камера обработки и способ обработки материала посредством направленного пучка электромагнитного излучения, в частности, для устройства лазерного спекания

Формула изобретения

1. Камера обработки для обработки материала посредством направленного пучка электромагнитного излучения, содержащая оптический элемент для ввода пучка (7) в камеру (10) обработки, причем оптический элемент имеет поверхность (9а), которая обращена внутрь камеры обработки, часть (12) стенки, окружающую оптический элемент, первое входное отверстие (16) для газа, которое расположено на одной стороне оптического элемента (9) и сконструировано таким образом, что вытекающий первый газовый поток (18) течет, по существу, по касательной к поверхности (9а) оптического элемента, второе входное отверстие (23) для газа, которое сконструировано и расположено таким образом, что вытекающий второй газовый поток (25) течет на расстоянии от поверхности (9а), по существу, в том же самом направлении, как первый газовый поток (18).

2. Камера обработки по п.1, отличающаяся тем, что входные отверстия (16, 23) расположены одно под другим.

3. Камера обработки по п.1, отличающаяся тем, что первый газовый поток (18) и второй газовый поток (25) являются, по существу, ламинарными.

4. Камера обработки по п.2, отличающаяся тем, что первый газовый поток (18) и второй газовый поток (25) являются, по существу, ламинарными.

5. Камера обработки по п.1, в которой одно входное отверстие или оба входных отверстия (16, 23) имеют форму щели.

6. Камера обработки по п.2, в которой одно входное отверстие или оба входных отверстия (16, 23) имеют форму щели.

7. Камера обработки по п.3, в которой одно входное отверстие или оба входных отверстия (16, 23) имеют форму щели.

8. Камера обработки по п.4, в которой одно входное отверстие или оба входных отверстия (16, 23) имеют форму щели.

9. Камера обработки по п.1, отличающаяся тем, что стенка (12) камеры (10) обработки имеет структурную часть (12b), которая сконструирована и расположена таким образом, что газ, который втекает через второе входное отверстие (23), получает импульс, направленный от поверхности (9а).

10. Камера обработки по п.2, отличающаяся тем, что стенка (12) камеры (10) обработки имеет структурную часть (12b), которая сконструирована и расположена таким образом, что газ, который втекает через второе входное отверстие (23), получает импульс, направленный от поверхности (9а).

11. Камера обработки по п.3, отличающаяся тем, что стенка (12) камеры (10) обработки имеет структурную часть (12b), которая сконструирована и расположена таким образом, что газ, который втекает через второе входное отверстие (23), получает импульс, направленный от поверхности (9а).

12. Камера обработки по п.4, отличающаяся тем, что стенка (12) камеры (10) обработки имеет структурную часть (12b), которая сконструирована и расположена таким образом, что газ, который втекает через второе входное отверстие (23), получает импульс, направленный от поверхности (9а).

13. Камера обработки по п.5, отличающаяся тем, что стенка (12) камеры (10) обработки имеет структурную часть (12b), которая сконструирована и расположена таким образом, что газ, который втекает через второе входное отверстие (23), получает импульс, направленный от поверхности (9а).

14. Камера обработки по п.6, отличающаяся тем, что стенка (12) камеры (10) обработки имеет структурную часть (12b), которая сконструирована и расположена таким образом, что газ, который втекает через второе входное отверстие (23), получает импульс, направленный от поверхности (9а).

15. Камера обработки по п.7, отличающаяся тем, что стенка (12) камеры (10) обработки имеет структурную часть (12b), которая сконструирована и расположена таким образом, что газ, который втекает через второе входное отверстие (23), получает импульс, направленный от поверхности (9а).

16. Камера обработки по п.8, отличающаяся тем, что стенка (12) камеры (10) обработки имеет структурную часть (12b), которая сконструирована и расположена таким образом, что газ, который втекает через второе входное отверстие (23), получает импульс, направленный от поверхности (9а).

17. Камера обработки по одному из пп.9-16, отличающаяся тем, что часть (12b) стенки имеет форму в виде углубления.

18. Камера обработки по одному из пп.9-16, отличающаяся тем, что второе входное отверстие в рабочем положении расположено ниже первого входного отверстия.

19. Камера обработки по одному из пп.1-16, отличающаяся тем, что направленный пучок является лазерным лучом.

20. Устройство лазерного спекания, содержащее лазер (6) и камеру (10) обработки по одному из пп.1-16.

