CN110944824A - 包括光谱转换器的用于制作3d模制品的工艺和设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于制作3D模制品的工艺和设备，其中使用了光谱转换器。所述转换器被定义为一种吸收例如电磁热辐射等辐射并辐射或发射一个或多个限定的波长范围的器件；在此，该光谱转换器通过电磁热辐射(短波或长波辐射)发射器、即通过灯或发射器、例如顶置发射器或烧结单元进行照射，并且随后发射限定的电磁热辐射。

Description

包括光谱转换器的用于制作3D模制品的工艺和设备
本发明涉及一种通过分层构建技术制作三维模型的方法和装置。
欧洲专利EP 0 431 924 B1描述了一种用于基于计算机数据制作三维物体的工艺。在该工艺中，颗粒材料薄层沉积在平台上，并且具有通过打印头选择性地打印在其上的粘结剂材料。其上打印有粘结剂的颗粒区域在粘结剂以及可选的附加硬化剂的作用下粘结并固化。接下来，将平台降低一层厚度进入构建筒，并且提供新的颗粒材料层，该新的颗粒材料层也如上所述进行打印。重复这些步骤，直到达到物体的某个所需高度。因此，已打印和固化的区域形成三维物体。
在完成时，将由固化颗粒材料制成的物体嵌入松散颗粒材料中，随后使其脱离松散颗粒材料。为此目的，例如可以使用抽吸装置。这样留下所需物体，然后必须例如通过将粉末冲刷掉而使物体没有任何残留粉末。
其他基于粉末的快速成型工艺(也称为模型的层状构建或分层构建技术)、例如选择性激光烧结或电子束烧结以类似方式工作，也可以逐层施涂松散颗粒材料并借助受控物理辐射源对其进行选择性固化。
在下文中，所有这些工艺都将被理解为被术语“三维打印方法”或“3D打印方法”涵盖。
在粉状材料的基础上进行3D打印和引入液体粘结剂是分层构建技术中最快的方法。
此方法允许对多种不同的颗粒材料(包括聚合材料)进行加工。然而，其缺点是颗粒材料床不能超过一定的松密度，该松密度通常是颗粒密度的60％。然而，所需零件的强度在很大程度上取决于所达到的密度。就此而言，为了较高的零件强度，需要添加按体积计40％或更多的呈液体粘结剂形式的颗粒材料。由于单滴输入而使其不仅是相对耗时的工艺，而且还会引起许多与工艺有关的问题，例如，由液体的体积在固化过程中不可避免地收缩所带来的问题。
在本领域中称为“高速烧结”的另一个实施例中，颗粒材料的固化是通过红外辐射输入来实现的。因此，通过熔融过程使颗粒材料物理性结合。在这种情况下，优点在于无色塑料材料中的热辐射吸收相对较差。通过将IR受体(吸收剂)引入到塑料材料中可以使所述吸收增加多倍。可以通过多种不同的方式引入IR辐射，例如通过在构建场内均匀移动的条形IR灯。选择性是通过利用IR受体对各层进行特定打印来实现的。
由此，IR辐射在打印位置比在未打印区域更好地耦合到颗粒材料中。这样引起层内的选择性加热超过熔点，并且因此引起选择性固化。此工艺例如在EP 1740367 B1和EP1648686 B1中进行了描述，并且以下将其缩写为HSS。
从激光烧结工艺中已知多种不同的材料，也可以用此方法进行加工。在这种背景下，目前最重要的材料是聚酰胺12(PA12)。这种材料有若干制造商。所达到的强度对于分层构建方法而言是优异的。
该材料以细粉形式提供，其可以以这种质量直接进行加工。然而，由于制造工艺而使成本较高，并且可能比标准聚酰胺的成本高20-30倍。
在根据现有技术的高速烧结工艺中，正如在激光烧结中，使粉末达到接近材料的熔点的温度以用于加工。这样导致粉末“老化”并且限制了其在后续工艺中的使用。导致回收率较低，这对工艺成本有负面影响。
零件的精度显著受到工艺控制的影响。因此，构建空间中的比如粉末床密度和温度等参数的均匀性是决定性的。
已知的高速烧结方法具有大量缺点，一方面涉及回收率，并且另一方面涉及加工成本，因此增加了每件成本并且使之相当昂贵。特别地，粉末的老化是关键性问题，并且所导致的低回收率严重阻碍了此工艺的普及。目前，处理后必须更换大约50％的未打印粉末。对于大约80€/kg的粉末价格以及几百升的构建量，这需要大量的财务投资。
解决与工艺有关的问题从而降低成本的一种方法是使用较便宜的粉末。然而，这种方法的具有较窄范围的限制，因为大多数粉末都没有足够的“烧结窗口”来进行安全处理。这意味着很难为这些粉末找到稳定的工艺参数。
另一种方法是在化学上限制粉末老化。在这种情况下，例如，在激光烧结中常用的是用氮气冲洗过的机器。这样可以防止粉末氧化。然而，仅由于与工艺相关的原因，就不能完全抑制老化，因为部分固化反应是通过聚合物的二次反应发生的。遏制此二次反应将意味着在强度方面的基本限制。
已知的高速烧结方法的一个问题是调整有利的工艺条件，例如相对于所使用的颗粒材料的温度窗口。高速烧结方法组合了大量工艺参数，并且其中使用的3D打印机具有大量的构建特征和部件，这使得难以对合适的部件进行组合并对改善工艺条件的有利的或改进的工艺顺序进行调整。在许多情况下，无法确定需要哪些构建性更改才能获得可接受的工艺结果并获得高质量的3D零件和/或优化该工艺。
