用于制造三維物體的設備的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于通過選擇性硬化逐層施加的構造材料(4)來制造三維物體(3)的設備和方法。為了改進制造工藝、尤其是優化熱輸入，提出對具有至少兩個功能開口(18、19)的加熱元件(6)的應用，其中，所述至少兩個功能開口中的一個功能開口用作材料穿通口(18)，并且所述至少兩個功能開口中的另一個功能開口用作輻射穿通口(19)。
【專利說明】用于制造三維物體的設備
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于通過選擇性硬化逐層施加的構造材料來制造三維物體的一種設備以及一種方法。
【背景技術】
[0002]從現有技術中已知大量用于通過選擇性硬化逐層施加的構造材料來制造三維物體的設備和方法。在此例如可提到激光燒結或選擇性掩膜燒結。實施這樣的層構造法的設施也稱為快速原型系統。這種層構造法用于制造由可硬化的材料如樹脂、塑料、金屬或陶瓷構成的逐層構造的構件，并且例如用于制造技術原型。在此，可以借助疊層制造方法直接由CAD數據制造三維物體。
[0003]在這樣的層構造法中，物體的構造逐層地進行，即，將構造材料的層相繼地上下重疊地涂覆。在施加每個下一層之前將相應于待制造的物體的部位在相應的層中選擇性地硬化。所述硬化例如通過借助輻射源局部加熱大多數為粉末狀的層原料。通過以適宜的方式將輻射有針對性地置入所期望的區域，能夠產生精確限定的、任意類型的物體結構。在此也設定層厚度。這樣的方法尤其能夠用于制造三維本體，其方式為:依次生成多個薄的、單獨構成的層。
[0004]典型地將待硬化的構造材料預熱到低于加工溫度的溫度。隨后借助于附加的能量輸入來達到加工溫度。
[0005]例如，在激光燒結工藝中將塑料材料預熱到低于燒結溫度的溫度。然后，通過激光引入的能量僅有助于熱差量以用于熔融粉末微粒。
[0006]在許多情況下，預熱經由對構造平臺進行加熱來完成。然而，隨著構件高度的提升，在這樣的“從下方”預熱時，預熱的熱流由于損失和粉末散裝物的增加的體積而減少。
[0007]其它方法也導致在構造材料中不期望的不均勻的溫度分布。這尤其也涉及預熱經由“從上方”輸送熱量的方法。在此，將可暫時供熱的裝置置放在構造層之上。通過復雜地控制加熱曲線和其它耗費的措施來試圖實現在待預熱的構造材料中的均勻的溫度分布。
【發明內容】
[0008]本發明的目的是，改進制造工藝、尤其是優化熱輸入。
[0009]所述目的通過根據權利要求1所述的設備或者通過根據權利要求10所述的方法得以實現。本發明的有利的實施方式在從屬權利要求中說明。在下文中結合設備所闡述的優點和構造方案按照意義也適用于根據本發明的方法，并且反之亦然。
[0010]本發明提出:不再繼續進行從現有技術中已知的節拍生產的方法，在該方法中，在隨后的新的節拍中重新進行材料涂覆之前，在一個節拍內在材料涂覆后首先進行預熱，并且隨后進行選擇性硬化。代替此的是，本發明提出一種連續制造工藝，在該連續制造工藝中，施加構造材料、預熱和通過局部加熱構造材料來選擇性硬化同時進行，更確切地說，對同一個待制造的物體的不同部位進行制造或者只要在構造平臺上制造多個物體，也在多個物體上進行制造。
[0011]根據本發明的設備包括:設置在χ-y平面中的構造平臺，在所述構造平臺上逐層生成至少一個三維物體；至少部分遮蓋所述構造平臺的加熱元件，用于將熱能輸入到構造材料中；以及用于產生所述構造平臺與加熱元件之間的沿X方向和/或y方向的相對運動的驅動裝置。加熱元件具有可同時應用的至少兩個功能開口，其中，所述至少兩個功能開口中的一個功能開口構造成材料穿通口，并且所述至少兩個功能開口中的另一個功能開口構造成福射穿通口。
