用于工件的粉末床基增材制造的、具有多个用于不同粉末类型的计量装置的设备及其运行方法与流程

本发明涉及一种用于工件的粉末床基增材制造的设备，所述设备具有过程室，在所述过程室中设置有用于粉末床的容纳装置。为了能够用粉末填充容纳装置，在所述设备中设置有多个用于不同的粉末类型的计量装置。此外，本发明涉及一种用于运行这种设备的方法。

按照本申请，基于粉末床的增材制造方法(即粉末床基增材制造方法)应该理解为将应当用来制造构件的材料在构件形成期间添加到构件上的方法。在此，构件已经形成其最终造型或者至少接近所述造型。构造材料是粉末状的，其中，通过增材制造方法使用于制造构件的材料逐层地被能量束固化。

为了能够制造构件，针对所选择的增材制造方法提供描述构件的数据(cad模型)。所述数据被转换为待制造的工件的与制造方法适配的数据，以生成用于制造设备的指令，从而能够在制造设备中运行用于逐步地制造所述工件的适当工艺步骤。为此这样提供所述数据，即提供用于工件的需要分别产生的层(切片，slices)的几何数据，这也称为切片。工件可以具有偏离构件的造型。例如可以考虑由于制造产生的构件扭曲，所述构件扭曲可以通过工件几何形状的偏差来补偿。工件通常也具有支撑结构，在对构件进行精加工时，所述支撑结构必须被再次移除。

作为增材制造的例子可以列举选择性激光烧结(也称为sls，selectivelasersintering)、选择性激光熔融(也称为slm，selectivelasermelting)和电子束熔融(也称为ebm，electronbeammelting)。这些方法尤其适用于加工形式为粉末的金属材料，通过所述粉末可以制造结构构件。

在slm、sls和ebm中，分层地在粉末床中制造构件。分别在粉末床中产生粉末的一层，这层接下来通过能量源(激光或者电子束)在应该形成构件的区域中被局部熔融或者烧结。由此逐步地分层地产生构件并且可以在制造完成之后将构件从粉末床中取出。

本文开头所述类型的设备或者其运行方法例如在us2015/0352784a1中描述。为了能够由多种材料通过基于粉末床的增材制造方法逐层地制造工件，建议可围绕用于待产生的粉末床的容纳装置布置多个用于不同的粉末类型的储存容器。所述储存容器提供与待产生的粉末床的表面处于一个水平上的相应的粉末类型的表面。随即可以借助滑动器分别将确定量的粉末从粉末储存器推入粉末床中。由于储存容器的表面必须布置在与粉末床相同的平面上以便借助推移实现计量施加，所以这种用于增材制造的设备具有比只需加工一种粉末类型的设备明显更大的结构空间。

由de102014221885a1已知，用于基于粉末床的增材制造的设备可以具有多个计量装置，所述计量装置相对于垂直的并且延伸通过容纳装置的中轴线沿径向定向。这些计量装置可以围绕中轴线旋转并且在此将粉末计量施加到粉末床上，所述粉末床具有圆形的表面。由此能够在旋转中多次地计量施加粉末，所述粉末通过分别布置在计量装置之间的激光器分别被固化。

因此，本发明所要解决的技术问题在于，提供一种用于工件的粉末床基增材制造的设备，所述设备将在粉末床中加工多个粉末类型的可能性与紧凑的构型相结合。

所述技术问题按照本发明通过本文开头所述的设备由此解决，即，所述计量装置分别具有空腔，所述空腔分别具有计量缝隙或者说计量切口，其中，空腔能够分别被加载一种粉末类型(并且因此不同的粉末类型)。此外，计量装置的计量缝隙相对于垂直的、延伸通过容纳装置的中轴线沿径向地布置，所述中轴线优选处于待产生的粉末床的中央区域中。换而言之，中轴线延伸通过其中应该产生粉末床的容纳装置。容纳装置和计量装置能够围绕中轴线相对彼此旋转，因此通过所述相对彼此的旋转运动确保了能够通过计量缝隙到达待产生的粉末床的整个表面。在此，所述相对运动类似于表针围绕表盘的旋转(其中作为备选也可以指针不转而表盘旋转)。因此，所述相对运动也可以通过容纳装置围绕中轴线的旋转产生。

