专利名称：通过激光烧结中的优化的过程引导改善的器件特性的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于逐层地制造三维对象的设备、用于逐层地制造的方法以及相应的成型体。
背景技术：
顺畅地提供原型是最近经常提出的任务。能够实现这一点的方法称为快速原型建造(Rapid Prototyping) /快速制造或者还称为添加式制造方法。特别合适的是基于粉末状原料工作以及其中逐层地通过选择性的熔化和固化制造期望结构的方法。在此可以放弃 在悬垂和咬边时的支承构造，因为包围熔化的区域的粉末床提供足够的支承作用。同样取消去掉支承的追加工作。这些方法还适于制造小批量。结构空间温度被选择为，使得在构建过程期间不导致逐层制造的结构的变形。 一种特别良好地适用于快速原型建造/快速制造目的的方法是选择性激光烧结(SLS)0用于表示由粉末状聚合物制成的成型体的激光烧结方法(快速原型建造)在专利文献US6136948和W096/06881 (两个都是DTM公司的)中详细描述。针对该应用对多种聚合物和共聚物要求保护，例如多醋酸盐(Polyacetat )、聚酯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、离聚物和聚酰胺。在上述方法中的问题是，聚合材料通过激光的功率峰值受到损坏。通过功率峰值而引起的升高的温度可能导致聚合物的分子量分解。通过热损坏可能发生器件的变色。此外在处理时偶尔通过所提到的温度峰值释放聚合原料的成分。所释放的物质干扰该过程，因为这些物质在重要的器件如透镜或高温计(辐射温度计)处沉积并且影响其功能。在SLS领域中的发展朝着越来越高的曝光速度的方向行进，所述越来越高的曝光速度需要激光的功率越来越高以将必要的激光能量引入粉末材料中。因此，简单地减小激光的功率以避免分子量分解不引向目标。过程通过该措施明显变慢，这是不希望的。存在对以下解决方案的需要，在该解决方案中可以将尽可能高的激光能量引入粉末材料中而不引起分子量分解。
发明内容
因此本发明的任务是激光烧结过程的改善。令人吃惊地发现，该问题可以利用激光的功率控制的脉宽调制(PWM)的高的占空
率解决。由此本发明的第一主题是一种用于逐层地制造三维对象的设备，至少包括激光器，其中该设备附加地包括将激光器调节到大于60%的占空率的控制单元。本发明设备的重要核心是存在将激光器调节到大于60%、优选大于80%以及尤其是调节到大于90%的占空率的控制单元。利用高的占空率，可以避免或明显减小聚合物的通过激光引起的分子量分解，而不减小激光的能量输入和从而曝光过程的速度。尤其是，本发明的设备具有以下优点仅通过控制激光就能实现本发明的优点，而无需进行现有设备的较大的改造。控制单元用于控制激光，其中对激光的控制优选通过脉宽调制进行。脉宽调制(PWM)是其中在两个值(接通/断开)之间转换技术参量的调制类型。在恒定的频率的情况下对脉冲/接通时间的宽度进行调制。利用PWM可以实现低损的切换运行。占空率(也称为调制度(Aussteuergrad),英语即duty factor (占空因数))对于根据DIN IEC 60469-1的脉冲周期序列说明了脉冲持续时间与脉冲周期持续时间的比例。因此，占空率是接通时间相对于周期持续时间的比例。占空率作为具有从O至I的值的无量纲比例数或者作为O到100%来说明。接通时间相对于周期持续时间越长，占空率和平均功率也就越高。在本发明设备的优选实施方式中，借助脉宽调制调整激光，其中时钟脉冲频率为至少5kHz，优选至少IOkHz并且完全特别优选地至少20kHz。本发明设备的实施方式从图I可看出。从而用于逐层地制造对象的设备具有结构 容器。在该容器中设置具有基本上平坦的并且与结构容器的上边缘基本上平行取向的上侧的载体(6)。载体(6)被构成用于承载待形成的对象(5)。