專利名稱：利用電磁輻射的定向束加工原材料的加工室與方法，尤其用于激光燒結裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種利用電磁輻射的定向束加工原材料的加工室與方 法，尤其用于激光燒結裝置。
背景技術：
激光燒結裝置通常含有激光器、加工室以及耦合窗，其中，待制 造的物體在加工室內生成，耦合窗用來把激光束耦合到加工室之內。
當激光被局部地轟到粉料上并且讓粉料得到加熱時會導致少量材 料的蒸發，并且，被蒸發的材料或其成分、或化學反應產物以及在加 工室氣氛中懸浮的灰塵顆粒沉積在耦合窗上。這一點會導致耦合窗的 透明度降低并由此導致激光束的強度降低。
在WO 97/06918中公開了一種激光燒結裝置，其中，在耦合窗的 面向加工室的側上設置了用來引入氣體的噴嘴，噴嘴環形地圍繞耦合 窗，所述氣體可任意地吹向耦合窗。氣流的分布與耦合窗的表面相正 切。
顯然，在這個已知的裝置中，耦合窗的表面并不在所有位置上都 保持干凈。此外，耦合窗與被任意吹出的氣體之間的溫度梯度以及耦 合窗與位于加工室內的氣體之間的溫度梯度會導致束的偏轉受到干 擾。為了緩解第二個問題，可以讓任意吹入的氣體從單側吹入。然而 這導致耦合窗表面上具有更快的臟物沉積。
在DE 198 53 947 Cl中公開了一種用于選擇性地實施激光熔化的加工室，其中，通過第一入口可以將保護氣體導入加工室中，由此使 得保護氣體流過加工面，并且還設置了第二入口以用來將較輕的第二 氣體環形地導入內有耦合窗的加工室的較高區域之內。由此在較高的 區域內形成一種屬于較輕的第二氣體的吹氣體積，通過吹氣體積可以 把在工作區域中形成的蒸汽從耦合窗隔開。但是，由于溫度梯度的緣 故，所以"束的偏轉受到干擾"這一問題未能得到解決。
發明內容
本發明的任務在于，提供一種利用電磁輻射的定向束加工原材料 的、尤其用于激光燒結裝置的加工室與方法，其中有效地保護了耦合 窗不被弄臟并減小由于耦合窗附近的溫度梯度而導致的束偏轉這一問 題。
通過如權利要求l所述的加工室以及如權利要求io所述的方法解 決了發明任務。從屬權利要求中描述了發明的進一步的結構。
根據權利要求1所述的裝置擁有的優點在于可以讓下方的氣流偏 離耦合窗。由此可以改善從加工面升起的載有臟物的氣體與耦合窗的 分隔。由此可以讓光學表面更好地保持干凈。此外還可以進一步避免 由于自由吹入的氣體與加工室氣體之間形成溫度梯度而導致的束偏轉。
本發明的其它特征以及適用性顯示在借助附圖的實施例描述中。 在附圖中
圖1示出的是一臺激光燒結裝置的示意性視圖；以及 圖2示出的加工室的含耦合窗的區域的透視截面圖。
具體實施例方式
圖1示出一臺激光燒結裝置，作為用來逐層形成三維物體的裝置的實施例。該激光燒結裝置擁有向上敞開的容器1，該容器擁有在其內
部可沿垂直方向移動的支架2，支架2支承要形成的物體3。支架2在 垂直方向上如此調節，使得物體的各個待凝固的層處于工作平面4之 內。另外還設置了一個施加裝置5，用來施加可通過電磁輻射凝固的粉 狀合成材料。該裝置還擁有激光器6。通過激光器6產生的激光束7通 過偏轉裝置8偏轉到耦合窗9上并穿過該耦合窗進入加工室10并聚焦 在工作平面4中的預定的點。
如果該裝置被如下設置，即，激光束從上方進入加工室IO并且物 體3在垂直方向上合成，那么耦合窗9則例如被設置在加工室10的頂 壁以內。耦合窗9由對于激光束透明的材料、例如玻璃或透明塑料形 成。此外，加工室IO還持有未示出的用來維持在工作平面上方的確定 的氣氛的氣體入口、例如用于惰性氣體如氮氣的入口。
此外還設置了控制元件11,通過它可以讓裝置的組件為了實施合 成過程而以協調的方式得到控制。
圖2以剖開的透視圖示出了圍繞耦合窗9剖切的加工室IO的放大 視圖。在示出的實施例中，耦合窗9作為矩形窗構成。它可以單獨作 為用來把激光束聚焦到工作平面內的光學元件、例如作為透鏡或作為 透鏡組構成。當然，它也可以作為適于激光束穿過的、用來保護位于 其后方的光學元件的保護窗構成。
