用于生成地制造构件的设施和方法
阅读说明：本技术 用于生成地制造构件的设施和方法 (Installation and method for the generative production of components ) 是由 D·霍尔兹 M·肖普夫 M·瓦尔特 A·S·费舍尔 M·温特尔 于 2020-01-13 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于由材料粉末生成地制造构件(2)的设施(1),具有用于构造构件(2)的构造平台(11)、用于将粉末层(12)涂覆到构造平台(11)上的至少一个涂覆区段、用于选择性地照射粉末层(12)的至少一个照射区段(17)、运输单元(7),其中运输单元(7)构造为,使构造平台(11)在设施空间(4)中沿着运输路径运动和/或移动,其中涂覆区段和照射区段(13)沿着运输路径间隔开和/或相邻。(The invention relates to a plant (1) for the generative production of components (2) from material powder, having a construction platform (11) for constructing the component (2), at least one coating section for coating a powder layer (12) onto the construction platform (11), at least one irradiation section (17) for selectively irradiating the powder layer (12), a transport unit (7), wherein the transport unit (7) is designed to move and/or move the construction platform (11) in a plant space (4) along a transport path, wherein the coating section and the irradiation section (13) are spaced apart and/or adjacent along the transport path.)
背景技术
用于由粉末状的材料粉末生成地（generativ）制造构件的设施（Anlage），该设施具有用于构造构件的构造平台、用于将粉末层涂覆到构造平台上的至少一个涂覆区段、用于选择性地照射（Bestrahlen）粉末层的至少一个照射区段。
用于添加地构造构件、例如3D打印的基于粉末床的设施在现有技术中是已知的。这种设施线性地构造，也就是说，粉末涂层在工艺腔内平移地起作用并且引起停机时间，该停机时间明显降低添加式制造过程的总生产率。为了提高选择性，在现有技术中例如使用多激光器设施，其中多股激光束同时用于在工艺腔中构造多个构件。
可能构成最接近的现有技术的文献DE 10 2016 211 799 A1 描述了一种用于由粉末材料制造工件的装置。该装置具有一个带有至少一个用于粉末状材料的构造容器的载体机构，由该粉末状材料可以通过选择性熔化和接着借助加工束的凝固在构造容器内部制造工件。至少一个储备容器具有单独的分配元件，所述分配元件能够围绕轴线相对于位置固定地布置的载体机构旋转。
本发明的考虑在于，提供如下一种设施，在该设施中减少了构件的构造时间以及设施的停机时间和等待时间。
发明内容
本发明提出一种具有权利要求1的特征的用于生成地制造构件的设施。此外，提出一种具有权利要求15的特征的用于生成地制造构件的方法。本发明的优选的和/或有利的实施方式由从属权利要求、说明书和附图得出。
