本發(fā)明涉及一種用于熔融/燒結(jié)粉末顆粒以逐層制備三維物體的方法。
背景技術(shù):
原型或小批量的順利提供是近期已頻繁遇到的一個(gè)問(wèn)題。使之有可能的方法被稱為快速原型/快速制造或添加制造方法,或者就稱作3d打印。特別合適的方法是其中通過(guò)選擇性熔融和/或固結(jié)粉狀材料逐層制備所需結(jié)構(gòu)的那些。將根據(jù)該原理工作的方法概括為上位概念粉末床熔融。
粉末床熔融方法的一個(gè)實(shí)例是選擇性激光燒結(jié)(sls)。在該方法中,用激光束在室中使粉末選擇性短暫曝光,從而使被激光束擊中的粉末顆粒熔融。該熔融顆粒相互融合滲入(laufenineinander)并且快速又凝固成固體物料。通過(guò)使不斷新施加的層重復(fù)曝光,可用該方法簡(jiǎn)單且快速地制備三維體。
用于由粉狀聚合物制成的成形體的激光燒結(jié)的方法詳細(xì)描述于專利文件us6136948和wo9606881(兩者均為dtmcorporation)。在專利文件wo9208566中描述了環(huán)形輻射加熱器,用其加熱構(gòu)建區(qū)域(baufeld)。在專利文件de102005024790a1描述了一種輻射加熱器,其采用平面輻射元件(特別由石墨制成)快速加熱構(gòu)建區(qū)域。
粉末床熔融方法的其它實(shí)例描述在專利文件us6531086和ep1740367中。
粉末床中的粉狀聚合物的溫度對(duì)于方法安全性和借助該方法制備的三維體的品質(zhì)至關(guān)重要。在粉末床表面處的顆粒的盡可能高的溫度具有以下優(yōu)點(diǎn):不再需要選擇性地例如經(jīng)由激光束引入這么多的能量。在通過(guò)例如激光的曝光之后,另外引入能量(后燒結(jié))則不再是必要的。
另外,在粉末床表面處的粉末顆粒的高溫具有使剛好熔融的熔融層的扭曲減少的優(yōu)點(diǎn)。通常將熔融層嚴(yán)重的扭曲,特別是邊緣的彎曲/或卷起稱作卷曲。為了避免卷曲,特別是在聚合物材料的加工期間,因此調(diào)節(jié)粉末床的表面處的溫度以,以使得扭曲或卷曲盡可能少,但該粉末沒(méi)有通過(guò)溫度控制就已被燒結(jié)或熔融。對(duì)于許多聚合物粉末而言,該工藝溫度大多僅低于該聚合物粉末的熔點(diǎn)10-20°c。還應(yīng)當(dāng)盡可能快速地溫度控制新施加的粉末層以提高構(gòu)建過(guò)程的速度。在現(xiàn)有技術(shù)中,粉末床的表面的溫度控制因此借助熱輻射元件來(lái)實(shí)現(xiàn),所述熱輻射元件的輻射在約1400nm波長(zhǎng)處具有強(qiáng)度最大值。
除了高的工藝溫度的上述優(yōu)點(diǎn)之外,還存在關(guān)鍵性缺點(diǎn)。聚合物的老化隨著溫度升高而急劇增加。借助粉末床熔融方法的制造通常需要許多小時(shí)。這因此產(chǎn)生對(duì)于聚合物材料的高的熱負(fù)荷。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的輻射加熱器導(dǎo)致,借助電磁輻射即使是粉末床中的較深層也被加熱并因此經(jīng)受非期望的熱負(fù)荷。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)是提供改善的用以制備三維物體的方法,其中粉末床的表面借助輻射加熱器來(lái)溫度控制,并避免借助輻射將能量引入較深層。此外應(yīng)確保對(duì)粉末床表面的足夠快速且均勻的溫度控制。
意料之外地已發(fā)現(xiàn),借助發(fā)出在5000nm波長(zhǎng)或更長(zhǎng)波長(zhǎng)處具有最大輻射強(qiáng)度的輻射的熱輻射元件使得可能實(shí)現(xiàn)最上層粉末層的快速加熱,而不存在借助電磁輻射過(guò)度加熱位于其下的粉末層。此處將最上層粉末層定義為粉末床的粉末堆料的最上面的0.5mm,而與以其粉末逐層施加的層厚如何大無(wú)關(guān)。熱輻射元件的最大輻射強(qiáng)度的波長(zhǎng)通過(guò)測(cè)量熱輻射元件的溫度(具有pt100傳感器的testo735-1測(cè)量?jī)x器)并隨后使用維恩位移定律(使用2897800nm.k作為維恩常數(shù))計(jì)算用nm表示的具有最大輻射強(qiáng)度的波長(zhǎng)來(lái)確定。
