分层制造三维物体的方法

专利名称：分层制造三维物体的方法
分层制造三维物体的方法本发明涉及一种借助快速原型法制备三维物体的方法。特别地，本发明涉及一种 方法，在所述方法中，粉末形式的材料被分层施加到支撑体上，并在相应于待分层形成的物 体的横截面的那些位置上，进行选择性固化。这样的方法被称作快速原型法，用该方法可以由构造数据出发快速制造模型部件 (Musterbauteilen)。通常，待制造的部件由没有形状的或天然形状的材料分层构造。例如， US 5，730，925描述了一种方法，其中，将粉末层施加到可垂直移动的支撑体上，并且借助激 光，在相应于待形成的物体的横截面的位置上，进行选择性烧结。示意性地图3示出了一种激光烧结设备。如从图3可以看到的那样，所述设备具 有容器1，其限定了构造空间。该容器是向上开放的，而向下由用于支撑待形成的物体3的 支撑体4所限定。通过所述容器的上边缘2 (或者其各个侧壁)，限定了工作面6。待形成 的物体位于所述支撑体4的上表面上，并且由多个与支撑体4的上侧平行地延伸的层形成， 所述层由可通过辐射固化的、粉末形式的构造材料构成。在此，所述支撑体可通过高度调节 设备，在垂直方向，即与容器1的侧壁平行的方向上移动。因此，支撑体4相对于工作面6 的位置可以加以调节。在容器1和工作面6的上方，设置施加设备10，该设备用于将待固化的粉末材料 11施加到支撑体表面5上或最后固化的层上。另外，在工作面6上方设置激光形式的辐射 设备7，所述辐射设备发射出导向的光束8。通过偏转装置9，例如旋转镜，将该光束作为偏 转光束8，导向到工作面6的方向上。为了制造三维物体3，首先，借助高度调节设备将支撑体4移至最高位置，在该最 高位置处，支撑体4的表面处于上边缘2以下的一段距离，所述距离相应于待施加的第一层 的层厚。然后，将施加设备10横穿过工作面移动。在该过程中，粉末被放出，并且在支撑体 表面形成第一层。随后，通过偏转设备9，将激光7这样控制，使得偏转光束击中到所有期望 的位置——也就是该层中相应于所述物体的位置，并且在那里所述粉末材料通过烧结而固 化。在第二步骤中，将支撑体降低，降低量为下一层的厚度，并再次施加粉末层，紧接 着重复在该层中相应于所述物体的横截面的位置上辐射的步骤。将这些步骤重复这样多 次，直至完成该物体。在刚刚在上文中描述的三维物体的制造过程中，材料的温度必须处于确定的加工 窗口之内，以确保三维物体的高质量。因此，出于这种原因，通常要将待通过激光固化的粉 末层通过辐射加热器18进行这样的预热，使得所述层的平均温度处于所述加工窗口之内。 在该过程中，优选采用红外辐射器作为加热辐射器18。尽管已经证实，上文所述的方法适于小批量地制造形状精确的零件(原型制造)， 但还能在一些方面进行改进-由于粉末材料的固化逐点进行，必须单独起动(angefahren)每个待通过激光固 化的位置，这很耗时。-为了借助激光对所述材料进行固化，必须采用能提供足够能量的激光，以至少部分熔融所述材料。通常，这样的激光，例如CO2激光在购置和维护方面是非常昂贵的。另外， 所述激光发射出的大量能量导致必须安装冷却装置，所述装置不仅冷却激光自身，还冷却 例如用作偏转设备的镜子系统。这使得整个系统变慢，并且还由于大量待移动的物质而使 照射过程变慢。为了加速所述制造方法，在WO 2005/011959A1中提出，在某些位置将提高吸收性 或降低吸收性的物质施加到待选择固化的层上，并随后借助扁平的加热器进行辐射。然后， 通过吸收行为上的差异，可以在所述层中实现材料的选择性烧结。但是，通过大面积辐射所 节约的时间，被由于施加额外的吸收剂材料的层所造成的时间上的损失所抵消了。而且，借 助吸收剂物质的施加不能实现几何尺寸任意小的材料。