用於製造在空間上延展的產品的3D列印設備的製作方法

2023-09-18 08:50:30 1

本發明涉及根據權利要求1前序部分所述的用於製造在空間上延展的產品的3d列印設備。

背景技術：

在傳統的3d列印設備中，例如藉助雷射束以能量點狀地施加粉末狀輸送的原材料，從而在所施加的位置上啟動一個過程例如原材料的熔融或燒結，其中，這個過程導致原材料顆粒的連接。由此通過雷射束在工作區域上的光柵狀掃描分層地產生需製造的產品。

開頭所述類型的設備例如由sabinaluisacampanelli、nicolacontuzzi、andreaangelastro和antoniodomenicoludovico(2010)的「capabilitiesandperformancesoftheselectivelasermeltingprocess，newtrendsintechnologies：devices，computer，communicationandindustrialsystems，mengjooer(ed.)」，isbn：978-953-307-212-8，intech(也見：http：//www.intechopen.com/books/new-trends-in-technologies--devices--computer--communication-and-industrial-systems/capabilities-and-performances-of-the-selective-laser-melting-process)。圖1示意性示出已知設備的一部分。

在那裡，準直的雷射束1從左側射到兩個可的反光鏡2上，圖中僅示出其中一個反光鏡。兩個反光鏡2使得雷射輻射1沿兩個相互垂直的方向轉型，以便能夠在工作平面4中沿兩個相互獨立的方向實現掃描。反光鏡例如可以構造成電鍍反光鏡。雷射輻射從反光鏡起經由構造成f-θ物鏡的光學裝置3偏轉到工作平面4上，使得雷射輻射1的聚焦面基本上在工作平面4中。反光鏡2在此可以將雷射輻射有針對性地引導向工作平面4中的多個點，在這些點中應該為粉末狀的原材料施加雷射輻射。反光鏡2和光學裝置3通常被集合在標準雷射頭中。

這種3d列印設備的缺點在於：通過點狀地掃描工作平面來製造較大的產品在某些情況下需要很長時間。

技術實現要素：

基於本發明的問題是：提供一種比由現有技術已知的設備更高效、尤其更快速的3d列印設備。

這根據本發明通過開頭所述類型的具有權利要求1特徵部分特徵的3d列印設備得以解決。從屬權利要求涉及本發明的優選的構造。

根據權利要求1規定：至少一個雷射源設計成使得在所述設備運行中，在工作區域上彼此間隔開距離地產生雷射輻射的多個入射點或入射區域。

在此可以設定：在3d列印設備的運行中通過雷射輻射在工作區域中的多個彼此間隔開距離的入射點或入射區域來同時在多個部位使粉末狀的原材料硬化，以這種方式縮短製造產品的時間。

存在的可能性是：掃描裝置包括至少一個可動的反光鏡和至少一個不可動的反光鏡，特別是所述至少一個可動的反光鏡大於所述至少一個不可動的反光鏡。

可以設定：3d列印設備包括至少兩個雷射源，從所述雷射源中可以分別射出一個雷射輻射，特別地，所述至少兩個雷射源的射出面在垂直於雷射輻射平均傳播方向的平面中彼此間隔開距離。可以實現的是：所述至少兩個雷射源的雷射輻射可以被同時有針對性地引入到工作平面中，從而相應縮短加工時間。

存在的可能性是：掃描裝置包括多個不可動的反光鏡，所述至少一個不可動的反光鏡中的至少一個不可動的反光鏡配屬給其中每個雷射輻射。

可以設定：掃描裝置包括一個或多個可動的反光鏡，在3d列印設備運行中，多個雷射輻射尤其是全部雷射輻射從所述反光鏡轉型。以這種方式可以設置例如一個或兩個可動的大反光鏡，多個雷射輻射尤其是全部雷射輻射由所述可動的大反光鏡轉向。所述大反光鏡對於大的雷射功率比較不敏感。此外還可以將其它運動系統作為電流促動器(galvanoaktuator)用於所述大反光鏡的運動，使得系統總體上更牢固並且成本更低廉。

