CN106738906A - 制造三维物体的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种制造三维物体的方法，包括将一层粉末状的制造材料铺送在工作缸内的底板或者已经选择性熔合的层上，形成新的材料层；引导激光选择性地照射新的材料层上的熔合区域，所述熔合区域为待制造的三维物体在该层相对应的横截面区域，其中，引导激光在材料层上熔合形成三维物体时，还包括引导激光在材料层上熔合形成包围三维物体的封闭结构，其中封闭结构由三维物体在材料层相对应的横截面区域熔合的外轮廓，以及在不含有三维物体横截面区域的材料层上熔合的补充轮廓相互连接构成。本发明能减小分层制造的三维物体被氧化的概率，提高三维物体的质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种三维物体的制造方法。
背景技术
利用激光选择性地熔合多个粉末层是制造三维物体的一种方法。具体为，粉末铺送器将新的一层粉末均匀的铺送在工作缸的上表面形成加工平面，预热装置对铺送好的粉末层实施预热并到达设定的温度时，激光束开始选择性地对粉末层进行扫描，扫描位置为待制造的三维物体在该层相对应的横截面区域，该区域所对应的粉末材料在与激光束作用后温度迅速升高，瞬间熔化并在冷却后固化连接，扫描完成后工作缸下降对应的粉末层层厚，继续在工作缸上表面铺送一层新的粉末，根据三维物体在新的粉末层相对应的横截面区域实施激光扫描，通过逐层的叠加扫描固化，直至完成三维物体所有对应粉末层的固化。
通过激光选择性地熔合粉末层来制造三维物体过程中，粉末材料通常要经过预热和激光照射等反复加热，极易被加工室里的氧气所氧化，在使用一些聚合物类材料如聚酰胺粉末时，容易因为氧化而引起材料的变黄，影响三维物体的质量。因此通常激光熔合工艺中会通入保护气体来减少氧气与材料的反应，即使这样，氧气仍然是无法完全排除的，尤其对于一些高温材料的熔合，氧化变黄现象仍然普遍存在。另外一个需要考虑三维物体不被氧化的过程在于，激光加工完毕后，三维物体仍需要在工作缸体内放置一段时间，等缸体冷却至少2小时以上再将三维物体取出，因为如果加工完毕后，立即将缸体内的三维物体取出，由于加工的三维物体的高温，也容易与空气接触而被氧化。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种通过激光对粉末层进行逐层制造从而获得三维物体的方法，能减小分层制造的三维物体被氧化的概率，提高三维物体的质量。
本发明的一种分层制造三维物体的方法，包括将一层粉末状的制造材料铺送在工作缸内的底板或者已经选择性熔合的层上，形成新的材料层；引导激光选择性地照射新的材料层上的熔合区域，所述熔合区域为待制造的三维物体在该层相对应的横截面区域，
其中，引导激光在材料层上熔合形成三维物体时，还包括引导激光在材料层上熔合形成包围三维物体的封闭结构，其中封闭结构由三维物体在材料层相对应的横截面区域熔合的外轮廓，以及在不含有三维物体横截面区域的材料层上熔合的补充轮廓相互连接构成。
通过激光熔合完成三维物体后，比如制造聚酰胺材料的三维物体，在至少2个小时内不能马上将三维物体从工作缸体内取出，而是仍将其置于缸体内缓慢冷却，因为在这段时间内，缸体内的三维物体包括粉末都维持在一个很高的温度，如果快速取出将容易导致氧化，使得三维物体质量下降，颜色变黄。值得注意的是，工作缸里的三维物体可以是一个或者多个。
如果将三维物体包裹在一个封闭的“匣子”内制造，由于匣子的阻挡，三维物体与空气隔绝，制造完成后三维物体连同匣子可立刻从缸体内取出进行冷却，而不用担心三维物体被氧化。在制造三维物体的同时，制造一个包裹三维物体的封闭结构，类似于三维物体的“壳”，意外的解决了这一问题，由于壳的空气隔绝效果，三维物体可在制造完成后立刻从工作缸内取出进行冷却，大大提升了工作缸的使用效率，进而提高了设备的使用效率。
封闭结构由外轮廓以及补充轮廓彼此连接而形成的，其中外轮廓是在包含三维物体在材料层对应的横截面区域上，通过激光熔合形成包围横截面区域的框架，补充轮廓是在不包含三维物体横截面区域的材料层上，通过激光熔合形成框架或者平面，通过外轮廓和补充轮廓层层叠加，最终形成连续的封闭结构。
这种方法也能减少三维物体在制造过程中的氧化作用，因为壳与三维物体是同时“生长”的，意味着三维物体的制造始终是在一个半包围的结构中进行的，这个半包围结构也能有效减少保护气体中和粉末颗粒间隙中残留的氧气与三维物体的接触。值得一提的是，由于三维物体在粉末层对应的横截面区域都有封闭的外轮廓，且相邻的外轮廓彼此连接，对于减少横截面区域的热量扩散，维持横截面区域的温度均衡具有积极的作用。
作为本发明的进一步优选方案，所述封闭结构与三维物体的最小距离为2mm。理论上说，封闭结构与三维物体距离越小，制造过程中所需消耗的材料和时间也少，并且还意味着外轮廓与三维物体的横截面区域越小，对材料层而言能获得更好的保温效果。但太小的距离会给三维物体从封闭结构中取出带来困难，还给三维物体完成后的粉末清理带来困难。
作为本发明的进一步优选方案，所述封闭结构的厚度为0.6-4mm。封闭结构的厚度越大，显然对于氧气的隔绝效果更好，同时也能进一步提高加工区域内的保温效果，在封闭结构的厚度0.6-4mm时，制造时间和制造材料的成本耗费是值得的，在这个范围之外，或者难以实现，或者制造时间和材料耗费太多。
