用于改进地控制在生成式层构建过程中的能量输入的方法和设备技术

一种用于逐层地构建由粉末状构建材料构成的三维物体(3)的方法，其中，在一个层的对应于至少一个物体的横截面的部位处分别相继地使粉末状构建材料层固化，其中，所述固化通过引入热能实现，并且所述方法具有下述步骤：使所述层的对应于所述物体的横截面的所有部位固化，其中，至少在所述层的子区域中根据用于之前的粉末层的之前的固化步骤的持续时间或者根据当前的固化步骤的之前计算的持续时间来设定所引入的热能量。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于借助于生成式制造来逐层地构建三维物体的方法和相关的设备。本专利技术尤其是涉及一种该类型的方法和一种该类型的设备，通过所述方法和设备改进所制造的物体的精度。
技术介绍
WO 95/11100 A1描述一种作为逐层地生成式制造方法的特殊情况的激光烧结方法。当使用通过引入热能烧结或熔融的粉末作为制造的原始材料时，构建过程正常情况下进行为，使得制成待制造的物体的CAD模型，该CAD模型被分解成层，并且随后根据CAD模型的横截面将构建材料逐层地固化。对于每个粉末层而言，构建过程如下进行：在将粉末状构建材料层涂覆到已经固化的层上之后，首先借助于辐射将新涂覆的粉末层加热预热到低于固化温度的工作温度。于是，将辐射(例如激光射束)定向到预热的层上以选择性固化构建材料。在制成物体的所有层之后，能够将该物体冷却并且将所述物体从包围物体的未固化的粉末中移除。如从上述制造过程中可知，在借助于激光射束通过烧结或熔融固化粉末层的对应于待制造的物体的横截面的部分之前，首先将粉末层预热。通过预热粉末层，激光射束必须仅还给粉末输送低的残余能量，以便进行固化过程。这允许层的更快速的选择性固化(选择性照射物体的对应于所述层的横截面)并且此外更好地监控引入到粉末中的能量。WO 95/11100 A1涉及由金属粉末制造金属部件并且描述了下述
问题：在激光功率恒定的情况下形成具有不均匀的材料特性的构件。这是因为，存在粉末床的完全熔融的区域和没有完全熔融的区域。作为该问题的原因，WO 95/11100 A1证实在用于固化的激光射束所射到的粉末层之内的温度不均匀性。WO 95/11100 A1提及，在激光射束射到当前最高层的入射点之下的层、更确切的说在所述最高层之下的层是否已经进行固化过程是重要的。如果在激光的入射点之下，即在位于其下方的层中还存在未固化的粉末材料，那么所述未固化的材料不那么好地散热并且存在更多的能量用于在当前层中激光的当前入射点处的熔融过程。此外阐述了，在当前层中多少已经固化的区域邻接于当前的入射点也是重要的。对于许多已固化的区域邻接于当前的入射点的情况而言，热能通过已固化的区域相比通过未固化的粉末更好地散出。这是因为，已固化的区域在WO 95/11100 A1中由良好导热的金属构成。因此，根据WO 95/11100 A1，为了良好的固化效果(尽可能完全地熔融粉末)必须输送更多的激光能量。为了解决上面提出的问题，WO 95/11100 A1建议，激光能量对于激光的每个入射点而言适配于粉末层的下述温度，该温度在该入射点附近通过温度传感器确定。还有涉及制造由金属或陶瓷粉末构成的成型体的WO 2013/079581 A1识别考虑在借助于激光输入能量时在待固化的层之内的温度不均匀性的必要性。然而，WO 2013/079581 A1想要避免在激光射束的相应的入射点附近的温度检测时相对大的测量技术方面的耗费以及用于实时数据处理的耗费。替代于此，WO 2013/079581 A1建议，在一个地点待输入的热能在实施整个构建过程之前就已经以计算机辅助的方式被确定：因为待制造的物体的CAD数据无论如何都存在，所以能够在识别所使用的构件材料的热学参数时预先计算对于在每个层中的每个射束入射点的散热能力并且与此相应地改变在相应的辐照地点处每时间单位的能量输入。射束入射点的周围环境的不同的散热能力在WO
2013/079581 A1中如下考虑：限定在每个射束入射点附近的确定大小的局部的周围环境并且计算在这个局部的周围环境中对于每个体素的散热能力。如已经从该方法的描述中可见的是，为了相应地确定每个辐照地点的激光参数，计算耗费是不低的。
技术实现思路
