增材制造系统和用于构件的增材制造的方法与流程

本发明涉及用于构件的增材制造的系统和用于构件的增材制造的方法，其中可以在制造过程中改善半成品构件的空间定位，特别涉及用于生产在航空产业中具有改进的材料性质的构件的方法。

背景技术：

立体光刻法(sla)、选择性激光烧结(sls)和选择激光融化(slm)属于一组生产性制造方法并且还大致称为″3d打印方法″。在这种情况下，基于几何模型生成数据集，所述数据集用于专用生产性制造系统，所述专用生产性制造系统用于从诸如液体和粉末的非晶态材料生成具有预定形状的物体，非晶态材料借助于化学和/或物理过程中性地成形为半成品，半成品诸如为带状、线状、或条带状材料。3d打印方法使用增材过程，其中起始材料有序地建造在层中以形成预定形状。

3d打印方法当前广泛地用于生成样本或快速产品生产(rpd)，其中根据需要，资源高效过程链用于个性化构件的小规模的和大规模的系列生产。3d打印方法在如下方面具有多种用途，土木工程、建筑、牙科、工具制造、移植、工业设计、汽车产业和航空产业。

3d打印机和特别激光烧结装置都使用计算机辅助构造系统(计算机辅助设计，cad)和光束系统，基于cad系统提供的数字制造模型，所述光束系统执行待打印的物体的生产性层构造。待打印的物体的三维cad模型经历如下的制备过程，此处所述制备过程被执行以生成光束系统所需要的控制数据并且被认为是″切割″。在该过程中，cad模型被数字地分解成预定均一厚度的层，所述层与光束系统的构造方向正交，所述层然后形成用于控制光束系统中的在起始材料表面上的能量的光束的基础。常规的层分解算法在镶嵌表面模型上构造cad模型，在这种情况下，这导致限定两个模型截面之间的″切割″的多个闭合曲线或表面多边形，模型截面是连续的以垂直方式通过光束系统的构造方向。

该种类的表面模型可以存储例如为stl格式，这对于立体光刻法是常见的并且描述了成具有非结构化三角形结构的原始数据的形式的待打印的三维物体的表面几何形状。光束系统读取表面模型数据并且在sla、sls或slm制造方法中将所述数据转换成用于激光束的对应的控制模式。

当制造复杂的三维构件时，诸如sla、sls或slm的3d打印方法导致在几何形状和结构方面的极大的设计自由。在这种情况下，期望通过更有效地执行制造步骤来加速制造构件。

在现有技术中的各种方法处理基于构造台部的转动运动的3d打印过程：de102013210242a1公开了用于使用罐成形粉末层支撑件的选择激光融化的系统，罐成形粉末层支撑件可以在粉末层生产过程中转动。de102009046440a1公开了用于构件的生产性制造的装置，包括可下降支撑板和在支撑板上方转动的材料供应单元。de10235434a1公开了用于三维物体的分层生产性制造的装置，包括可转动构造区域。us2008/0109102a1和us2004/0265413a1每个都公开了包括可转动构造平台的3d打印装置。wo2015/139094a1公开了用于构件的生产性制造的计算机控制系统，计算机控制系统包括安装在可硬化液体中的机器臂并且包括在其上安装以转动和倾斜的构造平台。

技术实现要素：

本发明处理的一个问题是发现用于物体的生产性制造的更高效的解决方案，特别是该制造方法，借助于选择性激光烧结方法、选择激光融化方法或立体光刻法，所述物体从粉状起始材料生成。

用于构件的增材制造的具有根据权利要求1所述的特征的系统、用于构件的增材制造的具有根据权利要求9所述的特征的方法和具有根据权利要求15所述的特征的非易失性计算机可读存储介质解决该问题和其它问题。

