CN109070223A - 一种用于制造三维对象的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于由能熔化的原材料制造三维工件(3)的设备，其中，所述工件(3)通过相互平行的截平面分成空间切片(10)，所述空间切片分别通过所述工件(3)的外轮廓(25)在空间上限界，其中，通过熔化单元(4)将原材料熔化，其中，该熔化相应于二维坐标在空间切片内进行，其中，空间切片至少部分面式熔化，其特征在于，原材料是板材形材料，其中，相叠的两个空间切片(10)之间的间距相应于板材厚度。

Description

一种用于制造三维对象的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于由板材状原材料制造三维对象的方法以及一种根据权利要求22的前序部分所述的用于执行该方法的设备。
背景技术
工件现今越来越多地借助增材生产制造。增材生产在过去也称为快速样品成型，但这由于新设备的性能而不再适合选择作为名称。即，新设备不仅适合于样品成型而且越来越多地也适合于批量生产。所述生产直接基于计算机内部数据模型由无定形(液体、粉末等)或形状中性(带形、线形)材料借助化学和/或物理过程进行。尽管涉及成形方法，但对于具体的产品不需要存储工件的对应几何形状的特定模具(例如铸模)。增材生产方法的优点就在于此，因为没有任何模具成本。此外常可制造不能以传统制造方法制造或以其仅很困难地才可制造的几何形状。
在此并且在后面，增材生产相应于众所周知的通常概念3D打印。在此并且在后面，尤其是在权利要求中，工件指的是待制造的三维对象，但基于所述制造过程，仅部分制成的工件也成为工件。
在市场上已知的3D打印方法尤其对于打印金属构件具有以下缺点，基材必须作为粉末存在。粉末大多层式地施加并且每层通过激光熔化。粉末尤其对于金属粉末而言是很贵的，这尤其导致该制造方法是昂贵的。这种粉末尤其在选择性激光烧结中使用，选择性激光烧结在此并且在后面称为SLS。
由US-PS 5,637,175已知一种方法，该方法以板材层工作。在此，将板材层相互堆叠、粘接或钎焊并且在工件切片(Schnitt)内切出外轮廓。该方法在此并且在后面称为分层实体制造，简称为LOM。
由WO 99/02342已知一种类似方法，该方法同样属于LOM。在该对比文件中描述的方法中使用复合材料，该复合材料由真正的材料和低熔点的钎焊层构成。钎焊层在构造每个层之后熔化，由此形成片层状的层的粘接。
由DE 101 60 772 A1已知一种方法，该方法同样可属于LOM。在此使用两个方法步骤。在第一方法步骤中将相应于工件切片切出的箔切片相互堆叠。在这些箔切片之间分别置入低熔点的层。整个层结构、即由勉强连接的片层状层体构成的工件在第二方法步骤中经受热处理。在此，至少部分发生材料连接，因为低熔点材料熔化。
DE 4124961 A1公开了一种方法，其中，箔由板材裁切而成。各箔借助激光焊接方法接合，以层式地构造希望的物体。在该方法中，首先形成相应于平面切片的子体，这是步骤1，然后将它们接合，这是步骤2。
属于LOM的所有方法具有的目的都是从板材料切出工件切片，由此切割工具或激光仅需走过外轮廓。即，在第一方法步骤中形成子体，子体在事后接合。各层相互近似粘接或通过异种材料来材料锁合连接，由此在工件中存在片层状层。也已知的是扩散焊，即将层在材料的熔点附近相互压紧。LOM方法具有的主要目的是，将3D打印工件的完成时间缩短，使得仅激光加工(或切割)外轮廓。与此相对的，SLS方法具有的主要目的例如是，获得整个工件的材料结合，由此几乎不存在片层状层，而是仅有层式的制造方法。
发明内容
本发明的任务在于，提供一种方法和设备，它们使得能在不需要使用粉末作为原材料的情况下实现3D打印。原材料应尽可能作为市场售卖的批量生产物存在。尽管如此，工件在需要的部位处应具有通过连贯的材料锁合实现的希望的强度。
