用于借助冷卻元件逐層地制造變形小的三維物體的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于同時逐層地制造三維物體和冷卻元件的裝置，逐層制造方法以及對應的成型體。
【專利說明】用于借助冷卻元件逐層地制造變形小的三維物體的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于逐層地制造三維物體的裝置，逐層制造的方法以及對應的成型體。
【背景技術】
[0002]順暢地提供原型是最近經(jīng)常提出的任務。能夠實現(xiàn)這一點的方法稱為快速原型制作(Rapid Prototyping)、快速制造或者也稱為加成法制造(Additive Fabrication)方法。在粉末狀原料基礎上工作的方法特別適合，在這些方法中通過選擇性熔化和硬化逐層地制造所希望的結構。在此，可放棄在懸垂部分和咬邊情況下的支承構造，因為包圍熔化的區(qū)域的構造區(qū)平面(Baufeldebene)提供足夠的支承作用。同樣取消移除支架的追加工作。這些方法也適用于小批量制造。選擇構造空間溫度，使得在構造過程期間不會造成逐層制造的結構發(fā)生變形。
[0003]選擇性激光燒結(SLS)是一種特別好地適用于快速原型制作的方法。在該方法中，在室內(nèi)借助激光束選擇性地短暫曝光塑料粉末，由此被激光束擊中的粉末顆粒熔化。熔化的顆粒進入彼此并再次快速地凝固成固體塊。通過對總是新施加的層的重復曝光，利用該方法可以簡單和快速地制造三維體。
[0004]在專利文獻US6, 136，948和TO96 / 06881 (兩者均是DTM公司的)中對用于表示由粉末狀聚合物構成的成型體的激光燒結方法(快速原型制作法)進行了詳細說明。大量聚合物和共聚物可以為該應用所用，例如聚醋酸鹽、聚丙烯、聚乙烯、離聚物和聚酰胺。
[0005]其它良好適用的方法是，如在WOOl / 38061中所述的SIV方法(選擇性結合抑制)，或如在EP1015214中所述的一種方法。這兩種方法都是利用平面紅外加熱以使粉末熔化。在第一種方法中通過涂覆抑制劑來實現(xiàn)熔化的選擇性，在第二種方法中通過掩模來實現(xiàn)熔化的選擇性。在US2004 / 232583A1中描述了另一方法。在該方法中，通過微波發(fā)生器導入熔融所需的能量，其中通過涂覆感受劑來實現(xiàn)選擇性。文獻W02005 / 105412描述了一種方法，在該方法中通過電磁輻射導入熔融所需的能量，其中同樣也是通過涂覆吸收劑來實現(xiàn)選擇性。
[0006]由現(xiàn)有技術已知的方法的問題在于，位于粉末塊內(nèi)部的部分被不均勻地冷卻。自然地，粉末塊的中心部位明顯比外部區(qū)域(邊緣)冷卻得慢。還由于由聚合物粉末構成的當前散料的導熱性差，這種效果得以強化。粉末塊內(nèi)部的大的溫差導致部件變形。此外，由于粉末塊的中心部位緩慢冷卻，位于粉末塊的中心部位的粉末承受很強的熱負荷。為了使逐層制造的部件的變形最小化，按照迄今為止的現(xiàn)有技術盡可能緩慢地使粉末塊冷卻。這可通過在構造容器周圍安裝的絕緣體或附加的加熱器實現(xiàn)。按照現(xiàn)有技術的另一實施方式，在經(jīng)過對應溫度處理的室內(nèi)冷卻構造容器。由此減小部件的變形，但是，冷卻時間同樣明顯提聞并且由此聚合物粉末的熱負荷也明顯提聞。