为了使激光烧结设备更具有成本效率，DE 10 2004 012 682A1提出将吸收剂选择 性地施加到待固化的层上，在进行烧结过程时，该吸收剂可以被波长为100 3000nm的激 光被加热，并且所述吸收剂能将它们的热能送到位于下面的层中。通过在较短的波长中吸 收，使得采用更具有成本效率的激光成为可能。但是，再次需要用于施加吸收剂的另外的时 间，而且在DE 10 2004 012 682 Al中甚至提出用激光对吸收剂逐点辐射，与常规的激光烧 结法相比，这不能显著节约时间。考虑到上述问题，本发明的目的是提供一种分层制造三维物体的方法，所述方法 快速、精确并且具有成本效率。所述目标是通过根据权利要求1所述的方法和权利要求19或21所述的设备实现 的。本发明的改进方案在从属权利要求中给出。根据本发明，构造材料的固化是借助大面积地引入电磁辐射，例如通过辐射加热 器而完全进行或部分进行的。然而，为了实现仅仅在相应于待形成的物体的横截面的位置 上发生所述材料的选择性固化，在大面积辐射之前，所述层中的材料的吸收能力被选择性 改变。这是通过将聚焦的光子射束或粒子射束，例如激光射束导向到所述层的选定位置而 进行的。由于通过大面积辐射，将材料在部件横截面的所有位置上同时熔融，相对于现有 技术，缩短了构造时间。由于在本方法中不需要通过光子射束和/或粒子射束将那么多的能量引入到层 中，以使粉末完全熔融，借助光子射束或粒子射束的层的扫描可以进行得更快，因为辐射时 间缩短。此外，由于所需要的射束能量更低，也减少了对冷却的要求。由此，整个扫描设备 变得更轻，并且更容易移动，这同样缩短了用于借助射束扫描所述层的持续时间。由于不必仅仅通过由激光引入的能量实现烧结，还可以使用波长不处于红外区域 的激光。这些激光能在较短的波长下更精确地聚焦，由此能实现在部件上的更小结构。如果在本方法中使用高能IR激光(如CO2激光)，则可以使用这样的构造材料(例 如聚芳醚酮)，在所述构造材料中由于其高熔点和其高熔体粘度，仅仅借助激光射束难以完 全熔融。通过借助辐射加热器的辅助选择性熔融(后烧结)，相对于常规方法，能够改进部 件的性能。最后，采用本发明的方法，能够实现更均质的部件，因为通过大面积的熔融，可补 偿在逐点固化中出现在零件性能(例如密度)方面的局部差异。
由下文中借助附图对实施例的描述，将得出本发明的其他特征和优点

图1所示的是由PEEK材料制成的部件的断面的光学显微镜照片，其中后烧结时间 为12秒；图2所示的是由PEEK材料制备的部件的断面的光学显微镜照片，没有后烧结时 间；图3所示的是用于三维物体的分层制造的激光烧结设备。第一个实施例在本发明的第一个实施例中利用了如下事实由于电磁辐射或者粒子辐射的作 用，粉末材料可能变色。由于这首先是在热塑性聚合物中观察到的，因此在第一个实施例 中，示例性地将未经热稳定化的聚酰胺66粉末用作构造材料。但是，所有其它热塑性和热 弹性材料是同样适合的，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)， 聚亚苯醚(ΡΡ0)，聚甲醛(Ρ0Μ)，聚苯乙烯(PS)，丙烯腈-丁二烯-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)、聚醚醚醚酮(PEEEK)或者聚醚酮醚酮酮(PEKEKK)，聚 醚酰亚胺(PEI)，聚亚芳基硫醚，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，如聚芳醚酮(PAEK)/聚芳醚砜 (PAES)共聚物，以及混合物和/或聚合物共混物。本发明的制造三维物体的方法，与如上文所述的与在附图3中所示的激光烧结设 备相关地描述的那种方法类似。