專利名稱：改進激光燒結(jié)設備惰性化的裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種尤其是通過選擇性熔化和硬化粉末狀基底來逐層制造三維物體的方法。
背景技術(shù)：
快速提供型材是近期經(jīng)常提出的任務。實現(xiàn)該任務的方法被稱為快速成型/快速制造或者疊加式制造方法。尤其適當?shù)氖窃诜勰畈牧系幕咨线M行工作的方法，其中逐層通過選擇性熔化和硬化來制造期望的結(jié)構(gòu)。在此，取消了懸垂和底切時的支撐結(jié)構(gòu)，這是因為環(huán)繞所熔化區(qū)域的粉末層提供了足夠的支撐作用。同樣不需要去除支撐結(jié)構(gòu)的后續(xù)エ作。該方法也適合于小規(guī)模生產(chǎn)。選擇結(jié)構(gòu)空間的溫度，以使在結(jié)構(gòu)エ藝流程中，逐層制造的結(jié)構(gòu)不會變形。 在此，逐層工作方法的選擇性例如可以通過涂覆感受器、吸收劑、抑制劑或者通過掩膜或者通過例如由激光束帶來聚焦能量或通過玻璃纖維來實現(xiàn)。通過電磁輻射導入能量。特別好地適合于實現(xiàn)快速成型/快速制造的目的的方法是選擇性激光燒結(jié)(SLS)。在該方法中，利用激光束選擇性地短暫照射腔室中的塑料粉末，由此使受到激光束作用的粉末顆粒熔化。所熔化的顆粒彼此聚結(jié)并且快速地再次變硬成為固體。通過重復照射總在新涂覆的層，利用本方法可以簡單和快速地制造三維物體。專利文獻US 6136948和WO 96/06881 (均屬于DTM公司)中詳細描述了ー種用于制備由粉末狀聚合物制成的成型物的激光燒結(jié)(快速成型)方法。多種聚合物和共聚物例如聚醋酸酷、聚丙烯、聚こ烯、離聚體和聚酰胺應用于此。其他良好適用的方法是例如WO 01/38061中描述的SW方法或者EP1015214中描述的ー種方法。這兩種方法利用平面紅外線加熱來熔化粉末。熔化的選擇性在第一種方法中通過涂覆抑制劑來實現(xiàn)，在第二種方法中通過掩膜來實現(xiàn)。DE10356193描述了另一方法。在該方法中，通過微波發(fā)生器輸入熔融所需的能量，并且選擇性通過涂覆感受器實現(xiàn)。例如EP1737646中描述了其他適當?shù)姆椒?，其利用在粉末中所含的或者通過噴射方法涂覆的吸收劑工作。針對所謂的快速成型或者快速制造方法(RP或者RM方法)可以應用粉末狀基底，尤其是聚合物，優(yōu)選從聚酯、聚氯こ烯、聚縮醛、聚丙烯、聚こ烯、聚苯こ烯、聚碳酸酷、聚(N-甲基甲基丙烯酰亞胺)(PMMI)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、離聚體、聚酰胺或者它們的混合物中選擇。在加工聚合物粉末時通常需要提高的結(jié)構(gòu)空間溫度以避免出現(xiàn)收縮和變形問題。所需的結(jié)構(gòu)空間溫度(也被稱為加工溫度)取決于要加工的聚合物粉末，大多數(shù)情況下僅略微低于要加工材料的熔點。在該方法中存在的問題是空氣氧的不利影響。在加工時的高溫度導致?lián)p害要加工的聚合物?；诖嗽?，在加工時通常利用惰性氣體對結(jié)構(gòu)空間實施惰性化。在此，例如在整個過程中，持續(xù)利用氮氣對結(jié)構(gòu)空間實施掃氣。持續(xù)的掃氣是必要的，這是因為例如由于機器上的泄露會導致惰性氣體逸出結(jié)構(gòu)空間。在通過發(fā)生器提供氮氣時不能保證所需的純度，從而殘余氧氣的含量總是過高。另ー方面，利用相應純的氮氣對結(jié)構(gòu)空間實施掃氣費用非常昂貴。因為所述方法的構(gòu)件的使用范圍不斷擴大，因而對構(gòu)件特性的要求也不斷提高。因此，許多要求在未來可能只可利用比目前所用材料的熔融點更高的材料來滿足。與此相關(guān)的更高的加工溫度要求對惰性化進行改進，這是因為在加工時通常隨著溫度的升高，氧氣的不利效果也會増加。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)在相應設備中，惰性氣體在大多數(shù)情況下經(jīng)透鏡和高溫計導入，導入方式要避免在透鏡和高溫計上的沉積。