具有解耦的处理室的增材制造设备和增材制造方法与流程

本发明涉及一种可自动化且基于光相互作用的制造设备，特别是一种具有精度确定的部件的优化布置的用于选择性激光熔化(slm)的制造设备，从而可以最小化外部干扰和过程中发生的干扰。此外，还提出了一种优化的增材制造方法。

背景技术：

1、现有技术中已知的slm系统以这样的方式构建，即生产slm部件所需的各个元件(例如特别是光学模块、构建室、涂布机和z轴)直接附接至构建室或直接附接到彼此。

2、然而，这种类型的连接具有以下缺点：当该复合材料中的元件或子部件的相对位置和/或方向改变时，特别是由于热变形或由于力的影响，整体结构会发生不想要的变化。这导致待生产的部件的制造过程中出现偏差和不准确。主要部件结构的变形通常会导致激光束在粉末平面中的位置和方向的点定位误差，这无法再现和补偿或者需要付出非常高的代价才能补偿。

3、特别是，在具有多个激光扫描仪系统的slm机器的情况下，粉末平面中各激光束的相对位置也可能存在偏差。此外，粉末床表面(例如位置或方向以及实际层厚度)可能会出现偏差。因此，所制造的部件的质量会受到影响，导致几何缺陷，例如形状和位置偏差、表面质量下降、或冶金缺陷、例如粘结缺陷或气孔。

4、例如从de 10 2019 200 680 a1已知一种用于根据选择性激光熔化原理生产模制体的设备。该申请的主题通过引用并入本文。

技术实现思路

1、本发明的一个目的是提供一种用于增材制造的制造设备，利用该制造设备能够实现待制造的部件的改进的制造质量。另外，本发明的一个目的是提供一种优化的制造工艺，利用该工艺可以实现改进的制造质量。特别地，本发明的一个目的是最小化在slm部件的制造期间发生的干扰因素和干扰影响，特别是热影响和力影响，从而可以提高待制造的物体的质量。

2、为了解决该目的，提出了独立权利要求的特征。有利的实施例可以在从属权利要求中发现。

3、一种用于通过光学相互作用逐层构建粉末材料物体的设备可以包括处理室和至少一个光学模块。特别地，该设备可以利用选择性激光熔化工艺。

4、可以提供处理室以在构建场地提供工作空间。可以提供至少一个光学模块，其是照射单元的一部分，或者其形成用于对存在于构建场地的区域中的材料进行空间上的选择性照射的照射单元。优选地，光学模块布置在处理室上方并与处理室间隔开。主载体或接收元件可用于实现设备的各个主要部件的中央连接。接收元件或基座元件用作用于接收或支撑设备或制造设备的主要部件的承载单元。主要部件特别包括设备的生产物体所必需的那些部件，即特别是一个或多个光学模块、处理室、涂布机以及z轴和/或升降装置。有利地，至少一个光学模块在第一接合部处安装或接收在基座元件上。进一步有利地，处理室在间隔开的第二接合部处被接收或安装在基座元件上，与至少一个光学模块解耦。因此，光学模块与处理室分开布置，其中光学模块以及处理室均安装在基座元件上。

5、因此，处理室的热膨胀不再直接影响间隔开的光学模块。由于设备的所有主要部件优选分开设置并且在基座元件上彼此间隔一定距离，所以主要部件对彼此的热影响或机械影响也被最小化。

6、优选地，主要部件排他地容纳在基座元件上，并且特别优选地，每个主要部件都仅在为每个主要部件单独设置的一个或多个接合部处被支撑。因此，主要部件或精度确定的部件的布置方式使得它们不会相互影响或者将影响保持在最低限度。

7、特别优选地，处理室经由多个接合部安装到基座元件，其中每个接合部与第一接合部(光学模块安装在第一接合部处)间隔开，并且其中特别优选地，多个接合部基本上布置在一水平面上。

8、特别优选地，基座元件具有参考平面，主要部件相对于该参考平面布置和定位，并且该参考平面的相对位置被用作位置信息，例如以补偿变形。

9、换句话说，所有相关部件优选地附接至基座元件，并且设备的一平面被用作每个主要部件的参考平面，该平面被定义为共同的参考平面并且特别优选地是光学模块的参考平面。

10、通过主要部件的这种特征性布置，特别是光学模块和处理室直接在基座元件上彼此间隔开和分离，使得这些部件的热和机械影响可以最小化，从而显著提高了该设备的制造质量。

