具有改进气体回路的用于生产工件的装置的制作方法

本发明涉及用于通过用电磁或粒子辐射照射原材料粉末层来生产三维工件并装备有改进气体回路的装置。本发明进一步涉及操作用于通过用电磁或粒子辐射照射原材料粉末层来生产三维工件的这种装置的方法。

背景技术：

粉末床熔化为下述加层工艺，粉末状特别是金属和/或陶瓷的原材料可通过该加层工艺被加工成复杂形状的三维工件。为此，原材料粉末层被涂覆于载架上并根据待生产的工件的期望几何形状以选区方式经受激光辐射。穿透至粉末层中的激光辐射引起原材料粉末颗粒的加热以及由此引起其熔化或烧结。另外的原材料粉末层随后被相继涂覆于载上已经经受激光处理的层，直到工件已经具备期望形状和尺寸。用于通过粉末床熔化工艺由粉状原材料生产模制体的装置例如在EP1793979B1中被描述。粉末床熔化工艺可用于基于CAD数据生产原型、工具、替代部件、高价值部件或医学假体(诸如，牙齿或整形假体)。

现有技术的装置包括处理室，该处理室容纳用于待制造的成形体的多个载架。粉末层制备系统包括粉末存储保持器，该粉末存储保持器可横向于载架往复移动，以便将待用激光束照射的原材料粉末涂覆到载架上。该处理室提供有被连接到保护气体回路的保护气体入口和保护气体出口。经由保护气体入口，例如氩气的保护气体被供应到处理室，以便在处理室内建立保护气体气氛。经由保护气体出口，在流动通过处理室时，被加载有诸如残余原材料粉末以及焊接烟雾颗粒的颗粒杂质的保护气体从处理室收回。

在保护气体回路内，布置有过滤设备，用于在保护气体经由保护气体入口再循环到处理室之前将颗粒杂质从流动通过保护气体回路的保护气体过滤。当过滤设备中提供的过滤器介质被加载有从流动通过保护气体回路的保护气流分离的颗粒时，装置的操作必须停止，直到过滤介质器被更换。如果易燃的原材料粉末在装置的处理室中被处理，则为了消防安全的原因，必须在打开过滤器并将加载有易燃颗粒的过滤器介质暴露于周围大气之前将过滤器充满水。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于通过用电磁或粒子辐射照射原材料粉末层来生产三维工件的装置，其可长时间无间断地操作并允许生产高质量的工件。而且，本发明的目的在于操作这种类型的装置。

这些目的通过如下各方面所限定的装置以及如下各方面限定的方法来实现。

一种用于生产三维工件的装置包括：容纳载架和用于将原材料粉末涂覆于载架上的粉末施加设备的处理室。原则上，载架可为刚性固定载架。然而，优选地，载架被设计为能沿竖向方向移位，使得随着工件由原材料粉末成层建造而具有增加的构造高度，载架可沿竖向方向向下移动。原材料粉末优选为金属粉末，特别是金属合金粉末，但是也可以是陶瓷粉末或者包含不同材料的粉末。粉末可以具有任何合适的粒度或者粒度分布。然而，优选的是处理粒度＜100μm的粉末。

该装置进一步包括照射设备，用于将电磁或粒子辐射选择性地照射到涂覆于载架上的原材料粉末上，以便通过加层构造方法(additive layer construction method)来生产由原材料粉末制成的工件。因此，涂覆于载架上的原材料粉末可以根据待生产的工件的期望几何形状以选区方式经受电磁或粒子辐射。照射设备优选适于将辐射照射到原材料粉末上，这引起原材料粉末颗粒的选区熔化。照射设备可包括至少一个辐射源(特别是激光源)以及用于引导和/或处理由该辐射源发出的辐射束的至少一个光学单元。光学单元可包括诸如物镜(特别是f-theta镜头)和扫描器单元之类的光学元件，扫描器单元优选包括衍射光学元件和偏转镜。

处理室包括气体入口，例如，气体(例如，惰性气体)经由该气体入口可被供应到处理室。优选地，处理室可针对环境大气被密封，即，针对围绕处理室的环境被密封，以便能保持可控气氛，特别是处理室内的惰性气氛。因此，例如，可以在处理室内建立氩气气氛或任何其它合适的惰性气氛。通过控制处理室内的气氛，可防止在用电磁或粒子辐射照射原材料粉末时不期望的化学反应(特别是氧化反应)的发生。

