CN101642809A - 用于制造三维成形物体的方法 - Google Patents

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Abstract

在一种用于制造三维成形物体的方法中，通过向基底供给粉末材料形成粉末层并且通过将光束照射在粉末层的特定部分上以使粉末层的该特定部分烧结或熔化而形成固化层。通过重复粉末层形成和固化层形成而获得具有多个上下相互层叠的固化层的三维成形物体。在该方法中，在粉末层形成步骤之前，预先向基底施加应力以减小成形物体制造之后基底的变形量。

Description

用于制造三维成形物体的方法
技术领域
本发明涉及一种通过在无机或有机粉状材料上照射光束来制造三维成形物体的方法。
背景技术
通常，已知的用于制造三维成形物体(下文简称为“成形物体”)的方法是通过在无机或有机粉状材料的粉末层的特定部分上照射光束并烧结或熔化粉末层的特定部分以形成固化层、在固化层上形成新的粉末层、在新的粉末层的特定部分上照射光束以形成新的固化层并重复上述步骤来完成的。
本领域同样公知的一种用于制造成形物体的方法是通过在垂直可移动成形工作台上放置基底、在基底上形成粉末层并烧结该粉末层(例如参加日本专利待审公开No.8-281807)来实现的。图9A示意性表示在该制造方法中采用的金属光学成形机(下文简称为“光学成形机”)的横截面图。图9B表示通过光学成形机制造的成形物体的横截面图。基底41安装在垂直可移动工作台43上。粉末层21形成在基底41上。光束L照射在粉末层21的特定部分上以将其烧结成固化层22。由此形成的固化层22被层叠以形成成形物体3。
然而，在日本专利待审公开No.8-281807公开的成形物体制造方法中，成形物体3在其于烧结加热之后得到冷却时收缩。这样产生了拉应力，基底41的结合在成形物体3上的表面通过所述拉应力被拉向中心。基底41的外周部分通过拉应力产生的向上弯曲力矩F2而向上弯曲。这样如果在成形操作之后未从成形物体3上取下基底41而是将其作为成形物体3的一部分，则有可能使成形物体3的形状变差。
发明内容
考虑到上述问题，本发明提供一种用于制造三维成形物体的方法，其能够抑制基底的成形后翘曲和变形并且还能够降低成形物体形状变差的可能性。
根据本发明的一方面，提供一种用于制造三维成形物体的方法，包括用于通过向基底供给粉末材料而形状粉末层的粉末层形成步骤；用于通过在粉末层的特定部分上照射光束使粉末层的该特定部分烧结或熔化以形成固化层的固化层形成步骤；以及重复粉末层形成步骤和固化层形成步骤以制成具有多个上下相互层叠的固化层的三维成形物体的步骤，所述方法包括：用于在粉末层形成步骤之前预先向基底施加应力以在成形物体的制造之后降低基底的变形量的应力施加步骤。
通过这种构造，在应力施加步骤中通过考虑成形操作之后在基底上发生的预测到的翘曲和变形来对基底施加预应力。因而，通过成形过程中在基底上产生的热应力导致的弯曲力矩由通过预先施加在基底上的应力产生的弯曲力矩抵消。这样抑制了基底的成形后翘曲和变形并降低了成形物体形状变差的可能性。
应力施加步骤可以包括通过加工作业将基底预先形成为弯曲形状并随后将基底固定在刚性工作台上，使得基底变得基本上平直。
利用这种构造，通过考虑成形操作之后在基底上发生的预测到的翘曲和变形将基底预先加工成弯曲形状。这样可以利用高精度处理基底。
备选地，应力施加步骤可以包括利用加热单元加热基底的未放置三维成形物体的一个表面并随后将基底固定在刚性工作台上，使得基底变得基本上平直。
利用这种构造，通过热处理处理基底。这样可以在短时间内使基底变形。
在这种情况下，加热单元可以被构造成照射光束。
利用这种构造，基底可以通过在成形操作中采用的光束得到变形。这样消除了采用另外的加热装置的需要，从而有助于降低成本。
此外，加热单元可以沿与在固化层形成步骤中采用的光束照射路径基本上相同的照射路径将光束照射在基底上的与在固化层形成步骤中光束照射的表面相反的表面上。
