用于借助于生成式制造加速生产物体的方法

用于借助于生成式制造加速生产物体的方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于由粉末状的构造材料逐层地构造三维物体(3)的方法，所述方法借助于分别在层的对应于物体的横截面的各部位上依次固化粉末状的构造材料的层来实现，其中，所述固化通过引入热能来实现并且所述方法对于每层都具有下列步骤：提供粉末状的构造材料层的步骤；将涂敷的构造材料预加热到低于所述材料固化时的温度的预热温度的步骤；以及借助于电磁辐射或粒子辐射(7)固化所涂敷的层的步骤，其中，在所述固化步骤中，在预定的时间段期间，预定的时间段的起始与所述固化步骤的开始重合，每单位面积引入的热量随着时间减小且能通过随着时间单调递减函数来描述。
【专利说明】
用于借助于生成式制造加速生产物体的方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种用于借助于生成式制造来逐层构造三维物体的方法以及所属的 设备。特别地，本发明涉及一种减少生产持续时间的此类方法和此类设备。
【背景技术】
[0002] 例如在EP1 486 317 B1中描述了用于逐层地生成式制造三维物体的方法。在粉末 用作为制造的起始材料时，所述粉末通过引入热能来烧结或者熔化，使得构造过程通常如 此进行，使得制作待制造物体的被分解成多层的CAD模型，并且接着根据所述CAD模型的横 截面逐层地固化所述构造材料。
[0003] 对于每个粉末层进行下列构造过程：
[0004]在将粉末状的构造材料层涂敷到已固化的层上之后，将新涂敷的粉末层首先借助 于辐射加热预加热到低于固化时的温度的工作温度。由此将辐射(例如激光束)定向到已预 加热的层上以便选择性地固化构造材料。在制成物体的所有层之后，冷却该物体并从包围 物体的非固化的粉末中去除物体。
[0005] 上述的制造方法主要用于快速生产原型或模型。用于原型或模型制造的方法的优 点是，所述方法允许制造大范围的原型或模型，而不必以高成本事先制造生产工具，该生产 工具适配于相应待制造的模型的类型。因此，相比于传统的方法，可以在相对较短的时间内 进行原型或模型的制造，因此术语"快速原型"用于这种方法。
[0006] 由于生成式制造方法的普遍性，越来越多地考虑，也将这种方法用于产品的成批 制造。因为，例如相比于注塑成型方法，不再依赖于存在专门适配于待制造的产品的工具， 生成式逐层的制造方法特别适用于生产小批量或用于生产定制的适配产品，因为可以以最 小的成本改变产品的几何形状和产品性能。对于这种成批生产，术语"快速制造"也已被接 受。
[0007] 对于物体的成批生产，特别地必须满足两个边界条件：
[0008] 首先，必须提供稳定的产品质量。这由EP 1 486 317 B1给出，其中在成批生产期 间一起制造并测量试验构件。
[0009] 此外，必须加速制造过程，因为通过顺序地逐层建造，生成式制造方法本来比诸如 注塑成型的传统方法更慢。这在EP 1 896 246 B1中已经存在用于过程加速的途径。在EP 1 896 246 B1中提出交换容器，在该交换容器中制造物体，并且该交换容器在制造设备的制 造过程结束之后可以被取下，以便在制造设备外面进行冷却，并且可以将制造设备立即再 一次用于新的制造过程。
[0010] 虽然通过根据EP 1 896 246 B1中的方法已经可以实现显著地加速制造过程(冷 却过程可能需要几个小时），因此通过在EP 1 896 246 B1中的设备，顺序的逐层建造没有 被加速。

【发明内容】

[0011] 因此，本发明的目的是提供一种设备和方法，所述设备和方法允许更快速地、顺序 地逐层制造物体。
[0012] 该目的通过根据权利要求1所述的方法和根据权利要求8所述的设备实现。本发明 的进一步改进方案在从属权利要求中给出。
