CN101541512A - 三维形状造形物的制造方法 - Google Patents

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Abstract

金属光造形加工机(1)包括：粉末层形成部(2)；照射光束(L)的照射部(3)；形成作为光束照射位置的校正基准的校正用目标(4)；拍摄校正用标记位置的拍摄相机(5)。校正用目标(4)可以由被光束(L)照射时溶解，穿透出孔的材质做成。在造形用板(23)上放置校正用目标(4)，照射光束(L)穿透校正用目标(4)，形成校正用标记(7)。然后，用拍摄相机(5)拍摄校正用标记(7)，测定校正用标记(7)的位置，进行照射位置的校正。由于穿透形成校正用标记(7)，所以对比变得清楚，容易测量校正用标记(7)的位置，能够很容易地进行光束(L)的照射位置的校正。

Description

三维形状造形物的制造方法
技术领域
本发明涉及一种对无机物或有机物的粉末材料进行光束照射的三维形状造形物的制造方法。
背景技术
一直以来，已知将光束照射到无机物或有机物的粉末材料所形成的粉末层，溶解粉末层并形成烧结层，在该烧结层上形成新的粉末层并将光束照射在该粉末层上，反复如此，造型出三维形状的制造方法。在这样的制造方法中，作为光束的光源，主要采用CO2激光。
由于该CO2激光是气体激光，因此，伴随着激光振荡的发热，因而光束振荡器内部的振镜的校准会有细微变化，光束的发散角、光束光轴的稳定性、激光输出的稳定性等特性会变化。并且，由于光束的特性变化，光束的照射位置、聚光直径、以及激光功率等出现变动。另外，作为光束的光源，当采用YAG激光时，由于YAG棒两端的振镜的热平衡、YAG棒自身的热膨胀，在光束开始射出之后，与CO2激光同样，光束的发散角、光轴的稳定性、激光输出的稳定性等特性会发生变化，光束的照射位置、聚光直径、以及激光功率等出现变动。因此，必须校正光束的照射位置等，照射位置的校正，是将光束照射在感光纸上，测量感光纸上因光束的热量而变色的照射痕迹的位置。
但是，该校正方法中，校正时的激光输出为数W～数10W，与实际烧结粉末时输出的数100W相比非常小。因此，由于校正时的激光的振荡状态与粉末烧结时不同，所以，光束振荡器的发热状态会变化，光束的照射位置与粉末烧结时的照射位置不一致。因此，不能充分进行光束的照射位置的校正。
另外，已知以与粉末烧结时同等的激光输出而形成照射痕迹，进行光束照射位置校正的三维形状造形物的制造方法(例如参照专利文献1(特开2005-133120号公报))。
但是，如专利文献1所示的制造方法中，由于光束的照射痕迹的对比不清楚，因而也不能充分进行照射位置的校正。
发明内容
本发明旨在解除上述问题，提供一种能够容易进行光束的照射位置校正的三维形状造形物的制造方法。
为达到上述目的，本发明三维形状造形物的制造方法包括：粉末层形成步骤，向造形用板提供粉末材料形成粉末层；照射步骤，向所述粉末层照射光束形成烧结层；层积步骤，通过反复进行所述粉末层形成步骤和照射步骤，层积所述烧结层。本发明三维形状造形物的制造方法还包括：标记步骤，通过以与所述照射步骤时相同的激光输出，将所述光束向设置在所述光束的照射面的校正用目标照射，在所述校正用目标处形成标记；校正步骤，测量利用所述标记步骤形成的标记的位置，基于与预先设定的照射位置的误差，进行所述光束的照射位置的校正；所述校正用目标由用所述标记步骤的光束照射，被光束穿透的材质构成。
本发明中，由于校正用目标被光束照射而穿透，因而标记和标记周围的对比变得清楚，所以，能够容易地测量标记的位置，能够容易地进行光束的照射位置的校正。
