專利名稱：用于在激光燒結(jié)裝置中加熱構(gòu)造材料的輻射加熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及按照權(quán)利要求1前序所述的輻射加熱器及涉及具有這 種輻射加熱器的激光燒結(jié)裝置。
背景技術(shù)：
這種用于制造三維物品的輻射加熱器和激光燒結(jié)裝置從WO 92/08566中已知。
為了在高達(dá)1200X:的溫度下加工半導(dǎo)體晶片，從US 2004/0074898 Al中已知一種石墨制成的電阻加熱元件。在這種情況下電阻元件的厚 度為0.1英寸(2.54mm)或大于0.1英寸。由于電阻加熱元件的厚度 高，所以它的熱惰性也高。由此尤其是在較低溫度下，沒(méi)有快速溫度 控制或調(diào)節(jié)是可能的。
當(dāng)通過(guò)用激光束依次固化若干粉末材料層制造三維物品時(shí)，材料 的溫度必須是在一定的加工范圍(Processfenster )內(nèi)，以侵/f呆證三維 物品良好的質(zhì)量。為了快速而精確的調(diào)節(jié)/控制這個(gè)溫度，輻射加熱的 動(dòng)態(tài)特性是決定性的。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的目的在于，提供用于激光燒結(jié)裝置的輻射加熱器及 提供具有這種輻射加熱器的激光燒結(jié)裝置，通過(guò)上述輻射加熱器可以 用快速而精確的方式調(diào)節(jié)/控制材料的溫度。
通過(guò)按照權(quán)利要求1所述的輻射加熱器和通過(guò)按照權(quán)利要求14 所述的用于制造三維物品的激光燒結(jié)裝置達(dá)到該目的。本發(fā)明的進(jìn)一 步發(fā)展在從屬權(quán)利要求中說(shuō)明。
與使用常規(guī)的輻射加熱器如燈或加熱棒相比，在激光燒結(jié)裝置中 使用平板輻射器的優(yōu)點(diǎn)是它可以在低溫下以相同的輻射功率工作。這 導(dǎo)致較少的側(cè)向輻射到加工室的壁上和導(dǎo)致在更冷的加工室氣氛。
按本發(fā)明的輻射加熱器具有特別的優(yōu)點(diǎn)是，它具有較低熱惰性的 熱輻射元件，因此，由熱輻射元件所輻射的功率可以快速改變。這可 供快速而精確調(diào)節(jié)/控制由輻射加熱器加熱的材料溫度。
此外，通過(guò)本發(fā)明在短的構(gòu)造時(shí)間里制造高質(zhì)量的三維物品是可 能的。
石墨用于本發(fā)明的熱輻射元件的優(yōu)點(diǎn)是石墨具有高熱導(dǎo)系數(shù)，而
同時(shí)具有低的比熱容。這對(duì)應(yīng)于高熱擴(kuò)散系a,所述熱擴(kuò)散系數(shù)a可以 按照以下公式由比熱導(dǎo)系數(shù)X、比密度p和比熱容c計(jì)算 a=X/ ( p c )。
高熱擴(kuò)散系數(shù)伴隨著低的熱惰性和熱輻射元件的均勻溫度分布或 輻射功率。另外，石墨的優(yōu)點(diǎn)是它可在高溫下使用。


本發(fā)明的其他特征和有效性可以借助附圖從實(shí)施例的說(shuō)明中得到。
圖1示出激光燒結(jié)裝置的一個(gè)實(shí)施例的示意圖； 圖2示出按照第一實(shí)施例所述的輻射加熱器； 圖3示出圖2中輻射加熱器的變型； 圖4示出按照第二實(shí)施例所述的輻射加熱器；和 圖5示出按照第三實(shí)施例所述的輻射加熱器。
具體實(shí)施例方式
