CN105127424A - 制造三维物体的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种通过光束逐层熔化粉末材料来制造三维物体的装置，该装置包括：能量源，包括第一光源发生第一光束，以及第二光源，发生第二光束，其中第一光束聚焦光斑小于第二光束聚焦光斑；光路系统，包括光束聚焦单元和光束偏转单元，以及合束单元，合束单元用于将第一光束和第二光束合束，形成合束光；以及一个三维物体工作腔。所述的合束光既能熔化粉末材料，而且还能对粉末材料实施热处理，能减小因光束加工三维物体过程中的温度骤变对三维物体的制造精度和物理性能的影响。

Description

制造三维物体的装置及方法

技术领域

本发明涉及三维物体制造技术领域，具体涉及通过光束逐层熔化粉末材料来制造三维物体的领域。

背景技术

通过光束辐射粉末状材料来制造三维物体是一种已知的技术，例如使用激光逐层选择性照射粉末状材料来制造三维物体的选择性激光烧结技术（SLS）和选区激光熔化技术（SLM）。这种制造技术过程中，常采用的激光辐射能给激光光斑范围内的粉末材料一个瞬间的高能量输出，使之迅速升温并熔化，当激光束离开时，能量骤然下降导致原激光照射区域温度瞬间下降，随着激光源的移动，整个三维物体的的温度将随时间和空间急剧变化。当温度变化太大时，容易造成应力集中，发生材料的翘曲变形，影响制造的三维物体的加工精度和物理性能，而较平缓的加工温度变化梯度则能很好的避免这一问题。

在SLS技术中，为了解决因激光光斑移动引起的温度骤变对加工三维物体的影响，常对工作腔内工作平面上的粉末材料进行预热，使之达到与熔点接近的温度，工作腔内也保持一定加工温度，以此减小接受激光照射的粉末材料与周围的粉末材料的温差，减缓因激光束移动导致已熔化区域的温度骤降趋势，避免因温差太大而发生变形。SLM技术常采用的粉末材料为金属，金属熔点要高于SLS技术常使用的尼龙或者蜡等材料熔点，因此一般不预热金属材料以接近其熔点，但会对金属基板进行一定温度的预热以及制作三维物体的支撑结构来抑制因温差太大而发生的变形问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过光束熔化粉末材料来制造三维物体的装置和方法，用于获得良好的光束加工温度条件，减小因光斑的移动引起的温度变化对加工三维物体的影响。

本发明提供一种通过光束逐层熔化粉末材料来制造三维物体的装置，该装置包括：

能量源，包括第一光源发生第一光束，以及第二光源，发生第二光束，其中第一光束聚焦光斑小于第二光束聚焦光斑；

光路系统，包括光束聚焦单元和光束偏转单元，以及合束单元，合束单元用于将第一光束和第二光束合束，形成合束光；

以及一个三维物体工作腔。

进一步地，在所述光路系统中第一光束与第二光束经合束单元合束形成合束光后，经聚焦单元聚焦，通过光束偏转单元进入三维物体工作腔。

进一步地，所述的光路系统还包括光整形单元，设置在合束单元之前，对第二光束实施整形。

进一步地，所述的光路系统还包括平顶光整形单元，设置在合束单元之前，将第二光束整形成平顶光束。

进一步地，所述的光路系统还包括光斑调节单元，用于调节第二光束的光斑大小。

进一步地，所述第一光源为固体激光器或二氧化碳激光器，第二光源为固体激光器或二氧化碳激光器或激光二极管。

更进一步地，所述合束光其光斑分为核心区和轮廓区，核心区能量密度高，轮廓区为核心区的外围光斑区域，能量密度低，核心区与轮廓区的光斑区域嵌套。

本发明还提供了一种通过光束逐层熔化粉末材料来制造三维物体的方法，其特征在于，包括如下步骤：

a、在支撑体上或者已经固结好的层上，涂覆上粉末材料形成粉层；

b、将两束具有不同聚焦光斑的光束合束形成合束光，导向三维物体截面在粉层相对应的位置上实施照射，其中合束光的光斑分为核心区和轮廓区，核心区用于熔化粉末材料，轮廓区用于粉末材料实施热处理。

