基於粉末床的增材製造方法和用於執行該方法的設備與流程

2023-06-02 00:57:26 2

本發明還涉及一種用於執行基於粉末床的增材製造方法的設備，該設備包括過程室，在過程室中可以在構建平臺上形成粉末床。在過程室中還有計量裝置，用計量裝置可以在位於構建平臺上的粉末床上製造層。基於粉末床的增材製造方法和用於執行該方法的設備例如在專利文獻US2003/0074096A1中是已知的。為了製造儘可能均勻的粉末床，建議粉末通過進料管單獨地進料給漏鬥陣列，其中，該陣列的漏鬥局部地保證粉末的準確計量。由此可以整體上確保粉末在粉末床的整個表面上的均勻施加。然而用於粉末的進料裝置必須單獨駛過漏鬥陣列的單個漏鬥，這在運行中導致一定的裝料時間。

在3D列印技術中按照專利文獻US2002/0145213A1還已知，用於列印待生產的部件的單個層的粉末可以藉助合適的進料裝置進料，其中，如雷射印表機常見的那樣，單個層的粉末通過給應構成待生產的部件的層的那些區域進行靜電充電而預先附著。接著通過能量供應來熔化這些顆粒。

通常還已知，在基於粉末床的增材製造方法中可以藉助計量裝置將粉末灑在粉末床上，其中，接著將刮板在粉末床上拖拉以便確保粉末在粉末床上的均勻分布。在此，製造平滑的粉末床的過程安全性卻受到限制。在刮板上的磨損處以及在表面上的結構缺陷可以導致，粉末床的表面構造得不平，例如包含溝槽和毛刺。在隨後的粉末熔化中這導致在所生產的部件中的不準確性。為了儘可能地避免這種效果，使用具有較高粉末品質的粉末，例如可以使用氣體霧化的粉末，其中這些粉末相較於其他粉末種類在購置時比較昂貴。

本發明要解決的技術問題在於，改進開始所述基於粉末床的增材製造方法，實現節省時間地在粉末床上施加粉末並且在此尤其在通過粉末床構造的表面方面改進粉末床的品質。本發明要解決的技術問題還在於，構造開始所述的用於執行基於粉末床的增材製造方法的設備，使得能用該設備執行這種改進的方法。

上述技術問題通過按照本發明的開始所述的增材製造方法解決，即，使用支承部件將粉末施加在粉末床上，藉助該支承部件能夠將預製的層作為整體轉移到粉末床上。在此執行下面的步驟。將待施加的層在粉末床之外構造和壓實。為此必須提供合適的底層，其中，對此在下文中還會進一步說明。所述層的固化至少必要使得層足夠穩定，以被合適的輔助器件轉移至粉末床上。在下個步驟中，將所構造的層臨時地保持在支承部件上。為此必要的是必須由支承部件施加的固持力(或稱為保持力)(下文中詳述)。此外，用支承部件將構造的層放置在粉末床上。在此，可以說所述層懸在支承部件之下，以便所述層能從上方施加在粉末床上。上面已經提過的固持力保證了在支承部件的這種處理運動中所述層不會掉落。若所述層放置在粉末床上，則接著再解除在所述層和支承部件之間的臨時的連接。這通過取消所述固持力進行。支承部件現在可以被取走並且將所述層留在粉末床上。接著可以繼續進行所述增材製造方法，方式是通過能量射線熔化所述層的構成該部件的局部區域。優選地，進行選擇性雷射熔化或者選擇性電子射線熔化。

按照本發明的、所述層作為整體在粉末床上的施加具有的優點在於，沒有必要使用刮板或者類似的工具刮平所述層。所述層在被保持在支承部件上之前就已經暫時固化具有的優點在於，其在小心處理的情況下可以作為整體而非以單獨的粉末顆粒的形式放置在粉末床上。在拿下支承部件之後進而露出粉末床的光滑的表面，該表面有利地明顯比傳統方法製造的粉末床的表面更光滑。以此可以有利地通過增材製造方法製造較好的部件產品。

按照本發明有利的設計方案規定，提供輔助板用於構造所述層，並且接著用支承部件從輔助板取下所述層。有利的是，輔助板可以用於藉助已知的計量方法和之後的刮平進行施加粉末。在此有利的是可以參考現有技術。還可以用輔助板改裝已經使用的用於增材製造的、具有粉末計量裝置和刮板裝置的設備，使得這種傳統設備可以用改進的方法運行。在對輔助板上的層刮塗時產生的不平整對於待生成的部件是沒有影響的，因為所述不平整接著通過在粉末顆粒上放置支承部件被補償。