圖1示出具有本發(fā)明的輻射加熱的激光燒結(jié)裝置。激光燒結(jié)裝置 包括向上敞開(kāi)的容器1。在容器1中設(shè)置一支承件2，所述支承件2 用于支承待形成的物品3。支承件2可以在容器1中通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置4 沿垂直方向A上下移動(dòng)。容器1的上邊緣限定一工作面5。形式為激 光器的照射裝置6位于工作面5的上方，并發(fā)射一定向激光束，所述 激光束通過(guò)偏轉(zhuǎn)裝置7偏轉(zhuǎn)到工作面5上。此外，提供一涂布裝置8 用于涂布一層待固化到支承件2表面上或者一最后固化的層的粉末材 料。涂布裝置可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置在工作面5上來(lái)回移動(dòng)，所述驅(qū)動(dòng)裝 置用箭頭B示意表示。涂布裝置8通過(guò)在構(gòu)造區(qū)左側(cè)和右側(cè)的兩個(gè)定
量裝置9由兩個(gè)粉末儲(chǔ)罐10供料。另外，在施工現(xiàn)場(chǎng)的左面和右面設(shè) 置兩個(gè)溢流容器11，所述溢流容器11可以接收在粉末涂布期間積聚 的過(guò)量粉末。
另外，所述裝置具有位于工作面5的上方的輻射加熱器12,用于
TA。輻射加熱器12在此這樣建造，以便可以均勻地加熱涂布的粉末 層。
在工作面5的上方一定距離處，設(shè)置一溫度測(cè)量裝置13，所述溫 度測(cè)量裝置13用于非接觸式測(cè)量最后涂布的或最上面的粉末層的溫 度。
工作區(qū)通過(guò)一加工室16與周圍隔離。因此，如果需要的話，可以 防止粉末的氧化作用和釋放出可能的過(guò)程氣體。
控制和/或調(diào)節(jié)裝置17用于控制和/或調(diào)節(jié)輻射加熱器12的功率 及照射裝置6的功率。為此，把控制和/或調(diào)節(jié)裝置17連接到輻射加 熱器12、溫度測(cè)量裝置13和照射裝置6上。
圖2示出輻射加熱器的第一實(shí)施例。
按照第一實(shí)施例所述的輻射加熱112包括作為熱輻射元件的電阻 元件113。電阻元件113用石墨板(比如SGL公司的碳纖維增強(qiáng)的石 墨板⑧SigraBond )制成，所述石墨板在20。C溫度下有熱擴(kuò)散系數(shù)為 a>1.5 '10"mVs和厚度為d=2.0mm。石墨板具有基本上是矩形的形狀， 所述矩形形狀在中心處帶有矩形開(kāi)口 114，用于激光束和溫度測(cè)量裝 置的光學(xué)路線。包圍矩形開(kāi)口的電阻元件在周邊處通過(guò)間隙115中斷。 在間隙的兩側(cè)上， 一設(shè)計(jì)成銅條的觸點(diǎn)116和116'分別附接到電阻元 件上。一i殳計(jì)成用于大電流(在30-60V的電壓下電流近^f以為20-40A) 的可控制電壓的電源117連接到觸點(diǎn)116, 116'上。各狹縫118分別從 開(kāi)口 115的角朝電阻元件外周邊的角延伸，以l更在電壓加到電阻元件 中的觸點(diǎn)116, 116'上之后，實(shí)現(xiàn)更均勻的分配電流密度和增加外角區(qū) 中的加熱功率。
下面，將說(shuō)明上述激光燒結(jié)裝置和本發(fā)明的輻射加熱器的工作。
首先，通過(guò)涂布裝置8將第一層粉末涂布到支承件2上。
