用于改进地控制在生成式层构建过程中的能量输入的方法和设备的制造方法

用于改进地控制在生成式层构建过程中的能量输入的方法和设备的制造方法
【专利摘要】一种用于逐层地构建由粉末状构建材料构成的三维物体(3)的方法，其中，在一个层的对应于至少一个物体的横截面的部位处分别相继地使粉末状构建材料层固化，其中，所述固化通过引入热能实现，并且所述方法具有下述步骤：使所述层的对应于所述物体的横截面的所有部位固化，其中，至少在所述层的子区域中根据用于之前的粉末层的之前的固化步骤的持续时间或者根据当前的固化步骤的之前计算的持续时间来设定所引入的热能量。
【专利说明】
用于改进地控制在生成式层构建过程中的能量输入的方法和 设备
技术领域
[0001] 本发明设及一种用于借助于生成式制造来逐层地构建Ξ维物体的方法和相关的 设备。本发明尤其是设及一种该类型的方法和一种该类型的设备，通过所述方法和设备改 进所制造的物体的精度。
【背景技术】
[0002] W0 95/11100 A1描述一种作为逐层地生成式制造方法的特殊情况的激光烧结方 法。当使用通过引入热能烧结或烙融的粉末作为制造的原始材料时，构建过程正常情况下 进行为，使得制成待制造的物体的CAD模型，该CAD模型被分解成层，并且随后根据CAD模型 的横截面将构建材料逐层地固化。
[0003] 对于每个粉末层而言，构建过程如下进行：
[0004] 在将粉末状构建材料层涂覆到已经固化的层上之后，首先借助于福射将新涂覆的 粉末层加热预热到低于固化溫度的工作溫度。于是，将福射(例如激光射束)定向到预热的 层上W选择性固化构建材料。在制成物体的所有层之后，能够将该物体冷却并且将所述物 体从包围物体的未固化的粉末中移除。
[0005] 如从上述制造过程中可知，在借助于激光射束通过烧结或烙融固化粉末层的对应 于待制造的物体的横截面的部分之前，首先将粉末层预热。通过预热粉末层，激光射束必须 仅还给粉末输送低的残余能量，W便进行固化过程。运允许层的更快速的选择性固化(选择 性照射物体的对应于所述层的横截面)并且此外更好地监控引入到粉末中的能量。
[0006] W0 95/11100 A1设及由金属粉末制造金属部件并且描述了下述问题:在激光功率 恒定的情况下形成具有不均匀的材料特性的构件。运是因为，存在粉末床的完全烙融的区 域和没有完全烙融的区域。作为该问题的原因，W0 95/11100 A1证实在用于固化的激光射 束所射到的粉末层之内的溫度不均匀性。
[0007] W0 95/11100 A1提及，在激光射束射到当前最高层的入射点之下的层、更确切的 说在所述最高层之下的层是否已经进行固化过程是重要的。如果在激光的入射点之下，即 在位于其下方的层中还存在未固化的粉末材料，那么所述未固化的材料不那么好地散热并 且存在更多的能量用于在当前层中激光的当前入射点处的烙融过程。此外阐述了，在当前 层中多少已经固化的区域邻接于当前的入射点也是重要的。对于许多已固化的区域邻接于 当前的入射点的情况而言，热能通过已固化的区域相比通过未固化的粉末更好地散出。运 是因为，已固化的区域在W0 95/11100 A1中由良好导热的金属构成。因此，根据W0 95/ 11100 A1，为了良好的固化效果(尽可能完全地烙融粉末)必须输送更多的激光能量。
[000引为了解决上面提出的问题，W0 95/11100 A1建议，激光能量对于激光的每个入射 点而言适配于粉末层的下述溫度，该溫度在该入射点附近通过溫度传感器确定。
[0009]还有设及制造由金属或陶瓷粉末构成的成型体的W0 2013/079581 A1识别考虑在 借助于激光输入能量时在待固化的层之内的溫度不均匀性的必要性。然而，W0 2013/ 079581 A1想要避免在激光射束的相应的入射点附近的溫度检测时相对大的测量技术方面 的耗费W及用于实时数据处理的耗费。替代于此，WO 2013/079581 A1建议，在一个地点待 输入的热能在实施整个构建过程之前就已经W计算机辅助的方式被确定：
[0010] 因为待制造的物体的CAD数据无论如何都存在，所W能够在识别所使用的构件材 料的热学参数时预先计算对于在每个层中的每个射束入射点的散热能力并且与此相应地 改变在相应的福照地点处每时间单位的能量输入。射束入射点的周围环境的不同的散热能 力在W0 2013/079581 A1中如下考虑:限定在每个射束入射点附近的确定大小的局部的周 围环境并且计算在运个局部的周围环境中对于每个体素的散热能力。如已经从该方法的描 述中可见的是，为了相应地确定每个福照地点的激光参数，计算耗费是不低的。

