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用于工件增材制造的方法和装置制造方法及图纸

技术编号:36800434 阅读:80 留言:0更新日期:2023-03-08 23:38
本发明专利技术涉及用于在增材制造法的范围内、特别是以粉末床法的形式逐层构造工件的方法和装置,其中使用粘结剂将粉末的颗粒彼此连接在一起,其中将可热固化的胶粘剂用作粘结剂,并非选择性地,而是逐层地施覆所述胶粘剂,并且通过受控的能量源、特别是具有受控的激光束的激光器对所述胶粘剂进行激活和固化,在此情况下,将所述粉末的相邻颗粒连接在一起。将所述粉末的相邻颗粒连接在一起。将所述粉末的相邻颗粒连接在一起。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于工件增材制造的方法和装置


[0001]本专利技术涉及用于在增材制造法的范围内、特别是以粉末床法的形式逐层构造工件的方法和装置,其中使用粘结剂将粉末的颗粒彼此连接在一起。

技术介绍

[0002]在现有技术中,最广为人知的3D打印工艺是所谓的粘结剂喷射,其中借助喷墨打印机将粘结剂打印到粉末层或颗粒层上。此方法的缺点在于,粘结剂需要一定的固化时间,因此生产速度受到限制。此外,该受限的生产速度也是由于打印的粘结剂通常需要进行热固化,以使打印的构件具有一定的加工硬度,从而可以从粉末床中取出该构件并对其进行清洁,随后在炉中进行烧制和/或烧结。
[0003]另一方面,所谓的选择性激光烧结也是众所周知的,其中直接对由优选地为金属材料构成的粉末的颗粒进行烧结,不使用粘结剂。然而,此方法的缺点在于,在此情况下,必须将待烧结的颗粒大致加热至其熔点,就金属材料而言,其熔点在1000℃的量级或者更高,因此必须借助激光束使用大量的能量。这又需要使用高功率且因此较为昂贵的激光器,并且能耗也相对较高,这是较为不利的,特别是在环境保护方面。

