專利名稱：通過激光燒結(jié)中的射線形成改善的器件特性的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于逐層地制造三維對(duì)象的設(shè)備、用于逐層地制造的方法以及相應(yīng)的成型體。
背景技術(shù)：
順暢地提供原型是最近經(jīng)常提出的任務(wù)。能夠?qū)崿F(xiàn)這一點(diǎn)的方法稱為快速原型建造(Rapid Prototyping) /快速制造或者還稱為添加式制造方法。特別合適的是基于粉末狀原料工作以及其中逐層地通過選擇性的熔化和固化制造期望結(jié)構(gòu)的方法。在此可以放棄在懸垂和咬邊時(shí)的支承構(gòu)造，因?yàn)榘鼑刍膮^(qū)域的粉末床提供足夠的支承作用。同樣取消去掉支承的追加工作。這些方法還適于制造小批量。結(jié)構(gòu)空間溫度被選擇為，使得在構(gòu)建過程期間不導(dǎo)致逐層制造的結(jié)構(gòu)的變形。一種特別良好地適用于快速原型建造/快速制造目的的方法是選擇性激光燒結(jié) (SLS)0用于表示由粉末狀聚合物制成的成型體的激光燒結(jié)方法(快速原型建造)在專利文獻(xiàn)US6136948和W096/06881 (兩個(gè)都是DTM公司的)中詳細(xì)描述。針對(duì)該應(yīng)用對(duì)多種聚合物和共聚物要求保護(hù)，例如多醋酸鹽(Polyacetat )、聚酯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、離聚物和聚酰胺。在上述方法中的問題是，聚合材料通過激光焦點(diǎn)中的局部溫度峰值受到損壞。局部溫度峰值可能導(dǎo)致聚合物的分子鏈的斷裂。此外在該處理時(shí)偶爾通過激光焦點(diǎn)中的溫度峰值釋放聚合原料的成分。所釋放的物質(zhì)干擾該過程，因?yàn)檫@些物質(zhì)在如透鏡或高溫計(jì)的重要器件處沉積并且影響其功能。簡單地減小激光能量不引向目標(biāo)，因?yàn)橛靡允狗勰畈牧献銐蚩焖俚厝刍哪芰坑谑遣蛔銐虻乇灰?。過程將會(huì)由于該措施明顯變慢。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的任務(wù)是激光燒結(jié)過程的改善。令人吃驚地發(fā)現(xiàn)，該問題可以用激光焦點(diǎn)中的合適的功率密度分布或能量密度分布來解決。本發(fā)明的第一主題是一種用于逐層地制造三維對(duì)象的設(shè)備，至少包括激光器，其中該設(shè)備包含射線形成系統(tǒng)。優(yōu)選地，通過該射線形成系統(tǒng)將焦點(diǎn)中功率密度的最大值調(diào)節(jié)到比焦點(diǎn)中功率密度的平均值高不到50% (weniger als***iiber...),優(yōu)選不到20%和特別優(yōu)選地不到10%。令人吃驚地已經(jīng)表明，如果功率密度分布被構(gòu)成為，使得激光焦點(diǎn)中的功率密度的最大值超過整個(gè)焦點(diǎn)上的功率密度的值至多(nicht mehr als) 50%，則由此可以避免分子量分解。對(duì)于激光射線來說常見的幾乎高斯形的功率密度分布(電磁場的振幅隨著至傳播軸的距離而以指數(shù)下降)正好不滿足該要求，更確切地說分子量分解被觀察。尤其是本發(fā)明的設(shè)備具有以下優(yōu)點(diǎn)，即僅通過射線形成系統(tǒng)的存在就可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)，而無需對(duì)涂層設(shè)備進(jìn)行更大的改造。
原則上，技術(shù)人員已知的每一個(gè)射線形成系統(tǒng)在根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備中適用，優(yōu)選地是折射光束整形器和/或均化器。根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的實(shí)施方式從圖I中可看出。從而用于逐層地制造對(duì)象的設(shè)備具有結(jié)構(gòu)容器(9)。在該容器中設(shè)置具有基本上平坦的并且與結(jié)構(gòu)容器的上邊緣基本上平行取向的上側(cè)的載體(7)。載體(7)被構(gòu)成用于承載待形成的對(duì)象(6)。載體(7)可以通過(未示出的)高度調(diào)節(jié)裝置在垂直方向上移動(dòng)。其中施加和固化粉末材料的平面形成工作平面(5)。在借助掃描系統(tǒng)(4)將激光射線(2)偏轉(zhuǎn)到粉末表面(5)上之前，借助合適的設(shè)備(3 )從激光器(I)對(duì)激光射線(2 )進(jìn)行變換。結(jié)構(gòu)容器可以退火和/或用惰性氣體(例如用氬)惰性化。