因此本专利技术的任务在于，提供一种用于逐层地生成式制造三维物体的方法以及相关的设备，所述方法和设备以有限的耗费获得高的制造精度。所述任务通过根据权利要求1所述的方法和根据权利要求12所述的设备得以解决。本专利技术的扩展方案在从属权利要求中给出。本专利技术所基于的构思是，逐层的制造是一个动态过程。在现有技术通过如下方式获得待制造的物体的提高的细节精度，即考虑通过待制造的物体在粉末床中的几何形状所得出的散热能力，而本专利技术考虑冷却已固化的区域的时间过程。本申请的专利技术人认识到，所制造的物体的特性、例如断裂伸长率、尺寸或表面质量与用于照射在粉末层中的待固化的区域所需的持续时间(总照射时间)相关。在构建仅一个单独的物体时，总照射时间与用于固化粉末层中的物体横截面所需的时间是相同的，而在同时制造多个物体时，总照射时间等同于用于各个物体的横截面的照射持续时间的总和。令人惊讶的是，确定的物体的特性与多少其它物体与该物体同时制造相关。对此的原因如下：在一个层内待照射的(待固化的)区域的长的总照射持续时间的情况下，所述区域具有较长的时间通过热辐射、热传导或对流来散热。因此，所述层更强地冷却并且整体上不存在那么多的能量用于熔融或烧结后续的层。作为结果，机械特性、例如断裂伸长率由于后续的层的较差的粘附而变差。反之，在一个层的短的总照射时间的情况下，所述层不那么强地冷却并且在后续的层中的粉末能够完全熔融，由此得到更好的机械特性。不仅机械特性受到层的总照射时间影响，例如表面质量和其它大小也受此影响。例如，物体横截面的尺寸也受到层照射时间的影响，因为在层的照射时间较长(并且较强地冷却)的情况下，相比在层的总照射时间较短的情况下在位于其上方的层中更少的未固化的粉末粘附在物体横截面的边缘处。此外，当前层的总照射时间也影响物体的特性。按本专利技术的方法根据在位于当前待照射的层之下的层的待固化的区域的总照射时间或者根据在当前待照射的层中的待固化的区域的总照射时间来提高或降低(即减少)用于固化的辐射的每单位面积的热输入。由此，能够考虑在制造期间的动态过程，这在现有技术中不是这种情况。作为结果，能够获得具有改进的机械特性和改进的细节精度的构件，其中，不必采用复杂的计算或测量方法。下面为了加以说明，根据本专利技术对于在一个层中待固化的整个区域的照射持续时间通常是重要的，在下面提到“待固化的区域”而并不是“物体横截面”，从而也包括在进行构建过程的容器中同时制造多个物体。附图说明下面借助于附图来描述本专利技术。在附图中：图1示出用于根据本专利技术由粉末状构建材料逐层制造三维物体的设备的一个示例；图2示出一个测试构件，该测试构件在示例性的预测试的范围中制成，以便确定能量输入的与层照射时间相关的改变；图3示出一个曲线，所述曲线描绘在测试构件上确定的厚度与层照射时间的相关性；图4示出借助测量测试构件确定的能量输入的与在固化测试构件时的照射时间相关的预因子；图5示出一个曲线，该曲线示出在测试构件上确定的对于能量输入匹配于照射时间的情况的平均厚度；图6示出构建区的俯视图，以阐明用于避免局部过热的可选的途
径。具体实施方式参考图1，首先以激光烧结设备为例描述了按本专利技术的用于借助于生成式层构建方法(generativen Schichtbauverfahren)来制造三维物体的设备。如在图1中示出的，待制造的物体3在一个构建底板2上逐层地制成。构建底板2形成底部，并且框架1形成向上敞开的容器的侧壁，在该容器中进行构建过程。构建底本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于逐层地构建由粉末状构建材料构成的至少一个三维物体(3)的方法，所述构建借助于在一个层的对应于所述至少一个物体的横截面的部位处分别相继地使粉末状构建材料层固化来实现，其中，所述固化通过引入热能实现，并且所述方法具有下述步骤：在构建底板(2)上或者在事先提供的粉末状构建材料层上提供粉末状构建材料层的第一粉末涂覆步骤；将所涂覆的构建材料预加热到低于材料固化温度的预热温度的第一预加热步骤；借助于电磁辐射或粒子辐射(7)使所涂覆的层固化的第一固化步骤，其中，所述辐射作用到所述层的所有待固化的部位上，使得在这些部位处的粉末通过由辐射引入的热能固化；在所选择的部位处已经事先固化的层上提供粉末状构建材料层的第二粉末涂覆步骤；将所涂覆的构建材料预加热到低于材料固化温度的预热温度的第二预加热步骤；借助于电磁辐射或粒子辐射(7)使所涂覆的所述层固化的第二固化步骤，其中，所述辐射作用到所述层的所有待固化的部位上，使得在这些部位处的粉末通过由辐射引入的热能固化；其中，所述第二粉末涂覆步骤、所述第二预加热步骤和所述第二固化步骤依次地一直重复，直至待制造的所述至少一个三维物体的所有横截面固化；其特征在于，在至少一个第二固化步骤中，在所述层的至少一个子区域中每单位面积通过电磁辐射或粒子辐射(7)引入的热能量根据用于之前的粉末层的之前的固化步骤的持续时间或者根据当前的第二固化步骤的预先计算的持续时间来设定。