阅读说明：本技术 用于增材制造三维物体的设备 (Apparatus for additive manufacturing of three-dimensional objects ) 是由 马丁·普罗伯斯特 彼得·埃皮尔 约亨·马尔 约翰尼斯·斯特雷纳 丹尼尔·隆美尔 于 2019-07-25 设计创作，主要内容包括：一种设备(1),用于借助于构建材料(3)的层的连续分层选择性照射和固结来增材制造三维物体(2,2’),构建材料(3)的层能够借助于能量源固结,设备(1)包含适配成在设备(1)的处理室(5)内部产生气体流(7,7’)的流动产生装置(6),其中,流动产生装置(6)适配成控制与气体流(7,7’)的成分相关的至少一个参数。(An apparatus (1) for additive manufacturing of a three-dimensional object (2, 2 ') by means of successive layered selective irradiation and consolidation of layers of a build material (3), the layers of the build material (3) being capable of being consolidated by means of an energy source, the apparatus (1) comprising a flow generating device (6) adapted to generate a gas flow (7, 7 ') inside a processing chamber (5) of the apparatus (1), wherein the flow generating device (6) is adapted to control at least one parameter related to a composition of the gas flow (7, 7 ').)

用于增材制造三维物体的设备

技术领域

本发明涉及一种用于借助于构建材料的层的连续分层选择性照射和固结来增材制造三维物体的设备，构建材料的层可以借助于能量源固结，该设备包含适配成在设备的处理室内部产生气体流的流动产生装置。

背景技术

从现有技术中大体已知用于增材制造三维物体的设备，其中构建材料可以选择性地固结，以按分层连续方式形成三维物体。一般，提供流动产生装置用于在设备的处理室(即，执行增材制造处理的室)内部产生气体流。

通常，气体流是或者包含惰性气体，用于使处理室内部成惰性的，并且用于将在增材制造处理中产生的残余物输送出处理室，以避免这种残留物负面地影响增材制造处理。因而，在现有技术中使用流动产生装置，以将气体流中的杂质(诸如，气态成分)减少到最小，该杂质可能与处理室内部的构建材料(诸如，氧)反应。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于增材制造三维物体的设备，其中，改进了气体流的供给。

该目的通过根据权利要求1的设备创造性地实现。本发明的有利实施例从属于从属权利要求。

文中描述的设备是一种用于借助于粉末状构建材料(“构建材料”)的各层的连续选择性分层固结来增材制造三维物体(如，技术性部件)的设备，构建材料的层可以借助于能量源(如，能量束，特别地，激光束或电子束)来固结。相应构建材料可以是金属、陶瓷或聚合物粉末。相应能量束可以是激光束或电子束。比如，相应设备可以是其中分离地执行构建材料的施加和构建材料的固结的设备，诸如选择性激光烧结设备、选择性激光熔化设备或选择性电子束熔化设备。替代地，可以经由至少一个粘合材料执行构建材料的连续分层选择性固结。粘合材料可以利用对应的施加单元施加，并且例如利用合适的能量源(如UV光源)照射。

该设备可以包含在其操作期间使用的数个功能单元。示范性功能单元是处理室、照射装置和流动产生单元，照射装置适配成利用至少一个能量束来选择性地照射安置在处理室中的构建材料层，流动产生装置如前所述适配成产生具有给定流动性质(如，给定流动轮廓、流动速度等)并至少部分地流经处理室的气态流体流。气态流体流在流经处理室的同时，尤其能够被充注有未固结颗粒状构建材料(特别地，在装置操作期间产生的烟或烟残余物)。气态流体流一般是惰性的，即，一般是惰性气体(如，氩、氮、二氧化碳等)流。

本发明基于下述思想：流动产生装置适配成控制与气体流的成分相关的至少一个参数。在本申请的范围中的“参数”也可以称之为环境参数，因为该参数与流经处理室的气体流的成分直接相关，因此，控制或限定处理室内部的环境。因而，创造性地实现可以通过控制与气体流的成分相关的至少一个参数来调整或控制气体流的成分。相应地，可以经由流动产生装置直接影响气体流如何组成或者直接影响的气体流的若干成分。因此，流动产生装置可以包含适配成控制参数的控制单元，或者可以与这种控制单元连接。例如，流动产生装置可以从控制单元接收相应信号，使得流动产生装置适配成控制气体流的成分。

