專利名稱：利用電磁輻射的定向束加工原材料的加工室與方法，尤其用于激光燒結(jié)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用電磁輻射的定向束加工原材料的加工室與方 法，尤其用于激光燒結(jié)裝置。
背景技術(shù)：
激光燒結(jié)裝置通常含有激光器、加工室以及耦合窗，其中，待制 造的物體在加工室內(nèi)生成，耦合窗用來把激光束耦合到加工室之內(nèi)。
當(dāng)激光被局部地轟到粉料上并且讓粉料得到加熱時(shí)會(huì)導(dǎo)致少量材 料的蒸發(fā)，并且，被蒸發(fā)的材料或其成分、或化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物以及在加 工室氣氛中懸浮的灰塵顆粒沉積在耦合窗上。這一點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致耦合窗的 透明度降低并由此導(dǎo)致激光束的強(qiáng)度降低。
在WO 97/06918中公開了一種激光燒結(jié)裝置，其中，在耦合窗的 面向加工室的側(cè)上設(shè)置了用來引入氣體的噴嘴，噴嘴環(huán)形地圍繞耦合 窗，所述氣體可任意地吹向耦合窗。氣流的分布與耦合窗的表面相正 切。
顯然，在這個(gè)已知的裝置中，耦合窗的表面并不在所有位置上都 保持干凈。此外，耦合窗與被任意吹出的氣體之間的溫度梯度以及耦 合窗與位于加工室內(nèi)的氣體之間的溫度梯度會(huì)導(dǎo)致束的偏轉(zhuǎn)受到干 擾。為了緩解第二個(gè)問題，可以讓任意吹入的氣體從單側(cè)吹入。然而 這導(dǎo)致耦合窗表面上具有更快的臟物沉積。
在DE 198 53 947 Cl中公開了一種用于選擇性地實(shí)施激光熔化的加工室，其中，通過第一入口可以將保護(hù)氣體導(dǎo)入加工室中，由此使 得保護(hù)氣體流過加工面，并且還設(shè)置了第二入口以用來將較輕的第二 氣體環(huán)形地導(dǎo)入內(nèi)有耦合窗的加工室的較高區(qū)域之內(nèi)。由此在較高的 區(qū)域內(nèi)形成一種屬于較輕的第二氣體的吹氣體積，通過吹氣體積可以 把在工作區(qū)域中形成的蒸汽從耦合窗隔開。但是，由于溫度梯度的緣 故，所以"束的偏轉(zhuǎn)受到干擾"這一問題未能得到解決。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)在于，提供一種利用電磁輻射的定向束加工原材料 的、尤其用于激光燒結(jié)裝置的加工室與方法，其中有效地保護(hù)了耦合 窗不被弄臟并減小由于耦合窗附近的溫度梯度而導(dǎo)致的束偏轉(zhuǎn)這一問 題。
通過如權(quán)利要求l所述的加工室以及如權(quán)利要求io所述的方法解 決了發(fā)明任務(wù)。從屬權(quán)利要求中描述了發(fā)明的進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)。
根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置擁有的優(yōu)點(diǎn)在于可以讓下方的氣流偏 離耦合窗。由此可以改善從加工面升起的載有臟物的氣體與耦合窗的 分隔。由此可以讓光學(xué)表面更好地保持干凈。此外還可以進(jìn)一步避免 由于自由吹入的氣體與加工室氣體之間形成溫度梯度而導(dǎo)致的束偏轉(zhuǎn)。


本發(fā)明的其它特征以及適用性顯示在借助附圖的實(shí)施例描述中。 在附圖中
圖1示出的是一臺(tái)激光燒結(jié)裝置的示意性視圖；以及 圖2示出的加工室的含耦合窗的區(qū)域的透視截面圖。
具體實(shí)施例方式
圖1示出一臺(tái)激光燒結(jié)裝置，作為用來逐層形成三維物體的裝置的實(shí)施例。該激光燒結(jié)裝置擁有向上敞開的容器1，該容器擁有在其內(nèi)
