阅读说明：本技术 用于生产含金属物体的增材制造方法 (Additive manufacturing method for producing metal-containing objects ) 是由 布鲁诺·阿尔维斯 罗伯特·克伦普 于 2019-08-22 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于生产含金属物体的增材制造方法。根据本发明,增材制造方法至少包括以下步骤：提供(54)含有液体的金属物质混合物,将预定量的含有液体的金属物质混合物施加(56)到抽空的处理空间(12)内的水平衬垫(14、16)上,等待(58)所施加的含有液体的金属物质混合物的液体组分蒸发的等待时间,通过激光束至少部分地熔化(60)所施加的金属物质混合物的金属组分,并重复这些步骤,直到完成要生产的物体(16)。(The present invention relates to an additive manufacturing method for producing a metal-containing object. According to the invention, the additive manufacturing method comprises at least the following steps: providing (54) a liquid-containing metal species mixture, applying (56) a predetermined amount of the liquid-containing metal species mixture onto a horizontal liner (14, 16) within an evacuated processing space (12), waiting (58) for a waiting time for a liquid component of the applied liquid-containing metal species mixture to evaporate, at least partially melting (60) the metal component of the applied metal species mixture by a laser beam, and repeating these steps until the object (16) to be produced is completed.)

用于生产含金属物体的增材制造方法

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于生产含金属物体的增材制造方法。本发明还涉及一种根据权利要求7的前序部分所述的用于生产含金属物体的3D打印装置。

背景技术

现有技术公开了由金属或陶瓷材料3D打印物体作为生成制造工艺(增材制造(AM))。通常用于这种3D打印的工艺是例如选择性激光熔化(SLM)和选择性激光烧结(SLS)。在这两种方法的情况下，粉末形式的金属材料例如借助于辊子或刮刀从存储容器作为薄层施加到作为3D打印机底板上的表面区域上，并且通过激光束在预定位置局部加热或熔化，材料随后迅速硬化。通常，随后将降低底板层厚度的量，并在底板上施加新的粉末层。重复这些操作直到完成所需的工件。在完成工件之后，通常可以将未烧结或未熔化的粉末再次返回到储存容器中。

例如，在申请本发明时未公开的DE 102018200010，描述了一种制造工件的增材制造工艺，其中在生产区域中通过第一施加装置将金属粉末逐层施加到基体上，通过激光束使其在某些区域熔化并固化。为了提高选择性激光熔化过程的效率，提供了将工件连接到基体的支撑结构，其中粘合剂通过第二施加装置在某些区域施加到粉末上并硬化以形成粉末粘合剂基质。在这种情况下，支撑结构在完成后从工件上移除，因为粘合剂基质被分解剂破碎，工件是稳定的。

粉末形式的金属材料不一定必须借助于辊子或刮刀从存储容器中作为薄层施加到3D打印机的底板上的表面区域上。

作为对此的替代，US2015/0125335A1描述了一种增材制造装置和增材制造方法，用于选择性地加热粉末材料的流化床，该粉末材料包括粉末金属材料和具有能量束的粉末助溶剂。粉末材料保持在腔室中以修复或生产部件。通过将非惰性气体引入腔室来使粉末床流化。控制流化气体的流速以使床充分流化，从而使足够量的粉末材料沉降以进行处理。根据部件的预定形状控制能量束和部件之间的相对运动。当粉末材料被加热、熔化和固化时，在沉积的金属上形成一层熔渣，然后将其除去，使得沉积在先前沉积的金属基底上的流化粉末金属可以被加热和熔化并固化以构建该组件。

US 2016/0083303 A1描述了一种陶瓷涡轮构件，其通过包括将陶瓷粉末与无机粘合剂粉末混合的方法形成。在这种情况下，无机粘合剂粉末可包括金属、金属化合物、陶瓷或其混合物。然后将粉末混合物形成涡轮机部件，随后通过瞬时液相烧结使其致密化。在一个实施例中，涡轮机部件可以通过增材制造工艺(例如选择性激光烧结)形成。

