用于制造三维物体的方法和装置与流程

本发明涉及用于通过分层涂覆和选择性固化构建材料来制造三维物体的方法和装置。

背景技术

这种方法和装置被用于例如快速原型机制造、快速模具制造和增材制造。这种方法的一个例子被称为“选择性激光烧结”或“选择性激光熔化”。在本文中，粉末状构建材料的薄层在构建区域内被重复涂覆，并且每层中的构建材料通过使用激光束的辐照而被选择性地固化，即构建材料在这些位置被部分熔化或完全熔化，并且固化形成固体材料。

文献de19514740c1描述了一种通过使用激光烧结或激光熔化来制造三维物体的方法以及用于实施该方法的装置。

在许多情况下，仅通过分层涂覆和选择性固化构建材料来制造具有所需性质的三维物体是非常艰巨的或不可能的。

在文献de102009051551a1中，公开了一种用于物体的分层构造的形成制造方法，其中执行激光诱导或等离子体诱导对所述物体的层施加压力，以增加强度和减少微孔隙率。

在文献wo2013/127655a1中，描述了一种通过以分层方式固化粉末来制造三维物体的方法，其中通过使用电子束加热一个层的至少一个未精确限定的子区域，以便改善所述层的机械性能。

文献de102012014841a1示出了一种用于通过使用电磁辐射以分层方式固化构建材料来制造三维物体的装置，其中所述装置包括用于平滑已经固化的层的区域的研磨设备。

文献de10028063a1公开了一种用于通过使用电磁辐射通过分层固化构建材料来制造工件的方法，其中根据所述工件的最终形状对固化的材料层的横向周边进行滚齿处理。

技术实现要素：

本发明的目的之一是提供用于通过分层涂覆和选择性固化构建材料来制造三维物体的改进的方法或改进的装置。在这方面，特别优选的是能够快速地和/或有效地使零件具有特定的部件特性。

所述目的通过根据权利要求1的方法、根据权利要求2的方法、根据权利要求13的计算机程序、根据权利要求14的控制设备，以及根据权利要求15的装置来实现。一个权利要求类别的从属权利要求中指定的特征，和属于一个权利要求类别的与主题相关的特征，以及在下面的描述中阐明的特征，也可以被理解为对每个其他权利要求类别的主题的细化。

根据本发明的一个实施例的发明方法是通过分层涂覆和选择性固化构建材料来制造三维物体的方法。所述方法包括在构建区域内涂覆构建材料层的步骤。所述方法包括通过固化涂覆层中对应于所述物体在所述层中的横截面的区域来选择性地固化涂覆层的步骤，以便在所述层中形成固化区域。重复所述涂覆和选择性固化的步骤，直到完成三维物体。在本文中，在制造三维物体期间，对子区域进行至少一次后处理，所述子区域仅为固化区域的预定部分(特别也是在下文中：预先固化的区域的预定部分)，其中所述子区域实质上位于所述固化区域内。以这种方式，例如，可以实现三维物体内部的子区域中的性质的修改，这对于完成的三维物体的后处理是无法实现的，其中所述子区域的大小，所述子区域在三维物体内的位置，以及材料性质的修改的实质和程度是预先确定的。

根据本发明的另一个实施例的发明方法是通过分层涂覆和选择性固化构建材料来制造三维物体的方法。所述方法包括在构建区域内涂覆构建材料层的步骤。所述方法包括通过固化涂覆层中对应于所述物体在所述层中的横截面的区域来选择性地固化涂覆层的步骤，以便在所述层中形成固化区域。重复涂覆和选择性固化的步骤，直到完成三维物体。在制造三维物体期间，对子区域进行至少一次后处理，所述子区域仅为所述固化区域的预定部分，其中通过所述后处理修改所述子区域中的材料性质。以这种方式，例如，可以制造三维物体，所述三维物体在至少一个区域中表现出与另一个区域相比被修改的材料性质。

优选地，执行第一命令数据集用于固化所述区域，并且执行第二命令数据集用于对所述子区域进行后处理，其中第二命令数据集基于坐标数据，第一命令数据集也基于坐标数据。这确保了例如可以精确地符合所述固化区域中的后处理的子区域的预定位置。

