本發(fā)明涉及用于基于粉末的增材制造的機器和方法，其借助于能量束燒結或熔融所述粉末顆粒?！澳芰渴北焕斫鉃橐庵鸽姶泡椛?例如激光束)或粒子束(例如電子束)。

背景技術：

通過選擇性熔融(更通常地被稱為燒結)重疊粉末層進行制造的優(yōu)點主要在于如下事實：可以通過計算機對部件的形狀進行建模，然后可以基于該建模通過能量束的計算機控制制造部件。此外，該技術特別適合制造通過其它方法難以制造的具有小尺寸和復雜形狀的部件。

當通過激光束進行選擇性熔融時，其被稱為激光燒結。激光燒結技術在于：通過堆疊粉末層，通過激光束在堆疊方向上使所述粉末層彼此重疊地凝固和熔合從而逐層制造部件。術語“粉末”被理解為意指粉末或粉末混合物。粉末可以例如為金屬粉末或礦物粉末，例如陶瓷粉末。

通常地，為了確保在燒結或熔融操作之前制備粉末床，使用了分層堆放設備。所述設備可以包括圓筒或輥，所述圓筒或輥能夠將粉末以層的形式分布在構建平臺上。對于更多細節(jié)，可以例如參考專利申請wo-a1-2013/092757和wo-a1-2013/178825。

沉積第一層，然后將其直接焊接至構建平臺。然后依次形成其它層從而獲得始于第一層的堆疊。為了選擇性地實現(xiàn)粉末的熔融，設置發(fā)射能量束(通過檢流鏡控制能量束的定向)的源和光學透鏡，所述光學透鏡將能量束聚焦在沉積至構建平臺的粉末層上。

為了提高制造生產率，文獻wo-a1-2013/178825推薦提供一種機器，所述機器包括兩個分立的構建平臺，每個構建平臺與能量束的發(fā)射源和每個源所固有的用于控制能量束的裝置關聯(lián)從而在每個平臺上形成部件。所述機器還包括兩個構建平臺共用的分層堆放設備。因此，可以進行沉積在一個平臺的工作區(qū)域中的粉末層的熔融操作，同時在另一個平臺的工作區(qū)域中進行分層堆放操作。

然而，該方案不能縮短關聯(lián)構建平臺上的每個部件的制造時間。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服該缺點。

更具體地，本發(fā)明的目的是提供燒結機器，所述燒結機器能夠縮短制造每個部件所需的周期時間，并且實現(xiàn)粉末層的特別精確的熔融。

在一個實施方案中，通過燒結或熔融粉末來增材制造部件的機器包括框架，至少一個工作區(qū)域，和至少兩個用于發(fā)射和控制能量束的模塊，所述模塊安裝在框架內并且各自設置有發(fā)射源和用于由所述源發(fā)射的能量束的光學聚焦裝置。發(fā)射和控制模塊各自作用于所述工作區(qū)域從而制造同一個部件。至少每個模塊的光學聚焦裝置可以相對于框架沿著豎直軸線軸向地平移移動。所述機器還包括至少兩個致動器，所述致動器各自與光學聚焦裝置之一關聯(lián)，從而彼此獨立地調節(jié)所述裝置相對于工作區(qū)域的豎直軸向位置。

使用至少兩個與同一個工作區(qū)域關聯(lián)的發(fā)射和控制模塊能夠縮短部件的制造時間。這是因為模塊同時作用于用于制造所述部件的工作區(qū)域。

此外，彼此獨立地調節(jié)光學聚焦裝置的軸向位置能夠將每個所述裝置設置在相對于工作區(qū)域的希望工作距離處。這是因為聚焦裝置(可以例如是透鏡)在制造之后各自具有不同于其理論焦距的實際焦距。因此能夠基于實際焦距，通過這些可以彼此獨立移動的裝置的軸向移動，獨立地調節(jié)每個聚焦裝置的工作距離或高度。因此能夠通過獨立調節(jié)聚焦裝置的軸向位置，來獲得連續(xù)沉積在工作區(qū)域上的粉末層的特別精確的熔融。