耦合窗9這樣固定在頂壁的壁段12之內，使得耦合窗9在上部區 域中把加工室密封。此外，耦合窗9還擁有面向工作平面4的表面9a。
如圖2中看到的那樣，壁段12擁有鄰接在耦合窗縱向側13上的 第一傾斜段12a，它的傾斜表面在與耦合窗9成角度地遠離其延伸。基 本呈空心圓柱形或呈部分空心圓柱形的傾斜段12b鄰接在傾斜段12a 上，它的圓柱軸線平行于耦合窗的縱向側13延伸。空心圓柱段的頂點14優選高于傾斜段12a的邊緣15，從而使得第二壁段12b擁有溝槽式 的結構。段12a、 12b基本在耦合窗的整個縱向側13上延伸，或者略 微超出它延伸。
在壁段12的傾斜區域12a的靠近耦合窗9的末端處設有第一縫隙 16，第一縫隙16基本沿著耦合窗的縱向側13延伸并且與用于第一氣 體管路的第一入口孔17相連。與第一氣體管路的連接能夠例如通過閥 門而可開關地構成。第一縫隙16擁有這樣的寬度及幾何形狀，使得被 引導的第一氣體18基本正切地沿著耦合窗的表面9a從縱向側13到對 立的縱向側20順劃而過。
此外，加工室的壁段12還在第一縫隙16對面的、鄰接在耦合窗 對面縱向側20上的區域中擁有基本水平的第一壁區域21以及一個與 其鄰接的傾斜區域22。由此可以實現的是，通過第一縫隙16流入的第 一氣體18基本正切地沿著耦合窗的整個表面9a'順劃而過，并接著通 過傾斜面22引導離開耦合窗。
在第二壁段12b中設置了第二縫隙23,該縫隙與第一縫隙16平 行并基本在耦合窗的整個縱向側13上延伸或超出它延伸。第二縫隙23 與第二入口孔24相連，第二入口孔24與用于第二氣體25的氣體管路 相連。第二氣體管路也能夠被可開關地構成。第二縫隙23被設置在與 耦合窗分離的區域中的呈部分空心圓柱形狀的壁段12b之內，因此， 通過縫隙23放出的氣體25首先會流入由空心圓柱形的段形成的溝槽 中。如果耦合窗9在垂直方向上位于工作平面4之上，則第二縫隙23 被設置在第一縫隙16之下。
從傾斜壁段12a到空心圓柱段12b的角度如此選擇，使得束路徑 不被切割。
在加工室中還設置了用來導走氣流的未示出的開口，該開口可以與吸氣機件相連。
可以把氮氣作為第一與第二氣體使用。當然也可以根據不同的應 用領域而使用其它氣體。第一與第二氣體也可以是彼此不同的。
加工室的限定耦合窗短側的壁段可以是基本水平的，因此，借助 第一與第二縫隙產生的氣流不會由于結構而打漩。
可選地，按照下述內容設置控制，即氣流18、 25在通流量和/或 速度方面彼此相關或彼此無關地得到控制。
在工作狀態下，通過粉狀合成材料利用激光束的凝固，而逐層產
生三維物體。第一縫隙16與第二縫隙23與氣體管路相連，由此使得 氣體通過縫隙16、 23流入加工室。通過第一縫隙流入的氣體18正切 地在耦合窗9的面向工作平面的表面9a近旁流過，并在對立的側上被 導走。因此所述氣體可以阻止到耦合窗的表面9a的通路，從而保持表 面的清潔。
通過第二縫隙23流入的第二氣體25由于縫隙23的設置以及結構 而基本在空心圓柱形的段12b的內表面近旁流過，并且在朝著第一傾 斜段12a與空心圓柱段12b之間的邊緣15移動時獲得沿工作平面方向 向下的沖量。在經過邊緣15之后，氣體離表面具有一定距離并基本平 行于表面9a流過。通過段12b的溝槽式結構可以讓下方的氣流25與 耦合窗的表面保持距離。由此獲得兩股基本的層流，它們幾乎不會相 互混合。這樣一來就可以更好地分離載有臟物的氣體，其中，當從工 作平面升起的氣體被推到光學元件上時，不讓含有冷凝物以及/或者灰 塵顆粒或其它污染物的氣體靠近氣流。此外，由于下方氣流25形成的 溫度梯度而造成的束偏轉明顯減小。因此不僅保持表面9a足夠干凈， 而且減小了束的偏轉。該裝置也可以具有變型。耦合窗不必非要被設為矩形，而是也可 以例如是正方形、圓形或橢圓形或其它形狀的。不過，當氣體管路的 縫隙以及耦合窗的相應側基本平行地分布時，效果會更好。第一縫隙
16與第二縫隙23優選略寬于耦合窗的縱向側。當然它們也可以更短， 不過這樣一來，耦合窗的邊緣處不會充分地被氣體順劃而過。
