增材制造系統和用于構件的增材制造的方法與流程

文檔序號：11226925閱讀：845來源：國知局

本發明涉及用于構件的增材制造的系統和用于構件的增材制造的方法，其中可以在制造過程中改善半成品構件的空間定位，特別涉及用于生產在航空產業中具有改進的材料性質的構件的方法。

背景技術：

立體光刻法(sla)、選擇性激光燒結(sls)和選擇激光融化(slm)屬于一組生產性制造方法并且還大致稱為″3d打印方法″。在這種情況下，基于幾何模型生成數據集，所述數據集用于專用生產性制造系統，所述專用生產性制造系統用于從諸如液體和粉末的非晶態材料生成具有預定形狀的物體，非晶態材料借助于化學和/或物理過程中性地成形為半成品，半成品諸如為帶狀、線狀、或條帶狀材料。3d打印方法使用增材過程，其中起始材料有序地建造在層中以形成預定形狀。

3d打印方法當前廣泛地用于生成樣本或快速產品生產(rpd)，其中根據需要，資源高效過程鏈用于個性化構件的小規模的和大規模的系列生產。3d打印方法在如下方面具有多種用途，土木工程、建筑、牙科、工具制造、移植、工業設計、汽車產業和航空產業。

3d打印機和特別激光燒結裝置都使用計算機輔助構造系統(計算機輔助設計，cad)和光束系統，基于cad系統提供的數字制造模型，所述光束系統執行待打印的物體的生產性層構造。待打印的物體的三維cad模型經歷如下的制備過程，此處所述制備過程被執行以生成光束系統所需要的控制數據并且被認為是″切割″。在該過程中，cad模型被數字地分解成預定均一厚度的層，所述層與光束系統的構造方向正交，所述層然后形成用于控制光束系統中的在起始材料表面上的能量的光束的基礎。常規的層分解算法在鑲嵌表面模型上構造cad模型，在這種情況下，這導致限定兩個模型截面之間的″切割″的多個閉合曲線或表面多邊形，模型截面是連續的以垂直方式通過光束系統的構造方向。

該種類的表面模型可以存儲例如為stl格式，這對于立體光刻法是常見的并且描述了成具有非結構化三角形結構的原始數據的形式的待打印的三維物體的表面幾何形狀。光束系統讀取表面模型數據并且在sla、sls或slm制造方法中將所述數據轉換成用于激光束的對應的控制模式。

當制造復雜的三維構件時，諸如sla、sls或slm的3d打印方法導致在幾何形狀和結構方面的極大的設計自由。在這種情況下，期望通過更有效地執行制造步驟來加速制造構件。

在現有技術中的各種方法處理基于構造臺部的轉動運動的3d打印過程：de102013210242a1公開了用于使用罐成形粉末層支撐件的選擇激光融化的系統，罐成形粉末層支撐件可以在粉末層生產過程中轉動。de102009046440a1公開了用于構件的生產性制造的裝置，包括可下降支撐板和在支撐板上方轉動的材料供應單元。de10235434a1公開了用于三維物體的分層生產性制造的裝置，包括可轉動構造區域。us2008/0109102a1和us2004/0265413a1每個都公開了包括可轉動構造平臺的3d打印裝置。wo2015/139094a1公開了用于構件的生產性制造的計算機控制系統，計算機控制系統包括安裝在可硬化液體中的機器臂并且包括在其上安裝以轉動和傾斜的構造平臺。

技術實現要素：

本發明處理的一個問題是發現用于物體的生產性制造的更高效的解決方案，特別是該制造方法，借助于選擇性激光燒結方法、選擇激光融化方法或立體光刻法，所述物體從粉狀起始材料生成。

用于構件的增材制造的具有根據權利要求1所述的特征的系統、用于構件的增材制造的具有根據權利要求9所述的特征的方法和具有根據權利要求15所述的特征的非易失性計算機可讀存儲介質解決該問題和其它問題。

