CN1976800A - 用于制造三维物体的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于制造三维物体(3)的装置和方法，其通过电磁或粒子辐射的作用将构造材料的层局部地固结在与物体(3)各个横截面相应的位置上。所述装置包括用于在测量区域(14)内无接触地测量构造材料的温度的温度测量装置(13)，该测量区域是构造材料的层的一个分区域，并且还包括用于改变温度测量装置(13)的测量区域(14)位置的位置调节装置(15)，而与辐射能作用的区域的位置的改变无关。借助所述装置，为了每个层的温度测量可以主动地控制表面的一未曝光的区域，并且通过改变在一层中的测量区域(14)的位置能够探测到温度分布。

Description

用于制造三维物体的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种按照权利要求1和10的前序部分所述的用于制造三维物体的装置和方法。
背景技术
从DE 100 07 711 C1中已知一种此类的装置和一种此类的方法。那里说明了一种激光烧结装置，在该激光烧结装置上，在烧结位置区域内的一移动的探测面上借助一高温计探测烧结粉末的温度，激光的功率根据被探测的温度来调节。
其中，由高温计测量的温度受到烧结位置热辐射决定性的影响。根据粉末不同的曝光度，表面的放射能力(从表面辐射的辐射能量与从一黑色物体上在相同温度时辐射的辐射能量的比例)发生变化，由此测量结果出现偏差。此外，温度测量也由于反射的激光辐射的发生偏差。因此，如此测量的温度对于粉末床(Pulverbett)表面的温度不是好的值。但是，粉末床表面的温度根据使用的构造材料(烧结粉末)在激光烧结时是一个对于所制造的构件的质量起决定性的参数。
从EP 1 466 718 A2和从EP 1 296 788 B1中分别已知一种制造三维物体的装置，在该装置上，粉末床表面的温度在整个工作区域内同时借助一红外线摄像机现场解决地测量。其中的一个问题是，在该装置中，红外线摄像机的光学***会被污染。这种通过吹风并不能完全避免的污染导致测量结果根据地点的不同可能出现偏差。这一温度测量的另一缺点在于，与其它无接触的温度测量仪比如一高温计相比，红外线摄像机的价格较高。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提供一种便于操作的、价格便宜的用于制造三维物体的装置和一种简单而价格便宜的用于制造三维物体的方法，其通过电磁或者粒子辐射的作用将构造材料的层固结在与该物体的各个横截面相应的位置上，借助所述辐射，能够可靠地制造高质量的三维物体。
该目的通过按权利要求1所述的用于制造三维物体的装置和按权利要求10所述的用于制造三维物体的方法实现。本发明的扩展结构在从属权利要求中说明。
本发明特别具有的优点在于，待固结的构造材料的温度能够在不受用于固结的通过电磁或者粒子辐射输入构造材料中的辐射能影响下测量，因此，能够非常准确地控制和/或调节。
此外，本发明还具有的优点在于，能够使用一简单而价格便宜的点式高温计用于温度测量，该高温计与一红外线摄像机相比无需冷却。此外，对于点式高温计来说，与对于一红外线摄像机相比，在工序箱(Prozesskammer)中需要一小得多的窗。一个小的窗能够又更容易地通过吹风远离由过程气体造成的污染，并且，当使用一激光器作为辐射源时，减少由激光逆反射造成的温度测量装置损坏的风险。
此外，本发明的优点在于，在每个层中的测量区域能够自由选择，亦即能够改变。在每个层中，无需为了温度测量保留构造区域的一个保持不变的特定区域，而是在每个层中，能够主动地在构造区域的任意位置上使用一空余的区域用于温度测量。由此，与借助一固定的点式高温计测量温度相比，在没有位置调节装置情况下更充分的利用构造区域成为可能。
