CN106825569B - 具有预热功能的增材制造方法及增材制造装置 - Google Patents

具有预热功能的增材制造方法及增材制造装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于增材制造技术领域，公开了一种具有预热功能的增材制造方法及增材制造装置，该方法包括控制射线对粉床表面进行光栅式的预热扫描，所述光栅式的预热扫描为：所述射线沿水平方向的扫描路径和竖直方向的扫描路径交替的对粉床表面扫描。本发明还包括一种增材制造装置。本发明能够实现对粉床表面的全面预热，而且通过沿水平方向的扫描路径和竖直方向的扫描路径交替的扫描，能够使得预热所形成的温度场更加均匀，最大限度地避免电荷集中，为3D打印奠定了良好的基础。本发明能够有效地解决现有增材制造装置因无法检测粉床表面变形或检测可靠性低、检测结果不准确导致的三维实体零件成为废品的问题，避免了材料以及时间的浪费。

Description

具有预热功能的增材制造方法及增材制造装置
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种具有预热功能的增材制造方法及增材制造装置。
背景技术
增材制造(3D打印)是一种通过连续熔合一个以上薄层的材料来制造三维实体零件的制造技术。
预热是电子束金属3D打印的重要过程，包括在铺设粉末前对基板进行预热、对铺设的每一层粉末进行预热。预热的路径非常重要，需要考虑两个方面：一方面需要尽量均匀地加热基板或者粉末层，另一方面需要避免电荷聚集导致粉末颗粒之间带电，带电的粉末颗粒之间存在电荷斥力，电荷斥力超过一定值会导致粉末散开扬起，导致打印过程失败。因此，预热的好坏直接影响这3D打印的结果好坏。现有的3D打印设备所采用的预热路径，其预热形成的温度场依旧不够均匀，预热结果不理想。
而且在现有技术3D打印过程中，在粉床表面进行熔合时，会出现以下情况：粉床表面由于热应力会发生明显变形，而此时的3D打印设备无法实时检测粉床表面的变形，会继续循环进行铺粉、熔化，将变形的粉床表面覆盖，而变形的粉床表面会导致最终生产出的三维实体零件成为废品，浪费了材料以及时间。
目前在增材制造的过程中也有通过摄像头来检测粉床表面的变形。具体是，通过摄像头对粉床表面拍摄照片，然后对照片进行图像识别、处理，以检测粉床表面变形量。但是，上述摄像头拍摄的图片受光源、摆放角度等因素的影响，会导致图像识别处理的可靠性低，检测结果不准确，同样会导致材料和时间的浪费。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有预热功能的增材制造方法及增材制造装置，以解决现有增材制造装置预热形成的温度场不均匀以及无法实时检测粉床表面变形的问题。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种具有预热功能的增材制造方法，控制射线对粉床表面进行光栅式的预热扫描，所述光栅式的预热扫描为：所述射线沿水平方向的扫描路径和竖直方向的扫描路径交替的对所述粉床表面扫描。
作为优选，所述射线沿水平方向的扫描路径和竖直方向的扫描路径交替的对粉床表面扫描包括：
将粉床表面沿竖直方向分成M1个水平区域，在每个所述水平区域内平行设有N1个扫描路径H；
将粉床表面沿水平方向分成M2个竖直区域，在每个所述竖直区域内平行设有N2个扫描路径V；
控制射线沿M1个水平区域内的扫描路径H(m1，n1)以及M2个竖直区域内的扫描路径V(m2，n2)交替的对粉床表面进行扫描，直至所有扫描路径全部使用，其中m1＝1,2,3…M1，n1＝1,2,3…N1，m2＝1,2,3…M2，n2＝1,2,3…N2。