優(yōu)選地，所述機器包括與所述工作區(qū)域關聯(lián)的單個構建平臺。

發(fā)射和控制模塊可以各自包括外殼，所述外殼支撐發(fā)射源和關聯(lián)的光學聚焦裝置。在一個實施方案中，每個模塊的外殼能夠在關聯(lián)致動器的作用下相對于框架沿軸向平移移動。在該情況下，通過移動支撐所述裝置的外殼來調節(jié)每個聚焦裝置的工作距離。

在一個實施方案中，每個致動器包括線性移動的控制構件，框架包括用于引導每個所述控制構件的引導裝置。優(yōu)選地，所述機器還包括調節(jié)裝置，所述調節(jié)裝置用于調節(jié)引導裝置的引導軸線相對于所述工作區(qū)域的角定向。因此，能夠保證每個模塊沿著導軌在預定方向上進行平移移動。這進一步提高了粉末層的熔融精確度。

框架可以包括至少一個框和至少一個盒，所述框限定工作區(qū)域，所述盒支撐發(fā)射和控制模塊、致動器和引導裝置，所述調節(jié)裝置處于框和盒之間。

優(yōu)選地，所述機器還包括調節(jié)裝置，所述調節(jié)裝置用于調節(jié)每個聚焦裝置的光學軸線相對于所述工作區(qū)域的角定向。因此能夠調節(jié)每個聚焦裝置的定向，使得其光學軸線優(yōu)選垂直于工作區(qū)域。熔融操作之前的這種調節(jié)進一步促進獲得良好的熔融精確度。

在一個實施方案中，所述機器包括至少兩個基部，所述基部各自支撐一個發(fā)射和控制模塊并且各自連接至與所述模塊關聯(lián)的致動器，所述調節(jié)裝置處于每個支撐基部和關聯(lián)模塊之間。

調節(jié)裝置可以各自包括本體、滑動件、調節(jié)構件和致動套管，所述滑動件以可移動方式安裝在本體內，所述調節(jié)構件用于調節(jié)滑動件在本體內的位置，所述致動套管安裝在本體上并且與滑動件配合，使得在滑動件移動的作用下，所述套管相對于所述滑動件的移動方向在橫向方向上平移移動。

在一個實施方案中，所述機器包括至少兩個分立的工作區(qū)域和每個工作區(qū)域所固有的用于發(fā)射和控制能量束的至少兩個模塊。優(yōu)選地，所述機器包括對于兩個工作區(qū)域共用的分層堆放設備。

在一個示例性實施方案中，每個致動器包括與絲杠螺母系統(tǒng)關聯(lián)的電動馬達或致動缸。

本發(fā)明還涉及通過燒結或熔融粉末來增材制造至少一個部件的方法，所述方法包括如下步驟：

-a)在至少一個工作區(qū)域上沉積粉末層，

-b)借助于至少兩個能量束和至少兩個各自與所述束之一關聯(lián)的分立的聚焦裝置，按照對應于所述元件的截面的圖案至少部分地熔融沉積在所述工作區(qū)域上的所述層，

-c)重復步驟a)和b)從而通過堆疊層形成元件，

-d)在熔融操作之前和/或熔融操作過程中，彼此獨立地調節(jié)每個聚焦裝置相對于工作區(qū)域的豎直軸向位置，從而改變投影至所述工作區(qū)域的每個能量束的尺寸。

在一個優(yōu)選的實施方案中，在熔融操作之前，彼此獨立地調節(jié)每個聚焦裝置相對于工作區(qū)域的角定向。

附圖說明

通過閱讀實施方案的具體描述將更好地理解本發(fā)明，所述實施方案以完全非限制性實施例的方式給出并且通過附圖顯示，在附圖中：

-圖1為根據(jù)第一個示例性實施方案的機器的示意性橫截面圖，

-圖2為圖1的機器的調節(jié)裝置的橫截面圖，和

-圖3為根據(jù)第二個示例性實施方案的機器的示意性橫截面圖。

具體實施方式

圖1顯示了整體附圖標記為10的機器的示例性實施方案，所述機器用于增材制造至少一個部件p，并且顯示其呈現(xiàn)豎直位置。表述“至少一個部件p”被理解為意指單個部件p或同時制備的一組多個部件p。

機器10包括框架12，用于發(fā)射和控制能量束的兩個分立模塊14、16，兩個模塊共用的工作平臺18，和將粉末22施加至工作平臺的分層堆放設備20。在圖中，通過虛線顯示發(fā)射的兩個分立的能量束。正如下文更詳細描述的，每個模塊14、16和關聯(lián)平臺18之間的工作距離彼此獨立地進行調節(jié)。