根据本发明的第一方面，用于构件的增材制造的系统包括粉末容器、构造平台、下降驱动器和能量输入设备，所述粉末容器被设计成接收作为待制造的构件的起始材料的粉状材料，构造平台安装在粉末容器中并且安装成围绕转动轴相对于粉末容器转动，下降驱动器被设计成在粉末容器中递进地或连续地降低构造平台，能量输入设备布置在粉末容器中的开口上方并且被设计成在所述材料的表面上进行引入至粉末容器中的粉状材料的局部选择性地融化或硬化。此处，构造平台可以相对于可转动底座的转动轴倾斜一斜角。

根据本发明的第二方面，用于构件的增材制造的方法包括如下步骤，将作为待制造构件的起始材料的粉状材料的粉末层引入粉末容器中，借助于布置在粉末容器中的开口上方的能量输入设备以在粉末层的表面上局部选择性地融化或硬化粉状材料，在局部选择性地融化或硬化过程中围绕转动轴转动可转动地安装在粉末容器中的构造平台，并且在粉末容器中递进地或连续地降低构造平台。此处，构造平台在转动过程中相对于转动轴倾斜一斜角。

根据本发明的第三方面，计算机可执行指令存储在非易失性计算机可读存储介质上并且，当借助于数据处理装置执行时，促进数据处理装置执行根据本发明的第二方面的方法的步骤。

本发明的重要概念是为粉末层制造系统配置可转动和可倾斜构造平台，可转动和可倾斜构造平台可以定向在粉末层中并且可以在烧结或融化过程中在大致固定的能量输入设备下方转动。结果，因为没有必要移动和调节能量输入设备或这仅在较小程度上是必要的，因此特别地可转动对称工件可以特别有效地和较高水平精度地被制造。

3d打印过程是大致有利的，并且具体地本文中描述的变化例特别有利于构件制造，因为它们使得可以用主要成形方法生产三维构件，而不需要适于构件的外部形状的专用制造工具。这允许用于构件的高效的材料节省和节省时间的生产过程。对于航空领域中的结构构件，该种类的3d打印方法是特别有利的，因为大量不同的构件被使用，此处大量不同的构件适于特定用途并且可以用该种类的具有低成本、较少产品交货时间和较小的复杂度的3d打印方法在用于生产的制造系统中生成。

因为可以针对待制造的工件选择性地倾斜转动构造平台或相对于转动轴倾斜其平台平面一斜角，所以具有制造甚至更大的倾斜下陷部或突出部的制造选项，施加的粉末层否则可能从该下陷部或突出部滑落。另外，由于构造平台在倾斜位置处，所以可以对工件的已经硬化的部分进行额外的结构修改，如果平台是不倾斜的，则所述部分可以位于粉末层表面下方并且因此可以难访问以进行选择硬化。

在其他从属权利要求和参照附图的描述中阐述有利的实施例和新构想。

根据本发明的系统和方法的一些实施例，粉状材料可以包括金属粉末。

根据本发明的系统和方法的一些其它的实施例，粉末容器和/或构造平台可以是圆柱形的。

根据本发明的系统的一些其它的实施例，系统可以进一步包括粉末贮存器和粉末移除装置，所述粉末贮存器被设计成将额外的粉状材料进送进入粉末容器中，所述粉末移除装置被设计成从粉末表面移除从粉末贮存器额外地进送的粉状材料以平滑表面。

根据本发明的系统的一些其它的实施例，下降驱动器可以包括由下降驱动马达驱动的涡轮。

根据本发明的系统的一些其它的实施例，系统可以进一步包括刚性地连接至转动轴的转盘和将构造平台可转动地安装在转盘上的一个或多个滚珠轴承。在一些实施例中，转动驱动马达和由转动驱动马达驱动的转动驱动轴可以被提供，转动驱动轴驱动构造平台在转盘上围绕转动轴转动。

