用于制造三维物体的方法、装置和重涂模块与流程

本发明涉及一种用于通过由能量输入逐层选择性地固化粉状成型材料来制造三维物体的方法和装置，以及用于这种装置的重涂模块。

这种方法例如用于快速成型、快速加工或快速制造。这种方法的一个示例已知名为“选择性激光烧结或激光熔化”。其中，通过用激光束的选择性照射来选择性地固化粉末。

出于涂覆粉末的目的，在de19928245a1中描述了具有往返可移动的重涂装置的装置。重涂装置包含两个彼此隔开的重涂刀片。在刀片之间的空间内，填充粉末状成型材料，然后在重涂装置运动期间，该成型材料由重涂器刀片推拉成为平滑薄层。然而，一些粉末材料具有强的粘着力，因此容易团聚(形成团聚体)。

wo88/02677a2中描述了一种通过选择性激光烧结来制造零件的方法，其中通过被配置成在构建区域上移动的反向旋转的辊，将精确测量了数量的粉末状成型材料推经构建区域，并且在那里铺开，以形成平滑薄层。通过旋转辊，能破碎任何存在的团聚体。然而，为了安全起见，总是通过辊输送比涂覆该层所需的粉末更多的粉末。可以除掉在沉积层后仍然残留的粉末，这增加了粉末消耗，或者可以将其返送到粉末储存器，这增加了工作量。

本发明的目的是提供一种用于制造三维物体的可替代的、优选地改进的方法，以及相应的装置，尤其是期望提高涂覆层的质量，优选地，不增加粉末消耗量或工作量。

采用根据权利要求1所述的方法、根据权利要求13所述的重涂模块和根据权利要求14所述的装置来实现所述目的。本发明的扩展被描述在从属权利要求中。其中，所述方法还可以通过以下所述或在从属权利要求中所述的装置的特征来进行扩展，反之亦然。

根据本发明的用于通过逐层涂覆和选择性地固化粉末状成型材料来制造三维物体的方法包括以下步骤：通过在工作平面上沿移动方向移动的重涂装置，将成型材料的层涂覆到工作平面内的构建区域，将成型材料的涂覆层选择性地固化在对应于待制造的物体的横截面的位置，并重复这两个步骤，直到物体被制造完成。其中，成型材料在层的涂覆期间被储存在设置在重涂装置上的重涂单元中，所述重涂单元位于在重涂装置的移动方向上彼此间隔设置的两个重涂元件之间的空间内。至少一个重涂元件，优选地，每次在重涂装置的移动方向上的后方重涂元件，包含辊，通过所述辊将成型材料涂覆到工作平面上。使用这种方法，能够破碎团聚体，并且由此即使在粘性强的粉末的情况下，也可以生成均匀的层。粉末每次仅消耗到形成该层所必需的量，剩余材料保留在重涂元件之间的空间中，用于涂覆下一层。

优选地，在涂覆层期间旋转辊，根据更优选的方式，使得辊在粉末层的表面处的移动方向与重涂装置的移动方向相同。通过这样的旋转运动，特别是在辊的底面和重涂装置的移动方向相同的情况下的剪切效应，可以特别有效地破碎成型材料的团聚体。

优选地，包括辊(通过所述辊将成型材料涂覆到工作平面上)的重涂元件还包括剥离元件，该剥离元件从辊上剥离附着在辊上的粉末。由此，可以避免粉末从辊的高于工作平面的位置(例如最高点)进入已经涂覆的、平滑的并且沿着运动方向上位于辊后面的层。

优选地，包括辊(通过所述辊将成型材料涂覆到工作平面上)的重涂元件还包括在重涂装置的移动方向设置在辊的后方的刀片装置，以进一步压紧粉末。由此，与单独使用辊相比，可以实现粉末的进一步压紧。

优选地，刀片装置在其实质上朝向工作平面的底面上包括表面，该表面至少区域性地相对于工作平面倾斜设置，优选地在朝向相关联的辊的方向向上倾斜。由此，与完全平行于工作平面延伸的底面相比，它可以实现进一步的压紧。

优选地，在重涂装置的移动方向上的前方重涂元件相对于后方重涂元件实质上是镜像对称的。由此，可以在两个相对的重涂覆方向上进行相同种类的层涂覆。

此外，两个重涂元件仅仅形成部分镜像对称可以是有利的。例如，两个重涂元件可以被设置为镜像反转的，但是安装在相对于工作平面的不同高度。例如，将重涂元件中的一个延长成这样的高度尺寸也是可能的。通常，也可以仅仅将前方重涂单元和后方重涂单元的单个元件设置和/或安装成镜像对称。

