用于針對添加制造借助于低壓使粉末床穩(wěn)定的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及添加的制造方法的領(lǐng)域以及原型制造（Protoypensfertigung)或者說 快速原型設(shè)計（Rapid Prototyping)的領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 用于添加制造的方法與如銑削、鉆孔以及腐蝕的減法的區(qū)別在于，其將材料融合 成一個部件。為此，材料必須處于其本身沒有確定形狀卻可以置于一種形狀的狀態(tài)中。如 可揉捏的物塊、膏、粉末、液體等原材料滿足該目的。在直觀的理解中，可揉捏的物塊以及膏 可形成一種結(jié)構(gòu)，而在粉末和液體中情況并非直接是如此。通常在粉末中借助于輔助材料、 例如粘結(jié)劑實現(xiàn)顆粒的結(jié)合。液體、例如可流動的顆粒懸浮物可以通過干燥或者從液體向 固體的相過渡穩(wěn)定地用于構(gòu)造一種結(jié)構(gòu)。一類早期的用于添加制造的方法形成了基于粉末 的方法，其中粉末顆粒堆疊成通常50到200 μ m厚的層，并且在每個所述層中借助于局部施 加粘結(jié)劑或者借助于由激光射線引起的局部熔化相互連接?；谡辰Y(jié)劑的粉末方法在美國 劍橋（Cambrige)的麻省理工學院（Massachusetts Institute of Technology)和基于激 光的粉末方法在美國奧斯?。ˋustin)的德州大學（University of Texas)在上世紀80年 代末90年代初得到發(fā)展，并且作為3D打印或者說選擇性激光燒結(jié)得到公開。兩種方法目 前在當時很多的添加制造方法之間找到其固定的位置并且在制成的部件數(shù)量方面無疑屬 于當前主要的方法。除了連續(xù)優(yōu)化基于所述兩個方法的技術(shù)之外，在30年里自其發(fā)明起在 3D打印或者說選擇性激光燒結(jié)中沒有出現(xiàn)重要的進一步發(fā)展。
[0003] 在基于作為粉末的原料的分層構(gòu)造的添加制造方法中，包圍在粉末床中的結(jié)構(gòu) (部件)的穩(wěn)定是有問題的。如至今為止基于粉末的方法的重要問題實際上在于，粉末床、也 就是所有通過層結(jié)構(gòu)堆疊的然而沒有結(jié)合成部件的粉末材料在構(gòu)造過程（Aufbauprozess) 中沒有足夠地支撐所包圍的結(jié)構(gòu)(部件)。在涂覆新的粉末層時，已經(jīng)固化的結(jié)構(gòu)能夠在粉 末床中移動，這導致結(jié)構(gòu)中的缺陷直至該結(jié)構(gòu)的完全損耗。出于該原因，在基于粉末的添加 的制造技術(shù)中除了有待制造的部件之外，利用相應的制造技術(shù)額外構(gòu)造所謂的支撐結(jié)構(gòu)。 該支撐結(jié)構(gòu)將有待構(gòu)造的部件與工作平臺錨固并且由此將其固定在設(shè)備的結(jié)構(gòu)空間的坐 標系中。
[0004] 此外，當要實現(xiàn)特別復雜的幾何形狀時，需要支撐結(jié)構(gòu)。在真正的添加的制造過程 之后，支撐結(jié)構(gòu)的除去需要額外的處理步驟，該處理步驟是耗時的并且?guī)缀醪荒茏詣踊?，?且因此阻礙如其可以通過添加制造而實現(xiàn)的獨立制造。由此提出了大體上使粉末床穩(wěn)定的 任務(wù)，可以完全放棄支撐結(jié)構(gòu)，然而不影響制造過程本身，并且對于不妨礙從粉末床中取出 部件更重要。具有相互粘結(jié)的顆粒的粉末床例如阻礙從粉末床中簡單地取出部件。尤其在 部件的難以接近的位置處除去不屬于部件的粉末會是有問題的。最后一點特別即使在除去 支撐結(jié)構(gòu)時也是非常有問題的，并且會在設(shè)計用于基于粉末的添加制造的部件時引起明顯 的限制。