21. Способ обработки материала посредством направленного пучка электромагнитного излучения, имеющий этапы, на которых направляют направленный пучок (7) электромагнитного излучения через входное окно в камеру (10) обработки, причем входное окно имеет поверхность (9а), которая обращена внутрь камеры обработки, подают первый газовый поток (18) в камеру обработки таким образом, что первый газовый поток, идущий от одной стороны, течет, по существу, по касательной к поверхности (9а), и подают второй газовый поток (25) в камеру обработки таким образом, что второй газовый поток течет на расстоянии от поверхности (9а), по существу, в том же самом направлении, как первый газовый поток (18).

22. Способ по п.21, отличающийся этапом, на котором обрабатывают материал в камере обработки посредством лазерного луча.

23. Способ обработки материала посредством направленного пучка электромагнитного излучения, имеющий этапы, на которых направляют направленный пучок (7) электромагнитного излучения через входное окно в камеру (10) обработки, причем входное окно имеет поверхность (9а), которая обращена внутрь камеры обработки, подают первый газовый поток (18) в камеру обработки таким образом, что первый газовый поток, идущий от одной стороны, течет, по существу, по касательной к поверхности (9а), и подают второй газовый поток (25) в камеру обработки таким образом, что второй газовый поток течет на расстоянии от поверхности (9а), по существу, в том же самом направлении, как первый газовый поток (18), причем используется камера обработки по одному из пп.1-16.

24. Способ по любому из пп.21 или 22, который является способом лазерного спекания.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к камере обработки и способу обработки материала посредством направленного пучка электромагнитного излучения, в частности, для устройства лазерного спекания.

Устройство лазерного спекания известным образом включает в себя лазер и камеру обработки, в которой изготавливается объект, а также входное окно для ввода лазерного луча в камеру обработки.

Когда лазер локально попадает на порошковый материал, и когда порошковый материал нагревается, может произойти испарение малых количеств материала. В процессе испаренный материал или его составляющие, или также продукты химических реакций, а также частицы пыли, взвешенные в атмосфере камеры обработки, осаждаются на входном окне. Это приводит к уменьшению прозрачности входного окна и в соответствии с этим - к уменьшению интенсивности лазерного луча.

Из патентной заявки WO 97/06918 известно устройство лазерного спекания, в котором предусмотрено сопло для ввода газа для обдува входного окна, которое кольцеобразно окружает входное окно со стороны входного окна, обращенного к камере обработки. Газовый поток направлен по касательной к поверхности входного окна.

Однако в известном устройстве поверхность входного окна не остается все время чистой. Кроме того, градиенты температур между входным окном и обдувающим газом, с одной стороны, и газом в пределах камеры обработки, с другой стороны, могут привести к помеховым отклонениям луча. Обдувающий газ может подаваться с одной стороны, чтобы уменьшить вторую проблему. Однако это приводит к более быстрому осаждению грязи на верхней поверхности входного окна.

Из патента Германии DE 19853947 C1 известна камера для избирательного плавления лазерным лучом, причем в камеру обработки вводится защитный газ через первое входное отверстие таким образом, что он течет по рабочей поверхности. Кроме того, в приподнятой области камеры обработки, где расположено входное окно, предусмотрены вторые входные отверстия для второго более легкого газа, который подается кольцеобразно. Тем самым в пределах приподнятой области образуется своего рода буферный объем второго более легкого газа, посредством которого пары, произведенные в рабочей зоне, не подпускаются близко к входному окну. Однако проблема помехового отклонения луча вследствие градиента температур посредством этого не решается.

Задача изобретения состоит в том, чтобы обеспечить камеру обработки и способ обработки материала посредством направленного пучка электромагнитного излучения, в частности, для устройства лазерного спекания, в котором входное окно эффективно защищено от загрязнений, и в котором минимизирована проблема отклонения луча вследствие градиентов температур вблизи от входного окна.

Решение задачи достигается посредством камеры обработки по п.1 и способа по п.10 формулы изобретения. Дальнейшие разработки изобретения описаны в зависимых пунктах формулы изобретения.

Устройство по п.1 формулы изобретения имеет то преимущество, что нижний газовый поток направлен от входного окна. Тем самым возможно улучшить отделение загрязненного газа, который поднимается от поверхности обработки, от входного окна. Тем самым оптическая поверхность может быть сохранена более чистой. Кроме того, можно в большой степени избежать отклонений луча, даже когда имеются градиенты температур между обдувающим газом и газом камеры обработки.

Дополнительные признаки и возможности применения изобретения представлены в описании вариантов воплощения на основе чертежей.