本發明的另外的設計方案在於，用支承部件進行所述層的構造，方法是將所述層作為整體通過從儲備粉末床取得粉末來製造。就是說儲備粉末床構成用於增材製造部件的設備的過程室中的補充粉末床。優選地，儲備粉末床具備與粉末床同樣的表面形狀和大小，以便能從儲備粉末床取出正好適合在用於製造所涉及的部件的粉末床中的粉末層。在此，在用於製造部件的粉末床一層一層地增長時，儲備粉末床逐漸地一層一層地消失。

使用儲備粉末床同時具有多個優點。用於待製造的部件必要的粉末量可以根據對製造部件需要的粉末床的了解準確地計量。有利的是，藉助支承部件還可以很快地進行所述層的容納，因為所述層可以通過在輔助粉末床上放置支承部件作為整體製造。有利的是，輔助粉末床的建造可以比相對複雜的、必須進行較複雜的運動過程的計量裝置和刮板裝置簡單很多。

按照本發明的進一步的設計方案規定，在構造所述層之後，將在輔助板或者支承部件上的粉末用壓實板壓實，方法是將壓實板壓在所述層上。即在用於增材製造部件的設備中設置特殊的構造單元，其目的在於通過擠壓使得顆粒在輔助板或者支承部件上壓實。由此有利地提高所述層的機械穩定性。此外，當進行對支承部件的擠壓時，也可以使得支承部件對所述層的固持力例如由於粘附效果而增強。

有利地還可以規定，在構造所述層之後，將輔助板上的粉末用支承部件壓實，方法是將支承部件下降至所述層上。若輔助板設置用於構造所述層，則有利的是已經存在可用來進行該層的壓實的一對部件：即支承部件和輔助板。在這種情況中可以有利地去掉單獨的壓實板。通過壓實位於輔助板上的暫時的層使得所述層在過程步驟中有利地向支承部件上傳遞。

特別有利的是，支承部件和/或輔助板和/或壓實板(取決於在設備中使用了何種部件)為了促進粉末的壓實而被施加以機械式振動、尤其在超聲波範圍內的機械式振動。為了這個目的，支承部件和/或輔助板和/或壓實板必須與振動發生器機械式耦連。這例如可以由超聲波探頭組成。較低頻率的機械式振動也可以由具有電機式驅動的機械式振動探頭生成。通過使用振動發生器有利地促進所述層的壓實，由此使得所述層得到更大的機械穩定性。此外，在支承部件中的振動發生器可以用於在所述層放置在粉末床後促進支承部件從所述層的分離，方法是去掉在顆粒和所述層之間的粘附力。

按照本發明的特殊的設計方案規定，支承部件具有朝向其表面開放的通道系統，並且所述層藉助真空保持在支承部件上。該通道系統可以具有確定的形狀。備選的是，也可以將支承部件的材料實施為開放孔隙式的多孔材料，使得孔隙也向表面開放。通過在表面上建立負壓產生真空，真空在所構建的層上產生固持力。由於殘餘孔隙，所述層自身同樣具有開放孔隙式的結構，使得產生穿過所述層的洩露流。這必須通過接在通道系統上的真空泵不斷地補償。在此，所述層的機械穩定性保證了由洩露引起的體積流不會被降級。

按照本發明的另外的設計方案備選的是，所述層藉助磁力或者靜電力保持在支承部件上。為了這個目的，支承部件自身必須被磁場通過，這可以通過在支承部件的背側上的外部的磁體保證。尤其有利的是，支承部件也可以由鐵磁性的材料例如鐵製造，以便增強在支承部件的表面上的磁場。通過從支承部件去掉磁場、優選地通過關斷產生磁場的電線圈，可以去掉固持力和使得所述層放置在粉末床上。在產生靜電力的情況中，所述層的材料和/或支承部件的材料必須由電絕緣體構成，以此使得所述層與支承部件的接觸不導致電子流動和以此導致靜電力的消解。然後通過向在層和支承部件之間的配對中導入合適的電子去掉靜電力。

有利的是還可以規定，支承部件和/或輔助板在與所述層接觸期間被加熱。通過加熱顆粒可以促進壓實過程。此外，所述層在放置在粉末床上之前可以被預熱，這在藉助能量射線製造部件方面是有利的。隨後，用能量射線有利地僅需向所述層中引入較低的功率，以便使所述層熔化。以這種方式也可以減小在待生產的部件內的固有應力。

