用于熔融/烧结粉末颗粒以逐层地制造三维对象的方法

摘要

本发明涉及用于熔融/烧结粉末颗粒以逐层地制造三维对象的方法。用于在装置中逐层地制造三维对象的方法，所述装置包括构造空间（10），所述构造空间（10）具有高度可调节的构造平台（6）、用于将通过电磁辐射作用可凝固的材料的层涂覆到构造平台（6）上的装置（7）、包括发射电磁辐射的辐射源（1）、控制单元（3）的辐射装置和位于电磁辐射光路中的透镜系统（8），其中通过电磁辐射作用可凝固的材料的层被电磁辐射非线性地游历。

说明书

技术领域

本发明涉及用于熔融/烧结粉末颗粒以逐层地制造三维对象的方法。

背景技术

顺畅地提供原型是最近经常提出的任务。能够实现这一点的方法称为快速原型建造（Rapid Prototyping）/快速制造或者也称为添加式制造方法。在粉末状原料基础上工作的方法特别适合，并且在这些方法中所希望的结构通过选择性熔融和凝固逐层地制造。在此，可放弃在悬垂和咬边时的支承结构，因为包围熔融区域的构造区平面（Baufeldebene）提供足够的支承作用。同样取消移除支承的再加工。该方法也适用于小批量制造。构造空间温度选择成使得在构造过程期间不发生逐层地制造的结构的变形。

选择性激光烧结（SLS）是特别好地适合于快速原型建造目的的方法。在该方法中，塑料粉末在室中用激光束选择性短暂地辐照（belichten），由此由激光束击中的粉末颗粒熔化。熔化的颗粒流入彼此并再次快速地固化成固体块。通过对总是新涂覆的层的重复辐照，利用该方法可以简单和快速地制造三维体。

在专利文献US 6136948和WO 96/06881（两者均是DTM 公司）中详细记载了用于由粉末状聚合物制备成型体的激光烧结方法（快速原型建造）。对于该应用要求保护大量聚合物和共聚物，例如多醋酸盐、聚丙烯、聚乙烯、离聚物和聚酰胺。

在此，这样的装置的坐标系通常定义成使得在构造区平面中x坐标平行于粉末施加装置的移动路径（Verfahrweg）伸展。y坐标在构造区平面中与粉末施加装置的移动路径垂直。z坐标与构造区平面垂直。

在此，在公知的方法和装置中，选择性待凝固面以直线段形式逐行地（x方向）或逐列地（y方向）用电磁辐射束（简称：能量束）游历（abfahren）。此外，从DE 10233389A1中已知在x、y平面内以确定的角度的直的伸展。

在此，以直的、平行伸展的线段形式的这些辐照线（Belichtungslinien）通过待凝固面的外边限定。行或列之间的距离是可调节的。能量束通常构成为使得能量束的焦点尽可能在构造区平面中。为了改善待制造对象的表面，待凝固面的轮廓常常附加地用能量束进行游历。用能量束游历该区域所需的时间主要通过能量束的移动速度（Verfahrgeschwindigkeit）和各行或列之间的距离确定。因此，为了加速该过程容易想到提高能量束的移动速度和/或行或列之间的距离。能量束的移动速度是不能任意提高的，因为在加速或延迟过强情况下扫描器系统的镜不再能精确定位。在该情况下所制造的对象在边缘处具有不平坦。辐照线之间的距离也不能任意提高，因为从确定的距离起，就连各辐照线之间的连接也不充分。在该情况下所制造的对象的机械特征值变差。

发明内容

本发明的任务是提供用于制造三维对象的改善的方法，利用该方法能够减少用能量束游历待凝固区域所需的时间，而不必忍受在所制造的对象的质量方面的降低。

本发明的主题是用于在装置中逐层地制造三维对象（成型体）的方法，该装置包括构造空间（10），所述构造空间（10）具有高度可调节的构造平台（6）、用于将通过电磁辐射作用可凝固的材料的层涂覆到构造平台（6）上的装置（7）、包括发射电磁辐射的辐射源（1）、控制单元（3）的辐射装置和位于电磁辐射光路中的透镜系统（8），其中通过电磁辐射作用可凝固的材料的层非线性地、也就是说以非直的线（辐照线或扫描线）的方式被电磁辐射游历。因此，在此情况下线非平行地伸展。

令人惊讶地发现，当能量束非线性地（非平行地）游历待凝固面时，也就是说辐照线选择成使得所述辐照线是非线性的时，用电磁辐射源的束游历待凝固面的时间能够被加速。电磁辐射的非线性游历优选借助于可移动地安放的光学有效元件（19）实现。