[0005] 在構(gòu)造過程之后必須將支撐結(jié)構(gòu)與真正的部件分開。該過程是耗時的并且?guī)缀醪?能自動化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 借助于下面所描述的技術(shù)可以在最大程度上回避該問題。通過使用真空栗以及多 孔的、在其上堆疊粉末層用于構(gòu)造過程（Bauprozess)的平臺在粉末床處施加低壓。施加低 壓會在粉末床中建立壓降并且通過原則上多孔的粉末床吸收空氣或者相應特別輸入的生 產(chǎn)氣體。由此產(chǎn)生的氣流可以將沿著氣流方向、也就是沿著構(gòu)造平臺的方向作用的額外的 力作用到每個單個粉末顆粒上。由此固定各個顆粒并且使粉末床穩(wěn)定。因為包括構(gòu)造平臺 和粉末床的系統(tǒng)是多孔的，所以一旦不再維持低壓、也就是例如停止真空栗時，則壓力梯度 快速減小。由此能夠接通氣流并且避免影響在施加粘結(jié)劑時的打印過程或者在選擇性燒結(jié) 過程中的加熱過程。氣流就在最需要穩(wěn)定粉末床的時刻接通，也就是在涂覆另一粉末層時 接通。在此出現(xiàn)的力是最大的風險，即所述部件在構(gòu)造過程中會在粉末床中移動并且由此 會使其輪廓變形。
[0007] 驚人的是，空氣流在粉末床中分布地多么均勻。出于該緣故，通過形成密封的部件 例如通過選擇性激光熔化金屬粉末可以對粉末床中空氣流產(chǎn)生干擾，不一定在氣流的按本 發(fā)明實現(xiàn)的穩(wěn)定作用方面有問題?？諝饬骱唵蔚貒@部件流動。這通過以下情況變得有利， 即在粉末顆粒之間的較小通道中基本上層流(也就是氣體中沒有渦流形成的流動）占優(yōu)勢， 并且層流會均勻地分布在包圍密封部件的通道中。為此，對沿著所有三個空間方向足夠敞 開的空隙(孔隙（Porositjit))提供多孔的粉末床。
[0008] 在這方面提出了按權(quán)利要求1所述的用于穩(wěn)定粉末床的裝置，按權(quán)利要求16所述 的用于由包括粉末的材料分層地使部件成形的方法，按權(quán)利要求23所述的用于通過在粉 末床中分層地固化粉末狀的材料來添加制造部件的方法，以及按權(quán)利要求24所述的裝置 的應用。
[0009] 根據(jù)第一實施方式，提出了用于針對添加的制造方法通過低壓來使粉末床穩(wěn)定的 裝置，其包括-至少在一側(cè)敞開的容器，該容器包括底部、至少一個側(cè)壁以及容器開口；-在 底部中或者底部上方的以及/或者在所述至少一個側(cè)壁中的過濾器，其中由過濾器占據(jù) 的面相應于底部的面或者側(cè)壁的面，并且其中過濾器基本上透不過圍繞粉末床的粉末；以 及-在容器的底部處的并且/或者在容器的側(cè)壁處的或者在過濾器的背對容器開口的側(cè)面 上的接口（Anschluss)，其中調(diào)整該接口用于能夠連接到抽吸栗上，從而通過由抽吸栗產(chǎn)生 的低壓將布置在容器中的粉末床朝過濾器進行擠壓并且得到穩(wěn)定。
