BRPI0702860B1 - Câmara de proceso e método para um processamento de um material por meio de um feixe orientado de radiação eletromagnética, e, dispositivo de sinterização a laser - Google Patents

Description

“CÂMARA DE PROCESSO E MÉTODO PARA UM PROCESSAMENTO DE UM MATERIAL POR MEIO DE UM FEIXE ORIENTADO DE RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA, E, DISPOSITIVO DE SINTERIZAÇÃO A LASER” A invenção refere-se a uma câmara de processo e um método para processamento de um material por meio de um feixe orientado de radiação eletromagnética, em particular para um dispositivo de sinterização a laser.

Um dispositivo de sinterização a laser compreende, de uma maneira conhecida, um laser e uma câmara de processo, em que o objeto a ser fabricado é construído, bem como uma janela de acoplamento para acoplar o feixe de laser no interior da câmara de processo.

Quando o laser localmente se incide contra o material em pó e quando o material em pó é aquecido, uma evaporação de pequenas quantidades de material pode ocorrer. No processo, o material evaporado ou constituintes do mesmo ou também produtos de reação químicos bem como partículas de pó suspensas na atmosfera da câmara de processo se depositam na janela de acoplamento. Isto conduz a uma redução da transparência da janela de acoplamento e, por conseguinte, a uma diminuição da intensidade do feixe de laser. À partir do WO 97/06918, um dispositivo de sinterização a laser é conhecido, em que um bocal para introduzir um gás para soprar a janela de acoplamento é provido, que está anularmente circundando a janela de acoplamento no lado da janela de acoplamento voltada para a câmara de processo. O fluxo de gás é tangencialmente à superfície da janela de acoplamento.

Todavia, no dispositivo conhecido, a superfície da janela de acoplamento não permanece limpa em todos locais. Também, gradientes de temperatura entre a janela de acoplamento e o gás sendo soprado, por um lado, e o gás no interior da câmara de processo, por outro lado, podem conduzir a deflexões de feixe de interferência. O gás sendo soprado pode ser suprido a partir de um único lado a fim de abrandar o segundo problema. Todavia, isto conduz a uma deposição mais rápida de sujeira sobre a superfície de topo da janela de acoplamento. A partir da DE 198 53 947 Cl, uma câmara de processo para seletiva fusão a laser é conhecida, em que um gás protetor é introduzido na câmara de processo via uma primeira entrada, de modo que ele flui através da superfície de trabalho. Também, segundas entradas para um segundo gás mais leve, que é anularmente suprido, são providas em uma região elevada da câmara de processo, onde a janela de acoplamento é posicionada. Por meio disto, no interior da região elevada, uma espécie de volume de armazenagem do segundo gás mais leve é formada, por meio da qual vapores que são produzidos na zona de trabalho são mantidos afastados a partir da janela de acoplamento. Todavia, o problema de uma deflexão de feixe de interferência em virtude de um gradiente de temperatura não é solucionado por meio disto. É um objetivo da invenção prover uma câmara de processo e um método para processamento de um material por meio de um feixe orientado de radiação eletromagnética, em particular para um dispositivo de sinterização a laser, em que a janela de acoplamento é efetivamente protegida contra contaminações e em que o problema de uma deflexão de feixe em virtude de gradientes de temperatura próximos à janela de acoplamento é minimizado. O objetivo é atingido por meio de uma câmara de processo de acordo com a reivindicação 1 e um método de acordo com a reivindicação 10. Outros desenvolvimentos da invenção são descritos nas reivindicações dependentes. O dispositivo de acordo com a reivindicação 1 tem a vantagem que o fluxo de gás inferior é orientado em afastamento a partir da janela de acoplamento. Por meio disto é possível melhorar a separação do gás carregado com sujeira, que se eleva a partir da superfície de processamento, a partir da janela de acoplamento. Por meio disto, a superfície óptica pode ser mantida limpa em uma maneira melhor. Além disto, deflexões de feixe podem ser evitadas até uma grande extensão mesmo quando existirem gradientes de temperatura entre o gás sendo soprado e o gás de câmara de processo.

