[发明专利]通过激光烧结中的优化的过程引导改善的器件特性

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于逐层地制造三维对象的设备、用于逐层地制造的方法以及相应的成型体。

背景技术

顺畅地提供原型是最近经常提出的任务。能够实现这一点的方法称为快速原型建造（Rapid Prototyping）/快速制造或者还称为添加式制造方法。特别合适的是基于粉末状原料工作以及其中逐层地通过选择性的熔化和固化制造期望结构的方法。在此可以放弃在悬垂和咬边时的支承构造，因为包围熔化的区域的粉末床提供足够的支承作用。同样取消去掉支承的追加工作。这些方法还适于制造小批量。结构空间温度被选择为，使得在构建过程期间不导致逐层制造的结构的变形。

一种特别良好地适用于快速原型建造/快速制造目的的方法是选择性激光烧结（SLS）。用于表示由粉末状聚合物制成的成型体的激光烧结方法（快速原型建造）在专利文献US6136948和WO96/06881（两个都是DTM公司的）中详细描述。针对该应用对多种聚合物和共聚物要求保护，例如多醋酸盐（Polyacetat）、聚酯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、离聚物和聚酰胺。

在上述方法中的问题是，聚合材料通过激光的功率峰值受到损坏。通过功率峰值而引起的升高的温度可能导致聚合物的分子量分解。通过热损坏可能发生器件的变色。此外在处理时偶尔通过所提到的温度峰值释放聚合原料的成分。所释放的物质干扰该过程，因为这些物质在重要的器件如透镜或高温计（辐射温度计）处沉积并且影响其功能。

在SLS领域中的发展朝着越来越高的曝光速度的方向行进，所述越来越高的曝光速度需要激光的功率越来越高以将必要的激光能量引入粉末材料中。因此，简单地减小激光的功率以避免分子量分解不引向目标。过程通过该措施明显变慢，这是不希望的。存在对以下解决方案的需要，在该解决方案中可以将尽可能高的激光能量引入粉末材料中而不引起分子量分解。

发明内容

因此本发明的任务是激光烧结过程的改善。

令人吃惊地发现，该问题可以利用激光的功率控制的脉宽调制（PWM）的高的占空率解决。

由此本发明的第一主题是一种用于逐层地制造三维对象的设备，至少包括激光器，其中该设备附加地包括将激光器调节到大于60%的占空率的控制单元。

本发明设备的重要核心是存在将激光器调节到大于60%、优选大于80%以及尤其是调节到大于90%的占空率的控制单元。利用高的占空率，可以避免或明显减小聚合物的通过激光引起的分子量分解，而不减小激光的能量输入和从而曝光过程的速度。尤其是，本发明的设备具有以下优点：仅通过控制激光就能实现本发明的优点，而无需进行现有设备的较大的改造。

控制单元用于控制激光，其中对激光的控制优选通过脉宽调制进行。脉宽调制（PWM）是其中在两个值（接通/断开）之间转换技术参量的调制类型。在恒定的频率的情况下对脉冲/接通时间的宽度进行调制。利用PWM可以实现低损的切换运行。

占空率（也称为调制度（Aussteuergrad），英语即duty factor（占空因数））对于根据DIN IEC 60469-1的脉冲周期序列说明了脉冲持续时间与脉冲周期持续时间的比例。因此，占空率是接通时间相对于周期持续时间的比例。占空率作为具有从0至1的值的无量纲比例数或者作为0到100%来说明。接通时间相对于周期持续时间越长，占空率和平均功率也就越高。

在本发明设备的优选实施方式中，借助脉宽调制调整激光，其中时钟脉冲频率为至少5kHz，优选至少10kHz并且完全特别优选地至少20kHz。

本发明设备的实施方式从图1可看出。从而用于逐层地制造对象的设备具有结构容器。在该容器中设置具有基本上平坦的并且与结构容器的上边缘基本上平行取向的上侧的载体（6）。载体（6）被构成用于承载待形成的对象（5）。载体（6）可以通过（未示出的）高度调节装置在垂直方向上移动。其中施加和固化粉末材料的平面形成工作平面（4）。

该设备具有辐射源，例如以激光器1的形式，该激光器产生激光射线2。在结构容器上方设置扫描单元（3）。

在本发明的设备中包含的控制单元（未示出）现在调整激光的功率输出，尤其是借助PWM。

结构容器可以退火和/或用惰性气体（例如用氩）惰性化。

本发明的另一主题是用于由聚合物粉末逐层地制造三维对象的方法，其中通过具有大于60%的占空率的激光器对聚合物粉末进行选择性熔化或烧结。

在本发明的范围中，占空率为大于60%，尤其是大于80%，并且特别优选地大于90%。