УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРАТИВНОГО СОЗДАНИЯ ТРЕХМЕРНОГО ОБЪЕКТА С ИЗОЛИРОВАННОЙ ОБЛАСТЬЮ ПОСТРОЕНИЯ Российский патент 2013 года по МПК B29C67/04 B22F3/105 

Настоящее изобретение касается устройства для генеративного создания трехмерного объекта.

В EP 0 764 079 B1 описано известное устройство для лазерного спекания, включающее в себя раму, которая своим верхним участком охватывает область построения; подложку, которая расположена в раме и с помощью подъемного механизма может вертикально перемещаться по меньшей мере ниже области построения; устройство облучения, создающее энергетический луч, который с помощью отклоняющего устройства фокусируется на любых точках в области построения, чтобы селективно спекать или плавить находящийся в области построения порошковый материал; устройство для нанесения покрытий, предназначенное для нанесения слоя порошкового материала на подложку или ранее нанесенный слой порошкового материала. Устройство лазерного спекания снабжено нагревательным устройством, которое служит для нагрева порошкового слоя, нанесенного с помощью устройства для нанесения покрытий, до необходимой для спекания посредством лазерного луча начальной температуры. Несмотря на применение нагревательного устройства, в области построения может возникать неоднородность температуры, из-за чего механические свойства объектов могут быть неоднородными.

Задачей настоящего изобретения является создание устройства для генеративного создания трехмерного объекта, с помощью которого могут быть улучшены механические свойства создаваемого объекта.

Эта задача решается с помощью устройства для генеративного создания трехмерного объекта, обладающего признаками п.1 формулы изобретения. Кроме того, объектом заявленного изобретения является применение устройства для генеративного создания трехмерного объекта по п.1 или 2 для генеративного создания трехмерного тела с применением в качестве строительного материала полимерного порошка.

Предпочтительные усовершенствования являются предметом зависимых пунктов.

Преимущество изобретения заключается в том, что рама термически изолирована от корпуса устройства посредством изоляции, так что количество тепла, попадающее от области построения к корпусу устройства, является небольшим. Предпочтительным образом благодаря этому уменьшаются градиенты температуры в зоне области построения. Благодаря целенаправленному уменьшению тепловых потерь можно оказывать положительное влияние на перепад температур в краевой зоне области построения, так что возможна адаптация к различным геометриям конструктивного элемента и видам порошков. Например, могут быть улучшены эффективно используемая зона внутри области построения и усадочные свойства изготавливаемых объектов.

Другие признаки и преимущества изобретения содержатся в описании примеров осуществления с помощью прилагаемых чертежей. На фигурах показаны:

фиг.1 - схематичный вид устройства для создания трехмерного объекта по первому примеру осуществления настоящего изобретения;

фиг.2 - схематичное расположение термической изоляции в области построения устройства по первому примеру осуществления;

фиг.3 - схематичное расположение термической изоляции в области построения устройства по второму примеру осуществления настоящего изобретения;

фиг.4 - схематичный вид устройства для создания трехмерного объекта в соответствии с одной из модификаций первого примера осуществления настоящего изобретения.

На фиг.1 показан схематичный вид устройства для создания трехмерного объекта 3 по первому варианту осуществления настоящего изобретения, которое для наглядности выполнено в виде устройства для лазерного спекания.

Устройство для лазерного спекания включает в себя открытую сверху раму 1 с находящейся в ней, обладающей возможностью перемещения в вертикальном направлении подложкой 5, на которой находится изготавливаемый трехмерный объект 3. Рама 1 своим верхним участком 2 охватывает область 6 построения. Предпочтительно рама 1 и подложка 5 образуют заменяемую сменную раму, которая может выниматься из устройства для лазерного спекания. Подложка 5 соединена с подъемным механизмом 4, который перемещает ее по меньшей мере ниже плоскости области 6 построения в вертикальном направлении так, что верхняя сторона подлежащего в данный момент упрочнению порошкового слоя лежит в плоскости этой области 6 построения. Плоскостью области построения здесь считается та плоскость, в которой расположен верхний край верхнего участка 2.