此外，粉末床也必须设计为可下降的，或者备选地，计量装置必须设计为可抬升的。由此确保了能够逐层地产生粉末床，而在计量装置与粉末床的表面之间不会产生碰撞。

容纳装置优选装备有用于粉末床的柱状的容纳空间。中轴线则优选与柱状的容纳空间的对称轴相同。由此有利地实现了设备的特别紧凑的构型。此外，计量装置可以最佳地与容纳装置的几何形状适配，因为用于粉末床的边缘总是与中轴线具有相同的距离。容纳装置当然也可以具有不同地构造的容纳空间，所述容纳空间例如提供待产生的粉末床的正方形表面。其它的表面、例如规则的六边形或者其它的多边形也是可以考虑的。

由于计量装置相对于中轴线沿径向布置，所以计量装置有利地布置在粉末床上方的狭窄空间中。在此，对粉末的计量直接通过计量装置的计量缝隙实现，因此在用于粉末床的容纳装置上方才能够实现节省空间的布局。通过用不同的粉末类型加载计量装置，能够实现多种材料的加工，方式为用不同的粉末类型构造粉末床。

按照本发明的一种有利的设计方案规定，所述容纳装置具有用于粉末床的内部边缘，所述内部边缘将围绕中轴线的区域与待形成的粉末床分隔开。这意味着，在中轴线的区域中不产生粉末床，因为内部边缘阻止了在这个区域中产生粉末床。在这个区域中，由于旋转式的相对运动和与中轴线的较小距离而难以实现对粉末的计量，因此在内部边缘内放弃产生粉末床。这节省了粉末材料并且因此降低了用于需要增材制造的工件的制造成本。内部边缘例如可以由柱状的圆顶形成，其平坦的上侧恰好处于粉末床表面的高度。所述圆顶则恰好占据了应该在粉末床中留空的容积。

按照本发明的另一设计方案可以规定，设置有用于将待产生的粉末床的表面整平的滑动器。所述滑动器正如计量装置一样相对于中轴线沿径向地定向并且能够围绕中轴线相对于容纳装置旋转。滑动器这样布置在待产生的粉末床的表面的高度上，使得其推移实现了粉末床的整平。多余的粉末材料尤其可以从粉末床的表面上被移除。也可以考虑的是，使用多个滑动器、尤其是每个粉末输送器使用一个滑动器。然而，也可以只布置一个滑动器，所述滑动器可以通过滑动器与容纳装置之间的足够大的相对旋转到达通过每个计量装置输入的粉末。滑动器因此有利地有助于实现粉末床表面的改善的质量。

按照本发明的设备的另一设计方案规定，所述容纳装置具有用于多余的粉末的开口，所述开口与用于粉末床的外部边缘邻接并且通向收集容器中。如果多余的粉末通过滑动器在待产生的粉末床的表面上被剥除，则多余的粉末可以有利地通过外部边缘可靠地到达收集容器并且在该处该储存。这有利地实现了对粉末的可靠清除或者再次使用。所述开口可以有利地完全包围所述外部边缘。以此方式可以使所有被滑动器径向向外地带动的粉末通过开口进入收集容器中。开口优选设计为环状的切缝，所述切缝包围外部边缘。

备选地，按照本发明的另一设计方案也可行的是，所述容纳装置具有用于多余的粉末的开口，所述开口与用于粉末床的内部边缘邻接并通入收集容器中。这实现了对可能通过中央开口进入收集容器的多余粉末的容纳。与此相关的优点已然阐述。此外，本发明的这种实施形式特别节省空间，因为内部边缘的不应该被粉末床占据的区域否则会保持不被利用。

按照本发明的与收集容器的使用适配的设计方案可以规定，所述滑动器在从上方的俯视图中具有弯曲的延伸走向。在此，滑动器作为整体以其弯曲的延伸走向相对于中轴线沿径向布置，其中，滑动器棱边的定向在滑动器的径向延伸中改变。由此根据曲率，在滑动器棱边处向外或者向内地带动多余的粉末，从而更简单地将这种多余的粉末清除到收集容器中。