本发明的任务通过具有权利要求1特征的方法和具有权利要求22特征的设备解决。
从属权利要求给出本发明的有利的构型和扩展方案。
为了制造工件，首先产生工件的3D模型，通过该三维模型将待生产的工件通过相互平行的截平面分成空间切片，其中，每个空间切片位于两个相叠的截平面之间并且通过工件的外轮廓在空间上限界。在三维模型中也限定应在何处进行两个相叠的空间切片的熔合，例如相应于二维坐标。根据本发明的方法具有一个或多个板材作为原材料或熔化材料。这表示，熔化材料在熔化过程之前以固态存在。板材被层式地施加，其中，每个层相应于三维模型的一个空间切片，并且层以与在三维模型中相同的顺序施加。因而一个层的厚度相应于三维模型的相叠的两个截平面之间的间距。在施加一个新层之后——该新层直接施加到其下的层上，将该新层相应于三维模型的三维构件切片地熔化。该熔化产生与其下的层的材料锁合连接。这种熔化过程也可称为熔化焊接。在加工位置处，新的最上面的层至少在其下部部分熔化而其下的层至少在其上部部分熔化。该熔化过程从第二板材层开始进行。最下面的第一板材层不必熔化，因为其上的第二层在其熔化过程中与最下面的层熔接。熔化以熔化单元进行。在控制器和相应的驱动器的使用下，将熔化单元或板材复合物相应于对应的空间切片中的希望的X坐标和Y坐标移动。此外，控制器控制熔化单元和最上面的板材层之间的相对间距S。扁平的辊压制品称为板材。特别薄的板材称为箔。在此并且在后面，概念板材也用作总称。
本发明描述了原材料的至少部分面的熔化。这提供以下优点：可研发出全新的工件，因为例如能够生成具有仅在边缘区域熔化的区域的相叠的板材。因而得到整个外壳，该外壳具有片层状的内部区域，该内部区域自身可承受很大的拉力。从而通过在3D打印机中完成期间合适地选择材料层体可(通过片层状内部区域的层体)确定构件强度。
优选，原材料以平板裁切件(Tafelzuschnitt)存在。每个板材层作为平板放置在最近的板材层上。
有利地，原材料以卷状态存在，即卷起。这提供以下优点，可简单地从滚子展开每个新层。原板材在近似无端状态中存在。这提供附加优点，在需要的工件横截面小时也仅需抽出小的板材面。在平板应用中始终必须推出新的平板，这造成很多废料。
根据一种优选构型，使用物体承载件，该物体承载件接收最下面的板材层。
在本发明的一扩展方案中，在每个层施加之后，将最下面的板材层由驱动单元相应于对应的层厚度向下、即沿着横向于截平面延伸的轴线朝首个施加的板材层的方向移动。
在本发明的另一构型中，并不将最下面的板材层通过驱动单元移动，而是将最上面的、即新施加的板材层移动。
有利地，布置有切割单元，该切割单元适合于将板材沿着工件的新施加的空间切片的外轮廓这样切割，使得形成板材残余(Blechreststücke)。板材残余因而是板材的以下部分，其并不在工件的空间切片或者说板材层之内。板材残余因而并不像由熔化单元熔化的面区域那样形成与待印刷的工件的材料连接，而是形成废料。
在本发明的扩展方案中，熔化单元合适地构造并且也用作切割单元。
根据本发明的一种有利构型，熔化单元和切割单元构造为唯一的单元，该单元是激光器。
优选，至少将最下面的板材层在至少一个附接部上保持，该附接部具有原板材的至少一个子区域并且承放在接收框架上。由此该板材层形成一种框架，该框架保持整个印刷物体。
有利地，至少一个板材层的附接部具有这样的槽口，使得该槽口适合于让其他板材层的板材残余穿过槽口掉落。
在本发明的扩展方案中，布置有收集区域，该收集区域收集板材残余。
本发明的扩展方案设置，借助计算机辅助计算来计算附接部，使得附接部适合于让上面的层的板材残余穿过槽口掉落。
根据本发明的优选构型，所述残余的大小借助中间截面限制。中间截面借助计算机辅助计算和合适的算法确定。
根据本发明的有利构型，通过切割单元将一个或多个附接部在希望的时间点切断。
