用于生产三维工件的设备和方法与流程

本发明涉及用于通过采用电磁辐射或粒子辐射照射原料粉末层来生产三维工件的设备。本发明进一步涉及操作这样的设备的方法。

背景技术：

粉末床熔融(fusion)是一种增材逐层工艺(additivelayeringprocess)，通过粉末床熔融可以将粉状的、特别是金属和/或陶瓷的原料加工成复杂形状的三维工件。为此，原料粉末层被施加到承载器上并且根据待生产的工件的期望几何形状经受电磁辐射或粒子辐射。穿透粉末层的电磁辐射或粒子辐射引起对原料颗粒的加热并且因而将其熔化(melting)或烧结(sintering)。然后另外的原料粉末层继续被施加到承载器上的已经经受辐射处理的层上，直到工件具有期望的形状和大小。具体地可以将粉末床熔融方法用于基于cad数据生产原型(prototype，样机)、工具、替换部件或医学假体。

例如，在ep1793979b1中描述了一种用于通过粉末床熔融工艺用粉状原料生产模制主体的设备。现有技术的设备包括处理室，该处理室容纳多个用于待制造的成型主体的承载器。粉末层制备系统包括粉末容器支座，该粉末容器支座可以横跨承载器来回移动，以便将待用激光束照射的原料粉末施加到承载器上。处理室设置有与保护气体环路相连接的保护气体进口和保护气体出口。保护气体(诸如，例如，氩气)经由保护气体进口供给到处理室，以便在处理室中建立保护气体环境。在流经处理室时被加载微粒杂质(诸如，例如剩余原料粉末颗粒和焊接烟雾颗粒)的保护气体经由保护气体出口从处理室排出。

根据ep1839781a2，在粉末床熔融过程中在照射并因此熔化原料粉末时产生的焊接烟雾可能污染处理室的内部以及照射系统的部件，所述部件诸如例如透镜或窗口，辐射光束通过搜索所述透镜或窗口被引导到处理室中。因此，由照射系统发射的辐射能量中越来越多的部分可能被沉积的焊接烟雾凝结物吸收。因此ep1839781a2提出了给保护气体输送系统设置用于在产品形成区域与处理室的上壁之间产生和维持分隔区域(该分隔区域为保护气体流动层形式的)的装置，该分隔区域被指定为使焊接烟雾几乎不能通过。具体地，保护气体输送系统包括在处理室的侧壁中沿水平方向延伸的细长喷嘴。利用压缩机在升高的压力下供给到喷嘴的保护气体经由喷嘴以这样的方式供应给处理室，所述方式即，产生大体上层状的保护气体流。在处理室的与喷嘴相对的另一侧壁上提供出口开口，利用鼓风机通过该出口开口将保护气体从处理室排出。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于通过利用电磁辐射或粒子辐射照射原料粉末的层来生产三维工件的设备，其中在操作时间期间可以保持稳定的操作条件并因此可以生产高质量的工件。进一步地，本发明的目的是提供一种操作该类设备的方法。

通过本申请所限定的设备和方法实现该目的。

用于生产三维工件的设备包括处理室，该处理室容纳有用于容置原料粉末的承载器。承载器可以是刚性固定的承载器，原料粉末被施加在该承载器所具有的表面上以便经受电磁辐射或粒子辐射。然而，优选地，承载器被设计成在竖直方向上可移动，使得随着工件的增加的构造高度(因为工件是由原料粉末的层堆积而成的)，承载器能够在竖直方向向下移动。施加到处理室内的承载器上的原料粉末优选为金属粉末，特别是金属合金粉末，但也可以是陶瓷粉末或含有不同材料的粉末。粉末可有任何合适的颗粒尺寸或颗粒尺寸分布。然而，优选地是处理颗粒尺寸小于(<)100μm的粉末。

该设备进一步包括辐照装置，该辐照装置用于选择性地将电磁辐射或粒子辐射照射到承载器上的原料粉末上，以便通过增材逐层构造方法生产由所述原料粉末制成的工件。因此，施加到承载器上的原料粉末可以根据待生产的工件的期望的几何形状以位置选择方式经受电磁辐射或粒子辐射。该辐照装置可以包括辐射束源(特别是激光束源)，并且还可以包括用于引导和/或处理由辐射束源发射的辐射束的光学单元。该光学单元可以包含光学元件(诸如物镜以及特别是f-theta(f-θ)透镜)和扫描器单元，该扫描器单元优选地包括衍射光学元件和偏转镜。