[0012]相應地，根據本發明的方法包括下述步驟:在設置在x-y平面中的構造平臺中逐層地生成至少一個三維物體；借助至少部分地遮蓋構造平臺的加熱元件將熱能輸入到構造材料中；借助驅動裝置來產生構造平臺與加熱元件之間的沿X方向和/或y方向的相對運動；以及通過利用至少兩個功能開口來使構造材料和通過加熱元件產生的輻射能同時穿過。
[0013]本發明的基礎思想在于:使用用于預熱構造材料的加熱元件，所述加熱元件的特征在于功能開口，所述功能開口用作材料穿通口和輻射穿通口，因此也用作用于施加構造材料的覆層開口并且用作用于局部加熱構造材料的照射開口。如果這樣的加熱元件以適宜的方式相對構造平臺運動，那么能夠進行同時施加構造材料、預熱和選擇性硬化，并且由此實現至少一個物體的非節拍的、不中斷的制造。換言之，一個或者多個物體的構造連續地進行，其中，構造速度通過構造平臺與加熱元件之間的相對運動來確定。處于不同的制造工藝階段中的物體區域的幾何設置結構、尤其是所述物體區域相互間的間距通過功能開口在加熱元件中的設置結構來確定、尤其是通過所述功能開口相互間的間距來確定。
[0014]例如可以在第一物體區域中將呈新鮮施加的粉末散裝物形式的構造材料通過加熱元件來預熱，而在沿運動方向設置在第一物體區域之后的第二物體區域中借助穿過照射開口的輻射能恰恰對層η進行硬化。在沿運動方向位于第二物體區域之后的第三物體區域中通過加熱元件對在那里短時間之前被硬化的構造層η進行再加熱，而在位于第三物體區域之后的第四物體區域中為下一層η+1將引導穿過照射開口的另外的構造材料施加到已經存在的層η上。在此，當多個物體設置在構造平臺上時，物體區域可以是一個物體的區域，但也可以是不同物體的區域。
[0015]用于預熱的熱輸送“從上方”進行，因此在構造平臺上方輸送熱量的缺點不出現。同時，熱輸送優選不僅暫時地、意即不僅在加熱元件如現有技術中那樣在短時間內處在構造層之上時進行，而是能夠通過新型的連續工作方式持續地進行。因此以簡單方式實現熱輸入的優化。同時整體上改進制造工藝。
[0016]此外，本發明能夠實現的是:消除均勻的溫度分布的必要性。因為在不同的部位上制造方法不同程度地進行，所以在不同的部位上的不同溫度可以是有利的。因此例如在一個區域中為了為構造材料準備即將來鄰的局部加熱，一個預熱溫度是是有利的；而在相鄰的區域中可以存在再加熱溫度，如其對實現已經硬化的層的確定特性是有利的那樣，例如為了防止變形。
[0017]因為加熱元件持續地可用，所以能夠以特別簡單的方式實現這樣限定的不均勻的溫度分布。在本發明的一種有利的實施方式中，加熱元件具有多個可不同調溫的區域。這例如借助于多個能夠相互無關地運行的加熱模塊實現。
[0018]也可以設置有用于提供熱能的附加的熱源、尤其是呈設置在加熱元件上的輻射源的形式。在這種情況下，功能開口中的至少一個功能開口構造為用于附加的熱能輸入的加熱開口。在此，加熱開口可以是已經施加另一功能的功能開口 ；已經用作為照射開口的輻射穿通口例如可以同時用作加熱開口。
[0019]本發明的一種實施方式被證實為特別有利于將加熱能量傳遞到構造材料上，其中加熱元件基本上板狀地構造。加熱元件的板形形狀同時能夠實現功能開口的特別簡單的實施形式。有利的是:加熱元件和構造平臺在此設計為，使得所述加熱元件和構造平臺能夠盡可能大面積地、優選完全地相互遮蓋或者在制造工藝期間盡可能大面積地、優選完全地相互遮蓋。
[0020]在本發明的一種優選的實施方式中，加熱元件設置在構造平臺上。在一種變型方案中，加熱元件在此與相應最高的構造層間隔開。通過熱輻射進行加熱。在一種備選的變型方案中，加熱元件接觸最高的構造層。然后通過熱傳導進行加熱。
[0021]如果構造平臺位于在運行狀態下關閉的工藝室內，那么加熱元件可以用作為工藝室的分界壁。換句話說，在這種情況下，工藝室通過加熱元件封閉。加熱元件則是工藝室的一部分。