技术实现思路

[0004]鉴于上述现有技术的缺点,本专利技术的目的是改进同类型的方法和同类型的装置,以便在能耗较低的同时实现较高的生产速度。
[0005]在同类型的方法的范围,本专利技术用以达成上述目的的解决方案在于将能够热固化的胶粘剂(即在热作用下能够固化的胶粘剂或在热作用下能够熔化并且在随后的冷却过程中凝固的胶粘剂)用作粘结剂,其中并非选择性地,而是逐层地施覆所述能够热固化的材料,在施覆每一层之后,选择性地进行激活和固化或者选择性地对所述材料进行熔化并且在冷却过程中使其硬化,在此情况下,将粉末的相邻颗粒连接在一起。
[0006]在此情况下,一方面,将颗粒连接在一起所需的温度远低于金属的熔化或烧结温度,从而可以实现节能。另一方面,可以几乎瞬时实现热固化,从而可以实现高生产速度。因此,并非像现有技术中那样选择性地施覆所使用的粘结剂,而是大面积地进行施覆,即无例外地施覆在粉末床的整个表面上,并且仅选择性地,即特别是仅在随后应形成工件的位置处进行固化、特别是热固化。能够热固化的胶粘剂可能已与粉末混合,或者粉末已借助能够热固化的胶粘剂浸渍的或涂有能够热固化的胶粘剂。因此,根据本专利技术的方法不受打印头的品质和打印速度的限制。也可以将胶粘剂直接喷涂到粉末床中的干式施覆或在无粘结剂的情况下施覆的粉末上。
[0007]优选地借助波、特别是借助电磁波,例如借助微波、紫外线、光、偏振光、单色光等,将能量输入到能够热固化的胶粘剂或热熔胶中/上。根据本专利技术的胶粘剂会因热输入而固化,因此,通常优选地采用高能束,例如红外辐射。
[0008]选择性地加热后续工件的区域的第一方案在于,借助一个或多个掩膜和/或光阑
将能量输入到能够热固化的胶粘剂或热熔胶中/上,所述掩膜和/或光阑掩蔽非期望的区域中的相关辐射。这项技术允许使用由适用的辐射源(例如红外灯)发射的例如热辐射或红外辐射的非聚焦射束。布置在辐射源与待照射的粉末层之间的掩模和/或光阑用于针对每一层选择性地掩蔽最上层粉末层中不属于工件的区域。在采用该方法时,通常需要为每一层单独制作掩模或光阑。
[0009]本专利技术提出,使用形式为定向辐射的波、特别是电磁波,以便可以针对性地对准具有能够热固化的胶粘剂或热熔胶的粉末的特定区域进行能量输入。在此情况下,特别是可以非常精确地对聚焦射束、优选地针对每一层单独进行聚焦和/或控制的射束(例如X射线或伽马射线)进行定向。
[0010]根据本专利技术,可以通过激光器借助受控的激光束选择性地激活和固化每一层。激光束是高度聚焦的,因此尤其适用于根据本专利技术的方法。适用的激光器包括气体激光器(如二氧化碳激光器、氦氖激光器、准分子激光器、金属蒸汽激光器)或液体激光器(如染料激光器),但也包括固体激光器,如半导体激光器、掺杂玻璃的激光器或钇铝石榴石激光器、Nd:YAG激光器、钛蓝宝石激光器、色心激光器或者基于钛、铬或钕的激光器。此外,从几何形状来看,适用棒状激光器、板条激光器、纤维激光器和圆盘激光器。
[0011]经证实有利的是,控制、特别是限制激光器的功率,使得粉末的颗粒既不会被熔化,也不会被熔融或烧结。借此,一方面实现节能,另一方面,胶粘剂找到了结构稳定的衬底并且可以最佳地进行适配。
[0012]根据本专利技术的方法可以根据第一实施方式来实现,方式在于,将热熔胶或热熔胶粘剂用作在热作用下能够熔化并且在随后的冷却过程中凝固的胶粘剂,优选地采用热塑性材料或热塑性弹性体,因为热塑性材料在加热至高于其熔化温度的情况下会熔化并且可以在随后的冷却过程中将相邻的粉末颗粒相互连接,而这些颗粒不会被熔化或烧结。
[0013]这种热熔胶或热熔胶粘剂可以选自由以下物质构成的组:聚酰胺(PA)、聚乙烯(PE)、无定形聚α烯烃(APAO)、乙烯