此外，该设备提供有用于向处理室供应气体的第一气体入口。通过第一气体入口供给的气体可以是惰性气体，诸如，例如氩气、氮气等。可能想到的是，处理室可以是对周围大气可密封的，以便在处理室中能够保持受控的大气。受控的大气可以是惰性气体大气，以便防止不期望的化学反应，特别是氧化反应。此外，该设备包括用于从处理室排出气体的气体出口。该第一气体入口和气体出口配置和布置成产生掠过(across)承载器的第一气体流。

优选地大体上平行于承载器引导第一气体流，以便确保：在用电磁辐射或粒子辐射照射承载器上的原料粉末时在处理室中产生的颗粒杂质通过从第一进气口到气体出口被引导穿过处理室的第一气体流从处理室中被清除。例如，第一气体入口和气体出口可布置在处理室的相对侧壁的区域中。气体出口可以连接到气体排放线路，气体排放线路转而连接到第一气体供应线路，第一气体供应线路连接到第一气体入口，从而限定再循环系统，经由气体出口离开处理室到该再循环系统的气体可以经由第一气体入口再循环到处理室中。为了在气体经由第一气体入口再循环进入处理室之前，从经由气体出口从处理室排出的气体中移除微粒杂质，可以在再循环系统中提供适当的过滤器布置。

该设备进一步包括传输元件，该传输元件允许将辐照装置发射的电磁辐射或粒子辐射发送到处理室中。例如，传输元件可以设计成窗口的形式。替代地，该传输元件可以包括辐照装置的光学元件(特别是透镜)或由辐照装置的光学元件(特别是透镜)构成。该传输元件可被布置在处理室的壁的区域内，特别是处理室的顶壁的区域中。在该设备的具体优选实施例中，该传输元件被布置在承载器中心上方的区域中。例如，传输元件可以被结合到处理室的壁中(特别是处理室的顶壁中)。

该传输元件的材料可以根据辐照装置所发射的辐射类型进行选择，以便确保传输元件对于辐照装置所发射的电磁辐射或粒子辐射的期望传输能力。此外，该传输元件的材料应当选择为使得在生产三维工件的设备的运行期间传输元件能够承受作用在传输元件上的热负荷。例如，传输元件可以由玻璃材料或适合的聚合物材料制成。如果需要，传输元件在面对处理室内部的表面区域内可以设置有表面层，该表面层使焊接烟尘凝结物到传输元件的表面上的粘附和沉积最小化。

最后，该设备包括用于向处理室供应气体的第二气体入口。优选地，相同的气体(特别是惰性气体)通过第一气体入口和第二气体入口供给到处理室。然而，也能想到的是，不同的气体经由第一气体入口和第二气体入口被引导到处理室中。第二气体入口可以连接到第二气体供应线路，待经由第二气体入口供应进入处理室的气体适于流过该第二气体供应线路。第二气体供应线路可以连接到用于向第一气体入口供应气体的第一气体供应线路。然而，也能想到的是，第二气体供应线路是独立于第一气体供应线路而设计的，并且例如是直接连接到气体源。

第二气体入口配置和布置成在远离传输元件的方向上产生第二气体流。例如，第二气体入口可以布置在处理室的至少一个壁的区域中。优选地，第二气体入口被布置成邻近传输元件，即，在设备的优选实施例中，第二气体入口被布置成至少位于处理室的也容纳传输元件的壁的区域中。在传输元件被布置在处理室的顶壁的区域内的设备中，优选地，第二气体入口也被布置成至少位于处理室的顶壁的区域内。从第二气体入口流出的第二气体流可以在大体上垂直于处理室的容纳传输元件的壁的方向上流动远离传输元件。另外或可选择性地，第二气体流可以在承载器的方向上且优选地大体垂直于该承载器流动。

