制造三维成形主体的设备和方法

专利名称：制造三维成形主体的设备和方法
技术领域：
本发明涉及分别根据权利要求1和22前序部分中制造三维成形主体的设备和方法。
本发明涉及添加剂制造方法，其中从材料粉末中分层堆积复杂的、三维部件。发明的应用领域除了迅速成型(prototyping)和迅速加工和制造的相关学科外，特别还包括系列工具和功能部件的制造。例如，这些包括带有靠近表面的冷却通道和另外单独部件的注模以及用于化学工业、机械工程、航空器和汽车制造的小系列复杂功能组件。
背景技术：
与本发明相关的一般制造方法包括在Fraunhofer Gesellschaft的DE19649865C1中公开的激光熔化和在德克萨斯大学的US4863538中公开的激光烧结。
在DE19649865C1中公开的激光熔化方法中，从在商业上得到的、没有粘结剂或其他添加成分的单一金属材料粉末制成部件。为此，材料粉末始终用作堆积平台的薄层。按照需要的部件几何形状，利用激光束对该粉末层进行局部熔化。激光束能量以这样方式选择，即在激光束入射位置上，金属材料粉末在其整个层厚上完全熔化。与此同时，保护气体空气保持在激光束与金属材料粉末交互作用的区域上，以避免例如通过氧化而有可能出现的部件瑕疵。已经公知的是，采用DE19649865C1中图1所示设备来实现该方法。
在可从US4863538中已知的激光烧结方法中，部件由专门为激光烧结而开发的材料粉末中制造，而其中该材料除了含有基材外，还含有一种或更多种添加成分。这些不同的粉末成分在熔点方面不同。在激光烧结的情况中，材料粉末用在堆积平台上作为薄层。根据部件几何数据，该粉末层用进行局部激光束照射。该材料粉末的低熔点成分通过引入到的激光能量熔化，同时其他成分保持在固体状态。借助于熔化粉末成分，该粉末层固定到先前粉末层上。在粉末层堆积后，该堆积平台降低一个粉末层的厚度，同时新粉末层从存储容器中摊开。
EOS GmbH Electro Optical Systems提供了激光烧结装置，该装置用来制造塑料EOSINT P 700和制造沙子EOSINT P 750，该装置具有加工腔、两个激光和两个扫描单元。这些装置的目的是迅速堆积较大体积的部件。
根据WO/0236331，为了制造相对较大体积的部件，Concept LaserGmbH提出借助于集中辐射的电磁来进行材料烧结、去除和/或书写的设备，其中在该设备中，扫描仪布置在扫描仪载体上，其中该载体为符合滑动件的形式，并可在堆积平台上通过电机装置移动。
该设备包括激光制造机器，该机器具有用于烧结、材料去除和/或写入的可替换技术模块。在机器壳体上提供多个堆积空间。该扫描仪载体在堆积空间之间执行往复运动，从而多个堆积空间可以任何需要顺序覆盖。例如，已经提出的是，为了在一个机器内同时以及并行地堆积或以其他一些方式加工的四个部件，以近似正方形的格局提供四个堆积空间。为此，扫描仪载体需要在堆积空间之间前后移动，以在机器的堆积空间内同时制造多个部件。
该方案具有的缺点是，由于扫描仪载体的存在，进入机器壳体内单独堆积空间变得更困难，其中复合滑动件形式的扫描仪载体可由电机装置移动，并横向穿过堆积空间而延伸。此外，在单独堆积空间内动作的并行模式意味着，只能当成形主体同样已经完成时，移出完成部件并进行新部件的必要转换工作，其中成形主体将与在另外堆积空间内的完成部件并行堆积。
由于具有最长堆积时间的部件确定了移出和转换工作，因此，这在设备费用上具有负作用。此外，在制造过程中出现的影响，如温度和当成形主体正堆积时非出火花，可对并行进行的如涂覆、冷却等等的另外加工过程产生负作用。

发明内容
因此，发明基于的目的为提供这样的制造三维成形主体的设备和方法，其中制造时间缩短，同时制造的灵活性和成形主体的质量得到提高。
该目的通过根据专利权利要求1的设备和根据专利权利要求22的方法来实现。在附加权利要求书中描述了发明的巧妙构思和结构。
根据发明的设备明显地提高了成形主体的制造经济性。成形主体完全在第一加工腔内制造，同时在至少一个另外加工腔内对先前制造的成形主体进行冷却和卸载，或者加工腔为后面要制造的成形主体进行替换或安装。由于在成形主体制造后，立即转到下一个加工腔，因此这样导致对光束源容量的充分利用，从而在至少一个另外加工腔内制造出下一个成形主体。