部可沿垂直方向移動(dòng)的支架2，支架2支承要形成的物體3。支架2在 垂直方向上如此調(diào)節(jié)，使得物體的各個(gè)待凝固的層處于工作平面4之 內(nèi)。另外還設(shè)置了一個(gè)施加裝置5，用來施加可通過電磁輻射凝固的粉 狀合成材料。該裝置還擁有激光器6。通過激光器6產(chǎn)生的激光束7通 過偏轉(zhuǎn)裝置8偏轉(zhuǎn)到耦合窗9上并穿過該耦合窗進(jìn)入加工室10并聚焦 在工作平面4中的預(yù)定的點(diǎn)。
如果該裝置被如下設(shè)置，即，激光束從上方進(jìn)入加工室IO并且物 體3在垂直方向上合成，那么耦合窗9則例如被設(shè)置在加工室10的頂 壁以內(nèi)。耦合窗9由對(duì)于激光束透明的材料、例如玻璃或透明塑料形 成。此外，加工室IO還持有未示出的用來維持在工作平面上方的確定 的氣氛的氣體入口、例如用于惰性氣體如氮?dú)獾娜肟凇?br> 此外還設(shè)置了控制元件11,通過它可以讓裝置的組件為了實(shí)施合 成過程而以協(xié)調(diào)的方式得到控制。
圖2以剖開的透視圖示出了圍繞耦合窗9剖切的加工室IO的放大 視圖。在示出的實(shí)施例中，耦合窗9作為矩形窗構(gòu)成。它可以單獨(dú)作 為用來把激光束聚焦到工作平面內(nèi)的光學(xué)元件、例如作為透鏡或作為 透鏡組構(gòu)成。當(dāng)然，它也可以作為適于激光束穿過的、用來保護(hù)位于 其后方的光學(xué)元件的保護(hù)窗構(gòu)成。
耦合窗9這樣固定在頂壁的壁段12之內(nèi)，使得耦合窗9在上部區(qū) 域中把加工室密封。此外，耦合窗9還擁有面向工作平面4的表面9a。
如圖2中看到的那樣，壁段12擁有鄰接在耦合窗縱向側(cè)13上的 第一傾斜段12a，它的傾斜表面在與耦合窗9成角度地遠(yuǎn)離其延伸?；?本呈空心圓柱形或呈部分空心圓柱形的傾斜段12b鄰接在傾斜段12a 上，它的圓柱軸線平行于耦合窗的縱向側(cè)13延伸。空心圓柱段的頂點(diǎn)14優(yōu)選高于傾斜段12a的邊緣15，從而使得第二壁段12b擁有溝槽式 的結(jié)構(gòu)。段12a、 12b基本在耦合窗的整個(gè)縱向側(cè)13上延伸，或者略 微超出它延伸。
在壁段12的傾斜區(qū)域12a的靠近耦合窗9的末端處設(shè)有第一縫隙 16，第一縫隙16基本沿著耦合窗的縱向側(cè)13延伸并且與用于第一氣 體管路的第一入口孔17相連。與第一氣體管路的連接能夠例如通過閥 門而可開關(guān)地構(gòu)成。第一縫隙16擁有這樣的寬度及幾何形狀，使得被 引導(dǎo)的第一氣體18基本正切地沿著耦合窗的表面9a從縱向側(cè)13到對(duì) 立的縱向側(cè)20順劃而過。
此外，加工室的壁段12還在第一縫隙16對(duì)面的、鄰接在耦合窗 對(duì)面縱向側(cè)20上的區(qū)域中擁有基本水平的第一壁區(qū)域21以及一個(gè)與 其鄰接的傾斜區(qū)域22。由此可以實(shí)現(xiàn)的是，通過第一縫隙16流入的第 一氣體18基本正切地沿著耦合窗的整個(gè)表面9a'順劃而過，并接著通 過傾斜面22引導(dǎo)離開耦合窗。
在第二壁段12b中設(shè)置了第二縫隙23,該縫隙與第一縫隙16平 行并基本在耦合窗的整個(gè)縱向側(cè)13上延伸或超出它延伸。第二縫隙23 與第二入口孔24相連，第二入口孔24與用于第二氣體25的氣體管路 相連。第二氣體管路也能夠被可開關(guān)地構(gòu)成。第二縫隙23被設(shè)置在與 耦合窗分離的區(qū)域中的呈部分空心圓柱形狀的壁段12b之內(nèi)，因此， 通過縫隙23放出的氣體25首先會(huì)流入由空心圓柱形的段形成的溝槽 中。如果耦合窗9在垂直方向上位于工作平面4之上，則第二縫隙23 被設(shè)置在第一縫隙16之下。
從傾斜壁段12a到空心圓柱段12b的角度如此選擇，使得束路徑 不被切割。
