專利名稱：用于制造三維物體用的設(shè)備的用于處理粉末的裝置以及制造三維物體用的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于制造三維物體用的設(shè)備(特別是激光燒結(jié)設(shè)備)的用于混合粉末的裝置，其以較小的能量消耗實施混合并且節(jié)省資源地制造。此外本發(fā)明涉及一種用于制造三維物體的設(shè)備。
背景技術(shù)：
通常已知基于粉末的、用于制造三維物體的生成式方法，例如選擇性的激光燒結(jié)， 其中三維物體逐層地通過粉末狀材料的固化而形成。在選擇性的激光燒結(jié)時，固化借助于射入到粉末層上的激光束實現(xiàn)。未固化的粉末通常與新粉末混合并且被重新使用。特別是在選擇性的激光燒結(jié)時可能在將老粉末返回到材料循環(huán)中時導(dǎo)致來自各個不同的燒結(jié)過程的材料在設(shè)置用于老粉末的老粉末容器中的分層。各個不同的層可能在粉末特性方面不相同，這導(dǎo)致對燒結(jié)過程和構(gòu)件質(zhì)量的影響。此外根據(jù)所使用的粉末，老粉末的特性與新粉末的特性不同，例如可能在使用熱塑性的粉末時出現(xiàn)熱老化。也存在基于粉末的生成式的方法的應(yīng)用，其中使用由各種粉末類型構(gòu)成的混合物，這些粉末在其化學(xué)組成和/粒度方面不同。為了混合各種不同的粉末，此外通常已知兩種原理。在流化時在利用粉末散料填充的容器中，從下部導(dǎo)入壓縮空氣。壓縮空氣的導(dǎo)入導(dǎo)致粉末的漂浮。為了實現(xiàn)粉末的混合，必須以高壓導(dǎo)入大的空氣量，其有時以脈動的流動被導(dǎo)入。在此不利的是，基于從下部的空氣導(dǎo)入，基本上形成向上的空氣流，并且缺少用于粉末的良好混合的橫向運動。此外在混合具有各種不同密度的粉末時存在這樣的危險，即， 較輕的粉末通過強(qiáng)烈的氣流，保留在粉末散料的上部區(qū)域中并且不被混合。具有壓縮空氣的供給系統(tǒng)必須設(shè)計成以高壓提供大的空氣量，這需要供給系統(tǒng)的大的尺寸設(shè)計，這帶來相應(yīng)的制造和運行費用，此外需要麻煩地清潔流出的空氣，因為需要大的過濾面以便清潔大的空氣體積。根據(jù)其它的原理，借助于被馬達(dá)驅(qū)動的攪拌葉實現(xiàn)粉末散料的混合。在此出現(xiàn)問題的是，馬達(dá)功率必須非常高，因為攪拌葉必須在靜止的粉末散料中被啟動，這需要馬達(dá)的非常高的啟動力矩。攪拌葉在此由于靜止的散料的反作用力而承受高的機(jī)械負(fù)載，這導(dǎo)致攪拌葉的構(gòu)件必須設(shè)計有高的機(jī)械穩(wěn)定性，以便一方面經(jīng)受住所出現(xiàn)的力，并且另外一方面具有高的耐磨性。為了良好混合粉末，攪拌葉的轉(zhuǎn)速必須足夠高，以便攪拌粉末和將整個粉末散料保持在運動中。由此除了所需要的攪拌葉的用于高的持續(xù)功率的設(shè)計之外，附加存在損傷粉末的危險。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)是提供一種用于混合粉末的裝置，其在制造和運行方面是便宜的并且此外將各種不同的粉末在不存在損害粉末的危險的情況下混合。此外存在這樣的任務(wù)，提供一種例如通過激光燒結(jié)用于制造三維物體的設(shè)備，其適合于與用于混合粉末的裝置協(xié)同作用，其中通過用于混合粉末的裝置和用于制造三維物體的設(shè)備的協(xié)同作用，應(yīng)當(dāng)改善了構(gòu)件的質(zhì)量以及改善了制造的效率。上述任務(wù)通過權(quán)利要求1、19和20的特征解決。有利的進(jìn)一步構(gòu)造是從屬權(quán)利要求的內(nèi)容。