在本发明意义下，辐照线理解为构造区平面（4）中的通过电磁辐射束游历的区域。

为了实施按照本发明的方法，通常在构造空间（10）中使高度可调节的构造平台（6）下降并且利用装置（7）将通过电磁辐射作用可凝固的材料的层施加到构造平台（6）上。在对材料加温后，材料借助于发射电磁辐射的辐射源（1）在希望的位置上被选择性熔化或烧结。电磁辐射的焦点借助于控制单元（3）和位于电磁辐射光路中的透镜（8）被引导到构造区平面（4）中的相应位置上。

附图说明

图1示出了用于制造三维对象的装置的原理构造，

图2和3示出了按照现有技术用于游历待凝固面的方法，

图4示例性示出了按照本发明的用于游历待凝固面的方法，

图5示出了用于逐层地制造三维对象的装置，

图6示例性示出了一种实施方式，

图7示出了这样的非线性辐照线，和

图8示出了所述实施方式的示例。

具体实施方式

图1示出了用于制造三维对象的装置的原理构造。该构件定位于构造区中央。激光束（2）从激光器（1）借助于扫描系统（3）通过透镜（8）被引导到待构成对象（5）的被调节温度的和惰性化的、优选用氮气惰性化的粉末表面（4）上。在此，透镜具有的任务是将剩余的光学组件例如扫描器的镜（Spiegel）从构造空间环境中分开。该透镜常常实施成F-Theta（θ）透镜系统，以便在整个工作区上保证尽可能均匀的聚焦。用于将待凝固材料涂覆到构造平台（6）上的涂覆装置（7）位于构造空间内。

在图2和3中示出了按照现有技术用于游历待凝固面的方法。电磁辐射束被控制成使得辐照线是直的线段，所述线段通过待凝固面（12、14）的边缘限定。总之，电磁辐射束线性地在运动方向上在待辐射的表面上被引导，也就是说该运动在运动平面中仅具有一个运动分量。辐照线或者在x方向（11）上或在y方向（13）上伸展。辐照线的定向常常逐层交替地改变，也就是说一层首先在x方向上被游历，接着的层然后在y方向上被游历。

在图4中示例性示出了按照本发明的用于游历待凝固面的方法。电磁辐射束被控制成使得在构造区平面上的辐照线是非线性的（15），所述辐照线由待凝固面的边缘（16）限定。因此，待辐射的表面以具有运动平面中的两个运动分量的运动的形式被电磁辐射游历，也就是说该束关于构造区平面在角度在x、y平面中不断改变情况下不仅在x方向上而且在y方向上运动。

非直的线可以具有n次（Grade）样条（Spline）的形式。n次样条是函数，该函数逐个地由至多n次多项式组成。辐照线优选具有周期性振荡形式，其中在本发明框架下振荡的所有形式例如矩形振荡、正弦振荡或三角形振荡或其混合形式理解为周期性振荡。

在图7中示出了这样的非线性辐照线。辐照线（31）围绕所设想的线段（32）振荡，该线段（32）通过待凝固面的边缘定义。这引起具有沿着尤其是可以是线性的推进方向的运动分量和垂直于第一运动分量的第二运动分量的运动。

电磁辐射束优选围绕所设想的线段、也就是说在推进方向上的运动分量以振幅为所设想的线段的距离的至少20%和最大500%振荡。电磁辐射束特别优选围绕所设想的线段以振幅为所设想的线段的距离的至少40%和最大400%振荡。电磁辐射束完全特别优选围绕所设想的线段以振幅为所设想的线段的距离的至少50%和最大300%振荡。电磁辐射束的振荡频率至少为20Hz。电磁辐射束的振荡频率优选至少为50Hz。电磁辐射束的振荡频率特别优选至少为100Hz。

在另一优选实施方式中，通过电磁辐射作用可凝固的材料的层能够以旋转运动与平移运动的叠加形式被电磁辐射游历。因此，辐照线由具有沿着和逆着尤其是可以是线性的推进方向的运动分量和垂直于第一运动分量的第二运动分量的运动引起。图8示出了所述实施方式的示例。在该情况下，辐照线（33）以摆线形式围绕所设想的线段（34）引导。摆线，也称为循环曲线、旋轮线（Radkurve）或滚动曲线（Rollkurve），是轨迹，其描述了圆在主导曲线（Leitkurve）上、例如在直线上滚动时的圆点。辐照线能够实施成如通常的缩短的或延长的摆线。当圆在直线上滚动时形成通常的摆线。当观察圆内部的点的轨迹时形成缩短的摆线。相反，延长的摆线的前提是在滚动的圆之外的点与圆一起运动。在这里，在描述周期性振荡时所述的优选区域类似地相应地适用。