借助于第二气体流，微粒杂质(例如，在用电磁辐射或粒子辐射照射施加在承载器上的原料粉末时产生的焊接烟雾，或者粉末粒子)或者被阻止得不能到达传输元件或者至少被引导得远离传输元件。由此，第二气体流构成保护气体流，该保护气体流保护传输元件免受存在于处理室中的微粒杂质污染。由此，在用于生产三维工件的设备的更长运行时间期间，沉积在传输元件表面上的焊接烟尘凝结物对照射系统所发射的辐射能量的吸收可最小化，并且也能在处理室中维持稳定的运行条件。因此，可以制造高质量的工件而无需为了清洁传输元件而中断设备的运行。此外，可以防止或至少大大减少由于焊接烟尘凝结物的沉积对传输元件的损坏。

用于生产三维工件的设备可以进一步包括控制单元，该控制单元可以被设计成电子控制单元的形式，并且该控制单元可适于将对处理室的气体供应控制为使得经由第二气体入口进入处理室的气体体积流量大于经由第一气体入口进入处理室的气体体积流量。对向处理室的气体供应的控制允许以特别可靠的方式防止传输元件被污染。

第二气体入口可包括多个气体入口开口。通过将待经由第二气体入口供给到处理室的气体引导通过所述多个气体入口开口，可以在相对低气体进口压力下向处理室提供期望的高的气体入口体积流量。因此，可以避免在第二气体流中发生不期望的湍流，所述湍流可能扰乱施加在承载器上的原料粉末床和/或照射过程。优选地，第二气体入口的多个气体入口开口被配置和布置成限定第二气体入口区域。例如，由第二气体入口的气体入口开口限定的第二气体入口区域可被布置成与承载器大体上平行，使得允许在承载器的方向上且大体上垂直于承载器产生第二气体流。第二气体入口区域的大小可以大体上等于或大于承载器的表面积。这样的配置确保可靠地阻止当施加到承载器上的原料粉末在承载器的任何位置处被照射时从所述原料粉末中产生的焊接烟雾到达传输元件且因此污染传输元件。

在用于生产三维工件的设备的优选实施例中，第二气体入口区域包括布置在处理室的顶壁的区域内的第一部分以及布置在处理室的侧壁的区域内的第二部分。具体地，第二气体入口区域的第二部分可以被布置在处理室的侧壁的也容纳第一气体入口的区域内。通过这样的配置，可以增加第二气体入口区域的大小，允许经由第二气体入口以特别低的压力向处理室供应特别高的气体体积流量。第二气体入口区域可以包括可被布置在处理室的其他侧壁的区域内的其他部分，以便进一步增加第二气体入口区域。

该设备可以进一步包括压力均衡容器，该压力均衡容器可以被布置在第二气体入口上游的气体供应线路中，即第二气体供应线路。在这种情况下，术语“上游”是指气体流动通过气体供应线路(即，与第二气体入口连接的第二气体供应线路)的方向。由此，待经由第二气体入口供应到处理室的气体在进入处理室之前被引导进入压力均衡容器中。压力均衡容器用于补偿例如由于在设备运行期间产生的温度差而导致在第二气体入口上游的气体供给线路中以及在处理室中出现的压力差。由此，由于压力均衡容器的存在，可以以特别均匀的方式经由第二气体入口将气体供应到处理室。

压力均衡容器可以被结合到处理室的壁中。例如，压力均衡容器可以由处理室的壁中形成的中空空间限定。因而可以以特别节省空间的方式将压力均衡容器安装在设备中。第二气体入口可以被布置在压力均衡容器的面向处理室的壁中。然后可以很容易地将待经由第二气体入口供应给处理室的气体从压力均衡容器引导进入处理室中。

进一步地，传输元件可以被布置在压力均衡容器的面向处理室的壁中。另一传输元件(该另一传输元件可设计成与该传输元件类似或相同)可以被布置在压力均衡容器的远离处理室且将该压力均衡容器与辐照装置分隔开的壁中。这样，从辐照装置发射的电磁辐射或粒子辐射可被引导通过压力均衡容器进入处理室。