[0022]覆層開口始終是就材料缺口而言的實際開口。而對于照射開口，加熱元件不必強制性地斷裂。照射開口也可以設計為在加熱元件的基體中適當材料的區域，其適于輻射穿通。
[0023]在本發明的一種優選的實施方式中，輻射能量的引入通過照射開口進行，而所述開口不被完全照亮。代替于此，在該開口的邊界內部進行對設置在該開口之下的構造材料的有針對性的照射。在此，輻射可以源自一個或多個輻射源。為了對構造材料進行局部加熱，一個或多個激光射束例如可以在通過功能開口提供的窗口內部進行線性的往復運動，或者一個或多個激光射束相應地根據待生成的結構以限定為非線性的軌跡的方式在窗口內部引導。輻射的引導借助于適宜的控制裝置進行。之前被預熱到低于加工溫度的溫度的構造材料局部被繼續加熱。借助于所述附加的能量輸入達到加工溫度。
[0024]在本發明的一種簡單的變型方案中，功能開口的設置結構和大小是不可改變的。因此被證實為有利的是:使用條形的功能開口，所述功能開口彼此平行。在此，功能開口有利地垂直于相對運動的方向，例如垂直于加熱元件設置在其中的X方向或y方向。備選地可能的是:功能開口傾斜地，意即相對運動方向呈一定角度地設置。在本發明中有利的是:功能開口的形狀、設置結構和大小能夠適配于方法的特點。因此，代替條狀的或縫狀的功能開口，為所有的或單獨的功能例如也可以設有孔狀的功能開口或任意其它形狀的功能開口。
[0025]在一種備選的變型方案中，功能開口的形狀、設置結構和/或大小是可改變的。例如會是有利的是:尤其當功能開口用作遮光板、意即用于限制引入的輻射的橫截面時，照射開口的大小設計為可改變的。同樣會是有利的是:尤其當覆層開口的形狀和/或大小直接確定每時間單位施加的構造材料的體積或者涂覆位置時，所述覆層開口的大小設計為可改變的。功能開口的改變尤其也可以在運行時間期間、即在正在進行的制造工藝中進行。然后，為此在必要時設有附加的適宜的驅動和控制裝置。
[0026]借助本發明不僅改進到構造材料中的熱輸入。此外通過功能開口的大小和設置結構的適宜的相互作用和在加熱元件與構造平臺之間的相對運動以及提供和/或引導輻射以局部硬化構造材料，還能夠特別有效地實施制造工藝。
[0027]對此使用在使用用于描述需借助層構造法制造的物體的數據模型的情況下的制造工藝的中央控制裝置。在此，控制包括同時在多個部位在不同的制造過程中進行的、意即不同程度繼續的制造工藝的所有相關的過程。換言之，控制始終相應于制造工藝的實際進展，其中，為此采用適當傳感器、尤其是溫度傳感器的傳感器數據。控制裝置尤其包括對加熱元件的加熱的控制，在此在必要時限定地控制各個溫度范圍。控制還包括對用于加熱元件與構造平臺之間的相對運動的驅動裝置的控制和對用于供應和/或施加構造材料的供應和/或施加裝置的控制以及對用于局部加熱構造材料的被引導的輻射源的控制和必要時對用于對構造材料進行調溫的附加的輻射源的控制，還有必要時對在設置結構和大小方面可改變的功能開口的控制。
[0028]在此，所有結合對層構造設施的控制或者對根據本發明的方法的實施所需要的計算運算通過一個或多個數據處理單元執行，所述數據處理單元構造為用于實施所述運算。每個所述數據處理單元優選具有一些功能模塊，其中，每個功能模塊構造為用于根據已述的方法實施一個確定的功能或一些確定的功能。功能模塊可以是硬件模塊或軟件模塊。換言之，本發明只要涉及數據處理單元，就以計算機硬件的形式或以計算機軟件的形式或以硬件和軟件的組合來實現。只要本發明以軟件的形式、即作為計算機程序產品來實現，那么當計算機程序在具有處理器的計算機上執行時，那么所描述的全部功能通過計算機程序指令實現。在此，計算機程序指令以本身已知的方式以任意的程序語言實現并且能夠以任意的形式提供給計算機、例如以數據包的形式提供，所述數據包經由計算機網絡傳輸，或以存儲在磁盤、CD-ROM或其它數據載體上的計算機程序產品的方式提供。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0029]下面借助于附圖來詳細闡述本發明的實施例。附圖中:
[0030]圖1示出根據本發明的設備的示意圖，該設備具有以剖面示出的極度簡化的工藝室;
[0031]圖2示出設置在構造平臺上方的加熱元件的示意性俯視圖；
[0032]圖3示出待構造的物體的層在不同制造階段中的簡化的剖視圖。
【具體實施方式】
[0033]所有附圖不按比例地示出本發明，在此僅示意地示出并且僅示出其重要的組成部分。在此，相同的附圖標記對應于具有相同功能的或類似功能的元件。
[0034]根據圖1和2示例性地將用于激光燒結的設備I作為用于通過選擇性硬化逐層施加的構造材料來制造至少一個三維物體的設備來描述。然而，本發明不限于這種特殊的方法。本發明也可應用于其它的疊層制造方法，例如激光熔融、掩膜燒結、壓粉(Drop-on-Powder) /壓層(Dorp-on-Bed)、立體光刻技術活類似方法。
[0035]在本發明的說明書中采用正交坐標系統(X、y、z)。
[0036]用于激光燒結的設備I包括設置在x-y平面中的構造平臺2，在所述構造平臺上以已知的方式逐層生成三維物體3。構造材料4為適宜的塑料粉末。在制造層η后，為了制造新的層η+1，構造平臺以已經制成的且已硬化的層向下移動確定的路徑長度。為此，驅動裝置5用于產生在構造平臺3與稍后更詳細描述的加熱元件6之間的沿z方向、意即垂直于建造平面的相對運動。驅動裝置5例如為電動馬達。
[0037]在層η的硬化與為下一層η+1施加新的構造材料4之間可以設置:將多余的構造材料4從構造平臺2移除。在這種情況下設有對此適宜的裝置(未示出)，例如刮料刀或類似物形式的裝置，其有利地與加熱元件6連接或與所述加熱元件共同作用。
[0038]設備I包括至少一個輻射源7，提供輻射能量用于局部加熱構造材料4，以便選擇性地硬化所述構造材料。所述至少一個輻射源7例如為激光器，所述激光器引導地發出激光射束8。
[0039]設備I還包括至少一個供應裝置和/或施加裝置9，借助所述供應裝置和/或施加裝置提供構造材料4和/或將構造材料施加到構造平臺2或已經存在的構造層上。供應裝置和/或施加裝置9例如為用于施加粉末散裝物的裝置。供應裝置和/或施加裝置9與相應的控制裝置10連接，所述控制裝置控制材料涂覆。
[0040]設備I此外包括在上面已經提及的、在制造工藝期間持續地至少部分遮蓋構造平臺2的加熱元件6，用于將熱能輸入到構造材料4中。加熱元件6基本上板狀地構造。所述加熱元件設置在構造平臺2之上，其中所述加熱元件與相應最高的構造層間隔開。間距典型地在100 μ m和10_之間。對構造材料4的加熱通過從加熱元件6發出的熱輻射11來進行，如其在圖1和3中象征性地示出的那樣。
[0041]構造平臺2位于在運行狀態下關閉的工藝室12內部，所述工藝室在圖1中僅示意性示出。加熱元件6在此用作工藝室12的分界壁。更準確地說，加熱元件6設計為工藝室12的上部覆蓋件13的一部分。
[0042]設備I此外包括驅動裝置15用于產生在構造平臺2與加熱元件6之間的沿x方向和/或y方向、也就是說在層的方向上的相對運動。驅動裝置15例如為電動馬達。兩個驅動裝置5、15與相應的驅動控制裝置16、17連接。
[0043]在這里描述的實施例中，驅動裝置15使構造平臺2相對固定的加熱元件6運動。主運動方向是X方向。在最簡單的情況下，構造平臺2的運動限制在這個主運動方向上。如果對于制造工藝是需要的或有利的，那么沿X方向的運動可以由構造平臺2的沿y方向的運動疊加。