调整工艺条件的另一问题是对工艺条件进行组合，以便一方面制造具有所需的和有利的特性的足够坚固的部件，同时使未固化的颗粒材料经受使其易于取出的工艺条件。在这方面的一个问题是周围材料在该工艺中固化太多而因此难以从部件上除去，这样做需要加大力气。
进一步的问题是可以为高速烧结工艺3D打印工艺而安装的传统IR辐射器的辐射特性。
在热力下运行的传统IR辐射器的辐射特性由不同波长的广谱连续光谱组成，其分布在很大程度上与普朗克辐射定律(Planck's radiation law)相对应。为了获得足够高的功率密度和较长的使用寿命，通常使用短波石英管红外辐射器，其加热线圈温度为2,400K，并且因此峰值波长大约为1.2μm。
尽管可以使用这些辐射器来执行烧结工艺，但是辐射光谱中包含的长波分量导致未打印的粉末在工艺意义上以不受控制的方式变热，由此该粉末也被烧结到一定程度。这是不利的和不期望的，因为降低了打印工艺和所制造的产品的质量，并且使未烧结的颗粒材料不可重复使用。
只能在有限的程度上实现选择性地影响两种类型的区域(即，分别是未固化区域以及要烧结以制作3D模制零件的区域，或者是已打印区域和未打印区域)的目的。
因此，必须在一方面在烧结工艺过程中由于能量输入不足而导致模制物品的机械性能差与另一方面由于能量输入过多而对零件产生较强附着力从而影响其几何形状之间做出折衷。另外，不能随后除去模制物品之间狭窄空间中的粉末。
随着高能量输入，可达到的最大粉末回收率急剧下降，因此由于需要添加新鲜粉末而导致高成本。
通过传统短波IR辐射器的加热线圈温度较高会导致其周围的石英玻璃管变热而加剧了这种影响。结果，该石英玻璃管达到高达900K的温度，其本身成为长波至中波IR辐射的发射器，并且因此成为所谓的“次级辐射器”。
由于所需功率密度较高，使用比如LED等单色发射器来解决长波IR辐射问题的方案非常昂贵且复杂，因此在实践中是不可行的。
使用具有较高线圈温度或较小峰值波长并因此具有较低长波辐射分量的特殊热近红外辐射器也提出了很高的技术要求，比如辐射器管的充分冷却、尤其是在线圈引线处。此外，这两种解决方案目前尚未在市场上建立并且因此难以获得。由于电线温度较高，与短波辐射器相比，近红外辐射器的使用寿命也大大降低。所产生的附加成本增加了辐射器单元的高购置成本。这代表了用于高速烧结工艺的已知装置的另一缺点。
由于频繁打开和关闭单元以及所导致的较短的使用寿命，因此不宜使用具有卤钨循环的辐射器。
根据现有技术，可以在未烧结的区域上打印一种反射剂液体，但是不能以成本有效的方式实现。由于较低的增材制造工艺的填充密度通常不超过20％，因此这也意味着大量消耗反射剂液体以润湿其余表面，这反映在较高的操作成本中。另外，需要两倍数量的打印头。
由于烧结灯的辐射特性，在粉末床上会出现温度分布的不均匀性。这些是由于烧结灯不是理想的无限长的辐射器。这意味着在烧结通次过程中输入的能量通常在构建场的边缘处比在中间区域低。这导致构建场边缘附近的模制物品的层间结合降低。尽管通过增加烧结灯的尺寸可以几乎消除这种影响，但这与有利于温度控制的机器的紧凑设计的要求相矛盾。
根据现有技术，通过在构建场上方加热辐射器来控制工艺温度。这些优选地被设计为长波至中波红外辐射器，这是因为它们最有效地对颗粒材料进加热并且相对于打印的粉末表面没有选择性。由于结果所需的长波红外辐射与低温相关，因此根据现有技术将具有这些波长和性能数据的辐射器设计为热发射器。在这种情况下，通常通过电阻加热器或电线经由热传导来加热发射良好的表面。
由于这些发射材料在几分钟的时间范围内进行热传导，它们仅非常缓慢地对控制值的变化做出反应。
因此，总体上，现有技术不允许完全分开地控制与该工艺有关的两个温度。这意味着稳定的工艺控制以及所制作的3D模制物品的相关恒定机械特性在整个构建工艺过程中几乎是不可能的。
缺乏对整个工艺的控制使得难以处理其他非基于PA12的颗粒材料，比如基于TPU(基于聚氨酯的热塑性弹性体)的材料***。目前的较差的温度控制的可控性导致用于已知的高速烧结工艺(高速烧结3D打印工艺)和装置的新材料的开发非常有限。
因此，本发明的目的是减少或完全避免现有技术的缺点。
本发明的另一目的是提供一种用于更好地控制两个不同的温度或温度窗口或温度范围(即，一方面为预热温度范围或基本温度范围、或预热温度或基本温度，另一方面为烧结温度窗口或烧结温度范围或烧结温度)的装置和/或方法。
本发明的另一目的是提供一种允许以特定且低成本的方式对“打印和未打印”类型的区域进行加热的方法和装置。
附图说明
图1：示例性实施例的加热***
图2：烧结灯的示例性实施例，前方具有滤波元件a)、具有多个滤波元件b)、具有冷却c)或具有扩散器d)
图3：根据本发明的工艺的顺序
图4：a)比如聚酰胺12等粉末的示意性能量输入和输出曲线；b)温度曲线，示出了未打印区域类型的液相线温度和固相线温度；c)温度曲线，示出了已打印区域类型的液相线温度和固相线温度；
图5：具有两个不同辐射器设计的烧结灯的实施例。
图6：通过在射束路径中组合短波红外辐射器和光谱转换器来体现的顶置辐射器