作为优选，所述控制射线沿M1个水平区域内的扫描路径H(m1，n1)以及M2个竖直区域内的扫描路径V(m2，n2)交替的对粉床表面进行扫描，直至所有扫描路径全部使用包括：
控制射线按以下扫描规律依次对粉床表面进行扫描：
H(1-1)、V(1-1)、H(2-1)、V(2-1)、H(3-1)、V(3-1)……H(m1-1)、V(m2-1)；
H(1-2)、V(1-2)、H(2-2)、V(2-2)、H(3-2)、V(3-2)……H(m1-2)、V(m2-2)；
H(1-n1)、V(1-n2)、H(2-n1)、V(2-n2)H(3-n1)、V(3-n2)……H(m1-n1)、V(m2-n2)，
直至所有扫描路径全部使用。
作为优选，所述扫描路径H(m1，n1)与扫描路径H(m1+1，n1)之间的距离D1大于所述扫描路径H(m1，n1)与扫描路径H(m1，n1+1)之间的距离d1,其中，所述m1小于M1，所述n1小于N1；
所述扫描路径V(m2，n2)与扫描路径V(m2+1，n2)之间的距离D2大于所述扫描路径V(m2，n2)与扫描路径V(m2，n2+1)之间的距离d2,其中，所述m2小于M2，所述n2小于N2。
作为优选，还包括：
根据所述光栅式的预热扫描形成光栅线；
控制成像装置对所述光栅线进行成像，并根据成像结果判断所述光栅线是否存在变形；
在所述光栅线存在变形且变形量大于允许值时，停止增材制造。
作为优选，还包括：
在所述光栅线存在变形且变形量小于等于允许值时，根据所述变形量调整所述射线的能量。
作为优选，所述根据所述变形量调整所述射线的能量包括：
当变形量为正时，调低所述射线的能量；
当变形量为负时，调高所述射线的能量。
作为优选，还包括：
通过射线对当前层粉床表面熔化；
所述通过射线对当前层粉床表面熔化在所述控制射线对当前层粉床表面光栅式扫描之前和/或之后进行。
作为优选，所述通过射线对当前层粉床表面熔化在所述控制射线对当前层粉床表面光栅式扫描之前进行时，调整扫描下一层粉床表面时的射线的能量；
所述通过射线对当前层粉床表面熔化在所述控制射线对当前层粉床表面光栅式扫描之后进行时，调整扫描当前层粉床表面时的射线的能量。
本发明还提供一种具有预热功能的增材制造装置，包括铺设有粉床的工作平面，均位于所述工作平面上方的射线发生装置和成像装置，以及连接所述射线发生装置和成型装置的控制装置，所述射线发生装置用于发出射线，所述射线对所述粉床表面光栅式扫描，形成光栅线；所述成像装置用于对所述光栅线进行拍摄成像；
所述光栅式的预热扫描为：所述射线沿水平方向的扫描路径和竖直方向的扫描路径交替的对粉床表面扫描。
本发明通过上述增材制造方法，能够实现对粉床表面的全面预热，而且通过沿水平方向的扫描路径和竖直方向的扫描路径交替的扫描，能够使得预热所形成的温度场更加均匀，最大限度地避免电荷集中，为3D打印奠定了良好的基础。
同时能够有效地解决现有增材制造装置因无法检测粉床表面变形或检测可靠性低、检测结果不准确导致的三维实体零件成为废品的问题，避免了材料以及时间的浪费。而且上述射线既是热源，同时也是检测的光源，检测方法可靠性高。
通过上述增材制造方法，可以根据粉床表面变形量的检测结果，及时调整射线熔化材料的策略或路径，改善粉床表面变形，增加制造的成功率。
本发明的上述增材制造装置，在采用上述增材制造方法后，能够提高三维实体零件的良品率以及制造成功率。
附图说明
图1是本发明实施例一具有预热功能的增材制造方法的流程图；
图2是本发明实施例一中扫描路径的示意图；
图3是本发明实施例一光栅线的变形示意图；
图4是本发明实施例二的增材制造装置的结构示意图。
图中：