如此構(gòu)成用于混合粉末的裝置，S卩，它不僅具有攪拌裝置，而且具有壓力流體供給裝置。此外用于制造三維物體的設(shè)備設(shè)計成與用于混合粉末的裝置如此連接，使得用于混合粉末的裝置和用于制造三維物體的設(shè)備構(gòu)成一個系統(tǒng)。通過給所述裝置配備攪拌裝置和壓力流體供給裝置，得到這樣的效果，即裝置盡管配備兩個作用機(jī)構(gòu)，即攪拌裝置和壓力流體供給裝置，然而不僅在制造費用而且在運行費用方面比分別僅僅具有一個作用機(jī)構(gòu)的多個裝置更有利。在制造方面的費用優(yōu)點由此產(chǎn)生攪拌裝置和燃?xì)饪梢詷?gòu)成為具有較小的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，因為粉末在攪拌裝置啟動時不是作為靜止的散料(即作為固體)存在的，而是通過流入的流體業(yè)已被流化，即被置于與液體相似的狀態(tài)。因此攪拌裝置的驅(qū)動馬達(dá)可以構(gòu)成為具有顯著較低的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并且對于支承件和攪拌裝置的強(qiáng)度和剛度要求顯著較低，從而可以減小材料消耗和使用更有利的材料。壓力流體供給裝置可以同樣在可提供的流體的壓力和體積流方面較弱地設(shè)計，因為在其利用流體運行的純攪拌裝置中流入的流體的壓力和體積流必須顯著較大，因為流體不僅將粉末流化，而且將其混合，即必須在粉末中加入旋轉(zhuǎn)運動。此外不需要麻煩的控制裝置，其例如用于流體的脈動的流入。此外可以不僅將流體的供給裝置，而且將用于流出的流體的排出及清潔裝置設(shè)計成較小尺寸的，因為一方面流入的流體體積是較小的，而且流體被通過高壓力和大的體積流渦旋的粉末顆粒和粉塵引起的污染顯著較小。由于驅(qū)動裝置和工作構(gòu)件組的強(qiáng)度較弱的設(shè)計，在運行中分別需要較小的功率消耗，從而總能量消耗小于在各單個系統(tǒng)時。用于混合粉末的裝置的組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于，在非常短的時間內(nèi)實現(xiàn)非常良好的混合，并且裝置的高的填充率是可能的，因為裝置可以填充直至其容器容積80%的粉末，這也對于能量消耗是有利的。粉末的機(jī)械應(yīng)力或剪切力是小的，從而不會出現(xiàn)粒度變化并且可以實現(xiàn)粉末與各種不同密度的組分的混合。流化和攪拌機(jī)構(gòu)支持粉末從裝置中的排出，因為不僅攪拌機(jī)構(gòu)而且流入的流體將粉末保持在類似于液體的運動狀態(tài)下，從而粉末能夠通過重力被排出。通過在底部區(qū)域內(nèi)流入的流體，也阻止了在粉末顆粒和底部之間的摩擦，從而底部的輕微的漏斗形狀是足夠的，以便清空裝置，這也使得緊湊的結(jié)構(gòu)形式成為可能并且節(jié)約了空間資源。在制造中簡單的可擴(kuò)展性是可能的，并且在運行中在裝置的外部上不存在運動的部件，從而可以放棄保護(hù)罩。特別的防噪措施也是不需要的，因為運行非常安靜。通過各單個粉末之間良好的混合，在例如通過激光燒結(jié)制造三維物體時出現(xiàn)的問題被避免了，使得形成了由各種不同粉末(或者是老粉末和新粉末，或者是具有各種不同的粒度、密度的粉末等)構(gòu)成的層。由此在強(qiáng)度和表面方面改善了所制造的物體的質(zhì)量并且提高了質(zhì)量的可重復(fù)性。此外，例如在使用熱塑性粉末時避免了老粉末在差的混合時被逐層地涂覆時帶來的熱老化問題。


下面借助于對附圖的描述的實施例得到其它特征和優(yōu)點。附圖表示圖1本發(fā)明提出的用于混合粉末的裝置的實施方式；以及圖2作為用于制造三維物體的設(shè)備的一個實施方式的激光燒結(jié)裝置的示意圖。
