CN101309766B - 制造三维物体的方法 - Google Patents

Abstract

进行光束辐照以将粉末层烧结成多个相互叠置的固化层，从而制造三维物体。由高密度固化层构成形成所述物体外壳的部分，同时由低密度固化层构成其它部分。构成所述物体侧面的至少高密度固化层均包括通过对粉末层进行一次辐照所获得高密度一次固化层以及通过对在所述高密度一次固化层上供给的补充粉末层进行二次辐照所获得的高密度二次固化层，因此，各高密度固化层形成为具有与相应低密度固化层相同的高度，包括高密度固化层和低密度固化层的各固化层均形成为具有齐平的高度。因此可以制造精确形状的物体。

Description

制造三维物体的方法

技术领域

本发明涉及通过堆叠多个固化层来制造期望的三维物体的方法，所述固化层均通过对粉末层的光束辐照而形成。

背景技术

JP-A 01-502890公开了一种制造三维物体的常规方法。根据该方法，通过重复以下步骤来制造三维物体：对设置在升降台(elevation stage)上的粉末层进行光束辐照以形成固化层，和在所述固化层上设置另外的粉末层并随后对该粉末层进行光束辐照以形成固化层。

考虑到涉及制造时间、由于内部应力导致的翘曲或破裂等问题，优选整个物体不是在均匀的烧结条件下以均匀的密度来完成，而是仅物体的外壳在高烧结条件下形成为高密度烧结部分，而其余部分则在低烧结条件下形成为低密度烧结部分。

高密度烧结层通过在高烧结条件下对粉末层进行光束辐照而形成，并且通过使具有50％～60％密度的粉末层几乎完全熔融和固化，而具有几乎100％的密度。在精加工之后，高密度烧结部分的表面变得高度精密。但是，该高密度烧结部分的表面下陷，从而在高度上低于粉末层。此外，该高密度烧结部分的下陷程度大于低密度烧结部分的下陷程度。因此，在高密度固化层与低密度固化层之间存在高度差。这种高度差由于多个固化层的堆叠而得以累积。

这种累积的高度差在形成物体的倾斜表面时导致严重的问题。如图12所示，由连接多个堆叠固化层20的上端边缘的线K1限定倾斜表面的角度。但是，如图12中的虚线所示，如果每一固化层20的高度变低，则连接每一固化层20的上端边缘的线K2变得比线K1更平缓。因此，可能得不到所设计的倾斜角，导致所制造物体的精度下降的问题。

发明内容

考虑到上述常规问题而构思了本发明，其目的在于提供能够制造具有高精度的三维物体的方法。

根据本发明，一种制造三维物体的方法包括以下步骤：

a)提供由粉末材料制成的具有均匀厚度的粉末层；

b)对所述粉末层的选定部分进行光束辐照，以将所述选定部分烧结或熔融成固化层；

c)在所述固化层上提供另外的粉末层；

d)对所述另外的粉末层的选定部分进行光束辐照，以形成与所述固化层一体化的另外的固化层；

e)重复步骤c)和d)，以堆叠所述固化层，从而提供三维物体。

在形成各固化层时，进行一次辐照以将光束辐照到构成三维物体外壳的至少一个粉末层的外形区域(outline area)，从而以高密度将所述外形区域烧结或熔融成为高密度一次固化层，在厚度由于固化而变小的所述一次固化层上施加额外量的粉末，以提供均匀厚度的补充粉末层，进行二次辐照以将光束辐照到所述补充粉末层，从而以高密度将所述补充粉末层的至少一部分烧结或熔融成为与所述一次固化层一体化的高密度二次固化层。将光束辐照到由外形区域限定但没有转化成一次固化层的粉末层剩余部分上，从而以低密度将该部分烧结或熔融成为低密度固化层。如上所述，当分别形成两种高密度固化层时，限定所述物体外壳的高密度固化层的高度形成为与限定所述外壳内部的低密度固化层的高度齐平。此外，包括高密度固化层和低密度固化层的各固化层可以形成为恒定高度。因此，可以如所设计的那样制造具有精确形状的物体。

优选的是，进行二次辐照以将光束仅仅辐照到没有与随后叠置在其上的固化层重叠的补充粉末层的部分上，从而形成高密度二次固化层，以及进行光束一次辐照以将与所述随后叠置的固化层相重叠的所述补充粉末层的部分以及在用于形成所述随后叠置的固化层的所述补充粉末层上供给的粉末层一起成为所述随后叠置的固化层中的所述高密度一次固化层。因此，光束二次辐照的范围仅限于所述物体的外部暴露部分，这样可以最大可能地减少二次辐照所需的时间。因此，可以在较短时间内制造具有精确形状的物体。