本发明的另一优点在于，在构造材料的一个层中，能够获得一温度分布，该温度分布能够用于校正局部激光功率，从而这样将输入的辐射能更加准确地调节在一最佳的过程窗(Prozessfenster)上。这导致一更高的构件的质量。
此外，温度分布还能够作为用于控制粉末床的与位置有关的加热的输入端参数使用。局部温度波动的补偿导致一更高的构件的质量。
附图说明
本发明的其它特征和应用借助附图从实施例的描述中得出。
附图中：
图1示出用于制造三维物体的装置的实施例的示意图；
图2示出温度测量装置的实施方式的部分剖视图；
图3示出图1中示出的装置的示意图。
具体实施方式
图1示出作为按本发明装置的实施例的一激光烧结装置。该激光烧结装置具有一向上开口的容器1。在该容器1中设置一用于支承待形成的物体的支座2。支座2能够借助一驱动装置4在容器1中沿垂直方向A上下运动。容器1的上边缘确定一工作平面5。在工作平面5上方设置一激光器形式的辐射装置6，该辐射装置发出一定向的激光射线18，该激光射线通过一偏转装置7偏转到工作平面5上。此外，设置一用于将一层待固结的粉末状的构造材料涂覆到支座2表面或者已固结的最后一层上的涂布器8。该涂布器8能够借助于一通过箭头B示出的驱动装置在工作平面5上来回运动。涂布器由两个粉末储存容器10通过在构造区域左右侧的两个定量器9供给。此外，在构造区域的左右侧还设置两个溢出容器11，它们能够接收在涂布时落下的多余的粉末。
此外，所述装置还具有一个设置在工作平面5上方的加热装置12，用于加热粉末床19和特别是用于将已涂敷的、但尚未烧结的固结的粉末层预热到适于烧结的工作温度TA。加热装置12例如设计为一个或多个加热辐射器比如一红外线辐射器的形式，其如此设置在工作平面5上方，使得被涂敷的粉末层能够均匀地受热。
在距工作平面5上方的一段距离内设置一温度测量装置13，该温度测量装置用于无接触地测量最终被涂敷的即最上方粉末层的温度。其中，温度测量装置13测量在一测量区域14内的平均温度，该测量区域与在构造区域内被敷的粉末层相比占据一较小的面积。温度测量装置13的测量区域14的位置能够借助一位置调节装置15在工作平面内改变。
通过一工序箱(Prozesskammer)16，工作区域与周围环境隔断。由此，在必要时可以阻止粉末的氧化。
控制和/或调节装置17用于控制和/或调节加热装置12的功率、辐射装置6的功率、通过偏转装置7的偏转和用于控制位置调节装置15以及用于读取被温度测量装置13测量的粉末床19的温度。为此，控制和/或调节装置17与加热装置12、温度测量装置13、位置调节装置15、偏转装置7以及与辐射装置6相连接。
图2示出温度测量装置和位置调节装置的实施方式的视图。
温度测量装置13按该实施方式由一在外壳21中设置的点式高温计20组成。外壳21保护点式高温计20免受机械和热负荷，并通过一球窝关节轴承23与工序箱16的壁22相连接。穿过外壳21中的一个窗24，点式高温计20探测到来自最上方粉末层的测量区域14的热辐射。为防止过程气体的污染，窗24通过例如氮气吹风，使得过程气体可以远离该窗24。
点式高温计20的测量区域能够通过相对于工作平面的旋转改变。其中，点式高温计的旋转通过两个伺服马达25和25’实现，它们借助两个伺服臂27和27’作用在点式高温计20外壳21的作用点26上。借助伺服马达25，点式高温计20的外壳21围绕Y轴旋转，借助伺服马达25’，它围绕X轴旋转。特别如图3所示，通过点式高温计20围绕Y轴旋转一角度α，测量区域14的位置沿X轴移动长度ΔX。与此相应，测量区域的位置通过点式高温计20围绕X轴的旋转沿Y轴运动。以此方式，点式高温计的测量区域14的位置完全独立于通过辐射装置6在工作平面中产生的辐射光斑的位置改变和调节。这与测量区域14的位置和辐射光斑的位置之间不存在固结位置关系同样重要。