【发明内容】

[0011] 因此本发明的任务在于，提供一种用于逐层地生成式制造 Ξ维物体的方法W及相 关的设备，所述方法和设备W有限的耗费获得高的制造精度。
[0012] 所述任务通过根据权利要求1所述的方法和根据权利要求12所述的设备得W解 决。本发明的扩展方案在从属权利要求中给出。
[0013] 本发明所基于的构思是，逐层的制造是一个动态过程。在现有技术通过如下方式 获得待制造的物体的提高的细节精度，即考虑通过待制造的物体在粉末床中的几何形状所 得出的散热能力，而本发明考虑冷却已固化的区域的时间过程。
[0014] 本申请的发明人认识到，所制造的物体的特性、例如断裂伸长率、尺寸或表面质量 与用于照射在粉末层中的待固化的区域所需的持续时间（总照射时间）相关。在构建仅一个 单独的物体时，总照射时间与用于固化粉末层中的物体横截面所需的时间是相同的，而在 同时制造多个物体时，总照射时间等同于用于各个物体的横截面的照射持续时间的总和。 令人惊讶的是，确定的物体的特性与多少其它物体与该物体同时制造相关。对此的原因如 下：
[0015] 在一个层内待照射的(待固化的）区域的长的总照射持续时间的情况下，所述区域 具有较长的时间通过热福射、热传导或对流来散热。因此，所述层更强地冷却并且整体上不 存在那么多的能量用于烙融或烧结后续的层。作为结果，机械特性、例如断裂伸长率由于后 续的层的较差的粘附而变差。反之，在一个层的短的总照射时间的情况下，所述层不那么强 地冷却并且在后续的层中的粉末能够完全烙融，由此得到更好的机械特性。
[0016] 不仅机械特性受到层的总照射时间影响，例如表面质量和其它大小也受此影响。 例如，物体横截面的尺寸也受到层照射时间的影响，因为在层的照射时间较长(并且较强地 冷却）的情况下，相比在层的总照射时间较短的情况下在位于其上方的层中更少的未固化 的粉末粘附在物体横截面的边缘处。
[0017] 此外，当前层的总照射时间也影响物体的特性。
[0018] 按本发明的方法根据在位于当前待照射的层之下的层的待固化的区域的总照射 时间或者根据在当前待照射的层中的待固化的区域的总照射时间来提高或降低（即减少） 用于固化的福射的每单位面积的热输入。由此，能够考虑在制造期间的动态过程，运在现有 技术中不是运种情况。作为结果，能够获得具有改进的机械特性和改进的细节精度的构件， 其中，不必采用复杂的计算或测量方法。下面为了加 W说明，根据本发明对于在一个层中待 固化的整个区域的照射持续时间通常是重要的，在下面提到"待固化的区域"而并不是"物 体横截面"，从而也包括在进行构建过程的容器中同时制造多个物体。
【附图说明】
[0019] 下面借助于附图来描述本发明。在附图中：
[0020] 图1示出用于根据本发明由粉末状构建材料逐层制造 Ξ维物体的设备的一个示 例；
[0021] 图2示出一个测试构件，该测试构件在示例性的预测试的范围中制成，W便确定能 量输入的与层照射时间相关的改变；
[0022] 图3示出一个曲线，所述曲线描绘在测试构件上确定的厚度与层照射时间的相关 性；
[0023] 图4示出借助测量测试构件确定的能量输入的与在固化测试构件时的照射时间相 关的预因子；
[0024] 图5示出一个曲线，该曲线示出在测试构件上确定的对于能量输入匹配于照射时 间的情况的平均厚度；
[0025] 图6示出构建区的俯视图，W阐明用于避免局部过热的可选的途径。
【具体实施方式】
[0026] 参考图1，首先W激光烧结设备为例描述了按本发明的用于借助于生成式层构建 方法（generativen Schich忧auverf址ren)来制造 Ξ维物体的设备。
[0027] 如在图1中示出的，待制造的物体3在一个构建底板2上逐层地制成。构建底板2形 成底部，并且框架1形成向上敞开的容器的侧壁，在该容器中进行构建过程。构建底板2与升 降机构4连接，该升降机构能够使构建底板沿竖直方向移动。框架其上方的端部包围构 建区5,在该构建区中进行固化。在构建区5上方设有涂覆器11，用于将粉末状构建材料的层 施加在构建区中。作为粉末状构建材料，在此可W使用所有的借助于热输入可固化的粉末， 例如聚合物粉末、金属粉末、陶瓷粉末或者也可W使用由不同类型的材料组成的复合粉末。 此外，粉末也能添加有填充材料和/或添加剂。