有利地，板材在至少部分留空(挖槽)的状态中存在。因而例如可使用带孔的板材或格栅板材。这提供以下优点，使得需要的熔化功率较小。
根据本发明的有利构型，可在熔化过程和沿着工件外轮廓的可能的切割过程之后将至少部分存在的工件向下下降，而余留的板材可在工件上方输送走。当然也可将板材抬起并且越过工件输送走。重要的是余留的板材和工件之间的相对运动。
根据本发明的优选构型，熔化过程在保护气体的作用下发生。因而例如可将设备的整个腔置于保护气体之下，从而避免氧气到达熔化缝中。由此获得更好的熔化结果。
在本发明的扩展方案中，储备不同厚度的板材并且相应于待完成的工件的几何形状针对不同的空间切片使用不同的板材厚度。板材厚度一定程度上预给定工件的“分辨率”。如果使用厚的板材层，则得到阶梯式外轮廓，该外轮廓可称为“分辨率”。当初略的“分辨率”就足够时，可使用较厚的板材层。例如当工件的子几何形状允许较初略的分辨率时，则可针对这些子几何形状使用较厚的板材。工件的完成时间因而明显减少。
本发明的有利构型涉及以下情况：板材窄地构造，使得板材并不覆盖空间切片的整个面或者说宽度。空间切片在此分成相互平行的子切片，其中，板材层并不相应于整个空间切片，而是仅相应于子切片。板材以本发明的方法熔化并且沿着附加切片(Zusatzschnitt)切分，该附加切片有利地笔直地构造。因而形成的废料比覆盖整个空间切片的板材的情况少。在此，在每个子切片之后必须将板材附加于真正的进给运动沿侧向移位，直至前述步骤的迭代的步骤序列覆盖整个空间切片为止。当已覆盖整个空间切片时(并从而在希望的区域熔化)，则修切外轮廓。对于板材的侧向移位，将板材有利地以沿Z方向、即正交于板材表面的相对运动从工件移除。该移除形成板材和工件之间的间距，由此该移动运动不会由于撞击而受负面影响。
根据本发明的有利构型，所述材料是金属。在要取代的方法中金属粉末是很贵的，而通过根据本发明使用金属板材具有很大的节省潜力。
有利地，对应的最上面的板材层压紧到其下的板材层上。这具有的优点是，去除可能的空气夹杂和/或空隙。该挤压过程可借助整面的辊子或借助部分面的挤压过程例如辊压过程进行。
根据本发明的用于由能熔化的原材料制造三维工件的设备，其中，所述工件通过相互平行的截平面分成空间切片，所述空间切片分别通过所述工件的外轮廓在空间上限界，其中，通过熔化单元将原材料熔化，其中，该熔化相应于二维坐标在空间切片内进行，其中，空间切片至少部分面地熔化，其特征在于，原材料是板材形材料，其中，相叠的两个空间切片之间的间距相应于板材厚度。
附图说明
在后面根据附图详细解释本发明。
附图示出：
图1用于制造三维工件的设备的实施例的侧视图，该设备具有卷式预存储器和载体框架。
图2相应于根据图1的实施例的板材的俯视图，具有附接部。
图3工件的剖视图，具有片层状的、未被熔化的内部区域和熔化的外壳。
图4分成初略分辨率和精细分辨率的子区域的工件的剖视图。
图5相互熔合的两个板材的剖视图。
图6在以板材构造相应的板材层时工件的空间切片的俯视图。
图7两个相互熔合的板材的剖视图，其中，上面的板材层并未在整个厚度上熔化。
在附图中仅示出最重要的和根据本发明的构件。各机械技术构件并未示出和/或描述。
具体实施方式
在图1的侧视图中示出用于制造三维工件3的设备的实施例。板材1储备在卷2上。通过卷引导单元13可将板材1相应于层抬起。最下面的板材层位于载体框架7上。在最下面的板材层中切入未详细示出的槽口，上面的板材层的板材残余8可穿过该槽口掉落。但板材残余8不必强制向下掉落，而是也可在板材1被抬起之后随板材剩余部分一起输送走。切割单元5和熔化单元4在该实施例中形成唯一一个单元，即激光器。控制器6向相应的单元传输运动的实施方案，也就是说沿X轴和Y轴——即在平行于截平面的平面中——以及Z轴(正交于截平面)，其中，在实施每层之后实行所述运动。控制器6也向卷引导单元13传输何时实施运动并且何时将板材1从卷2拉出。以卷2进行的该实施方案提供以下大优点，从卷2拉出的板材1的量始终仅是对于当前层而言刚好希望的量。