利用这种构造，基底的基本上相同的部分从其前和后表面得到加热。由此在前和后表面上形成的应力相互抵消，这样可以抑制基底的成形后翘曲和变形。
此外，应力施加步骤可以包括对于基底上的放置三维成形物体的一个表面执行喷丸并随后将基底固定在刚性工作台上，使得基底变得基本上平直。
利用这种构造，通过喷丸增大基底的表面粗糙度。这样确保了基底和固化层相互紧密粘附，由此降低了成形物体和基底分离的可能性。
根据本发明的另一方面，提供一种用于制造三维成形物体的方法，其包括用于通过向基底供给粉末材料而形成粉末层的粉末层形成步骤；用于通过将第一光束照射在粉末层的特定部分上使粉末层的该特定部分烧结或熔化以形成固化层的固化层形成步骤；以及重复粉末层形成步骤和固化层形成步骤以制成具有多个上下相互层叠的固化层的三维成形物体的步骤，其中：在固化层形成步骤中将第一光束照射在粉末层的特定部分上的同时，第二光束照射在基底的后表面的预定部分上，从而降低成形物体的制造之后基底的变形量。
利用这种构造，基底利用相同类型的热源从其相反表面得到加热。由此产生的向下的弯曲力矩和向上的弯曲力矩具有大体上相等的量值并相互抵消。这样可以抑制基底的成形后翘曲和变形。
附图说明
图1是表示在根据本发明第一实施方式的制造方法中采用的光学成形机的透视图。
图2A-2C是以时间序列表示第一实施方式的制造方法的视图。
图3是表示第一实施方式的制造方法的流程图。
图4A是表示在第一实施方式的制造方法中采用的基底的剖视图，图4B和4C是表示连接在安装板上的基底的剖视图，图4D是表示基底固定在工作台上的光学成形机的剖视图，图4E是表示光学成形机在操作中的剖视图，以及图4F是表示成形物体的剖视图。
图5A是表示加热操作的视图，在所述加热操作过程中，第一实施方式的制造方法中采用的基底受到气体燃烧器的加热，以及图5B是表示已经承受加热操作的基底的剖视图。
图6A是表示针对在第一实施方式的制造方法中采用的基底执行的光束照射操作的视图，以及图6B是表示已经经历光束照射操作的基底的剖视图。
图7A是表示针对在第一实施方式的制造方法中采用的基底执行的喷丸操作的视图，以及图7B是表示已经经历喷丸操作的基底的剖视图。
图8是表示在根据本发明第二实施方式的制造方法中采用的光学成形机的剖视图，在该视图中光学成形机处于操作中。
图9A是表示在常规制造方法中采用的光学成形机的剖视图，以及图9B是表示通过常规制造方法制造的成形物体的剖视图。
具体实施方式
(第一实施方式)
现在将参照附图描述根据本发明第一实施方式的用于制造三维成形物体(下文简称为“成形物体”)的方法。
图1表示在第一实施方式的制造方法中采用的金属光学成形机(下文简称为“光学成形机”)的示意性结构。光学成形机1包括用于由金属粉末(或粉状材料)2制成成形物体3的成形单元4、用于通过将金属粉末2供给到成形单元4而形成粉末层21的粉末层形成单元5、用于通过在粉末层21的特定部分上照射光束L而形成固化层22的固化单元6以及用于切削成形物体3的外周部分的切削和去除单元7。
成形单元4包括其上布置粉末层21的基底41、与基底41相连的安装板42、用于固定基底41以使其上下移动的工作台43、以及用于在其中容纳基底41、安装板42和工作台43的成形槽44。粉末层形成单元5包括用于固定和上推金属粉末2的粉末槽51以及可以在由箭头E表示的方向上移动的粉末供给刮刀52，用于将上推的金属粉末2布置在基底41上以形成粉末层21。
固化单元6包括用于发射光束L的光束振荡器61、用于聚集光束L的聚光透镜62以及用于将聚集的光束L投射在粉末层21上的电流镜63。切削和去除单元7包括用于切削成形物体3的切削刀具71、用于固定切削刀具71的铣刀头72以及用于将铣刀头72移动到切削位置的XY驱动单元73。金属粉末2可以是例如具有20μm平均粒径的铁粉。光束可以是例如CO2激光束或Nd-YAG激光束。基底41可以由类似于金属粉末2的材料或与烧结时的金属粉末2相关的材料制成。光学成形机1还包括用于控制相应单元的操作的控制单元(未示出)。