[0028] 图1还示意地示出一个涂覆设备12,该涂覆设备能够沿水平方向移动并且用于使 所涂覆的粉末层平整。此外设有呈激光器6的构型的福照设备，该激光器产生激光射束7,该 激光射束能够通过偏转装置8指向在构建区5中的任意点。通过激光射束7对在构建区中的 粉末状构建材料的作用，粉末状构建材料能够选择性地被加热，使得作为结果该构件材料 在对应于待制造的物体3的横截面的部位处被固化。
[0029] 此外，按本发明的设备在构建区5上方包含加热设备9,该加热设备将新涂覆的粉 末层预加热到一个工作溫度上，该工作溫度低于使粉末状构建材料发生固化的溫度。优选 地，加热设备(9)是福射加热装置(例如一个或多个加热福射器），所述福射加热装置可W通 过发射电磁福射将热能大面积地引入到新涂覆的粉末层中。附图标记10表示控制设备，该 控制设备与激光器6、偏转设备8、涂覆器11、涂覆设备12和升降机构4连接，并且控制所述构 建过程。在图1中没有示出壳体，该壳体包围框架1、升降机构4、激光器6、偏转装置8、涂覆器 11和涂覆设备12。此外，在图1中虽然仅示出一个物体3,但是尽管如此也能够并排地同时制 造多个物体3。
[0030] 下面描述按本发明的用于逐层地生成式地构建Ξ维物体的方法的进程：
[0031] 首先，借助于升降机构4使构建底板2移动到下述位置中，在该位置中构建底板2的 上侧或者设置在其上的构建平台位于框架1的上棱边的下方不远处。随后，借助于涂覆设备 12将由涂覆器11施加的粉末状构建材料均匀地分布在构建底板2或构建平台上。开始时设 定的相对于框架1的上棱边的竖直间距在此限定所施加的层的厚度。随后引入等待时间，在 该等待时间内借助于加热设备則尋所施加的粉末层预加热到一个工作溫度上，该工作溫度 低于使得构建材料通过激光射束的作用发生固化的溫度。加热设备9也优选与控制装置10 连接。优选地，预加热的构建材料层的溫度借助于溫度测量装置14监控。溫度测量装置14可 W是高溫计，该高溫计在构建区5的区域中测量所施加的层的表面溫度。一旦达到所期望的 粉末层溫度，那么粉末层在其对应于物体的横截面的区域中通过借助于激光射束输入热能 而固化。紧接着，将构建底板2再次降低构建材料层厚度的数值、再次涂覆构建材料、预加 热、选择性地固化等。一直重复刚刚提到的各步骤直到物体的制造过程结束。根据粉末类型 可W有利的是，在部分固化的第一层之前和/或在部分固化的最后层之后涂覆一些未固化 的构建材料层。
[0032] 借助于激光福射引入到粉末状构建材料中的、最终引起粉末材料固化的热能量确 定所得到的物体的所实现的机械特性和细节精度。如对于开始时提到的现有技术已经描述 的那样，每单位面积所引入的热量能够在粉末层上变化，W便考虑在粉末层内部的溫度不 均匀性。但是此外，根据本发明，对于在一个粉末层中待固化的区域的每个点确定的、用于 每单位面积待引入的热能的数值还附加地相比于在其它层中引入的每单位面积的热能改 变。优选地，将相应的在一个待固化的区域的点处引入到层中的热量与一个预因子相乘，该 预因子与用于当前待固化的区域的总照射持续时间相关或者与用于在位于该层下方的层 中的待固化的区域的总照射持续时间相关。该预因子优选对于当前待固化的区域的所有点 而言是相同的，尽管运不必强制性如此：
[0033] 例如可W发生：同时制造多个部件，然而所述物体中一些物体仅是虚拟物体(测试 物体），其中不设及机械特性。在运样的情况下，不必在一个层内待固化的整个区域中根据 本发明改变每单位面积所引入的热能。根据本发明的方式可W限制于在一个层中待固化的 区域的不包括虚拟物体的子区域。此外，可W存在下述情况，在该情况中例如在一个物体的 轮廓区域中不需要按本发明的方式。那么也不必在层的所有待固化的部位处考虑之前的层 的或当前的层的总照射时间，并且所述轮廓区域作为例外。
[0034] 从良好的机械特性的角度来说，此外能够足够的是，按本发明的方法仅应用在物 体的无需良好的机械特性的部位处。因此，按本发明的方法尤其是应用于在一个层中待固 化的区域的一个子区域中，该子区域在位于其下方的层中的已经固化的区域上方，换言之 其覆盖在位于其下方的层中的已经固化的区域。
[0035] 在一个层中用于固化的持续时间对于给定的激光烧结设备是已知的，因为激光器 的移动速度是已知的。此外，由待制造的物体的CAD数据中已知:在一个层内的哪些部位应 被固化。因此对于一个在当前层内待固化的区域能够预先计算所需要的持续时间。用于在 位于当前待照射的层之下的层的一个区域的固化过程的持续时间能够通过简单的时间测 量来确定。