如果滑动器以其凸形侧向前掠过粉末床，则粉末在滑动器运行期间被径向向内地带动并且可以通过容纳装置的内部边缘经由开口进入收集容器。如果滑动器以其凹形侧向前掠过粉末床，则多余的粉末向外被推移经过容纳装置的外部边缘并且可以落入优选环状的开口中，以便以此方式进入收集容器中。在此有利地防止了在滑动器之前的多余粉末的量大到使得多余的粉末越过滑动器的上棱边落到已经被整平的粉末床上。

按照本发明的一种特殊的设计方案规定，计量装置分别装备有储存容器，所述储存容器分别与计量装置的空腔连接。储存容器容纳确定的量的需要分别加工的粉末类型，所述粉末类型可以通过计量装置的空腔的连接被输入。空腔则用于在缝长度上分配粉末，从而使粉末可以均匀地分布在粉末床上。为此目的也可以在空腔中设置分隔壁，所述分隔壁将粉末流划分开并且由此输入计量缝隙的不同区段。这有利地实现了在缝长度上的粉末施加的均匀化。在此也可以考虑的是，在计量缝隙的处于径向内部的区段中每单位时间需要输入的粉末量小于计量缝隙的径向外部区段，因为计量缝隙每转一圈在外部比在内部经过更长的路径。

按照具有储存容器的设备的进一步的设计方案可以规定，所述储存容器布置在过程室中并且针对每个储存容器设置有填充装置，所述填充装置能够在过程室之外被供应相关的粉末类型。当计量装置旋转以产生粉末床时，这种变型方案是特别有利的。在计量装置运动期间，储存容器可以容纳足够的粉末，从而使粉末能够通过计量缝隙被分配到粉末床上。在储存容器空了时，相关的计量装置可以移动至填充装置，从而可以在过程室的外部再填充相应的粉末类型。在此，过程室有利地不需要打开，从而能够防止由于环境影响因素污染过程室。此外有利地防止了粉末从过程室到达外部。最后能够有利地将与储存容器的再填充相关联的设备静止时间减至最小。

此外，上述技术问题通过本文开头所述的方法按照本发明由此解决，即，所述计量装置分别具有空腔，所述空腔分别具有计量缝隙，其中，分别用一种粉末类型加载空腔。如已经提到的那样，计量缝隙相对于垂直的、延伸通过容纳装置的中轴线沿径向地定向。在至少一种粉末类型通过对应的计量缝隙分配到粉末床上期间，容纳装置和计量装置围绕中轴线相对彼此旋转。在此，在方法中使用的设备可以具有之前已经详细阐述的特性。

按照本发明的方法有利地实现了不同的运行方式，通过所述运行方式有利地增大了在增材制造的工件中的造型可能性，如应该在以下详细阐述的那样。

按照按本发明方法的一种设计方案可以规定，为了产生粉末床的同一层，将至少两种粉末类型通过对应的计量缝隙分配到粉末床上，其中，这些粉末类型相互混合。以此方式能够制造工件的不只由一种粉末类型组成的层。例如，通过金属粉末的混合，能够实现金属合金的制造，其中，这些金属合金在粉末熔融或者烧结期间通过扩散过程形成。有利地可以通过以下方式实现合金的形成，即以正确的混合比将由合金成分(粉末类型)构成的粉末相互混合。因此有利地不需要预先储备(vorhalten)合金粉末，这降低了与原材料的仓储管理相关的成本。

按照本发明的另一设计方案规定，通过计量装置与容纳装置之间的旋转速度来调节粉末类型的混合比。由此例如可以通过较低的旋转速度分配应该以较高的浓度存在的粉末类型，因此计量装置在粉末床上的旋转持续更长时间并且以此方式使更多的粉末通过计量缝隙掉落。相应地，以较高的旋转速度将应该以较低的浓度计量加入的粉末类型施加到粉末床上。由此有利地充分利用了用于混合粉末的更大的构造余地。按照本发明的方法的更进一步的实施形式规定，所述旋转速度在计量加入相应的粉末类型期间改变。由此可行的是，在粉末床的刚好待产生的层中局部地改变粉末类型的混合比。尤其也可行的是，在一层中产生一种粉末类型的浓度梯度，其中，浓度梯度沿周向在粉末床中定向。

