CN103192531B - 用于逐层地制造三维对象的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于逐层地制造三维对象的装置，其包括构造空间（10），所述构造空间（10）具有高度可调节的构造平台（6）、用于将可通过电磁辐射作用凝固的材料的层涂覆到构造平台（6）上的装置（7）、用于辐射层的与对象（5）相应的位置的辐射装置，所述辐射装置包括发射电磁辐射的辐射源（1）、控制单元（3）和位于电磁辐射光路中的透镜（8），其特征在于，所述用于涂覆层的装置（7）以转动式圆柱体形式构成，所述转动式圆柱体的套表面至少具有为100μm的根据DIN EN ISO 4287:1998的粗糙度Rz。本发明还涉及用于逐层地制造的方法以及相应的成型体。

Description

用于逐层地制造三维对象的装置和方法
技术领域
本发明涉及用于逐层地制造三维对象的装置、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）/快速制造或者也称为添加式制造方法。在粉末状原料基础上工作的方法特别适合，并且在这些方法中所希望的结构通过选择性熔融和凝固逐层地制造。在此，可放弃在悬垂和咬边时的支承结构，因为包围熔融区域的构造区平面（Baufeldebene）提供足够的支承作用。同样取消移除支承的再加工。该方法也适用于小批量制造。构造空间温度选择成使得在构造过程期间不发生逐层地制造的结构的变形。
选择性激光烧结（SLS）是特别好地适合于快速原型建造目的的方法。在该方法中，塑料粉末在室中用激光束选择性短暂地曝光，由此由激光束击中的粉末颗粒熔化。熔化的颗粒流入彼此并再次快速地固化成固体块。通过对总是新涂覆的层的重复曝光，利用该方法可以简单和快速地制造三维体。
在专利文献US 6,136,948和WO 96/06881（两者均是DTM 公司）中详细记载了用于由粉末状聚合物表示成型体的激光烧结方法（快速原型建造）。对于该应用要求保护大量聚合物和共聚物，例如多醋酸盐、聚丙烯、聚乙烯、离聚物和聚酰胺。
其他良好适合的方法是如记载在WO 01/38061中的SIV方法（选择性化合抑制（Selektive Verbindungsinhibition）），或是如记载在EP 1015214中的方法。两种方法都利用平面红外线加热工作来熔融粉末。在第一种方法中通过施加抑制剂来实现熔融的选择性，在第二种方法中通过掩模来实现。在DE 10311438中记载了另一方法。在该方法中，通过微波发生器引入用于熔融所需的能量，其中通过施加感受剂来实现选择性。在WO 2005/105412中记载了另一方法，在该方法中，通过电磁辐射引入用于熔融所需的能量，其中同样通过施加吸收剂来再次实现选择性。
根据现有技术已知的方法的问题在于，所使用的粉末必须能够流动，以便能够实现无瑕疵的层施加。仅在无瑕疵的层施加时才能够制造高质量的三维对象。在流动性不足时，构造区（Baufeld）的区域不或仅不充分地用粉末涂层。此外，在构造区平面的粉末中会出现沟槽、波纹或裂纹。这在过程中导致问题，使得过程结束时所制造的三维对象具有缺陷。尤其是借助于转动式辊的粉末施加是有问题的，因为在粉末不能流动情况下所述粉末附着在辊上并妨碍粉末施加。
因此，在例如在EP 1443073中记载了，所使用的粉末的流动性通过添加添加剂来改善。该做法的缺点是，所添加的添加剂于是也是所制造的三维对象中的组成部分，这在某些应用情况下对于这些对象可能是不希望的。此外，为了提高流动性添加添加剂大多数也增加了制造的三维对象的变形。此外，利用添加添加剂也不能或仅有条件地能够使非常细的粉末流动。
发明内容
因此，本发明的任务是提供不再具有现有技术缺点的新装置。该装置应该能够在制造三维对象时改进流动性差的粉末的施加。
所述任务通过按照本发明的装置得到解决。本发明的第一主题是用于逐层地制造三维对象（成型体）的装置，其包括构造空间，所述构造空间具有高度可调节的构造平台、用于将可通过电磁辐射作用凝固的材料的层涂覆到构造平台上的涂覆装置、用于辐射层的与对象相应的位置的辐射装置，所述辐射装置包括发射电磁辐射的辐射源、控制单元和位于电磁辐射光路中的透镜，其中所述用于涂覆层的涂覆装置以转动式圆柱体形式构成，所述转动式圆柱体的套表面至少具有为100μm的根据DIN EN ISO 4287:1998的粗糙度Rz。
