CN107262711B - 三维制造方法和三维制造装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及三维制造方法和三维制造装置，提供容易分别调节固化和未固化区域的每个的每单位面积加热量的三维制造方法和三维制造装置。光源和扫描单元用激光束加热由层形成单元形成的层。在层形成步骤中，控制单元使层形成单元形成材料粉末层。在激光加热步骤中，控制单元控制光源和扫描单元用激光束交替地加热通过熔融并固化层而得到的固化区域和与固化区域相邻的未固化区域，由此一体化地熔融并固化固化区域和未固化区域。

Description

三维制造方法和三维制造装置

技术领域

本发明涉及通过使用能量束来制造三维制造物体的三维制造方法和三维制造装置。

背景技术

近年来，通过使用能量束进行加热工艺的粉末床熔融(熔化和结合)技术来制造三维制造物体的三维制造方法正在不断发展。在使用能量束进行加热步骤的粉末床熔融技术中，由于能量束而蒸发的材料粉末在装置中固化而成的被称为烟的细粉末成为问题。

日本专利申请公开文本No.2010-132961公开了在装置内形成非活性气体流，并且从装置内部排除在装置内生成的烟。另外，日本专利No.5721886公开了在形成粉末床的层形成单元中提供吸烟单元。

由于日本专利申请公开文本No.2010-132961和日本专利No.5721886中公开的技术都致力于在制造三维制造物体的工艺中不可避免地生成烟的前提下去减少烟的影响，因此在本质上是不可能降低在三维制造物体的制造工艺中生成的烟的总量本身的。

顺便提及，在使用能量束进行加热工艺的常规粉末床熔融技术中，移动能量束以使其射束点与被熔融并固化的固化区域和与固化区域相邻的未固化区域这两者都重叠。也就是说，沿着固化区域和未固化区域的边界移动射束点，以同时熔融固化区域和未固化区域这两者并使它们一体化。

在此，在粉末状态的未固化区域，与由于固化热容易扩散的固化区域相比，烟倾向于更容易产生。因此，提议将未固化区域中的每单位面积加热量设置为低于固化区域中的每单位面积加热量。然而，当射束点沿着固化区域和未固化区域之间的边界移动时，很难分别地调节固化区域和未固化区域的每个的每单位面积加热量。

发明内容

本发明的目的在于提供能够容易地分别调节固化区域和未固化区域的每个的每单位面积加热量的三维制造方法和三维制造装置。

根据本发明的三维制造方法是一种物体制造方法，其包含：使控制单元形成材料粉末层的层形成步骤；使控制单元在移动能量束时交替地加热通过熔融并固化在层形成步骤中形成的层而得到的固化区域和与固化区域相邻的未固化区域，由此一体化地熔融并固化固化区域和未固化区域的加热步骤。

根据本发明的三维制造装置，包含：配设为能够形成材料粉末层的层形成单元；配设为用激光束加热层形成单元形成的层的加热单元；和配设为使层形成单元形成层，使加热单元加热层的控制单元。并且，控制单元配设为在移动能量束时交替地加热通过熔融并固化层而得到的固化区域和与固化区域相邻的未固化区域，由此一体化地熔融并固化固化区域和未固化区域。

根据本发明，可以提供能够容易地分别调节固化区域和未固化区域的每个的每单位面积加热量的三维制造方法和三维制造装置。由此，能够分别调节固化区域和未固化区域的每个的每单位面积加热量，因此降低在制造三维制造物体的工艺中生成的烟本身的总量。

通过下面参照附图对典型实施方式的描述，本发明的进一步的特征将会变得明显。

附图说明

图1是根据第一实施方式的三维制造装置的构成的说明图。

图2是三维制造装置的控制系统的方块图。

图3是三维制造物体的制造工艺的流程图。

图4A和4B是常规扫描加热中的边界加热的说明图。更具体地，图4A是示出材料粉末层上的激光束扫描路径的透视图，图4B是示出具有放大了的射束点的边界加热的透视图。

图5A和5B是利用激光束的边界扫描加热的说明图。更具体地，图5A是示出激光束扫描路径的图，图5B是示出边界扫描加热的透视图。

图6是创建边界扫描加热工艺程序的工艺流程图。

图7是示出边界扫描加热中的射束点移动路径的说明图。

图8是示出实施例1中的激光束移动速度的设置的说明图。

图9A和9B是实施例2和3中的激光束的输出的设置的说明图。更具体地，图9A是示出激光束输出的图，图9B是示出边界扫描加热的激光束的扫描速度的图。

图10A和10B是实施例4中的激光束的输出的设置的说明图。更具体地，图10A是示出激光束输出的图，图10B是示出边界扫描加热的激光束的扫描速度的图。

图11A和11B是根据第二实施方式的边界扫描加热的说明图。更具体地，图11A是示出激光束输出的图，图11B是示出边界扫描加热的激光束的扫描速度的图。

具体实施方式

以下，依据附图对本发明的优选实施方式进行具体的描述。

<第一实施方式>

在第一实施方式中，在固化区域和未固化区域之间的边界进行边界扫描加热，以一体化地熔融(熔化)并固化固化区域和未固化区域。并且，未固化区域中的激光束边界扫描速度设为高于固化区域中的激光束边界扫描速度。由此，可以降低粉末床熔融技术中烟自身的产生。