图7：辐射光谱，在a)烧结单元没有置有滤波器的情况下、以及在b)烧结单元置有滤波器的情况下，长波和短波辐射与粉末(II)和吸收剂(I)的吸收范围重叠；阴影区域表示吸收剂所吸收的辐射能量。
具体实施方式
下面将更详细地解释根据本发明的若干术语。
在本发明的意义上，“模制物品”或“零件”是指通过根据本发明的方法和/或根据本发明的装置所制造的并且展现出尺寸稳定性的三维物体。
“构建空间”是在构建工艺过程中通过反复涂覆颗粒材料而使颗粒材料床生长的几何位置或者当应用连续原理时该床经过的几何位置。构建空间通常由底部(即构建平台)、由壁和开放的顶表面(即构建平面)界定。在连续原理中，通常会有传送带和限位侧壁。
“加热阶段”是指在工艺开始时对装置进行加热。一旦装置所需的温度变得稳定，加热阶段即完成。
“冷却阶段”至少持续到温度低至使得零件在从构建空间中移出时不会经受任何显著的塑性变形。
本文使用的“颗粒材料”可以是已知用于基于粉末的3D打印的任何材料，特别是聚合物、陶瓷和金属。当干燥时，颗粒材料优选地是自由流动的粉末，但是也可以是耐切割的粘附性粉末或是颗粒带电的液体。在本说明书中，将同义地使用颗粒材料和粉末。
“颗粒材料的施涂”是产生限定的粉末层的过程。在连续原理中，这可以在构建平台上或在相对于传送带的倾斜平面上完成。颗粒材料的施涂在本文中也称为“涂覆”或“重新涂敷”。
在本发明的意义上，“选择性液体施涂”可以在每次施涂颗粒材料之后进行或不规则地进行，这取决于模制物品的需求以及对模制物品制作的优化，例如，颗粒材料施涂若干次。在这种情况下，打印所需物品的截面图像。
用于执行根据本发明的方法的“装置”可以是任何已知的包括所需要的零件的3D打印装置。常见的部件包括涂覆器、构建场、使构建场或其他部件在连续工艺中移动的器件、计量装置以及加热和照射器件以及本领域技术人员已知的其他部件，因此本文不再赘述。
在本发明的意义上，“吸收剂”是可以由喷墨打印头或以矩阵状方式工作的任何其他装置进行处理的介质，该介质增强了用于粉末的局部加热的辐射吸收。
“反射剂液体”是用于吸收剂的拮抗剂的术语，并且根据现有技术用于防止颗粒材料烧结。
“吸收”是指由粉末从辐射中摄取热能。吸收取决于粉末类型和辐射波长。
“载体”是指其中存在实际吸收剂的介质。这可以是油、溶剂或通常是液体。
在本发明的意义上，“辐射”是例如热辐射、红外辐射、微波辐射和/或可见光或UV范围内的辐射。在一个实施例中，使用例如由IR辐射器产生的热辐射。
如本文所使用的，“辐射引发的加热”是指通过固定的或移动的辐射源对构建场进行的照射。吸收剂必须针对辐射类型进行优化。这旨在产生“活化”粉末与“非活化”粉末之间的加热差异。
如本文所使用的，“IR加热”具体是指通过IR辐射器对构建场进行的照射。辐射器可以是静态的，或者可以通过移位单元在构建场内移动。使用吸收剂，IR加热导致构建场出现不同的温度升高。
“辐射加热”泛指术语“IR加热”。对任何波长的辐射的吸收都可以对固体或液体进行加热。
区域类型是用于区分未打印区域和已打印区域的表述。
“IR辐射器”是红外辐射源。通常，石英或陶瓷壳体中的白炽灯丝用于产生辐射。根据所使用的材料，针对辐射产生不同波长。另外，这种类型的辐射器的波长也取决于其功率。
“辐射源”通常发射特定波长或特定波长范围的辐射。具有几乎单色辐射的辐射源被称为“单色辐射器”。辐射源也被称为“发射器”。
在本发明的意义上，“顶置辐射器”是安装在构建场上方的辐射源。该顶置辐射器是固定的，但具有可调的辐射功率。其基本上确保了非选择性的表面加热。
“烧结辐射器”是将打印工艺粉末加热到其烧结温度以上的辐射源。该烧结辐射器可以是固定的。然而，在优选实施例中，该烧结辐射器在构建场移动。在本发明的意义上，烧结辐射器被设置为单色辐射器。
“次级辐射器”是指其本身通过被动加热而变成主动辐射器的辐射器。
“烧结”是粉末中颗粒的部分聚结的术语。在此***中，强度的累积与烧结有关。
术语“烧结窗口”是指在第一次加热粉末时出现的熔点与随后的冷却过程中的固化点之间的温度差。
“烧结温度”是粉末首先开始熔化并结合的温度。
在“重结晶温度”以下，一旦熔化，粉末就再次固化并大幅度地收缩。
“填充密度”描述了固体物质对几何空间的填充。该填充密度取决于颗粒材料和施涂装置的性质，并且是烧结过程的重要初始参数。
术语“收缩”是指由于物理过程而导致几何体尺寸的几何缩短的过程。例如，次最优填充粉末的烧结是导致相对于初始体积收缩的过程。收缩可以具有被指定的方向。
如果主体在物理过程中收缩不均匀，则发生“变形”。这种变形可以是可逆的或不可逆的。变形通常与部件的整体几何形状有关。
在本说明书中使用的“卷曲”是指由所描述的发明的逐层方法得到的效果。这意味着快速连续产生的各层会受到不同程度的收缩。由于物理作用，复合物随后在与收缩方向不一致的方向上变形。
“灰度值”是指打印到粉末中的活化剂的量。根据本发明，可以将不同的灰度值打印到构建场上，以便实现不同程度的加热。
