CN111989178A - 用于增材制造的具有可运动的流动部的制造装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于增材制造三维物体(a2)的制造装置(a1)和相应的方法，其中，通过以下方式制造物体：逐层地施加构建材料(a15)并且尤其是借助输入辐射能量在每层中的与物体在该层中的横截面相对应的部位(9)处选择性地固化构建材料(a15)，其中，以至少一个作用区域、尤其是能量射束(a22)的辐射作用区域扫描该部位(9)，其中，在运行中可运动的气体入口(30)驶向参考工艺部位(9)和/或对应于参考工艺部位(9)的目标流动区(21)以使工艺气体流过，并且工艺气体经由静止的气体出口(31)排走。

Description

用于增材制造的具有可运动的流动部的制造装置和方法

技术领域

本发明涉及一种用于增材制造三维物体的制造装置和用于借助这种制造装置增材制造三维物体的方法，其中，通过以下方式制造物体：逐层地施加构建材料并且尤其是借助输入辐射能量在每层中的与物体在该层中的横截面相对应的部位处选择性地固化构建材料，其中以至少一个作用区域、尤其是能量射束的辐射作用区域扫描或影响该部位。

背景技术

增材制造装置和对应的方法通常具有以下特征，在制造装置中通过固化无形状的构建材料逐层地制造物体。例如可通过例如在激光烧结(“SLS”或“DMLS”)中或激光熔化或电子束熔化中借助用电磁辐射或粒子辐射照射构建材料而将热能输送给构建材料来实现固化。例如在激光烧结或激光熔化时激光束(“激光点”)在构建材料层上的作用区域在该层的与待制造的物体在该层中的物体横截面对应的部位上运动。代替引入能量，也可通过3D打印对施加的构建材料进行选择性的固化，例如通过施加粘接剂或粘结剂来进行。一般来说，本发明涉及与构建材料固化的方式无关地借助分层施加和选择性地固化构建材料制造物体。可使用不同类型的构建材料，尤其是粉末，例如金属粉末、塑料粉末、陶瓷粉末、砂子、填充的或混合的粉末。

在增材制造方法中，在固化过程中通常产生污染物，污染物会进入到构造区之上的工艺腔气氛中。DE 10 2014 209 161 A1涉及到用于制造三维物体的装置，该装置通过能量引入在与待制造的物体在相应层中的横截面相对应的部位处逐层固化构建材料来进行制造。该文献还涉及用于这种装置的控制单元和用于使抽气嘴运动和/或定向的方法。

发明内容

本发明的目的是尽可能有效地抑制尤其是在大型场机器中工艺腔内的污染物。

该目的通过根据本发明的用于增材制造三维物体的制造装置来实现，该制造装置具有用于容纳构建材料的构造容器、在构造容器之上的工艺腔(Prozesskammer)、在构造容器和工艺腔之间的构造区(Baufeld)、至少一个可在工艺腔内运动的气体入口和至少一个静止的气体出口。

构造容器可包括构造平台(Bauplattform)，在运行中构造平台承载待制造的构件和包围的未固化的构建材料。构造容器的打开平面限定(基本上水平的)构造区，构造区是工作平面，构建材料作为单个层在该工作平面中以计量的方式被施加。因此构造区通常大致在构造容器的底面之上延伸。在其上，工艺腔作为空腔位于构造区或工作平面之上，在其中至少有一个涂装设备。

制造装置尤其可包括导引设备，例如激光扫描单元，以控制辐射能量的至少一个能量射束通过工艺腔的至少一个区段照射到构造区上。作为控制基础，在每层中的与物体在该层中的横截面对应的部位用作对辐射能量的规划作用的几何位置。导引设备可将一个或多个指向构造区的能量射束例如通过透明的耦入窗口在工艺腔的上侧耦入。能量射束在构造区上以及构建材料上的射入位置以及构建材料(“实际上”)开始固化的位置称为辐射作用区域。如上所述，可通过不同的方法对构建材料进行选择性的固化。作用区域和辐射作用区域之间的概念差异是，是在没有辐射(此时称为“作用区域”)的情况下还是在使用辐射(此时称为“辐射作用区域”)的情况下选择性地进行固化。在此，本发明不限于辐射能量作为选择性地进行固化的手段。在通过辐射作用区域扫描构建材料时，在辐射作用区域中将辐射作用到构建材料上，使得构建材料的至少一个最上层固化。在此，由于在辐射作用区域中输入能量，构建材料部分地或全部地熔化，由此构建材料的组成部分、例如粉末颗粒彼此连接。在其冷却之后，先前的构建材料此时以固体存在。

为了使得辐射作用区域在构建材料上的面无需非常小(点状)，在本申请中通常也使用术语“能量射束”。但是在本申请中该术语也用于与其他的辐射源区分开，其他的辐射源必要时可用于加热构建材料，例如IR辐射加热设备。术语“能量射束”在此定义为，经由其在构造区上的辐射作用区域提供足够的辐射强度，以使位于其下的构建材料加固至少一个层的深度延伸。但是本发明不限于能量射束作为辐射能量。

增材制造装置可包括多个用于产生辐射的辐射源以及与其连接的多个用于使辐射指向构建材料的导引设备。尤其优选地为导引设备配备刚好一个在构建材料上的辐射作用区域。辐射源例如可为一个或多个气体激光器或固体激光器或任意其他类型的激光器，例如激光二极管，尤其是VCSEL(垂直腔表面发射激光器)或VECSEL(垂直外部腔表面发射激光器)或一排这些激光器。

通过气体入口引入工艺腔中且通过气体出口排走的工艺气体(Prozessgas)可为气体混合物或纯气体。在特定的增材制造方法中通常使用具有高含量的惰性气体、例如氩或氮的工艺气体。在某些情况下使用成本有利的气体混合物就足够，该气体混合物的组分相应于例如环境空气。

根据本发明，该制造装置包括至少一个用于使工艺气体流过的气体入口，该至少一个气体入口布置在工艺腔中。气体入口可包括以下设备，例如喷嘴或壳体，其可选地具有连接的来自工艺气体贮存器的气体输入设备。但是在本申请中，气体入口尤其理解为开口，气体从该开口流入工艺腔中。从而气体进入口形成在气体输入设备的空腔和通过工艺腔形成的空腔之间的端口。工艺气流随着离开气体入口从受引导的射束变成不受引导的射束或自由射束。一个气体入口或多个气体入口在工艺腔内基本上可在整个构造区之上运动。下面即使为多个气体入口，也仅提及唯一的气体入口，根据本发明可为多个气体入口并且原则上包括在说明书中。