[0036] 因此，根据本发明借助于生成式制造来制造物体能够运样进行：测量在一个层中 用于固化物体横截面的持续时间（总照射持续时间）并且然后在后续的层中根据所测量到 的持续时间选择用于每单位面积的热能输入的预因子。替选地或附加地，对于预因子的选 择能够考虑用于在当前层中的物体横截面的总照射持续时间，该总照射持续时间基于已知 的激光偏转速度和已知的CAD数据计算出。
[0037] 按本发明的方式能够借助于下述等式简洁地描述，在该等式中化。rrigiert是在一个 地点处每单位面积所引入的实际热能量，Estandard是不考虑层照射时间的情况下每单位面积 所引入的热能量，并且K是一个预因子，该预因子与在之前的和/或当前的层中待固化的区 域的总照射时间相关：
[0038] Ekorrigiert = K · Estabdard (1)
[0039] 预因子的确定例如能够按经验通过在相同的、应制造 Ξ维物体的生成式制造设备 中的预测试来确定。在此，在实际的物体制造之前，由相同的构建材料制成测试物体并且对 其进行测量。优选地，预因子Κ对于在当前层中待照射的所有部位具有相同的值，因此在所 述层上是恒定的。如果按本发明的方法仅使用在一个层的待照射的区域的子区域中，优选 预因子Κ至少在该子区域的部位处具有相同的值。
[0040] 下面描述用于按经验确定预因子的示例性方法：
[0041] 首先，在生成式层构建设备中（例如图1的设备)先后多次制成在图2中示出的测试 物体，其中各个制造过程如下区分:需要用于待固化的区域(该区域对应于测试物体的横截 面)的照射时间（固化时间）不同。因为在图2的测试构件中物体横截面的位置和构型在Ζ方 向上是不变的，因此对于每个制造过程对于测试物体的所有横截面而言照射时间（固化时 间）是相同的。
[0042] 随后，在每个测试物体的多个部位处测量测试物体的尺寸(在该示例中为Ξ个部 位）。所述测量在此应在所有测试物体上在相同的部位处执行。在图2中例如为具有标准尺 寸2.1mm、5.1mm和9.9mm的Ξ个物体部段的尺寸(厚度）。从运Ξ个尺寸中能够为每个测试物 体计算平均尺寸。在下面的表格中再次给出运样的取决于每个物体横截面的照射持续时间 的平均尺寸(平均厚度）：
[0043]
[0044]
[0045] 在制造测试物体时，对于每个物体横截面的总照射时间能够如下设定:要么在结 束每个测试物体横截面的固化过程之后引入等待时间，要么在每个测试物体横截面的固化 过程期间引入一个或多个等待周期，在所述等待周期中不发生固化。图2的测试物体的物体 横截面因此能够在7.2s内（表格中的最小值)固化，并且在表格中的较长的持续时间从所引 入的等待时间中得出。
[0046] 图3示出测试构件所获得的与对于每个物体横截面的照射时间相关的量值。根据 期望，所测量到的延伸长度(平均厚度）随照射时间的增长而减小，因为固化的物体横截面 较长时间地通过放射或对流来冷却。由此较少的粉末粘附在位于上方的层中固化的物体横 截面的边缘处，使得在测试物体处确定的平均厚度相比于下述测试物体减小，该测试物体 W对于每个横截面较少的照射时间固化。
[0047] 从图3中能够确定，如同对于较长的照射时间那样，必须提高每单位面积待引入到 物体横截面中的热能量。在图3的基础上因此能够确定每单位面积待引入的热能量的必需 的百分比增长。相关的结果在图4中示出，其中，图4示出在上面的等式（1)中的预因子K。在 图4中可见，K自大于5s的照射时间起才具有大于1的值。运是因为，在该实施例中使用的具 有标准设定的EOS P395的生成式层构建设备中存在5s的最小层照射时间。
[0048] 预因子K的值能够通过有限次数的试验来确定，其中，预因子K与层照射时间的相 关性变化。图5示出下述测试构件的尺寸，所述测试构件W其物体横截面的不同的照射时间 制成并且利用在图4中示出的预因子根据层照射时间来校正每单位面积的热能输入。可见 的是，能够与照射时间无关地实现明显更均匀的厚度。
[0049] 在该实施例中在测试构件处确定代表性尺寸（"平均厚度"）并且基于该代表性尺 寸确定预因子，每单位面积的热能输入将与所述预因子相乘。如已经在说明书前言中提及 的，总体输送给粉末的热量不仅影响已制成的物体的尺寸，而且也影响其它特性。因此，在 之前描述的制成的测试构件处替选地或除了确定特征性尺寸W外也能够确定特征性的机 械值，例如确定断裂伸长率、表征表面品质的参数或者其它特性并且将其用作为用于确定 预因子的基础。