壁段12a與12b的形狀也可以設為其它樣式。斜面12a也可以例 如彎入加工室之內。溝槽式表面12b不必非要擁有局部圓柱的形狀， 而是也可以使用其它適合于氣體順劃而過的彎凹形狀。
也可以設想棄用溝槽式的壁段12b而替代地讓縫隙23如此構成，
使得釋出的氣體獲得偏離耦合窗的沖量。
本發明也可以應用在其它的用來逐層形成三維物體的裝置上，例 如用在能夠通過激光將粉狀、多數為金屬狀的合成材料熔化的激光熔 化裝置上，以及用在其它的、在加工室中會出現把耦合窗弄臟的氣體 與蒸汽的加工裝置上。
權利要求
1.利用電磁輻射的定向束加工原材料的加工室，所述加工室包括用來把所述束(7)耦合到所述加工室(10)中的光學元件(9)，其中，所述光學元件具有面向所述加工室內部的表面(9a)；圍繞所述光學元件(9)的壁段(12)；氣體第一入口(16)，其設置在所述光學元件(9)的一側并且這樣設計，使得釋出的第一氣流(18)基本正切地在所述光學元件(9)的所述表面(9a)上順劃而過；氣體第二入口(23)，其這樣設計并設置，使得釋出的第二氣流(25)距所述表面(9a)具有一定距離并沿著與所述第一氣流(18)基本相同的方向流動。
2. 根據權利要求1所述的加工室，其特征為所述入口 (16， 23) 被設置成一個在另一個的下方。
3. 根據權利要求1或2所述的加工室，其特征為所述第一氣流 (18)與所述第二氣流(25)基本層狀地構成。
4. 根據權利要求1至3之一所述的加工室，其中，兩個入口 (16， 23)或其中一個入口狹縫狀地構成。
5. 根據權利要求1至4之一所述的加工室，其特征為所述加工室 (10)的所述壁(12)具有按照下述內容設計及設置的結構段(12b)，即，讓通過第二入口 (23)流入的氣體獲得偏離所述表面(9a)的沖
6.根據權利要求5所述的加工室，其特征為所述壁段(12b)具 有溝槽式的形狀。
7. 根據權利要求5或6所述的加工室，其特征為在工作位置中的 所述第二入口被設置在所述第一入口的下方。
8. 根據權利要求l至7之一所述的加工室，其特征為所述定向束是激光束。
9. 激光燒結裝置，包括 激光器(6)以及根據權利要求1至8之一所述的加工室(10)。
10. 利用電磁輻射的定向束加工原材料的方法，所述方法具有下述步驟指引電磁輻射的定向束(7)穿過耦合窗(9)進入到加工室(10) 內，其中，所述耦合窗擁有面向所述加工室內部的表面(9a);將第一氣流(18)按照下述方式引入所述加工室，即，讓從一側 過來的所述第一氣流基本正切地在所述表面(9a)上順劃而過；以及將第二氣流(25)按照下述方式引入所述加工室，即，讓所述第 二氣流距所述表面(9a)具有一定距離并且沿著與所述第一氣流(18) 基本相同的方向流動。
11. 根據權利要求IO所述的方法，其特征為利用激光束在所述加 工室中加工所述原材料的步驟。
12. 根據權利要求10或11所述的方法，其中使用了根據權利要 求1至9之一所述的加工室。
13. 根據權利要求10至12之一所述的方法，所述方法是激光燒 結法。
全文摘要
提供了一種利用電磁輻射的定向束加工原材料的加工室，該加工室具有用來把束(7)耦合到加工室(10)中的光學元件(9)，其中，該光學元件擁有面向加工室內部的表面(9a)，該加工室還具有氣體第一入口(16)、氣體第二入口(23)、以及圍繞光學元件(9)的壁段(12)，其中，第一入口(16)設置在光學元件(9)的一側上并這樣構造，使得釋出的第一氣流(18)基本正切地在光學元件(9)的表面(9a)上順劃而過；第二入口(23)這樣構造并設置，使得釋出的第二氣流(25)距表面(9a)具有一定距離并沿著基本與第一氣流(18)相同的方向流動。
文檔編號B22F3/105GK101321600SQ200780000523
公開日2008年12月10日 申請日期2007年2月16日 優先權日2006年3月28日
發明者漢斯·佩雷特, 約亨·菲利皮 申請人:Eos電光系統有限責任公司