借助温度可控的打印头制造三维模型的方法和设备的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及根据权利要求1的前序部分所述的用于制造三维模型的方法和设备。
【背景技术】
[0002] 在欧洲专利文献EP 0 431 924 Bl中描述了一种用于由计算机数据制造三维物体 的方法。在此，将颗粒材料以薄层涂覆到平台上并且借助具有粘合材料的打印头选择性地 打印所述颗粒材料。粘合剂打印的颗粒区域在粘合剂以及必要时附加的固化剂的影响下粘 合并且固化。随后，平台以层厚下降到结构圆柱体中并且以提供新的颗粒材料层，同样如以 上所描述那样地打印颗粒材料。重复这些步骤，直至达到物体的所期望的一定高度。因此， 由所打印的并且所固化的区域生成三维物体。
[0003] 所述由所固化的颗粒材料制造的物体在其生产完成之后嵌入在松散的颗粒材料 中并且随后清除所述松散的颗粒材料。这例如借助吸气装置实现。然后剩下所期望的例如 通过刷净清除了残留粉末的物体。
[0004] 其他基于粉末的快速成型处理、例如选择性的激光烧结或者电子束烧结也以相似 的方式工作，其中松散的颗粒材料同样分别逐层地涂覆并且借助所控制的物理辐射源选择 性地固化。
[0005] 以下，将所有这些方法归纳在概念"三维的打印方法"或者3D打印方法下。
[0006] 在层构造技术中，基于粉末状的材料和引入液体粘合剂的3D打印是最快速的方 法。
[0007] 借助所述方法能够处理不同的颗粒材料，特别是聚合物材料。然而，在此不利在 于，颗粒材料给料不能超过一定的散装密度，所述散装密度通常为理论密度的60%。然而， 所期望的部件的强度决定性地取决于所达到的密度。就此而言，在此对于部件的高的强度 需要以液体粘合剂的形式加入颗粒材料体积的40%及以上。由于单个液滴引入，这不仅是 相相当耗时的处理，而且也引起多个处理问题，它们例如通过在固化时液体量的不可避免 的收缩而引起。
[0008] 以本领域已知的"高速烧结"（缩写：HSS)的另一种实施方式中，通过红外辐射的 引入实现颗粒材料的固化。在此，通过融化处理在物理上粘合颗粒材料。在此，充分利用在 没有颜色的塑料中热辐射的相对差的吸收。然而，能够通过将红外接收体、也称作缓冲剂 (Moderator)引入到塑料中，以使所述吸收提高多倍。在此，可以通过例如棒状的红外灯的 不同方式引入红外辐射，所述红外灯均匀地在构造区域上方移动。通过相应层的有针对性 的打印红外接收体实现所述选择性。由此，红外辐射在已打印了的位置处比在没有打印的 区域中明显更好地耦合到颗粒材料中。这导致在层中超过熔点的选择性加热并且因此导致 选择性固化。例如在EP1740367B1和EP1648686B1中描述了所述处理。在那里也描述了一 种简单的设备，然而因为缺少相应的温度控制，所以其仅仅在小规模中能够起作用并且不 适于更大的构造区域的打印。
【发明内容】
[0009] 因此，本发明的任务是提供一种可扩展设备，借此能够实现HSS处理或者至少改 善现有技术的不利。
[0010] 在此，根据本发明的设备由存储的颗粒材料的层上的构造面组成。构造面通过线 性的移动单元逐层地移动经过构造空间。构造空间例如可以通过在处理结束之后可以从设 备取出的交换容器限定。用于层涂覆的设备部件在处理室中运动。用于层涂覆的设备例如 可以是根据（DE10216013B4)的振动涂覆装置或者反向驱动辊（EP0538244B1)或者简单的 刮板，其将颗粒材料以20 μπι至300 μπι厚、优选50 μπι至200 μπι厚的薄层涂覆到构造区域 上。
[0011] 打印头也位于处理室中，所述打印头至少具有喷嘴并且打印具有红外接收体的相 应层。