此外，形成至少两个密封锁定加工腔，可使成形主体利用确定材料在第一加工腔内堆积，同时可在至少一个另外加工腔内利用相同材料粉末或者与第一成形主体不同的材料粉末堆积成形主体。由于需要高度纯净的材料粉末，因此，这种方案在用于化学技术中特别重要。
此外，根据本发明的设备具有的优点是，由于不需要操作者干预情况下，对应于加工腔数目的成形主体可直接连续制造，因此在不需要操作者情况下可实现形成粉末层。
另外，至少一个光束偏转装置直接定位到加工腔，这样就为要移出的制造后成形主体提供了对第二或者另外加工腔的良好可接近性，并为后面需要的加工过程更换或者安装加工腔。
加工腔密封锁定结构还具有的优点是，在不受即时旁边转换加工、冷却过程、环境杂质等任何影响下，来制造成形主体。
根据发明的最优结构，每个加工腔具有为没有固结堆积材料的提取装置，该提取装置包括至少一个阻挡装置。当没有固结的堆积材料正在另外加工腔内被提取时，该阻挡装置阻止堆积材料从此时正在进行成形主体分层堆积的加工腔内被提取。在不受相邻加工腔中加工过程干涉并与之独立的情况下进行一个加工腔内的加工过程。
另外，把该阻挡装置布置在相对于加工腔关闭的位置上，这样具有的优点是，在单独粉末层固结的加工过程中，维持保护气体空气。这就增加了过程可靠性，与此同时，确保了保护气体只有低水平消耗。
根据本发明的另外最优结构，为至少两个加工腔提供风扇，同时在风扇和每个加工腔之间的提取装置上设置至少一个阻挡装置。为了降低需要的整个空间以及成本，例如设置为至少两个加工腔操作的风扇。这也能简化结构。为了密封锁定加工腔，同时为了彼此独立地操作这些加工腔，在风扇和每个加工腔之间的提取装置上布置至少一个阻挡装置，从而当在成形主体已经完全制造的加工腔中风扇通过抽吸作用而进行提取操作时，同时另一个其他加工腔没有抽吸提取。这就消除了当采用共用部件时加工腔彼此影响的可能性。
该加工腔具有入口，有益的是，该入口每个都由阻挡装置关闭。因此，该阻挡装置直接分配给加工腔，从而消除了其他破坏影响因素。入口的阻挡装置可与出口的阻挡装置一起驱动。
根据优选实施例，至少在出口设置该阻挡装置，该出口与堆积腔和粉末收集部连通。这就提供了加工腔的密封锁定。此外，可以提供进给开口，该开口在提取加工腔过程中供应体积流量，同样可由阻挡装置关闭。优选的是，阻挡装置在出口设置人工提取装置。该人工提取装置用于粉末剩余物的人工提取。因此，可使密封锁定和风扇的利用最优化。
优选的是，借助于控制和算术单元，每个阻挡装置可为每个加工腔单独或者作为一个组联合驱动。这就使加工腔自动操作同时制造得到监控。
根据发明的有益实施例，阻挡装置设计成为夹紧阀，并优选的是气动驱动。这些夹紧阀具有的优点是，实际上不磨损，同时具有较短的反应时间。作为气动驱动的替代，还可以提供液压、电子或者电磁驱动。
另外，为了使每个加工腔自动化，有益的是，对没有固结堆积材料的提取包括隔离装置和过滤器。这就使没有熔化和固结的堆积材料在没有杂质情况下被回收，例如从相邻加工腔的其他材料中回收，从而就能降低使用材料的数量，同时，确保了由于封闭回路而导致加工材料的纯度。有益的是，通过筛选等对从加工腔中取出材料进一步加工。该进一步处理或者制备可通过设置在设备内或者在外部的装置来提供。在后者的外部选择情况中，优选的是，与隔离设备形成接口，为此，为了粉末外部净化及制备或者进一步加工，设置收集容器。
根据发明的另外有益结构，提供为至少两个加工腔的抽吸风扇，该风扇在每种情况下与从属于加工腔隔离设备连接，用于提出没有固结的堆积材料，以及用于加工腔以及优选的是堆积平台的冷却。这就使没有固结的堆积材料完全隔离，同时利用共用风扇，以维持在相应成材林器内使用的堆积材料之间的分离。优选的是，阻挡装置设置在过滤器和隔离装置靠近加工腔的上游。每个密封加工腔经过朝向光束偏转设备的可关闭开口而可接近。如果光束偏转装置位于另外加工腔内，则这就能为该加工腔提供良好的可接近性。
有益的是，靠近开口包括把电磁辐射充分传递的区域，其中该区域比设置在接纳至少一个成形主体的提升台上的堆积平台较大。这样就为电磁辐射进入提供了充足的空间。与此同时，操作人员可进行肉眼检查并监控加工腔。优选的是，设置在可关闭开口上的透明区域由玻璃制成，优选的是，该玻璃包括两个带有抗反射膜的表面。这样就能形成光束的最佳入射以及在要堆积粉末层上辐射的最佳冲击。
为了密封锁定加工腔，有益的是，供应堆积材料的进给装置设置在至少堆积材料供应到加工腔后关闭加工腔的位置上。该结构就能在堆积材料熔化过程中阻止空气进入而氧化？，并阻止由于另外堆积材料进入而堆积没有确定的横截面出现。同时，在成形主体制造后，在对没有固结堆积材料提取过程中，就能阻止要堆积的粉末抽吸到加工腔内。
