通过增材制造法制造工件的方法和适合用于执行该方法的设备与流程

本发明还涉及一种用于通过增材制造法制造工件的设备，所述设备具有用于粉末层的容纳结构。为该粉末层设置滑块，所述滑块能够以棱边在粉末床中的待形成的层的设定高度移动。此外设置有偏移机构，所述偏移机构在存在障碍物时能够使棱边偏移至位于所述障碍物上方的偏移高度。

开篇所述类型的方法和设备例如由专利文献cn201572919u已知。描述了一种滑块，所述滑块能够用于弄平基于粉末床的增材制造法的粉末床。该滑块移动经过粉末床的表面，其中，所述滑块可以由各个单独的支承在弹簧上的部段构成，所述部段在粉末床中存在障碍物的情况下升高并且由此防止过程中断。滑块的有关部段在障碍物后方又能够在弹性的支承结构的辅助下回到初始位置中。

在本申请的范围中，基于粉末机床的增材制造方法应当理解为，在制造期间将制造工件所用的材料增添入所述工件中。工件在此已经形成最终的外形或者至少近似地形成该外形。构造材料是粉末状的，其中，通过增材制造法在输入能量的情况下物理地固化用于制造工件的材料。

针对选择的增材制造法准备描述构件的数据(cad模型)以便能够制造作为工件的构件。为了为制造设备生成指令而将所述数据转化为与制造方法适配的构件数据，由此能够在制造设备中进行用于逐步地制造构件的适宜的过程步骤。为此这样准备数据，即为构件的各个待形成的层(片层)提供几何数据，这也被称为切分。

作为增材制造法的示例可以列举出选择性激光烧结(英语selectivelasersintering，缩写sls)、选择性激光熔化(英语selectivelasermelting，缩写slm)和电子束熔化(英语electronebeammelting，缩写ebm)。这些方法尤其适用于加工形式为粉末的能够用于制造结构构件的金属材料。

在slm、sls和ebm中逐层地在粉末床中制造构件。因此这些方法被称为基于粉末床的增材制造法。在粉末床中分别产生粉末层，接着通过能量源(激光或者电子束)在应当构成构件的区域中局部地熔化或者烧结所述粉末层。由此逐步地逐层制成构件并且能够在完成后从粉末床中取出所述构件。

sls的特点在于，在该种方法中粉末颗粒未完全熔化。在sls中在选择烧结温度时应当注意使所述烧结温度低于粉末颗粒的熔化温度。而在slm和ebm中有意地使能量输入量高至使得粉末颗粒完全熔化。

在粉末床中进行增材制造时必须在粉末床上逐层地铺设粉末。在铺设粉末之后或者在铺设粉末时借助滑块使所述粉末构成具有平坦的表面的薄层。接着在之后应当构成构件的区域中例如借助激光射线局部地熔化粉末层。构造材料在熔化和接下来的凝固中可能产生如图1所示的缺陷或者形状偏差。作为缺陷可能有飞溅物、隆起、下沉或者棱边。所有这些缺陷的特点在于，凝固的材料的表面不是位于当前待制造的构件层的在结构上规定的表面上，而是位于其下方或者上方。尤其位于规定的平面上方的缺陷可能对后续的粉末层的铺设造成困难。如果所述缺陷也从后续的待形成的粉末层中突伸出来，则所述缺陷与用于将粉末层弄平的滑块碰撞。

为了在尽管在粉末床的表面中存在障碍物的情况下也能够通过滑块弄平，按照上述专利文献cn201572919u的建议，部段状地构造滑块。在障碍物的区域中相关的部段通过所述障碍物被抬升并且接着回到初始位置中。因此滑块能够整体地在在结构上规定的高度移动越过障碍物。然而在障碍物的区域中无法完全起作用，因此本来必须被滑块弄平的粉末材料留在那里。这使得在缺陷位置的区域中聚集越来越多的材料，由此使缺陷位置继续扩大，这在最坏的情况下会造成过程中断并且使处于制造中的构件成为废件。