[0044]加熱元件6具有至少兩個、在圖1中示出的示例中為三個可同時應用的彼此間隔開的功能開口 18、19、20。功能開口 18、19、20是縫狀的或者條狀的、長形矩形的、彼此平行且垂直于主運動方向的，在此主運動方向為X方向。功能開口中的一個功能開口構造為材料穿通口 18，并且功能開口中的另一個功能開口構造為輻射穿通口 19。在生成物體3期間，構造材料4還有在此激光射束8形式的福射能冋時芽過功能開口 18、19。
[0045]換句話說，一個功能開口構造為覆層開口 18用于將構造材料4施加到構造平臺2或已經存在的建造層上，并且其它功能開口構造為照射開口 19用于將至少一個輻射源7的輻射能量同時引入到已施加的構造材料4中以用于硬化構造材料4。
[0046]用于對構造材料4進行局部加熱的輻射能量通過以下方式進行引入，S卩，激光射束8穿過照射開口 19被引導到限定的軌道上。激光射束8的引導借助于適宜的驅動和控制裝置21進行。
[0047]加熱元件6具有多個能夠彼此無關地操控的加熱模塊23，所述加熱模塊設置在功能開口 18、19、20之間或其附近。加熱元件6的所有加熱模塊23與加熱控制裝置24連接。加熱模塊23的工作原理例如基于電感應的原理。加熱模塊的適宜的其它工作方式同樣是可能的。
[0048]在圖1圖解示出的示例中，設備I也包括呈設置在加熱元件6上的輻射源25的形式的附加的熱源，用于提供熱能。附加的輻射源25例如為紅外線輻射器，所述紅外線輻射器發出紅外線輻射26。為所述輻射源25同樣設有適宜的控制裝置27。所述附加的輻射源25分派有自己的功能開口 20，所述功能開口由此作為加熱開口。
[0049]中央控制裝置28負責制造方法的受控的過程。控制裝置28為此包括所有相關的子控制裝置 10、16、17、21、24、27。
[0050]下面借助圖3描述不同的制造階段。在此使用與圖1和2所示的加熱元件6不同的加熱元件6’，該不同的加熱元件具有三個功能開口，即具有兩個覆層開口 18、18’和一個設置在各覆層開口 18、18’之間的照射開口 19。
[0051]在圖3a中，由驅動裝置15驅動的構造平臺2沿x方向運動在加熱元件6的第一覆層開口 18之下運動經過。構造材料4為層η被施加到構造平臺2上。
[0052]在圖3b中，構造平臺2沿X方向繼續運動。短時間之前所施加的構造材料4通過在加熱元件6的基體中設置在第一覆層開口 18與照射開口 19之間的加熱模塊23預熱到低于燒結溫度的溫度。同時，借助于穿過照射開口 19的激光射束8將附加的熱能引入相鄰的短時間之前被預熱的物體區域中，由此使粉末微粒熔融。
[0053]在圖3c中，構造平臺2沿X方向繼續運動。在構造平臺2到達第二覆層開口 18’之前，由驅動裝置5驅動的所述構造平臺沿z方向向下運動所需的路程。通過第二覆層開口 18’為另外的層η+1施加構造材料4。短時間之前，這個物體區域通過設置在照射開口19與覆層開口 18’之間的另外的加熱模塊23’被重新加熱。
[0054]在圖3d中，構造平臺2達到其一個返向點。層η和η+1已生成。因為不再有照射開口 19設置在構造平臺2上方，所以在這個時刻不再發生激光輻射。構造材料4的施加僅在兩個覆層開口 18、18’中的至少一個覆層開口設置在構造平臺2上方這段時間中進行。
[0055]在圖3e中，構造平臺2沿X方向反向于第一運動在加熱元件6之下運動經過。借助第二覆層開口 18’，已經為下一層n+2進行新的材料涂覆，同樣地如借助第三加熱模塊23”進行預熱那樣。之前將由驅動裝置5驅動的構造平臺2沿z方向重新向下運動所需的路程。通過照射開口 19借助激光射束8進行局部輻照，用于硬化待生成的結構。第一加熱模塊23用于再加熱。不久后，在構造平臺2繼續運動時，通過第一覆層開口 18為層n+3進行材料涂覆。
[0056]所有在說明書中、下面的權利要求中和附圖中示出的特征單獨地和相互任意組合地對本發明而言都是重要的。
[0057]附圖標記表
[0058]I用于激光燒結的設備
[0059]2構造平臺