与流过整个构造区或在工艺腔内流过构造区之上的一体积的整体注入(其中，该体积的底面相应于构造区的至少一个伸展部)不同，可运动的气体入口局部地起作用，其中气体入口仅驶向构造区的部分区域，即，包围构造区之上的部分体积，其中该体积的底面相应于构造区的部分区域。

而一个气体出口或多个气体出口是静止的，即相对于工艺腔位置固定，并且在俯视图中看布置在构造区之外，例如布置在工艺腔的壁部中。气体出口可包括吸走设备。下面即使为多个气体出口，也仅提及一个气体出口，根据本发明可为多个气体入口并且原则上包括在说明书中。

本发明摒弃了仅设置静止的气体入口和气体出口的组合，其在具有相对小的构造区的制造装置中通常足够，或仅使用可运动的气体入口和气体出口的组合，其会产生高的结合和控制费用。通过组合可运动的气体入口和静止的气体出口，本发明提出以下原理，在构造区之上提供在气体入口和不期望的污染物之间的任何短距离，从而能够有针对性地从工艺腔气氛中去除污染物。与静止的气体入口相比，对此有利的是，使用气体进入口具有相对小伸展的气体入口和使用相对小气体体积就足够。

本发明的目的是借助流动降低和/或运走大气污染物以及借助没有污染物或至少污染物很少的工艺气体挤走和/或稀释污染物。借助可运动的气体入口流入工艺腔中的工艺气体的目标流动区通常是工艺腔的优选在构造区附近的部分区域。该目标流动区在构造区的竖向投影中看位于构造区轮廓之内和/或构造区轮廓之外，即，在包围构造区的工艺腔底部之上。优选地，目标流动区包括一个或多个能量射束的一个或多个光路当前至少局部伸延的区域。目标流动区的位置、伸展部和/或定向原则上可为恒定的或可变的。目标流动区或其动态变化可分别至少间接地与辐射作用区域的位置/伸展部/定向或其动态变化相关。目标流动区的位置可与气体入口的位置协调或与其一起运动。通常，目标流动区在看向构造区的竖向的俯视图中看并且从一个气体入口或多个气体入口来看基本上在一个辐射作用区域或多个辐射作用区域的下游。目标流动区可理解为可运动的气体入口局部流过的最小包围区域，其中，在该最小包围区域中优选有最小的有效性或清洁效果。在这种情况下借助于气体入口的实际流动区可更大。气体入口与目标流动区的间距越短，气体入口在此处的作用越集中。可选地，即不是必需的，目标流动区可包括辐射作用区域以及必要时辐射作用区域在构造区表面上的环境。

通过根据本发明的解决方案实现了保持目标流动区清洁或对目标流动区进行清洁的目的。通过自由射束使辐射作用区域下游的污染物分布或扩散例如可通过使静止的气体出口的气体排出口比可运动的气体入口的气体进入口具有更大伸展部来抵消，从而污染物尽管有一定的扩散但是仍可直接地被推入气体出口中。如果能量射束在污染物从工艺腔被运走之前横穿该污染物，污染物的随着其扩散而稀释也产生较低程度的干扰。

此外，自由射束随着由于自由射束扇形散开使得其未受限的伸延的距离的增加失去了明确的方向以及速度。根据本发明的装置使得在气体入口和气体出口之间的间距可变或可缩短该间距，由此可在其排挤以及清洁功能方面使不受引导的工艺气体流的目标精确性或有效性保持得很高。因此该装置获得的价值越高，构造区越大并且在沿着构造区布置的静止的气体入口和静止的气体出口之间的间距越大。这使得其尤其在大型场设备中的应用是有利可图的，其中无需相对高的协调和控制费用，这意味着相同的可运动的气体入口和气体出口的组合。为了与小型场设备区分，大型场设备例如可具有构造区，矩形构造区的最短的边长或圆形构造区的直径至少为400mm、优选至少为800mm、特别优选至少为1000mm。

根据本发明的布置方式的效果通过可运动的气体入口以及通过优选宽的、静止的气体出口确保：可运动的气体入口可驶近辐射作用区域或目标流动区并且可在此局部地集中起作用。

而气体出口可由于其在所布置的构造区侧的静止设置使得气体出口的排出口比可运动的气体入口的进入口具有更大的伸展部。气体出口的排出口的水平伸展优选相应于该构造区侧的气体出口延伸所沿的至少一个长度或构造区的基本上平行于气体出口的最长延伸部。气体出口的开口的相对大的水平的、以及竖直的伸展部可与对局部地作为自由射束注入且在此扩散的工艺气体流或继续吹送的工艺气体体积的有效获取相反作用。气体出口的静止布置使得其昂贵的可运动的构造和其控制变得没有必要。根据本发明的可运动的气体入口和静止的气体出口的组合总体上有利于上述制造装置的成本有利的制造和运行。

至少实践中可发现，在气体入口的吹入和气体出口的吸出之间有显著的效果差异。因此吹入的效果是吸走的效果的几倍。因此，根据本发明气体入口用于起动和受控地流过目标流动区。气体入口可额外地与气体出口的吸气相组合，以实现更高的效果。

与其他的增材制造方法相比，在对金属进行选择性固化时可能产生更高程度的工艺腔氛围污染。该污染物例如可包括飞溅物、烟雾、冷凝物或其他的分散颗粒。污染物可在到达构造区之前吸收或控制至少一部分的以能量射束形式朝构造区偏转的辐射能量，由此可影响固化工艺。因此特别有利的是，将本发明与增材制造方法和装置相结合使用，其中使用金属的或至少含金属的构建材料，该构建材料包含至少50体积百分比、优选至少80体积百分比、特别优选至少90体积百分比的金属。金属的构建材料例如可为纯金属粉末或金属合金粉末。