可替代或补充的是，在重涂装置的移动方向上的前方重涂元件包括辊，该辊的直径和/或旋转速度和/或其表面特性与后方重涂元件的辊不同。由此，可以在两个相反的重涂方向上进行不同种类的层涂覆。此外，在重涂装置的移动方向上的前方重涂元件可以类似地(对不同设置的辊的替代或补充)包括刀片装置，其尺寸和/或表面特性和/或其定位与后方重涂元件的刀片装置不同。

在重涂装置的移动方向上的前方重涂元件也可以包括刀片装置，并且不包括辊。由此也可以例如在两个相对的重涂方向上执行不同种类的层涂覆。

优选地，上述刀片装置在其实质上朝向工作平面的底面包括表面，所述表面至少区域性地相对于工作平面倾斜设置，优选地在朝向后方重涂元件的方向上向上倾斜。由此，与完全平行于工作平面延伸的底面相比，可以实现进一步的压紧。

优选地，前方重涂元件和/或后方重涂元件可以完全地或部分地高度可调。由此，可以提高该方法的灵活性。例如，重涂元件的辊可以相对于同一个重涂元件的刀片装置或每个其他的重涂元件的刀片装置是高度可调的，以结合随后的层的压紧进行所需要的层厚度的微调，以及其它。此外，可以将重涂装置设置成可以平行于工作平面旋转至少180°。由此，在重涂装置在工作平面上的双向运动中，一个重涂元件总是沿着移动方向被设置在前方，另一个重涂元件总是被设置在后方。

优选地，前方重涂元件的辊和后方重涂元件的辊可以被加热。由此，粉末能够在涂覆期间已经被预热，以实现更快速地达到选择性地固化粉末所必需或合适的温度。

优选地，设置在重涂元件之间的空间足够大，以便接纳一定量的粉末状成型材料，其量至少足以涂覆一个完整的粉末层，优选用于涂覆多个粉末层。在这里，完整的粉末层可以理解为至少在整个构建区域上沿着移动方向延伸的粉末层。由此，可以执行一次或多次全程涂覆，而不会中途回到储存容器，以接收新的粉末。

根据本发明的重涂模块适用于对通过逐层涂覆并且选择性地固化粉末状成型材料来制造三维物体的装置进行装配和/或改装。所述装置包括重涂装置和固化装置，该重涂装置适于接纳重涂模块，并且可在工作平面上移动，以将成型材料层涂覆到工作平面内的构建区域上，该固化装置用于将成型材料的涂覆层选择性地固化在对应于待制造物体的横截面的位置处。所述装置被设置和/或控制成重复涂覆和固化，直到物体制造完成。在重涂模块中，成型材料可被储存在两个重涂元件之间的空间中，其中这两个重涂元件在重涂装置的移动方向上彼此间隔开。至少一个重涂元件，优选地是在重涂装置的移动方向上的后方重涂元件，包括辊，通过该辊可将成型材料涂覆到工作平面上。这种重涂模块可以被灵活地被安装在用于制造三维物体的装置中，并且被用于能够实现如本发明的方法的情况。

根据本发明的装置，用于通过逐层地涂覆并选择性地固化粉末状成型材料来制造三维物体，所述装置包括重涂装置和固化装置，该重涂装置可在工作平面上移动，以将成型材料的层涂覆到工作平面内的构建区域上，该固化装置用于将成型材料的涂覆层选择性地固化在对应于待制造物体的横截面的位置处。所述装置被设置和/或控制成重复涂覆和固化，直到物体制造完成。重涂装置包括至少一个重涂单元，在该重涂单元中，所述成型材料可被储存在两个重涂元件之间的空间中，其中这两个重涂元件在重涂装置的移动方向上彼此间隔开。至少一个重涂元件，优选为在重涂装置的移动方向上的后方重涂元件，包括辊，通过该辊可将成型材料涂覆到工作平面上。利用这种装置，可以实现本发明所述的方法。