11、该设备的各个主要部件，例如处理室、光学模块、升降装置和构建筒，可以彼此分开地安装，并且优选地直接安装在基座元件上。优选地，该安装允许各个部件的热膨胀而不将显着的力引入到基座元件中，使得主要部件可以在预定公差范围内自由变形，而不会由此将力或变形引入到其他主要部件或基座元件中。例如，为此目的可以减少主要部件的支撑点，使得它们分别例如在它们自己的支承点处安装在基座元件上，使得在热变形的情况下，连接的主要部件的主体不引入或仅引入最小的力到基座元件上。另外，可以设计容纳的主要部件的支承点，使得提供间隙，特别是在竖直方向上，使得在连接的主要部件在竖直方向上热膨胀时不会将力引入到基座元件中。特别地，通过将各个主要部件分开地布置在同一基座元件上，可以最小化主要部件之间相互的热和机械影响，从而可以提高待生产的部件的质量。

12、主要部件中的至少一个，例如处理室、光学模块、升降装置和/或构建筒，可以以热解耦的方式安装在基座元件上。例如，可以通过使用由隔热材料制成的部件来实现在基座元件上的热解耦安装。特别地，例如由陶瓷或玻璃或纤维增强塑料制成的隔热板和盘可以用作支承点或接合部处的中间元件。另外，可以使用由隔热塑料制成的隔板。通过该有利的实施例，可以进一步减少对基座元件的热影响。因此，主要部件之间的相互影响也可以显着降低。特别地，处理室的热变形是必要的，因此特别优选的是，至少处理室经由隔热材料(例如陶瓷板或塑料盘)安装在至少一个支承点或接合部(优选每个)处。

13、还可以在第二接合部处设置冷却装置以用于冷却该接合部。第二接合部是处理室与基座元件的(一个或多个)接合部，其与第一接合部分离。例如，冷却通道可以设置在支承板或支撑板中，其允许一个第二接合部(或多个第二接合部)的主动冷却或温度控制，从而最小化或主动影响处理室对基座元件和其他主要部件的热影响。被动冷却也是可行的，使得例如可以提供冷却片来冷却一个第二接合部(或多个第二接合部)，并且因此有助于减少处理室对基座元件的热影响。

14、优选地，设备的主要部件可以与处理室热耦合和机械耦合。特别地，设备的主要部件可以与处理室分开地设置在基座元件上。特别地，还可以在光学模块和处理室之间设置一个或多个适配器元件，用于相对环境进行气密和/或不透激光的屏蔽。适配器元件优选地布置在处理室上方和光学模块下方。由于适配器元件设置为光学模块和处理室之间的中间元件，并且适配器元件可以特别柔性地设计并且能够气密地屏蔽从光学模块到处理室的传输区域，因此可以实现光学模块与处理室的柔性连接以及热解耦和机械解耦。优选地，适配器元件直接连接至光学模块并且直接连接至处理室。因此，即使处理室的强烈加热也不会导致对光学模块的影响。有利地，适配器元件以允许处理室和适配器元件之间在水平面以及竖直面内的相对运动的方式连接到处理室。为此，可以在连接处设置密封环和/或膜。通过使用与密封环和/或膜结合的可移位轴承(优选地在水平方向以及竖直方向)，可以释放所连接的处理室的相对运动。因此，处理室的变形不会经由适配器元件传递至光学模块，而是通过适配器元件的特定连接以气密和/或不透激光的方式进行补偿。可以最大限度地减少部件相互之间的热和机械影响，从而显着提高部件的制造质量。

15、特别有利的是适配器元件的柔性设计，使得可以实现处理室无机械应力地相对光学模块相对运动。为此目的，适配器元件可以例如具有伸缩状结构和/或由柔性材料制成。特别地，适配器元件包括至少一个膜和/或至少一个密封环，以使得能够与处理室和/或光学模块机械和热解耦。

16、特别优选地，适配器元件具有集成的保护玻璃，以保护光学模块免受处理室的被颗粒污染的处理气氛的影响。特别优选地，保护玻璃刚性地连接至光学模块，以防止保护玻璃相对于光学模块的相对位移，从而确保部件的制造精度。特别优选地，适配器元件设置在光学模块和处理室之间并且与光学模块和处理室连通。

17、各个主要部件可以具有共同的参考平面。各个主要部件可以通过共同的参考平面彼此对准，特别是通过由不随温度变化的材料(temperature-invariant material)制成的定位元件。不随温度变化的材料例如是因瓦合金或纤维增强塑料，例如碳纤维增强塑料或玻璃纤维增强塑料。例如，也可以使用陶瓷或玻璃。由于各个主要部件都有一个共同的参考平面，因此可以相对于一个共同的参考平面来确定主要部件的位置和位移以及方向，从而能够精确地确定主要部件的位置和方向，并且其中，例如，相对于参考平面的位移的补偿可以经由机器控制并且因此通过调节束路径来实现。为了能够尽可能精确地确定主要部件的位置和方向，也可以相对于为各个主要部件设置的定位元件来执行各个主要部件相对于共同的参考平面的相对位置。由于定位元件由不随温度变化的材料制成并且这些定位元件直接连接到共同的参考平面，因此定位元件基本上表现出不随温度变化。因此，各个定位元件为各个主要部件的位置和方向的计量确定提供参考点或参考尺度。因此，通过确定相对于定位元件的相对位置和方向，可以以简单且可靠的方式确定主要部件的位移或方向。优选地，定位元件从基座元件顶部处的共同的参考平面竖直向下延伸到设备中、到达处理室并且到达升降装置和/或构建筒。