Фиг.1 показывает схематическое представление устройства лазерного спекания, и

Фиг.2 показывает перспективное изображение в разрезе области камеры обработки, которая содержит входное окно.

Фиг.1 показывает устройство лазерного спекания, которое является вариантом воплощения устройства для послойного изготовления трехмерного объекта. Устройство лазерного спекания содержит контейнер 1, который открыт сверху и имеет опору 2, которая может перемещаться в нем в вертикальном направлении и поддерживает формируемый объект 3. Опора 2 отрегулирована в вертикальном направлении таким образом, чтобы слой объекта, который будет в данный момент подвергаться затвердеванию, лежал в пределах рабочей плоскости 4. Кроме того, предусмотрено наносящее устройство 5 для нанесения строительного материала, который имеет вид порошка и может быть подвергнут затвердеванию посредством электромагнитного излучения. Кроме того, устройство содержит лазер 6. Лазерный луч 7, который формируется лазером, направляется к оптическому элементу для ввода пучка, выполненному в виде входного окна 9, посредством устройства 8 отклонения и передается с помощью входного окна 9 в камеру 10 обработки и фокусируется в предопределенной точке в пределах рабочей плоскости 4.

Например, входное окно 9 может быть предусмотрено в верхней стенке камеры 10 обработки, если устройство расположено таким образом, что лазерный луч может войти в камеру обработки сверху, и объект 3 изготавливается в вертикальном направлении. Входное окно 9 сделано из материала, который является прозрачным для лазерного луча, такого как стекло или прозрачная пластмасса. Кроме того, камера 10 обработки может иметь входное отверстие (не показано) для газа, чтобы поддерживать некоторую газовую среду над рабочей плоскостью, такое как входное отверстие для инертного газа, например азота.

Кроме того, предусмотрен блок 11 управления, с помощью которого согласованно управляют компонентами устройства для выполнения процесса изготовления.

Фиг.2 показывает увеличенную область камеры 10 обработки вокруг входного окна 9 в перспективном изображении с разрезом. В показанном варианте воплощения входное окно 9 выполнено прямоугольным. Оно может само представлять собой оптический элемент, такой как линза или система линз для фокусировки лазерного луча на рабочую плоскость. Однако также оно может представлять собой защитное окно, которое является прозрачным для лазерного луча, для защиты оптического элемента, который расположен за ним.

Входное окно 9 установлено в части 12 верхней стенки таким образом, что оно прочно герметизирует камеру обработки в верхней области. Кроме того, оно имеет поверхность 9a, обращенную к рабочей плоскости 4.

Как можно видеть на фиг.2, часть 12 стенки имеет первую наклонную часть 12a, которая примыкает к продольной стороне 13 входного окна, причем наклонная поверхность первой наклонной части 12a идет под углом от входного окна 9. Предусмотрена часть 12b, которая является существенно полым цилиндром или выполнена в форме части полого цилиндра, и которая является смежной с наклонной частью 12a, причем ось цилиндра проходит параллельно продольной стороне 13 входного окна. Предпочтительно высшая точка 14 полой цилиндрической части расположена на более высоком уровне, чем край 15 наклонной части 12a, таким образом, что вторая часть 12b стенки имеет структуру в виде углубления. Части 12a, 12b проходят существенно вдоль всей продольной стороны 13 входного окна или проходят немного вне ее.

В конце наклонной области 12a части 12 стенки, которая направлена к входному окну 9, предусмотрена первая щель 16, которая проходит существенно вдоль продольной стороны 13 входного окна и соединена с первым входным отверстием 17 для подачи первого газа. Соединение с подачей первого газа может быть выполнено таким образом, что оно может разъединяться, например, посредством клапана. Первая щель 16 имеет ширину и геометрию, которые отрегулированы таким образом, что подаваемый первый газ 18 движется, по существу, по касательной к поверхности 9a входного окна от одной продольной стороны 13 к противоположной продольной стороне 20.

Часть 12 стенки камеры обработки также содержит первую, по существу, горизонтальную область 21 стенки в области напротив первой щели 16, смежную с противоположной продольной стороной 20 входного окна, а также наклонную область 22, смежную с ней. Тем самым сделано возможным, чтобы первый газ 18, который втекает через первую щель 16, двигался, по существу, по касательной ко всей поверхности 9a входного окна и затем уводился от входного окна посредством наклонной поверхности 22.

