用于添加式地制造三维物体的设备的制作方法

本申请是2017年08月14日所提出的申请号为201710690399.4、发明名称为“用于添加式地制造三维物体的设备”的发明专利申请的分案申请。

本发明涉及一种用于通过依次逐层地选择性照射和随之固化由可借助于能量束固化的建造材料组成的建造材料层而添加式地制造三维物体的设备。

背景技术：

用于添加式地制造三维物体的相应的设备本身是已知的。借助于相应的设备，通过依次逐层地选择性照射和因此固化形成在建造平面中的、由可借助于能量束固化的建造材料组成的建造材料层，添加建造出三维物体。

有时对各建造材料层的调温/控温可能是合适的，甚至可能是必要的。调温尤其用于减少在各个物体(区段)内的、由热引起的应力，由此通过有针对性的调温可以影响要添加制造的或被添加制造的物体的结构特性。相应地，开头所述类型的设备经常配备有调温装置，该调温装置被设置用于至少在部分区段上对在建造平面中形成的建造材料层进行调温。

已知的调温装置一般只能够静态地对各建造材料层调温。采用这种已知的调温装置，即便要用，也只能够在较大的成本下实现例如针对不同的建造材料的不同的热特性对各建造材料层的可单独适配的调温。

技术实现要素：

本发明基于的任务是，提出一种尤其是在可单独适配地对各建造材料层进行调温的可能性方面改进的、用于添加制造三维物体的设备。

该任务通过一种按照权利要求1的用于添加制造三维物体的设备完成。所属的从属权利要求涉及设备的可能的实施方式。

在这里描述的设备(“设备”)被设置用于通过依次逐层地选择性照射和因此固化由可借助于能量束尤其是激光束固化的建造材料构成的建造材料层来添加制造三维物体，也就是说例如技术构件/建造部件或技术构件组。建造材料可以是颗粒状的或粉末状的金属-，塑料-和/或陶瓷材料。选择性固化各要选择地固化的建造材料层基于与物体相关的建造数据来实施。相应的建造数据描述分别要添加制造的物体的几何结构上的设计并且可以包含例如各要添加制造的物体的“被切片的”cad数据。

设备可以是slm设备，也就是说用于实施选择性激光熔化方法(slm方法)的设备，尤其是激光方法，或者是sls设备，也就是说用于实施选择性激光烧结方法(sls方法)的设备。

设备包括用于实施添加建造过程通常需要的功能部件，也就是说尤其是能量束生成装置，其用于产生用于依次逐层选择地照射和因此固化建造材料层的能量束，也就是说尤其是激光束，和用于在建造平面中形成要选择地照射的或要选择地固化的建造材料层的覆层装置。在建造平面中因此实施对各要选择地固化的建造材料层的实际的选择性照射或实际的选择性固化；一般地，在建造平面中构造至少一个要被选择地固化的或被选择地固化的建造材料层。借助于设备实施的添加建造过程在设备所属的可惰性化的过程室中实施。过程室可以形成设备的(外)壳体结构的一部分，设备的功能部件被布置或构造在该壳体结构处或中。

作为另外的功能部件，设备包括调温装置。调温装置是设备的相对于能量束生成装置分开的功能部件。调温装置被设置用于至少局部地对在建造平面中构造的，尤其是(还)要选择地固化的或者(已经)被选择地固化的建造材料层进行调温。如以下得出的，调温装置被设置用于，局部地限制地对要调温的建造材料层的单个或多个连续的或者不连续的区域进行调温。建造材料层的调温可以理解为将建造材料层的至少一个区域(受控制地)加热到一定的加热温度或者一定的加热温度范围和/或将被加热的区域保持在一个加热温度或一个加热温度范围以及将建造材料层的至少一个区域(受控制地)冷却到一定的冷却温度或者一定的冷却温度范围和/或将被冷却的区域保持在一个冷却温度或一个冷却温度范围。

调温装置包括至少一个调温元件。调温元件被设置用于产生尤其是电磁的调温射束。因此借助于至少一个电磁的调温射束并且因此通过将电磁辐射，如在下面得出的那样，激光辐射，有针对性地引入到建造材料层的至少一个要调温的、要被选择地固化的或已被选择地固化的区域中，实施可借助于调温装置实现的调温。

调温元件设计成调温二极管或包括这种调温二极管。调温二极管应理解为被设置用于产生调温射束的半导体元件，调温射束是激光束。光学特性，也就是说，例如可通过调温二极管产生的调温射束的波长，除了其他方面以外，取决于这个或这些调温二极管使用的半导体材料。依据具体的实施方案，调温二极管例如可以产生在650nm和2000nm之间，尤其是在800nm和1000nm之间的波长，和在0.1瓦和10瓦之间的范围中的激光功率；当然向上和/或向下的例外情况也是可想象的。