在根据本发明的方法中，利用垂直可移动的升降台来保持固化层，并且逐步降低该升降台以向所述固化层供给粉末材料，由此在其上形成均匀厚度的粉末层。利用保持在固定高度上的升降台将粉末材料供给到一次固化层上，以便容易地制备补充粉末层，该补充粉末层的上表面与由外形区域限定的尚未烧结或尚未熔融的粉末层的上表面齐平。

在根据本发明的方法中，期望的是，进行一次辐照和二次辐照以分别在相互交叉的方向上扫描光束。利用这种扫描方法，可以将能量均匀地分布于选定区域，以使所产生的固化层的表面平滑。

还优选的是，利用相对于单位时间内单位体积的待烧结或熔融粉末而言辐射能恒定的光束进行一次辐照和二次辐照中的每一个。因此，高密度一次固化层的密度可以形成为与高密度二次固化层相等。

在根据本发明的方法中，为了形成与随后叠置的固化层不重叠的固化层，即暴露在所述物体外表面上的固化层，在一定辐照范围内对高密度一次固化层进行光束辐照，所述辐照范围不同于在其上辐照光束以形成高密度二次固化层时的辐照范围，这样可更精确地形成物体的形状。在分别由一个粉末层获得的每一个相应固化层中，高密度一次固化层的边缘可以与高密度二次固化层的边缘偏置，使得可以通过这两个边缘更精确地限定物体的外形。在这种情况下，一次辐照和二次辐照的各自辐照范围由凹陷厚度确定，该凹陷厚度是粉末层的厚度减去一次固化层的厚度。

附图说明

图1示意性表示根据本发明一个实施方案的制造三维物体的方法。

图2是表示用于上述方法中的装置的立体图。

图3是上述方法的说明示意图。

图4是表示上述物体的倾斜表面的一部分的放大截面图。

图5(A)、5(B)、5(C)、5(D)和5(E)是表示形成上述倾斜表面的步骤的放大截面图。

图6是表示上述方法的一个变化方案中的物体倾斜表面部分的放大截面图。

图7(A)、7(B)、7(C)、7(D)和7(E)是表示在上述变化方案中形成上述倾斜表面的步骤的放大截面图。

图8(A)和8(B)是上述方法中的光束扫描方法的示意图。

图9(A)和9(B)是上述方法中的光束扫描方法的示意图。

图10是表示上述方法中的制造程序的流程图。

图11是表示上述方法的另一个变化方案的放大截面图。

图12表示制造三维物体的常规方法的问题。

具体实施方式

参考附图，将详细说明根据本发明一个实施方案的制造三维物体的方法。本发明的方法设计为重复如下步骤：将光束(B)例如激光束辐照至粉末材料的粉末层10以形成固化层20；对所得固化层20提供另外的粉末层10并以类似的方式将另外的粉末层10转化为固化层20，由此制造其中多个固化层20相互结合且叠置的三维物体X。粉末材料选自无机或有机材料。在该实施方案中，利用平均直径为20μm的细铁粉作为粉末材料。

各固化层20具有由待制造物体的三维CAD数据确定的平面构型，并且各固化层20由限定所述物体外壳的高密度固化层30和限定所述外壳内部的低密度固化层40构成。例如，改变激光的辐照条件或光束的能量以烧结或熔融粉末从而制造具有5％以下孔隙度的高密度固化层30和具有大于5％的孔隙度的低密度固化层40。因此，高密度固化层30由于粉末几乎完全熔融而产生光滑表面，而低密度固化层40则变得多孔。

本发明的方法特别有利于制造如图1所示具有倾斜表面的三维物体，并且如图4所示，在各固化层的相对端限定预定范围，作为构成所述物体外壳的外形区域，从而使高密度固化层30成为外形区域并且使低密度固化层40成为由外形区域限定的部分。

图2表示用于实现本发明的制造三维物体的方法的制造系统。该系统包括工作台100、在其上形成固化层20的升降台110、用于储存粉末的罐120、用于将粉末供给到升降台110上的刮刀122和配置为将光束辐照到供给在升降台110上的粉末的辐照装置130。通过步进机驱动使升降台110沿着上下方向(Z轴)移动等于粉末层10厚度的距离，从而在升降台110一段降低至低于工作台100的表面的位置时供给粉末材料。之后，利用刮刀122使粉末材料变得平滑，从而在置于升降台110上的金属基底90或叠置在其上的已经形成的固化层20上形成厚度均匀的粉末层10。粉末层10的厚度设定为0.05mm。