图2A-2C表示光学成形机的操作，以及图3是成形物体制造方法的流程图。如图2A所示，控制单元促使工作台43向下移动。之后，粉末供给刮刀52被迫在由箭头E表示的方向上移动。包含在粉末槽51(参见图1)中的金属粉末2被供给到基底41上方，由此形成粉末层21。这一步骤与图3所示的粉末层成形步骤(步骤S1)相对应。下面参照图2B，利用电流镜63(参见图1)将光束L投射在粉末层21的特定部分上以对金属粉末2进行烧结，由此形成与基底41结合的固化层22。这一步骤与图3所示的固化层形成步骤(步骤S2)相对应。第i固化层以此方式形成，其中“i”是整数。根据通过以例如0.05mm的等节距的切割获得的相应横截面的轮廓数据和来自三维CAD模型的STL(立体平版印刷)数据设定光束L的照射路径。照射路径优选被设定为确保至少成形物体3的最外表面具有孔隙度为5％或更小的高密度。
重复执行图2A所示的粉末层成形步骤(S1)和图2B所示的固化层形成步骤(S2)以上下相互层叠多个固化层22。重复固化层22的层叠，直至层数i增长到等于目标层数N(步骤S1到S4)。根据在切削成形物体3表面的过程中采用的切削刀具71的有效刀片长度计算目标层数N。例如，如果切削刀具71是具有1mm直径和3mm有效刀片长度并能够将工件切削到3mm深度的圆头槽铣刀，以及如果粉末层的厚度为0.05mm，则目标层数N被设定为等于五十层，在这种情况下，层叠的粉末层21的厚度变为2.5mm。如果固化层22层数i达到目标层数N，则控制单元促使XY驱动单元73将铣刀头72向成形物体3的外周移动，如图2B所示。随后，通过切削刀具71去除成形物体3的表面。这一步骤与图3所示的去除和精加工步骤(步骤S5)相对应。此后，图2C所示的操作返回到图2A所示的操作。在图3所示的步骤S5结束后，确定成形操作是否已经完成(步骤S6)。如果没有，层数i初始化(步骤S7)并且流程返回到步骤S1以重复上述步骤。这样，重复固化层22的形成和成形物体3表面的去除，直至完成成形操作。
将参照图4A-4F描述在上述制造方法的粉末层层叠步骤之前将基底41连接在工作台43上的操作。图4A所示的是基底41的横截面图。通过作为加工作业之一的切削操作切削基底41以使其具有向下弯曲的外周部分。通过预测成形操作过程中在基底41中产生的热应力设定基底41的弯曲形状，使得基底41在成形操作结束时的变形量变得更小。图4B和4C表示连接在安装板42上的基底41的横截面图。安装板42由具有高硬度的材料制成。基底41的凹面放置在安装板42上。安装板42具有供螺栓42a从中穿过的通孔42b，而基底41具有可以与螺栓42a接合的螺纹孔。基底41通过螺栓42a压靠在安装板42上并弹性变形为大体上平直的形状。这种弹性变形在基底41的下表面上产生拉应力并在其上表面上产生压应力。通过拉应力和压应力在基底41的外周部分产生向下的弯曲力矩F1。
图4D表示基底41和安装板42连接在工作台43上的光学成形机1的横截面图。基底41和安装板42分别具有通孔41a和42c。螺栓41b穿过通孔41a和42c插入并固定在工作台43上。基底41通过螺栓41b压靠在安装板42上并弹性变形为大体上平直的形状。这种弹性变形在基底41的外周部分产生向下的弯曲力矩F1。在图4A-4D中都示出的将基底41的外周部分形成为向下弯曲的形状的步骤以及将基底41连接在大体上平直形状的工作台43上的步骤都包括应力施加步骤。
图4E表示光学成形机1处于操作中的横截面图。光束L照射在粉末层21上以形成固化层22。由此形成的固化层22上下相互层叠以制成成形物体3。成形物体3上得到烧结的部分在得到冷却时收缩。这样产生拉应力，基底41结合在成形物体3上的表面通过所述拉应力被拉向中心。通过拉应力在基底41的外周部分产生向上的弯曲力矩F2。向上的弯曲力矩F2抵消了应力施加步骤过程中在基底41上产生的向下的弯曲力矩F1。图4F表示在成形操作之后从安装板42上拆下的成形物体3的横截面图。由于向下的弯曲力矩F1和向上的弯曲力矩F2相互抵消，因此作用在基底41上的弯曲力矩变得更小，这样可以抑制基底41的成形后翘曲和变形并降低成形物体3形状变差的可能性。
