用于制造三维物体的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于逐层地制造三维物体的 方法。本发明尤其涉及一种用于激光烧结构件的方法。
【背景技术】
[0002] 越来越多地，生成式制造方法不再仅用于母型或小批量的制造，而是趋向于借助 于层构造法来批量生产全功能构件。在批量生产时非常重要的方面是生产时间。但是，尽 可能短的生产时间通常与实现尽可能小的物体细节相矛盾。在层构造法中该矛盾直接在构 造参数上表现出：
[0003]例如如果在激光烧结时为用于固化构造材料的照射选择大的激光束焦点，那么这 缩短了构造过程。然而，大的焦点降低了在待制造的物体上的可达到的细节精度。在层构 造工艺中待涂覆的构造材料层的厚度也最终反映出在构造时间和细节精度之间的折衷。如 果选择大的层厚度，那么层的总数量减少。但由此降低了细节精度，这主要在相对于垂直线 具有斜度的构件表面的情况下表现出：层厚度越大，越不能完美地实现倾斜的表面。倾斜的 表面具有阶梯轮廓，层厚度越大，阶梯轮廓越粗糙。
[0004]DE4309524C1建议一种方法，其中，物体的表面区域借助于具有小直径的激光束 进行固化，而物体的内部区域借助于具有大直径的激光束进行固化。对此，在涂覆预定厚度 的构造材料层之后仅所述层的对应于物体表面的部分被固化，而内部区域不进行固化。只 有在涂覆完N个层之后（其中N是大于1的整数），才借助于具有大直径的激光束一次性固 化全部N个层的内部区域。
[0005] 根据DE4309524C1的方法尤其在具有复杂地构成的表面的复杂构件中具有缺 点，因为复杂的表面导致每个物体横截面的延展的边缘线并且因而导致每个层的该轮廓线 的长时间的固化。
[0006]DE19727943A1描述一种用于优化在构造时间和细节精度之间的折衷的替选方 法。该文献建议，在分析构件之后将该构件交互地分成多个部段并且为各个部段单独确定 构件层的厚度。由此能够给关键区域、例如窄的连接片配置单独的小的层厚度，而将较厚的 层配置给其它区域，例如构件的垂直于所述层的壁。由此在整体上减少了构造时间。
[0007] 根据DE19727934A1的方法尤其是放弃：为整个物体横截面强制性地选择一个 恒定的层厚度。仅在与关键区域相对应的部段中，层厚度选择为小的。这样的方法尤其在 制造层压式物体时是有利的，其中，纸层相叠地粘接。然而，在立体光刻和激光烧结时，这样 的方法产生下述问题：
[0008] 复杂的是：薄的构造材料层仅被涂覆在结构空间的与一个部段相对应的子区域 中，并且在结构空间的其它子区域中没有涂覆构造材料。
【发明内容】
[0009] 因此，本发明的任务在于，提供一种用于借助于通过电磁辐射或能量粒子辐射实 现的固化来逐层地制造三维物体的方法，其中，也针对这种物体的制造对在构造时间和细 节精度之间的折衷进行优化，其中，所要求的细节精度在物体内部大幅度变化。
[0010] 所述任务通过根据权利要求1所述的方法来解决。
[0011] 本发明的扩展在从属权利要求中给出。
[0012] 根据本发明，不像在DE4309524C1中那样，在固化构造材料时静态地在物体横截 面的内部区域和物体横截面的边缘区域之间进行区分。不同于在DE19727934A1中的方 法，根据本发明，为了对在构造时间和细节精度之间的折衷进一步优化，不是调整层厚度， 而是调整用于构造材料固化的照射参数。尤其是将需要高的细节精度的区域以与小的细节 精度就足够的区域不同的方式和方法进行固化。
【附图说明】
[0013] 借助于附图由对实施例的说明得到本发明的其它特征和优点。在附图中：
[0014] 图1示出作为用于逐层地制造三维物体的设备的示例的激光烧结设备的示意图；
[0015]图2示出根据本发明的第一实施例的待制造的物体的子区域的垂直于层的剖视 图；
[0016]图3示出根据本发明的第二实施例的待制造的物体的垂直于被涂覆的层的剖视 图。
【具体实施方式】
