用於逐層製造三維物體的設備和方法與流程

2023-06-01 22:23:26

本發明涉及一種用於通過在與待製造物體相應層中的橫截面相對應的位置上逐層固化構造材料來逐層製造三維物體的設備和方法。

背景技術：

用於逐層製造三維物體的方法包括例如選擇性雷射燒結或雷射熔融。在此，逐層施加並且通過雷射輻射選擇性固化粉末狀的構造材料。

DE19649865C1描述了一種用於通過在處理室中逐層施加並且選擇性固化金屬材料粉末來製造成型體的方法。在該處理室的一側設有保護氣體入口，在另一側設有保護氣體出口。通過所述保護氣體入口和保護氣體出口在被施加的粉末上方形成層狀的保護氣體流，以避免材料表面的氧化。

DE19853947C1描述了一種用於選擇性雷射熔融的處理室，在該處理室的側壁中設有用於保護氣體的流入開口和流出開口，該保護氣體穿流處理室。

在這兩種情況下，通過滑閥實現從相對於保護氣體流位於上遊的粉末存儲器逐層施加粉末。該粉末存儲器和用於構造物體的工作平面並排設置，並且處理室與此相應地是扁長的，在保護氣體流到達被施加的粉末層之前，該保護氣體流已經穿流了一大半處理室，因此容易實現在所施加的粉末層上方的保護氣體流是層狀的。

在以其它方式、例如從設置在工作平面上方的粉末存儲器施加粉末層的用於逐層製造三維物體的設備中，不具有用於氣流的如此長的流入路徑。在此，氣流基本上僅覆蓋在其上構造物體的工作平面。在此較難實現氣流在整個所施加的粉末層上方是層狀的。

在一種申請人內部已知的設備中，氣體經由通道被引導至處理室的一個側壁並且通過包括多個並排的孔的孔板導入處理室中。在另一側上氣體再次被吸走。在此，在孔板的上遊的導流板能夠幫助改進氣流的層流性。但如此產生的氣流具有不均勻性和渦流。

通過將能量引入到待固化的粉末上，可能在粉末表面上產生飛濺物、煙霧、氣體和/或蒸汽，它們能夠吸收或折射雷射束。由此產生的局部照射誤差可能不利地影響待製造物體的質量。

在申請人內部已知的所述設備中出現的不均勻性和渦流導致在粉末表面上形成的煙霧、氣體和/或蒸汽不均勻地運走。由於由此產生的照射誤差以及在保護氣體流中出現的可揚起待固化粉末的紊流，待製造物體的質量可能受到影響。

技術實現要素：

本發明的任務在於，提供一種用於通過逐層施加並且選擇性固化構造材料來逐層製造三維物體的設備和方法，其中，引導經過所施加的構造材料層上方的氣流的層流性得到改進。

該任務通過根據權利要求1的設備、根據權利要求10的方法、根據權利要求11的噴嘴元件、根據權利要求14的通風裝置和根據權利要求15的噴嘴元件應用來解決。本發明的擴展方案由各從屬權利要求給出。在此，該方法也可通過設備的下面的或在各從屬權利要求中給出的特徵進一步擴展，反之亦然。

通過為了產生層狀流而使用在這些權利要求中給出的噴嘴元件，引導經過所施加的構造材料層上方的氣流的層流性得到改進，並且由此改進所製造的物體的質量。此外，可藉助所述噴嘴元件使得：能在具有相對小的尺寸的、尤其是沿待實現的層狀氣流的流動方向的尺寸相對小的構造室內部實現氣流的層狀流。

優選通道的水平寬度從噴嘴元件的氣體流入側向氣體流出側逐漸增大。由此引起的氣流的扇形散開導致：可藉助更窄的噴嘴元件吹過相同的工作區域。

優選所述噴嘴元件在下排通道或各排通道的上方包括傾斜向下定向的板條。由此引起的從下流出開口流出的氣流的向下定向進一步導致：在噴嘴元件的氣體流出側產生的氣流渦流被限定在明顯更小的範圍內，並且在距噴嘴元件明顯更小的間距處就已經實現了層狀流。