此外，处理室包括气体出口。当涂覆到载架上的原材料粉末用电磁或粒子辐射选择性地照射时，包含诸如原材料粉末颗粒以及焊接烟雾颗粒的颗粒杂质的气体因此可经由气体出口从处理室排放。颗粒杂质从处理室移除，以避免辐射能量被过多吸收和/或遮蔽由照射设备的辐射源发出的辐射束。

用于生产三维工件的装置进一步包括气体回路，气体回路包括将处理室的气体出口连接到处理室的气体入口的循环管线。过滤器系统布置在循环管线中。因此，经由循环管线，从处理室排放的气体可再循环到处理室，其中气流中存在的颗粒杂质可通过将离开处理室的气流引导通过布置在循环管线中的过滤器系统而去除。可借助合适的传送设备，例如，优选在循环管线中布置在过滤器系统下游的泵，将气流传送通过循环管线，由此确保传送设备没有暴露于过滤器系统上游的气流中包含的颗粒杂质。

最后，用于生产三维工件的装置包括在循环管线中布置在过滤器系统上游的旋风分离器系统。旋风分离器系统包括至少一个旋风分离器，适于将离开处理室的气流中包含的颗粒杂质通过涡流分离从气流中去除，而不需要使用过滤器介质。例如，旋风分离器可包括圆柱形或圆锥形壳体，该圆柱形或圆锥形壳体沿切向方向供应有包含颗粒杂质的气体，使得壳体内的气体/颗粒混合物遵循螺旋形流动路径。由于作用在气体/颗粒混合物中存在的颗粒上的离心力，颗粒撞击旋风分离器壳体的内壁并由此减速。结果，颗粒从气流中分离并以重力驱动的方式在旋风分离器壳体的底端离开。干净的气体可从旋风分离器壳体的顶端排出。

如上所述，用于生产三维工件的装置的旋风分离器系统可仅包括一个简单的旋风分离器。然而，当然还可想到使旋风分离器系统装备有具有特定设计的一个或多个旋风分离器，例如，旋风分离器具有二级气体入口，以允许二级气流供应至旋风分离器中，这防止气流中存在的颗粒撞击到旋风分离器壳体的内壁，从而防止内壁过度磨损。在任意情况下，旋风分离器系统使得在气流被供应到过滤器系统之前，离开处理室的气流中存在的至少粗颗粒杂质被大量去除。

因此，由于旋风分离器系统的存在，供应到过滤器系统的气流的颗粒负载被显著降低，结果可观地延长了过滤器系统的服务寿命，而不需要更换过滤器系统的过滤器中存在的过滤器介质。用于生产三维工件的装置因此可长时间不间断地操作，这对于生产大型三维工件是必要的。另外，过滤器系统的分离效率可长时间被维持在较高水平，因此确保待生产的工件的质量不受颗粒杂质的影响，由于过滤器系统的超负荷而使得颗粒杂质不能从循环气体流中去除。

在该装置的优选实施例中，过滤器系统包括彼此平行地布置在循环管线中的至少两个粗颗粒过滤器。两个粗颗粒过滤器例如可被设计为对于过滤粒度为0.9μm的颗粒具有平均效率(Em)大于95％的F9过滤器的形式。通过将两个粗颗粒过滤器彼此平行布置，有效过滤器表面扩大，因此通过过滤器介质的气体/颗粒混合物的体积流率以及因此过滤器介质上的压差可被显著降低。结果，过滤器的服务寿命可延长，过滤器介质的分离效率可显著提高，特别是对于将细颗粒从气流中分离。最后，两个粗颗粒过滤器彼此平行的布置允许替换一个过滤器的过滤介质同时另一个仍在操作。结果，两个粗颗粒过滤器中一个的过滤介质的替换可在不中断装置的操作并建造三维工件的情况下实现。

过滤器系统可进一步包括在循环管线中布置在粗颗粒过滤器下游的细颗粒过滤器。细颗粒过滤器例如可被设计为F13过滤器的形式，即，具有大于99.95％的分离效率的HEPA(高效微粒空气过滤器)。在粗颗粒过滤器下游布置细颗粒过滤器确保再循环到处理室中的气流几乎没有颗粒杂质。结果，在处理室内生产的三维工件的质量可在整个建造周期内被维持。

用于生产三维工件的装置的旋风分离器系统可包括粗颗粒旋风分离器和在循环管线中布置在粗颗粒旋风分离器下游的细颗粒旋风分离器。通过在旋风分离器系统中提供至少两个旋风分离器，旋风分离器系统的分离效率可提高，进一步减轻过滤器系统的负荷。