可以設定：掃描裝置設計成使得雷射輻射在工作區域上的入射點或入射區域可以沿以下方向運動，雷射輻射的入射點或入射區域沿著該方向並排設置。通過這種運動，工作區域的需施加雷射輻射的區域被多次短促地依次施加雷射輻射。由此能減小各個焦點的作用持續時間，因為通過接連施加仍然可以在所述區域中施加充足的能量，以便將原材料例如熔化。以這種方式可以增大焦點在工作平面上運動的速度，因此總體上同樣可以縮短加工時間。

附圖說明

參見附圖參照藉助下文對優選實施例的描述使得本發明的其它特徵和優點變得明顯。附圖中：

圖1示出根據現有技術的3d列印設備示意圖；

圖2示出根據本發明的3d列印設備第一實施方式的示意圖；

圖3示出用於根據本發明的3d列印設備的多個雷射源的示意圖；

圖4示出用於說明圖2所示的根據本發明的3d列印設備的功能的示意圖；

圖5示出根據本發明的3d列印設備第二實施方式的示意圖；

圖6示出根據本發明的3d列印設備的第三實施方式的示意圖；

圖7a示出用於根據本發明的3d列印設備的多個雷射源的射出面的第一布局的示意圖；

圖7b示出用於根據本發明的3d列印設備的多個雷射源的射出面的第二布局的示意圖；

圖7c示出用於根據本發明的3d列印設備的多個雷射源的射出面的第三布局的示意圖；

圖7d示出用於根據本發明的3d列印設備的多個雷射源的射出面的第四布局的示意圖；

圖8示出焦點在用於根據本發明的3d列印設備的工作平面中的第一種布局的示意圖；

圖9示出焦點在根據本發明的3d列印設備的工作平面中的第二布局的示意圖；

圖10示出根據本發明的3d列印設備的第四實施方式的示意圖；

圖11示出第二實施方式的與圖5相應的視圖，其中示出焦點在工作平面中的運動；

圖12示出第四實施方式的與圖10相應的視圖，其中示出焦點在工作平面中的運動；

具體實施方式

在附圖中，相同和功能相同的部件設有相同的附圖標記。

在圖2示出的根據本發明的3d列印設備的實施方式中，除了第一雷射源之外還設置有第二雷射源，從而產生附加的雷射輻射1′。第二雷射源的射出面在垂直於雷射輻射1、1』的平均傳播方向的平面中與第一雷射源的射出面間隔開距離，特別是間隔開在10μm至10mm之間、例如約100μm的距離。在工作平面4中，雷射輻射1、1』同樣彼此間隔開距離入射(例如見圖2)。

雷射輻射1、1』的傳播方向略微相互傾斜，使得它們在反光鏡2上或者在其前面不遠處或在其後大致共同入射。兩個雷射輻射1、1』由反光鏡2同時並且共同轉向。

3d列印設備在反光鏡2前具有另外的光學裝置3′，這些另外的光學裝置同樣可以構造成f-θ物鏡、例如與光學裝置3完全相同。但是絕對也存在如下的可能性，即，設置其它形式的光學裝置3′，它們例如具有不同於光學裝置3的焦距。

還存在的可能性是：完全棄用光學裝置3′，並且雷射輻射1以及雷射輻射1』可以作為很大程度準直的雷射輻射射向反光鏡2。雷射輻射1、1』的傳播方向在這裡也應略微相互傾斜，使得它們在反光鏡2上或者在其前面不遠處或者在其後面大致共同入射。

也可以取代兩個雷射源採用兩個以上的雷射源，如圖2所示例如25個雷射源亦或25個以上的雷射源。圖7a至7d示出多個雷射源的射出面5的示例性布局。這些雷射源例如例如設置成一排(圖7a)或設置成十字形(圖7b)。也可以形成圓形(附圖7d)或間距較大的行列形式(圖7c)。也可以是其它布局。