辐照装置130配置为通过光学装置将从激光振荡器132发出的光束照射到粉末层10上，所述光学装置包括检电镜(gulvano mirror)134和扫描镜136，通过布置在工作台100上的隔板(partition)112中的窗口114将光束辐照到粉末层10。当激光震荡器132产生CO₂激光时，窗口114由Zn-Se制平面板来实现。

辐照装置130接收所述物体的三维CAD数据并且驱动扫描镜136按照由所述CAD数据所确定的方式对粉末层10进行光束辐照。

工作台100还配置有沿X-Y方向移动的水平移动机构140，该机构携带铣刀142和CCD照相机144。铣刀142用于在所述物体的制造过程中或制造之后切割物体。CCD照相机用于监测制造过程。

如图1和3所示，通过在升降台110上的金属基底90上连续叠置固化层20来制造物体X，并且在制造过程中或之后通过铣刀142对物体X进行表面修整。使紧贴在金属基底90上形成并且与其整合的固化层20以高密度完全固化，而连续叠置的固化层20中的每一个均在构成所述物体外壳的外形区域处以高密度固化，并且在其余区域处以低密度固化。形成物体X的最上层的固化层20以高密度完全固化。

如图4和5所示，在除了最下层之外的固化层20的端部形成高密度固化层30，高密度固化层30形成为由通过光束的一次辐照所获得的一次高密度固化层31和二次高密度固化层32构成的层叠结构，其中所述二次高密度固化层32通过如下步骤获得：将粉末材料供给到一次高密度固化层31上而不降低升降台110以形成补充粉末层12，对补充粉末层12进行光束二次辐照。构成至少倾斜侧表面的固化层20配置为在层的端部外形区域中具有高密度固化层30和在由外形区域限定的其它区域中具有低密度固化层40。图4中的线(K)表示倾斜侧表面的倾斜角，各固化层20的高密度固化层30沿着角度线布置。参考图5，说明各固化层20的制造步骤，也就是在其端部有必要形成不与随后叠置的固化层20重叠的高密度固化层30的各固化层20的制造步骤。首先，在已经形成的固化层20上制备厚度均匀的粉末层10(图5A)，接着对构成物体X外壳的外形区域进行光束一次辐照以形成高密度的一次固化层31(图5B)。将升降台110保持在当前位置，将额外量(fresh amount)的粉末材料供给到由于烧结或熔融通过固化而降低高度的高密度固化层31上形成的凹陷处，由此在高密度一次固化层31上形成厚度均匀的补充粉末层12(图5C)，接着对补充粉末层12进行二次辐照以形成高密度二次固化层32(图5D)。之后，对由外形区域限定的未烧结或未熔融区域进行光束辐照以形成低密度固化层40(图5E)。重复上述步骤以叠置多个固化层20，从而通过固化层20的端部限定物体X的倾斜表面的形状。物体X的最上层的整个区域由高密度一次固化层31和高密度二次固化层32形成。在所示的实施方案中，通过在形成高密度二次固化层32之后形成低密度固化层40来获得各固化层20。但是作为选择，同样可首先控制光束的辐照来形成低密度层40，然后形成高密度二次固化层32。此外，可以在形成低密度固化层40之后形成高密度一次固化层31。

图6和7表示上述实施方案的变化方案，其中高密度二次固化层32仅形成为限定物体X的倾斜表面的各固化层20的暴露外部部分。通过光束的一次辐照使外形区域的其它部分与随后叠置的固化层20的高密度一次固化层31同时固化。在这种情况下，可以使得进行光束二次辐照以形成高密度二次固化层32所需的时间最小化，从而允许在短时间内制造物体X。参考图7说明该变化方案的细节。在高密度一次固化层31上制备补充粉末层12(图7A)之后，对于与随后叠置的固化层20不重叠的补充粉末层12进行光束二次辐照以形成高密度二次固化层32(图7B)，然后对由外形区域限定的粉末层10进行光束辐照以形成低密度固化层40(图7C)。在这种情况下，一段降低升降台110，形成额外粉末层10以结合未固化的补充粉末层12(图7D)，接着对粉末层10的外形区域进行光束一次辐照以形成高密度一次固化层31(图7E)。高密度一次固化层31与较低的一次固化层31整合并延续。重复上述步骤以实现图6的结构。