优选是所述校正用目标被设置在放置在照射面的板上，所述板对应于标记的形成位置的部位为空洞。由此，由于标记下方的板为空洞，因此标记和标记周围的对比变得更清楚，能够容易地测量标记的位置。
优选是在所述校正步骤中，通过照明所述校正用目标，拍摄由照明造成的对比，来进行标记位置的测量。由此，由于对标记进行照明，因此标记和标记周围的对比变得更为清楚，能够容易地测量标记的位置。
优选是所述标记步骤，相互独立地不重叠地形成多个标记。由此，由于标记相互独立不重叠，因此校正用目标不会脱落。
优选是所述标记为十字形状。因此，由于标记为十字形状，因此能够容易地求得纵线和横线交差的坐标。
优选是所述标记为圆形。由此，由于标记为圆形，因此能够容易地通过圆上的3点坐标求得圆的中心坐标。
附图说明
图1a为采用本发明实施例一提供的制造方法的金属光造形加工机的立体图；图1b为同一金属光造形加工机的正视图；
图2为同一制造方法的时序列示意图；
图3为同一制造方法的流程图；
图4为在同一制造方法中拍摄校正用标记的状态示意图；
图5a为在本发明实施例二提供的制造方法的光束照射位置的校正步骤中，拍摄沉孔上的校正用标记的状态示意图；图5b为在同一校正步骤中，拍摄通孔上的校正用标记的状态示意图；
图6a为在同一校正步骤中所采用的校正用板的平面图；图6b为放置在校正用板上的校正用目标的平面图；
图7a为在本发明实施例三提供的制造方法的光束照射位置的校正步骤中，照明拍摄沉孔上的校正用标记的状态示意图；图7b为同一校正步骤中，照明拍摄通孔上的校正用标记的状态示意图；
图8为对在同一校正步骤中所用的校正用标记，从下方照明拍摄的状态示意图；
图9a为在本发明实施例四提供的制造方法的光束照射位置的校正步骤中所用的校正用标记的平面图；图9b为被相互连续重叠形成的校正用标记的平面图；
图10为本发明实施例五提供的制造方法的光束照射位置的校正步骤中所用的校正用标记的平面图；
图11为本发明实施例六提供的制造方法的光束照射位置的校正步骤中所用的校正用标记的平面图。
具体实施方式
实施例一
参照附图对本发明实施例一提供的三维形状造形物的制造方法进行说明。图1(a)及(b)表示用于同一制造方法的金属光造形加工机的构成，在图1b中，省略了照射部的一部分。金属光造形加工机1包括：粉末层形成部2，将金属粉末铺成规定厚度的层；照射部3，产生光束L，将光束L照射到任意位置；控制部6，控制金属光造形加工机1各部分动作。粉末层形成部2包括：升降平台21，可上下升降；造形用板23，配置在升降平台21上，成为造形物22的基座；刮刷25，向箭头A方向移动，在造形用板23上铺金属粉末的粉末层24；造形缸26，包围升降平台21等。
照射部3包括：振荡光束L的光束振荡机31；反射从光束振荡器31来的光束L，旋转自如的2片扫描镜32；进行扫描镜32的旋转的角度控制的扫描器33。控制部6通过扫描器33调整扫描镜32的旋转角度，使光束L在粉末层24上扫描。扫描镜32和扫描器33构成扫描头34。光束振荡器31为例如二氧化碳激光、YAG激光振荡器。金属光造形加工机1包括：拍摄相机5，拍摄形成于后述校正用目标4的校正用标记的位置；XY驱动机构51，使拍摄相机5移动到拍摄场所；图像处理装置52，处理拍摄相机5所拍摄的图像。
金属光造形加工机1，作为三维形状造形前的处理，为了进行光束L的照射位置的校正，进行下面的标记步骤以及其后的校正步骤。在该标记步骤中，在造形用板23上放置校正用目标4。通过用扫描头34将光束L照射在该校正用目标4上，在该校正用目标4上形成作为光束照射位置的校正基准的校正用标记。用拍摄相机5拍摄在该校正用目标4形成的校正用标记，根据该图像校正光束L的照射位置。
