CN108068342A - 用于利用过程温度控制生产三维工件的设备 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种用于生产三维工件(12)的设备(10)，包括处理室(14)和照射装置(20)，处理室容纳有用于接收原料粉末(18)的承载件(16)，照射装置用于选择性地将电磁辐射或粒子辐射照射到施加在承载件(16)上的原料粉末(18)上，以便通过增材层叠构造法由所述原料粉末(18)生产工件(12)，照射装置(20)包括至少一个辐射源(22，24)和具有多个光学元件(28，34)的至少一个光学单元(26，32)。传热装置(38)被配置成将由热源(40)产生的热传递至照射装置(20)的至少一个光学单元(26，32)。该设备还包括控制单元(42)，该控制单元被配置成控制传热装置(38)，以调节照射装置(20)的至少一个光学单元(26，32)的温度。

Description

用于利用过程温度控制生产三维工件的设备
技术领域
本发明涉及一种用于通过用电磁辐射或粒子辐射照射原料粉末层来生产三维工件的设备。此外，本发明涉及一种操作这种设备的方法。
背景技术
粉末床熔融是一种增材层叠处理(additive layering process)，通过该处理可以将粉状的特别是金属和/或陶瓷原料加工成复杂形状的三维工件。为此，将原料粉末层施加到承载件上，并根据待生产的工件的期望几何形状以位点选择性(site selective)方式使原料粉末层经受激光辐射。穿透入粉末层的激光辐射使原料粉末颗粒被加热从而熔化或烧结。然后将另外的原料粉末层相继地施加到承载件上的已经经受激光处理的层上，直至工件具有期望的形状和大小。选择性激光熔化或激光烧结可以特别用于基于CAD数据生产原型、工具、替换件或医疗假体诸如例如牙科假体或整形外科假体。
例如，在EP 1 793 979 B1中描述了一种用于通过粉末床熔融处理由粉状原料生产成型体的设备。该现有技术设备包括处理室，该处理室容纳有用于待制造的成形体的多个承载件。粉末层制备***包括粉末贮存器固定件，该粉末贮存器固定件可以在承载件上来回移动，以便将待用激光束照射的原料粉末施加到承载件上。处理室与保护气体回路连接，该保护气体回路包括供应管线，通过该供应管线可将保护气体供应至处理室，以便在处理室内建立保护性气体气氛。
EP 2 335 848 B1中描述了一种照射装置，该照射装置例如可以应用于通过照射粉状原料来生产三维工件的设备中。照射装置包括激光源和光学单元。被供应有由激光源发射的激光束的光学单元包括扩束器和扫描器单元。在扫描器单元内，被整合到光束路径中以将激光束分成多个子激光束的衍射光学元件布置在用于使子激光束偏转的偏转镜前方。由扫描器单元射出的激光束或子激光束被供应至物镜。
发明内容
本发明的目的在于提供一种允许通过用电磁辐射或粒子辐射照射原料粉末层来生成高质量的三维工件的设备。此外，本发明的目的在于提供一种操作这种设备的方法。
这些目的通过如权利要求1所限定的用于生产三维工件的设备以及如权利要求14所限定的操作用于生产三维工件的设备的方法来应对。
用于生产三维工件的设备包括处理室，该处理室容纳有用于接收原料粉末的承载件。承载件可以是具有表面的刚性固定承载件，原料粉末施加到该表面上，以便经受电磁辐射或粒子辐射。然而，优选地，承载件被设计成能在竖直方向上移位，使得当由原料粉末逐层构建工件时，承载件可以随着工件构造高度的增加而在竖直方向上向下移动。施加到处理室内的承载件上的原料粉末优选为金属粉末，特别是金属合金粉末，但也可以是陶瓷粉末或含有不同材料的粉末。粉末可以具有任何合适的粒度或粒度分布。然而，优选的是处理粒度<100μm的粉末。
该设备还包括照射装置，该照射装置用于选择性地将电磁辐射或粒子辐射照射到承载件上的原料粉末上，以便通过增材层叠构造法由所述原料粉末生产工件。因此，可根据待生产的工件的期望几何形状以位点选择性方式使施加到承载件上的原料粉末经受电磁辐射或粒子辐射。
照射装置包括至少一个辐射源和具有多个光学元件的至少一个光学单元，该至少一个光学单元优选地被配置成用于引导和/或处理由至少一个辐射源发射的辐射束。例如，照射装置可以仅包括一个辐射源和/或仅一个光学单元。可替代地，照射装置可以包括多个辐射源和/或多个光学单元。在照射装置包括多个辐射源的情况下，包括多个光学元件的单独的(separate，分开的、独立的)光学单元可以关联至上述多个辐射源中的每一个。至少一个辐射源可以是激光源，例如二极管泵浦镱光纤激光器。此外，多个光学元件例如可以包括用于扩展由至少一个辐射源发射的辐射束的扩束器、扫描器和物镜。可替代地，多个光学元件可以包括包含聚焦光学器件(a focusing optic)的扩束器和扫描器单元。扫描器单元优选地包括衍射光学元件和/或偏转镜。通过扫描器单元，可以改变和适配辐射束在光束路径的方向上以及在垂直于光束路径的平面中的焦点位置。