如图8A和8B所示，在与二次辐照光束扫描方向不同的方向上，优选在垂直于二次辐照光束扫描方向的方向上扫描一次辐照光束。因此，均匀产生能量以烧结目标区域，从而形成不规则性较低的平滑表面构型。沿着平行间隔线扫描光束以产生如图9中正弦曲线所示的能量分布。当一次辐照L1和二次辐照L2在相同方向进行时，分别用于烧结高密度一次固化层31和高密度二次固化层32的能量分布相互重叠，如图9A所示。在这种情况下，高密度一次固化层在其表面内发现几乎完全熔融部分以及非完全熔融部分，使得二次辐照L2的能量被消耗用以熔融在高密度一次固化层31的表面内没有熔融的粉末。因此，当二次辐照L2的能量分布与一次辐照L1的能量分布重叠时，二次辐照L2在高密度一次固化层31的上表面中的没有基本完全熔融的粉末中被吸收并消耗，使得在获得相应的高密度二次固化层32中遭遇能量不足，从而在高密度二次固化层32的表面中留下未熔融部分并导致不适当的不规则性。相反，当二次辐照L2在垂直于一次辐照L1扫描的方向上扫描时，获得了如图9B所示的能量分布，这允许二次辐照L2给予在高密度一次固化层31的上表面中的没有基本完全熔融的粉末以足够的能量，因此保持用于烧结高密度二次固化层32的能量。因此，在所产生的高密度二次固化层32中的粉末可以几乎完全熔融以产生平滑修整表面。

考虑到一次辐照L1和二次辐照L2旨在烧结或熔融不同厚度的粉末层，因此光能量的总量相互不同。然而，控制辐照装置130以保持单位时间内单位体积粉末的能量恒定，从而产生用于使得高密度一次固化层31和高密度二次固化层32具有相同密度的相同能量。为了进行这种控制，辐照装置130或用于控制辐照装置130的外部装置配置成具有数据表，该数据表确定表示在各固化层20中的外形区域的体积与通过一次辐照获得的高密度一次固化层的预期下降量(下陷量δ)之间关系的数据和确定给出烧结或熔融厚度对应于下陷量δ的补充粉末层所必需的二次辐照的光能量、对于一次或二次辐照能够控制产生单位体积和单位时间的恒定光能量的数据。利用探针可以测量高密度一次固化层31的下陷量δ。

用光束功率(P)、光束扫描速度(v)<mm/s>、光束扫描间距(pf)<mm>、下陷量(δ)<mm>、堆叠间距(t)<mm>来表示能量密度Eρ，这样一次辐照L1的能量密度由关系式Eρ1＝P/(v·pf·t)获得，二次辐照L2的能量密度由关系式Eρ2＝P/(v·pf·δ)获得。确定条件以使Eρ1等于Eρ2。

当通过测量获得一次固化层31的下陷量(δ)时，如果当前的一次固化层31的下陷量(δ)小于预定值(ε)，则可以通过使当前的高密度一次固化层31与随后形成的高密度一次固化层31相延续来形成各固化层20，而不在其间形成高密度二次固化层32。图10表示该情况下的流程，如果下陷量(δ)超过预定值(ε)，则保持升降台110在原位，以便将粉末材料供给到高密度一次固化层31，以在此形成高密度二次固化层32。另外，一段降低升降台110，以便供给额外粉末材料以在较低的低密度固化层和高密度一次固化层上制备粉末层10，并烧结或熔融粉末层10。

当测量下陷量(δ)时，使用接触探针(例如附着于铣刀142)并根据所述物体的横截面数据使其与部分高密度一次固化层31接触，来测量层的高度。另外，可以根据光切割方案(light sectioning scheme)给出整个表面的高度分析，或者可以根据利用激光测距仪的光学手段来测量到高密度一次固化层31的表面的距离。此外，同样可以根据在供给粉末时刮刀122接触固化层时产生的转矩，来确定是否需要高密度二次固化层32。当高密度一次固化层31实质性下陷时，刮刀122与其不接触因而没有发现转矩增加。另一方面，当高密度一次固化层仅表现出小的下陷时，刮刀122与其接触并发现拖曳阻力。因此，可以根据施加到刮刀的转矩来确定形成高密度二次固化层32的必要性。

此外，可根据高密度一次固化层31的下陷量(δ)来确定用于补充粉末层的粉末的供给量。利用在升降台110上的粉末供给表面积(ST)、高密度一次固化层31的下陷量(δ)、高密度一次固化层的表面积(Sh)和堆叠间距(t)，可以通过初始供给量(V1＝ST·t)和用于形成高密度二次固化层32的补充粉末层12的补充粉末供给量(V3＝Sh·δ)来最优地控制粉末供给量。