[0013] 本发明基于如下思想，即如果利用粉末层可以在曝光过程期间进一步加热，那么 用于将新涂覆的粉末层预加热到工作温度所必需的时间可以减少。但是，由于构件的机械 性能和其几何形状通过粉末层的在曝光的时间点上的温度来影响，所以在这种方法的情况 下，粉末层的在曝光时间点的温度与额定的预热温度(工作温度)偏离越大，在曝光时引入 的热能就必须越大。当在固化时粉末材料太冷时，那么将进行不完全固化，这例如减小物体 的垂直于层(沿z方向）的断裂伸长率。此外，在太小的预热温度时，构件的尺寸小于额定尺 寸，因为包围待制造的物体的粉末的较小份额在物体的边缘区域中一起固化。
【附图说明】
[0014] 下面通过参照附图的实施例描述本发明。其中：
[0015] 图1示出根据本发明的用于由粉末状的构造材料逐层地制造三维物体的设备；
[0016] 图2示出一曲线图，该曲线图示出用于z拉伸棒的预试验的z断裂伸长率与曝光时 间点相关的变化曲线；
[0017] 图3示出一曲线图，该曲线图示出根据DIN ISO 527-1和DIN-IS0 527-2型1B的拉 伸棒的预试验的横截面面积与曝光时间点的相关性；
[0018] 图4示出给出前因子的时间相关性的曲线图，在从一层的曝光开始起的时间段内， 由激光器发射的光功率应该乘以该前因子；
[0019] 图5示出一曲线图，该曲线图示出用于以z拉伸棒的试验运行的z断裂伸长率与曝 光时间点相关的变化曲线，其中，由激光器发射的光功率在从曝光开始起的12秒的时间周 期期间逐渐减小；以及
[0020] 图6示出一曲线图，该曲线图示出用于以z拉伸棒的试验运行的横截面面积与曝光 时间点相关性的变化曲线，其中，由激光器发射的光功率在从曝光开始起的12秒的时间段 期间逐渐减小。
【具体实施方式】
[0021] 参照图1首先描述根据本发明的设备的结构，所述设备用于借助于生成式层建造 方法来制造三维物体。
[0022] 如图1中所示，在构造支架2上逐层地制造待制造的物体3。构造支架2形成底部，且 框架1形成向上开口的容器的侧壁，在该容器中进行构造过程。构造支架2与升降机构4连 接，该升降机构可以沿竖直方向移动构造支架。框架1以其上端部包围构造区域5,在该构造 区域中发生固化。在构造区域5上方设置有涂布器11，该涂布器用于将粉末材料的层涂敷在 构造区域中。在此，作为粉末材料可以使用所有能借助于热导入来固化的粉末，例如聚合物 粉末、金属粉末、陶瓷粉末或者也可以是由不同材料组成的复合材料粉末。此外，填料和/或 添加剂可以加入到所述粉末中。
[0023]此外，图1示意性地示出涂抹装置12,该涂抹装置能沿水平方向移动并且用于使已 涂敷的粉末层平滑。另外，设有构造为激光器6的照射装置，该激光器产生激光束7，所述激 光束可以通过偏转装置8被定向到构造区域5中的任意点上。通过激光束7对在构造区域中 的粉末材料的作用，可以选择性地加热粉末材料，使得粉末材料由此在对应于待制造的物 体3的横截面的那些部位处固化。
[0024]此外，根据本发明的设备包括在构造区域5上方的加热装置9,该加热装置将新涂 敷的粉末层预加热到工作温度，该工作温度低于所述粉末材料发生固化时的温度。优选地， 加热装置(9)是辐射加热装置(例如一个或多个辐射加热器），该辐射加热装置可以通过发 射电磁辐射将热能大面积地引入到新涂敷的粉末层中。附图标记10表示控制设备，该控制 设备与激光器6、偏转设备8、涂布器11、涂抹装置12和升降机构4连接，并且控制构造过程。 在图1中没有示出壳体，该壳体包围框架1、升降机构4、激光器6、偏转装置8、涂布器11和涂 抹装置12。
[0025]下面，描述用于逐层生成式构造三维物体的根据本发明的方法的过程：
[0026]首先，借助于升降机构4将构造支架2移动到一位置中，在该位置中，构造支架2的 上侧或设置在构造支架上的构造平台的上侧紧紧位于框架1上棱边的下方。接着，由涂布器 11涂敷的粉末材料借助于涂抹装置12均匀地分布在构造支架2上或构造平台上。在开始时 设定的与框架1的上边缘的竖直距离在此限定涂敷的层的厚度。接着，插入等待时间，在该 等待时间内借助于加热装置9将所涂敷的粉末层预热到工作温度，该工作温度低于构造材 料通过激光束的作用而固化时的温度。加热装置9也优选地与控制装置10连接。优选地，预 热的构造材料层的温度借助于温度测量装置14来控制。