在按照本发明的方法的另一优选实施方式中，有关辐照线的振幅和频率的参数与待游历的面相匹配。因此，例如可设想使非线性辐照线互相偏移，以获得特殊的构件机械性能。

如在图5中所示，本发明的另一主题是用于逐层地制造三维对象的装置，该装置包括构造空间（22），该构造空间（22）具有高度可调节的构造平台（25）、用于将通过电磁辐射作用可凝固的材料的层涂覆到构造平台（25）上的装置（23）、用于辐射层的与对象（26）相应的位置的辐射装置，所述辐射装置包括发射电磁辐射的辐射源（17）、控制单元（20）和位于电磁辐射光路中的透镜/透镜系统（21）。此外，在光路中有可移动地安放的光学有效元件（19），其能够使电磁辐射偏转。

能够使电磁辐射偏转的可移动地安放的光学有效元件（19）可以是镜和偏转单元（Ablenkeinheit）的对于技术人员而言公知的所有装置、尤其是楔形棱镜。楔形棱镜一般用于使激光束偏转。不同的楔形棱镜有不同的偏转角度（Ablenk-Winkel）可供选择并且在需要时还能够组合。该束尤其是能够通过旋转被偏转成使得该束在楔形棱镜转动时描述圆。因此，在楔形棱镜的转速相应高的情况下，该束的非常快的圆形偏转是可能的。在本发明框架下，这对于非线性的行驶方式（Fahrweise）是特别有利的。

光学有效元件、尤其是楔形棱镜的定位和定向能够被控制。在图（6）中示例性示出了一种实施方式。能量束（28）借助于可移动地安放的光学有效元件（29）（在该情况下是楔形棱镜）被偏转。楔形棱镜围绕旋转对称轴旋转。楔形棱镜的支承装置（30）构成为使得楔形棱镜能够与所希望的偏转相应地运动。多个光学有效元件的组合是可能的。同样也可能的是，根据所需的偏转使所需的光学有效元件摆进光路或从光路中摆出。电磁束的偏转优选为小于10°。该偏转特别优选小于5°。该偏转完全特别优选小于1°。

技术人员所已知的所有聚合物粉末原则上适合在按照本发明的装置或按照本发明的方法中使用。热塑性塑料和热弹性体例如聚乙烯（PE、HDPE、LDPE）、聚丙烯（PP）、聚酰胺、聚酯、聚酯酯（Polyesterester）、聚醚酯、聚苯醚、聚缩醛、聚对苯二甲酸亚烷基酯、尤其是聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚乙烯醇缩醛、聚氯乙烯（PVC）、聚苯醚（PPO）、聚氧甲烯（POM）、聚苯乙烯（PS）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）、聚碳酸酯（PC）、聚醚砜、热塑性聚氨酯（TPU）、聚芳醚酮、尤其是聚醚醚酮（PEEK）、聚醚酮酮（PEKK）、聚醚酮（PEK）、聚醚醚酮酮（PEEKK）、聚芳醚醚醚酮（PEEEK）或聚醚酮醚酮酮（PEKEKK）、聚醚酰亚胺（PEI）、聚芳硫醚、尤其是聚苯硫醚（PPS）、热塑性聚酰亚胺（PI）、聚酰胺酰亚胺（PAI）、聚偏二氟乙烯、以及这些热塑性塑料的共聚物例如聚芳醚酮（PAEK）/聚芳醚砜（PAES）共聚物、混合物和/或共混聚合物尤其适合。聚合物粉末特别优选包括至少一种聚酰胺或聚醚酮，例如PA6、PA66、PA610、PA613、PA1010、PA106、PA11、PA12、PA1012、PA1013或这些的混合物，尤其是聚酰胺12、聚酰胺6、聚酰胺6.6或PEEK，其中所述聚酰胺特别优选。

此外适合的有含有例如铁、钛或铝或由这些组成的金属粉末，或陶瓷粉末。优选使用聚合物粉末。

在运行中通常首先在计算机中基于设计程序等生成或存储有关待制造对象的形状的数据。为了制造对象，这些数据如此被处理，使得该对象被分解成大量水平的、相比于对象尺寸薄的层，且例如以数据组的形式、例如CAD数据为所述大量层中的每一个提供形状数据。在此，可以在制造前也或与制造每个层同时地为每个层生成和处理数据。

