用于添加地制造至少一个三维物体的设备的制作方法

本发明涉及一种用于借助于由辐射产生装置产生的能量束通过依次选择性地固化各个由可固化的颗粒状建造材料组成的建造材料层来添加地(additiven)制造至少一个三维物体的设备。该设备还包括用于产生能量束的至少一个辐射产生装置和用于在建造平面中形成要被固化的建造材料层的至少一个覆层器装置。

背景技术：

这种用于添加地制造三维物体的设备本身是已知的。借助于相应的设备，借助于由辐射产生装置产生的能量束，在与要制造的物体的各个横截面区域相应的区域中，通过选择性地固化在建造平面中施加的、由可固化的颗粒状建造材料组成的建造材料层依次添加地建造出要制造的三维物体。

建造材料的施加或覆层特性是借助于覆层器装置要形成的建造材料层的质量的一个主要标准。建造材料的施加或覆层特性尤其是通过在建造材料颗粒之间的化学物理的相互作用，也就是说例如范德华力、由水分沉积产生的氢键等等来确定。此外，至今为止用于优化建造材料的施加或覆层特性的方法是以对建造材料的比较复杂的与材料相关的影响为基础的，例如通过颗粒形态和/或颗粒组成的选择。

技术实现要素：

本发明基于的任务是，给出一种与此相比尤其是在建造材料的施加或覆层特性的改善方面改进的、用于添加地制造三维物体的设备。

这个任务通过按照权利要求1的设备解决。从属权利要求涉及该设备的特别的实施方式。这个任务此外通过一种按照权利要求16的方法解决。

在此描述的设备一般用于借助于由至少一个辐射产生装置产生的至少一个能量束，通过依次选择性地逐层固化各个由可固化的颗粒状或粉末状的建造材料组成的建造材料层来添加地制造或者说生成地(generativen)制造至少一个三维物体、也就是说通常的技术的构件/建造部件(bauteil)或技术的构件组。该设备尤其可以是用于实施添加式激光熔化方法的设备，简称slm(选择性激光熔化)设备。基于建造数据实施依次选择性地逐层固化要被固化的建造材料层。建造数据一般描述各个要添加地制造的三维物体(以下简称为“物体”)的几何上的形状或几何结构上的设计。建造数据例如可以是要制造的物体的cad-数据或基于这种cad-数据被创建。

所述设备包括用于实施添加建造过程的典型的需要的功能部件、也就是说尤其是包括用于产生能量束的辐射产生装置，该辐射产生装置尤其是用于产生用于选择性地固化由颗粒状建造材料、尤其是金属粉末、塑料粉末或陶瓷粉末组成的各个建造材料层的激光束或电子束，所述设备还包括用于在建造平面中形成要被固化的建造材料层的覆层器装置。建造平面可以是承载装置的通常被(在竖直方向上)可运动地支承的承载元件的表面或是已经固化的建造材料层。

承载元件或承载装置通常是粉末模块的粉末室容积的底部侧的界限。粉末模块被设置用于容纳和/或输出建造材料。每个粉末模块包括用于容纳在添加建造过程的范围中要被选择性地固化的建造材料或在添加建造过程的范围中没有固化的建造材料的粉末室。粉末室限制一个可用建造材料填充的粉末室容积。粉末室容积至少在侧面上通过一般地空心长方体式地或空心圆柱体式地构造成的粉末室的壁(粉末室壁)来限制。如提到的那样，在底部侧上粉末室容积通过承载装置限制。粉末模块例如可以是：一种建造模块，在该建造模块中实施实际的添加建造三维物体并且该建造模块为此在实施添加地制造过程的范围中被依次逐层填充要被选择性地固化的建造材料；一种计量模块，经由该计量模块在实施添加地制造过程的范围中依次逐层将建造材料计量配给到过程室中；或者一种收集模块，该收集模块在实施添加地制造过程的范围中被填充没有固化的建造材料。

所述设备此外包括至少一个流态化装置。流态化装置被设置用于将能在待选择性固化的建造材料层中施加的建造材料或(已经)在待选择性固化的建造材料层中被施加的建造材料至少在部分区段上流态化。流态化应该理解为——类似于涡流层(流化床)方法——尤其是对建造材料或建造材料颗粒的(局部的或限制在局部范围中的)搅动，它赋予建造材料类似流体的特性；建造材料或相应的建造材料层因此可以至少在部分区段上变换成某种涡流层。建造材料的搅动——(在很大程度上)与建造材料的材料组成无关地——对建造材料的施加或覆层特性或施加或覆层状态具有积极的作用。这是因为流态化造成建造材料颗粒的、结合开头所述的现有技术描述的化学物理相互作用的抵消或减弱，它尤其是基于由流态化引起的建造材料颗粒的接触位置的改变。建造材料的流态化可以引起作用在建造材料颗粒上的引力的(暂时)抵消或减弱。建造材料的流态化(在时间上)在选择性地固化建造材料之前实施。

