本发明涉及一种用于通过选择固化构造材料来制造三维物体的方法和装置。
背景技术：
：这种类型的方法和装置例如在快速原型、快速制模或增材式制造中使用。这种方法的一个例子以“选择性激光烧结或激光熔融法”的名称已知。这里，重复地施加薄的构造材料层并在每个层中通过利用激光射束进行选择性照射来使构造材料固化。特别是对于金属的构造材料有利的是，在构造平台上制造所述物体，在固化时所述构造材料粘附在所述构造平台上。这种制造方法由de19511772c2已知。所制造的三维物体在制造完成后可以与构造平台分离，或者所述构造平台构成所述物体整体的组成部分。de19538257a1记载了一种方法，在这种方法中，除了制造物体以外，还设定，制造支撑结构，用于支撑物体的一些部分或整个物体，为了实现所述支撑结构容易地从已制造的物体上脱离，支撑结构分成内部的芯区域中和外部的套壳区域并且套壳区域受到较弱的照射。支撑结构的分离在已知的方法中通过适当的工具、例如钳子、锯或锉来进行。特别是对于精细的构件或者物体内部难以接近的空腔，这对时间和技巧有很高的要求，因此可能是高耗费的。技术实现要素：本发明的目的在于，提供一种备选的、优选改进的用于制造三维物体的方法，以及一种适于执行所述方法的装置，要制造的物体特别是在制造过程期间受到良好的支撑并且支撑结构能以简单的方式和形式从制造完成的物体上除去。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的计算机程序、根据权利要求13的控制指令生成单元、根据权利要求14的控制单元和根据权利要求15的装置来实现。本发明的扩展方案分别在各从属权利要求中给出。这里，所述方法也可以通过后面的或者说在从属权利要求中说明的装置特征来扩展，反之亦然。根据本发明的用于通过逐层施加和选择性固化构造材料来制造三维物体的方法包括以下步骤：通过涂布机向构造区上施加一层构造材料，在相应的层中在对应于物体的横截面的位置处以及在对应于套壳区域的位置处使所施加的层选择性固化，重复所述施加和选择性固化的步骤，直至所述物体和套壳区域制造完成。这里使所述构造材料这样固化，即，使得套壳区域至少局部地包围所述物体，与对应于三维物体的位置相比，对应于套壳区域的位置固化程度较弱。由此围绕所述物体同时固化了一个套壳区域，所述套壳区域至少局部地包围并由此支撑所述物体。由此可以制造精细的构件和具有位于内部的空腔的物体。由于套壳区域与三维物体相比固化程度明显较弱，完成的物体能够以简单的方式和方法与套壳区域分离。优选沿至少两个、优选所有三个空间方向完全包围所述物体。套壳区域优选沿至少两个、优选所有三个空间方向完全包围所述物体。沿至少两个空间方向包围既可以涉及物体的一个或多个层或者任意选择的横截面，优选也可以涉及所有的层或横截面。沿所有三个空间方向包围类似地也可以理解为部分地三维包围物体，优选完全包围所述物体，使得物体的所有外表面直接或间接地与套壳区域邻接。这使得可以在所有的构造区域上均匀地支撑并且必要时保护要制造的物体，并由此提供了良好的稳定性。此外，通过套壳区域还防止了，要制造的物体由于内应力或热效应发生变形。套壳区域优选基本上形锁合地包围所述物体或包围所述物体的一部分。由此，物体可以良好第连接在套壳区域上并由此实现物体良好的稳定性。根据本发明的方法还可以包括以下步骤：在制造完成物体后除去所述套壳区域。除去套壳区域这里优选通过喷砂进行，其中，在喷砂时使用硬质颗粒，特别是陶瓷颗粒和/或钢珠作为喷射介质。通过这种喷射可以快速且简单地从物体上除去所述套壳区域，而不会在此时损坏物体。