为了在加工腔和由开口封闭盖子之间密封，设置密封件。结果，以简单方式形成了密封锁定的密封件。在粉末层堆积时，保护或者惰性气体供应到加工腔内，并从该加工腔排出。由封闭加工腔形成的闭合回路和管路铺设降低了操作成本。
此外，为了密封锁定加工腔，有益的是，至少一个密封件或者部件的密封结构设置在接纳成形主体的载体和围绕该载体的堆积腔之间。在熔化过程中，加工腔充满保护或者惰性气体，并在超级大气压力下操作，以阻止氧气进入到加工腔内。
为了密封锁定加工腔，有益的是，具有密封环的环形槽布置在作为载体一部分的提升台上。优选的是，该密封环的直径设计成略微变化，从而由于在成形主体形成过程中加热的不同高度而形成具有密封接触的结构。
优选的是，密封环由比堆积腔圆周壁磨损较大程度的材料制成。结果，在多次使用后密封环的简单替换足以在堆积腔内达到密封布置。
优选的是，堆积腔的圆周壁具有比堆积材料较大的硬度。结果，能形成较少维修的堆积腔。有益的是，堆积腔表面涂覆，优选的是镀铬。
另外，有益的是，密封环或者带条相邻设置在堆积平台端面上或者分配给该端面，以形成第一密封件。有益的是，设计成毡环的该带条具有的优点是，能补偿在堆积腔圆周壁和堆积平台之间的相对较宽温度变化。为了提高成形主体的质量，对堆积平台加热，从而导致堆积平台和继电器不同膨胀的温度差在堆积平台和堆积腔圆周壁之间形成，并由带条补偿。
此外，为了密封锁定加工腔，有益的是，提供设置在提升台的提升杆上的轴密封件。根据发明的另外有益结构，设置相对于单独加工腔布置的光束偏转装置。由于不论加工腔数目多少，均采用了共用光束源和共用光束偏转装置，这就能降低本发明设备的成本。
为了使光束偏转装置简单和正确定位，有益的是，提供直线导轨，光束偏转装置可沿着该导轨移动，并可相对于加工腔精确定位。有益的是，该限定引导件布置在相应加工腔上面较低高度上，从而在偏转装置和要堆积的粉末层之间具有较短距离，从而形成成形主体，特别是获得较窄宽度的熔化轨迹。
根据发明的可选择结构，至少两个加工腔许多于光束偏转装置移动。例如，提供一种转台装置，或者提供多个成排的加工腔，这些加工腔可相对于固定光束偏转装置移动。特别在转台状装置中，能使光束源得到非常高的利用率，并在较长时间段内进行成形主体的无监督制造。
根据发明的优选实施例，提供至少两个密封锁定、隔离的加工腔和位于该至少两个加工腔内的光束源以及光束偏转装置，这些装置位于机器壳体内，以形成多腔系统。该设备具有的优点是，确保每个加工腔自动操作的那些部件设置多个，而为整个设备需要的那些部件只设置一次。这就能形成这样的设备，该设备使光束源具有较高利用率，与此同时在制造成本方面具有最优化。
具体地说，根据本发明的设备可实现制造三维成形主体的工艺过程，其中在第一加工腔内进行成形主体的完全制造，同时对该完成成形主体进行冷却或者卸载，同时在至少第二加工腔内，为另外成形主体的制造而并行进行加工腔的转换或者安装。这就形成了成形主体经济制造的条件。另外，可以加工不同的材料。该密封锁定的加工腔能运行不同的加工参数，以满足堆积、表面质量和低应力、无裂缝堆积的特殊需要。
根据优选实施例，每个加工腔具有用于保护或者惰性气体的至少一个引入到加工腔内的入口和从该加工腔引出的出口。结果，可根据堆积该成形主体使用的材料来供应适当保护气体或者惰性气体。因此，相应的加工腔彼此完全独立构造，并为制造成形主体而设定特殊需要。
根据该方法的有益实施例，在没有固结成形主体的堆积材料提取过程中，或者在已经在加工腔内制造完成后的成形主体冷却过程中，用于至少一个另外加工腔的阻挡装置保持在关闭位置。结果，该加工腔彼此相对密封锁定，同时在相应加工腔内发生或者正在进行的加工步骤彼此不受影响。这就提高了设备的利用率，并改进了成形主体的质量。
在另外附加方法的权利要求中提出了另外有益实施例。


根据在附图中示出的实例，描述和解释了本发明和另外有益实施例以及改进。根据本发明，在描述和附图中呈现出的特征可本身单独使用，或者以任何需要组合中使用。在附图中具体实施方式
图1为根据本发明设备的示意侧视图；图2为在制造成形主体过程中在加工位置加工腔的剖面示意图；图3为在成形主体分层堆积后、图2所示加工腔处于冷却位置的剖面示意图；图4为在成形主体分层堆积后、图2所示加工腔的剖面示意图；图5为穿过具有进给装置的局部剖面示意图；图6为两个加工腔和相关部件之间连接的示意图。
