体出口的下边缘定位在支撑件开口的边缘的高度处和/或底部的高度处或略高于这些高度来获得。略高于是指在0.5cm、1cm、1.5cm、2cm和/或2.5cm中的至少一个内高于相应的参考高度。此外，从(第一)惰性气体入口到(第一)惰性气体出口的主要(第一)惰性气体流的温度优选地低于环境温度，例如为或低于23℃、20℃、18℃、10℃、0℃、-5℃、-10℃、-20℃中的至少一个。温度越低，冷却越好，即从粉末床和/或工件到主要惰性气体流的热传递越好。惰性气体射流的温度优选地可以为或高于环境温度，例如为或高于25℃、40℃、60℃、80℃、100℃、150℃、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃中的至少一个。在粉末床的附近具有降低的温度和在上方具有增加的温度的这种特别优选的组合提供了良好的冷却和低的束畸变。
此外，优选的是，主要惰性气体流(stream)或主要惰性气体流(flow)的竖向厚度显著地小于主要惰性气体流上方的惰性气体射流的竖向厚度。各个流的竖向厚度可以被控制，例如通过相应的入口开口的竖向尺寸。由此，惰性气体射流入口的竖向尺寸d2优选地大于或等于(第一)惰性气体入口的竖向尺寸d1的x倍，其中x∈{1.5，2，2.5，5，10，15}，即x·d1≤d2。
如显而易见的，从惰性气体入口喷嘴到惰性气体出口喷嘴的主要惰性气体流和惰性气体射流都是“惰性气体流”，术语“主要惰性气体流”和“惰性气体射流”仅用于使得能够从语言上区分两者。替代地，可以使用第一气体流和第二气体流，但我们认为最初建议的措辞更加生动。如显而易见的，在优选的示例中，第二惰性气体流(即惰性气体射流)具有比第一(主要)惰性气体流更高的跨越容积的流速。第二惰性气体流的流率可以高于第一(即主要)惰性气体流。因此，“主要”没有关于与其他惰性气体流相比每单位时间气体流动的量的任何暗示。
根据本发明的增材制造设备当然可以包括、其特征在于包括：具有上面解释的特征中的至少一个的处理室。具体地，增材制造设备可以具有一个激光束进入窗口，并且在处理室外部、在至少一个窗口的前方具有至少两个(激光)束源，该至少两个(激光)束源各自配置为发射至少一个(激光)束到支撑件的顶部上的粉末床。隐含的是，窗口对于由(激光)束源通过至少一个窗口朝向支撑件发射的束来说至少基本上是透明的。在优选的示例中，增材制造设备被配置为扫描粉末床在通过第一(激光)束源的操作产生的烟羽的下方的表面。该措施甚至允许提高工件质量，例如通过优化制造过程中工件的热应力。
附图说明
在下文中，将参考附图通过实施例的示例以示例的方式来描述本发明，但不限制总体发明构思。
图1示出了增材制造设备的示例处理室。
图2示出了增材制造设备的另一示例处理室。
图1是具有处理室5的示例增材制造设备1的简化截面视图。处理室5具有容积51，该容积51由侧壁11、12、13(第四侧壁不可见)、顶部10和底部9包围。底部9具有开口94，该开口94带有开口壁93。开口壁93可以为可移动地支撑的支撑件8提供线性轴承，支撑件8可以被降低和升高。在支撑件8的顶部上可以是可选的粉末床99，部分制造的工件4可以被嵌入该粉末床99中。粉末床99和工件4仅作为示例被描绘，而增材制造设备1和/或处理室5通常是在没有任何粉末床或工件的情况下被交付。
顶部10具有窗口101、102，该窗口101、102对于通过束源80、90发射的束81、91是透明的。描绘的是第一束源80和第二束源90，该第一束源80和第二束源90分别发射第一束81和第二束91。优选地，处理室5具有多于两个的束源80、90。窗口101、102也可以是一体的，并且因此在底部中的开口94上方存在至少一个窗口。