优选地，所述材料性质是电气材料性质(其特别是导电性)，和/或光学材料性质(其特别是颜色和/或吸收强度和/或光学透明度)，和/或磁性材料性质，和/或机械材料性质(其特别是材料硬度)，和/或颗粒的空间取向。这使得可以例如制造三维物体，所述三维物体在一个区域中具有比另一个区域更高的电导率和/或更高的磁矩和/或更高的光学透明度。下面基于所选示例详细解释在本发明的该优选实施例的范围内的可能方法：

在选择性固化的步骤中，仅引入相对少量的能量，使得构建材料(在本例子中并且作为示例，粉末状的构建材料)仅略微熔合。这导致相对高的孔隙率，并且因此三维物体在选择性固化位置处仅分别具有低刚度或低强度。在本发明范围内的后处理过程中，然后再次引入能量，使得粉末的熔合更好，并且使得所述物体在所选择的后处理位置处获得更高的刚度或强度。根据本示例的方法的优选应用例子是应用于柔性塑料，例如热塑性弹性体。

作为替代或补充，通过后处理在所述子区域中去除固化材料。以这种方式，例如，可以制造在其内部具有小空腔的三维物体，所述小空腔在所述三维物体的内部具有预定尺寸、形状和位置。

在本文中，优选地使用粉末状的构建材料，所述粉末状的构建材料包括第一粉末组分和第二粉末组分，其中两种粉末组分在其材料性质方面彼此不同，其中所述第二粉末组分包括粉末颗粒，所述粉末颗粒与所述第一粉末组分相比，实质上以明显更精细的方式造粒。所述方法包括去除子区域中的固化材料的步骤，使得在所述子区域中形成比所述第一粉末组分的粒度更窄的孔和/或槽。所述方法还包括至少在所述子区域中涂覆所述构建材料的步骤，使得实质上只有所述第二粉末组分可以进入所述孔和/或槽中。以这种方式，例如，可以制造由第一材料(通过固化两种粉末组分形成的)组成的三维物体，其中不同材料(由所述第二粉末组分制成)的区域被嵌入预定的位置中。

优选地，用辐射来后处理所述子区域，其中所述辐射不同于用于固化所述区域的辐射，特别是关于其成分和/或其波长和/或其强度和/或它的功率密度。以这种方式，例如可以通过后处理来实现不能通过用于固化所述区域的辐射来实现的物理和/或化学转化。

优选地，通过子区域中的后处理形成电导体，特别是金属导体。以这种方式，例如，可以在三维物体中生成导电通路，除此之外所述三维物体由电绝缘体组成。

在本文中，优选地，用包括至少一个电导体组分和至少一个电绝缘体组分的材料作为构建材料。至少在所述子区域中，所述电绝缘体组分与所述电导体组分至少部分地分离。在所述后处理过程中，所述电导体组分在所述子区域中被接合，特别地，被部分和/或完全熔化，形成电导体。以这种方式，例如，可以以简单的方式形成复杂的三维导电结构。

在这种情况下，优选地，所述电导体组分的熔点或熔化范围低于所述绝缘体组分的分解温度，并且优选地仅略微高于所述电绝缘体组分的熔化范围或熔点(即特别是以开尔文为单位，不大于10％，优选5％的温差，和/或增加不超过50k，优选25k)。例如，所述分解温度可以通过使用根据iso11358(iso11358-1：2014，iso11358-2：2014，iso11358-3：2013)的热重分析法来确定。

优选地，使用包含由电导体组成的颗粒的粉末作为构建材料，所述颗粒外面涂覆有电绝缘体。以这种方式，例如在一个步骤中可以涂覆一层构建材料，其中所述构建材料包括电绝缘组分和导电组分，并且能够固化所述构建材料使得形成其中嵌入导电颗粒的电绝缘固体材料，并且通过对所述固化区域的子区域后处理使得这些导电颗粒彼此接触，所述后处理通过用电磁辐射辐照所述固化区域的子区域来实现，从而形成导电子区域。