根据本发明的一种设计方案，气体入口在垂直于构造区看关于工艺腔的净高度可在工艺腔的下半部中、优选在最下部的五分之一中、特别优选在最下部的十分之一中运动。因为工艺腔可具有凹凸不平的内部空间，例如顶罩的高度水平不一致，术语“净高度”涉及工艺腔的最大内部高度。例如关于工艺腔的净高度提到的值可相应于在气体入口按规定运行中与构造区的间距值，该间距值小于或等于20cm、优选小于或等于10cm、特别优选小于或等于5cm。在所述的工艺腔高度范围中预期气体入口的特别高的效率。此外，气体入口不同于顶罩气流，顶罩气流通常大约在工艺腔的上半部中或在或在上四分之一中起作用并且尤其用于对耦入窗口的自由吹送或屏蔽以输入辐射能量。气体入口还优选基本水平地定向。例如气体入口使气体水平地或稍微倾斜地指向构造区地注入到工艺腔中。由此气体入口原则上也不同于相对大面积引入的、向下的流动，该流动类似于无尘室流动降低了在工艺腔的上部区域中污染物的提升或在工艺腔的下部区域中使污染物保持在其产生位置附近，而稀释或运走该污染物。气体出口也可布置在相应于气体入口的高度水平上，优选布置在工艺腔的壁部中。

可运动的气体入口原则上可平移地移动或旋转地转动。根据本发明的另一设计方案，气体入口可在大于一个的平移自由度上运动并且额外地或替代地可在至少一个旋转自由度上运动，优选在刚好两个平移自由度和刚好一个旋转自由度上运动。根据优选的设计形式，气体入口的平移的运动自由度伴随有旋转的运动自由度，从而气体入口可平移以及旋转地运动。气体入口的平移自由度涉及工艺腔的空间方向，其旋转自由度涉及其旋转轴线。优选地，气体入口可在平行于构造区或平行于工作平面的两个空间方向上移动并且至少可围绕垂直于构造区的旋转轴线旋转。旋转可理解为转动和摆动。由此气体入口不仅可遮盖整个构造区本身，而且可更快速地对构造区上的辐射作用区域的位置变换作出反应并且更快速地流过对应的目标流动区。因为通过转动可使气体入口必要时比通过移动更快速地指向辐射作用区域或目标流动区的新位置。由此可节省气体入口的平行于构造区平面的费时的移动运动并且由围绕垂直于构造区平面的轴线的更快速的转动来代替。

根据本发明的另一设计方案，在竖向的俯视图中看气体入口可在构造区之上、尤其仅在构造区之上运动。由此可实现气体入口有效地接近辐射能量输入的射入位置或辐射作用区域或目标流动区。这不排除气体入口也可运动到构造区的侧面，即构造区的旁边或之外。在此气体入口的开口在俯视图中的位置是特别重要的。与气体入口的可具有相对大的伸展部的壳体相比，该位置在俯视图中可局部更明确地定义，因为该位置通常布置在气体入口的壳体的边缘上。因为工艺气体射束只有通过其从气体入口的开***出才变成自由射束，因此在这种情况下可忽略气体入口的开口三维几何结构的例如作为提高气流速度的喷嘴或锥体的特殊构型。气体入口的可运动性还可在机械方面与对辐射能量输送到构造区的机械引导无关。

根据本发明的另一设计方案，气体入口的数量可与能激活的能量射束的数量不同，能激活的能量射束使得辐射能量输送至辐射作用区域。优选地，气体入口的数量与能彼此独立偏转的能量射束的数量无关。该变型方案例如涵盖了用于提供辐射能量或能量射束的基于线曝光器或激光二极管组和扫描仪的设备的使用。由此例如可为唯一的固化的能量射束分配两个或多个气体入口，以更有效地从目标流动区中去除污染物和/或进一步降低对待固化的构建材料的不期望的氧化。相反，也可仅为一个气体入口分配两个或多个能量射束，例如在其各个辐射作用区域彼此紧邻布置或重合时。在任何情况下，只要充分流过每个目标流动区，无需强制性地耦合能量射束或其辐射作用区域和相应数量的气体入口。能量射束或辐射作用区域(一方面)和可运动的气体入口(另一方面)在数量方面的脱耦可节省气体入口的耗时的移动路径并且实现了根据需要对工艺腔受到较高负荷的区域的流动。

因此，根据本发明的另一设计方案制造装置可具有多于两个可彼此独立运动的气体入口。气体入口在其可运动性方面没有彼此耦合，从而气体入口可分别同时操控单独的辐射作用区域或目标流动区或同一辐射作用区域或同一目标流动区。由此可实现上述的节省时间和流动强度。

原则上可彼此独立运动的气体入口的布置不排除它们在制造过程期间例如由于方法经济的原因以有利的方式共同地、即同时且同向地运动。因此，根据本发明的另一设计方案多个气体入口不仅可在方法技术上而且也可至少部分地在机械上耦合并且构造成可共同运动。因此，机械耦合可设计成可逆的并且可在制造过程期间通过控制设备激活或停用。气体入口的可停用的机械耦合例如可基于能在构造区之上移动的臂，气体入口本身可分别移动并且转动或可摆动地固定在臂上。可移动的臂可用于气体入口朝第一空间方向的可移动性，气体入口在臂上的可移动性用于朝第二空间方向的可移动性。臂彼此的机械耦合引起气体入口在第一空间方向上的运动耦合。类似地，第二空间方向和气体入口的旋转可彼此耦合，以能够共同地操控而不是分别单独操控并由此降低对气体入口的控制开销。

根据本发明的另一设计方案，除了可运动的气体入口之外，制造装置具有用于工艺气体的另一、但是静止的气体入口或多个这种气体入口。在此可涉及大体积的、但是相对慢的流入，该流入例如引起竖直向下的流，该流尽可能覆盖整个构造区。替代地或额外地可涉及具有较高速度的横向流入。对于包围额外流入的气体体积，可提供静止的气体出口。在任何情况下，额外的气体入口可支持能运动的气体入口的作用，其中，额外的气体入口辅助在工艺腔中需要更换的或可能浑浊的气体体积。

此外，开头所述目的通过用于借助上述类型的增材制造装置制造三维物体的方法实现，该制造装置具有用于工艺气体的至少一个可运动的气体入口和至少一个静止的气体出口，其中，通过以下方式制造物体，逐层地施加构建材料并且尤其借助输入辐射能量在每层中的与物体在该层中的横截面对应的部位处选择性地固化构建材料，其中以至少一个作用区域、尤其能量射束的辐射作用区域扫描该部位，其中，在运行中可运动的气体入口驶向参考工艺部位和/或对应于参考工艺部位的目标流动区以使工艺气流过，并且工艺气体经由静止的气体出口排走。

