通過選擇性激光熔化技術(shù)生成三維構(gòu)件的方法和加工機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種通過選擇性激光熔化技術(shù)生成三維構(gòu)件的方法。本發(fā)明也涉及一種通過選擇性激光熔化技術(shù)生成三維構(gòu)件的加工機(jī)，所述加工機(jī)包括過程室。
【背景技術(shù)】
[0002]選擇性激光恪化技術(shù)(英文是“selective laser melting”，也稱為:SLM選區(qū)激光熔化技術(shù))涉及到一種生成制造方法，在這種方法中，一種(金屬的)粉末材料借助于激光在定義的部位上重恪(umschmelzen)。選擇性激光恪化技術(shù)能夠制造具有幾乎可任意造型的三維構(gòu)件幾何形狀的構(gòu)件，為了制造出三維構(gòu)件，選擇性激光熔化技術(shù)在任何情況下都是逐層地執(zhí)行，也就是說，選擇性激光熔化技術(shù)實(shí)現(xiàn)逐層地成型焊接。在這里，首先將材料粉末作為薄層分布在基板上，在這個(gè)粉末床第一層的材料粉末通過激光根據(jù)要制造的構(gòu)件的額定輪廓在所需要的部位上重熔并且凝固成第一固定材料層之后，基板下降或移動(dòng)了第一層的值并且涂覆新的(第二)層。在這一層上相應(yīng)地重復(fù)激光熔化，其中，當(dāng)前最上層的已重熔的材料與緊貼其下布置的固定材料相連接。上述過程這樣頻繁地重復(fù)，直至完全制造出要生成的構(gòu)件為止。
[0003]為了簡(jiǎn)單地取出已制成的構(gòu)件，可以在基板上或基底上構(gòu)建出比較易損的支撐結(jié)構(gòu)，所述支撐結(jié)構(gòu)承載著原本的構(gòu)件。這個(gè)支撐結(jié)構(gòu)可以在取出構(gòu)件之后例如手工清除。必要時(shí)，根據(jù)要生成構(gòu)件的幾何形狀(例如在懸垂的情況下)，也可以生成其它支撐或者說支撐結(jié)構(gòu)并且在使用構(gòu)件之前可以將其清除。
[0004]在此，激光熔化在過程室中進(jìn)行，所述過程室典型被密封封閉，并且，在所述過程室中可以設(shè)定盡可能均勻的氣氛，其中，熔化粉末材料所需要的激光通過過程室窗口射入到過程室中。為了使激光束可以在用于希望的構(gòu)件幾何形狀所需要的部位上作用于粉末材料，激光束典型地通過掃描裝置偏轉(zhuǎn)。
[0005]由于連續(xù)的激光射入，必要時(shí)可能需要目標(biāo)明確的導(dǎo)熱，用以避免由于熱感應(yīng)的固有應(yīng)力而在幾何形狀方面與額定幾何形狀有偏差以及特別是產(chǎn)生凝固裂紋，并且特別是用以禁止不希望的材料結(jié)構(gòu)(例如粗粒)。
[0006]為了操縱或控制這個(gè)不利的后果已知的是，在構(gòu)件通過激光熔化而制成之后，對(duì)構(gòu)件進(jìn)行熱處理。例如，這種熱處理可以按照公開的W02012/055398 A1在外部的加熱裝置(爐子)中執(zhí)行，構(gòu)件在制成之后放入到加熱裝置內(nèi)，或者，必要時(shí)，在已清除剩余的、未重熔的材料粉末之后，在過程室自身內(nèi)執(zhí)行所述熱處理。
[0007]EP 2 415 552 A1也公開了對(duì)制成的構(gòu)件進(jìn)行加熱的技術(shù)，用于緊接在選擇性激光熔化技術(shù)之后對(duì)其材料特性進(jìn)行最佳化。在此，這種加熱借助于加熱線圈進(jìn)行，所述加熱線圈與要生成的構(gòu)件在同一選擇性激光熔化技術(shù)過程中產(chǎn)生并且因此與已制造的構(gòu)件一起位于材料粉末內(nèi)。在清除掉材料粉末之后，加熱線圈為了耦入加熱功率而與電源連接。
[0008]要產(chǎn)生的構(gòu)件的加熱場(chǎng)所也可以在選擇性激光熔化技術(shù)期間就已經(jīng)間接被影響，其方式是，例如加熱基板或者為了冷卻目的而在固定裝置內(nèi)安裝了熱交換器。在EP 2 415552 A1中也公開了這樣的方式:在該方式中，構(gòu)件被保持件支持或者說保持，所述保持件可在支承部位上冷卻工件，從而使構(gòu)件的敏感區(qū)域不會(huì)遭受高溫。