附圖說明

參考附圖由對實施例的說明得出本發明的其它特徵和適宜性。

圖1示出根據本發明的用於逐層製造三維物體的設備的示意性的局部剖面圖；

圖2示出根據本發明第一實施方式的、在圖1中所示出的設備中用作為氣體流入噴嘴的噴嘴元件的透視圖；

圖3示出圖2所示的噴嘴元件的氣體流出側的側視圖；

圖4示出圖2和圖3所示出的噴嘴元件沿在圖3中所示的線B-B的剖面圖；

圖5示出圖2至圖4所示出的噴嘴元件沿在圖3中所示的線E-E的剖面圖；

圖6示出透視圖，其示出在使用根據比較示例的孔板作為氣體流入噴嘴時的氣流模擬結果；

圖7示出透視圖，其示出在使用圖2至圖5所示出的噴嘴元件作為氣體流入噴嘴時的氣流模擬結果；

圖8示出根據本發明第二實施方式的、在圖1所示出的設備中用作氣體流入噴嘴的噴嘴元件的透視圖；

圖9示出圖8所示出的噴嘴元件在其中心面上的剖面圖。

具體實施方式

下面參考圖1至圖5描述根據本發明第一實施方式的設備的實施例。在圖1中所示出的設備是雷射燒結或雷射熔融設備1。為了構造物體2，所述設備包括具有室壁4的處理室3。

在處理室3中設有向上敞開的、具有壁6的容器5。在容器5中設有能沿豎直方向V運動的支承件7，在該支承件上安裝有基板8，該基板向下封閉容器並且因此構成容器底部。基板8可以是與支承件7分開構造的、固定在支承件7上的板，或者該基板可與支承件7一體地構造。根據所使用的粉末和工藝，還可在基板8上安裝構造平臺9，物體2在該構造平臺上構造。但是物體2也可在基板8本身上構造，該基板此時用作構造平臺。在圖1中示出要在容器5中在構造平臺9上構造的、在工作平面10下方處於中間狀態中的物體2，該物體具有被未固化的構造材料11包圍的多個已固化的層。

雷射燒結設備1進一步包括用於可通過電磁輻射來固化的粉末狀的構造材料13的存儲器12並且包括可沿水平方向H運動的、用於將構造材料13施加到工作平面10上的塗布裝置14。處理室3的壁4在其上側包括用於固化粉末13的輻射的耦入窗15。

雷射燒結設備1此外包括具有雷射器21的照射裝置20，該雷射器產生雷射束22，雷射束通過轉向裝置23轉向並且通過聚焦裝置24、經由耦入窗15聚焦到工作平面10上。

雷射燒結設備1進一步包括控制單元29，通過該控制單元，以協調的方式控制設備1的各個組件，以實施構造過程。控制單元可包括CPU，其運行由電腦程式(軟體)來控制。

為了在工作平面10上方產生層狀氣流33，雷射燒結設備1此外包括氣體供應通道31、氣體流入噴嘴32、氣體出口噴嘴34和氣體排出通道35。氣體供應和氣體排出也可由控制單元29來控制。

設有噴嘴元件40作為氣體流入噴嘴32，該噴嘴元件在圖2中以透視圖示出。圖3示出噴嘴元件40在氣體流出側46的側視圖，並且圖4和圖5分別示出噴嘴元件40的剖面圖。

噴嘴元件40包括由固體材料製成的主體41，並排並且疊置的各個通道42延伸穿過該主體，這些通道由壁43彼此分開。通道42在噴嘴元件40的氣體流入側44終止於流入開口45，在氣體流出側46終止於流出開口47。在本申請中，用於氣流的路徑被稱為通道，該路徑優選基本上在其流入開口和其流出開口之間的總長度上、在周邊被封閉的壁包圍，使得氣體基本上不能從一個通道進入相鄰的通道中。

根據該實施方式，主體41大致構造成具有高度h和深度t的矩形。但是，由圖4可最清晰的看到的那樣，基本輪廓是略微梯形的，使得氣體流入側44上的寬度b1小於氣體流出側46上的寬度b2。相應地，各個通道42在水平面中的橫截面也從氣體流入側44向氣體流出側46擴寬。氣體流出側46上的寬度b2這樣確定尺寸，使得所產生的氣流33能夠吹過整個構造區域、即工作平面10。