将石英辐射器用作热辐射器18，但是，其他构造形式的辐射 加热器也是适合的。这样调节热辐射器的功率，使得在开始被照射新施加的粉末层之前，粉 末层的表面温度为230°C。将CO2激光用作激光，如此将其功率被选定为30瓦，作用持续时 间选定为0. 2ms (在聚焦直径为600 μ m下的扫描速率为3000mm/s)，使得经照射的位置明显 比未经照射粉末褐色更深。在所述粉末层中的相应于所述物体的横截面的所有位置都被照 射之后，直至施加下一个粉末层，等待30秒。在该时间内(后烧结时间)，刚刚被辐射的粉 末层被暴露于辐射加热器的作用之下，所述辐射加热器的功率不发生变化。在30秒的等待 时间之后，在被照射的位置上可以看到闪光的熔体层，所述熔体层是在辐射加热器的作用 下形成的。将刚才描述的用于一个粉末层的方法，按照相同的方式在其余的粉末层中实施。在上述方法中，与现有技术的不同之处在于，并非激光的作用，而首先是辐射加热 器到照射区域上的作用，导致材料完全熔融。激光仅仅起到选择待通过辐射加热器进行固 化的区域的作用。通过使这些区域的颜色变得较深，使它们对辐射加热器的热辐射的吸收 能力得以提高。通过这种吸收性的提高，被照射的位置变得比未被照射的粉末更热并且熔 融。在此，首先通过激光始引入多少热量，以及该激光是否已经引起粉末的部分熔融，是可 以调节的。对于结果起决定作用的是对辐射器能量的额外的吸收。因此，对于引入的激光能量的唯一要求在于，引入的能量必须引起粉末材料的吸 收能力的变化。由于为此所需的能量的量可能明显低于用于使粉末完全固化所需的能量的 量，因此相对于常规方法，激光作用的持续时间可以减少，以获得更快的照射。而且，还可以 选择更低的激光功率，由于更低的对冷却的要求，如上文所述的那样，这同样缩短了照射时
6间。此外可能的是，使用具有比CO2激光的波长更短的激光。更短的波长又具有更好 的可聚焦性，这使得在部件中的更好的细节分辨率成为可能。在此，何种波长的激光是可使 用的，取决于所用的粉末材料。一方面，对激光的吸收性必须良好，另一方面，波长必须适于 引起吸收行为的变化。除了这些边界条件，任何激光波长(例如IOOnm lOeOOnm)都是适 当的。在电磁辐射或粒子辐射的作用下，颜色的改变，以及由此造成的粉末或其熔体的 吸收能力的改变的原因，一方面在于由辐射激发了化学反应。在此，首先应当提及的是可能 的氧化反应。例如，在本实施例中，残留的氧含量为3%。此外，通过相转变(例如，半晶态 <->非晶态)、或通过交联过程或者烧结过程，也可引起变色。第二个实施例为了提高在施加电磁辐射或粒子辐射时的吸收行为的改变，可将所使用的基体材 料与添加剂混合。这些添加剂能将它们的吸收行为如此明显地改变，使得也能辨认出混合 物的吸收行为的明显变化。此外，通过有针对性地加入添加剂，可有针对性地引起对于特定 辐射(例如特定波长的辐射)的敏感性。在此，对于用于逐点照射的导向射束(例如，对于 特定波长的激光)，敏感性可得到提高。但是，对于辐射加热器的敏感性的有针对性的提高 也是可能的。可能的添加剂为-所有常用的在紫外_可见光和/或在红外区域吸收的着色剂(染料和颜料)。-添加剂，其特别地在近红外区域具有其吸收最大值例如BASFAG的LumogenIR 765和Lumogen IR 788，黑色颜料例如炭黑、石墨、碳纤维或碳纳米管，半导体材料(优选 基于氧化物或硫化物的，如氧化锑、氧化锡、氧化铟、氧化锌、硫化锌、硫化锡或它们的混合 物)，或者由半导体材料涂覆的基材(例如小云母片、小SiO2片、小Al2O3片、小玻璃片、小铝 片、小BiOCl片、SiO2球、TiO2球、聚合物球、硅胶、硅藻土、玻璃球、中空玻璃球、针状TiO2或 这些基材的混合物)。