本发明涉及用于通过逐层施加和选择性固化粉末状构造材料制备三维物体的方法和装置。
背景技术：
例如在快速成型、快速制模或增材制造中使用这种类型的方法和装置。这样的方法的实例已知为名称“选择性激光烧结或激光熔化”。在此重复地施加粉末状构造材料的薄层并且在每层中通过借助激光束选择性辐射选择性固化构造材料。
ep1872928a1描述了一种方法，其中通过从在构造区域上方移动的计量添加装置输出颗粒材料进行层的施加。为此，所述计量添加装置具有垂直于计量添加装置延伸的、向下敞开的长的输出槽。计量添加装置在其移动过程中可受控地开启和关闭。为了施加新的层，将计量添加装置进一步升高所希望的层厚度。在一个优选的构型中，当计量添加装置的输出槽位于下一层的前边缘上方时，开启计量添加装置，和当计量添加装置的输出槽位于下一层的后边缘上方时，关闭计量添加装置。
然而，一般而言，为了施加粉末，并不是将涂布单元逐层升高，而是将在其上构造物体的载体逐层降低。可以构造待制备物体的构造区域的最大尺寸在此通过由载体的高度调节可降低的范围来确定。
这样的装置例如描述于de102010020418a1中。另外其中还描述了可以将涂布限制在比最大构造区域更小的区域中。在此，在涂布机的运动方向上涂布区域的限制是由于涂布机的行程的缩短导致的，也就是说，涂布机在其构造区域的末端之前就反转其运动方向。垂直于运动方向的限制是由于涂布机中的机械设置导致的。
在本申请的申请时间点尚未公开的德国专利申请102015207158中描述了一种方法，其中所施加的粉末层的高度在涂布机的运动方向上至少区段式增大或减小。这是通过改变涂布机与先前施加的层之间的高度距离来实现的，例如通过降低涂布机和/或升高和/或翻转在其上构造物体的载体。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供用于通过逐层施加和选择性固化粉末状构造材料制备三维物体的改进的方法和改进的装置。
所述目的通过根据权利要求1所述的方法、根据权利要求12所述的计算机程序、根据权利要求13所述的控制单元或根据权利要求14所述的装置来实现。本发明的改进方案分别在从属权利要求中给出。在此，所述方法和/或计算机程序还可以通过下文中的或在权利要求书中详述的所述控制单元和/或装置的特征来改进，反之亦然。
根据本发明的用于通过逐层施加和选择性固化粉末状构造材料在载体上制备三维物体的方法包含以下步骤：将所述载体下降到工作平面以下的预定高度，借助于在工作平面上方移动的涂布机在工作平面中施加粉末状构造材料的层，选择性固化在对应于待制备的物体的横截面的位置处施加的粉末层，和重复下降、施加和选择性固化的步骤，直至制成物体。在此，在位于工作平面中的预期的涂布区域之内，在所述涂布机在其上方移动的区域中，相对于至少一个粉末层，以区段式主动控制的方式减少所施加的粉末状构造材料的量(例如分级地或无级地或者连续地或非连续地减少)或者基本上不施加任何粉末状构造材料。由此可以限制其中施加了粉末状构造材料的区域，或者可以构成多个彼此分离的其中施加了粉末状构造材料的区域。
优选地，预期的涂布区域包含构造区域和包围构造区域的边缘区域，其中所述构造区域是可下降的区域，在所述构造区域之内，在施加新的粉末层之前，将经施加的且经选择性固化的粉末层下降，和如此以主动控制的方式进行相对于至少一个粉末层的所述粉末状构造材料(13)的施加，使得在所述边缘区域中，至少局部地施加比在所述构造区域中更少的粉末状构造材料或者完全不施加任何粉末状构造材料，其中优选如此控制粉末状构造材料的施加，使得所述粉末状构造材料完全施加到整个构造区域上。由此尤其可以将粉末的施加限制在必需的区域，和可以避免团聚的粉末可能从边缘区域偏移到构造区域中的缺点。