如上所述，通过作为加工作业之一的切削操作使基底41形成为弯曲形状。这样可以使基底41形成为具有高精度的特定形状并且还抑制了基底41的成形后翘曲和变形。备选地，可以通过作为加工作业之一的弯曲操作而不是通过切削操作使基底41的外周部分向下弯曲。这样提供的效果与在基底41通过切削操作被形成为弯曲形状的情况下可得到的效果相同。
作为另一备选实例，可以通过热处理而不是通过加工作业完成将基底41的外周部分形成为向下弯曲形状的步骤。图5A表示基底41承受热处理的加热操作，以及图5B表示已经承受加热操作的基底41的横截面图。基底41的其上不会放置成形物体3的一个表面的中心区域通过加热装置(或加热单元)8(例如气体燃烧器等)得到加热。基底41的中心区域通过在加热操作之后进行的冷却操作而收缩。因而，基底41的外周部分在受热表面的方向上弯曲。这样提供的效果与在基底41通过加工作业被形成为弯曲形状的情况下可以获得的效果相同。由于基底41通过热处理弯曲，因此可以在比加工作业所需的更短时间内形成基底41。
现在参照图6A和6B描述基底41通过光束的照射承受热处理的操作。图6A中示出的是光学成形机的横截面图。基底41安装在工作台43上。基底41的一个表面的中心部分通过光束L的照射得到加热。图6B表示已经承受加热操作的基底41的横截面图。由此得到加热的基底41的中心部分在其于加热操作之后得到冷却时收缩。因而，基底41的外周部分在已经执行加热操作的表面的方向上弯曲。由于基底41可以通过在成形操作中采用的光束L变形，因此无需采用另外的加热装置，这样有助于降低成本。
当基底41通过光束L得到加热时，优选的是光束L沿与在固化层形成步骤中采用的光束L的照射路径基本上相同的路径照射。还优选的是光束L照射到与光束L在固化层形成步骤中照射的表面相反的表面上。在固化层形成步骤过程中通过光束L的照射在基底41上产生的弯曲力矩F2的量值在靠近基底41形成下固化层时比更远离基底41形成上固化层时更大。因此，在应力施加步骤中，当将光束L照射在要在固化层形成步骤中形成的下固化层的照射路径上时，可以沿与在固化层形成步骤中采用的光束L的照射路径基本上相同的路径完成光束L的照射。在应力施加步骤中的光束L的照射针对要在固化层形成步骤中形成的上固化层的照射路径来说可以省去。光束L的输出动率在将光束L照射在下固化层的照射路径上时会增大，但在将光束L照射在上固化层的照射路径上时会减小。
对于上述应力施加方法，与在固化层形成步骤中得到照射的基本上相同的照射部分通过光束L被照射到基底41的相反表面上。因而，在固化层形成步骤中产生的向上的弯曲力矩F2和在应力施加步骤中产生的向下的弯曲力矩F1往往产生在相同部分并具有相同量值。因此，向下的弯曲力矩F1和向上的弯曲力矩F2相互抵消，从而可以抑制基底41的成形后翘曲和变形。
可以通过喷丸完成形成基底41以具有向下弯曲的外周部分的步骤。图7A表示针对基底41进行的喷丸操作，以及图7B表示已经承受喷丸操作的基底41的横截面图。术语“喷丸”指的是通过利用被称为丸的颗粒打击工件来完成加工的方法。丸的实例包括硬金属颗粒、陶瓷颗粒和玻璃珠。喷丸就广义来说主要用于被称为研磨的加工，包括去除工件上存留的毛刺、表面研磨和图案成形(例如表面粗糙度等)。喷丸还被用于向金属体的表面施加残余压应力以由此提高例如弹簧或齿轮的疲劳强度以及抗应力、腐蚀或断裂性能。
如图7A所示，针对基底41的放置成形物体3的一个表面执行喷丸操作。从而，在基底41的一个表面上产生压应力，由此促使基底41的外周部分在未执行喷丸操作的表面的方向上弯曲，如图7B所示。这样提供的效果与在基底41通过加工作业或热处理形成为弯曲形状的情况下可获得的效果相同。由于基底41的表面粗糙度通过喷丸得到增大，因此基底41和固化层22相互紧密粘附。这样降低了成形物体3和基底41分离的可能性。
(第二实施方式)