-添加剂可以0.01 30重量％的量添加。优选0.1 10重量％。-颜料的粒度为0.01 150 μ m,优选0. 1 30 μ m。-填料和阻燃剂，其可主要在近红外区域散射和吸收。_加工助剂例如润滑剂、稳定剂或成核剂，其通过影响结晶度，可直接或间接改变 吸收行为。在第二个实施例中，利用了如下事实由于基体材料的相转变，添加剂可间接改变 其吸收行为。为此，将聚酰胺12用作构造材料，其被炭黑粒子以干混料形式掺混。纯的聚 酰胺12由于在许多晶粒表面上的反射而呈白色。加入的炭黑粒子位于晶粒的表面，由此粉 末呈灰色。尽管选择了其他参数，第二个具体实施方案的方法与第一个具体实施方案的方法 相同。将石英辐射器用作热辐射器18，然而其他构造形式的辐射加热器也是合适的。如 此调节热辐射器的功率，使得在开始照射新施加的粉末层之前，所述粉末层的表面温度 为175°C。作为激光使用CO2激光，将其功率选定为30瓦，并将其作用持续时间选定为 0. 12ms (在聚焦直径为600 μ m下的扫描速率为5000mm/s)，使得粉末颗粒开始熔融并变得 透明。作为结果，可以由它们较深的颜色辨认出用激光辐射的区域。
颜色变化的原因在于最初部分结晶的粉末(其是不透明的)，由于与激光射束的 相互作用，至少部分地转变成非晶态(熔体是非晶态的)。由于用激光辐射的粉末区域为透 明的颜色，较深处的炭黑粒子现在也显出黑色，由此被辐射的区域较暗。在每种情况下，在用激光对所述层中相应于待形成的三维物体的横截面的所有位 置进行照射之后，设定5 10秒的等待时间，使得在该等待时间内，石英辐射器可作用于所 述层。在此，通过由较深的着色造成的提高的吸收性，先前用激光辐射的位置可额外地吸收 石英辐射器的部分辐射光谱。因此，在这些区域，熔体呈现出较低的粘度，使得材料的密度 提高，因为材料中的细孔有机会修复。在本实施例中，材料已经通过激光部分熔融。但是，通过额外地利用由辐射加热器 所引入的能量，激光辐射的作用持续时间可保持很短，这导致激光扫描过程的速率更高。而 且，由于局部通过激光所引入的能量较低，且由此存在较小的温度梯度，得到了均勻性的改 进。最后，还要提及的是，通过引入添加剂也能起到通过用激光进行选择性辐射而降 低粉末材料的吸收能力的作用。然后，借助辐射加热器可如此进行随后的辐射，使得精确地 使层中吸收性未降低的那些区域固化(反向固化)。第三个实施例在第三个实施例中，使用聚芳醚酮粉末作为构造材料。由于由PAEK粉末制造的 部件的特征在于难燃性，良好的生物相容性，以及高的耐水解性和耐辐射性，因此作为构造 材料聚芳醚酮是特别令人感兴趣的。特别地，相对于常规的塑料粉末，PAEK粉末的特征还 在于高温下的耐热性、以及耐化学性。由于这些性能，PAEK尤其在航空和航天，在汽车工业 和电子工业以及制药工业中需求很大。特别地，所述PAEK聚合物粉末可为选自如下组的粉 末聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚醚酮(PEK)、聚醚醚酮酮(PEEKK)或聚醚酮醚酮 酮(PEKEKK)。但是，考虑到粉末的烧结或熔融，PAEK粉末也具有缺点——所述材料的熔点高于 300°C，并由此必须通过激光引入特别高的能量。在这方面，本发明的方法有助于改进所制 备的部件的质量由于粉末固化所必需的部分能量是通过辐射加热器提供的，不需要通过 激光局部地引入那么多能量。此外，由于聚芳醚酮的高熔体粘度，来自热辐射的另外的能量 的吸收使得粉末颗粒的较长的熔融过程成为可能。由此，出现了熔膜的光滑化。第三个实施例的方法，与第一个和第二个实施例的方法非常类似。