逐层构造模型的装置制造方法

逐层构造模型的装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及用于逐层构造模型的装置。提供用于构造模型的区域（优选为制造平台）和用于将材料涂覆到该区域的材料涂覆装置（4，5）。该材料涂覆装置（4，5）以在该区域上移动的方式布置。材料涂覆装置（4，5）设计为门型架（1，1’），使得它通过布置在该区域区域的相对侧边上的至少两个线性导向装置（2）而可以在该区域上移动，并且材料涂覆装置（4，5）围绕该区域布置，使得门型架（1，1’）由相对于该区域侧向延伸的至少两个部分形成。提供用于将其他材料涂覆到该区域上的至少一个其他材料涂覆装置（4，5）。
【专利说明】逐层构造模型的装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种装置和一种根据权利要求1或权利要求8所述前序部分用于逐层构造模型的装置。
【背景技术】
[0002]在欧洲专利文献EP0431924B1中说明了一种用于制造来源于计算机数据的三维物体的方法。在此情况下，将第一材料(这里为颗粒材料)以薄的层涂覆到可选地覆盖有容器的构造平台上，并且在其上随后涂覆可与第一材料形成固体物的第二材料。例如，根据EP0431924B1，提供颗粒材料作为第一材料，并且随后选择性地借助带有粘接材料的打印头打印该颗粒材料。用粘接剂所打印的颗粒区域，由于粘接剂和必要时附加的固化剂的影响而粘合和固化。随后将平台下降一个层厚到构造圆柱体中，并且提供一个同样如上所述打印的新颗粒材料层。重复这些步骤，直至达到物体的某个所希望的高度。因此由所打印和硬化的区域形成一个三维的物体。
[0003]如所述的那样由硬化颗粒材料所制造的物体，在其制成之后埋入在松散的颗粒材料中，并且随后摆脱了颗粒材料。
[0004]另外的粉末辅助的快速成型处理，诸如选择性的激光烧结或电子射束烧结也以类似的方式工作，在这些处理中，分别同样逐层地涂覆松散的颗粒材料，并且借助受控的物理辐射源选择性地加以硬化。
[0005]以下将所有这些方法汇总在概念“三维的打印方法”或3D打印方法之下。
[0006]从DE102006030350A1中公开了一种用于由松散的颗粒材料构造叠层的其他方法。在此，在没有包围的型箱的平面上制作构件。替代地，在方法中连续构造围绕该平面的护壁和构件本身，并且防止未结合的颗粒材料从该平面流走。整个方法也如此方式地展开，使得在其上制作构件的构造平台不垂直移动。替代地，为了生成层而将元件安放在其上的支承框架逐层地在垂直方向移动。
[0007]在随后公开的专利申请DE102010013733中说明了一种装置，在该装置中逐层地提升具有生成层的工具的支承框架。
[0008]但是在这种解决方案中可能出现问题，因为所含有的移动单元在Z方向上除了提升生成层的工具之外，也提升垂直的移动单元和笨重的支承框架，以至于必须刚性地设计支承框架，并且支承框架只能合宜地悬挂在少数的点(优选4个点)上。支承框架的刚性的实施方案却导致重量高的实施方案，这又对Z轴提出了高的要求。从某个长度开始，为此所需要的技术工作量可能表明不再是经济的。
[0009]除此之外也已证明，支承框架的末端随着在水平面中的增长的移动行程而远远突出，并且因此倾向于振动。这还通过诸如激发振动的涂层器、用于改善物料供应链之内物流的振动执行元件的不同的系统元件、和通过处理工具的移动单元的加速度而增大。
[0010]除此之外，对于具有多个轴单元的轴系统的精确度要求也是很高的。必须通过高的制造精度或较费事的校准来达到适当的运转。[0011]除此之外从EP0500225A1中公开了，借助直接打印方法用门型架布置在平面上的打印头来涂覆全部构造材料。

【发明内容】

[0012]基于上述，本发明的目的在于提供一种更简单、可扩展和可轻易调节的装置，或一种开始时所述简单和多功能的方法。
[0013]通过在权利要求1和12中详细描述的实施方式来实现该目的。
[0014]在从属权利要求中示出了本发明的有利的扩展方案。