同時惰性氣體冷卻透鏡和高溫計。惰性氣體必須具有與結(jié)構(gòu)空間溫度相比明顯更低的溫度來獲得相應的冷卻效果。然而其缺點 在于，冷的惰性氣體明顯冷卻了結(jié)構(gòu)空間，尤其是結(jié)構(gòu)區(qū)域中的粉末。這干擾了結(jié)構(gòu)流程，這是因為必須重新調(diào)節(jié)溫度以避免變形效果。此外，冷的惰性氣體加強結(jié)構(gòu)空間中的渦流。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明任務是提供簡單的方法來制造三維物體，利用本發(fā)明一方面可以減少惰性氣體的通過量，不會干擾結(jié)構(gòu)流程自身的運行或者降低所獲得的構(gòu)件的質(zhì)量。通過利用比空氣重的惰性氣體對結(jié)構(gòu)空間進行掃氣可以意外實現(xiàn)明顯改善的惰性化。此外,只需要明顯更少量的惰性氣體來實現(xiàn)良好的惰性化。相應地,本發(fā)明第一主題是ー種用于逐層制造三維物體的方法，其中，利用其密度高于空氣的、反應惰性的氣體或者氣體混合物實施結(jié)構(gòu)空間惰性化。在本發(fā)明范圍內(nèi)，空氣可以理解為地球大氣的氣體混合物。在本發(fā)明意義下，所有在本方法條件下不與所應用的粉末狀基底發(fā)生反應的氣體都可以理解為反應惰性的氣體。在本發(fā)明范圍內(nèi)，所有這樣的氣體或者氣體混合物都被看做為比空氣重的氣體，即，在標準條件下其密度大于空氣密度(在標準條件下(DIN 1343:溫度273. 15K，壓カI. 01325巴)，空氣密度為I. 293kg/m3)。適當?shù)亩栊詺怏w尤其是比空氣重的惰性氣體或者惰性氣體化合物，例如氬氣、氪氣、氙氣或六氟化氙。然而其他的重反應惰性氣體例如ニ氧化碳也是適當?shù)?。尤其?yōu)選的是將氬氣、氪氣、氙氣、六氟化氙和/或ニ氧化碳用作為惰性氣體。原則上，所有本領域技術(shù)人員已知的粉末狀基底適用于本發(fā)明方法。適當?shù)挠绕涫菬崴苄运芰匣蛘邿釓椥圆牧?，例如聚こ?PE、HDPE, LDPE)、聚丙烯(PP)、聚酰胺、聚酷、聚酯酯、聚醚酷、聚亞苯基醚、聚縮醛、聚對苯ニ甲酸亞烷基酷、尤其是聚對苯ニ甲酸こニ醇酷(PET)和聚對苯ニ甲酸丁ニ醇酯(PBT)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚こ烯縮醛、聚氯こ烯(PVC)、聚苯醚(PPO)、聚甲醛(POM)、聚苯こ烯(PS)、丙烯臆-丁ニ烯-苯こ烯(ABS)、聚碳酸酯(PC)、聚醚砜、熱塑性聚氨酯(TPU)、離聚體、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)或者聚醚酮醚酮酮(PEKEKK)、聚醚酰亞胺(PEI)、聚芳基硫化物、尤其是聚苯硫(PPS)、熱塑性聚酰亞胺(PD、聚酰胺酰亞胺(PAI)、聚偏ニ氟こ烯以及這些熱塑性塑料的共聚物，例如，聚芳醚酮(PAEK)/聚芳基醚砜(PAES)的共聚物、混合物和/或共混聚合物。離聚體是通過非極性和極性單體共聚獲得的熱塑性塑料。它們由例如杜邦公司以Nafion為商標提供。極性鍵抑制結(jié)晶并導致“離子交聯(lián)”。與傳統(tǒng)熱塑性塑料相比離聚體的優(yōu)點在于，其不僅具有有效的次價カ而且具有有效的離子鍵。這些離子鍵是特別牢固的并且賦予物質(zhì)其特有特性。
特別優(yōu)選的是，聚合物粉末包含至少ー種聚酰胺或者聚醚酮，尤其是聚酰胺12、聚酰胺6或者聚酰胺6. 6或者PEEK，其中，所述聚酰胺是特別優(yōu)選的。以下說明ー些方法，利用所述方法可以由本發(fā)明的粉末制造本發(fā)明的成型件，然而本發(fā)明不應局限于此。下述實施方式的組合屬于本領域技術(shù)人員技能之內(nèi)。


圖I示出改善SLS機的結(jié)構(gòu)空間(I)的惰性化的原理。圖2示出本發(fā)明的一種實施方式。圖3示出本發(fā)明的另ー種實施方式。圖4示出一種用于解決冷惰性氣體的干擾影響問題的實施方式。