载体(6)可以通过(未不出的)高度调节装置在垂直方向上移动。其中施加和固化粉末材料的平面形成工作平面(4)。该设备具有辐射源，例如以激光器I的形式，该激光器产生激光射线2。在结构容器上方设置扫描单元(3)。在本发明的设备中包含的控制单元(未示出)现在调整激光的功率输出，尤其是借助 PWM。结构容器可以退火和/或用惰性气体(例如用氩)惰性化。本发明的另一主题是用于由聚合物粉末逐层地制造三维对象的方法，其中通过具有大于60%的占空率的激光器对聚合物粉末进行选择性熔化或烧结。在本发明的范围中，占空率为大于60%，尤其是大于80%，并且特别优选地大于90%。为了避免在曝光时对聚合原料造成损坏，优选地激光器的时钟脉冲频率尤其是以通过控制单元借助脉宽调制(PWM)调整的方式应当为至少5kHz，在基频更小的情况下所产生的器件的溶液粘度附加地下降。特别优选地，时钟脉冲频率为大于10kHz，完全特别优选地大于20kHz。原则上，技术人员已知的所有聚合物粉末都适合于在本发明的设备或本发明的方法中使用。尤其合适的是热塑性塑料和热弹性物，例如聚乙烯(PE，HDPE，LDPE)、聚丙烯(PP)、聚酰胺、聚酯、聚酯酯、聚醚酯、聚苯醚、聚缩醛、聚对苯二甲酸亚烷基酯、尤其是聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯醇缩醛、聚氯乙烯(PVC)、聚苯氧化物(ΡΡ0)、聚甲醛(Ρ0Μ)、聚苯乙烯(PS)、丙稀腈一丁二烯一苯乙烯(ABS)、聚碳酸酯(PC)、聚醚砜、热塑性聚氨酯(TPU)、聚芳醚酮、尤其是聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚醚酮(PEK)、聚醚醚酮酮(PEEKK)、聚芳醚醚醚酮(PEEEK)或聚醚酮醚酮酮(PEKEKK)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚芳硫醚、尤其是聚苯硫醚(PPS)、热塑性聚酰亚胺(PI)、聚酰胺酰亚胺(PAI)、聚偏氟乙烯以及这些热塑性塑料的共聚物，例如聚芳醚酮(PAEK) /聚芳醚砜(PAES)共聚物、混合物和/或聚合物混合物。特别优选地，聚合物粉末包括至少一种聚酰胺，尤其是聚酰胺12。
由此，本发明的另一主题是用于在制造三维对象的本发明设备上处理的聚合物粉末，其中该聚合物粉末包括至少一种聚酰胺，尤其是聚酰胺12。在运行中，首先一般在计算机中基于构造程序等产生或存储关于待制造对象(5)的形状的数据。为了制造该对象如此对这些数据进行处理，使得该对象被分解为多个水平的、与对象维度相比薄的层，并且形状数据例如以数据组的形式一例如CAD数据一为所述多个层中的每一个提供。在此，可以在制造每个层之前或者也与制造每个层同时地为每个层产生和处理数据。接着首先借助高度调节装置将结构平台(6)移动到最高位置，结构平台(6)的表面在该最高位置中位于具有结构空间的表面的平面中，并且接着降低第一材料层的所设置的厚度的数值，从而在所形成的片段中形成降低的区域，该区域在侧面由该片段的壁以及在下方由结构平台(6)的表面限制。由此例如借助施加装置(7)将待固化材料的具有所设置的层厚度的第一层引入到由所述片段和结构平台(6)形成的空腔或降低的区域中，并且必要时由加热装置加热到合适的工作温度，例如100°C至360°C，优选120°C至200°C，特别优选地140°C至160°C。接着，控制单元(3)这样控制偏转装置，使得被偏转的光射线(2)相继地射在该层的所有位置处并在那里对材料进行烧结或熔化。通过这种方式可以首先形成·固定的底层。在第二步骤中借助高度调节装置将结构平台(6)降低一个层厚度的数值，并且借助施加装置(7)将第二材料层引入到所述片段内的由此形成的降低的区域中，必要时又由加热装置加热。