图1为大致示出了根据本发明的一种设备11，该设备用于通过对粉状堆积材料层进行连续固结来制造三维成形主体。例如在DE19649865C1中描述了通过激光熔化制造成形主体。该设备11包括位于机架14内的光束源16，该光束源例如为固态激光器的激光器，发射定向光束。该光束通过光束偏转器18而聚焦，成为在加工腔21内工作面上的偏转光束，其中该光束偏转器18例如为一个或多个驱动镜(actuable mirror)形式。该光束偏转器18布置成可通过电机装置沿着第一加工腔21和另外一个加工腔24之间的直线导轨移动。该光束偏转器18可相对于加工腔21、24借助于对驱动器进行驱动而移动到精确位置。此外，机架14为操作设备11以及设定个别参数提供控制和算术单元26，其中的个别参数用于在制造成形主体采用的工作过程。
第一加工腔21和至少一个另外的加工腔21彼此分开布置，同时彼此密封隔离。
图2示出了处于完全剖面状态下的加工腔21。该加工腔21包括壳体31并可通过开口32而进入，其中该开口32可通过至少一个关闭元件33而关闭。优选的是，该关闭元件33设计成可转动盖，该盖通过例如肘节杆的锁定元件34来固定到关闭位置上。优选的是为弹性密封件的密封件36靠近开口32设置在壳体31上，以密封加工腔21。该关闭元件33具有对激光束的电磁辐射进行传递的区域37。优选的是，采用由玻璃或者石英玻璃制成的窗口38，其中该玻璃或者石英玻璃在顶侧或者底侧具有抗反射涂层。优选的是，该关闭元件33为水冷设计。
该加工腔21包括底面41。载体43设置在堆积腔42内，并被引导成它可上下移动，该堆积腔42从下面朝该底面41敞开。该载体43包括至少一个底板44，该底板被驱动，从而可借助于提升杆或者提升轴46来上下移动。为此，例如为齿形带驱动器的驱动器47设置成上下移动该固定的提升轴46。载体43的底板44通过流体介质冷却，优选的是，至少在层堆积过程中，该介质经过底板44的冷却通道流动。由机械性能稳定的绝热材料制成的绝缘层48布置在底板44和载体43的堆积平台49之间。这阻止了提升轴46被堆积平台49的热量加热，同时相关效果作用在载体43的定位上。
施加和均匀装置56把堆积材料施加到堆积腔42内，并沿着加工腔21的底面41移动。通过对堆积材料57的有选择熔化，在成形主体52上堆积了片层。
优选的是，该堆积材料57包括金属或者陶瓷粉末。可采用适当以及用于激光溶化和激光烧结的其他材料。根据要形成的成形主体52来选择个别的材料粉末。
在一侧，加工腔21具有入口喷嘴61，该喷嘴用于供应保护气体或者惰性气体。在相对侧，具有抽气喷嘴或者抽气开口62，用于去除该供应的保护或者惰性气体。在制造成形主体过程中，产生保护或者惰性气体的层流，以避免在该堆积材料57熔化期间氧化，并保护在关闭元件33上的窗口38。优选的是，在堆积过程中，例如，密封锁定加工腔21保持在20hPa的超级大气(superatmospheric)压力，当然再明显高的压力也是可以的。这意味着对于任何大气氧气是可以在堆积过程中从外界进入到加工腔21内的。在保护气体或者惰性气体循环过程中，也可以同时实现冷却。优选的是，对保护气体或者惰性气体进行冷却或者过滤，以去除在加工腔21外部的堆积材料57残留颗粒。
优选的是，该堆积腔42为圆筒设计。也可以提供其他几何形状。该载体43或者该载体43的至少一部分与堆积腔42的几何形状匹配。在堆积腔42内，该载体43相对于底面41向下移动，以实现分层堆积。堆积腔42的高度与堆积高度或者要堆积成形主体52的最大高度匹配。
堆积腔42的圆周壁83与底面41直接邻接，并向下延伸，该圆周壁83从底面41中悬挂伸出。至少一个入口112设置在该圆周壁83上。该入口112与供给管路111连通，在壳体31外面，该管路111容纳过滤器126。周围空气经由过滤器126和供应管路111并通过入口112进给到堆积腔42内。另外，该堆积腔42在圆周壁83上具有至少一个出口113，连接到该出口的排放管路114从壳体31引出并敞开于隔离装置107上。该隔离装置107的下游为过滤器108，该过滤器对已经经由连接管路118排出的体积流量进行排放。最好是使入口112和出口113彼此对齐。也可以在高度和在径向或者与堆积腔42纵轴成直角的进给位置方面，使入口112、出口113彼此相对偏离。