在如上所述构成的金属光造形加工机1中，参照图2及图3说明三维形状造形物的制造方法。图2表示实施该制造方法时的时序列状态，图3表示该流程。首先，如图2(a)所示，在造形用板23上放置校正用目标4(步骤S1，省略记为S1，以下同样)。其次，将光束L照射在校正用目标4上，形成校正用标记(标记)7(S2)。校正用标记7为十字形状，但校正用标记7的形状也可以为圆形、四角形等其他形状。在该S2中，光束L的激光输出与烧结粉末层时的激光输出为同等强度。该S1及S2构成标记步骤。
下面，如图2(b)所示，控制部利用XY驱动机构使拍摄相机5移动到校正用标记7的上方，拍摄校正用标记7，测定校正用标记7的位置(S3)。并且，判断拍摄的校正用标记7的位置和预先设定的照射位置的误差是否小于规定量(S4)。当误差大于规定量时，控制部进行光束L的照射位置的校正(S5)。并且，将校正用目标4换成新的(S6)，返回到S2。该S3至S6构成校正步骤。这样反复进行S2至S6，直到校正用标记7的位置和预先设定的照射位置的误差变成比规定量小，当比规定量小时，从造形用板23上除去校正用目标4，进入其后的S7。
下面，如图2(c)所示，控制部使升降平台21下降到造形用板23的上面与造形缸26的上面的阶差长度为Δt(S7)。其次，控制部通过刮刷25在造形用板23上提供金属粉末。刮刷25移动到水平方向与造形缸26的上面相同的高度，在造形用板23上形成厚度为Δt的粉末层24(S8)。该S7及S8构成粉末层形成步骤。
上述S6之后，如图2(d)所示，控制部使扫描头34在任意位置扫描光束L(S9)，溶解粉末层24，形成与造形用板23一体化的烧结层27(S10)。该S9及S10构成照射步骤。
上述S10之后，控制部判断造形是否完成(S11)，未完成时如图2(c)、(d)所示返回到S7，反复实行S7至S10，层积烧结层27。该S7至S10构成层积步骤。这样，如图2(e)所示，层积烧结层27，将造形物22造形。上述标记步骤及校正步骤所提及的光束的照射位置的校正，可以在将造形物22造形的最初进行，也可以在将造形物22造形期间的任意时刻进行。在将造形物22造形期间进行光束的照射位置的校正时，在粉末层24、烧结层27上设置校正用目标4，进行标记步骤及校正步骤。
下面，参照图4对上述标记步骤后的校正步骤进行说明。图4表示用拍摄相机5拍摄在校正用目标4形成的校正用标记7的状态。校正用目标4被放置在造形用板23上，在标记步骤中在校正用目标4形成校正用标记7。该被标记的校正用目标4可以由被光束L照射时，被照射的部分溶解并穿透孔洞的材质构成。校正用目标4是例如厚度为0.05～0.3mm的白色纸。并且，校正用目标4被穿透形成校正用标记7。
拍摄相机5通过XY驱动机构向X方向及Y方向移动，在穿透了的校正用标记7之上，拍摄校正用标记7。拍摄的图像由图像处理装置52解析，测量校正用标记7的位置。由于校正用目标4的校正用标记7是被光束照射穿透而形成，因此，校正用标记7和其周围的对比变得清楚，所以，能够容易地测量校正用标记7的位置，能够容易地进行光束L的照射位置的校正。
实施例二
参照附图对在本发明实施例二提供的三维形状造形物的制造方法中，光束照射位置的校正进行说明。图5(a)及(b)表示用拍摄相机5拍摄在校正用目标4形成的校正用标记7的状态。校正用目标4被放置在为使校正用标记7的对比清楚而设有空洞的校正用板41上，图5(a)中该空洞为沉孔41a，在图5(b)中，该空洞为通孔41b。图6(a)表示放置校正用目标4的校正用板的俯视图，图6(b)表示被放置在校正用板41上的校正用目标4的状态。