[0007]在DE102007009273中對如何能夠冷卻粉末塊進行了描述。該冷卻通過使一種流體至少部分地流過層塊來進行。在這種情況下，無論是核心區(qū)還是邊緣區(qū)都被冷卻。通過同時地，無差異地流過核心區(qū)和邊緣區(qū)，首先是邊緣區(qū)被冷卻，致使在將要制備的物體內(nèi)可能發(fā)生變形。這種處理方式需要耗費的控制電子裝置。此外，粉末塊和已制備的物體可能會受到污染。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]因此，本發(fā)明的任務是，通過均勻地和/或定義地冷卻粉末塊使部件的變形最小化。無論是在粉末塊的外部區(qū)域還是中心部分中都應當均勻地進行冷卻。其中，附加地應當降低聚合物粉末的冷卻時間和熱負荷。這應當盡可能地在不通過流體污染粉末塊和不使用耗費的控制技術和調(diào)節(jié)技術的條件下實現(xiàn)。
[0009]所述任務通過按照本發(fā)明的裝置解決。本發(fā)明的第一主題是用于逐層地制造三維物體的裝置，包括具有高度可調(diào)節(jié)的構造平臺的構造空間，用于將可通過電磁輻射作用而硬化的材料的層施加到構造平臺上的裝置，包括發(fā)射電磁射線的輻射源、控制單元和位于電磁輻射光路內(nèi)的透鏡的照射裝置，用于照射該層的與至少一個物體對應的部位。在所述裝置內(nèi)，可與待制備的物體同時制造至少一個冷卻元件。優(yōu)選該冷卻元件包含冷卻劑。在優(yōu)選的實施方式中，冷卻元件集成在粉末塊內(nèi)。
[0010]冷卻元件和物體是兩個彼此分開的或可分開的物體。
[0011 ] 通過本發(fā)明的裝置可以弓I起物體被定義地冷卻。
[0012]驚訝地表明，通過按照本發(fā)明的裝置，在不通過流體污染粉末塊或無需耗費的控制技術和調(diào)節(jié)技術的條件下可以實現(xiàn)，在制備物體和冷卻元件后均勻地冷卻粉末塊的核心區(qū)和邊緣區(qū)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1示出按照本發(fā)明的用于制造三維物體的裝置I的原理性構造。
【具體實施方式】
[0014]該部件例如定位在構造區(qū)的中心。從激光器11射出的激光束12借助掃描系統(tǒng)13通過透鏡18被偏轉到待成型物體15的加熱的并且惰性化的、優(yōu)選利用氮氣惰性化的粉末表面14。在比透鏡的任務是，使其余的光學組件——例如掃描儀的反射鏡——與構造空間氣氛隔開。為了保證盡可能均勻地聚焦在整個工作區(qū)上，透鏡常常被實施為F-Theta透鏡系統(tǒng)。用于將待硬化的材料施加到構造平臺16上的施加裝置17位于構造空間內(nèi)部。冷卻元件21集成在粉末塊中并且用于定義地冷卻粉末塊。冷卻元件21優(yōu)選由空心體組成，優(yōu)選所述空心體的壁厚與橫截面之比小于0.3。優(yōu)選，至少一個冷卻元件21定位在距離物體155?100毫米，優(yōu)選10?50毫米的地方。冷卻元件21借助逐層方法構造并且由熔化的或燒結的聚合物粉末構成。通過冷卻體的幾何形狀可以調(diào)節(jié)在粉末塊的對應部位處的冷卻功率。
[0015]冷卻體可以具有極為不同的幾何形狀。例如，冷卻體是柱體形，圓環(huán)體(torus)形，角錐形，圓柱體形，椎體形，球形，長方六面體形或立方體形或是有結的物體。在一個實施方式中，柱體向一個端部或兩個端部漏斗形地擴展。由此應當實現(xiàn)，在(接近)垂直的位置處穩(wěn)固性得以提高或更好地注入冷卻劑。優(yōu)選，冷卻體向下封閉，以便所述冷卻體能夠例如容納液態(tài)的冷卻劑。冷卻體可以是部分地或完全封閉或具有至少一個進料口用于注入冷卻液。優(yōu)選，冷卻體擁有至少一個進料口和至少一個出料口，以使冷卻劑能夠循環(huán)流動?？梢栽谶M料口和出料口處設置用于輸送冷卻劑的軟管。