其中所述的热处理包括：合束光轮廓区对粉末材料实施预热处理，当合束光移动时，沿移动方向核心区后的部分轮廓区还对已经经过核心区加热的材料实施保温或退火处理。

根据本发明提供的通过光束逐层熔化粉末材料来制造三维物体的装置，通过在光路系统中使用合束单元对不同的光束实施合束，形成具有良好加工质量的合束光并通过光束偏转单元导向待加工粉末，得到的合束光既能熔化粉末材料，而且还能对粉末材料实施热处理，能减小因光束加工三维物体过程中的温度骤变对三维物体的制造精度和物理性能的影响。

根据本发明提供的通过光束逐层熔化粉末材料来制造三维物体的方法，通过将两束具有不同聚焦光斑的光束合束形成合束光，合束光在加工过程中不仅可以熔化粉末材料，而且还能对周围的粉末材料实施预热，对已熔化的材料实施退火/保温处理，能够及时释放材料的内应力，解决光束加工过程中的温度骤变引起的内应力集中问题，从而提高三维物体的制造精度和物理性能。

附图说明

图1表示的是一种激光制造三维物体的装置示意图；

图2表示的是图1装置中光路系统的实施方式；

图3表示的是图1装置中光路系统又一实施方式；

图4表示的是两束高斯光束合束后合束光的能量密度分布图；

图5表示的是高斯光束与平顶光束合束后合束光的能量密度分布图；

图6表示的是合束光光斑示意图；

图7表示的是合束光工作时光斑示意图。

具体实施方式

为了让本领域的技术人员更好地理解并实现本发明的技术方案，以下将结合说明书附图和具体实施例做进一步详细说明。

图1表示的是依据本发明制备的一种用通过激光逐层熔化粉末材料来制造三维物体的装置，装置设有一向上开口的容器12，在该容器12中设置一用于支承待形成的三维物体11的支座13，支座13能够借助驱动装置在容器12中沿垂直方向上下运动。容器13的上边缘确定一工作平面10。设置一涂布器7，用于将一层待加工的粉末材料涂覆到支座表面或者已加工完毕的层上，该涂布器7能够在工作平面10上来回运动。工作平面上10的粉末由粉末储存器8或9通过支座向上运动提供，整个工作区域通过框架6与周围环境隔断，在必要时可以阻止粉末的氧化，由此构成的封闭的工作区域称为三维物体的工作腔。

装置还设有两个产生能量的激光器1，发生光束1’，以及激光器2，发生光束2’，其中激光1发生的光束1’聚焦光斑小，能量密度高，激光器2发生的光束2’聚焦光斑大，能量密度低。设有光学系统3，光束1’和光束2’经光学系统3处理后，形成光束5并通过框架6上的窗口8导向工作平面10，并在工作平面10上开始三维物体11的制造，其中容器12的驱动和涂布器以及供粉系统的运动等可通过常规的驱动装置来完成。

图2表示的是图1装置中光路系统的实施方式，光学系统设有合束单元20，光束1’和光束2’经合束单元20合束，经聚焦单元聚焦后通过偏转单元22进入三维物体的工作腔。此实施例中给出的聚焦单元是由扩束镜24和f-θ镜21组成，偏转单元使用的是双轴振镜，光束1’和光束2’经合束和聚焦后，通过三轴振镜的引导穿过窗口8选择性的对工作腔内的粉末材料实施照射。

图3表示的是图1装置中光路系统的又一示实施方式，此光路系统中设有一光整形单元25，设置在合束单元20前，用于对光束2’实施光整形，光束1’和整形后的光束2’经合束单元20合束，经聚焦单元聚焦后通过偏转单元22进入三维物体的工作腔。此实施例中给出的聚焦单元是由动态聚焦单元26和物镜组27组成，光整形单元优先选择平顶光整形单元。

根据上述思想设计的一种通过光束逐层熔化粉末材料来制造三维物体的装置，其用于加工的光束既能够达到熔化粉末材料的目的，还具有对材料进行热处理的功能，能避免因温差太大而造成的变形问题。图4和图5是基于上述装置所形成的合束光的能量密度分布特征，图4是由两束高斯光合束后所形成的合束光能量密度分布图，图5是高斯光束与平顶光束合束后合束光的能量密度分布图，平顶光束的形成可以经图3所示意的平顶光整形单元整形而成。两束光合束后并不影响其各自的光束直径，因此图中W₀仍是激光器1发生的原聚焦光束1’的光束直径，W₁是激光器2发生的原聚焦光束1’的光束直径。合束光性质体现在光斑上如图6所示，是一种大小光斑相嵌套的分布，小光斑区域为核心区S1，能量密度集中，主要用于熔化粉末材料，核心区S1的大小与原光束1’的光斑区域一致。大光斑区域为轮廓区S2，是核心区的外围部分，能量密度相对较低，主要用于对粉末材料的热处理，一般不能达到熔化该区域内粉末材料的能量强度，其区域大小与去除核心区的原光束2’的光斑区域一致。装置中还可以设置一个光斑调节单元，调节光束2’的光斑大小，通过对光束2’光斑的调节可以实现合束光的轮廓区大小调节，从而实现对粉末材料的热处理调节。