根据本发明的系统的一些其它的实施例，能量输入设备可以包括以点或线性方式聚焦在粉末表面上的激光器。

根据本发明的方法的一些其它的实施例，可以借助于以点或线性方式聚焦在粉末表面上的激光器执行局部选择性地融化或硬化。

根据本发明的方法的一些其它的实施例，方法可以进一步包括一旦构造平台已经被降低预定距离则改变斜角的步骤。在一些实施例中，一旦构造平台的斜角已经改变，则额外的粉状材料从粉末贮存器被送入粉末容器中。

上述实施例和新构想可以在适当时根据需要彼此组合。本发明的其他可能的实施例、新构想和实现方式还包括本发明的联系实施例在下文或上文所述的特征的组合，即使那些组合未明确地提到。特别地，本领域的技术人员还将向本发明的每个基本形式增加单独的方面作为改进或添加。

附图说明

在下文中，基于在示意图中描述的实施例更详细地描述本发明，其中：

图1是根据本发明的实施例的用于构件的增材制造的系统的图解示意图，

图2是根据本发明的另一实施例的根据图1的用于构件的增材制造的系统的详细图解示意图，

图3是根据本发明的另一实施例的根据图1的用于构件的增材制造的系统的另一详细图解示意图，

图4是根据本发明的另一实施例的用于构件的增材制造的方法的方框图，和

图5是根据本发明的另一实施例的计算机可读存储介质的图解示意图。

附图旨在提供对本发明的实施例的更好理解。它们图示实施例和描述，它们用于解释本发明的原理和概念。参照附图，其它实施例和提到的许多优点将变成显而易见的。附图的元件不一定相对于彼此按比例示出。规定方向的术语，诸如″上″、″下″、″左″、″右″、″高于″、″低于″、″水平″、″竖直″、″前部″、″后部″和类似的细节仅用于说明目的并且不旨在限制如图所示的特定实施例的一般性。

在附图中，除非另有指示，每个相同的、功能上相同的和操作相同的元件、特征和构件已经被设置有相同的附图标记。

具体实施方式

本申请上下文中的3d打印方法包括所有的生产性制造方法，其中基于几何模型，具有预定形状的物体由诸如液体和粉末的非晶态材料生成，非晶态材料在专用生产性制造系统中借助于化学和/或物理过程中性地成形为半成品，半成品诸如为带状、线状、或条带状材料。在本申请的情况下，3d打印方法使用增材过程，其中起始材料有序地建造在多个层中以形成预定形状。在这种情况下，3d打印方法特别包括立体光刻法(sla)、选择性激光烧结(sls)和选择激光融化(slm)。在本申请的情况下，3d打印方法特别包括增材制造方法，其中诸如液化金属或金属粉末的金属起始材料用于构件的生产性制造。

图1是用于构件的增材或生产性制造的系统10的图解示意图，系统10在下文被称为3d打印装置10。3d打印装置10可以例如是用于选择性激光烧结的系统、用于选择激光融化的系统或立体光刻系统。在下文中，与sls结合通过示例的方式描述3d打印装置10的基本原理，但是用于其它3d打印方法的打印装置可以具有不同的结构。

例如co2激光器l的能量输入设备以位置选择的方式向粉状材料p的粉末表面的特定部分发出能量光束，粉状材料p位于设计为粉末容器的工作腔1中的构造平台2上。粉末容器1可以例如是大致罐形的，并且可以采取中空缸或中空箱的外部形状。相应地，构造平台2可以例如是低厚度的圆柱形盘，其直径稍微小于粉末容器1的直径，使得构造平台2可以在粉末容器1中围绕转动轴3转动。

能量输入设备l可以例如是安装成固定的激光器，激光器借助于诸如可移动或可倾斜反射镜的组件的光学偏转装置(未明确地示出)，根据所述组件的倾斜位置将激光束偏转到粉末p的粉末表面的某个部分上，并且使所述激光束聚焦在粉末表面上。粉状材料p可以例如是金属粉末或金属合金粉末，诸如almgsc