在所顯示的示例性實施方案中，分層堆放設備20包括料斗24和旋轉輥26，所述料斗24用于儲存和供應粉末22并且設置在工作平臺18的上方，所述旋轉輥26用于將粉末計量加入由框架12限定的平坦工作區(qū)域28。輥26延伸通過料斗24中的下方開口并且控制通過重力轉移的粉末的量。輥26可以例如包括多個凹槽，所述凹槽在輥26的外表面形成并且作用是將可再現(xiàn)計量的粉末轉移至工作區(qū)域28。與輥結合或者作為輥的替代品，分層堆放設備20還可以包括一些其它分布裝置，例如刮刀。對于所述分層堆放設備的設計的更多細節(jié)，可以例如參考專利申請wo-a1-2013/092757和wo-a1-2013/178825。

工作區(qū)域28由框架的套筒30限定，工作平臺18安裝在所述套筒30中從而沿著豎直軸線18a滑動。套筒30的橫截面具有與平臺18相同的形狀，例如圓形、正方形、矩形等。套筒30與模塊14、16的作用區(qū)域對立設置，所述模塊14、16均作用于工作區(qū)域28。套筒30通過附接和固定至框架或者通過與框架一體形成而固連至所述框架12。

分層堆放設備20能夠在框架12內在由附圖標記為32的箭頭示意性顯示的水平移動方向上平移移動，從而能夠在每次越過工作區(qū)域28時傳送預定量的粉末。一旦設備20穿過工作區(qū)域28，過量粉末被推入機器的框架12的收集容器34。容器34與套筒30相鄰。

分立模塊14、16在框架12內并排設置并且旨在作用于這兩個模塊共用的工作區(qū)域28。由于在所顯示的示例性實施方案中模塊14、16相同，本文將使用附圖標記“a”僅描述模塊14的部件，應理解另一個模塊16的相同部件在圖1中具有附圖標記“b”。

模塊14包括例如激光類型的能量束的發(fā)射源40a，能夠控制發(fā)射束的定向的兩個檢流鏡42a，和透鏡44a，所述透鏡44a將所述束聚焦至工作區(qū)域28，從而能夠按照圖案加熱每個沉積的粉末層，所述圖案對應于待制造部件p的截面，從而選擇性地實現(xiàn)粉末的熔融。

模塊14還包括外殼46a，源40a、鏡42a和透鏡44a安裝在所述外殼46a上。外殼46a被框架的基部48支撐。支撐基部48沿豎直方向設置在工作區(qū)域28的上方。以相同的方式，模塊16的外殼46b同樣被框架的基部50支撐，所述基部50與基部48相鄰。模塊的支撐基部48、50各自包括開口(未顯示)，從而允許由源40a、40b發(fā)射并且由透鏡44a、44b聚焦的能量束穿過。

機器10還包括兩個分立的致動器52、54，每個致動器與模塊14、16之一關聯(lián)，從而能夠使模塊的軸向位置彼此獨立地改變。每個模塊14、16相對于框架12沿著豎直軸線沿軸向平移移動。致動器52、54緊固至框架12并且安裝在框架12內。致動器52、54分別連接至支撐基部48、50，從而允許模塊14、16的移動。

在所顯示的示例性實施方案中，每個致動器52、54包括緊固至框架12的電動馬達56、58和絲杠螺母系統(tǒng)，所述絲杠螺母系統(tǒng)的絲杠60、62被馬達旋轉驅動，并且所述絲杠螺母系統(tǒng)的螺母64、66被框架的具有豎直引導軸線的導軌68、70平移引導。導軌68、70的引導軸線基本上彼此平行。螺母64、66緊固至支撐基部48、50，從而允許關聯(lián)模塊14、16的軸向移動。螺母64、66形成用于關聯(lián)模塊14、16的以豎直線性方式作用的控制構件。

絲杠螺母系統(tǒng)可以為滾珠式、輥子式，或者采用絲杠和螺母之間的直接嚙合。使用絲杠螺母系統(tǒng)能夠以非常精確的方式控制每個模塊14、16相對于框架12的軸向位置。然而替代性地，有可能設置其它類型的致動器，例如電動缸、液壓缸或氣動缸。

