3D打印方法、3D打印制造设备和用其制造的物件

摘要

本发明涉及一种用于制造物件(30、36)的多材料混合物的3D打印方法以及3D打印制造设备(10)和借助所述方法和制造设备(10)制造的物件(30、36)。按照规定，提供一种用于制造物件(30、36)的多材料混合物的3D打印方法，所述方法包括以下步骤：提供盐粉末和金属粉末并且提供3D打印制造设备(10)。激活3D打印制造设备(10)，其中，所述盐粉末和金属粉末在所述3D打印制造设备(10)中被共同处理，从而制造具有按照用户定义的在盐粉末和金属粉末之间的混合比例的物件(30、36)，其中规定盐粉末份额为10‑40％或50‑80％。此外，还提出一种3D打印制造设备(10)。还提出以该方式制造的物件(30、36)。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于制造物件的多材料混合物的3D打印方法以及用于借助激光束熔化利用多材料混合物制造物件的3D打印制造设备和借助所述方法和制造设备制成的物件。

背景技术

增材制造方法在工业生产中越来越被视作成熟的技术。在此，已知多种不同的方法类型，其能够基于事先创建的结构数据实现由无定型材料或形状中性的材料形成三维物件。为此使用的材料可以例如事先以粉末方式提供。除了统称为增材制造方法之外还使用其他概念，以便借助原材料的逐层敷设最终形成物件。除了3D打印的概念之外，这种方法也被称为增材制造或借助快速技术的制造方法。根据被使用方法的基本定向，具有完全熔融的原材料的方案以及利用仅部分熔融的添加剂的方案被视作已知。在此情况下，不同激光技术的使用被普及并且越来越多地成为针对工业应用目的的标准。

在此不断扩展打印制成的物件的应用目的。除了通常直接设计用于在复杂产品中的特定功能的打印部件之外，也越来越多地生产用于工艺中间步骤的物件。在此情况下尤其关注例如这样的产品，所述产品由多种材料或不同结构制成，以便由此要么提供这种混合构件的特定性质，要么确保针对应用目的的特定功能。从现有技术中应引用对此的以下最初示例。

因此由文献DE102016201951A1已知一种混合构件和用于制造混合构件的方法。在此，混合构件部分地由金属并且部分地由电介质构造。混合构件尤其构造为机动车的混合构件的形式。金属组分至少部分具有金属氧化物陶瓷结构，所述金属氧化物陶瓷通过微弧氧化过程形成。金属组分优选具有铝、镁和/或钛。电介质组分优选具有塑料，并且尤其由塑料构造。金属组分和/或电介质组分能够在混合构件中摩擦配合、材料接合和/或形状配合地连接。此外，该发明还涉及一种用于制造上述混合构件的方法，其中，至少金属组分在微弧氧化过程中形成。

由文献EP3184207A1已知一种用于制造多孔构件的方法以及多孔构件本身。尤其公开了用于制造具有可调整的结构的多孔构件的方法，其中，所述构件具有室壁，所述室壁至少部分界定出孔隙。多孔构件在此通过增材制造方法、尤其通过3D打印制造，从而通过室壁和/或孔隙的尺寸和/或定向调整多孔构件的为其应用所期望或所需的物理性质。

通常，这种构件始终受到关注的是，所述构件能够直接或间接地减轻其它方式的成本密集和繁琐的制造工艺。一种应用情况例如是铸造制造方法。对于铸造工艺而言尤其在特定的方案中需要型芯，以便制造复杂的几何形状。除了已经建立的在铸造工艺中作为型芯使用的砂芯之外，还越来越多地需要盐芯。无论是砂芯还是盐芯在此都按照消失模/芯的原理使用，以便在待制造的物件中制造复杂的结构、例如中空腔等。这种物件可以例如是内燃机的发动机缸体。与砂芯相比，盐芯在此提供的优点在于，盐芯在铸造过程之后能够无残留地洗脱，并且具有更高的强度。