该压力均衡容器可以包括被结合到处理室的顶壁内的第一部分和被接合到处理室的侧壁内的第二部分。具体地，压力均衡容器的第二部分可以设置在处理室的侧壁的还容纳第一气体入口的区域内。该压力均衡容器的配置与如上所述的包括第一部分和第二部分的第二气体入口区域相结合是特别有利的。如果需要，压力均衡容器可以包括可布置在处理室的其他侧壁的区域内的其他部分，以便使压力均衡容器的设计适应于第二气体入口区域的设计。

最后，该设备可以设置有布置于第一个气体入口上游的另一气体供应线路(即，第一气体供应线路)中的另一压力均衡容器。在这种情况下，术语“上游”是指气体流动通过另一气体供应线路(即与第一气体入口连接的第一气体供应线路)的方向。因而，待经由第一气体入口供应到处理室的气体在进入处理室之前被引导进入该另一压力均衡容器中，该另一压力均衡容器用于补偿例如由于在设备运行期间产生的温度差而导致在第一气体入口上游的气体供应线路中以及在处理室中出现的压力差。由此，该另一压力均衡容器的存在允许气体以特别均匀的方式经由第一气体入口被供应给处理室。

在用于生产三维工件的方法中，将原料粉末层施加到处理室中容纳的承载器上。经由第一气体入口将气体供应给处理室。经由气体出口将气体从处理室排出。将第一气体入口和气体出口配置和布置成产生掠过承载器的第一气体流。该方法进一步包括以下步骤：通过辐照装置向承载器上的原料粉末选择性地照射电磁辐射或粒子辐射，以便通过增材逐层构造方法生产由所述原料粉末制成的工件。经由传输元件将辐照装置发射的电磁辐射或粒子辐射传输到处理室。经由第二气体入口将气体供给到处理室。第二气体入口配置和布置成在远离传输元件的方向上产生第二气体流。

优选地，将对处理室的气体供应控制为使得经由第二气体入口进入处理室的气体体积流量大于经由第一气体入口进入处理室的气体体积流量。

第二气体入口可包括多个气体入口开口，所述多个气体入口开口可以被配置和布置成限定第二气体入口区域。

优选地，第二气体入口区域包括布置在处理室的顶壁的区域中的第一部分和布置在处理室的侧壁的区域中的第二部分。具体地，第二气体入口区域的第二部分可以被布置在处理室的侧壁的还容纳第一气体入口的区域中。

待经由第二气体入口供给到处理室的气体可被引导通过压力均衡容器，该压力均衡容器可以被布置在与第二气体入口连接的气体供应线路(即第二气体供应线路)中，所述第二气体供应线路在第二气体入口的上游。

压力均衡容器可以被结合到处理室的壁中。第二气体入口可以被布置在压力均衡容器的面向处理室的壁中。类似地，该传输元件可以被布置在压力均衡容器的面向处理室的壁中。

该压力均衡容器可以包括结合到处理室的顶壁内的第一部分和结合到处理室的侧壁内的第二部分。具体地，压力均衡容器的第二部分可以被布置在处理室的侧壁的也容纳第一气体入口的区域中。

待经由第一气体入口供应到处理室的气体可以被引导通过另一压力均衡容器。该另一压力均衡容器可以被布置在与第一气体入口连接的另一气体供应线路(即，第一气体供应线路)中，所述另一气体供应线路在第一气体入口的上游。

附图说明

下面参照所附示意性附图对本发明的优选实施例进行更详细地解释，附图中：

图1示出了用于生产三维工件的设备的第一实施例的示意性三维示图；

图2示出了根据图1的设备的示意性截面图；

图3示出了用于生产三维工件的设备的第二实施例的示意性截面图；以及

图4示出了用于生产三维工件的设备的第三实施例的示意性截面图。

具体实施方式

图1和图2示出了用于通过增材逐层工艺来生产三维工件的设备10的第一实施例。设备10包括处理室12，该处理室容纳用于容置原料粉末的承载器14(见图2)。粉末施加装置(未示出)用于将原料粉末施加到承载器14上。承载器14被设计成在竖直方向上可移动，使得随着工件的增加的构造高度(因为工件是由承载器14上的原料粉末的层堆积而成的)，承载器14可以在竖直方向向下移动。