如前所述，气体流可以包含若干成分，特别地，惰性气体，诸如氩或氮或二氧化碳。比如，还可以是，流动产生装置可以添加可以与构建材料相互作用或反应的其他成分。因而，代替仅仅净化惰性气体(即，从气体流去除除了惰性气体以外的所有其他成分)，创造性地实现可以具体地添加或从气体流去除(气态)聚集物。因此，可以调整气体流的成分，以实现气体流(例如，气体流的成分)对增材制造处理的所需影响。

例如，随着构件材料在增材制造处理中被选择性地固结，具有限定成分(如，包含至少一个成分的特定浓度)的气体流可以影响构建材料的固结行为。通过控制参数并以此控制气体流的成分，可以直接影响在固结处理中构建材料的固结行为。进一步，通过控制参数，可以控制在增材制造处理中增材构建的三维物体的性质，因为气体流的成分同样限定三维物体的(机械或化学)性质。于是，通过控制气体流的成分(如，通过将特定成分添加到气体流，因此，将成分添加到构建材料在其下固结的环境)，可以精确地控制物体的性质(诸如，物体的延展性或硬度)。

优选地，流动产生装置可以适配成控制气体流的化学成分，特别地，适配成调整气体流的限定化学成分。如前所述，流动产生装置可以包含将成分添加到气体流或从气体流去除以调整或控制气体流的化学成分的手段。有利地，流动产生装置可以适配成调整气体流的限定化学成分，例如，用于实现三维物体的限定性质需要的气体流的化学成分。

可以在增材制造处理中控制氧的比率(例如，使用钛(合金)作为构建材料)。还可以在气体流中使用氮，例如，如果使用钢作为构建材料的话。比如，通过控制增材制造处理中氧的比率，可以定制物体的性质(诸如，延展性、硬度或拉伸强度)。通过在气体流中提供低氧含量，可以增加物体的延展性，而可以使用更高的氧含量，以实现物体的更高硬度。因而，通过调整气体流的化学成分，可以实现物体的具体定制的机械或化学性质。

本发明设备可以进一步改进于，流动产生装置可以适配成控制气体流的至少一个成分(特别地，气态成分)的浓度。因此，本发明设备的流动产生装置可以适配成控制气体流的至少一个成分的浓度，例如，增加成分关于整个气体流的浓度。因而，可以将气态成分添加到气体流(即，添加到处理室内部的环境)，以此增加相应成分的量或比率。还可以减少气体流的气态成分(例如，通过将其他成分添加到气体流)，并且以此替换需要减少的成分。还可以停止将气态成分添加到气体流(或减少气体流中气态成分的浓度)，并且利用缺少相应气态成分的气体流冲洗处理室。

根据本发明设备的另一实施例，流动产生装置可以适配成时间上和/或空间上控制参数，特别地，气体流的至少一个成分的浓度。因此，可以改变气体流的成分(特别地，气体流的至少一个成分随时间的浓度)，其中，替代地或附加地，可以局部地控制参数，即，对于处理室内部的两个不同位置或区域，不同地改变或控制参数。通过时间上控制参数(即，时间上控制气体流的成分)，对于限定时间段(如，时间窗口)，可以调整气体流的限定(化学)成分，例如，对于物体的一部分(例如，限定数目的层)的增材制造处理(特别地，照射处理步骤)。例如，可以增加气体流的至少一个成分的浓度，用于照射至少一个层，其中，在已照射层之后，可以再次减少相应成分的浓度。

通过空间上控制参数(即，局部地控制处理室内部的气体流的成分)，可以对于处理室内部的特定区域或在处理室内部的特定区域中调整气体流的限定(化学)成分。因而，对于物体的同一层的不同区域，可以产生不同环境，使得物体的不同区域在不同条件下(特别地，在不同环境下)制造。因而，物体的机械性质还可以局部地变化，允许物体的局部地“定制的”性质。