迄今这种盐芯借助传统的制造方法、例如铸造方法或压制方法制造。在此，所述方法通常成本高昂，因此盐芯相应地昂贵。此外，在这些传统方法中通常需繁琐地改变几何结构。这通常也意味着由这些传统方法提供较低的设计自由度。在此，尤其模具的制造在这些传统方法中是昂贵且耗时的。而且此类必要模具的改变在此也通常是昂贵且耗时的。

借助上述增材式制造方法制造此类盐芯的最初尝试是已知的。然而在此的初步认识显示，由一种或多种盐制成的盐芯的打印也带来一定程度上的挑战。由此例如借助粘结剂在3D打印方法中制成的盐芯仅具有较低强度。当涉及结构的构建时，具有盐混合物的熔融式3D打印方法通常是有问题的。

除了专门如前所述的应用情况之外，始终还关注的是，以低成本的方式制造混合构件或具有局部不同性质的构件、例如用于轻质结构。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，为物件的制造提供一种备选的3D打印方法和备选的3D打印制造设备，其能够低成本且灵活地应用。

在本发明的一种优选设计方式中规定，为制造物件提供一种多材料混合物的3D打印方法。这种方法在此包括以下步骤：提供盐粉末，提供金属粉末，随后提供并激活3D打印制造设备。所述盐粉末和金属粉末在所述3D打印制造设备中被共同处理，从而制造具有按照用户定义的在盐粉末和金属粉末之间的混合比例的物件，其中规定盐粉末份额在10-40％之间或在50-80％之间或者说规定盐粉末份额为10-40％或50-80％。

所提出的方法由此能够仅基于混合比例的选择而非常灵活地使用，而无需在此明显改变基本的方法步骤。所选择的3D打印制造设备例如被设计用于熔融式3D打印方法。就此而言，可以低成本地实施盐粉末-金属粉末混合物的选择性熔化，从而能够借助逐层式构造来制造相应的物件。

根据所选择的混合比例，利用液体对制造完成的物件或者说成品物件的后续加工过程产生不同影响。所述液体可以例如是水或者具有水份额。当例如盐粉末份额选择为50-80％时，盐-金属混合物能够例如被水无残留地去除。在此，制造完成的物件中的盐溶化在液体中，并且金属粉末或在方法过程中形成的较小的金属级份重新碎解成粉末。这种制造完成的物件随后能够例如在铸造方法中作为消失芯使用。在此，据此能够借助液体、例如水的使用实现完全的脱芯。换言之，利用所提出的方法能够低成本地生产所述盐芯，所述盐芯则能够被用于铸造方法中。基于在所选择的50-80％的盐粉末份额的情况下达到的上述效果，能够简单地借助引入的液体将芯件损毁而完成脱模步骤。由于借助所提出的方法制造的所述盐芯也包含金属粉末或者说加工生成的金属粉末，所述芯件比例如砂芯明显更稳定。由此能够将制造完成的物件随后作为芯件用于压铸过程，这是因为该物件或者说盐芯能够经受住压铸过程的压力和流速。由此在压铸构件中还可以印制出底切和功能性中空腔，这是因为借助液体、例如水的使用非常好地实现无残留的去除。这例如可以是用于封闭型盖件(闭合盖)的盐-水室芯。这例如不能借助钢芯设置，因为利用钢芯不能印制底切。由此能够省去为制造例如砂芯而制作昂贵的模具，从而使所提出的方法在此提供低成本且此外能够高度灵活使用的备选方案。此外，模具的制作还是耗时的，尤其在原型制造中该时间因素被认为是不那么灵活的。

当选择了10-40％的盐粉末份额时，在利用液体、例如水或具有水份额的液体对制造完成的物件加工处理之后保留了一种金属构架或者说牢固的金属结构，而仅盐或者说加工得到的盐粉末被去除。由此能够创建并随后这样使用该类型的物件，从而在较复杂构件的规定位置处保留金属泡沫的形式，而相应地利用液体将盐洗脱。例如可以将这种物件浇铸在金属构件中，以形成附加功能性、例如过滤功能或减振功能。集成在构件中的金属泡沫能够例如降低构件重量、提高冷却效果、促进声学或减振吸收或改善撞击性能。

