本发明涉及用于通过逐层涂覆并选择性固化粉末形式的构建材料来生成地制造三维物体的装置和方法，特别地涉及在该装置中包括并在该方法中使用的粉末排出单元。
背景技术：
例如，这种类型的装置和方法用于快速成型、快速制模或增材制造。这种方法的示例被称为“选择性激光烧结或熔融”。在此过程中，重复涂覆粉末形式的构建材料的薄层，并且通过使用激光束选择性地辐射各层中的构建材料而选择性地固化它。
de102005022308a1描述了一种激光烧结装置，其中粉末形式的构建材料借助可跨构建区域前后移动的重涂单元涂覆，所述重涂单元呈由两个刚性刀片组成的双刀片形式。重涂单元首先从储存容器被填充足够用于涂覆层的一定量的构建材料，并且随后跨构建区域移动，其中接收在重涂单元中的粉末被拉伸成薄粉末层。
在本申请的提交日期尚未公布的专利申请de102015213011中，描述了一种重涂器，所述重涂器除了将粉末拉伸成薄粉末层的重涂单元之外，还包括单独形成并可与重涂单元一起移动的预热模块。在此过程中，足够用于涂覆层的所述量的构建材料不由重涂单元本身接收，而是由预热模块接收，并且在跨构建区域的移动过程中连续地或按份地分配到重涂单元。在预热模块中，粉末被流化并通过辐射加热器预热。
由于流化，可能发生细粉颗粒与用于流化的介质一起从预热模块排出。此外，在模块的加速或减速过程中可能发生呈现类似于液体的性质的流化粉末在预热模块的边缘上溅出。
技术实现要素：
本发明的目的是提供用于通过逐层涂覆并选择性固化粉末形式的构建材料来生成地制造三维物体的替代或相应改进的装置，或者替代或相应改进的方法，特别地，提供在该装置中包括并在该方法中使用的粉末排出单元，利用所述粉末排出单元减少细粉颗粒的排出和/或流化粉末的溅出。
该目的通过根据权利要求1所述的粉末排出单元、根据权利要求8所述的重涂器、根据权利要求10所述的装置以及根据权利要求12所述的方法来实现。本发明的进一步发展相应在从属权利要求中提供。在此过程中，所述方法还可以通过下面提供或者相应在从属权利要求中阐述的装置的特征来进一步发展，或者反之亦然，或者相应装置的特征还可以在本身之间相应用于进一步发展。
根据本发明的粉末排出单元用于装备和/或升级用于通过选择性地逐层固化粉末形式的构建材料来生成地制造三维物体的装置。所述装置包括：重涂器，所述重涂器可跨构建区域移动以用于将所述构建材料的层涂覆到所述构建区域；以及固化装置，所述固化装置用于在与待制造的物体的横截面相对应的部位处选择性地固化所涂覆的层。所述装置被配置和/或控制成重复涂覆和选择性固化的步骤直到物体被完成。所述粉末排出单元包括用于接收粉末形式的构建材料的粉末容器以及用于将粉末形式的构建材料填充到所述粉末容器中的填充室。所述粉末排出单元被配置成使所述粉末容器中的和所述填充室中的粉末形式的构建材料彼此独立地流化。利用这种粉末排出单元，例如，可以在所述粉末排出单元跨所述构建区域移动时使所述粉末容器中的粉末流化而不使所述填充室中的粉末流化，由此可以有效地减少或者甚至防止细粉颗粒的排出和/或流化粉末的溅出。
优选地，所述粉末排出单元还包括配量装置，所述配量装置被配置成将容纳在所述粉末容器中的粉末形式的构建材料连续地或按份地分配到所述装置的所述重涂器的重涂单元。由此，例如，可以实现所述重涂单元总是仅接收与当前重涂所需一样多的粉末。
优选地，所述粉末容器和/或所述填充室包括具有多孔板和/或穿孔板的底部，气体可以通过所述多孔板和/或所述穿孔板彼此独立地引入到所述粉末容器中和/或到所述填充室中，其中所述底部优选地包括用于加热所述多孔板和/或所述穿孔板和/或所述气体的加热元件。由此，例如，所述粉末排出单元中的粉末的流化和/或加热可以以简单的方式执行。由此，例如，可以执行所述粉末容器中的和所述填充室中的流化，并且可以直接地或间接地加热用于流化的气体。
优选地，所述粉末容器和所述填充室是一容器的通过分隔壁局部彼此分隔开的分腔室。由此，例如，所述粉末排出单元可以以特别简单的方式实现。
优选地，所述粉末容器和所述填充室形成为互连的两个独立单元。由此，例如，粉末容器和填充室的灵活设计可以彼此独立地进行。