(三维制造装置)

图1是根据第一实施方式的三维制造装置的构成的说明图。粉末床熔融技术在近些年被发展是因为它可以制造小批量多种类的金属零件和复杂形状的金属零件。在粉末床熔融技术中，通常，对于许多层重复进行如下工艺：形成材料粉末层，利用能量束局部地熔融所形成的层，并且在平面方向和深度方向接合或组合熔融层与另一层；所获得的多层然后被层叠以形成产品制造物体。

如图1所示，三维制造装置100是粉末床熔融系统的所谓的3D打印机。容器101由不锈钢制成，并且能够气密密封。压力计143连接到容器101。

气体抽空单元141抽空容器101的内部以排出氧气。气体抽空单元141由干式泵构成。气体供应单元142能够向容器101内供应氮气。

气体抽空单元141在与容器101的连接部具有能够调节开口量的开口调节阀。通过在由气体供应单元142向容器101供应气体时根据压力计143的输出来调节开口调节阀，三维制造装置100能够保持容器101的内部为期望的气氛和期望的压力(真空度)。

在容器101内配置制造容器120。在制造容器120中，在台121上配置层叠基底材料124，其为材料粉末131的层132在其上被层叠的基板。上升/下降单元122以对应于层132的厚度的任意间距使台121逐步下降。

层形成单元104能够在制造容器120中形成材料粉末131的层132。随着含有材料粉末131的移动单元135沿着制造容器120的上表面在箭头R1的方向移动，层形成单元104形成材料粉末131的层132。层形成单元104在层叠基底材料124或层132上形成并层叠材料粉末131的层132。并且，层形成单元104通过涂刷器，滚筒等(未示出)将具有几微米到几十微米粒子直径的金属粉末的材料粉末131形成至约10μm-100μm的均一的厚度。在第一实施方式中，利用层形成单元104，用具有粒子直径20μm的SUS316(Steel Use Stainless 316)材料粉末形成了厚度40μm的层132。

扫描加热单元130用激光束109来加热利用层形成单元104(层形成单元的一例)形成的层132。扫描加热单元130利用由光源105生成的激光束109通过扫描镜106m和116m来进行双轴扫描，从而来加热层132的对应于输入数据的固化区域。扫描加热单元130利用激光束109来加热制造容器120的层132，几乎瞬间熔融该层，并一体化地固化熔融层和熔融层下面的固体材料。由此，在制造容器120中形成的层132的期望制造区域变为了固化层132H。

光源105为YAG(Yttrium Aluminum Garnet)激光振荡器，是具有1070nm波长和500W输出的半导体光纤激光器。光学系统107，包括用于聚焦激光束的透镜，在层132的高度形成激光束的射束点。透射窗口108用于使激光束109透射到容器101中。

控制单元200(控制单元的一例)，使层形成单元104形成层132，使扫描加热单元130(扫描加热单元的一例)加热层132。控制单元200移动激光束109以交替地加热如图5B所示的其中层132已被熔融并固化了的固化区域302和与固化区域302相邻的未固化区域301，由此一体化地熔融并固化固化区域302和未固化区域301。

(制造物体的制造工艺)

图2是示出三维制造装置的控制系统的方块图。图3是描述三维制造物体的制造工艺的流程图。如图1所示，三维制造装置100重复地进行层形成步骤和激光加热步骤以制造层叠了固化层132H的三维产品制造物体133。三维制造装置100通过控制扫描镜106m和116m来改变激光束109的移动速度，通过控制光源105来改变激光束109的输出。

如图2所示，控制单元200将从ROM(只读存储器)207中提取的三维制造工艺的控制程序和数据保存在RAM(随机存取存储器)206中，CPU(中央处理单元)205对所保存的程序和数据进行计算和控制，以使控制单元作为三维制造工艺控制器起作用。控制单元200通过执行由外部计算机210创建的工艺程序来控制三维制造装置100。

如图3所示，当使用者通过操作单元208指示开始工艺时，控制单元200进行准备步骤(S11)。在准备步骤中，如图1所示，气体抽空单元141运行以抽空(或排空)容器101的内部。然后，当容器101内部的压力到达几百帕斯卡(Pa)时，开始利用气体供应单元142的气体供应以设置容器101中的压力和气氛。进一步地，通过运行上升/下降单元122使台121下降，在层叠基底材料124上形成用于形成第一层132的空间。

准备步骤完成时，控制单元200进行层形成步骤(S12)。在层形成步骤(S12)(层形成工序的一例)中，控制单元200引起形成材料粉末131的层132。在层形成步骤中，如图1所示，层形成单元104运行以在层叠基底材料124上或已经形成的层132上形成材料粉末131的层132。