本發(fā)明的另一個(gè)主題是用于由聚合物粉末逐層地制造三維對(duì)象的方法，其中通過激光器對(duì)聚合物粉末進(jìn)行選擇性熔化或燒結(jié)，所述激光器的焦點(diǎn)中功率密度的最大值比焦點(diǎn)中功率密度的平均值高不到50%。優(yōu)選地，焦點(diǎn)中功率密度的最大值比焦點(diǎn)中功率密度的平均值高不到20%，特別優(yōu)選地不到10%。 在本發(fā)明的方法中，焦點(diǎn)中的功率密度分布尤其是借助射線變換調(diào)節(jié)，優(yōu)選在如上所述的設(shè)備中，特別優(yōu)選的是借助折射光束整形器和/或均化器來進(jìn)行射線變換。原則上，技術(shù)人員已知的所有聚合物粉末都適合于在本發(fā)明的設(shè)備或本發(fā)明的方法中使用。尤其合適的是熱塑性塑料和熱彈性物，例如聚乙烯(PE，HDPE，LDPE)、聚丙烯(PP)、聚酰胺、聚酯、聚酯酯、聚醚酯、聚苯醚、聚縮醛、聚對(duì)苯二甲酸亞烷基酯、尤其是聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯醇縮醛、聚氯乙烯(PVC)、聚苯氧化物(ΡΡ0)、聚甲醛(Ρ0Μ)、聚苯乙烯(PS)、丙稀腈一丁二烯一苯乙烯(ABS)、聚碳酸酯(PC)、聚醚砜、熱塑性聚氨酯(TPU)、聚芳醚酮、尤其是聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚醚酮(PEK)、聚醚醚酮酮(PEEKK)、聚芳醚醚醚酮(PEEEK)或聚醚酮醚酮酮(PEKEKK)、聚醚酰亞胺(PEI)、聚芳硫醚、尤其是聚苯硫醚(PPS)、熱塑性聚酰亞胺(PI)、聚酰胺酰亞胺(PAI)、聚偏氟乙烯以及這些熱塑性塑料的共聚物，例如聚芳醚酮(PAEK) /聚芳醚砜(PAES)共聚物、混合物和/或聚合物混合物。特別優(yōu)選地，聚合物粉末包括至少一種聚酰胺，尤其是聚酰胺12。在運(yùn)行中，首先一般在計(jì)算機(jī)中基于構(gòu)造程序等產(chǎn)生或存儲(chǔ)關(guān)于待制造對(duì)象(6)的形狀的數(shù)據(jù)。為了制造該對(duì)象如此對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使得該對(duì)象被分解為多個(gè)水平的、與對(duì)象維度相比薄的層，并且形狀數(shù)據(jù)例如以數(shù)據(jù)組的形式一例如CAD數(shù)據(jù)一為所述多個(gè)層中的每一個(gè)提供。在此，可以在制造每個(gè)層之前或者與制造每個(gè)層同時(shí)地為每個(gè)層產(chǎn)生和處理數(shù)據(jù)。接著首先借助高度調(diào)節(jié)裝置將結(jié)構(gòu)平臺(tái)(7)移動(dòng)到最高位置，結(jié)構(gòu)平臺(tái)(7)的表面在該最高位置中位于具有結(jié)構(gòu)空間的表面的平面中，并且接著降低第一材料層的所設(shè)置的厚度的數(shù)值，從而在所形成的片段內(nèi)形成降低的區(qū)域，該區(qū)域在側(cè)面由該片段的壁以及在下方由結(jié)構(gòu)平臺(tái)(7)的表面限制。由此例如借助施加裝置(8)將待固化材料的具有所設(shè)置的層厚度的第一層施加到由所述片段和結(jié)構(gòu)平臺(tái)(7)形成的空腔或降低的區(qū)域中，并且必要時(shí)由加熱裝置加熱到合適的工作溫度，例如100°C至360°C，優(yōu)選120°C至200°C，特別優(yōu)選地140°C至160°C。接著，控制單元(4)這樣控制偏轉(zhuǎn)裝置，使得被偏轉(zhuǎn)的光射線(2)相繼射在該層的所有位置處并在那里對(duì)材料進(jìn)行燒結(jié)或熔化。通過這種方式可以首先形成固定的底層。在第二步驟中借助高度調(diào)節(jié)裝置將結(jié)構(gòu)平臺(tái)(7)降低一個(gè)層厚度的數(shù)值，并且借助施加裝置(8)將第二材料層引入到所述片段內(nèi)的由此形成的降低的區(qū)域中，必要時(shí)又由加熱裝置加熱。在一種實(shí)施方式中，偏轉(zhuǎn)裝置這次可以由控制單元(4)這樣控制，使得被偏轉(zhuǎn)的光射線(2)僅射在材料層的與所述片段的內(nèi)面鄰接的區(qū)域上并在那里通過燒結(jié)對(duì)材料層進(jìn)行固化，由此形成具有大約2至IOmm的壁厚的第一環(huán)形壁層，該第一環(huán)形壁層完全包圍該層的剩余的粉末狀材料。由此控制裝置的該部分是用于產(chǎn)生包圍待形成對(duì)象(6)的容器壁同時(shí)在每一層中形成對(duì)象的裝置。在按照與上面相同的方式將結(jié)構(gòu)平臺(tái)(7)降低下一層的層厚度的數(shù)值、施加材料并且加熱之后，現(xiàn)在可以開始對(duì)象(6)本身的制造。為此，控制單元(4)這樣控制偏轉(zhuǎn)裝置，使得被偏轉(zhuǎn)的光射線(2)射在該層的應(yīng)當(dāng)相應(yīng)于待制造對(duì)象(6)的存儲(chǔ)在控制單元中的坐標(biāo)而被固化的這樣的位置。