Кроме того, предусмотрено устройство 10 для нанесения покрытия, предназначенное для нанесения слоя порошкового материала 11. В качестве порошкового материала могут применяться все спекаемые лазером порошки, например, спекаемые лазером полимеры, такие как полиакрилэфиркетоны, полиакрилэфирсульфаны, полиамиды, полиэстеры, полиэфиры, полиолефины, полистиролы, полифениленсульфиды, поливинилиденфториды, полифениленоксиды, полиимиды, их сополимеры и смеси, которые включают в себя по меньшей мере один из указанных полимеров, при этом выбор, однако, не ограничен вышеназванными полимерами и сополимерами. Особенно подходящие полиакрилэфиркетоны могут быть выбраны из группы, включающей полиэфирэфиркетон (PEEK), полиэфиркетонкетон (PEKK), полиэфиркетон (PEK), полиэфирэфиркетонкетон (PEEKK), полиэфиркетонэфиркетонкетон (PEKEKK) и полиэфирэфирэфиркетон (PEEEK), а также их сополимеры, в частности, с полиорилэфирсульфонами, а также их смеси, которые содержат по меньшей мере один из вышеназванных полимеров. Особенно подходящие полимеры или сополимеры полиамида и их смеси могут быть выбраны из группы, которая состоит из полиамида 6/6T, эластомеров полиамида, таких как полиэфирблокамиды, например материалы на основе PEBAX, полиамид 6, полиамид 66, полиамид 11, полиамид 12, полиамид 612, полиамид 610, полиамид 1010, полиамид 1212, полиамид PA6T/66, PA4T/46 и сополимеров, которые содержат по меньшей мере один из вышеназванных полимеров. Надлежащие полимеры или сополимеры полиэстера могут быть выбраны из полиалкилентерефталатов (например, PET, PBT) и их сополимеров. Надлежащие полимеры или сополимеры полиолефина могут быть выбраны из группы, состоящей из полиэтилена и полипропилена. Надлежащие полимеры или сополимеры полистирола могут быть выбраны из группы, состоящей из синдиотактических и изотактических полистиролов. Кроме того, возможно применение порошковых композитов полимеров, которые наряду с соответствующим полимером, сополимером или смесью содержат наполнители и/или добавки. К таким наполнителям относятся, например, волокна, такие как, например, углеродные или стекловолокна и карбоновые нанотрубки, наполнители с низким аспектным отношением, такие как, например, стеклянные шарики или алюминиевые гранулы, минеральные наполнители, такие как, например, оксид титана. К добавкам относятся, в частности, технологические вспомогательные средства, такие как, например, средство, способствующее сыпучести из серии Aerosil (например, Aerosil 200), функциональные добавки, такие как термические стабилизаторы, стабилизаторы окисления, пигменты (например, графит и сажа) и огнезащитные средства (например, органофосфаты, полибромированные углеводороды). В качестве порошкового материала 11 могут также применяться металлы, керамические материалы, формовочный песок и композитные материалы. В качестве металлосодержащего порошкового материала рассматриваются любые материалы и их сплавы, а также смеси с металлическими компонентами или неметаллическими компонентами.

Устройство 10 для нанесения покрытий перемещается на заданной высоте над областью 6 построения, так чтобы слой порошкового материала 11 лежал на заданной высоте на подложке 5 или, соответственно, на последнем упрочненном слое. Устройство включает в себя, кроме того, устройство облучения в виде лазера 7, создающего лазерный луч 8, 8', который с помощью отклоняющего устройства 9 фокусируется на любых точках в области 6 построения. Благодаря этому лазерный луч 8, 8' может селективно упрочнять порошковый материал 11 в тех местах, которые соответствуют поперечному сечению изготавливаемого объекта 3.

Устройство для лазерного спекания может включать в себя нагревательное устройство (не показано) над областью 6 построения, чтобы предварительно нагревать свеженанесенный порошковый слой до технологической температуры, близкой к технологической температуре, необходимой для упрочнения порошкового материала 11.