优选地，相对于多个粉末层、特别优选相对于全部的粉末层来进行主动控制地施加粉末状构造材料。由此对于多个或全部的粉末层实现了本发明的优点。
优选地，从与所述涂布机一起移动的计量添加装置向所述涂布机的方向计量添加粉末状构造材料并且然后将其从所述涂布机进行施加。由此例如免除了涂布机自身中自有的计量添加装置的必要性，和涂布机中的粉末储备可以保持大致恒定，这使得施加条件变得一致。
优选地，在将粉末状构造材料施加到工作平面上之前将其在涂布机中和/或计量添加装置中流化和/或预热。这简化了粉末的施加、改善了层品质或者缩短了加工时间。
优选地，粉末状构造材料的计量添加通过涂布机和/或计量添加装置中的闸门来控制，其中闸门优选无级地打开和/或关闭，和/或闸门包括滑块和/或铣制或开槽的轴。因此所施加的粉末的量可以通过简单的机构来计量添加。
优选地，在工作平面中在构造区域周围布置工作板，所述工作板优选通过自身的加热元件来加热，其中尤其如此控制工作板的温度，使得所述温度高于构造区域之内的温度。“构造区域之内的温度”应理解为尤其是如下的(平均)温度：所述温度存在于构造区域的如下位置，在所述位置处没有由于选择性固化的作用(如固化激光辐射)而刚好存在局部温度峰值。
替代此优选地，在构造区域周围布置工作台，所述工作台至少区段式下降到工作平面以下并且优选通过自身的加热元件来加热，其中尤其如此控制工作台的温度，使得所述温度高于构造区域之内的温度。在此，尤其上文“构造区域之内的温度”的定义仍然适用。通过加热工作板或工作台，可以避免由于对流循环造成的对构造区域上的温度分布的干扰，和由此可以改进部件品质。通过将工作台降低到工作平面以下，例如可以防止实际上到达工作台上并由于加热团聚的粉末偏移回到构造区域上，这同样可以改进部件品质。
优选地，在涂布方向上在构造区域之后(优选与所述构造区域基本上邻接地)布置溢出槽，过量的粉末能够通过所述溢出槽落入溢出容器中。由此额外地阻止过量的粉末可能到达预期的涂布区域的边缘区域中。
根据本发明的能够加载到可编程的控制单元中的计算机程序包含程序代码工具，以便在所述计算机程序在所述控制单元上实施时，执行根据本发明的方法的所有步骤。由此还可行的是，通过在控制单元中实施所述计算机程序而以简单的方式软件控制地实施本发明的方法。
根据本发明的控制单元被确定用于用来通过选择性逐层固化构造材料来制备三维物体的装置，其中所述装置包括：在竖直方向上可移动的载体，所述物体应构造在所述载体上，在工作平面上方可移动的涂布机，用于将构造材料的层施加到工作平面上，和固化装置，用于选择性固化在对应于待制备的物体的横截面的位置处施加的层。将所述控制单元配置为如此控制所述装置：使所述装置重复所述下降、施加和选择性固化的步骤，直至制成所述物体，和使所述装置如此进行所述粉末状构造材料的施加，使得在位于所述工作平面中的预期的涂布区域之内，在所述涂布机在其上方移动的区域中，相对于至少一个粉末层，以区段式主动控制的方式减少所施加的粉末状构造材料的量或者不施加任何粉末状构造材料。由此可行的是，借助于控制单元来实施本发明的方法。
根据本发明的用于通过选择性逐层固化构造材料制备三维物体的装置包括：在竖直方向上可移动的载体，所述物体应构造在所述载体上，在工作平面上方可移动的涂布机，用于将所述构造材料的层施加到所述工作平面上，和固化装置，用于选择性固化在对应于待制备的物体的横截面的位置处施加的层。将所述装置配置和/或控制为，重复所述下降、施加和选择性固化的步骤，直至制成所述物体，和如此进行所述粉末状构造材料的施加，使得在位于所述工作平面中的预期的涂布区域之内，在所述涂布机在其上方移动的区域中，相对于至少一个粉末层，以区段式主动控制的方式减少所施加的粉末状构造材料的量或者不施加任何粉末状构造材料。由此提供了一种用于制备三维物体的装置，通过该装置可以实施本发明的方法。