[0010] 所述實施方式的優(yōu)點從首先至少部分松動的粉末裝料（PulverschUttung)的在對 粉末床抽真空時出現(xiàn)的固化中獲得。該固化在于在外部大氣壓力的影響下對粉末裝料進行 壓實（Verdichtung)。這種壓實促使各個粉末晶粒的位置穩(wěn)定以及通過所選擇的制造過程 局部相互粘結(jié)、熔化或者以其它方式相互連接的包含大量相鄰的粉末晶粒的區(qū)域(工作范 圍)穩(wěn)定。那么細的在粉末床內(nèi)部產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)能夠可靠地保持并且克服機械載荷得到穩(wěn)定。 在以新鮮的還未加工的粉末的新層補充（auffilllen)通常分層構(gòu)造的粉末床時，在粉末床 中例如產(chǎn)生必要時易損結(jié)構(gòu)的機械載荷。在例如用刮板補充已經(jīng)存在于容器中的粉末床 時，不僅會出現(xiàn)壓力載荷而且也會出現(xiàn)剪切載荷。這種剪切載荷會導致必要時僅僅部分固 化的結(jié)構(gòu)中的裂縫，或者引起固化的或者部分固化的工作范圍的完全剪斷。在借助于刮板 或者空心刮板進行涂覆時所產(chǎn)生的壓力載荷同樣會在粉末床中以及嵌入其中的結(jié)構(gòu)中引 起干擾。所提出的裝置的另一優(yōu)點在于，其僅僅要求簡單的并且由此能夠簡單替換或者能 夠簡單更換的組件。所描述的過濾器例如可以由合適的確定尺寸的毛氈層或者合適的確定 尺寸的玻璃料（Fritte)制成。粉末床的如所描述的實現(xiàn)的固化的另一優(yōu)點從能夠放棄并 行于目標結(jié)構(gòu)(使用成果）有待生產(chǎn)的支撐結(jié)構(gòu)中獲得。根據(jù)目標結(jié)構(gòu)的空間上的復雜性， 要求并行地生產(chǎn)合適的支撐結(jié)構(gòu)會需要很大的制造花費?，F(xiàn)在可以放棄這種額外花費。在 這個背景下，降低了每個物體的材料花費，因為粉末現(xiàn)在僅僅用于生產(chǎn)直接使用的結(jié)構(gòu)(使 用成果)。此外，一方面通過取消為了生產(chǎn)支撐結(jié)構(gòu)至今所需的步驟，另一方面通過簡化地 出模并且現(xiàn)在不再需要除去支撐結(jié)構(gòu)，來降低每次運用所需要的在時間和成本上的花費。
[0011] 根據(jù)另一實施方式，提出了一種裝置，其中底部或者布置在底部上方的過濾器（3) 相對于側(cè)壁或者相對于側(cè)壁中的過濾器平齊地或者呈直角地進行布置。由此，布置在底部 上方的粉末床沿著一側(cè)由側(cè)壁的指向粉末床的側(cè)表面進行限制。在此，側(cè)壁的側(cè)表面可 以-根據(jù)結(jié)構(gòu)-直接由側(cè)壁本身或者由集成到側(cè)壁中的過濾器形成。
[0012] 所述實施方式提供了以下優(yōu)點，即在底部和側(cè)壁之間呈角度構(gòu)造的粉末床從四個 側(cè)面可自由接近。這例如實現(xiàn)了粉末固化的不同技術(shù)相互間的組合。
[0013] 根據(jù)另一實施方式提出了一種裝置，其中容器具有兩個相互平行布置的側(cè)壁以及 過濾器，該過濾器相應地與側(cè)壁平齊地且基本上與側(cè)壁的相互對置的面呈角度地定向，并 且在保持其定向的情況下可以在側(cè)壁之間自由地運動。
[0014] 該實施方式的優(yōu)點例如從所描述的裝置的簡單并且堅固的構(gòu)造方式中獲得。例如 可以在相同高度的兩個相互對置的壁之間在兩側(cè)敞開的凹處中產(chǎn)生粉末床，其方式是用粉 末填充所述壁之間的中間空間分別直至兩