在前侧壁11中的(第一)惰性气体入口6和在后侧壁12中的(第一)惰性气体出口7使得能够提供跨越底部9中的开口94的、即在主要惰性气体流动方向2上的主要惰性气体流20。如可以看到的，主要惰性气体流20可以至少基本上平行(即，±αms(αms∈{30°，20°，10°，5°，2.5°，1°，0.5°，0°})于底部9流动，并且因此至少基本上平行于粉末床表面和支撑件8的粉末床支撑表面流动。在所描绘的示例中，主要惰性气体流动方向2具有小的向下分量。优选地，惰性气体包括至少20％的氦气(He)，和/或具有低于1.4kg/cm3的密度和/或高于气体的露点的温度。在示例中，压力可以处于或高于环境压力。在另一示例中，压力可以处于或低于环境压力。
在主要惰性气体入口6上方的是可选的至少一个第二惰性气体入口256和可选的至少一个第三惰性气体出口266。在主要惰性气体出口7上方的是可选的至少一个第二惰性气体出口257。这些惰性气体入口和惰性气体出口也可以分别称为惰性气体射流入口或惰性气体射流出口。
在操作中，第二惰性气体流可以，在主要(第一)惰性气体流上方，从可选的至少一个第二惰性气体入口256流动到可选的至少一个第二惰性气体出口257。如由箭头25所指示的，可选的第二惰性气体流25的单位时间量的体积，即流率和/或流速，优选地分别高于主要惰性气体流20的流率和/或流速。此外，第二惰性气体流动方向252的流动方向的向下分量优选地大于主要惰性气体流动方向2的向下分量。第二惰性气体流25的温度优选地低于主要惰性气体流20的温度。
可选的第三惰性气体入口266优选地位于顶部10中的至少一个窗口101、102的附近(在10cm、5cm、2.5cm和/或1cm内)，并且定位成将第三惰性气体流附着到至少一个窗口101、102的表面，从而有助于保持至少一个窗口101、102没有冷凝物。优选地，离开第三惰性气体入口的惰性气体的温度高于经由至少一个第二惰性气体入口256进入容积51的第二惰性气体的温度。
如图指示的，束81、91中的每一个束被导引在粉末床99的不同位置上，并且熔合过程产生了第一烟羽82和第二烟羽92。如图所示，第二束91穿过第一烟羽82，该第一烟羽82源自第一束81与粉末床99的相互作用。
惰性气体通过至少一个泵32被移除，即，第一惰性气体出口7和第二惰性气体出口257与气泵32的低压入口流体地连通，气泵32然后经由管道33将惰性气体供给到惰性气体入口6、256、266中的至少一个。不同惰性气体流的温度优选地可以通过可选的间接热交换器201、251、261来控制。
控制器3可以通过数据线和/或电源线连接到束源80、90、传感器如30、泵32、阀38等。示例连接由虚线箭头或点线箭头指示。
图2示出了具有处理室5的示例增材制造设备1的另一简化截面视图。图1的描述也可以在图2上读出。这里将仅解释区别。类似于图1，处理室5的惰性气体出口7和257中的至少一个可以经由管道33与惰性气体入口6、256、266中的至少一个连接。泵32可以具有泵入口，该泵入口与惰性气体出口6、25中的至少一个流体地连通，并且泵出口可以经由管道33与惰性气体入口6、256、266中的至少一个流体地连通。管道可以包括气体组分传感器30。无论气体组分传感器30的位置如何，由气体组分传感器30测量的值都可以通过一些数据线或任何其他通信装置提供到控制器3。控制器也可以称为处理室控制装置3。
处理室壳体优选地具有这些气体组分传感器30中的至少一个。在图2中，为了说明的目的，在优选的位置处描绘了两个气体组分传感器30。也可以使用其他数量的气体组分传感器。
处理室壳体还可以包括至少一个惰性气体组分源34。在示例中，惰性气体组分源34可以包括罐，该罐填充有或配置成填充有例如He和/或Ne或其他惰性气体或惰性气体混合物。
惰性气体组分源34经由惰性气体组分阀26与惰性气体入口6、256、266中的至少一个流体地连接。