该堆积平台49包括热板136和冷板132。在热板136上用虚线示出了加热元件87。另外，该热板136包括温度传感器(没有更详细示出)。该加热元件87和温度传感器连接到供应管路91、92上，该管路依次经过提升轴46铺设到堆积平台49上。嵌入一个或多个密封环82的外围槽81设置在该堆积平台49的外圆周上；密封环82的直径可略微变化，并与安装状态和温度波动相匹配。该密封环支靠在堆积腔42的圆周壁83上。该密封环82具有比圆周壁83较低的表面硬度。优选的是，该圆周壁83具有这样的表面硬度，该表面硬度比为成形主体52提供的堆积材料57硬度大。这样就能确保在长期使用中对圆周壁83没有破坏，同时只有作为磨损部件的密封环82必须在维修周期进行替换。最好堆积腔42的圆周壁83表面有涂层，例如表面镀铬。
该底板44包括水冷却系统，该系统至少在堆积成形主体52时操作。冷却液体经过冷却管路86进给到冷却通道，而冷却管路86通过提升轴46进给到底板44。提供的冷却介质优选为水。该冷却使底板44设定成大致20℃到40℃的恒定温度。
为了接纳成形主体52，该载体43具有基板51，该基板借助于保持装置和/或定向辅助件固定或者可释放地位于载体43上。在制造成形主体52开始前，加热板136加热到300℃和500℃之间的操作温度，以使成形主体52以低应力堆积，并没有裂缝。在成形主体52堆积时，温度传感器(没有更详细示出)纪录加热温度或者操作温度。
该堆积平台49具有冷却通道101，优选的是，该通道穿过整个堆积平台49而横向延伸。可以设置一个或更多冷却通道101。例如，根据典型实施例，示出的冷却通道位置靠近绝缘层48。可选择的是，冷却通道101不仅在加热元件87正下方延伸，而且也在加热元件上面和/或者在该加热元件之间延伸。
在成形主体52的制造完成后，该载体43从图2中示出的位置降低到第一位置或者冷却位置121。在图3中示出了该位置。甚至在载体43下降同时，来自外界的体积流量经由过滤器126和供应管路111进给到堆积腔42内，并从该堆积腔42经由出口113和排放管路114排放。该堆积腔42可早在该阶段进行冷却，同时成形主体进行堆积。
该载体43的冷却位置121以这样方式设置，即堆积平台42的冷却通道101与在堆积腔42圆周壁83上至少一个入口和至少一个出口对齐。体积流量经由冷却通道101流动，从而对至少堆积平台49进行冷却。该冷却可通过脉动吸入流来实现。在成形主体52内的冷却速率由脉冲/停止比率来确定。优选的是，在预定时间间隔内提供均匀的冷却，以使成形主体52内的内部应力最小。该冷却也开始通过体积流量来提供，该体积流量在数量上持续增加或者减少。也可以在增加和减少之间交替进行，以得到需要的冷却速率。该冷却速率可通过设置在加热板136内的温度传感器来纪录。同时，成形主体52的残余温度可经由该温度传感器导出。该冷却位置121一直维持，直到该成形主体52冷却到例如小于50℃的温度。与此同时，底板44可在该冷却位置121进一步冷却。另外，还可以把冷却通道或者冷却管设置在堆积腔42的圆周壁83附近或者设置在该堆积腔42的圆周壁83上，这些冷却通道或者冷却管也有助于堆积腔42、成形主体52和载体43的冷却。
在成形主体52被冷却到需要或者预定的温度后，该载体43被运送到另外的位置或者抽吸位置128，在图4中示出了该位置。借助于实例描述的该抽吸位置128用于去除具体地说是抽吸这样的堆积材料57，其中该堆积材料在成形主体52形成过程中没有固结。在经过堆积腔42流动的抽吸流采用前，堆积腔42被关闭元件123关闭。该关闭元件123具有固定元件124，其中该固定元件124作用在开口32上或者位于该开口上，以把该关闭元件123牢固地固定到堆积腔124上。优选的是，该关闭元件123为透明设计，从而可以监控没有固结的堆积材料57的抽吸。经过堆积腔42流动的抽吸流在堆积腔内产生涡动，其结果导致没有固结的堆积材料57被抽出并进入到分离装置107和过滤器108。另外，与此同时，抽吸也可使堆积腔42、成形主体52和堆积平台49冷却。此外，可以使空气经由关闭元件123内的至少一个喷嘴进一步供应。
堆积材料57的抽出可以恒定体积流量、脉动体积流量或者具有增加或者减少质量通过量来操作。在预定抽吸期间后或者在由操作人员设定的时间间隔后，该抽吸结束。
为了取出成形主体52，关闭元件123从该堆积腔42移开，同时载体43移动到上面位置，从而该成形主体52至少局部地位于加工腔21的底面41上，以被取出。