在用于生产三维工件的装置的特别优选实施例中，旋风分离器系统包括被设计为多级旋风分离器形式的细颗粒旋风分离器。多级旋风分离器包括并联或串联布置的多个单独的旋风分离器并以特别高的分离效率而引入注目。如果旋风分离器系统包括粗颗粒旋风分离器和被设计为多级旋风分离器形式的细颗粒旋风分离器，则旋风分离器系统的分离效率对于离开处理室的气流中存在的颗粒杂质可大于99％。

结果，离开处理室的气流中存在的大部分原材料粉末颗粒可借助旋风分离器系统从气流中去除。过滤器系统因此可操作以主要过滤诸如焊接烟雾或烟灰颗粒的燃烧产物。特别地，如果诸如铝粉末的易燃的原材料粉末在用于生产三维工件的装置的处理室内进行处理，则过滤器系统的安全操作性，特别在替换过滤器介质时，可显著提高，这是因为过滤器系统的过滤器不再加载有大量易燃的细原材料粉末颗粒。类似地，被设计为多级旋风分离器形式的细颗粒旋风分离器特别适合于将易燃颗粒从离开处理室的气流中分离，这是因为在多级旋风分离器内，每个单独的旋风分离器仅收集少量易燃颗粒，因此增加旋风分离器系统的操作安全性。

在用于生产三维工件的装置的优选实施例中，节流设备被布置在循环管线中。此外，可提供适于检测循环管线中节流设备上的压差的压差检测设备。如果布置在循环管线中的过滤器系统的过滤器逐渐增加负载或者甚至堵塞，则流过循环管线的气体/颗粒流的体积流以及因此节流设备上的压差降低。借助压差检测设备检测的节流设备上的压差因此可用作流过循环管线的气体/颗粒混合物的体积流率的测量。

结果，可以省去体积流率的直接检测，由于气流中存在的形成导电层以及由此诱发测量误差的导电颗粒，体积流率的直接检测可能困难并且易于出错。相反，节流设备上的压差可用作可靠地检测控制值，控制值可被供应到控制单元，该控制单元适于根据所述控制值(即，根据借助压差检测设备检测的压差)控制传送设备，传送设备被操作以将从处理室的气体出口排放并包含颗粒杂质的气体传送通过循环管线。换言之，基于节流设备上的压差，控制单元可控制传送设备(例如，布置在循环管线中的泵)的操作，以使节流设备上的压差以及通过循环管线的气体/颗粒混合物的体积流率的偏差被补偿。

例如，控制单元可适于将借助压差检测设备检测的压差与预设的压差进行对比并控制传送设备，以使检测的压差趋向于预设的压差。特别地，控制单元适于控制传送设备，以使节流设备上的压差以及通过循环管线的气体/颗粒混合物的体积流率维持恒定，与旋风分离器系统和/或过滤器系统的操作状态无关。例如，控制单元采用的控制策略可包括，如果借助压差检测设备检测的压差与预定的压差之间的差超过预定阈值，则控制传送设备以降低或增加传送设备的速度。通过使节流设备上的压差以及通过循环管线的气体/颗粒混合物的体积流率维持恒定，确保气体向处理室的恒定供给和气体从处理室的恒定排放以及由此确保通过处理室的气体的恒定流动，这对于在处理室内待生产的工件的质量是非常重要的。

压差检测设备可包括在循环管线中在布置节流设备下游的第一压力传感器和在循环管线中布置在节流设备上游的第二压力传感器。压差检测设备因此具有简单的结构且易于操作和维护。

在用于生产三维工件的装置的特别优选实施例中，节流设备由布置在循环管线中的旋风分离器系统形成。由此可免除提供单独的节流设备。相反，可采用存在于循环管线中并且总是产生压差的部件，从而对于通过循环管线的气体/颗粒混合物的体积流率获得可靠的可检测测量。

一种操作用于生产三维工件的装置的方法，包括步骤：将原材料粉末涂覆到容纳在处理室内的载架上，处理室提供有气体入口和气体出口。将电磁或粒子辐射选择性地照射到涂覆于载架上的原材料粉末上，以便通过加层构造方法来生产由所述原材料粉末制成的工件。将从处理室的气体出口排放的包含颗粒杂质的气体引导通过布置在循环管线中的过滤器系统，所述循环管线将处理室的气体出口连接到处理室的气体入口。此外，包含颗粒杂质的气体被引导通过在循环管线中布置在过滤器系统上游的旋风分离器系统。