在加工室中還設(shè)置了用來導(dǎo)走氣流的未示出的開口，該開口可以與吸氣機(jī)件相連。
可以把氮?dú)庾鳛榈谝慌c第二氣體使用。當(dāng)然也可以根據(jù)不同的應(yīng) 用領(lǐng)域而使用其它氣體。第一與第二氣體也可以是彼此不同的。
加工室的限定耦合窗短側(cè)的壁段可以是基本水平的，因此，借助 第一與第二縫隙產(chǎn)生的氣流不會(huì)由于結(jié)構(gòu)而打漩。
可選地，按照下述內(nèi)容設(shè)置控制，即氣流18、 25在通流量和/或 速度方面彼此相關(guān)或彼此無關(guān)地得到控制。
在工作狀態(tài)下，通過粉狀合成材料利用激光束的凝固，而逐層產(chǎn)
生三維物體。第一縫隙16與第二縫隙23與氣體管路相連，由此使得 氣體通過縫隙16、 23流入加工室。通過第一縫隙流入的氣體18正切 地在耦合窗9的面向工作平面的表面9a近旁流過，并在對(duì)立的側(cè)上被 導(dǎo)走。因此所述氣體可以阻止到耦合窗的表面9a的通路，從而保持表 面的清潔。
通過第二縫隙23流入的第二氣體25由于縫隙23的設(shè)置以及結(jié)構(gòu) 而基本在空心圓柱形的段12b的內(nèi)表面近旁流過，并且在朝著第一傾 斜段12a與空心圓柱段12b之間的邊緣15移動(dòng)時(shí)獲得沿工作平面方向 向下的沖量。在經(jīng)過邊緣15之后，氣體離表面具有一定距離并基本平 行于表面9a流過。通過段12b的溝槽式結(jié)構(gòu)可以讓下方的氣流25與 耦合窗的表面保持距離。由此獲得兩股基本的層流，它們幾乎不會(huì)相 互混合。這樣一來就可以更好地分離載有臟物的氣體，其中，當(dāng)從工 作平面升起的氣體被推到光學(xué)元件上時(shí)，不讓含有冷凝物以及/或者灰 塵顆?；蚱渌廴疚锏臍怏w靠近氣流。此外，由于下方氣流25形成的 溫度梯度而造成的束偏轉(zhuǎn)明顯減小。因此不僅保持表面9a足夠干凈， 而且減小了束的偏轉(zhuǎn)。該裝置也可以具有變型。耦合窗不必非要被設(shè)為矩形，而是也可 以例如是正方形、圓形或橢圓形或其它形狀的。不過，當(dāng)氣體管路的 縫隙以及耦合窗的相應(yīng)側(cè)基本平行地分布時(shí)，效果會(huì)更好。第一縫隙
16與第二縫隙23優(yōu)選略寬于耦合窗的縱向側(cè)。當(dāng)然它們也可以更短， 不過這樣一來，耦合窗的邊緣處不會(huì)充分地被氣體順劃而過。
壁段12a與12b的形狀也可以設(shè)為其它樣式。斜面12a也可以例 如彎入加工室之內(nèi)。溝槽式表面12b不必非要擁有局部圓柱的形狀， 而是也可以使用其它適合于氣體順劃而過的彎凹形狀。
也可以設(shè)想棄用溝槽式的壁段12b而替代地讓縫隙23如此構(gòu)成，
使得釋出的氣體獲得偏離耦合窗的沖量。
本發(fā)明也可以應(yīng)用在其它的用來逐層形成三維物體的裝置上，例 如用在能夠通過激光將粉狀、多數(shù)為金屬狀的合成材料熔化的激光熔 化裝置上，以及用在其它的、在加工室中會(huì)出現(xiàn)把耦合窗弄臟的氣體 與蒸汽的加工裝置上。
權(quán)利要求
1.利用電磁輻射的定向束加工原材料的加工室，所述加工室包括用來把所述束(7)耦合到所述加工室(10)中的光學(xué)元件(9)，其中，所述光學(xué)元件具有面向所述加工室內(nèi)部的表面(9a)；圍繞所述光學(xué)元件(9)的壁段(12)；氣體第一入口(16)，其設(shè)置在所述光學(xué)元件(9)的一側(cè)并且這樣設(shè)計(jì)，使得釋出的第一氣流(18)基本正切地在所述光學(xué)元件(9)的所述表面(9a)上順劃而過；氣體第二入口(23)，其這樣設(shè)計(jì)并設(shè)置，使得釋出的第二氣流(25)距所述表面(9a)具有一定距離并沿著與所述第一氣流(18)基本相同的方向流動(dòng)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的加工室，其特征為所述入口 (16， 23) 被設(shè)置成一個(gè)在另一個(gè)的下方。