因此本发明所要解决的技术问题在于，改进开篇所述类型的方法或者开篇所述类型的设备，使得在即使存在障碍物的情况下也能够有效地并且可靠地弄平用于增材制造工件的粉末床。

所述技术问题按照本发明通过开篇给出的方法解决如下，即在滑块通过障碍物之后在障碍物的区域中通过刷子弄平粉末床。使用刷子的优点在于，不必为了越过障碍物而整体抬升所述刷子。其实是刷毛具有足够的弹性，以便在障碍物的区域中通过弹性变形偏移。刷子在此直接贴靠在障碍物上，从而能够有效地弄平包围所述障碍物的粉末。由此在障碍物周围有利地不会存留突伸出当前的粉末层在结构上规定的高度的残余粉末。可以始终在滑块后方导引刷子，从而能够自动地弄平(例如由于障碍物)高于设定高度的粉末床区域。由于在刷子之前使用滑块，因此所述滑块承担主要的弄平粉末床的工作。这是有利的，因为滑块能够产生粉末床的特别平整的表面。除此之外借助滑块能够有利地更简便地从粉末床的表面上移除更大量的多余粉末，方式是在滑块前面推走这些多余的粉末量。刷子仅需在障碍物的区域中移除少量的残余粉末，由此有利地防止刷毛被多余的粉末填充。

按照本发明的一种设计方案也可以规定，仅在在粉末床中有障碍物突伸出设定高度的情况下水平地将刷子导引经过该障碍物。出于这种目的可以仅在障碍物的区域中将刷子下降至粉末床上，否则使刷子与粉末床保持距离。这具有的优点在于，不会将粉末床的已经由滑块弄平的区域再次弄平，因为由此可能使粉末床的表面变差。

按照本发明的另一种设计方案也可以规定，在这种高度导引刷子，使得刷子的刷毛端部处于再处理高度(或称为后处理高度)，所述再处理高度处于设定高度上方。再处理高度应当有意地相对于粉末床的表面具有一定的、尽可能小地选择的距离，由此使得刷毛端部在障碍物之外不接触粉末床。在障碍物突伸出粉末床的位置中可能的是，刷毛端部沿着障碍物的表面扫过并且移除那里的残余粉末，从而在整体上改善粉末床的表面的质量。

例如有利的是，设定高度和再处理高度之间的高度差h是层的层厚的至少1％和最高50％、优选10％。由此一方面确保了足够的安全距离，由此使毛刷在粉末床的已经具有足够的表面质量的区域中能够无接触地导引越过粉末床。另一方面高度差足够小，由此在障碍物的区域中能够几乎完全地移除多余的粉末并且能够实现粉末床的表面质量的改善。

特别有利的是，刷子朝向相同的方向跟随滑块。在此有利地产生更小的控制耗费，因为刷子自动地获取处于粉末床的表面的高度上方的残余粉末。刷子例如可以以恒定的距离跟随滑块，其中，滑块和刷子可以在机械上相互耦连并且能够通过相同的执行器移动。备选地也可行的是，以分开的执行器运行刷子和滑块，由此能够在不同的高度朝向不同的方向运行刷子和滑块。例如也可行的是，较窄的刷子与滑块呈直角地移动并且直接向形成的障碍物移动。

为此前提是，按照本发明的另一种设计方案通过传感器测取障碍物。这例如通过自动光学检测系统(aoi)实现。借助图像传感器能够识别并且定位粉末床表面中的缺陷位置，从而能够使刷子直接移动至该区域。

如开篇所提到的，滑块可以弹性地设计，由此实现滑块的棱边自动地偏移。按照本发明的设计方案，另一种可能性是，通过执行器将滑块抬升至偏移高度。可以选择性地将整个滑块或者将所述滑块的部段抬升至偏移高度。执行器可以设计为用于分开地局部地抬升滑块的部段。然而也可以使用将滑块作为整体逐层地改变高度的执行器，其中，在这种情况下，需要在整个滑块宽度上借助刷子进行高度的补偿。