通过利用辐射引入能量来实现构造材料的固化，从而物体本身上相比，在对应于套壳区域的位置处优选引入较少的能量。由此，套壳区域与所述三维物体相比较弱地固化并且因此能以简单的方式和形式从所述物体上除去。优选套壳区域至少局部地与所述三维物体隔开间距地固化，套壳区域和物体之间的间距大于或等于0.06mm和/或小于或等于0.10mm并且所述间距更为优选是恒定的。套壳区域和物体之间的间距防止套壳区域粘附在所述三维物体上，这改进了构件的表面特性。通过选择具有恒定尺寸的间距，简化了套壳区域的几何形状的计算。所述构造材料优选是粉末状材料，更为优选是金属粉末。由于对于金属的构造材料而言对要制造的物体进行支撑是特别重要的，在使用金属粉末作为构造材料时通过套壳区域能实现特别好的效果。优选预先执行以下步骤：计算所述三维物体的几何形状；计算至少局部地包围所述物体的体部的几何形状；从所述体部的几何形状中减去所述物体的几何形状；将所得到的几何形状作为套壳区域的几何形状存储；以及，计算所述物体和所述套壳区域在相应的层中的横截面。由此可以用简单的方式和形式计算制造物体和套壳区域所需的层信息。优选这样选择所述体部的几何形状，使得所述体部具有尽可能小的体积和/或所述体部完全包围所述三维物体。通过特别是在考虑物体要被包围的区域情况下并且与此无关地根据套壳区域预先确定的(例如与材料或机器相关的)最小尺寸选择尽可能小的体积，确定了一个尽可能小的套壳区域。由此减少了用于固化套壳区域所需的构造材料的量并减小了要固化的范围。这提高了该制造方法的效率和经济性。根据本发明的计算机程序能装载到可编程的控制单元中，所述计算机程序具有程序编码结构，用于在所述计算机程序在所述控制单元上执行时，执行上面所述的方法的所有步骤。由此可以简单地通过在控制单元中执行所述计算机程序来执行根据本发明的方法。根据本发明的用于通过逐层施加和选择性固化构造材料来制造三维物体的装置的控制指令生成单元构造成，生成用于所述装置的控制指令，使得构造材料这样固化，即，所述套壳区域至少局部地包围所述物体，并且和对应于三维物体的位置相比，对应于套壳区域的位置固化程度较弱。这里所述装置包括：能在构造区上运动的涂布机，用于向所述构造区上施加构造材料的层，以及用于在对应于要制造的物体的横截面和套壳区域的横截面的位置处使所施加的层选择性固化的固化装置，并且这样构成和/或控制所述装置：重复所述施加和选择性固化的步骤，直至所述物体和套壳区域制造完成。由此可以生成这样的控制指令，可以为了实施根据本发明的方法而执行所述控制指令。根据本发明的控制单元设定为用于通过逐层施加和选择性固化构造材料来制造三维物体的装置，所述装置包括：能在构造区上运动的涂布机，用于向所述构造区上施加构造材料的层，以及用于在对应于要制造的物体的横截面和套壳区域的横截面的位置处使所施加的层选择性固化的固化装置。这样构成和/或控制所述装置：重复所述施加和选择性固化的步骤，直至所述物体和套壳区域制造完成。所述控制单元构造成，这样来控制所述装置，使得构造材料这样固化，即，所述套壳区域至少局部地包围所述物体，并且与对应于三维物体的位置相比，对应于套壳区域的位置固化程度较弱。由此可以通过该控制单元来实施根据本发明的方法。根据本发明的用于通过逐层施加和选择性固化构造材料来制造三维物体的装置包括：能在构造区上运动的涂布机，用于向所述构造区上施加构造材料的层，以及用于在对应于要制造的物体的横截面和对应于套壳区域的横截面的位置处使所施加的层选择性固化的固化装置。