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的加工室，其特征為所述第一氣流 (18)與所述第二氣流(25)基本層狀地構(gòu)成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的加工室，其中，兩個(gè)入口 (16， 23)或其中一個(gè)入口狹縫狀地構(gòu)成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4之一所述的加工室，其特征為所述加工室 (10)的所述壁(12)具有按照下述內(nèi)容設(shè)計(jì)及設(shè)置的結(jié)構(gòu)段(12b)，即，讓通過第二入口 (23)流入的氣體獲得偏離所述表面(9a)的沖
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的加工室，其特征為所述壁段(12b)具 有溝槽式的形狀。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的加工室，其特征為在工作位置中的 所述第二入口被設(shè)置在所述第一入口的下方。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l至7之一所述的加工室，其特征為所述定向束是激光束。
9. 激光燒結(jié)裝置，包括 激光器(6)以及根據(jù)權(quán)利要求1至8之一所述的加工室(10)。
10. 利用電磁輻射的定向束加工原材料的方法，所述方法具有下述步驟指引電磁輻射的定向束(7)穿過耦合窗(9)進(jìn)入到加工室(10) 內(nèi)，其中，所述耦合窗擁有面向所述加工室內(nèi)部的表面(9a);將第一氣流(18)按照下述方式引入所述加工室，即，讓從一側(cè) 過來的所述第一氣流基本正切地在所述表面(9a)上順劃而過；以及將第二氣流(25)按照下述方式引入所述加工室，即，讓所述第 二氣流距所述表面(9a)具有一定距離并且沿著與所述第一氣流(18) 基本相同的方向流動(dòng)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的方法，其特征為利用激光束在所述加 工室中加工所述原材料的步驟。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的方法，其中使用了根據(jù)權(quán)利要 求1至9之一所述的加工室。
13. 根據(jù)權(quán)利要求10至12之一所述的方法，所述方法是激光燒 結(jié)法。
全文摘要
提供了一種利用電磁輻射的定向束加工原材料的加工室，該加工室具有用來把束(7)耦合到加工室(10)中的光學(xué)元件(9)，其中，該光學(xué)元件擁有面向加工室內(nèi)部的表面(9a)，該加工室還具有氣體第一入口(16)、氣體第二入口(23)、以及圍繞光學(xué)元件(9)的壁段(12)，其中，第一入口(16)設(shè)置在光學(xué)元件(9)的一側(cè)上并這樣構(gòu)造，使得釋出的第一氣流(18)基本正切地在光學(xué)元件(9)的表面(9a)上順劃而過；第二入口(23)這樣構(gòu)造并設(shè)置，使得釋出的第二氣流(25)距表面(9a)具有一定距離并沿著基本與第一氣流(18)相同的方向流動(dòng)。
文檔編號(hào)B22F3/105GK101321600SQ200780000523
公開日2008年12月10日 申請(qǐng)日期2007年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月28日
發(fā)明者漢斯·佩雷特, 約亨·菲利皮 申請(qǐng)人:Eos電光系統(tǒng)有限責(zé)任公司