所述技术问题按照本发明通过开篇给出的设备解决如下，即除了滑块之外设置有刷子，所述刷子能够以其刷毛端部在粉末床的待产生的层的设定高度移动。换言之设置有移动机构，所述移动机构使得刷子能够与滑块相应地在粉末床表面中移动。备选地可以规定，刷毛端部能够水平地在位于设定高度上方的再处理高度移动。由此能够保持刷毛端部和粉末床的区域之间的上文已经阐述的距离，所述区域已经由滑块弄平至足够的质量。在对应的方法的范围中已经阐述了所述设备的优点，并且一旦在所述设备中进行所述方法，则能够产生所述优点。

按照所述设备的一种有利的设计方案规定，刷子和滑块能够沿着相同的进给方向移动并且所述刷子沿着进给方向布置在滑块之后。由此产生了设备的能够进行可简便地控制的方法的结构。在存在障碍物的情况下，刷子在所述障碍物的区域中尽可能好地自动地弄平粉末床。然而由此预设了进给方向，即刷子必须始终跟随在滑块之后。

如果期望滑块能够朝向相反的方向在粉末床上移动，则能够按照本发明的另一种设计方案规定，在滑块的两侧上分别布置刷子。当时使用的则是沿着当前的移动方向跟随着布置的刷子。当时正好未使用的刷子能够有利地在这段时间中被清洁。

另一种有利的可能性是，刷子和滑块的顺序能够由交替机构交换。在此也可行的是，能够沿着相反的方向使用由刷子和滑块构成的组合，从而能够沿着两个相反的方向弄平粉末床。由此避免了会使该方法变缓慢的滑块移动时间。

以下根据附图描述本发明的其它细节。相同的或者相应的图示元件分别配设有相同的附图标记并且仅在各个附图之间存在的区别方面多次阐述。在附图中：

图1示出了粉末床的表面中不同的缺陷位置的示意性视图，

图2至图4在侧面的视图中示出了按照本发明的方法的实施例的不同阶段，

图5在横截面中示出了按照本发明的设备的实施例并且

图6和图7示出了刷子和滑块的组合的实施例、该组合在按照图5的设备中的使用方式。

图1中示出了在粉末床12中制造的工件11。此外示出了滑块13，所述滑块能够在不同的位置中导引经过粉末床，从而在设定高度14将待制造的表面弄平。滑块13为此以棱边15导引经过粉末床并且在此将未示出的粉末量分布在粉末床上并且弄平(也参见图2至图4)。在粉末床12中逐层16地制造工件11。在图1中仅通过点划线示出了最后制造的层16。所述层既存在于工件11中，也存在于粉末床12中，所述层在所述工件11中例如通过激光射线固化。该层16构成了粉末床12目前的表面并且也应当构成工件11的表面。

然而工件11呈现出不同的缺陷位置，所述缺陷位置如以下详细阐述的那样存在于工件在结构上设置的表面之外。缺陷位置可能由飞溅物17、隆起18、下沉19或者工件棱边20构成。如果例如粉末床的熔化的或者部分熔化的颗粒在方法过程中被卷起并且接着落在粉末床或者工件的表面并且附着在那里，则可能形成飞溅物。如果处于制造中的层21在粉末床中厚度不均匀地构造并且可提供用于熔化的材料过多或者过少，则可能产生隆起、下沉和棱边。这些缺陷位置降低了工件的质量并且因此应尽可能地避免。

此外如果这些缺陷位置从待形成的层21的设定高度14突出，则所述缺陷位置对后续的粉末层的分布造成了困难。即在这种情况下产生滑块13的棱边15与相关的障碍物17、18、20的碰撞。

在飞溅物17的示例中可以看出，滑块13的棱边15那时必须偏移至偏移高度22，以便能够无碰撞地导引经过相应的障碍物。在该区域中，残余粉末存留在飞溅物17或者其它未在图1中示出的类似的障碍物上。这些残余粉末在后续的制造步骤中降低了工件的质量并且导致缺陷位置继续扩大，从而使负面的影响不断加重。这甚至可能导致制造过程中断并且使待制造的工件成为废件。

为了针对这种情况，根据本发明按照图2可以通过滑块13和附加跟随的刷子23弄平粉末床，其中，图2在不同的可能的位置中示出了所述刷子23(为了能够进行所述方法分别仅需要两个刷子23的其中一个)。按照图2示例性地在工件上示出了作为障碍物的飞溅物17(同样可以考虑按照图1的其它障碍物)。