层形成步骤完成时，控制单元200进行激光加热步骤(S13)。在激光加热步骤(S13)(加热工序的一例)中，控制单元200控制激光束109(能量束的一例)来交替地加热层132中的已经熔融并固化的固化区域302和与固化区域302相邻的未固化区域301。由此，同时一体化地熔融并固化固化区域302和未固化区域301。在激光加热步骤中，如图1所示，扫描加热单元130和光源105运行以利用激光束109来熔融并固化层132上的制造区域。激光加热步骤在引入氮气的减压或大气压气氛中进行。熔融并固化位于激光束109的移动路径上的材料粉末131，以使层132的表面分为固化区域和未固化区域。

激光加热步骤完成时，控制单元200进行下降步骤(S14)。在下降步骤中，如图1所示，上升/下降单元122运行以使台121下降，从而形成在激光加热步骤已经对其进行了的层132上形成下一层132的空间。

控制单元200重复地进行层形成步骤(S12)，激光加热步骤(S13)和下降步骤(S14)，直至达到了形成产品制造物体所需的层叠次数(S15中为NO)。当达到了所需的层叠次数(S15中为YES)，控制单元200进行取出步骤(S16)。在取出步骤中，如图1所示，气体供应单元142和气体抽空单元141停止，外部空气供应到容器101中以冷却产品制造物体133，并且，在产品制造物体冷却下来后，通过显示单元209允许使用者取出(或拿出)所制造的产品。

(常规边界加热)

图4A和4B是常规扫描加热中的边界加热的说明图。更具体地，图4A是示出材料粉末层上的激光束扫描路径的透视图，图4B是示出具有放大了的射束点的边界加热的透视图。

如图4A所示，三维制造装置100使用在Y方向上以相等的间隔反复重复线性X方向上的主扫描的光栅扫描。通过在进行激光束109在X方向的主扫描时进行其在Y方向的副扫描，激光束109以均一的照射密度照射到层132的表面。然后，通过对多个层132重复这样的扫描，可以将其中层叠了固化区域302的产品制造物体(图1中133)形成至期望的形状。

如图4B所示，在激光加热步骤中，在之前的主扫描中熔融并固化了的固化区域302，且还没有固化的未固化区域301被同时熔融并一体化固化。从而，常规地，形成了具有与固化区域302和未固化区域301重叠的尺寸的射束点110B，并且扫描激光束109以使射束点110B的中心沿着固化区域302和未固化区域301之间的边界移动。射束点110B的直径大于主扫描中的扫描间距111，固化区域302和未固化区域301这两者被射束点110B同时加热并因此熔融。通过沿着主扫描路径连续地进行用射束点110B连接固化区域302和未固化区域301的工艺，固化区域302被成形至所希望的形状。

(烟的问题)

为了防止氧化，粉末床熔融技术中的能量束照射通常在非活性气体中进行。在粉末床熔融技术中，随着材料粉末在非活性气体中被能量束加热，细颗粒(所谓烟)在容器中生成。

如图1所示，在激光加热步骤中，当激光束109照射到材料粉末131的层132并且层由此被加热时，生成被称为烟的烟雾。烟是当材料粉末131被急剧地加热时，在由升华或蒸发而生成的金属蒸汽被凝聚的情况下生成的细颗粒。当容器101充满烟时，烟粘附到通过其激光束109被引入到容器101的透射窗口108，以使透射率减小。或者，漂浮在容器101的烟散射激光束109，以使达到材料粉末131的层132的激光束109减小。在此，当达到层132的激光束109减小时，有材料粉末131的熔融可能不足的可能。因此，在激光加热步骤中，要求抑制烟的生成量。

顺便提及，材料粉末131已经被熔融并固化的固化区域302的热导率高于未熔融材料粉末131的未固化区域301的热导率，并且当激光束109照射时固化区域的温度不会容易地上升。由于这个原因，希望与熔融固化区域302所需的能量相比，降低熔融未固化区域301所需的激光束109的能量。如图4B所示，当固化区域302和未固化区域301被普通射束点110B同时加热时，激光束109以熔融固化区域302所需的强度照射到未固化区域301。由此，未固化区域301用大于熔融所要求的级别的激光束109照射，未固化区域变为过热状态，烟的生成量增大。

因此，在第一实施方式中，在固化区域302和未固化区域301之间的边界进行扫描射束点110B的边界扫描加热，从而交替地加热固化区域302和未固化区域301。在此，对于未固化区域301，激光束109每单位面积照射量设置为小于固化区域302的激光束109每单位面积照射量。

(边界扫描加热)

图5A和5B是利用激光束的边界扫描加热的说明图。图6是创建边界扫描加热工艺程序的工艺流程图。更具体地，图5A是示出激光束扫描路径的图，图5B是示出边界扫描加热的透视图。

如图5A所示，在第一实施方式中，沿着对于每个扫描间距111进行的主扫描进行边界扫描加热。在边界扫描加热中，当在Y方向以恒定扫描间距111移动地在X方向进行主扫描时，激光束109以高频率在Y方向以三角波波形往复。

在固化区域302和未固化区域301之间以高速度移动射束点110B以交替地加热固化区域302和未固化区域301。熔融且固化了的固化区域302和尚未固化的未固化区域301被激光束109交替地加热，以使固化区域302和未固化区域301被一体化地熔融并固化。射束点110B新照射到的区域被熔融，然后在该区域和由于射束点110B的照射已经被熔融的区域之间发生固化。