具體實施例方式圖1表示一種用于混合粉末17的裝置。該裝置具有容器2，該容器具有一個底部并且在其底部的區(qū)域上設(shè)有可被流體透過的板3。此外裝置1配備攪拌裝置4。容器2在其底部的區(qū)域內(nèi)設(shè)有流入孔15，流體16能夠通過所述流入孔流入容器2中。容器2在上端部上具有一個蓋子，其設(shè)有粉末進(jìn)入孔14和流體排出孔12，在該流體排出孔上安裝過濾元件13。容器2的底部在此在中心處設(shè)有可被封閉的排出孔11。容器具有適合粉末的良好混合的水平的橫截面。水平的橫截面在此實施例中是圓形的，然而在其它的實施例中也可以是多邊形、橢圓形等等。替代地，容器2具有可透過流體的底部，該底部是略呈漏斗形狀的。 可被流體透過的板3例如由多孔的材料(例如燒結(jié)的塑料材料)、由孔板或類似件構(gòu)成，并且可被流體16透過。板3如此設(shè)計使得它的外部形狀可配合到容器2的內(nèi)橫截面中?？杀涣黧w透過的板3在中心設(shè)有一個孔10，其與容器的底部中的排出孔11對齊并且具有相同的大小?？杀涣黧w透過的板3的上面構(gòu)成為略呈漏斗形狀的，從而粉末17通過其重力從容器流出。“略呈漏斗形”在此指的是，板3的上面在一個垂直的剖面中與水平線構(gòu)成一個角度，其為大約20° 士 10°。由此得到的效果接下來在裝置1運行時進(jìn)行闡述。攪拌裝置4具有馬達(dá)5和攪拌工具6。攪拌裝置4設(shè)置在容器2的中心。馬達(dá)5構(gòu)成為電機(jī)，其設(shè)計成轉(zhuǎn)動攪拌工具6。馬達(dá)5在容器2的外部安裝在容器 2的蓋子上。攪拌工具6具有一個軸7，其可圍繞軸線8旋轉(zhuǎn)。軸7的軸線8是垂直布置的。在軸7上安裝攪拌葉9，該攪拌葉9分別位于軸7的徑向旁邊。在該實施例中攪拌葉9經(jīng)由固定元件設(shè)置在四個平面中，其中總是兩個攪拌葉設(shè)置在一個平面中。在替代的實施方式中也可以在一個平面中僅僅設(shè)置一個攪拌葉9或也可以設(shè)置多個攪拌葉9。在一個平面中設(shè)置一個攪拌葉9時然而需要注意，除了扭轉(zhuǎn)力之外在軸8上還施加一個彎曲力。 攪拌葉9與軸8圍成一個角度α，其大于0°且小于90°，從而攪拌葉9相對于軸8傾斜布置。攪拌葉9的形狀在此是矩形的，然而也可以是圓形的、橢圓形的或者是其它有利的形狀。流入孔15與一個未示出的壓力流體供給裝置連接。壓力流體供給裝置如此設(shè)計， 使得它給容器2供給在足夠的壓力下的、足夠量的壓縮空氣作為流體16。然而也可以替代壓縮空氣，使用另外的合適的氣體作為流體16。在流入孔15和可被流體透過的板3之間在容器中存在一個空腔，在該空腔中流體16可以沿著可被流體透過的板3擴(kuò)散，以便均勻地穿流所述可被流體透過的板3。在容器2的蓋子中的粉末進(jìn)入孔14如此適配，使得粉末17能夠通過粉末進(jìn)入孔 14進(jìn)入容器2中。粉末進(jìn)入孔14可通過一個合適的封鎖機(jī)構(gòu)封閉并且與未示出的用于一種或多種粉末17的供給裝置連接。在替代的實施方式中，粉末輸入孔14也可以設(shè)置在另外的位置上，例如設(shè)置在位于粉末散料的填充高度上方的側(cè)壁中。在容器2的蓋子中的粉末排出孔12適配成，使得流入容器2中的流體16重新流出。粉末排出孔12或者直接地或者經(jīng)由管道或軟管與過濾元件13連接。粉末排出孔12 也可以不在蓋子中，而是在替代的實施方式中設(shè)置在一個另外的位置上(例如設(shè)置在側(cè)壁中)，然而設(shè)置在容器的上部區(qū)域中，從而流體在穿流粉末之后才排出。此外替代地?zé)o過濾元件13的實施方式也是可以的?？杀环忾]的排出孔11是如此適配的，使得被混合的粉末17從容器2中排出。排出孔11設(shè)有合適的封鎖機(jī)構(gòu)，該封鎖機(jī)構(gòu)在其封閉狀態(tài)下將容器可靠地封閉并且在其打開的狀態(tài)下對流出的粉末17具有小的流動阻力。