在本发明的意义上，“光谱转换器”是吸收辐射(例如电磁热辐射)并辐射或发射一个或多个限定的波长范围的器件；在这种情况下，光谱转换器通过电磁热辐射(短波或长波辐射)的发射器、即通过灯或辐射器、例如顶置辐射器或烧结单元进行照射，并且随后发射确定的电磁热辐射。
在本发明的意义上，“滤波器”或“滤波”是指部分电磁辐射光谱消隐，其中所需电磁辐射光谱撞击目标表面、例如构建场表面。
在本发明的意义上，“温度窗口”或“温度范围”是指低于或在所使用的颗粒材料的烧结范围内的限定的温度范围。
在本发明的意义上，“一个或多个波长范围的辐射光谱”对应于光谱转换器的辐射光谱。
在本发明的意义上，“扩散器”是例如在方向上均匀地和/或均质地和/或独立地用于对入射电磁辐射进行散射的器件。
在本发明的意义上，“基本温度”是指将颗粒材料加热达到的温度，并且该温度低于熔融温度和/或烧结温度。
下面将更详细地描述本发明，其中即使没有针对每个特性进行明确表述，也可以将本发明的各个方面和特性彼此组合。
根据本发明，本申请所基于的目的是通过一种制作3D模制零件的方法来实现的，其中，通过涂覆器以限定层将颗粒构建材料施涂到构建场，选择性地施涂一种或多种液体或一种或多种吸收剂的颗粒材料，通过辐射器实现能量输入，这些选择性地施涂吸收剂的区域选择性地固化，该构建场降低一层厚度或者该涂覆器升高一层厚度，并且重复这些步骤，直到制成所需3D模制零件为止，其特征在于，该方法使用至少一个光谱转换器。
因此，本发明提供了一种有利地能够更精确地对重复过程步骤的温度窗口进行调节的方法。这进而导致程序、产品质量、材料回收率、生态优点以及成本益处的进一步的显著改善。
另外，该程序对于所使用的机器及其中存在的部件而言更为轻柔。热显影也部分地降低并且在任何情况下都可以更精确地控制。这也使该方法更节能。
在根据本发明的方法中，可以使用光谱转换器，该光谱转换器是对短波或长波辐射进行滤波的至少一个滤波器。
进一步地，在根据本发明的方法中，可以用与所使用的颗粒材料的光谱相容的方式来选择滤波后的辐射范围。在这种情况下，以使得辐射到颗粒材料上的光谱优选地具有8-3.5微米的波长的方式来选择滤波器。可以如下选择一个或多个滤波器：使得针对加热阶段和/或烧结阶段对辐射的波长进行优化，并且因此在构建场的材料层本身上实现改善的温度窗口。
在根据本发明的方法中可以使用和施涂与工艺参数兼容的任何材料。例如，可以将聚酰胺粉末、聚酰胺类热塑性弹性体或聚氨酯类热塑性弹性体用作粉末材料。然后可以相应地调整滤波器和温度窗口，以便实现有利的程序以及产品参数和回收率等的优点。
例如，根据本发明的方法的特征在于，在第一加热步骤中，在没有吸收剂的情况下将所施涂的粉末层加热到该粉末的基本温度，该基本温度处于该粉末材料的烧结窗口之内，并且第二烧结步骤通过热输入而导致打印有吸收剂的区域在高于该粉末的熔化温度的烧结温度下进行选择性固化，其中，这些选择性施涂吸收剂的区域在该第一步骤中比没有吸收剂的区域加热更多，因此在有吸收剂与没有吸收剂的区域之间设置温度差。
此外，根据本发明，通过一种适用于制作3D模制零件的装置来实现该目的，该装置包括基于粉末的打印工艺所需的所有部件，其特征在于，该装置包括至少一个光谱转换器，该光谱转换器优选地具有冷却槽、冷却凹部、冷却凹槽和/或冷却孔。
根据本发明的装置以有利的减少了或可以基本上避免已知装置和工艺的缺点的方式来实现。
利用根据本发明的装置，可以将温度窗口移动到更明确的区域中，并且因此相对于所使用的材料实现更优的温度范围。就中间体和产品的质量而言，这提供了进一步的优点。此外，因此可以提高粉末材料的回收率，从而实现降低成本并由此降低制作成本。
根据本发明的装置的特征在于该光谱转换器是至少一个滤波器，该滤波器定义所选择的波长范围并且对该波长范围进行滤波。
此外，可以使用适合于所需工艺条件的所有光谱转换器或滤波器，例如，该滤波器是硼硅酸盐盘。
在本发明的一方面，重要的是，所选择的波长范围选自长波或短波红外辐射，优选地在8μm至3.5μm或3.5μm至0.5μm的波长范围内。
在根据本发明的装置中，可以用任何合适的方式来布置光谱转换器。有利的是，其中至少两个光谱转换器基本上被布置成上下叠放，优选地在至少两个光谱转换器之间具有腔体。
根据本发明的装置具有对于高速烧结过程而言必需的和已知的所有部件，因此在此不需要赘述。适合于根据本发明的方法的零件是选自以下各项的部件：构建平台、侧壁、工作箱、重涂器、打印头、陶瓷片、能量输入器件、优选地是至少一个辐射器、优选地是顶置辐射器和/或烧结辐射器单元。
如上所述，本发明的基本方面是控制工艺的波长范围或温度窗口并且在限定的区域内进行打印工艺。
因此，有利的是，该顶置辐射器辐射的波长范围为8-3.5μm，和/或优选地包括一个或多个滤波器的烧结辐射器单元辐射的波长范围为3.5-0.5μm，其辐射到该颗粒材料和/或该构建表面上。
此外，可以有利的是根据本发明的装置的特征在于，该装置进一步包括一个或多个部件，这些部件选自包括以下各项的组：流体冷却辐射器、风扇、构建容器的绝缘体、构建平台的绝缘部、电阻加热器、加热线圈、涂覆器的电阻加热器、高温计、扩散器以及红外辐射器。
将在以下阐述本发明的其他方面。