包含颗粒杂质的气体可被引导通过彼此平行地布置在循环管线中的至少两个粗颗粒过滤器。此外，气体/颗粒流可被引导通过在循环管线中布置在粗颗粒过滤器下游的细颗粒过滤器。

替代地或另外地，包含颗粒杂质的气体可被引导通过粗颗粒旋风分离器和在循环管线中布置在粗颗粒旋风分离器下游的细颗粒旋风分离器。细颗粒旋风分离器可被设计为多级旋风分离器的形式。

上述方法可进一步包括步骤：检测循环管线中布置在循环管线中的节流设备上产生的压差。可根据检测的压差控制传送设备，该传送设备被操作以将从处理室的气体出口排放的包含颗粒杂质的气体传送通过循环管线。

特别地，可将检测的压差与预设的压差进行对比并可控制传送设备，以使检测的压差趋向于预设的压差。

可借助压差检测设备检测压差，该压差检测设备包括在循环管线中布置在节流设备下游的第一压力传感器和在循环管线中布置在节流设备上游的第二压力传感器。

节流设备可由布置在循环管线中的旋风分离器系统形成。

附图说明

在下面参照示意性附图更详细地解释本发明的优选实施例，其中：

图1示出用于生产三维工件的装置；和

图2示出根据图1的用于生产三维工件的装置的气体回路的详细视图。

具体实施方式

图1示出用于通过加层构造方法制造部件的装置10。装置10包括处理室12。设置在处理室12中的粉末施加设备14用于将原材料粉末涂覆到载架16上。处理室12可针对环境大气(即，针对围绕处理室12的环境)被密封。载架16被设计为能沿竖向方向移位，使得随着工件由载架16上的原材料粉末成层建造而具有增加的构造高度，载架16可沿竖向方向向下移动。

装置10进一步包括照射设备18，用于将激光辐射选择性地照射到涂覆于载架16上的原材料粉末上。通过照射设备18，涂覆于载架16上的原材料粉末可以根据待生产的工件的期望几何形状以选区方式经受激光辐射。照射设备18具有可密封壳体20。由可例如包括发射大约1070至1080nm波长的激光的二极管泵浦掺镱光纤激光器的辐射源24(特别是激光源)提供的辐射束22(特别是激光束)经由开口26被引导到壳体20中。

照射设备18进一步包括用于引导和处理辐射束22的光学单元28。光学单元28可包括用于扩展辐射束22的光束扩展器、扫描器和物镜。替代地，光学单元28可包括包含聚焦透镜和扫描器单元的光束扩展器。通过扫描器单元，辐射束22的焦点在光路的方向上以及在垂直于光路的平面中的位置可以改变和调整。扫描器单元可设计为检流计扫描器的形式，物镜可为f-theta物镜。

在装置10的操作期间，通过用辐射束22选择性地照射涂覆到载架16上的原材料粉末，在载架16上生成待生产的部件的第一层。辐射束22根据待生产的部件的CAD数据被引导到在涂覆到载架16上的原材料粉末层上方。在待生产的部件的第一层完成之后，载架16沿竖向方向降低，借助粉末施加设备14继续涂覆粉末。之后，后续的粉末借助辐射设备18进行照射。因此，一层接一层地，部件被建造在载架16上。

处理室12被提供有气体入口30和气体出口32。经由气体入口30，气体，例如由惰性气体源(未示出)提供的惰性气体，被供应到处理室12。在处理室12内，气流带走诸如原材料粉末颗粒和例如焊接烟雾和烟灰颗粒的燃烧产物的颗粒杂质。因此，在处理室的气体出口32处，包含颗粒杂质的气流从处理室12排出。离开处理室12的气体/颗粒混合物被供应到气体回路34，气体回路34包括将处理室12的气体出口32连接到处理室12的气体入口30的循环管线36。因此，经由循环管线36，经由气体出口32从处理室12排放的气体可再循环到处理室12。被设计为泵形式且布置在循环管线36中的传送设备38用于将经由气体出口32离开处理室12的气体/颗粒混合物传送通过循环管线36。

