用于通过选择性地固化层状施加的构建材料来制造三维对象的方法和设备与流程

本发明涉及一种用于通过选择性地固化层状施加的构建材料来制造三维对象的方法和设备，其中，作用到所施加的构建材料上的射束在构建平台上产生固化层。

背景技术：

由de102013021891a1已知一种用于3d打印方法的具有加速的移动引导装置的设备，该设备包括多个打印头，这些打印头在xy平面内移动用于选择性地固化层状施加的构建材料，以便产生三维对象。为了提高体积生产率，设置并行地进行层施加和打印过程。这些过程同时实施，其方式是：先后依次地布置多个层施加和印刷单元，使得在层施加和印刷单元的共同移动中布设并且选择性地固化多个层。

从us2015/0273583a1中已知一种激光扫描检查装置，其具有多个彼此并排布置的非接触式传感器，这些非接触式传感器可一起沿着引导组件沿着用于层状地待构建工件的构建腔室移动。此外，该装置包括刮削器和定位传感器。该激光扫描检查装置与刮削器一起移动，以便平整并检测待施加的面。随后，借助镜将激光射束偏转到待固化的层上。在借助激光构建固化层之后，重新移动激光扫描检查装置。

由de102013109162a1已知一种通过选择性地固化层状地施加的构建材料来制造三维对象的方法和设备。在此设置，在xy平面内延伸的构建平台上方设置包括多个功能开口的加热模块。在加热模块上方设置有辐射源，激光射束通过所述辐射源指向构建平台。除辐射源之外，还设置加热模块并且在旁边设置用于构建材料的施加装置。与之相邻地又设置红外照射器，以便加热构建材料或者所产生的层。

为了施加一个层设置，借助ir射束加热构建平台或最后所施加的层。随后，在构建平台相对于加热模块移动运动期间施加构建材料。随后，该施加的构建材料借助激光射束被固化。

通过构建平台的相反移动方向产生第二层，并且执行与在第一层的固化时类似的过程。

由wo2012/076205a1已知一种用于制造三维构件的方法，其中，在无端带上可以构建多个用于制造多个三维对象的层，其中，沿着无端带设置多个单层施加设备或所配属的用于施加激光射束的辐射源，使得并行地进行层施加和曝光或者说构建材料被固化。

由wo2014/199149a1已知一种用于通过固化在过程腔室中层状施加到构建平台上的构建材料来制造三维对象的设备。在此，激光射束分别通过多个光学元件施加到构建平台的工作区域上。在激光射束之前和之后地分别设置有流动通道，以便产生保护气流。保护气流与激光射束的移动方向相反地设置。在该保护气流设备上，在前和落后地还分别设置有用于使构建材料整平的滑动件。相邻于构建平台并且在构建平台外布置有用于输出新的待施加构建材料的存储器。

技术实现要素：

本发明的任务是，提出一种通过选择性地固化层状施加的构建材料来制造三维对象的设备和一种用于制造这种三维对象的方法，以便减少过程时间、尤其非生产时间并且在监控所施加的层的质量的同时提高生产率。

该任务通过一种用于通过选择性地固化层状施加的构建材料来制造三维对象的设备来解决，该设备具有过程辅助设备，该过程辅助设备具有第一模块和第二模块，所述第一模块和第二模块带有位于它们之间的射束引导区段，其用于指向构建平台的射束，并且，第一模块和第二模块分别具有用于输出构建材料的施加装置和具有监控装置，监控装置具有用于感测所施加和所固化的层的至少一个传感器。因此，第一模块和第二模块冗余地构建。由此能够实现，在沿射束的第一移动方向的移动运动时，第一模块领先于射束移动并且第二模块落后于射束移动，并且，在沿射束的与第一移动方向相反的射束移动方向时，第二模块领先地被引导，而第一模块落后地被引导。这使得能够实现，在通过射束的制造过程期间，通过具有至少一个传感器元件的监控装置的协同运动，能够直接感测所施加的但还未固化的构建材料层以及已固化的构建材料层，由此可以监控质量和减少非生产时间或直至将其减少为零。

优选地设置，第一模块和第二模块以及位于它们之间的射束引导区段沿着共同的轴线在彼此旁排列(串联)地布置，并且设置在各模块中的至少一个施加装置和监控装置关于射束引导区段镜像对称地布置。由此能够实现过程辅助设备在两个方向的移动，并且在每个移动方向上提供相同的功能。

此外，优选地设置，监控装置以直接相邻于射束引导区段的方式而施加装置以与射束引导区段远离的方式设置在相应的模块中。这具有以下优点：可以紧邻射束与构建材料相遇的相遇点感测过程参数。领先的至少一个传感器元件可以感测构建材料的所施加的层的完整性和/或所需要的厚度，并且落后的监控装置中的所述至少一个传感器元件可以感测构建材料的已固化的层的类似特性。