還有利的是，在所述層位於輔助板上和/或支承部件上期間，用傳感器檢測所述層中的密度和/或溫度和/或壓差。傳感式的檢測藉助安裝在輔助板上和/或支承部件上的、合適的傳感器進行。傳感器必須分別安裝在待測量的變量的影響區域中。溫度傳感器必須處於和輔助板或支承部件或所述層的至少間接的熱接觸中。壓差可以通過在所述層之上和之下安裝壓力傳感器的方法確定。這例如可以通過下述方式進行，即壓力傳感器分別配設在輔助板和壓實板中或者在壓實板和支承部件中或者在輔助板和支承部件中，這取決於使用何種板對用於所述層的壓實。密度檢查可以十分簡單地通過測量層厚度和裝載所述層的支承部件的重力或者質量進行。關於所述層的厚度的陳述可以允許得到增材製造方法的可實現結果的結論。

尤其有利的是，所述層在放置在粉末床上之後被壓實。這例如可以藉助支承部件在其被去除之前進行。備選的是，所述層在粉末床中的壓實也可以通過壓實板執行。當在事先的壓實未能得到所需要的層密度時，事後在粉末床上的壓實是有利的。另外的可能性在於，在所述層放置在粉末床上之後繼續補償在處理所述層期間出現的可能會有的機械不穩定(裂紋、不平整)。在粉末床上壓實所述層時也可以使用振動激勵器、尤其超聲波發生器，其安裝在支承部件上、在壓實板上或者在粉末床中、例如在支承粉末床的構建平臺上。

有利的是，為製造所述層可以使用如下這種粉末，即粉末具有在兩種大小級別範圍內的顆粒直徑。在此涉及這樣的粉末種類，這些粉末種類由於對大小分級的要求較低而可以低成本地購置。也就不必使用(開始所述的)氣體霧化的粉末。相反的是，具有不規則表面的粉末顆粒可以更有效地被加工成機械穩定的層，因為粉末顆粒相互之間連接的更牢。不同大小的粉末顆粒的存在也促進所述層通過壓實進行的機械穩定過程，因為較小的粉末顆粒填充在較大的粉末顆粒之間的間隙並且因此提供了更大的表面用於形成在單個粉末顆粒之間的暫時連接。

此外，前述技術問題通過開始所述的用於執行基於粉末床的增材製造方法的設備解決，方法是在過程室中設置支承部件作為計量裝置，在支承部件上可以產生和固定所述層並且所述支承部件接著能夠以所述層首先下降至粉末床上。尤其有利的是，支承部件和粉末床一起在同一過程室中驅動，因為這確保了相對於環境的可靠封閉。這防止在處理粉末時的損失和用於填充過程室的過程氣體的逸出。

按照該設備的有利的設計方案規定，還設有輔助板和/或壓實板，輔助板用於暫時形成所述層和接著將所述層轉移至支承部件上，壓實板用於壓實所述層。支承部件、壓實板和輔助板的使用在上文在闡述方法時已經詳細解釋過。

按照本發明的另外的設計方案規定，支承部件和/或輔助板和/或壓實板(視在設備中使用了何種部件而定)被塗覆以減小粉末附著的塗層。對於輔助板和壓實板，使用減小附著的塗層的優點是顯然的。所述層應當儘可能少地在這些部件上附著，因為這些部件在實現其使用目的之後應當再從所述層上移除。在支承部件上減小附著的塗層則在如下情形中是有利的，即，已經通過其他機理(真空、靜電力、磁力)以足夠的方式形成了所述固持力。在此情況中有意義的是，在消除固持力之後支承部件能夠儘可能不費力地移除。有利的是以此儘可能少地損傷所述層的表面。若還是需要基於粉末顆粒在支承部件上的粘附的固持力，以便可以可靠地運輸所述層，則必須省去支承部件的減小附著的塗層。

下文根據附圖說明本發明的其他特點。相同的或者相應的繪圖元素分別配設相同的附圖標記並且僅闡述在單獨附圖之間的不同之處。附圖中，

圖1和圖2分別以示意性截面示出按照本發明的用於執行增材製造方法的設備的實施例，

圖3示出用於支承部件的實施例，正如可在按照圖1和圖2的設備中得以使用的那樣，

圖4至圖10示出按照本發明的製造方法的兩種實施例的選出的加工步驟，正如可用按照圖1和圖2的設備執行的那樣。

用於執行雷射熔化作為基於粉末床的增材製造方法的設備具有過程室11，過程室具有窗口12。雷射射線13可以經轉向鏡14通過該窗口導入過程室11中，其中，雷射射線13由雷射源15產生。在過程室11中設有粉末床16，粉末床16構造在構建平臺17上。構建平臺17可以藉助執行器18a步進式地下降，以便粉末床可以層式地構造。藉助雷射射線13在粉末床中通過選擇性熔化粉末床16的當前層而產生部件19。