优选地，所述填充室与所述粉末容器之间的连接部位布置在所述粉末排出单元的下半部分中，优选地在所述粉末排出单元的底部处。由此，例如，当在填充室的区域中和在粉末容器的区域中的粉末都被流化时，其可以以简单的方式均匀地分布在所述填充室与所述粉末容器之间。
优选地，所述粉末容器在其上侧处包括用于预热接收在其中的粉末形式的构建材料的辐射加热器。由此，例如，粉末形式的构建材料可以更快地达到所需的工作温度。另外，所述粉末容器的覆盖物可以例如以(永久安装的或可拆卸的)盖的形式提供，所述盖例如布置在所述辐射加热器上方或者所述辐射加热器集成在所述盖中。
根据本发明的重涂器用于装备和/或升级用于通过选择性地逐层固化粉末形式的构建材料来生成地制造三维物体的装置。所述装置被适配成接收所述重涂器，以使得其可跨构建区域移动以用于将构建材料的层涂覆到所述构建区域。所述装置包括用于在与待制造的物体的横截面相对应的部位处选择性地固化所涂覆的层的固化装置。所述装置被配置和/或控制成重复涂覆和选择性固化的步骤直到物体被完成。所述重涂器包括上述类型的粉末排出单元。由此，例如，根据本发明的粉末排出单元的效果可以通过包括所述粉末排出单元的重涂器来实现。
优选地，所述重涂器还包括重涂单元，所述重涂单元适用于接收由所述粉末排出单元分配的所述构建材料并且将所述构建材料涂覆到所述构建区域，其中所述重涂单元优选地实现为可与所述粉末排出单元一起移动。由此，例如，所述粉末排出单元可以将容纳在所述粉末容器中的粉末形式的构建材料连续地或按份地分配到所述重涂单元，并且优选地，例如，可以省去用于所述粉末排出单元的单独驱动器。
根据本发明的装置用于通过选择性地逐层固化构建材料来生成地制造三维物体。所述装置包括：重涂器，所述重涂器可跨构建区域移动以用于将构建材料的层涂覆到所述构建区域；以及固化装置，所述固化装置用于在与待制造的物体的横截面相对应的部位处选择性地固化所涂覆的层。所述装置被配置和/或控制成重复涂覆和选择性固化的步骤直到物体被完成。所述装置还包括根据本发明的粉末排出单元并且/或者所述重涂器被形成为根据本发明的重涂器。由此，例如，根据本发明的粉末排出单元的效果可以通过用于生成地制造三维物体的包括所述粉末排出单元和/或包括粉末排出单元的重涂器的装置来实现。
优选地，所述粉末排出单元被安装成可与所述重涂器的重涂单元一起移动。由此，例如，可以省去用于所述粉末排出单元的单独驱动器。
根据本发明的方法用于通过逐层涂覆并选择性固化粉末形式的构建材料来生成地制造三维物体。所述方法包括以下步骤：通过跨构建区域移动的重涂器将粉末形式的构建材料的层涂覆到所述构建区域以及在与待制造的物体的横截面相对应的部位处选择性地固化所涂覆的层。重复涂覆和选择性固化的步骤直到物体被完成。涂覆的步骤借助粉末排出单元执行，所述粉末排出单元包括用于接收粉末形式的构建材料的粉末容器以及用于将粉末形式的构建材料填充到所述粉末容器中的填充室，其中所述粉末排出单元经由所述填充室接收粉末形式的构建材料，并且使容纳在所述粉末排出单元中的粉末形式的构建材料对于所述粉末容器和对于所述填充室彼此独立地流化。由此，例如，根据本发明的粉末排出单元的效果可以在利用所述粉末排出单元进行的生成地制造三维物体的方法中实现。
优选地，所述粉末排出单元将容纳在所述粉末容器中的粉末形式的构建材料连续地或按份地分配到所述装置的所述重涂器的重涂装置和/或与所述重涂器的重涂装置一起跨所述构建区域移动。通过连续地或相应按份地分配，例如，可以实现重涂单元总是仅接收与当前重涂所需一样多的粉末；通过共同运动，例如，可以省去用于所述粉末排出单元的单独驱动器。
优选地，在经由所述填充室接收粉末形式的构建材料的过程中，使在所述粉末排出单元的所述粉末容器中的和在所述粉末排出单元的所述填充室中的粉末形式的构建材料流化，并且在使所述粉末排出单元跨所述构建区域移动时，不使在所述粉末排出单元的所述填充室中的粉末形式的构建材料流化，而使在所述粉末排出单元的所述粉末容器中的粉末形式的构建材料流化。由此，例如，可以有效地减少或甚至防止从所述粉末排出单元中，特别地从所述粉末容器中的细粉颗粒的排出和/或流化粉末的溅出。