在本实施例中，在造形用板23上放置校正用板(板)41，在该校正用板41上放置有校正用目标4。校正用板41对应于校正用目标4的校正用标记7的部位为空洞。空洞可以是不穿透的沉孔41a，也可以是通孔41b。在图6(a)及(b)的例子中，校正用板41在9个部位开了沉孔41a或通孔41b，在该沉孔41a及通孔41b的上方的位置，在校正用目标4上形成校正用标记7。拍摄该校正用标记7时，由于校正用标记7的下方为空洞，因此，校正用标记7的部分变暗，校正用标记7和其周围的对比变得清楚。
另外，如上述实施例一，校正用目标4被直接放置在造形用板23上时，标记步骤时光束的热量向造形用板23散发，校正用目标4的温度不上升就很难穿透校正用标记7。与此相对，在本实施例中由于校正用标记7的下方为空洞，使光束的热量不散发，很容易穿透校正用标记7的孔。由此，校正用标记7和其周围的对比变得清楚。
实施例三
参照附图对本发明实施例三提供的三维形状造形物的制造方法中的光束照射位置的校正进行说明。图7(a)表示位于沉孔41a上方的校正用标记7的拍摄状态，图7(b)表示位于通孔41b上方的校正用标记7的拍摄状态。本实施例中，金属光造形加工机1包括照明部8，由照明部8对校正用标记7照明拍摄。照明部8是例如白炽灯、LED等。另外，也可以是传送从外部来的光而进行照射的光纤。校正用板41的空洞无论是如图7(a)所示的沉孔41a，还是如图7(b)所示的通孔41b，由于射入穿透了的校正用标记7的光，进入下方的空洞，校正用标记7的部分拍摄得较暗，而照射校正用标记7周围的光向上方反射，校正用标记7的周围部分拍摄得较亮，因此，校正用标记7和其周围的对比变得清楚。
图8表示对位于校正用板41的通孔41b上方的校正用标记7，从校正用目标4的下侧照明进行光束的照射位置校正。此时，在校正用板41和造形用板23间设有空间，在该空间设置照明部8。由于从照明部8来的光通过空洞，照射拍摄相机5，校正用标记7拍摄得较亮，而校正用标记7的周围部分拍摄得较暗，因此，校正用标记7和其周围的对比变得清楚。
实施例四
参照附图对本发明实施例四提供的三维形状造形物的制造方法中的光束的照射位置的校正进行说明。图9(a)及(b)表示形成了十字形状的校正用标记7的校正用目标4的平面视图。在本实施例中，如图9(a)所示，校正用标记7被相互独立不重叠地形成。图9(b)表示校正用标记7被相互连续重叠地形成的状态。如图9b所示，校正用标记7被连续形成时，校正用标记7穿透校正用目标4，因此，被校正用标记7包围、用斜线表示的部分向下脱落，不能测量校正用标记7的位置。与此相对，如图9(a)所示的本实施例，通过独立不重叠地形成校正用标记7，校正用目标4不会脱落，能够测量校正用标记7的位置。
实施例五
参照附图对本发明实施例五提供的三维形状造形物的制造方法中的光束的照射位置的校正进行说明。图10表示校正用标记7的形状。在本实施例中，将校正用标记7设为十字形状，校正用标记7的位置如下测量。校正用标记7由纵线71和横线72构成。纵线71和横线72的线宽设为收进拍摄相机5视野的宽度，大概在视野的一半以下最好。由于设为一半以下，无论视野为多少，都能够测量校正用标记7的位置。首先，求得校正用标记7的纵线71的左侧分界线71L和右侧分界线71R，算出2个分界线的中间线71C。同样的，求得横线72的上侧分界线72U和下侧分界线72L，算出2个分界线的中间线72C。由2个中间线71C及72C算出交点的坐标，作为校正用标记7的位置。如此，因为校正用标记7是十字形状，所以，能够容易地求得纵线和横线交差的坐标。
实施例六
参照附图对本发明实施例六提供的三维形状造形物的制造方法中的光束的照射位置的校正进行说明。图11表示校正用标记7的形状。在本实施例中，校正用标记7设为圆形。该圆73可以是以圆形状扫描光束而形成，也可以是将光束自身设为圆形而形成。圆73的直径大概设为拍摄相机5视野的3/4以下最好。由于设为3/4以下，无论视野是多少，都能够测量校正用标记7的位置。校正用标记7的位置如下测量。求得圆73的外周部分的任意3点73a、73b及73c的坐标。由于通过3点的圆仅能确定出一个，因此，由测量到的3点73a、73b及73c的坐标，算出圆的中心点。如此，因为校正用标记7为圆形，所以，能够容易地由圆上的3点坐标求得圆中心的坐标。