[0016]用于逐層地制造三維物體的方法同樣是本發(fā)明的主題，其中，所述方法包括下述步驟:
[0017]首先，通過使聚合物粉末硬化同時制造至少一個物體15和至少一個冷卻體21。然后，在該構造過程期間或構造過程結束之后向冷卻體填充冷卻劑，其中，冷卻體使粉末塊的周邊區(qū)域冷卻。在一個優(yōu)選的實施方式中，在向冷卻體填充冷卻劑之前，粉末例如通過抽吸從冷卻體的內(nèi)部區(qū)域被除去。通過把冷卻劑注入冷卻體內(nèi)，粉末塊的位于冷卻體外部的粉末不會受到冷卻劑污染。冷卻劑可以一次性注入冷卻體內(nèi)并保留在那里或持續(xù)地或定期更換。作為替換，存在循環(huán)使用冷卻劑并在外部(在冷卻體外部)冷卻該冷卻劑的可能性。這些可能性也可以相互組合。
[0018]一個或多個冷卻體可以被設計、定位和定向為，使得由此導致的冷卻功率在冷卻過程期間在粉末塊內(nèi)實現(xiàn)期望的溫度分布。一個或多個冷卻體可以被設計為，使得為了優(yōu)化冷卻功率存在一個或多個進料口和/或出料口。冷卻劑可以由氣態(tài)的、液態(tài)的或固態(tài)的材料組成或由所述材料的混合物組成，其中，優(yōu)選不易起反應的，尤其是惰性的材料。優(yōu)選氣態(tài)和/或液態(tài)的冷卻劑。例如，空氣，氮氣，氬氣，水或水混合物，高沸點的有機溶劑，油或金屬——如銅或鋼適用。水混合物可以含有表面活性劑。適用的油是硅油。高沸點的有機溶劑具有超過100°c的沸點。優(yōu)選，沸點高于150°c，特別優(yōu)選高于200°C和尤其優(yōu)選高于250°C。例如,Sasol Germany責任有限公司生產(chǎn)的商品名為Marlotherm SH的二(苯基甲基)甲苯(Dibenzyltoluol)適用。
[0019]冷卻劑的溫度和材料特性被如下選擇為，使得在冷卻過程期間在粉末塊內(nèi)實現(xiàn)期望的溫度分布。在此，冷卻劑能夠借助熱傳導，對流，熱輻射或汽化冷卻導出熱量。
[0020]在裝置I的內(nèi)部和外部執(zhí)行冷卻過程。也可以在經(jīng)過溫度調(diào)節(jié)的外部室內(nèi)執(zhí)行冷卻過程。
[0021 ] 下面將對逐層地制造三維物體進行描述，但是本發(fā)明并不局限于此。
[0022]原則上，專業(yè)人士所熟知的全部聚合物粉末都適于在按照本發(fā)明的裝置I或按照本發(fā)明的方法中使用。尤其是熱塑性塑料和熱彈性體適用，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，聚縮醛，聚亞烷基對苯二酸酯
(polyalkyIenterephthalate)-尤其是聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚對苯二甲酸
丁二醇酯(PBT),聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),聚乙酸乙烯酯(polyvinylacetal),聚氯乙烯(PVC)，聚對苯氧化物(PPO)，聚甲醛(POM)，聚苯乙烯(PS)，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)，聚碳酸酯(PC)，聚醚砜，熱塑性聚氨酯(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)，聚醚醚醚酮(PEEEK)或聚醚酮醚酮酮(PEKEKK)，聚醋亞胺(PEI)，聚芳硫醚——尤其是聚苯硫醚(PPS)，熱塑性聚酰亞胺(PI)，聚酰胺酰亞胺(PAI)，聚氟乙烯，以及所述熱塑性塑料的共聚物，例如聚芳基醚酮(PAEK) /聚芳醚砜(PAES)-共聚物，混合物和/或共混聚合物。尤其優(yōu)選，聚合物粉末包含至少一種聚酰胺或聚醚酮，尤其是聚酰胺12，聚酰胺6，聚酰胺6.6或PEEK，其中上述聚酰胺特別優(yōu)選。