优选地，装置的重涂单元是可更换的重涂模块。由此，根据使用的粉末，可以选择合适的模块并且将其灵活地安装到装置上。

本发明的其他特征和优点通过基于附图的实施例的说明中得出。

图1是用于逐层制造三维物体的装置的实施例的示意图，其局部为横截面，该装置适用于执行本发明所述的方法。

图2是根据本发明的第一实施例的重涂单元的示意性透视图。

图3是根据本发明的第二实施例的重涂单元的示意性透视图。

图4是根据第二实施例变型的重涂单元的示意性透视图。

图5是根据本发明的第三实施例的重涂单元的示意性透视图。

图6是根据本发明的第四实施例的重涂单元的示意性透视图。

图7是根据本发明的方法的实施例的流程示意性框图。

在下文中，参考图1来说明装置1的实施例，该装置1适用于执行根据本发明的方法。图1所示的装置是激光烧结装置或激光熔化装置1。为了构建物体2，该装置包含具有室壁4的处理室3。

在处理室3中，设置有具有壁6的向上开口的容器5。在容器5中，托架7被设置成可在垂直方向v上移动，并且在托架处安装有底板8，底板8向下封闭容器5，从而形成容器的底部。底板8可以是与托架7板分开的、并被安装在托架7处的板，或者其可以与托架7一体地形成。根据所使用的粉末和工艺，可以在底板8上安装另一个用于构建物体2的构造平台9。然而，物体2也可以构建在底板8上，此时，该底板被用作构造平台。在图1中，处于中间状态的物体2(该物体将在构造平台9上的容器5中形成)在工作平面10下面被示出，所述中间状态的物体2包括多个固化层，所述固化层被剩余的未固化的成型材料11包围。

激光烧结装置1还包括储存容器12和重涂器14，所述储存容器12用于容纳可通过电磁辐射固化的粉末状成型材料13，所述重涂器14可沿水平方向h移动以将成型材料13涂覆到工作平面10上。在该工作平面的上侧，处理室3的壁4包括用于辐射22的耦合窗15，该射线用于固化粉末13。

激光烧结装置1还包含具有激光器21的曝光装置20，激光器21产生激光束22，激光束22通过偏转装置23偏转，并借助于聚焦装置24，穿过耦合窗15聚焦到工作平面10上。

此外，激光烧结装置1包括控制单元29，通过该控制单元29，以协调的方式控制装置1的各个组成部分以执行构建流程。控制单元可以包括cpu，其操作由计算机程序(软件)控制。计算机程序可以与装置分离地存储在存储介质上，从该存储介质可以将其计算机程序加载到装置中，特别是加载到控制单元中。

图2在示意性透视图中示出了包括在重涂器14中的重涂单元40a。

重涂单元40a包含支撑件41，通过所述支撑件，可以将重涂单元安装在重涂器14上(大致在重涂器14的未示出的致动器单元处)。重涂单元40a还包括两个实质上平行的、板状的重涂元件42a，42b，所述重涂元件实质上垂直于工作平面10延伸，并且垂直于重涂器14的移动方向b延伸，并且在重涂器14的移动方向b上彼此间隔开。在图2至图6中，重涂器14的移动方向b倾斜延伸到图平面中，使得重涂元件42a在移动方向b上是前方重涂元件，并且重涂元件42b是后方重涂元件。

这两个彼此间隔开的重涂元件42a，42b在移动方向b的顺向和逆向方向上限定了空间，用于从储存容器12接纳粉末状成型材料13。该空间也在横向于移动方向b的方向上受到限制，但是在概况图中有一半未被示出。位于重涂元件42a，42b之间的空间足够大，以便接纳一定量的粉末，所接纳的量足以涂覆至少一个粉末层，优选地能涂覆多个粉末层。

为了将容纳在重涂元件42a，42b之间的空间中的粉末(即，成型材料13)涂覆到工作平面10上，每个重涂元件在其底面(即朝向工作平面10的一侧)包括可旋转设置的辊43a、43b，该辊的纵向轴(＝旋转轴)平行于工作平面10、并横向于重涂器14的移动方向b。此外，剥离器44a、44b被设置在每个重涂元件42a、42b的内表面(即，分别位于朝向另一个重涂元件的一侧)，例如以薄金属片或卡普顿(kapton)条的形式，其桥接辊43a，43b上方的间隙。最后，提供驱动器(图中未示出，例如基于电动机的驱动器，齿轮架驱动器或线驱动器)，以实现辊43a，43b的旋转。