由于扫描间距111等同于应该被一次主扫描熔融并固化的范围，所以使利用射束点110B的边界扫描加热的振幅大于扫描间距111。由此，由之前的主扫描产生的固化区域302和由现在的主扫描产生的固化区域302在一定程度上彼此重叠，以使固化区域302和未固化区域301的一体化变得可靠。

如图5B所示，射束点110的直径小于边界扫描加热的扫描宽度L1，小于未固化区域301中的边界扫描加热的加热宽度，小于固化区域302中的边界扫描加热的加热宽度。由虚线画出的每个射束点110示意性地表示射束点110已经经过并因此熔融的部分。即，当射束点110的直径是D，未固化区域301中的边界扫描加热的加热宽度是L2，固化区域302中的边界扫描加热的加热宽度是L3时，得到以下关系。

D<L3≤L2<L1

L1＝L2+L3

如图2所示，外部计算机210根据从外部的输入的产品制造物体133的设计数据，如图6所示，自动创建被三维制造装置100执行的产品制造物体133的制造工艺程序。更具体地，外部计算机210获取产品制造物体133的设计数据(CAD(计算机辅助设计)数据)(S21)。外部计算机210根据产品制造物体133的设计数据为每一层132设置制造区域(S22)。

外部计算机210根据每一层132的制造区域来设置每一层132的制造中的扫描路径(S23)。外部计算机210设置每一层132的扫描路径上的每个点的激光束109的输出级别(S24)。外部计算机210通过将每一层132的激光束109的扫描路径和激光束109的输出级别彼此结合来创建产品制造物体133的制造工艺程序，并存储创建的制造工艺程序(S25)。

制造工艺程序(程序的一例)，被存储在图2的记录介质211中，用于使控制单元200(计算机的一例)进行三维制造方法的每个步骤。三维制造装置100通过使用进行边界扫描加热的制造工艺程序来进行激光加热步骤(S13)，并因此通过熔融并结合材料粉末131的层132的未固化区域301和固化区域302来制造(成形或模制)具有期望的形状的产品制造物体133。

如图4A所示，在第一实施方式中，利用边界扫描加热生产具有在主扫描方向20mm长度、副扫描方向50mm长度的长方体产品制造物体(图1中133)。在边界扫描加热中，未固化区域301和固化区域302被连续地、交替地加热。

(每单位面积加热量)

图7是示出边界扫描加热中的射束点移动路径112的说明图。如图7所示，随着在箭头R3方向的主扫描，射束点110在箭头R4的方向往复，从而进行边界扫描加热。为了抑制烟的生成，期望由激光束109供应到层132的每单位面积加热能量是熔融未固化区域301和固化区域302至期望的深度所要求的最小量。

在边界扫描加热中，控制激光束109以使未固化区域301的每单位面积加热量小于固化区域302的每单位面积加热量。边界扫描加热中的未固化区域301的每单位面积加热量设置为小于固化区域302的每单位面积加热量。

在边界扫描加热中，使要供应的用于熔融并固化未固化区域301至预定深度的加热能量小于要供应的用于熔融并固化固化区域302至预定深度的加热能量。使提供给未固化区域301的每单位面积照射能量的积分值小于提供给固化区域302的每单位面积的加热能量的积分值。

由此，避免由于未固化区域301的过热导致的烟的增多。通过阻止未固化区域301的过热，抑制激光加热步骤(S13)中的烟的生成量本身。

在边界扫描加热中，通过使用所谓的光栅扫描方法控制激光束109以连续地照射固化区域302和未固化区域301。

顺便提及，作为降低未固化区域301的每单位面积加热量使其小于固化区域302的每单位面积加热量的方法，可以参考以下例子。

(1)在未固化区域301中，使激光束109的扫描速度大于固化区域302中的激光束109的扫描速度。在后述的实施例1中，控制激光束109以使未固化区域301中的激光束109的平均扫描速度大于固化区域302中的激光束109的平均扫描速度。在后述的第2实施方式中，通过使用具有与固化区域302匹配的尺寸的射束点110来进行在扫描的最大振幅位置的减速(降速)和停止。在本申请中，扫描速度有时可能被称为移动速度。

(2)在未固化区域301，使激光束109的输出低于固化区域302的激光束109的输出。在后述的实施例2、3和4中，控制激光束109以使未固化区域301中的激光束109的平均输出小于固化区域302中的激光束109的平均输出。

(3)在未固化区域301，使激光束109的扫描频率低于固化区域302中的激光束109的扫描频率。

如图7所示，在实施例1、2、3和4中，调整光学系统(图1中的107)以使激光束109的射束点直径在层132的表面位置为约80μm。主扫描速度为200mm/sec，扫描间距111为200μm。通过进行垂直于主扫描的激光束109的扫描来进行边界扫描加热，边界扫描加热的扫描宽度(峰与峰的距离)为400μm。设置边界扫描加热的扫描宽度以使通过用另一种金属板事先实验性地进行边界扫描加热来观察照射轨迹时，激光束109的照射轨迹的最大距离为约400μm。如图8和9A所示，在实施例1、2和3中，边界扫描加热的扫描宽度L1为400μm，固化区域302的加热宽度L3为200μm，未固化区域301的加热宽度L2为200μm。

