用于添加式地制造三维物体的设备的制作方法

本发明涉及一种用于通过依次逐层地选择性照射和固化由能借助能量束固化的建造材料构成的层来添加式地制造三维物体的设备。

背景技术：

现有技术中已公知用于例如经由使用能量源——例如能量束、如激光束——来选择性照射和固化层的添加式地制造(即增材制造)三维物体的设备。典型地，设置有诸如激光源的照射单元，其适于产生对应的能量束。能量束被引导至能被布置在建造平面中的建造材料上。

此外，现有技术中已知在照射过程中能量束的各种参数直接影响建造材料的固化性能。例如，在建造材料的规定体积内耗尽的(depleted)能量影响固化性能，例如建造材料的熔化——即固化——程度。当然，需要考虑能量束的各种参数，诸如能量束的能量/强度、能量束的光斑尺寸及类似参数。还可以改变照射时间——即能量束的光斑入射在建造平面的特定区域上的时间——以改变在建造材料中耗尽的能量。

由于不同物体的不同结构需要在建造平面的不同区域中耗尽不同量的能量，因此也期望能够如上文所述例如通过强度或照射时间的改变来改变能在建造材料中耗尽的能量。还可以增加能量束的功率，以便例如减少彻底固化建造材料所需的照射时间。然而，适于产生高功率能量束的照射单元成本高并且对于维护和运行的要求也很高，因为对于这些照射单元需要设置具有相对较高要求的内部结构，如冷却单元、能量源等。

技术实现要素：

本发明的一个目的在于提供用于添加式地制造三维物体的设备，其具有改进的照射装置——特别是通过该照射装置能更有效地实施固化过程。

该目的通过如权利要求1所述的设备创造性地实现。本发明的有利实施例记载于从属权利要求中。

在此所描述的设备是用于通过依次选择性地逐层固化由能借助能量源——例如能量束、特别是激光束或电子束——固化的粉末状建造材料(“建造材料”)构成的层来添加式地制造三维物体——例如技术部件——的设备。相应的建造材料可以是金属、陶瓷或聚合物粉末。相应的能量束可以是激光束或电子束。相应的设备例如可以是能在其中分别实施建造材料的施加和建造材料的固化的设备，例如选择性激光烧结设备、选择性激光熔化设备或选择性电子束熔化设备。

设备可以包括在其运行期间使用的多个功能单元。示例性的功能单元是：过程室；如前所述的照射装置，其适于用至少一个能量束选择性照射放置在过程室中的建造材料层；流产生装置，其适于产生具有给定的流动特性——例如给定的流动轮廓、流动速度等——且至少部分地流经过程室的气态流体流。所述气态流体流在流经过程室时能够携带在设备运行期间产生的未固化的颗粒状建造材料，特别是烟雾或烟雾残留物。所述气态流体流典型地为惰性的，即典型地为惰性气体——如氩气、氮气、二氧化碳等——的流。

本发明基于这样的构思：设置具有至少一个照射单元的照射装置，所述照射单元具有共同的保持结构、特别是共同的壳体，所述保持结构将至少两个照射元件按照规定的空间关系进行保持，其中所述至少两个照射元件能单独被控制。因此，照射装置的照射单元包括至少两个经由其能产生和/或发射或输出能量束的照射元件。所述至少两个照射元件能被单独控制，这允许使用不同的参数——例如不同的能量或强度——来照射建造材料。

因此，所述至少两个照射元件的能量束能被任意组合，因为每一照射元件能被单独控制。例如，照射元件可单独地打开或关闭，从而在建造平面上形成由不同照射元件产生的不同能量束的能量束光斑组成的共同的能量束光斑。换言之，由不同照射元件产生的至少两个能量束的至少两个能量束光斑能在建造平面中被组合/重叠。因此，如果需要用较少的能量照射建造材料，则所述至少两个照射元件能被控制成提供所需的能量。例如，如果只要一个能量束即足够提供所需能量，那么即可只用一个照射元件来产生能量束。