调温二极管通常是表面发射型二极管。简称表面发射器，它被设置用于，从形成实际的调温二极管的半导体元件的平面中垂直地射出激光束。相应的半导体元件的射出面在调温装置的安装状态下通常与各要调温的建造材料层面对地定向。相应的表面发射型二极管也称为vcsel(英文：verticalcavitysurfaceemittinglaser垂直腔表面发射二极管)并且相对于其它的二极管结构形式，也就是说，尤其是相对于边缘发射型二极管，其特点尤其在于，可由它们产生的激光束的可改变的射束特性，也就是说尤其是光束轮廓、强度。借助于相应的表面发射型二极管因此可以产生不同的射束特性的不同的调温射束。这样可以实现对建造材料层的单独的或者可单独适配的、同时均匀的调温。

设备的特别的优点在于，通过所描述的调温装置的设计方案，也就是说尤其通过使用调温二极管，可以减少在要调温的建造材料层中的和因此在要制造的或者已经制造的物体中的热应力，这对物体的结构特性，也就是说，例如机械稳定性和尺寸精确性，产生积极的影响。此外，除了其他方面以外，可以有针对性地影响建造材料的与温度相关的吸收特性。

总之，尤其是就对各建造材料层的可单独适配的调温可能性而言，提供一种改进的设备。

从以上的描述中得出，调温二极管通常可以在至少一个调温射束参数上，尤其是在其输出功率、强度、波长等等上，被改变，所述调温射束参数涉及可通过调温二极管产生的调温射束的射束特性。符合目的地，该设备包括可配设给或被配设给调温装置的、按照硬件和/或者软件方式实施的控制装置。控制装置被设置用于控制单个或多个调温二极管的运行，也就是说，尤其是用于控制至少一个涉及可通过各调温二极管产生的调温射束的射束特性的调温射束参数。借助于控制装置可以单独地控制各个调温二极管并且由此可单独适配地控制各个要被调温的建造材料层。例如，通过相应地控制各个或者多个调温二极管，可以(几乎)任意地适配相应的调温辐射轮廓的几何形状。相应的调温辐射轮廓例如可以是条带形的，由此可以调温要调温的建造材料层的局部地限制的条带形区域。类似的情况当然也适用于其它的调温辐射轮廓几何形状。

此外，通过相应地控制单个或多个调温二极管，可以产生(几乎)任意的在地点上和/或者在时间上可改变的、尤其是关于要调温的建造材料层局部地限制的调温辐射轮廓，这些调温辐射轮廓由各调温二极管产生的调温射线组成。这样，与要调温的建造材料层的加热相关地，也可以实现任意的、在地点上和/或者在时间上可改变到一定的加热温度上的温度斜坡/温度梯度。以类似的方式，与要调温的建造材料层的冷却相关地，也可以实现任意的、在地点上和或者在时间上可改变到一定的冷却温度上的温度斜坡。

该设备可以包括检测装置，该检测装置被设置用于检测要调温的建造材料层的温度。检测装置可以设计成温度传感装置，例如形式为高温计，或者包括这样的温度传感装置。所述的或者另外的设备控制装置，只要存在，可以被设置用于，基于由检测装置产生的、描述要选择地固化的或者被选择地固化的建造材料层的被检测的温度的检测信息，单独地关于一定的加热温度或冷却温度，控制对单个或多个调温二极管的运行的控制。对调温二极管的运行的控制，也就是说，一般地，对要调温的建造材料层的调温，由此可以与对要调温的建造材料层的温度监视一同进行。

调温装置通常包括不只是一个，而是多个调温二极管。调温二极管相对于在其中要形成或形成各要调温的建造材料层的建造平面原则上可以布置或被布置在任意的空间上的布置中。一种示例性的布置规定，这些调温二极管或多个调温二极管按照与调温装置相关地在整体上存在的调温二极管数量的分量成行状地和/或成列状地被布置在至少一个公共的、尤其是与建造平面平行的平面中。调温二极管在连续的行和列中的布置可以称为阵列式的布置，简称阵列。相应的阵列因此包括(各)由至少两个调温二极管构成的至少一个行，通常多个平行布置的行和(各)由至少两个调温二极管构成的至少一个列，通常多个平行布置的列。一个相应的调温二极管行相对于一个相应的调温二极管列成角度地——尤其是垂直地——延伸，反之亦然。

