CN107262712A - 三维制造装置和三维制造方法 - Google Patents

Abstract

公开了三维制造装置和三维制造方法。该三维制造装置和三维制造方法容易地针对粉末材料的固化区域和非固化区域个体地调节每单位面积的加热量。层形成单元形成粉末材料的层。光源和热扫描单元通过激光束加热该层。激光束加热其中粉末材料已经熔融和固化的固化区域。激光束加热粉末材料的、与固化区域相邻的非固化区域。控制部控制光源和热扫描单元，以使激光束沿着固化区域和非固化区域之间的边界移动，并且使层的制造区域熔融和固化。

Description

三维制造装置和三维制造方法

技术领域

本发明涉及通过使用能量束来制造三维制造的物体的三维制造装置和三维制造方法。

背景技术

近年来，逐渐开发了通过使用能量束执行加热处理的粉末床熔融接合技术来制造三维制造的物体的三维制造方法。在通过使用能量束执行加热处理的粉末床熔融接合技术中，被称为烟雾(fume)的细颗粒成为问题，其是通过这样的处理形成的，即原材料的粉末已经被能量束蒸发并在装置中被固化。

日本专利申请公开No.2010-132961中描述的装置在装置中形成惰性气体流，并且从装置内排出已经在装置中生成的烟雾。在日本专利No.5721886中描述的装置在形成粉末床的层形成(layer-forming)部分中提供烟雾的抽吸单元。

在日本专利申请公开No.2010-132961和日本专利No.5721886中描述的装置旨在在假定烟雾是在制造三维制造的物体的处理中生成的情况下减轻烟雾的影响，因此不能减少在制造三维制造的物体的处理中生成的烟雾自身的总量。

顺便提及，在使用能量束执行加热处理的常规粉末床熔融接合技术中，该装置使一个束斑与熔融且固化区域以及与固化区域邻接的非固化区域重叠，并且移动能量束(参见图7A和图7B)。换句话说，装置沿着固化区域和非固化区域之间的边界移动一个能量束的束斑，并同时熔融两者以使两者成为一体。

这里，在粉末状态的非固化区域中，烟雾趋于比在粉末被固化的固化区域中更容易生成，并且热趋于容易扩散，因此已经提出将非固化区域的每单位面积的加热量设置为比固化区域的每单位面积的加热量低的值。然而，当束斑沿着固化区域和非固化区域之间的边界移动时，难以针对固化区域和非固化区域单独调节每单位面积的加热量。

发明内容

本发明的目的是提供三维制造装置和三维制造方法，其易于针对固化区域和非固化区域单独地调节每单位面积的加热量。

根据本发明的一个方面，三维制造装置包括：层形成单元，形成粉末材料的层；加热单元，通过第一能量束和第二能量束来加热所述层，其中第一能量束加热熔融并固化的区域，第二能量束加热与固化区域相邻的非固化区域；和控制单元，控制加热单元以沿着固化区域和非固化区域之间的边界移动第一能量束和第二能量束，并且使所述层的制造区域熔融和固化。

根据本发明的另一方面，三维制造方法包括：层形成，其中控制部使能够形成粉末材料的层的层形成单元形成所述层；以及加热，其中控制部使加热单元加热所述层的制造区域以熔融和固化所述制造区域，其中所述加热单元能够生成加热所述层的熔融并固化的区域的第一能量束以及加热与固化区域相邻的非固化区域的第二能量束，其中在所述加热中，控制部控制加热单元以沿着固化区域和非固化区域之间的边界移动第一能量束和第二能量束。

本发明可以提供三维制造装置和三维制造方法，其容易地针对固化区域和非固化区域单独地调节每单位面积的加热量。由此，能够针对固化区域和非固化区域单独地调节每单位面积的加热量，并且减少在制造三维制造的物体的处理中生成的烟雾自身的总量。