在实施例1、2、3和4中，在利用激光束109对固化区域302和未固化区域301进行边界扫描加热的情况下，在未固化区域301中的扫描的最大振幅位置及该位置附近激光束109的输出降低。以最大振幅位置为中心的附近的范围与激光束109的射束点的尺寸相对应，在最大振幅位置激光束109的输出为0。

边界扫描加热的扫描速度在最大振幅的两端均为0，并且设置与最大振幅的位置相邻的加速/减速区域。在边界扫描加热的的最大振幅的位置，由于随着移动方向反转射束点110的移动速度变为0，因此每单位面积加热能量变得过多，激光束109的输出减小到“0W(0瓦特)”(参看图9A)。

(实施例1)

图8是示出实施例1中的激光束移动速度的设置的说明图。如图8所示，在实施例1中，在边界扫描加热期间未固化区域301中的激光束109的移动速度高于固化区域302中的激光束109的移动速度。未固化区域301中的边界扫描加热的平均速度设置为2000mm/sec，固化区域302中的边界扫描加热的平均速度设置为1300mm/sec。

在未固化区域301中，以平均速度约2000mm/sec在往复400μm的距离移动束，因此在未固化区域301中一次往复移动的时间为约200μsec。在200μsec的移动时间期间在主扫描方向上的射束点110的移动距离为40μm。另一方面，在固化区域302中，类似地，以平均速度约1300mm/sec在往复400μm的距离移动束，因此在固化区域302中一次往复移动的时间为308μsec左右。在308μsec的移动时间期间在主扫描方向上的射束点110的移动距离为62μm。

在实施例1中，未固化区域301中的边界扫描加热的振幅与固化区域302中的边界扫描加热的振幅相等，未固化区域301中的激光束109的输出与固化区域302中的激光束109的输出相等。因此，未固化区域301和固化区域302的每个的加热量正比于各自区域中的主扫描距离。由于这样的原因，未固化区域301每单位面积加热量为固化区域302每单位面积加热量的40/62，即，65％左右。

未固化区域301和固化区域302的每个的加热量正比于各自区域中的主扫描时间。因此，未固化区域301每单位时间加热量为固化区域302每单位时间加热量的200/308，即，65％。

(实施例2)

图9A和9B是实施例2和3中的激光束的输出的设置的说明图。更具体地，图9A是示出激光束输出的图，图9B是示出边界扫描加热的激光束的扫描速度的图。顺便提及，每个图的横轴表示扫描方向上的边界扫描加热的位置，未固化区域301布置在图的左侧，固化区域302布置在图的右侧，未固化与固化区域之间的边界B布置在图的中心。

如图9B所示，在实施例2中，除了加速/减速区域，边界扫描加热的扫描速度设置为1000mm/sec。边界扫描加热的扫描速度在最大振幅的两端均为0，在最大振幅之间的未固化区域301和固化区域302始终为1000mm/sec。

如图9A所示，未固化区域301中的激光束109的输出小于固化区域302中的激光束109的输出。除了最大振幅的两端，未固化区域301中的激光束109的输出为110W，固化区域302中的激光束109的输出为200W。

在实施例2中，边界扫描加热的扫描速度、间距和面积在未固化区域301和固化区域302之间是相等的，因此激光束109每单位面积加热量正比于激光束输出。在未固化区域301和固化区域302中的激光束109的输出比是110W/200W，因此未固化区域301的每单位面积加热量是固化区域302的每单位面积加热量的约55％。

在实施例2中，边界扫描加热的面积和激光束109的照射时间在未固化区域301和固化区域302之间是相等的，因此激光束109每单位时间加热量也正比于激光束输出。在未固化区域301和固化区域302中的激光束109的输出比是110W/200W，因此未固化区域301的每单位时间加热量也是固化区域302的每单位时间的加热量的约55％。

(实施例3)

在实施例3中，主扫描速度设置为实施例2中的一半100mm/sec，边界扫描加热的平均速度也设置为实施例2中的一半500mm/sec(参看图7)。

在实施例3中，未固化区域301中的激光束109的输出小于固化区域302中的激光束109的输出。图9A表示实施例2中激光束的输出。在实施例3中，除了两端的最大振幅位置，未固化区域301中的激光束109的输出设置为50W，固化区域302中的激光束109的输出设置为80W。

在实施例3中，边界扫描加热的扫描速度、间距和面积在未固化区域301和固化区域302中是相等的，因此激光束109的每单位面积加热量正比于激光束输出。在未固化区域301和固化区域302中的激光束109的输出比是50W/80W，因此未固化区域301中的每单位面积加热量是固化区域302中的每单位面积加热量的约63％。

在实施例3中，边界扫描加热的面积和激光束109的照射时间在未固化区域301和固化区域302之间是相等的，因此激光束109的每单位时间加热量也正比于激光束输出。在未固化区域301和固化区域302中的激光束109的输出比是50W/80W，因此未固化区域301的每单位时间加热量也是固化区域302的每单位时间的加热量的约63％。