该设备还包括传热装置，该传热装置被配置成将由热源产生的热传递至照射装置的至少一个光学单元。例如，热源可以以至少一个辐射源的形式或者以照射装置的任何其他部件的形式设置。然而，也可以想到的是，热源以单独的加热器——诸如在被供应电能时产生热的电阻器——的形式设置。具体地，可以设置多个单独的加热器，其中，多个单独的加热器中的每个加热器可以被分配给照射装置的至少一个光学单元中的一个光学单元。
此外，该设备设置有控制单元，该控制单元被配置成控制传热装置，以调节照射装置的至少一个光学单元的温度。具体地，控制单元可以被配置成控制传热装置，以调节照射装置的至少一个光学单元的多个光学元件的温度。控制单元可以与该设备的中央控制单元分开设置或者集成到中央控制单元中。具体地，控制单元可以被配置成向设备的可以被配置成调节照射装置的至少一个光学单元的温度的致动器或控制元件提供控制信号。
通常，在用于生产三维工件的设备的运行期间，由照射装置的辐射源产生热，从而使照射装置的运行温度提高，照射装置的工作温度主要取决于辐射源的输出功率。因此，照射装置常常经受高度变化的运行温度(operating temperature，工作温度)。具体地，在由设备执行的生产过程的一开始，照射装置的运行温度相对较低。由辐射源产生的热被传递至光学单元的多个光学元件。此外，在与由辐射源发射的电磁辐射或粒子辐射相互作用时，在多个光学元件中产生热。为此，在照射承载件上的原料粉末时，照射装置也受到由至少部分形成的工件中被电磁辐射或粒子辐射照射的部分发出的热辐射。这种热辐射引起的对照射装置的加热通常取决于与工件中被电磁辐射或粒子辐射照射的部分的距离及其温度。因此，在照射装置包括多个辐射源和单元的情况下，被设置成更靠近待形成的工件中经受高电磁辐射或粒子辐射的区域(所谓的“照射热点”)的照射单元的光学元件或照射单元比被设置成远离照射热点的照射单元的光学元件或照射单元更多地被加热。例如，设置于形成在原料粉末床中的照射热点上方的照射单元的光学元件或照射单元比设置在未经处理的原料粉末上方的那些光学元件或照射单元更多地被热辐射加热。这进一步导致照射装置内不均匀的加热以及变化的运行温度。
然而，由于对照射装置的上述加热，特别是由于热膨胀，多个光学元件的光学特性根据照射装置的运行温度而改变。例如，光学单元的光纤、透镜或另一光学元件的折射率或者光学单元的形成光学元件的透镜的几何形状特别是曲率半径取决于其运行温度。此外，照射装置的电气和电子机械部件通常也具有温度依赖特性。因此，由于照射装置的变化的运行温度、不均匀的加热以及部件的不同的温度依赖特性，该设备在运行期间常常经受照射装置的不准确和非校准(decalibration)。
本发明通过控制单元使得至少一个光学单元的温度(即运行温度)能够被调节，以避免对多个光学元件的不均匀加热并保持其运行温度基本恒定。换言之，控制单元使得照射装置的至少一个光学单元的运行温度能够以受控的方式被设置。具体地，本发明通过传热装置和控制单元能够实现在光学单元内特别是在多个光学元件上的均匀温度分布。这样，可以减小对至少一个光学单元的不同温度依赖特性的多个光学元件的影响，从而避免在运行期间照射装置的不准确和非校准。由此，可以更准确地控制照射装置的运行，并且可以生产出满足特别高质量标准的三维工件。
该设备可以包括多个传热装置，每个传热装置被分配给照射装置的至少一个光学单元。这样，可以选择性地调节分配给多个传热装置之一的至少一个光学单元的温度。多个传热装置可以由同一控制单元控制。
在更进一步的开发中，控制单元可以被配置成控制传热装置，使得当照射装置的至少一个光学单元的温度降到温度设定值以下时，可以将由热源产生的热传递至照射装置的至少一个光学单元，以使照射装置的至少一个光学单元的温度升高。此外，控制单元可以被配置成控制传热装置，使得当照射装置的至少一个光学单元的温度超过或等于温度设定值时，可以切断由热源产生的热向辐射单元的至少一个光学单元的传递。
温度设定值优选地是照射装置的至少一个光学单元的预定运行温度，该预定运行温度可以对应于照射装置的至少一个光学单元的最佳运行温度，在该最佳运行温度下，照射装置可以高准确度地运行，以生产高质量的工件。因此，控制单元通过将照射装置的至少一个光学单元的温度设定为温度设定值来确保使照射装置的至少一个光学单元的温度提高，直到达到其最佳运行温度。然后，在获得最佳运行温度之后，可以切断向照射装置的至少一个光学单元的热传递，并且可以在生产过程中保持其温度基本恒定在所设定的温度值。
例如，为了将照射装置的至少一个光学单元的温度保持在基本恒定的值，传热装置可以进一步被配置成将由冷却能量源产生的冷却能量传递至照射装置的至少一个光学单元。控制单元被配置成控制传热装置，使得当照射装置的至少一个光学单元的温度超过或等于温度设定值时，将由冷却能量源产生的冷却能量传递至照射装置的至少一个光学单元，以将照射装置的至少一个光学单元的温度基本上调节至温度设定值。由此，通过这样的配置，该设备可以在稳定的运行条件下运行，以便即使在长运行期间上也能满足高准确度标准。