對(duì)制成的物品的質(zhì)量來(lái)說(shuō)決定性的是，最上面待固化的粉末層的 溫度是在預(yù)定范圍內(nèi)的溫度，所述預(yù)定范圍具有加工范圍。在高于這 個(gè)加工范圍上，粉末在沒(méi)有附加帶輻射能的情況下已經(jīng)燒結(jié)，而在低 于加工范圍的溫度下在固化層中形成翹曲。所謂的巻曲效應(yīng)常常也是 由最上面粉末層的太低溫度引起，在巻曲效應(yīng)時(shí)固化層的邊緣彎曲或 巻起。因此，為了達(dá)到良好的結(jié)果，尤其是為了防止在制成的物品中 的翹曲，在固化之前，必須用輻射加熱器12將通過(guò)涂布裝置涂布的粉 末層加熱到在加工范圍內(nèi)的工作溫度TA。
為此，在涂布粉末層之后，用溫度測(cè)量裝置13非接觸地測(cè)量該層 的溫度。因而根據(jù)測(cè)得的溫度決定輻射加熱器12的加熱功率。如果在 最上面的粉末層已加熱到工作溫度TA之后，則粉末層中與各物品的橫 截面相對(duì)應(yīng)的位置通過(guò)用激光照射進(jìn)行固化。
在一層固化之后，將支承件2下降一與該層厚度相對(duì)應(yīng)的距離， 并通過(guò)涂布裝置8將新的粉末層涂布到上述經(jīng)過(guò)激光照射的層上。然 后重復(fù)上述步驟，直至完成制造三維物品時(shí)為止。
在圖3中，示出了第一實(shí)施例的變型。按照該變型的熱輻射元件 113'與圖2所示的熱輻射元件不同之處在于，它包括曲折形片狀線路 (Fiachenbahnen )，通過(guò)所述曲折形片狀線路可以增加歐姆電阻值， 并因此增加用于加到電阻元件上的某一電壓的加熱功率。
在圖4中，示出本發(fā)明的輻射加熱器的第二實(shí)施例的橫截面。
在按照第二實(shí)施例所述的輻射加熱器212中，提供石墨薄片213 (比如SGL Carbon公司的⑧Sigraflex石墨薄片)作為熱輻射元件， 上述石墨薄片213在20。C溫度下在與薄片平行的方向上具有熱擴(kuò)散系 數(shù)為a=2.14 l(T4m2/s，且具有厚度為d=0.5mm。
為了得到高的輻射系數(shù)，將石墨薄片213用黑體噴涂法處理。用 薄的剛性成型板條214使石墨薄片213壓緊電熱絲215，以便在電熱 絲215和石墨薄片213之間形成良好的熱接觸。此外，成型板條有助 于石墨薄片的機(jī)械穩(wěn)定性。
在電熱絲215面向遠(yuǎn)離石墨薄片的一側(cè)處，設(shè)置第一絕熱部分 216，所述第一絕熱部分216有一反射熱輻射的底側(cè)。選定具有高機(jī)械 穩(wěn)定性的材料作為用于第一絕熱部分的材料。優(yōu)選的是該第一絕熱部 分216用石墨硬氈(比如SGL Carbon公司的⑧SigraTherm石墨硬氈) 制成，所述石墨硬氈具有低的導(dǎo)熱系數(shù)(在低于100。C的溫度下， ⑧SigraTherm石墨硬氈的熱導(dǎo)系數(shù)X為低于0.3W/mK )。
在第一絕熱部分216遠(yuǎn)離電熱絲215的一側(cè)設(shè)置第二絕熱部分 217。該第二絕熱部分不需要有機(jī)械穩(wěn)定性，然而，它必須有良好的絕 熱特性。優(yōu)選的是第二絕熱部分用在低于400C的溫度下具有熱導(dǎo)系 數(shù)^^0.03W/mK或更低的材料(比如Proma公司的⑧Promalight)制 成。
在遠(yuǎn)離石墨薄片的一側(cè)及在側(cè)向上，為了機(jī)械穩(wěn)定性，用一不銹 鋼構(gòu)架218包圍第一和第二絕熱部分，成型板條214也安裝在上述不 銹鋼構(gòu)架218上。另外，為了得到機(jī)械穩(wěn)定性，在側(cè)向在石墨薄片和 第一絕熱部分之間設(shè)置絕熱材料制成的隔離片218。