在图2的俯视图中示出根据图1的设备的实施例的板材1。板材1示出为卷2的“无端条带”的局部。迄今制成的工件3已与其上的板材1熔合，使得可看到当前空间切片的外轮廓25。切出的板材残余8环绕工件3地仅留下附接到板材1上的附接部9。在板材残余8输送走或掉落之后形成槽口。沿着中间截面14可将板材残余8这样切分和切小，使得其可良好地掉落。
图3的剖视图示出工件3，该工件3在工件3的空间切片10中具有仅部分熔化的区域。这些区域这样选择，使得得到经熔化的外壳16和片层状的内部区域15。因而可例如通过在3D打印机中合适地选择工件层体，将工件3的负载方向沿着片层状的内部区域15放置，由此得到能受高负载的工件3，该工件可在极短的时间内印刷出。
根据图4的剖视图示出工件3，该工件分成初略分辨率的子几何结构17和精细分辨率的子几何结构18。由此得到工件，该工件可通过为不同的子区域合适地选择待使用的板材来很快地制造。
根据图5的剖视图示出相互熔合的两个板材1的截面。在当前空间切片的凝固区域22处可看到，新板材1的厚度是初始板材厚度19，即两个板材1材料锁合地相互连接。在此示出的激光射束24将当前加工位置上的材料熔化，由此形成当前空间切片23的液体区域23。在这里也可看到的是，位于下面的板材层也熔合到一起。在该截面中加工方向是从右向左。
根据图6的俯视图示出工件3的空间切片。待施加的空间切片分成平行的条带20，也称为子切片20。通过附加于真正的进给运动的沿侧向、即横向于板材进给方向26进行的移动，以迭代方法逐渐覆盖整个空间切片。在每个子切片20中首先面熔化，然后沿着附加切片27将板材1在直线上切断。如果已覆盖空间切片的整个面，则在当前空间切片的外轮廓25上修切。从而板材残余8掉落。
根据图7的剖视图示出根据图5的构造，其中，在图7中可看到激光调设，该激光调设在材料内才起作用。激光射束24因而调设成并不将整个板材厚度19熔化，而是仅熔化下部的部分厚度区域28。这可具有以下优点，可通过少的能量将厚板材连接。这种构造的其他优点可以是，出现的翘曲小。
附图标记列表
1 板材
2 卷
3 工件
4 熔化单元
5 切割单元
6 控制器
7 载体框架
8 板材残余
9 附接部
10 空间切片
11 收集区域
12 物体承载件
13 卷引导单元
14 中间截面
15 片层状内部区域
16 外壳
17 初略分辨率的子几何结构
18 精细分辨率的子几何结构
19 初始板材厚度
20 条带
22 凝固区域
23 液体区域
24 激光射束
25 外轮廓
26 板材进给方向
27 附加切片
28 下部的部分厚度区域

Claims (22)

1.一种用于由能熔化的原材料制造三维工件(3)的方法，其中，所述工件(3)通过相互平行的截平面分成空间切片(10)，所述空间切片分别通过所述工件(3)的外轮廓(25)在空间上限界，其中，在第一方法步骤中，通过熔化单元(4)将原材料熔化，其中，该熔化相应于在空间切片(10)内的二维坐标进行，其中，空间切片以迭代结构逐层地构造并且从构造的第二空间切片起将每个空间切片至少部分面地熔化，其中，在下一方法步骤中，针对每个空间切片修切出所述工件(3)的外轮廓(25)，其特征在于，所述原材料是板材形材料，其中，相叠的两个空间切片(10)之间的间距相应于板材厚度，其中，在处于熔化作用下的面区域中，板材(1)的至少一个下部部分和位于其下的空间切片的上部部分在熔化时被加载，所述下部部分靠置在位于所述板材(1)和所述工件(3)的位于该板材下的空间切片之间的边界区域上，所述上部部分同样靠置在该边界区域上。
2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，以至少一种厚度进行储备的板材(1)是平板裁切件。