为了控制照射装置的至少一个光学单元的温度，控制单元可以被配置成根据反馈环路来控制传热装置。这可能涉及在设备中，例如靠近照射装置的至少一个光学单元处，设置至少一个合适的温度感测装置。因此，控制单元可以被配置成响应于从至少一个温度感测装置传输至控制单元的控制参数来控制传热装置。控制参数可以指示照射装置的至少一个光学单元的温度。
此外，该设备可以设置有被配置成向处理室供应保护气体的保护气体供应***。保护气体供应***可以包括用于向处理室供应气体的供气管线和用于从处理室排出气体的排气管线，处理室可以与保护气体回路连接。由供气管线供应的气体可以是惰性气体，诸如例如氩气或氮气等。可以想到的是，处理室可以相对于周围大气密封，以便能够在其中保持受控的气氛。这样，可以在处理室内建立保护性气体气氛，以保护承载件上的照射区域免于与周围大气发生不期望的反应，并且通常是免于与氧气反应。进一步地，经由排气管线可以将在流经处理室时携带有颗粒杂质诸如例如过程性原料粉末颗粒和焊接烟尘颗粒的保护气体从处理室中抽出。
此外，该设备可以包括另一传热装置，该另一传热装置被配置成将热传递给待供应至处理室的保护气体。为了产生要传递给待供应至处理室的保护气体的热，另一传热装置可以包括被配置成作用于保护气体以使其温度升高的另一热源。另一热源可以以另一单独的加热器或换热器(heat exchanger，热交换器)的形式设置，该加热器或换热器被配置成在保护气体进入处理室之前并且/或者处于处理室中并且/或者离开处理室之后使保护气体的温度升高。
另一传热装置还可以包括用于向处理室供应保护气体的气流发生装置，诸如压缩机。具体地，气流发生装置可以被配置成调节保护气体流向和/或流出处理室的流速(flowrate)。
控制单元优选地被配置成控制另一传热装置，以调节待供应至处理室的保护气体的温度。具体地，控制单元可以被配置成控制另一热源，以根据进行中的生产过程来调节从另一热源传递给待供应至处理室的保护气体的热流。此外，控制单元可以被配置成控制气流发生装置，以进一步根据进行中的生产过程来调节保护气体流向和/或流出处理室的流速。由此，控制单元可以被配置成通过保护气体供应***和另一传热装置来调节处理室中的当前(prevailing，当时的、现行的)温度，以控制处理室内的运行条件。
通常，对处理室并且特别是容纳在其中的原料粉末或至少部分形成的工件的不适当的加热和/或冷却可能会导致诸如在工件内产生高温度梯度的问题。这可能导致相当大的内部应力以及变化的材料特性，从而导致待生产的工件的产品质量降低。因此，通常在设备中设置承载件加热单元，以抵消在生产过程中在工件中形成的温度梯度。具体地，承载件加热单元设置在承载件中或承载件下方，并被配置成对其上施加有原料粉末的承载件进行加热。然而，由于待生产的工件是逐层构建到承载件上的，因此在生产过程中部分形成的工件的温度可能会从靠近承载件的区域到远离承载件的区域显著降低。换言之，特别是当在相对于承载件的竖直方向上观察时，随着工件相对于承载件的构建高度的增加，温度梯度会进一步增大。因此，靠近承载件的工件区域可以保持在比较高的温度，而靠近正在形成中的新层的工件区域则比较冷。
另一方面，可能会出现这样的情况：工件中的温度梯度由其几何形状和在某些区域中的不期望的热累积而造成。在这种情况下，可能需要冷却以避免工件中的还可能会造成待生产的工件的产品质量降低的显著温度梯度。
通过保护气体供应***和可由控制单元控制的另一传热装置，该设备能够直接在正在形成中的工件附近或工件处提供加热和/或冷却，原因在于保护气体通常被供应成沿着或靠近正在形成中的工件的上层流动。换言之，通过调节待供应至处理室的保护气体的温度，可以设置处理室内的当前温度，特别是待经受来自照射装置的电磁辐射或粒子辐射的上层原料粉末区域中的当前温度，以在处理室内建立最佳的运行条件。由此，可以避免沿着正在形成中的工件的温度梯度，从而有助于生产特别高质量的三维工件。
为了控制处理室内的温度，控制单元可以被配置成根据反馈环路来控制另一传热装置。这可能涉及在该设备中设置至少一个合适的另外的温度感测装置，该温度感测装置可以被配置成感测处理室中的(特别是靠近承载件上的照射区域处的)和/或供气管线中的和/或排气管线中的当前温度。因此，控制单元可以被配置成响应于从至少一个另外的温度感测装置传输至控制单元的另外的控制参数来控制另一传热装置。相应地，控制参数可以指示处理室中的(特别是靠近承载件上的照射区域处的)和/或供气管线中的和/或排气管线中的当前温度。
优选地，控制单元被配置成控制另一传热装置，使得当处理室中的当前温度下降到另一温度设定值以下时，使待供应至处理室的保护气体的温度升高，并且当处理室中的当前温度超过另一温度设定值时，使待供应至处理室的保护气体的温度降低。例如，控制单元可以被配置成通过切断从另一传热装置到待供应至处理室的保护气体的热传递来使待供应至处理室的保护气体的温度降低。另一温度设定值优选地是处理室内的预定运行温度，该预定运行温度可以对应于最佳运行温度。因此，该设备通过控制单元确保使处理室内的温度升高并且此后保持基本恒定在其最佳运行温度。