本发明的另一主题是用于逐层地制造三维对象（成型体）的装置，其包括构造空间，所述构造空间具有高度可调节的构造平台、用于将可通过电磁辐射作用凝固的材料的层涂覆到构造平台上的涂覆装置、用于辐射层的与对象相应的位置的辐射装置，所述辐射装置包括发射电磁辐射的辐射源、控制单元和位于电磁辐射光路中的透镜，其中所述用于涂覆层的涂覆装置以配备有毛刷滚边的转动式圆柱体形式构成。由此形成一种圆刷。毛刷滚边优选从天然纤维、合成纤维、可能混杂磨料的人造刷毛、金属丝以及其混合物的组中选择，其中优选金属丝。
这两个包括涂覆装置和（粗糙的表面和毛刷滚边）的主题可以互相组合。
对于层方法中的应用，松散时间（Rieselzeit）超过35s或归类为不能流动（根据DIN EN ISO 6186，方法A，通流直径15mm）的粉末迄今被视为不可施加的。现在利用本发明能够处理这种粉末。
因此，作为涂覆装置或的转动式圆柱体（辊）用于分布粉末并分别施加另一粉末层。在此情况下，不是通过滑动（如在刮板或扫帚情况下）、而是通过圆柱体的转动进行施加。优选仅借助于转动式圆柱体而不是借助于另外的辊、附加的刮板或类似物进行施加。因此，不需要在通过圆柱体施加后通过另外的涂覆装置平滑粉末层。因此，优选的是该装置不包括另外的涂覆装置。这种系统被技术人员称为“一件式”。
只要松散性或流动性差的粉末可附着在刮板上，刮板就是不利的。
金属圆柱体原则上顺着施加方向或逆着施加方向转动，其中施加优选逆着施加方向。
对象的“相应位置”分别表示对象的被分切轮廓的层，所述层通过操控激光束逐步地烧结或熔融到粉末床中。
已经令人惊讶地表明，利用按照本发明的装置也能够涂覆松散性或流动性差的粉末，使得能够减少添加剂添加或能够完全放弃添加剂添加。在此，尤其是令人惊讶的是所述任务能够通过使用涂覆装置和/或涂覆装置得到解决，所述涂覆装置实施成转动式圆柱体形式，其中圆柱体的套表面具有粗糙度Rz至少为100μm（DIN EN ISO 4287:1998，借助于根据DIN EN ISO 3274的描画记录方法（Tastschnittverfahren），Jenoptik的Hommel测试仪T1000 Wave，尖端半径5μm，锥角90°）或圆柱体配备有毛刷滚边。
套表面的粗糙度Rz优选至少是175μm。套表面的粗糙度Rz特别优选至少是250μm，相当特别优选250μm至500μm。
该圆柱体和其表面例如能够由塑料或金属制成。该圆柱体的套表面优选由金属或金属合金组成或含有金属或金属合金。
附图说明
图1示出按照本发明的用于制造三维对象的装置的原理构造，
图2示出不按照本发明的涂覆装置，
图3示出按照本发明的涂覆装置，
图4示出另一按照本发明的涂覆装置，和
图5示出装置的另一按照本发明的实施。
具体实施方式
图1示出了按照本发明的用于制造三维对象的装置的原理构造。该构件定位于构造区中央。激光束2从激光器1借助于扫描系统3穿过透镜8被引导到待构成对象5的被调节温度的和惰性化的、优选用氮气惰性化的粉末表面4上。在此，透镜的任务是将剩余的光学组件例如扫描器的镜与构造空间环境分开。该透镜常常实施成F-Theta（θ）透镜系统，以便在整个工作区上保证尽可能均匀的聚焦。用于将待凝固材料涂覆到构造平台6上的涂覆装置7位于构造空间内，其中所述涂覆装置以转动式圆柱体形式构成，所述转动式圆柱体的套表面至少具有根据DIN EN ISO 4287:1998为100μm的粗糙度Rz。
此外优选的是，该装置具有用于对构造空间调节温度的加热元件。因此，该构造空间例如能够被调节到对于制造三维对象理想的温度（工作温度）。
在图2中示出了不按照本发明的涂覆装置。该涂覆装置7实施成金属圆柱体形式，其逆着施加方向转动并将粉末11施加到构造区平面19上。套面13的、借助于根据DIN EN ISO 3274（Jenoptik的Hommel测试仪T1000 Wave，尖端半径5μm，锥角90°）的描画记录方法所确定的根据DIN EN ISO 4287:1998的粗糙度Rz（轮廓最大高度）是64μm。
在图3中示出了按照本发明的涂覆装置7。这里，该涂覆装置7也实施成金属圆柱体形式，其在粉末施加时逆着施加方向转动。这里，套面14的根据DIN EN ISO 4287:1998的粗糙度Rz是183μm。