(实施例4)

图10A和10B是实施例4中的激光束的输出的设置的说明图。更具体地，图10A是示出激光束输出的图，图10B是示出边界扫描加热的激光束的扫描速度的图。在实施例4中，主扫描速度设置为200mm/sec，扫描间距111设置为150μm(参看图7)。而且，如图10B所示，边界扫描加热的扫描速度设置为1000mm/sec，扫描宽度设置为400μm。然而，在实施例4中，边界扫描加热的扫描宽度L1设置为400μm，固化区域302的加热宽度L3设置为250μm，未固化区域301的加热宽度L2设置为150μm。

如图10A所示，在实施例4中，未固化区域301中的激光束109的输出小于固化区域302中的激光束109的输出。除了两端的最大振幅位置，未固化区域301中的激光束109的输出设置为80W，固化区域302中的激光束109的输出设置为150W。

在实施例4中，边界扫描加热的扫描速度、间距和面积在未固化区域301和固化区域302之间是相等的，因此激光束109的每单位面积加热量正比于激光束输出。在未固化区域301和固化区域302中的激光束109的输出比是80W/150W，因此未固化区域301中的每单位面积加热量是固化区域302中的每单位面积加热量的约55％。

另一方面，在实施例4中，未固化区域301的振幅设置为150μm，固化区域302的振幅设置为250μm。因此，未固化区域301的加热时间为150μm÷1000mm/sec＝150μsec，固化区域302的加热时间为250μm÷1000mm/sec＝250μsec。

由此，未固化区域301的每单位时间加热量是固化区域302的每单位时间加热量的(80W/150W)×(150μsec/250μsec)＝约33％(包括激光束输出的变化)。

(比较实施例1)

在比较实施例1中，如图4B所示，在主扫描和副扫描中进行激光加热步骤。激光束输出设置为50W，主扫描速度设置为200mm/sec，扫描间距设置为40μm。其他条件设置为与实施例1和2中相同。

(比较实施例2)

在比较实施例2中，在比较实施例1的条件下，激光束输出设置为200W，扫描间距设置为200μm，主扫描速度设置为200mm/sec。

(实验结果)

如表1所表示，在实施例1、2、3和4以及比较实施例1和2的各自的上述条件下制造产品制造物体133。然后，制造开始的50小时后，测定透射窗口108的具有1070nm波长的红外光的透射率。

表1

如表2所表示，比较了在实施例1、2、3和4以及比较实施例1和2的条件下的透射窗口108的透射率的下降状态。顺便提及，制造开始之前，1070nm波长下的透射窗口108的透射率为92％。

表2

如表2所表示，在实施例1、2、3和4中，即使在制造开始的50小时后透射率依然高达86％-90％。与此相对，在比较实施例1和2中，透射率大幅度减小到80％-81％。因此，在实施例1、2、3和4中，确认了引起透射率减小的烟的生成少。

(第一实施方式的效果)

在第一实施方式中，通过使用激光束109对固化区域302和未固化区域301进行边界扫描加热，从而在熔融固化区域302时熔融相邻的未固化区域301的材料粉末131。因此，可以再熔融固化区域302，高度一体化固化区域与未固化区域301，并因此制造由加热不良导致的组织无序少的具有致密结构的产品制造物体133。

在第一实施方式中，当对固化区域302和未固化区域301进行边界扫描加热时，供应到未固化区域301的每单位面积加热能量设置为小于供应到固化区域302的每单位面积加热能量。因此，可以抑制未固化区域301中的材料粉末131的过热和蒸发，可以降低烟的生成量。由此，可以避免容器101的透射窗口108的烟附着污染以及容器101中的激光束109的散射，并因此可以长时间稳定地保持到达材料粉末131的层132的激光束109的状态。

在第一实施方式中，进行利用激光束109交替地加热固化区域302和未固化区域301的边界扫描加热，从而一体化地熔融并固化这些区域。因此，可以制造或成形由加热不良导致的不均匀度小的致密刚性产品制造物体133。

在第一实施方式中，进行边界扫描加热以使未固化区域301的每单位面积加热量小于固化区域302的每单位面积加热量。因此，可以避免未固化区域301的过热，可以抑制由未固化区域301的加热导致的烟的生成量本身。

在第一实施方式中，进行边界扫描加热以连续地照射固化区域302和未固化区域301。因此，可以有效率地加热固化区域302和未固化区域301之间的边界区域。此外，可以通过增大每单位时间加热量来增大三维制造的生产率。

在第一实施方式中，进行边界扫描加热以降低在未固化区域301中的扫描的最大振幅位置及其附近的激光束109的输出。因此，即使在边界扫描加热中射束点110的移动方向反转，也可以防止由于射束点110停止在未固化区域301上而引起的瞬间过热。

在第一实施方式中，以边界扫描加热的最大振幅位置为中心的附近的范围与激光束109的射束点尺寸相对应，激光束109在最大振幅位置的输出为0。因此，在射束点110的移动方向反转的前后及其他时机，未固化区域301的每单位时间加热量的变化降低。

