CN101090787A - 用于将粉末材料层涂覆到表面上的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

介绍一种用来用一涂覆器(52)涂覆粉末材料层的装置(51)，涂覆器为了涂覆材料层(71)可在两个终点位置之间往复运动，并具有一用来在涂覆材料层(71)时刮去多余材料的刀片(56)。本装置(51)的特征为设有一材料输送装置(53)，用它可以将材料从刀片(56)的一侧输送到刀片的另一侧。该装置特别是有这样的优点，即可以没有材料损失涂覆材料层，并且特别是可以用在激光烧结设备中。

Description

用于将粉末材料层涂覆到表面上的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种按权利要求1或12前序部分的用来将粉末材料层涂覆到表面上的方法，以及一按权利要求19前序部分的用来制造这种三维物体的装置。
背景技术
例如由DE19514740C1已知一种这样的用来涂覆粉末材料层的装置和方法。在DE19514740C1中介绍的用于激光烧结装置的涂覆器具有一单个刀片，它在涂覆涂层时将储存的涂层材料移到自己前面。这里存在这样的问题，即涂层材料储量或者太少，使得在工作区(建造区)内不能涂覆完整的层，或者储备量大于一层所需要的量，使得从工作区向外移出多余的材料。这些多余的材料不能再用来涂覆其他涂层，因此必须收集在专门的收集容器内，并造成过多的材料消耗。
由EP945202A2已知一种带两个刀片的涂覆器。如DE19514740C1中所述的涂覆器一样这种涂覆器也有这样的问题，即在涂覆涂层期间在沿涂覆器运动方向前面一个刀片之前的多余材料从工作区中向外推出。这里这些被刀片向外推出的材料也不再用来涂覆其他涂层，因此和前面一样造成过多的材料消耗。
待涂覆的材料可以由不同类型的材料，例如聚合物、金属、陶瓷或复合材料组成。根据材料和在用来制造三维物体的装置内进行的过程的不同可以采用涂层的加热。在这种情况下根据材料的不同特别是在采用聚合物时在制造三维物体期间在边缘区内堆积的材料可能受到热损伤，因此不能重新使用。
发明内容
因此本发明的目的是，提供一种用来涂覆粉末材料层的装置和方法，通过它们可以可靠和没有材料损失地涂覆涂层。
这个目的通过一按权利要求1或12的用来涂覆粉末材料层的装置和方法实现。
本发明有这样的优点，即在涂覆涂层期间由涂覆器的一个刀片从工作区向外推出的材料重新用来涂覆下一个涂层，因此不出现材料损失。
在采用当输入区内存在规定量的材料时便中止向输入区输送材料的输入装置时实现材料输入的自动调节定量供给，即使在涂覆涂层时附带出现多余的材料也由刀片将它送入输入区。
本发明另一个优点在于，在涂覆涂层时作为附带产生的多余材料的热负荷很小。
在需要提高处理温度时，采用具有一加热槽的材料输送装置有这样的优点，即材料在涂覆成涂层前预热，从而缩短建造时间。
在采用做成通过预热的气体进行流化的流化装置作为材料输送装置时存在这样的优点，即流化的粉末被预热，从而可以缩短建造时间，如果需要提高处理温度的话。
附图说明
由借助于附图对实施例的说明得出本发明的其他特征和适宜性。
附图表示：
图1一带有本发明装置的激光烧结设备的示意图；
图2用来涂覆粉末材料层的装置的第一种实施形式的示意图；
图3-5图2中的用来涂覆粉末材料层的装置在不同的工作阶段；
图6用来涂覆粉末材料层的装置的第二种实施形式的示意图。
具体实施方式