[0009]在以選擇性電子束恪化技術(shù)(“selectiveElectron Beam Melting”，SEBM)形式的生成制作方法中，代替于激光束而借助于電子束進(jìn)行熔化材料粉末，可以通過偏轉(zhuǎn)電子束而在原本制造過程的準(zhǔn)備階段和/或后續(xù)階段中影響導(dǎo)熱。
[0010]此外，W02012/055398 A1說明了通過在過程室內(nèi)使用反應(yīng)氣體使通過選擇性激光熔化技術(shù)所制造的構(gòu)件的材料成分發(fā)生目標(biāo)明確的變化，其中，成分的變化應(yīng)用于提高構(gòu)件的可受熱能力。
[0011]然而，在選擇性激光熔化技術(shù)的情況下，與原理相關(guān)地降低了:在生成構(gòu)件期間觸及到過程區(qū)域進(jìn)而有效地局部地(也就是當(dāng)下)影響該過程的可能性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明的任務(wù)是，如此改善通過選擇性激光熔化技術(shù)來生成三維構(gòu)件的方法和加工機(jī)，使得能夠提高采用加工機(jī)所生成的構(gòu)件的品質(zhì)。
[0013]該任務(wù)通過前面提到的方法解決，該方法包括這些步驟:
[0014]-在生成三維構(gòu)件期間通過選擇性激光熔化技術(shù)生成至少一個(gè)過程影響裝置；以及
[0015]-激活所述過程影響裝置，用于在制成三維構(gòu)件之前對(duì)構(gòu)件已制成區(qū)域產(chǎn)生影響。
[0016]通過與構(gòu)建出三維構(gòu)件同時(shí)生成的過程影響裝置并且將其在制成構(gòu)件之前激活，能夠以有利的方式直接地(特別是局部地)影響到三維構(gòu)件的生成。在此，過程影響裝置在其仍被粉末材料包圍時(shí)(也就是說，在剩余的、未重熔的材料粉末從過程室中清除之前)就被激活。以這種方式能夠大大提高了選擇性激光熔化方法的品質(zhì)能力以及通過這種方法所生成的構(gòu)件的品質(zhì)。特別是，通過在這里說明的方法可以生成這樣的過程影響裝置:所述過程影響裝置能夠根據(jù)其個(gè)別的幾何形狀方面的特點(diǎn)以適合的方式方法影響要制造的構(gòu)件。過程影響裝置以典型的方式在構(gòu)件制成之后不再需要且被清除。
[0017]例如，通過過程影響裝置可以在熱和/或化學(xué)方面對(duì)構(gòu)件的已制成區(qū)域產(chǎn)生影響。如果采用過程影響裝置對(duì)工件的制成區(qū)域在熱方面產(chǎn)生影響(其方式例如是，在制成區(qū)域中制造所希望的熱分布或者確定的導(dǎo)熱)，則能夠有利地防止或者至少很顯著地減輕了:產(chǎn)生熱裂紋、構(gòu)件延遲調(diào)整、粗粒形成和/或產(chǎn)生不希望的金屬相等等。此外，通過對(duì)已制成區(qū)域的熱影響也可以減少了熱膨脹問題，所述熱膨脹問題特別是在用于選擇性激光熔化技術(shù)的加工機(jī)的傳統(tǒng)加熱的基板區(qū)域內(nèi)能夠被調(diào)整。如果采用過程影響裝置在化學(xué)方面對(duì)制成區(qū)域產(chǎn)生影響(其方式是，例如將反應(yīng)氣體引導(dǎo)至構(gòu)件的已制成區(qū)域)，則能夠目標(biāo)明確地對(duì)構(gòu)件的金屬特性產(chǎn)生影響。因此，不僅在熱影響的情況下而且在化學(xué)影響情況下都能夠改善或者說提高激光熔化方法的品質(zhì)和所制成的三維構(gòu)件的品質(zhì)。