此外还能够迅速且灵活地实现几何形状的改变。由此，所提出的方法提供了最大的设计自由度，其中，在待制造的物件中能够低成本地实现高功能性和良好的机械性质。在此，熔融式3D打印方法的使用总的来说通过所设置的盐-金属粉末混合物才能实现。在利用单纯的盐混合物构造结构时(其中使用一种或多种盐组分)的问题由此能够在熔融式3D打印方法中避免。熔融式3D打印方法在此情况下例如可以是激光束熔化方法。就此而言，借助所提出的方法，激光束熔化中的制造限制通过制造可溶解的支撑结构而被减少。

在本发明的另一种优选设计方式中规定，提供一种3D打印制造设备，用于借助激光束熔化利用多材料混合物制造物件。这种制造设备在此包括用于提供盐粉末和金属粉末的生产部件。盐粉末和金属粉末在此能够在所述3D打印制造设备中被共同处理，从而制造具有按照用户定义的在盐粉末和金属粉末之间的混合比例的物件。上述优点也可转用于所提出的3D打印制造设备。

在本发明的另一种设计方式中规定，提供利用根据权利要求1至11中任一项所述的方法和根据权利要求12至14中任一项所述的3D打印制造设备制造的物件，其中，所述物件由金属粉末和盐粉末制造，其中，盐粉末份额在10-40％或50-80％，其中，具有10-40％的盐粉末的、制造完成的物件随后被液体处理，从而能将盐粉末份额洗掉，并且保留经处理的金属粉末份额。那么3D打印制造设备可以包括所有为相应激光束熔化方法所需的部件。上述优点也可转用于所提出的物件。

本发明另外的优选的设计方案由其余的、在从属权利要求中提到的特征得出。

在本发明的另一种设计方式中规定，将所述盐粉末和金属粉末在打印过程之前按照用户定义地混合，从而制造具有按照用户定义的在盐粉末和金属粉末之间的混合比例的物件，其中规定盐粉末份额为10-40％或50-80％。换言之，所规定的粉末、也即盐粉末和金属粉末先被混合，并且随后提供给3D打印制造设备中的打印过程。尤其可以在必要时在打印机本身中至少部分混合，或者使混合过程完成和/或至少部分开始。在此，特别精确地达到所期望的混合比例，从而使制造完成的物件以低成本的方式由此具有特别高的品质或期望的性质。打印得到的物件能够根据所使用的混合比例和所规定的应用目的相应地在其使用过程中被液体处理。由此能够借助所提出的方法快速且以不同的几何形状创建不同的物件。

在本发明的另一种设计方式中还规定，按照用户定义的混合过程能够被控制，从而制造具有局部不同的盐粉末份额的物件，其中，局部存在10-40％或50-80％的盐粉末份额。例如可以由此打印物件，所述物件具有外部的坚硬的或者说坚固的边缘层，其中，物件的内部多孔地打印，由此能够更好地去除且更快速地打印。

例如可以规定，根据待制造的区域提供相应的混合物。

此外在本发明的另一种设计方式中规定，借助3D打印制造设备在打印过程期间将盐粉末和金属粉末单独分别提供至具有分别可调整的层厚的按照用户定义的层中，从而制造具有按照用户定义的在盐粉末和金属粉末之间的混合比例的物件，其中，盐粉末份额为10-40％或50-80％。在此能够选择具有分别可调整的层厚的按照用户定义的层，从而在打印期间例如借助激光的辅助调整所期望的混合比例。在此，3D打印制造设备可以如上所述包括所有为相应激光束熔化方法所需的部件。而且这种3D打印制造设备可以针对不同的粉末具有相应不同的存储单元，其中，可以分别针对定义的任务设置相应的给料设备。