機器10還包括一對調節(jié)裝置72、74，所述調節(jié)裝置72、74與每個模塊14、16關聯(lián)，從而能夠調節(jié)所述模塊的透鏡44a、44b的光學軸線相對于工作區(qū)域28的角定向。每對調節(jié)裝置72、74處于模塊的支撐基部48、50和關聯(lián)的外殼46a、46b之間。正如下文更詳細描述的，通過關聯(lián)模塊14、16的角方向來調節(jié)每個透鏡44a、44b的光學軸線的角定向。同一對的調節(jié)裝置72、74設置在關聯(lián)模塊的透鏡44a、44b的任一側。還在支撐基部48、50和關聯(lián)外殼46a、46b之間設置球形接頭連接。調節(jié)裝置72、74彼此相同。

如圖2所示，調節(jié)裝置72包括緊固至關聯(lián)模塊的支撐基部的基板74和緊固至板的本體76，兩者之間限定殼體78，滑動件80安裝在所述殼體78內?；瑒蛹?0包括緊靠板74的平坦下表面80a和形成斜坡的截頭圓錐上表面80b。

調節(jié)裝置72還包括調節(jié)螺釘82和鎖定系桿84，所述調節(jié)螺釘82以可旋轉方式安裝在本體的殼體78內從而允許滑動件80沿著水平軸線80c平移移動，所述鎖定系桿84安裝在所述本體中從而防止螺釘82旋轉。螺釘82包括部分安裝在本體76內的圓柱體部分82a和多個切口82b，所述切口82b在圓柱體部分的外表面上形成并且旨在接收系桿84的下端，從而防止螺釘旋轉。螺釘82還包括螺紋桿82c，所述螺紋桿82c延伸圓柱體部分82a并且安裝在滑動件的相應的螺紋孔80d內。系桿84相對于本體76可以在圖2顯示的鎖定位置和解鎖位置之間移動，在所述鎖定位置下其下端容納在一個切口82b內，在所述解鎖位置下所述下端位于遠離圓柱體部分82a的位置，使得螺釘82可以被手動旋轉。復位彈簧(未顯示)將系桿84保持于鎖定位置，并且在操作者旋轉螺釘82之后使系桿84自動復位至該位置。

調節(jié)裝置72還包括致動套管86，所述致動套管86安裝在本體76上并且具有下表面86a，下表面86a緊靠滑動件的上表面80b并且與所述上表面的形狀匹配。套管86包括上表面86b，上表面86b旨在緊靠關聯(lián)模塊的外殼的下表面。在由螺釘82的旋轉控制的滑動件的移動的作用下，套管86可以相對于本體76沿著軸線86c平移移動，所述軸線86c垂直于所述滑動件的軸線80c。

再次參考圖1，框架12包括下方固定框12a和安裝在框上的上方盒12b?？?2a限定工作區(qū)域28并且包括收集容器34。分層堆放設備20安裝在框12a內。盒12b支撐模塊14、16、支撐基部48、50和致動器52、54以及關聯(lián)導軌68、70。這些裝置安裝在盒12b內。環(huán)形密封構件90(例如墊圈)沿軸向安裝在框12a和盒12b之間。框12a和盒12b各自包括開口92、94，以允許由源40a、40b發(fā)射并且由透鏡44a、44b聚焦的能量束通過。開口92、94豎直對齊。

機器10還包括兩個調節(jié)裝置96，所述調節(jié)裝置96旨在允許導軌68、70的引導軸線相對于工作區(qū)域28的角定向。調節(jié)裝置96處于框12a和盒12b之間，從而能夠通過支撐導軌68、70的盒12b的角定向調節(jié)這些軸線。調節(jié)裝置96設置在框12a的上表面和盒12b的下表面之間，并且設置在開口92、94的任一側。還在框12a的上表面和盒12b的下表面之間設置球形接頭連接。每個調節(jié)裝置96的結構與上述調節(jié)裝置72、74的結構相同。每個調節(jié)裝置96的致動套管的上表面緊靠盒12b的下表面。