Outras características e particularidades da invenção são depreendidas a partir da descrição de formas de concretização com base nas figuras, onde: a figura 1 mostra uma representação esquemática de um dispositivo de sintetização a laser, e a figura 2 mostra uma representação seccional em perspectiva de uma região da câmara de processo que contém a janela de acoplamento. A figura 1 mostra um dispositivo de sinterízação a laser, que é uma forma de concretização de um dispositivo para uma fabricação por camadas de um objeto tridimensional. O dispositivo de sinterízação a laser compreende um recipiente 1, o qual é aberto para o topo e tem um suporte 2 que pode ser movido no interior do mesmo em tuna direção vertical e suporta o objeto 3 a ser formado. O suporte 2 é ajustado em uma direção vertical de modo que uma camada do objeto a ser solidificado por vez situa-se no interior de um plano de trabalho 4. Também, um dispositivo de aplicação 5 para aplicar o material de construção, que é em forma de pó e pode ser solidificado por meio de radiação eletromagnética, é provido. Também, o dispositivo compreende um laser 6. O feixe de laser 7, o qual é gerado por meio do laser, é orientado para uma janela de acoplamento 9 por meio de um dispositivo de deflexão 8 e é transmitido por meio da janela de acoplamento 9 no interior de uma câmara de processo 10 e é focalizado em um predeterminado ponto no interior do plano de trabalho 4.

Por exemplo, a janela de acoplamento 9 pode ser provida na parede de topo da câmara de processo 10, quando o dispositivo é disposto em uma tal maneira que o feixe de laser pode entrar na câmara de processo a partir do topo e o objeto 3 é fabricado em uma direção vertical. A janela de acoplamento 9 é feita a partir de um material que é transparente para o feixe de laser, tal como vidro ou plástico transparente. Também, a câmara de processo 10 pode ter uma entrada, a qual não é mostrada, para um gás, a fim de manter uma certa atmosfera acima do plano de trabalho, como uma entrada para um gás inerte, tal como, por exemplo, nitrogênio.

Também, uma unidade de controle 11 é provida, por meio da qual os componentes do dispositivo são controlados em uma maneira coordenada para execução do processo de fabricação. A figura 2 mostra um detalhe ampliado da câmara de processo 10 ao redor da janela de acoplamento 9 em uma vista seccional em perspective. Na forma de concretização que é mostrada, a janela de acoplamento 9 é formada para ser uma janela retangular. Ela pode propriamente ser um elemento óptico, tal como uma lente ou sistema de lentes, para focalizar o feixe de laser no plano de trabalho. Todavia, ela pode também ser uma janela de proteção, que é transparente para o feixe de laser, para proteger um elemento óptico que é situado atrás dela. A janela de acoplamento 9 é montada em uma seção de parede 12 da parede de topo de modo que ela estanquemente veda a câmara de processo na região superior. Também, ela tem uma superfície 9a voltada para o plano de trabalho 4.

Como pode ser visto na figura 2, a seção de parede 12 tem uma primeira seção chanfrada 12a, a qual se une com um lado longitudinal 13 da janela de acoplamento, sendo que a superfície chanfrada da primeira seção chanfiada 12a se estende sob um ângulo a partir da janela de acoplamento 9. Uma seção 12b, a qual substancialmente é um cilindro oco ou é na forma de uma seção de um cilindro oco, é provida adjacente à seção chanfrada 12a, em que o eixo geométrico de cilindro se estende em paralelo ao lado longitudinal 13 da janela de acoplamento. Preferivelmente, o ápice 14 da seção de cilindro oco é posicionado em um nível mais elevado do que a borda 15 da seção chanfirada 12a, de modo que a segunda seção de parede 12b tem uma estrutura similar a fenda. As seções 12a, 12b se estendem substancialmente ao longo de todo lado longitudinal 13 da janela de acoplamento ou se estendem ligeiramente além do mesmo.

Na extremidade da região chanfirada 12a da seção de parede 12 que é voltada para a janela de acoplamento 9, um primeiro interstício 16 é provido, o qual substancialmente se estende ao longo do lado longitudinal 13 da janela de acoplamento e é conectado com um primeiro orifício de entrada 17 para um primeiro suprimento de gás. A conexão com o primeiro suprimento de gás pode ser configurada de modo que ela é desconectável, por exemplo, por meio de uma válvula. O primeiro interstício 16 tem uma largura e uma geometria, que são ajustadas de modo que um primeiro gás suprido 18 substancialmente incide tangencialmente sobre a superfície 9a da janela de acoplamento a partir de um lado longitudinal 13 para o lado longitudinal oposto 20. A seção de parede 12 da câmara de processo também compreende uma primeira região de parede substancialmente horizontal 21 na região oposta ao primeiro interstício 16 adjacente ao lado longitudinal oposto 20 da janela de acoplamento bem como uma região chanfrada 22 unindo-se com ela. Por meio disto é tomado possível que o primeiro gás 18, o qual está correndo dentro através do primeiro interstício 16, substancialmente se choque tangencialmente sobre toda a superfície 9a da janela de acoplamento e seja subsequentemente conduzido em afastamento a partir da janela de acoplamento por meio da superfície chanfrada 22.