乙酸乙烯酯共聚物(EVAC)、聚酯弹性体(TPE

E)、聚氨酯弹性体(TPE

U)、共聚酰胺弹性体(TPE

A)和乙烯基吡咯烷酮/乙酸乙烯酯共聚物以及上述物质的混合物。
[0014]另一方面,也可以将反应型热熔胶用作能够热固化的胶粘剂,所述反应型热熔胶特别是选自由以下物质构成的组:聚氨酯(PUR)、环氧树脂和聚硅氧烷(SI)以及上述物质的混合物。反应型热熔胶特别是能够在形成具有更高熔点的材料的情况下,通过热触发的化学反应改变其化学结构,特别是通过(进一步)交联其聚合物结构。这类热熔胶主要属于热固性塑料。
[0015]本专利技术提出,使用由颗粒构成的粉末,所述颗粒覆有能够热固化的胶粘剂。在此情况下,可以省去印刷粘结剂的过程。另一处理方式是使用颗粒形式的粘结剂并将其与粉末的颗粒混合。然而,相比之下,使用具有由能够热固化的粘结剂构成的覆层的粉末颗粒的优点在于,在对成品工件进行脱模时,可以移除未激活且因而未固化的粉末粘结剂部分并对其进行回收利用。
[0016]可以以精细分布的方式将粘结剂加入粉末中的另一方案在于,将来自粘结剂、特别是上述能够热固化的胶粘剂的颗粒成分添加到粉末中。这些颗粒成分应经过足够精细的研磨或筛分,相对而言,其研磨或筛分的程度与粉末自身相当。
[0017]将粘结剂引入最上层粉末层的另一方案在于,在施覆粉末层之后,将液体形式的粘结剂喷涂到该粉末层上。特别是未固化或仍具有反应性的、能够热固化的热固性树脂可以溶解于适用的溶剂中或者作为乳剂或悬浮液而精细分布。冷却的热塑性塑料颗粒也可以以此种方式作为悬浮液来施覆。
[0018]这些颗粒可以是由有机材料构成的粉末或由无机材料、特别是金属构成的粉末。一方面,可以根据对成品的要求来选择待使用的粉末,另一方面,可以将待使用的粉末与粘结剂的特性进行最佳组合。
[0019]然而,本专利技术提出,使用具有由无机材料或金属构成的颗粒的粉末,其中所述颗粒覆有有机粘结剂。该处理方式通常较为有利,因为诸如金属、陶瓷等无机材料的熔化温度或烧结温度通常远高本文档来自技高网
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种特别是以粉末床法的形式逐层构造工件(2)的增材制造方法,使用粘结剂(9)将粉末(3)的颗粒彼此连接在一起,其特征在于,将在热作用下能够固化的胶粘剂或在热作用下能够熔化并且在随后的冷却过程中凝固的胶粘剂用作粘结剂(9),其中并非选择性地,而是逐层地施覆所述胶粘剂,在施覆每一层之后,选择性地对所述胶粘剂进行激活和固化或者选择地熔化所述胶粘剂并且在冷却过程中使其硬化,在此情况下,将所述粉末(3)的相邻颗粒连接在一起。2.根据权利要求1所述的增材制造方法,其特征在于,借助一个或多个掩膜和/或光阑,特别是借助非聚焦的射束,将能量输入到能够热固化的胶粘剂或热熔胶中/上,其中通过所述掩膜和/或光阑针对每一层选择性地掩蔽最上层粉末层中的区域。3.根据权利要求1或2所述的增材制造方法,其特征在于,借助一个或多个射束,特别是借助聚焦的射束,优选地借助针对每一层单独进行聚焦和/或控制的射束,例如借助X射线或伽马射线,将能量输入到能够热固化的胶粘剂或热熔胶中/上。4.根据权利要求1至3中任一项所述的增材制造方法,其特征在于,借助波、特别是借助电磁波,例如借助微波、紫外线、光、偏振光、单色光等,将能量输入到能够热固化的胶粘剂或热熔胶中/上。5.根据权利要求4所述的增材制造方法,其特征在于,借助至少一个激光器(11),特别是借助受控的或能够控制的激光束(12、15),将能量输入到能够热固化的胶粘剂或热熔胶中/上。6.根据前述权利要求中任一项所述的增材制造方法,其特征在于,控制、特别是限制所述激光器(11)的功率,使得所述粉末(3)的颗粒既不会被熔化,也不会被熔融或烧结。7.根据前述权利要求中任一项所述的增材制造方法,其特征在于,将热熔胶或热熔胶粘剂,优选地为热塑性材料或热塑性弹性体,用作能够在热作用下熔化并且在随后的冷却过程中凝固的胶粘剂。8.根据权利要求7所述的增材制造方法,其特征在于,所述热熔胶或热熔胶粘剂选自由以下物质构成的组:聚酰胺(PA)、聚乙烯(PE)、无定形聚α烯烃(APAO)、乙烯

乙酸乙烯酯共聚物(EVAC)、聚酯弹性体(TPE

E)、聚氨酯弹性体(TPE

U)、共聚酰胺弹性体(TPE

A)和乙烯基吡咯烷酮/乙酸乙烯酯共聚物以及上述物质的混合物。9.根据前述权利要求中任一项所述的增材制造方法,其特征在于,将反应型热熔胶用作能够热固化的胶粘剂。10.根据权利要求9所述的增材制造方法,其特征在于,能够热固化的胶粘剂选自由以下物质构成的组:聚氨酯(PUR)、环氧树脂和聚硅氧烷(SI)以及上述物质的混合物。11.根据前述权利要求中任一项所述的增材制造方法,其特征在于,使用由颗粒构成的粉末(3),所述颗粒覆有所述粘结剂(9)、特别是前述能够热固化的胶粘剂。12.根据权利要求1至10中任一项所述的增材制造方法,其特征在于,将来自所述粘结剂(9)、特别是前述能够热固化的胶粘剂的颗粒成分添加到所述粉末(3)中。13.根据权利要求1至10中任一项所述的增材制造方法,其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员:J
申请(专利权)人:J
类型:发明
国别省市:

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