总而言之，通过这样的配置，该设备的控制单元可以适合于对照射装置的至少一个光学单元的温度和处理室中的当前温度这两者进行控制，从而允许生产特别高质量的三维工件。
针对照射装置的至少一个光学单元的温度的温度设定值可以等于针对处理室中的当前温度的另一温度设定值。然而，优选地，针对照射装置的至少一个光学单元的温度的温度设定值大于针对处理室中的当前温度的另一温度设定值。例如，针对照射装置的至少一个光学单元的温度的温度设定值可以比针对处理室中的当前温度的另一温度设定值基本上大10开尔文。优选地，针对照射装置的至少一个光学单元的温度的温度设定值和针对处理室中的当前温度的另一温度设定值大于该设备的周围大气中的当前温度。
此外，控制单元可以被配置成控制传热装置和另一传热装置，使得照射装置的至少一个光学单元的温度梯度基本上等于处理室中的当前温度梯度。这样，可以在照射装置和处理室之间以协调的方式执行对照射装置的光学单元的温度和处理室中的当前温度的调节。
在更进一步的开发中，控制单元可以被配置成控制传热装置，使得当设备处于预热模式时，将照射装置的至少一个光学单元的温度升高至温度设定值。在此上下文中，“预热模式”是指在“处理模式”之前执行的设备运行模式，在所述“处理模式”期间，通过选择性地将电磁辐射或粒子辐射照射到施加在承载件上的原料粉末上来生产三维工件。换言之，在预热模式期间，将设备提升到其运行温度。然后，当设备已经获得其运行温度时，将设备切换到其处理模式，以开始生产待生产的三维工件。此外，控制单元可以被配置成控制传热装置，使得当设备处于其处理模式时，保持照射装置的至少一个光学单元的温度基本恒定在温度设定值。另外或可替代地，控制单元可以被配置成控制另一传热装置，使得当设备处于其预热模式时，将处理室中的当前温度升高至另一温度设定值，并且当设备处于其处理模式时，保持处理室中的当前温度基本恒定在另一温度设定值。由此，控制单元通过这样的配置来确保直到在设备中建立起最佳运行条件时才开始三维工件的生产，以便高准确度地生产三维工件。
传热装置可以包括传热回路，传热流体在传热回路中循环。传热回路可以特别通过第一换热器与热源热耦合，并且特别通过至少一个第二换热器与照射装置的至少一个光学单元特别是多个光学元件热耦合，以将由热源产生的热传递至照射装置的至少一个光学单元，特别是至少一个光学单元的多个光学元件。在此上下文中，术语“换热器”是指适合于将热传递给流经传热回路的传热流体或从传热流体接收热的任何部件。例如，为了将至少一个光学照射装置的多个光学元件与传热回路热耦合，传热装置可以包括多个第二换热器，每个第二换热器被选择性地分配给光学单元的多个光学元件中之一。然而，也可以想到的是，传热装置可以包括多个第二换热器，其中，向至少一个光学单元中的每个光学单元分配多个第二换热器中的仅一个第二换热器。通过将照射装置的至少一个光学单元的多个光学元件与传热回路热耦合，传热装置在至少一个光学单元内的多个光学元件整体中以及，在照射装置包括多个光学单元的情况下，在照射装置的多个光学单元上确保均匀地加热和/或均匀的温度水平。
传热回路可以包括至少一个分配管线，该至少一个分配管线与至少一个第二换热器连接，并且被配置成选择性地将在传热回路中循环的传热流体引导通过与照射装置的至少一个光学单元——特别是至少一个光学单元的多个光学元件中之一——热耦合的至少一个第二换热器。例如，在照射装置包括具有多个光学元件的第一光学单元和具有多个光学元件的第二光学单元的情况下，传热回路可以包括与热耦合于第一光学单元的至少一个换热器连接的第一分配管线和与热耦合于第二光学单元的至少一个换热器连接的第二分配管线，第一分配管线和第二分配管线被配置成选择性地将在传热回路中循环的传热流体引导通过与第一光学单元和第二光学单元热耦合的换热器。换言之，通过这样的配置，多个光学单元可以在传热回路中并联连接，以便能够选择性地将传热流体引导到其中。此外，传热回路可以包括至少一个第一控制阀。例如，在传热回路包括多个分配管线的情况下，传热回路可以包括多个第一控制阀，每个第一控制阀可以设置在多个分配管线之一中，并且可以被配置成控制经由分配管线的传热流体的流动。然而，也可以想到将多个光学单元串联连接，使得传热流体在流过与第一光学单元热耦合的换热器之后被引导至与第二光学单元热耦合的换热器。
此外，传热回路可以特别通过布置在传热回路的旁路管线中的第三换热器与冷却能量源热耦合，以将由冷却能量源产生的冷却能量传递至照射装置的至少一个光学单元，特别是至少一个光学单元的多个光学元件。具体地，旁路管线可以与传热回路的容纳有与热源热耦合的第一换热器的一部分并联连接。相应地，传热回路可以包括设置在传热回路的旁路管线中的第二控制阀和布置在传热回路的所述一部分中的第三控制阀，第二控制阀和第三控制阀被配置成控制经由旁路管线和所述一部分的传热流体的流动。具体地，通过控制至少一个第一控制阀、第二控制阀和第三控制阀的操作，控制单元可以被配置成调节照射装置的至少一个光学单元的温度。