根據本發明的第一方面，用于構件的增材制造的系統包括粉末容器、構造平臺、下降驅動器和能量輸入設備，所述粉末容器被設計成接收作為待制造的構件的起始材料的粉狀材料，構造平臺安裝在粉末容器中并且安裝成圍繞轉動軸相對于粉末容器轉動，下降驅動器被設計成在粉末容器中遞進地或連續地降低構造平臺，能量輸入設備布置在粉末容器中的開口上方并且被設計成在所述材料的表面上進行引入至粉末容器中的粉狀材料的局部選擇性地融化或硬化。此處，構造平臺可以相對于可轉動底座的轉動軸傾斜一斜角。

根據本發明的第二方面，用于構件的增材制造的方法包括如下步驟，將作為待制造構件的起始材料的粉狀材料的粉末層引入粉末容器中，借助于布置在粉末容器中的開口上方的能量輸入設備以在粉末層的表面上局部選擇性地融化或硬化粉狀材料，在局部選擇性地融化或硬化過程中圍繞轉動軸轉動可轉動地安裝在粉末容器中的構造平臺，并且在粉末容器中遞進地或連續地降低構造平臺。此處，構造平臺在轉動過程中相對于轉動軸傾斜一斜角。

根據本發明的第三方面，計算機可執行指令存儲在非易失性計算機可讀存儲介質上并且，當借助于數據處理裝置執行時，促進數據處理裝置執行根據本發明的第二方面的方法的步驟。

本發明的重要概念是為粉末層制造系統配置可轉動和可傾斜構造平臺，可轉動和可傾斜構造平臺可以定向在粉末層中并且可以在燒結或融化過程中在大致固定的能量輸入設備下方轉動。結果，因為沒有必要移動和調節能量輸入設備或這僅在較小程度上是必要的，因此特別地可轉動對稱工件可以特別有效地和較高水平精度地被制造。

3d打印過程是大致有利的，并且具體地本文中描述的變化例特別有利于構件制造，因為它們使得可以用主要成形方法生產三維構件，而不需要適于構件的外部形狀的專用制造工具。這允許用于構件的高效的材料節省和節省時間的生產過程。對于航空領域中的結構構件，該種類的3d打印方法是特別有利的，因為大量不同的構件被使用，此處大量不同的構件適于特定用途并且可以用該種類的具有低成本、較少產品交貨時間和較小的復雜度的3d打印方法在用于生產的制造系統中生成。

因為可以針對待制造的工件選擇性地傾斜轉動構造平臺或相對于轉動軸傾斜其平臺平面一斜角，所以具有制造甚至更大的傾斜下陷部或突出部的制造選項，施加的粉末層否則可能從該下陷部或突出部滑落。另外，由于構造平臺在傾斜位置處，所以可以對工件的已經硬化的部分進行額外的結構修改，如果平臺是不傾斜的，則所述部分可以位于粉末層表面下方并且因此可以難訪問以進行選擇硬化。

在其他從屬權利要求和參照附圖的描述中闡述有利的實施例和新構想。

根據本發明的系統和方法的一些實施例，粉狀材料可以包括金屬粉末。

根據本發明的系統和方法的一些其它的實施例，粉末容器和/或構造平臺可以是圓柱形的。

根據本發明的系統的一些其它的實施例，系統可以進一步包括粉末貯存器和粉末移除裝置，所述粉末貯存器被設計成將額外的粉狀材料進送進入粉末容器中，所述粉末移除裝置被設計成從粉末表面移除從粉末貯存器額外地進送的粉狀材料以平滑表面。

根據本發明的系統的一些其它的實施例，下降驅動器可以包括由下降驅動馬達驅動的渦輪。

根據本發明的系統的一些其它的實施例，系統可以進一步包括剛性地連接至轉動軸的轉盤和將構造平臺可轉動地安裝在轉盤上的一個或多個滾珠軸承。在一些實施例中，轉動驅動馬達和由轉動驅動馬達驅動的轉動驅動軸可以被提供，轉動驅動軸驅動構造平臺在轉盤上圍繞轉動軸轉動。