18、主要部件中的至少一个可以有利地通过定位元件耦合到共同的参考平面，用于确定相应部件的定向或定位的偏差。定位元件可以有利地直接设置在共同的参考平面处并且延伸到相应的主要部件。主要部件与定位元件之间的连接点可用于计量确定主要部件的位置和方向变化。有利地，以这种方式可以实现主要部件相对于共同的参考平面的位置和方向的精确确定。

19、主要部件的位移可以通过测量装置以电子方式记录并直接和/或同时在机器控制系统中计算。因此，可以补偿所确定的位移，特别是光学模块的光束路径的调整，以便提高部件的制造质量。

20、各个主要部件可以至少部分地经由定位元件直接机械地连接到共同的参考平面，以设定到共同的参考平面的恒定距离。这种进一步的扩展使得例如可以通过由不随热变化的材料组成的定位元件来固定或定位浮动安装的主要部件，使得例如在共同的参考平面和定位元件与主要部件的连接点之间的竖直方向上始终可以实现恒定的距离。浮动轴承进而允许主要部件膨胀，而与定位元件的连接点保持为固定点。特别地选择到定位元件的连接点，使得主要部件的位移对待制造部件的部件质量具有尽可能小的影响。

21、共同的参考平面可以有利地是光学模块的参考平面。参考平面的这种特别有利的定义使得能够简单且有效地确定主要部件的位置和方向以及精确的补偿。

22、特别有利地，基座元件被设计成使得其形成包围(特别是完全包围)处理室的框架。这使得主要部件、特别是处理室能够特别有利地安装在基座元件上。此外，热膨胀可以由基座元件补偿，至少达到可预定的最大值。

23、有利地，该设备可具有至少一个用于制备粉末材料的涂布机。涂布机可包括对准装置。为了保持对准装置的位置和方向恒定，其可以通过定位元件直接连接至参考平面，特别优选机械连接至参考平面。定位元件可以设计为杆、棒或细梁，其由不随温度变化的材料制成(如已经描述的那些材料)。这种特别有利的设计使得可以保持对准装置和共同的参考平面之间的距离基本恒定并且因此基本独立于热膨胀。因此，可以以特别有效的方式实现高部件精度。优选地，定位元件沿着z轴定向，使得尽可能地防止沿着z轴的长度变化。

24、有利地，该设备可以包括z轴的测量系统，其中为了测量系统的位置和方向的恒定保持，其可以通过定位元件直接连接到(或安装在)参考平面上。测量系统还可以设置为升降装置的测量系统。

25、有利地，可以提供过程监控系统，例如摄像机系统、粉末床监控系统和/或熔点监控系统，每个过程监控系统耦合到共同的参考平面(优选直接连接到参考平面)。有利地，这些附加的过程监控系统因此独立于处理室布置并且直接连接到或安装在基座元件上。

26、有利地，提出了一种用于通过如上所述的设备来制造物体的方法，该方法可以包括以下步骤：通过至少一个定位元件来确定至少一个主要部件相对于共同的参考平面的位置和/或方向，因此，可以实现物体的特别精确的制造。

27、另外，该过程可以包括通过调整光束路径(特别是光学模块)来补偿直接或同时由机器控制系统确定的位移的步骤。因此，可以实现物体的特别精确的生产。

28、该方法还可以包括使用各个主要部件和与其相关联的定位元件作为参考来确定主要部件的位置和/或方向的步骤。如已经描述的，由不随热变化的材料制成的定位元件被视为相对于共同的参考平面的固定点，因此通过确定主要部件相对相应定位元件的相对距离(或距离变化)能够简单且明显地检测相应主要部件的位置和方向。

29、在另一个有利的实施例中，处理室可以沿着释放方向在接合部处被释放到基座元件，特别是在竖直方向上，并且可以附加地设置耦合元件，特别是耦合杆，其将沿释放方向的运动耦合到参考平面。耦合杆可以被设计为定位元件并且因此由不随温度变化的材料制成。定位元件也可以被设计为杆，其直接附接至共同的参考平面。该设备还可以具有用于竖向定位构建板的升降装置。另外，可以设置构建筒来引导构建板。升降装置和构建筒均可直接安装至基座元件。所有主要部件可以间隔开且独立于处理室设置，特别是设置在基座元件上。

30、有利地，各个主要部件可以以解耦的方式连接到基座元件，并且主要部件可以经由共同的参考平面彼此对准。有利地，处理室可以与光学模块分开且独立地安装在基座元件上。处理室可以包括处理室外壳，以在构建过程期间提供相对环境密封的工作空间。