在開始制造部件之前，進行手動調節(jié)機器10的如下兩個步驟。在第一個步驟中，手動調節(jié)盒12b相對于固定框12a的角定向。在該步驟的過程中，調節(jié)裝置96的調節(jié)螺釘被致動，從而使致動套管豎直移動并且使盒12b相對于框12a圍繞豎直軸線樞轉。進行該調節(jié)，從而使導軌68、70的引導軸線垂直于工作區(qū)域28定向。

在第二個手動調節(jié)步驟中，調節(jié)每個透鏡44a、44b的光學軸線相對于工作區(qū)域28的角定向。為此，調節(jié)裝置72、74的調節(jié)螺釘被致動，從而使致動套管豎直移動，并且使每個模塊14、16相對于支撐基部48和框12a圍繞豎直軸線樞轉。該步驟使得能夠手動調節(jié)每個透鏡44a、44b的光學軸線的定向，使其平行于關聯(lián)導軌68、70的軸線。在該調節(jié)之后，每個透鏡44a、44b的光學軸線平行于工作平臺的平移軸線18a并且垂直于工作區(qū)域28延伸。

在這些用于精細調節(jié)機器10的手動調節(jié)步驟之后，可以制造部件。

在制備部件的同時，分層堆放設備20首先在構建平臺的工作區(qū)域28上沉積第一粉末層。在沉積之后，第一粉末層基本上水平延伸。粉末可以為例如金屬粉末或礦物粉末，例如陶瓷粉末。優(yōu)選地，粉末為金屬粉末。

之后，使致動器52、54獨立地調節(jié)模塊的每個透鏡44a、44b相對于工作區(qū)域28的軸向位置。通過致動器52、54彼此獨立地控制模塊14、16在框架12內的豎直平移移動。

因此，能夠沿著關聯(lián)模塊14、16的光學鏈所固有的實際焦距調節(jié)每個透鏡44a、44b和工作區(qū)域28之間的軸向距離，所述光學鏈由發(fā)射源40a、40b、鏡42a、42b和所述透鏡組成。例如，由于制造的不精確性，每個透鏡的實際焦距通常不同于理論焦距。因此能夠根據(jù)實際焦距獨立調節(jié)每個透鏡的工作距離，從而使得由每個源40a、40b發(fā)射的能量束的射線匯聚在工作區(qū)域28上。因此根據(jù)透鏡的實際焦距(更通常地根據(jù)關聯(lián)光學鏈的焦距)彼此獨立地調節(jié)每個透鏡44a、44b(更通常是每個模塊14、16)的豎直位置。這樣由此通過每個模塊14、16有助于獲得沉積在工作區(qū)域28上的粉末層的良好的熔融精確度。在制造操作之前進行的每個透鏡44a、44b的光學軸線的定向的調節(jié)步驟越精確，在制造部件的同時進行的每個模塊14、16的光學鏈的聚焦調節(jié)越有效。

之后，在隨后的步驟中，使每個源40a、40b發(fā)射能量束，通過關聯(lián)鏡42a、42b控制所述能量束的定向，并且所述能量束穿過關聯(lián)透鏡44a、44b。每個透鏡44a、44b基于其所固有的預先進行的調節(jié)來聚焦關聯(lián)能量束，從而按照對應于待制造部件p的截面的圖案來加熱粉末層，并由此選擇性地熔融粉末。使用作用于同一個工作區(qū)域28的兩個模塊14、16來制造同一個部件p，縮短了制造部件的周期時間。

在用能量束處理沉積的第一粉末層的步驟之后，工作平臺28以該層的厚度降低，并且通過分層堆放設備20沉積新的粉末層，從而覆蓋部分熔融的第一粉末層。需要指出的是，粉末層的厚度可以從數(shù)微米(例如10μm)至數(shù)百微米(例如500μm)變化。工作區(qū)域28可以例如具有500mm的長度。

之后，如果需要的話，可以通過致動器52、54再次對模塊的每個透鏡44a、44b的軸向位置進行獨立調節(jié)，從而獲得第二層的良好的熔融精確度。如上所述地進行第二層的選擇性熔融。再次重復這些步驟從而通過堆疊粉末層形成部件p。

在制造部件p的起初，通過工作平臺18的上表面形成工作區(qū)域28。在制造過程中，通過被平臺18支撐的最后沉積的層的上表面形成工作區(qū)域28。在起初和制造過程中，工作區(qū)域28沿徑向被套筒30限定。當部件p的制造完成時，即當形成部件所需的所有粉末層已經連續(xù)沉積然后熔融后，從構建平臺18上取下部件。