通過工作平面4中的例如多個並排設置的焦點可以同時在多個部位上使粉末狀的原材料硬化，從而可以由此縮短用於製造產品的時間。這相應地也適用於雷射源射出面的其它布局。

圖4表明不同雷射輻射1、1』的焦點在工作平面4中同時運動。為此示出不同的反光鏡位置。

圖8示出焦點11在工作平面中的線狀布局。其沿線縱向運動如通過箭頭v所示出的那樣。通過沿線縱向方向的運動對工作平面的需施加雷射輻射的區域多次短促地依次施加雷射輻射。由此能減小各個焦點11的作用持續時間，這是因為通過接連施加仍然可以將充足的能量置入到所述區域中，以便將原材料例如熔化。

以這種方式可以增大焦點11在工作平面上運動的速度。因此總體上同樣可以縮短加工時間。

圖9示出焦點11在工作平面中的多個相互平行的線的布局的實施例。這些焦點沿平行線的線縱向運動如通過箭頭v表示的那樣。

通過平行線的沿縱向的運動同時對工作平面的多個需施加雷射輻射的區域多次短促地依次施加雷射輻射。由此能縮短各個焦點11的作用持續時間，因為通過接連施加仍然可以將充足的能量置入到這些區域中，以便使原材料例如熔化。

與圖8的區別在於：在圖9所示的實施方式中，所述熔化在多個區域中並行完成。因此總體上可以進一步縮短加工時間。

圖3表明，與使用多個尤其是25個示意性示出的雷射源6一樣，例如可以實現用於雷射輻射1、1′、...的多個尤其是25個射出面的菱形布局。

在所示的實施例中，雷射源作為光導纖維7的射出端示出。完全也可以使用其它雷射源。

光導纖維7的端部以橫斷面為菱形的聚束，其中，從該聚束中射出的雷射輻射1、1′、...在適當的反光鏡8上偏轉之後射向所述另外的光學裝置3′。

圖5表明：如通過適當地選擇多個雷射源和具有多個反光鏡2和多個未示出的光學裝置的多個雷射頭一樣，在工作平面中可以實現一排例如100個以上的焦點11。為此可以將多個具有反光鏡2的雷射頭並排設置並且分別給其施加多個、例如10個雷射輻射1、1′、1″、...。反光鏡2可以相互垂直或者可以圍繞兩個相互垂直的軸線樞轉。

圖6示出一種類似的布局，其中雷射輻射1、1′、...從兩個不同側射向這裡設置成相互平行的兩排9、9』的反光鏡2。在此在工作平面中也產生如100個或更多個焦點11的一長排。

圖10示出一種布局，其有別於圖5，相互垂直的反光鏡2不是可動的，而是不可動的。與圖5類似，每個通道或者每個雷射源分別採用兩個這種反光鏡2。

為了使得焦點11在儘管反光鏡2不可動的情況下仍然在工作平面中運動，在反光鏡2的前面、下面、後面分別設置有至少一個可動的反光鏡12、13。這些反光鏡12、13長形構造並且可以同時使得雷射輻射1、1′、1″中的多個雷射輻射或所有雷射輻射轉向。尤其利用壓電促動器14、15實現反光鏡12、13的樞轉。

第一反光鏡12的運動引起焦點11沿多個焦點11並排設置的縱向16的運動。第二反光鏡13的運動引起焦點11沿垂直於縱向16的方向的運動。

顯而易見，第一反光鏡12例如可以僅在±0.15°的範圍內以60hz的頻率運動，與此相反，第二反光鏡13可以在±15°的範圍內以0.005hz的頻率運動，以便使焦點11在工作平面4中實施所期望的運動。基於這些緩慢的運動或者小振幅的運動，可以使用驅動器的如壓電促動器14、15的其它實施方式來替代電鍍反光鏡(galvanospiegel)。

可以從沿第一方向和與其垂直的第二方向的運動來實現光束的鋸齒形運動。圖11以類似於圖5的視圖示意性說明各個焦點11的鋸齒形運動。圖12以類似於圖10的視圖示意性說明各個焦點11的鋸齒形運動。