[0015]一方面，本发明涉及一种用于逐层构造模型的装置，其中，提供用于构造模型的区域和用于将材料涂覆到该区域上的材料涂覆装置，该区域优选为制造平台，该材料涂覆装置被布置成可在该区域上移动，其中，将材料涂覆装置如此布置为门型架，使得其通过布置在该区域相对侧边上的至少两个线性导向装置而可在该区域上移动，并且如此围绕该区域布置材料涂覆装置，使得该门型架形成有在区域的侧向延伸的至少两个分段。此时根据本发明，提供了用于将其他材料涂覆到该区域上的至少一个其他材料涂覆装置。
[0016]根据本发明，提供线性导向装置，并且如此围绕该平面来布置材料涂覆装置，使得门型架形成有至少两个在平面侧向延伸的分段。
[0017]此时应将平面理解为，在其上为了构造模型而进行材料涂覆的区域。这可以是单独的制造平台，或也可以只是底平面的一个区域。
[0018]该平面此时也不必绝对对应于制造材料涂覆平面、或平行于该制造材料涂覆平面。因此例如对于连续的构造处理，制造材料涂覆平面可以相对于平面具有角度。
[0019]材料涂覆装置是一种用于将材料涂覆到平面上的装置。例如，其可以是用于层的涂覆的材料涂层器或液体涂层器。为此，例如，用于选择性涂覆材料的打印头同样也是可以的。
[0020]此时，针对于适用各自使用的3D处理材料提供材料涂覆装置。
[0021]因此，例如可以液态和/或固态地逐层以薄膜或作为颗粒材料打印和/或挤压的方式涂覆一种或多种材料。此外例如可以提供辐射源，诸如激光器、LED曝光头，以便还执行选择性的激光处理或烧结处理，或者简单地执行固化处理。
[0022]所以将该材料涂覆装置或多个材料涂覆装置与分别所采用的构造处理相适配。
[0023]因此，例如也可以液态和/或固态地逐层涂覆材料，并且随后通过第二材料涂覆装置选择性地涂覆可以与第一材料固化的第二材料。第二材料涂覆装置此时可以与第一材料涂覆装置共同跟线性导向装置接合，或也与第一材料涂覆装置分开地跟线性导向装置接
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[0024]此外，也可以设想应用在通过打印头直接涂覆材料的打印方法中，诸如聚合喷口造型、多喷口造型，或应用在通过喷嘴直接涂覆材料的挤压方法中，例如熔融沉淀造型。如果是这种情况，则材料涂覆装置可以包括颗粒材料涂层器装置、和/或打印头、和/或挤压机、和/或薄膜涂层器。
[0025]线性导向装置此时是适用于在线性方向对门型架件进行导向的装置部分。因此，例如可以设想将制造平台布置在底平面上，并且在两个相对的侧边上布置两个型材，门型架件铰接在这些型材上，并且因此可在其上线性移动。[0026]作为本发明的优点已证实，对于应该增大设备的移动长度的情况，不必加长和重新设计整个支承框架，而是仅仅必须选择相应较长的线性导向装置。所有其他的元件保持不变。
[0027]除此之外，材料涂覆装置提供在通过稳定的线性导向装置所控制的门型架上，这些线性导向装置例如可以固定在底面上。因此本发明装置的构造是很稳定的，并且只要求很少的附加的安装面积。
[0028]现在，由于仅仅提供了门型架和没有安排复杂的框架底座，在制造过程结束之后，可以容易接近所制作的模型。
[0029]根据本发明的一种优选的实施方式，其他的材料涂覆装置也提供在门型架上，使得上面所说明的优点也适用于这里。
[0030]为了可以稍微互相独立、以及有时也互相错开时间，但也部分地同时执行两个材料涂覆装置的涂覆，也可以将其他材料涂覆装置提供在其他门型架上。
[0031]根据本发明的一种优选的实施方式，材料涂覆装置包括颗粒材料涂层器装置和/或打印头。
[0032]此时，在门型架上例如可以提供颗粒材料层涂覆装置、以及用于选择性涂覆适用于各自颗粒材料的粘接材料的打印头。
[0033]除此之外，门型架也可以具有光源、辐射源和/或热源。
[0034]此外已经证实，如果在本发明装置中基本上垂直于平面可移动地提供给材料涂覆装置，则会是有利的。这意味着在高度上也可以移动材料涂覆装置，使得这种装置也可以应用于以下的系统，在这些系统中，在其上构造物体的制造平台在高度上是不能移动的。
[0035]已证明在这种实施方式中，材料涂覆装置、其他材料涂覆装置、光源、辐射源和/或热源可以基本上垂直于涂覆平面，优选沿着门型架件进行移动。
[0036]此时其他的门型架件如同第一门型架那样，与线性导向装置、或又与其他线性导向装置接合。但是无论如何，这些门型架件应该优选互相独立地在这个或这些线性导向装置上可移动。
