CN105431791B - 用于制造三维物体的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于逐层地制造三维物体的方法，其中，将能借助于电磁的或能量的粒子辐射的作用被固化的粉末状的或液态的构造材料涂覆成具有厚度d的层，并且在每个层中分别借助于电磁的或能量的粒子辐射固化下述部位，这些部位对应于物体的与所述层相对应的横截面。在此，每个横截面包括轮廓区域和内部区域，并且所述方法包括下述分步骤：在N个彼此相继的横截面中，其中N是大于1的整数，在每个横截面中将一个子区域定义为关键区域，并且将横截面的其余区域定义为非关键区域，将数量为N的层相继地涂覆，而不进行非关键区域的固化。在涂覆第N层之后才在所有N个层中进行所有N个层的非关键区域的固化。

Description

用于制造三维物体的方法
技术领域
本发明涉及一种用于逐层地制造三维物体的方法。本发明尤其涉及一种用于激光烧结构件的方法。
背景技术
越来越多地，生成式制造方法不再仅用于母型或小批量的制造，而是趋向于借助于层构造法来批量生产全功能构件。在批量生产时非常重要的方面是生产时间。但是，尽可能短的生产时间通常与实现尽可能小的物体细节相矛盾。在层构造法中该矛盾直接在构造参数上表现出：
例如如果在激光烧结时为用于固化构造材料的照射选择大的激光束焦点，那么这缩短了构造过程。然而，大的焦点降低了在待制造的物体上的可达到的细节精度。在层构造工艺中待涂覆的构造材料层的厚度也最终反映出在构造时间和细节精度之间的折衷。如果选择大的层厚度，那么层的总数量减少。但由此降低了细节精度，这主要在相对于垂直线具有斜度的构件表面的情况下表现出：层厚度越大，越不能完美地实现倾斜的表面。倾斜的表面具有阶梯轮廓，层厚度越大，阶梯轮廓越粗糙。
DE 4309524 C1建议一种方法，其中，物体的表面区域借助于具有小直径的激光束进行固化，而物体的内部区域借助于具有大直径的激光束进行固化。对此，在涂覆预定厚度的构造材料层之后仅所述层的对应于物体表面的部分被固化，而内部区域不进行固化。只有在涂覆完N个层之后(其中N是大于1的整数)，才借助于具有大直径的激光束一次性固化全部N个层的内部区域。
根据DE 4309524 C1的方法尤其在具有复杂地构成的表面的复杂构件中具有缺点，因为复杂的表面导致每个物体横截面的延展的边缘线并且因而导致每个层的该轮廓线的长时间的固化。
DE 19727943 A1描述一种用于优化在构造时间和细节精度之间的折衷的替选方法。该文献建议，在分析构件之后将该构件交互地分成多个部段并且为各个部段单独确定构件层的厚度。由此能够给关键区域、例如窄的连接片配置单独的小的层厚度，而将较厚的层配置给其它区域，例如构件的垂直于所述层的壁。由此在整体上减少了构造时间。
根据DE 19727934 A1的方法尤其是放弃：为整个物体横截面强制性地选择一个恒定的层厚度。仅在与关键区域相对应的部段中，层厚度选择为小的。这样的方法尤其在制造层压式物体时是有利的，其中，纸层相叠地粘接。然而，在立体光刻和激光烧结时，这样的方法产生下述问题：
复杂的是：薄的构造材料层仅被涂覆在结构空间的与一个部段相对应的子区域中，并且在结构空间的其它子区域中没有涂覆构造材料。
发明内容
因此，本发明的任务在于，提供一种用于借助于通过电磁辐射或能量粒子辐射实现的固化来逐层地制造三维物体的方法，其中，也针对这种物体的制造对在构造时间和细节精度之间的折衷进行优化，其中，所要求的细节精度在物体内部大幅度变化。
所述任务通过一种用于基于三维CAD模型逐层地制造三维物体的方法来解决，其中，所述方法包括下述步骤：
通过将待制造的物体的三维CAD模型分解为三维模型子区域来修改所述待制造的物体的三维CAD模型，
基于已修改的三维CAD模型借助于生成式层构造法来制造三维物体，其中
将能借助于电磁的或能量的粒子辐射的作用被固化的粉末状的或液态的构造材料逐层地涂覆，并且借助于通过电磁或能量粒子辐射实现的照射在每个层中在下述部位处使构造材料固化，这些部位对应于与所述层相对应的在已修改的CAD模型中的横截面，其中，每个横截面包括轮廓区域和内部区域，
其中，
存在这样的横截面，其具有与一个模型子区域相对应的部分横截面，其中，所述部分横截面不仅包括内部区域的部段也包括轮廓区域的部段，并且