现在参照图8描述根据本发明第二实施方式的用于制造成形物体的方法。在图8中所示的是光学成形机1的横截面图。在本实施方式中，基底41直接安装在工作台43上，工作台43又将基底41的外周部分固定在适当位置。基底41的后表面的中心区域向下开口。光学成形机1包括用于将光束L照射在基底41的后表面上的固化单元。控制单元执行其控制操作，使得在固化层形成步骤中，在基底41上的粉末层21由光束L照射的同时，光束L也照射在基底41的后表面上。同时，优选的是光束L从下方沿与粉末层21的照射路径基本上相同的照射路径照射。优选地，照射在基底41的后表面上的光束L的输出动率根据所照射的粉末层21的层数而改变。
由于基底41用相同类型的热源从相反表面得到加热，因此产生的向下的弯曲力矩F1和向上的弯曲力矩F2具有大体上相等的量值并且相互抵消。这样可以抑制基底41的成形后翘曲和变形。
本发明并不局限于上述实施方式的构造，而是在不脱离本发明范围的前提下可以通过许多不同方式进行修改。例如，粉末金属并不限于金属粉末2而是可以为无机材料例如陶瓷等，或有机材料例如塑料等。固定在工作台43上的基底41在外观上可以是平直的，但可以具有使基底41的外周部分在向下方向上弯曲的内应力。这种内应力抵消了在成形过程中产生的向上的弯曲力矩，这样可以抑制基底41的翘曲和变形。光学成形机1可以不包括切削和去除单元并且可以被设计成仅执行烧结操作。在第一实施方式中，基底41可以直接连接在工作台43上。这样，在基底41表现出减小的翘曲或变形并且工作台43具有增大的刚度的情况下可以节省出将基底41连接在安装板42上所需的时间。这样可以降低成形物体形状变差的可能性。

Claims (7)

1.一种用于制造三维成形物体的方法，包括用于通过向基底供给粉末材料而形成粉末层的粉末层形成步骤；用于通过在粉末层的特定部分上照射光束使粉末层的该特定部分烧结或熔化以形成固化层的固化层形成步骤；以及重复粉末层形成步骤和固化层形成步骤以制成具有多个上下相互层叠的固化层的三维成形物体的步骤，所述方法包括：
用于在粉末层形成步骤之前向基底初步施加应力以降低在成形物体的制造之后基底的变形量的应力施加步骤。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，应力施加步骤包括通过加工作业将基底预先形成为弯曲形状并随后将基底固定在刚性工作台上，使得基底变得基本上平直。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，应力施加步骤包括利用加热单元加热基底的未放置三维成形物体的一个表面并随后将基底固定在刚性工作台上，使得基底变得基本上平直。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，加热单元被构造成照射光束。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，加热单元沿与在固化层形成步骤中采用的光束照射路径基本上相同的照射路径将光束照射在基底上的与在固化层形成步骤中光束照射的表面相反的表面上。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，应力施加步骤包括对于基底上的放置三维成形物体的一个表面执行喷丸并随后将基底固定在刚性工作台上，使得基底变得基本上平直。
7.一种用于制造三维成形物体的方法，其包括用于通过向基底供给粉末材料而形成粉末层的粉末层形成步骤；用于通过将第一光束照射在粉末层的特定部分上使粉末层的该特定部分烧结或熔化以形成固化层的固化层形成步骤；以及重复粉末层形成步骤和固化层形成步骤以制成具有多个上下相互层叠的固化层的三维成形物体的步骤，其中：
在固化层形成步骤中将第一光束照射在粉末层的特定部分上的同时，第二光束照射在基底的后表面的预定部分上，从而降低成形物体的制造之后基底的变形量。
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