除了上述的相应的调温二极管在一个公共的平面中的布置以外，这些调温二极管或多个调温二极管可以按照与调温装置相关地在整体上存在的调温二极管数量的分量上下叠置地布置在多个尤其是与建造平面平行的平面中。将调温二极管上下叠置地布置在多个平面中可以产生相应的调温二极管的特别紧凑的、必要时相互嵌套的布置。在各上下叠置的平面中布置的调温二极管可以彼此相对地在一定的空间错位下布置。由在上部的平面中布置的调温二极管产生的调温射束因此不投射到在下部的平面中布置的调温二极管上，而是穿过在直接相邻地布置在下部的平面中的调温二极管之间的自由空间，例如形式为缝隙、孔或其它的开口。调温二极管在多个平面中的上下叠置的布置无论如何被如此地选择，即调温射束可以指向要相应地调温的建造材料层。

调温二极管可以——与它们彼此相对的具体的布置无关地——布置在尤其是壳体状的保持装置处或保持装置中。保持装置可以布置或构造在设备的过程室的外部或内部。保持装置也可以布置在过程室的过程室壁中。将调温装置布置在设备的过程室的外部的前提是，由调温二极管可产生或产生的调温射束的合适的入射可能性，这例如可以通过在过程室壁中布置的或形成的、能够使各调温射束通过而进入过程室中的通过窗口来实现。

与其布置在过程室的外部还是内部无关地，保持装置可以包括尤其是框架状的或框架形的保持结构，调温二极管被布置在该保持结构处或保持结构中。保持结构通常包括一些可预先确定的或被预先确定的布置位置，至少一个调温二极管可布置或被布置在该布置位置处或布置位置上。调温二极管在保持结构处或保持结构中的布置可以被(无损伤地或无破坏地)拆开，这例如简化了例如在维护和/或修理时需要的更换。

保持装置可以在至少一个运动自由度上相对于设备的过程室或建造平面可运动地被支承。保持装置的运动通过可与其耦联的或与其耦联的、尤其是(电)机动的驱动和/或引导机构来实现。通过保持装置的运动，可以使调温二极管，例如关于具体的调温状况，相对于要调温的建造材料层运动。保持装置的运动可以包含沿着至少一个平移轴线的平移的运动自由度和/或围绕至少一个旋转轴线的旋转的运动自由度。保持装置的运动例如可以是线性运动，转动运动，翻转运动或枢转运动。当然在多个不同的运动自由度中的组合的运动是可能的。

对于保持装置在过程室内部的布置，尤其适用的是，相应的驱动和/或引导机构可以通过在设备的过程室内在至少一个运动自由度上可运动支承地布置的设备方面的功能部件来提供。保持装置因此可以与在设备的过程室内在至少一个运动自由度上可运动支承地布置的设备的功能部件运动耦联。设备方面的功能部件例如可以是覆层装置，它被设置用于在建造平面中形成要选择地照射的或要选择地固化的建造材料层。覆层装置通常在平移的运动自由度中相对于建造平面被可运动地支承。保持装置因此可以与覆层装置运动耦联，这例如可以这样地实现，即保持装置直接地或间接地，也就是说在中间连接至少一个部件或部件组的情况下，布置在覆层装置处。

如上所述，保持装置可以包括尤其是框架状的或框架形的保持结构，调温二极管布置在该保持结构处或保持结构中。调温二极管相对于要调温的建造材料层的运动，例如关于具体的调温状况，也可以这样地实现，即至少一个调温二极管相对于保持结构和因此也相对于要调温的建造材料层在至少一个运动自由度上被可运动地支承在保持结构处或保持结构中。在保持结构方面，为此设置一个合适的驱动和/或引导机构，借此可以实现调温二极管的运动。上面的与保持装置相对于建造平面的运动相关联的描述类似地适用于调温二极管相对于保持结构的运动。

除了设备以外，本发明还涉及一种用于通过借助于能量束依次逐层地选择性照射和因此固化在建造平面中形成的、由借助于能量束可固化的建造材料构成的建造材料层来添加制造三维物体的方法。该方法的突出之处在于，为了实施该方法，使用一种如上所述的设备。因此与设备相关联的全部的描述类似地适用于该方法。