优选地，所述装置还包括向上敞开的容器，其中将所述载体布置在所述容器中，所述容器的上开口位于所述工作平面中，所述开口的内部构成能够逐步下降的构造区域，和将所述装置配置和/或控制为相对于至少一个粉末层以主动控制的方式如此进行所述粉末状构造材料的施加，使得在所述预期的涂布区域的包围所述构造区域的边缘区域中至少局部地施加比在构造区域中更少的粉末状构造材料或者不施加任何构造材料。由此尤其可以将施加粉末限制在必需的区域，和可以避免团聚的粉末从边缘区域偏移到构造区域中的缺点。
附图说明
本发明的其它特征和便利性借助于附图从对实施例的描述中得出。
图1是示意性的、部分以截面展示的用于逐层制备三维物体的装置的视图，所述装置适合于执行根据本发明的第一实施方式的方法。
图2是在施加粉末层的过程中，图1中用虚线圈出的局部的放大示意截面视图。
图3是根据本发明的第二实施方式的方法中使用的计量添加模块的示意性界面视图。
图4是示意性的、部分以截面展示的根据本发明第三实施方式的用于逐层制备三维物体的装置的局部视图。
具体实施方式
下文中参考图1描述装置1的实施例，所述装置适合于执行根据本发明第一实施方式的方法。在图1中所展示的装置是激光烧结或激光熔化装置1。为了构造物体2，所述装置包含具有腔室壁4的处理室3。
在处理室3中布置向上敞开的、具有壁部6的容器5。在容器5中布置在竖直方向上方可移动的载体7，底板8安置在所述载体处，所述底板向下封闭容器5并且由此构成其底部。底板8可以是与载体7分离地构成的、固定在载体7处的板，或者可以是与载体7一体式构成的。依据所使用的粉末和工艺，可以在底板8上再安置构造平台9，在所述构造平台上构造物体2。但也可以在底板8自身上构造物体2，此时所述底板就用作构造平台。在图1中，待在容器5中在构造平台9上构成的物体2示出为在由壁部6的上边缘限定的工作平面10以下处于中间状态，所述物体具有多个经固化的层、由保持未固化的构造材料11包围。
激光烧结装置1还包含用于可通过电磁辐射固化的粉末状构造材料13的储备容器12以及在水平方向h上方可移动的、用于将构造材料13施加到工作平面10上的涂布机14。在所有侧面包围容器5并且优选与容器热隔离的工作板15被布置为使其上表面处于工作平面10中。在工作板15中，在与储备容器12相反侧上布置溢出槽16，过量的粉末17可以通过所述溢出槽落入溢出容器18中。在处理室中，还布置辐射加热器19用于加热施加到工作平面10上的构造材料13。
激光烧结装置1还包含具有激光器21的光照装置20，所述激光器产生激光束22，所述激光束通过偏转装置23偏转并且通过聚焦装置24经由布置在处理室3的壁部4的上侧中的耦合窗口25聚焦到工作平面10上。
另外，激光烧结装置1包含控制单元29，通过该控制单元，装置1的单独的组成部分被控制以协调的方式用于执行构造过程。控制单元可以包含cpu，其工作通过计算机程序(软件)来控制。计算机程序可以与所述装置分离地储存在储存介质上，所述计算机程序可以从所述储存介质加载到所述装置中、尤其加载到所述控制单元中。