可用于本发明的粉末基增材制造方法包括选择性激光烧结(SLS)、直接激光烧结(DLS)、选择性激光熔化(SLM)、直接激光熔化(DLM)、电子束熔化(EBM)、直接金属沉积和本领域已知的其他增材制造工艺。在该过程中，可以使用用于提供受控建筑环境的腔室，包括惰性气体或真空。特别地，所形成的自由成形部件可以在形成之后通过在空气、受控气氛或真空中的瞬时液相烧结进一步致密化。

US 5745834A描述了一种自由形式制造金属部件的方法，通常使用计算机辅助设计数据，其包括混合粉末的选择性激光结合和瞬时液相烧结。粉末混合物包括贱金属合金、低熔点合金和聚合物粘合剂，该聚合物粘合剂占总混合物的约5-15％。通过聚合物组分的局部激光熔化逐层构建预制件部分，其快速地再固化并结合金属颗粒。通过在真空炉中加热，例如在低气压下加热至300℃至500℃，从预制件部分除去聚合物粘合剂。在消除聚合物粘合剂和随后通过受控热处理致密化期间，预制件部分可能需要机械支撑。致密化在高于低熔点合金熔点但低于贱金属合金熔点的温度下进行，以产生瞬间液相烧结，使部件接近全密度所需的形状和所需的尺寸公差。

可以对致密化部分进行最终热等静压(HIP)以封闭残余孔隙并完成部件的化学均匀化。消除残余孔隙改善了部件的疲劳性能，并且均匀化改善了环境温度下的延展性、韧性和高温强度。该工艺的一个优点是无需特殊工具或机加工操作可以快速生产复杂形状的金属原型，并完成小批量生产的高成本金属部件。

DE 102012107297 A1描述了一种用于施加、硬化和表面处理粉末材料的工作方法，粉末材料例如是可以与陶瓷材料结合的金属材料，在建造区域上，通过常压下、保护气体气氛或真空下通过激光束生产三维工件。在这种情况下，建造区域和/或工件和/或一个或多个激光头可以三维地移动、枢转或旋转。通过一个或多个激光头将一个、两个或更多个激光束馈送到建造区域上方的工作空间中。

输入的单个粉末材料、液体或粘合剂存储在打印头或喷头本身的各个腔室中或者缓存，或者它们也可以通过馈送线与外部布置的存储容器分开馈送。

将一种、两种或更多种粉末材料或粉末材料混合物送入建造区域，并通过打印头或喷头将工作空间置于其上方，或

通过打印头或喷头，在建造区域或工件上引入另外的支撑材料，或

将液体或粘合剂引入一种或多种粉末材料中或施加到粉末材料上，一个或多个粉末材料的涂覆层在它们撞击工件表面的同时或者随后借助于一个或多个激光束完全硬化和/或处理。重复上述工作步骤直到工件已经建立，和/或借助激光束进行进一步的后处理。

CN 106392067 A公开了一种基于湿法铺粉的选择性激光熔融设备及其打印工艺。该设备主要由成型腔和储料罐、气压脉冲发生装置和气体循环装置组成，所述成型腔设有内部设置的刮粉装置、送料罐和基板。

打印过程包括以下步骤：

(1)料浆配制；

(2)料浆存储--一旦料浆转移到储料罐后，将罐内气体采用惰性气体进行吹扫置换，定时搅拌防止料浆沉降；

(3)料浆供给--储料罐中的料浆在搅拌的情况下通过压力引入到成形腔内的送料罐中；

(4)料浆扩散--通过设置气压脉冲发生装置的压力值和压力脉冲时间、压力脉冲持续时间，将一定量的料浆从送料罐底部通过小孔沉积到位于送料罐下方的基板表面上，采用刮刀铺粉在基板上获得均匀的薄层料浆；