通常，该目的是通过使用辐射源作为烧结辐射器来实现的，该辐射源对应于传统的低成本IR辐射器或干燥辐射器，但是其部分长波IR光谱通过***射束路径中的滤波器而保持远离粉末表面。这些滤波器可以是具有合适的吸收特性的特殊玻璃。还可以通过比如液体或气体层等非固体物质进行滤波。
不会被发送的所吸收的辐射能可以容易地冷却下来，这是因为可以防止空气流到粉末表面上，这样将会使其冷却并中断烧结工艺。与近红外辐射器的管相比，更大的面积有利于空气冷却，因此可以非常简单地、在技术方面且成本有效地进行冷却。对于较小的设计，利用对流空气运动就足够了，这样这些运动就可以完全不需要电动单元(比如马达风扇)来完成。
也可以使用被定位成前后放置的两个或更多个滤波器。这样进一步增加了有效的冷却表面。同样可实现的滤波器特性的改进实现了节约型设计。
基于非固体材料的滤波器可以等同地对应于滤波器和冷却介质。
去除长波红外辐射还有许多其他优点。例如，增加了所述辐射可以透过的材料的选择。这包括可以用作扩散器的可商购获得的材料，以使辐射的均匀性最大化。这样使得可以减小烧结灯的尺寸，从而减小工艺室的尺寸，这样有利于简化工艺的温度控制。
因此可获得具有较高辐射强度的照明，这样增加了在分层累积过程中部分熔化的各个表面的结合。这样提高了要制作的模制品的强度。使用所描述的辐射源不仅允许减小辐射器与相应区域之间的距离，而且可以减小辐射器的尺寸，从而可以实现更紧凑的机器几何形状并且可以显著提高能量效率。
由于可使用的辐射器输出与长波辐射发射解耦，因此可以毫无问题地增加装置的功率输出。该工艺本身实际上不受影响。这样可以提高工艺速度。
相反，可以将波长与辐射器温度的解耦用于顶置单元。
通过短波辐射器，被引入到射束路径中的主体可以以平面方式进行加热，使得该主体本身被激发以发射长波范围的辐射。
如果平面主体足够薄并且绝对热容量因此保持较低，则粉饼的能量含量的突然变化(例如，当打印大面积模制物品时)由于不需要在每个打印层上暂停以给辐射器时间通过调节功率输出来调节粉末表面的温度而可以在经济上合理的几小时的时间跨度内以足够的速度反应以制作三维模制物品。
实例
所用方法及其效果的简要说明
通过使用具有辐射滤波器的短波IR辐射器，可以达到专门对各个类型区域进行加热的关键目的。
现有技术方法包括分层、打印、暴露于辐射以及降低的步骤。第一步骤类似于已知的基于粉末的3D打印中的分层。将粉末放置在刀片前方，施涂在构建平台上，并且通过刀片抹平。在这种情况下，层厚度决定了构建平台在两次连续涂覆操作中的位置。
接下来，打印该层。在此提到的方法中，通过喷墨打印头来施涂液体。液体的一部分是吸收剂，该吸收剂在暴露于辐射时引起粉末的局部加热。
然后，通过辐射源对如此打印的层进行扫描，从而进行选择性加热。当使用无滤波器的热辐射源时，整个粉末都会被强烈加热。然而，特别是在活化区域中使温度升高，使得颗粒开始烧结。使用具有滤波器的辐射器，可以更好地控制此过程，并且可以对各个区域类型采取具体的行动。
在此步骤之后，将构建场降低一层厚度。然后重复上述所有步骤，直到获得所需零件。
构建场或未打印区域保持处于接近烧结温度的温度。一方面，然后，用于烧结粉末的附加能量较低，并且可以通过轻柔作用的器件引入。另一方面，随着构建过程的进行，零件周围的温度是如此之高，使得即使是零件的***区域中的温度也不会降低到低于重结晶温度，因此不会破坏分层。
除了对构建场进行扫描的辐射源之外，在构建场上方还可以选择性地存在其他固定辐射源。每当构建场未被比如涂覆器或打印头等单元覆盖时，附加辐射源就会起作用。此顶置散热器优选地被认为是被控制以便在构建场上设定恒定温度。例如，高温计传感器可以用于确定实际温度。在这样的布置中，顶置辐射器构成中央温度控制部件。
顶置辐射器执行控制过程温度的功能。然而，这种控制也可以通过烧结辐射器来实现。在这种情况下，必须使用适合对未打印区域进行加热的辐射器，并且根据工艺要求来控制其功率。而且，烧结和低收缩构建所需的已打印区域必须通过辐射来加热。
无需通过顶置辐射器进行控制，几乎可以无延迟地顺序进行打印和涂敷工艺。
此方法还允许实施静态辐射面板，该静态辐射面板结合了顶置辐射器和烧结辐射器的功能。如果辐射强度的几何运动在几何上有意义，则可以从可切换区段来组装所述辐射器。例如，可以在某些区段停用辐射器，以便例如在其移动过程中保护比如打印头等敏感部件。
通过封闭单元的现在具有成本效益的构建所提供的对长波红外辐射的屏蔽以及改善的冷却效果导致了降低装置中的温度。这对于保护敏感部件是有利的。
本发明的另外的示例性实施例装置的常规详细说明
在用于基于粉末的打印的3D打印机上对用于执行本发明所需的装置进行紧密模制。另外，另外的工艺单元用于温度控制和工艺液体的压印。
在工艺开始时，整个装置都变热。为此目的，使用所有加热元件以提高温度。一旦温度在***的所有测量位置都保持恒定，即完成加热阶段。
下面根据图1来描述本发明的优选实施例的各个加热***：