另外，本发明不限于以上各种实施例的构成，在不变更发明意图的范围内可能有各种变形。例如，校正用目标还可以使用亚克力板、薄铁板，在该情况中也能够得到与使用纸同样的效果。另外，本发明的制造方法也可以由设有切削三维形状造形物表面的切削工具的金属光造形复合加工机进行。在该情况中也能够得到与金属光造形加工机同样的效果。金属光造形复合加工机，实施本发明时，也可以将拍摄相机5安装在切削工具的铣头上。由此，由于XY驱动机构51变得不需要，因此成本降低，另外，由于能够使铣头的坐标系和光束的坐标系一致，因此金属光造形复合加工机的加工精度变得良好。
本申请是基于日本专利申请2007-279559要求优先权。参照该申请的全部内容，提出该申请。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1、一种三维形状造形物的制造方法，包括：
粉末层形成步骤，向造形用板提供粉末材料，形成粉末层；
照射步骤，对所述粉末层照射光束，形成烧结层；
层积步骤，通过反复进行所述粉末层形成步骤和照射步骤，层积所述烧结层；
其特征在于，还包括：
标记步骤，通过以与所述照射步骤时相同的激光输出，将所述光束向设置于在所述光束的照射面放置的板上的校正用目标照射，穿透所述校正用目标形成标记；
校正步骤，测量利用所述标记步骤形成的标记的位置，基于与预先设定的照射位置的误差，进行所述光束的照射位置的校正；
所述板对应于标记的形成位置的部位为空洞。
2、根据权利要求1所述的三维形状造形物的制造方法，其特征在于，通过照明所述校正用目标，拍摄由照明造成的对比，进行所述校正步骤中的标记位置的测量。
3、根据权利要求1所述的三维形状造形物的制造方法，其特征在于，所述标记步骤相互独立不重叠地形成多个标记。
4、根据权利要求1所述的三维形状造形物的制造方法，其特征在于，所述标记为十字形状。
5、根据权利要求1所述的三维形状造形物的制造方法，其特征在于，所述标记为圆形。

Claims (6)

1、一种三维形状造形物的制造方法，包括：
粉末层形成步骤，向造形用板提供粉末材料，形成粉末层；
照射步骤，对所述粉末层照射光束，形成烧结层；
层积步骤，通过反复进行所述粉末层形成步骤和照射步骤，层积所述烧结层；
其特征在于，还包括：
标记步骤，通过以与所述照射步骤时相同的激光输出，将所述光束向设置在所述光束的照射面的校正用目标照射，在所述校正用目标处形成标记；
校正步骤，测量利用所述标记步骤形成的标记的位置，基于与预先设定的照射位置的误差，进行所述光束的照射位置的校正；
所述校正用目标由用所述标记步骤的光束照射，被光束穿透的材料构成。
2、根据权利要求1所述的三维形状造形物的制造方法，其特征在于，所述校正用目标设置在放置在照射面的板上，所述板对应于标记的形成位置的部位是空洞。
3、根据权利要求1或2所述的三维形状造形物的制造方法，其特征在于，通过照明所述校正用目标，拍摄由照明造成的对比，进行所述校正步骤中标记位置的测量。
4、根据权利要求1或2所述的三维形状造形物的制造方法，其特征在于，所述标记步骤相互独立不重叠地形成多个标记。
5、根据权利要求1或2所述的三维形状造形物的制造方法，其特征在于，所述标记为十字形状。
6、根据权利要求1或2所述的三维形状造形物的制造方法，其特征在于，所述标记为圆形。
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