图1表示一作为用来制造一三维物体的装置的实施例的激光烧结设备，在该设备中采用本发明的装置和方法。激光烧结设备具有一朝上开口的容器1。在容器1内设置一用来支承待形成的物体3的支架2。支架2可借助于一驱动装置4在容器1内沿垂直方向1上下运动。容器1的上边缘确定一工作平面5(制造区)。在工作平面5上方设置一激光器形式的照射装置6，它发射一定向的激光束，它借助于一偏转装置7偏转到工作平面5上。其次设置一用来将待固化的粉末材料涂覆在支架2表面上或一最近固化的层上的涂覆器8。涂覆器8可借助于一通过箭头B示意表示的驱动装置在工作平面5上方两个末端位置之间往复运动。涂覆器通过两个在制造区左右的材料输入装置9以及两个材料输送装置11从粉末储存容器10供料。
此外装置具有一设置在工作平面5上方的加热装置12，用来将已涂覆但是还没有烧结的粉末层预热到一适合于固化或烧结的工作温度TA。
在工作平面5上方一定距离处设置一例如做成高温计或红外摄像仪的温度测度装置13，它用来测量在测量区14内最近涂覆的或最上面的粉末层的温度。
通过一处理室16使制造区与外界封闭。由此可以防止有时粉末的氧化。
一控制和/或调节装置17用来控制和/或调节涂覆器8的运动B、支架2的运动A、加热装置12的功率、照射装置6的功率和通过偏转装置7的偏转。为此控制和/或调节装置17与涂覆器8的驱动装置、驱动装置4、加热装置12、温度测量装置13、偏转装置7以及照射装置6连接。
图2表示用来涂覆粉末材料层的装置的第一种实施形式。
按照第一种实施形式用来涂覆粉末材料层的装置51具有一涂覆器52、一做成输送辊53的材料输送装置以及一做成输入通道54的材料输入装置。
涂覆器52可在工作平面55上方(制造区)用一通过箭头B表示的驱动装置在两个终点位置之间往复运动。它具有一刀片56，一第一操作元件57和一第二操作元件58。
输送辊53具有两个可绕一共同轴线59旋转的叶片60，60′。一带两个凸轮61a和61b的凸轮盘61垂直于轴线59与输送辊53固定连接。
两个细长连杆62，62′可以以其相应的第一个末端与凸轮盘61可偏心旋转地连接。在其另一个第二个末端上连杆62，62′分别具有一钩形段62a和62a′，它分别用作用于涂覆器的第二个操作元件58的作用点。两个连杆62，62′可围绕它相对于凸轮盘61旋转的转轴63，63′与轴59位于同一平面内并平行于轴59。在其第一和第二个末端之间连杆62，62′分别具有一长孔62b，62b′。连杆62，62′的运动通过装在两个长孔62b，62b′内的销子64带动，其中销子相对于输送辊的位置是不可动的。这里长孔62b，62b′做成这样，使得两个钩形段62a，62a′在输送辊旋转时由于通过销子64的引导不仅平行于工作平面55，而且还垂直于工作平面上下运动。
输送辊在一用加热装置66加热的槽内沿涂覆器的运动方向B看设置在工作平面55侧面。该槽65与输送辊这样匹配，使得在输送辊53旋转时叶片60，60′的末端在槽65内沿槽壁运动。
在槽65的背向叶片55的一侧上有输入甬道54。输入甬道54用来给涂覆器52输入用来制造粉末层的粉末。
下面说明前述激光烧结设备按第一种实施形式的方法的运行。
首先如图2中所示通过涂覆器52平行于工作平面55的移动在支架2或已固化的前一层上涂覆一第一粉末层71。这时多余的粉末72被刀片56向外推出建造区。
在按第一种实施形式的装置在图2中所示的运行阶段中，第一个叶片60位于工作平面55下方，涂覆器向输送辊53运动，以建立粉末材料的第一层71。最后前述的多余材料72被刀片56推到第一个叶片60上(为了一目了然起见在图2中没有画出在材料输送装置中的粉末)。
在装置的在图3中所示的运行阶段中，涂覆器以第一操作元件57压在凸轮61b上。并在它到达一第一终点位置之前输送辊继续旋转一约20°-40°的角度。由此将第一叶片60上的粉末提升到刀片56朝向建造区的一侧(建造区侧)上。如果涂覆器处于第一终点位置，那么在叶片60上的粉末的大部分(在垂直于工作平面的方向看)在由刀片下端确定的平面的上方。在输送辊旋转的同时在连杆末端上的钩形段62a′相对于工作平面55升高。从而使装置准备好通过涂覆器向背离输送辊的方向朝在建造区另一侧的第二个末端位置移动，以便涂覆下一个粉末层。
