专利名称：通过激光烧结中的射线形成改善的器件特性的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于逐层地制造三维对象的设备、用于逐层地制造的方法以及相应的成型体。
背景技术：
顺畅地提供原型是最近经常提出的任务。能够实现这一点的方法称为快速原型建造(Rapid Prototyping) /快速制造或者还称为添加式制造方法。特别合适的是基于粉末状原料工作以及其中逐层地通过选择性的熔化和固化制造期望结构的方法。在此可以放弃在悬垂和咬边时的支承构造，因为包围熔化的区域的粉末床提供足够的支承作用。同样取消去掉支承的追加工作。这些方法还适于制造小批量。结构空间温度被选择为，使得在构建过程期间不导致逐层制造的结构的变形。一种特别良好地适用于快速原型建造/快速制造目的的方法是选择性激光烧结 (SLS)0用于表示由粉末状聚合物制成的成型体的激光烧结方法(快速原型建造)在专利文献US6136948和W096/06881 (两个都是DTM公司的)中详细描述。针对该应用对多种聚合物和共聚物要求保护，例如多醋酸盐(Polyacetat )、聚酯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、离聚物和聚酰胺。在上述方法中的问题是，聚合材料通过激光焦点中的局部温度峰值受到损坏。局部温度峰值可能导致聚合物的分子链的断裂。此外在该处理时偶尔通过激光焦点中的温度峰值释放聚合原料的成分。所释放的物质干扰该过程，因为这些物质在如透镜或高温计的重要器件处沉积并且影响其功能。简单地减小激光能量不引向目标，因为用以使粉末状材料足够快速地熔化的能量于是不足够地被引入。过程将会由于该措施明显变慢。
发明内容
因此本发明的任务是激光烧结过程的改善。令人吃惊地发现，该问题可以用激光焦点中的合适的功率密度分布或能量密度分布来解决。本发明的第一主题是一种用于逐层地制造三维对象的设备，至少包括激光器，其中该设备包含射线形成系统。优选地，通过该射线形成系统将焦点中功率密度的最大值调节到比焦点中功率密度的平均值高不到50% (weniger als***iiber...),优选不到20%和特别优选地不到10%。令人吃惊地已经表明，如果功率密度分布被构成为，使得激光焦点中的功率密度的最大值超过整个焦点上的功率密度的值至多(nicht mehr als) 50%，则由此可以避免分子量分解。对于激光射线来说常见的几乎高斯形的功率密度分布(电磁场的振幅随着至传播轴的距离而以指数下降)正好不满足该要求，更确切地说分子量分解被观察。尤其是本发明的设备具有以下优点，即仅通过射线形成系统的存在就可以实现本发明的优点，而无需对涂层设备进行更大的改造。
原则上，技术人员已知的每一个射线形成系统在根据本发明的设备中适用，优选地是折射光束整形器和/或均化器。根据本发明的设备的实施方式从图I中可看出。从而用于逐层地制造对象的设备具有结构容器(9)。在该容器中设置具有基本上平坦的并且与结构容器的上边缘基本上平行取向的上侧的载体(7)。载体(7)被构成用于承载待形成的对象(6)。载体(7)可以通过(未示出的)高度调节装置在垂直方向上移动。其中施加和固化粉末材料的平面形成工作平面(5)。在借助扫描系统(4)将激光射线(2)偏转到粉末表面(5)上之前，借助合适的设备(3 )从激光器(I)对激光射线(2 )进行变换。结构容器可以退火和/或用惰性气体(例如用氩)惰性化。本发明的另一个主题是用于由聚合物粉末逐层地制造三维对象的方法，其中通过激光器对聚合物粉末进行选择性熔化或烧结，所述激光器的焦点中功率密度的最大值比焦点中功率密度的平均值高不到50%。优选地，焦点中功率密度的最大值比焦点中功率密度的平均值高不到20%，特别优选地不到10%。 在本发明的方法中，焦点中的功率密度分布尤其是借助射线变换调节，优选在如上所述的设备中，特别优选的是借助折射光束整形器和/或均化器来进行射线变换。原则上，技术人员已知的所有聚合物粉末都适合于在本发明的设备或本发明的方法中使用。尤其合适的是热塑性塑料和热弹性物，例如聚乙烯(PE，HDPE，LDPE)、聚丙烯(PP)、聚酰胺、聚酯、聚酯酯、聚醚酯、聚苯醚、聚缩醛、聚对苯二甲酸亚烷基酯、尤其是聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯醇缩醛、聚氯乙烯(PVC)、聚苯氧化物(ΡΡ0)、聚甲醛(Ρ0Μ)、聚苯乙烯(PS)、丙稀腈一丁二烯一苯乙烯(ABS)、聚碳酸酯(PC)、聚醚砜、热塑性聚氨酯(TPU)、聚芳醚酮、尤其是聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚醚酮(PEK)、聚醚醚酮酮(PEEKK)、聚芳醚醚醚酮(PEEEK)或聚醚酮醚酮酮(PEKEKK)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚芳硫醚、尤其是聚苯硫醚(PPS)、热塑性聚酰亚胺(PI)、聚酰胺酰亚胺(PAI)、聚偏氟乙烯以及这些热塑性塑料的共聚物，例如聚芳醚酮(PAEK) /聚芳醚砜(PAES)共聚物、混合物和/或聚合物混合物。特别优选地，聚合物粉末包括至少一种聚酰胺，尤其是聚酰胺12。