本發(fā)明涉及用于逐層制備三維物體的方法,其中在第一步驟中,將高度可設(shè)定的構(gòu)建平臺(tái)(6)降入到構(gòu)建框架(10)中并使用裝置(9)將通過(guò)電磁輻射的作用可固結(jié)的材料層施加至構(gòu)建平臺(tái)(6)上,其中借助粉末計(jì)量加入設(shè)備(7)進(jìn)料粉末材料。將過(guò)量粉末材料移入溢出容器(8)中。在第二步驟中,經(jīng)由由輻射加熱器(2)、溫度測(cè)量設(shè)備(11)和溫度調(diào)節(jié)器(12)組成的加熱系統(tǒng)來(lái)加熱粉末材料。借助在5000nm波長(zhǎng)或更長(zhǎng)波長(zhǎng)處具有最大輻射強(qiáng)度的輻射實(shí)現(xiàn)粉末材料的加熱。粉末材料的加熱優(yōu)選借助在5250nm波長(zhǎng)或更長(zhǎng)波長(zhǎng)處,特別優(yōu)選6000nm或更長(zhǎng)波長(zhǎng)處具有最大輻射強(qiáng)度的輻射來(lái)實(shí)現(xiàn)。粉末材料的加熱最優(yōu)選借助在7000nm波長(zhǎng)或更長(zhǎng)波長(zhǎng)處具有最大輻射強(qiáng)度的輻射來(lái)實(shí)現(xiàn)。在第三步驟中,借助發(fā)射電磁輻射的輻射源(1)使在粉末床(3)表面上的所需位置處選擇性熔融或燒結(jié)。重復(fù)這些步驟直至逐層形成三維物體(4)。在構(gòu)建過(guò)程結(jié)束和任何地所需的粉末餅(5)的冷卻之后,可將三維物體(4)從該粉末餅中取出。
在此,最大輻射強(qiáng)度的波長(zhǎng)波動(dòng)應(yīng)當(dāng)小于20%。優(yōu)選最大輻射強(qiáng)度的波長(zhǎng)波動(dòng)最多10%。特別優(yōu)選最大輻射強(qiáng)度的波長(zhǎng)波動(dòng)最多5%。
在超過(guò)5000nm波長(zhǎng)處具有最大輻射強(qiáng)度的熱輻射元件被認(rèn)為是遲鈍的,并因此似乎難以實(shí)現(xiàn)快速的溫度控制/-調(diào)節(jié)。意料之外地已發(fā)現(xiàn),即使使用在5000nm波長(zhǎng)或更高波長(zhǎng)處具有最大強(qiáng)度的電磁輻射,通過(guò)使用大面積的熱輻射元件從不同方向同時(shí)輻照粉末床的表面使得可能實(shí)現(xiàn)粉末床表面的快速溫度控制?;诖訜岬姆勰┐驳拇怪蓖队氨砻?,在此,輻射通量密度優(yōu)選為至少2000w/m2。粉末床的垂直投影表面還對(duì)應(yīng)于由構(gòu)建框架限定的構(gòu)建區(qū)域的面積?;诖訜岬姆勰┐驳拇怪蓖队氨砻妫诖?,輻射通量密度特別優(yōu)選為至少3000w/m2。發(fā)出電磁射線至粉末床表面上的熱輻射元件的面積在此為應(yīng)被加熱的粉末床的垂直投影表面的至少100%。發(fā)出電磁射線至粉末床表面上的熱輻射元件的面積優(yōu)選為應(yīng)被加熱的粉末床的垂直投影表面的至少150%。發(fā)出電磁射線至粉末床表面上的熱輻射元件的面積優(yōu)選為應(yīng)被加熱的粉末床的垂直投影表面的至少200%。
附圖說(shuō)明
附圖簡(jiǎn)述
圖1顯示根據(jù)本發(fā)明的用于制備三維物體的裝置的基本結(jié)構(gòu),
圖2顯示根據(jù)本發(fā)明的輻射加熱器的構(gòu)造,
圖3顯示根據(jù)本發(fā)明的輻射加熱器的備選構(gòu)造,