[0050] 在W所示出的经验途径确定在预因子K和对于测试构件的物体横截面的照射时间 之间的相关性之后，为了制造 Ξ维物体能如下进行：
[0051] 测量为了照射在一个层中待固化的整个区域所需的持续时间。在固化后续的层 时，每单位面积的热能输入W预因子K来校正，该预因子根据之前的层的照射持续时间来选 择。因此，如果在之前的层中的物体横截面的照射时间例如为20s，那么在图4的基础上选择 具有值1.06的预因子。替选地或附加地，对于在当前层中待固化的整个区域的预先确定的 照射持续时间的起点也能够在确定预因子K时找到。
[0052] 当然也能够尝试，基于理论思考来确定，如何必须根据在当前和/或之前的层中待 固化的区域的照射持续时间来校正每单位面积待引入的热能量。但是，在待固化的区域内 的冷却性能与粉末状构建材料相关并且此外通过加热设备9的类型和设置方式一起确定。 因此，极适宜的是，根据所描述的预测试确定相关性。
[0053] 为预测试使用哪种类型的构件取决于在实际待生产的物体上哪些特性最重要。在 所有情况下对于照射持续时间的有意义的变形形式有利的是，测试物体的横截面不在Z方 向上(构建方向）改变。
[0054] 为了固化而引入到构建材料中的每单位面积热能量能够通过改变激光的光强度 而变化。替选地或附加地也能够改变激光在粉末层的待固化的地点上的作用持续时间，其 方式为:改变激光扫过构建区5的速度。激光射束越快地运动经过构建区5，则每时间单位越 少的热能引入到构建材料中。为了提高每单位面积所引入的热能量，可W降低激光扫过构 建区的速度。要注意的是，通过改变激光偏转速度来改变当前层的总照射时间，但是由于对 每单位面积的热能输入的校正不引起层照射时间的不受限的增长，而且更确切地说总照射 时间朝向最大值集中。
[0055] 此外，每单位面积引入的热能量也能够如下变化:改变轨迹间距，激光W该轨迹间 距扫过待照射的区域(在所谓的"缠绕化atcMng)"时）。此外，由激光器发射的光功率能够 在脉冲运行时同样经由改变频率和/或占空比而变化。
[0056] 当使用在图1中示出的激光烧结设备时，经由控制装置10实现制造过程的调控，所 述控制装置控制激光的光强度和/或其偏转速度和/或轨迹间距。
[0057] 在按本发明的方法的一种变形方案中，在对于待固化的区域的照射时间的基础上 替选地或除了每单位面积所引入的热能量W外适配于"射束偏移"。射束偏移表示激光射束 在物体的轮廓处向内位错的数值，W便此外考虑:基于热传导也将粉末直接在待固化的区 域之外一起固化，由此改变物体尺寸。当对于最后部分地固化的层的照射持续时间长并且 因而固化的区域能够在较长的时间段内冷却时，更少的粉末倾向于在当前待固化的区域的 外部轮廓上烧结。相应地，然后能够在当前待固化的区域中选择较小的射束偏移。因此也能 够根据对于之前的和/或当前的层的照射持续时间设定射束偏移。
[0058] 在本发明的另一种变形方案中，不仅考虑对于在当前层中或者在位于其下的层中 一个待固化的区域的照射时间用于确定预因子，在当前层中W所述预因子校正每单位面积 所引入的热能量或者射束偏移。更确切地说，附加地还考虑在位于当前层下方的另外的层 中的待固化的区域的照射时间。
[0059] 即使之前始终谈到借助于激光射束固化构建材料，本发明不局限于运种类型的热 能输入。本发明能够使用在所有生成式制造设备中，在运些制造设备中逐层地借助于热能 输入固化粉末状构建材料。所输入的热能在此也能够线状或面状地(例如通过掩膜照射）引 入并且不必强制性地使用激光福射。尤其是也可设想使用电磁福射。此外，本发明既可W用 在使得构建材料完全烙融的设备中，也能够使用在发生烧结过程的设备中，在该烧结过程 中粉末颗粒仅在表面烙融。
