包括干燥设备的用于生产工件的装置的制造方法
【技术领域】
[0001]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的装置。此外，本发明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】
[0002]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架上已经经受激光处理的层，直到工件具备期望形状和尺寸。用于通过粉末床熔化工艺由粉末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)。
[0003]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。
[0004]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，直到过滤器介质被替换。在过滤器介质的替换期间，周围空气以及周围空气中包含的湿气进入保护气体回路。
【发明内容】
[0005]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，其可以以可靠方式操作并允许生产高质量的工件。而且，本发明的目的在于提供操作这种类型的装置的方法。
[0006]这些目标通过如下各方面所限定的装置以及如下各方面所限定的方法来实现。
[0007]—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< 100 μm的粉末。
[0008]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 construct1n method)来生产由所述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。
[0009]用于生产三维工件的装置进一步包括气体回路，气体回路包括适于将气体供应到处理室并将加载有颗粒杂质的气体从处理室排出的循环管线。例如，循环管线的第一端可连接到处理室的气体入口，气体(例如，惰性气体)经由该气体入口可被供应到处理室。循环管线的第二端可连接到处理室的气体出口。在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，包含颗粒杂质(例如，原材料粉末颗粒或焊接烟雾颗粒)的气体于是可经由气体出口从处理室排出。颗粒杂质从处理室去除，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。
[0010]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，以便能够维持可控气氛，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。
[0011]可借助合适的传送设备(例如，栗)将气流传送通过气体回路的循环管线和处理室。此外，过滤器系统可布置在气体回路的循环管线中。这使得在气体再循环到处理室之前，气流中存在的颗粒杂质在离开处理室时从气流中去除。用于将气体传送通过气体回路的循环管线的传送设备优选在循环管线中布置在过滤器系统下游，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。
[0012]用于生产三维工件的装置进一步包括原材料粉末回路，原材料粉末回路包括适于将原材料粉末供应到处理室并将多余原材料粉末从处理室排出的循环管线。例如，循环管线的第一端可连接到粉末施加设备的原材料粉末入口，原材料粉末可经由该原材料粉末入口供应到粉末施加设备并因此供应到处理室。循环管线的第二端可连接到处理室的原材料粉末出口。例如，处理室的原材料粉末出口可提供在抽出软管中，该抽出软管延伸至处理室的内部并可根据需要在载架上方引导以从处理室收回多余的原材料粉末。
[0013]原材料粉末可借助合适的传送设备(例如，鼓风机)传送通过循环管线。此外，可包括筛和/或过滤器装置的原材料粉末处理系统可布置在循环管线中。设置在原材料粉末回路的循环管线中的原材料粉末处理系统用于在原材料粉末被再循环到处理室并再用于建造工件之前将粗颗粒从原材料粉末中去除，例如，当原材料粉末颗粒在处理室内被用电磁或粒子辐射照射而熔化时可形成粗颗粒。用于将原材料粉末传送通过原材料粉末回路的循环管线的传送设备优选在循环管线中布置在原材料粉末处理系统下游，因此确保传送设备没有暴露于在原材料粉末处理系统上游原材料粉末中包含的粗颗粒。
[0014]最后，在用于生产三维工件的装置中，包含干燥剂的干燥设备布置在气体回路和原材料粉末回路中的至少一个中。通过在气体回路和原材料粉末回路中的至少一个中提供干燥设备，当原材料粉末被供应到原材料粉末回路时原材料粉末中存在的残余湿气可以以有效的方式去除。另外，当设置在气体回路的循环管线中的过滤器系统中提供的过滤器介质被替换时，湿气不可避免地进入装置，干燥设备在去除该湿气方面是有效的。
[0015]在该装置中，可避免或至少显著降低由湿气诱发形成的原材料粉末聚集。结果，在将原材料粉末传送通过原材料粉末回路时及在将原材料粉末涂覆到载架时原材料粉末的加工性能可增加。另外，当由湿气诱发的原材料粉末聚集存在于原材料粉末中时在测量与装置的操作控制相关的处理参数时可能发生的测量误差可达到最小。因此，通过将干燥设备提供在用于生产三维工件的装置的气体回路和原材料粉末回路中的至少一个中，装置的操作可靠性可增强。
[0016]而且，因为通过提供干燥设备而实现装置内湿气降低，导致待借助装置生产的三维工件中由于氢诱发的多孔性降低，因而装置能够生产高质量的工件，特别是具有增强的机械性能的工件。此外，由于氢在原材料粉末的熔融物中的高溶解性，对于氢具有高亲和力并因而易于形成氢诱发的多孔性的原材料粉末(诸如铝)可借助装置被加工为高质量工件。
[0017]在用于生产三维工件的装置中采用的干燥设备可包括填充有干燥剂的湿气渗透容器。例如，湿气渗透容器可以由刚性、固体材料制成，例如，塑料、陶瓷或金属材料，其提供有开口以便允许湿气进入容器并吸收到干燥剂。然而，作为替代方式，还可想到使干燥设备提供有由纤维、塑料或金属网制成的湿气渗透容器。
[0018]在优选实施例中，干燥设备中容纳的干燥剂为硅胶。硅胶为高效干燥剂且同时易于获得并且便宜。当然，还能想到在装置的干燥设备中使用另外合适的干燥剂，只要能避免气体回路和/或原材料粉末回路中存在的干燥剂和材料(例如，循环通过气体回路的气体和/或循环通过原材料粉末回路的原材料粉末)之间不期望的物理反应和/或化学反应，并且只要干燥剂能够经受气体回路和/或原材料粉末回路中存在的温度和另外的环境条件。
[0019]在用于生产三维工件的装置中，第一干燥设备可布置在气体回路中且在循环管线和处理室中的至少一个中。通常，处理室提供用于安装至少一个第一干燥设备的足够空间，至少一个第一干燥设备用于将湿气从处理室中存在的气体气氛中去除。例如，第一干燥设备可布置在处理室中的限定气体的流动路径的区域中，该气体经由处理室的气体入口供应到处理室