另一传热装置可以包括另一热源，该另一热源被配置成作用在待供应至处理室的保护气体中，以调节特别是提高保护气体的温度。在更进一步的开发中，另一热源可以以第三换热器的形式设置。通过这样的配置，在传热装置中特别是由热源产生的废热可以用于加热待供应至处理室的保护气体。相应地，由保护气体提供的冷却能量可以传递至照射装置的至少一个光学单元。由此，可以改善设备的整体效率。
此外，本发明涉及一种操作设备的方法，所述设备适于生产三维工件，该设备包括：处理室，该处理室容纳有用于接收原料粉末的承载件；照射装置，该照射装置用于选择性地将电磁辐射或粒子辐射照射到施加在承载件上的原料粉末上以便通过增材层叠构造法由所述原料粉末生产工件，该照射装置包括至少一个辐射源和具有多个光学元件的至少一个光学单元；以及传热装置，该传热装置被配置成将由该传热装置的热源产生的热传递给至少一个光学单元。该方法包括控制传热装置以调节照射装置的至少一个光学单元的温度的步骤。
附图说明
下面参照所附示意图更详细地说明本发明的优选实施方案，其中：
图1示出了根据第一实施方案的用于生产三维工件的设备的示意图，以及
图2示出了根据第二实施方案的用于生产三维工件的设备的示意图。
具体实施方式
图1示出了用于通过增材层叠处理生产三维工件12的设备10。设备10包括容纳有用于接收原料粉末18的承载件16的处理室14。处理室14相对于环境大气密封，即相对于处理室14周围的环境密封。粉末施加装置(未示出)用于将原料粉末18施加到承载件16上。承载件16被设计成能在竖直方向上移位，使得当工件12由承载件16上的原料粉末18逐层构建时，承载件16可以随着工件的构造高度的增加而在竖直方向上向下移动。
用于生产三维工件12的设备10还包括照射装置20，该照射装置用于选择性地将电磁辐射或粒子辐射，特别是激光辐射，照射到施加到承载件16上的原料粉末18上，以通过增材层叠构造法由所述原料粉末18生产工件12。特别地，通过照射装置20，可以根据待生产的部件的期望几何形状以位点选择性方式使承载件16上的原料粉末18经受电磁辐射或粒子辐射。照射装置20包括第一辐射源22和第二辐射源24，该第一辐射源和第二辐射源可以包括发射出波长大约为1070nm至1080nm的激光的二极管泵浦镱光纤激光器。
照射装置20还包括具有多个光学元件28的用于引导和处理由第一辐射源22发射的辐射束30的第一光学单元26以及具有多个光学元件34的用于引导和处理由第二辐射源24发射的辐射束36的第二光学单元32。第一光学单元26的多个光学元件28和第二光学单元32的多个光学元件34可包括用于扩展辐射束的扩束器、扫描器和物镜。可替代地，第一光学单元26的多个光学元件28和第二光学单元32的多个光学元件34可包括包含聚焦光学器件的扩束器以及扫描器单元。通过扫描器单元，可以改变和适配第一辐射束30和第二辐射束36在光束路径的方向上以及在垂直于光束路径的平面中的焦点位置。
设备10还包括传热装置38，该传热装置被配置成将由热源40产生的热传递至照射装置20的第一光学单元26和第二光学单元32。在图1所描绘的实施方案中，热源40以单独的加热器的形式设置。
此外，设备10设置有控制单元42，该控制单元被配置成控制传热装置38，以调节照射装置20的第一光学单元26和第二光学单元32的温度。控制单元42可与设备10的中央控制单元分开设置或集成到中央控制单元中。
具体地，控制单元42被配置成控制传热装置38，使得当照射装置20的第一光学单元26和第二光学单元32的温度下降到温度设定值以下时，通过传热装置38将由热源40产生的热传递至照射装置20的第一光学单元26和第二光学单元32，以使照射装置20的第一光学单元26和第二光学单元32的温度升高。控制单元42还被配置成控制传热装置38，使得当照射装置20的第一光学单元26和第二光学单元32的温度超过或等于温度设定值时，切断热源40产生的热向照射装置20的第一光学单元26和第二光学单元32的传递。
传热装置38还被配置成将由冷却能量源44产生的冷却能量传递至照射装置20的第一光学单元26和第二光学单元32。相应地，控制单元42被配置成控制传热装置38，使得当照射装置20的第一光学单元26和第二光学单元32的温度超过或等于温度设定值时，将由冷却能量源44产生的冷却能量传递至照射装置20的第一光学单元26和第二光学单元32，以将照射装置20的第一光学单元26和第二光学单元32的温度基本上调节至温度设定值。由此，通过这种配置，设备10可以在稳定的运行条件下运行，以便即使在长运行周期上也能够满足高准确度标准。