在工作中，为了施加粉末层，受限将载体7下降对应于所希望的层厚度的高度。于是，通过涂布机14在工作平面10上的移动，施加粉末状构造材料13的层。在此，预期的涂布区域b被限定的工作平面10的如下区域：在所述区域内，涂布机14在预期的使用下能够施加粉末，即能够实现其涂布功能。在图1中展示的激光烧结装置1延伸从涂布机14从储备容器12接收粉末状构造材料的位置直到溢出槽16(通过所述溢出槽，此处仍然保留在涂布机14中的过量的粉末17落入溢出容器18中)的预期的涂布区域b。超出此范围就不再具有涂布功能。
预期的涂布区域b包括构造区域b1(即工作平面10的位于容器5的上开口之内的区域)以及包围构造区域b1的边缘区域b2。在此，构造区域b1是可以构造物体2并且经施加和经选择性固化的粉末层在施加新粉末层之前下降的区域。
所施加的粉末层通过辐射加热器19预热，所述辐射加热器被设计为加热整个构造区域b1。工作板15的一部分也被辐射加热器19加热。但是，另外，工作板15还可以通过自有的布置在其上的(图中未示出)的加热元件来加热。
然后，将待制备的物体2的横截面用激光束22扫描，使得在对应于待制备的物体2的横截面的位置处的粉末状构造材料13固化。一直重复这个步骤，直到物体2完成制备并且能够从构造空间中取出。
图2放大地示意性示出在图1中由虚线圈出的局部a。
在施加和固化粉末层30之后，待制备的物体2的位于所述粉末层中的经固化部分被尚未固化的粉末11包围。于是，在这个先前施加且选择性固化的粉末层30上，借助于涂布机14在涂布方向r上的移动而施加构造材料13的另一个粉末层31。
如在图2中所示，涂布机14包含涂布单元，所述涂布单元具有在涂布方向r上前置的刀片(前刀片14a)和在涂布方向b上后置的刀片(后刀片14b)。这两个刀片在涂布方向b和与涂布方向相反的方向上至少部分封闭了间隙14c。由这两个刀片14a、14b限定的间隙14c被形成为，接收粉末状构造材料13的储备。这两个刀片14a、14b且因此还有由其限定的间隙14c在待涂布的区域的整个宽度上垂直于图平面延伸。
当涂布机14在涂布方向b上移动时，粉末状构造材料13的一部分保持在先前的层30上并且由后刀片14b展平成具有厚度d的均匀的薄粉末层(31)。所施加的粉末量通过后刀片14b的下边缘与先前施加的层30之间的高度距离确定。
为了施加新的粉末层31，涂布机14的涂布单元14a-c首先行进到储备容器12并且在那里接收预定量的粉末状构造材料13。这个预定的粉末量优选大于用于施加粉末状构造材料13的层所需的粉末量。然后，涂布单元14a-c在工作平面10上行进并且施加新的粉末层31。当涂布单元14a-c达到溢出槽16时，那里仍然保留在涂布机14中的过量的粉末17落入溢出容器18中。
根据此实施方式，新粉末层31的施加如下进行：在预定的涂布区域中，在涂布机14实际上经过的区域中，至少局部地以主动控制的方式减少所施加的粉末状构造材料13的量或者不施加任何粉末状构造材料13。
在此方面，主动控制的方式应理解为，所施加的粉末状构造材料的量不是通过后刀片14b的下边缘与先前施加的层30之间的高度距离来确定的，而是选择性地且与位置相关地相对于通过此高度距离可获得的量而主动地减少。至少对于粉末层、优选对于多个粉末层、更优选地对于所有粉末层进行这种主动控制的粉末量减少。
此类主动的控制例如如此进行，即，由涂布机14输出的粉末状构造材料14的量针对性地通过安置在涂布机处的装置来控制。这个装置例如可以是安置在涂布机处的闸门和/或计量添加装置。闸门优选可以无级地打开和/或关闭。所述闸门例如可以通过滑块构成或者通过铣制的或开槽的轴构成，所述轴通过在具有缝隙的密封面上的旋转运动来启用或禁止粉末输出。