在一种实施方式中，偏转装置这次可以由控制单元(3)这样控制，使得被偏转的光射线(2)仅射到材料层的与所述片段的内面邻接的区域上并在那里通过烧结对材料层进行固化，由此形成具有大约2至IOmm的壁厚的第一环形壁层，该第一环形壁层完全包围该层的剩余的粉末状材料。由此控制装置的该部分是用于产生包围待形成对象(5)的容器壁同时在每一层中形成对象的装置。在按照与上面相同的方式将结构平台(6)降低下一层的层厚度的数值、施加材料并且加热之后，现在可以开始对象(5 )本身的制造。为此，控制单元(3 )这样控制偏转装置，使得被偏转的光射线(2)射在该层的应当相应于待制造对象(5)的存储在控制单元中的坐标而被固化的这样的位置处。对于其它层类似地进行。在以容器壁的形式期望地制造环形壁区域的情况下，其中所述容器壁包围所述对象连同剩余的、未被烧结的材料并且从而在将结构平台(6)降低到工作台下方时防止材料的溢出，对于每个对象层借助所述装置将环形壁层烧结到位于下方的环形壁层上。如果使用相应于EP1037739的更换容器或者固定安装的容器，则可以放弃产生所述壁。在冷却之后可以从所述设备中提取出所形成的对象。利用本发明的设备，可以通过简单的方式制造任意的成型体。由此利用本发明的设备或利用本发明的方法制造的成型体同样是本发明的主题。特别优选的是，根据本发明所制造的成型体具有根据IS0307(Schott AVS Pro,溶剂间甲酹酸(m-Kresol sauer),容积测定方法，双重确定，溶解温度100°C，溶解时间2h，聚合物浓度5g/l，测量温度25°C)的至少I. 58的溶液粘度。优选地，根据本发明制造的成型体的根据IS0307的溶液粘度为I. 6。即使没有其它实施方式也假定，技术人员可以在最宽的范围中使用上面的描述。因此这些优选的实施方式和示例应只被理解为描述性的、而绝不能理解为以任何方式限制的公开。
下面借助示例更详细阐述本发明。本发明的替换实施方式能以类似的方式获得。
具体实施方式
示例
在本发明的范围中使用表格I中所述的测量方法，其中只要技术上可行这些测量方法就既被用于确定所采用的材料的特性又被用于获得的产品
权利要求
1.用于逐层地制造三维对象的设备，至少包括激光器，其特征在于，该设备包括将激光器调节到大于60%的占空率的控制单元。
2.根据权利要求I的设备，其特征在于，所述控制单元借助脉宽调制调节激光器的占空率。
3.用于由聚合物粉末逐层地制造三维对象的方法，其中通过具有大于60%的占空率的激光器对聚合物粉末进行选择性熔化或烧结。
4.根据权利要求3的方法，其特征在于，通过具有大于80%的占空率的激光器对聚合物粉末进行选择性熔化或烧结。
5.根据权利要求3或4的方法，其特征在于，通过具有大于90%的占空率的激光器对聚合物粉末进行选择性熔化或烧结。
6.根据权利要求3至5中的一个或多个的方法，其特征在于，借助具有至少5kHz的时钟脉冲频率的激光器对聚合物粉末进行选择性熔化或烧结。
7.根据权利要求6的方法，其特征在于，借助具有至少IOkHz的时钟脉冲频率的激光器对聚合物粉末进行选择性熔化或烧结。
8.根据权利要求6的方法，其特征在于，借助具有至少20kHz的时钟脉冲频率的激光器对聚合物粉末进行选择性熔化或烧结。
9.用于在根据权利要求I或2的逐层地制造三维对象的设备上处理的聚合物粉末，其特征在于，该聚合物粉末包括至少一种聚酰胺。
10.利用根据权利要求I或2的设备或利用根据权利要求3至8的方法制造的成型体。
11.根据权利要求10的成型体，其特征在于，所述成型体具有根据ISO307的至少为I.58的溶液粘度。
全文摘要
本发明涉及用于逐层地制造三维对象的设备、用于逐层地制造的方法以及相应的成型体。
文档编号C08J5/00GK102886899SQ201210252520
公开日2013年1月23日 申请日期2012年7月20日 优先权日2011年7月21日
发明者M.格雷贝, S.蒙沙伊默, W.迪克曼, J.克吕茨 申请人:赢创德固赛有限公司