从下面参照附图对示例性实施例的描述中，本发明的其它特征将变得清楚。

附图说明

图1是实施例1的三维制造装置的结构的说明图。

图2是三维制造装置的控制系统的框图。

图3是制造三维制造的物体的处理的流程图。

图4A和图4B是传统扫描加热中边界的加热的说明图。图4A是示出粉末材料的层上的激光束扫描路径的图，并且图4B是通过束斑的边界的加热的透视图。

图5A、图5B和图5C是实施例1中的激光束的说明图。图5A是束斑的平面图，图5B是沿图5A中的线5B-5B截取的截面图，并且图5C是激光束的强度分布的说明图。

图6是用于创建制造处理程序的流程图。

图7A和图7B是比较示例中的激光束的说明图。图7A是束斑的平面图，并且图7B是沿图7A中的线7B-7B截取的截面图。

图8A、图8B和图8C是实施例2中的激光束的说明图。图8A是束斑的平面图，图8B是沿图8A中的线8B-8B截取的截面图，并且图8C是激光束的强度分布的说明图。

图9A和图9B是实施例3的激光束控制的说明图。图9A是束斑的平面图，并且图9B是激光束的强度分布的概念图。

图10A和图10B是实施例4的激光束设置的说明图。图10A是束斑的平面图，并且图10B是激光束的强度分布的概念图。

图11是实施例5的三维制造装置的结构的说明图。

具体实施方式

现在将根据附图详细描述本发明的优选实施例。

<实施例1>

实施例1中的三维制造装置在用第一激光束加热固化区域的同时用第二激光束加热非固化区域，并且熔融固化区域和非固化区域以使该区域一体地固化。另外，三维制造装置设置已经用第一激光束加热的区域中的每单位面积的加热量以变为比用第二激光束加热的区域中的每单位面积的加热量大。因此，三维制造装置可以降低粉末床熔融接合技术中烟雾的生成本身。

(三维制造装置)

图1是实施例1的三维制造装置的结构的说明图。粉末床熔融接合技术可以生产少量的和各种类型的制造产品和具有复杂形状的制造产品，并因此在近年来逐渐发展。粉末床熔融接合技术通常形成粉末材料的层，用能量束局部熔融形成的层，并在平面方向和深度方向上接合该层。然后，该技术对于大量的层重复这样的处理，堆叠这些层，从而制造制造产品。

如图1所示，三维制造装置100是根据粉末床熔融接合方法的所谓的3D打印机。覆盖整体的橱柜状容器101由不锈钢形成并且可以被气密密封。压力计143被连接到容器101。

排气单元141使容器101的内部排气以除去氧气。排气单元141包括干式泵。气体供给单元142可以向容器101的内部供给氮气。通常在粉末床熔融接合技术中使用能量束的照射在惰性气体中执行，以防止粉末材料的氧化。

排气单元141在连接到容器101的部分中具有可以调节开口量的开口调节阀。三维制造装置100根据压力计143的输出调节开口调节阀，同时利用气体供给单元142向容器101供给气体，从而可以将容器101的内部保持在期望的气氛和压力(真空度)。

制造容器120被布置在容器101中。制造容器120具有布置在台121上的层堆叠基材124，层堆叠基材124是其上堆叠粉末材料131的层132的基板。升高/降低单元122以对应于层132的厚度的节距逐步向下移动台121。

作为层形成单元的一个示例的层形成单元104可以通过执行层形成步骤来形成粉末材料的层132。随着容纳粉末材料131的移动部135沿着制造容器120的上表面在箭头R1方向上移动，层形成单元104形成粉末材料131的层132。层形成单元104在层堆叠基材124上或者层132上形成粉末材料131的层132，并堆叠层132。层形成单元104通过未示出的挤压器、辊等等形成颗粒尺寸为几μm到几十μm的金属粉末的粉末材料131，以具有大约10μm至100μm的均匀厚度。在实施例1中，使用颗粒尺寸为20μm的SUS 316的粉末材料，并且通过层形成单元104形成厚度为40μm的层132。

作为加热单元的一个示例的光源105A和105B以及热扫描单元130A和130B可以在加热步骤中生成激光束109A和109B。作为第一生成源的一个示例的光源105B生成作为第一能量束的一个示例的激光束109B。作为第二生成源的一个示例的光源105A生成作为第二能量束的一个示例的激光束109A。

热扫描单元130A和130B用两个激光束109A和109B加热已经由层形成单元104形成的层132。热扫描单元130A通过致动器106A和116A利用扫描镜106m和116m对由光源105A生成的激光束109A进行双轴扫描，并且加热层132中的与输入数据对应的制造区域。热扫描单元130B利用扫描镜106n和116n对由光源105B生成的激光束109B进行双轴扫描，并且加热层132中的与输入数据对应的制造区域。

热扫描单元130A和130B通过激光束109A和109B加热制造容器120中的层132，几乎使层132立即熔融，并且使层132与下层的固体成分一体地固化。由此，已经在制造容器120中形成的层132的期望制造区域变为固化的层132H。

光源105A和105B是YAG激光振荡器，并且是具有1070mm的波长和500W的功率的半导体光纤激光器。光学系统107A和107B各自包括会聚激光束的透镜，并且在层132的高度处形成激光束的束斑。透射窗108使激光束109A和109B通过其透射进入容器101。

(制造制造物体的方法)

图2是三维制造装置的控制系统的框图。图3是制造三维制造的物体的处理的流程图。如图1所示，三维制造装置100重复层形成步骤和激光加热步骤，从而制造其上堆叠了固化的层132H的三维制造产品133。三维制造装置100控制扫描镜106m、106n、116m和116n以扫描激光束109A和109B，并且控制光源105A和105B以改变激光束109A和109B的功率。

