用於熔融/燒結粉末顆粒以逐層製備三維物體的方法與流程
2023-04-23 20:00:39
本發明涉及一種用於熔融/燒結粉末顆粒以逐層製備三維物體的方法。
背景技術：
原型或小批量的順利提供是近期已頻繁遇到的一個問題。使之有可能的方法被稱為快速原型/快速製造或添加製造方法，或者就稱作3d列印。特別合適的方法是其中通過選擇性熔融和/或固結粉狀材料逐層製備所需結構的那些。將根據該原理工作的方法概括為上位概念粉末床熔融。
粉末床熔融方法的一個實例是選擇性雷射燒結(sls)。在該方法中，用雷射束在室中使粉末選擇性短暫曝光，從而使被雷射束擊中的粉末顆粒熔融。該熔融顆粒相互融合滲入(laufenineinander)並且快速又凝固成固體物料。通過使不斷新施加的層重複曝光，可用該方法簡單且快速地製備三維體。
用於由粉狀聚合物製成的成形體的雷射燒結的方法詳細描述於專利文件us6136948和wo9606881(兩者均為dtmcorporation)。在專利文件wo9208566中描述了環形輻射加熱器，用其加熱構建區域(baufeld)。在專利文件de102005024790a1描述了一種輻射加熱器，其採用平面輻射元件(特別由石墨製成)快速加熱構建區域。
粉末床熔融方法的其它實例描述在專利文件us6531086和ep1740367中。
粉末床中的粉狀聚合物的溫度對於方法安全性和藉助該方法製備的三維體的品質至關重要。在粉末床表面處的顆粒的儘可能高的溫度具有以下優點：不再需要選擇性地例如經由雷射束引入這麼多的能量。在通過例如雷射的曝光之後，另外引入能量(後燒結)則不再是必要的。
另外，在粉末床表面處的粉末顆粒的高溫具有使剛好熔融的熔融層的扭曲減少的優點。通常將熔融層嚴重的扭曲，特別是邊緣的彎曲/或捲起稱作捲曲。為了避免捲曲，特別是在聚合物材料的加工期間，因此調節粉末床的表面處的溫度以，以使得扭曲或捲曲儘可能少，但該粉末沒有通過溫度控制就已被燒結或熔融。對於許多聚合物粉末而言，該工藝溫度大多僅低於該聚合物粉末的熔點10-20°c。還應當儘可能快速地溫度控制新施加的粉末層以提高構建過程的速度。在現有技術中，粉末床的表面的溫度控制因此藉助熱輻射元件來實現，所述熱輻射元件的輻射在約1400nm波長處具有強度最大值。
除了高的工藝溫度的上述優點之外，還存在關鍵性缺點。聚合物的老化隨著溫度升高而急劇增加。藉助粉末床熔融方法的製造通常需要許多小時。這因此產生對於聚合物材料的高的熱負荷。根據現有技術的輻射加熱器導致，藉助電磁輻射即使是粉末床中的較深層也被加熱並因此經受非期望的熱負荷。
技術實現要素：
本發明的一個目標是提供改善的用以製備三維物體的方法，其中粉末床的表面藉助輻射加熱器來溫度控制，並避免藉助輻射將能量引入較深層。此外應確保對粉末床表面的足夠快速且均勻的溫度控制。
意料之外地已發現，藉助發出在5000nm波長或更長波長處具有最大輻射強度的輻射的熱輻射元件使得可能實現最上層粉末層的快速加熱，而不存在藉助電磁輻射過度加熱位於其下的粉末層。此處將最上層粉末層定義為粉末床的粉末堆料的最上面的0.5mm，而與以其粉末逐層施加的層厚如何大無關。熱輻射元件的最大輻射強度的波長通過測量熱輻射元件的溫度(具有pt100傳感器的testo735-1測量儀器)並隨後使用維恩位移定律(使用2897800nm.k作為維恩常數)計算用nm表示的具有最大輻射強度的波長來確定。
本發明涉及用於逐層製備三維物體的方法，其中在第一步驟中，將高度可設定的構建平臺(6)降入到構建框架(10)中並使用裝置(9)將通過電磁輻射的作用可固結的材料層施加至構建平臺(6)上，其中藉助粉末計量加入設備(7)進料粉末材料。將過量粉末材料移入溢出容器(8)中。在第二步驟中，經由由輻射加熱器(2)、溫度測量設備(11)和溫度調節器(12)組成的加熱系統來加熱粉末材料。藉助在5000nm波長或更長波長處具有最大輻射強度的輻射實現粉末材料的加熱。粉末材料的加熱優選藉助在5250nm波長或更長波長處，特別優選6000nm或更長波長處具有最大輻射強度的輻射來實現。粉末材料的加熱最優選藉助在7000nm波長或更長波長處具有最大輻射強度的輻射來實現。在第三步驟中，藉助發射電磁輻射的輻射源(1)使在粉末床(3)表面上的所需位置處選擇性熔融或燒結。重複這些步驟直至逐層形成三維物體(4)。在構建過程結束和任何地所需的粉末餅(5)的冷卻之後，可將三維物體(4)從該粉末餅中取出。