控制器3优选地被配置为，基于至少一个测量值来监测处理室5中和/或管道33中的惰性气体中的He和Ne中的至少一种的浓度和/或分压。这样的测量值可以从至少一个惰性气体组分传感器30中的至少一个获取。在处理室5中的惰性气体中的He和Ne的浓度消耗到预定下限以下的情况下，控制器可以被配置为打开惰性气体组分阀36，例如保持给定的持续时间。该持续时间可以被计算出，例如基于下限和测量值之间的差异。通过打开惰性气体组分阀36，消耗的惰性气体组分可以被提供到正被提供到处理室的惰性气体。由此，可以校正消耗的组分的浓度，在本示例中消耗的组分为He和/或Ne。类似地，在处理室5中和/或管道中的惰性气体中的另一组分的测量浓度高于上限的情况下，控制器可以打开惰性气体组分阀36，从而降低具有高于其上限的浓度的组分的浓度。处理室可以具有填充有不同惰性气体的多个惰性气体组分源34以及对应的惰性气体组分阀36，以选择性地补充消耗的惰性气体组分。
附图标记列表
1 增材制造设备
2 主要惰性气体流动方向
3 控制器/处理室控制装置
4 工件/原材料的粘附部分
5 处理室
6 气体入口
7 气体出口
8 支撑件
9 底部
10 顶部
101 窗口
102 窗口
11 第一侧壁
12 第二侧壁
13 第三侧壁
20 主要惰性气体流
201 热交换器
25 第二惰性气体流(惰性气体射流)
251 热交换器
252 第二惰性气体流的方向
256 第二惰性气体入口
257 第二惰性气体出口
26 第三惰性气体流
261 热交换器
266 第三惰性气体入口
30 气体组分传感器，例如氧气传感器和/或气体密度传感器和/或气
体组分浓度传感器
32 泵
33 管道
34 惰性气体组分源
35 加热器
36 惰性气体组分阀
50 重涂机
80 第一束源
81 第一束/第一激光束
82 第一烟羽
90 第二束源
91 第一束/第一激光束
92 第二烟羽
93 开口壁
94 底部9中的支撑件开口，其被配置为接收支撑件8
99 粉末床

Claims (23)

1.一种处理室壳体(1)，其用于增材制造设备，所述处理室壳体(1)包括处理室(5)，其中，所述处理室壳体(1)至少具有：
-底部(9)、顶部(10)和侧壁(11、12、13)，所述底部(9)、所述顶部(10)和所述侧壁(11、12、13)共同包围所述处理室(5)的容积(51)，
-惰性气体入口(6)，所述惰性气体入口(6)被配置为将惰性气体提供到所述处理室(5)中，
-惰性气体出口(7)，所述惰性气体出口(7)被配置为将所述惰性气体释放出所述处理室(5)，
其特征在于，
所述底部(9)具有开口(94)，所述开口(94)由开口壁(93)界定，并且用于支撑三维物体(4)的可竖向移动的支撑件(8)位于所述开口壁(93)之间，和/或
所述气体入口(6)被配置为将轻质惰性气体提供到所述处理室(5)中，所述轻质惰性气体具有小于1.4kg/m3的密度。
2.根据权利要求1所述的处理室壳体(1)，其特征在于，所述惰性气体入口(6)和所述惰性气体出口(7)定位在所述处理室和/或所述开口(94)的相反侧，从而被配置为建立了在主要流动方向(2)上的、在所述开口上方从所述惰性气体入口(6)到所述惰性气体出口(7)的惰性气体流(2)。
3.根据权利要求1或2所述的处理室壳体(1)，
其特征在于，
所述气体入口(6)连接到He源，并且被配置为将He气从所述He源提供到所述处理室(5)中。
4.根据前述权利要求中的一项所述的处理室壳体(1)，其特征在于，所述气体入口连接到气体源，所述气体源提供热导率为至少的气体或气体混合物。
5.根据前述权利要求中的至少一项所述的处理室壳体(1)，其特征在于，所述He源提供包括20％He、30％He、40％He、50％He、60％He、70％He、80％He、90％He、95％He、98％He、99％He中的至少一个的气体，其中，百分比涉及He和/或Ne的摩尔量相对于气体总量的比。
6.根据前述权利要求中的至少一项所述的处理室壳体(1)，其特征在于，