Na segunda seção de parede 12b, um segundo interstício 23 é provido, o qual se estende em paralelo ao primeiro interstício 16 e substancialmente se estende ao longo de todo o lado longitudinal 13 da janela de acoplamento ou se estende além do mesmo. O segundo interstício 23 é conectado com um segundo orifício de entrada 24, que é conectado com um suprimento de gás para um segundo gás 25. Também, o segundo suprimento de gás pode ser projetado de modo que ele é desconectável. O segundo interstício 23 é disposto na seção de parede 12b, que tem a forma de uma seção de cilindro oco, em uma região afastada a partir da janela de acoplamento, de modo que o gás 25 que escapa a partir do interstício 23 primeiramente flui para o interior da fenda que é formada por meio da seção na forma de um cilindro oco. O segundo interstício 23 é disposto abaixo do primeiro interstício 16, quando a janela de acoplamento 9 em uma direção vertical é posicionada acima do plano de trabalho 4. O ângulo sob o qual a seção de parede chanfrada 12a corre com respeito à seção cilíndrica oca 12b é ajustado de modo que o percurso de feixe não é prejudicado.

Além disto, na câmara de processo uma abertura para descarregar os fluxos de gás, a qual não é mostrada, é provida, a qual pode ser conectada com um mecanismo de sucção.

Nitrogênio pode ser usado como primeiro gás e como segundo gás. Todavia, é também possível usar outros gases, dependendo da área de aplicação. O primeiro e o segundo gases podem também ser diferentes um do outro.

As seções de parede da câmara de processo, as quais estão definindo lados curtos da janela de acoplamento, podem substancialmente ser horizontais, de modo que os fluxos de gás, os quais são gerados por meio do primeiro e do segundo interstícios, não são turbilhonados por meio das estruturas.

Um controle é opcionalmente provido, o qual pode controlar os fluxos de gás 18, 25 independentemente ou na dependência um do outro com respeito ao fluxo e/ou à velocidade.

Na operação, o objeto tridimensional é gerado camada a camada por meio de solidificação do material de construção pulverulento por meio do feixe de laser. O primeiro interstício 16 e o segundo interstício 23 são conectados com o suprimento de gás, de modo que gás corre para o interior de uma câmara de processo através dos interstícios 16, 23. O gás 18 correndo através do primeiro interstício flui tangencialmente ao longo da superfície 9a da janela de acoplamento 9 que é voltada para o plano de trabalho e é conduzido em afastamento no lado oposto. Por meio disto, o gás pode prevenir o acesso para a superfície 9a da janela de acoplamento e, desta maneira, pode manter a superfície limpa. O segundo gás 25 correndo através do segundo interstício 23 devido à disposição e projeto do interstício 23 flui substancialmente ao longo da superfície interna da seção da seção configurada cilíndrica oca 12b e obtém um momentum descendente em direção ao plano de trabalho, quando ele se aproxima da borda 15 entre a primeira seção chanfrada 12a e a seção cilíndrica oca 12b. Após ter passado a borda 15, o gás flui com uma distância com respeito à superfície substancialmente em paralelo ao longo da superfície 9a. Por meio do projeto similar a fenda da seção 12b, o fluxo de gás inferior 25 é mantido a uma distância com respeito à superfície da janela de acoplamento. Desta maneira, dois fluxos substancialmente laminares são obtidos, os quais marginalmente se misturam. Como um resultado, a separação do gás carregado com sujeira pode ser melhorada, pois o gás elevando-se a partir do plano de trabalho, o qual contém condensados e/ou partículas de pó ou outras contaminações, é impedido por meio dos fluxos de gás de avançar para o elemento óptico. Além disto, uma deflexão de feixe em virtude de um gradiente de temperatura é inequivocamente reduzida devido ao fluxo de gás inferior 25. Desta maneira, a superfície 9a é mantida suficientemente limpa e também a deflexão de feixe é minimizada.

Variações do dispositivo são possíveis. A janela de acoplamento não tem necessariamente que ser formada como um retângulo. Em contraste, ela pode, por exemplo, ser configurada quadrada, configurada circular ou oval ou pode ter uma outra forma. Todavia, o efeito é melhorado, quando os interstícios para o suprimento de gás e os correspondentes lados da janela de acoplamento são substancialmente em paralelo. O primeiro interstício 16 e o segundo interstício 23 são preferivelmente ligeiramente mais extensos do que o lado longitudinal da janela de acoplamento. Todavia, eles também podem ser mais curtos, pois então a janela de acoplamento não é suficientemente impactada por meio do gás nas bordas.