在此，最大輻射強度的波長波動應當小於20%。優選最大輻射強度的波長波動最多10%。特別優選最大輻射強度的波長波動最多5%。
在超過5000nm波長處具有最大輻射強度的熱輻射元件被認為是遲鈍的，並因此似乎難以實現快速的溫度控制/-調節。意料之外地已發現，即使使用在5000nm波長或更高波長處具有最大強度的電磁輻射，通過使用大面積的熱輻射元件從不同方向同時輻照粉末床的表面使得可能實現粉末床表面的快速溫度控制。基於待加熱的粉末床的垂直投影表面，在此，輻射通量密度優選為至少2000w/m²。粉末床的垂直投影表面還對應於由構建框架限定的構建區域的面積。基於待加熱的粉末床的垂直投影表面，在此，輻射通量密度特別優選為至少3000w/m²。發出電磁射線至粉末床表面上的熱輻射元件的面積在此為應被加熱的粉末床的垂直投影表面的至少100%。發出電磁射線至粉末床表面上的熱輻射元件的面積優選為應被加熱的粉末床的垂直投影表面的至少150%。發出電磁射線至粉末床表面上的熱輻射元件的面積優選為應被加熱的粉末床的垂直投影表面的至少200%。
附圖說明
附圖簡述
圖1顯示根據本發明的用於製備三維物體的裝置的基本結構，
圖2顯示根據本發明的輻射加熱器的構造，
圖3顯示根據本發明的輻射加熱器的備選構造，
圖1顯示用於製備三維物體的裝置的基本結構。本發明進一步提供用於逐層製備三維物體的裝置。該裝置包括具有高度可設定的構建平臺(6)的構建框架(10)，用於將通過電磁輻射的作用可固結的材料層施加至構建平臺(6)的設備(9)，輻射加熱器(2)和電磁輻射源(1)，使用其選擇性熔融或燒結可固結的材料。輻射加熱器由熱源和熱輻射元件組成。溫度調節器又由溫度測量設備(11)和調節單元(12)組成。溫度測量設備有利地實施為非接觸式輻射溫度計。
發出電磁射線至粉末床表面上的熱輻射元件(2)的面積在此總共是由構建框架(10)限定的粉末床的垂直投影表面的至少100%。優選發出電磁射線至粉末床表面上的熱輻射元件的面積在此為由構建框架(10)限定的粉末床的垂直投影表面的至少150%。特別優選發出電磁射線至粉末床表面上的熱輻射元件的面積在此為由構建框架(10)限定的粉末床的垂直投影表面的至少200%。熱輻射元件的面法線方向上的總發射率在此為至少0.2。熱輻射元件的面法線方向上的總發射率在此優選為至少0.5。如此設計熱輻射元件，使得熱輻射元件的輻射的強度最大值在至少5000nm波長處。優選如此設計熱輻射元件，使得熱輻射元件的輻射的強度最大值在至少5250nm波長處，特別優選至少6000nm波長處。最優選如此設計熱輻射元件，使得熱輻射元件的輻射的強度最大值在至少7000nm波長處。
如此設計熱輻射元件，使得熱輻射元件的輻射的強度最大值波動最多20%。優選如此設計熱輻射元件，使得熱輻射元件的輻射的強度最大值波動最多10%。如此設計熱輻射元件，使得熱輻射元件的輻射的強度最大值特別優選波動最多20%。可，例如，通過感應、對流、導熱或經由熱源的電磁輻射來實現熱輻射元件的溫度控制。熱輻射元件的輻射度在此為至少500w/m²。熱輻射元件的輻射度在此優選為至少1000w/m²。在輻射加熱器中，熱源(14)和熱輻射元件(13)可集成在一個部件中，即，熱源可完全被熱輻射元件包圍住或熱輻射元件(15)和熱源(16)可作為單獨的部件存在。在優選的實施方式中，熱輻射元件可彼此獨立地進行溫度控制，以均勻設定粉末床表面處的溫度分布。
本領域技術人員已知的所有粉末基本上都適合用於本發明的設備/本發明的方法。聚醯胺、共聚醯胺、聚酯、共聚酯、聚醚醯胺和聚醚酮的粉末是特別合適的。在5000nm波長處具有0.8以上的吸收率的聚合物粉末是特別合適的。在5000nm波長處具有0.9以上的吸收率的聚合物粉末是非常特別合適的。用本發明的方法製備的三維物體同樣是本發明的目標。
即使沒有進一步說明，假定本領域技術人員能夠以最寬泛的範圍利用以上描述。因此應將優選的實施方式和實施例理解為僅僅是描述性的公開，而決不是以任何方式進行限制的公開。下文藉助實施例更詳細地闡明本發明。本發明的替代實施方式可類似獲得。
具體實施方式
實施例.