图5示出了经由进给装置72把堆积腔57进给到加工腔21内的典型实施例。该局部区段示出了进给通道71，该进给通道71与收集容器或者存储容器(没有更详细示出)连通并提供堆积材料57。该进给装置72包括滑动件73，优选的是，该滑动件具有槽状开口74，在第一位置，该开口使堆积材料57穿过该开口74。在该滑动件定位在第二位置时，存储在该开口74内的堆积材料57经由间隙76运送到施加和均匀装置56，接着，在箭头77指示的往复运动的结果作用下，该施加和均匀装置56把该堆积材料57运送到堆积腔42内。多余的堆积材料57可经过切口79排放到一个容器或者粉末收集部80内，该切口设置在用于施加和均匀装置往复运动转换点处的底面41上。因此，在堆积材料57引入到堆积腔42内后，该底面41基本上没有堆积材料57。进给装置72的这种结构使堆积材料57一部分一部分地供应到加工腔28内。而且，由于该进给装置72允许该堆积材料57实际上在没有剩余情况下被引入到加工腔21内，于是该进给装置72能从一种堆积材料迅速和简单地变化到另外的堆积材料57上。与进给装置72结构相关的其他方案也同样是可以的。例如，堆积材料57的成部分地供应也可借助于可控关闭元件和传感元件来实现，其中利用传感元件来确定进给量。作为上面描述的施加和均匀装置56的替代方案，也可以象打印处理中那样采用把堆积材料57引入到堆积腔42内的装置。
下面参照图6来描述双腔或者多腔的原理，其中图6为根据本发明设备11的平面示意图，同时也可参照前面的附图。
每个加工腔21、24包括过滤器126，纯净的周围空气经过该过滤器经由进给管路111进给到堆积腔42内。排放管路114从堆积腔42排放体积流量，同时在壳体31外面的该流量进给到隔离装置107。过滤器108连接到隔离装置107的下游。此外，在每个情况中的加工腔21、24都包括一个管路106，该管路把收集在粉末收集部80内的堆积材料从壳体31中排放出，并把其输送到隔离装置107或者排放管路114。该管路106与壳体31内粉末收集部80的出口连通，经过该出口，对不需要的堆积材料57进行收集。
每个加工腔21、24分配给用作关闭阀门的阻挡装置176。在优选实施例中，这些阻挡装置176设置在排放管路114的出口113和粉末收集部80的出口，排放粉末的管路敞开于这些出口。此外，这些阻挡装置176可设置在排放管路114的管路区段中加工腔21、24与隔离装置107的上游管路106之间。此外，有益的是，阻挡装置176也可设置在喷嘴116的抽吸管路117上，其中该管路117用于人工提取没有固结并分送给喷嘴116的堆积材料57。除此之外，为了提高可靠性，可以另外设置阻挡装置176。例如，可以在进给管路111的入口112设置阻挡装置176。另外，还可以在连接管路118设置阻挡装置176，在所有情况下，该连接管路118从加工腔21、24开通于风扇109，以具有进一步的安全功能。
该阻挡装置176可单独驱动或者以功能组结合驱动，从而该驱动包含在单独的工作过程中，如在成形主体形成、载体冷却以及没有固结堆积材料57的提取中。这样，例如在没有固结堆积材料57的提取过程中，或者在加工腔21内载体冷却过程中，通过关闭加工腔24的阻挡装置176，确保了加工腔24与加工腔21的密封锁定。优选的是，采用的该阻挡装置176为具有较长使用寿命的夹紧阀。
优选的是，该阻挡装置176根据在堆积腔42内的载体43来驱动。此外，还可以阻挡装置176的信号与操作风扇109的信号结合。优选的是，所有阻挡装置176关闭在静止位置，同时只有需要的阻挡装置176在加工腔21、24中抽吸和/或冷却过程中打开。
另外，抽吸管路117具有喷嘴116，该喷嘴用于人工清洁加工腔21、24以及加工腔21、24的周围，该抽吸管路117敞开于隔离装置107。
当为了通过抽吸作用进行人工提取从保持器移开喷嘴116时，从可自动打开风扇109的传感元件使相关的阻挡装置176打开，从而喷嘴116容易操作，其中该传感元件设置在该喷嘴116上，或者设置在接纳喷嘴116的框架上。其他阻挡装置176保持关闭。
优选的是，该至少两个加工腔21、24此外每个均均匀隔离的冷却系统103(图1)，该系统对壳体内部或者外部的部件进行冷却。