在这种情况下，优选地通过所述层的后处理来除去所述电绝缘体，优选地基本上没有残留物。此外，优选的是，所述由电导体组成的颗粒通过后处理熔化，同时所述电绝缘体消失。

优选地，至少在后处理期间，所述子区域受到磁场和/或电场和/或电磁场的影响。以这种方式，例如可以在所施加的场中对嵌入的颗粒或纤维进行排列，使得它们在所制造的三维物体中具有优选的取向。

优选地，对于后处理，至少在子区域中施加与所述构建材料不同的物质，并且更优选在施加后活化所述物质。以这种方式，例如，可以施加与在所述子区域中先前固化的构建材料发生化学反应的物质，由此改变所述子区域中的材料性质。

本发明的计算机程序可以被加载到可编程控制设备中，并且包括程序代码，以便当计算机程序在控制设备上被执行时，执行本发明方法的所有步骤。以这种方式，例如，可以以计算机化的方式实施本发明的方法。

本发明的控制设备为用于通过分层涂覆和选择性固化构建材料来制造三维物体的装置的控制设备。所述控制设备被配置以控制所述装置，使得所述装置在构建区域内涂覆构建材料层，通过固化所述涂覆层中对应于所述物体在所述层中的横截面的区域，选择性地固化所述涂覆层，以便在所述涂覆层形成固化区域，重复涂覆和选择性固化，直到完成三维物体，并且在制造三维物体的过程中，对子区域进行至少一次后处理，所述子区域仅为固化区域的预定部分。在本文中，所述子区域基本上位于所述固化区域内，和/或通过所述后处理改变所述子区域中的材料性质。以这种方式，例如，提供了一种控制设备，所述控制设备具有控制用于制造三维物体的装置的能力，使得所述装置自动实施本发明的方法。

本发明装置为用于通过分层涂覆和选择性固化构建材料来制造三维物体的装置。所述装置被配置以被(特别是被本发明控制设备)控制，使得它在构建区域内涂覆构建材料层，通过固化所述涂覆层中对应于所述物体在所述层中的横截面的区域，选择性地固化所述涂覆层，以便在所述涂覆层形成固化区域，重复涂覆和选择性固化，直到完成三维物体，并且在制造三维物体的过程中，对子区域进行至少一次后处理，所述子区域仅为固化区域的预定部分，其中所述子区域基本上位于所述固化区域内，和/或通过所述后处理改变所述子区域中的材料性质。以这种方式，例如，提供了一种可以实施本发明的方法的装置。

附图说明

下面将参考附图，根据本发明装置的实施例的描述，阐明本发明的更多特征和优点。

图1是根据本发明的一个实施例的用于以分层方式制造三维物体的装置的显示为垂直截面的示意图。

图2是根据本发明的另一个实施例的用于以分层方式制造三维物体的装置的显示为垂直截面的示意图。

图3是根据本发明的一个实施例的方法的流程图。

具体实施方式

图1所示的装置是用于制造物体2的激光烧结或激光熔化装置1。

装置1包括具有室壁4的处理室3。在所述处理室3中，设置有容器5，所述容器5顶部开口并具有容器壁6。由所述容器5上部的开口限定了工作平面7，其中位于所述开口内并且可用于构建物体2的工作平面7的区域被指定为构建区域8。在所述容器5中，设置有支撑件10，其可沿垂直方向(v方向)移动，其中基板11被附接到所述支撑件，所述基板11朝向所述容器的下侧封闭所述容器，并因此形成其底部。所述基板11可以是板，与支撑件10分开形成并且与支撑件10固定连接，或者所述基板11可以与所述支撑件10一体地形成。根据所使用的粉末和所使用的工艺，可以将构建平台12(在其上构建物体2)附接到所述基板11上，作为构建基座。所述物体也可以被构建在所述基板11本身上，然后所述基板11用作构建基座。在图1中，待形成的所述物体2以中间状态示出。其由多个固化层组成，并被未固化的构建材料13包围。

所述装置1还包括储存容器14，用于可以通过电磁辐射固化的粉末状的构建材料15；以及还包括重涂器16，其可在水平方向(h方向)上移动，用于在所述构建区域8内涂覆层状的构建材料15。可选地，辐射加热器17被设置在所述处理室3中，其用于加热所涂覆的构建材料15。例如，可以提供红外发射器作为辐射加热器17。