在所述主要流动方向(2)上的所述惰性气体流具有流速，并且在所述开口上方0.5cm处测得的平均流速为：
-高于0.75m/s，和/或
-低于4m/s。
7.根据前述权利要求中的至少一项所述的处理室壳体(1)，其特征在于，
所述处理室(5)包括至少一个气体组分浓度传感器，其中，所述至少一个气体组分浓度传感器(30)中的至少一个位于：
-所述底部上，和/或
-所述底部的凹部中，和/或
-所述底部上方5cm距离的下方，和/或
-所述支撑件上和/或所述支撑件下方，和/或
-距环绕所述开口的所述底部中的边缘10cm、5cm、2.5cm、1cm、0.5cm中的至少一个处或范围内，和/或
-管道(33)中，所述管道(33)连接所述惰性气体出口(7)与所述惰性气体入口(6)。
8.根据至少权利要求7所述的处理室壳体(1)，其特征在于，所述处理室壳体还包括至少一个惰性气体组分源(34)，所述至少一个惰性气体组分源(34)经由惰性气体组分阀(36)与所述处理室(5)的所述惰性气体入口(6)流体地连接。
9.根据前述权利要求中的至少一项所述的处理室壳体(1)，其特征在于，
所述处理室(5)包括加热器(35)，所述加热器(35)被配置为将穿过所述处理室的所述惰性气体流的至少一部分加热为温度至或高于25℃、40℃、60℃、80℃、100℃、150℃、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃中的至少一个。
10.根据前述权利要求中的至少一项所述的处理室壳体(1)，其特征在于，所述处理室包括压力控制器，所述压力控制器被配置为将所述处理室内部的压力维持在低于所述处理室外部的环境压力，和/或维持为或低于1000hPa、900hPa、800hPa、700hPa、600hPa、500ha、400hPa、300hPa、200hPa、100hPa中的至少一个。
11.根据前述权利要求中的一项所述的处理室壳体(1)，其特征在于，
所述惰性气体出口(7)与真空泵流体地连通，
和/或，所述惰性气体入口(6)与惰性气体源流体地连通，其中，节流阀位于所述惰性气体入口的上游。
12.根据前述权利要求中的至少一项所述的处理室壳体(1)，其特征在于，所述处理室还包括：
-至少一个第二气体出口，其位于所述底部、所述支撑件、所述开口壁和所述开口底部中的至少一个中，和/或
-至少一个第二惰性气体入口，其位于所述顶部中。
13.根据权利要求12所述的处理室壳体(1)，其特征在于，
-所述第二气体出口连接到第二气体出口控制阀，优选地连接到止回阀，所述止回阀被配置为禁止气体经由所述第二气体出口流动到所述处理室中，和/或
-所述第二气体出口连接到第二出口真空泵的气体入口。
14.根据前述权利要求中的至少一项所述的处理室壳体(1)，其特征在于，所述处理室壳体(1)还包括至少一个激光束进入窗口，所述至少一个激光束进入窗口位于所述开口(91)上方。
15.根据至少权利要求14所述的处理室壳体(1)，其特征在于，所述处理室壳体(1)还包括：
-至少一个惰性气体射流入口喷嘴，所述至少一个惰性气体射流入口喷嘴定位成将惰性气体射流提供到所述窗口和所述支撑件之间，和/或
-至少一个惰性气体射流出口喷嘴，所述至少一个惰性气体射流出口喷嘴定位成将惰性气体射流提供到所述窗口和所述支撑件之间。
16.根据至少权利要求15所述的处理室壳体(5)，其特征在于，所述至少一个惰性气体射流入口喷嘴具有喷嘴出口开口，所述喷嘴出口开口取向为在角度αjs内平行于所述惰性气体入口，其中，αjs∈A，并且A＝{30°，20°，10°，5°，2·5°，1°，0·5°，0°}。
17.一种增材制造设备，其特征在于，所述增材制造设备包括根据前述权利要求中的至少一项所述的处理室壳体(1)。
18.根据权利要求17所述的增材制造设备，其特征在于，