[0037]现在，如果安排两个门型架，当两个材料涂覆装置可以从下方或上方驶过，则尤其是有利的。这意味着一个门型架还可以在另一个门型架之下穿过移动。
[0038]如果如此提供本发明装置，则可以在两个移动方向上进行涂覆。由此避免了空行程。如果在所采用的打印头上打印宽度相当于制造区域宽度，则这尤其也带来优点。
[0039]根据本发明装置的一种其他的优选实施方式，材料涂覆设备的至少一个外围设备固定地定位在装置中，并且，如论涂覆设备的当前高度如何，其可以接近。
[0040]此时，应将外围设备例如理解为打印头的清理单元或涂层器的材料供应装置。如果这些外围设备不是固定地定位在门型架上，而是定位在装置中的其他地方，则不必随着门型架提升这些外围设备。
[0041]根据本发明的另一方面，还提供了一种用于逐层构造模型的方法，其中，提供用于构造模型的平面、和至少一个用于将材料涂覆到平面上的材料涂覆装置，该平面优选为制造平台。
[0042]材料涂覆装置在平面上，在涂覆平面的方向上沿着布置在平面的相对侧边上的至少两个线性导向装置移动。[0043]此时，如此布置门型架，使得材料涂覆装置至少沿着布置在区域的相对侧边上的两个线性导向装置在该区域上移动，并且如此围绕该区域布置材料涂覆装置，使得门型架形成有在区域侧向延伸的至少两个分段。根据本发明，至少一个其他材料涂覆装置必要时安排在其他门型架上，并且将其他材料涂覆到区域上。
[0044]线性导向装置此时优选布置在材料涂覆装置之下，并且至少通过各自一个基本上在垂直于制造平台方向上向上延伸的门型架件接合，并且两个门型架件至少通过材料涂覆装置互相连接，并且材料涂覆装置沿着线性导向装置在平面上移动。
[0045]根据本发明的一种优选的实施方式，材料涂覆装置也垂直于平面移动，这尤其是在采用不能在高度上移动的制造平台时提供了优点。
[0046]如果在本发明方法的一种优选的扩展方案中采用多个独立的门型架，这些门型架则可以同时执行不同的制造处理。这意味着在一个平面上在不同的区域中可以进行不同的互相独立的制造处理。
[0047]此外，又同样可以设想，可以由多个独立的门型架同时执行一个共同的制造过程。
[0048]根据一种其他优选的实施方式，在一个处理步骤期间或之后，所述至少两个门型架可以互相从下方或上方驶过。
【专利附图】

【附图说明】
[0049]为了详细的阐述，在以下的附图中借助优选的实施例示出本发明。
[0050]附图中此时展示了:
[0051]图1至图4为根据本发明的一种优选实施方式的方法流程，其中，粉末材料涂层器和打印头具有自己的门型架；
[0052]图5和图6为根据一种其他优选实施方式与制造高度相适配的可调节高度的外围设备；
[0053]图7为根据一种其他优选实施方式的与制造区域尺寸相适配的可调节高度的外围设备；
[0054]图8-图9为一种固定的外围设备；
[0055]图10为具有单独门型架的本发明实施方案的一种优选的实施方式；
[0056]图11为根据图10的一种实施方式，其中，两个单独门型架共同制作一个构件；
[0057]图12为根据优选实施方式的一种本发明装置，在该装置中，三个单独门型架独立地制作构件；
[0058]图13为根据优选实施方式的一种本发明装置，在该装置中，一个单个门型架制作多个构件；和
[0059]图14-图18为根据一种特别优选实施方案的本发明方法的流程。
【具体实施方式】
[0060]根据本发明，说明了用于借助3D打印方法在平面上制作三维模型的装置或方法，其中，提供了材料涂覆装置(例如颗粒材料涂层器单元或打印头单元)，以便将各自的材料涂覆到平面上。材料涂覆装置此时根据本发明在一个或多个门型架上垂直移动。
[0061]图1至图4展示了根据优选实施方式的本发明方法的流程。此时，在平面9上，用涂层器4将颗粒材料涂覆到平面9上。此时，在门型架I中含有涂层器4。门型架I在线性单元2的平面上移动。门型架I随后重新移动到其初始位置中(请参阅图2)。含有打印头5的门型架I’现在也独立在与底面固定连接的线性单元2上移动(图3)。紧随此后，两个材料供给设备4、5沿着门型架侧边件向上移动一个层高，如图4中所示，并且可以再次开始所述过程。
[0062]根据图1至图4所说明的实施方式，对于每一个材料供给设备，具有一个自己的门型架1、1’。但是也可以将用于生成层的所有工具仅安放在一个门型架上(请参阅图10的标号8)。