在涂覆粉末材料层71后通过用激光以已知的方式方法照射使在物体横截面上相应于这一层的部位实现固化。
这里对于完工物品的质量起决定作用的特别是，待固化的最上面的粉末层的温度具有在规定区域即过程窗口内的温度。在这个过程窗口上方粉末不需要附加的照射能便已经烧结，而在低于过程窗口的温度时在固化层内形成应力。固化层边缘弯曲或卷起的这种所谓curl-效应常常归结于最上面的粉末层的温度太低。因此用涂覆器涂覆的粉末层必须达到良好的结果，特别是为了避免在制造的物品内的应力，在固化前用加热装置12在过程窗口内加热到工作温度TA。
为此在涂覆粉末层后用温度测量装置13测量这个层的温度。根据其中测量的温度确定加热装置12的加热功率。如果最上面的粉末层加热到工作温度TA，那么便通过用激光照射使建造材料层内相应于物品横截面的部位进行固化。
在一个层固化后支架2下降一相应于层厚的距离，并用涂覆器在此前用激光照射的层71上涂覆新的粉末层73。
在一在图4中所示的运行阶段中，涂覆器52向背向输送辊53的方向平行于工作平面55运动，以形成下一层粉末层。这时第二操作元件58最终压紧在连杆62′的抬起的钩形段62a′上。由此带动连杆62′向涂覆器52的运动方向运动，并且使输送辊53继续旋转。这时输送辊旋转约140°-160°的角度。还留在叶片60上的多余粉末输送到输入甬道54下方的输入区内，同时由第二个叶片60′将粉末从输入区向建造区方向输送。这时来自输入区的使用的粉末从输入甬道补充洒落。如果输入区填满了粉末，那么补充洒落，亦即从输入甬道输入粉末，便自动停止。随着连杆62′的运动在这个阶段钩形段62a′重新向工作平面55下降，直至第二个操作元件不再压紧在它上面为止，并且连杆62′不再被涂覆器52带动。
在图5中表示装置在这样的运行阶段，在该阶段中涂覆器52位于建造区的在图2至5中不再示出的另一侧。涂覆器沿背离输送辊52的方向运动，直至在整个建造区内通过涂覆器涂覆一粉末材料层73为止。在这个阶段中输送辊53相对于在图2中所示的位置旋转180°。
用图2至5说明了在建造区第一侧上的材料输送装置和材料输入装置的运行。在建造区的位于第一侧对面的另一个第二侧上有一同样的由输送辊、槽、输入装置和连杆组成的装置，它像上面用图2至5所述的完全一样地工作。为了产生下一层，涂覆器52重新像在图2中所示的那样向输送辊53方向运动。
然后重复前述步骤，直至制成三维物品为止。
在图6中表示一按第二种实施形式的用来涂覆粉末材料层的装置100。
按第二种实施形式的用来重复产生粉末层的装置具有一涂覆器101、一做成流化装置102的材料输送装置和一配备封闭塞103的输入装置104。
涂覆器101和在第一种实施形式中可用通过箭头B表示的驱动装置在工作平面107上方在两个末端位置之间来回运动。它具有一个刀片105和一个操作元件106。
流化装置具有一用来预热用于流化的氮气的腔108。一向上封闭该腔108的流化板109和一用来将氮气输入腔108内的配备一阀112的输入管111。为了预热氮气，腔108配备一加热装置117(例如一带温度调节器的电阻加热装置)。流化板109配备大量小孔110，它们具有小于所用的粉末粒度的直径D。一气体输入管111通入腔108内，其中可通过阀112控制气体向腔的输入。
在流化板上面形成一带封闭塞103的材料输入装置104。封闭塞103设计或设置成这样，使它在涂覆器向其终点位置移动时通过操作元件106向侧向挤压，从而使带开口116的材料输入装置向位于材料输入装置下方的输入区张开。为此操作元件106设计成这样，使它在打开封闭塞时它本身不进入材料输入装置的开口区内。特别是在开启时操作元件沿垂直于图6的图纸平面看在容器104开口116后或前的方向压紧在封闭塞103上。在侧向封闭塞通过一弹簧113固定在一侧壁上，它在操作元件106不压紧在封闭塞103上时，将封闭塞推入到关闭位置。