[0023]在運行時，通常首先基于構造程序或類似的數(shù)據(jù)在計算機中建立或存儲將要制造的物體15的模型。為了制造物體15對這些數(shù)據(jù)進行處理，使得把物體15分解為大量水平的、與物體維度相比很薄的層，并且為其中的每一個層提供模型數(shù)據(jù)例如作為數(shù)據(jù)組，例如作為CAD-數(shù)據(jù)。在此，可以在制造每個層之前或在制造每個層的同時為每個層建立和處理數(shù)據(jù)。
[0024]隨后，首先借助高度調(diào)節(jié)裝置將構造平臺16移動到最高位置，構造平臺16的表面在該位置時與構造空間的表面處于一個平面中，并且隨后將構造平臺16下降第一材料層的規(guī)定厚度，從而在產(chǎn)生的凹口內(nèi)部形成下降區(qū)域，該下降區(qū)域在側面被凹口的壁部限制并且在下部由構造平臺16的表面限制。從而借助例如轉動的柱體形式的施加裝置17把待硬化材料的第一層以規(guī)定的層厚(單倍層厚(einfache Schichtdicke))注入由凹口和構造平臺16形成的空腔或下降區(qū)域內(nèi)并且在必要時通過加熱裝置加熱到合適的工作溫度，例如100°C?360°C，優(yōu)選120°C?200°C。對于專業(yè)人士來說，這種加熱很普遍。然后，控制單元13控制偏轉裝置，使得偏轉的光束12并排擊中層的所有部位并且在那里燒結材料或使材料熔化。通過這種方式可以首先形成牢固的底層。在第二步驟中，構造平臺16借助高度調(diào)節(jié)裝置下降通常單倍層厚的值。借助施加裝置17把第二材料層注入在凹口內(nèi)部由此產(chǎn)生的下降區(qū)域內(nèi)并且在必要時也通過加熱裝置加熱。
[0025]在一個實施方式中，控制單元13這次能夠以下述的方式控制偏轉裝置，即偏轉的光束12僅擊中材料層的與凹口的內(nèi)表面鄰接的區(qū)域并且材料層在那里通過燒結硬化，由此產(chǎn)生壁厚為大約2毫米?10毫米的第一環(huán)形壁層，該第一環(huán)形壁層完全包圍該層的剩余的粉末狀材料。因此，所述控制的該部分表示用于在每個層內(nèi)與形成物體15同時生成包圍待形成物體15的容器壁的裝置。
[0026]當構造平臺16下降下一個層的(例如單倍)層厚的值，以與上述一樣的方式施加材料并加熱之后，現(xiàn)在可以開始制造物體15和冷卻元件21本身。為此，控制單元13以下述的方式控制偏轉裝置，即偏轉的光束12擊中層的應按照待制造的物體15和冷卻元件21的保存在控制單元內(nèi)的坐標硬化的部位。對其它的層以類似的方式處理。如果期望制造容器壁形式的環(huán)形壁區(qū)域，該環(huán)形壁區(qū)域把物體15以及剩余的、沒有燒結的材料一起包圍并且由此當構造平臺16下降到工作臺下方時阻止材料的泄漏，則對于每一物體層借助所述裝置在位于下面的環(huán)形壁層上燒結環(huán)形壁層。如果使用按照EP1037739的可更換容器或固定安裝的容器，則可以放棄制備所述壁。