在所述横截面中存在至少两个部分横截面，这些部分横截面分别与不同的模型子区域相对应，这些部分横截面包括轮廓区域的不同部段并且在这些部分横截面中通过选择互不同的照射参数以互不同的方式实施构造材料的固化。
根据本发明，不像在DE 4309524 C1中那样，在固化构造材料时静态地在物体横截面的内部区域和物体横截面的边缘区域之间进行区分。不同于在DE 19727934 A1中的方法，根据本发明，为了对在构造时间和细节精度之间的折衷进一步优化，不是调整层厚度，而是调整用于构造材料固化的照射参数。尤其是将需要高的细节精度的区域以与小的细节精度就足够的区域不同的方式和方法进行固化。
附图说明
借助于附图由对实施例的说明得到本发明的其它特征和优点。在附图中：
图1示出作为用于逐层地制造三维物体的设备的示例的激光烧结设备的示意图；
图2示出根据本发明的第一实施例的待制造的物体的子区域的垂直于层的剖视图；
图3示出根据本发明的第二实施例的待制造的物体的垂直于被涂覆的层的剖视图。
具体实施方式
图1以示意的方式示出激光烧结设备，其作为用于借助于生成式制造方法逐层地制造三维物体的设备的示例。能根据控制装置的调整来实施按本发明的方法的设备具有向上敞开的容器1，该容器具有能够在其中沿竖直方向运动的支架2，该支架支承待形成的物体。支架2沿竖直方向设定成，使得物体的各待固化的层位于工作平面6中。此外设有涂覆机10、11，用于施加待通过电磁辐射固化的粉末状构造材料。设有激光器7作为电磁辐射源。由激光器7产生的激光束8通过偏转单元9转向到工艺室100中并且在工作平面6中的预定的点处聚焦。此外设有控制装置40，该控制装置以协调的方式控制设备的各组成部分以实施构造工艺。此外，所述控制与待制造的物体的CAD数据相关地被实施。
能够使用所有的适用于激光烧结法的粉末或粉末混合物作为粉末状构造材料。这样的粉末例如包括塑料粉末、如聚酰胺或聚苯乙烯、聚醚醚酮、金属粉末如稀有金属粉末或者其它的适应于相应目的的金属粉末、尤其是合金、塑料覆层的沙或陶瓷粉末。
激光烧结设备的运行通常如此实现，即涂覆机10、11在构造区域上方运动并且将粉末层以预定的厚度d施加在整个构造区域中，所述厚度不必对于所有层都相同。随后，借助激光束对物体3在工作平面6中的相应的层中的横截面进行照射并且使那里的粉末固化。然后，支架2下降并且施加新的粉末层。物体的制造通过该方式逐层地进行。在完成之后，将物体取出并且必要时例如通过铣削进行再处理和/或进行质量控制。
在物体横截面13内部能够将轮廓区域和内部区域进行区分。轮廓区域在此对应于物体的边缘区域(在数学-拓扑意义中的边缘)，而内部区域是横截面减去轮廓区域。在制成的物体中，轮廓区域位于外表面上或者(在存在空腔或通道的情况下)也位于内表面上。
下面对如何能在刚才描述的激光烧结设备中实施按本发明的方法进行说明，其中，仅描述相对于传统方法的特性：
在由构造材料逐层地制成物体的生成式制造方法、例如激光烧结法中，首先存在待制造的物体的CAD模型，所述物体被分解成层(所谓的分层(slicing))，所述层对应于构造材料的待固化的层。为了制造物体，包含关于物体的结构信息的数据(也称为生产数据)由控制装置40进行处理。根据本发明，物体的原始CAD模型在分解为层(分层)之前被分成(分解成)模型子区域。因此，在分层之后至少在一部分层中存在对应于不同模型子区域的区域。
然后，在后续基于生产数据制造物体时将在一个层中的构造材料在不同的模型子区域中以不同的方式固化。通常通过进行分解可行的是，仅在下述模型子区域中提供具有高的细节精度(Detailgenauigkeit)的耗时的固化：在这些模型子区域中这由于物体几何结构、物体的使用目的或通过制造工艺预设的边缘条件是必要的。尽管如此，在整个构造区域中以相同的厚度涂覆层。在不同的模型子区域方面的区分通过固化参数实现。
通常足够的是，在一个物体中分成两个模型子区域：一个是应以高的细节精度被固化的模型子区域，而另一个是能以较低的细节精度(并且因而更快速地)被固化的模型子区域。尽管如此，也还能够在固化条件中进行更大程度的区分，其方式为：设置多于两个模型子区域。为了形象地说明按本发明的方法，下面将所谓的关键区域和所谓的非关键区域、即由三维CAD模型分解成的两个模型子区域进行区分。