[0063]如果采用多个门型架1、1’，门型架1、1’则可以分别配备一个自己的驱动装置和只使用一个共同的导轨2。但是也可以给每一个门型架分配一个自己的线性单元2 (带有导向的驱动装置)。
[0064]在用于借助颗粒材料构造模型的方法中和在颗粒材料的选择性的打印时，区分以下的移动方向:
[0065]-打印头位置的移动方向
[0066]-打印头的打印行程的移动方向
[0067]-涂层器的涂覆方向。
[0068]最长的行程布置在哪个方向，取决于方法或打印策略。视为合宜的是，将最长的轴(例如在涂层方向上的轴)与底面固定地连接。
[0069]导向单元固定地连接在底面上，无论移动长度如何，排除了挠度和振动。
[0070]通过舍弃垂直移动的支承框架，正如这从现有技术中公知的那样，在本发明实施方案中，显著地节省了在装置的设计、结构、制造、运输和装配中的费用和工作量。
[0071]如果应加大设备，这可以用较少的工作量。所述的装配减少到仅仅更换或扩展线性单元。在巧妙的设计中，仅仅必须加长导向装置。
[0072]涂覆单元和外围设备(打印头清理器、打印头存放站、涂层器加料站)可以选择性地随同移动，或也可以固定地定位在制造平台旁。
[0073]物体的无型箱的制造实现了可以任意变换构造区域的尺寸。
[0074]为了使制造时间保持尽可能少，让所述外围设备与相应的门型架随同移动，可能是合宜的(图10中的标号8)，以便不需要通向外围设备的额外行程。
[0075]除此之外，外围设备6还可以固定地布置在构造区域边缘上。在那里，它们例如可以在垂直方向上，用自己的提升设备按照当前的制造高度或工具高度来定位(附图5-6)。
[0076]外围设备6在这里因此具有一个自己的提升设备，并且因此可以与当前的制造高度以及因此与材料涂覆设备的或硬化设备的垂直位置相适配。图5和图6之间的差别在于，在图6中，不仅外围设备和构件，而且工具的位置更高。
[0077]由于涂覆设备可以在至少两个方向上定位在一个门型架上，而存在着固定相关外围设备7而不移动的可能性。于是直接由涂覆单元4、5来接近外围设备7 (图8-图9)。
[0078]如果外围设备6不在门型架上随同移动，则在制造开始前可将外围设备的位置调节成与制造区域尺寸相适配(图7)。
[0079]如果外围设备和处理介质的垂直定位是昂贵的，这则首先是一种优选的成本有利的解决方案。[0080]在具体实施方案中，门型架承载所有的涂覆单元和相关外围设备、以及自己的线性驱动装置。现在，这里存在着相继布置多个这些门型架以节省位置的可能性。因此，可以用多个门型架快速构造大的部件。此外也可以平行地制作多个构件(图10-图12)。
[0081]图10展示了本发明一种在其中提供了多个门型架的其他优选实施方式。在此，每一个门型架具有整套的涂覆设备和相关外围设备。此时，每一个门型架作为独立的机器在起作用和制作不同的构件。
[0082]像在图10中所展示的那样，图11中是装置的相同的构造，不过在这里，两个单个门型架共同制作一个构件。
[0083]现在，这也可以按需要扩展，因此例如图12展示了三个单独的门型架，其分别独立制作构件。
[0084]如果各提升轴位于一个移动门型架上，则可将这些提升轴完全从制造区域中移开(图12)。在足够长的行程中，可以直接在所制成的构件之后启动一个新的构造处理。
[0085]除此之外，如附图13中所示，也可以设想一个单个门型架平行地或单个地制作多个构件。进一步的处理完全可以接近所制成的构件。
[0086]本方法也首次提供了新的制造策略的可能性:当在常规处理中，涂层器和打印头总是在相同的水平上时，这里两者可以在Z方向上彼此相对移动。
[0087]在门型架的巧妙的设计和布置中，一个门型架可以由另一个门型架从下方驶过。在传统的处理中，一个涂覆单元必须始终避让另一个涂覆单元，以至于形成在其中各自的涂覆单元保持无效的空行程。
[0088]在图14-图15中，打印头跟随在涂层器之后，并且打印新涂覆的制造区域。门型架于是如此提升打印头，使得其可以任由涂层器从下方驶过(图16)，并且涂层器移动到一个新的Z位置上并涂覆新的层(图17)。在图18中，打印头于是重新移动到当前的层高上并打印新涂覆的制造区域。