下面，根据一按照第一实施方式的方法说明以上所述的激光烧结装置的运行。
首先，通过涂布器8将第一粉末层涂布到支座2上。
对于要制造的物体的质量的关键的特别在于，待固结的最上方的粉末层的温度具有一在特定区域亦即过程窗(Prozessfenster)内的温度。在该过程窗以上，粉末无需额外辐射能至少部分地通过烧结固结，而在过程窗以下的温度时在已固结的层中形成应力或其它不希望的由热引起的效应。所谓的卷曲效应也经常归咎于最上方粉末层的太低的温度，在该卷曲效应时固结的层的边缘向上弯曲或卷曲。因此，借助涂布器涂覆的粉末层必须为了达到好结果、特别是为了避免在制造的物体中的应力，在借助加热装置12固结之前加热到过程窗内的一工作温度TA。
为此，在涂覆粉末层之后，用温度测量装置13非接触地测量该层的温度。根据在其中测量的温度确定加热装置12的加热功率。其中，温度测量装置13的测量区域14的位置借助位置调节装置15如此调节，使得测量区域14不与在该层中的在下一步骤通过用激光辐射进行固结的区域30重叠。因此在按第一实施方式的方法中，在固结该层之前在每个层中，主动地控制一个用于测量最上方粉末层表面温度的不被曝光的区域。
在第一实施方式中，测量区域优选地如此选择，使得它在层中与待曝光的区域、以及在下方的已固结的层中待曝光的区域之间具有一预先规定的距离。该预先规定的距离越大，曝光区域对温度测量的影响越小。特别也能够考虑到的是，紧密烧结的区域保持更多热量，因此，在距离测量区域相同时，这些区域对温度测量的影响大于小的烧结结构。
如果最上方的粉末层加热到工作温度TA，那么，在粉末层中的与物体横截面相应的位置通过用激光辐射进行固结。此外，即使在达到工作温度TA之后，在用激光的辐射过程中，最上方的粉末层的温度T也被测量，并且根据该温度调节加热装置12的加热功率，以便温度T保持在过程窗中的。
在固结一层之后，支座2下降一段与层厚度相应的距离，借助涂布器8将一新的粉末层涂覆在此前用激光辐射的层上。然后，重复此前所述的步骤，直到三维物体制造结束。
测量区域14位置在一层中的改变或调节按照第一实施方式在固结该层之前完成，与在固结该层时电磁或粒子辐射影响的区域(辐射光斑区域)位置的改变无关。这与在固结该层时在测量区域14的位置和辐射光斑区域位置之间不存在保持相同的固结的位置关系具有相同意义。
通过温度测量装置的测量区域的位置在每个层中位于一未曝光的区域中，温度测量不会受到用激光进行辐射的区域干扰。由此，对最上方粉末层温度的非常准确的调节和/或控制成为可能。过程窗能够被非常好地保持，并由此能够制造高质量的物体。
在按本发明的方法的第二实施方式中，测量区域的位置在曝光过程中也被改变。由此，在一层中测量各种位置上的温度，并如此测量温度分布。
如此测量的粉末层表面的温度分布由控制装置17使用，该控制装置用于通过控制辐射装置6的局部激光功率和/或通过控制扫描速度控制用激光辐射导入的能量，借助该扫描速度，定向的激光射线通过偏转装置7在曝光时在构造区域上运动。
如在第一实施方式中，测量区域位置在一层中的改变和调节与辐射光斑区域的位置改变无关。
按第二实施方式的按本发明的方法的优点在于，通过测量层中的温度分布，能够确定最上层的局部温度升高，该温度升高由相邻于已曝光的区域的那一层或者由最上方层下面的层的曝光区域导致。通过校正辐射装置6的局部激光功率和/或通过控制扫描速度能够更准确地保持用于导入粉末的能量的过程窗，通过偏转装置7定向的激光射线在曝光时在构造区域上以所述扫描速度运动，借助此方法制造的物体的质量明显地得到改善。
在曝光过程中，测量区域的位置优选地如此改变，使得它不与层中的正被固结或已经固结的区域重叠。于是，在按第二实施方式的方法中，如在第一实施方式中一样能够避免温度测量受到用激光曝光的干扰。
上述的装置和方法的选择和变形是可能的。