圖1顯示用于制備三維物體的裝置的基本結(jié)構(gòu)。本發(fā)明進(jìn)一步提供用于逐層制備三維物體的裝置。該裝置包括具有高度可設(shè)定的構(gòu)建平臺(tái)(6)的構(gòu)建框架(10),用于將通過(guò)電磁輻射的作用可固結(jié)的材料層施加至構(gòu)建平臺(tái)(6)的設(shè)備(9),輻射加熱器(2)和電磁輻射源(1),使用其選擇性熔融或燒結(jié)可固結(jié)的材料。輻射加熱器由熱源和熱輻射元件組成。溫度調(diào)節(jié)器又由溫度測(cè)量設(shè)備(11)和調(diào)節(jié)單元(12)組成。溫度測(cè)量設(shè)備有利地實(shí)施為非接觸式輻射溫度計(jì)。
發(fā)出電磁射線至粉末床表面上的熱輻射元件(2)的面積在此總共是由構(gòu)建框架(10)限定的粉末床的垂直投影表面的至少100%。優(yōu)選發(fā)出電磁射線至粉末床表面上的熱輻射元件的面積在此為由構(gòu)建框架(10)限定的粉末床的垂直投影表面的至少150%。特別優(yōu)選發(fā)出電磁射線至粉末床表面上的熱輻射元件的面積在此為由構(gòu)建框架(10)限定的粉末床的垂直投影表面的至少200%。熱輻射元件的面法線方向上的總發(fā)射率在此為至少0.2。熱輻射元件的面法線方向上的總發(fā)射率在此優(yōu)選為至少0.5。如此設(shè)計(jì)熱輻射元件,使得熱輻射元件的輻射的強(qiáng)度最大值在至少5000nm波長(zhǎng)處。優(yōu)選如此設(shè)計(jì)熱輻射元件,使得熱輻射元件的輻射的強(qiáng)度最大值在至少5250nm波長(zhǎng)處,特別優(yōu)選至少6000nm波長(zhǎng)處。最優(yōu)選如此設(shè)計(jì)熱輻射元件,使得熱輻射元件的輻射的強(qiáng)度最大值在至少7000nm波長(zhǎng)處。
如此設(shè)計(jì)熱輻射元件,使得熱輻射元件的輻射的強(qiáng)度最大值波動(dòng)最多20%。優(yōu)選如此設(shè)計(jì)熱輻射元件,使得熱輻射元件的輻射的強(qiáng)度最大值波動(dòng)最多10%。如此設(shè)計(jì)熱輻射元件,使得熱輻射元件的輻射的強(qiáng)度最大值特別優(yōu)選波動(dòng)最多20%??桑?,通過(guò)感應(yīng)、對(duì)流、導(dǎo)熱或經(jīng)由熱源的電磁輻射來(lái)實(shí)現(xiàn)熱輻射元件的溫度控制。熱輻射元件的輻射度在此為至少500w/m2。熱輻射元件的輻射度在此優(yōu)選為至少1000w/m2。在輻射加熱器中,熱源(14)和熱輻射元件(13)可集成在一個(gè)部件中,即,熱源可完全被熱輻射元件包圍住或熱輻射元件(15)和熱源(16)可作為單獨(dú)的部件存在。在優(yōu)選的實(shí)施方式中,熱輻射元件可彼此獨(dú)立地進(jìn)行溫度控制,以均勻設(shè)定粉末床表面處的溫度分布。
本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的所有粉末基本上都適合用于本發(fā)明的設(shè)備/本發(fā)明的方法。聚酰胺、共聚酰胺、聚酯、共聚酯、聚醚酰胺和聚醚酮的粉末是特別合適的。在5000nm波長(zhǎng)處具有0.8以上的吸收率的聚合物粉末是特別合適的。在5000nm波長(zhǎng)處具有0.9以上的吸收率的聚合物粉末是非常特別合適的。用本發(fā)明的方法制備的三維物體同樣是本發(fā)明的目標(biāo)。
即使沒(méi)有進(jìn)一步說(shuō)明,假定本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠以最寬泛的范圍利用以上描述。因此應(yīng)將優(yōu)選的實(shí)施方式和實(shí)施例理解為僅僅是描述性的公開(kāi),而決不是以任何方式進(jìn)行限制的公開(kāi)。下文借助實(shí)施例更詳細(xì)地闡明本發(fā)明。本發(fā)明的替代實(shí)施方式可類似獲得。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例.