如图2所示，控制部200将已经从ROM 207调用的三维制造处理的处理程序和数据保存在RAM 206中，使CPU 205执行必要的计算和控制，从而用作用于三维制造的处理控制器。作为控制单元的一个示例的控制部200执行已经由外部计算机210创建的制造处理程序，并且控制三维制造装置100。

如图3所示，当用户通过操作部209指示处理的开始时，控制部200执行准备步骤(S11)。在准备步骤中，如图1所示，控制部200使排气单元141操作并使容器101的内部排气。然后，当容器101内的压力达到数百Pa时，控制部200使气体供给单元142开始供给气体并设置容器101内的压力和气氛。此外，控制部200使升高/降低单元122操作，向下移动台121，从而形成在层堆叠基材124上形成第一层132的空间。

当准备步骤结束时，控制部200执行层形成步骤(S12)。在层形成步骤中，如图1所示，控制部200使层形成单元104操作并在层堆叠基材124上或在已形成的层132上形成粉末材料131的层132。

当层形成步骤结束时，控制部200执行激光加热步骤(S13)。激光加热步骤在已经导入了氮气的减小压力或大气压的气氛中执行。位于激光束109的移动路径中的粉末材料131被熔融和固化，并且层132的表面被分成固化区域(302：图5A至图5C)和非固化区域(301：图5A至图5C)。

当激光加热步骤结束时，控制部200执行下降步骤(S14)。在下降步骤中，如图1所示，控制部200使升高/降低单元122操作，向下移动台121，从而形成其中在已经经受激光加热步骤的层132上形成下一层132的空间。

控制部200重复层形成步骤(S12)、激光加热步骤(S13)和下降步骤(S14)，直到步骤的数量达到形成制造产品133所需的层堆叠的数量为止(S15：否)。当步骤的数量已经达到必要层堆叠的数量时(S15：是)，控制部200执行排出步骤(S16)。在排出步骤中，如图1所示，三维制造装置通过操作部209的显示屏幕停止气体供给单元142和排气单元141，将外部空气供给到容器101的内部，等待制造产品133的冷却，并且允许用户取出制造产品133。

(现有技术的边界的加热)

图4A和图4B是传统扫描加热中边界的加热的说明图。在图4A和图4B中，图4A是示出粉末材料的层上的激光束扫描路径的图，并且图4B是通过束斑的边界的加热的透视图。

如图4A所示，三维制造装置100采用光栅扫描，其中在X方向上的线性主扫描在Y方向上以相等的间隔重复。三维制造装置100在利用激光束109在X方向上执行主扫描的同时在Y方向上执行副扫描，从而以均匀的照射密度用激光束109照射层132的表面。三维制造装置100对各个层132重复该步骤，从而将图1所示的制造产品133制造成为期望的形状。

如图4B所示，在激光加热步骤中，三维制造装置100使通过上次的主扫描已经熔融和固化的固化区域302以及未熔融的非固化区域301同时熔融，并使该区域一体地固化。因此，通常，三维制造装置形成具有与固化区域302和非固化区域301重叠的大小的束斑110D，并且用激光束109扫描这些区域，使得束斑110D的中心沿着固化区域302和非固化区域301之间的边界K移动。束斑110D的直径大于主扫描的扫描节距111，并且束斑110D同时使固化区域302和非固化区域301两者加热和熔融。三维制造装置连续执行其中束斑110D沿着主扫描路径将固化区域302和非固化区域301一体地固化的处理，从而将固化区域302制造为期望形状。

(烟雾问题)

如图1所示，在激光加热步骤中，当用激光束109照射粉末材料131的层132并加热时，生成被称为烟雾的烟。在粉末床熔融接合技术中，烟雾成为问题，其与粉末材料的加热相关联地在容器中生成。烟雾是当粉末材料131被快速加热时通过升华或蒸发而生成的金属蒸汽的凝结物的细颗粒。当容器101的内部充满烟雾时，烟雾附着到将激光束109通过其引导到容器101中的透射窗108上，并降低透射率。替代地，漂浮在容器101中的烟雾散射激光束109，并且减少到达粉末材料131的层132的激光束109。当到达层132的激光束109减少时，粉末材料131的熔融变得不足，这可能导致制造不良。

顺便提及，当用激光束109照射该区域时，其中粉末材料131已经熔融和固化的固化区域302具有比未熔融的粉末材料131的非固化区域301高的热导率，并且抗温度上升性(temperature resists rising)比非固化区域的抗温度上升性高。因此，为了使固化区域302熔融，需要向该区域供给比非固化区域301更高密度的加热能量。然而，如图4B所示，当固化区域302和非固化区域301由公共束斑110同时加热时，激光束109导致用使固化区域302熔融所需的强度均等地照射非固化区域301。因此，非固化区域301被用具有高于熔融所需的强度的高强度的激光束109照射，温度上升为高于所需的温度，非固化区域301变为过热状态，并且生成的烟雾的量增加。用具有等于或大于熔融所需的量的能量的量的激光束109照射未熔融的金属粉末，发生金属粉末的蒸发，并形成烟雾。