[0017] 图1以示意的方式示出激光烧结设备，其作为用于借助于生成式制造方法逐层地 制造三维物体的设备的示例。能根据控制装置的调整来实施按本发明的方法的设备具有向 上敞开的容器1，该容器具有能够在其中沿竖直方向运动的支架2,该支架支承待形成的物 体。支架2沿竖直方向设定成，使得物体的各待固化的层位于工作平面6中。此外设有涂 覆机10、11，用于施加待通过电磁辐射固化的粉末状构造材料。设有激光器7作为电磁辐射 源。由激光器7产生的激光束8通过偏转单元9转向到工艺室100中并且在工作平面6中 的预定的点处聚焦。此外设有控制装置40,该控制装置以协调的方式控制设备的各组成部 分以实施构造工艺。此外，所述控制与待制造的物体的CAD数据相关地被实施。
[0018] 能够使用所有的适用于激光烧结法的粉末或粉末混合物作为粉末状构造材料。这 样的粉末例如包括塑料粉末、如聚酰胺或聚苯乙烯、聚醚醚酮、金属粉末如稀有金属粉末或 者其它的适应于相应目的的金属粉末、尤其是合金、塑料覆层的沙或陶瓷粉末。
[0019] 激光烧结设备的运行通常如此实现，即涂覆机10、11在构造区域上方运动并且将 粉末层以预定的厚度d施加在整个构造区域中，所述厚度不必对于所有层都相同。随后，借 助激光束对物体3在工作平面6中的相应的层中的横截面进行照射并且使那里的粉末固 化。然后，支架2下降并且施加新的粉末层。物体的制造通过该方式逐层地进行。在完成 之后，将物体取出并且必要时例如通过铣削进行再处理和/或进行质量控制。
[0020] 在物体横截面内部能够将轮廓区域和内部区域进行区分。轮廓区域在此对应于物 体的边缘区域（在数学-拓扑意义中的边缘），而内部区域是横截面减去轮廓区域。在制成 的物体中，轮廓区域位于外表面上或者（在存在空腔或通道的情况下）也位于内表面上。
[0021] 下面对如何能在刚才描述的激光烧结设备中实施按本发明的方法进行说明，其 中，仅描述相对于传统方法的特性：
[0022] 在由构造材料逐层地制成物体的生成式制造方法、例如激光烧结法中，首先存在 待制造的物体的CAD模型，所述物体被分解成层（所谓的分层（slicing))，所述层对应于 构造材料的待固化的层。为了制造物体，包含关于物体的结构信息的数据（也称为生产数 据）由控制装置40进行处理。根据本发明，物体的原始CAD模型在分解为层（分层）之前 被分成（分解成）模型子区域。因此，在分层之后至少在一部分层中存在对应于不同模型 子区域的区域。
[0023] 然后，在后续基于生产数据制造物体时将在一个层中的构造材料在不同的模型子 区域中以不同的方式固化。通常通过进行分解可行的是，仅在下述模型子区域中提供具有 高的细节精度（Detailgenauigkeit)的耗时的固化：在这些模型子区域中这由于物体几何 结构、物体的使用目的或通过制造工艺预设的边缘条件是必要的。尽管如此，在整个构造区 域中以相同的厚度涂覆层。在不同的模型子区域方面的区分通过固化参数实现。
[0024] 通常足够的是，在一个物体中分成两个模型子区域：一个是应以高的细节精度被 固化的模型子区域，而另一个是能以较低的细节精度（并且因而更快速地）被固化的模型 子区域。尽管如此，也还能够在固化条件中进行更大程度的区分，其方式为：设置多于两个 模型子区域。为了形象地说明按本发明的方法，下面将所谓的关键区域和所谓的非关键区 域、即由三维CAD模型分解成的两个模型子区域进行区分。
[0025] 图2示出借助于根据本发明的第一实施例的方法制成的物体的一个子区域的示 意性横截面，其中剖面垂直于制成物体的粉末层延伸。在理想情况下在制成的物体上不再 看到在构造过程中的层。然而为了形象地说明按本发明的方法，在图2中物体如此被示出， 使得各个（方形表示的）固化区域是可见的，这些固化区域是例如激光束作用到粉末的这 些部位处的结果。
[0026] 在图2中示出的制成的物体的特点是具有位于内部的冷却通道20,该冷却通道具 有大的弯曲。由于所述弯曲和小的直径而必要的是，制成具有高细节精度的冷却通道壁区 域21。与此相反，物体横截面的其余区域仅具有非常少的细节，从而在该区域中较大的结 构类型也是可行的。因此，原始的CAD模型被分解为对应于壁区域21的区域作为关键区域 (第一模型子区域）和包括物体的整个其余体积的非关键区域（第二模型子区域）。
[0027] 构造过程现在例如如此实施，使得逐层地以小的厚度d(例如40μm)涂覆构造材 料，该厚度选择为，使得在冷却通道的壁区域21中能够实施具有高精度的固化。在细节精 度方面被视为特别关键的表面区域21现在在每个层中在涂覆所述层之后就被固化，而被 涂覆的层的其余部分首先不被固化。在施加一定数量N的层之后（N是