然而，为了避免辐射能量被过多吸收和/或遮蔽由照射设备18的辐射源24发出的辐射束22，经由气体出口32离开处理室12的气流中存在的颗粒杂质必须在气流经由气体入口30再循环到处理室12之前从气流移除。因此，过滤器系统40和旋风分离器系统42(下面详细描述)被布置在循环管线36中且在传送设备38上游。

如从图2变得明显的是，在气体回路34的循环管线36中布置在过滤器系统40上游的旋风分离器系统42包括粗颗粒旋风分离器44。此外，细颗粒旋风分离器46在循环管线36中布置在粗颗粒分离器44下游。细颗粒旋风分离器46被设计为多级旋风分离器的形式，即，它包括彼此平行布置的多个单独的旋风分离器(图2中未详细示出)。借助旋风分离器系统42，离开处理室12的气流中存在的大部分原材料粉末颗粒可从气流中分离并从粗颗粒旋风分离器44和细颗粒旋风分离器46的底端排出。离开旋风分离器系统42的气流因此主要包含燃烧产物形式的颗粒杂质，例如，焊接烟雾或烟灰颗粒。

借助包括彼此平行地布置在循环管线36中的两个粗颗粒过滤器48a、48b的过滤器系统40，这些颗粒从气流中移除。粗颗粒过滤器48a、48b被设计为F9过滤器的形式，由于与单个粗颗粒过滤器相比扩大了过滤器介质表面，所以不仅在需要替换过滤器介质之前具有延长的服务寿命，而且由于通过过滤器48a、48b的过滤介质的气体/颗粒流的体积流率的降低而具有提高的分离效率。最后，设计为HEPA过滤器H13形式的细颗粒过滤器50在循环管线36中布置在粗颗粒过滤器48a、48b下游。借助细颗粒过滤器50，残余颗粒杂质可以以可靠的方式从流过循环管线36的气流中移除。经由气体入口30再循环到处理室12的气体因此基本没有颗粒杂质。

由于在装置10的气体回路34中，旋风分离器系统42已经将处理室12排放的大部分原材料粉末颗粒从流过循环管线36的气流中移除，所以具有这些颗粒的过滤器系统40的负荷可显著降低，从而在需要替换过滤器介质之前显著增加过滤器48a、48b的服务寿命。此外，由于通过过滤器48a、48b的过滤介质的气体/颗粒混合物的体积流率的降低(这由于过滤器介质的堵塞减轻而引起)，可实现过滤器48a、48b的提高的分离效率。最后，如果燃烧原材料粉末在处理室12内处理，则过滤器48a、48b、50不再加载有大量燃烧粉末颗粒。结果，过滤器系统40的操作安全性可增加，特别在替换过滤器介质期间。

装置10进一步包括压力检测设备52，该压差检测设备52包括在循环管线36中布置在旋风分离器系统42下游的第一压力传感器54和在循环管线36中布置在旋风分离器系统42上游的第二压力传感器56。压力检测设备52用于检测循环管线36中旋风分离器系统42上产生的压差。因此，旋风分离器系统42用作节流设备，在循环管线36内建立压差，该压差可用作通过循环管线36的气体/颗粒混合物的体积流率的测量。因此，可避免流动通过循环管线36的气体/颗粒混合物的体积流率的直接测量，这种直接测量由于导电颗粒层的形成(特别是如果金属原材料粉末在装置10的处理室12内处理的情况下)可能易于出错。相反，适于控制传送设备38的控制单元58可供应有借助压力检测设备52检测到的旋风分离器系统42上的压差。

控制单元58于是可根据借助压差检测设备52检测的压差，即，根据通过循环管线的气体/颗粒混合物的体积流率的测量，来控制传送设备38，通过循环管线的气体/颗粒混合物的体积流率可随着过滤器系统40和/或旋风分离器系统42的操作状态改变。特别地，当过滤器系统的过滤器48a、48b逐渐加载有从气流分离的颗粒杂质时，通过循环管线36的气体/颗粒混合物的体积流率以及借助压差检测设备52检测的压差可降低。控制单元58于是可控制传送设备38，以补偿循环管线36的气体/颗粒混合物的体积流率的上述改变，以便确保将恒定体积流量的清洁气体供应到处理室12并因此确保其中待生产的三维工件的质量恒定。

特别地，控制单元58将借助压差检测设备52检测的压差与预设的压差进行对比并控制传送设备38，以使检测的压差趋向于预设的压差。具体地，控制单元58控制传送设备38，以在借助压差检测设备52检测的实际压差与预设的压差之间的差超过预定阈值时增加或降低传送设备38的操作速度。