(5)料浆干燥--将基板的温度升高并控制在例如70℃。料浆中的水分迅速蒸发并被除去，使粉末留在基板上，水蒸气在气体循环系统中迅速被吸收并被除去，干燥气体返回到成形腔；以及

(6)激光加工--根据固定路径熔化粉末，以获得单层致密块体。

根据本发明提供的选择性激光熔化装置和打印工艺，解决了粉末由于流动性差而不能用于选择性激光烧结或熔化过程的技术问题。关于粉末制备过程的设备的要求大大简化，并且选择性激光烧结或熔化的总生产成本降低。

作为基于激光的增材工艺的替代方案，中国技术科学期刊(2014)57:1721https://doi.org/10.1007/s11431-014-5583-4，公开的Wang，L.和Liu，J写的技术文章“用于低熔点合金墨水快速制造导电金属物体的液相3D打印”，提出了用于快速生产金属物体的液相3D打印。引入熔点略高于室温的金属合金作为印刷油墨使得可以快速生产从一维、二维和三维到更复杂图案的结构。在这种情况下，可能包含镓、铋和铟基的合金与铜和银颗粒混合的熔化的金属通过滴落或喷射引入冷却液中。与传统3D打印中的空气冷却相比，所谓的液相生产提供了更大的冷却能力，并因此显著提高了金属物体的生产率。该方法还有效地防止金属印刷油墨在空气中氧化，这在传统的3D印刷中难以避免。还描述了明显影响印刷质量的许多重要物理因素(例如冷却流体的性质、注射速率和针直径、印刷油墨的类型和性质等)。此外，还提出了生产配备有注射泵和针头布置的未来液相3D打印机的基本方法。

鉴于所呈现的现有技术，在金属材料的3D打印领域仍存在改进的空间。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单的用于金属材料的3D打印机，用于执行3D打印过程，通过该3D打印过程可以提高金属材料的物体的生产率。

根据本发明，该目的通过一种具有权利要求1的特征的用于生产含金属物体的增材制造方法来实现。该目的还通过根据权利要求7的用于生产含金属物体的3D打印装置来实现。此外，各个从属权利要求公开了本发明的特别有利的改进。

应该指出的是，在下面的描述中单独呈现的特征和措施可以以任何期望的、技术上有意义的方式彼此组合，并且示出了本发明的进一步改进。特别地结合附图来对本发明另外的特征进行描述和说明。

根据本发明的用于生产含金属物体的增材制造方法的特征在于至少包括以下步骤：

--在进料容器中提供含有液体的金属物质混合物；

--通过布置在衬垫上方的进料容器的至少一个可控出口开口与处理空间之间暂时产生流体连接，以对应于所需几何形状的方式将预定量的含有液体的金属物质混合物施加到抽空的处理空间内的水平衬垫上；

--等待所施加的含有液体的金属物质混合物的液体组分蒸发的等待时间；以及

--通过沿至少一个预定路径的激光束至少部分地熔化所施加的金属物质混合物的金属组分；以及

--重复这些步骤，直到完成要生产的物体。

根据本发明的方法结合了许多优点。一方面，与现有技术相比，可以省去用于干燥所施加的金属物质混合物的加热装置。另一方面，在施加含有液体的金属物质混合物的步骤中，可以省去压力产生装置，因为该步骤可以通过在任何情况下在进料容器中的压力和抽空的处理空间中的压力之间存在的正压差来控制。通过省去这些部件，可以实现用于执行该过程的紧凑结构的生产装置，该生产装置也可以用较少数量的部件生产。