所述装置1还包括具有激光器21的辐照设备20，激光器21产生激光束22，所述激光束22被偏转设备23偏转，并由聚焦设备24经由耦合窗口25聚焦到所述工作平面7上，耦合窗口25被设置在处理室3的顶部，位于室壁4中。

此外，所述装置1包括控制设备29，通过所述控制设备29以协调的方式控制装置1的各个组成部分，用以执行用于制造三维物体的过程。所述控制设备29可以包括cpu，cpu的操作由计算机程序(软件)控制。计算机程序可以存储在与装置1分离的存储介质上，可以将计算机程序从该存储介质装载到装置1中，特别是控制设备29中。

为了控制该装置1，控制设备29执行命令数据集。对于三维物体2的某一层，在此第一命令数据集基于位置的坐标(x,y)，所述位置与该层中有待固化的区域相对应，并且因此所述位置对应于三维物体2的横截面。当对某一层执行第一命令数据集时，所述区域被固化。对于三维物体2的某一层，第二命令数据集基于位置的坐标(x,y)，所述位置对应于该层中的有待后处理的固化区域的子区域。因为有待后处理的子区域是固化区域的子区域，所以第二命令数据集所依据的坐标集是第一命令数据集所依据的坐标集的子集。实际上，命令数据集所依据的坐标通常由计算机程序根据有待制造的物体的计算机模型(例如cad模型)来计算。

如图2所示，根据一个实施例的装置1中，除了激光器21之外，在辐照设备20中还设置辐射源26，所述辐射源26发射辐射束27。所述辐射束27由偏转器28引导到偏转设备23。辐射束27被引导，从偏转设备23穿过聚焦设备24经由耦合窗口25，到达固化区域的有待后处理的位置。在本发明的情况中，还可以为辐射束27和激光束22中的每一者提供单独的偏转设备、和/或单独的偏转设备、和/或单独的耦合窗口。为了清楚起见，激光束22和辐射束27二者都在图2绘出，但是，优选地，这些光束不同时地聚焦在工作平面7中的构建区域8上。优选地，辐射束27可以是电磁辐射的辐射束，特别是激光束，或者粒子束，所述粒子束特别是电子束。

在操作期间，支撑件10被降低高度，该高度优选地对应于构建材料15的层所需的厚度，以便涂覆粉末层。重涂器16首先移动到储存容器14，并从其中接收一定量的、足以涂覆一层的构建材料15。重涂器16然后在构建区域8上移动，并在构建基座10、11、12或之前已经存在的粉末层上涂覆一薄层粉末状构建材料15。该涂覆至少在待制造的物体2的整个横截面上进行，优选在整个构建区域8上进行。可选地，用辐射加热器17将粉末状的构建材料15加热到工作温度。随后，由激光束22扫描待制造的物体2的横截面，使得涂覆层的该区域固化。重复这些步骤直到物体2完成并且可以从容器5中取出。

根据本发明，在制造三维物体2期间，对固化区域的子区域进行至少一次后处理(即在建筑材料15的至少一层中)。

在图3中，以流程图的形式示出了根据本发明一个实施例的方法。操作a表示在构建区域8内涂覆一层构建材料15的步骤。操作b表示选择性地固化涂覆层的步骤。在此，选择性固化是通过固化涂覆层中对应于物体在该层中的横截面的区域来进行的。操作c表示后处理所述层中的固化区域的子区域。分支y表示决定是否要对固化区域(操作b)进行后处理。分支z表示决定三维对象是否完成。所述控制点“开始”和“停止”表示方法的开始执行和结束执行。

后处理可以通过用激光束22再次扫描待处理的固化区域的位置来实现。后处理也可以通过使用不同于激光束22的辐射束27来实现，施加光束以便固化区域，如图2的实施例所示。例如，用于后处理的辐射束27和用于固化的激光束22可以由不同的成分组成，其中特别地，光子和电子可以被看做成分。此外，所述光束的波长、和/或强度、和/或功率密度、和/或其他特点可以是不同的。