“参考工艺部位(Referenzprozessstelle)”可包括(尤其是能量射束的)在一时间点存在于构造区上的(辐射)作用面。可选地，参考工艺部位可额外地包括(辐射)作用面的限定运动区域，运动区域的伸展部例如可通过预设的时间段来限定，其中当前的(辐射)作用面在构造区上运动。优选地，参考工艺部位理解为工作平面或构造区表面的局部二维面。参考工艺部位例如可根据分别使用的辐射策略例如包括条纹区段或轨道区段(“条带”辐射策略)，其通常通过恒定的最大宽度限定。替代地，在所谓的“棋子”辐射策略中，参考工艺部位例如可部分或全部地包括“棋盘场”的面。示例性所述的条纹和棋盘场在此通常以高频被能量射束“影线化”。目标流动区的位置、伸展部和/或定向或其动态变化可至少间接地与参考工艺部位的位置/伸展部/定位或其动态变化相关。

通过借助可运动的气体入口驶近并且流过参考工艺部位和/或目标流动区并且通过借助静止的气体出口运走气体，本发明遵循以下原理，首先仅自由吹动目标流动区并且在此期间或随后在其扩散或其从构造区之上的区域运动离开的过程中输送可能被污染的气体体积，并且同时在工艺气体最终从工艺腔中被运走之前借助工艺气体对其稀释。由此同样可良好地实现使辐射能量不受污染地输送到构造区上的目的，但是无需对可运动的气体入口以及气体出口的操控工作并且无需使用或生产大的气体体积。

根据本发明的一种设计方案，可在运行中将多于一个的气体入口分配给参考工艺部位和/或目标流动区。由此可使两个或多个气体入口驶近在构造区中的唯一的参考工艺部位和/或目标流动区，以更有效地使工艺气体流过参考工艺部位和/或目标流动区并且由此有效地抑制此处的污染。

该方法可包括根据参考工艺部位和/或目标流动区在构造区上的位置和/或定向对流过参考工艺部位和/或目标流动区的气体入口的协调，其中，气体入口的移动路径可与参考工艺部位和/或目标流动区在辐射策略期间的运动相关。根据本发明的另一设计方案该方法可包括对气体入口的操控，使得参考工艺部位和/或目标流动区在看向构造区的俯视图中始终位于气体入口的开口和气体出口的开口之间的预定流动伸延区中。流动伸延区可构造成轨道面、三角形面、抛物线面或梯形面。流动伸延区的造型或伸展部例如可通过考虑污染物的测量和/或模拟来确定。例如经由合适的编程进行操控，但是在任何情况下都不通过气体入口的运动(一方面)和用于将辐射能量输送到构造区上的导引设备(另一方面)的机械耦合进行操控。该机械耦合可能不能灵活处理并且过于迟钝。而气体入口的操控取决于构造区中的参考工艺部位和/或目标流动区，使得其将气体入口带到与参考工艺部位和/或目标流动区和气体出口成大约直的轨道上，其中，有利地参考工艺部位和/或目标流动区位于气体入口和气体出口之间或其开口之间。

术语轨道的概念不是直线，而是参考工艺部位和/或目标流动区在气体入口和气体出口之间的几何位置，其表示横向于轨道的延伸方向的某些不确定性或公差。实际上从气体入口开始排出的工艺气体射束自离开其进入口进行扩散，从而在看向构造区的俯视图中看气体出口，气体入口可简化或示意性地看作等腰三角形，其作为在构造区之上的工艺气体进入射束的作用面。三角形的顶点位于气体入口的进入口的中点并且三角形的基部位于气体出口的排出口或与气体出口的排出口平行。使用三角形作为参考工艺部位和/或目标流动区的可能位置为气体入口的操控提供了更大的公差，该公差使得移动路径更小并且进而对在制造物体时通常迅速改变的参考工艺部位和/或目标流动区的位置更快速地作出操控响应。通过相对于气体出口成角度地定向的气体入口，代替等腰三角形仅获得非对称的三角形。

如果气体入口没有降低到其进入口的中点，而是也考虑气体入口的宽度，在气体入口相对于气体出口正向定向时的操控可具有等腰梯形作为参考工艺部位和/或目标流动区的可能位置。梯形的较短的底边是对应于较长排出口的进入口。由此提供具有上述优点的较大公差。从中也可为相对于气体出口成角度设置的气体入口推导出更高公差的操控。相比于对污染物的可能的动态位置和造型的尽可能实际测量探测或模拟，自由气体射束的走向以及由此在工艺腔内借助简单的几何形状排挤的或稀释的污染物的继续运动的描述和定义提供了简单且有效转变成对气体入口的操控的优点，其需要相对更小的存储器和计算量。

用于将辐射能量输入工艺腔中的导引设备的反应通常比气体入口的移动更快。因此，该用于操控的方法致力于避免对气体入口的不必要操作。根据本发明的另一设计方案，用于操控气体入口的方法可考虑，气体入口和气体出口的开口平面和/或在工艺气体从气体入口中出来时的平均流动方向以及在气体出口的开口平面上的法线在看向构造区的俯视图中彼此包围的角始终低于或不超过彼此预设角阈值。平均流动方向可为多个流动方向的算数平均值。平均流动方向例如可通过测量技术或借助模拟或通过对气体入口的三维几何结构的推导得出。因为气体入口的移动通常比转动需要更多时间，这就控制技术而言是优选的。此外，气体入口相对于气体出口以限定的角范围定向使得经由参考工艺部位可靠地包围气体体积，因为由此气体入口和气体出口的作用方向彼此相差不会过大。在依次射入多个工艺气体进入射束时，还可有利地考虑流入的工艺气体的一定的射束偏转。对于静止的气体出口构造成吸气口的情况，在流入的气体体积上的吸气脉冲可额外地影响其流动方向。例如在工艺气体进入射束相对于气体出口的开口平面以一角度设置时有利地考虑流入的工艺气体的合成的射束偏转。