因此，尤其是在建造材料的施加或覆层特性的改善方面，提供一种改进的用于添加地制造三维物体的设备。

在第一实施方式中，流态化装置可以被设置用于产生引起能作为要被选择性地固化的建造材料层施加的建造材料和/或作为要被选择性地固化的建造材料层被施加的建造材料至少在部分区段上流态化的气流。建造材料或建造材料层的流态化在此处通过借助于流态化装置产生的气流来实现。气流可以相对于建造平面成角度地——尤其是与重力(引力)的作用方向相反地——延伸地定向。气流的与重力的作用方向相反的定向可以引起作用在建造材料颗粒上的引力的所述的(暂时)抵消或减弱。在气流的流动特性方面，也就是说尤其是在流动方式(其中(尽可能)层流的气流是优选的)和流动速度(其中(尽可能)低的流动速度是优选的)上，气流被如此地选择，即该气流不影响已经形成的建造材料层。通过气流产生的搅动通常引起对建造材料或建造材料层的局部的或局部限制的搅动。

气流通常通过惰性流动气体(惰性气体)或通过惰性流动气体混合物形成。流动气体或流动气体混合物因此与建造材料没有反应性的相互作用。流动气体例如可以是氩气或氮气。流动气体混合物例如可以包含氩气或氮气。

气流能经由在覆层器装置的功能部件中构造的、尤其是扩散器式的或喷嘴式的一个或多个流动开口引入建造材料中。功能部件尤其是刀片式的或刀片形的覆层器元件(覆层器刀片)。功能部件可以与流动产生装置耦联，经由该流动产生装置可以将气流引入或导入功能部件中。流动开口可以如此布置和定向，即气流至少按照它的主流动方向(在很大程度上)平行于建造平面地流动。只要存在多个流动开口，那么它们可以必要时成组地按照排和/或列方式的布置结构来布置，因此并排地或上下重叠地布置。至少一个流动开口可以通过一种影响、也就是说尤其是减慢的和/或均匀化流动特性的几何形状，也就是说例如格栅式的或格栅形的扩散器或喷嘴几何形状来构造。

为了影响、也就是说尤其是为了减慢或均匀化气流的流动特性，当然也可以设置至少一个分开的、与至少一个流动开口在功能上相配设的扩散器元件。扩散器元件可以连接在至少一个流动开口的上游或下游。

在另一个实施方式中，这些或至少一个流态化装置可以被设置用于，产生引起能作为要被选择性地固化的建造材料层施加的建造材料和/或作为要被选择性地固化的建造材料层被施加的建造材料至少至少在部分区段上流态化的机械振动。建造材料或建造材料层的流态化在此处通过由流态化装置产生的机械振动(振动)实现。产生的振动关于它们的振动特性、也就是说尤其是振幅和频率被如此地选择，即它们不影响已经形成的建造材料层。通过机械振动产生的搅动通常引起建造材料或建造材料层的局部的或局部限制的搅动。

该机械振动尤其可以是声振动，也就是说声音、尤其是超声波。机械振动可以是不同类型的；在此情况下例如可以是周期性的或非周期性的或线性的或非线性的机械振动。为了将建造材料层流态化而具体要使用的或使用的机械振动的特性，也就是说类型、形状、振幅、频率等等，尤其依赖于建造材料层的不同的建造材料参数，也就是说尤其是紧实度、颗粒类型(分布)、颗粒形状(分布)、颗粒大小(分布)等等，和/或依赖于过程参数来确定。机械振动可以由多个相互叠加的或相互组合的单个振动组成，由此得到由单个振动的叠加或组合产生的振动频谱。

机械振动能经由在覆层器装置的功能部件处或中布置或构造的至少一个振动产生元件引入建造材料中。用于使建造材料或建造材料层流态化的机械振动因此可以直接地经由相应的覆层器元件引入建造材料层中。振动产生元件或功能部件可以与振动产生装置耦联，经由该振动产生装置可以将相应的振动引入振动产生元件或功能部件中。功能部件也尤其是刀片式的或刀片形的覆层器元件(覆层器刀片)。也可以设想，将振动产生元件集成到覆层器元件中。振动产生元件可以是压电式的元件，也就是说一般地是声-机械的转换器元件，或可以包括这种元件。