本发明提出一种用于由粉末状的材料粉末来生成地制造构件的设施。该设施尤其是被构造用于执行基于粉末床的构造方法，优选基于粉末床的印刷方法。该设施例如形成3D打印设施。构件和/或材料粉末可以包括和/或形成金属材料、陶瓷材料和/或塑料材料。具体而言，设施被构造为选择性激光融化设施（SLM）、基于电子束的构造设施（EBM）或离子束构造方法。设施尤其具有设施空间。设施空间例如可以由设施的壳体包围和/或限定。构件优选是层构件并且包括多于两层和/或少于100个层。优选地，构件形成扁平构件。粉末状的材料粉末例如是金属粉末、陶瓷粉末或塑料粉末。尤其地，材料粉末可以包括粘合剂。
设施包括至少一个用于构造构件的构造平台。构造平台具有至少一个面状的区段。构造平台和/或其面状区段优选构造为平坦的。具体而言，构造平台可以形成金属载体。例如，构造平台被构造为金属板、塑料板或陶瓷板。构造平台尤其可以构造为连续材料，例如构造为辊子的板材。
设施具有至少一个涂覆区段。尤其地，涂覆区段是设施空间的面状区段或体积区段。尤其地，涂覆区段和构造平台至少暂时地具有重叠部。在涂覆区段中，粉末层可涂覆到构造平台上。尤其地，粉末层可涂覆到构造平台与自由表面之间的中间层上。例如，先前的粉末层已经被照射和/或硬化，从而将粉末层涂覆到先前的粉末层上。例如，所述设施为此具有粉末涂覆机构。粉末涂覆机构可以具有用于材料粉末和/或粉末的储存部。粉末层尤其由材料粉末制成。为此，尤其是将呈粉末形式的材料粉末面状地涂覆。具体而言，涂覆机构为此具有刮刀和/或平滑涂布器（Gleitstreicher）。粉末层可以完全填充构造平台，替代地，粉末层仅涂覆在构造平台的部分区域上。粉末层尤其具有粉末层厚度。尤其地，涂覆区段被布置在设施空间中。
此外，所述设施具有至少一个照射区段。照射区段优选是在设施空间中的面状区段，替代地照射区段是照射空间的体积区段。构造平台和/或涂覆的粉末层优选至少暂时地布置和/或可布置在照射区段中。该设施例如具有可以选择性地照射粉末层的照射机构。这种照射例如可以作为利用激光束、离子束或电子束的照射来进行。例如，照射机构为此具有激光器、离子源或电子源。通过选择性照射，粉末层尤其被选择性地、点状地、线状地和/或面状地熔化。在照射之后，优选进行凝固步骤，使得熔化的粉末层能够凝固和固化。
设施具有运输单元。运输单元被构造用于使构造平台在设施空间中运动、移位和/或移动。借助运输单元，构造平台能够沿着运输路径运动和/或移动。运输路径优选是直的路径，替代地和/或补充地运输路径可以形成折弯的、弯曲的和/或分支的运输路径。优选地，运输路径完全布置在设施空间中。作为替代方案可以规定，输送路径的各部分布置在设施空间之外。运输单元被构造为将构造平台从涂覆区段运输到照射区段。如果设施具有多个涂覆区段和/或多个照射区段，则运输单元尤其被构造成将构造平台从一个涂覆区段运输到照射区段，并且从照射区段进一步运输到其它涂覆区段和/或照射区段。
根据本发明规定，涂覆区段和照射区段彼此间隔开、相继地布置和/或彼此相邻地布置。尤其地，涂覆区段和照射区段沿运输路径间隔开。涂覆区段和照射区段可以通过另一区段彼此分开，替代地照射区段和涂覆区段可以彼此邻接而没有过渡部。
本发明的一个考虑是提供一种用于借助生成的制造方法来更有效地和/或更快速地制造构件的设施。尤其地，降低和/或缩短停机时间、更换时间和/或准备时间是一个考虑。这尤其通过涂层和照射在时间和/或空间上彼此解耦来实现。代替至今在构造过程期间使构造平台保持在固定的位置上并且必要时仅使板下降，可以通过构造平台的移位在构造期间在设施内部涂覆和曝光粉末来顺序地布置和使用。尤其地，每个构件的构造的持续时间不超过所有涂层和曝光过程的纯粹总和，而是仅由各个曝光过程的持续时间确定。
本发明的一种构造方案规定，所述设施具有多个涂覆区段和多个照射区段。优选地，涂覆区段的数量对应于照射区段的数量。例如，所有涂覆区段和所有照射区段都被布置在设施的共同壳体内，并且因此布置在共同的设施空间中。涂覆区段和照射区段沿着输送路径布置。尤其地，涂覆区段和照射区段沿着输送路径交替布置。具体而言，所述输送路径从第一涂覆区段通向第一照射区段，从所述第一照射区段通向第二涂覆区段，经由可能的另外的照射区段和涂覆区段，到最后的照射区段。照射区段和涂覆区段尤其地沿着线性和/或直的运输路径布置。运输单元将多个涂覆区段与多个照射区段连接起来。