[0060] 有利地，本发明可W尤其是在下述方法中使用，在该方法中Ξ维物体由塑料粉末 或具有塑料粉末的构建材料制成，或者本发明可W使用在下述设备中，该设备适用于借助 具有塑料粉末或由其构成的构建材料执行方法。作为可行的塑料粉末的示例包括可激光烧 结的聚合物如聚芳酸酬、聚芳基酸硫烧、聚酷胺、聚醋、聚酸、聚締控、聚苯乙締、聚苯硫酸、 聚偏二氣乙締、聚苯酸、聚酷亚胺、它们的共聚物和包含至少一种上述聚合物的共混物，然 而，选择不局限于上述聚合物和共聚物。特别适宜的聚芳基能够选自下述组：聚酸酸酬 (PE邸）、聚酸酬酬(阳KK)、聚酸酬(P邸）、聚酸酸酬酬(P邸KK)和聚酸酬酸酬酬(P邸EKK)和聚 酸酸酸酬(PEEEK)W及其尤其是具有聚芳讽的共聚物W及它们的共混物，该共混物包含至 少一种之前提到的聚合物。特别适宜的聚酷胺-聚合物或其共聚物和其共混物能够选自下 述组:所述组由聚酷胺6/6T、聚酷胺弹性体、如聚酸嵌段酷胺、例如PEBAX基的材料、聚酷胺 6、聚酷胺66、聚酷胺11、聚酷胺12、聚酷胺12、聚酷胺612、聚酷胺610、聚酷胺1010、聚酷胺 1212、聚酷胺PA6T/66、PA4T/46和包含至少一种之前提到的聚合物的共聚物构成。适宜的聚 醋聚合物或共聚物能够选自聚亚烷基(例如PET、PBT)和其共聚物。适宜的聚締控聚合物或 共聚物能够选自由聚乙締和聚丙締构成的组。适宜的聚苯乙締聚合物或共聚物能够选自由 间规的和等距的聚苯乙締构成的组。此外，能够使用聚合物复合粉末，所述聚合物复合粉末 除了相应的聚合物、共聚物或共混物W外还包含填充材料和/或添加剂。运样的填充材料例 如包括纤维、例如碳纤维或玻璃纤维和碳纳米管、具有低的纵横比的填充材料例如玻璃球 或侣砂碱、矿物填充材料例如二氧化铁。添加剂此外包括工艺助剂例如娃溶胶系列的滴灌 助剂(例如娃溶胶200 )、功能性添加剂如热稳定剂、氧化稳定剂、着色颜料(例如石墨和炭 黑)和阻燃剂(例如有机漠酸盐、漠化的煤氨）。
[0061] 除了所描述的固化区域的不同的冷却之外，紧密排列在一起的构件的堆积也能够 引起溫度不均匀性、尤其是引起局部溫度过高，因为在运样的情况下许多能量在小的空间 上被引入到粉末层中。类似的效果在具有大的实屯、子部段的物体中是可行的。
[0062] 所描述的局部的溫度过高能够引起构建材料的损坏。为了避免，发明人提出下述 可选的方式：
[0063] 图6 W示意的方式在从上方观察的情况下示出构建区5。在由此可见的最上方的粉 末层中用附图标记3a至3d示出在该层中待固化的物体横截面。一方面在物体横截面3a至3c 堆积的情况下，另一方面在大面积的物体横截面3d内能够引起局部的溫度过高。
[0064] 发明人现在建议，将构建区5分为多个优选相同的子区。在图6中仅示例性地示出 二十五个子区501至525。对于每个子区而言，借助待制造的物体的CAD数据在照射所述层之 前就已经确定，在所述子区内的哪个范围中发生照射，即例如一个子区的面的哪个部分被 照射。根据该信息能够进行每单位面积待引入子区内的热量的匹配。在大范围中发生照射 的子区中能够减少每单位面积待引入的热量，并且在例如仅小面积进行照射的子区中能够 提高每单位面积待引入的热量。
[0065] 参考图6,例如在子区507中减少每单位面积待引入的热量并且在子区508中提高 每单位面积待引入的热量。在子区502、506和512中选择用于每单位面积待引入的热量的相 应的值。用于子区502、506和512的值例如能够通过内插法在考虑在相应的子区内的待照射 的面的部分的情况下确定。
[0066] 在具有用于每单位面积待引入的热量的不同的值的子区之间的边界处能够通过 在边界附近插入中间值用于每单位面积待引入的热量从一个子区逐渐过渡到另外的子区。 用于每单位面积待引入的热量的中间值同样能够通过内插法(例如线性内插或样条内插） 来确定。
[0067] 优选地，除了或者代替在子区内待照射的面的部分，W更准确的方式考虑在子区 内待引入的热量。运能够W下述方式进行：
[0068] 如果例如用于固化构建材料的热量被引入到材料中，使得用激光射束扫过待照射 的层区域，然后在开始照射所述层之前通过控制装置10确定照射参数(即例如激光功率、射 束偏转速度、运动向量的长度或照射类型），优选基于所述等式1来确定，如运在上文中所描 述的那样。
[0069] 术语射束偏转速度在此应表示下述速度，激光射束到所述层的入射点W该速度由 于偏转设备8的作用在所述层上运动。
[0070] 术语运动向量应表示下述路段，入射点在发生方向改变之前沿着该路段线性运 动。
[0071] 术语照射类型应表征确定的运动模式，利用该运动模式入射点在所述层上运动。 例如，物体横截面能够如下固化:其简单地w并排的平行照射向量被扫过。替选于此，能够 选择例如条形照射:在所述条形照射时，物体横截面被分解成宽度b的多个条带并且所述照 射然后逐条地进行，例如其方式为:平行的照射向量具有长度b并且朝向条带的宽度的方向 延伸。此外，还有其它照射类型是可行的。