在图4中示出了另一按照本发明的涂覆装置。这里，该涂覆装置7’也实施成金属圆柱体形式，其在粉末施加时逆着施加方向转动。这里，套面装备有等长的金属丝作为毛刷滚边15。毛刷滚边原则上可以是不同长的，然而优选的是，该毛刷滚边是等长的。
在一优选实施方式中，毛刷滚边15的纤维、刷毛和丝分别彼此无关地具有所使用的直径0.2mm至3mm、（滚边）长度0.25mm至75mm和滚边密度5/cm2至1000/cm2。滚边密度特别优选处于至少10/cm2。
纤维、刷毛和丝优选施加成与圆柱体转轴垂直。纤维、刷毛和丝优选垂直竖立在圆柱体的套表面上。
在图5中示出了装置的另一按照本发明的实施。这里，该涂覆装置7"也实施成金属圆柱体形式，其在粉末施加时逆着施加方向转动。附着在金属圆柱体上的粉末17借助于刮刀（Abstreifer）16从圆柱体套面上移除，尤其是这样移除使得该粉末散落在圆柱体之前18。该刮刀优选设置成与圆柱体转动对称的。该刮刀能够实施成刷状的或也能够被实施成薄片，其中比圆柱体金属具有较小硬度的金属适合作为刮刀的材料。然而，对于刮刀也可设想其他材料，只要这些材料具有相应的耐温性。
按照本发明，刮刀16可与涂覆装置7或涂覆装置7’组合。
用于逐层地制造三维对象的方法同样是本发明的主题，其中该方法在按照本发明的装置之一中执行。
下面描述方法，利用这些方法能够由粉末制造按照本发明的成型件，而本发明并不应局限于此。
技术人员所已知的所有聚合物粉末原则上适合在按照本发明的装置或按照本发明的方法中使用。热塑性塑料和热弹性体例如聚乙烯（PE、HDPE、LDPE）、聚丙烯（PP）、聚酰胺、聚酯、聚酯酯（Polyesterester）、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）、聚苯醚（PPO）、聚氧甲烯（POM）、聚苯乙烯（PS）、丙烯腈-丁二烯-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）、聚偏二氟乙烯、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/或共混聚合物尤其适合。聚合物粉末特别优选包括至少一种聚酰胺例如PA6、PA66、PA610、PA613、PA1010、PA106、PA11、PA12、PA1012、pA1013或其混合物或聚醚酮、优选PEEK。相当特别优选的是聚酰胺、尤其是聚酰胺12、聚酰胺6或聚酰胺6.6。
此外适合的有例如含有铁、钛或铝或由这些组成的金属粉末，或陶瓷粉末。优选使用聚合物粉末。
在运行中通常首先在计算机中基于设计程序等生成或存储有关待制造对象的形状的数据。为了制造对象，这些数据如此被处理，使得该对象被分解成大量水平的、相比于对象尺寸薄的层，且例如以数据组的形式、例如CAD数据为所述大量层中的每一个提供形状数据。在此，可以在制造前也或与制造每个层同时地为每个层生成和处理数据。
接着构造平台6首先借助于高度调节装置驶向最高位置，在该位置中，构造平台6的表面与构造空间的表面处于一个平面中，且接着下降第一材料层的所设置的层厚的数值，使得在形成的凹口（Ausschnitt）内构成下降的区域，所述下降的区域在侧面由凹口的壁限定且在下面由构造平台（6）的表面限定。然后借助于转动式圆柱体形式的涂覆装置7或涂覆装置7’将具有所设置的层厚的待凝固的材料的第一层引入到由凹口和构造平台6构成的空腔或下降的区域中并且必要时由加热装置加温到合适的工作温度，例如100℃至360℃，优选120℃至200℃。接着控制单元3将转向装置控制成使得被转向的光束2相继射在层的所有位置上并在那里烧结或熔融材料。以此方式首先能够构成固体底层。在第二步骤中，构造平台6借助于高度调节装置下降一个层厚的数值并借助于涂覆装置7或7’将第二材料层引入到凹口内的由此形成的下降的区域中，必要时再次由加热装置加温。
在一种实施方式中，转向装置这次可以由控制单元3控制成使得被转向的光束2仅射到材料层的与凹口的内面邻接的区域上并在那里通过烧结凝固材料层，由此形成壁厚约为2至10mm的第一环状壁层，其完全包围层的剩余的粉末状材料。因此，控制装置的该部分是用于产生包围待构成对象5的容器壁、同时在每层中构成对象的设备。