Номером позиции 100 обозначен корпус, в котором расположены рама 1, подложка 5 и устройство 10 для нанесения покрытий. Внутренняя часть корпуса 100 ниже будет называться пространством построения. Предпочтительно корпус выполнен газонепроницаемым и в верхней области снабжен впуском для введения лазерного луча 8, 8'. Предпочтительно в корпус 100 вводится защитный газ. Кроме того, предусмотрен блок 40 управления, с помощью которого происходит координированное управление устройством с целью осуществления процесса построения и управления подачей энергии лазером 7.

В устройстве предусмотрена панель 12, которая находится в контакте с рамой 1, например на ее верхнем участке 2, и с корпусом устройства.

Устройство снабжено термической изоляцией 13, которая расположена между рамой 1 и панелью 12. Термическая изоляция 13 предпочтительно расположена в плоскости области 6 построения, однако может также находиться ниже или выше плоскости области 6 построения. На фиг.2 показано, что изоляция 13 интегрирована в панель 12 и расположена в окружном направлении вокруг рамы 1. Рама 1 термически изолирована изоляцией 13 от корпуса 100 устройства, так что количество тепла, попадающее от области 6 построения к корпусу 100 к окружающему пространству области построения, является небольшим. Предпочтительным образом благодаря этому уменьшаются градиенты температуры, в частности, в краевой зоне области 6 построения. Понятие «окружающее пространство области построения» означает при этом находящуюся в плоскости области 6 построения зону внутри корпуса 100, которая латерально примыкает к области 6 построения и расположена между областью 6 построения и корпусом 100.

Изоляция 13 может устанавливаться на панели 12 с возможностью отсоединения. Благодаря этому можно выполнить изоляцию 13 в виде сменной вставки.

На фиг.3 показан второй пример осуществления термической изоляции 13. Эта изоляция 13 в различных местах по периметру рамы 1 обладает различными значениями теплопроводности. Изоляция 13 проходит от рамы 1 горизонтально наружу, при этом размер горизонтальной протяженности варьируется в различных местах по периметру рамы 1. Предпочтительно размер горизонтальной протяженности в углах рамы 1 больше, чем в других местах по периметру рамы 1. Тепловые потери благодаря этому могут варьироваться по периметру области 6 построения, и эти тепловые потери могут быть, в частности, уменьшены в углах рамы 1. Благодаря целенаправленному уменьшению тепловых потерь возможно положительное влияние на перепад температур в краевой зоне области 6 построения, так что возможна адаптация к различным геометриям конструктивного элемента и видам порошков. Например, могут быть улучшены эффективно используемая зона внутри области 6 построения и усадочные свойства изготавливаемых объектов 3.

Например, для достижения различных значений удельной теплопроводности изоляция 13 в различных местах по периметру рамы 1 может содержать различные материалы, которые обладают различными значениями удельной теплопроводности. В зависимости от случая применения возможна установка в различных местах по периметру рамы 1 на панели 12 различных изоляций 13, которые имеют различные размеры горизонтальной протяженности и/или включают в себя различные материалы.

Возможно, чтобы изоляция 13 состояла из механически нагружаемого изоляционного материала, механически не нагружаемого изоляционного материала или их комбинации.

Преимущество механически нагружаемого изоляционного материала заключается в том, что он может крепиться непосредственно к раме, без необходимости обеспечения специальной рамы или держателя. Кроме того, механически нагружаемый изоляционный материал легко поддается раскрою и легко заменяется. Однако по сравнению с механически не нагружаемым изоляционным материалом изолирующий эффект в целом ниже. Примером механически нагружаемого изоляционного материала является материал DOTHERM или DOGLAS фирмы DOTHERM GmbH Co. KG. Но изобретение не ограничено этим материалом.

Преимущество механически не нагружаемого изоляционного материала по сравнению с механически нагружаемым изоляционным материалом заключается в лучшем изолирующем эффекте, а также в более низкой цене материала и большей доступности. Однако в целом по сравнению с механически нагружаемым изоляционным материалом, в случае механически не нагружаемого изоляционного материала должна быть предусмотрена подходящая рама, держатель или корпус. Примерами механически не нагружаемого изоляционного материала являются стекловолокнистый нетканый материал, стекловолокнистые маты или материал PROMALIGHT фирмы Promat GmbH. Но изобретение не ограничено этими материалами.