用于生产三维工件的设备10还包括辐照装置16，该辐照装置用于向施加到承载器14上的原料粉末选择性地照射电磁辐射或粒子辐射(特别是激光辐射)，以便通过增材逐层构造方法生产由所述原料粉末制成的工件。具体地，承载器14上的原料粉末可以根据待生产的部件的期望的几何形状而通过辐照装置16经受电磁辐射或粒子辐射。辐照装置16包括辐射源18，该辐射源可以包括发射波长约1070nm到1080nm的激光的二极管泵浦镱纤维激光器。

辐照装置16还包括光学单元20，该光学单元用于引导和处理由辐射源18发射的辐射束。光学单元可以包括用于扩展辐射束的光束扩展器、扫描仪和物镜。可替换地，光学单元可以包括具有聚焦光学器件和扫描器单元的光束扩展器。通过扫描器单元，可以改变和调整辐射束在光束路径的方向上以及与光束路径垂直的平面中的聚焦位置。扫描器单元可以被设计成检流计扫描仪的形式，并且物镜可以是f-theta(f-θ)物镜。

处理室12相对周围大气(即相对于处理室12周围的环境)密闭。如图中明显看到的，处理室12设有第一气体入口22，该第一气体入口用于将气体从气体源23供应给处理室12。经由第一气体入口22供应给处理室的气体可以是惰性气体，诸如，例如氩气、氮气等。然而，也可经由第一气体入口22将空气供应给处理室12。通过适当的输送装置(诸如，例如布置在第一气体供应线路24中的泵或鼓风机(未示出))经由第一气体入口22将气体输送到处理室12中。

包含微粒杂质的气体经由气体出口26从处理室12排出。气体出口26与气体排出线路28连接，该气体排出线路转而与第一气体供应线路24连接，该第一气体供应线路与第一气体入口22连接，从而限定再循环系统，经由气体出口26离开处理室12到该再循环系统的气体经由第一气体入口22再循环进入处理室12。为了在气体经由第一气体入口22再循环进入处理室12之前，从经由气体出口26从处理室12排出的气体中移除微粒杂质，在再循环系统中提供适当的过滤器布置(未示出)。

第一气体入口22和气体出口26被配置和布置成产生掠过承载器14的第一气体流f1。如图中所示，大体上平行于承载器14引导第一气体f1，使得在用电磁辐射或粒子辐射照射承载器14上的原料粉末时在处理室12中产生的微粒杂质通过从第一气体入口22到气体出口26被引导通过处理室12的第一气体流f1从处理室12中被清除。在附图中示出的设备10的实施例中，这通过在处理室12的相对侧壁30、32的区域内布置狭缝状的第一气体入口22和狭缝状气体出口26来实现。

设备10还包括传输元件34，该传输元件允许将辐照装置16所发射的电磁辐射或粒子辐射传输至处理室12中。在附图中描绘的设备10中，传输元件34被设计成由玻璃或聚合材料制成的窗口形式，该传输元件被布置处理室12的顶壁36的位于承载器14的中心上方的区域内。由此，根据待生产的工件的几何形状，可以如所期望地那样引导由辐照装置16发射的辐射束透过传输元件34并掠过承载器14。

此外，设备10包括用于将气体供应给处理室12的第二气体入口38。第二气体入口38连接至第二气体供应线路40，待经由第二气体入口38供应进入处理室12的气体流经该第二气体供应线路。与第一气体供应线路24一样，第二气体供应线路40也与气体源23连接。由此，相同的气体经由第一气体入口和第二气体入口22、38供应至处理室12。

第二气体入口38被配置和布置成在远离传输元件34的方向产生第二气体流f2。如图所示，第二气体流f2从处理室12的容纳传输元件34的顶壁36沿承载器14的方向且大体垂直于处理室12的顶壁36和承载器14二者的方向被引导。在附图示出的设备10的实施例中，这通过将第二气体入口38布置在处理室12的顶壁36的邻近传输元件34的区域内而实现。通过第二气体流f2，微粒杂质(例如，在用电磁辐射或粒子辐射照射时从施加在承载器14上的原料粉末中产生的焊接烟雾或者粉末粒子)或者被阻止到达传输元件34或者至少被引导远离传输元件34。因此第二气体流f2构成保护气体流，所述保护气体流保护传输元件34免于被处理室12中存在的微粒杂质污染。