用于操控的方法可为参考工艺部位和/或目标流动区分配至少一个可运动的气体入口。根据本发明的另一设计方案，该方法可包括气体入口和与其对应的参考工艺部位和/或目标流动区的先前预定最大间距。在运行中该操控方法使得气体入口相对于参考工艺部位和/或目标流动区没有移出超过最大间距值。由此可确保参考工艺部位和/或目标流动区的保持自由或自由吹送的有效性。

根据本发明的另一设计方案，该方法保持气体入口和与其对应的参考工艺部位和/或目标流动区的先前预定最小间距。在运行中该操控方法使得气体入口没有移出超过最小间距值地移近辐射作用区域和/或参考工艺部位和/或目标流动区。由此例如在气体入口的开口横截面很小时通过考虑流入气体的速度使自由射束扩散到自由空间中可确保参考工艺部位和/或目标流动区的保持自由或自由吹送的有效性，从而工艺气流自该最小间距值满足对排挤或清洁能力的最低要求。

根据本发明的另一设计方案，该方法可以计算或虚拟的方式将构造区分成多个构造区部段并且将至少一个可运动的气体入口至少暂时地分配给预定的构造区部段而不是参考工艺部位和/或目标流动区，当前的参考工艺部位位于该构造区部段中和/或当前的目标流动区位于该构造区部段之上。无需一定为构件制造过程的持续时长确定构造区分段，而是可在此期间进行改变。可基于各种需求以及必要时在制造过程期间产生的需求设置构造区分段。替代地或额外地，可基于流动进行分段，例如根据使用的多个能量射束、气体入口和/或气体出口的数量或由于适用于固化的能量射束的工作区域在构造区上的部分重合或全部重合进行分段。分段可在特定层上是可变的并且与在一层的构件横截面中的具体的划分、几何结构、伸展等相关。由此该方法可定义操控一个或多个气体入口的需求阈值。由此可为操控气体入口奠定基础以实现尽可能连续的运动或优化其运动走向并且尤其简化对气体入口的控制。例如可通过在操控中使用行进销售员算法和/或平滑函数缩短或简化了气体入口与一个或多个能量射束在构造区上的扫描路径相协调的运动间距或路线。

原则上，该方法可包括使多个可运动的气体入口彼此无关地***控，以确保工艺气体根据需求进入至一个或多个参考工艺部位和/或目标流动区。根据本发明的另一设计方案该方法使得至少两个可运动的气体入口能够相互连接。气体入口的相互连接或在控制技术上的耦合可在制造过程期间至少暂时存在并进而为该时间段降低气体入口的控制工作。例如在多个辐射作用区域使得构造区的局部紧邻区域同时或时间重合地或在空间上紧接地固化时，这可为是恰当的或必要的。然后在此可能增加了对工艺气体流过的需求。但是该需求不一定通过单独操控的气体入口来进行，而是可使其相对彼此的固定位置至少在一定限制时间的运行状态下来定义。相互连接例如可引起气体入口的至少暂时同向地移动和/或转动。

根据本发明的另一设计方案，该方法可使至少两个可运动气体入口协调，使得在看向构造区的竖向俯视图中看

-气体入口在工艺腔内并且在构造区之上相同定向或取向时和/或在平均流动方向相同时没有依次定位或关于其平均流动方向作为气体入口的轴线不是同轴定位，和/或

-气体入口相对彼此转动和/或移动地定位，使得其相应的平均流动方向彼此不相交，和/或

-分别对应于气体入口的流动伸延区和/或目标流动区彼此不重合，即，保持不重合。

气体入口的配位可基于气体入口的平均流动方向、从其出来的流动锥的流动伸延区或为其指定的目标流动区作为控制标准。平均流动方向例如可通过多个测量的或模拟的流动方向的算数平均值得出，气体以该流动方向从气体入口流入工艺腔中。平均流动方向形成允许流动伸延区或目标流动区重合的标准，但是会引起较低的操控工作以及使得气体入口对辐射作用区域的运动更迅速地作出反应。相反，流动伸延区或目标流动区作为控制标准使流过的面最大。

开头所述目的还通过用于执行借助增材制造装置制造三维物体的方法的控制方法实现，该制造装置具有用于将工艺气体引入工艺腔中的至少一个可运动的气体入口和用于将工艺气体从工艺腔中排出的至少一个静止的气体出口，其中，通过以下方式制造物体，逐层地施加构建材料并且尤其借助输入辐射能量在每层中的与物体在该层中的横截面对应的部位处选择性地固化构建材料，其中以至少一个作用区域、尤其能量射束的辐射作用区域扫描该部位，其中，该控制方法构造成，控制可运动的气体入口和/或静止的气体出口，使得在运行中可运动的气体入口驶向参考工艺部位和/或对应于参考工艺部位的目标流动区以使工艺气体流过，并且工艺气体经由静止的气体出口排走。

在控制方法中生成控制命令数据例如可实现为在计算设备中的硬件和/或软件组件的形式。计算设备例如可为用于增材制造三维物体本身的上述制造装置的一部分，例如控制设备等的一部分。替代地，可自动地且独立地、即与制造装置在空间上分开地完成控制命令数据的生成。然后可借助合适的端口将产生的控制命令数据输送给制造装置，例如经由存储棒、移动硬盘或其他的可移动数据载体以及经由有线或无线的网络或“云”方案输送。

开头所述目的还通过具有计算机程序的包括端口的计算机程序产品实现，该计算机程序可直接下载到控制数据生成设备的存储设备和/或上述用于增材制造三维物体的制造装置中，以在控制数据生成设备中和/或控制设备中执行计算机程序时执行根据本发明的方法的所有步骤。本发明的基本上基于软件的实施方式的优点是，可通过软件或固件更新简单地改进至今为止使用的控制设备，从而以根据本发明的方式工作。这种计算机程序产品除了计算机程序以外必要时还可包括额外的组成部分，例如文档和/或额外的部件，硬件部件，例如使用软件的硬件密钥(加密狗等)。为了运输控制设备和/或为了存储在控制设备上或控制设备中，可使用计算机可读介质，例如记忆棒、移动硬盘或其他的移动或永久安装的数据载体，在其上存储计算机程序的可通过用于生成控制命令数据的计算设备和/或控制设备读取和执行的程序部分。