此外，在本发明的另一种设计方式中规定，按照用户定义提供按照用户定义的层和分别可调整的层厚，从而制造具有局部不同的盐粉末份额的物件，其中，局部存在10-40％或50-80％的盐粉末份额。例如可以由此打印物件，所述物件具有外部的坚硬的或者说坚固的边缘层，其中，物件的内部多孔地打印，由此能够更好地去除且更快速地打印。

而且在本发明的另一种设计方式中规定，金属粉末和盐粉末的粒径相同。一方面可以实现两种粉末的良好的混合，从而能够基于所选择的混合比例特别好地提供在打印得到的物件中的期望的性质。另一方面，由此能够使所使用的3D打印制造设备的刮料器特别均匀地运动，这是因为基于所选择的相同粒径不会形成不均匀性。由此所提出的方法是低成本的，这是因为在这一点上不会出现不期望的会对生产流程产生负面影响的问题。

此外在本发明的另一种设计方式中规定，金属粉末和盐粉末的粒径为50-200μm、尤其为150μm。由此能够实现特别均匀的混合比例，所述混合比例能够特别好地用于待打印物件的制造。

此外，在本发明的另一种设计方式中规定，金属粉末选自：铝粉末、由铝合金制成的粉末、尤其包括AlSi

而且在本发明的另一种设计方式中规定，曝光速度为100-1000mm/s。由此能够更好地实现上述优点。曝光速度在此是就激光源而言的，所述激光源集成在用于制造工艺的3D打印制造设备中。

而且在本发明的另一种设计方式中规定，激光功率选择为150-200W。由此能够更好地实现上述优点。

此外在本发明的另一种设计方式中规定，在打印得到的物件的至少一个中空腔中注入熔盐，并且随后在该处硬化。通过该方式能够节省打印过程的一部分，这是因为该区域相应地借助注入的熔盐和随后的硬化过程实现。由此能够在这一点上实现更灵活且成本更低廉的方法。例如由此为了成本节约，可以借助3D打印实现罩壳的构造，所述罩壳随后用熔盐浇注。

在本发明的另一种设计方式中规定，生产部件包括用于在打印过程之前按照用户定义地混合盐粉末和金属粉末的器件，从而能够制造具有按照用户定义的在盐粉末和金属粉末之间的混合比例的物件，其中规定盐粉末份额为10-40％或50-80％，或者其中，生产部件包括用于借助3D打印制造设备在打印过程期间将盐粉末和金属粉末单独分别提供至具有分别可调整的层厚的按照用户规定的层中的器件，从而制造具有按照用户定义的在盐粉末和金属粉末之间的混合比例的物件，其中，盐粉末份额为10-40％或50-80％。上述优点也可转用于所提出的3D打印制造设备的方案。

最后在本发明的另一种设计方式中规定，按照用户定义的混合过程能够被控制，从而制造具有局部不同的盐粉末份额的物件，其中，局部存在10-40％或50-80％的盐粉末份额，或者其中，借助3D打印制造设备按照用户定义提供按照用户定义的层和分别可调整的层厚，从而制造具有局部不同的盐粉末份额的物件，其中，盐粉末份额为10-40％或50-80％。上述优点也可转用于所提出的3D打印制造设备的方案。

制造完成的物件可以用于在上述可能性的范围内的任何铸造产品。例如用于具有底切和功能性中空腔的任何铸造产品。而且利用所提出的方法或利用所述设备制造的物件能够作为多孔构件或部分构件被用于具有额外功能集成的复杂构件中。例如可以设想在汽车工业中的应用。尤其在利用任何铸造方法制造发动机和变速器壳体时可以考虑应用。还可以考虑应用于医药工业中。例如，开孔式金属结构可以用于植入体的快速生长。而且所述开孔式金属结构可以具有较小的刚性，并且由此提供植入体的一定程度的柔性。而且还可以考虑在航空和航天部件中的冷却功率的优化中的应用。此外，还可以通过制造可溶解的和/或可洗脱的支撑结构来减少增材制造中的制造限制。