所采用的热辐射器发射出的辐射18’具有处于VIS(可见光)区域和红外区域的 光谱，其中发射最大值处于近红外区域。如此调节热辐射器的功率，使得在开始照射新施加 的粉末层之前，粉末层的表面温度为335°C。由于构造空间的温度很高，所述方法是对于所 述高温进行了改造的EOS P700型的激光烧结设备中进行的。实施例3a 使用由Victrex公司提供的、熔体粘度为0. 15KN*s/m2的PEEK粉末作为构造材料， 在激光烧结设备外使所述粉末在循环空气烘箱中接受预热处理。将CO2激光用作激光，如此将其功率选定为19瓦并且作用持续时间选定为 0. 27ms (在600 μ m的聚焦直径下的扫描速率为2200mm/s)，使得粉末微粒熔化，并由此使得 用激光处理的区域变成较深的颜色。
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在每种情况下，在用激光对所述层中的相应于待制造的三维物体的横截面的所有 位置进行照射之后，设定12秒的等待时间，在该等待时间内，热辐射器可作用于该层上。通 过由较深的着色造成的提高的吸收性，在用激光辐射的区域中，熔体呈现出较低的粘度，使 得材料的密度提高，因为材料中的细孔有机会进行修复。对比实施例3b:为了证明通过辐射加热处理提高了部件的密度，在省略辐射加热的12秒的作用 时间(后烧结时间)的情况下，重复上文的实施例3a。又如上文的实施例3a中那样，在构 造空间的每一半中，制备了一个150X20X4mm(长，宽，高)的试样。冷却下来的试样的密 度测量显示没有后烧结时间的密度为1. 308g/cm3(实施例3b)，且具有12秒的后处理时间 的密度为1. 314g/cm3(实施例3a)。当借助光学显微镜照片(参见图1和2)观察部件的断 面时，也能视觉地观察到孔隙率的下降。在没有后处理时间的情况下，试样仍然具有许多细 孔(图2)，而具有后处理时间所获得的几乎是致密的部件(图1)。至于后烧结时间的长度，所述时间就越长，材料的熔融越完全。该长度可为1 60 秒，但是，所使用的聚芳醚酮的熔体粘度越高，在此就应当选择越长的后处理时间。这可以通过对比实施例3c看出在该对比实施例中，用同样由Victrex公司提供的PEEK粉末，实施了实施例3a的 方法，熔体粘度的起始值为0. 45KN*s/m2。如实施例3a那样，预热处理同样在循环空气烘箱 中进行。为了获得1. 313g/cm3的部件密度，15秒的后烧结时间是必需的，而不是12秒。此外，在后烧结持续时间太短或者没有后烧结时间的情况下，显示出在一层中的 密度差异。其原因在于，在一层中，最初被照射的区域已经通过加热经历了后烧结，而该层 中的其他区域仍然被激光照射。由此，在最初被照射的区域，后烧结过程持续较长时间，因 为在用激光辐照期间，辐射加热已经能起作用了。这可由下述对比实施例3d看出与对比实施例3b类似，在没有后烧结时间的情况下，对PEEK粉末进行加工。但是， 在构造空间的每一半中，制备了两个150 X 20 X 4mm (长，宽，高)的试样，而不是一个试样。 对冷却下来的试样进行的密度测试显示，密度的变化取决于由激光照射的顺序
试样密度(g/cm3)1号(在每一层中都是首先照射)1. 3122号(在每一层中都是最后照射)1. 308因此，作为后烧结时间的下限，本领域技术人员选择这样的时间段，从该时间段开 始在所述构造范围中的每个位置上，不取决于在所述层中的照射的时间点，形成均勻的熔 膜，并作为结果可保证在各处同样高的部件密度。但是，对于后烧结时间也存在上限值如果选择过长的后烧结时间，则在聚芳醚酮 具有较低的熔体粘度的情况下出现所谓的完全烧结或过烧结效应。