第一模块和第二模块的施加装置包括用于构建材料的存储器以及用于计量地输出施加材料的施加喷嘴。由此可以进行构建材料的有针对性的输出。

第一模块和第二模块的监控装置相邻于所述至少一个传感器元件具有曝光装置。例如可以使用热相机来感测与构建材料的熔化点相邻的冷却速率。可以使用ir照射器、一个或一组二极管激光器或也可以使用白光作为曝光装置。

在过程辅助设备的第一模块和第二模块中，在施加装置和监测装置之间分别设置保护气流设备的流动通道，流动通道分别朝射束引导区段定向并且优选地横向于过程辅助设备的移动方向延伸。由此可以改善构建材料的熔化并且改善成为层的固化，因为通过将保护气体供应到过程区中并紧接着将其从过程区抽吸走可将烟、烟雾、飞溅物等立即导出。

优选地设置，流动通道构造为吸走装置和喷嘴，使得能够根据过程辅助设备的移动方向操控保护气体的流动方向。由此又可以与过程辅助设备的移动方向无关地实现相同的过程条件。

此外，优选地设置，在每个模块上在施加装置和监控装置之间设置有平整装置，该平整装置优选构造为刷条、橡胶唇或刀片。这使得能够实现，在从施加装置施加构建材料之后设有构建材料的平整过程，用于施加材料后来的固化。

横向于过程辅助设备的移动方向定向的平整装置和/或流动通道和/或施加装置的施加喷嘴优选延伸经过构建平台的整个宽度。由此使得能够绕着射束引导区段实现几乎闭合的过程空间，由此又实现改进的过程条件。此外，构建材料可以被施加到构建平台的整个宽度上。

此外，本发明的任务通过一种用于通过选择性地固化层状施加的构建材料来制造三维对象的方法来解决，在所述方法中，在至少一个射束偏转到构建材料上的同时使过程辅助设备沿用于固化构建材料的移动方向移动，所述过程辅助设备具有第一模块和第二模块以及位于它们之间的射束引导区段，并且，每个模块具有用于输出构建材料的施加装置以及具有监控装置，该监控装置具有用于感测所施加的和所固化的层的至少一个传感器元件，并且在沿所述至少一个射束的第一移动方向的移动运动时，第一模块领先所述至少一个射束地被引导并且第二模块落后所述至少一个射束地被引导，而在沿所述至少一个射束的相反的移动方向时，第二模块领先地被引导并且第一模块落后地被引导。由此可以在每轮移动运动时施加、固化和监控一个层，使得能够至少实现并行的层施加、固化和监控。

此外，优选地设置，各模块的监控装置相邻于射束引导区段定向并且各模块的施加装置与射束引导区段远离地定向，沿过程辅助设备的第一移动方向，在领先的第一模块中操控(开启)用于输出构建材料的施加装置，并且，第一模块的具有至少一个传感器元件的监控装置感测和监控构建材料的所施加的层，并且，在落后的模块中施加装置停止并且在具有至少一个传感器元件的监控模块中感测和监控在射束与构建材料的层的相遇点处的过程区和/或层的固化区域。由此能够在移动运动期间实现过程参数的优化监控。

此外优选地设置，在射束的用于固化构建材料的移动方向逆转时，互换对第一模块和第二模块的操控。由此通过第一模块和第二模块的冗余提供简单的操控。

附图说明

在下面根据在附图中所示的示例详细地说明和阐述本发明以及另外的有利实施方式和扩展方式。从说明书和附图中得到的特征可以根据本发明单独应用或者将多个特征以任意组合应用。附图示出了：

图1示出根据本发明的设备的示意性的侧视图，

图2示出根据图1的设备的过程腔室中的构建平台的示意俯视图，

图3示出根据图1的设备的过程辅助装置的示意俯视图，

图4示出在用于固化第一层的过程步骤期间过程腔室的示意性的侧视图，

图5示出在用于固化在第一层上的第二层的另一过程步骤中过程腔室的示意性的侧视图。

具体实施方式

图1示出根据本发明的设备11的示意性侧视图，该设备用于通过选择性地固化被层状施加的构建材料来制造三维对象12。该设备11也称为3d打印系统、选择性激光烧结机、选择性激光熔化机等。设备11包括壳体14，在壳体14中设置有过程腔室16，其中，过程腔室16向外闭合并且可经由门49(图2)或安全封闭装置进入。在过程腔室16中，构建平台17设置在xy平面内，在构建平台17上层状地产生三维对象12。相邻于能够沿z方向移动的构建平台17设置溢流容器19或收集容器，在所述收集容器中收集不需要的或未固化的构建材料。在构建平台17上方，过程辅助设备21布置在过程腔室16中。该过程辅助设备21至少在x方向上沿着引导装置22通过设备11的控制装置23被操控。

过程辅助设备21包括第一模块和第二模块25,26，在它们之间布置有射束引导区段27。该第一模块25、第二模块26和射束引导区段27能够作为一个单元一起在构建平台17上方移动。