[0060]3 物體
[0061]4構造材料
[0062]5驅動裝置(Z)
[0063]6加熱元件
[0064]7輻射源，激光器
[0065]8激光射束
[0066]9供應/施加裝置
[0067]10材料涂覆的控制裝置
[0068]11熱輻射
[0069]12工藝室
[0070]13覆蓋件
[0071]14(無)
[0072]15驅動裝置(x/y)
[0073]16驅動控制裝置(Z)
[0074]17驅動控制裝置(x/y)
[0075]18功能開口，材料穿通口，覆層開口
[0076]19功能開口，輻射穿通口，照射開口
[0077]20功能開口，加熱開口
[0078]21激光器的驅動和控制裝置
[0079]22(無)
[0080]23加熱模塊
[0081]24加熱控制裝置
[0082]25輻射源，IR輻射器
[0083]26紅外線輻射
[0084]27附加加熱的控制裝置
[0085]28中央控制裝置
【權利要求】
1.一種用于通過選擇性硬化逐層施加的構造材料(4)來制造三維物體的設備(1)，該設備具有: -設置在x-y平面中的構造平臺(2)，在所述構造平臺上逐層地生成至少一個三維物體⑶， -至少部分遮蓋所述構造平臺(2)的加熱元件(6)，用于將熱能(11)輸入到所述構造材料⑷中， -驅動裝置(15)，用于產生在所述構造平臺(2)與所述加熱元件(6)之間的沿X方向和/或y方向的相對運動， 其中，所述加熱元件(6)具有能同時應用的至少兩個功能開口(18、19)， 其中，所述至少兩個功能開口中的一個功能開口構造為材料穿通口(18)，并且所述至少兩個功能開口中的另一個功能開口構造為輻射穿通口(19)。
2.如權利要求1所述的設備(I)，其中，所述加熱元件(6)持續地至少部分地遮蓋所述構造平臺⑵。
3.如權利要求1或2所述的設備(I)，其中，所述加熱元件(6)和所述構造平臺(2)能夠完全地相互遮蓋。
4.如權利要求1至3之一所述的設備(I)，其中，所述加熱元件(6)基本上板狀地構造。
5.如權利要求1至4之一所述的設備(I)。其中，所述加熱元件(6)設置在構造平臺(2)之上，并且在此所述加熱元件與最高的構造層間隔開或者接觸最高的構造層。
6.如權利要求1至5之一所述的設備(I)，其中，所述構造平臺(2)位于在運行狀態下關閉的工藝室(12)內部，并且所述加熱元件(6)用作所述工藝室(12)的分界壁。
7.如權利要求1至6之一所述的設備(I)，其中，所述加熱元件(6)具有能進行不同調溫的區域。
8.如權利要求1至7之一所述的設備(I)，其中，所述功能開口(18、19、20)的形狀是可改變的。
9.如權利要求1至8之一所述的設備(I)，所述設備具有附加的熱源(25)，所述附加的熱源構造為用于提供熱能，其中，所述至少兩個功能開口(18、19、20)中的一個功能開口同時構成為用于附加地輸入熱能的加熱開口(20)或僅構成為用于附加地輸入熱能的加熱開□。
10.一種用于通過選擇性硬化逐層施加的構造材料(4)來制造三維物體(3)的方法，其中， -在設置在x-y平面中的構造平臺(2)上逐層生成至少一個三維物體(3)， -至少部分地遮蓋所述構造平臺⑵的加熱元件(6)將熱能(11)輸入到所述構造材料(4)中， -驅動裝置(15)產生在所述構造平臺(2)與所述加熱元件(6)之間的沿X和/或y方向的相對運動， 其中，所述加熱元件(6)通過利用至少兩個功能開口(18、19、20)來使構造材料(4)和輻射能量(8)同時穿過。
【文檔編號】B29C67/00GK104416907SQ201410418445
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2014年8月22日 優先權日:2013年8月23日
【發明者】C·弗魯特 申請人:Fit弗魯特創新技術有限公司