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.01.31 DE 102014201818.81.用于逐层地构建由粉末状构建材料构成的至少一个三维物体(3)的方法，所述构建借助于在一个层的对应于所述至少一个物体的横截面的部位处分别相继地使粉末状构建材料层固化来实现，其中，所述固化通过引入热能实现，并且所述方法具有下述步骤：在构建底板(2)上或者在事先提供的粉末状构建材料层上提供粉末状构建材料层的第一粉末涂覆步骤；将所涂覆的构建材料预加热到低于材料固化温度的预热温度的第一预加热步骤；借助于电磁辐射或粒子辐射(7)使所涂覆的层固化的第一固化步骤，其中，所述辐射作用到所述层的所有待固化的部位上，使得在这些部位处的粉末通过由辐射引入的热能固化；在所选择的部位处已经事先固化的层上提供粉末状构建材料层的第二粉末涂覆步骤；将所涂覆的构建材料预加热到低于材料固化温度的预热温度的第二预加热步骤；借助于电磁辐射或粒子辐射(7)使所涂覆的所述层固化的第二固化步骤，其中，所述辐射作用到所述层的所有待固化的部位上，使得在这些部位处的粉末通过由辐射引入的热能固化；其中，所述第二粉末涂覆步骤、所述第二预加热步骤和所述第二固化步骤依次地一直重复，直至待制造的所述至少一个三维物体的所有横截面固化；其特征在于，在至少一个第二固化步骤中，在所述层的至少一个子区域中每单位面积通过电磁辐射或粒子辐射(7)引入的热能量根据用于之前的粉末层的之前的固化步骤的持续时间或者根据当前的第二固化步骤的预先计算的持续时间来设定。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述层的子区域选择成，使得整个子区域位于在之前的固化步骤中在之前的粉末层中固化的区域之上。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在子区域中每单位面积在所述至少一个第二固化步骤中引入的热能量包含因子(K)，该因子对于所述层在子区域中的所有待固化的部位而言是相等的并且与用于之前的粉末层的第二固化步骤的持续时间和/或与当前的第二固化步骤的预先计算的持续时间相关。4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其中，所述固化借助于电磁辐射实现并且面状地或线状地照射待固化的区域。5.根据权利要求3或4所述的方法，其中，所述因子K按经验确定，其方式为：-多次地依次制造具有沿构建方向恒定的横截面的测试物体，其中，各制造过程通过如下方式彼此区分：用于测试物体横截面的固化步骤的持续时间是不同的；-确定在每个物体上的物体特征；-用函数拟合物体特征与用于测试物体横截面的固化步骤的持续时间的所获得的相关性；并且-基于该函数根据用于之前的粉末层的之前的第二固化步骤的持续时间和/或根据当前的第二固化步骤的预先计算的持续时间来设定所述因子K。6.根据权利要求4所述的方法，其中，各所述制造过程通过如下方式区分：所述固化步骤具有不固化的等待时间，该等待时间的长度从一个制造过程到另一个制造过程变化。7.根据权利要求5或6所述的方法，其中，在所述测试物体上确定的物体特征是机械特性、尺寸或用于描述表面质量的参数。8.根据权利要求3至7之一所述的方法，其中，根据用于N个之
\t前的粉末层的之前的第二固化步骤的持续时间来确定所述因子K，其中N是整数，该整数的最小值为2并且最大值对应于之前的粉末层的数量。9.根据权利要求1至8之一所述的方法，其中，在所述至少一个第二固化步骤中在一个层的待固化的...

【专利技术属性】
技术研发人员：F·米勒，S·帕特尔诺斯特，A·弗鲁斯，
申请(专利权)人：EOS有限公司电镀光纤系统，
类型：发明
国别省市：德国;DE