在該實施方式中，通道42分別具有矩形的橫截面(在該橫截面中各個通道42的寬度大於其高度)，並且以矩陣形式成行和成列地並排和疊置地設置。在圖3所示出的側視圖(並且在任何平行於圖3的圖平面的剖面圖)中，位於這些通道之間的壁43構成由水平線和豎直線構成的網格。所有這些壁43的在側視圖中(或在相應剖面圖中)的總橫截面明顯小於所有通道42的總橫截面。

主體41的深度t和因此通道42的長度選擇為，使得在這些通道中形成層狀流並且氣體在氣體流出側46上層狀地流出。在本申請中，術語「層狀」用於氣流33，該氣流是完全層狀的或至少基本上層狀的，使得該氣流僅以很小的程度包含渦流，使得這些渦流不會妨礙煙霧、氣體和/或蒸汽的運走並且不會揚起所施加的粉末層或使該粉末層以其它方式運動。

優選通道長度選擇為大於流出開口47的最大尺寸。在該實施方式中所使用的矩形橫截面中，流出開口47的最大尺寸是矩形的對角線。優選通道長度是流出開口最大尺寸的至少五倍、進一步優選為至少十倍。

如在圖5中能最清晰看到的那樣，噴嘴元件40此外在最下排的流出開口47上方包括板條48，該板條從主體41的氣體流出側46伸出並且朝向工作平面10方向傾斜並且在此在主體41的氣體流出側44的整個寬度b2上延伸。板條48厚度大致等於最下排和倒數第二排的流出開口之間的壁的厚度。板條48在其橫截面中可構造成直的或略微向下彎曲的。此外，在最下排的各相鄰通道42之間的各壁分別通過突出部49這樣延長，使得流出開口47的下邊緣50與板條48的下邊緣51連接。因此，對於下排的通道而言，形成傾斜的流出開口47′，該傾斜的流出開口相對於其它流出開口47以角度α向下傾斜並且因此使氣流略微向下偏轉。優選角度α大於等於45°，進一步優選大於等於55°。與此無關地，該角度α優選小於等於75°、進一步優選小於等於65°。該角度更進一步優選為大約60°。

最後，噴嘴元件40在兩側具有各一個固定接片50，用於固定在(未示出的)保持裝置或處理室5的室壁4上。

在運行中，為了施加粉末層，首先將支承件7下降一定高度，該高度對應於所期望的層厚。在使用塗布裝置14的情況下，現在施加一層粉末狀的構造材料13。

該施加至少在待製造的物體2的整個橫截面上進行、優選在整個構造區域上進行。接著，待製造物體2的橫截面被雷射束22掃描，以便這些位置上固化粉末狀的構造材料13。重複這些步驟，直至物體2製成並且能從構造室中取出。

在構造物體2期間，引導氣流33在工作平面10上方通過。該氣流33導致：在粉末表面上形成的煙霧、氣體和/或蒸汽被運走。

通過通道42的橫截面在水平面中從氣體流入側44向氣體流出側46的所描述的擴寬，實現了氣流33扇形散開。由此，氣流33能夠流過與對應於主體41設有流出開口47的部分的寬度b2的區域相比更大的區域。此外，可減少層狀流的邊緣上的邊緣效應。

圖6和圖7分別示出在將孔板60用作為比較示例或將該實施方式的噴嘴元件40用作為氣體流入噴嘴的情況下的氣流的模擬結果。

在使用孔板60的情況下，空氣供應在兩個平行板之間進行，在這些板之間設有連接片，但是這該連接片在入口側和出口側之間並未構成連續封閉的通道。

如由圖6可見的那樣，在使用根據現有技術的孔板的情況下，在下排孔的下方出現強的渦流W1。

相反於此地，圖7示出在使用噴嘴元件40的情況下，渦流W2明顯更小並且在距流出開口47較小的間距處就已經實現了層狀的氣流。

在粉末表面上形成的煙霧、氣體和/或蒸汽可通過氣流33運走，而所施加的粉末層不會受渦流影響。從下流出開口47′流出的氣流33的向下定向(該向下定向由板條48和下排的通道42之間的各壁的突出部49引起)尤其導致：在氣體流出側46產生的氣流渦流W2能被限制在較小的範圍內並且在距噴嘴元件40較小的間距處就實現了工作平面10上的層狀流。