在运行中，首先一般在计算机中基于构造程序等产生或存储关于待制造对象(6)的形状的数据。为了制造该对象如此对这些数据进行处理，使得该对象被分解为多个水平的、与对象维度相比薄的层，并且形状数据例如以数据组的形式一例如CAD数据一为所述多个层中的每一个提供。在此，可以在制造每个层之前或者与制造每个层同时地为每个层产生和处理数据。接着首先借助高度调节装置将结构平台(7)移动到最高位置，结构平台(7)的表面在该最高位置中位于具有结构空间的表面的平面中，并且接着降低第一材料层的所设置的厚度的数值，从而在所形成的片段内形成降低的区域，该区域在侧面由该片段的壁以及在下方由结构平台(7)的表面限制。由此例如借助施加装置(8)将待固化材料的具有所设置的层厚度的第一层施加到由所述片段和结构平台(7)形成的空腔或降低的区域中，并且必要时由加热装置加热到合适的工作温度，例如100°C至360°C，优选120°C至200°C，特别优选地140°C至160°C。接着，控制单元(4)这样控制偏转装置，使得被偏转的光射线(2)相继射在该层的所有位置处并在那里对材料进行烧结或熔化。通过这种方式可以首先形成固定的底层。在第二步骤中借助高度调节装置将结构平台(7)降低一个层厚度的数值，并且借助施加装置(8)将第二材料层引入到所述片段内的由此形成的降低的区域中，必要时又由加热装置加热。在一种实施方式中，偏转装置这次可以由控制单元(4)这样控制，使得被偏转的光射线(2)仅射在材料层的与所述片段的内面邻接的区域上并在那里通过烧结对材料层进行固化，由此形成具有大约2至IOmm的壁厚的第一环形壁层，该第一环形壁层完全包围该层的剩余的粉末状材料。由此控制装置的该部分是用于产生包围待形成对象(6)的容器壁同时在每一层中形成对象的装置。在按照与上面相同的方式将结构平台(7)降低下一层的层厚度的数值、施加材料并且加热之后，现在可以开始对象(6)本身的制造。为此，控制单元(4)这样控制偏转装置，使得被偏转的光射线(2)射在该层的应当相应于待制造对象(6)的存储在控制单元中的坐标而被固化的这样的位置。对于其它层类似地进行。在以容器壁的形式期望地制造环形壁区域的情况下，其中所述容器壁包围所述对象连同剩余的、未被烧结的材料并且从而在将结构平台(7)降低到工作台下方时防止材料的溢出，对于每个对象层借助所述装置将环形 壁层烧结到位于下方的环形壁层上。如果使用相应于EP1037739的更换容器或者固定安装的容器，则可以放弃产生所述壁。在冷却之后可以从所述设备中提取出所形成的对象。利用本发明的设备，可以通过简单的方式制造任意的成型体。由此利用本发明的设备或利用本发明的方法由聚合物粉末制造的成型体同样是本发明的主题。特别优选地，根据本发明所制造的成型体具有根据IS0307 (Schott AVS Pro，溶剂间甲酚酸(m-Kresolsauer)，容积测定方法，双重确定，溶解温度100°C，溶解时间2h，聚合物浓度5g/l，测量温度25°C)的溶液粘度，该溶液粘度比所采用的聚合物粉末的溶液粘度小至多10% (nichtmehr als..·kleiner..·)。即使没有其它实施方式也假定，技术人员可以在最宽的范围中使用上面的描述。因此这些优选的实施方式和示例应只被理解为描述性的、而绝不能理解为以任何方式限制的公开。
下面借助示例详细阐述本发明。本发明的替换实施方式能以类似的方式获得。
具体实施例方式示例
在本发明的范围中使用表格I中所述的测量方法，其中只要技术上可行这些测量方法就既被用于确定所采用的材料的特性又被用于获得的产品
权利要求
1.用于逐层地制造三维对象的设备，至少包括激光器，其特征在于，该设备包含射线形成系统。
2.根据权利要求I的设备，其特征在于，所述射线形成系统将焦点中的功率密度的最大值调节到比焦点中功率密度的平均值高不到50%。
3.根据权利要求I或2的设备，其特征在于，所述射线形成系统是折射光束整形器和/或均化器。
4.用于由聚合物粉末逐层地制造三维对象的方法，其中通过激光器对聚合物粉末进行选择性熔化或烧结，该激光器的焦点中功率密度的最大值比焦点中功率密度的平均值高不到 50%ο
5.根据权利要求4的方法，其特征在于，焦点中功率密度的最大值比焦点中功率密度的平均值高不到20%。
6.根据权利要求4的方法，其特征在于，焦点中功率密度的最大值比焦点中功率密度的平均值高不到10%。
7.根据权利要求4至6中一个或多个的方法,其特征在于，焦点中的功率密度分布借助射线变换来调节。
8.根据权利要求7的方法，其特征在于，借助折射光束整形器和/或均化器来进行射线变换。
9.利用根据权利要求I至3之一的设备或利用根据权利要求4至8的方法由聚合物粉末制造的成型体。
10.根据权利要求9的成型体，其特征在于，所述成型体具有根据IS0307的溶液粘度，该溶液粘度比所采用的聚合物粉末的溶液粘度小至多10%。
全文摘要
本发明涉及用于逐层地制造三维对象的设备，用于逐层地制造的方法以及相应的成型体。
文档编号H01S5/02GK102886900SQ20121025252
公开日2013年1月23日 申请日期2012年7月20日 优先权日2011年7月21日
发明者M.格雷贝, S.蒙沙伊默, W.迪克曼, J.克吕茨 申请人:赢创德固赛有限公司