流动产生装置可以有利地适配成，对于构建材料的至少两个层，不同地控制参数，特别地，气体流的至少一个成分的浓度。因而，可以时间上和/或局部地改变气体流的成分，使得在不同条件下(特别地，在不同环境下)照射构建材料的至少两个层，造成与至少两个层相关的那些区域中的物体的不同(机械)性质。例如，利用包含第一成分的气体流照射物体的第一区段，而利用包含第二成分的气体流照射物体的第二区段。因而，物体的第一区段将包含第一(机械或化学)性质，而物体的第二区段包含第二(机械或化学)性质。于是，可以随物体的高度改变物体的性质，其中，气体流的成分的改变可以时间上和/或局部地执行。所得物体可以包含与复合部件相似的结构，因为物体由包含不同机械或化学性质的至少两个层(特别地，多个层)构建。

特别地，可以对于限定数目的层(特别地，分层)交替地控制参数，例如，改变气体流的成分。因而，对于一组层或每一层，可以(例如，交替地)不同地调整参数。因而，可以在增材构建的物体中组合和实现两个机械性质，诸如，将具有高延展性的层与具有较高硬度的层等等组合，以具体定制所得三维物体的性质。

根据本发明设备的另一实施例，流动产生装置可以适配成，对于同一层的至少两个区域，不同地控制参数，特别地，气体流的至少一个成分的浓度。因而，附加地或替代地，可以不同地调整在同一层的两个以上区域上流动的气体流的成分。于是，对于同一层的至少两个区域不同地控制参数，允许单独地定制对应层的区域中的物体的性质。因此，物体的性质不仅可以随物体的高度定制，而且可以针对每一组层、针对每一层在空间上定制。

流动产生装置可以进一步适配成，对于物体的芯区域和壳区域，不同地控制参数，特别地，气体流的至少一个成分的浓度。根据该实施例，可以对于物体的芯区域和壳区域，不同地控制物体的性质。物体的芯区域视为与物体的内体积有关的区域，而物体的壳区域可以视为围绕芯区域的区域。例如，可以控制参数，使得在芯区域的照射期间，可以与壳区域的照射不同地控制气体流的至少一个成分的浓度。

比如，在照射芯区域时，与壳区域的照射相比，可以减少气体流的至少一个成分的浓度，而在照射壳区域时(与芯区域的照射相比)，可以增加同一或另一成分的浓度。例如，如果照射钛合金，则可以通过降低气体流中的氧含量来实现物体的芯区域中更高的延展性，而在表皮或壳区域的照射期间，可以通过增加气体流中的氧含量来实现更高的硬度。因而，可以具体地和单独地调整(“定制”)芯区域和壳区域中的物体的性质，以实现物体的所需性质(例如，芯区域中延展性更高，壳区域中硬度更高)。

流动产生装置可以进一步适配成，对于至少第一照射步骤和至少第二照射步骤，不同地控制参数，特别地，气体流的至少一个成分的浓度。对于至少两个(顺序)照射步骤不同地控制参数允许在不同条件下(特别地，在不同环境下)照射同一或不同层中的结构。因而，可以由此单独调整在不同环境下(特别地，在不同气体流下)照射的那些结构的性质。特别地，可以利用包含第一成分的气体流执行第一照射步骤，其中，可以利用包含第二成分(特别地，不同于第一成分)的气体流执行第二照射步骤。

因而，在第一照射步骤完成之后，流动产生装置可以增加或减小气体流的一个以上成分，以调整所需的第二成分，其中，可以在包含第二成分的气体流在构建材料的相应区域上流动时执行第二照射步骤。还可以同步地执行第一照射步骤和第二照射步骤，其中，例如，照射步骤被执行，局部地限制于同一构建平面的两个不同区域中，其中，对于两个区域，不同地产生气体流。

优选地，流动产生装置可以适配成将成分(特别地，气态成分)添加到气体流。例如，可以将气态成分(诸如氧和/或氮和/或碳(如二氧化碳))添加到气体流。优选地，每种气态成分的浓度的控制可以依据在增材制造处理中使用的构建材料(例如，钢、钛、铝等等)来执行。因为可以相应地添加到气体流或从气体流中去除的不同聚集物包含对构建材料和构建材料的固结行为的不同影响，所以，可以定制当前照射的物体的对应区域中的物体的(机械或化学)性质。