1、工作平面；2、射线发生装置；3、成像装置；4、控制装置；5、射线。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
实施例一：
本实施例提供一种具有预热功能的增材制造方法，如图1所示，该增材制造方法包括以下步骤：
S10、控制射线对粉床表面进行光栅式的预热扫描。
具体的，通过射线发生装置发出射线，由射线对粉床进行扫描。本实施例中，上述射线为激光或者电子束。
上述光栅式的预热扫描为：射线沿水平方向的扫描路径和竖直方向的扫描路径交替的对粉床表面扫描。
更为具体的，可参照图2，首先，预先将粉床表面沿竖直方向分成M1个水平区域，上述M1个区域覆盖整个三维零件的截面区域，在每个区域内平行设有N1个扫描路径H；之后，将粉床表面沿水平方向分成M2个竖直区域，在每个竖直区域内平行设有N2个扫描路径，同样的，上述M2个区域也覆盖整个三维零件的截面区域。
之后，控制射线沿M1个水平区域内的扫描路径H(m1，n1)以及M2个竖直区域内的扫描路径V(m2，n2)交替的对粉床表面进行扫描，直至所有扫描路径全部使用，其中m1＝1,2,3…M1，n1＝1,2,3…N1，m2＝1,2,3…M2，n2＝1,2,3…N2。
在进行预热扫描时，首先，将上述每个区域内的扫描路径编号，例如，将M1个区域内的第一条扫描路径依次编号为H(1，1)、H(2，1)、H(3，1)…H(m1，1)，将M1个区域内的第二条扫描路径依次编号为H(1，2)、H(2，2)、H(3，2)…H(m1，2)，以此类推，将M1个区域内的第N1条扫描路径依次编号为H(1，n1)、H(2，n1)、H(3，n1)…H(m1，n1)。同时，将M2个区域内的第一条扫描路径依次编号为H(1，1)、H(2，1)、H(3，1)…H(m2，1)，将M2个区域内的第二条扫描路径依次编号为H(1，2)、H(2，2)、H(3，2)…H(m2，2)，以此类推，将M2个区域内的第N2条扫描路径依次编号为H(1，n2)、H(2，n2)、H(3，n2)…H(m2，n2)。通过上述编号，即形成光栅式扫描所需的扫描路径。
随后，控制射线依次根据上述形成的光栅式扫描路径进行扫描，具体是控制射线按以下扫描规律依次对粉床表面进行扫描：
H(1-1)、V(1-1)、H(2-1)、V(2-1)、H(3-1)、V(3-1)……H(m1-1)、V(m2-1)；H(1-2)、V(1-2)、H(2-2)、V(2-2)、H(3-2)、V(3-2)……H(m1-2)、V(m2-2)；……；H(1-n1)、V(1-n2)、H(2-n1)、V(2-n2)H(3-n1)、V(3-n2)……H(m1-n1)、V(m2-n2)，直至射线沿所有扫描路径对粉床表面扫描一次，即完成了整个光栅式扫描，然后重复以上过程，反复加热该截面区域进行预热。
需要说明的是，对于M1个水平区域内的扫描路径H，本实施例的扫描顺序可以是从上往下或从下往上；对于M2个竖直区域内的扫描路径V，扫描顺序可以是从左往右或从右往左。因此可以引申出四种扫描顺序，即：从上往下+从左往右、从上往下+从右往左、从下往上+从左往右以及从下往上+从右往左，上述四种扫描顺序均处于本实施例的保护范围内。本实施例中，前述的扫描规律即为从下往上+从右往左的扫描顺序。
本实施例中，上述扫描路径H(m1，n1)与扫描路径H(m1+1，n1)之间的距离D1大于所述扫描路径H(m1，n1)与扫描路径H(m1，n1+1)之间的距离d1,其中，上述m1小于M1，上述n1小于N1；
