CN105268972A - 制造三维物体的方法 - Google Patents

Abstract

一种制造三维物体的方法，包括如下步骤：设置涂布器将供料系统提供的粉末材料涂覆至加工平面，每次涂覆新增的加工粉层层厚为h；检测若当涂布器执行步骤a时发生卡顿，控制涂布器返回涂覆前的初始位置，供料系统继续提供粉末材料，上一层的加工粉层下降设定距离，继续执行步骤a；根据未经能量束加工的加工粉层连续下降的总距离H，调节能量束对步骤a中完成涂覆的加工粉层实施加工。通过该方法解决了发生卡顿时三维制造系统不能顺利进行后续工艺，需要人工发现并解决的技术缺点，提高了系统运行智能化水平，提高了系统运行效率。

Description

制造三维物体的方法

技术领域

本发明涉及三维物体制造技术领域，具体涉及三维制造中控制粉末涂覆来制造三维物体。

背景技术

通过高功率的能量束对金属粉末逐层的熔化连接，是目前金属三维制造的常用技术手段，如采用激光为能量源的选区激光熔化技术或者以电子束为能量源的电子束熔融技术（EBM）。这类金属三维制造技术工作原理如下：

（1）先将金属粉末材料均匀的涂覆在加工平面上；（2）能量束对三维物体在该横截面上相对应的金属粉末位置实心部分实施扫描加工，得到对应的扫描截面。粉末材料在能量束作用下被熔合在一起，得到零件的截面，并与下面已经成形的部分自然熔化连接；（3）一个截面层烧结完成后，再铺上一层新的材料，继续有选择性的根据三维物体对应的截面信息进行扫描熔化；（4）根据上述步骤一层层堆积扫描熔化，最终直接“生长”成金属的三维加工实体零件。

该技术现有的一个问题是，由于高能束在熔化金属粉末时，常会因粉末的汇聚、金属飞溅以及部分细小工件形变，从而在粉层上形成凸起，使得涂覆粉末材料的涂布器卡在凸起处，无法顺利越过凸起并将材料均匀的涂覆在工作面上，这种现象称为“卡顿”。

卡顿会导致涂布器停顿在凸起处，系统不能继续进行粉末涂覆及后续工艺，严重影响了三维制造系统的运行效率，尤其是在系统运行无人值守时，发生卡顿后要直到设备操作人员发现并处理，这段时间将成为一段生产加工的空白期，这给生产运行带来了不可预知的风险。

发明内容

为了解决现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种制造三维物体的方法，解决发生卡顿时三维制造系统不能顺利进行后续工艺，需要人工发现并解决的技术缺点，提高系统运行智能化水平，提高系统运行效率。

本发明提供的制造三维物体的方法包括如下步骤：

a、设置涂布器将供料系统提供的粉末材料涂覆至加工平面，每次涂覆新增的加工粉层层厚为h；

b、检测若当涂布器执行步骤a时发生卡顿，控制涂布器返回涂覆前的初始位置，供料系统继续提供粉末材料，上一层的加工粉层下降设定距离，继续执行步骤a；

c、根据未经能量束加工的加工粉层连续下降的总距离H，调节能量束对步骤a中完成涂覆的加工粉层实施加工。

进一步地，当所述的加工粉层连续下降总距离H＞3h，执行步骤a时发生卡顿，三维物体制造系统不自动执行后续操作。

进一步地，步骤b中所述的下降设定距离为一个加工粉层厚度h。

进一步地，步骤c中能量束的调节为调节加工该层的能量束功率，或者调节该层的能量束加工次数，或者两者的结合调解。

进一步地，三维物体制造系统检测步骤a中发生卡顿的判定是：系统设置控制涂布器涂覆粉末的驱动力F小于涂覆时遇到的阻力f，且涂布器无法沿设定方向继续运动，则判定发生卡顿。

进一步地，三维物体制造系统检测步骤a中发生卡顿的判定也可以是：系统设置控制涂布器涂覆粉末时，涂布器单位时间内通过的位移量s小于设定的位移值S，则判定发生停顿。

本发明提供的制造三维物体的方法，通过设计在发生卡顿时，涂布器回归原始位置，供料系统继续提供粉末材料，上一层的加工粉层下降一定距离，再控制涂布器将新供给的粉末进行涂覆，且在必要的时候重复上述操作，从而使系统自动将凸起处的粉层提升一定厚度，从而提高了刮刀通过凸起的概率，并根据该层最终的层厚调节能量束实施加工。通过此方法能很好的解决涂覆过程中卡顿的问题，避免了系统因卡顿而无法自动进行后续工艺，提高了系统的运行效率，同时根据涂覆层厚自动进行能量束的加工调节，使粉层与粉层之间加工区域有效结合，保证了整个三维物体件的性能一致。