本发明设备可以进一步改进于，流动产生装置可以适配成将(气态)成分添加到处理室内部或外部的气体流，特别地，添加到布置在处理室外部的至少一个管道或通道中，或者，经由布置在处理室内部的开口(特别地，孔口)添加。因而，可以将成分添加到处理室外部的气体流，例如，添加到气体流被引导通过的流体产生装置的管道结构或通道结构中，其中，气体流的功能组分例如可以经由阀与特定成分的贮存器连接。通过控制阀，可以控制添加到气体流的气态成分的体积，因此控制气体流中成分的浓度。

还可以具有延伸到处理室中的开口(特别地，孔口)，允许直接在处理室内部增加气体流的成分的浓度(例如，局部地调整气体流的成分)。还可以是，进口和对应出口可以设置成在构建平面上移动，其中构建材料施加在构建平面中以被照射。于是，可以在必须照射的区部上移动对应进口和出口，其中，包含限定成分的气体流可以在进口和出口之间流动，允许局部地调整环境的成分，使得可以在该特定环境下照射对应进口和出口下方的区域。

根据本发明设备的另一实施例，流动产生装置可以适配成确定参数(特别地，气体流的成分)并且控制该参数，特别地，依据确定的参数控制气体流的至少一个成分的浓度。因而，与气体流的成分相关的参数的闭环控制是可行的，其中，流动产生装置可以确定参数(例如，气体流的成分)，并且(例如)经由对气体流的至少一个成分的浓度的调整来控制气体流的成分。因而，可以通过改变气体流的至少一个成分(例如，增加或减少气体流的成分的比率)来控制处理室中的环境，以调整流经处理室的至少一个区域的气体流的限定化学成分。如前所述，对于至少两个照射步骤，可以时间上和/或在空间上不同地执行闭环控制。

本发明设备的流动产生装置可以进一步适配成调整与最小值偏离的气体流的至少一个成分(特别地，每一成分)的浓度。因而，流动产生装置不仅适配成将气体流的特定成分减少到最小值，特别地，从气体流中去除特定成分，而且如前所述，例如可以通过将气态成分添加到气体流来调整与最小值偏离的气体流的至少一个成分的浓度。调整气体流的至少一个成分(特别地，每一成分)的浓度允许调整气体流的特定化学成分，而不仅仅是通过从气体流去除不希望的成分来“净化”惰性气体流，如从现有技术中已知的。

此外，本发明涉及一种用于设备(特别地，如前所述的本发明设备)的流动产生装置，该设备用于增材构建三维物体，其中，流动产生装置适配成控制与气体流的成分相关的至少一个参数。

进一步，本发明涉及一种用于操作至少一个设备(特别地，如前所述的本发明设备)的方法，至少一个设备用于借助于构建材料的层的连续分层选择性照射和固结来增材制造三维物体，构建材料的层可以借助于能量源固结，该设备包含适配成在设备的处理室内部产生气体流的流动产生装置，其中，控制与气体流的成分相关的至少一个参数。

当然，相对于本发明设备描述的所有细节、特征和优势能够全面转移到本发明流动产生装置和本发明方法。

附图说明

参考附图描述本发明的示范性实施例。附图是示意性示图，其中

图1示出根据第一实施例的本发明设备；以及

图2示出根据第二实施例的本发明设备。

具体实施方式

图1示出用于借助于构建材料3的层的连续分层选择性照射和固结来增材制造的三维物体2的设备1，构建材料3的层可以借助于能量源(诸如，能量束4，4’)固结。设备1包含执行增材制造处理的处理室5，其中，提供流动产生装置6，用于产生流经设备1的处理室5的气体流7。

流动产生装置6适配成，例如通过控制气体流7中的一个以上成分的浓度(如，将气态成分添加到气体流7)来控制气体流7的成分。特别地，流动产生装置6适配成将氧、氮和二氧化碳选择性地添加到气体流7。随着气体流7在构建平面8上流动，气体流7限定构建材料3在其下固结以形成物体2的环境，其中构建材料3分层施加在构建平面8中，以经由能量束4，4’照射。

通过调整气体流7的化学成分，可以调整构建材料3在其下固结的环境，以此直接影响构建材料3的固结行为，这造成物体2的机械和化学性质的控制或调整。换言之，在照射构建材料3时，可以通过调整在构建平面8上流动的气体流7的化学成分来“定制”物体2的机械和化学性质。