[0027]冷卻之后，可以從裝置I中取出形成的物體15?？梢允褂煤线m的接觸式或非接觸式測量的溫度計來測量所形成的物體內(nèi)部的或其表面的溫度。
[0028]通過按照本發(fā)明的方法制造的物體15同樣是本發(fā)明的主題。
[0029]即使沒有其它實施方式也認為，專業(yè)人士可以在最大的范圍內(nèi)使用上述描述。因此，優(yōu)選的實施方式和示例只能理解為描述性的公開，絕不能理解為以任何方式限制性的公開。
[0030]下面借助示例對本發(fā)明進行更詳細的說明?？梢砸灶愃频姆绞将@得本發(fā)明的可替換的實施方式。
[0031]示例:
[0032]如果沒有另行說明，按照以下描述處理這些示例。試驗是在德國EOS責任有限公司的裝置EOSINT P380上執(zhí)行的。層厚為0.15毫米。構造平臺下降3毫米并且涂覆3毫米的粉末。構造室在120分鐘內(nèi)被加熱到過程溫度。構造室內(nèi)的溫度分配不總是均勻的，因此，通過所安裝的該裝置的高溫計測量的溫度被定義為構造室溫度/過程溫度。過程溫度為175°C并且提取室溫度為130°C。在首次曝光之前涂覆80層粉末。從激光器11射出的激光束12借助掃描系統(tǒng)13通過透鏡18被偏轉到經(jīng)過溫度處理的并且惰性化(N2)的構造區(qū)平面14。為了保證盡可能均勻地聚焦在整個構造區(qū)平面上，該透鏡被實施為F-Theta透鏡系統(tǒng)。
[0033]總共構造12個物體，其中4個物體為一組分別被定位在一個高度上。一個組的各個物體之間的距離為100毫米。同一組的全部物體與構造區(qū)的中心保持相同的距離。組與組之間的高度距離分別為50毫米。成型體是邊長分別為50毫米的立方體。結束曝光之后，在關閉構造空間和提取室內(nèi)的加熱元件并且引入冷卻階段之前，還要涂覆100個其它層。在整個構造過程期間，每個層所需的時間低于55秒。
[0034]在冷卻階段，在構造區(qū)的中心和角落(與毗連的構造區(qū)邊緣的距離為30毫米)插入德國Newport Electronic責任有限公司的PT100-溫度傳感器,用于測量那里的溫度,其中是從上面插入粉末塊內(nèi)140毫米深的。
[0035]示例I (不是按照本發(fā)明):
[0036]處理一種具有表I中的粉末特征值的PA12-粉末。曝光參數(shù)為:激光功率19.0ff,掃描速度1100毫米/秒，曝光線距離0.3毫米。在機器內(nèi)對粉末塊進行冷卻。在表2中列出的是構造過程結束后的溫度曲線。
[0037]示例2 (按照本發(fā)明)
[0038]處理一種具有表I中的粉末特征值的PA12-粉末。曝光參數(shù)為:激光功率19.0ff,掃描速度1100毫米/秒，曝光線距離0.3毫米。除了 12個物體之外還一同構造冷卻元件。該冷卻元件是外徑為14毫米、壁厚為I毫米和高度為150毫米的空心柱體。該柱體稍微定位在構造區(qū)的中心之外(空心柱體的中心軸線與構造區(qū)的中心點的距離為30毫米)。構造過程結束后把粉末從柱體的內(nèi)部除去。用7L / min(升/分鐘)體積流量的經(jīng)過加熱處理的空氣(23°C )沖洗冷卻柱體。在機器內(nèi)對粉末塊進行冷卻。在表2中列出的是構造過程結束后的溫度曲線。
[0039]示例3 (按照本發(fā)明)