接着构造平台（6）首先借助于高度调节装置驶向最高位置，在该位置中，构造平台（6）的表面与构造空间的表面处于一个平面中，且接着下降第一材料层的所设置的厚度的数值，使得在形成的凹口（Ausschnitt）内构成下降的区域，所述下降的区域在侧面由凹口的壁限定且在下面由构造平台（6）的表面限定。然后例如借助于涂覆装置（7）将具有所设置的层厚的待凝固的材料的第一层引入到由凹口和构造平台（6）构成的空腔或下降的区域中并且必要时由加热装置加温到合适的工作温度，例如100℃至360℃，优选120℃至200℃，尤其优选140℃至160℃。接着控制单元（3）将偏转装置控制成使得被偏转的光束（2）相继射在层的所有位置上并在那里烧结或熔融材料。以此方式首先能够构成固体底层。在第二步骤中，构造平台（6）借助于高度调节装置下降一个层厚的数值并借助于涂覆装置（7）将第二材料层引入到凹口内的由此形成的下降的区域中，必要时再次由加热装置加温。

在一种实施方式中，偏转装置这次可以由控制单元（3）控制成使得被偏转的光束（2）仅射到材料层的与凹口的内面邻接的区域上并在那里通过烧结凝固材料层，由此形成壁厚约为2至10mm的第一环状壁层，其完全包围层的剩余的粉末状材料。因此，控制装置的该部分是用于产生包围待构成对象（5）的容器壁、同时在每层中构成对象的设备。

在以如上述相同的方式使构造平台（6）下降了下一层的层厚的数值、涂覆材料和加热之后，现在能够开始制造对象（5）本身。为此，控制单元（3）将偏转装置控制成使得被偏转的光束（2）射在层的这样的位置上，所述位置应该与待制造对象（5）的存储在控制单元中的坐标相应地被凝固。在另外的层中类似地进行。在希望地制造容器壁形式的环状壁区域情况下，所述容器壁包围对象连同剩余的、未烧结的材料并因此在将构造平台（6）下降到工作台下时防止材料溢出，在每个对象层中借助于设备将环状壁层烧结到位于下面的环状壁层上。如果使用与EP 1037739相应的替换容器或固定装入的容器，则可以放弃生成壁。

在冷却后，所构成的对象可以从该装置中取出。

用按照本发明的方法制造的三维对象同样是本发明的主题。

即使没有另外的实施，也认为，技术人员可以在最广范围上使用上述描述。因此，优选实施方式和示例仅应理解成描述性的、而决不是以任意方式进行限制的公开。

下面根据示例更详细地阐述本发明。本发明的替代实施方式可以类似的方式获得。

示例：

如果未另外说明，与以下描述相应地探讨示例。使构造室（10）在120分钟内达到过程温度。构造区平面中间的温度被定义成构造空间/过程温度。在第一次辐照前施加40层粉末。激光束（2）从激光器（1）借助于扫描系统（3）通过透镜（8）被引导到被调节温度的和惰性化（N₂）的构造区平面（4）上。

待辐照的构件定位于构造区中央。尺度为170mm x 60mm的矩形面（5）借助于激光被熔化或烧结。之后，构造平台（6）下降0.15mm并且新的粉末层借助于涂覆装置（7）以100mm/s的速度进行施加。重复这些步骤直到形成高度为4mm的三维构件。在此，待辐照面在x或y方向上由激光逐层地交替地游历。在此，利用激光束游历矩形面所需的时间被检测。在辐照结束后在关断SLS机器的加热元件和开始冷却阶段之前还施加40另外的层。

在至少12小时的冷却时间后，构件被取出并清除附着的粉末。然后，该构件被切成6个大小各为170mm x 10mm x 4mm的矩形构件。按照DIN EN ISO 527，这些构件的机械特征值在Zwick Z020（检验速度50mm/min，E-模块的检验速度1mm/min，在起始位置时的伸出长度（Einspannlänge）115mm，标准路径的测量长度50mm，E-模块确定开始0.05%，E-模块确定结束0.25%）处被确定。

试验装置构成为使得在构造区平面的高度上和构造区中间的焦点直径为0.4mm。激光束的焦点在构造区中间利用PRIMES股份有限公司的FocusMonitor根据ISO 11146进行测量（第2矩量法）。根据ISO 11554，激光功率利用Coherent德国股份有限公司的LM-1000进行测量，其中说明平均功率。测量在23℃/50%空气湿度时在实验室中实施。在这些示例中，激光器的功率控制借助于以具有10kHz时钟频率的脉冲宽度调制（PWM）工作的控制设备进行。