Изоляция 13 может состоять из теплостойкого полимерного материала. Примерами надлежащего полимерного материала являются полистирол, полиимид, полиэфиримид, полибензимидазолы (PBI), PUR, ароматический полиамид, полиакрилнитрил. Путем подмешивания фенолформальдегидных смол можно достичь улучшенной термостойкости.

Кроме того, возможно применение самого применяемого для построения порошкового материала 11 в качестве изоляционного материала. В этом случае термическая изоляция может осуществляться за счет зазора (не показан) между рамой 1 и панелью 12, при этом зазор снизу закрыт или, соответственно, загорожен непроницаемо для порошка. Такое уплотнение зазора может осуществляться посредством гибкого уплотнения. Когда устройство 10 для нанесения покрытий наносит слой порошкового материала 11 на подложку 5 или ранее нанесенный слой порошкового материала 11, зазор наполняется при этом порошковым материалом 11. Порошковый материал 11 в зазоре в целом обладает замечательным термически изолирующим эффектом.

При эксплуатации устройства на первом этапе подложка 5 с помощью подъемного механизма 4 перемещается вниз до тех пор, пока ее верхняя сторона не будет находиться ниже плоскости области 6 построения на желаемую толщину первого порошкового слоя. Затем устройством 10 нанесения покрытий на подложку 5 наносится первый слой порошкового материала 11 и разглаживается. Если предусмотрено нагревательное устройство, с помощью нагревательного устройства температура расположенного в самом верху порошкового материала 11 может быть предварительно повышена в целом до температуры, которая на несколько °C ниже технологической температуры, необходимой для упрочнения порошкового материала 11. Затем блок управления 40 управляет отклоняющим устройством 9 таким образом, чтобы отклоненный лазерный луч 8, 8' селективно попадал в те места слоя порошкового материала 11, которые должны быть упрочнены. Благодаря этому в этих местах порошковый материал 11 упрочняется или, соответственно, спекается, так что здесь возникает трехмерный объект 3.

На следующем этапе подложка 5 с помощью подъемного механизма 4 опускается на желаемую толщину следующего слоя. С помощью устройства 10 нанесения покрытий наносится второй слой порошкового материала, разглаживается и посредством лазерного луча 8, 8' селективно упрочняется. Эти этапы повторяются до тех пор, пока не будет изготовлен желаемый объект 3.

При этом с помощью термической изоляции 13 возможно уменьшение градиентов температуры, в частности, в краевой зоне области 6 построения.

Предлагаемое изобретением устройство может применяться, в частности, в процессах лазерного спекания, в которых температура самого верхнего порошкового слоя в области 6 построения с помощью отдельного нагревательного устройства предварительно повышается на несколько °C ниже технологической температуры, необходимой для упрочнения порошкового материала, при этом дополнительное облучение лазерным лучом 8' обеспечивает дополнительную подачу энергии для упрочнения порошкового материала. Это происходит, в частности, при применении порошкообразного полимерного материала.

Объем защиты не ограничивается изображенными примерами осуществления, а включает в себя другие изменения и модификации, если они попадают в объем, определяемый прилагаемыми пунктами формулы изобретения.

Например, предлагаемое изобретением устройство может применяться не только при лазерном спекании, но и во всех основанных на порошковой технологии генеративных способах, в которых на каждый наносимый слой применяется материал или, соответственно, порошковый материал, который упрочняется содержащим энергию излучением. Содержащее энергию излучение не обязательно должно представлять собой лазерный луч 8', а может, например, представлять собой также поток электронов.

В первом примере осуществления, показанном на фиг.1, термическая изоляция 13 по существу расположена в плоскости области 6 построения, которая была задана верхним краем верхнего участка 2 рамы 1. Однако изоляция 13 не обязательно должна быть расположена по наружному периметру рамы 1, как это происходит в первом примере осуществления, показанном на фиг.1. На фиг.4 показана одна из модификаций, в которой термическая изоляция 13 расположена выше верхнего участка 2 рамы 1 и предпочтительно находится в контакте с ним. Если рама 1 выполнена в виде сменной рамы, верхний участок 2 сменной рамы 1 может снизу примыкать к изоляции 13. Предпочтительным образом благодаря этому достигается хорошее уплотнение между сменной рамой 1 и изоляцией 13. Тогда «плоскость области построения» в этом примере осуществления задается уже не верхним краем участка 2, а верхней стороной панели 12, которая лежит в этой плоскости.