因此，已经从堆积腔42排出的空气/气体以及排放的堆积材料57均被输送到隔离装置107和与其下游连接的过滤器108内，其中隔离装置指定到每个加工腔21、24。该隔离装置107包括收集排放的堆积材料57的收集容器。这些被收集的堆积材料57通过滤网净化并经由进给装置输送到外部制备装置，其中该滤网布置在隔离装置108和收集容器之间，从而可随后使用，用于对成形主体52进行进一步分层堆积。为每个加工腔21、24提供单独的抽吸，这样就可以使用不同的堆积材料，同时阻止堆积材料的混合或者污染。特别是，阻挡装置176阻止每个加工腔21、24形成的相应回路相互影响或者相互混合。
此外，优选的是，根据本发明的设备具有灭火装置，该装置为每个加工腔21而设置，并至少部分地集成在相应的系统中。在该抽吸系统中具有热监测元件，该元件监测该抽吸系统中的温度。限制阀可进行设定并用于堆积材料57，一超过该限制阀，该监测元件就向控制和算术单元26发出紧急停止信号。接着该风扇109停止。与此同时，管路106、114、117、118象过滤器108和隔离装置107一样，充满保护或者惰性气体，同时阻挡装置176关闭。这种方法的结果是，可能燃烧的氧气由保护气体所替代。该灭火装置具有的优点是，在清洁过程后，所有部件均可用于成形主体进一步加工。
至少两个加工腔21、24与一个风扇109结合操作。优选的是，该风扇109设计成为径向风扇，并经由连接管路118与相应的隔离装置107和加工腔21、24的过滤器108连接。加工腔21、24的这种优选设计和结构以及部件分配、加入阻挡装置可使每个加工腔21、24自动和密封锁定。还提供了共用光源16和共用光束偏转装置18。还以对应于加工腔21、24数量的另外部件，这样就能为堆积材料57和保护或者惰性气体形成封闭材料回路。
当在加工腔21堆积并形成成形主体52时，可以实现转换工作，或者抽出没有固结的堆积材料57和/或在至少一个另外加工腔24内冷却该成形主体52，同时相邻加工腔不受影响。这就使光束源16得到最佳利用。此外，具有不同堆积材料57和制造参数的不同成形主体52在每个加工腔21内堆积。
上述原理不限于双腔系统。相反，还可以是彼此相连的三个或者更多加工腔21、24。在所有情况下，光束偏转装置18都可相对于加工腔21、24而设置，以把转向的光束引导到工作平面内的需要位置上。可选择的是，光束源16和光束偏转装置18还可以是固定设计，而加工腔21、24可以相对于该光束偏转装置18移动。例如，可以是转台形式。在该结构中，光束偏转装置18和/或辐射源16以及加工腔21、24彼此可互换布置。
权利要求
1.通过对粉状堆积材料(57)多层连续固结的制造三维成形主体的设备，该材料借助于电磁辐射或者粒子辐射来固结，在对应于成形主体(52)的相应横截面的位置上，具有形成光束的光束源(16)和用于使该光束偏转到要固结的层上，在堆积腔(42)内具有载体(43)，该堆积腔(42)布置在加工腔(21)内，该堆积腔(42)用于接纳待形成的成形主体(52)，其特征在于—设置至少两个加工腔(21、24)；—每个加工腔(21、24)密封锁定并在所有情况下设计成与相邻的加工腔(24、21)隔开，以及—光束偏转装置(18)和至少两个加工腔(21、24)相对于彼此位于一处理位置。
2.根据权利要求1的设备，其特征在于，每个加工腔(21、24)具有没有固结堆积材料(57)的提取装置，该提取装置包括至少一个阻挡装置(176)。
3.根据权利要求1或2的设备，其特征在于，风扇(109)为至少两个加工腔(21、24)而设置，同时至少一个阻挡装置(176)设置在位于风扇(109)和每个加工腔(21、24)之间的提取装置中。
4.根据前面权利要求之一的设备，其特征在于，该加工腔(21、24)具有至少一个入口，该入口由阻挡装置(176)可关闭。
5.根据权利要求2到4之一的设备，其特征在于，阻挡装置(176)设置在至少一个出口上，该出口与堆积腔(42)、粉末收集部(80)以及优选还与人工提取的喷嘴(116)连通。
6.根据权利要求2到5之一的设备，其特征在于，每个阻挡装置(176)由控制和算术单元(26)单独或者作为每个加工腔(21、24)的组联合来驱动。
7.根据权利要求2到6之一的设备，其特征在于，阻挡装置(176)设计成夹紧阀，并可优选的是气动、电、电磁或者液压驱动。
8.根据前面权利要求之一的设备，其特征在于，该加工腔(21、24)被密封封闭，并可通过可关闭的开口(32)进入，该开口朝向光束偏转装置(18)，并具有传输电磁辐射的区域(37)。