3.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，至少以一种厚度进行储备的板材(1)以卷绕状态、即以卷(2)的形式预存储。
4.根据前述权利要求之一所述的方法，
其特征在于，最下面的、首个施加的板材层承放在物体承载件(12)上。
5.根据前述权利要求之一所述的方法，
其特征在于，在施加每个层之后，最下面的板材层被驱动单元相应于对应的层厚度地向下移动。
6.根据前述权利要求之一所述的方法，
其特征在于，使用用于切割板材(1)的板材残余(8)的切割单元(5)。
7.根据前述权利要求之一所述的方法，
其特征在于，通过熔化单元(4)切分板材(1)。
8.根据权利要求7所述的方法，
其特征在于，熔化单元(4)和切割单元(5)形成唯一的单元，该单元是激光器。
9.根据前述权利要求之一所述的方法，
其特征在于，至少对于形成最下面的板材层，以下述方式切分板材(1)：使得最下面的板材层通过至少一个附接部(9)保持在板材(1)上，其中，所述附接部(9)由板材(1)的至少一个子区域构成。
10.根据权利要求9所述的方法，
其特征在于，板材(1)切割成使得形成槽口，该槽口适用于让其他板材层的板材残余(8)穿过该槽口向下掉落。
11.根据前述权利要求之一所述的方法
其特征在于，板材残余(8)通过收集区域(11)收集。
12.根据前述权利要求之一所述的方法，
其特征在于，附接部(9)的构型通过计算机辅助计算来确定，以使上面的板材层的板材残余(8)能向下掉落。
13.根据前述权利要求之一所述的方法，
其特征在于，将板材残余(8)沿着中间截面(14)切小，其中，所述中间截面(14)通过计算机辅助计算来确定。
14.根据前述权利要求之一所述的方法，
其特征在于，所述至少一个附接部(9)在确定的时间点被切割单元(5)切断。
15.根据前述权利要求之一所述的方法，
其特征在于，所述板材(1)在至少部分留空的状态中作为原材料存在。
16.根据前述权利要求之一所述的方法，
其特征在于，在熔化过程和切割或者说分割过程之后在切分的板材(1)和至少部分完成的工件(3)之间通过其正交于截平面的相对运动将板材残余(8)输送走。
17.根据前述权利要求之一所述的方法，
其特征在于，熔化过程在保护气体的作用下进行。
18.根据前述权利要求之一所述的方法，
其特征在于，所述板材(1)以不同的厚度储备并且相应于待完成的工件(3)的几何形状针对不同的空间切片使用不同的板材厚度。
19.根据前述权利要求之一所述的方法，
其特征在于，将空间切片分成子切片(20)，其中，板材(1)的宽度相应于子切片的宽度，其中，在子切片(20)的每个熔化过程之后将板材(1)沿着附加切片(27)切分并且在处理完子切片(20)之后将板材(1)附加于进给运动(26)地沿侧向移位，其中，该过程迭代地重复，直至覆盖整个空间切片为止，其中，在该方法步骤处理完之后接着沿着外轮廓(25)进行子切片(20)的修切的方法步骤。
20.根据前述权利要求之一所述的方法，
其特征在于，所述原材料是金属。
21.根据前述权利要求之一所述的方法，
其特征在于，在熔化过程之前，将最上面的板材层压紧到其下的板材层上。
22.一种用于由能熔化的原材料制造三维工件(3)的设备，其中，所述工件(3)通过相互平行的截平面分成空间切片(10)，所述空间切片分别通过所述工件(3)的外轮廓(25)在空间上限界，其中，通过熔化单元(4)将原材料熔化，其中，该熔化相应于二维坐标在空间切片内进行，其中，将空间切片至少部分面地熔化，其特征在于，所述原材料是板材形材料，其中，相叠的两个空间切片(10)之间的间距相应于板材厚度(19)。
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