在操作期间，为了涂覆粉末层，托架7首先被降低到对应于期望的层厚度的高度。然后使用重涂器14，涂覆粉末状成型材料13的层。所述涂覆至少在待制造的物体2的整个横截面上进行，优选地在整个的构建区域上进行,即在位于容器5的上部开口内的工作平面10的区域内进行。随后，通过激光束22扫描待制造的物体2的横截面，使得粉末状成型材料13在与待制造的物体2的横截面对应的位置处固化。重复这些步骤，直到物体2制造完成并且可以从构建空间中移除。

粉末层的涂覆是通过在工作平面10上沿着移动方向b水平移动重涂器14来进行的。其中，首先将重涂器移动到储存容器12，接纳预定量的粉末，并将粉末储存在重涂元件42a、42b之间的空间内。此后，重涂器移动到构建区域。其中，容纳在重涂元件42a、42b之间的空间内的粉末状的成型材料13在构建区域上留下成型材料层，该层的厚度对应于辊43a、43b的底面和托架7或之前已涂覆的层的顶面之间的垂直距离，即托架之前降低的高度。由于布置在重涂元件42a，42b之间的空间足够大，其足以接纳至少涂覆一层粉末(优选地涂覆多个层)的粉末量，可以执行一个或多个涂覆运动而不需要中途移回到储存容器12以接收新的粉末。

在重涂器14移动期间，使辊43a，43b转动。由此，获得均匀平滑的层。剥离器由此防止了由于辊的旋转而使粉末从辊的最高点(或较高点)进入先前涂覆的平滑的层。

辊的旋转速度优选以无分级方式进行调节。由此选择旋转方向，使得粉末表面的辊的移动方向与重涂器14(所谓的反转辊)的移动方向相同。由此实现的剪切效应增加了破碎附聚物的效果。

由于重涂单元中的辊不具有在整个构建区域上从储存容器输送粉末的目的，而是通过两个重涂元件之间的中间空间从顶部方向供应粉末，因此辊直径与上述现有技术中公开的50mm到80mm的数值范围相比可以显著地减小，例如，减小到10mm到18mm。

图2所示的重涂单元40a为实质上镜像对称的。因此，可以在逆向于图2所示的移动方向b上，采用以与顺向于移动方向b时相同的方式进行涂覆。

然而，重涂单元40a的两个重涂元件也可以包括彼此不同的辊，它们可以例如在其直径和/或其旋转速度和/或其表面特性上彼此不同。由此，可以根据重涂装置的方向执行不同种类的层涂覆。例如，可以首先在重涂装置的一个方向上进行层的预涂覆，然后可以在相反的方向上进行层的后涂覆，这两个方向的涂覆都用不同的参数进行。

图3示出了根据第二实施例的重涂单元40b。该重涂单元40b与图2所示的重涂单元40a不同之处在于，在重涂器14的移动方向b上，仅后方重涂元件42b包含辊43b，而前方重涂元件42a不包含辊。

取而代之，前方重涂元件42b包括刀片装置45a，该刀片装置在最简单的情况下，如图所示，是由板状重涂元件42a向底部方向的延伸而形成。该刀片可以在一方面用于使先前粉末层的固化部分平滑，并且去除突出部分。然而，另一方面可以类似于上述不对称布置的重涂单元40a，根据重涂装置方向执行不同种类的层涂覆。

在图3所示的重涂单元40b中，刀片装置45a的朝向工作平面10的底面46a平行于工作平面10。因此，可以实现无压紧的低剪切力的粉末涂覆。

在根据第二实施例的变型的图4所示的重涂单元40c中，刀片装置45b的朝向工作平面10的底面46b相对于工作平面10以一定角度延伸。其中，该底面在朝向后方重涂元件42的方向向上倾斜，即逆向于图4所示的重涂装置方向b。因此，当逆向于方向b进行涂覆(即刀片装置45b进行粉末涂覆)时，以压紧所涂覆的粉末。

刀片装置的底面还可以被设置成使得其包括平行于工作平面延伸的部分以及相对于工作平面成一定角度延伸的部分。除了倾斜面，刀片装置的不平行于工作平面延伸的部分或整个底面还可以具有凸圆形或适合于凸圆形的多边形表面。