在以如上述相同的方式使构造平台6下降了下一层的层厚的数值、涂覆材料和加热之后，现在能够开始制造对象5本身。为此，控制单元3将转向装置控制成使得被转向的光束2射在层的这样的位置上，所述位置应该与待制造对象5的存储在控制单元中的坐标相应地被凝固。在另外的层中类似地进行。在希望地制造容器壁形式的环状壁区域情况下，所述容器壁包围对象连同剩余的、未烧结的材料并因此在将构造平台6下降到工作台下时防止材料溢出，在每个对象层中借助于设备将环状壁层烧结到位于下面的环状壁层上。如果使用与EP 1037739相应的替换容器或固定装入的容器，则可以放弃生成壁。
在冷却后，所构成的对象可以从该装置中取出。
用按照本发明方法制造的对象同样是本发明的主题。
即使没有另外的实施，也认为，技术人员可以在最广范围上使用上述描述。因此，优选实施方式和示例仅应理解成描述性的、而决不是以任意方式进行限制的公开。
下面根据示例更详细地阐述本发明。本发明的可替代实施方式可以类似的方式获得。
示例：
如果未另外说明，与以下描述相应地探讨示例。构造室在120分钟内被加热到过程温度。构造空间的温度分布不是一直都均匀的，因此借助高温计测量的温度定义为构造空间/过程温度。在第一曝光前施加40层粉末。激光束2借助于扫描系统3从激光器1穿过透镜8被引导到被调节温度的和惰性化的N2构造区平面4上。该透镜实施成F-Theta透镜系统，以便在整个构造区平面上保证尽可能均匀的聚焦。
待曝光的构件定位于构造区中央。边长为50mm的正方形面借助于激光器熔融。之后使构造平台6下降0.1mm并借助于涂覆装置7或7’以250mm/s的速度施加粉末层。重复这些步骤直到形成50mm高的三维构件5。在曝光结束后，在加热元件关断和冷却阶段开始前，还施加另外的40层。在整个构造过程期间分别对于一层所需的时间小于40s。
在至少12小时的冷却时间后，构件被取出并且清除附着的粉末。
示例1（不按照本发明的）
该构造过程在美国3d系统公司的SPro60 HDHS上执行。具有表1的粉末特征值的PA12-粉末被处理。该粉末用SPro60 HDHS的装置施加。圆柱体的套表面的根据DIN EN ISO 4287:1998的粗糙度Rz是64μm，由钢C60组成。过程温度是169℃。粉末储备中的温度分别是129℃。曝光参数是：激光功率54.0 W，扫描速度12000mm/s，曝光线间距0.3mm。所施加的粉末层质量是差的。粉末粘在圆柱体的套面上。在构造区中可识别到沟槽。在构造区平面的某些位置上未施加或施加太少的粉末。制造的三维对象具有强烈的表面缺陷。
示例2（按照本发明的）
该试验在3d系统公司的SPro60 HDHS的构造空间中执行。具有表1的粉末特征值PA12-粉末被处理。过程温度是169℃。粉末储备中的温度分别是129℃。曝光参数是：激光功率54.0 W，扫描速度12000 mm/s，曝光线间距0.3mm。粉末用金属圆柱体7施加，所述金属圆柱体7的套面（钢C60）具有为183μm的根据DIN EN ISO 4284:1998的Rz。粉末能够无问题地施加。仅少量粉末粘在圆柱体的套面上。构造区平面被完全涂层。制造的三维对象不具有表面缺陷。
示例3（按照本发明的）
该试验在3d系统公司的SPro60 HDHS的构造空间中执行。具有表1的粉末特征值的PA12-粉末被处理。过程温度是169℃。粉末储备中的温度分别是129℃。曝光参数是：激光功率54.0W，扫描速度12000mm/s，曝光线间距0.3mm。粉末用配备有黄铜制成的丝刷毛（金属丝）（直径1mm，长度10mm，60丝/cm2）的金属圆柱体7’进行施加。粉末能够无问题地施加。构造区平面被完全涂层。制造的三维对象不具有表面缺陷。
示例4（按照本发明的）
该试验在3d系统公司的SPro60 HDHS的构造空间中执行。具有表1的粉末特征值的PA12-粉末被处理。过程温度是169℃。粉末储备中的温度分别是129℃。曝光参数是：激光功率54.0 W，扫描速度12000 mm/s，曝光线间距0.3mm。粉末用金属圆柱体7进行施加，所述圆柱体7的套面（钢C60）具有为104μm的根据DIN EN ISO 4287:1998的Rz。刮刀7"安装在金属圆柱体的转轴的高度上并与构造区平面平行。少量粉末粘在圆柱体的套面上，然而通过刮刀再次从套面上移除并撒落在金属圆柱体之前。粉末能够无问题地施加。构造区平面被完全涂层。制造的三维对象不具有表面缺陷。
表1：粉末特征值。

Claims (18)