附图说明

借助于在附图中的实施例详细解释本发明。在此示出：

图1，2各是按照一个实施例的设备的原理图；和

图3是按照一个实施例的调温装置的原理图。

具体实施方式

图1示出按照一个实施例的设备1的原理图。设备1用于通过依次逐层地选择性照射和因此固化由粉末状的建造材料3——例如金属粉末——构成的建造材料层来添加制造三维物体2，所述建造材料是可借助于由激光束生成装置4产生的激光束5固化的，也就是说尤其是技术构件或技术构件组。选择性照射和因此选择性固化相应要固化的建造材料层基于与物体相关的建造数据来实施。相应的建造数据描述分别要添加制造的物体2的几何上的或几何结构上的设计。相应的建造数据可以包含例如要制造的物体2的“被切片的”cad数据。

设备1包括可惰性化的过程室6，在该过程室中实施各物体2的实际的添加制造。过程室6可以形成设备1的壳体结构(没有示出)的一部分。在过程室6中布置或构造设备1的用于实施添加建造过程需要的功能部件的至少一个部分，也就是说尤其是，如通过水平定向的双箭头p1指示的那样，可运动地支承的覆层装置7，该覆层装置被设置用于在建造平面中形成要固化的建造材料层。可以看见，功能模块，也就是说，具体地，用于提供粉末状的建造材料3的粉末模块8，建造模块9，在该建造模块中实施物体2的实际的添加建造，和用于容纳没有固化的建造材料3的溢流模块10，被布置在过程室6处或中。功能模块与过程室6以可拆卸的方式连接或能与之连接，以更换容器。

设备1作为另外的功能部件包括调温装置11。调温装置11是设备1的与激光束生成装置4分开的功能部件。调温装置11被设置用于至少分区地对在建造平面中形成的、尤其是(还)要选择地固化的或(已经)被选择地固化的、建造材料层进行调温。对建造材料层进行调温应理解为将建造材料层的至少一个区域(受控制地)加热到一定的加热温度或一定的加热温度范围和/或将被加热的区域保持在一个加热温度或一个加热温度范围以及将建造材料层的至少一个区域(受控制地)冷却到一定的冷却温度或一定的冷却温度范围上和/或将被冷却的区域保持在一个冷却温度或一个冷却温度范围。

调温装置11包括多个调温元件12(参见图3)。调温元件12被设置用于分别产生尤其是电磁的调温射束。通过各调温元件12产生的调温射束组成一个调温辐射轮廓13。借助于调温装置11可实现的调温因此借助于电磁的调温辐射和因此通过将电磁辐射有针对性地引入要调温的建造材料层的至少一个区域中来实施。

调温元件12分别构造成调温二极管，也就是说具体地构造成表面发射型二极管。调温二极管应理解为被设置用于产生调温射束的半导体元件，该调温射束是激光束。可通过调温二极管产生的调温射束的光学特性，也就是说例如强度和波长，除了其他方面以外，取决于这个或这些使用的半导体材料。依据具体的实施方案的情况，调温二极管例如可以产生在800nm和1000nm之间的波长和在0.1瓦和10瓦之间的范围中的激光功率。作为调温二极管使用的表面发射型二极管的特点在于可由表面发射型二极管产生的激光束的可改变的射束特性。借助于表面发射型二极管因此可以产生不同的射束特性的不同的调温射束。这样，可以实现对建造材料层的单独的或可单独适配的，同时均匀的调温。

调温二极管因此通常在至少一个涉及可通过调温二极管产生的调温射束的射束特性的调温射束参数上，尤其是在其输出功率、强度、波长等等上，可以被改变。设备1包括与调温装置11相配设的以硬件方式和/或以软件方式实施的控制装置14。控制装置14被设置用于控制单个或多个调温二极管的运行，也就是说尤其是用于控制至少一个涉及可通过各调温二极管产生的调温射束的射束特性的调温射束参数。借助于控制装置14可以单独地控制各调温二极管和因此可单独适配地调温各要调温的建造材料层。例如通过相应地控制单个或多个调温二极管，相应的调温辐射轮廓13的几何形状可以被(几乎)任意地匹配。相应的调温辐射轮廓13例如可以是条带形的，由此可以对要调温的建造材料层的局部地限制的条带形的区域进行调温。类似的情况当然适用于其它的调温辐射轮廓几何形状。

此外，通过相应地控制单个或多个调温二极管，可以产生(几乎)任意的在地点上和/或在时间上可改变的调温辐射轮廓。这样，与要调温的建造材料层的加热相关地，也可以实现任意的、在地点上和/或者在时间上可改变到一定的加热温度上的温度斜坡。以类似的方式，与要调温的建造材料层的冷却相关地，也可以实现任意的、在地点上和/或者在时间上可改变到一定的冷却温度上的温度斜坡。