也可以使用线性激光器作为能量输入设备l，线性激光器以朝粉末p的粉末表面的线的形式投射激光束，并且此时以聚焦方式借助于诸如鲍威尔透镜或圆柱形透镜的适当折射透镜使其成像。如果粉末容器1或构造容器2是圆柱形的，则激光线可以朝粉末容器1的边缘从构造平台2的中心径向地投射。

粉末p在激光束或激光线的作用点处被局部加热，使得粉末颗粒被局部融化并且当冷却时形成结块。激光束根据数字制造模型扫描粉末表面，数字制造模型由cad系统提供并且被可选地处理。在粉末p的表面层中的粉末颗粒的选择性地融化和局部结块之后，如果有必要，不结块的过多粉末可以转移至多余的容器(未示出)。构造平台2然后被降低，并且新的粉末ps从粉末贮存器s输入粉末容器1中。借助于粉末移除装置d，诸如平整辊或另一适当的校正器装置或辊装置，粉末表面可以被平滑。为加速融化过程，来自粉末贮存器s的输入粉末ps可以被红外光预热至仅低于粉末融点的工作温度。整个系统10可以被接收在壳体(未明确地示出)中，壳体被保持在排空大气和/或惰性气体气氛中。

这样，在迭代生产性构造过程中生成由结块粉末制成的三维烧结或″打印″物体或工件w。在这种情况下，周围的粉末支撑物体w的迄今为止构造的部分，意味着不需要外部支撑结构。构造平台2的递进的连续的向下运动z2导致工件w的分层模型生成。

对于向下运动z2，3d打印装置10包括下降驱动器，下降驱动器可以在粉末容器1中递进地或连续地降低构造平台2。出于该目的，构造平台2安装在转动轴3上，转动轴3竖直地延伸通过粉末容器1的基部。下降驱动器可以例如包括由下降驱动马达5驱动的涡轮4，所述涡轮接合转动轴3的外螺纹并且将下降驱动马达5的轴的转动运动转换成转动轴3在方向z2上的平移运动。

构造平台2也被安装成相对于粉末容器1围绕转动轴3转动。出于该目的，3d打印装置10可以包括转盘9，转盘9刚性地连接到转动轴3并且构造平台2借助于一个或多个滚珠轴承8可转动地安装在转盘9上。转动驱动马达6向转动驱动轴7传输转动运动，转动驱动轴7由转动驱动马达6驱动并且又接合构造平台2的下侧上的对应螺纹。结果，转动驱动轴7的转动运动r7可以被转换成构造平台2在转盘9上围绕转动轴3的转动。

在工件w的增材制造过程中，粉状材料p的作为用于增材制造的起始材料的粉末层在粉末容器1中添加到特定高度。能量输入设备l局部选择性地融化或硬化引入粉末容器1中的粉状材料p的表面上的某些区域。出于该目的，构造平台2在能量输入过程中通过相应地致动转动驱动马达6而被转动，使得能量输入设备l由于构造平台2的转动而覆盖预定融化或硬化路径。

当工件w的层又根据需要被融化或硬化时，下降驱动器可以降低构造平台2特定的降低距离使得粉状材料ps又可以从粉末贮存器s送入粉末容器1中。为平滑进送的粉末的表面，3d打印装置10可以包括粉末移除装置d，诸如校正器或平整辊，粉末移除装置d被设计成从粉末表面移除从粉末贮存器s额外地进送的粉状材料ps。此处，粉末移除装置d可以在方向zd上被降低到粉末表面上，并且过多的粉末在转动运动rd中被移除。

图2和3是3d打印装置10的在图1的粉末容器1的区域中的细节的示例性示意图。在这种情况下，应该清楚的是图2和3中描述的实施例的特征和各组特征也可以应用于图1的实施例。

图2示出粉末容器1，其中构造平台2的平面定向成垂直于转动轴3，即，使得构造平台2在粉末容器1中以相对于转动轴3的直角延伸。这表示额外地引入的粉末p在构造平台2上分布成大致均匀的厚度。