<第二实施方式>

在实施例2、3和4中，通过增加除了边界扫描加热的最大振幅位置的整个固化区域的激光束的输出，保证了熔融固化区域所需的加热量。另一方面，在第二实施方式中，通过利用在边界扫描加热的最大振幅位置的激光束的扫描速度的减小(停止)保证熔融固化区域所需的加热量。

(最大振幅位置的过热)

图11A和11B是根据第二实施方式的边界扫描加热的说明图。更具体地，图11A是示出激光束输出的图，图11B是示出边界扫描加热的激光束的扫描速度的图。

如图11B所示，在边界扫描加热的最大振幅位置，射束点的移动速度减小，每单位面积加热量增大。因此，如图11A所示，在未固化区域301的最大振幅位置，以与实施例2、3和4同样的方式降低激光束输出以避免材料粉末131的过热，从而抑制烟的生成。另一方面，在固化区域302的最大振幅位置，保持激光束输出，以使生成与虚线所示的激光束输出的增大等同的每单位面积加热量的增大。进一步地，对应于每单位面积加热量的这样的增大的范围，在固化区域302的边界扫描加热的范围内设置小于激光束109的射束点110的直径的距离。

在第二实施方式中，控制激光束109以使未固化区域301中的激光束109的照射面积大于固化区域302中的激光束109的照射面积。由此，节省了固化区域302中的分配给再熔融的加热能量，增大了未固化区域301中的分配给熔融材料粉末131的加热能量。其结果，可以增大沿着一次主扫描而被熔融的未固化区域301的面积，并因此可以增大三维制造的生产率。而且，可以在激光加热步骤中节省电力消耗的同时增大三维制造的生产率。

<其他实施方式>

根据本发明的三维制造方法和三维制造装置不限于第一实施方式中的具体构成、零件形式和实际尺寸。换句话说，本发明可以用以等同的构件来替代第一实施方式中的部分或整个构成的其他实施方式来实施。因此，能量束激光束109的射束点尺寸、激光束输出、激光束照射位置、制造容器及材料粉末层形成装置能够被变更为期望的规格。材料粉末131不限于不锈钢粒子。换句话说，能够自由选择钛、铁、铝、硅、金属碳化物、金属氮化物、金属氧化物、陶瓷粒子等。并且，引入容器101中的气体能够任意变更。例如，引入氢气与氮气、氩气和/或其他混合的混合气体并且在还原气氛下进行制造也有增大产品制造物体强度的效果。也可以加热材料粉末至比熔融温度低的温度来烧结该材料粉末，从而进行三维制造。

在第一实施方式中，利用在副扫描方向上堆栈主扫描的光栅扫描方法固化每一层的制造区域。然而，可以采用光栅扫描方法以外的能量束移动。换句话说，可以采用螺旋移动、从中心到外形的漩涡(螺旋)移动、从外形到中心的漩涡移动等。

在第一实施方式中，使用于边界扫描加热的边界扫描加热的扫描速度或激光束输出在固化区域302和未固化区域301为不同。然而，对于固化区域302和未固化区域301这两者，边界扫描加热的扫描速度和激光束输出这两者可以在同一时间平行地使其为不同。

在第一实施方式中，边界扫描加热的扫描方向设置为垂直于主扫描方向的方向。然而，也可以将边界扫描加热的扫描方向设置为垂直于主扫描方向的方向以外的方向。而且，移动激光束时交替地加热固化区域和未固化区域的方法不限于光栅扫描。换句话说，也可以进行在平面上一点一点地位移圆形轨道、椭圆形轨道或多边形轨道并因此使之移动的平面-螺旋-曲线激光束移动。

在第一实施方式中，使用具有1070nm波长的半导体激光器的激光束作为能量束。然而，也可以用具有其他波长的激光束、其他振荡源的激光束或电子束来代替所述能量束。然而，当使用电子束时，图1中所示的容器101需要通过抽高真空度来保持低压状态。

本发明的实施方式还能够通过以下实现：读出并执行记录在存储介质(更全面地，也被称为“非暂时性计算机可读存储介质”)上的计算机可执行指令(例如一个或多个程序)以进行一个或多个上述实施方式的功能和/或包含用于执行一个或多个上述实施方式的功能的一个或多个电路(例如，专用集成电路(ASIC))的系统或装置的计算机，和利用系统或装置的计算机例如读出并执行来自存储介质的计算机可执行指令以进行一个或多个上述实施方式的功能和/或控制一个或多个电路以进行一个或多个上述实施方式的功能而进行的方法。计算机可以包含一个或多个处理器(例如，中央处理单元(CPU)，微处理单元(MPU))并且可以包含单独的计算机或单独的处理器的网络以读出并执行计算机可执行指令。计算机可执行指令可以从例如网络或存储介质提供给计算机。存储介质可以包含例如一个或多个硬盘、随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，分布式计算系统存储，光盘(如压缩盘(CD)、数字通用盘(DVD)、或蓝光盘(BD)^TM)，闪存设备，存储卡等。

其他实施例

本发明的实施例还可以通过如下的方法来实现，即，通过网络或者各种存储介质将执行上述实施例的功能的软件(程序)提供给系统或装置，该系统或装置的计算机或是中央处理单元(CPU)、微处理单元(MPU)读出并执行程序的方法。