上述扫描路径V(m2，n2)与扫描路径V(m2+1，n2)之间的距离D2大于上述扫描路径V(m2，n2)与扫描路径V(m2，n2+1)之间的距离d2,其中，上述m2小于M2，上述n2小于N2。通常，上述距离D1和D2在5mm以上，距离d1和d2在0.1mm-2mm之间，以便于多次的扫描，使预热扫描形成的温度场更加均匀。
本实施例中，优选的，在控制射线对粉床表面光栅式扫描时，上述射线的能量由粉床表面的四周到中间逐渐变低，即在上述扫描过程中，由于粉床表面扫描区域内外侧散热快，中间位置散热慢，因此，射线的能量是非恒定的，其越靠近粉床表面的四周，射线的能量越高；越靠近粉床表面的中间位置，射线的能量越低。通过上述扫描方式，可以使得粉床表面扫描区域内的温度场更加均匀。利用以上方式多遍扫描，能够使得粉床表面扫描区域内材料温度按照预设的速率升温或者降温。
具体的，上述射线的能量改变可以是通过改变功率或者聚焦来实现，具体的，当射线为激光时，其通过改变功率实现能量的改变。当射线为电子束时，其通过改变聚焦来实现能量的改变，也可以通过改变电流实现能量的改变。
本实施例通过本步骤S10，能够实现对粉床表面的全面预热，而且能够使得预热所形成的温度场更加均匀，最大限度地避免电荷集中，为3D打印奠定了良好的基础。
S20、根据光栅式的预热扫描形成光栅线。
即在步骤S10中进行预热扫描时，每沿一条扫描路径扫描一次，就会在粉床表面上形成一条光栅线。
S30、控制成像装置对光栅线进行成像，并根据成像结果判断光栅线是否存在变形。
即在上述射线对粉床表面进行光栅式的预热扫描时，由于视觉停留效应，成像装置能够捕捉到水平以及竖直的光栅线，此时可以通过成像装置对形成的光栅线进行拍摄成像，随后将该成像结果传递给控制装置，由控制装置根据接收到的成像结果判断该光栅线是否存在变形。本实施例中上述控制装置可以为计算机，在接收到上述成像结果后，可根据光栅线的图像判断是否存在变形。可参照图3，图3是光栅线的变形示意图，如果粉床表面是平整的，光栅线不会变形，如上方光栅线所示；如果粉床表面不平整，光栅线会变形，如下方光栅线所示。
S40、在光栅线存在变形且变形量大于允许值时，停止增材制造。
在上述光栅线存在变形时，通过计算机解调该光栅线，并计算出变形量。具体是通过计算机算法可以将上述光栅线的变形信息转化成光栅线所在表面的高度信息，该高度信息即上述光栅线所在表面的变形量。
优选的，通过控制上述成像装置的曝光时间(即拍摄周期)，可以在拍摄的图像内得到1条或多条光栅线，一次拍摄控制装置可以解调多条光栅线；多次拍摄并解调光栅线，直到所有光栅线全部被解调，即解调m1乘以n1条水平光栅线和m2乘以n2条竖直光栅线，就可以获得整个扫描区域内的高度信息，也就是整个粉床表面变形的信息。
在上述光栅线被解调并得到变形量后，将该变形量与预设的允许值进行比较，当该变形量大于允许值时，停止增材制造。
本实施例还可以设置一报警装置，当变形量大于允许值，停止增材制造时，控制报警装置报警，便于及时提示增材制造出现问题。
通过上述增材制造方法，当变形量大于允许值时，直接停止增材制造，此时增材制造装置不会进行到下一层的制造(下一层的制造肯定失败)，节省了时间和材料。
作为优选的技术方案，当上述光栅线存在变形且变形量小于等于允许值时，可以根据上述变形量调整射线的能量。即当光栅线存在变形且变形量小于等于允许值时，说明当前射线的能量不是最佳能量，为了保证光栅线的变形量更小甚至不存在变形，可以根据当前变形量调整射线的能量。具体的调整方法为：当变形量为正时，即当前粉床高度高于预设的粉床截面高度时，调低射线的能量；当变形量为负时，即当前粉床高度低于预设的粉床截面高度时，调高射线的能量。
通过上述根据变形量调整射线的能量的方式，可以避免变形程度随层数的增加而增加，减少制造过程中因为变形量大于允许值而不得不中断的情况，进一步提高制造的成功率。