可以通过多个不同的***来对构建平台(102)进行加热，颗粒材料在工艺中沉积在该构建平台上，并且通过该构建平台来调节各层(107)的层厚度。优选实施例使用电阻加热器(104)。同样优选地，基于均匀加热效果的考虑，该电阻加热器被设置为平面加热膜。这种加热的效果是由传感器记录和控制的。传感器直接与构建平台连接。方便地，构建平台本身由金属、优选地由铝制成。绝缘体(106)向下覆盖构建平台(102)。
构建平台也可以通过流体进行加热。为此目的，将加热线圈(104)优选地安装在金属构建平台下方。进一步地，在下方，设置绝缘体(106)以使加热效果均匀。
传热油例如流过加热线圈。对油温进行预选择允许精确调节温度。通过确保足够高的流量并调节功率，可以实现质量非常高的温度控制。
构建平台(102)被认为是在构建容器(110)中移动。根据装置的设计，容器可以从装置上移除。以这种方式，由于在取下零件的同时可以在装置中使用第二构建容器，因此可以实现很大的时间上的机器效率。
构建容器(110)也被加热。相同的技术可以用于构建平台。容器本身优选地也由金属、优选地由铝制成，以确保良好的热传导。实际的主动加热(104)进而由绝缘体(105)提供支持。这允许在增加均匀性的同时增强效果。
插接***优选地布置在装置与构建容器之间以用于电源连接。这可以包括用于液体的电连接件或连接器。
根据本发明的装置的下一个基本加热***是顶置辐射器(108)。根据本发明，顶置辐射器(108)优选地布置在构建场上方并且垂直地照射构建场。还优选的是侧向安装的辐射器，该辐射器以一定角度照射构建场。为了使涂覆器或打印头的遮蔽效果最小化，优选这种构建。
根据本发明，顶置辐射器(108)可以配备有热辐射器，该热辐射器应当具有最小选择性。例如，可以使用具有极大波长的陶瓷辐射器。还可以考虑使用所谓的中波石英-钨辐射器。然后通过烧结辐射器(109)实现不同类型区域的特定加热。
对于该方法有利的是以受控方式操作顶置辐射器(108)。为此目的，可以优选地使用高温计(112)作为传感器。高温计指向构建场的***区域，控制***确保该区域不是打印有吸收剂的区域。
在本发明的优选实施例中，实际的烧结是通过与涂覆器一起承载的烧结辐射器(109)进行的。所述辐射器在其经过构建场时对构建场进行加热。辐射器可以用于对新打印的粉末或已经覆盖的粉末层进行加热。根据本发明并且如图2a所示，在此使用具有上游滤波器(202)的短波辐射源(201)，作为根据本发明的选择，该短波辐射源也可以具有若干滤波器。如图2b所示，若干间隔开(205)的滤波器(202)的嵌套设计是优选的，以确保滤波器的冷却。
在该装置的优选实施例中，在将粉末施涂到已经存在的粉末表面上之前对其进行预热，以防止该层的过度冷却。涂覆器(101)中的电阻加热器(111)也适合于对粉末进行预热。
原则上，所有通过接触型加热器进行加热的单元也可以通过红外辐射进行间接加热。如果由于所使用的粉末而需要在装置中进行强烈振动，则使用辐射加热涂覆器可能是特别有利的。
优选地，装置在加热阶段之后执行以下工艺步骤顺序：通过涂覆器(101)而在构建平台上形成粉末层(图3a)。可选地，根据机器的设计，可以通过烧结辐射器(109)而对新层进行额外加热。接下来，通过一个喷墨打印头(100)或若干个喷墨打印头(100)而在此层上进行打印(图3b)。现在，通过烧结灯(109)对打印层进行加热，然后再次用粉末进行覆盖(图3c)。然后，降低构建平台(102)(图3d)。
重复此操作直到完成构建容器(110)中的零件(103)。然后进入冷却阶段。此阶段优选在构建容器中进行，然后在装置外部向其提供能量。
图4示出了温度图。图4a示意性地描绘了粉末在一个循环中再次被加热和冷却时所发射的能量的分布。在加热过程中，在一定温度下会大量吸收能量。在这里发生材料的熔化或烧结(烧结温度)。对于适合于激光烧结的聚酰胺12，此温度大约为185℃。在冷却过程中，还有明显低于烧结温度的显著点(重结晶温度)。这是熔融材料固化的地方。
图4b和图4c示出了根据现有技术方法的工艺运行过程中的温度分布。图4b示出了未打印区域中的温度分布。使用烧结辐射源形成呈其他恒定剖面图的加热和冷却阶段。在未打印区域中，温度永远不会达到烧结温度。
图4c示出了已打印区域中的剖面图。在此，变化更加明显。至少控制该工艺而使得短暂超过烧结温度，以使一部分粉末熔化并保持熔融。过度加热可能使所有粉末在此区域熔化，从而导致很大的翘曲。还必须避免已打印区域的过度冷却，这是因为否则将会开始重结晶，并且然后由于现在的可能的功率传输而导致的所有收缩将会导致几何变形(翘曲或卷曲)，这样可能不能进行进一步的工艺。
精确地停留在熔化温度与重结晶温度之间的“工艺窗口”内对于零件的质量而言至关重要。在这种背景下，不同的边界条件适用于已打印区域和未打印区域。使用滤波后的短波IR辐射源非常有利于两个温度之间的温度控制。
特别地，示例性实施例描述了在所描述的工艺中如何利用这些辐射源的优点。
另外的示例性实施例
实例1：包括烧结灯的装置，该烧结灯包括带有辐射滤波器的短波IR辐射器、以及顶置热灯