为了控制照射装置20的第一光学单元26和第二光学单元32的温度，控制单元42被配置成根据反馈环路来控制传热装置38。相应地，设备10包括被配置成确定照射装置20的第一光学单元26和第二光学单元32的温度的第一温度感测装置和第二温度感测装置(未示出)。具体地，第一和第二温度感测装置被配置成向控制单元42传输控制参数，其中，控制参数指示照射装置20的第一光学单元26和第二光学单元32的温度。
此外，设备10设置有被配置成向处理室14供应保护气体的保护气体供应***46、48。保护气体供应***46、48包括用于向处理室14供应气体的供气管线46和用于从处理室14排出气体的排气管线48。经由供气管线46供应至处理室的气体可以是惰性气体，诸如例如氩气或氮气等。然而，也可以想到，经由供气管线46向处理室14供应空气。通过布置在处理室14上游的供气管线46中的合适的传送装置诸如例如压缩机或鼓风机(未示出)经由供气管线46将气体传送到处理室14中。在此上下文中，术语“上游”是指保护气体流经供气管线46的流动方向。
此外，排气管线48用于从处理室14排出含有颗粒杂质的气体，颗粒杂质是在用电磁辐射或粒子辐射照射承载件16上的原料粉末18时在处理室14中产生的。排气管线48可与供气管线46连接，以限定再循环***，经由排气管线48离开处理室14的气体通过该再循环***经由供气管线46再循环到处理室14中。为了在经由供气管线46将气体再循环到处理室14中之前将颗粒杂质从经由排气管线48从处理室14排出的气体中去除，可以在再循环***中设置合适的过滤器装置(未示出)。
此外，设备10包括另一传热装置50，该另一传热装置被配置成将热传递给待供应至处理室14的保护气体。为了产生要传递给待供应至处理室14的保护气体的热，另一传热装置50包括被配置成作用于保护气体以使其温度升高的另一热源52。另一热源52以另一单独的加热器的形式设置，该另一单独的加热器布置在供气管线46中并被配置成在保护气体进入处理室14之前使保护气体的温度升高。另外，另一传热装置50可被配置成将由另一冷却能量源产生的冷却能量传递给待供应至处理室14的保护气体，其中，另一冷能源可布置在供气管线48中。
控制单元42还被配置成控制另一传热装置50，以调节待供应至处理室14的保护气体的温度。具体地，控制单元42被配置成控制另一传热装置50，使得当处理室14中的当前温度低于另一温度设定值时，使待供应至处理室的保护气体的温度升高，并且当处理室14中的当前温度超过另一温度设定值时，使待供应至处理室14的保护气体的温度降低。
为了控制处理室内的温度，控制单元被配置成根据反馈环路来控制另一传热装置50。相应地，设备10包括被配置成确定处理室14中的当前温度的第三温度感测装置(未示出)。具体地，第三温度感测装置被配置成向控制单元42传输控制参数，其中，控制参数指示处理室14中的当前温度。
由此，设备10的控制单元42被配置成对照射装置20的第一光学单元26和第二光学单元32的温度的调节以及对处理室14中的当前温度的调节两者进行控制，从而允许生产特别高质量的三维工件。
具体地，针对照射装置20的第一光学单元26和第二光学单元32的温度的温度设定值大于针对处理室14中的当前温度的另一温度设定值。可替代地，针对照射装置20的第一光学单元26和第二光学单元32的温度的温度设定值可以等于针对处理室14中的当前温度的另一温度设定值。
此外，控制单元42被配置成控制传热装置38和另一传热装置50，使得照射装置20的第一光学单元26和第二光学单元32的温度梯度基本上等于处理室14中的当前温度梯度。
又此外，控制单元42被配置成控制传热装置38，使得当设备10处于预热模式时，将照射装置20的第一光学单元26和第二光学单元32的温度升高至温度设定值，并且当设备10处于处理模式时，保持照射装置20的第一光学单元26和第二光学单元32的温度基本恒定在温度设定值。相应地，控制单元42被配置成控制另一传热装置50，使得当设备10处于其预热模式时，将处理室14中的当前温度升高至另一温度设定值，并且当设备10处于其处理模式时，保持处理室14中的当前温度基本恒定在另一温度设定值。
更具体地，如图1所示，传热装置38包括传热回路54，传热流体在该传热回路中循环。传热回路54包括用于召集(convene)传热流体通过传热回路54的召集装置(未示出)诸如泵。此外，传热回路54通过第一换热器56与热源40热耦合并通过多个第二换热器58与照射装置20的第一光学单元26和第二光学单元32热耦合，以将热源40产生的热传递至第一光学单元26和第二光学单元32的多个光学元件28、34。特别地，对于第一光学单元26和第二光学单元32的多个光学元件28、34中的每个光学元件均连接有一个单独的第二换热器58。