本实施例中，上述增材制造方法还包括：通过射线对当前层粉床表面熔化，以形成所需的三维实体零件的截面，本实施例在射线对粉床表面熔化的同时，进行粉床表面变形检测，不会增加额外的时间。而且上述射线既是热源，同时也是检测工具，不需要额外的检测光源，可靠性更高。
上述通过射线对当前层粉床表面熔化在控制射线对粉床表面光栅式扫描之前和/或之后进行。进而可以通过上述光栅式扫描所得出的变形量对当前层或者下一层进行射线能量的调整。具体的，
当通过射线对当前层粉床表面熔化在控制射线对当前层粉床表面光栅式扫描之前进行时，此时已经对当前层的粉床表面进行熔化，熔化后的粉床表面的变形量处于未知状态，随后通过射线对粉床表面光栅式扫描得到当前层的粉床表面的变形量，根据该变形量调整扫描下一层粉床表面时的射线的能量，以使得下一层的粉床表面的熔化更佳，减小甚至消除下一层熔化后的粉床表面的变形量。
当通过射线对当前层粉床表面熔化在控制射线对当前层粉床表面光栅式扫描之后进行时，此时射线还没有对当前层的粉床表面进行熔化，在射线对粉床表面光栅式扫描得到变形量后，可以调整扫描当前层粉床表面时的射线的能量，随后在通过调整好的射线对当前层的粉床表面进行熔化，熔化后的粉床表面的变形量很小甚至没有。
本实施例的上述增材制造方法，能够使得增材制造装置具有更高的制造成功率和良品率，有效地避免了材料以及时间的浪费。
实施例二：
本实施例提供一种具有预热功能的增材制造装置，如图4所示，该增材制造装置包括铺设有粉床的工作平面1，均位于工作平面1上方的射线发生装置2和成像装置3，以及连接射线发生装置2和成型装置3的控制装置4，其中：
上述射线发生装置2用于发出射线5，该射线5可以对上述工作平面1上的粉床表面进行光栅式扫描并形成光栅线；还可以对上述粉床表面进行熔化，以形成三维实体零件的截面。优选的，上述射线为激光或电子束，且当射线为电子束时，其加速电压为60kV，功率为0-10kW，工作平面1设置在真空室中，真空室内可依靠泵、阀等真空系统保持真空环境，为三维实体零件的建造提供保护环境。
上述成像装置3用于对上述形成的光栅线进行拍摄成像，并将拍摄的成像结果传递给控制装置4，由控制装置4解调该成像结果，并根据该成像结果判断粉床表面是否变形，以及在粉床表面存在变形时，获得变形量。具体的，上述粉床表面是否变形以及变形量的确定可参照实施例一所述的具有预热功能的增材制造方法，在此不再赘述。
上述成像装置3为CCD(Charged CouHled Device)相机、CMOS(ComHlementaryMetal Oxide Semiconductor)相机、红外相机、近红外相机或远红外相机，能够满足能够拍摄图像即可。
上述控制装置4为计算机，可通过该计算机控制射线发生装置1，调整射线束斑的尺寸、形状以及在工作平面1上的扫描路径。
本实施例中，上述增材制造装置可以是单向铺粉方式，也可以是双向铺粉方式。
本实施例的上述增材制造装置通过实施例二所述的增材制造装置来实现三维实体零件的增材制造，可以有效地提高制造成功率和良品率，避免了材料以及时间的浪费。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具有预热功能的增材制造方法，其特征在于，
控制射线对粉床表面进行光栅式的预热扫描，所述光栅式的预热扫描为：所述射线沿水平方向的扫描路径和竖直方向的扫描路径交替的对所述粉床表面扫描；
还包括：
根据所述光栅式的预热扫描形成光栅线；
控制成像装置对所述光栅线进行成像，并根据成像结果判断所述光栅线是否存在变形；
在所述光栅线存在变形且变形量大于允许值时，停止增材制造。