具體實施例方式圖I示出改善SLS機的結(jié)構(gòu)空間(I)的惰性化的原理。此處的優(yōu)點是使用氬氣
(3)作為惰性氣體，氬氣比空氣重，因而直接占據(jù)在粉末表面(4)上并且置換較輕的空氣成分(2)如氧氣。因此，為了保證對要加工的粉末材料進行足夠保護需要明顯更少量的惰性氣體。有利的是附加地使用惰性氣體以使激光光學裝置的透鏡上無沉積物。如果通過相應成形的噴嘴(5)經(jīng)由透鏡噴入惰性氣體出)，那么就能夠在透鏡(7)上避免沉積物。根據(jù)類似的原理也可以避免高溫計透鏡上的沉積物。因為在ー些聚合物材料中揮發(fā)性成分優(yōu)選沉積在結(jié)構(gòu)空間的最冷位置處，所以有利的是，將惰性氣體加熱至結(jié)構(gòu)空間的溫度水平。ー些材料需要的結(jié)構(gòu)空間溫度可能處于對透鏡不利的高溫度范圍內(nèi)。在這種情況下，用惰性氣體吹掃透鏡也可以用于冷卻。惰性氣體的溫度在該情況下必須相應調(diào)節(jié)得較低。惰性化的另ー改進方式如此實現(xiàn)，即，不僅使得結(jié)構(gòu)空間內(nèi)的粉末惰性化，而且附加地還使儲存容器中的粉末惰性化。據(jù)此，利用反應惰性的氣體或者氣體混合物也附加地使儲存容器中的、所使用的粉末狀基底惰性化。需要用惰性氣體進行更長時間的掃氣以便從某種程度上多孔的粉末材料中清除氧氣。這樣阻止了附著在多孔材料上的氧氣攜同進入結(jié)構(gòu)區(qū)域。在該實施方式中可以利用含氮的氣體混合物進行儲存容器的惰性化。在圖2所示的實施方式中，惰性氣體(12)從下方通過位于結(jié)構(gòu)平面(14)上方的儲存容器(8)。通過篩底(11)可以借助于惰性氣體使位于其上的粉末(9)流態(tài)化。這可以使惰性氣體特別均勻地通過粉末，因而保證了空氣氧從粉末層逸出。篩底可以與計量裝置(10)組合，通過計量裝置(10)填充再涂器(Recoater) (13)。在圖3所示的另ー實施方式中，惰性氣體(20)從下方通過位于結(jié)構(gòu)平面(16)下方的儲存容器(17)。通過篩底(19)也可以特別均勻地將惰性氣體引入粉末(18)。利用再涂器(15)可以涂覆沒有空氣氧的粉末。此外，在圖4所示的實施方式中解決了冷惰性氣體的干擾影響問題，該問題出現(xiàn)在加工材料吋，材料需要高的結(jié)構(gòu)空間溫度，而透鏡和高溫計需要冷卻。根據(jù)本發(fā)明方法的該實施方式中，獨立于結(jié)構(gòu)空間的惰性化，附加地利用反應惰性的氣體或者氣體混合物對透鏡和高溫計進行掃氣進而冷卻。結(jié)構(gòu)空間(24)在此通過分開導入的氣體來惰性化。溫度接近結(jié)構(gòu)空間溫度的惰性氣體(25)輸入該結(jié)構(gòu)空間，該溫度通常僅稍微低于要加工的材料的熔融溫度。該結(jié)構(gòu)空間溫度通常在60°C至400°C范圍內(nèi)，尤其是120°C至330°C，特別優(yōu)選的在160°C至220°C范圍內(nèi)。輸入結(jié)構(gòu)空間的惰性氣體的溫度優(yōu)選比エ藝溫度最多低30°C，尤其最多低20°C，特別優(yōu)選的最多低10°C。由此，使結(jié)構(gòu)空間(26)的下部區(qū)域惰性化，同時避免了粉末表面(27)的明顯降溫。明顯更冷的惰性氣體(22)通過噴嘴(23)輸入，以便冷卻透鏡(21)和高溫計。一個特別有利的實施方式在于，為進行透鏡和高溫計的掃氣或者冷卻利用密度低于空氣的惰性氣體例如含氮的氣體混合物，同時針對粉末表面的惰性化選擇密度盡可能高的惰性氣體例如氬氣。在結(jié)構(gòu)空間溫度非常高情況下可能需要針對結(jié)構(gòu)空間的下部區(qū)域選擇密度更高的惰性氣體例如氙氣，以阻止冷卻透鏡的較冷的惰性氣體到達粉末表面并冷卻那里的粉末材料。在所有實施方式中，密封良好的結(jié)構(gòu)空間是有利的，這是因為惰性氣體較少向周邊環(huán)境逸出，因而消耗的惰性氣體更少。