Кроме того, изоляция 13 во всех примерах осуществления не обязательно должна полностью охватывать раму 1, а может быть расположена только в некоторых местах периметра рамы 1.

Кроме того, предпочтительно, если изоляция 13 расположена в непосредственной близости к раме 1 и, например, непосредственно примыкает к ней.

Группа изобретений касается устройства для генеративного создания трехмерного объекта (3) и применения его для генеративного создания трехмерного тела с использованием в качестве строительного материала полимерного порошка. Устройство включает в себя: раму (1), которая своим верхним участком (2) задает область (6) построения; панель (12), которая соединяет раму (1) с корпусом (100) устройства; подложку (5), которая расположена в раме (1) и может вертикально перемещаться с помощью подъемного механизма (4) по меньшей мере ниже области (6) построения. Устройство для генеративного создания трехмерного тела имеет также устройство (7) облучения, создающее энергетический луч (8, 8'), который с помощью отклоняющего устройства (9) фокусируется на любых точках в области (6) построения, чтобы селективно спекать или плавить находящийся в области (6) построения порошковый материал (11), и устройство (10) для нанесения покрытий, предназначенное для нанесения слоя порошкового материала (11) на подложку или ранее нанесенный слой порошкового материала (11). Термическая изоляция (13) расположена между рамой (1) и панелью (12) с возможностью отсоединения и выполнена в виде сменной вставки. Технический результат, достигаемый при использовании устройства по изобретению, заключается в том, чтобы улучшить механические свойства создаваемого объекта. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для генеративного создания трехмерного объекта (3), включающее в себя:
раму (1), которая своим верхним участком (2) охватывает область (6) построения,
панель (12), которая находится в контакте с рамой (1) и с корпусом (100) устройства,
подложку (5), расположенную в раме (1) и вертикально перемещаемую с помощью подъемного механизма (4),
устройство (7) облучения, создающее энергетический луч (8, 8'), который с помощью отклоняющего устройства (9) фокусируется на любых точках в области (6) построения, чтобы селективно спекать или плавить находящийся в области (6) построения порошковый материал (11),
устройство (10) для нанесения покрытий, предназначенное для нанесения слоя порошкового материала (11) на подложку (5) или ранее нанесенный слой порошкового материала (11), и
термическую изоляцию (13), которая расположена между рамой (1) и панелью (12),
при этом изоляция (13) установлена на панели (12) с возможностью отсоединения и выполнена в виде сменной вставки или интегрирована в панель (12) и расположена в окружном направлении вокруг рамы (1).

2. Устройство по п.1, в котором изоляция (13) в различных местах по периметру рамы (1) обладает различными значениями теплопроводности.

3. Устройство по п.1 или 2, в котором изоляция (13) расположена от рамы (1) горизонтально наружу, при этом размер горизонтальной протяженности варьируется в различных местах по периметру рамы (1).

4. Устройство по п.3, в котором размер горизонтальной протяженности в углах рамы (1) больше, чем в других местах по периметру рамы (1).

5. Устройство по п.1 или 2, в котором изоляция (13) в различных местах по периметру рамы (1) выполнена из различных материалов.

6. Устройство по п.1 или 2, в котором изоляция (13) состоит из механически нагружаемого и/или механически не нагружаемого изоляционного материала.

7. Устройство по п.1 или 2, в котором рама (1) представляет собой сменную раму (1), выполненную с возможностью модульно вставляться в устройство и выниматься из него.

8. Устройство по п.7, в котором сменная рама (1) снизу примыкает к термической изоляции (13).

9. Применение устройства по п.1 или 2 для генеративного создания трехмерного тела с применением в качестве строительного материала полимерного порошка.