由此可以局部有差异地控制在涂布机的运动方向上以及在涂布机的横向方向上所施加的粉末量。与开篇所述的现有技术不同，由此例如能够在最大可能的构造区域之内构成比减小的构造范围更大的构造范围。然而，粉末状构造材料的施加也可以如下进行，使得整个构造区域b1都被涂布，其中粉末状构造材料优选完全施加到整个构造区域上，和在预定的涂布区域的边缘区域b2中至少局部地施加比在构造区域中更少的粉末状构造材料或者基本上不施加任何粉末状构造材料。
当工作板15通过自有的安置在其上的加热元件加热时，后一种替代方案是特别优选的。例如进行所述加热以便减少由于在构造区域b1中被辐射加热器19加热的粉末层与更加承载热且更好地导热的工作板15之间的水平温度下降造成的处理室中的不希望的对流。
然而如果工作板15的温度变得过高，则施加在其上的粉末状构造材料13可能团聚并且在涂布机14向回运动时被带到构造区域15上，由此同样可能影响所制备的物体的品质。
在此背景下，优选的是，在考虑到所使用的粉末状构造材料的倾向于团聚的阈值的情况下优化工作板的温度。
当在边缘区域中施加较少或甚至不施加粉末状构造材料时，进一步降低或甚至避免了团聚风险。然而，另一方面，还可以由此提高工作板15的温度，这导致构造区域中更好的温度分布。这两种效应有助于部件品质的改进和均匀化。
为了避免对流循环，将工作板15加热到构造区域的温度在理论上就足够了。然而由于热损失(如向较冷区域中的热传导或辐射)，优选的是，将工作板15的温度提高到超过构造区域的温度。
虽然根据第一实施方式在涂布机自身中主动控制粉末量的计量添加，但替代此或附加于此，根据第二实施方式在自有的计量添加模块中进行所述计量添加。图3是在第二实施方式中所使用的计量添加模块的示意性放大截面图。下文仅描述与第一实施方式的不同，所述装置和方法的未描述的特征与第一实施方式中一样。
计量添加模块40包含在此实施方式中横截面为漏斗形的容器41以及计量添加装置42，所述容器适合于接收预定量的粉末状构造材料13，借助于所述计量添加装置可以将粉末状构造材料计量添加给(在图中未展示的)可移动的涂布机14。
在工作中，计量添加模块40从储备容器12的粉末出口12a经由其计量添加装置12b将预定量的粉末状构造材料13接收到容器41中。这个预定的粉末量优选大于用于施加粉末状构造材料13的层所需的粉末量。
优选地，被接收到容器41中的粉末13借助于(未示出的)局部辐射加热器来预热和/或通过导入优选经加热的气体来流化，也就是说，在容器41中产生了粉末13的涡旋层。计量添加模块与涂布机14一起在工作平面上行进并且同时借助于计量添加装置42在第一实施方式中描述的施加粉末层31的涂布单元14a-c输出粉末13。粉末输出可以连续地或间断地进行。
根据此实施方式，从计量添加模块40向涂布机14中计量添加粉末状构造材料13如下进行：在预定的涂布区域b中，在涂布机14实际上经过的区域中，至少局部地以主动控制的方式减少所施加的粉末状构造材料13的量或者不施加任何粉末状构造材料13。
于是，可以用这个实施方式来实现与第一实施方式相同的效果。另外，可以通过从计量添加模块40补充计量添加粉末来在进行完全的粉末施加的区域中保持涂布机14中的粉末水平，从而实现恒定的施加条件，这进一步提高了物体品质。然后，在到达应施加较少或不施加粉末的区域之前及时将计量添加节流或者完全禁止。
计量添加模块的容器的形状并不限于上文描述的漏斗形状，而可以是适合于接收和计量添加限定的粉末量的任意形状。
图4示出图1中所示的装置的部分视图，具有对应于本发明第三实施方式的变化。下文仅描述与第一或第二实施方式的不同，所述装置和方法的未描述的特征与第一或第二实施方式中一样。