附图说明

图1表示的是本发明的工艺流程图；

图2表示的是一种选区激光熔化设备的示意图；

图3表示的是本发明的一种方法示意图。

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。

在逐层加工金属粉层的增材制造工艺中，需要采用功率较高的能量束加工，从而使金属粉末熔化连接，如采用激光为能量源的选区激光熔化技术或者以电子束为能量源的电子束熔融技术。高能量束在与金属粉末发生作用时，常伴随着金属飞溅、粉末汇聚或者加工细小工件变形而引起的凸起，这种凸起会给涂布器在实施粉末涂覆程中带来很大的阻力，当阻力达到一定值时，涂布器无法顺利绕过凸起而发生卡顿。可以理解地是，为了不至于使控制涂布器涂覆粉末的驱动力过大，造成涂覆时因强制撞击或者跨越某些凸起而导致加工三维零件位置的移动或者零件的损伤，因此一般将增材制造系统中用于驱动涂布器的力控制在一定的范围内。如果把驱动涂布器的最大力值记为F，涂布器涂覆过程中受到的阻力记为f，当f≤F时，能顺利的完成涂覆过程；当f＞F时，即可能发生卡顿。当然这种卡顿的判定也可以通过其他途径判定，如在设定的时间内涂布器实施涂覆时发生的位移量s小于设定的位移量S时，也可以认定发生卡顿。

发生卡顿时，如果不做处理，系统将处于一种运行停滞的状态，直到操作者发现并处理。这种情况的发生非常影响工作效率，尤其是当系统在无人值守时运行，卡顿将给生产带来不可预估的风险。

基于上述问题，本发明提供了一种制造三维物体的方法，能够解决卡顿时系统无法运行后续工艺的问题，其方法流程如图1所示：

设置涂布器将供料系统提供的粉末材料涂覆至基板或上一层的加工粉层，每次涂覆新增的加工粉层层厚为h，h值的设定根据加工需求和材料属性来确定，常采用0.02mm；检测若当涂布器实施涂覆中发生卡顿时，驱动涂布器返回初始位置，供料系统继续提供一定量的粉末材料，此时上一层的加工粉层下降设定距离，然后继续执行涂覆程序,一般情况下一定量指的是能够涂覆加工粉层1个厚度的量，设定距离相应的设为h，当然也可以根据实际需求进行调节；如果仍然检测到涂布器发生停顿，重复执行上述步骤，这种步骤的重复可以在加工粉层连续下降总距离H≤3h的范围内进行；当在允许的范围内完成涂覆时，系统将根据需要调节相应的能量束参数，对加工粉层实施加工；如果加工粉层连续下降总距离H＞3h，发生卡顿，系统将不再自动控制执行后续操作。

可以理解的是，当H≤3h时，如对2个层厚或者3个层厚或者其他高度的粉层进行穿透性熔化加工，系统可以增加能量束的功率，或者用加工1个层厚的能量束功率进行多次加工，或者使用两者的结合进行加工，使该加工层与之前加工好的零件熔合连接，但当H＞3h时，该层的加工精度将有很大的损失，而且在增材制造系统中采用的常规能量源功率也难以达到熔透3h以上的金属粉末高度（当h为常规设置值时），加工零件性能很难保持整体的一致性。因此再发生卡顿时，系统通过自动提高铺粉层厚来越过凸起的做法意义不大，因为制造得到的零件将难以满足预期需求。

为了让本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图详细叙述本发明提供的优选实施例。

图2是一种选区激光熔化设备示意图。该选区激光熔化设备具有一向上开口的成形缸8，成形缸8下设置一用于支撑的支座2，支座2能沿垂直方向上下运动，成形缸8的上边缘确定一加工平面10。加工平面10上方设置有一激光器形式的辐射装置6，辐射装置6发出一定向的激光射线，该激光射线通过偏转装置5导向加工平面10，逐层熔化粉末材料并形成三维物体3。设备还设置有一供粉缸7，加工平面上的金属粉末可以由供粉缸7通过支座1向上运动提供，刮刀4安装在供粉缸7的左侧，并将供粉缸7提供的粉末均匀的涂覆在加工平面上10，刮刀4相对于加工平面10的距离是固定的，一般设计为贴合加工平面，框架9为设备的外框架。