-所述处理室(5)具有至少一个激光束进入窗口，
-在所述处理室(5)的外部，在所述至少一个窗口的前方有至少两个激光源，所述至少两个激光源各自被配置为发射至少一个激光束到所述支撑件(8)的顶部上的粉末床。
19.一种用于熔合粉末床的层的至少一部分的方法，所述方法至少包括：
-从第一束源发射至少第一束到粉末床的第一位置上，以及从第二束源发射至少第二束到所述粉末床的第二位置上，其中，所述第一位置和所述第二位置不同，从而分别产生第一烟羽和第二烟羽；
-通过建立惰性气体流使所述第一烟羽和所述第二烟羽朝水平倾斜，所述惰性气体流具有的方向带有平行于所述粉末床的分量，
-其特征在于，
所述第二位置的至少一部分被选择为定位在所述第一烟羽下方，其中，下方表示所述第一烟羽在所述第二束源和所述第二位置的所述一部分之间，和/或，所述惰性气体流的密度在正常条件下和/或在所述层上方20mm距离的条件下为或低于1.4kg/m3。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
-第一位置的组和第二位置的组之间的距离具有小于100mm、70mm、40mm、30mm、20mm和10mm中的至少一个的距离；和/或
-第一位置和第二位置之间的距离小于100mm、70mm、40mm、30mm、20mm、10mm中的至少一个，其中，所述第一束和所述第二束被发射到所述第一位置和所述第二位置时的时刻之间的时间距离小于所述第一束或所述第二束被发射到所述层上的最大时间跨度的10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％和80％中的至少一个。
21.根据权利要求19或20所述的方法，其特征在于，
建立的惰性气体流包括20％He、30％He、40％He、50％He、60％He、70％He、80％He、90％He、95％He、98％He、99％He中的至少一个，其中，百分比涉及He和/或Ne的摩尔量相对于气体总量的比。
22.根据权利要求19至21中的一项所述的方法，其特征在于，
建立的惰性气体流具有的温度为或高于25℃、40℃、60℃、80℃、100℃、150℃、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃中的至少一个。
23.一种用于熔合粉末床的层的至少一部分的方法，所述方法至少包括：
-从第一束源发射至少第一束到粉末床的第一位置上，以及优选地从第二束源发射至少第二束到所述粉末床的第二位置上，其中，所述第一位置和所述第二位置不同，从而分别产生第一烟羽以及可选地第二烟羽；
-通过建立惰性气体流使所述第一烟羽和所述第二烟羽朝水平倾斜，所述惰性气体流具有的方向带有平行于所述粉末床的分量，
-将穿过惰性气体出口(7、257)被移除的惰性气体混合物的至少一部分供给到处理室的惰性气体入口(6、256、266)，
-测量代表从所述处理室移除或者处于所述处理室中的所述惰性气体混合物中的N2、He、Ne、Ar、Kr和Xe中的至少一种的浓度和/或分压的测量值，
-将所述测量值与所述惰性气体混合物中的N2、He、Ne、Ar、Kr和Xe中的至少一种的所述浓度和/或所述分压的下限和/或上限进行比较，以及
-在所述比较提供了所述测量值低于下限的情况下，所述方法还包括添加对应的组分到所述惰性气体混合物，同时不添加或少量添加所述惰性气体混合物中的至少一种其他组分到所述惰性气体混合物，
和/或，
-在所述比较提供了所述测量值高于上限的情况下，所述方法还包括添加除了具有高于上限的测量值的所述组分之外的至少一种其他组分到所述惰性气体混合物，同时不添加或少量添加具有高于所述上限的测量值的所述组分到所述惰性气体混合物。
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