Во второй части 12b стенки предусмотрена вторая щель 23, которая проходит параллельно первой щели 16 и проходит существенно вдоль всей продольной стороны 13 входного окна или проходит вне ее. Вторая щель 23 соединена со вторым входным отверстием 24, которое соединено с подачей второго газа 25. Также подача второго газа может быть выполнена так, что она может разъединяться. Вторая щель 23 размещена в части 12b стенки, которая имеет форму части полого цилиндра, в области вдали от входного окна, таким образом, чтобы газ 25, вытекающий из щели 23, сначала тек в углубление, которое образовано частью в форме полого цилиндра. Вторая щель 23 размещена ниже первой щели 16, если входное окно 9 в вертикальном направлении расположено над рабочей плоскостью 4.

Угол, под которым наклонная часть 12a стенки идет относительно полой цилиндрической части 12b, установлен таким образом, чтобы не нарушать путь луча.

Кроме того, в камере обработки предусмотрено отверстие (не показано) для выпуска газовых потоков, которое может быть соединено с насосным механизмом.

В качестве первого газа и в качестве второго газа может использоваться азот. Однако также возможно использовать другие газы в зависимости от области применения. Также первый и второй газ могут быть разными.

Части стенки камеры обработки, которые определяют короткие стороны входного окна, могут являться, по существу, горизонтальными таким образом, чтобы газовые потоки, которые сформированы посредством первой и второй щели, не завихрились этими структурами.

Факультативно предусмотрено управление, которое может управлять газовыми потоками 18, 25 независимо или в зависимости друг от друга в отношении силы потока и/или скорости.

При работе трехмерный объект формируется послойно посредством затвердевания порошкообразного строительного материала с помощью лазерного луча. Первая щель 16 и вторая щель 23 соединены с подачей газа таким образом, чтобы газовые потоки втекали в камеру обработки через щели 16, 23. Газ 18, втекающий через первую щель, течет по касательной к поверхности 9a входного окна 9, которая обращена к рабочей плоскости, и отводится с противоположной стороны. Тем самым газ может предотвратить доступ к поверхности 9a входного окна и, таким образом, может поддерживать поверхность чистой.

Второй газ 25, втекающий через вторую щель 23, вследствие расположения и конструкции щели 23 течет существенно вдоль внутренней поверхности части 12b, имеющей форму полого цилиндра, и получает нисходящий импульс по направлению к рабочей плоскости, когда он приближается к краю 15 между первой наклонной частью 12a и полой цилиндрической частью 12b. Пройдя через край 15, газ течет на расстоянии от поверхности, по существу, параллельно поверхности 9a. С помощью конструкции в виде углубления части 12b нижний газовый поток 25 удерживается на расстоянии от поверхности входного окна. Таким образом, получены два, по существу, ламинарных потока, которые незначительно смешиваются. В результате может быть улучшено отделение загрязненного газа, поскольку газ, поднимающийся от рабочей плоскости, который содержит конденсаты и/или частицы пыли, или другие загрязнения, удерживается газовыми потоками от продвижения к оптическому элементу. Кроме того, отклонение луча вследствие градиента температур замечательно уменьшается благодаря нижнему газовому потоку 25. Таким образом, поверхность 9a сохраняется достаточно чистой, а также минимизируется отклонение луча.

Возможны разновидности устройства. Входное окно необязательно должно быть сформировано в виде прямоугольника. Оно также может, например, быть квадратным, круглым или овальным, или иметь другую форму. Однако эффект улучшается, когда щели для подачи газа и соответствующие стороны входного окна являются существенно параллельными. Первая щель 16 и вторая щель 23 предпочтительно немного шире, чем продольная сторона входного окна. Однако они также могут быть короче, хотя тогда входное окно недостаточно обдувается газом по краям.

Формы частей 12a и 12b стенки также могут быть сконструированы по-другому. Наклонная поверхность 12a также может, например, быть выпуклой по отношению к внутренней части камеры обработки. Поверхность 12b в виде углубления необязательно должна иметь форму части цилиндра. Может использоваться любая другая форма, которая образует углубление для газового потока.

Также возможно обойтись без части 12b стенки в виде углубления и вместо этого сформировать вторую щель 23 таким способом, чтобы вытекающий газ получал импульс, направленный от входного окна.

Изобретение также применимо к другим устройствам для послойного изготовления трехмерных объектов, например к устройству плавления лазерным лучом, в котором порошкообразный, в большинстве случаев металлический строительный материал расплавляется лазером, а также к другими устройствам обработки, в которых в камере обработки имеются газы или пары, которые могут загрязнить входное окно.