作為用於新的粉末層20的計量裝置，設有用於當前待製造的層20的支承部件21。該支承部件可以藉助執行器18b降在儲備粉末床22上，以便從那裡存有的粉末儲備中取得完整的粉末層20。在此過程期間可以通過執行器18c提升基板23，基板23保證儲備粉末床22在支承部件21上的擠壓力。接著，支承部件21可以藉助執行器18b從儲備粉末床22上取走並且可以藉助直線驅動器24a在過程室中水平地行進。

通過水平的行進，支承部件21也可以降在壓實板25上，在壓實板25方面同樣可以通過執行器18d(執行器18d是可選的，因為也可以通過支承部件21的下降實現相對運動)舉升。壓實板25像印章一樣作用並且可以用於壓實層20。

支承部件21還可以被帶至粉末床16之上並且在那裡下降。這實現層20在粉末床16上的放置，層20可以接著藉助雷射射線13選擇性地熔化以構造部件19的另一層。為了促進壓實過程，在壓實板25上和在支承部件21上安裝有振動發生器26，其例如可產生超聲波。

按照圖2的設備與在圖1中的設備相似地構造。其區別在於，壓實板25與具有執行器18d的支承部件21相似可以從上方下降。為了這個目的設有另外的直線驅動器24b，以便壓實板25可以在粉末床16之上或者在輔助板27之上運動。為了使得支承部件21和壓實板25不相互阻擋，在過程室中為兩個構造單元設置用點劃線表示的停泊位置28。

按照圖2的輔助板27滿足以下目的。在該輔助板上可以藉助用於粉末的傳統計量單元29施加層20，就像輔助板是傳統設備的粉末床那樣。其具有的優點在於，輔助板總是提供完全平的基底，使得在構成層20時傳統的計量方法也導致良好的結果。計量裝置29藉助執行器18e行駛至輔助板之上，其中，粉末從儲備容器30中細細地灑落在輔助板27上，用刮板31為該粉末配設平的表面。層20可能有的表面誤差最遲通過將支承部件21放置在層20上進行補償。

從圖3可以看到支承部件21的構造。支承部件21具有向下開放的殼體部件32，在殼體部件中嵌入用於容納層20的板件33。由此形成在板件33之上的空腔34。如細節圖35所示，板件33摻雜有孔隙36，孔隙36構成在板件36中的連貫的通道系統。藉助真空泵37可以給空腔34抽真空，由此通過孔隙36的開放的通道系統可以產生負壓，該負壓將層21連在板件35上。

備選的是，在磁性粉末的情況下通過線圈38和鐵芯39建立磁場，該磁場產生了用於層20的磁性的固持力。此外，未示出的可能性是板件33加載靜電，使得層20由於靜電力連接在板件33上。尤其地，通過壓實板25施加的壓緊力還可以導致層20的顆粒相互之間的粘結和在板件33上粘結，以此產生用於層20在板件33上的固持力。壓實過程可以通過振動發生器26促進。

還示出，在壓實板25和支承部件21中可以集成傳感器。例如可以通過壓力傳感器40確定基於空腔34中的真空相較於外部環境的壓差，以便分析基於所述真空的固持力。若應藉助加熱裝置41進行層20的預加熱，則可以通過溫度傳感器42確定層20的溫度。以類似的方式也可以在板件33中配設加熱裝置(未示出)。如圖3所示的傳感器、加熱裝置和振動發生器可以以類似的方式裝入輔助板27中。

圖4至圖10可以看到用於在粉末床16上製造層20的方法步驟。按照圖4，例如可以通過將支承部件21放置在儲備粉末床22上來產生層。藉助支承部件21從儲備粉末床22取下層20，正如從圖5中能夠得知的那樣。按照圖5，該層可以用壓實板25壓實，其中，可以用圖3所述的機械式裝置促進壓實過程(例如通過產生超聲波)。圖6示出怎樣可將層20放置在粉末床16上，在該粉末床16中應當生長式地製造部件19。層20的放置可以例如通過對圖3所述的超聲波發生器26(圖6中未示出)促進。備選地，通過關斷按照圖3的線圈38可以關斷磁場，以便去掉層20在支承部件21上的固定。

圖7示出，層20可以用壓實板從上方被壓實，所述層20按照圖7已經成為粉末床的一部分並且因此不再單獨可見。

圖8中示出，如何可以藉助輔助板27製造層20。在輔助板27上用計量裝置29施加粉末。按照圖9，接著藉助壓實板25固化該粉末，其中在此可以使用對圖3所述的輔助器件，其在圖9中未詳細示出。壓實的層20可以接著藉助支承部件21從輔助板27上提升。在此也可以使用按照圖3的輔助器件，其在圖10中未詳細示出。