实际加工过程中，激光器的选择和光路系统的设置可以参考加工环境和加工材料来进行选择，如在SLS技术中加工高分子类材料时，第一激光器可以选择波长为10.6μm的二氧化碳激光器，第二激光器可以选择二氧化碳激光器，也可以选择波长范围在800nm至1070nm范围内的激光二极管；在SLM技术中加工金属材料时，第一激光器可以选择固体激光器，波长范围在800nm至1070nm范围内的激光二极管。在光路系统中，一般可以优选地选择在第二激光器后设置平顶光整形单元，这样能够使合束光轮廓区的热量分布更加均匀，能够减小三维物体因温度不均而造成形变的不利影响。

图7示出的是合束光工作原理图，当合束光照射粉末材料时，合束光核心区S1粉末材料因短时间吸收大量能量开始熔化，轮廓区对核心区周围区域的粉末材料实施预热处理；当合束光沿V方向移动时，位于核心区前的部分轮廓区S4对核心区周围区域的粉末材料实施预热处理，位于核心区后的部分轮廓区S3对已经经过核心区加热的材料实施保温，这里的保温主要针对高分子类材料而言，当加工材料为金属粉末时，实施的热处理可以理解为退火。通过利用合束光束来实施粉末材料的预热和保温/退火处理，能够简化激光三维物体制造工艺中的温度处理工序，及时释放材料的内应力，解决光束加工过程中的温度骤变引起的内应力集中问题，从而提高三维物体的制造精度和物理性能。

Claims (9)

1.一种通过光束逐层熔化粉末材料来制造三维物体的装置，其特征在于，该装置包括：

能量源，包括第一光源，发生第一光束，以及第二光源，发生第二光束，其中第一光束聚焦光斑小于第二光束聚焦光斑；

光路系统，包括光束聚焦单元和光束偏转单元，以及合束单元，合束单元用于将第一光束和第二光束合束，形成合束光；

以及一个三维物体工作腔。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在所述光路系统中第一光束与第二光束经合束单元合束形成合束光后，经聚焦单元聚焦，通过光束偏转单元进入三维物体工作腔。

3.根据权利要求1或2中任一项所述的装置，其特征在于，所述的光路系统还包括光整形单元，设置在合束单元之前，对第二光束实施整形。

4.根据权利要求1或2中任一项所述的装置，其特征在于，所述的光路系统还包括平顶光整形单元，设置在合束单元之前，将第二光束整形成平顶光束。

5.根据权利要求1或2中任一项所述的装置，其特征在于，所述的光路系统还包括光斑调节单元，用于调节第二光束的光斑大小。

6.根据权利要求1中任一项所述的装置，其特征在于，所述第一光源为固体激光器或二氧化碳激光器，第二光源为固体激光器或二氧化碳激光器或激光二极管。

7.根据权利要求1或2中任一项所述的装置，其特征在于，所述合束光其光斑分为核心区和轮廓区，核心区能量密度高，轮廓区为核心区的外围光斑区域，能量密度低。

8.一种通过光束逐层熔化粉末材料来制造三维物体的方法，其特征在于，包括如下步骤：

a、在支撑体上或者已经固结好的层上，涂覆上粉末材料形成粉层；

b、将两束具有不同聚焦光斑的光束合束形成合束光，导向三维物体截面在粉层相对应的位置上实施照射，其中合束光的光斑分为核心区和轮廓区，核心区用于熔化粉末材料，轮廓区用于粉末材料实施热处理。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述的热处理包括：合束光轮廓区对粉末材料实施预热处理，当合束光移动时，沿移动方向核心区后的部分轮廓区还对已经经过核心区加热的材料实施保温或退火处理。