相比于在整个添加式制造过程中提供具有足以实施所有照射任务的功率的能量束的单个照射元件来说，本发明的具有至少两个单独可控的照射元件的照射单元提供了这样的优点：仅在需要时才使用全部可用的能量束功率；如果只需要较少量的能量即可充分照射建造材料，则可以相应地控制照射元件。

为了将所述至少两个照射元件按规定的空间关系保持，本发明的照射单元包括共同的保持结构、例如共同的壳体，其按照规定的空间关系保持/容纳所述至少两个照射元件。因此，包括至少两个照射元件的照射单元形成一个组件/总成，因为照射元件被布置在共同的保持结构中或被布置在共同的保持结构上。

根据本发明的设备的第一实施例，可设置至少一个束引导单元，其适于在建造平面中单独引导由所述至少两个照射元件产生的至少两个能量束。因此，由所述至少两个照射元件分别产生的能量束的光斑能在建造平面中被分别地/单独地引导。因此，建造平面的两个区域能被两个(或更多)能量束同时照射。例如，如果每一能量束提供的能量足以固化建造材料，那么照射时间能被缩短，因为建造平面的不同区域能被所述至少两束能量束同时照射，以及因此在建造平面中需要被照射的结构能同时且相比于只使用一个较高功率能量束而言更快地被照射。当然，只使用两个能量束仅仅是示例性的，作为替代能使用任意数量的能量束和产生能量束的照射元件。

进一步地，束引导单元可适于引导所述至少两个能量束，以使所述至少两个能量束的光斑在建造平面中分开或至少部分重叠。因此，在建造平面中能量束能被任意地组合。例如，如果建造平面的一处区域需要用具有规定参数——例如规定束功率——的能量束照射，则至少两个能量束能在建造平面中被引导，其中所述至少两个能量束的光斑至少部分重叠。特别地，至少两个(例如多个)能量束能被同步引导，其中各单独的能量束被组合或重叠。因此，在添加式制造中通常使用的与由至少两个能量束产生的各能量束相比具有较高功率的单一的能量束能通过组合至少两束能量束来替代。

因此，所述至少两个能量束在需要时能被组合，并且能在建造平面中分别被引导。当然，由相应的照射元件产生的任意数量的能量束能被组合。例如，如果五个照射元件可用于提供/产生五个能量束，则可以组合其中的三个能量束，剩下的两个能量束可以被组合或可分别被引导。当然，之前描述的组合仅仅是示例性的，其中在建造平面中各单一能量束的任意的组合/单独引导都是可行的。此外，任一能量束也可单独被关闭或打开。

根据本发明的设备的另一实施例，束引导单元可适于在建造平面的规定区域上引导每一能量束，其中至少两个能量束可在重叠区域——特别是在整个建造平面——重叠。因此，在建造平面中可以限定每一能量束可在其中被引导的区域，其中可限定至少一个重叠区域，在其中能量束能被引导以使在建造平面中产生的光斑能至少部分地重叠。因此，建造平面可被细分为多个区域，其中每一区域被分配给至少一个能量束，其中每一能量束能在分配给它的子区域中被引导。子区域在重叠区域重叠，其中能量束能被引导，以使在建造平面中的光斑在重叠区域重叠。优选地，重叠区域可以是整个建造平面，以使全部的能量束能在建造平面的任一区域中重叠。当然，还可以使每一能量束在建造平面的每一区域中被引导。

本发明的设备可进一步被改进为：照射单元包括共同的能量源、特别是电能量源，其适于为所述至少两个照射元件提供用于产生能量束的能量。因此，能经由共同的能量源为所述至少两个照射元件提供能量。共同的能量源可例如附接至或集成在共同的保持结构中，即布置在共同的壳体内部。共同的能量源可将能量分配给所述至少两个照射元件，为照射元件提供功率以使所述至少两个照射元件可产生相应的能量束。因此，相比于如现有技术中通常使用的单一的照射元件或分别布置的多个照射元件，只需要一个共同的能量源，其中提供的能量可按需分配给所述至少两个照射元件。