设备1可以包括检测装置(没有示出，因为是可选的)，它被设置用于检测要调温的建造材料层的温度。检测装置可以构造成温度传感器装置，例如形式为高温计。控制装置14可以被设置用于，基于由检测装置产生的、描述要选择地固化的或者被选择地固化的建造材料层的被检测的温度的检测信息，单独地关于一定的加热温度或冷却温度，控制对单个或多个调温二极管的运行的控制。对调温二极管的运行的控制，也就是说，一般地，对要调温的建造材料层的调温，由此可以与对要调温的建造材料层的温度监视一同地进行。

图3示出按照一个实施例的调温装置11的原理图，借助于图3可以清楚地看见，调温装置11包括多个调温元件12或多个调温二极管。按照在图3中示出的实施例，调温二极管成行和列状地布置在一个公共的、尤其是与建造平面平行的平面中。调温二极管的这种布置可以被称为阵列式的布置，简称阵列。

除了在图3中示出的相应的调温二极管在公共的平面中的布置以外，调温二极管也可以在多个，尤其是与建造平面平行的平面中上下叠置地布置。在各上下叠置的平面中布置的调温二极管此时可以彼此相对地在一定的空间错位下布置。因此，由在一个上部的平面中布置的调温二极管产生的调温射束不投射到在一个下部的平面中布置的调温二极管上，而是穿过在直接相邻地布置在一个下部的平面中的调温二极管之间的自由空间，例如形式为缝隙、孔或其它的开口。

借助于图3此外可以看见，调温二极管布置在壳体状的保持装置15处或中。保持装置15包括框架状的或框架形的保持结构16，调温二极管布置在保持结构16处或中。保持结构16包括一些可预先确定的或被预先确定的布置位置(没有详细标示)，至少一个调温二极管可布置在或被布置在该布置位置处或上。调温二极管在保持结构16处或中的布置可以被(无损坏地或无破坏地)拆开。

回到图1，可以看见，保持装置15和因此调温装置11可以布置或构造在过程室6的外部。具体地，保持装置15布置或构造在形成过程室6的顶部区域的过程室壁的区域中。以虚线示出这个或一个另外的保持装置15的一种备选的布置可能性，该保持装置15布置或构造在形成过程室的侧面区域的、示例性地倾斜地延伸的过程室壁的区域中。所述在设备的过程室外部布置调温装置11的可能性的前提是由调温二极管可产生的或产生的调温射束的合适的入射可能性，这例如可以通过布置或构造在过程室壁中的、能够使各调温射束通过而进入过程室6中的通过窗口来实现。

保持装置15也可以集成地布置在过程室6的过程室壁中。

尽管在图1中没有示出，但可能的是，保持装置15或调温装置11在一个运动自由度上相对于过程室6或建造平面被可运动地支承。保持装置15的运动可以通过可与其耦联的或与其耦联的、尤其是(电)机动的，驱动和/或引导机构来实现。通过运动保持装置15可以使调温二极管，例如关于具体的调温状况，相对于要调温的建造材料层运动。保持装置15的运动可以包含沿着至少一个平移轴线的平移的运动自由度和/或围绕至少一个旋转轴线的旋转的运动自由度。保持装置15的运动可以是例如线性运动、转动运动、翻转运动或枢转运动。

图2示出按照另一个实施例的设备1的原理图。不同于在图1中示出的实施例，保持装置15或调温装置11布置在过程室6内部。保持装置15在此情况下在一个运动自由度上相对于过程室6或建造平面被可运动地支承。这是如此实现的，即保持装置15被布置在设备1的一个在过程室6内在至少一个运动自由度上可运动地支承的功能部件处。该功能部件是覆层装置7，如通过箭头p1指示的那样，该覆层装置在一个平移的运动自由度上相对于建造平面被可运动地支承。当然保持装置15或调温装置11在过程室6内的固定的布置也是可想象的。

对于全部的实施例适用的是，调温二极管相对于要调温的建造材料层的运动备选地或补充地也可以这样地实现，即单个或多个调温二极管相对于保持结构16和因此也相对于要调温的建造材料层在至少一个运动自由度上被可运动地支承在保持结构16处或中。在保持结构16方面，为此设置有合适的驱动和/或引导机构(没有示出)，借助于它可以实现调温二极管的运动。

借助于在图1，2中示出的设备1，可以实施一种用于通过依次逐层地选择性照射和因此固化在建造平面中形成的建造材料层来添加制造三维物体2的方法，所述建造材料层由借助于能量束5可固化的建造材料3构成。