优选地，将气体通过被包括在所述粉末排出单元的底部中的多孔板和/或穿孔板彼此独立地引导到所述粉末容器中和/或到所述填充室中，其中优选地，加热所述多孔板和/或所述穿孔板和/或所述气体。由此，例如，可以执行所述粉末容器中的和所述填充室中的流化，并且可以直接地或间接地加热用于流化的气体。
附图说明
基于附图通过对实施例的示例的描述将会产生本发明的其他特征和有用性。
图1是根据本发明的用于生成地制造三维物体的装置的示意性局部剖视图。
图2a至2d是根据本发明的第一实施例的包含在图1所示的装置中的不同运行状态下的粉末排出单元的示意性剖视图。
图3是根据本发明的第二实施例的粉末排出单元的示意性剖视图。
图4是根据本发明的第三实施例的粉末排出单元的示意性剖视图。
具体实施方式
以下，参考图1和2描述本发明的第一实施例。图1所示的装置是激光烧结或激光熔融装置1。为了构建物体2，所述装置包含具有室壁4的处理室3。
在处理室3中，布置有对顶部开放并具有容器壁6的容器5。通过容器5的上部开口，限定工作面7，其中工作面7的位于可用于构建物体2的开口内的区域表示为构建区域8。
在容器5中，布置有可在竖向方向v上移动的支撑件10，在所述支撑件处安装有底板11，所述底板在向下方向上将容器5关闭并由此形成其底部。底板11可以是与支撑件10分开形成的板，所述底板附接到支撑件10，或者其可以与支撑件10一体地形成。根据所使用的粉末和工艺，在其上构建物体2的构建平台12可以进一步安装在底板11上。然而，物体2也可以在底板11本身上构建，所述底板随后充当构建平台。在图1中，待在容器5中、在构建平台12上构建的物体2示出在工作面7的下方、处于具有由保持未固化的构建材料13包围的若干固化层的中间状态。
激光烧结装置1还包含用于粉末形式的构建材料15(其可以通过电磁辐射固化)的储存容器14以及可在水平方向h上移动以用于将构建材料15涂覆到构建区域8的重涂器16。此外，辐射加热器17布置在处理室中，所述辐射加热器用于加热涂覆到构建区域8的构建材料15。辐射加热器17例如形成为红外辐射器。
激光烧结装置1还包含具有激光器21的辐射装置20，所述激光器产生激光束22，所述激光束经由偏转装置23偏转并且通过聚焦装置24经由耦合窗25聚焦到工作面7上，所述耦合窗安装在处理室3的上侧处的室壁4中。
激光烧结装置1还包含控制单元29，经由所述控制单元以协调的方式控制装置1的各个组成部分以用于执行构建过程。控制单元还可以部分地或完全地安装在装置外部。控制单元可以包含cpu，所述cpu的操作由计算机程序(软件)控制。计算机程序可以与装置分开存储在存储介质上，所述计算机程序可以从所述存储介质加载到装置中，特别地加载到控制单元中。
在操作期间，首先，为了涂覆粉末层，支撑件10降低与所期望层厚相对应的高度。首先，重涂器16移动到储存容器14并从其接收足够用于涂覆层的一定量的构建材料15。随后其跨构建区域8移动并在那里涂覆粉末形式的构建材料15的薄层。涂覆至少在待制造的物体2的整个横截面上，优选地跨整个构建区域8(即，工作面7的可以通过支撑件的竖向移动而降低的区域)执行。随后，粉末形式的构建材料由辐射加热器17加热。在达到工作温度之后，待制造的物体2的横截面由激光束22扫描，以使得在与待制造的物体2的横截面相对应的部位处的粉末形式的构建材料15固化。重复这些步骤，直到物体2被完成并且可以从处理室3移除为止。
重涂器包括重涂单元(未示出)，所述重涂单元实现将粉末层直接涂覆到构建区域。例如，该重涂单元可以包括擦拭片和/或刀片和/或如开头所述的现有技术中的双刀片和/或辊和/或适用于涂覆粉末形式的构建材料的层的任何其他重涂元件。此外，重涂器包括粉末排出单元，所述粉末排出单元从储存容器接收粉末形式的构建材料，并将其连续地或按份地分配到重涂单元。优选地，重涂单元和粉末排出单元被实现为可共同地一起移动。
图2示出根据第一实施例的粉末排出单元30的示意性剖视图。