除了流态化装置以外——该流态化装置，如解释的那样，用于改善建造材料的施加或覆层特性，所述设备可以附加地包括振动装置，该振动装置用于压实建造材料层。振动装置相应地被设置用于，为了至少在部分区段上压实建造材料层至少在部分区域将机械振动引入建造材料层中。经由就此而言也将被称为或看作为压实装置的振动装置引入建造材料层中的机械振动导致建造材料层的至少在部分区段上(必要时进一步的)压实。建造材料层的压实基于通过被引入建造材料层中的机械振动对建造材料的至少在部分区段上的机械的激励。这实现对在建造材料层的微观或宏观组织中存在的“空位”的填充并且由此引起建造材料颗粒的彼此之间的更紧密的布置，这导致比较而言建造材料层的更紧密的填塞或建造材料层的组织结构的压实。通过机械振动引起的建造材料颗粒的重新布置或重新定向对建造材料层的微观或宏观组织结构具有直接的影响。机械振动也应该理解为尤其是声学振动、也就是说声音。压实可以与流态化同时地或在流态化之后实施。

用于压实建造材料层的机械振动可以是不同类型的；该机械振动在此例如也可以是周期性的或非周期性的或线性的或非线性的机械振动。为了压实建造材料层具体要使用的或使用的机械振动的特性，也就是说类型、形状、振幅、频率等等在此处也尤其依赖于建造材料层的不同的建造材料参数、也就是说尤其是紧实度、颗粒类型(分布)、颗粒形状(分布)、颗粒大小(分布)等等，和/或依赖于过程参数来确定。当然，机械振动在此处也可以由多个相互叠加的或相互组合的单个振动组成，由此得到由单个振动的叠加或组合产生的振动频谱。机械振动的频率通常在10hz和100khz之间的范围中，尤其是在50hz和100khz之间的范围中。当然可以考虑向上和/或向下的例外，这是因为频率作为周期性的机械振动的基本的特性要依赖于例如建造材料层的不同的参数来确定。一般而言，用于压实建造材料的机械振动通常不同于或可以不同于用于将建造材料流态化的机械振动。

为了产生和传递机械振动，振动装置通常包括用于产生具有至少一个确定的振动特征或确定的振动特性的机械振动的至少一个振动产生元件和用于将所产生的机械振动传递到建造材料层或传递介质上或中的至少一个振动传递元件。机械振动因此可以经由附属于振动装置的振动产生元件、也就是说例如振荡器元件或转换器元件产生和经由连接在该振动产生元件下游的振动传递元件、也就是说例如膜片元件传递到建造材料层或传递介质中，也就是说传递到例如在传递元件和建造材料层之间的惰性气体或空气中。振动产生元件可以具体地例如设计成机电的、尤其是声学的或压电式的转换器元件或包括至少一个这种元件。

振动装置或附属于振动装置的振动传递元件可以至少在将机械振动引入建造材料层中期间至少在部分区域上接触要压实的建造材料层，使得所产生的机械振动能直接地经由振动传递元件引入建造材料层中。机械振动因此可以纯机械地引入建造材料层中。

当然也可以设想，振动装置或附属于振动装置的振动传递元件至少在将机械振动引入建造材料层中期间不接触建造材料层，使得所产生的机械振动能间接地经由传递介质——如提到的那样例如惰性气体——引入建造材料层中。机械振动可以因此(也)纯声学地或无接触地引入建造材料层中。

振动装置或振动传递元件可以与通常被至少沿着建造平面可运动地支承的覆层器装置运动耦联。在振动装置或振动传递元件和覆层器装置之间的运动耦联可以由此实现，即振动装置或振动传递元件或覆层器装置布置在或构造在覆层器装置处或中。由此同样使振动装置或振动传递元件非常紧凑地布置在或集成到所述设备中。覆层器装置的可运动的支承例如可以经由导向装置、尤其是线性导向装置来实现，或经由覆层器装置与导向装置、尤其是线性导向装置的耦联来实现，覆层器装置为了在建造平面中形成建造材料层可以借助于该导向装置至少沿着建造平面在所述设备的建造室或过程室中运动。