图2示出借助于根据本发明的第一实施例的方法制成的物体的一个子区域的示意性横截面，其中剖面垂直于制成物体的粉末层延伸。在理想情况下在制成的物体上不再看到在构造过程中的层。然而为了形象地说明按本发明的方法，在图2中物体如此被示出，使得各个(方形表示的)固化区域是可见的，这些固化区域是例如激光束作用到粉末的这些部位处的结果。
在图2中示出的制成的物体的特点是具有位于内部的冷却通道20，该冷却通道具有大的弯曲。由于所述弯曲和小的直径而必要的是，制成具有高细节精度的冷却通道壁区域21。与此相反，物体横截面的其余区域仅具有非常少的细节，从而在该区域中较大的结构类型也是可行的。因此，原始的CAD模型被分解为对应于壁区域21的区域作为关键区域(第一模型子区域)和包括物体的整个其余体积的非关键区域(第二模型子区域)29。
构造过程现在例如如此实施，使得逐层地以小的厚度d(例如40μm)涂覆构造材料，该厚度选择为，使得在冷却通道的壁区域21中能够实施具有高精度的固化。在细节精度方面被视为特别关键的表面区域21现在在每个层中在涂覆所述层之后就被固化，而被涂覆的层的其余部分首先不被固化。在施加一定数量N的层之后(N是大于1的整数)，物体横截面的非关键区域才如此被固化，使得构造材料在全部N个层中同时被固化。非关键区域的固化例如可以通过增大激光束焦点和/或提高激光功率来实现。
根据本发明，在物体横截面中不根据待固化的子区域是位于横截面的内部还是在其边缘处而进行区分，而是在横截面中的特别关键的边缘区域和横截面的其余区域之间进行区分，其中，其余区域可以具有内部区域和边缘区域。
借助按本发明的方法可行的是，在一连串的N个横截面中分别将这样的边缘区域定义为关键区域：这些边缘通过其越过层边界相互邻接而形成物体的必须以高的细节精度制成的表面。
关键区域(模型子区域)的选择能够基于不同的标准进行并且随着物体的使用范围变化。根据本发明，不是每个轮廓区域自动地又是必须以高的细节精度进行固化的关键区域。
用于确定关键区域的一个标准例如可以是表面的斜度：倾斜的表面因此可以被视作为关键的，因为通过层构造法始终会引起在表面上存在阶梯。因此，这种倾斜的表面会被定义为在物体的CAD模型中的关键的子区域。在CAD模型中的表面的斜度可以通过软件自动地识别。由此能够将倾斜的表面自动化地识别为关键区域，在分解时自动化地给这些关键区域分配一个特有的模型子区域。这同样地适用于在第一实施例中描述的内部通道。
用于确定关键区域的另一个选择标准可以是表面的可机械加工性。尤其是在制造刀具插入件时，所制成的构件的表面通常需要例如借助于铣削进行机械精加工(“Finishing”)。然而，尤其是在物体内部的小通道不能够借助于铣削实现。对于这些小的通道必要时考虑借助于电火花烧蚀进行耗费的加工。本发明在此建议，这种表面区域被视为单独的关键区域并且以高的细节精度被固化。
用于确定关键区域的另一个选择标准可以是位于内部的空腔的小尺寸，该小尺寸导致空腔的壁必须以高的精度制成，以便避免空腔的意外的关闭(堵塞)。
此外关键区域可以是具有高的表面质量的表面区域。用于表面质量的尺度例如可以是平均粗糙值，所述平均粗糙值允许体现粗糙度。
另外，内部区域的子区域、例如物体的特别精细的部位也可以是关键区域。
关键区域的选择可以根据上面示例性预定的标准进行。例如能够借助于算法确定表面的曲率或者空腔或连接片在各个物体横截面中的直径并且然后(通过计算机程序)自动化地将CAD模型分解成模型子区域。
为了形象地说明本发明的另一种实施例，图3示出一个牙帽()、例如覆盖物或牙冠(Krone)的剖视图，其中剖切方向被选择为垂直于各层。
在所示的牙帽中，指向牙龈的“尖的”端部33仅具有小的直径。在将牙帽集成到牙根上之后，这些尖部在其背离牙根的外表面32上对于机械加工而言不再能到达。这同样适用于牙帽的面31，该面朝向牙根。在安置牙帽之后该面也不再能够被加工。与此相比，牙帽的远离牙根的表面能够在所述安装之后被牙医打磨。
由于这些事实，在用于按本发明的方法的该示例中，牙帽的内表面被视为关键表面。牙帽的外表面的部分、即尖的端部31的外表面32也被视为关键的，该部分在牙帽集成之后仅能不理想地被加工。关键区域的识别也可以在牙帽的情况下自动化地进行。只要在样品上定义什么是关键区域，软件就能够自动化地在单个的牙帽CAD模型上识别出这种关键区域。
在按本发明的用于制造牙帽的方法中，构造材料被涂覆成具有10μm的层厚度的薄层并且在涂覆一个层之后仅在关键的表面区域中进行固化。在牙帽的所有的其余子区域38、39中，固化仅在每两个层被涂覆之后进行。借助该方法能够显著减少构造时间，同时不必考虑在细节精度方面的损失，这些损失降低制成的牙帽的品质。