可以认为另一个优点是，通过蒸发含有液体的金属物质混合物的液体组分，可以在待生产物体的位置实现特别有效的冷却，从而可以实现更高的生产率。

此外，使用含有液体的金属物质混合物可以避免操作者与常规方法中使用的潜在有害金属粉末接触，由此可以提高工作安全性。

含有液体的金属物质混合物可以取决于物质混合物中的金属组分的颗粒尺寸，形成为悬浮液(粒径通常在1μm和100μm之间)或作为分散体(粒径小于1μm)。

可以由承载板或待生产的物体已经生成的层形成水平衬垫。

含有液体的金属物质混合物的金属组分的至少部分熔化可以例如通过烧结以相对较低的激光能量来进行或通过选择性激光熔化(SLM)以相对较高的激光能量来进行。

在优选的实施方案中，制造方法包括以下附加步骤，在施加含有液体的金属物质混合物的步骤之前进行一次：

--用惰性气体吹扫处理空间；以及

--将处理空间抽空至小于100Pa，优选20Pa的压力，

直到位于处理空间中的气体主要包含惰性气体。

术语“主要”在本发明的上下文中意指特别是该物质的比例大于50％，优选大于70％，特别优选大于90％。特别地，该术语旨在包括气体完全由惰性气体组成的可能性，即100％。

惰性气体可以有效地防止含有液体的金属物质混合物的金属组分的潜在氧化。

惰性气体例如可用氩气、氮气、一种或多种稀有气体或这些气体的混合物。

提供含有液体的金属物质混合物的步骤优选包括使用水作为含有液体的金属物质混合物的主要液体组分。结果，可以更容易地满足现有的安全要求，例如关于可燃性和/或防爆性。此外，当主要使用水时，由于含有液体的金属物质混合物的液体组分的蒸发而产生的上述冷却效果特别明显，这是由于其大量蒸发热为2257kJ/kg。

在优选实施例中，制造方法包括以下附加步骤：

--通过用另外的激光束照射来辅助含有液体的金属物质混合物的液体组分的蒸发，激光束的光学波长是根据含有液体的金属物质混合物的液体部分的最大吸收来选择的。

以这种方式，可以缩短必须等待直到含有液体的金属物质混合物的液体组分蒸发的等待时间，并且因此可以加速整个制造过程。

优选地，施加含有液体的金属物质混合物的步骤包括使用打印头或喷嘴头。以这种方式，通过适当选择打印头或喷嘴头，含有液体的金属物质混合物可以以特别均匀的方式施加在水平衬垫上。

如果施加步骤包括使用刮刀，则可以以类似的方式实现含有液体的金属物质混合物的特别均匀的施加。

在本发明的另一方面，提出了一种用于根据本发明的制造方法生产含金属物体的3D打印装置。3D打印装置包括：

--能够保持真空的处理空间，其中水平承载板布置在处理空间中；

--至少一个用于提供含有液体的金属物质混合物的进料容器，其具有至少一个可控出口开口，用于交替地建立和阻塞进料容器和处理空间之间的流体连接；

--至少一个激光器，其具有激光产生装置和用于产生可定向激光束的光束引导装置；以及

--电子控制单元，其至少用于控制可控出口开口、激光器的激光产生装置和光束引导装置。

术语“用于”意指在本发明的上下文中，特别地为其编程、设计或安排。

借助于所提出的3D打印装置，可以以有利的方式执行根据本发明的用于生产含金属物体的制造方法。结合根据本发明的制造方法提到的优点可以完全转移到所提出的3D打印装置。

在3D打印装置的优选实施例中，进料容器的至少一个可控出口开口形成为能够承受分散压力或悬浮压力的打印头或喷嘴头，或者与这些中的一个流体连接。结果，可以有利地实现关于至少一个可控出口开口相对于进料容器的布置的设计自由度。

优选地，3D打印装置包括布置在处理空间中的扩散装置，该扩散装置包括至少一个刮刀，利用该刮刀，预定量的含有液体的金属物质混合物可以特别均匀地铺展到水平承载板上，由此可以实现物体生产中的紧密公差。

在优选实施例中，3D打印装置配备有附加激光器，其具有激光产生装置和用于产生可定向激光束的光束引导装置，激光束的光学波长是根据含有液体的金属物质混合物的液体组分的最大吸收来选择的。结果，可以辅助含有液体的金属物质混合物的液体组分的蒸发，因此可以加速含金属物体的生产。