按本发明的装置被如此说明，使得温度测量装置的测量区域的位置通过伺服马达的旋转改变。然而，测量区域的位置也能够通过设置一标绘仪(Plottermechanik)改变，该标绘仪工作平面上方沿X轴和/或Y轴移动温度测量装置。然而，其缺点在于，用于温度测量装置的标绘仪会干扰激光的射线光程。
另一种改变温度测量装置在工作平面中的测量区域的位置的可能性在于，如此可变地设置高温计的光学***，使得通过调节可变的光学***能够改变测量区域的位置，借助该光学***，测量区域的热辐射映射到高温计中本身的热辐射探测器上。可变的光学***特别能够包含一可旋转的反射镜，借助该反射镜，根据反射镜不同的角度位置，各种方向的热辐射能够映射到高温计中的热辐射探测器上。
按本发明的装置如此说明，使得点式高温计作为温度测量装置使用。然而，也能够同样使用多点式高温计或红外线摄像机，该摄像机具有相对于构造区域较小的测量区域。
同样可能的是，使用具有一沿X轴延伸的测量区域的单条状CCD-摄像机，其中测量区域的位置能够沿Y轴改变。相反，使用具有一沿Y轴延伸的测量区域的CCD-摄像机也是可能的，其中测量区域的位置能够沿X轴改变。
取代借助一偏转装置对准目标地将激光射线偏转到工作平面上，并对准工作区域的各个位置，物体也能够相对于激光得到移动。
涂布器如此说明，使得它能够在工作平面上来回运动。构造材料也能够有选择地喷镀或以任一其它方式在工作区域内涂覆成层。
本发明借助一激光烧结装置说明，在该激光烧结装置上，激光作为辐射源使用。任一其它辐射源也是可能的，借助它，电磁或粒子辐射能够导入构造材料中。这样，例如一用于不相干的光辐射、用于红外线辐射、用于X光辐射或电子辐射的辐射源能够作为辐射源使用。与此相应，能够使用借助各辐射固结的构造材料。
在上述装置上，在工作平面上方的红外线辐射器作为加热装置说明。加热构造材料最终涂敷的一层的其它可能性是可以想像的。例如，能够使用热空气或者氮气的循环用于预热在刚刚涂敷的层上引导的层。
要说明的是，按第二实施方式的方法测量的温度分布用于控制通过激光辐射导入的能量。此外，温度分布也能够用于控制用于加热粉末床19表面的一加热装置12。特别是能够控制一具有多个区域的加热装置12，其中加热装置12的每个区域均配置测量的温度分布的一分区域，以便通过各个区域不同大小的功率补偿温度分布的温度差别。
在按第一或第二实施方式的方法中，除了在那里所说明的对测量区域14位置的调节或改变，该测量区域还能够在固结过程中额外地如此改变，使得测量区域14有时与已经固结或正在固结的区域重叠。其中测量的温度能够用于检验和/或控制辐射装置6的功率。此外，从一此前曝光区域的温度的时间变化中，还能够推断出热容量以及在X、Y及Z方向上的热传导。其中，热容量和热传导对于过程参数的最佳选择，例如固结辐射的功率或者扫描速度和粉末预热的规定参数来说是关键的数值。因此，过程参数以及构件的质量和制造时间能够根据这样的温度测量进行优化。

Claims (21)

1.一种用于制造三维物体的装置，其通过电磁或者粒子辐射的作用在与物体各横截面相应的位置上固结构造材料的层，该装置包括：
用于在一测量区域(14)中无接触地测量构造材料的温度的温度测量装置(13)，该测量区域是构造材料的层的一个分区域，
其特征在于，所述装置还包括一位置调节装置(15)，用于与电磁或粒子辐射作用的区域的位置的改变无关地改变温度测量装置(13)的测量区域(14)的位置。
2.按权利要求1所述的装置，其特征在于，位置调节装置(15)包括一用于改变温度测量装置(13)相对于构造材料的层的角度位置的旋转装置(23、25、26)。
3.按权利要求1或2所述的装置，其特征在于，位置调节装置(15)包括一能使温度测量装置在构造材料的层上移动的机构。
4.按权利要求1至3任一项所述的装置，其特征在于，位置调节装置(15)包括一光学***，借助该光学***，从测量区域发出的热辐射映射到温度测量装置(13)中并且可以改变测量区域(14)的位置。