根据图1中描绘的第一示范性实施例，物体2包含两个区域9，10，其中，在该示范性实施例中，相应地，区域9可以称之为“芯区域”，区域10可以称之为“壳区域”或“表皮区域”。当然，还可以与图1中描绘的实施例不同地，任意地布置两个区域9，10。可以实现，区域9，10中的物体2的机械和化学性质彼此不同，其中，在照射特定区域9，10时，可以通过调整在构建平面8上流动的气体流7的成分，在不同条件下(特别地，在不同环境下)执行照射步骤，上述照射步骤照射构建材料3的若干层，其形成物体2的区域9，10。因而，经由调整的气体流7的成分来调整形成区域9，10的构建材料3的固结行为。

例如，在经由能量束4照射布置在构建平面8中的构建材料3的实际层的区域9时，可以经由流动产生装置6调整气体流7的第一化学成分。于是，在具有第一化学成分的气体流7在区域9上流动时，照射区域9中的构建材料3。在构建材料3的实际层的区域9的照射完成之后，可以经由流动产生装置6调整气体流7的成分，例如，调整气体流7的第二成分。在例如经由能量束4’照射第二区域10时，具有第二成分的气体流7在构建平面8上流动。当然，可以对于形成由第一区域9和第二区域10构成的物体2的构建材料3的每个层，重复该程序。

例如，钛合金用作构建材料3，其中，在相应地照射区域10(即，表皮区域或壳区域)时，可以将氧添加到气体流7。在照射区域9(即，芯区域)时，可以再次减少氧含量。这造成芯区域与表皮区域相比更高的延展性，以及表皮区域与芯区域相比更高的硬度。因而，可以视需要，经由气体流7的成分相应的调整和控制来定制物体2的机械性质。

流动产生装置6进一步与控制单元11连接，控制单元11适配成确定与气体流7的成分相关的参数，特别地，确定气体流7的若干成分的浓度。为了执行气体流7的成分的确定，控制单元11与气体传感器12连接，气体传感器12适配成确定气体流7的若干成分的浓度。

图2示出大体以与图1中描绘的设备1相同的方式构建的设备1，因此，使用相同的参考符号。设备1包含流动产生装置6，流动产生装置6在(例如)布置于构建平面8的相对侧的进口和出口之间产生气体流7。根据图2中描绘的示范性实施例，两个物体2，2’将要在增材制造处理中被制造。例如，照射装置适配成产生两个能量束4，4’，其中，还可以产生一个能量束4，4’，用于制造两个物体2，2’。增材构建物体2，2’的构建平面8的区域9，10，也可以视为不同区域9，10，如前所述。

再次，流动产生装置6适配成调整流经处理室5(特别地，在构建平面8上流动)的气体流7的成分。可以时间上调整气体流7的成分。进一步，设备1(特别地，流动产生装置6)包含流动产生单元13，流动产生单元13例如包含开口，诸如孔口。因此，比如，流动产生单元13提供布置在共同框架上的流进口14和流出口15。流动产生单元13可以相对于构建平面8移动到构建材料3必须被照射的区域9，10。在该示范性实施例中，流动产生单元13移动到物体2’的位置(即，区域9)，以关于气体流7，7’的化学成分提供与气体流7不同的气体流7’。

换言之，流动产生单元13允许经由对气体流7’的成分的调整来局部地调整处理室5中的环境的成分，例如，通过添加或去除气体流7’的成分，以“定制”在构建平面8(特别地，在物体2’被照射的构建平面8的区域9)上的环境。与此同时，流动产生装置6适配成调整在构建平面8(特别地，经由能量束4’照射物体2的构建平面8的区域10)上流动的气体流7的成分。

进一步，可以视需要时间上和空间上调整气体流7，7’的成分。例如，气体流7，7’的成分的分层调整是可行的。特别地，可以对于构建材料3的至少两个层和/或对于构建材料3的同一或不同层的至少两个区域9，10，不同地控制气体流7，7’的成分。如前面相对于芯和壳照射或者不同地照射区域9，10描述的，还可以具有两个不同的照射步骤，其中，可以对于至少两个不同的照射步骤，不同地控制气体流7，7’的至少一个成分的浓度。于是，通过控制气体流7，7’的成分，可以“定制”物体2，2’的机械和化学性质。不言而喻，流动产生单元13可以相对于构建平面8(如，区域9，10)移动到任何任意位置。