對(duì)于其它層類似地進(jìn)行。在以容器壁的形式期望地制造環(huán)形壁區(qū)域的情況下，其中所述容器壁包圍所述對(duì)象連同剩余的、未被燒結(jié)的材料并且從而在將結(jié)構(gòu)平臺(tái)(7)降低到工作臺(tái)下方時(shí)防止材料的溢出，對(duì)于每個(gè)對(duì)象層借助所述裝置將環(huán)形 壁層燒結(jié)到位于下方的環(huán)形壁層上。如果使用相應(yīng)于EP1037739的更換容器或者固定安裝的容器，則可以放棄產(chǎn)生所述壁。在冷卻之后可以從所述設(shè)備中提取出所形成的對(duì)象。利用本發(fā)明的設(shè)備，可以通過簡單的方式制造任意的成型體。由此利用本發(fā)明的設(shè)備或利用本發(fā)明的方法由聚合物粉末制造的成型體同樣是本發(fā)明的主題。特別優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明所制造的成型體具有根據(jù)IS0307 (Schott AVS Pro，溶劑間甲酚酸(m-Kresolsauer)，容積測定方法，雙重確定，溶解溫度100°C，溶解時(shí)間2h，聚合物濃度5g/l，測量溫度25°C)的溶液粘度，該溶液粘度比所采用的聚合物粉末的溶液粘度小至多10% (nichtmehr als..·kleiner..·)。即使沒有其它實(shí)施方式也假定，技術(shù)人員可以在最寬的范圍中使用上面的描述。因此這些優(yōu)選的實(shí)施方式和示例應(yīng)只被理解為描述性的、而絕不能理解為以任何方式限制的公開。


下面借助示例詳細(xì)闡述本發(fā)明。本發(fā)明的替換實(shí)施方式能以類似的方式獲得。
具體實(shí)施例方式示例
在本發(fā)明的范圍中使用表格I中所述的測量方法，其中只要技術(shù)上可行這些測量方法就既被用于確定所采用的材料的特性又被用于獲得的產(chǎn)品
權(quán)利要求
1.用于逐層地制造三維對(duì)象的設(shè)備，至少包括激光器，其特征在于，該設(shè)備包含射線形成系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的設(shè)備，其特征在于，所述射線形成系統(tǒng)將焦點(diǎn)中的功率密度的最大值調(diào)節(jié)到比焦點(diǎn)中功率密度的平均值高不到50%。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2的設(shè)備，其特征在于，所述射線形成系統(tǒng)是折射光束整形器和/或均化器。
4.用于由聚合物粉末逐層地制造三維對(duì)象的方法，其中通過激光器對(duì)聚合物粉末進(jìn)行選擇性熔化或燒結(jié)，該激光器的焦點(diǎn)中功率密度的最大值比焦點(diǎn)中功率密度的平均值高不到 50%ο
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其特征在于，焦點(diǎn)中功率密度的最大值比焦點(diǎn)中功率密度的平均值高不到20%。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其特征在于，焦點(diǎn)中功率密度的最大值比焦點(diǎn)中功率密度的平均值高不到10%。
7.根據(jù)權(quán)利要求4至6中一個(gè)或多個(gè)的方法,其特征在于，焦點(diǎn)中的功率密度分布借助射線變換來調(diào)節(jié)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其特征在于，借助折射光束整形器和/或均化器來進(jìn)行射線變換。
9.利用根據(jù)權(quán)利要求I至3之一的設(shè)備或利用根據(jù)權(quán)利要求4至8的方法由聚合物粉末制造的成型體。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的成型體，其特征在于，所述成型體具有根據(jù)IS0307的溶液粘度，該溶液粘度比所采用的聚合物粉末的溶液粘度小至多10%。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于逐層地制造三維對(duì)象的設(shè)備，用于逐層地制造的方法以及相應(yīng)的成型體。
文檔編號(hào)H01S5/02GK102886900SQ20121025252
公開日2013年1月23日 申請(qǐng)日期2012年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月21日
發(fā)明者M.格雷貝, S.蒙沙伊默, W.迪克曼, J.克呂茨 申請(qǐng)人:贏創(chuàng)德固賽有限公司