进一步地，共同的能量源可适于单独提供能量给每一照射元件，其中控制单元可适于单独调暗(dim)和/或开关每一照射元件。控制单元可例如被视为共同的能量源的一部分，或被设置为单独的控制单元，其也可附接至或集成在共同的保持结构中。控制单元可适于分配由共同的能量源提供的(电)能量，并且特别是单独地调暗和/或开关每一照射元件。有利地，所述至少两个照射元件能被开关和/或调暗，以使得能控制由所述至少两个照射元件产生的能量束的能量。因此，能在建造材料中耗尽合适量的能量。

根据本发明的设备的另一实施例，照射单元可包括共同的冷却装置，其中所述至少两个照射元件被布置为与共同的冷却装置热接触。因此，经由共同的冷却装置，照射元件能被调温、特别是被冷却，其中所述至少两个照射元件被布置为与共同的冷却装置热接触。换言之，作为对为每一照射元件设置单独的冷却装置的替代，只设置一个共同的冷却装置，其适于冷却归属于同一照射单元的所述至少两个照射元件、特别是所有的照射元件。冷却装置可例如被集成在或附接至共同的保持结构。

优选地，共同的冷却装置可包括至少一个共同的冷却回路和/或至少一个共同的冷却平台。通常而言，共同的冷却装置可用于散发来自照射元件的热量，特别是用于在整个添加式制造过程中冷却照射元件。因此，经由至少一个冷却回路可将热量引导离开所述至少两个照射元件。冷却回路可包括例如通过沿所述至少两个照射元件的至少一个表面流动而能将热量引导离开照射元件的至少一股流体。替代地或附加地，可设置至少一个共同的冷却平台，照射元件附接至该平台，即照射元件与该平台保持(直接的)热接触。

根据本发明的设备的另一优选实施例，所述至少两个照射元件和共同的能量源和/或共同的冷却装置形成照射组件。因此，所述至少两个照射元件和共同的能量源和/或共同的冷却装置可经由共同的保持结构而联接到一起，特别是可被布置在同一个共同的壳体内。因此，照射单元和辅助装置——即共同的能量源和共同的冷却装置——形成照射组件并且能被布置在同一个共同的壳体内。因此，由于照射组件作为添加式制造设备的一个部件(组件)，照射组件能构造得紧凑且易于安装。

进一步地，照射装置可包括至少一条光纤，其中至少两个能量束——其特别是由不同的照射元件产生的——被耦合至同一光纤中或不同的光纤中。因此，可以用相应的光纤来引导由一个照射元件产生的能量束——即使之进入过程室并到达建造平面。还可以用产生耦合到同一光纤中的能量束的至少两个照射元件来组合两个能量束。

本发明的设备可进一步被改进为：可设置与或能与所述至少两个照射元件连接的至少一个照射头，其中所述至少一个照射头包括至少一个适于特别是单独地修整由照射元件产生的每一能量束的束性能的束修整单元。因此，照射头可用于单独修整每一能量束的束性能，或照射头可一致地和/或同时地修整至少两个能量束。因此，可修整耦合至照射头的每一能量束的束性能——例如光斑尺寸(形状、大小等)、光斑焦点位置、相对于基准轴线的光斑位置。

此外，本发明涉及用于添加式地制造三维物体的设备——特别是如前所述的本发明的设备——的照射装置，其中照射装置具有至少一个包括共同的保持结构——特别是共同的壳体——的照射单元，至少两个照射元件按规定的空间关系布置在该共同的保持结构上，其中所述至少两个照射元件能被单独地控制。

进一步地，本发明涉及用于操作至少一个用于通过依次逐层地选择性照射和固化由可借助能量束固化的建造材料构成的层来添加式地制造三维物体的设备——特别是如前所述的本发明的设备——的方法，其中该设备包括至少一个照射装置，该照射装置具有至少一个包括共同的保持结构——特别是共同的壳体——的照射单元，至少两个照射元件按规定的空间关系布置在该共同的保持结构上，其中所述至少两个照射元件被或能被单独地控制。

不言自明的是，在描述本发明的设备时涉及的全部特征、细节及优点全部可以转移到本发明的照射装置以及本发明的方法。特别地，本发明的方法可在本发明的设备上实施，优选地使用本发明的照射装置。