在建造区的另一侧上，与上述材料输入装置和流化装置镜像对称地设置另一个第二材料输入装置和另一个第二流化装置。
在工作时首先通过这样的方法在工作平面107上涂覆第一个粉末层115，即涂覆器在建造区上方平行于工作平面107朝材料输入装置方向移动。这时多余的粉末从建造区向外推到流化板109上。涂覆器继续向其终点位置移动，从而通过操作元件106挤压封闭塞103而开启材料输入装置104，然后粉末从材料输入装置洒入在材料输入装置下面的输入区，直至它被填满并自动停止补充洒落为止。接着涂覆器正好从终点位置移出，使材料输入装置通过弹簧113和封闭塞103重新封闭。
通过阀112的短暂开启和氮气通过输入管111进入腔108内在该腔内产生一压力冲击，这导致预热的氮气从开口110通过流化板109喷入粉末内。由此使粉末流化，并通过刀片和流化板之间的缝隙从在刀片105一侧的输入区流动到刀片的另一侧，刀片朝向建造区。从而使涂覆器为涂覆下一个粉末层作好准备。
和在第一种实施形式时一样粉末层用公知的方式方法用加热装置12预热，并在物品横截面相应的部位上进行固化。
在下一个工步中在支架2下降后和在第一个实施例时一样通过涂覆器从第一个终点位置移动到在建造区另一侧的第二个终点位置将下一个粉末层涂覆在建造区内的工作平面上。
第二个输入装置和第二个材料输送装置的运行和前面所述的在图6中所示装置的运行一样。
然后重复上述工步，直至三维物品的制造结束为止。
上述装置和方法可以另有选择和变型。
按第二种实施形式的装置和一通过输入预热的氮气达到流化的流化装置一起作了说明。但是流化也可以通过输入其他气体进行。另一种可能性是，使粉末振动达到流化。
这样介绍了按第一种和第二种实施形式的装置，即在建造区两侧设置相同的材料输送装置和材料输入装置。但是按第一和第二种实施形式的装置也可以相互这样组合，即在建造区的一侧设置按第一种实施形式的材料输送装置和材料输入装置，而在另一侧设置按第二种实施形式的材料输送装置和材料输入装置。
也可以这样，和在第一和第二种实施形式中一样在建造区两侧都设置一按本发明的材料输送装置，但是仅仅在建造区的一侧设置材料输入装置。相应地在有材料输入装置的这一侧的材料输送装置工作时便准备好对于第二层足够的材料。这种变型允许装置的结构更简单和更紧凑。
借助于一激光烧结设备说明本发明，其中采用激光作为射线源。也可以采用任何其他的向建造材料施加电磁或微粒辐射的射线源。例如可以采用用于不相干光辐射、红外辐射、伦琴辐射或电子辐射的射线源作为射线源。相应地应采用可用相应的射线固化的建造材料。
作为另一种选择按本发明的用来涂覆粉末材料层的装置也可以用在三维打印机中，其中粉末层通过有选择地涂覆结合剂或粘接剂固化在待制造物品的横截面上。
在上述装置中介绍一在工作平面上方的红外线发射器作为加热装置。也可以考虑加热最后涂覆的建造材料层的其他可能性。例如可以采用热空气或氮气的循环预热涂层，此循环导入到刚涂覆的涂层上方。
用来制造三维物体的设备的实施例配备一用来将涂覆的但是还没有烧结的粉末层预热到适合于固化或烧结的工作温度TA的加热装置以及一温度测量装置，它用来测量最近涂覆的或者说最上面的粉末层的温度。根据所用材料和工艺规程的不同在本发明的用来制造三维物体的装置中也可以取消涂覆的材料层的预热。因此用来制造三维物体的装置可以设计得不带加热装置和温度测量装置。
第二种实施形式这样介绍过，即流化用预热的气体实现。但是也可以用不预热的气体实现流化。因此流化装置不必一定具有用来预热用于流化的气体的加热装置。

Claims (19)