特别优选的是，在两个照射区段之间分别布置至少一个涂覆区段。替代地可以规定，在一个照射区段之后跟随另一个照射区段，例如以便借助例如具有另一波长或功率的另一个激光束来进一步加工、熔化和/或结构化粉末层。
特别优选的是，该设施具有用于利用第一材料粉末来涂覆粉末层的第一涂覆机构和用于利用第二材料粉末在第二涂覆区段中涂覆粉末层的第二涂覆机构。尤其地，设施可以被构造用于，在第一涂覆区段和第二涂覆区段中使用不同的材料粉末。第一材料粉末和第二材料粉末具有不同的物理特性、化学特性和/或组成。该设计方案基于如下考虑，即提供如下一种设施，在该设施中，构件可由不同的粉末层、尤其是材料粉末制成，其中，不同的材料粉末被涂覆在不同的涂覆区段上，这些涂覆区段在运输行程上彼此间隔开。尤其地，可以由此避免材料粉末的混合。
尤其地，构件形成包括一定层数量的层的多层构件。层数量尤其对应于用于构造所述构件所需的粉末层的数量。优选地，层数量大于2并且具体而言大于5。此外优选地规定，层数量小于20。可选地，设施具有与构件的层数量相等的数量的照射区段和/或涂覆区段。该设计方案基于如下考虑，即提供一种制造设施，使得所有对于构造所述构件所需的层可在一条生产线上产生和/或生成。
本发明的一种设计方案规定，构造平台被运输单元包括和/或构造平台形成运输单元。例如，为此构造平台借助机械装置、例如连杆或绳索如此连接，使得它们在设施空间中可移位、可运动和/或可移动。尤其地，由所述运输单元包括的构造平台是可重复使用的构造平台，所述构造平台在构造一个构件之后能够再次用于构造新的另外的构件。例如，在成功地进行构件构造之后在运输路径开始时再次提供和/或使用构造平台。
特别优选的是，运输单元和/或构造平台形成输送带。例如，构造平台形成金属带，粉末层被涂覆到该金属带上并且构件构造在该金属带上。因此，构造平台和/或输送带尤其形成连续带，所述连续带呈环状和/或封闭地布置。特别优选的是，构造平台被构造用于在其上直接涂覆和/或构造构件。例如，构造平台和/或输送带形成构件的基础材料和/或基础层。例如，所构造的构件可以随后从构造平台和/或输送带中被冲压出来和/或从其中分离。
设施优选具有加工腔。加工腔例如由设施的壳体形成。设施空间尤其布置在加工腔内。例如规定，至少和/或所有照射区段布置在加工腔中。此外优选地规定，至少一个或所有涂覆区段布置在加工腔中。尤其地规定，在加工腔内部存在保护气体氛围。例如，设施为此具有引入和/或导出保护气体的氛围提供机构。加工腔尤其是形成保护气体氛围相对于周围环境和/或氛围的屏障。优选地规定，输送路径和/或整个输送路径布置在加工腔内部。
本发明的一种设计方案规定，加工腔具有入口闸门区段和出口闸门区段。运输路径优选地从入口闸门区段延伸到出口闸门区段。入口闸门区段和/或出口闸门区段例如构造为在壳体和/或加工腔中的缝隙。优选地，缝隙的高度被如此确定尺寸，使得构造平台可以在运输单元上在入口闸门区段处进入，并且构件可以在出口闸门区段处离开。入口闸门区段和出口闸门区段用于相对于周围环境打开加工腔，其中，它们同时起到维持保护气体氛围的作用。例如，在加工腔中存在保护气体过压，使得入口闸门区段和出口闸门区段用于过压和/或保护气体的流出，使得在加工腔内总是存在保护气体氛围。
特别优选的是，该设施具有至少一个去除粉末单元。例如，去除粉末单元被构造为抽吸单元或磁化单元或用于生成电场的单元。优选地，去除粉末单元布置在照射区段之后。借助去除粉末单元可以去除和/或吸走未熔化的和/或未使用的粉末。尤其可以规定，替代和/或除了吸走粉末之外，在金属和/或其它粉末的情况下可以通过充电和/或分离以及通过磁化进行去除。该设计方案基于如下考虑，即，提供一种资源节约的设施，从而例如未被使用的粉末状的材料粉末之后可被再次使用和投入使用。
可选地规定，所述去除粉末单元布置在涂覆区段之间，在这些涂覆区段中使用多种不同的材料粉末或材料粉末。例如，第一材料粉末在第一涂覆区段中使用，而另外的材料粉末在第二涂覆区段中使用，其中在用于第一材料粉末的照射区段之后，去除粉末单元吸走未使用过的第一材料粉末，并且之后才涂覆其他的材料粉末。该设计方案基于如下考虑，即，在设施内更换材料粉末时能够避免材料粉末的种类混合，从而每种材料粉末尤其能够进一步使用和/或回收。