[0072] 为了确定引入到子区内的热量必须对热能值进行求和，所述热能值通过在该子区 中的每个照射向量输入到层中。对于所得出的子区能量输入相应地得出：
[0073] 分区-能量输入=Σ激光功率/(射束偏转速度*向量长度）（2)
[0074] 在此，对在子区中的照射向量进行求和（如果向量超出子区边界，那么运经由位于 子区中的向量长度考虑）。运样确定的子区能量输入现在能够通过改变激光功率和/或射束 偏转速度减小或提高。
[0075] 进一步优选地，在设定在子区中每单位面积待引入的热量时也考虑照射类型：如 果照射向量例如在整个子区上延伸，那么在粉末层中相比例如在并排的短的照射向量的情 况下更长久地冷却各个照射向量附近的点，在该处点W短的时间间隔通过其附近的照射向 量加热。根据照射类型和照射向量的相撞的频繁度能够减少或提高每单位面积待引入的热 量。
[0076] 在刚刚描述的方式的一种变形方案中，为了校正每面积单位待引入的热量不仅考 虑在当前待照射的层中首先确定的子区能量输入。附加地也还考虑在位于其下方的层和/ 或在位于其上方的层中相同的子区中的子区能量输入。在另一变形方案中，考虑在位于当 前层之下的多个层中和/或在位于当前层之上的多个层中的相同的子区中的子区能量输 入。
[0077] 在所述方式的所描述的变形方案中考虑，鉴于超过层边界的传热，体积观察、即观 察多少热能输入到部分体积中引起更准确的结果。最终，在此层厚度也具有影响：
[0078] 上述关系式(2)能够(当观察层的部分体积时)作为：
[0079] 部分体积-能量输入=
[0080] Σ激光功率/(射束偏转速度*向量长度*层厚度）（3)
[0081] 表述。在部分体积在数量为η的层上延伸时，在等式(3)中层厚度还与相应的数量η 相乘。
[0082] 通常，超出层边界的传热的影响越大，那么层厚度越小。
【主权项】
1. 用于逐层地构建由粉末状构建材料构成的至少一个三维物体(3)的方法，所述构建 借助于在一个层的对应于所述至少一个物体的横截面的部位处分别相继地使粉末状构建 材料层固化来实现，其中，所述固化通过引入热能实现，并且所述方法具有下述步骤： 在构建底板(2)上或者在事先提供的粉末状构建材料层上提供粉末状构建材料层的第 一粉末涂覆步骤； 将所涂覆的构建材料预加热到低于材料固化温度的预热温度的第一预加热步骤； 借助于电磁辐射或粒子辐射(7)使所涂覆的层固化的第一固化步骤，其中，所述辐射作 用到所述层的所有待固化的部位上，使得在这些部位处的粉末通过由辐射引入的热能固 化； 在所选择的部位处已经事先固化的层上提供粉末状构建材料层的第二粉末涂覆步骤； 将所涂覆的构建材料预加热到低于材料固化温度的预热温度的第二预加热步骤； 借助于电磁辐射或粒子辐射(7)使所涂覆的所述层固化的第二固化步骤，其中，所述辐 射作用到所述层的所有待固化的部位上，使得在这些部位处的粉末通过由辐射引入的热能 固化； 其中，所述第二粉末涂覆步骤、所述第二预加热步骤和所述第二固化步骤依次地一直 重复，直至待制造的所述至少一个三维物体的所有横截面固化； 其特征在于， 在至少一个第二固化步骤中，在所述层的至少一个子区域中每单位面积通过电磁辐射 或粒子辐射(7)引入的热能量根据用于之前的粉末层的之前的固化步骤的持续时间或者根 据当前的第二固化步骤的预先计算的持续时间来设定。2. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述层的子区域选择成，使得整个子区域位于在 之前的固化步骤中在之前的粉末层中固化的区域之上。3. 根据权利要求1或2所述的方法，其中，在子区域中每单位面积在所述至少一个第二 固化步骤中引入的热能量包含因子(K)，该因子对于所述层在子区域中的所有待固化的部 位而言是相等的并且与用于之前的粉末层的第二固化步骤的持续时间和/或与当前的第二 固化步骤的预先计算的持续时间相关。4. 根据权利要求1至3之一所述的方法，其中，所述固化借助于电磁辐射实现并且面状 地或线状地照射待固化的区域。5. 根据权利要求3或4所述的方法，其中，所述因子K按经验确定，其方式为： -多次地依次制造具有沿构建方向恒定的横截面的测试物体，其中，各制造过程通过如 下方式彼此区分:用于测试物体横截面的固化步骤的持续时间是不同的； -确定在每个物体上的物体特征； -用函数拟合物体特征与用于测试物体横截面的固化步骤的持续时间的所获得的相关 性;并且 -基于该函数根据用于之前的粉末层的之前的第二固化步骤的持续时间和/或根据当 前的第二固化步骤的预先计算的持续时间来设定所述因子K。