1.用来涂覆粉末材料层(71，73；155)的装置，包括一涂覆器(8；52；101)，为了涂覆材料层(71，73；115)，该涂覆器可在两个终点位置之间往复运动并且具有一用来在形成材料层(71，73；115)时刮去多余材料(72)的刀片(56；105)，其特征为：
设有一材料输送装置(11；53；102)，通过该材料输送装置可以将材料从刀片(56；105)的一侧输送到刀片的另一侧。
2.按权利要求1的装置，还包括一材料输入装置(9，10；54；104)，该材料输入装置具有一用于材料的储存容器(10)并设计成这样，使得当在输入区内存在规定量的材料时，自动地中止向输入区输入材料。
3.按权利要求1或2的装置，其中材料输送装置(11)具有一可绕一轴(59)旋转的用来将材料从刀片(56)一侧输送到另一侧的输送辊(53)。
4.按权利要求3的装置，其中设置一机构(61，62，62′，63，63′，64)，通过该机构使涂覆器(52)的运动(B)这样与输送辊(53)的旋转耦合，使得在涂覆器(52)往复运动一次时用输送辊(53)将材料从刀片(56)的一侧输送到刀片(56)的另一侧。
5.按权利要求3或4的装置，其中输送辊(53)具有两个与输送辊(53)的旋转轴镜像对称的叶片(60，60′)。
6.按权利要求3至5之任一项的装置，其中输送辊(53)是一带至少一个做成缺口的腔的辊，利用该输送辊可以通过辊的旋转使材料借助于腔从刀片的一侧输送到另一侧。
7.按权利要求3至6之任一项的装置，其中设置一槽(65)，该槽与输送辊的形状匹配，并容纳输送辊的一部分。
8.按权利要求7的装置，其中槽(65)具有一用来预热在槽(65)中的材料的加热装置。
9.按权利要求1或2的装置，其中输送装置(11)是一流化装置(102)，通过该流化装置可以将气体这样吹入材料，使得材料流化，并当涂覆器(101)处在一规定位置时使材料从刀片(105)一侧流到另一侧。
10.按权利要求1或2的装置，其中输送装置(11)是一流化装置，通过该流化装置可以使材料这样振动，使得材料流化，并当涂覆器处于一规定位置时使材料从刀片一侧流到另一侧。
11.按权利要求1至10之任一项的装置，其中在建造区的相应于涂覆器的两个终点位置的两侧分别设置一输送装置(11；53；102)。
12.用来涂覆粉末材料层(71，73；115)的方法，包括一涂覆器(52；101)，该涂覆器为了涂覆材料层可在两个终点位置之间运动并具有一刀片(56；105)，具有以下工步：
a)用涂覆器(52；101)将材料层涂覆在一表面上，其中这里刀片将多余的材料(72)刮去并推出建造区(55)；其特征为：
本方法还具有以下工步：
b)将材料从涂覆器的刀片的背向建造区的一侧输送到朝向建造区的另一侧。
13.按权利要求12的方法，其中材料从一储存容器(10)通过材料输入装置(54；104)输入建造区(55；107)旁的输入区。
14.按权利要求13的方法，其中在工步(b)中材料从处于终点位置或在终点位置附近的涂覆器(52；101)的刀片(56；105)的背向建造区(55；107)一侧的输入区输送到朝向工作区的另一侧。
15.按权利要求13或14的方法，其中在工步(a)中刀片(56；105)将多余的材料(72)推入输入区内。
16.按权利要求13至15之任一项的方法，其中一旦输入区内有规定数量的材料，便停止向输入区输入材料。
17.按权利要求12至16之任一项的方法，其中在工步(b)中通过可旋转的输送辊(53)进行材料的输送。
18.按权利要求12至16之任一项的方法，其中在工步(b)中通过借助于流化装置(102)使材料流化实现材料的输送。
19.通过将材料层固化在对应于物体的各横截面的部位上制造三维物体的设备，它具有一按权利要求1至11之任一项的用来涂覆粉末材料层的装置。
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