排出孔11與一個用于制造三維物體的設(shè)備連接。在替代的實施方式中排出孔11也可以不與一個用于制造三維物體的設(shè)備連接，而與一個排出裝置連接。排出孔11也可以替代地設(shè)置在底部中的其它位置上。在一個替代的實施方式中，軸7的軸線8也可以在不同于垂直方向的方向上進(jìn)行定向。容器2的水平橫截面相應(yīng)進(jìn)行適配。裝置1如此設(shè)計，使得它可以將由各種不同材料構(gòu)成的粉末混合。粉末17的粒度大致在50 μ m至150 μ m之間。裝置1如此適配，使得流入的流體16的壓力和體積流和攪拌裝置4的尺寸、幾何比例和轉(zhuǎn)速如此設(shè)計，使得由規(guī)定的材料構(gòu)成的粉末17良好地混合成具有相應(yīng)的粒度。如由圖2可見，作為用于制造三維物體的設(shè)備的一個實施方式的激光燒結(jié)裝置 100具有向上敞開的容器或建造容器101，其具有上部的邊緣102。容器101的橫截面大于待制造的物體103的最大的橫截面面積。在容器101中用于支承待構(gòu)成的物體的支架104 設(shè)有一個基本上平面的、面向上部的邊緣102的表面105。支架104可以借助于在圖1中示意示出的驅(qū)動裝置在容器101中在垂直方向上來回運動。容器101的上部的邊緣102定義一個工作平面106。在工作平面106上方設(shè)置激光器107形式的照射裝置，其發(fā)出定向的激光束108。 設(shè)置偏向裝置109(例如作為電流計鏡系統(tǒng))，經(jīng)過該偏向裝置光束108作為被偏向的束 108’可被偏向到工作平面106上的任意期望的位置上。此外設(shè)置涂層器110以用于將待固化的粉末材料17的層涂覆到支架表面105上或一個之前固化的層上。涂層器Iio借助于示意示出的驅(qū)動裝置沿著工作平面106可來回移動，從一個在容器101 —側(cè)上的第一終端位置至在容器101的對置一側(cè)上的第二終端位置。為了填充涂層器110，在涂層器110的終端位置上方分別設(shè)置一個填充容器113用于給涂層器110填充粉末材料17。填充容器13與裝置1的排出孔11連接，該裝置在此實施方式中設(shè)置為單獨的裝置。在替代的實施方式中裝置1被整合到設(shè)備100中。此外設(shè)置控制裝置140，通過該控制裝置用于調(diào)節(jié)支架104的位置的驅(qū)動裝置、用于移動涂層器110的驅(qū)動裝置和用于調(diào)節(jié)偏向裝置109的驅(qū)動裝置彼此協(xié)調(diào)地或彼此獨立可控制。在該實施方式中，其中裝置1被整合到設(shè)備100中，裝置1的運行也可以通過控制裝置140得到控制。在運行中設(shè)備1的容器2通過粉末進(jìn)入孔14被填充期望的粉末17。為此打開粉
7末進(jìn)入孔14的封鎖機(jī)構(gòu)并且經(jīng)由供給裝置將粉末加入到容器2中。在填充之后，通過壓力流體供給裝置通過流入孔將壓縮空氣16吹入位于可被流體透過的板3下方的空間中，壓縮空氣分布在該空間中并且而后均勻地流過可被流體透過的板3。通過以恒定流流過粉末17的壓縮空氣16，粉末17被流化，即被置于與液體相似的狀態(tài)。由此提高了粉末的可運動性。被引入的壓縮空氣在穿流粉末17之后通過流體排出孔12從容器2出來并且緊接著通過過濾元件13被清潔，去除粉末顆粒和其它的粉塵。在粉末流化(這在整個混合過程中被維持)之后，將攪拌機(jī)構(gòu)進(jìn)入運行。通過粉末17的流化，粉末17對攪拌葉9運動的阻力是小的，從而馬達(dá)5的啟動力矩可以是小的并且對于攪拌工具6的機(jī)械強(qiáng)度的要求可以不高。通過攪拌葉9的運動和其相對于軸線8 的傾斜位置，粉末17在攪拌工具6的區(qū)域內(nèi)向上和向側(cè)向運動。