根据此实施方式的装置与图1中所示的装置的不同之处在于，替代以其上表面处于工作平面10中的工作板15，布置了工作台15a，所述工作台相对于工作平面10至少部分下降。类似于工作板15，工作台15a还可以通过自有的布置在其上的(图中未示出)的加热元件来加热。在此还可以如此控制工作台15a的温度，使得所述温度高于构造区域b1之内的温度。
此外，在此实施方式中在构造区域b1的右侧和左侧布置各一个溢出槽16a和各一个溢出容器18a。在图2中所示的涂布单元14a-c由于其对称的构造而适合于还在与初始涂布方向r相反的方向上进行涂布。为此还在右侧布置(在图中未示出的)储备容器，所述储备容器对应于在图1中左侧展示的储备容器。位于间隙14c中的粉末于是在涂布机14行进时被刀片14a从右向左展平成均一厚度的粉末层。过量的粉末在涂布结束时通过左侧的溢出槽落入左侧的溢出容器中，而在从左向右的涂布机行进之后通过右侧的溢出槽落入右侧的溢出容器中。
优选地，这两个溢出槽，如在图4中所示，直接邻接容器5，即直接布置在构造区域b1附近，而在构造区域b1与溢出槽16a之间不再有工作台15a的区段。通过对所施加粉末量的主动控制的计量添加可以实现仅很小比例的粉末(例如从所施加的粉末层的边缘滑落的粉末)到达溢出槽中。在理想情况下，计量添加是准确的，使得过量的量接近于零。
溢出槽直接位于构造区域附近(也就是在相应的涂布方向上直接位于构造区域后方)的布置与主动控制的计量添加相关地实现了几乎没有(在理想情况下完全没有)粉末到达实际加热的工作台，而将工作台下降到工作平面以下实现了实际到达经加热的工作台上(并且在那里实际团聚)的粉末没有回到构造区域上。由此可以进一步改进第一和第二实施方式的效果。
上文描述的实施方式的特征可以(如果可能)单独或成组地彼此组合。于是例如还可以在第一或第二实施方式中实现涂布机的往复行进和/或溢出槽在容器两侧上和/或直接在容器附近的布置，如对于第三实施方式所描述的，根据第二实施方式在计量添加模块40中进行的粉末的流化和/或预热也可以在第一实施方式中在涂布机14中进行，等等。
在图2中所示的涂布模块14a-c中，前刀片14a和后刀片14b也可以分别通过两个彼此相邻放置的刀片构成。在此，在涂布方向上分别前置的(也就是在对称模块中内置的)刀片用作涂布机刀片，所述涂布机刀片将粉末状构造材料展平成薄层，而在涂布方向上分别后置的(也就是在对称模块中外置的)刀片用作压实刀片，所述压实刀片将所施加的粉末进一步压实。
如果可能，还可以仅设置前刀片14a或后刀片14b。在此例如由图3中所示的计量添加模块40在涂布方向上在刀片之前施加一定量的粉末并且由所述刀片将粉末推开并展平成粉末层31。
即使借助于激光烧结或激光熔化装置描述了本发明，但本发明并不受限于激光烧结或激光熔化。本发明可以应用于任意的用于通过逐层施加和选择性固化粉末状构造材料来制备三维物体的方法。
激光器可以例如包括气体激光器或固体激光器、激光二极管或任何其它种类的激光器。总体而言可以使用任何能够用能量选择性地施加到构造材料层上的装置。替代一个激光器，例如可以使用多个激光器、其它的光源、电子束、或任何适合于固化构造材料的其它能量源或辐射源。本发明还可以应用于选择性掩模烧结，其中使用广泛的光源和掩模，或者应用于吸收烧结或抑制烧结。
替代引入能量，对所施加的构造材料的选择性固化还可以通过3d打印进行，例如通过施加粘合剂。一般而言，本发明涉及借助于粉末状构造材料的逐层施加和选择性固化来制备物体，而不依赖于固化构造材料的方式方法。
作为构造材料可以使用不同类型的粉末，尤其金属粉末、塑料粉末、陶瓷粉末、砂、填充的或混合的粉末。