本发明的另一设计方案规定，在两个相邻的层的施加之间实现对计量装置的使用的转换。以此方式也可以在金属的粉末类型中形成合金，方式为相邻的层通过能量束充分地加热、尤其是熔融，从而实现粉末材料在正形成的工件中的扩散。

以下根据附图描述本发明的其它细节。相同或者相应的附图元素分别配设有相同的附图标记并且只在各个单独的附图之间产生区别时才多次阐述。

以下阐述的实施例是本发明的优选实施形式。在所述实施例中，所描述的实施形式组成部分分别是本发明的各个单独的、可以彼此独立地观察的特征，所述特征也分别彼此独立地对本发明进行扩展并且因此也单独地或者以与所示组合不同的组合方式被视为本发明的组成部分。此外，描述的实施形式也可以通过本发明的其它已经描述的特征进行补充。

在附图中：

图1示意性地以剖面示出按照本发明的设备的一个实施例，在所述设备上执行按照本发明的方法的一个实施例，

图2示出从上方观察按照图1的设备的容纳装置和计量装置的俯视图，其中，剖切平面i-i按照图1绘出，

图3示出用于执行按照图1的方法的粉末床的划分，

图4示出按照本发明的设备的备选实施例，其中壳体切开并且示出容纳装置以及计量装置的俯视图。

按照图1的用于增材制造工件11的设备设计为用于选择性激光熔融的设备。所述设备具有用于粉末床13的容纳装置12，其中，所述容纳装置具有外部边缘14，所述外部边缘由圆柱形的壁形成。此外设置有用于粉末床的内部边缘15，所述内部边缘同样由圆柱形成。因此，粉末床13具有圆环的形状。容纳装置12还装备有构建平台16，在所述构建平台上分层地制造工件11。为此目的，构建平台12能够下降相应的层厚，其中，这通过未详细显示的驱动器实现。

工件11借助能量束17(在此是激光束)制造，所述能量束通过激光器18产生。示出了用于能量束17的转向光学器件19，所述转向光学器件将能量束穿过窗口20导入过程室21中，在所述过程室中设置具有粉末床13的容纳装置12。激光器18处于过程室21外部，转向光学器件19同样处于过程室外部。通过转向光学器件19以及未显示的其它光学元件(例如聚焦光学器件)这样在粉末床13的表面22上导引能量束，使得用于制造工件11的粉末固化、尤其是熔融。

为了产生粉末床13，在过程室21中布置有多个计量装置23a、23b、23c(参见图2)，其中在图1中只剖切地示出计量装置23a。所述计量装置23a与未显示的计量装置23b、23c相同地构造并且具有储存容器24a，在所述储存容器中可以贮存确定的粉末类型的粉末25。通过打开计量阀26a，粉末可以通过空腔27a到达计量缝隙28a，粉末25通过所述计量缝隙28a均匀地分配到粉末床13的表面22上。

为了在计量缝隙28的长度上均匀地分配粉末，可以在空腔27a的内部布置分隔壁29a，通过所述分隔壁将粉末类型流由箭头30表示地划分。为了使粉末25的粉末类型均匀地分配到圆环形的粉末床13的圆周上，还要求在容纳装置12与计量装置23a之间进行相对的旋转运动。这通过以下方式实现，即计量装置23a围绕中轴线31旋转，所述中轴线垂直于粉末床13的表面22。为此目的，计量装置23a安装在固持杆32上，所述固持杆布置在中轴线31上并且可以通过驱动器33旋转。在此，计量缝隙28a掠过粉末床13的整个表面22。

多余的粉末可以在计量期间通过滑动器34(在图2中显示)从粉末床13的表面22上被清除。为了收集这种粉末，在按照图1的设备中提供收集容器35，所述收集容器环形地围绕容纳装置12布置并且具有切缝状的开口36，所述开口在外部连接在用于粉末床的外部边缘14上。因为构建平台16逐层地下降，所以外部边缘14总是处于粉末床13的表面22的高度，因此多余的粉末可以借助滑动器34越过外部边缘14运输至开口36中。所收集的粉末剩余37可以根据使用情况被摒弃或者被再次使用。