传热回路54还包括与连接于第一光学单元26的多个光学元件28的第二换热器58连接的第一分配管线60以及与连接于第二光学元件32的多个光学元件34的第二换热器58连接的第二分配管线62。第一分配管线60和第二分配管线62被配置成将在传热回路54中循环的传热流体选择性地引导通过与第一光学单元26和第二光学单元32的多个光学元件28、34热耦合的多个第二换热器58。具体地，通过第一分配管线60和第二分配管线62，与第一光学单元26的多个光学元件28连接的第二换热器58和与第二光学单元32的多个光学元件34连接的第二换热器58在传热回路54中并联连接。
此外，在第一分配管线60和第二分配管线62中的每个分配管线中设置有第一控制阀64，该第一控制阀被配置成控制经由第一分配管线和第二分配管线的传热流体的流动。这样，由控制单元42控制的第一控制阀64能够选择性地将传热流体引导至第一光学单元26和第二光学单元32的多个光学元件28、34。
传热回路54通过布置在传热回路54的旁路管线66中的第三换热器65与冷却能量源44热耦合，以将由冷却能量源44产生的冷却能量传递至第一光学单元26和第二光学单元32的多个光学元件28、34。具体地，旁路管线66与传热回路54中的容纳有与热源40热耦合的第一换热器56的部分68并联连接。此外，传热回路54包括设置在旁路管线66中的第二控制阀70和设置在传热回路54的部分68中的第三控制阀72，第二控制阀和第三控制阀由控制单元42控制，并被配置成控制经由旁路管线和所述部分的传热流体的流动。具体地，控制单元42被配置成向第一至第三控制阀68至70提供控制信号，以调节照射装置20的第一光学单元26和第二光学单元32的温度。此外，传热回路54可以包括具有另一控制阀的另一旁路管线，该另一旁路管线用于绕过传热回路54的部分68和旁路管线68两者，使得传热流体可以在不被引导通过第一换热器56和第三换热器65的情况下循环通过传热回路54。
图2示出了根据第二实施方案的用于生产三维工件的设备10。与图1所描绘的设备10的第一实施方案相比，在图2所示的设备10中，传热装置38的用于产生待传递给照射装置20的第一光学单元26和第二光学单元32的热的热源以第一辐射源22和第二辐射源24的形式设置。为此，另一传热装置50的另一热源以第三换热器65的形式设置。通过这样的配置，由第一辐射源22和第二辐射源24产生的废热被用于对照射装置20的第一光学单元26和第二光学单元32以及待供应至处理室14的保护气体进行加热，从而改善设备10的整体效率。

Claims (13)

1.一种用于生产三维工件(12)的设备(10)，所述设备(10)包括：
-处理室(14)，所述处理室容纳有用于接收原料粉末(18)的承载件(16)；
-照射装置(20)，所述照射装置用于选择性地将电磁辐射或粒子辐射照射到施加于所述承载件(16)上的原料粉末(18)上，以便通过增材层叠构造法由所述原料粉末(18)生产所述工件(12)，所述照射装置(20)包括至少一个辐射源(22，24)和具有多个光学元件(28，34)的至少一个光学单元(26，32)；以及
-传热装置(38)，所述传热装置被配置成将由热源(40；22，24)产生的热传递至所述照射装置(20)的所述至少一个光学单元(26，32)，
其特征在于：
所述设备(10)还包括控制单元(42)，所述控制单元被配置成控制所述传热装置(38)，以调节所述照射装置(20)的所述至少一个光学单元(26，32)的温度，其中，所述传热装置(38)包括传热回路(54)，传热流体在所述传热回路中循环，并且所述传热回路被配置成与所述热源(40；22，42)以及与所述照射装置(20)的所述至少一个光学单元(26，32)热耦合，以将由所述热源(40；22，42)产生的热传递至所述照射装置(20)的所述至少一个光学单元(26，32)，
其中，所述传热装置(38)还被配置成将由冷却能量源(44；52)产生的冷却能量传递至所述照射装置(20)的所述至少一个光学单元(26，32)。
2.根据权利要求1所述的设备，
其中，所述控制单元(42)被配置成控制所述传热装置(38)，使得当所述照射装置(20)的所述至少一个光学单元(26，32)的温度下降到温度设定值以下时，将由所述热源(40；22，24)产生的热传递至所述照射装置(20)的所述至少一个光学单元(26，32)，以使所述照射装置(20)的所述至少一个光学单元(26，26)的温度升高，并且当所述照射装置(20)的至少一个光学单元(26，32)的温度超过或等于所述温度设定值时，切断所述热源(40；22，24)产生的热向所述照射装置(20)的所述至少一个光学单元(26，32)的传递。
3.根据权利要求2所述的设备，
其中，所述控制单元(42)被配置成控制所述传热装置(38)，使得当所述照射装置(20)的所述至少一个光学单元(26，32)的温度超过或等于所述温度设定值时，将由所述冷却能量源(44；52)产生的冷却能量传递至所述照射装置(20)的所述至少一个光学单元(26，32)，以将所述照射装置(20)的所述至少一个光学单元(26，32)的温度基本调节至所述温度设定值。
4.根据权利要求1所述的设备，
还包括：