振动装置可以布置在一个覆层器装置所属的、尤其是刀片形的覆层器元件中或与这种覆层器元件平行地布置。在此情况下可以设想，覆层器装置所属的、尤其是刀片形的覆层器元件本身设计成振动传递元件或用作这种振动传递元件。用于压实建造材料层的机械振动因此可以直接地经由相应的覆层器元件引入建造材料层中。覆层器元件为此通过相应的机械振动被机械地激励。机械振动向建造材料层中的引入经由被相应激励的覆层器元件来实施。

作为在覆层器装置处或中布置或构造振动装置或振动产生元件的备选方案，也可以设想，振动装置、尤其是附属于该振动装置的、用于传递所产生的机械振动的振动传递元件与以至少能以一个运动自由度、尤其是至少能沿着建造平面运动的方式被支承的分开的保持装置运动耦联，也就是说尤其是布置在或构造在该保持装置处或中。以能运动的方式被支承的保持装置可以由覆层器装置在形成相应的建造材料层期间跟踪，由此产生类似的或相同的运动轨迹，尤其是沿着建造平面。对保持装置的能运动的支承例如可以经由导向装置、尤其是线性导向装置来实现，或经由保持装置与导向装置、尤其是线性导向装置的耦联来实现，借助于该导向装置，保持装置可以以至少一个运动自由度、尤其是沿着一个建造平面在所述设备的建造室或过程室中运动。

作为在覆层器装置或相应的保持装置处或中布置或构造振动装置或振动产生元件的备选方案，也可以设想，振动装置、尤其是附属于该振动装置的、用于传递所产生的机械振动的振动传递元件布置或构造在粉末模块处或中。具体地，振动装置或振动产生元件可以布置或构造在粉末室壁中或承载装置中。

除了所述设备之外，本发明也涉及一种用于借助于由辐射产生装置产生的能量束通过依次选择性地逐层固化各个由可固化的颗粒状建造材料组成的建造材料层来添加地制造三维物体的方法。该方法的特征在于，借助于流态化装置至少在部分区段上将能作为要被选择性地固化的建造材料层施加的建造材料和/或作为要被选择性地固化的建造材料层被施加的建造材料流态化。与上面描述的设备相关的全部实施例因此类似地适用于该方法。

附图说明

借助于在附图中的实施例对本发明进行详细解释。在此:

图1示出按照一个实施例的用于添加地制造三维物体的设备的原理图；

图2-4各示出一个按照一个实施例的在图1中示出的设备的细节a的放大的原理图；和

图5示出按照在图2中示出的实施例的覆层器元件的原理图。

具体实施方式

图1示出按照一个实施例的用于添加地制造三维物体2的设备1的原理图。设备1可以是slm-设备。

设备1用于借助于由辐射产生装置5产生的能量束或激光束6通过选择性地固化在建造平面3中形成的、由可固化的颗粒状建造材料4组成的建造材料层来添加地制造三维物体2、即典型地为技术构件或技术构件组。建造材料层的形成和依次选择性的逐层固化在设备1的建造室9中实施。在建造室9中通常存在保护气体气氛、也就是说例如氩气或氮气气氛。

建造材料4可以是可借助于相应的能量束6固化的金属粉末(混合物)，也就是说例如铝粉末，和/或是可借助于相应的能量束6固化的塑料粉末(混合物)，也就是说例如是聚醚醚酮粉末，和/或是可借助于相应的能量束6固化的陶瓷粉末(混合物)，也就是说例如是氧化铝粉末。

借助于如通过水平定向的箭头指示的那样可运动地支承的覆层器装置8在建造平面3中形成的、要被固化的建造材料层的逐层选择性固化是这样实施的，即由辐射产生装置5产生的能量束6，必要时经由射束偏转装置7或扫描器装置，被选择性地引导到建造材料层的特定的、要被固化的、与要制造的物体2的各个与层相关的横截面几何形状相应的区域上。

设备1此外包括至少一个流态化装置10。流态化装置10被设置用于将可在要被选择性地固化的建造材料层中施加的建造材料4或(已经)在要被选择性地固化的建造材料层中施加的建造材料4至少在部分区段上/局部地流态化。流态化尤其应理解为建造材料4或建造材料颗粒的(局部的或限制在局部范围中的)搅动，该搅动赋予建造材料4与流体类似的特性。建造材料4的搅动对建造材料4的施加或覆层特性或施加或覆层状态产生积极作用。建造材料4的流态化可以造成作用在建造材料颗粒上的引力的(暂时的)抵消或减弱。建造材料4的流态化(在时间上)在选择性地固化建造材料4之前实施。