在此，可以仅对最近选择性固化的层进行后处理。对于最近选择性固化的层和位于下面的一个层，或者对于最近选择性固化的层和位于下面的多个层，也可以同时进行后处理。

例如，通过后处理，可以在后处理的子区域中改变电导率。

在本发明的另一实施例中，在固化后电绝缘的区域中形成的子区域中，通过后处理形成电导体。在此，使用粉末状构建材料15，所述构建材料15包含电绝缘体的组分(“电绝缘体组分”)和电导体的组分(“电导体组分”)。在此，优选地，构建材料15由金属颗粒组成，所述金属颗粒被电绝缘体(例如聚合物)包围。非常优选地，所述金属颗粒完全被聚合物层包围，使得粉末状构建材料15包含由金属材料的芯和电绝缘塑料材料的覆盖物组成的粉末颗粒。

为了选择性固化该粉末，通过激光束22扫描涂覆的层，使得粉末颗粒的覆盖物部分或完全熔化并固化形成固体材料，其中粉末颗粒的金属芯不熔化。在固化区域中，存在电绝缘固体材料，其中嵌入金属颗粒，金属颗粒实质上彼此分离，使得固化区域完全电绝缘。对于层的后处理，有待后处理的子区域再次用激光束22或用不同的辐射进行辐照，优选用激光束27辐照，所述激光束27具有比激光器更高的功率密度或波长。例如，可以使用具有基本上10.6μm波长、来自co2激光器的(第一)激光束22，以便部分或完全熔化粉末颗粒的覆盖物，并且随后使用具有基本上为1.03μm波长的镱激光器的(第二)激光束27对其进行后处理。通过使用辐照，通过固化形成的固体材料和嵌入其中的金属颗粒部分或完全熔化，并且优选地除去绝缘体组分，特别优选地基本上没有残留物。在部分熔化的金属颗粒或通过熔化金属颗粒而形成的熔化的金属固化时，在所述子区域中形成导电固体材料。

可以以所描述的方式制造三维物体2，其中物体仅在对应于后处理的子区域的预定位置处导电。可以自由地选择对这些位置在物体2内和其表面上进行定位，使得可以实现嵌入在其他电绝缘三维物体中的任何电导体拓扑结构。三维物体2例如可以是电动设备的壳体或电路的载体，其中电触点分别被引导穿过所述壳体或所述载体。三维物体2也可以是平坦的或多维的电路板。例如，有待制造的三维物体2也可以具有用于微芯片的嵌入式天线和/或触点，特别是从外部不可见，由此例如可以制造具有rfid或其他编码的三维物体2。

在本发明的另一实施例中，在后处理过程中，例如通过使用用于固化的激光束22或另一辐射束27辐照，去除在子区域中先前固化的材料，以便在固化层中形成孔。

在此，优选地使用含有不同粒度(颗粒尺寸)的粉末颗粒的粉末作为构建材料15。例如，构建材料可以由两种粉末组分组成，所述两种粉末组分的粉末颗粒尺寸明显不同于彼此，即粉末组分的颗粒尺寸分布不会重叠或仅略微重叠。

在一个固化层或多个固化层中，通过烧蚀形成孔，其中孔足够大，使得第二粉末组分的粉末颗粒至少部分地进入孔中；并且其中孔足够小，使得第一粉末组分的粉末颗粒基本上不能进入孔中。当涂覆下一层构建材料15时，基本上只有第二粉末组分的粉末进入孔中。两种粉末组分在材料性质方面彼此不同，例如，第一粉末组分可以由电绝缘体组成，并且第二粉末组分可以由金属颗粒组成，使得当选择性地固化构建材料15的涂覆层时，在固化区域中形成电绝缘固体材料。金属颗粒(其进入通过固化区域中的后处理而形成的孔中)在孔中形成金属导体。

还可以通过烧蚀形成槽，当随后涂覆一层构建材料15时，基本上只有第二粉末组分的粉末可以进入这些槽。以这种方式，可以形成长而窄的区域，所述区域与周围环境相比具有不同的材料性质。例如，如果第二粉末组分由金属颗粒组成，则可以以这种方式形成导电的传导路径。例如，如果第二粉末组分由玻璃或另一种透明材料组成，则可以以这种方式形成光导体。