温度测量装置14可以是高温计，该 高温计在构造区域5的区域中测量所涂敷的层的表面温度，其中该区域应尽可能地在物体3 的整个制造期间位于所述物体3之外。一旦达到期望的粉末层温度，粉末层在其对应于物体 的横截面的区域中通过借助于激光束的热能导入而固化。从而，将构造支架2再次降低了构 造材料层厚度的值，重新涂敷构造材料，预热，选择性固化等，直到物体的制造过程结束。 [0027]根据本发明，在所涂敷的粉末层已达到理想的工作温度之前已经开始固化。如果 例如工作温度为约175°C，当粉末层温度仍然低于工作温度约2°C时，根据本发明已经开始 固化。然而，在此在从将激光束7定向到构造区域5位于物体横截面内的位置上开始的预定 时间段期间，每单位面积导入更多的热能，以便补偿低的粉末层温度。为此，控制装置10改 变激光束7的功率密度和/或偏转速度，而该激光束在构造区域的对应于横截面的位置上掠 过。
[0028] 最终，在固化开始起的预定时间段期间，通过激光束7引入到材料中的每单位面积 的热能的连续地减小，因为在该预定时间段期间加热装置9的其他热能连续地导入到粉末 层中。例如，激光器 6的发射的光功率为φ根据预定的函数f逐渐减少(φ(?)=φ0·? (t))。 函数f(t)可以明确地由一个多项式描述或通过存储在表中函数值f(t)定义，所述函数值依 据时间进行变化。在此，时间是从层的曝光过程开始起经过的时间。所述值是确定的基 本光功率，它的值可以任意地来选择，因为f的大小可以匹配于φ〇的选择(通过f与常数因 子相乘）。
[0029] 在经过预定时间段之后，对于曝光的剩余持续时间，由激光器每单位面积引入的 热能保持恒定，即使这对于本发明来说不是必须强制的。
[0030] 函数可以凭经验通过对构件或试样的预先试验来确定，其中在预定的时间段期间 每单位面积的热导入遵循所述函数。下面，描述一种用于获得这样函数的方法：
[0031] 首先，在生成式层建造设备（例如图1的设备）中在试运行中制造物体（例如根据 ISO 527的拉伸棒）。为此，例如制造多组拉伸棒，其中每组为五个拉伸棒，使得各组在从层 的曝光开始起的不同时间点进行曝光。例如，在下一组曝光之前，在一组的固化过程之后插 入等待时间（例如2秒）。在此，在达到期望的工作温度之前，开始曝光过程，即如在制造实际 物体时，例如当温度测量装置14显示低于期望的工作温度的一个值、例如约2°C时，就已经 开始。
[0032] 在预先试验中必须确保，位于构造空间中的不同部位的试样物体(例如拉伸棒组） 的温度不被在构造空间中的位置影响，例如，到构造空间的环境中的热耗散，在边缘位置处 比在构造空间的中心位置处的更大。
[0033] 在制造构件之后，然后按照DIN 527-1和DIN-IS0 527-2类型1B测量的拉伸棒的机 械性能，其中形成每个组的平均值。由于对于不同的拉伸棒组具有不同的曝光时间点，所以 当用激光束进行固化时，在这样的预先试验中用于相应的拉伸棒组的涂敷的粉末层已经预 热到不同的温度。通过分析依赖于时间的机械性能（例如z断裂伸长率)和几何形状(例如z 拉伸棒的横截面面积），获得预热温度对待制造的物体的机械性能和几何形状的影响。 [0034]图2和3示出用于z断裂伸长率和横截面面积的相应曲线图，所述z断裂伸长率和横 截面面积在示例的预先试验中确定。根据本发明，基于这样的预先试验，现在在从曝光开始 的预定时间间隔期间对于各个时间点确定曝光参数，例如发射的光功率并存储在表中。例 如，假定在经过预定的时间间隔之后假定发射的光功率的值为1，那么在预定的时间段 期间前因子（函数值f(t))存储在表中，在预定时间段期间该发射的光功率应该与该前 因子相乘。图4示出了这样的前因子与时间的相关性。
[0035] 基于表中的值，现在发射的光功率在预定时间段期间可以逐步地减少，或者单调 递减函数f(t)匹配于表中的值。图5和6示出用ζ拉伸棒的试验运行的ζ断裂伸长率和横截面 面积，其中（在否则具有相同的构造参数时），所发射的光功率在从曝光开始的12秒时间段 期间逐渐减小。与图2和3相比可以看出，对于ζ断裂伸长率和横截面面积获得与曝光时间点 无关的大致恒定的值。