图11表示上述实施方案的另一个变化方案，其提出了通过基于高密度一次固化层31的预期的或测量的下陷量(δ)来切出(slicing out)具有更精确的等高线的CAD数据，从而制造具有更精确表面构型的物体。为此，形成高密度一次固化层31的边缘的一次辐照L1在X-Y坐标平面内的位置与形成高密度二次固化层32的边缘的二次辐照L2的位置偏移。即，根据下陷量(δ)控制一次辐照L1和二次辐照L2以产生不同的辐照范围，从而实现精确符合所述物体的倾斜角(K)的倾斜表面。一次辐照L1的范围由高度位置(t0＝t-δ)即堆叠间距(t)的位置(升降台110降低的一段减去下陷量(δ)的位置)处的物体CAD数据的截面构型确定，而二次辐照L2的范围由高度位置(t)处的物体CAD数据的截面构型确定。

在制造物体X的之后或过程中，根据需要激活铣刀142以修整外部构型。在这种情况下，由于构成物体X的倾斜表面的高密度固化层由分别通过一次辐照和二次辐照形成的高密度一次固化层31和高密度二次固化层32构成，因此物体的倾斜表面可以精确地反映出物体的设计，这使得能够利用铣刀使抛光量最小化，由此提高制造物体的效率。

虽然上述实施方案说明了利用铁粉末作为粉末材料，但是本发明并不限于此，而是可以利用其他无机材料或有机材料粉末材料，例如尼龙和ABS树脂。

Claims (5)

1.一种制造三维物体的方法，所述方法包括如下步骤：

a)提供由粉末材料制成的厚度均匀的粉末层；

b)将光束辐照至所述粉末层的选定部分，以将所述选定部分烧结或熔融成固化层；

c)在所述固化层上提供另外的粉末层；

d)将所述光束辐照至所述另外的粉末层的选定部分，以形成与所述固化层一体化的另外的固化层；

e)重复步骤c)和d)，以堆叠所述固化层，从而提供三维物体，

所述固化层包括第一固化部分和第二固化部分，所述第二固化部分的密度低于所述第一固化部分的密度，

利用垂直可移动的升降台来保持所述固化层，逐段降低所述升降台以向所述固化层供给所述粉末材料，由此在其上形成均匀厚度的粉末层，

所述方法的特征在于以下步骤：

i)进行一次辐照以使所述光束辐照至构成所述三维物体外壳的所述粉末层中至少其一的外形区域，从而形成一次固化层作为所述第一固化部分的一部分；

ii)利用保持在与所述步骤i)中相同高度上的所述升降台将额外量的所述粉末供给至由于固化而厚度减小的所述一次固化层的顶部上，以在所述一次固化层上提供均匀厚度的补充粉末层；

iii）进行二次辐照以使所述光束辐照至所述补充粉末层的至少一部分，从而形成二次固化层作为所述第一固化部分的一部分，所述二次固化层与所述一次固化层一体化；和

iv)将所述光束辐照至由所述外形区域限定但是没有转化成所述一次固化层的粉末层的剩余部分，从而形成低密度固化层作为所述第二固化部分，

其中进行所述二次辐照以使所述光束仅仅辐照到没有与随后叠置在其上的固化层重叠的所述补充粉末层的部分上，从而形成所述高密度二次固化层，和

进行所述一次辐照以将与所述随后叠置的固化层相重叠的所述补充粉末层的部分以及在用于形成所述随后叠置的固化层的所述补充粉末层上供给的粉末层一起成为所述随后叠置的固化层中的所述高密度一次固化层，

其中提供所述补充粉末层以消除所述第一固化部分与所述第二固化部分之间的高度差。

2.根据权利要求1所述的制造三维物体的方法，其中利用保持在固定高度上的所述升降台将所述粉末材料供给到所述一次固化层上，以制备所述补充粉末层，所述补充粉末层的上表面与由所述外形区域限定的尚未烧结或尚未熔融的粉末层的上表面齐平。

3.根据权利要求1所述的制造三维物体的方法，其中进行所述一次辐照和所述二次辐照以分别在相互交叉的方向上扫描所述光束。

4.根据权利要求1所述的制造三维物体的方法，其中通过每单位时间以及每单位体积的被烧结或熔融的粉末的辐射能恒定的光束，来进行所述一次辐照和所述二次辐照中的每一个。

5.根据权利要求1所述的制造三维物体的方法，其中为了形成与所述随后叠置的固化层不重叠的固化层，使所述光束在一定辐照范围内辐照所述高密度一次固化层，所述辐照范围不同于辐照所述光束以形成所述高密度二次固化层时的辐照范围，并且所述各辐照范围由凹陷厚度确定，所述凹陷厚度是所述粉末层的厚度减去所述一次固化层的厚度。