值得注意的是，封闭结构的厚度既可以包括垂直于三维物体生长方向的横向距离，也可以包括三维物体生长方向的竖直距离。比如封闭结构是一种鸡蛋模型，对应的厚度指的是外轮廓或者补充轮廓的在垂直于三维物体生长方向的横向距离，如果封闭结构是一种立方体，上下表面的厚度则是补充轮廓在三维物体生长方向的竖直距离。
作为本发明的进一步优选方案，所述封闭结构为立方体或圆柱体。封闭结构的形状可以根据三维物体的形状来进行匹配性设定，如果制造的三维物体比较大，封闭结构最好根据工作缸的形状来设定，常用的工作缸一般为立方体或者圆柱形，因此封闭结构形状也适应性的设计为立方体或者圆柱体，此外，这类简单的结构也能提高激光工作效率。
作为本发明的进一步优选方案，在新的材料层上，激光先熔合三维物体相对应的横截面区域的外轮廓，再对横截面区域进行熔合。利用外轮廓的阻挡能减缓热量由加工中心区域向缸壁扩散，使得轮廓内加工区域温度更加均匀，提高了三维物体的加工质量。
本发明的激光对粉末层进行逐层制造从而获得三维物体的方法，通过在制造的三维物体的同时制造一个包围三维物体的封闭结构，有效减小了三维物体在制造过程中的氧化作用，维持了加工区域温度，且在制造完成后，由于封闭结构的隔绝空气功能，三维物体可以立刻从工作缸中取出进行冷却，从而提高了工作缸的使用效率。
附图说明
图1为一种三维物体及封闭结构的制造方式；
图2为另一种三维物体及封闭结构的制造方式。
具体实施方式
下面通过具体的实施方式结合附图来阐述本发明的方法。
实施例1：制造三维物体以及立方体式的封闭结构。
使用湖南华曙高科技有限责任公司的选择性激光烧结设备FS403和聚酰胺粉末材料FS3200。图1所示的是制造包括三维物体和立体式封闭结构的示意图，制造过程包括：先将三维物体a、b、c和d以及包括封闭结构2的三维CAD模型导入FS403设备中，进行分层切片处理；铺粉装置将粉末材料3逐层的铺送在工作缸1的上表面形成材料层，其中每一个材料层的厚度为0.1mm；设备根据材料层上的三维物体或者封闭结构2的切片信息，控制激光在相对应的区域进行扫描，直至完成所有三维物体和封闭结构2；将包含三维物体的封闭结构2从工作缸1中取出，进行冷却；冷却完毕后将封闭结构2破碎，取出三维物体并进行粉末清理。
因为工作缸内的三维物体整体呈现一个不规则的形状，为了简化激光扫描的路径规划，此处的封闭结构2设计为一个立方体，其中三维物体与立方体的距离大于3mm，立方体的厚度控制在2mm左右。结果表明，获得的三维物体颜色相对较白，发生翘曲和收缩的地方很少，说明三维物体被氧化程度低，制造质量得到提升。
实施例2：制造三维物体以及随形式的封闭结构。
使用湖南华曙高科技有限责任公司的选择性激光烧结设备FS403和聚酰胺粉末材料FS3200。图2所示的是制造包括三维物体和随形式封闭结构的示意图，制造过程包括：先将三维物体e以及包括封闭结构2的三维CAD模型导入FS403设备中，进行分层切片处理；铺粉装置将粉末材料3逐层的铺送在工作缸1的上表面形成材料层，其中每一个材料层的厚度为0.1mm；设备根据材料层上的三维物体或者封闭结构2的切片信息，控制激光在相对应的区域进行扫描，直至完成所有三维物体和封闭结构2；将包含三维物体的封闭结构2从工作缸1中取出，进行冷却；冷却完毕后将封闭结构2破碎，取出三维物体并进行粉末清理。
因为工作缸内的三维物体整体呈现椭球的形状 ，封闭结构2设计为根据其形状贴合的设计成椭球形状的壳，其中三维物体与壳的距离大于4mm，壳的厚度控制在2.5mm左右。结果表明，获得的三维物体颜色相对较白，发生翘曲和收缩的地方很少，说明三维物体被氧化程度低，制造质量得到提升。
以上所述实施例仅表达了本发明的两种实施方式，应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种制造三维物体的方法，包括将一层粉末状的制造材料铺送在工作缸内的底板或者已经选择性熔合的层上，形成新的材料层；引导激光选择性地照射新的材料层上的熔合区域，所述熔合区域为待制造的三维物体在该层相对应的横截面区域，
其特征在于，引导激光在材料层上熔合形成三维物体时，还包括引导激光在材料层上熔合形成包围三维物体的封闭结构，其中封闭结构由三维物体在材料层相对应的横截面区域熔合的外轮廓，以及在不含有三维物体横截面区域的材料层上熔合的补充轮廓相互连接构成。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述封闭结构与三维物体的最小距离为2mm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述封闭结构的厚度为0.6-4mm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述封闭结构为立方体或圆柱体。
5.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，在新的材料层上，激光先熔合三维物体相对应的横截面区域的外轮廓，再对横截面区域进行熔合。
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| JP2020510560A (ja) * | 2017-03-13 | 2020-04-09 | タイガー コーティングス ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング ウント コンパニー コマンディトゲゼルシャフト | 熱硬化性ポリマー粉末組成物の使用 |
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