附图说明

参考附图描述本发明的示例性实施例。唯一的图1是示出本发明的设备的示意图。

具体实施方式

唯一的图1示出了用于通过依次逐层地选择性照射和固化由能借助能量束8固化的建造材料3构成的层来添加式地制造三维物体2的设备1。设备1包括具有照射单元5的照射装置4，该照射单元5包括共同的保持结构6——在本示例性实施例中构造为共同的壳体。照射单元5还包括多个照射元件7，其中在本示例性实施例中设置有五个照射元件7。

如从附图中可知地，照射元件7被布置在共同的保持结构6中，换言之，其中共同的保持结构6除其它部件之外还包围照射元件7。因为照射元件7附接至共同的保持结构6并且彼此附接(可选的)，因此，共同的保持结构6规定了空间关系并且按该规定的空间关系保持照射元件7。

每一照射元件7均适于产生能被引导至设备1的建造平面9上的能量束8，以选择性照射布置在建造平面9中的建造材料3，从而以逐层相继的方式添加式地建造物体2。通过共同的能量源10为照射元件7提供(电)能量。共同的能量源10也集成在共同的保持结构6中(可选的)。共同的能量源10包括控制单元11，其适于单独提供(电)能量至每一照射元件7。因此，控制单元11适于单独开关每一照射元件7，其中根据本示例性实施例控制单元11还适于单独调暗每一照射元件7。

经由单独的照射元件7产生的能量束8能被束引导单元19引导至建造平面9上。束引导单元19适于单独地引导能量束8，其中至少两个能量束8能至少部分地重叠。因此，在建造平面9中能量束8的光斑能至少部分地重叠，特别是完全重叠，以组合至少两个能量束8。当然，在建造平面9中任意地组合能量束8也是可行的，其中在唯一的附图所示出的本示例性实施例中，在建造平面9中，三个能量束8被组合，两个能量束8被单独控制并分别引导。当然，在建造平面9中对能量束8的引导以及对单个能量束8实施的组合取决于实际的照射步骤。通过组合至少两个能量束，能够增强不同的束参数，例如增加由组合后的能量束8耗尽的能量。

因此，束引导单元19可在建造平面9的规定区域——特别是整个建造平面9——上引导每一能量束8。根据在唯一的附图所示出的本示例性实施例，能量束8可在整个建造平面9上被任意重叠或组合。

照射单元5还包括具有共同的冷却平台13以及共同的冷却回路14的共同的冷却装置12。如从唯一的附图中可知地，照射元件7附接至共同的冷却平台13，并且因此与共同的冷却平台13保持热接触。此外，共同的冷却回路14适于产生沿着照射元件7、共同的能量源10以及冷却平台13流动的冷却流体——例如惰性气体——的流。因此，在共同的保持结构6内部，照射元件7能被调温，优选被冷却，其中共同的冷却平台13和共同的冷却回路14——即共同的冷却装置12——也被布置在共同的保持结构6内部。共同的冷却装置12能散发来自照射元件7的热量，以保证在整个添加式制造过程中照射元件7维持恒定的温度。

照射单元5还包括纤维阵列15，其中纤维阵列15包括多条(五条)光纤16，其中由照射元件7产生的能量束8耦合至纤维阵列15的光纤16。特别地，还可以将能量束8耦合至同一光纤16，或耦合至不同的光纤16。根据所示的实施例，每一能量束8均耦合至光纤阵列15的单独的光纤16。光纤16允许将能量束8从照射元件7转移至例如束引导单元19。

进一步地，照射装置4包括与照射元件7联接的照射头17。照射头17包括修整单元18，其适于单独修整由照射元件7产生的每一能量束8的束性能。因此，能够单独修整所产生的能量束8的不同的束性能，例如光斑尺寸——特别是光斑的形状、大小——和/或相对于建造平面9的光斑焦点位置、和/或相对于例如为建造平面9的中心轴线的基准轴线的光斑位置。

在本示例性实施例中，照射元件7和共同的能量源10以及共同的冷却装置12以及照射头17形成照射组件。因此，照射组件包括全部布置在共同的保持结构6——特别是共同的壳体——中的不同部件。

不言自明的是，本发明的方法可优选使用照射装置4在本发明的设备1上实施。