从图2a中可以看出，粉末排出单元30包括侧壁31、32、前壁(未示出)、后壁(未示出)以及底部33。所述粉末排出单元由分隔壁34划分成两个腔室，其中第一腔室35充当用于引入粉末形式的构建材料15的填充室并且第二腔室36充当用于保持经由填充室35引入的粉末形式的构建材料的粉末容器。两个腔室经由形成在分隔壁的合适部位处的连接开口37彼此连接。优选地，该连接开口37布置在粉末排出单元30的下半部分中。在图2a中，连接开口37示出在距底部33的一定距离处，然而其也可以延伸到底部33。重要的是在粉末排出单元30的操作期间粉末填充水平高度高于连接开口37的上边缘。
粉末容器36通过盖38对顶部封闭，而填充室35对顶部开放。例如呈滑动体、刀具、主轴或其他合适形式的配量装置39(通过所述配量装置，粉末形式的构建材料可以被配量并分配到重涂单元)布置在粉末容器36的底部中。
粉末排出单元30的底部33被设计成使得所接收的粉末形式的构建材料可以被流化。为此，底部33包括多孔板和/或穿孔板，气体可以通过所述多孔板和/或所述穿孔板引导到粉末容器中和到填充室中。根据本发明，底部33被设计成使得气体可以独立于彼此地供给到与填充室35相对应的区域a和与粉末容器36相对应的区域b，以使得填充室35中的和粉末容器36中的粉末形式的构建材料可以流化到不同程度。
优选地，粉末排出单元30在其底部33处包括用于加热多孔板或相应穿孔板和/或气体的加热元件(未示出)。优选地，粉末排出单元30在粉末容器36的上侧38处还包括用于预热接收在其中的粉末形式的构建材料的辐射加热器(未示出)。
图2a示出在用粉末形式的构建材料填充粉末排出单元30期间的状态。粉末由储存容器的粉末出口(未示出)或布置在储存容器与粉末排出单元30之间的中间模块分配，并作为松散材料15a到达粉末排出单元30的填充室35中。
在填充过程中，气体被引导到粉末排出单元30的两个腔室中并产生粉末形式的构建材料的流化床，即，气体将粉末转换成类似于流化床或相应流体床的状态，其中它具有类似于液体的性质。由此，流化粉末15b通过连接开口37均匀地分布在粉末排出单元30的填充室35与粉末容器36之间，并且具有大致水平的表面。细粉颗粒15c也可以通过气体排出流化粉末15b的流化床而进入流化粉末床的表面上方的空间。
在此过程中，在填充室35和粉末容器36中的流化不需要完全相同，其仅需要在两个腔室中足够大，以使得两个腔室中的粉末转换成类似于流化床的状态。
图2b示出如果粉末排出单元30在这种状态下在方向r上移动将导致的状态。
由于在启动过程中产生的加速，与液体行为类似的流化粉末15b在移动方向r上向后泼溅。在此过程中，可能发生粉末从粉末排出单元30溅出。此外，由于流化，还在填充室35中的细粉颗粒15c从流化粉末床15b排出，并且可能通过填充室35的开口逸出到外部。
为了防止这种情况，在粉末排出单元30的移动过程中，在底部33的区域a中切断流化，或者相应在该区域中将气体供给减少到没有具有类似于液体的特性的流化床可以在那里产生的程度。这种状态如图2c所示。
由于切断流化，填充室35中的粉末不是流化床的形式，而是固定床15d的形式。因此，在该区域中的粉末床不再具有类似于液体的特性，而是形成固体粉末阻挡物。
如图2d所示，该粉末阻挡物15d充当用于粉末容器36的侧密封件。流化床15b可以在粉末排出单元30的移动期间仅在封闭的粉末容器36内泼溅，但不再在填充室35中泼溅。此外，细粉颗粒15c仅在粉末容器36内部离开流化床15b的表面，但不再在填充室35中离开。
因此，可以防止从粉末排出单元30中的粉末的溅出和细粉颗粒的排出。
由于气体从底部通过粉末到顶部地流动，所以流化主要向上起作用。由此，即使在流化到不同程度的区域之间不布置分隔壁，即例如如果连接开口37延伸到底部33，所述区域也彼此很好地横向分开。
在制造三维物体2的过程中，即在经由填充室接收粉末形式的构建材料15a的过程中，在粉末排出单元30的粉末容器36中的和在粉末排出单元30的填充室35中的粉末15b被流化。然而，当使粉末排出单元30跨构建区域8移动时，只有粉末容器36中的粉末15b被流化，但是填充室35中的粉末15d未被流化。在此过程中，被流化意味着供给足够的气体以便将粉末床转换成流化床的状态，而未被流化意味着根本没有气体或仅供给很少气体以使得粉末床未转换成流化床的状态。