图3然后示出构造平台2的平面可以相对于转动轴3倾斜一斜角θ。换句话说，构造平台2可以相对于转动轴3倾斜，使得构造平台2在粉末容器1中延伸以被倾斜。当构造平台2围绕转动轴3转动时，额外引入的粉末p将因而保持在已经部分制造的工件w的在构造平台2的倾斜位置处相对于转动轴3水平地延伸的那些部分上。特别地对于工件w的待制造的突出部和下陷部，能量输入设备l因此可以将能量输入粉末层的未在构造平台2的水平(即不倾斜)位置处的区域中。

图4是用于生成增材制造构件的3d打印方法m的示意序列的方框图，增材制造构件例如为可以在诸如图1至3示出的3d打印装置10的3d打印装置中生成的类型的构件或工件w。此处，3d打印方法m可以使用3d打印装置10的与图1至3结合描述的基础设施。

在第一步骤m1中，作为待制造构件w的起始材料的粉状材料p的粉末层首先引入粉末容器1中。在第二步骤m2中，通过在粉末层的表面上借助于布置在粉末容器1中的开口上方的能量输入设备l，例如借助于以点或线性方式聚焦在粉末表面上的激光器，局部选择性地融化或硬化粉状材料，在第三步骤m3中，在可转动地安装在粉末容器1中的构造平台2围绕转动轴3转动的过程中，工件w可以以多层的方式被生产性制造。出于该目的，在第四步骤m4中，构造平台2可以在粉末容器1中递进地或连续地降低。在步骤m3中的转动过程中，构造平台2相对于转动轴3倾斜一斜角θ。

一旦构造平台2已经降低预定距离，则斜角θ可以最优地改变以在工件w的相关突出部或下陷区域中为局部选择性地融化或硬化过程提供更好的防问性。一旦在每个情况下构造平台2的斜角θ已经改变，则额外的粉状材料ps从粉末贮存器s被送入粉末容器1中。

所述方法可以通常用于运输产业的所有领域，例如用于道路机动车辆、导轨车辆或水运工具，但是也用于土木工程和机械工程。

图5是非易失性计算机可读存储介质20的图解示意图，计算机可执行指令存储在非易失性计算机可读存储介质20上，当在数据处理装置上执行时，计算机可执行指令促进数据处理装置执行与图4结合描述的3d打印方法m的步骤。存储介质20可以例如包括sd卡、usb闪盘驱动器、软盘、cd、dvd或类似的适当介质。

在上述描述中，在一个或多个示例中，各种特征已经组合以改善说明的准确性。然而，应该清楚的是以上描述仅是说明性的，实质上决不是限制性的。意图是覆盖实施例和各种特征的所有的供选方案、修改例和等同例。鉴于其专业知识，本领域的技术人员从以上描述将立刻地和直接地明白许多其它的示例。

实施例已经被选择和描述以尽可能清楚地解释本发明背后的原理和其可能的实际应用。这使得本领域技术人员可以用旨在使用的最优方式改变和使用本发明和其多个实施例。在权利要求和描述中，术语″包括″和″具有″用作用于对应术语″包括″的中性术语。此外，术语″a″和″an″和″one″的使用原则上不旨在排除以这种方式描述的多个特征和构件的可能性。

标记列表

1粉末容器

2构造平台

3转动轴

4涡轮

5下降驱动马达

6转动驱动马达

7驱动轴

8滚珠轴承

9转盘

10增材制造系统

11底板

20存储介质

d粉末移除装置

l能量输入设备

m增材生产方法

m1方法步骤

m2方法步骤

m3方法步骤

m4方法步骤

p粉末

ps粉末输入

r2构造平台转动

r7驱动轴转动

rd粉末移除转动

s粉末贮存器

w构件

z2构造平台降低运动

zd粉末移除装置降低