[0036] 当然，也可以尝试使用理论函数来确定在曝光时间段开始时每单位面积待引入的 热能。然而，待引入的热能取决于粉末材料并且此外也由加热装置9的类型和布置一同确 定。因此，最适宜的是，基于所述的预试验来确定函数值。
[0037] 什么类型的构件用于预试验，在此取决于对本身待制造的物体来说最重要的是哪 些性能。对于预试验不必强制使用ζ拉伸棒。同样替代地可用实际待制造的物体进行试验。 因为在预试验之后进行成批生产，鉴于由此在成批生产中可能的时间节省，预试验的成本 是可接受的。
[0038] 同样要强调的是，也可以通过预试验确定在层的曝光时间段开始时每单位面积的 待引入的热能，其中不确定粉末预热温度对预试验构件的机械性能和几何形状的影响，而 是确定粉末预热温度对对预试验构件的其他性能、例如表面质量的影响。
[0039] 为固化引入到构造材料中的每单位面积的热能不必必须地通过发射的光功率的 改变来改变。在这里，替代的方法也是可能的：
[0040] 每单位面积的能量导入也可以以如下方式改变，即改变激光在构造区域5上掠过 的速度。激光束在构造区域5上运动得越快，每单位时间导入到构造材料中的热能就越少。 因此为了逐渐减小每单位面积引入的热能，在预定时间段开始时，激光束可以以与过去预 定时间时间段后相比更低的速度在构造区域5上运动。另外，每单位面积引入的热能也可以 取决于在构造区域上掠过的激光束的互相相邻的路径之间的距离。这意味着，通过逐渐增 加激光束7的相邻路径的距离，也可以实现逐渐减少每单位面积引入到材料中热能。
[0041] 此外，要强调的是，在脉冲运行中发射的光功率可以通过改变频率或占空比来改 变。
[0042] 在所有描述的情况下，控制装置10依据时间控制相应的参数。
[0043]如果在物体的成批生产中进行相应的物体横截面的轮廓和横截面内部分开地固 化，那么依据轮廓或横截面内部哪个首先曝光，每单位面积的引入的热能的上述的适配必 须相应地用于轮廓的曝光或横截面内部的曝光。
[0044] 在本发明方法的进一步改进方案中，不仅每单位面积引入的热能改变，而且在预 定段期间也可以适配"光束偏移"。光束偏移表示一数值，激光束在物体的轮廓上向内移动 了该数值，以便特别地考虑到，由于热传导紧接在待被固化的区域之外的粉末也被一起固 化，从而改变了物体尺寸。因此，在曝光时间段开始选择较小的光束偏移并且在预定的时间 段期间逐渐增大该光束偏移。
[0045] 预定时间段的长度可以通过所述的预试验来确定，在预定时间段期间逐渐地降低 每单位面积导入的热能或逐渐增加光束偏移。一旦在预试验中确定的机械性能和/或在预 试验中的物体尺寸位于确定用于在成批生产中待制造的物体的公差范围内，那么不再要求 曝光参数的变化。因此，通过预试验可以确定从曝光开始起的时间点，从该时间点起性能位 于公差范围内。该时间点于是限定了预定的时间段的结束。经验表明，预定的时间段在1至 15秒的范围内。然而，特别是在大的层厚度的情况下更长的时间段也是可能的。
[0046] 虽然在上文中总是提及借助于激光束来固化构造材料，但是本发明不限于这种类 型的热能导入。对于固化所需要的热能可以在面积上以同样的方式引入，由此用于材料固 化的辐射的到粉末层的入射区域通常可被称为"固化辐射入射区域"。本发明总是在下述情 况下导致有利地加快构造过程，不是物体横截面的所有部位被同时固化，而是物体横截面 的不同部位在不同的时间点被固化。同样地，本发明不限于使用电磁辐射，而是可以以相同 的方式与用于将热能引入到构造材料中的粒子辐射一起作用地实现。最后，本发明不仅包 括构造材料完全熔化的方法，而且包括发生烧结的方法，在发生烧结的方法中所述粉末颗 粒仅仅在表面熔化。
【主权项】