图3示出根据第二实施例的粉末排出单元40的示意性剖视图。
在粉末排出单元30中，填充室35和粉末容器36是一容器的由分隔壁34划分的两个腔室，而在粉末排出单元40中，它们形成为经由连接件43相互连接的两个单独容器41、42。优选地，连接件43布置在粉末排出单元40的下半部分中。在图3中，连接件43被示出为在距底部的一定距离处，然而，其也可以布置在底部的高度处。重要的是在粉末排出单元40的操作期间粉末填充水平高度高于连接件43的上边缘。
由于在该实施例中填充室41和粉末容器42形成为单独的容器，所以填充室41的底部44、粉末容器42的底部45和连接件43的底部46也彼此分开形成。同样在该实施例中，气体可以彼此独立地供给到填充室41的底部44和到粉末容器42的底部45，以使得填充室41中的和粉末容器42中的粉末形式的构建材料可以流化到不同程度。优选地，气体供给并且因此流化以与填充室41中相同的方式在连接件43中进行，然而，其也可以以与粉末容器42中相同的方式进行或者与两者分开进行。
本实施例的其余构造以及操作和效果与第一实施例中的相同，以使得在此不重复其描述。特别地，粉末排出单元40还包括：用于粉末容器42的盖47；以及在其底部45处的用于将粉末形式的构建材料分配到重涂单元的配量装置48。
图4示出根据第三实施例的粉末排出单元50的示意性剖视图。
在粉末排出单元50中，填充室51倾斜地布置并且在其下侧处连接到粉末容器52。公共底部53被设计成使得气体可以彼此独立地供给到填充室51和到粉末容器52，以使得填充室51中的和粉末容器52中的粉末形式的构建材料可以流化到不同程度。
在这种情况下，粉末形式的构建材料不竖直地落入填充室51中，而是沿所述填充室的壁向下滑动并且可以通过所述构建材料的来自倾斜平面的冲击而削弱粉末容器52中的流化层15b。
本实施例的其余构造以及操作和效果与第一实施例中的相同，以使得在此不重复其描述。特别地，粉末排出单元50还包括：用于粉末容器52的盖54；以及在其底部53处的用于将粉末形式的构建材料分配到重涂单元的配量装置55。
只要有可能，上述实施例的特征可以彼此组合。因此，例如，第三实施例的倾斜填充室也可以如第二实施例中那样经由连接件连接到粉末容器，而不是直接连接到粉末容器，或者如第一实施例中那样可以提供具有连接开口的分隔壁。粉末容器的底部处的加热元件和/或其上侧处的辐射加热器也可以设置在第二实施例或第三实施例中。
如上所述，粉末排出单元或相应重涂器可以是用于生成地制造三维物体的装置的组成部分，然而，它们还可以作为用于装备和/或升级这种装置的单独模块来提供。
即使已经基于激光烧结或相应激光熔融装置描述了本发明，但是本发明不限于激光烧结或激光熔融。其可以应用于通过逐层涂覆并选择性固化粉末形式的构建材料来生成地制造三维物体的任意方法。
辐射器可以例如包括一个或多个气态或固态激光器或任何其他类型的激光器，诸如，例如激光二极管，特别是vcsel(垂直腔面发射激光器)或vecsel(垂直外腔面发射激光器)或一行这些激光器。一般而言，通过其可以将能量作为波或粒子辐射选择性地施加到构建材料的层的任何装置可以用作辐射器。代替激光器，例如，可以使用适用于固化构建材料的另一光源、电子束或任何其他能量或相应辐射源。代替使光束偏转，还可以应用使用可移动的线辐射器的辐射。本发明还可以应用于使用延伸光源和掩模的选择性掩模烧结，或者应用于高速烧结(hss)，其中在与物体横截面相对应的部位处将增强(吸收烧结)或减少(抑制烧结)辐射吸收的材料选择性地涂覆到构建材料上，并且随后非选择性地以大面积方式或使用可移动的线辐射器来执行辐射。
代替供给能量，涂覆的构建材料的选择性固化还可以通过3d打印(例如，通过涂覆粘结剂)执行。通常，本发明涉及通过逐层涂覆并选择性固化粉末形式的构建材料而独立于构建材料被固化的方式来生成地制造物体。
作为构建材料，可以使用各种类型的粉末，特别是金属粉末、塑料粉末、陶瓷粉末、沙子、填充粉末或混合粉末。