實施例1(非本發明)
將具有表1中列出的參數的聚醯胺12的粉末在室溫(23°c)下施加在具有35x35cm的尺寸和1225cm²的面積的構建區域中，以形成100mm高度的粉末床。輻射加熱器將粉末床加熱，所述輻射加熱器的熱輻射元件發射出在1400nm波長處具有強度最大值的輻射。最大輻射強度的波長在此波動超過30%。熱輻射元件的面積在此為224cm²。測量並記錄粉末床表面處和粉末床中20mm深度處的溫度。結果列在表4中。
實施例2(非本發明)
將具有表1中列出的參數的聚合物粉末施加在具有35x35cm的尺寸和1225cm²的面積的構建區域中，以形成100mm高度的粉末床。具有熱輻射元件的輻射加熱器將粉末床加熱，所述熱輻射元件由石墨薄片構成，其發射出在2000nm波長處具有強度最大值的輻射。熱輻射元件的面積在此為775cm²。測量並記錄粉末床表面處和粉末床中20mm深度處的溫度。結果列在表5中。
實施例3(本發明)
將具有表1中列出的參數的聚合物粉末施加在具有35x35cm的尺寸和1225cm²的面積的構建區域中，以形成100mm高度的粉末床。藉助輻射加熱器將粉末床加熱。所述輻射加熱器的熱輻射元件發射出在6200nm波長處具有強度最大值的輻射。最大輻射強度的波長在此波動在10%以下。熱輻射元件的面積在此為1852cm²。測量並記錄粉末床表面處和粉末床中20mm深度處的溫度。結果列在表6中。與非本發明的實施例相比較，表面處的溫度在此顯著更快地升高。相比之下，20mm深度處的溫度僅非常緩慢地升高。因此可能提高粉末床表面處的溫度，而沒有過度加熱較深的粉末層中的粉末，並因此不必使其經受熱負荷。
實施例4(本發明)
將具有表2中列出的參數的聚合物粉末施加在具有35x35cm的尺寸和1225cm²的面積的構建區域中，以形成100mm高度的粉末床。藉助輻射加熱器將粉末床加熱。所述輻射加熱器的熱輻射元件發射出在5700nm波長處具有強度最大值的輻射。最大輻射強度的波長在此波動在10%以下。熱輻射元件的面積在此為2466cm²。測量並記錄粉末床表面處和粉末床中20mm深度處的溫度。結果列在表7中。與非本發明的實施例相比較，表面處的溫度在此顯著更快地升高。相比之下，20mm深度處的溫度僅非常緩慢地升高。因此可能提高粉末床表面處的溫度，而沒有過度加熱較深的粉末層中的粉末，並因此不必使其經受熱負荷。
實施例5(本發明)
將具有表3中列出的參數的聚合物粉末施加在具有35x35cm的尺寸和1225cm²的面積的構建區域中，以形成100mm高度的粉末床。藉助輻射加熱器將粉末床加熱。所述輻射加熱器的熱輻射元件發射出在5000nm波長處具有強度最大值的輻射。最大輻射強度的波長在此波動在10%以下。熱輻射元件的面積在此為2466cm²。測量並記錄粉末床表面處和粉末床中20mm深度處的溫度。結果列在表8中。與非本發明的實施例相比較，表面處的溫度在此顯著更快地升高。相比之下，20mm深度處的溫度僅非常緩慢地升高。因此可能提高粉末床表面處的溫度，而沒有過度加熱較深的粉末層中的粉末，並因此不必使其經受熱負荷。
實施例6(本發明)
將具有表1中列出的參數的聚合物粉末施加在具有35x35cm的尺寸和1225cm²的面積的構建區域中，以形成100mm高度的粉末床。藉助輻射加熱器將粉末床加熱。所述輻射加熱器的熱輻射元件發射出在7050nm波長處具有強度最大值的輻射。熱輻射元件的面積在此為1852cm²。最大輻射強度的波長在此波動在5%以下。測量並記錄粉末床表面處和粉末床中20mm深度處的溫度。結果列在表9中。與非本發明的實施例相比較，表面處的溫度在此顯著更快地升高。相比之下，20mm深度處的溫度僅非常緩慢地升高。因此可能提高粉末床表面處的溫度，而沒有過度加熱較深的粉末層中的粉末，並因此不必使其經受熱負荷。