虽然参照示例性实施方式对本发明进行了描述，但是应理解为本发明不限于所公开的示例性实施方式。以下权利要求的范围应被给与最宽泛的解释，以便包括所有这些修改以及等同的结构和功能。

Claims (9)

1.三维制造方法，包含：

使控制单元形成材料粉末层的层形成步骤；和

使控制单元在移动能量束时交替地加热通过熔融并固化在层形成步骤中形成的层而获得的固化区域和与固化区域相邻的未固化区域，由此同时熔融并一体化地固化固化区域和未固化区域的加热步骤，

其中，在加热步骤中，控制单元控制能量束以使未固化区域的每单位面积加热量小于固化区域的每单位面积加热量，未固化区域中的能量束的平均移动速度大于固化区域中的能量束的平均移动速度，未固化区域中的能量束的平均输出小于固化区域中的能量束的平均输出，或未固化区域中的能量束的照射面积大于固化区域中的能量束的照射面积。

2.根据权利要求1的三维制造方法，其中，在加热步骤中，控制单元用能量束扫描固化区域和未固化区域，并且控制以使在未固化区域中的扫描的最大振幅位置及其附近能量束的输出小。

3.根据权利要求2的三维制造方法，其中，以最大振幅位置为中心的附近的范围与能量束的射束点尺寸相对应。

4.根据权利要求2的三维制造方法，其中，在最大振幅位置能量束的输出是0。

5.三维制造方法，通过重复照射能量束到制造台上的制造材料以形成固化层的步骤来进行三维制造，该方法包含：

在制造台上形成制造材料层的层形成步骤；和

在移动能量束时交替地加热通过用能量束的照射来熔融并固化在层形成步骤中形成的层而形成的固化区域和与固化区域相邻的未固化区域，由此同时熔融并一体化地固化固化区域和未固化区域的加热步骤，

其中，在加热步骤中，未固化区域的每单位面积加热量小于固化区域的每单位面积加热量，未固化区域中的能量束的平均移动速度大于固化区域中的能量束的平均移动速度，未固化区域中的能量束的平均输出小于固化区域中的能量束的平均输出，或未固化区域中的能量束的照射面积大于固化区域中的能量束的照射面积。

6.三维制造装置，包含：

配设为存储一系列计算机可执行指令的存储器；

配设为执行所述系列的计算机可执行指令的处理器；

其中，当被处理器执行时，所述系列的计算机可执行指令使得处理器进行如下单元的操作：

配设为能够形成材料粉末层的层形成单元；

配设为用激光束加热由层形成单元形成的层的加热单元；和

配设为使层形成单元形成层，使加热单元加热层的控制单元，其中，

控制单元配设为在移动能量束时交替地加热通过熔融并固化层而得到的固化区域和与固化区域相邻的未固化区域，由此同时熔融并一体化地固化固化区域和未固化区域，以及

控制单元配设为控制能量束，以使未固化区域的每单位面积加热量小于固化区域的每单位面积加热量，未固化区域中的能量束的平均移动速度大于固化区域中的能量束的平均移动速度，未固化区域中的能量束的平均输出小于固化区域中的能量束的平均输出，或未固化区域中的能量束的照射面积大于固化区域中的能量束的照射面积。

7.非暂时性计算机可读记录介质，其中记录用于控制根据权利要求6的三维制造装置的程序。

8.三维制造装置，包含：

配设为能够形成材料粉末层的层形成单元；

配设为用激光束加热由层形成单元形成的层的加热单元；和

配设为使层形成单元形成层，使加热单元加热层的控制单元，其中，

控制单元配设为在移动能量束时交替地加热通过熔融并固化层而得到的固化区域和与固化区域相邻的未固化区域，由此同时熔融并一体化地固化固化区域和未固化区域，以及

控制单元配设为控制能量束，以使未固化区域的每单位面积加热量小于固化区域的每单位面积加热量，未固化区域中的能量束的平均移动速度大于固化区域中的能量束的平均移动速度，未固化区域中的能量束的平均输出小于固化区域中的能量束的平均输出，或未固化区域中的能量束的照射面积大于固化区域中的能量束的照射面积。

9.三维制造装置，通过重复照射能量束到制造台上的制造材料以形成固化层的步骤来进行三维制造，该装置包含：

配设为在制造台上形成制造材料的层的层形成单元；

配设为通过照射能量束以加热由层形成单元形成的层的加热单元；和

配设为控制对层形成单元形成的层的能量束的照射的控制单元，其中，

控制单元配设为控制加热单元在移动能量束时交替地加热通过用能量束的照射来熔融并固化层而形成的固化区域和与固化区域相邻的未固化区域，由此同时熔融并一体化地固化固化区域和未固化区域，以及

控制单元配设为控制能量束，以使未固化区域的每单位面积加热量小于固化区域的每单位面积加热量，未固化区域中的能量束的平均移动速度大于固化区域中的能量束的平均移动速度，未固化区域中的能量束的平均输出小于固化区域中的能量束的平均输出，或未固化区域中的能量束的照射面积大于固化区域中的能量束的照射面积。

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