这里的“刀片装置”的表述不限于板状重涂元件42a向底部方向的延伸。刀片装置还可以包括单独的刀片，梳，刀，刷，刮刀或者类似等。

图5示出了根据第三实施例的重涂单元40d。该重涂单元40d与图2所示的重涂单元40a的不同之处在于，两个重涂元件42a，42b在其彼此背离的外表面都包括附加的刀片装置47a，47b。附加刀片装置47a，47b的底面48a，48b比辊43a，43b的底面低一个预定的高度值。由于在使用辊涂覆粉末(顺向于涂覆方向b是辊43b，逆向于涂覆方向b是辊43a)时，刀片装置47a，47b位于辊的后方，所以这些刀片装置47a、47b可用于进一步压紧由辊涂覆的粉末层。

类似于重涂单元40b和40c，附加刀片装置的每个底面可以被设置成使得它们平行于工作平面(如图5所示，相对于刀片装置47b的底面48b的示例)，使得它们相对于工作平面成一定角度延伸(如关于刀片装置47a的底面48a的示例所示，其朝向相关联的辊43a的方向向上倾斜)，或者使得它们包括平行于工作平面延伸的部分以及相对于工作平面以一定角度延伸的部分。因此，实现了与重涂单元40b和40c相同的效果。

除了倾斜面之外，刀片装置的不平行于工作平面延伸的部分或者整个底面还可以具有凸圆形表面或适于凸圆形的多边形表面。此外，这里的表述“刀片装置”也可以包括刀片，梳，刀，刷，刮刀或者类似等。

类似于图2所示的重涂单元40a，重涂单元40e也可以被设置为实质上镜像对称，或者可以包括彼此不同的辊。

图6示出了根据第四实施例的重涂单元40e。在重涂单元40e中，如同图5所示的重涂单元40d一样，其重涂元件42b包括附加刀片装置47b，而重涂元件42a仅包括刀片装置45b，而不包括辊，如同图4所示的重涂单元40c一样。

此外，各种实施例的特征可以在允许的情况下彼此组合。

在上述实施例中，每个重涂单元被描述为可更换的重涂模块，该重涂模块被安装在重涂器处并且可以从其中拆除。然而，重涂单元也可以与重涂器一体形成。

总而言之，设计成可替换的重涂模块具有另外的优点，在于可以根据上述实施例提供不同的重涂模块，并且可以快速和灵活地彼此替换。除了诸如重涂元件之间的距离或辊的直径的机械量之外，还可以改变辊的表面特性或可实现的辊温度或旋转速度。其中，可以根据所使用的粉末的种类来选择要使用的重涂模块。

重涂元件的形式不限于所述的板状和垂直于工作平面的放置。重涂元件可以具有适合于限制出接纳粉末状成型材料的空间的任意的形状和位置。特别地，如果辊具有足够大的直径，则在重涂器的移动方向和/或与其相反方向上的粉末储存器的侧向限制也可以由辊单独形成。

重涂元件之一或两者可以被设置成高度可调节。

单个辊或两个辊可以被设置成可以被加热。

图7以示意性框图示出了根据本发明的方法v的实施例的流程。其中，参考前面附图中的附图标记。在第一步骤z中，通过在工作平面10上沿移动方向b移动的(根据本发明的)重涂装置14，将成型材料13层涂覆到工作平面10内的构建区域。在第二步骤y中，将成型材料13的涂覆层选择性地固化在对应于待制造的物体2的横截面的位置。重复x步骤z和y，直到物体2被制造完成。该制造完成被表示为最后一步w。

即使通过激光烧结装置或激光熔化装置分别说明了本发明，本发明也不限于激光烧结或激光熔化。本发明可以使用用于通过逐层涂覆和选择性地固化粉末状成型材料来制造三维物体的任意方法。

激光器可以包括例如气体或固体激光器或任何其它种类的激光器。通常，可以使用任何装置来选择性地将能量输入到成型材料的层上。可以使用另一种光源，电子束或适合于固化成型材料的任何其它能量或辐射源来代替激光。本发明也可以应用于选择性掩模烧结，其中使用延伸的光源和掩模，或者可以应用于吸收烧结或抑制烧结。

代替引入能量，所涂覆的成型材料的选择性固化也可以通过3d打印来进行，例如通过涂覆粘合剂。通常本发明涉及通过粉末状成型材料的逐层涂覆和选择性固化来制造物体，而不考虑成型材料固化的种类和方式。

可以使用各种粉末，特别是金属粉末，塑料粉末，陶瓷粉末，沙子，填充或混合的粉末。