5.按权利要求1至4任一项所述的装置，其特征在于，温度测量装置(13)为点式高温计。
6.按权利要求1至5任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括一控制装置(17)，该控制装置如此地控制位置调节装置(15)，使得温度测量装置(13)的测量区域(14)不与层的电磁或粒子辐射正好作用的区域重叠。
7.按权利要求1至6任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括一控制装置(17)，该控制装置根据由温度测量装置(13)测量的温度控制起作用的电磁或粒子辐射。
8.按权利要求1至7任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括一用于构造材料的加热器和一控制装置(17)，该控制装置根据由温度测量装置(13)测量的温度控制用于构造材料的加热器的功率。
9.按权利要求1至8任一项所述的装置，其特征在于，所述装置为一激光烧结装置。
10.一种用于制造三维物体的方法，包括以下步骤：
将待通过电磁或粒子辐射进行固结的构造材料的层涂覆到一底座或一此前已固结的层上；
通过电磁或粒子辐射的作用将构造材料的层固结在与物体在该层中横截面相应的位置(30)上；
重复步骤(a)和(b)，直到三维物体(3)制造完成；
其特征在于，借助一温度测量装置(13)在作为该层的分区域的测量区域(14)内无接触地测量构造材料的温度，其中通过位置调节装置(15)与在步骤(b)中电磁或粒子辐射作用的区域的位置的改变无关地调节或改变测量区域(14)的位置。
11.按权利要求10所述的方法，其特征在于，测量区域(14)的位置通过位置调节装置(15)如此地调节或改变，使得测量区域(14)不与在该层中的、正在固结或此前在该层中已固结的一区域重叠。
12.按权利要求10或11所述的方法，其特征在于，测量区域(14)的位置如此地调节或改变，使得测量区域(14)不与在层中的还待固结的区域重叠。
13.按权利要求10至12任一项所述的方法，其特征在于，将构造材料加热并且为此使用的加热功率根据由温度测量装置(13)测量的温度调节。
14.按权利要求10至13任一项所述的方法，其特征在于，在一层中在多个彼此不同的测量区域内测量构造材料的温度。
15.按权利要求14所述的方法，其特征在于，与区域有关地在多个与所述多个测量区域相配的加热区域中加热构造材料，以及
根据配属的测量区域的温度调节或控制用于各个加热区域的加热功率。
16.按权利要求10至15任一项所述的方法，其特征在于，根据由温度测量装置(13)测量的温度调节用于固结所述层的辐射能的局部能量输入。
17.按权利要求10至16任一项所述的方法，其特征在于，通过改变温度测量装置相对于构造材料的层的角度位置(α)来改变温度测量装置(13)的测量区域的位置。
18.按权利要求10至17任一项所述的方法，其特征在于，通过在构造材料上方的平面内移动温度测量装置(13)来改变温度测量装置(13)的测量区域(14)的位置。
19.按权利要求10至18任一项所述的方法，其特征在于，通过调节一可变的光学***来改变温度测量装置(13)的测量区域(14)的位置。
20.按权利要求10至19任一项所述的方法，其特征在于，测量区域(14)的位置调节还如此进行，使得测量区域(14)与在最上层中和在最上层的下方的此前固结的区域具有一预先规定的距离。
21.按权利要求10至20任一项所述的方法，其特征在于，使用粉末状的构造材料并且使用激光器作为辐射源(6)。
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