[发明专利]制造设备和方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于使用添加制造工艺生产三维物体的设备的构造与操作。特别地，本发明涉及用于诸如选择性激光烧结(SLS)或选择性激光熔化(SLM)工艺的快速制造或原型速成的机器的构造。

背景技术

用于生产三维部件的添加制造或原型速成方法在本领域已众所周知(例如参见US 4863538-Deckard)。已知的添加制造的方法有很多种，包括：粉末材料的固结和聚合树脂的固化。本发明涉及有关粉末的方法。这种方法涉及使用诸如激光束或电子束的聚焦能量束来对粉末材料进行逐层固结。起初，这种自由成型工艺的使用限于通过将粉末颗粒层烧结在一起的原型生产。然而，科技的最新进展在于全致密的、高度完整性的部件可以通过部件的自由成型而制造。

在典型的选择性激光烧结(SLS)或选择性激光熔化(SLM)工艺中，一薄层粉末被置于SLS或SLM设备内的构造区域或粉末层上。聚集激光束扫过与正在被构造的三维物体的横截面相应的粉末层的部分，使得激光扫描点处的粉末通过烧结或熔化而被固结。横截面通常由通过扫描原始部件而产生的部件的3D描述所产生，或者由计算机辅助设计(CAD)数据而产生。

在将一层固结之后，将构造表面降低新固结层的厚度，并且另一层粉末散布覆盖在该表面上。此外，用激光束照射与三维物体横截面相应的部逐层的表面，则新固结的层加入到初始固结的层。重复这个过程直到部件形成。

为了稳定地制造具有期望的结构特性的物体，在制造期间，在邻近构造表面处保持通常为低氧含量大气的受控大气是重要的。现有设备通过用惰性气体充满环绕构造表面的构造腔来将此实现。该惰性气体以略大于大气压的压力进行供给，并允许在构造腔内的大气氧含量基本降低至约百分之一的氧。在构造板区域内的低氧大气允许粉末被加热，并且在需要熔化处，无需经受过多的不期望的氧化反应。

图1示出了在现有技术的原型速成系统10中的构造腔20的典型设置。构造腔20限定了在可降低构造平台30上方的空间25，并且构造腔20被构造为具有充分的完整性，使其在稍许升高的压力下充满惰性气体。构造腔20包含有用于将粉末45散布在构造平台表面上的粉末分配和涂敷设备40和在腔50上壁的窗口，该窗口允许光学通过激光束55，用于照射散布在构造表面35处的粉末。因此，在激光束和粉末56之间的交互点处的任意烧结和/或熔化操作发生在低氧大气中。

构造腔被提供有许多不同的气体传输回路60、70、80，每个气体传输回路具有其自身的泵61、71、81和其自身的过滤器62、72、82。

构造平台被设置为在构造缸90的孔95内是可降低的，以允许当由连续的粉末层构造物体100时，构造表面35保持在机器内的基本上相同的位置上。构造平台通常通过活塞机构110来降低，并且该构造平台的边缘32具有与和构造缸90的孔95接合的密封件33，以防止粉末45从构造缸溢出。

该现有技术的系统存在许多缺点。构造腔中的过压趋于对粉末施加压力使其通过在构造平台和缸的孔之间的密封件(在图1中由箭头示出)。这导致疏松粉末在装置内沉淀，而疏松粉末必须从装置中清除，并且这也会损害密封件的完整性，从而允许氧气在制造期间进入构造腔。

诸如泵、阀和管的气体传输装置都易于泄漏，特别是在连接点处。任何泄漏进气体传输系统中这样的点的氧气都可以破坏在构造腔内的低氧大气的完整性。

发明内容

本发明提供了一种用于制造三维物体的设备以及如在所附独立权利要求中所限定的形成三维物体的方法，其中现在应参引所附的独立权利要求。在从属子权利要求中限定了本发明的优选的或有利的特征。

因此，在第一方面，提供了通过对粉末逐层、或一层层地固结来制造三维物体的设备。该设备包括：用于在制造期间支撑物体的可降低的构造平台和用于控制环绕物体的大气的可密封的腔。

优选地，该设备被设置成以便于允许在构造平台的上方和下方保持被控制的例如低氧大气的大气。

在传统的设备中，惰性且低氧的大气仅保持在构造平台上方的区域中。该惰性大气通常被保持在与平台下方压力不同的压力下。如果平台上方的压力大于下方的压力，则粉末自然地被压迫到存在于构造平台和构造缸的孔之间的密封件之间，其中平台在构造缸的孔内滑动。通过控制在构造平台上方和下方的大气，即在形成于构造平台和构造缸之间的密封件的两侧的大气，使其具有相同的压力，则现有技术的系统的缺点可以被避免。优选地，也保持了大气的成分，即构造平台上方和下方的低氧。这意味着，如果粉末阻塞在密封件中，则任何来自构造平台下方的气体的向回泄漏将不会破坏构造大气。