这样构成和/或控制所述装置：重复所述施加和选择性固化的步骤，直至所述物体和套壳区域制造完成，使构造材料这样固化，即，所述套壳区域至少局部地包围所述物体，并且使对应于套壳区域的位置这样固化，即，与对应于三维物体的位置相比，对应于套壳区域的位置固化程度较弱。由此可以通过所述用于制造三维物体的装置来执行根据本发明的方法。附图说明本发明其他的特征和优点由参考附图对实施例的说明得出。图1是用于逐层制造三维物体的装置的一个实施例的用部分剖视图示出的示意图，所述装置用于实施根据本发明的方法。图2a是带有(已经部分除去的)套壳区域的三维物体的透视图，而图2b是在图2a中示出的物体的示意性透视图。图3a-3b是根据本发明的方法的带有套壳区域的三维物体的实施例的剖视图示出的示意图。图4是按照根据本发明的方法的第一实施例的带有套壳区域的三维物体的用剖视图示出的示意图。图5是按照根据本发明的方法的第二实施例的带有套壳区域的三维物体的用剖视图示出的示意图。图6a-6c是带有套壳区域的三维物体的用剖视图示出的示意图，该示意图示出根据本发明的方法除去套壳区域。具体实施方式下面参考图1来说明适于实施根据本发明的方法的装置1的一个实施例。在图1中示出的装置是激光烧结装置或激光熔融装置1。为了构造带有套壳区域30的物体2，所述装置包括带有腔壁4的处理腔4。在处理腔3中设置带有壁部6的向上敞开的容器5。在容器5中设置能沿竖直方向v运动的支座7，在所述支座上安装有基板8，所述基板向下封闭所述容器5并由此构成容器的底部。基板8可以是与支座7分开地构成的板件，所述板件固定在支座7上，或者所述基板可以与支座7一体地构成。根据所使用的构造材料和工艺，还可以在基板8上安装构造平台9，在所述构造平台上构造所述物体2和套壳区域30。但所述物体2和套壳区域30也可以在基板8本身上构造，此时所述基板用作构造平台。在图1中要在容器5中在构造平台上构成的物体2在工作平面10下方在中间状态中以多个已固化的层示出，所述物体被套壳区域30和保持未固化的构造材料11包围。激光烧结装置1还包括用于能通过电磁辐射固化的构造材料13的存放容器12和能沿水平方向h运动的涂布机14，所述涂布机用于将构造材料13施加到工作平面10上。处理腔3的壁部4在其上侧上包含用于用来固化构造材料13的射束22的入射窗口15。激光烧结装置1还包含照射装置20，所述照射装置具有激光器21，所述激光器产生激光射束，所述激光射束经由转向装置23转向并通过聚焦装置24经由入射窗口15聚焦到工作平面10上。所述激光烧结装置1还包括控制单元29，通过所述控制单元，以协调的方式控制所述装置1的各个组成部分，以执行构造过程。所述控制单元可以包含cpu，cpu的运行通过计算机程序(软件)来控制。所述计算机程序可以与所述装置分开地存储在存储介质上，所述计算机程序可以从所述存储介质装载到所述装置中、特别是装载到控制单元29中。控制单元29特别是可以生成用于所述装置1的控制指令并且通过向所述装置1输出所述控制指令来控制所述装置1。在运行中，为了施加构造材料13的层，首先是支座7降低对应于希望的层厚的高度。现在使用涂布机14施加一层构造材料13。至少在要制造的物体2的整个横截面上进行施加，优选在整个构造区上进行施加，就是说在工作平面10的处于容器5的上开口内部的整个区域上进行施加。接着，由激光射束22对要制造的物体2的横截面进行扫描，从而在对应于要制造的物体2的横截面的位置处的构造材料13发生固化。重复这几个步骤，直到物体2制造完成并可以从构造腔中取出。为了在物体的制造过程中在保持未固化的构造材料11中支撑所述物体2，根据本发明，围绕所述物体2形成一个套壳区域30。