根據本發明的系統的一些其它的實施例，能量輸入設備可以包括以點或線性方式聚焦在粉末表面上的激光器。

根據本發明的方法的一些其它的實施例，可以借助于以點或線性方式聚焦在粉末表面上的激光器執行局部選擇性地融化或硬化。

根據本發明的方法的一些其它的實施例，方法可以進一步包括一旦構造平臺已經被降低預定距離則改變斜角的步驟。在一些實施例中，一旦構造平臺的斜角已經改變，則額外的粉狀材料從粉末貯存器被送入粉末容器中。

上述實施例和新構想可以在適當時根據需要彼此組合。本發明的其他可能的實施例、新構想和實現方式還包括本發明的聯系實施例在下文或上文所述的特征的組合，即使那些組合未明確地提到。特別地，本領域的技術人員還將向本發明的每個基本形式增加單獨的方面作為改進或添加。

附圖說明

在下文中，基于在示意圖中描述的實施例更詳細地描述本發明，其中：

圖1是根據本發明的實施例的用于構件的增材制造的系統的圖解示意圖，

圖2是根據本發明的另一實施例的根據圖1的用于構件的增材制造的系統的詳細圖解示意圖，

圖3是根據本發明的另一實施例的根據圖1的用于構件的增材制造的系統的另一詳細圖解示意圖，

圖4是根據本發明的另一實施例的用于構件的增材制造的方法的方框圖，和

圖5是根據本發明的另一實施例的計算機可讀存儲介質的圖解示意圖。

附圖旨在提供對本發明的實施例的更好理解。它們圖示實施例和描述，它們用于解釋本發明的原理和概念。參照附圖，其它實施例和提到的許多優點將變成顯而易見的。附圖的元件不一定相對于彼此按比例示出。規定方向的術語，諸如″上″、″下″、″左″、″右″、″高于″、″低于″、″水平″、″豎直″、″前部″、″后部″和類似的細節僅用于說明目的并且不旨在限制如圖所示的特定實施例的一般性。

在附圖中，除非另有指示，每個相同的、功能上相同的和操作相同的元件、特征和構件已經被設置有相同的附圖標記。

具體實施方式

本申請上下文中的3d打印方法包括所有的生產性制造方法，其中基于幾何模型，具有預定形狀的物體由諸如液體和粉末的非晶態材料生成，非晶態材料在專用生產性制造系統中借助于化學和/或物理過程中性地成形為半成品，半成品諸如為帶狀、線狀、或條帶狀材料。在本申請的情況下，3d打印方法使用增材過程，其中起始材料有序地建造在多個層中以形成預定形狀。在這種情況下，3d打印方法特別包括立體光刻法(sla)、選擇性激光燒結(sls)和選擇激光融化(slm)。在本申請的情況下，3d打印方法特別包括增材制造方法，其中諸如液化金屬或金屬粉末的金屬起始材料用于構件的生產性制造。

圖1是用于構件的增材或生產性制造的系統10的圖解示意圖，系統10在下文被稱為3d打印裝置10。3d打印裝置10可以例如是用于選擇性激光燒結的系統、用于選擇激光融化的系統或立體光刻系統。在下文中，與sls結合通過示例的方式描述3d打印裝置10的基本原理，但是用于其它3d打印方法的打印裝置可以具有不同的結構。

例如co2激光器l的能量輸入設備以位置選擇的方式向粉狀材料p的粉末表面的特定部分發出能量光束，粉狀材料p位于設計為粉末容器的工作腔1中的構造平臺2上。粉末容器1可以例如是大致罐形的，并且可以采取中空缸或中空箱的外部形狀。相應地，構造平臺2可以例如是低厚度的圓柱形盤，其直徑稍微小于粉末容器1的直徑，使得構造平臺2可以在粉末容器1中圍繞轉動軸3轉動。

能量輸入設備l可以例如是安裝成固定的激光器，激光器借助于諸如可移動或可傾斜反射鏡的組件的光學偏轉裝置(未明確地示出)，根據所述組件的傾斜位置將激光束偏轉到粉末p的粉末表面的某個部分上，并且使所述激光束聚焦在粉末表面上。粉狀材料p可以例如是金屬粉末或金屬合金粉末，諸如almgsc