2.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，所述射线沿水平方向的扫描路径和竖直方向的扫描路径交替的对粉床表面扫描包括：
将粉床表面沿竖直方向分成M1个水平区域，在每个所述水平区域内平行设有N1个扫描路径H；
将粉床表面沿水平方向分成M2个竖直区域，在每个所述竖直区域内平行设有N2个扫描路径V；
控制射线沿M1个水平区域内的扫描路径H（m1，n1）以及M2个竖直区域内的扫描路径V（m2，n2）交替的对粉床表面进行扫描，直至所有扫描路径全部使用，其中m1=1,2,3…M1，n1=1,2,3…N1，m2=1,2,3…M2，n2=1,2,3…N2。
3.根据权利要求2所述的增材制造方法，其特征在于，所述控制射线沿M1个水平区域内的扫描路径H（m1，n1）以及M2个竖直区域内的扫描路径V（m2，n2）交替的对粉床表面进行扫描，直至所有扫描路径全部使用包括：
控制射线按以下扫描规律依次对粉床表面进行扫描：
H（1-1）、V（1-1）、H（2-1）、V（2-1）、H（3-1）、V（3-1）……H（m1-1）、V（m2-1）；
H（1-2）、V（1-2）、H（2-2）、V（2-2）、H（3-2）、V（3-2）……H（m1-2）、V（m2-2）；
︙ ︙
H（1-n1）、V（1-n2）、H（2-n1）、V（2-n2）、H（3-n1）、V（3-n2）……H（m1-n1）、V（m2-n2），
直至所有扫描路径全部使用。
4.根据权利要求3所述的增材制造方法，其特征在于，所述扫描路径H（m1，n1）与扫描路径H（m1+1，n1）之间的距离D1大于所述扫描路径H（m1，n1）与扫描路径H（m1，n1+1）之间的距离d1,其中，所述m1小于M1，所述n1小于N1；
所述扫描路径V（m2，n2）与扫描路径V（m2+1，n2）之间的距离D2大于所述扫描路径V（m2，n2）与扫描路径V（m2，n2+1）之间的距离d2,其中，所述m2小于M2，所述n2小于N2。
5.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，还包括：
在所述光栅线存在变形且变形量小于等于允许值时，根据所述变形量调整所述射线的能量。
6.根据权利要求5所述的增材制造方法，其特征在于，所述根据所述变形量调整所述射线的能量包括：
当变形量为正时，调低所述射线的能量；
当变形量为负时，调高所述射线的能量。
7.根据权利要求6所述的增材制造方法，其特征在于，还包括：
通过射线对当前层粉床表面熔化；
所述通过射线对当前层粉床表面熔化在所述控制射线对当前层粉床表面光栅式扫描之前和/或之后进行。
8.根据权利要求7所述的增材制造方法，其特征在于，
所述通过射线对当前层粉床表面熔化在所述控制射线对当前层粉床表面光栅式扫描之前进行时，调整扫描下一层粉床表面时的射线的能量；
所述通过射线对当前层粉床表面熔化在所述控制射线对当前层粉床表面光栅式扫描之后进行时，调整扫描当前层粉床表面时的射线的能量。
9.一种具有预热功能的增材制造装置，其特征在于，包括铺设有粉床的工作平面，均位于所述工作平面上方的射线发生装置和成像装置，以及连接所述射线发生装置和成像装置的控制装置，所述射线发生装置用于发出射线，所述射线对所述粉床表面光栅式扫描，形成光栅线；所述成像装置用于对所述光栅线进行拍摄成像，并根据成像结果判断所述光栅线是否存在变形；在所述光栅线存在变形且变形量大于允许值时，停止增材制造；
所述光栅式的预热扫描为：所述射线沿水平方向的扫描路径和竖直方向的扫描路径交替的对粉床表面扫描。
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