圖5示出本發(fā)明的輻射加熱的第三實(shí)施例。
正如第二實(shí)施例中的情況那樣，在按照第三實(shí)施例所述的輻射加 熱器312中，設(shè)置石墨薄片313作為熱輻射元件。然而，與第二實(shí)施 例不同，該石墨薄片不是用電熱絲加熱，而是通過(guò)IR(紅外線)熱輻 射器314加熱，所述IR熱輻射器314在石墨薄片的一側(cè)上間隔距離 地設(shè)置。在側(cè)向上和在遠(yuǎn)離石墨薄片的一側(cè)上，IR熱輻射器314間隔 距離地被絕熱殼體315包圍。絕熱殼體的特征在于，它朝向IR熱輻 射器一側(cè)反射熱輻射。及優(yōu)選的是它具有盡可能的低熱導(dǎo)系數(shù)。像第 二實(shí)施例中絕熱部分由第一和第二絕熱部分組成那樣，絕熱殼體315 可以具有多層構(gòu)造，以便同時(shí)將機(jī)械穩(wěn)定性與良好的絕熱特性結(jié)合。
上述激光燒結(jié)裝置、輻射加熱器和上述方法的替代和變型是可能的。
本發(fā)明的輻射加熱器描述成所述熱輻射元件具有帶矩形輪廓的形 狀。熱輻射元件的這種幾何形狀尤其適合于均勻加熱矩形的目標(biāo)區(qū)域。
然而，熱輻射元件的形狀不限于此，而是可以有任何其他的扁平形狀， 所述扁平形狀適合于相應(yīng)的幾何比例。這樣，比如熱輻射元件可以形 成具有圓形輪廓。因此，矩形開(kāi)口也可以有不同的形狀如圓形狀。
也可以設(shè)置多個(gè)加熱區(qū)。因此，在按照第一實(shí)施例所述的輻射加 熱器中，可以設(shè)置多個(gè)電阻加熱元件，在按照第二實(shí)施例所述的輻射 加熱器中，可以設(shè)置多個(gè)電熱絲，而在按照第三實(shí)施例所述的輻射加
熱器中，可以設(shè)置多個(gè)IR熱輻射器，在每種情況下它們都可以相互 獨(dú)立工作以便形成多個(gè)彼此獨(dú)立的加熱區(qū)。
在第一實(shí)施例中，石墨板被描述成熱輻射元件的材料。使用不同
的材料是可行的，只要在2ox:的溫度下熱擴(kuò)散系數(shù)具有一高于大約
a=1.5 l(T4m2/s的值。尤其是，也可以像第二實(shí)施例中那樣使用石墨 薄片作為熱輻射元件。如有必要，在熱輻射元件不自支承的情況下， 必須設(shè)置具有機(jī)械穩(wěn)定性的元件。比如可以將石墨薄片夾緊或施加到 格柵上。
第二實(shí)施例說(shuō)明了將熱輻射元件壓緊到電熱絲上的。然而，電熱 絲也可以在熱輻射元件內(nèi)和尤其是在熱輻射元件中的槽內(nèi)延伸。此外， 電熱絲可以在形成夾層結(jié)構(gòu)的情況下夾緊在兩個(gè)石墨元件之間。
在第二和第三實(shí)施例中，已說(shuō)明了利用石墨薄片作為熱輻射元件。
然而，使用在20。C下具有熱擴(kuò)散系數(shù)高于大約a4.5 l(T4m2/S,優(yōu)選 的是高于a=2.0 l(T4m2/s的其他的材料也是可行的。尤其是，也可以 使用石墨板。
輻射加熱器的不同實(shí)施例已說(shuō)明具有一定厚度的熱輻射元件。不 同的厚度，尤其是較小的厚度是可行的。在熱特性方面，優(yōu)選盡可能 小厚度是所希望的。厚度向下通過(guò)機(jī)械穩(wěn)定性限定。
權(quán)利要求
1.用于在激光燒結(jié)裝置中加熱構(gòu)造材料的輻射加熱器，包括扁平熱輻射元件(113、213、313)，其特征在于，熱輻射元件(113、213、313)由具有低的熱惰性的材料制成。