在容器2的壁區(qū)域內(nèi)粉末 17下降。由此產(chǎn)生一種粉末流18，其一方面構(gòu)成為在整個圓周上徑向環(huán)繞的流并且也具有切向的分量，這導(dǎo)致溫和的攪拌過程，伴隨著粉末的最小的剪切力并且導(dǎo)致粉末的良好的徹底混合，從而混合時間相對較短。當(dāng)混合過長結(jié)束時，打開可被封閉的排出孔11的封鎖機(jī)構(gòu)，并且粉末17通過重力從容器2流出。在粉末17流出時，不僅攪拌裝置4而且壓力流體供給裝置進(jìn)一步運行，從而粉末能夠以與液體類似的形式流出并且由于其重力而不會產(chǎn)生靜止的散料。通過流入的壓縮空氣16阻止粉末17在可被流體透過的板3上的堆積。因為由此在粉末17和板3的上面之間的摩擦力被減小或消除，所以粉末17也在板3的僅僅略呈漏斗形狀時通過其重力從容器2流出，從而省去了通過強(qiáng)烈的漏斗形狀導(dǎo)致的建造空間。容器113被填充混合的粉末17，其中由容器2流出的粉末17借助于未示出的傳送介質(zhì)例如壓縮空氣被傳送到容器113中，所述傳送介質(zhì)在排出孔11和容器113之間的連接
管路中流動。用于制造三維物體的建造過程而后以已知的方式運行。本發(fā)明不限于激光燒結(jié)，而是同樣可在其它的基于粉末的生成式方法中用于制造三維的物體。這樣的方法的另外的示例是三維打印，其中粉末層借助于粘結(jié)劑被固化。另外的例子在于，使用掩膜燒結(jié)，其中替代激光器使用延展的光源，其選擇地經(jīng)由掩膜照射粉末層。
權(quán)利要求
1.用于混合粉末(17)的裝置，該裝置用于制造三維物體用的設(shè)備，該裝置包含容器 O)，該容器設(shè)計成用于容納粉末(17)，該容器( 具有可被流體透過的下部的板(3)；壓力流體供給裝置，其與容器( 如此連接，使得流體(16)通過所述可被流體透過的下部的板 (3)流入，并且該壓力流體供給裝置如此適配，使得所述通過所述可被流體透過的板(3)流入的流體(16)將粉末(17)向上移動，其特征在于，裝置(1)具有攪拌裝置G)，該攪拌裝置設(shè)計成用于移動粉末(17)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置(1)，其特征在于，攪拌裝置(4)適配成將粉末(17)在水平方向上移動。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置(1)，其特征在于，攪拌裝置⑷具有馬達(dá)(5)和攪拌工具(6)，該攪拌工具具有帶有軸線(8)的軸(7)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置(1)，其特征在于，攪拌工具(6)在軸(7)的軸線(8)的橫向上、特別是徑向上設(shè)有多個攪拌葉(9)，。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置(1)，其特征在于，攪拌葉(9)在軸(7)的軸向上設(shè)置在多個層中。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的裝置(1)，其特征在于，攪拌葉(9)相對于軸(7)的軸線 (8)圍成一個角度α，其大于0°并且小于90°。
7.根據(jù)權(quán)利要求4至6之一項所述的裝置(1)，其特征在于，攪拌裝置(4)設(shè)計成使得在軸⑵旋轉(zhuǎn)時攪拌葉(9)將在攪拌工具(6)的區(qū)域內(nèi)的粉末(17)向上和向側(cè)向定向地移動。