附图说明

下面根据附图示例性地详细阐述本发明的原理。在附图中示出：

图1示出了根据现有技术的用于增材制造成品的装置的示意性的部分剖视图，

图2示出了根据本发明的实施方式的具有一个气体入口的装置的相应于图1中剖切线D-D的平面的示意性剖视图，

图3示出了根据本发明的替代实施方式的具有一个可旋转的气体入口的装置的示意性剖视图，

图4示出了根据本发明的另一实施方式的具有三个气体入口的装置的示意性剖视图，

图5示出了根据本发明的另一实施方式的具有两个气体入口的装置的示意性剖视图，

图6示出了通过机器人手臂运动的气体入口的立体图，以及

图7示出了替代的机器人手臂的俯视图。

具体实施方式

在图1中示意性示出的装置是已知的激光烧结设备或激光熔化设备a1。为了构建物体a2，该装置包括具有腔壁a4的工艺腔a3。在工艺腔a3中布置具有壁部a6的向上打开的构造容器a5。通过构造容器a5的上部开口定义工作平面a7，其中，工作平面a7的位于开口之内的区域称为构造区a8，该区域可用于构建物体a2。

在容器a5中布置有可在竖直方向V上运动的支架a10，在该支架上安装基板a11，基板使得构造容器a5朝下闭合并进而形成构造容器的底部。基板a11可为与支架a10分开形成的平板，平板固定在支架a10上，或基板可与支架a10形成一体。根据使用的粉末和工艺还可在基板a11上安装构造平台a12，在构造平台上构建物体a2。但是也可使物体构建在基板a11本身上，此时基板用作构造平台。在图1中示出了位于工作平面a7之下的需要在构造容器a5中形成在构造平台a12上的物体a2处于中间状态的情况，物体a2具有多个固化的层，由仍未固化的构建材料a13所包围。

激光烧结设备a1还包括用于可通过电磁辐射固化的粉末状的构建材料a15的贮存容器a14和可在水平方向H上运动的涂装器(Beschichter)a16，涂装器用于将构建材料a15涂覆到构造区a8上。

激光烧结设备a1还包含具有激光器a21的曝光设备a20，激光器产生作为能量射束的激光束a22，激光束a22经由转向设备a23转向并且通过聚焦设备a24经由耦入窗口a25聚焦到工作平面a7上，耦入窗口在工艺腔a3的上侧安装在工艺腔的壁部a4中。

此外，激光烧结设备a1包含控制单元a29，装置a1的各个组成部分经由控制单元以协调的方式进行控制以执行构造过程。控制单元a29可包含CPU，通过计算机程序(软件)控制CPU的运行。计算机程序可与该装置分开地存储在存储介质上，可将计算机程序从存储介质下载到该装置中、尤其是控制单元中。

在运行中为了施加粉末层首先使支架a10下降一高度，该高度相当于期望的层厚度。通过使涂装器a16在工作平面a7之上移动，此时施加一层粉末状的构建材料a15。为了可靠，涂装器a16将比构建该层所需的稍微更大量的构建材料a15推到其之前。涂装器a16将计划多余的构建材料a15推到溢流容器a18中。在构造容器a5的两侧上分别布置溢流容器a18。至少经由待制造的物体a2的整个横截面、优选经由整个构造区a8、即工作平面a7的可通过支架a10的竖直运动下降的区域施加粉末状的构建材料a15。

然后通过激光束a22以辐射作用区域(未示出)扫描待制造的物体a2的横截面，该辐射作用区域示意性地为能量射束与工作平面a7的切割量。由此在相当于待制造的物体a2的横截面的部位处使粉末状的构建材料a15固化。重复该步骤，直至制成物体a2并且可从构造容器a5中取出。

为了在工艺腔a3中产生优选层状的工艺气流(Prozessgasstroms)a34，激光烧结设备a1还包含气体输入通道a32、气体进入喷嘴a30、气体排出口a31和气体输出通道a33。工艺气流a34水平地运动经过构造区a8。也可通过控制单元a29控制气体输入和输出(未示出)。可将从工艺腔a3中吸出的气体输送给(未示出的)过滤设备，并且可经由气体输入通道a32将经过滤的气体再输送给工艺腔a3，由此形成具有闭合的气体回路的循环空气***。替代只有一个气体进入喷嘴a30和一个气体排出口a31，也可分别设置多个喷嘴或开口。

图2示出了构造区8的根据图1中的剖切线D-D的剖视图。粉末状的构建材料、在这种情况下是金属或含金属的粉末整面地盖住正方形的构造区8，构造区包围方形的工艺腔3的上升腔壁4。在图2的观察方向上，激光束a22作为能量射束以辐射作用区域射到点状的工艺部位9上，该工艺部位作为构造区8上的参考工艺部位。在此激光束使构建材料熔化，由此可产生工艺氛围的污染物，例如飞溅物、烟或冷凝物。

在工艺部位9右侧定位可运动的气体入口30。气体入口30可在平行于构造区8的两个空间方向上移动并且额外地可在其移动平面中围绕与其移动平面垂直伸延的旋转轴线转动。气体入口以工艺气体流过工艺部位9和/或位于其上的工艺腔区域且可选地能最大程度地抑制在工艺部位9处的构建材料氧化。工艺气体和可能的烟气和/或冷凝物和/或其他颗粒在来自气体入口30的流动锥12中到达静止的气体出口31中。气体出口31安装在腔壁4中并且在此平行于构造区8延伸。气体出口在构造区8的延伸平面中或与延伸平面平行的长度L超过构造区8一侧的边长l。

未示出的控制单元用于操控气体入口30的运动。控制单元在此考虑最大间距d，即气体入口30相对于工艺部位9最大可占据的间距。由此控制单元使得气体入口30相对于工艺部位9足够近并且确保工艺气体可靠地流过工艺部位。

流动锥

12由从气体入口30射束状流出的工艺气体的射束扩大而形成。流出的工艺气体和在工艺腔3中的基本静止的工艺气体具有不同的速度。在流出的工艺气体和在工艺腔中的基本静止的工艺气体之间产生剪切层，由剪切层形成扩大的自由射束，其中吸走包围自由射束的工艺气体并且一起带走。在俯视图中，流动锥12可近似描述成等边梯形13，等边梯形的较长的底边或基部14平行于气体出口31的排出口伸延并且等边梯形的较短的底边15平行于气体入口30的进入口伸延。未示出的控制单元操控可运动的气体入口30，使得工艺部位(Prozessstelle)9始终位于梯形13之内。