[0012] 基本上存在以下可能性：以喷雾的形式或者以单个液滴的形式矢量形地在构造区 域上涂覆红外接收体的涂覆。为了达到适合的分辨率，喷雾大小或者液滴大小应当位于范 围20-200 ym中。为了达到更高的处理速度，使用通过多个喷嘴生成单个液滴并且在构造 面上方进行栅形运动的打印头是有利的。此外，红外灯位于处理室中，所述红外灯以点或者 线的形式照射构造面整体或者构造面的部分。在后两种情形中，为了照射整个构造区域，红 外灯必须借助移动单元运动经过构造区域。棒状的红外灯证实为有利，其在构造区域的整 个宽度上延伸并且照射移动方向上的相对窄的区域。可以相互独立地或者组合地实施用于 涂覆装置、打印头和红外灯的运动的移动单元。有利地，以棒状实施的灯位于涂覆装置单元 的背侧上。通过这种方式，涂覆装置可以在向回行驶到开始位置时实施照射，而向另一个方 向的运动用于借助可能减小的灯功率的涂覆。在所述实施中，打印头可以安装在灯的进一 步后方的另一个运动轴上。
[0013] 构造面优选在至少在构造面的侧上敞开的构造圆柱体中移动并且与所述构造圆 柱体共同构成构造空间。优选地，在打印处理的结束之后能够从设备取出所述构造空间。然 后，所述设备可以通过另一构造空间的置入再次实施新的层构造处理。
[0014] 借助HSS处理，能够处理颗粒形式的多种聚合物材料、例如聚酰胺。作为红外接收 体例如可以使用石墨，其混合在承载液体中作为悬浮液。不同的容易打印的液体一一例如 异丙醇、琥泊酸二甲醋（Dimethylsuccinat)以及具有限制的乙醇或水适合作为承载液体。
[0015] 处理的调节必须如此实现，使得所打印的区域中的温度至少短时间超过颗粒材料 的熔点。在聚酰胺12(缩写PA12)的情况下，其约是180°C。相反，在没有打印的区域中应 当使温度尽可能地低，因为在更低的温度时聚合物材料也可能已经不可逆地变化。
[0016] 引入到颗粒材料中的红外能量例如能够通过灯功率或者但也通过棒状的灯通过 构造区域的移动速度来调节。在所述方法中不利的是，用于红外接收体的承载液体在所打 印的区域上蒸发并且因此在所述处理中所述区域中的温度下降。因此有利的是，构造空间 中的温度已经通过适合的措施升高到更高的水平，以便尽可能小地保持必要的温度差，所 述温度差必须借助灯来克服。在此又要注意，不过大地选择温度，以便保持颗粒材料的损坏 小。基本上也存在在涂覆之前加热颗粒材料的可能性。然而已经证实，在涂覆时和涂覆之 后将颗粒材料非常快速地调节到周围环境温度上并且再次输出热能量。对于PA12而言，对 于构造空间的环境温度范围60°C _120°C证实为有利。温度范围75°C至95°C是更有利的。 在所述温度时，颗粒材料可能已经开始与空气中的氧气反应。因此，对构造空间施加保护气 体可能是必须的。氮气例如适合作为保护气体，同样也可以使用其他气体、例如氩气。
[0017] 为了使构造空间中的温度增大到所期望的水平，在所述设备中设置其他的加热装 置可能是必须的。这例如能够以尽可能均匀地加热整个构造区域的红外辐射器的形式在 构造区域上实现。然而也可以设想，从处理室排出空气，借助相应的装置、例如加热调节器 (Heizregister)将其加热并且将其再次有针对性地吹入到处理空间中。此外，当尽可能恒 定地保持处理空间中的热时是有利的。为此，与温度传感器相互作用地调节构造空间中的 加热可能性的温度控制装置是有利的。在此，构造区域上的温度梯度不应当超过l〇°C。为 了简化温度控制，期望向周围环境尽可能小地损失热。因此需要以适合的措施隔离处理室 并且在门和盖上设置相应的密封。同样适用于构造空间，所述构造空间同样如此构型，使得 向周围环境少输出热。这通过在接触位置处具有相应隔离装置的构造圆柱体的双壁设计实 现。基本上也可能的是，通过构造圆柱体和/或构造平台的例如内壁的主动加热来平衡构 造空间中的温度损失。另一种可能性在于将已加热的气体主动引入到构造空间中，所述已 加热的气体用作能量载体并且向颗粒材料给料输出热。气体的引入例如可以通过构造平台 中的孔实现。
[0018] 作为打印头可以使用所谓的支路配料器（Strangdo