通过控制单元42，以这样的方式对向处理室12的气体供应进行控制，即，使得经由第二气体入口38进入处理室12的气体体积流量大于经由第一气体入口22进入处理室12的气体体积流量。这种对向处理室的气体供应的控制允许以特别可靠的方式防止传输元件34被污染。

第二气体入口38包括多个气体入口开口44。因此，通过第二气体入口38能够以相对低的气体入口压力向处理室12提供期望的高的气体入口体积流量。因此，可以避免第二气体流f2中出现不期望的湍流，所述湍流可能扰乱施加到承载器14上的原料粉末床和/或照射过程。第二气体入口38的多个气体入口开口44被配置和布置成限定第二气体入口区域a，该第二气体入口区域a被布置成与承载器14大体平行，从而允许在承载器14的方向上和大体垂直于承载器14的方向产生第二气体流f2。第二气体入口区域a的大小大体等于承载器14的表面积，从而阻止当施加到承载器14上的原料粉末在承载器14上的任何位置处被照射时从所述原料粉末中产生的焊接烟雾到达传输元件34并因此污染该传输元件。

设备10还包括布置在第二气体入口38上游的第二气体供应线路40中的压力均衡容器46。在这种情况下，术语“上游”是指气体流动通过第二气体供应线路40的方向。通过将待经由第二气体入口38供应到处理室12的气体在进入处理室12之前引导通过压力均衡容器46，可以补偿例如由于在设备10的运行期间产生的温度差而导致在第二气体供应线路40中和处理室12中出现的压力差。

压力均衡容器46被结合在处理室12的壁中。在根据图1和图2的设备10中，压力均衡容器46被结合在处理室12的顶壁36中并且由处理室12的顶壁36中形成的中空空间限定。由此，第二气体入口38被布置在压力均衡容器46的面向处理室12的壁48中。进一步地，传输元件34也被布置在压力均衡容器46的面向处理室12的壁38中。

另一传输元件50(见图2，该另一传输元件被设计成与传输元件34相同)被布置在压力均衡容器46的背对处理室12且将压力均衡容器46与辐照装置16分隔开的壁52中。由此可以将从辐照装置16发射的电磁辐射或粒子辐射引导通过压力均衡容器46进入到处理室12中。

图3中示出的设备10的第二实施例不同于根据图1和图2的设备10之处在于，第二气体入口区域a包括布置在处理室12的顶壁36的区域内的第一部分a1以及布置在处理室12的第一侧壁30的区域内的第二部分a2。具体地，第二气体入口区域a的第二部分a2布置在处理室12的第一侧壁的还容纳第一气体入口22的区域30中。通过提供具有第一部分和第二部分a1、a2的第二气体入口区域a，可以增大第二气体入口区域a的大小，允许以特别低的压力经由第二气体入口38向处理室12供应特别高的气体体积流量。

此外，在根据图3的设备10中，压力均衡容器46包括结合在处理室12的顶壁36中的第一部分46a以及结合在处理室12的第一侧壁30中的第二部分46b。具体地，压力均衡容器46的第二部分46b布置在处理室12的第一侧壁30的还容纳第一气体入口38的区域中。另外根据图3的设备10的结构和功能对应于图1和图2中描述的设备10的结构和功能。

图4中示出的设备10的第三实施例不同于根据图1和图2的设备10之处在于，图4中描绘的设备10提供有布置在第一气体入口22上游的第一气体供应线路24中的另一压力均衡容器54。在这种情况下，术语“上游”是指气体流动通过第一气体供应线路24的方向。

通过将待经由第一气体入口22供应给处理室12的气体在进入处理室12之前引导通过另一压力均衡容器54，可以补偿例如由于在设备10的运行过程中产生的温度差而导致在第一气体入口22上游的第一气体供应线路24中和处理室12中出现的压力差。由此，该另一压力均衡容器的存在允许将气体以特别均匀的方式经由第一气体入口22供应给处理室12。另外根据图3的设备10的结构和功能对应于图1和图2中描述的设备10的结构和功能。

参照具体的实施例，本文还描述了用于生产三维工件的设备10的具体的特征，可以根据期望组合这些特征。例如，根据图3的设备10可以装备有另一压力均衡容器54。