图2a示出在构造平台9上制造完成的三维物体2连同套壳区域30，所述套壳区域已经部分被除去，图2b示出在图2a中所示物体2连同套壳区域30的示意图。物体2这里是半径为r的环体，这种环体具有精细的结构。套壳区域30构造成具有外半径r1和内半径r2的空心圆柱体，这里满足以下关系r2<r<r1，从而所述环体完全由所述空心圆柱体包围。由此，在制造过程期间通过套壳区域30良好地支撑环形体的精细结构。与对应于物体2的位置相比，在制造过程期间对应于套壳区域30的位置固化的程度较弱。这是这样来实现的，即，在一个层中，在对应于套壳区域的位置处引入的能量少于对应于物体的位置。为此例如可以减小激光器功率和/或加大相邻的激光扫描线之间的距离(线距)和/或提高激光射束22在工作平面10上移动的速度。在下面的表格中分别给出以下照射参数的示例性数值：用于固化在对应于物体2和套壳区域30的位置处固化构造材料12的激光器功率、线距和速度，用于套壳区域的所述照射参数实现了套壳区域30强度较弱的固化。激光器功率线距速度物体170w0.10mm1250mm/s套壳区域90w0.20mm2250mm/s在表格中给出的数值只是示例性的，也可以选择与这些数值不同的数值。也可以仅将一个或两个所给出的用于固化与套壳区域30相对应的位置处的构造材料13的参数选择为不同于用于固化与所述物体2相对应的位置处的构造材料13的参数。为了计算层信息，首先计算要制造的物体2的几何形状，并存储由此获得的数据。然后计算一个完全包围物体2的假想/人为(künstlich)体部的几何形状。接着从所述体部的几何形状中减去所述物体2的几何形状，将由此获得的体部作为套壳区域30的几何形状存储。为了生成层信息，计算相应的层中三维物体2和套壳区域30的横截面并存储由此获得的数据。这里，这样来计算用于生成套壳区域30的层信息的所述假想体部，即，使得所述体部具有尽可能小的体积。所述体部尽可能小的体积这里是从这样的角度出发来选择的，即，套壳区域30必须给物体2提供足够大的支撑功能，在选择的体部过小时不存在这种足够的支撑。这例如可以这样来确保，即，根据物体2的壁厚或厚度来选择套壳区域的最小壁厚。图3a示出物体2和套壳区域30的剖视图。套壳区域这里由在没有考虑尽可能小的体积的情况下选择的体部计算得出。图3b示出套壳区域30，所述套壳区域30由具有尽可能小的体积的体部计算得出。这里套壳区域的壁厚近似为恒定的，并且套壳区域具有由保持未固化的构造材料11填充的空隙32。通过将套壳区域30的体积选择得尽可能小，可以节省构造材料13，这可以使得带有套壳区域30的三维物体2的制造更为经济。此外，由此还缩短了制造时间，因为要固化的材料较少并且为了除去套壳区域30而必须除去的材料也较少。由此也可以用套壳区域30填充位于物体2内部的空腔。图4示出带有空腔2a的三维物体2，所述空腔位于物体2的内部。位于空腔2a中的结构2b同样通过套壳区域30支撑。由此三维物体2完全由套壳区域30包围。“完全包围”是指，套壳区域30围绕物体2的所有表面(也包括内表面)。这里，套壳区域30也可以具有空隙32，所述中间空间可以由保持未固化的构造材料11填满。套壳区域30因此不必完全填充物体2的空腔2a。套壳区域30这里基本上形锁合地包围物体2，就是说，套壳区域30朝向物体的表面与物体2的表面互补地构成。这里物体2的表面和套壳区域30之间不是一定存在接触。在图4中套壳区域30在构造平台9上构成。由此确保了物体2很好地连接在构造平台9上。