2. 用于在激光燒結(jié)裝置中加熱構(gòu)造材料的輻射加熱器，包括扁平 熱輻射元件(113、 213、 313),其特征在于，上述熱輻射元件(113、 213、 313)由一種在20C下熱擴(kuò)散系數(shù) 為大于約1.5 10"mVs的材料制成。
3. 按照權(quán)利要求1或2所述的輻射加熱器，其中熱輻射元件(113， 213， 313)由一種在20'C下熱擴(kuò)散系數(shù)為大于約2 . l(T4m2/S的材料 制成。
4. 按照權(quán)利要求l-3所述的輻射加熱器，其中熱輻射元件(113、 213、 313)的厚度為約2mm或小于2mm。
5. 按照權(quán)利要求l-4其中之一所述的輻射加熱器，其中熱輻射元 件(213、 313)由石墨薄片制成。
6. 按照權(quán)利要求l-4其中之一所述的輻射加熱器，其中熱輻射元 件由石墨板(113)制成。
7. 按照權(quán)利要求l-6其中之一所述的輻射加熱器，其中在熱輻射 元件(113)上設(shè)置電流端子(116， 116'),使得可以通過(guò)熱輻射元件(113)朝表面的方向輸送電流，以便作為電阻加熱元件工作。
8. 按照權(quán)利要求1-7其中之一所述的輻射加熱器，其中電熱絲 (215 )設(shè)置成與熱輻射元件(213 )接觸，用于加熱熱輻射元件(213 )。
9. 按照權(quán)利要求1-8其中之一所述的輻射加熱器，其中設(shè)置IR 熱輻射器(314)用于加熱熱輻射元件(313)。
10. 按照權(quán)利要求9所述的輻射加熱器，還包括絕熱殼體(315), 其中，熱輻射器(314 )夾在絕熱殼體(315 )和熱輻射元件(313 )之間，和 絕熱殼體(315)在其面向熱輻射器(314)的一側(cè)上反射由熱輻 射器(314)輻射的射束。
11. 按照權(quán)利要求l-10其中之一所述的輻射加熱器，其中熱輻射 元件(113、 213、 313)在中心處具有用于通過(guò)激光束的開(kāi)口 。
12. 按照權(quán)利要求7或8所述的輻射加熱器，其中熱輻射元件 (113')至少在一部分中構(gòu)成為曲折形的片狀線路的形狀。
13. 按照權(quán)利要求1-12其中之一所述的輻射加熱器，其中在熱輻 射元件的一側(cè)上間隔一定距離地設(shè)置由石墨制成的絕熱部分(216)。
14. 用于在對(duì)應(yīng)于各自橫斷面的位置處通過(guò)輻射依次固化可固化 的粉末材料層制造三維物品的激光燒結(jié)裝置，上述激光燒結(jié)裝置具有 按照權(quán)利要求1-13其中之一所述的輻射加熱器(112， 212， 312)，用 于加熱可固化的材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于在激光燒結(jié)裝置中加熱構(gòu)造材料的輻射加熱器，和涉及包括這類輻射加熱器的激光燒結(jié)裝置。輻射加熱器包括扁平的熱輻射元件(113，213，313)，所述熱輻射元件(113，213，313)其特征在于，它由一種具有低的熱惰性的材料制成，并且該材料的熱擴(kuò)散系數(shù)優(yōu)選大于1.5·10^-4/m²/s，厚度優(yōu)選小于或等于2mm。
文檔編號(hào)H05B3/14GK101107882SQ200680002765
公開(kāi)日2008年1月16日 申請(qǐng)日期2006年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月26日
發(fā)明者J·菲利皮 申請(qǐng)人:Eos有限公司電鍍光纖系統(tǒng)