[0089]在所展示的该优选实施方式中，可以主动更换导向位置。我们可以从图14-图17的所示出的序列中看出这种情况。首先打印头跟随在涂层器之后，并且打印新涂覆的制造区域。在下一个步骤中，打印头的门型架将打印头提升，直至它可任由涂层器的门型架从下方驶过。涂层器重新开始在相反的方向上制作新的层。在此期间，打印头移动到当前的水平上并可以生成新的层。但是涂层器也可以跟随在打印头之后，于是必须更换各自门型架上的布置。这意味着，涂层器首次在每个移动方向上，即在每个行程中可以涂覆。打印头同样首次可以使其打印宽度符合构造区域宽度，在每个移动方向上和在每个行程中可以打印。因此显著提高了整个系统的效率。
【权利要求】
1.一种用于逐层构造模型的装置，其中，提供用于构造模型的区域和用于将材料涂覆到所述区域的材料涂覆装置，所述区域优选为制造平台，所述材料涂覆装置被布置成可在所述区域上移动，其中，所述材料涂覆装置如此布置为门型架，使得其通过布置在所述区域相对侧上的至少两个线性导向装置而可在所述区域上移动，并且其如此围绕所述区域布置，使得所述门型架形成有在所述区域的侧向延伸的至少两个分段，其特征在于，提供了用于将其他材料涂覆到所述区域的至少一个其他材料涂覆装置。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述其他材料涂覆装置也提供在所述门型架上。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述其他材料涂覆装置提供在其他门型架上。
4.根据以上权利要求之一所述的装置，其特征在于，在所述门型架之一上或在另外其他门型架上提供光源、辐射源和/或热源。
5.根据以上权利要求之一所述的装置，其特征在于，所述其他门型架或所有门型架与所述线性导向装置接合。
6.根据以上权利要求之一所述的装置，其特征在于，所述其他门型架与其他线性导向装置接合。
7.根据以上权利要求之一所述的装置，其特征在于，所述材料涂覆装置包括颗粒材料涂覆装置、和/或打印头、和/或挤压器、和/或薄膜涂覆装置(folienbeschichter)。
8.根据以上权利 要求之一所述的装置，其特征在于，基本上垂直于所述区域可移动地布置至少一个所述材料涂覆装置、光源、辐射源和/或热源。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述材料涂覆装置、光源、辐射源和/或热源的移动可以沿着侧向门型架件进行。
10.根据以上权利要求之一所述的装置，其特征在于，所述门型架可以互相从下方或从上方驶过。
11.根据以上权利要求之一所述的装置，其特征在于，此外，至少一个外围设备布置在所述装置中，并且，无论结构高度如何，其能够被接近.
12.一种用于逐层构造模型的方法，其中，提供用于构造模型的区域和用于将材料涂覆到所述区域的材料涂覆装置，所述区域优选为制造平台，所述材料涂覆装置被布置成可在所述区域上移动，其中，所属材料涂覆装置如此布置为门型架，使得其通过布置在所述区域相对侧上的至少两个线性导向装置而可在所述区域上移动，并且其如此围绕所述区域布置，使得所述门型架形成有在所述区域的侧向延伸的至少两个分段，其特征在于，至少一个其他材料涂覆装置根据具体情况而提供到其他门型架上，并且将其他材料涂覆到所述区域。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，至少两个门型架在处理步骤期间或之后，可以互相从下方或从上方驶过。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于，所述材料涂覆装置也基本上垂直于平面移动。
15.根据权利要求12至14之一所述的方法，其特征在于，多个独立的门型架同时执行不同的构造处理。
16.根据权利要求12至15之一所述的方法，其特征在于，多个独立的门型架同时执行一个共同 的构造处理。
【文档编号】B29C67/00GK103764376SQ201280042227
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2012年8月29日 优先权日:2011年8月31日
【发明者】安德烈斯·多米尼克·哈特曼, 英戈·埃德雷尔 申请人:沃克斯艾捷特股份有限公司