当然，本发明方法可以在本发明设备上执行，优选地，使用本发明流动产生装置。相对于个实施例描述的所有细节、特征和优点可以任意地组合。

本发明的进一步方面通过以下条项的主题提供：

1.一种设备(1)，所述设备(1)用于借助于构建材料(3)的层的连续分层选择性照射和固结来增材制造三维物体(2，2’)，所述构建材料(3)的层能够借助于能量源固结，所述设备(1)包含适配成在所述设备(1)的处理室(5)内部产生气体流(7，7’)的流动产生装置(6)，所述流动产生装置(6)适配成控制与所述气体流(7，7’)的成分相关的至少一个参数。

2.根据任何在前条项的设备，其中所述流动产生装置(6)适配成控制所述气体流(7，7’)的化学成分，特别地，调整所述气体流(7，7’)的限定化学成分。

3.根据任何在前条项的设备，其中所述流动产生装置(6)适配成控制所述气体流(7，7’)的至少一个成分的浓度，特别地，气态成分的浓度。

4.根据任何在前条项的设备，其中所述流动产生装置(6)适配成时间上和/或空间上控制所述参数，特别地，所述气体流(7，7’)的至少一个成分的所述浓度。

5.根据任何在前条项的设备，其中所述流动产生装置(6)适配成，对于构建材料(3)的至少两个层，不同地控制所述参数，特别地，所述气体流(7，7’)的至少一个成分的所述浓度。

6.根据任何在前条项的设备，其中所述流动产生装置(6)适配成，对于限定数目的层交替地控制所述参数，特别地，分层地控制所述参数。

7.根据任何在前条项的设备，其中所述流动产生装置(6)适配成，对于同一层的至少两个区域(9，10)，不同地控制所述参数，特别地，所述气体流(7，7’)的至少一个成分的所述浓度。

8.根据任何在前条项的设备，其中所述流动产生装置(6)适配成，对于所述物体(2，2’)的芯区域(9)和壳区域(10)，不同地控制所述参数，特别是所述气体流(7，7’)的至少一个成分的所述浓度。

9.根据任何在前条项的设备，其中所述流动产生装置(6)适配成，对于至少第一照射步骤和至少第二照射步骤，不同地控制所述参数，特别地，所述气体流(7，7’)的至少一个成分的所述浓度。

10.根据任何在前条项的设备，其中所述流动产生装置(6)适配成将成分添加到所述气体流(7，7’)，特别地，将气态成分添加到所述气体流(7，7’)。

11.根据任何在前条项的设备，其中所述流动产生装置(6)适配成将所述成分添加到所述处理室(5)内部或外部的所述气体流(7，7’)，特别地，添加到至少一个管道或通道中，或者，经由流动产生单元(13)将所述成分添加到所述处理室(5)中，特别地，所述流动产生单元(13)包含到所述处理室(5)中的开口，优选地，所述开口是孔口。

12.根据任何在前条项的设备，其中所述流动产生装置(6)适配成确定所述参数，特别地，所述气体流(7，7’)的成分，并且依据确定的所述参数控制所述参数，特别地，控制所述气体流(7，7’)的至少一个成分的浓度。

13.根据任何在前条项的设备，其中所述流动产生装置(6)适配成调整与最小值偏离的所述气体流(7，7’)的至少一个成分的浓度，特别地，每一成分的浓度。

14.一种用于设备(1)的流动产生装置(6)，所述设备(1)用于增材制造三维物体(2，2’)，特别地，所述设备(1)是如在前权利要求中任一项所述的设备(1)，所述流动产生装置(6)适配成控制与所述气体流(7，7’)的成分相关的至少一个参数。

15.一种用于操作至少一个设备(1)的方法，所述至少一个设备(1)用于借助于构建材料(3)的层的连续分层选择性照射和固结来增材制造三维物体(2，2’)，所述构建材料(3)的层能够借助于能量源固结，特别地，所述设备(1)是如权利要求1至13中任一项所述的设备(1)，所述设备(1)包含适配成在所述设备(1)的处理室(5)内部产生气体流(7，7’)的流动产生装置(6)，控制与所述气体流(7，7’)的成分相关的至少一个参数。