在上述的自动识别确定的物体几何结构(例如表面区域的位置和构造)时，此外利用：在三维CAD模型中可以在横截面的轮廓和位于内部的区域之间进行区分。在借助于镶嵌或引起广泛传播的STL模型的三角剖分进行分层时，能够以简单的方式在边缘区域中的多边形(通常是三角形)和在内部区域中的多边形之间区分。例如，具有这样的角的多边形能够被定义为位于轮廓中的多边形，这些角不会同时是其它多边形的角。
虽然按本发明的方法已经以激光烧结设备为例进行描述，但也能够以相同的方式应用于所有的其它的层构造法，其中，借助于电磁辐射或借助于能量粒子(例如电子)实现固化。尤其可行的是，通过掩模将用于固化的照射引导到构造材料上，其中，各掩模分别在待照射的区域中是打开的。
此外，按本发明的方法不局限于将粉末作为构造材料，而是同样可以使用液体的构造材料，例如在立体光刻中使用液体的构造材料。

Claims (8)

1.一种用于基于三维CAD模型逐层地制造三维物体的方法，
其中，所述方法包括下述步骤：
通过将待制造的物体的三维CAD模型分解为三维模型子区域(21、29、31、32、38、39)来修改所述待制造的物体的三维CAD模型，
基于已修改的三维CAD模型借助于生成式层构造法来制造三维物体，其中
将能借助于电磁的或能量的粒子辐射的作用被固化的粉末状的或液态的构造材料逐层地涂覆，并且借助于通过电磁或能量粒子辐射实现的照射在每个层中在下述部位处使构造材料固化，这些部位对应于与所述层相对应的在已修改的CAD模型中的横截面(13)，其中，每个横截面(13)包括轮廓区域和内部区域，
其特征在于，
存在这样的横截面(13)，其具有与一个模型子区域相对应的部分横截面，其中，所述部分横截面不仅包括内部区域的部段也包括轮廓区域的部段，并且
在所述横截面(13)中存在至少两个部分横截面，这些部分横截面分别与不同的模型子区域相对应，这些模型子区域包括轮廓区域的不同部段并且在这些不同的模型子区域中通过选择互不同的照射参数以互不同的方式实施构造材料的固化。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将物体的关键区域自动化地配置于一个或多个模型子区域(21、31、32)，物体在这些关键区域中必须以高的细节精度制成。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，这样定义关键区域，使得其满足下述标准中的至少一个标准：
-所述关键区域是在CAD模型中的外表面或内表面，这些外表面或内表面对应于待制造的物体的在制造物体期间指向与各层相互层叠的方向相反的方向的面；
-所述关键区域是在CAD模型中的内表面，该内表面对应于在物体内部延伸的通道的限界面；
-所述关键区域是在CAD模型中的外表面或内表面，所述外表面或内表面对应于物体的在制成物体之后不能够通过机械加工进行再加工的面。
4.根据权利要求1所述的方法，所述方法包括下述分步骤：
将数量为N的层相继地涂覆，其中N是大于1的整数，并且在每个层涂覆之后在该层的与第一模型子区域相对应的部分中实施固化，而不在该层的与第二模型子区域相对应的部分中实施固化；
在涂覆第N层之后，在所有N个层中同时在所有N个层的与第二模型子区域相对应的部分中实施构造材料的固化。
5.根据权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，一个模型子区域仅包括物体的内部区域的一部分。
6.根据权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，使用粉末状的构造材料并且借助于激光器提供电磁辐射。
7.根据权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，在一个模型子区域中以小的辐射焦点实现固化，而在另一个模型子区域中以大的辐射焦点实现固化。
8.根据权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，与在另一模型子区域中的固化相比，在一个模型子区域中的固化使用具有较小能量密度的辐射。
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