實(shí)施例1(非本發(fā)明)
將具有表1中列出的參數(shù)的聚酰胺12的粉末在室溫(23°c)下施加在具有35x35cm的尺寸和1225cm2的面積的構(gòu)建區(qū)域中,以形成100mm高度的粉末床。輻射加熱器將粉末床加熱,所述輻射加熱器的熱輻射元件發(fā)射出在1400nm波長(zhǎng)處具有強(qiáng)度最大值的輻射。最大輻射強(qiáng)度的波長(zhǎng)在此波動(dòng)超過(guò)30%。熱輻射元件的面積在此為224cm2。測(cè)量并記錄粉末床表面處和粉末床中20mm深度處的溫度。結(jié)果列在表4中。
實(shí)施例2(非本發(fā)明)
將具有表1中列出的參數(shù)的聚合物粉末施加在具有35x35cm的尺寸和1225cm2的面積的構(gòu)建區(qū)域中,以形成100mm高度的粉末床。具有熱輻射元件的輻射加熱器將粉末床加熱,所述熱輻射元件由石墨薄片構(gòu)成,其發(fā)射出在2000nm波長(zhǎng)處具有強(qiáng)度最大值的輻射。熱輻射元件的面積在此為775cm2。測(cè)量并記錄粉末床表面處和粉末床中20mm深度處的溫度。結(jié)果列在表5中。
實(shí)施例3(本發(fā)明)
將具有表1中列出的參數(shù)的聚合物粉末施加在具有35x35cm的尺寸和1225cm2的面積的構(gòu)建區(qū)域中,以形成100mm高度的粉末床。借助輻射加熱器將粉末床加熱。所述輻射加熱器的熱輻射元件發(fā)射出在6200nm波長(zhǎng)處具有強(qiáng)度最大值的輻射。最大輻射強(qiáng)度的波長(zhǎng)在此波動(dòng)在10%以下。熱輻射元件的面積在此為1852cm2。測(cè)量并記錄粉末床表面處和粉末床中20mm深度處的溫度。結(jié)果列在表6中。與非本發(fā)明的實(shí)施例相比較,表面處的溫度在此顯著更快地升高。相比之下,20mm深度處的溫度僅非常緩慢地升高。因此可能提高粉末床表面處的溫度,而沒(méi)有過(guò)度加熱較深的粉末層中的粉末,并因此不必使其經(jīng)受熱負(fù)荷。
實(shí)施例4(本發(fā)明)
將具有表2中列出的參數(shù)的聚合物粉末施加在具有35x35cm的尺寸和1225cm2的面積的構(gòu)建區(qū)域中,以形成100mm高度的粉末床。借助輻射加熱器將粉末床加熱。所述輻射加熱器的熱輻射元件發(fā)射出在5700nm波長(zhǎng)處具有強(qiáng)度最大值的輻射。最大輻射強(qiáng)度的波長(zhǎng)在此波動(dòng)在10%以下。熱輻射元件的面積在此為2466cm2。測(cè)量并記錄粉末床表面處和粉末床中20mm深度處的溫度。結(jié)果列在表7中。與非本發(fā)明的實(shí)施例相比較,表面處的溫度在此顯著更快地升高。相比之下,20mm深度處的溫度僅非常緩慢地升高。因此可能提高粉末床表面處的溫度,而沒(méi)有過(guò)度加熱較深的粉末層中的粉末,并因此不必使其經(jīng)受熱負(fù)荷。
實(shí)施例5(本發(fā)明)
將具有表3中列出的參數(shù)的聚合物粉末施加在具有35x35cm的尺寸和1225cm2的面積的構(gòu)建區(qū)域中,以形成100mm高度的粉末床。借助輻射加熱器將粉末床加熱。所述輻射加熱器的熱輻射元件發(fā)射出在5000nm波長(zhǎng)處具有強(qiáng)度最大值的輻射。最大輻射強(qiáng)度的波長(zhǎng)在此波動(dòng)在10%以下。熱輻射元件的面積在此為2466cm2。測(cè)量并記錄粉末床表面處和粉末床中20mm深度處的溫度。結(jié)果列在表8中。與非本發(fā)明的實(shí)施例相比較,表面處的溫度在此顯著更快地升高。相比之下,20mm深度處的溫度僅非常緩慢地升高。因此可能提高粉末床表面處的溫度,而沒(méi)有過(guò)度加熱較深的粉末層中的粉末,并因此不必使其經(jīng)受熱負(fù)荷。
實(shí)施例6(本發(fā)明)
將具有表1中列出的參數(shù)的聚合物粉末施加在具有35x35cm的尺寸和1225cm2的面積的構(gòu)建區(qū)域中,以形成100mm高度的粉末床。借助輻射加熱器將粉末床加熱。所述輻射加熱器的熱輻射元件發(fā)射出在7050nm波長(zhǎng)處具有強(qiáng)度最大值的輻射。熱輻射元件的面積在此為1852cm2。最大輻射強(qiáng)度的波長(zhǎng)在此波動(dòng)在5%以下。測(cè)量并記錄粉末床表面處和粉末床中20mm深度處的溫度。結(jié)果列在表9中。與非本發(fā)明的實(shí)施例相比較,表面處的溫度在此顯著更快地升高。相比之下,20mm深度處的溫度僅非常緩慢地升高。因此可能提高粉末床表面處的溫度,而沒(méi)有過(guò)度加熱較深的粉末層中的粉末,并因此不必使其經(jīng)受熱負(fù)荷。