8.根據(jù)權(quán)利要求3至7之一項所述的裝置(1)，其特征在于，軸(7)的軸線(8)是垂直布置的。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求之一項所述的裝置(1)，其特征在于，攪拌裝置(4)在一個水平平面中設(shè)置在容器O)的中心。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求之一項所述的裝置(1)，其特征在于，裝置(1)如此設(shè)計，使得流體(16)以恒定流流入。
11.根據(jù)上述權(quán)利要求之一項所述的裝置(1)，其特征在于，可被流體透過的板(3)在其中心設(shè)有孔(10)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置(1)，其特征在于，裝置(1)在下部區(qū)域內(nèi)具有可被封閉的孔(11)，該孔與在可被流體透過的板⑶中的孔(10)對齊。
13.根據(jù)上述權(quán)利要求之一項所述的裝置(1)，其特征在于，可被流體透過的板(3)是漏斗形狀的。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置(1)，其特征在于，所述可被流體透過的板C3)是略呈漏斗形狀的。
15.根據(jù)上述權(quán)利要求之一項所述的裝置(1)，其特征在于，裝置(1)在上部區(qū)域內(nèi)具有流體排出孔(12)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置(1)，其特征在于，流體排出孔(1)設(shè)有過濾元件。
17.根據(jù)上述權(quán)利要求之一項所述的裝置(1)，其特征在于，裝置(1)具有可被封閉的粉末進(jìn)入孔(14)，容器( 通過該粉末進(jìn)入孔進(jìn)行填充。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的裝置(1)，其特征在于，粉末進(jìn)入孔(14)優(yōu)選設(shè)置在蓋子中。
19.用于制造三維物體的設(shè)備(100)，該設(shè)備包含支架(105)，在該支架上建造所述物體，并且該設(shè)備包含涂層器(100)以用于在與所述物體在相應(yīng)的層中相對應(yīng)的位置上涂覆由可固化的粉末材料構(gòu)成的層，并且該設(shè)備包含固化裝置(107)，以用于在層的與物體相對應(yīng)的位置上固化粉末材料，其特征在于，設(shè)備(100)設(shè)計成與根據(jù)權(quán)利要求1至18之一項所述的裝置⑴連接。
20.一種系統(tǒng)，其包含根據(jù)權(quán)利要求1至18之一項所述的裝置(1)和根據(jù)權(quán)利要求19 所述的設(shè)備(100)。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其特征在于，裝置(1)相對于設(shè)備(100)單獨設(shè)置。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其特征在于，裝置(1)整合到設(shè)備(100)中。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于混合粉末(17)的裝置，該裝置用于制造三維物體用的設(shè)備，該裝置包含攪拌裝置(4)和用于將粉末(17)流化的壓力流體供給裝置。制造三維物體(503)用的設(shè)備(100)設(shè)計成與用于混合粉末(17)的裝置連接并且與用于混合粉末(17)的裝置構(gòu)成一個系統(tǒng)。
文檔編號B01F13/10GK102553484SQ201110331838
公開日2012年7月11日 申請日期2011年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月29日
發(fā)明者A·博科迪, T·賴歇爾 申請人:Eos有限公司電鍍光纖系統(tǒng)