在计量装置23a的在图1中所示的位置中，可以通过填充装置38a为储存容器24a再填充期望的粉末类型的粉末25。为此使用布置在过程室21外部并且在图1中未示出的粉末储库。由此可行的是，能够在不打开过程室的情况下进行粉末25的再填充。粉末的再填充通过打开填充阀39a实现并且例如可以在能量束17在粉末床的可接触到的位置上产生工件11期间进行。

在图2中能够作为俯视图识别出具有粉末床13的容纳装置12。在粉末床上方布置有计量装置23a、23b、23c，所述计量装置固定在固持杆32上。通过固持杆32，计量装置与滑动器34共同沿箭头的方向(旋转方向40)旋转。由此实现了将来自储存容器24a、24b、24c的不同的粉末类型计量施加到粉末床13上。粉末储存容器(储库)被整合在共同的壳体中，其中粉末储存容器之间的分隔壁通过虚线表示。沿旋转方向40观察，滑动器34在计量装置23a、23b、23c之后运行经过粉末床13。所述滑动器弯曲地设计，其中，多余的粉末汇集在凸形侧41处并且由于滑动器的弯曲而在沿旋转方向40旋转期间被径向向外地运输。在越过外部边缘14之后，多余的粉末落入开口36中，所述开口形成围绕外部边缘14的环形缝。

粉末计量装置23a、23b、23c可以为了计量加入粉末而单独地或者同时地打开。在同时打开时，能够在粉末床的所制造的一个层内在粉末床13上实现多个粉末类型的混合。如果单独地使用计量装置，则可以依次地在粉末床13上涂覆不同粉末类型的层。

在图3中示意性地示出，如何可以将按照图2的粉末床13划分为多个扇段42。在每个这种扇段中可以制造不同的工件11，其中，这些工件11可以具有不同的几何形状和组成。为了能够针对每个构件规划粉末的转换，可以单独地针对每个扇段42在所涂覆的粉末类型之间进行转换。由此可行的是，在按照图1的设备的一个制造批次(或加料)中制造具有不同的材料组成的工件11。此外可以看出，工件11全部在径向区域43(通过虚线表示)中制造，所述径向区域只包含了粉末床13的整个径向尺寸的部分区域。在所述区域43中，计量装置23a、23b、23c的圆形运动可以被近似地视作线性的，因此可行的是，产生沿粉末床13的平面定向的浓度梯度，所述浓度梯度基本上线性地从构件的一侧向构件的另一侧延伸。

按照图4可以看出用于增材制造工件的设备，在所述设备中，容纳装置12沿箭头方向(旋转方向44)可旋转地布置，而计量装置23a、23b、23c、23d位置固定地布置在过程室21中。这些计量装置的结构可以基本上与图1所述的结构相同，区别在于储存容器24a、24b、24c、24d布置在壳体外部并且通过填充装置38a、38b、38c、38d直接为计量装置23a、23b、23c、23d供应相应的粉末类型。这通过以下方式实现，即计量装置可以固定地安装在过程室21中，因为相对的旋转运动通过容纳装置实施。

与图1相比，容纳装置12的另一区别在于，用于容纳多余的粉末的开口36处于粉末床的内部边缘15内。相应地，弯曲的滑动器34布置为，使得多余的粉末在滑动器的凹形侧45处汇集。因此，通过粉末床13沿旋转方向44在滑动器34下方的旋转运动，多余的粉末被径向向内地带动、越过内部边缘15并且落入开口36中。在所述开口下方布置有未详细示出的收集容器。容纳装置12的外部边缘14配设有密封唇46，从而不会有多余的粉末在外部边缘14处产生损失。

按照图4的设备当然也可以装备有按照图1的环形收集容器35，其中则取代密封唇46设置开口。也可行的是，外部边缘14和内部边缘15均具有用于收集多余的粉末的开口36(既在按照图4的设备中也在按照图1的设备中)。在按照图1的设备中也可以只在内部边缘15处设置开口。用于产生相对运动的原理也可以在按照图1和图4的设备中交换，也就是说：按照图1，容纳装置12可旋转地并且计量装置23a位置固定地设计，而按照图4，计量装置23a、23b、23c、23d如在图1中那样可旋转地并且为此容纳装置12位置固定地设计。