由此控制单元可为具有梯形13的气体入口30指定构造区8之内的区域，工艺部位9可位于该区域中。如果工艺部位9在梯形13之内运动，气体入口13无需改变其位置。因此在控制单元为该气体入口以及可能的每个另外的气体入口30可在构造区8上或在构造区之上具有梯形面13作为作用区域时，可降低气体入口30的运动以及为此所需的操控。此外控制单元可考虑，梯形面13随气体入口30与气体出口31的间距的增加而增加，其中，与此相对，流动速度和效果随自由射束的间距的增加而减小。

在任何情况下，对于正面指向气体出口31的气体入口30可将上面描述的梯形13看作为流动锥12。一旦如在图3中气体入口30相对于气体出口31成角α地安装，获得基部14相对于气体出口31的排出口倾斜相同角α的梯形13。但是因为基部14总归规则地位于构造区8之外，对于观察构造区8之上的可流动的区域来说，即使气体出口30已安装也没有显著区别。

图3还示出，通过气体入口30的转动比通过气体入口的移动可显著更快地流过构造区8之上的区域。由此可移动的且额外地可转动的气体入口30使得能够快速且有针对性地流过工艺部位9.1，该工艺部位随着箭头P的弯曲走向运动至工艺部位9.2的位置。通过组合气体入口30的可移动性和其可转动性，可减小气体入口30的较慢的移动运动，而有利于其较快速的转动运动。由此气体入口30可更快速地调节使工艺部位9.1、9.2进行位置更换。

气体入口30的转动在与可运动的气体出口组合时需要气体出口的大的且相对耗时的移动运动。根据本发明，将可运动的气体入口30与静止的气体出口31组合。气体入口的沿着或平行于构造区8的一侧边的大的长度延伸L有利于将气体有针对性地从工艺腔3运走。由此消除了对可运动的气体出口的显著操控需求以及对于气体出口的移动运动的显著耗时。可运动的气体入口30的控制优点可与静止的气体出口31一起被充分利用。

图4示出了三个气体入口30a、30b、30c，三个气体入口被分配给两个工艺部位9.1、9.2。气体入口30a、30b、30c在示出的移动情况下彼此平行地布置并且正面指向气体出口31。构造区8在移动技术方面形式上被分成四个方形部段I、II、III、IV，气体入口位于构造区之上。就此而言，构造区8应根据需要分部段，因为根据工艺部位9.1、9.2在部段I、II、III、IV中的停留概率进行分段。为此，在此假设工艺部位9.1、9.2经常同时地位于部段I、II、III、IV中。

在图4中将三个气体入口30a、30b、30c的位置分配给部段II，气体入口从该部段共同地流过整个部段I，两个工艺部位9.1、9.2位于该部段I中。如果气体入口仅在部段I中运动，无需操控气体入口30a、30b、30c。将构造区8分段必要时与气体入口30a、30b、30c的在控制技术方面的耦合降低了其操作费用以及其移动路程。

因为此时工艺部位9.1、9.2移入部段III中，气体入口30a、30b、30c共同地经由部段IV控制。代替三个单个的操控过程，为此仅还需要对在控制技术上耦合的气体入口30a、30b、30c的唯一操控过程。必要时，在这需要一个移动步骤时可完全地或部分地或暂时地或持续地取消气体入口30a、30b、30c在控制技术上的耦合。由此例如可将气体入口30a、30b共同地配备给工艺部位9.1，该工艺部位移入部段II中，而气体入口30c在部段IV中流过工艺部位9.2(未示出)。

图5示出了两个气体入口30a、30b，两个气体入口被配备给一个工艺部位9并且共同地流过该工艺部位。气体入口30a、30b不是正面朝向气体出口31，而是相对于其成角β或γ地设置。气体入口分别确定梯形13，梯形彼此局部地重合。由于成一角度地朝向彼此的流动锥112，使得其流动相互影响。由此可由于流动偏转或射束偏转使得因此可靠地流过背离气体入口30a、30b且面对气体出口31且通过计算没有被梯形13遮盖的区域20。

除了根据图2的最大间距d以外，控制单元还考虑根据图5的角β或γ的最大值，以允许气体入口30a、30b相对于气体出口31转动。如果气体入口30a、30b和气体出口31的作用方向彼此处于不利的情况、即彼此的钝角不够大，则会导致不期望的湍流并且不能充分运走尤其是烟气。角β、γ的最大值确保了对工艺部位9.1、9.2的环境的可靠的自由吹送。

图6在工艺腔3的部分剖切的立体图中示出了机器人手臂22，机器人手臂具有两个铰接头24并且能围绕旋转轴线D转动。机器人手臂在其自由端部上承载可转动的宽的气体入口30d，经由柔性的气体输入通道32供给气体入口。机器人手臂22在工艺腔3中位于壁部4之内以及构造区8之外，从而气体入口30d可以可变的水平定位并且优选额外地以可变的竖直间距完全地扫过该构造区8，以驶向目标流动区21并且受控地流动。气体入口30d包括四个喷嘴状的进入口33，从其中共同地出来水平且竖直扩开的流动锥12。流动锥12在气体入口30d的区域中位于刚好目标流动区21之上的高度h。在流动锥12接触构造区8时，高度h随着与气体入口30d的距离的增大而减小。

图7提供了具有机器人手臂23的工艺腔3的俯视图，机器人手臂也布置在壁部4和构造区8之间。机器人手臂在其自由端部承载窄的气体入口30e，机器人手臂可使气体入口水平地和竖直地在构造区8之上移动，以便以窄的流动锥12流动。机器人手臂具有铰接头24并且可围绕竖直的旋转轴线D摆动或使气体入口30e围绕竖直的旋转轴线摆动。为了流过整个构造区8，可将多个这种机器人手臂23布置在工艺腔3中并且以上述方式单独地或共同地操控。

因为前面详细描述的装置是实施例，技术人员可以常见的方式在大范围内对其进行修改，而不脱离本发明的范围。尤其是气体入口的具体设计方式也可以与此处所述的不同的形式实现。在由于空间或设计原因需要时也可将气体出口或工艺腔设计为不同形状的。此外，不定冠词“一”或“一个”的使用不排除相关特征也可为复数的情况。