通過噴嘴元件40改進的氣流33的層流性導致：在運走在粉末表面上形成的幹擾物時不產生不均勻性或渦流，它們可能干擾照射並且因此影響所製造物體2的質量。因此，所製造的物體2具有更好的特性、如更少更小的孔隙、可預見且更小的機械特性偏差等等。

因此，通過使用在該實施方式中所描述的用於產生層狀的氣流33的噴嘴元件40實現改進所製造的物體2的質量的效果。

為了使噴嘴元件40匹配於不同的應用領域(例如不同的層厚、所使用粉末的不同顆粒大小)，可以覆蓋流入開口44和/或流出開口45的一部分。這可以手動地通過用帶粘貼或者通過用作為擋板裝置的蓋或滑動件來遮擋來實現。但是，用於遮擋的滑動件也可電動地運動，這又可以通過控制單元29來控制。通過這樣部分地覆蓋流入開口44和/或流出開口45，氣體流量能夠得到控制。

雖然在上面所描述的實施方式中，通道42具有矩形橫截面並且以矩陣形式成行和成列地設置，但本發明不局限於此。通道42的橫截面也可以是圓形、三角形、六邊形的或者具有任意其它彎曲和/或多邊形的邊緣。重疊的各排通道也可以側向相互錯開，並排的各排通道可以在高度上相互錯開，或者各通道可以任意其它方式相對彼此設置。

雖然在上面所描述的實施方式中，通道42的水平寬度從噴嘴元件40的氣體流入側44向氣體流出側40逐漸增大，但是該寬度也可以保持恆定或減小。

通道42的垂直高度也可以從噴嘴元件40的氣體流入側44向氣體流出側40逐漸增大、減小或保持恆定。並非所有通道都必須具有相同的橫截面和/或相同的間距。

在各通道之間的各壁並不必須是固定的，而是也可以構造為可移動的片。

雖然在上面所描述的實施方式中，各通道直線地從氣體流入側向氣體流出側延伸，但是本發明並不局限於此。在第二實施方式中，氣體流入側相對於氣體流出側傾斜90°。

圖8示出第二實施方式的噴嘴元件70的透視圖，並且圖9示出在圖8中所示出的噴嘴元件在其中心面中的剖面圖。

噴嘴元件70包括主體71，該主體在其氣體流入側74具有用於連接氣體供應裝置的開口81。

如在噴嘴元件40中那樣，在噴嘴元件70中也有被壁73彼此分開的通道72從氣體流入側74延伸到氣體流出側76。這些通道72在氣體流入側74終止於流入開口75，在氣體流出側76終止於流出開口77。

然而，與噴嘴元件40不同的是，這些通道是彎曲的，以便使從上方供應的氣體方向轉向到水平面中。但是，在氣體流出側76，每個通道72具有直線地水平延伸的末端段78，這些末端段的長度選擇為，使得在這些端塊中形成層狀流並且在氣體流出側76上的氣體流出層狀地實現。

該第二實施方式的其它特徵和變型與第一實施方式相同。

即使本發明藉助雷射燒結設備或雷射熔融設備來說明，但是本發明並不局限於雷射燒結或雷射熔融。本發明可用於任何的用於通過逐層施加和選擇性固化構造材料來製造三維物體的方法，在這些方法中，使用氣流、尤其使用保護氣流。雷射器可例如包括氣體雷射器或固體雷射器或雷射二極體。也可使用例如包括雷射二極體陣列的線性光源(Linienbelichter)。一般而言，可使用任何能夠選擇性地將能量施加到構造材料層上的設備。作為雷射器的替代，可例如使用適合用於固化構造材料的其它光源、電子束或任何其它能量源或輻射源。本發明也可用於使用擴展光源和掩模的選擇性掩模燒結或者用於吸收燒結或抑制燒結。

作為能量輸入的替代，選擇性固化所施加的構造材料也可例如通過施加膠粘劑來實現。一般而言，本發明涉及與構造材料的固化方式方法無關地、藉助逐層施加和選擇性固化構造材料來製造物體、例如3D列印。

優選使用基本上不與構造材料發生化學反應的保護氣體作為氣體，根據所使用的構造材料例如使用氮氣或氬氣。

在將粉末用作為構造材料的情況下，可使用不同類型的粉末、尤其使用金屬粉末、塑料粉末、陶瓷粉末、沙、填充或混合的粉末。