也可以使用線性激光器作為能量輸入設備l，線性激光器以朝粉末p的粉末表面的線的形式投射激光束，并且此時以聚焦方式借助于諸如鮑威爾透鏡或圓柱形透鏡的適當折射透鏡使其成像。如果粉末容器1或構造容器2是圓柱形的，則激光線可以朝粉末容器1的邊緣從構造平臺2的中心徑向地投射。

粉末p在激光束或激光線的作用點處被局部加熱，使得粉末顆粒被局部融化并且當冷卻時形成結塊。激光束根據數字制造模型掃描粉末表面，數字制造模型由cad系統提供并且被可選地處理。在粉末p的表面層中的粉末顆粒的選擇性地融化和局部結塊之后，如果有必要，不結塊的過多粉末可以轉移至多余的容器(未示出)。構造平臺2然后被降低，并且新的粉末ps從粉末貯存器s輸入粉末容器1中。借助于粉末移除裝置d，諸如平整輥或另一適當的校正器裝置或輥裝置，粉末表面可以被平滑。為加速融化過程，來自粉末貯存器s的輸入粉末ps可以被紅外光預熱至僅低于粉末融點的工作溫度。整個系統10可以被接收在殼體(未明確地示出)中，殼體被保持在排空大氣和/或惰性氣體氣氛中。

這樣，在迭代生產性構造過程中生成由結塊粉末制成的三維燒結或″打印″物體或工件w。在這種情況下，周圍的粉末支撐物體w的迄今為止構造的部分，意味著不需要外部支撐結構。構造平臺2的遞進的連續的向下運動z2導致工件w的分層模型生成。

對于向下運動z2，3d打印裝置10包括下降驅動器，下降驅動器可以在粉末容器1中遞進地或連續地降低構造平臺2。出于該目的，構造平臺2安裝在轉動軸3上，轉動軸3豎直地延伸通過粉末容器1的基部。下降驅動器可以例如包括由下降驅動馬達5驅動的渦輪4，所述渦輪接合轉動軸3的外螺紋并且將下降驅動馬達5的軸的轉動運動轉換成轉動軸3在方向z2上的平移運動。

構造平臺2也被安裝成相對于粉末容器1圍繞轉動軸3轉動。出于該目的，3d打印裝置10可以包括轉盤9，轉盤9剛性地連接到轉動軸3并且構造平臺2借助于一個或多個滾珠軸承8可轉動地安裝在轉盤9上。轉動驅動馬達6向轉動驅動軸7傳輸轉動運動，轉動驅動軸7由轉動驅動馬達6驅動并且又接合構造平臺2的下側上的對應螺紋。結果，轉動驅動軸7的轉動運動r7可以被轉換成構造平臺2在轉盤9上圍繞轉動軸3的轉動。

在工件w的增材制造過程中，粉狀材料p的作為用于增材制造的起始材料的粉末層在粉末容器1中添加到特定高度。能量輸入設備l局部選擇性地融化或硬化引入粉末容器1中的粉狀材料p的表面上的某些區域。出于該目的，構造平臺2在能量輸入過程中通過相應地致動轉動驅動馬達6而被轉動，使得能量輸入設備l由于構造平臺2的轉動而覆蓋預定融化或硬化路徑。

當工件w的層又根據需要被融化或硬化時，下降驅動器可以降低構造平臺2特定的降低距離使得粉狀材料ps又可以從粉末貯存器s送入粉末容器1中。為平滑進送的粉末的表面，3d打印裝置10可以包括粉末移除裝置d，諸如校正器或平整輥，粉末移除裝置d被設計成從粉末表面移除從粉末貯存器s額外地進送的粉狀材料ps。此處，粉末移除裝置d可以在方向zd上被降低到粉末表面上，并且過多的粉末在轉動運動rd中被移除。