[0040]處理一種具有表I中的粉末特征值的PA12 —粉末。曝光參數(shù)為:激光功率19.0ff,掃描速度1100毫米/秒，距離曝光線0.3毫米。除了 12個物體之外還一同構造冷卻元件。冷卻元件是外徑為16毫米、壁厚為I毫米和高度為150毫米的空心柱體，其中，空心柱體的下端部是封閉的?？招闹w的上端部被實施為漏斗形(漏斗直徑25毫米，漏斗高度30毫米)。該冷卻元件稍微定位在構造區(qū)的中心之外(空心柱體的中心軸線與構造區(qū)的中心點的距離為20毫米)。構造過程結束后把粉末從柱體的內(nèi)部除去。完全用MarlothermSH(23°C)填充該柱體。在機器內(nèi)對粉末塊進行冷卻。在表2中列出的是構造過程結束后的溫度曲線。
[0041]在不是按照本發(fā)明的示例I中可以看出，粉末塊的中心冷卻得明顯比邊緣更慢。在按照本發(fā)明的示例中，邊緣處的溫度與中心的溫度之間的差異明顯更小，從而粉末塊更均勻地冷卻。由此待制造的三維物體的變形得以降低并且總體上也能夠提早拆卸三維物體。[0042]
【權利要求】
1.用于逐層地制造三維物體的裝置(I)，包括具有高度可調(diào)節(jié)的構造平臺(16)的構造空間(20)，用于將可通過電磁輻射的作用而硬化的材料的層施加到構造平臺(16)上的施加裝置(17)，包括發(fā)射電磁射線的輻射源(11)、控制單元(13)和位于電磁輻射的光路內(nèi)的透鏡(18)以用于照射所述層的與至少一個物體(15)對應的部位的照射裝置，其特征在于，能夠與物體(15)同時制造至少一個冷卻元件(21)。
2.根據(jù)權利要求1所述的裝置(I)，其特征在于，所述至少一個冷卻元件(21)集成在粉末塊(23)內(nèi)。
3.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的裝置(I)，其特征在于，所述至少一個冷卻元件(21)是空心體。
4.根據(jù)權利要求1?2中任一項所述的裝置(I)，其特征在于，所述至少一個冷卻元件(21)包含冷卻劑。
5.根據(jù)權利要求4所述的裝置(I)，其特征在于，所述冷卻劑是氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)。
6.根據(jù)權利要求4所述的裝置(I)，其特征在于，所述冷卻元件(21)距離所述物體(15)5?100毫米。
7.根據(jù)權利要求1?2中任一項所述的裝置(I)，其特征在于，所述冷卻元件是封閉的。
8.根據(jù)權利要求1?2中任一項所述的裝置(I)，其特征在于，所述冷卻元件具有用于注入冷卻液的進料口。
9.根據(jù)權利要求1?2中任一項所述的裝置(I)，其特征在于，所述冷卻體是柱體形，圓環(huán)體形，角錐形，圓柱體形，椎體形，球形，長方六面體形或立方體形或是有結的物體。
10.用于在根據(jù)前述權利要求中任一項所述的裝置(I)內(nèi)逐層地制造三維物體的方法，其特征在于，同時制造至少一個物體(15)和至少一個冷卻體(21)。
11.根據(jù)權利要求10所述的方法，其特征在于，在制造至少一個冷卻體(21)結束之后，把沒有硬化的材料從冷卻體(21)內(nèi)除去。
12.根據(jù)權利要求10或11所述的方法，其特征在于，在制造至少一個冷卻體(21)結束之后，向至少一個冷卻體(21)中填充冷卻劑。
13.按照權利要求10?12中任一項所述的方法制造的物體(15)。
【文檔編號】B29C67/00GK103660298SQ201310563683
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年9月16日 優(yōu)先權日:2012年9月17日
【發(fā)明者】M·格雷貝, W·迪克曼, S·黑澤爾-格爾德曼, J·克呂茨 申請人:贏創(chuàng)工業(yè)集團股份有限公司