如果通过加热额外地弓I 入到熔体中的能量在过长的持续时间内引起如此强烈的熔体加热，使得也可以将位于部件 外的、松散的粉末熔化或者熔体扩展可以超出部件的界限之外，则存在这种效应。那么，部件的生长将会在局部过度集中(“形成褶皱”)，从而强烈影响零件的尺寸稳定性、细节的精 确性和整个外观。通常在将构造材料用于快速原型法中之前，要事先对这种材料进行初步测试，以 了解所述材料的性能。在这些事先测试中，也能确定材料的最佳后烧结时间。例如，这可通 过肉眼观察熔膜进行。为此，在辐射过程(激光射束的作用)结束之后，紧接着将熔体的结 构和织构分别与取决于辐射加热作用持续时间的熔体的结构进行比较。当随着该时间的增 加，不能再观察到相对光滑的熔体织构时，后烧结时间的最佳持续时间就出现了。最佳持续 时间的值能通过密度测量进行检验。下述PAEK粉末的后烧结时间可被视作指导值对于熔体粘度为0. 05KN*s/m2 0. 25KN*s/m2 (按照Victrex pic.公司的测试说 明TM-VX-12，在400°C，剪切速率为lOOOs—1下，在具有0. 5X3. 175mm的碳化钨喷嘴的毛细 管粘度计中测量；也可参见美国专利2006/0251878A1)的聚芳醚酮至少为ls，最大值为 15s，理想地为12s。对于熔体粘度为0. 25KN*s/m2 0. 50KN*s/m2的聚芳醚酮至少为5s，最大值为 25s，理想地为15s。对于熔体粘度大于0. 5KN*s/m2的聚芳醚酮至少为10s，最大值为60s，理想地为 18s。上述实施例都能在已知的激光烧结设备上实施，所述设备按如下方式进行改造所述设备包括运行控制器(19)，其在每次层的照射过程之后，插入一个等待时间。 在此有利的是，所述对于所有层都是相同的等待时间，应当能由使用者调节。甚至可能的 是，对于不同的层设置不同的等待时间，由此能应付参数的波动或者能有针对性地改变部 件的参数。优选地，在等待时间期间，对辐射加热的控制能提高加热功率。在上述具体实施方案中，已经描述了各个实施例的各种改造可能性。这些改造并 非限定到附属的实施例上。特别地，本发明也可按照如下方式进行改造由于在本发明的方法中，辐射加热不仅起着预热粉末的作用，而是还起着烧结/ 熔融的作用，与现有技术不同，对加热功率的调节不是仅仅可以如此进行，使得在构造过程 期间保持恒定的表面温度。相反地，在照射之后的辐射时间期间通过热辐射器可将热辐射 器的功率有针对性地提高。可选择放射的辐射18，的光谱的波长最大值为380nm ΙΟΟΟμπι(特别地为 1000 eooonm)的加热作为辐射加热。例如，可选择板式加热。特别地，也可以使用微波辐 身寸(Imm Im)。在上述具体实施方案中，描述了通常地通过改变颜色使吸收能力提高。但是，吸收 性也可通过不同的方式提高。特别地，例如，通过用激光辐射可改变材料的传导性，并由此 改变其对微波辐射的吸收能力。虽然在具体实施方式
中，通常采用激光，但是也可采用能发射聚焦的、导向的射束 的其他辐射源。特别地，可将粒子射束，例如电子射束用于照射。此外，可以向粉末材料中加入纳米粒子作为添加剂，由于它们尺寸很小，所述纳米 粒子最初并不吸收热辐射器的辐射。此处，与激光的相互作用能导致纳米粒子的膨胀(例
10如，通过小分子成分的排气)，然后，由于粒子尺寸的膨胀，粒子能吸收所述热辐射。此外，也有可能不在每一层中都设置等待时间(后烧结时间)。相反地，这可通过 仅为所有第二层、第三层等设置等待时间而进行。第四个实施例最后，还有一个具体实施方式