6. 根据权利要求4所述的方法，其中，各所述制造过程通过如下方式区分:所述固化步 骤具有不固化的等待时间，该等待时间的长度从一个制造过程到另一个制造过程变化。7. 根据权利要求5或6所述的方法，其中，在所述测试物体上确定的物体特征是机械特 性、尺寸或用于描述表面质量的参数。8. 根据权利要求3至7之一所述的方法，其中，根据用于N个之前的粉末层的之前的第二 固化步骤的持续时间来确定所述因子K，其中N是整数，该整数的最小值为2并且最大值对应 于之前的粉末层的数量。9. 根据权利要求1至8之一所述的方法，其中，在所述至少一个第二固化步骤中在一个 层的待固化的区域的边缘区域中根据用于一个或多个之前的粉末层的之前的第二固化步 骤的持续时间和/或根据当前的第二固化步骤的预先计算的持续时间来设定射束偏移。10. 根据权利要求1至9之一所述的方法，其中，所述固化借助于激光射束实现，并且在 所述第二固化步骤中每单位面积引入的热能量通过改变激光强度、通过改变激光射束的偏 转速度或者通过改变在粉末层上的激光射束轨迹的间距来设定。11. 根据权利要求1至10之一所述的方法，其中，在所述至少一个第二固化步骤中根据 用于之前的粉末层的之前的固化步骤的持续时间或者根据当前的第二固化步骤的预先计 算的持续时间来设定在所述层的所有待固化的部位处每单位面积通过电磁辐射或粒子辐 射(7)引入的热能量。12. 用于逐层地构建由粉末状构建材料构成的至少一个三维物体(3)的设备，所述构建 借助于在一个层的对应于所述至少一个物体的横截面的部位处分别相继地使粉末状构建 材料层固化来实现，其中，所述固化通过引入热能实现，并且所述设备具有： 构建底板(2)，用于支承待形成的物体(3); 涂覆设备（11、12 )，用于将粉末状构建材料层施加到构建底板或者已经存在的层上； 加热设备(9)，该加热设备提供用于预加热粉末状构建材料的热能； 辐照设备(6、8)，该辐照设备发射电磁辐射或粒子辐射(7)并且能够照射在一个层中待 固化的所有部位，使得在这些部位处的粉末通过由所述辐射引入的热能固化;和 控制装置（10)，该控制装置控制辐照设备，使得至少在粉末层的一个子区域中每单位 面积通过电磁辐射或粒子辐射(7)引入的热能量与用于之前的粉末层的固化步骤的持续时 间和/或与用于当前待固化的层的固化步骤的预先计算的持续时间相关。13. 根据权利要求12所述的设备，其中，所述控制设备这样选择子区域，使得整个子区 域位于在之前的固化步骤中在之前的粉末层中固化的区域之上。14. 根据权利要求12或13所述的设备，其中，所述控制设备（10)这样控制辐照设备，使 得在所述层的子区域中每单位面积所引入的热能量包括一个因子(K)，该因子对于所述层 在该子区域中的所有部位而言是相等的并且与用于之前的粉末层的固化步骤的持续时间 和/或当前待固化的层的固化步骤的预先计算的持续时间相关。15. 根据权利要求12至14之一所述的设备，其中，所述辐照设备面状地或线状地发射电 磁辐射。16. 根据权利要求15所述的设备，其中，所述控制装置（10)根据用于N个之前的粉末层 的之前的固化步骤的持续时间来确定所述因子K，其中N是整数，该整数的最小值为2并且最 大值对应于之前的粉末层的数量。17. 根据权利要求12至16之一所述的设备，其中，所述控制装置（10)附加地根据用于之 前的粉末层的固化步骤的持续时间和/或根据当前待固化的层的固化步骤的预先计算的持 续时间来设定射束偏移。18. 根据权利要求12至17之一所述的设备，其中，所述辐照设备是激光器，并且所述控 制装置（10)这样控制辐照设备，使得每单位面积所引入的热能量通过改变所述激光强度、 通过改变激光射束的偏转速度或者通过改变在粉末层上的激光射束轨迹的间距来设定。19. 根据权利要求12至18之一所述的设备，其中，所述控制装置（10)这样控制辐射设 备，使得在所述粉末层的所有待固化的部位处每单位面积通过电磁辐射或粒子辐射引入的 热能量与用于之前的粉末层的固化步骤的持续时间和/或当前待固化的层的固化步骤的预 先计算的持续时间相关。
【文档编号】B22F3/105GK105939839SQ201580006417
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2015年1月29日
【发明人】F·米勒, S·帕特尔诺斯特, A·弗鲁斯
【申请人】Eos有限公司电镀光纤系统