根据图3a)，构建工艺或工艺循环始于在构建平台上涂敷层厚度为100μm的粉末层。除非已经通过涂覆器(101)或打印头(100)进行光学掩盖，否则已经在涂覆器(101)执行的涂敷工艺过程中通过顶置辐射器(108)对粉末进行加热。当使用PA12时(在这种情况下是制造商EOS的PA2200)，将粉末加热到168℃。在此步骤中不启动烧结辐射器(109)，该烧结辐射器仅提供辐射而导致已打印区域的良好加热。
顶置辐射器(108)包括测量装置，该测量装置被设计为控制构建场的表面温度。理想地，测量装置被实施为微型高温计(112)，其可以以非接触方式确定温度。该控制必须考虑到以下事实，即，通过打印头(100)和涂覆器(101)一次又一次地对测量装置进行掩盖。这可以通过停用测量功能或使用不敏感的控制回路参数来完成。
在第二步骤中，通过打印头(100)施涂吸收剂(例如炭黑)，该打印头被精确地调节至辐射源的波长。通过打印头(100)施涂到颗粒材料上的图像对应于当前模制物品的截面。
第三步骤是烧结通次。为此目的，激活烧结辐射器单元(109)的辐射源，并且使其经过构建场。辐射源的功率及其速度决定了构建场的辐射功率。与现有技术相比，具有辐射滤波器的烧结辐射器(109)(例如由制造商GVB GmbH的厚度为2mm的硼硅酸盐玻璃制成)在此通次过程中不会对未打印区域进行加热。因此，已打印区域的温度升高而未打印区域不受影响。辐射源发射的辐射的长波部分接近黑色本体的波长分布，峰值波长为1.2μm，并且通过辐射滤波器而从3μm的波长中吸收。
第四步骤是使构建平台(102)降低一层粉末层(107)的厚度。在此工艺过程中，构建场向顶置辐射器(108)敞开，从而可以进行温度调节。在此之后，工艺循环从涂敷过程开始。
图1描述了用于实施实例中提到的工艺的装置。顶置辐射器(108)被设置为长波至中波辐射热源。构建容器底部和构建平台的温度由电阻加热器(104)控制。在作为实例的装置中，对涂覆器(101)和烧结辐射器单元(109)进行连接。此单元和打印头(100)可以在构建场上单独移动，但它们不必一定如此。
如图2a所示，烧结辐射器(109)配备有短波辐射器(201)和上游滤波器(202)。由短波发射器产生的长波分量(203)被滤波器吸收，因此只有短波分量才能到达粉末表面(204)。
实例2：具有冷却功能的烧结灯装置
图2b和图2c示出了具有集成冷却的烧结灯的实施例。作为实例，示意性地示出两个完全相同的辐射滤波器(202a，202b)。两个元件不接触，但是以它们之间相距一定距离(205)进行布置。在此设计中，所产生的大部分长波红外辐射被最靠近短波辐射器(201)的滤波器(202a)吸收。该短波辐射器被长波红外辐射加热，但允许短波辐射通过。因此，面向图1的颗粒表面的第二滤波器(202b)不会被此长波热辐射加热。第二滤波器还使短波辐射不受影响，因此可以用于将被打印头(100)润湿的颗粒材料区域加热到高于其熔化温度的温度。现在第二滤波器的温度要低得多以防止被涂敷过程(图3a)卷动的颗粒材料熔化并粘附到滤波器的表面，从而阻止辐射流动。
第一滤波器(202a)可以通过单元(206)的壳体中的开口或通过冷却单元(图2c)对流冷却(图2b)。具有冷却单元的设计适合于较大尺寸的烧结灯。在这种情况下，(207)表示冷却元件，冷却流体(优选地是水)流过该冷却元件。布置在冷却元件上的风扇(208)在单元中提供对流。在本实施例中，第一滤波器(202a)终止于单元的壳体壁中。
实例3：具有冷却功能和扩散器的烧结灯装置
如图2d所示，实例2中描述的将滤波器(202b)设计为扩散器(202c)是有意义的，以便当烧结灯通过(204b)时均匀地照射构建平台上的颗粒材料的整个表面。这样还可以在构建平台的边缘区域中确保实现待制作的模制物品的足够高的强度。在本实例中，制造商Edmund Optics的冰晶石玻璃、乳白色玻璃适合用作扩散器。
实例4：具有两个短波辐射器的烧结灯装置(分别具有辐射滤波器和无辐射滤波器)
根据图5，构建工艺或工艺循环始于将一个粉末层涂敷到构建平台(102)上。在此步骤中使单元(109)的无滤波器的烧结辐射器(501)(该烧结辐射器还提供辐射，从而导致未打印区域的良好加热)启动，并且将粉末加热至低于粉末的熔融温度但高于重结晶温度的基本温度。为此的能量供应由功率和前行速度进行控制。有利地，对产生的温度进行测量和调节。
在第二步骤中，施涂吸收剂，精确地调节至用于允许滤波器穿过的已打印区域的辐射源(502)的波长。由打印头(100)施涂到粉末上的图像对应于当前模制物品的截面。
第三步骤是烧结通次。为此目的，使烧结单元(109)启动并使其经过构建场。辐射源的功率及其速度决定了粉末床的辐射功率。与现有技术相比，具有两个光谱(501，502)的单元可以在此通次过程中特别影响未打印区域和已打印区域。因此，已打印区域的温度升高，而未打印区域中的辐射引起的能量损失可以得到补偿。
第四步骤是将构建平台(102)降低一层厚度，并且在此示例性工艺中保持极短。在此没有进行调整，任何延迟都会导致由热辐射引起的能量损失。
因此，在图中未示出此步骤。
如果工艺循环执行得足够快，则可以省去顶置辐射器。