从图2可以看出，滑块13以其棱边15沿着进给方向24导引经过粉末床，其中，当前待制造的层21的表面在设定高度14上被弄平。滑块13在此在其前方推动多余的粉末量25。刷子23在此间隔一定的距离地跟随，其中，刷子23的刷毛端部26能够确切地位于设定高度14或者再处理高度27。再处理高度27相对于设定高度14具有高度差h，从而使刷毛端部26不接触粉末床12的表面并且由此不影响粉末床的表面质量。

从图3中可以看出，滑块13由各个部段构成，所述部段能彼此独立地绕旋转轴29偏转地布置，其中，所述旋转轴29垂直于图面。可以看出的是，部段28之一从飞溅物17处抬升至偏移高度22，方式是使相关的部段28偏转。沿着观察者的视线方向位于偏移的部段28之后的部段28由虚线表示。通过偏转其中一个部段28，沿着进给方向24观察，粉末能够在相邻的部段之间到达滑块后方。偏移的部段28也无法完全移除飞溅物17前方的粉末，所述粉末由残余粉末30表示。在通过飞溅物17之后，相关部段28例如能够通过未示出的复位弹簧的作用重新偏转回其预定位置中。

从图4中可以看出，滑块13目前完全通过了飞溅物17。刷子23现在到达飞溅物7，其中，可以看出的是，刷毛端部26紧贴飞溅物17的表面，而同时刷毛本身弹性变形。由此能够去除残余粉末30(参见图3)，其中，部分残余粉末落入刷毛之间并且另一部分均匀地分布在粉末床的表面上，从而在飞溅物17周围也在最大程度上保持粉末床的设定高度14。

图5示出了用于选择性激光熔化的设备。所述设备具有处理室31，在所述处理室中设置有用于粉末床12的容纳结构32。在该容纳结构32中，用于工件11的构建平台33能够轴向地移动。通过逐层地下沉构建平台能够借助滑块13和刷子23以所述方式产生粉末床的未再示出的层。滑块13和刷子23为此能够在固持装置34上水平地移动。此外，固持装置34本身能够通过支座99在处理室中竖直地移动。

滑块13首先移动至粉末储库35上方，计量活塞36由此提供粉末量25。滑块13将所述粉末量推动至粉末床上形成未详细示出的当前待熔化的层。滑块13将粉末量25的多余的粉末推动至收集容器37中。

接着激活激光38。所示的是激光的光程39，所述光程经过反射镜40通过处理窗41导引向粉末床12的表面。通过处理窗也可以借助摄像头42监控粉末床12的表面。监测结果可以以未详细示出的方式用于控制执行器43(参见图6)，以便主动地将滑块13抬升至障碍物上方。

图6示出了一种装置，在所述装置中滑块13借助执行器43能够朝向双箭头的方向水平移动地支承在固持装置34上。滑块13能够以此方式主动地抬升至偏移高度22(参见图1)中。在滑块13前后各有一个刷子23a、23b支承在固持装置34上。刷子23a、23b也能够通过执行器43a、43b竖直移动地(如双箭头所示)支承。

图6所示的是刷子23a、23b针对移动方向24a的定位。刷子23a在此被调节至再处理高度27，从而在存在障碍物的情况下借助刷子23a的刷毛端部自动去除残余粉末。刷子23b抬升至被动高度44，在所述被动高度刷毛端部距离粉末床在设定高度14中的表面足够远，由此(即使存在障碍物也)不会产生接触。

如果选择进给方向24b，则刷子43b被调节至再处理高度27，而刷子23a必须被抬升至被动高度。滑块13接着能够朝向进给方向24b移动，其中，由刷子23b确保粉末床的表面的再处理。

图7示出了也能够分别仅通过一个刷子23和一个滑块13实现两个相反的进给方向24。滑块13和刷子23支承在能够旋转地支承的交替机构45上。当交替机构45水平时，滑块13和刷子23参照设定高度14对齐。然而通过轻微转动交替机构45也能够将刷毛端部26在设定高度上方调节至再处理高度27(未示出)。