-保护气体供应***(46，48)，所述保护气体供应***被配置成向所述处理室(14)供应保护气体；以及
-另一传热装置(50)，所述另一传热装置被配置成向待供应至所述处理室(14)的所述保护气体传递热，其中
所述控制单元(42)被配置成控制所述另一传热装置(50)，以调节待供应至所述处理室(14)的所述保护气体的温度。
5.根据权利要求4所述的设备，
其中，所述控制单元(42)被配置成控制所述另一传热装置(50)，使得当所述处理室(14)中的当前温度下降到另一温度设定值以下时，使待供应至所述处理室(14)的所述保护气体的温度升高，并且当所述处理室(14)中的当前温度超过所述另一温度设定值时，使待供应至所述处理室(14)的所述保护气体的温度降低。
6.根据权利要求5所述的设备，
其中，针对所述照射装置(20)的所述至少一个光学单元(26，32)的温度的温度设定值等于或大于针对所述处理室(14)中的当前温度的所述另一温度设定值。
7.根据权利要求4所述的设备，
其中，所述控制单元(42)被配置成控制所述传热装置(38)和所述另一传热装置(50)，使得所述照射装置(20)的所述至少一个光学单元(26，32)的温度梯度基本等于所述处理室(14)中的当前温度梯度。
8.根据权利要求4所述的设备，
其中，所述控制单元(42)被配置成控制所述传热装置(38)，使得当所述设备(10)处于预热模式时，将所述照射装置(20)的所述至少一个光学单元(26，32)的温度升高至所述温度设定值，并且当所述设备(10)处于处理模式时，将所述照射装置(20)的所述至少一个光学单元(26，32)的温度保持基本恒定在所述温度设定值，并且/或者
其中，所述控制单元(42)被配置成控制所述另一传热装置(50)，使得当所述设备(10)处于其预热模式时，将所述处理室(14)中的当前温度升高至所述另一温度设定值，并且当所述设备(10)处于其处理模式时，将所述处理室(14)中的当前温度保持基本恒定在所述另一温度设定值。
9.根据权利要求1所述的设备，
其中，所述传热装置(38)通过第一换热器(56)与所述热源(40；22，42)热耦合并且通过至少一个第二换热器(58)与所述照射装置(20)的所述至少一个光学单元(26，32)热耦合，以将由所述热源(40；22，42)产生的热传递至所述照射装置(20)的所述至少一个光学单元(26，32)。
10.根据权利要求9所述的设备，
其中，所述传热回路(54)包括至少一个分配管线(60，62)，所述至少一个分配管线与所述至少一个第二换热器(58)连接，并被配置成将在所述传热回路(54)中循环的所述传热流体选择性地引导通过与所述照射装置(20)的所述至少一个光学单元(26，32)热耦合的所述至少一个第二换热器(58)。
11.根据权利要求1所述的设备，
其中，所述传热回路(54)还通过布置在所述传热回路(54)的旁路管线(66)中的第三换热器(65)与所述冷却能量源(44；52)热耦合，以将由所述冷却能量源(44；52)产生的冷却能量传递至所述照射装置(20)的所述至少一个光学单元(26，32)。
12.根据权利要求11所述的设备，
其中，所述另一传热装置(50)包括另一热源(52)，所述另一热源被配置成作用于待供应至所述处理室(14)的所述保护气体，以调节所述保护气体的温度，其中，所述另一热源(52)以所述第三换热器(65)的形式设置。
13.一种操作设备(10)的方法，所述设备(10)适于生产三维工件(12)，所述设备包括：
-处理室(14)，所述处理室容纳有用于接收原料粉末(18)的承载件(16)；
-照射装置(20)，所述照射装置用于选择性地将电磁辐射或粒子辐射照射到施加在所述承载件(16)上的原料粉末(18)上，以便通过增材层叠构造法由所述原料粉末(18)生产所述工件(12)，所述照射装置(20)包括至少一个辐射源(22，24)和具有多个光学元件(28，34)的至少一个光学单元(26，32)；以及
-传热装置(38)，所述传热装置被配置成将由所述传热装置(38)的热源(40；22，24)产生的热传递至所述照射装置(20)的所述至少一个光学单元(26，32)，
其特征在于：
所述方法包括控制所述传热装置(38)以调节所述照射装置(20)的所述至少一个光学单元(26，32)的温度的步骤，其中，所述传热装置(38)包括传热回路(54)，传热流体在所述传热回路中循环，并且所述传热回路被配置成与所述热源(40；22，42)以及所述照射装置(20)的所述至少一个光学单元(26，32)热耦合，以将由所述热源(40；22，42)产生的热传递至所述照射装置(20)的所述至少一个光学单元(26，32)，
其中，所述传热装置(38)还被配置成将由冷却能量源(44；52)产生的冷却能量传递至所述照射装置(20)的所述至少一个光学单元(26，32)。
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