1.用于逐层地制造三维对象的装置，其包括构造空间（10），所述构造空间（10）具有高度可调节的构造平台（6）、用于将可通过电磁辐射作用凝固的材料的层涂覆到构造平台（6）上的装置（7）、用于辐射层的与对象（5）相应的位置的辐射装置，所述辐射装置包括发射电磁辐射的辐射源（1）、控制单元（3）和位于电磁辐射光路中的透镜（8），其特征在于，所述用于涂覆层的装置（7）以转动式圆柱体形式构成，所述转动式圆柱体的套表面至少具有为100μm的根据DIN EN ISO 4287:1998的粗糙度Rz。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置不包括另外的涂覆装置。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述粗糙度至少是175μm。
4.根据权利要求1至3之一所述的装置，其特征在于，所述套表面包括金属或金属合金或者由所述金属或金属合金组成。
5.根据权利要求1至3之一所述的装置，其特征在于，所述圆柱体逆着施加方向转动。
6.根据权利要求1至3之一所述的装置，其特征在于，此外包括刮刀（16）。
7.用于逐层地制造三维对象的装置，其包括构造空间（10），所述构造空间（10）具有高度可调节的构造平台（6）、用于将可通过电磁辐射作用凝固的材料的层涂覆到构造平台（6）上的装置（7’）、用于辐射层的与对象（5）相应的位置的辐射装置，所述辐射装置包括发射电磁辐射的辐射源（1）、控制单元（3）和位于电磁辐射光路中的透镜（8），其特征在于，所述用于涂覆层的装置（7’）以转动式圆柱体形式构成，所述转动式圆柱体配备有毛刷滚边（15）。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述毛刷滚边（15）从由天然纤维、合成纤维和金属丝组成的组中选择。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述毛刷滚边（15）选自人造刷毛。
10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述纤维、刷毛或丝具有0.2至3mm的直径。
11.根据权利要求8、9或10所述的装置，其特征在于，所述纤维、刷毛或丝具有0.25mm至75mm的长度。
12.根据权利要求8、9或10所述的装置，其特征在于，所述纤维、刷毛或丝具有滚边密度5/cm2至1000/cm2。
13.根据权利要求7-10之一所述的装置，其特征在于，所述圆柱体逆着施加方向转动。
14.根据权利要求7-10之一所述的装置，其特征在于，此外包括刮刀（16）。
15.用于逐层地制造三维对象的方法，其中所述方法在装置中执行，所述装置包括构造空间（10），所述构造空间（10）具有高度可调节的构造平台（6）、用于将可通过电磁辐射作用凝固的材料的层涂覆到构造平台（6）上的装置（7）、用于辐射层的与对象（5）相应的位置的辐射装置，所述辐射装置包括发射电磁辐射的辐射源（1）、控制单元（3）和位于电磁辐射光路中的透镜（8），其中所述用于涂覆层的装置（7）以转动式圆柱体形式构成，所述圆柱体的套表面至少具有为100μm的根据DIN EN ISO 4287:1998的粗糙度Rz。
16.根据权利要求15所述的方法，其采用具有在根据DIN EN ISO 6186，通流直径为15mm，方法A情况下测量的松散时间超过35s或不能流动的粉末的聚合物粉末。
17.用于逐层地制造三维对象的方法，其中所述方法在装置中执行，所述装置包括构造空间（10），所述构造空间（10）具有高度可调节的构造平台（6）、用于将可通过电磁辐射作用凝固的材料的层涂覆到构造平台（6）上的装置（7’）、用于辐射层的与对象（5）相应的位置的辐射装置，所述辐射装置包括发射电磁辐射的辐射源（1）、控制单元（3）和位于电磁辐射光路中的透镜（8），其中所述用于涂覆层的装置（7’）以转动式圆柱体形式构成，所述转动式圆柱体配备有毛刷滚边（15）。
18.根据权利要求17所述的方法，其采用具有在根据DIN EN ISO 6186，通流直径为15mm，方法A情况下测量的松散时间超过35s或不能流动的粉末的聚合物粉末。
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