本发明的在本申请中提到的各种实施方式如果未单独地另作说明则能够有利地相互结合。

附图说明

以下在实施例中根据附图阐述本发明。在附图中：

图1示出用于借助激光束熔化利用多材料混合物制造物件的3D打印制造设备的示意图；

图2示出用于制造物件的多材料混合物的3D打印方法的流程图；

图3示出在铸件中具有10-40％的盐粉末份额的物件的示意性剖视图；

图4示出在铸件中具有50-80％的盐粉末份额的物件的示意性剖视图。

具体实施方式

图1示出用于借助激光束熔化利用多材料混合物制造物件的3D打印制造设备10的示意图。在此，所示3D打印制造设备10具有示意性示出的激光源12，所述激光源参照图面处于设备10的制造区域14的上方且稍微向后错移。与设备10基本上等高地且直接在设备10上示出扫描设备16，所述扫描设备包括第一和第二镜片单元18、20。通过镜片单元18、20能够将示意性示出的激光束22朝制造区域14的方向偏转，并且由此按规定借助扫描设备16控制。被控制的激光束22朝涂层单元24的方向偏转，所述涂层单元处于制造区域14的上部区域中。在涂层单元24中示出熔化区域26，在所述熔化区域中最终打印未具体示出的粉末，相当于由盐粉末和金属粉末组成的混合物。在熔化区域26下方示出粉末输入系统28，通过所述粉末输入系统将未具体示出的混合物输送至熔化区域26中，从而能够打印或制造同样未具体示出的物件。

图2示出用于制造物件的多材料混合物的3D打印方法的流程图100。在第一步骤110中提供盐粉末。在第二步骤120中提供金属粉末。在第三步骤中提供并且激活3D打印制造设备10，其中，所述盐粉末和金属粉末在所述3D打印制造设备10中被共同处理，从而制造具有按照用户定义的在盐粉末和金属粉末之间的混合比例的物件，其中规定盐粉末份额为10-40％或50-80％。3D打印制造设备10可以例如是根据权利要求12至14中任一项所述的用于借助激光熔化利用多材料混合物制造物件的3D打印制造设备10。

图3示出在铸件32中具有10-40％的盐粉末份额的物件30的示意性剖视图。在此，所示物件30(参照图面)在左侧在铸件32中以被打印的混合物的两个份额处于第一状态下。换言之，示出具有两种粉末、也即盐粉末和金属粉末的物件30。在此，所示物件30至少部分被嵌入在铸件32中。工艺箭头34向右指向物件30的第二状态。在所述第二状态下，盐粉末份额已经借助液体被洗脱。所述液体可以例如是水。其余在打印过程期间经处理的金属粉末则作为金属泡沫的形式保留在铸件32中。

图4示出在铸件32中具有50-80％的盐粉末份额的物件36的示意性剖视图。在此，所示物件36(参照图面)在左侧在铸件32中以被打印的混合物的两个份额处于第一状态下。换言之，示出具有两种粉末、也即盐粉末和金属粉末的物件36。在此，所示物件36至少部分被嵌入在铸件32中。工艺箭头34向右指向物件36的第二状态。在所述第二状态下，无论盐粉末份额还是金属粉末份额都已经借助液体被洗脱。所述液体可以例如是水。由此在铸件32中保留了中空腔38，而非物件36。

附图标记清单

10 3D打印制造设备

12 激光源

14 制造区域

16 扫描设备

18 第一镜片单元

20 第二镜片单元

22 激光束

24 涂层单元

26 熔化区域

28 粉末输入系统

30 具有10-40％的盐粉末份额的物件

32 铸件

34 工艺箭头

36 具有50-80％的盐粉末份额的物件

38 中空腔

100 流程图

110 第一步骤

120 第二步骤