As formas das seções de parede 12a e 12b podem também ser diferentemente configuradas. A superfície chanfrada 12a pode, por exemplo, também ser convexa com respeito ao interior da câmara de processo. A superfície similar a fenda 12b não precisa necessariamente ter a forma de uma seção de cilindro. Em contraste, qualquer outra forma pode ser usada, a qual forma uma fenda para o fluxo de gás. É também possível dispensar a seção de parede em forma de fenda 12b e, ao invés disto, formar o segundo interstício 23 em uma tal maneira que o gás de escapamento obtém um momentum orientado em afastamento à janela de acoplamento. A invenção é também aplicável em outros dispositivos para uma fabricação por camadas de objetos tridimensionais, por exemplo, um dispositivo de fiisão a laser, no qual o material de construção pulveralento, na maioria dos casos metálico, é fundido por meio do laser, bem como outros dispositivos de processamento, nos quais gases ou vapores ocorrem em uma câmara de processo que pode contaminar uma janela de acoplamento.

Claims (11)

1. Câmara de processo para um processamento de um material por meio de um feixe orientado de radiação eletromagnética, caracterizada pelo fato de que compreende: um elemento óptico (9) para acoplar o feixe (7) no interior da câmara de processo (10), sendo que o elemento óptico tem uma superfície (9a) que está voltada para um plano de trabalho (4) no interior da câmara de processo, uma seção de parede (12) circundando o elemento óptico (9), uma primeira entrada (16) para um gãs, que estende-se substancialmente ao longo de um lado longitudinal (13) do elemento óptico (9) e é configurada de modo que um primeiro fluxo de gás de escapamento (18) incide substancial mente tangencialmente sobre a superfície (9a) do elemento óptico (9) a partir do lado longitudinal (13) do elemento óptico para 0 lado longitudinal oposto (20) do demento óptico (9), uma segunda entrada (23) para um gás, que é configurada e disposta de modo que um segundo fluxo de gãs de escapamento (25) flui a uma distância com respeito à superfície (9a) em substancial mente a mesma direção que o primeiro fluxo de gás (18), em que a segunda entrada (23) em uma posição operacional está localizada abaixo da primeira entrada (16).

2. Câmara de processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o primeiro fluxo de gás (18) e o segundo fluxo de gás (25) são substancialmente laminares.

3. Câmara de processo de acordo com a reivindicação 1 ou 2. caracterizada pelo fato de que uma ou ambas entradas (16, 23) são em forma de fenda.

4. Câmara de processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato de que a parede (12) da câmara de processo (10) tem uma seção estrutural (12b), que é configurada e disposta de modo que o gás, que está afluindo através da segunda entrada (23), obtém um momentum que é orientado em afastamento à superfície (9a).

5. Câmara de processo de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo fato de que a seção de parede (12b) tem uma forma similar a fenda.

6. Câmara de processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 5, caracterizada pelo fato de que o feixe orientado é um feixe de laser.

7. Dispositivo de sinterização a laser, caracterizado pelo fato de que compreende: um laser (6) e uma câmara de processo (10) de acordo com uma das reivindicações 1 a 6.

8. Método para processamento de um material por meio de um feixe orientado de radiação eletromagnética, caracterizado pelo fato de que tem as etapas: orientar um feixe orientado (7) de radiação eletromagnética através de um elemento óptico (9) em uma câmara de processo (10), em que o elemento óptico (9) tem uma superfície (9a) que está voltada para um plano de trabalho (4) no interior da câmara de processo; suprir um primeiro fluxo de gás (18) a partir de uma primeira entrada (16) que estende-se substancialmente ao longo de um lado longitudinal (13) do elemento óptico (9), para o interior da câmara de processo de modo que o primeiro fluxo de gás provindo a partir de um lado está substancialmente tangencialmente incidindo sobre a superfície (9a) a partir do lado longitudinal (13) do elemento óptico para o lado longitudinal oposto (20) do elemento óptico (9), e suprir um segundo fluxo de gás (25), a partir de uma segunda entrada, para o interior de uma câmara de processo de modo que o segundo fluxo de gás flui a uma distância com respeito à superfície (9a) em substancialmente a mesma direção que o primeiro fluxo de gás (18); em que a segunda entrada (23) em uma posição operacional está localizada abaixo da primeira entrada (16).

9. Método de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que compreende uma etapa de processamento do material na câmara de processo por meio de um feixe de laser.

10. Método de acordo com a reivindicação 8 ou 9, caracterizado pelo fato de que uma câmara de processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 8 é usada.

11. Método de acordo com uma das reivindicações 8 a 10, caracterizado pelo fato de que é um método de sinterização a laser.