1. 一种用于由粉末状的构造材料逐层地构造三维物体(3)的方法，所述方法借助于分 别在一个层的对应于物体的横截面的各部位上依次地固化粉末状的构造材料的各层来实 现，其中，所述固化通过引入热能来实现并且所述方法对于每层都具有下列步骤： 在构造支架(2)上或者在选定的部位上之前已经固化的层上提供粉末状的构造材料层 的步骤； 将涂敷的构造材料预加热到低于所述材料固化时的温度的预热温度的步骤；以及 借助于电磁辐射或粒子辐射(7)固化所涂敷的层的步骤，其中，固化辐射入射区域依次 掠过所述层的所有对应于物体的横截面的部位，使得所述粉末在这些部位通过由辐射引入 的热能来固化， 其特征在于， 在固化步骤中，在预定的时间段期间，在固化辐射入射区域中每单位面积引入的热量 随着时间减小且可通过随着时间单调递减的函数来描述，所述预定的时间段的起始与所述 固化步骤的开始重合。2. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述固化借助于至少一个光子束或粒子束实现， 所述光子束或粒子束被依次地定向到所述层的待固化的部位。3. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述固化借助于电磁辐射实现，并且所述固化辐 射入射区域是面状的。4. 根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，依据经验以如下方式确定所述单调 递减的函数，即，对构造材料层的温度变化在加热到低于固化时的温度的温度时在预试验 中进行确定，在所述预试验中 -制造多个待制造的物体(3)或多个试样体， -在从一个层的固化步骤开始起的不同时间点上，固化所述待制造的物体(3)或试样体 的横截面，以及 -在构造过程结束之后，确定所述待制造的物体(3)的或试样体的性能，以及 -基于所述待制造的物体(3)的或试样体的所确定的性能，确定上述函数以及所述预定 的时间段的长度，根据所述函数在预定的时间段期间减小每单位面积引入的热量。5. 根据权利要求4所述的方法，其中，在所述待制造的物体(3)或试样体处所确定的性 能是机械性能、尺寸或用于描述表面质量的参数。6. 根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，每单位面积引入的热量通过减小在 掠过粉末的固化辐射入射区域中的功率密度来减小。7. 根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，每单位面积引入的热量通过增大固 化辐射入射区域掠过粉末层的速度来减小。8. -种用于根据权利要求1至7中任一项所述的方法来逐层地构造三维物体的设备，其 中，所述设备包括： 用于支撑要形成的物体(3)的构造支架(2); 涂抹装置（11、12)，其用于将粉末状的构造材料的层施加到支撑体的表面或已经至少 部分固化的层上， 加热装置(9)，其能够提供热能以便面状地预加热粉末状的构造材料层， 照射装置(6、8)，所述照射装置发射电磁辐射或粒子辐射(7)，并且能够以固化辐射入 射区域依次掠过所述层的所有对应于物体的横截面的部位，使得所述粉末在这些部位处通 过由所述辐射引入的热能来固化，以及 控制装置（10)，所述控制装置控制所述设备，使得在所述构造支架(2)下降了对应于层 厚度的量之后，所述涂抹装置将粉末状的构造材料层涂敷到所述构造支架(2)或已经之前 在选定部位上固化的层上，且接着所述照射装置(6、8)将在对应于所述物体横截面的区域 中的粉末状的构造材料固化，其方式为:所述固化辐射入射区域依次掠过所述层的所有对 应于物体横截面的部位，使得所述粉末在这些部位处通过由所述辐射引入的热能来固化， 其中，所述控制装置（10)控制所述照射装置(6、8)，使得在从在粉末层中的粉末通过所 述照射装置(6、8)的固化开始起的预定的时间段期间，在固化辐射入射区域中由所述照射 装置(6、8)每单位面积引入到粉末状的构造材料中的热量根据随时间单调递减的函数而减 小。9.根据权利要求8所述的设备，所述设备具有温度测量装置（14)，所述温度测量装置适 于非接触地测量粉末层的部分区域的温度。
【文档编号】B29C67/00GK105829073SQ201480065654
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2014年12月1日
【发明人】S·帕特尔诺斯特
【申请人】Eos有限公司电镀光纤系统