设备工作的步骤如下：支座1向上运动一个涂覆层厚的高度距离，从而使供粉缸7提供一定量的粉末材料，成形缸支座2下降一个层厚的高度距离，从而使上一层已固结好的加工粉层下降一个层厚，刮刀4从左侧的初始位置出发，将供粉缸7提供的粉末均匀涂覆在加工平面10上，刮刀4涂覆完毕后再返回初始位置，辐射装置6根据三维零件在该层上的截面信息选择性地进行辐射。

图3是根据图2给出的本发明的示意图。如图3-a所示，刮刀4以某一设定驱动力从左侧初始位置向右在加工平面10上进行金属粉末的涂覆，每一层涂覆的厚度为h。若刮刀在成形缸上边缘P位置处遇到的阻力大于设定驱动力的最大值，刮刀4无法继续向右运动，如图3-b所示，系统即判断发生卡顿，控制刮刀4返回左侧初始位置，如图3-c。此时，供粉缸向上运动距离h，成形缸向下运动距离h，刮刀4继续以设定驱动力推动新提供的一层粉末实施涂覆，如图3-d所示。如果过程中不再发生卡顿，将完成该层的涂覆，如图3-e所示，该层涂覆完成后刮刀返回初始位置，此时新涂覆的粉层厚度为2h，系统调大激光输出功率对粉层进行扫描，或者以原有的激光功率对粉层进行多次扫描，使该层的固化部分与上一层固化部分充分熔合连接。

如果涂覆过程中再发生卡顿，则重复上述方法。直至当连续涂覆的粉末层厚超过3h，即未加工的连续涂覆粉层下降距离超过3h，再发生卡顿时，则不再控制设备执行任何操作，直到设备操作者用锉刀锉平凸起或者其他方式处理，或者放弃此次加工。

以上仅仅是本发明的一个代表性实施例，根据本发明的构思，本领域的技术人员还可以对此作出各种修改和变化，例如使用以电子束为能量源制造金属三维零件的设备来实施本技术方案，或者对本实施例中的选区激光熔化设备结构作出某种变化，如改变供料系统的结构和供给方式，或者改变涂布器的结构等等，类似的变化和修改均属于本发明的实质。

Claims (6)

1.一种制造三维物体的方法，其特征在于包括如下步骤：

a、设置涂布器将供料系统提供的粉末材料涂覆至加工平面，每次涂覆新增的加工粉层层厚为h；

b、检测若当涂布器执行步骤a时发生卡顿，控制涂布器返回涂覆前的初始位置，供料系统继续提供粉末材料，上一层的加工粉层下降设定距离，继续执行步骤a；

c、根据未经能量束加工的加工粉层连续下降的总距离H，调节能量束对步骤a中完成涂覆的加工粉层实施加工。

2.根据权利要求1所述的制造三维物体的方法，其特征在于，当所述的加工粉层连续下降总距离H＞3h，执行步骤a时发生卡顿，三维物体制造系统不自动执行后续操作。

3.根据权利要求1和2中任意一项所述的方法，其特征在于，步骤b中所述的下降设定距离为一个加工粉层厚度h。

4.根据权利要求1所述的制造三维物体的方法，其特征在于，步骤c中能量束的调节为调节加工该层的能量束功率，或者调节该层的能量束加工次数，或者两者的结合调节。

5.根据权利要求1和2中任意一项所述的方法，其特征在于，三维物体制造系统检测步骤a中发生卡顿的判定是：系统设置控制涂布器涂覆粉末的驱动力F小于涂覆时遇到的阻力f，且涂布器无法沿设定方向继续运动，则判定发生卡顿。

6.根据权利要求1和2中任意一项所述的方法，其特征在于，三维物体制造系统检测步骤a中发生卡顿的判定是：系统设置控制涂布器涂覆粉末时，涂布器单位时间内通过的位移量s小于设定的位移值S，则判定发生卡顿。