射束引导区段27可以构造为第一模块和第二模块25,26之间的自由空间，使得由辐射源29产生的射束30穿过射束引导区段27被引导或偏转到构建平台17上，以便将施加在构建平台17上的构建材料在相遇点32处固化。辐射源29优选是用于产生激光射束的激光辐射源。在辐射源29和射束30与设置在构建平台17上的构建材料的相遇点32之间可以设置有多个射束引导元件33，其中，射束引导元件33之一优选固定地配属于射束引导区段27。

第一模块25和第二模块26冗余地构建，使得下面说明模块25的结构，该结构同样适用于模块26。

模块25包括施加装置35，该施加装置具有用于构建材料的存储器36以及施加喷嘴37。此外，模块25包括监控装置38，该监控装置具有至少一个传感器元件39。该传感器元件39例如可以感测施加的层厚度和/或构建材料的完整性或固化的层厚度以及固化的层的完整性。补充地，可以在监控装置中设置曝光装置41，该曝光装置指向过程区或熔池，或者指向与之相邻的区域，以便从中感测过程参数。曝光装置41可以是ir照射器等。所述至少一个传感器元件39和/或至少一个曝光装置41朝相遇点32或其邻近区域的方向定向。

在施加装置35和监控装置38之间布置有仅示意性地示出的保护气流装置44的流动通道43。该流动通道43具有指向射束引导区段27的喷嘴45。在流动通道43和施加装置35之间设置有平整装置47。该平整装置可以构造为刷子、刀片等。在第一模块和第二模块25,26中，监控装置38、流动通道43、平整装置47和施加装置35在彼此旁的排列关于射束引导区段27镜像对称。

控制装置23包括至少一个数据处理设备，并且设置为用于操控设备11的所有部件。

在图2中示意性示出构建平台17和溢流容器19的俯视图。构建平台的几何形状也可以与圆形形状不同。在过程腔室16的前端侧示意性地示出用于可进入到过程腔室16中的开口49。

在图3中示意性示出过程辅助设备21的俯视图。第一模块25和第二模块26可沿着引导装置22移动地接收在引导装置22上，所述第一模块和第二模块例如通过共同的基板51相对彼此定位。流动通道43的喷嘴45的宽度至少相应于构建平台17的沿y方向延伸的延伸尺度。有利地，平整装置47也类似。施加装置35的施加喷嘴37同样如此。由此可以在沿x方向的第一移动运动和与x方向反向的第二移动运动期间，在构建平台17的整个宽度上进行构建材料的施加以及构建材料的整平。替代地也可以选择性地和/或区域地施加构建材料，只要施加喷嘴37为此构造即可。

此外，流动通道43的喷嘴45在构建平台17的宽度上的延伸尺度具有以下优点：在射束30与构件材料的相遇点32处及其周围可以产生保护气体区，该保护气体区至少相应于过程区，使得烟、烟雾、飞溅物等可以直接从熔池在相遇点32处被输送走。

待固化的构建材料优选为粉末状。可以使用金属粉末以及塑料粉末作为构建材料。

在图4中示意性地示出用于三维对象12的第一层n的制造。过程辅助设备21沿第一移动方向、例如沿x方向移动。在此，第二模块26相对于射束30领先并且第一模块25相对于射束30落后。通过模块26的施加装置35施加构建材料。随后，通过平整装置47将施加的构建材料整平。所述至少一个传感器元件39可以在层厚度和/或完整性方面感测所施加的层。随后，还未固化的构建材料由于与射束30相遇而熔融并且固化。可以通过在第一和/或第二模块25,26中的至少一个曝光装置41进行熔池的监控。此后，落后的第一模块25中的所述至少一个传感器元件39可以在厚度和/或完整性方面监控固化的层。在呈刀片形式的情况下，落后的平整装置47例如可以整平所产生的层n上的过高部。落后的模块25的施加装置35在第一移动运动时停止。保护气流装置44在第一移动运动期间被操控并且产生保护气流，该保护气流优选与过程辅助设备21的移动方向相反地设置。由此在过程区中产生的热量可以经由已经固化的层被导出，使得减少或防止对仍然粉末状的构建材料的热影响。

在制造层n之后，将过程辅助设备21的移动方向逆转，使得该过程辅助设备与x方向相反地移动。第一模块和第二模块25,26的操控被互换，使得由此制造出层n+1。这例如在图5中示例性地示出。第二模块26在制造层n时的功能在此由领先的第一模块25承担。在施加层n+1时，第二模块26落后并且相应于根据图4在施加层n时的落后的模块25被操控。

通过该过程辅助设备21，使得能够对每一层n，n+1完全监控构建材料的固化过程。同时，可以在操控过程辅助装置21时，沿两个移动方向中的每个方向分别进行用于制造三维对象12的被完全监控的层构建过程。