附图说明

在从属权利要求和附图的以下描述中公开了本发明的进一步有利的改进，附图中：

图1示出了根据本发明的3D打印装置的示意图；以及

图2示出了根据本发明的用于生产含金属物体的方法的流程图。

具体实施方式

在各个图中，相同的部件始终具有相同的名称，因此它们通常也仅描述一次。

图1示出了根据本发明的用于生产含金属物体的3D打印装置的可能实施例的示意图。

3D打印装置10包括处理空间12，处理空间12能够保持真空，具有基本上立方体的形状并且固定在框架结构44中。处理空间12的前侧形成为具有玻璃窗的铰接门，以允许进入和观察处理空间12。铰接门可以通过螺栓连接装置锁定。在这种状态下，弹性密封元件以本身已知的方式布置在铰接门和处理空间12的端面之间。

处理空间12具有布置在处理空间12的壁上的多个引入件32、40、42。在限定处理空间12的侧壁中的第一引入件32在外侧以第一管道34延续。利用第一管道34，可以在处理空间12和真空泵46之间建立流体连接。在处理空间12和真空泵46之间，在第一管道34的各部分之间设置阀门装置36，例如包括3/2向阀门，利用该3/2向阀门可选地建立或阻挡处理空间12和真空泵46之间的流体连接，或者可以建立与处理空间12的外部空间38的流体连接以允许空气进入处理空间12。

第二引入件40布置在限定处理空间12的天花板中并且在外侧以第二管道延续。利用第二管道，可以与布置在处理空间12上方的用于接收液体的存储容器28建立流体连接，该流体连接被引导到存储容器28的下侧。存储容器28用于存储含有液体的金属物质混合物，该混合物用于在基本上对应于常压下生产含金属物体16。在该具体实施方案中，含有液体的金属物质混合物的固体组分由过共晶铝硅合金组成，其由平均粒度为约20μm的粉末组成，含有液体的金属物质混合物的液体组分由水组成。

第三引入件42同样布置在限定处理空间12的天花板中并且在外侧以第三管道继续。利用第三管道，可以与布置在处理空间12上方的用于接收气体的压力存储容器30建立流体连接。压力存储容器30用于存储惰性气体，其例如主要包括氮气与氩气的混合物。

本申请中使用的术语“第一”、“第二”等仅用于区分的目的。特别地，其使用并不意味着暗示与这些术语一起引用的对象的任何顺序或优先级。

在3D打印装置10的处理空间12中固定地布置有水平的平面承载板14，其用于机械地支撑待生产的物体16。

在处理空间12中布置在承载板14上方的是进料容器18，其可以通过可激活机构(未示出)在彼此垂直的三个空间方向(上下、左右、前后)上移动。进料容器18以柔性方式与第二引入件40流体连接，用于从存储容器28接收和提供含有液体的金属物质混合物。

进料容器18在面向承载板14的下侧上具有可控出口开口，该出口开口与能够承受悬浮压力的喷嘴头20流体连接。可控出口开口用于交替地建立和阻挡进料容器18和处理空间12之间的流体连接。

3D打印装置10还包括具有激光产生装置和用于产生可定向激光束的光束引导装置的激光器22。在该具体实施例中，产生激光束的激光产生装置固定地连接到进料容器18，因此，可激活机构可以移动进料容器18和激光产生装置，以在彼此垂直的三个空间方向上产生可定向的激光束。

在替代实施例中，激光器22可以例如固定在限定处理空间12的天花板上，使得进料容器18的运动和可定向激光束的运动彼此独立。

3D打印装置10还包括电子控制单元24，其布置在框架结构44中处理空间12的外部。电子控制单元24用于控制进料容器18的可控出口开口，用于控制激光器22，特别是激光产生装置，并且用于控制双功能的可激活机构以移动进料容器18和作为激光器22的光束引导装置。为此目的，在电子控制单元24和待激活的部件之间设置连接线，该连接线以本身已知的方式由处理空间12的限制壁上的真空引线制成，并且，出于整体清晰的原因，未在图1中示出。