附图标记列表

a1 激光烧结设备或激光熔化设备

a2 物体

a3 工艺腔

a4 腔壁

a5 构造容器

a6 壁部

a7 工作平面

a8 构造区

a10 可运动的支架

a11 基板

a12 构造平台

a13 未固化的构建材料

a14 贮存容器

a15 粉末状的构建材料

a16 涂装机

a18 溢流容器

a20 曝光设备

a21 激光器

a22 激光束

a23 转向设备

a24 聚焦设备

a25 耦入窗口

a29 控制单元

a30 气体进入喷嘴

a31 气体排出口

a32 气体输入通道

a33 气体输出通道

a34 气流

3 工艺腔

4 腔壁

8 构造区

9、9.1、9.2 工艺部位(Prozessstelle)

12 流动锥

13 梯形(面)

14 较长的底边、基部

15 较短的底边

20 区域

21 目标流动区

22、23 机器人手臂

24 铰接头

30、30a…30e 气体入口

31 气体出口

32 气体输入通道

33 进入口

α、β、γ 调节角

d 间距

h 在构造区8之上的高度

D 旋转轴线

l 构造区8的侧边长度

L 气体出口31的延伸长度

P 箭头

I…IV 构造区8的部段。

Claims (15)

1.一种用于增材制造三维物体(a2)的制造装置(a1)，其中，通过以下方式制造所述物体：逐层地施加构建材料(a15)并且尤其是借助输入辐射能量在每层中的与所述物体在该层中的横截面相对应的部位(9)处选择性地固化所述构建材料(a15)，其中以至少一个作用区域、尤其是能量射束(a22)的辐射作用区域扫描所述部位(9)，

-具有用于容纳所述构建材料的构造容器(1)，

-具有在所述构造容器(1)之上的工艺腔(3)，

-具有在所述构造容器(1)和所述工艺腔(3)之间的构造区(8)，

-具有至少一个能在所述工艺腔(3)内运动的气体入口(30)以用于将工艺气体引入到所述工艺腔(3)中，和

-具有至少一个静止的气体出口(31)以用于将所述工艺气体从所述工艺腔(3)中引走。

2.根据权利要求1所述的制造装置，其特征在于，所述气体入口(30)关于所述工艺腔(3)的净高度能在所述工艺腔(3)的下半部中、优选在最下部的五分之一中、特别优选在最下部的十分之一中运动。

3.根据权利要求1或2所述的制造装置，其特征在于，所述气体入口(30)能在大于一个的平移自由度和/或旋转自由度上运动，优选恰好在两个平移自由度和恰好一个旋转自由度上运动。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的制造装置，其特征在于，所述气体入口(30)能在所述构造区(8)上方运动。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的制造装置，其特征在于，所述气体入口(30)的数量与能激活的能量射束(a22)的数量不同，优选与能彼此独立偏转的能量射束(a22)的数量不同。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的制造装置，其特征在于，具有两个以上能彼此独立运动的气体入口(30a；30b；30c)。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的制造装置，其特征在于，具有附加的静止的气体入口。

8.一种借助尤其是根据权利要求1至7中任一项所述的增材制造装置(a1)制造三维物体(a2)的方法，所述制造装置(a1)具有用于将工艺气体引入工艺腔(3)的至少一个可运动的气体入口(30)和用于将工艺气体从所述工艺腔(3)中引走的至少一个静止的气体出口(31)，其中，通过以下方式制造物体：逐层地施加构建材料(a15)并且尤其是借助输入辐射能量在每层中的与所述物体在该层中的横截面相对应的部位(9)处选择性地固化所述构建材料，其中，以至少一个作用区域、尤其是能量射束(a22)的辐射作用区域扫描所述部位(9)，其特征在于，在运行中可运动的气体入口(30)驶向参考工艺部位(9)和/或对应于该参考工艺部位的目标流动区(21)以使所述工艺气体流过，并且所述工艺气体经由静止的气体出口(31)排走。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在运行中将多于一个的气体入口(30)分配给参考工艺部位(9)和/或目标流动区(21)。

10.根据权利要求8或9所述的方法，包括根据所述参考工艺部位和/或所述目标流动区的当前位置和/或定向对流过参考工艺部位(9)和/或目标流动区(21)的气体入口(30)的协调，其中，所述气体入口的移动路径与所述参考工艺部位和/或所述目标流动区的运动相关，其特征在于，对所述气体入口进行操控，使得所述参考工艺部位和/或所述目标流动区在看向构造区(8)的俯视图中始终位于所述气体入口(30)的开口和所述气体出口(31)的开口之间的预定流动伸延区(12)中。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，其特征在于，气体入口(30)和气体出口(31)的开口平面和/或在所述工艺气体从所述气体入口中出来时的平均流动方向以及在所述气体出口的开口平面上的法线在俯视图中彼此包围的角(α)不超过预设的角阈值。

12.根据权利要求8至11中任一项所述的方法，具有可运动的气体入口(30)，所述气体入口被分配给参考工艺部位(9)和/或目标流动区(21)，其特征在于，限定最大间距(d)和/或最小间距sdi和/或目标流动区。

13.根据权利要求8至12中任一项所述的方法，将所述构造区分成多个构造区部段(I；II；III；IV)，其特征在于，将至少一个可运动的气体入口(30)至少暂时地分配给预定的构造区部段，其中当前的参考工艺部位(9)位于所述构造区部段中和/或当前的目标流动区(21)位于所述构造区部段之上。

14.根据权利要求8至13中任一项所述的方法，其特征在于，使至少两个可运动的气体入口(30a；30b；30c)能够相互连接。

15.根据权利要求8至14中任一项所述的方法，其特征在于，协调至少两个可运动气体入口(30a；30b；30c)，使得在看向所述构造区(8)的竖向俯视图中看

-所述气体入口在相同定向时和/或在平均流动方向相同时不依次地定位在相同的平均流动方向上，和/或

-分别对应于所述气体入口的流动伸延区(12)和/或目标流动区(21)相对于彼此不重合，和/或

-所述气体入口能够相对彼此转动和/或移动地布置，使它们的相应的平均流动方向彼此不相交。

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