特别优选的是，所述运输单元构造用于连续地执行构造平台的运输。在此，构造平台例如以恒定的速度沿着运输路径连续地被输送。这种设计方案基于如下考虑，即能够实现连续的加工和/或能够避免粉末层的滑移、滑动和/或涂抹。替代地规定，所述运输单元构造用于不连续地、例如逐步地运输构造平台。在此，构造平台的运输例如分别沿着预先给定的平移路径以预先给定的和/或可设定的长度进行。
可选地规定，所述构件形成扁平构件，其中，所述设施形成用于制造扁平构件的设施。在此，设施尤其针对如下情况进行定向和/或设立，即，将出口闸门区段和/或入口闸门区段设立到扁平构件上。扁平构件的示例例如是具有少于十个层和/或具有少于五厘米的高度的构件。尤其规定，构件形成结构构件、表面和/或冷却体。
特别优选的是，构件形成用于燃料电池的双极板和/或流场。例如，该构件是用于PEM燃料电池的双极板。例如，用于PEM燃料电池的流场和/或双极板包括五至十个层。在此考虑，能够在设施中以每双极板一至两秒的节拍时间来制造例如燃料电池部件和/或双极板。
用于在再生制造过程中制造构件的方法形成本发明的另一主题。尤其地，如前所述，利用该设施执行该方法。为了制造构件，将粉末层涂覆到构造平台上并且随后选择性地照射粉末层。在该方法中规定，粉末涂覆在空间上与照射分开地和/或间隔开地进行。为此，例如将构造平台从一个涂覆区段运输至一个照射区段。根据该方法，例如在此规定，将粉末涂覆和曝光在空间上分开，使得缩短的加工时间是可行的。
附图说明
其它优点、作用和设计方案从附图及其说明中得出。在此示出：
图1示出用于生成地制造构件的设施的一个实施例；
图2示出用于生成地制造构件的设施的另一实施例；
图3示出用于生成地制造构件的设施的第三实施方式。
具体实施方式
图1示意性地示出用于生成地制造构件2的设施1的第一实施例。设施被构造为用于执行基于粉末床的制造方法和/或添加式的制造方法的设施。例如，设施1被构造为用于选择性激光熔化的设施。设施1在此构造为用于线性地输送和/或制造构件2的设施，如制造设施。构件2在此优选形成由多个层构成的扁平构件。这些层可以具有相同或不同的材料组成。构件2形成具有尤其是三维的结构的3D构件。例如，构件2形成用于燃料电池的双极板。
设施1具有壳体3，所述壳体限定加工腔。壳体限定如下设施空间4，该设施空间位于壳体3的内部。壳体3具有入口闸门区段5和出口闸门区段6。入口闸门区段5和出口闸门区段6构造为壳体3中的开口并且优选缝隙式地构成。出口闸门开口6的尺寸设计尤其如此选择，使得缝隙的高度大于待制造的构件2的高度，然而优选具有比构件2的高度的两倍更小的高度。
设施1具有运输单元7。运输单元7构造为输送带。输送带由输送机构8输送。实际的输送带的输送在此优选以统一的速度连续进行。输送带和/或运输单元7尤其从入口闸门区段5延伸到出口闸门区段6。保护气体氛围位于壳体3中并且因此位于设施空间4中。为此，通常借助保护气体生成机构来供应保护气体9，使得在加工腔和/或在设施空间中存在连续的保护气体氛围。尤其地，保护气体氛围和/或保护气体9的供应如此选择，使得存在过压，使得在入口闸门区段5和出口闸门区段6处实现保护气体的轻微的流出。
设施1包括三个涂覆机构10，它们布置在设施空间4中并且沿着运输路径布置。运输路径通过运输单元7并且尤其通过输送带来限定和/或确定。运输路径从入口闸门区段5延伸至出口闸门区段6。涂覆机构10构造成将材料粉末作为粉末层涂覆到运输单元上和尤其是构造平台11上。构造平台例如是金属板、塑料板或陶瓷板，它们用作构件2的结构基础。构造平台11布置在输送带上并且由运输单元7沿着运输路径运输。涂覆机构10分别涂覆粉末层12。在运输路径上的第一涂覆机构10将粉末层涂覆到构造平台上，随后的涂覆机构10将粉末层涂覆到先前的粉末层上并且必要时涂覆到熔化的粉末层上。粉末层的高度轮廓随着每个涂覆机构10从入口闸门区段到出口闸门区段而增加，尤其是这些涂覆机构阶梯状地布置在高度轮廓中。例如当构造平台2由运输单元7以保持不变的速度连续地输送时，材料粉末的涂覆利用涂覆机构10连续地进行。