圖2和3是3d打印裝置10的在圖1的粉末容器1的區域中的細節的示例性示意圖。在這種情況下，應該清楚的是圖2和3中描述的實施例的特征和各組特征也可以應用于圖1的實施例。

圖2示出粉末容器1，其中構造平臺2的平面定向成垂直于轉動軸3，即，使得構造平臺2在粉末容器1中以相對于轉動軸3的直角延伸。這表示額外地引入的粉末p在構造平臺2上分布成大致均勻的厚度。

圖3然后示出構造平臺2的平面可以相對于轉動軸3傾斜一斜角θ。換句話說，構造平臺2可以相對于轉動軸3傾斜，使得構造平臺2在粉末容器1中延伸以被傾斜。當構造平臺2圍繞轉動軸3轉動時，額外引入的粉末p將因而保持在已經部分制造的工件w的在構造平臺2的傾斜位置處相對于轉動軸3水平地延伸的那些部分上。特別地對于工件w的待制造的突出部和下陷部，能量輸入設備l因此可以將能量輸入粉末層的未在構造平臺2的水平(即不傾斜)位置處的區域中。

圖4是用于生成增材制造構件的3d打印方法m的示意序列的方框圖，增材制造構件例如為可以在諸如圖1至3示出的3d打印裝置10的3d打印裝置中生成的類型的構件或工件w。此處，3d打印方法m可以使用3d打印裝置10的與圖1至3結合描述的基礎設施。

在第一步驟m1中，作為待制造構件w的起始材料的粉狀材料p的粉末層首先引入粉末容器1中。在第二步驟m2中，通過在粉末層的表面上借助于布置在粉末容器1中的開口上方的能量輸入設備l，例如借助于以點或線性方式聚焦在粉末表面上的激光器，局部選擇性地融化或硬化粉狀材料，在第三步驟m3中，在可轉動地安裝在粉末容器1中的構造平臺2圍繞轉動軸3轉動的過程中，工件w可以以多層的方式被生產性制造。出于該目的，在第四步驟m4中，構造平臺2可以在粉末容器1中遞進地或連續地降低。在步驟m3中的轉動過程中，構造平臺2相對于轉動軸3傾斜一斜角θ。

一旦構造平臺2已經降低預定距離，則斜角θ可以最優地改變以在工件w的相關突出部或下陷區域中為局部選擇性地融化或硬化過程提供更好的防問性。一旦在每個情況下構造平臺2的斜角θ已經改變，則額外的粉狀材料ps從粉末貯存器s被送入粉末容器1中。

所述方法可以通常用于運輸產業的所有領域，例如用于道路機動車輛、導軌車輛或水運工具，但是也用于土木工程和機械工程。

圖5是非易失性計算機可讀存儲介質20的圖解示意圖，計算機可執行指令存儲在非易失性計算機可讀存儲介質20上，當在數據處理裝置上執行時，計算機可執行指令促進數據處理裝置執行與圖4結合描述的3d打印方法m的步驟。存儲介質20可以例如包括sd卡、usb閃盤驅動器、軟盤、cd、dvd或類似的適當介質。

在上述描述中，在一個或多個示例中，各種特征已經組合以改善說明的準確性。然而，應該清楚的是以上描述僅是說明性的，實質上決不是限制性的。意圖是覆蓋實施例和各種特征的所有的供選方案、修改例和等同例。鑒于其專業知識，本領域的技術人員從以上描述將立刻地和直接地明白許多其它的示例。

實施例已經被選擇和描述以盡可能清楚地解釋本發明背后的原理和其可能的實際應用。這使得本領域技術人員可以用旨在使用的最優方式改變和使用本發明和其多個實施例。在權利要求和描述中，術語″包括″和″具有″用作用于對應術語″包括″的中性術語。此外，術語″a″和″an″和″one″的使用原則上不旨在排除以這種方式描述的多個特征和構件的可能性。

標記列表

1粉末容器

2構造平臺

3轉動軸

4渦輪

5下降驅動馬達

6轉動驅動馬達

7驅動軸

8滾珠軸承

9轉盤

10增材制造系統

11底板