图2示出按照另一个实施例的在图1中示出的设备1的细节a的放大的原理图。在图2中示出的实施例中，流态化装置10被设置用于，产生引起建造材料4的至少在部分区段上流态化的、通过箭头11指示的气流。建造材料4的流态化在此处通过由流态化装置10产生的气流实施。气流可以定向成相对于建造平面成角度地、尤其是与重力(引力)的作用方向相反地延伸。气流的与重力的作用方向相反的定向可以造成作用在建造材料颗粒上的引力被(暂时地)抵消或减弱。气流在它的流动特性方面被如此地选择，即气流不影响已经形成的建造材料层。通过气流产生的搅动通常引起对建造材料4的局部的或限制在局部范围中的搅动。该气流以(尽可能)层流的气流和(尽可能)低的流动速度流动。

气流通过惰性流动气体(惰性气体)或通过惰性流动气体混合物形成。流动气体或流动气体混合物与建造材料4不发生任何反应性的相互作用。流动气体例如可以是氩气或氮气。流动气体混合物例如可以含有氩气或氮气。

气流可以经由在覆层器装置8的功能部件中构造的、尤其是扩散器式的或喷嘴式的一个流动开口(多个流动开口)12——参见图5——引入建造材料4中。功能部件是刀片式的或刀片形的覆层器元件13(覆层刮刀)。覆层器装置8或覆层器元件13与流动产生装置14耦联，经由该流动产生装置可以将气流引入或导入覆层器装置8或覆层器元件13中。

图5示出覆层器元件13的前视图，依据图5可以看见，流动开口12被如此地布置和定向，即气流——至少按照它的主流动方向——(在很大程度上)平行于建造平面3流动。依据图5此外可以看见，只要存在多个流动开口12，它们可以以成排式的布置结构进行布置，因此相互并排地布置。至少一个流动开口12可以以影响流动特性的、也就是说尤其是减慢流动的和/或使流动均匀化的几何形状，也就是说例如格栅式的或格栅形的扩散器或喷嘴几何形状来构造。

为了影响，也就是说尤其是为了减慢或均匀化气流的流动特性，可以设置至少一个分开的、与至少一个流动开口12在功能上相配设的扩散器元件(没有示出)。

图3示出按照另一个实施例的在图1中示出的设备1的细节a的放大的原理图。在图3中示出的实施例中，流态化装置10被设置用于，产生引起至少在部分区段上流态化建造材料4的机械振动。建造材料4的流态化在此处通过由流态化装置10产生的机械振动(震动)实施。产生的振动在它们的振动特性方面，也就是说尤其是在振幅和频率方面，被如此地选择，即它们不影响已经形成的建造材料层。通过机械振动产生的搅动通常引起建造材料4的局部的或限制在局部范围中的搅动。

该机械振动是声振动，也就是说是声音、尤其是超声波。机械振动可以经由覆层器元件13引入建造材料4中。用于将建造材料4流态化的机械振动因此被直接地经由覆层器元件13引入建造材料层中。覆层器元件13为此与振动产生装置15耦联，经由振动产生装置可以将相应的振动引入覆层器元件13中。

图4示出按照另一个实施例的在图1中示出的设备1的细节a的放大的原理图。在图4中示出的实施例中除了流态化装置10以外附加地示出振动装置16，它用于压实建造材料层。振动装置16被设置用于，为了至少在部分区段上压实建造材料层而至少部分区域地/局部地将机械振动引入建造材料层中。经由就此而言也将被称为或被看作为压实装置的振动装置引入建造材料层中的机械振动导致对建造材料层的至少部分区段的(必要时进一步的)压实。

为了产生和传递机械振动，振动装置包括用于产生具有至少一个确定的振动特征或确定的振动特性的机械振动的振动产生元件17和用于将所产生的机械振动传递到建造材料层处或中的振动传递元件18。振动产生元件17被设置用于产生声音或超声波。

振动传递元件18是承载装置20，其显现为粉末模块或建造模块19的粉末室容积的底部侧的界限。

借助于在图中示出的设备1可以实施一种用于借助于由辐射产生装置5产生的能量束6通过选择性地固化各个由可固化的颗粒状建造材料4组成的建造材料层来添加地制造三维物体2的方法。该方法尤其可以是一种slm-方法，该方法的特征尤其在于，借助于流态化装置10至少在部分区段上将建造材料4流态化。