设施1具有照射单元13。照射单元13在此构造为输出主激光束14的激光器。激光束14至少区段式地在壳体3内部和/或在设施空间4中被引导。设施1具有扫描机构15，其构造用于将激光束15分成部分激光束16。也简称为激光束的部分激光束被引导到照射区段17中。照射区段17尤其分别位于一个涂覆区段之后。在照射区段17中，粉末层12被激光束16选择性地熔化。然后将熔化的粉末冷却并使其固化。在冷却和/或固化的区段上以及未熔化的粉末层上，在随后的涂覆机构10中涂覆下一个粉末层，并且随后在下一个照射区段17中照射和/或熔化该下一个粉末层。通过将涂覆区段和照射区段17相继地布置并且使用多个照射区段和/或多个涂覆区段，能够更快地处理和/或制造所述构件2。
设施1包括去除粉末单元18。去除粉末单元18布置在壳体3中。尤其地，去除粉末单元18沿着传输路径布置在最后的照射区段17之后。去除粉末单元18被构造用于吸走未使用的、熔化的和/或可循环的材料粉末。由此实现构件2的暴露和/或清除。此外，通过借助去除粉末单元18吸走和/或移除涂覆粉末，实现了材料粉末的回收，该材料粉末可以被回引至涂覆机构10。
图2示出了设施1的另一实施方案。设施1基本上与图1中的设施1相同地构造。图2中的设施1的区别基本上在于，构造平台11直接用作运输单元7的输送带。在此，基础板材作为构造平台12直接沿着运输路径被输送。基础板材2被导引通过涂覆机构10，其中，粉末层从第一涂覆机构10直接涂覆到输送带上，在此为基础板材上。在第一涂覆机构10之后的照射区段17中，粉末层被熔化。在此，熔化的粉末层尤其部分地与基础板材连接并且由此与构造平台12连接。然后，在这种情况下，基础板材形成待制造的构件2的一部分。随后在先前已经涂覆的粉末层和/或熔化的区段上继续涂覆另外的粉末层和进一步熔化。在最后的熔化区段之后，构件2利用去除粉末单元18被去除粉末。构件2接着沿着运输路径从加工腔中导出。在去除粉末和导出之后，构件2从基础板材或从构造平台分离。例如，为此冲压、切割或以其他方式分离构件2。尤其地，分离、切割和/或冲压这样进行，使得基础板材的或构造平台的一部分保持为构件2的一部分。该设计方案基于如下考虑，即，例如通过带有马达、牵引或推动装置的驱动装置来直接输送构造平台。因此，避免了单独的输送带及其磨损。尤其地，基础板材可以作为连续材料提供并且接着通过分离和/或冲压/切割获得构件。
图3示出用于生成地制造构件2的设施1的第三实施方式。图3中的设施1基本上类似于图2和图1中的两种其他实施方式地构造。与前面的实施方式的主要区别在于，涂覆机构10a、10b和10c构造用于涂覆相应不同的材料粉末。因此，第一涂覆机构10a涂覆作为粉末层的第一材料粉末。该粉末层在照射区段中熔化。在这种照射之后，利用去除粉末单元18a吸走未使用的第一材料粉末。通过去除粉末单元18a移除未使用的材料粉末，并且因此可种类纯粹地回引到涂覆机构10a。在去除粉末单元18a之后，第二材料粉末利用涂覆机构10b被涂覆到经去除粉末的区段上。第二材料粉末在其组成和/或其物理化学特性方面与之前已经使用的材料粉末不同。这样涂覆的由第二材料粉末构成的粉末层在接下来的照射中熔化，尤其选择性地熔化。在熔化和必要时在冷却之后，将未使用的第二材料粉末从去除粉末单元18b移除。利用去除粉末单元18b被移除的的材料粉末又是种类纯粹的且可被引回到涂覆机构10b。在接下来的涂覆机构10c中，第三材料粉末被作为粉末层涂覆。第三材料粉末的组成和/或物理化学特性尤其是不同于第二材料粉末的组成和/或物理化学特性。接着同样选择性地熔化和/或照射第三材料粉末的所涂覆的粉末层。未使用的第三材料粉末利用去除粉末单元18c被移除。被移除的第三材料粉末可以由去除粉末单元18c被引回到涂覆机构10c。
该设计方案基于如下考虑，即，能够生成地制造具有多个层的构件，其中，这些层具有不同的材料组成和/或特性。通过相继地布置涂覆机构10a、10b和10c，可以节省粉末和/或材料更换并且可以连续地控制该过程。通过在相应熔化后吸走未消耗的粉末可以确保粉末的种类纯粹的重复使用。
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