电子控制单元24包括微控制器，微控制器包括处理器单元和数字数据存储单元，处理器单元具有数据访问权。对于操作员控制并且例如参数的输入和消息的显示，电子控制单元具有带有输入和显示单元26的人机界面(HMI)。

下面基于图1和2描述根据本发明的用于通过使用3D打印装置10生产含金属物体16的增材制造方法的一个可能实施例。该方法的流程图如图2所示。

电子控制单元24用于该方法的半自动执行，并且为此目的，包括一个软件模块，用于自动执行该方法的各个步骤，以可执行程序代码的形式执行这些处理步骤，可执行程序代码存储在电子控制单元24的微控制器的数字数据存储单元中，并且可以由电子控制单元24的微控制器的处理器单元执行。

在准备执行该方法时，假设所涉及的所有装置和组件都处于根据图1的操作就绪状态。

在该方法的准备步骤50、52中，用惰性气体吹扫处理空间12，并通过真空泵46抽空52至例如小于100Pa，优选20Pa的压力，直到位于处理空间12中的气体主要(例如90％)包括惰性气体。

在该方法的另一步骤54中，含有液体的金属物质混合物通过重力作用在常压下从存储容器28中提供到进料容器18中。在进一步的步骤56中，将预定量的含有液体的金属物质混合物以对应于所需几何形状的方式施加到真空处理空间12内的水平衬垫上。在该过程开始时，施加发生在承载板14上，作为水平衬垫。在物体16的生产的进一步过程中，施加发生在待生产的物体16的已经生产的层上，作为水平衬垫。

施加含有液体的金属物质混合物的步骤56通过在进料容器18的可控出口开口并且因此喷嘴头20与处理空间12之间暂时建立流体连接来进行，所述可控出口开口布置在衬垫上方。由于处于常压下的进料容器18与抽空的处理空间12之间的压力差，含有液体的金属物质混合物通过喷嘴头20输送到水平衬垫上。悬浮液可具有糊状稠度。

由于处理空间12已被抽真空，所以在施加含有液体的金属物质混合物的步骤56之后立即蒸发液体组分，例如水。由于水的蒸发热(2257kJ/kg)很大，水平衬垫在该位置被有效冷却。

在3D打印装置配备有刮刀的替代实施例中，施加含有液体的金属物质混合物的步骤可包括使用刮刀。

该方法的下一步骤58是等待所施加的含有液体的金属物质混合物的液体组分蒸发的等待时间。等待时间可以是预定的、恒定的等待时间，然而，它也可以以预定方式依赖于施加步骤56的参数。

在包括附加激光器的3D打印装置的替代实施例中，可以通过以下方式缩短等待时间，附加的激光束用于照射所施加的含有液体的金属物质混合物以辅助液体组分的蒸发，基于含有液体的金属物质混合物的液体部分的最大吸收来选择附加激光的光学波长。

在方法60的另一步骤中，所施加的金属物质混合物的剩余金属组分通过激光器22的激光束沿预定路径部分熔化，由此形成与承载板14的连接或与待生产的物体16的已经形成的层的连接。

所述的步骤，从提供含有液体的金属物质混合物的步骤54到要生产的物体16的完成，都是可重复的。

附图标记列表：

10 3D打印装置

12 处理空间

14 承载板

16 物体

18 进料容器

20 喷嘴头

22 激光器

24 电子控制单元

26 输入和显示单元

28 存储容器(液体)

30 压力存储容器(气体)

32 第一引入件

34 第一管道

36 阀门装置

38 外部空间

40 第二引入件

42 第三引入件

44 框架结构

46 真空泵

方法步骤：

50 用惰性气体吹扫处理空间

52 抽空处理空间

54 在进料容器中提供含有液体的金属物质混合物

56 在水平衬垫上施加预定量的含有液体的金属物质混合物

58 等待所施加的含有液体的金属物质混合物的液体组分蒸发的等待时间

60 部分熔化金属的组分