实例5：具有短波辐射器和吸收剂表面的顶置灯装置
根据图6，顶置灯(108)使用峰值波长约为1.2μm的短波辐射器(601)设计，该辐射器对位于射束路径(602)中IR发射器和粉末表面之间的吸收剂(603)的表面进行加热。吸收剂(603)本身发射红外辐射(604)，但是波长光谱要长得多，优选地是峰值波长在4μm左右。吸收剂被设计得尽可能薄，只有几毫米厚，以使材料的热容保持较小并且因此使所发射的长波辐射的反应时间最小化。Alunite(制造商Ceramtec的由氮化铝制成的非氧化物陶瓷)是优选材料，因为其具有大约为200W/mK的较高的导热系数并且因此允许在构建过程中具有快速的反应时间。
附图标记列表
100 打印头
101 涂覆器
102 构建平台
103 零件
107 层
108 顶置辐射器
109 烧结辐射器单元
110 构建容器
105 构建容器的绝缘体
104 电阻加热器或加热线圈
106 构建平台的向下绝缘部
111 涂覆器的电阻加热器
112 高温计
201 短波IR辐射器
202 滤波器
202a 滤波器，紧靠短波红外辐射器
202b 滤波器，紧靠构建表面
202c 扩散器
203 具有长波分量的红外辐射
204 无长波分量的红外辐射
204b 无长波分量的红外辐射，未定向
205 两个辐射滤波器之间的腔体
206 冷却槽
207 流体冷却辐射器
208 风扇
501 无辐射滤波器的烧结辐射器
502 具有辐射滤波器的烧结辐射器
601 短波红外辐射器
602 宽带红外辐射
603 吸收剂
604 由吸收剂发射的长波红外辐射
701 具有二次峰值的传统辐射器的典型辐射光谱
702 低功率的传统辐射器的光谱
703 硼硅酸盐玻璃盘的吸收光谱
704 大功率的传统辐射器的发射光谱
705 透射光谱
706 受阻波长范围

Claims (10)

1.一种制作3D模制零件的方法，其中，通过涂覆器以限定层将颗粒构建材料施涂到构建场，选择性地施涂一种或多种液体或一种或多种吸收剂的颗粒材料，通过辐射器实现能量输入，这些选择性地施涂吸收剂的区域选择性地固化，该构建场降低一层厚度或者该涂覆器升高一层厚度，并且重复这些步骤，直到制成所需3D模制零件为止，其特征在于，该方法使用至少一个光谱转换器。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该光谱转换器是至少一个对短波或长波辐射进行滤波的滤波器。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，选择滤波后的辐射范围，使其与所使用的颗粒材料的光谱相容，辐射到该颗粒材料上的光谱优选地具有8-3.5μm的波长，优选地，
其特征在于，使用聚酰胺粉末、聚酰胺类热塑性弹性体或氨基甲酸酯类热塑性弹性体作为粉末材料。
4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，在第一加热步骤中，在没有吸收剂的情况下将所施涂的粉末层加热到该粉末的基本温度，该基本温度处于该粉末状粉末材料的烧结窗口之内，并且第二烧结步骤通过热输入而导致打印有吸收剂的区域在高于该粉末的熔化温度的烧结温度下进行选择性固化，其中，这些选择性施涂吸收剂的区域在该第一步骤中比没有吸收剂的区域加热更多，因此在有吸收剂与没有吸收剂的区域之间设置温度差。
5.一种用于制作3D模制零件的装置，包括基于粉末的打印工艺所需的所有部件，其特征在于，该装置具有至少一个光谱转换器，该光谱转换器优选地具有冷却槽、冷却凹部、冷却凹槽和/或冷却孔。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，该光谱转换器是至少一个滤波器，该滤波器定义所选择的波长范围并且对该波长范围进行滤波，优选地，
其特征在于，该滤波器是硼硅酸盐盘。
7.根据权利要求5或6所述的装置，其特征在于，所选择的波长范围选自长波或短波红外辐射，优选地在8μm至3.5μm或3.5μm至0.5μm的波长范围内，优选地，
其特征在于，至少两个光谱转换器基本上被布置成上下叠放，优选地在该至少两个光谱转换器之间具有腔体。
8.根据权利要求5-7中任一项所述的装置，其特征在于，这些部件选自构建平台、侧壁、工作箱、重涂器、打印头、陶瓷片、能量输入器件、优选地是至少一个辐射器、优选地是顶置辐射器和/或烧结辐射器单元。
9.根据权利要求5-8中任一项所述的装置，其特征在于，该顶置辐射器辐射的波长范围为8-3.5μm，和/或优选地包括一个或多个滤波器的烧结辐射器单元辐射的波长范围为3.5-0.5μm，其辐射到该颗粒材料和/或该构建表面上。
10.根据权利要求5-9中任一项所述的装置，其特征在于，该装置进一步包括一个或多个部件，这些部件选自包括以下各项的组：流体冷却辐射器、风扇、构建容器的绝缘体、构建平台的绝缘部、电阻加热器、加热线圈、涂覆器的电阻加热器、高温计、扩散器以及红外辐射器。
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