[0018]在這里說明的方法中，構(gòu)件和過程影響裝置以典型的方式通過執(zhí)行激光熔化技術(shù)的加工機(jī)的一個(gè)激光器或者通過多個(gè)同時(shí)工作的激光器在同一過程室中生成。在使用借助電掃描儀(Galvanoscanner)偏轉(zhuǎn)的、唯一激光器或者說唯一激光束的情況下，由于原理所導(dǎo)致的較小偏轉(zhuǎn)速度必要時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生不利影響。提高偏轉(zhuǎn)速度的可能性例如是:激光器陣列(就可控激光矩陣的意義而言)、多邊形掃描儀、或者固態(tài)掃描儀(Solid StateScanner)。在此，構(gòu)件和過程影響裝置以典型的方式由同一種材料粉末生成。不言而喻，在三維構(gòu)件制成之后，借助于過程影響裝置同樣能夠進(jìn)行傳統(tǒng)的后處理。
[0019]在一個(gè)優(yōu)選的變型中，過程影響裝置在生成時(shí)與執(zhí)行激光熔化技術(shù)的加工機(jī)的功能接口相連接。通過這個(gè)功能接口，在加工機(jī)的過程室內(nèi)部所生成的過程影響裝置與一般來說設(shè)置在過程室外部的供應(yīng)裝置共同作用。供應(yīng)裝置用于給過程影響裝置供應(yīng)為了對(duì)構(gòu)件已制成區(qū)域產(chǎn)生影響所需要的媒介。按照這個(gè)方法變型，過程影響裝置在與功能接口相連接的狀態(tài)下生成，從而過程影響裝置緊接著在其制成之后以及還在(繼續(xù))制造原本構(gòu)件或者說產(chǎn)品期間能夠投入運(yùn)行。因此，這不需要的是:過程影響裝置在附加的方法步驟中與功能接口或者說與供應(yīng)裝置相連接。
[0020]在另一個(gè)優(yōu)選的變型中，過程影響裝置在生成時(shí)分別通過導(dǎo)入端和導(dǎo)出端與功能接口相連接。因此，從供應(yīng)裝置出發(fā)經(jīng)由功能接口以及經(jīng)由與功能接口相連接的過程影響裝置導(dǎo)入端以及進(jìn)一步經(jīng)由過程影響裝置以及其與功能接口相連接的導(dǎo)出端又回到供應(yīng)裝置，能夠形成了功能回路。在這個(gè)功能回路中，由供應(yīng)裝置所提供的媒介能夠被傳播用于對(duì)已制成區(qū)域產(chǎn)生影響。
[0021]優(yōu)選的是，在另一個(gè)變型中，生成電導(dǎo)體用作過程影響裝置，所述電導(dǎo)體接觸到構(gòu)件的已制成區(qū)域或者與這個(gè)區(qū)域間隔開。通過在一個(gè)部位或者多個(gè)部位(優(yōu)選至少兩個(gè)部位)上與至少部分生成的構(gòu)件相接觸的電導(dǎo)體，能夠使構(gòu)件或者還沒有完全制成的構(gòu)件的構(gòu)件區(qū)域通過給電導(dǎo)體加載電流進(jìn)行傳導(dǎo)式加熱。以這種方式還能夠在構(gòu)件制成之前對(duì)構(gòu)件生成進(jìn)行熱影響。在此，電導(dǎo)體能夠通過其導(dǎo)入端或?qū)С龆吮粯?gòu)造成電壓生成裝置的供應(yīng)裝置供給電流，從而在構(gòu)件的電流流經(jīng)區(qū)域內(nèi)發(fā)生加熱。在這種情況下，這個(gè)或者這些一般來說薄的電導(dǎo)體在一定程度上是金屬粉末中的電流或者說電流路徑用的優(yōu)選路徑。一般來說，電導(dǎo)體的密度和其導(dǎo)電能力大于包圍的金屬粉末的密度和導(dǎo)電能力。
[0022]在一個(gè)優(yōu)選變型中，電導(dǎo)體如此生成，使得該電導(dǎo)體為了形成感應(yīng)回路而至少部分地包圍該三維構(gòu)件的已制成區(qū)域。如果過程影響裝置包圍三維構(gòu)件或已制成區(qū)域，則電導(dǎo)體為了影響過程而能夠作為感應(yīng)器或者說作為感應(yīng)加熱器來用于加熱已制成區(qū)域內(nèi)的構(gòu)件。在此，電導(dǎo)體一般來說由構(gòu)造成電壓生成裝置的供應(yīng)裝置供給交替施加的直流電或者具有預(yù)先給定頻率的交流電，從而在被電導(dǎo)體包圍的構(gòu)件已制成區(qū)域內(nèi)感應(yīng)出交流電，所述交流電造成的結(jié)果是感應(yīng)式加熱該構(gòu)件的制成區(qū)域。按照本發(fā)明，還可以在構(gòu)件制成之前對(duì)電導(dǎo)體或者說感應(yīng)器供給電流(然而在時(shí)間上是在構(gòu)造成過程影