备选地，套壳区域30也可以构造成与构造平台9上分开或者在物体2和构造平台9之间没有设置套壳区域30，从而物体2直接在构造平台9上形成。图5示出三维物体2的剖视图，所述三维物体完全由套壳区域30包围。在物体2和套壳区域30之间设有间隙31，从而套壳区域30与物体2隔开间距地固定。间隙31的宽度并且由此套壳区域30与物体2的间距优选近似是恒定的或大于或等于0.06mm并且小于或等于0.10mm。由此防止了，属于套壳区域30的构造材料13在构造过程期间粘附在物体2的表面上或与物体的表面熔合。由此省去了对物体2的表面进行的复杂的再加工。间隙31可以用保持未固化的构造材料11填充，由此确保了足够的支撑作用。图6a-6c示出根据本发明的方法用于在物体2制造完成后除去套壳区域30的步骤。在图6a示出套壳区域30，该套壳区域完全包围物体2，从而所述物体对于观察者是不可见的。套壳区域30根据本发明通过喷砂从物体上除去。由于对应于套壳区域30的位置处的构造材料13固化程度比对应于物体2的位置处低，由此可以喷砂除去套壳区域30，而不会损坏物体。作为喷砂介质采用硬质颗粒，如陶瓷颗粒或钢珠。具有0.3mm至0.6mm的直径的颗粒很好地适用，但也可以设想采用其他适当的颗粒尺寸。颗粒射束的压力优选为4至6bar，但也可以用与此不同的压力实施所述方法。图6b中示出处于中间状态的物体2和套壳区域30，在所述中间状态下，物体2部分地由套壳区域包围，部分地露出。物体2左边的部分已经露出，物体2右边的部分还由套壳区域30包围。图6c示出在完全除去套壳区域30之后的物体2。在所述实施例中，物体完全由套壳区域包围，从而套壳区域围绕物体的所有表面(也包括内表面)。但也可以使套壳区域这样固化，即，所述套壳区域仅局部地包围物体，从而不是物体的所有表面都由套壳区域围绕。这样，在图4中示出的套壳区域30例如可以仅围绕物体2的水平结构形成，物体2的竖直结构可以省去套壳区域30。备选地，套壳区域30也可以仅在物体2内部的空腔2a中固化。由此内部的水平结构2b得到支撑，物体2的水平上表面也得到支撑。参考图5说明的设置在三维物体和套壳区域之间的间隙不是必须围绕物体2的整个表面设置。而是也可以仅沿一个空间方向、例如沿竖直或水平方向，或者沿两个空间方向围绕物体设置所述间隙。所述间隙也可以仅部分地沿一个或多个空间方向围绕物体设置。套壳区域不是必须强制性地通过喷砂从物体上除去。也可以通过其他已知的方法除去套壳区域，例如通过手动地或利用机器引入的力作用，如通过锤击、摩擦(锉等)来除去套壳区域。虽然参考激光烧结或激光熔融装置说明了本发明，但本发明不仅限于激光烧结或激光熔融。本发明应用于任意用于通过逐层施加和选择性固化构造材料来制造三维物体的方法。激光器例如可以包括气体或固体激光器，或者任意类型的激光器。一般而言，可以使用任意能够用以向构造材料层上选择性施加能量的装置。替代激光器例如使用其他光源、电子射束或任意其他适于固化构造材料的能量源或辐射源。本发明也可以用于选择性掩模烧结，其中采用延展的光源和掩模，或者本发明也可以用于吸收烧结或抑制烧结。替代引入能量，所施加材料的选择性固化也可以通过3d打印例如通过施加粘合剂来实现。一般而言，本发明涉及通过逐层施加和选择性固化构造材料来制造物体，而与构造材料固化的方式和形式无关。作为构造材料可以使用不同的材料，特别是粉末状的材料，例如金属粉末、塑料粉末、陶瓷粉末、砂、填充或混合的粉末。由于对于金属的构造材料而言要制造的物体的支撑特别重要，在使用金属粉末作为构造材料时可以通过套壳区域实现特别好的效果。当前第1页12