9.根据前面权利要求之一的设备，其特征在于，进给装置(72)至少在供应粉状堆积材料(57)后处于关闭加工腔(21、24)的位置上。
10.根据前面权利要求之一的设备，其特征在于，加工腔(21、24)具有保护气体或者惰性气体的至少一个引入到加工腔(21、24)内的入口喷嘴(61)和至少一个提取喷嘴(62)，其中该提取喷嘴从加工腔(21、24)引出。
11.根据前面权利要求之一的设备，其特征在于，至少一个密封件(82、94、97)设置在载体(43)和堆积腔(42)的包围载体(43)的圆周壁(83)之间。
12.根据权利要求11的设备，其特征在于，该密封件(82)由石墨材料制成。
13.根据权利要求11的设备，其特征在于，堆积腔(42)朝向载体(43)的圆周壁、至少设置在载体(43)上的密封件(82)或者载体(43)上朝向堆积腔(42)的圆周表面包括材料配对，该材料配对在载体(43)的密封件(82)上或者圆周表面上形成磨损。
14.根据权利要求11或13的设备，其特征在于，堆积腔(42)的圆周壁(83)的表面硬度设计成比堆积材料(57)的硬度大。
15.根据权利要求11的设备，其特征在于，与端面(96)相邻或者靠近的堆积平台(49)具有带条元件(97)，该带条元件抵靠在堆积腔(42)的圆周壁(83)上，作为密封件。
16.根据权利要求15的设备，其特征在于，该带条元件设计成毡环。
17.根据前面权利要求之一的设备，其特征在于，分配给加工腔(21、24)的提取装置用于没有固结堆积材料，该装置包括至少隔离装置(107)和过滤器(108)。
18.根据前面权利要求之一的设备，其特征在于，为至少两个加工腔(21、24)设置风扇(109)，该风扇始终连接到属于加工腔(21、24)的隔离装置(107)和过滤器(108)的下游。
19.根据前面权利要求之一的设备，其特征在于，每个加工腔(21、24)包括用于堆积材料(57)的单独存储和进给装置(72)。
20.根据前面权利要求之一的设备，其特征在于，光束偏转装置(18)可移动地设置在该至少两个加工腔(21、24)之间。
21.根据权利要求1到20之一的设备，其特征在于，至少两个加工腔(21、24)相对于光束偏转装置(18)移动。
22.用于制造三维成形主体的方法，特别是利用前面权利要求之一或者更多设备制造三维成形主体的方法，其特征在于，在第一加工腔(21)，通过对粉状堆积材料(57)的多层进行连续固结来实现分层堆积，其中该堆积材料借助于电磁辐射或者粒子辐射来固结，从而制造成形主体(52)，在至少第二加工腔(24)内进行至少冷却、没有固结堆积材料(57)的提取、完成部件的移出、用于新成形主体(52)制造的转换或设定。
23.根据权利要求22的方法，其特征在于，在第一加工腔(21、24)内成形主体制造完成后，该光束偏转装置(18)移动到该至少一个另外的加工腔(21、24)内，该加工腔已经在先前转换或设定以用于通过分层堆积制造成形主体(52)。
24.根据权利要求22或23的方法，其特征在于，至少在制造成形主体(52)的连续分层固结过程中，保护气体或者惰性气体流过每个加工腔(21、24)。
25.根据权利要求22的方法，其特征在于，至少在没有固结的堆积材料(57)提取或者在加工腔中制成的成形主体(52)冷却过程中，所述至少一个另外加工腔(21、24)的阻挡装置保持在关闭位置。
全文摘要
本发明涉及通过对粉状堆积材料(57)层连续固结的制造三维成形主体的设备和方法，该材料借助于电磁辐射或者粒子辐射来固结，在对应于成形主体(52)的相应横截面的位置上，具有形成聚集光束的光束源(16)和用于使该聚集光束转向到要固结的层上的偏转装置，在堆积腔(42)内具有载体(43)，该堆积腔(42)布置在加工腔(21)内，该堆积腔(42)用于接纳待形成的成形主体(52)，其中通过在每种情况下一个加工腔(28)，形成至少两个工作站(21、24)，该工作站(28)密封锁定并彼此隔开，以及偏转装置(18)和至少两个工作站(21、24)彼此位于加工位置(与图1一起公开)。
文档编号B22F3/16GK1608832SQ20041007916
公开日2005年4月27日 申请日期2004年9月15日 优先权日2003年9月15日
发明者马库斯·林德曼, 贝恩德·H·伦茨, 约阿希姆·胡特弗莱斯, 格哈德·哈曼 申请人:特鲁普工具机械有限及两合公司