可能的，其中固化不借助辐射加热进行。在此，除了 辐射源(7)(其导向的射束可被引导到粉末表面上)的之外，还设置了这种类型的第二个辐 射源(70)。在借助辐射源(7)首先选择性地提高了在所施加的粉末层中的吸收能力之后， 借助第二辐射源(70)进行实际的选择性固化。为此，第二辐射源(光子射束或粒子射束) 的导向的射束(80)被相继导向至那些位置，所述位置相应于在该所施加的粉末层中的三 维物体的横截面，并且所述位置的吸收性已经事先通过辐射源(7)得到了提高。最后提及的方法的优点在于，为了改变吸收行为，可使用具有非常小的焦点的射 束，该射束可以在待制备的物体上制造非常精细的结构。对于实际的固化，可使用具有显著 更高的功率密度的射束，所述射束不能也不需要如此精确地聚焦。例如，吸收能力的改变可 通过短波的且精确聚焦的UV激光进行，且固化可通过具长波的能量充沛的CO2激光进行。 虽然CO2激光具有较大的焦点，尽管如此仍能形成非常精细的结构，因为固化仅仅发生在已 经预先用UV激光以高分辨率进行预处理的区域中。额外的固化也可借助辐射加热器辅助地进行，但是，视起始材料粉末而定，不是强 制性必要的。在其他实施例中提及的所有其他变化方案，也同样适用于本具体实施方案。特别 地，“反向固化”(即选择性抑制熔融)也是可能的。
权利要求
分层制造三维物体的方法，其具有如下步骤第一步骤在支撑体或已经事先在选定的位置上固化的层上，提供粉末形式的材料的层或液体材料的层，第二步骤将聚焦的光子射束或粒子射束(8’)选择性地导向到所述层的选定位置上，其特征在于，在第二步骤中，如此选择光子射束或粒子射束，使得其在击中到所述层上时，引起所述材料的吸收能力的变化，且在第二步骤结束之后，实施第三步骤，在该步骤中，将所述层用电磁辐射(18’)如此辐射，使得所述材料在所述层的相应于待形成的物体的横截面的那些位置上均匀地固化。
2.如权利要求1所述的方法，其中，在第三步骤中的固化在那些位置上进行，所述位置 是在第二步骤中光子射束或粒子射束(8’ )被导向到的那些位置。
3.如权利要求1所述的方法，其中，第三步骤中的固化是在那些位置上进行的，所述位 置是在第二步骤中光子射束或粒子射束(8’ )未被导向到的那些位置。
4.如权利要求1 3之一所述的方法，其中，所述光子射束或粒子射束(8’)是激光射束。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述辐射的波长为300 10600nm。
6.如权利要求1 5之一所述的方法，其中，在第二步骤中，通过光子射束或粒子射束 (8’)，在所述材料中激发化学反应。
7.如权利要求1 6之一所述的方法，其中，在第二步骤中，通过光子射束或粒子射束 (8’)，在所述材料中激发相转变。
8.如权利要求1 7之一所述的方法，其中，在第二步骤中，通过光子射束或粒子射束 (8’ )引起所述材料的密度变化。
9.如权利要求1 8之一所述的方法，其中，向所述粉末形式的材料或液体材料中加入 添加剂，在第二步骤中改变所述添加剂的吸收能力。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述添加剂是纳米粒子。
11.如权利要求1 10之一所述的方法，其中，第三步骤中所用的电磁辐射(3)的最大 值在1000 6000nm的波长范围内。
12.如权利要求1 10之一所述的方法，其中，在第三步骤中，使用微波作为电磁辐射⑶。
13.如权利要求1 12之一所述的方法，其中，为了在第三步骤中对所述层进行辐射， 使用第二个聚焦的光子射束或粒子射束(80)。
14.如权利要求1 13之一所述的方法，其中，将热塑性塑料用作所述材料。