在所描述的示例性實施方案中，在沉積的粉末層的選擇性熔融操作之前獨立地調節(jié)模塊的每個透鏡44a、44b和工作區(qū)域28之間的間隔。所述調節(jié)也可以在熔融操作的過程中進行。因此，可以針對每個模塊14、16，基于沉積的粉末層的待熔融區(qū)域以不同方式調節(jié)工作距離。這能夠保持發(fā)射束在粉末層的各個待熔融區(qū)域中的精確聚焦。需要指出的是，可以例如針對每個模塊14、16提供用于待制造部件p的輪廓的第一次調節(jié)和用于部件的中央?yún)^(qū)域的不同的第二次調節(jié)，使得取決于粉末層的待熔融區(qū)域存在兩個不同的焦點。

在增材制造方法的另一個示例性實施方案中，還能夠以受控方式使每個能量束在工作區(qū)域28的一部分上散焦，從而獲得圓形式而非點形式的效果。因此如果需要的話，能夠在更大面積上局部地熔融沉積粉末層的區(qū)域。這能夠縮短制造部件的周期時間。

圖3所示的示例性實施方案(其中相同的元件具有相同的附圖標記)與第一個實施例的不同之處在于，機器10包括不同于工作區(qū)域28的額外工作區(qū)域100，和與該工作區(qū)域100關聯(lián)的用于發(fā)射和控制能量束的兩個模塊102、104。在該示例性實施方案中，框架12包括第二上方盒12c，所述第二上方盒12c安裝在框12a上，并且分立模塊102、104設置在所述第二上方盒12c中。在該情況下，框12a具有更大的寬度來安裝盒12c。

機器10還包括工作平臺106，所述工作平臺106與工作區(qū)域100關聯(lián)并且對于兩個模塊102、104是共用的。平臺106被安裝成沿著框架的框12a的套筒108內的豎直軸線106a滑動。用于粉末的收集容器110設置在框12a的頂部并且與套筒108相鄰。模塊102、104被設置成作用于工作區(qū)域100，并且用于制造在工作平臺106上形成的第二部件p’。模塊102、104和與第一工作區(qū)域28關聯(lián)的模塊14、16相同。在該示例性實施方案中，用于粉末22的分層堆放設備20對于兩個工作區(qū)域28、100共用是的，這與專利申請wo-a1-2013/178825的方式相似。

機器10包括兩個分立致動器112、114，每個致動器與模塊102、104之一關聯(lián)，從而能夠使模塊相對于框架12的軸向位置彼此獨立地改變。與工作區(qū)域100關聯(lián)的模塊102、104可以獨立于與工作區(qū)域28關聯(lián)的模塊14、16移動。致動器112、114的設計、安裝及其與模塊102、104和盒12c的配合與上文中針對模塊14、16的致動器52、54描述的相同。

機器10還包括一對調節(jié)裝置116、118，所述調節(jié)裝置116、118與每個模塊102、104關聯(lián)，從而能夠調節(jié)所述模塊的透鏡的光學軸線相對于工作區(qū)域100的角定向。機器10還包括兩個調節(jié)裝置120，所述調節(jié)裝置120旨在允許與致動器112、114配合的導軌的引導軸線相對于工作區(qū)域100角定向。調節(jié)裝置116至120的設計和設置與調節(jié)裝置72、74和96的設計和設置相同。環(huán)形密封構件122(例如墊圈)沿軸向安裝在框12a和盒12c之間。

在所描述的示例性實施方案中，用于發(fā)射和控制能量束的每個模塊能夠相對于框架整體平移移動。在一個變體中，能夠設置每個模塊的設計，使得只有所述模塊的聚焦透鏡能夠相對于框架平移移動。

本發(fā)明提供的機器包括用于發(fā)射和控制作用于共用工作區(qū)域的能量束的至少兩個模塊，每個模塊包括用于關聯(lián)束的光學聚焦裝置，所述光學聚焦裝置的工作距離可以獨立于一個或多個其它光學聚焦裝置的工作距離進行調節(jié)從而優(yōu)化熔融參數(shù)。