相應密封結(jié)構(gòu)空間的措施對本領域技術(shù)人員而言早已是已知的并且能夠以任意方式應用。為了避免過壓可以使用泄壓閥。在比空氣重的惰性氣體情況下，泄壓閥的位置應明顯高于結(jié)構(gòu)平面。本發(fā)明的另ー主題是用于逐層制造三維物體的裝置用于執(zhí)行本發(fā)明方法，該裝置 至少包括結(jié)構(gòu)空間和與該結(jié)構(gòu)空間相連的通道，該通道用于密度高于空氣密度的反應惰性的氣體或者氣體混合物。根據(jù)本發(fā)明的裝置的相應實施方式可以參見附圖。根據(jù)本發(fā)明裝置通常具有包含可調(diào)節(jié)高度的結(jié)構(gòu)平臺的結(jié)構(gòu)空間；將可通過電磁輻射作用硬化的材料層涂覆到結(jié)構(gòu)平臺上的裝置；輻照裝置，其包括發(fā)射電磁輻射的輻射源；控制單元以及位于電磁輻射的光束路徑中的透鏡，該透鏡用于照射層中的與物體對應的位置。本發(fā)明另ー主題是根據(jù)本發(fā)明方法制造三維物體。
權(quán)利要求
1.用于逐層制造三維物體的方法，其特征在干， 利用其密度高于空氣密度的反應惰性的氣體或者氣體混合物實施結(jié)構(gòu)空間惰性化。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法， 其特征在干， 將惰性氣體或者惰性氣體化合物用作為氣體或者氣體混合物。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法， 其特征在干， 氬氣、氪氣、氙氣、六氟化氙和/或ニ氧化碳用作為惰性氣體。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法， 其特征在干， 附加地利用反應惰性的氣體或者氣體混合物在儲存容器中對所使用的粉末狀基底進行惰性化。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法， 其特征在干， 利用含氮的氣體混合物在儲存容器中實施惰性化。
6.根據(jù)權(quán)利要求I至4之一所述的方法， 其特征在干， 所述反應惰性的氣體或者氣體混合物的溫度控制在所述結(jié)構(gòu)空間的溫度水平。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至6之一所述的方法， 其特征在干， 獨立于所述結(jié)構(gòu)空間的惰性化，附加地利用反應惰性的氣體或者氣體混合物對透鏡和高溫計進行掃氣。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法， 其特征在干， 利用密度小于空氣的惰性氣體實施針對透鏡和高溫計的掃氣。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法， 其特征在干， 將所述結(jié)構(gòu)空間設計成氣密性的。
10.用于逐層制造三維物體的裝置， 所述裝置至少包括結(jié)構(gòu)空間和與該結(jié)構(gòu)空間相連的通道，所述通道用于密度高于空氣密度的、反應惰性的氣體或者氣體混合物。
11.三維物體，其根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法制造。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種改進激光燒結(jié)設備惰性化的裝置，本發(fā)明涉及尤其是通過選擇性熔化和硬化粉末狀基底來逐層制造三維物體的方法、用于逐層制造三維物體的裝置及根據(jù)所述方法制備的三維物體。
文檔編號B29C67/00GK102672967SQ20121006390
公開日2012年9月19日 申請日期2012年2月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月3日
發(fā)明者M·格雷貝, S·阿爾特坎珀, W·迪克曼 申請人:贏創(chuàng)德固賽有限公司