具有在表1中说明的特征数据的聚酰胺12作为粉末材料使用。

表1：所使用的粉末材料。

示例1（未按照本发明的）

Synrad Firestar t100W用作激光器（CO₂，波长10.6µm）。激光器的功率用Synrad>2（激光功率20.6W，辐照线距离0.3mm）。激光束控制成使得辐照线是通过待凝固面的边缘限定的直线段。在理想的直线段方向上的速度为1144mm/s。游历待辐照面的所需平均时间为30.6秒。

示例2（未按照本发明的）

Synrad Firestar t100W用作激光器（CO₂，波长10.6µm）。激光器的功率用Synrad>2（激光功率41.2W，辐照线距离0.6mm）。激光束控制成使得辐照线是通过待凝固面的边缘限定的直线段。在理想的直线段方向上的速度为1144mm/s。游历待辐照面的所需平均时间为14.9秒。

示例3（未按照本发明的）

Synrad Firestar t100W用作激光器（CO₂，波长10.6µm）。激光器的功率用Synrad的UC-2000控制。作为电源使用Synrad的DC-100DC。使用具有varioSCAN>2（激光功率55W，辐照线距离0.8mm）。激光束控制成使得辐照线是通过待凝固面的边缘限定的直线段。在理想的直线段方向上的速度为1144mm/s。游历待辐照面的所需平均时间为11.1秒。

示例4（未按照本发明的）

Synrad Firestar t100W用作激光器（CO₂，波长10.6µm）。激光器的功率用Synrad的UC-2000控制。作为电源使用Synrad的DC-100DC。使用具有varioSCAN>2（激光功率68.6W，辐照线距离1.0mm）。激光束控制成使得辐照线是通过待凝固面的边缘限定的直线段。在理想的直线段方向上的速度为1144mm/s。游历待辐照面所需的平均时间为8.1秒。

示例5（按照本发明的）

Synrad Firestar t100W用作激光器（CO₂，波长10.6µm）。激光器的功率用Synrad>2（激光功率41.2W）。激光束借助于扫描器控制成使得振幅为0.5mm和频率为100Hz的辐照线（31）围绕通过构件的边缘限定的理想的线段（32）被引导。激光束的推进速度为1144mm/s。直线段之间的距离为0.6mm，辐照线围绕所述直线段振荡。为游历待辐照面需要平均时间为14.9秒。

示例6（按照本发明的）

Synrad Firestar t100W用作激光器（CO₂，波长10.6µm）。激光器的功率用Synrad的UC-2000控制。作为电源使用Synrad的DC-100DC。使用具有varioSCAN>2（激光功率55W）。激光束控制成使得辐照线（33）以摆线形式围绕通过构件的边缘限定的理想的直线段（34）被引导。摆线所描述的圆的直径为2.1mm。激光束的推进速度为1144mm/s。理想线段之间的距离为0.8mm，辐照线围绕所述理想线段摆线状地振荡。为游历待辐照面需要平均时间为11.1秒。

示例7（按照本发明的）

Synrad Firestar t100W用作激光器（CO₂，波长10.6µm）。激光器的功率用Synrad的UC-2000控制。作为电源使用Synrad的DC-100DC。使用具有varioSCAN>2（激光功率68.6W）。激光束控制成使得辐照线（33）以旋转运动与平移运动的叠加形式围绕通过构件的边缘限定的理想的直线段（34）被引导。描述旋转运动的圆的直径为2.1mm。激光束的推进速度为1144mm/s。理想线段之间的距离为1mm，辐照线围绕所述理想线段引导。激光束的推进速度为1144mm/s。为游历待辐照面需要平均时间为8.1秒。

示例8（按照本发明的）

Synrad Firestar t100W用作激光器（CO₂，波长10.6µm）。激光器的功率用Synrad的UC-2000控制。作为电源使用Synrad的DC-100DC。使用具有varioSCAN>2（激光功率89.2W）。激光束控制成使得辐照线（33）以旋转运动与平移运动的叠加形式围绕通过构件的边缘限定的理想的直线段（34）被引导。描述旋转运动的圆的直径为2.1mm。激光束的推进速度为1144mm/s。理想线段之间的距离为1.3mm，辐照线围绕所述理想线段引导。激光束的推进速度为1144mm/s。为游历待辐照面需要平均时间为6.2秒。

在表2中概括了来自各示例中的构件的机械特征值。

表2。

如果辐照线如在按照本发明的示例5至8中那样实施成非线性线段，那么在相同的激光能量输入情况下能够提高辐照线之间的距离，而不必忍受机械特征值方面的损失。因此，在按照本发明的示例中在无构件机械学方面的损失情况下也能够减少辐照时间。