15.如权利要求14所述的方法，其中，所述热塑性塑料源自如下组聚乙烯(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)，聚亚苯醚(PPO)，聚甲醛(POM)，聚苯乙烯(PS)， 丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)，聚碳酸酯(PC)，聚醚砜，热塑性聚氨酯(TPU)，聚醚酰亚 胺(PEI)，聚亚芳基硫醚，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，或这些热塑性塑料的共聚物、混合物和/或聚合物共混物。
16.如权利要求1 13之一所述的方法，其中，将聚芳醚酮(PAEK)粉末或聚芳醚酮 (PAEK)/聚芳醚砜(PAES)共聚物用作所述材料。
17.如权利要求16所述的方法，其中，所述材料至少包含选自如下组的粉末聚醚醚酮 (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)。
18.如权利要求1 17之一所述的方法，其中，在实施第三步骤之前，多次相继地实施 第一步骤和第二步骤。
19.用于制备三维物体的设备，所述制备是通过在相应于待形成的物体的横截面的位 置上，借助辐射，相继地使可固化的，粉末形式的材料的层固化而进行的，所述设备具有支撑体(4)，用于支撑待形成的物体，该支撑体具有基本上平的表面；施加设备(10)，用于将所述材料的层施加到支撑体的表面上或者已经至少部分固化的 层的表面上；辐射设备(7)，其能够选择性地将电磁射束或粒子射束(8’)导向到所述层的相应于所 述物体的横截面的位置上，或者作为另一种选择导向到所述层的不相应于所述物体的横截 面的那些位置上；以及辐射加热器(18)，其能发射出波长最大值为1000 eOOOnm的辐射(18’)以加热所述 粉末层，其特征在于，所述设备具有控制设备(19)，所述控制设备在所述层的选择性辐射结束之后，施加新 的层之前，插入一个等待时间。
20.如权利要求19所述的设备，其中，在所述等待时间期间，所述控制设备提高了辐射 加热器(18)的加热功率。
21.用于制备三维物体的设备，所述制备是通过在相应于待形成的物体的横截面的位 置上，借助辐射相继地将可固化的，粉末形式的材料的层固化而进行的，所述设备具有支撑体(4)，具有基本上平的表面，用于支撑待形成的物体；施加设备(10)，用于将所述材料的层施加到支撑体的表面上或者已经至少部分固化的 层的表面上；辐射设备(7)，其能够选择性地将第一电磁射束或粒子射束(8’ )导向到所述层上，其特征在于，设置第二辐射设备(70)，用于将第一电磁射束或粒子射束(80)选择性地 导向到所述层上，其中第二射束(80)具有比第一射束更高的功率密度。
22.如权利要求21所述的设备，其进一步具有辐射加热器(18)，其能发射出波长最大 值为1000 eOOOnm的辐射(18’ )以加热所述粉末层，以及控制设备(19)，所述控制设备在用第二射束(80)对所述层进行选择性辐射结束之后， 施加新的层之前，插入一个等待时间。
全文摘要
一种分层制造三维物体的方法具有第一步骤在支撑体或已经事先在选定的位置上固化的层上，提供粉末形式的材料的层或液体材料的层；和第二步骤将聚焦的光子射束或粒子射束(8’)选择性地导向到所述层的选定位置上。在所述方法中，在第二步骤中，如此选择光子射束或粒子射束，使得其在击中到所述层上时，引起所述材料的吸收能力的改变。在第二步骤结束之后，实施第三步骤，在所述第三步骤中，如此用电磁辐射(18’)辐射所述层，使得所述材料在所述层的相应于待形成的物体的横截面的那些位置上均匀地固化。
文档编号B29C67/00GK101932429SQ200880009335
公开日2010年12月29日 申请日期2008年5月23日 优先权日2007年5月25日
发明者A·菲斯特, F·穆勒, M·洛伊特尔, P·克勒尔 申请人:Eos有限公司电镀光纤系统