在本发明的另一个实施方案中，通过对有待后处理的子区域进行后处理，可以改变光学材料特性--例如颜色、吸收强度或光学透明度(透射率)。这可以例如通过以下方式实现，其中通过烧结形成的不透明固体材料在子区域中熔化，所述熔化通过使用用于固化的激光束22或不同的光束27辐照所述子区域的方式实现，并且其中一个光束使材料固化，使得形成透明的固体材料。例如，这也可以通过向所述子区域涂覆与构建材料15不同、并且嵌入固化层中、并由此使该层着色或与所述层发生化学反应的物质来实现。

在另一个实施例中，涂覆与构建材料不同的物质，其中所述物质在子区域中蚀刻预先已固化的材料。

在本发明的情况中，作为将有待后处理的子区域暴露于辐射的替代方案，或者除了将有待处理的子区域暴露于辐射之外，可以有将至少有待处理的子区域暴露于场的影响的实施例。所述场可以是磁场和/或电场和/或电磁场。所述场可以是均匀的或不均匀的。所述场可以是随时间恒定的或是随时间变化的。嵌入固化层中的磁性和/或导电颗粒或纤维可以例如根据所述场的场线排列。以这种方式，例如，可以制造由复合物构成的烧结零件(所述复合材料由于纤维的排列而具有增加的强度)和磁化的烧结零件。

用于改变电和/或光和/或磁和/或机械材料性质和/或颗粒的空间取向的后处理在固化区域的子区域中进行，所述子区域仅是固化区域的预定部分，即不是后处理整个固化区域，只是其一部分，其中所述部分的尺寸、形状和位置是预定的。优选地，所述子区域位于固化区域的内部。在本发明的情况中，还可以进行位于固化区域周边的子区域的后处理，以便制造在其表面上具有其中存在通过后处理实现的性质的区域的三维物体2。以这种方式，例如，可以制造在其表面上具有导电路径的三维物体2，所述三维物体2除此之外为电绝缘。

也可以为了改变子区域(其仅为固化区域的预定部分)中的机械材料性质(特别是材料硬度)而进行后处理。优选地，由此制造三维物体2，所述三维物体2在其内部具有更大硬度和/或强度的区域，这使得所述三维物体2具有整体增加的稳定性。

尽可能地，上述实施例的各个特征可以以任意方式彼此组合。在此，例如，可以通过使用用于固化的激光束22或另一辐射束27扫描子区域，并且通过不同于构建材料的物质的影响，来执行固化区域的子区域的后处理。

虽然本发明是结合激光烧结设备或激光熔化设备进行描述的，但不限于激光烧结或激光熔化。通过分层涂覆和选择性固化构建材料，可以将本发明应用于制造三维物体的任意方法。在此，构建材料可以是粉末状，例如用于激光烧结或激光熔化的情况。构建材料也可以是液体，例如，应用于被称为“立体光刻”的方法的情况。

用于固化和后处理的辐照设备可以例如包括一个或多个气体激光器或固态激光器或任何其他类型的激光器，例如，激光二极管，尤其是具有vcsel(垂直腔面发射激光器)或vecsel(垂直外腔面发射激光器)的线性辐照器。通常，任何可以将波辐射或粒子辐射形式的能量选择性地施加到构建材料层上的设备，均可以用作辐照设备。可以使用例如任何其他光源、电子束或适于固化构建材料的任何其他能量源或辐射源，来代替激光器。也可以使用可移动线性辐照器进行辐照，而不使用偏转光束。本发明还可以应用于选择性掩模烧结，其中使用扩展的光源和掩模，或者应用于高速烧结(hss)，其中将材料选择性地涂覆到构建材料上，这增加(吸收烧结)或减少(抑制烧结)了在对应于物体的横截面的位置处的辐射吸收，其中然后使用可移动线性辐照器以非选择性方式在大面积上对其进行辐照。

可以使用不同种类的粉末作为构建材料，特别是金属粉末、塑料粉末、陶瓷粉末、沙子、填充或混合的粉末。