然后，实施例1中的三维制造装置用第二激光束109A加热非固化区域301，同时用第一激光束109B加热固化区域302。此外，加热非固化区域301的第二激光束109A被配置为具有较小的束斑的加热性能，换言之，比加热固化区域302的第一激光束109B小的激光束的功率。

(束斑的特征)

图5A-图5C是实施例1中的激光束的说明图。图5A是束斑的平面图，图5B是沿图5A中的线5B-5B截取的截面图，并且图5C是激光束的强度分布的说明图。

如图5A所示，在实施例1中，激光束109B沿着边界K移动，并再次加热激光束109A已经熔融和固化的固化区域302。激光束109A沿着边界K移动，并且加热与固化区域302相邻的非固化区域301。

激光束109A和109B在箭头R1方向上沿着边界K主扫描，熔融和固化非固化区域301和固化区域302二者，从而将固化的层132H制造成期望的形状。在通过激光束109A熔融非固化区域301以制造固化区域302的处理中，激光束109B再次熔融固化区域302并固化该区域。此外，照射非固化区域301的激光束109A的强度被设置为小于照射固化区域302的激光束109B的强度。

激光束109A和109B的主扫描速度为200mm/sec。激光束109A和109B的束斑110A和110B的直径各自为60μm。束斑110A和110B的中心分别位于距离非固化区域301和固化区域302之间的边界K 20μm的位置处，因此束斑110A和110B在边缘部分的一部分处彼此重叠。

如图5B所示，层132在包括非固化区域301和固化区域302的熔融区域303的范围内熔融，并且被一体地固化。熔融区域303的深度比层132的厚度(其为40μm)深，并与紧接的之前的层132一体地固化。

如图5C所示，作为激光束109A和109B的总和的加热能量分布304示出了其中激光束109A和109B各自的加热能量分布304A和304B被重叠的分布。

照射非固化区域301的第二激光束109A具有比照射固化区域302的第一激光束109B小的加热能量。图1中所示的光源105A将第二激光束109A的功率设置为40W，并且光源105B将第一激光束109B的功率设置为100W。

为了减少烟雾的量，调节光源105A的功率，使得可以确保利用第二激光束109A在期望的位置处将非固化区域301熔融到期望深度所需的最小加热能量。为了充分地熔融对应于固化区域302的厚度的层，调节光源105B的功率，使得可以确保利用第一激光束109B在期望的位置处将固化区域302熔融到期望深度所需的加热能量。第二激光束109A的加热能量小于将固化区域302制造到期望深度所需的加热能量。

调节激光束109A和109B的重叠，使得总加热能量分布304局部最小化的位置位于非固化区域301和固化区域302之间的边界K处。激光束109A和109B的束斑110A和110B在垂直于扫描方向的方向上对准。

(制造处理程序)

图6是用于创建制造处理程序的流程图。如图2所示，控制部200基于已经从外部计算机210输入的制造产品133的设计数据，通过三维制造装置100自动地创建用于制造产品133的制造处理程序。CPU205从外部计算机210获取制造产品133的设计数据(CAD数据)(S21)。CPU 205基于制造产品133的设计数据设置用于每个层132的制造区域(S22)。

CPU 205针对在制造每个层132中的层132的每个制造区域，设置激光束109A和109B中的每一个的扫描路径(S23)。CPU 205针对每个制造区域，设置在激光束109A和109B的扫描路径上的每个点处的激光束109的功率水平(S24)。CPU 205通过组合用于每个制造区域的激光束109A和109B的扫描路径和功率水平来创建用于制造产品133的制造处理程序(S25)。制造处理程序被发送到外部计算机210，并被存储在记录介质211中。

作为程序的一个示例的制造处理程序被存储在记录介质211中，并且作为计算机的一个示例的控制部200执行三维制造方法的每个步骤。三维制造装置100通过使用制造处理程序来执行激光加热步骤(S13：图3)，其中该制造处理程序利用两个激光束109A和109B执行扫描加热。由此，三维制造装置100将粉末材料131的层132的非固化区域301和固化区域302熔融接合，从而制造具有期望形状的制造产品133。

(比较示例)

图7A和图7B是比较示例(仅用激光束109A扫描层的情况)中的激光束的说明图。图7A是束斑的平面图，并且图7B是沿图7A中的线7B-7B截取的截面图。

如图1所示，在比较示例中，层132的制造区域仅通过光源105A和热扫描单元130A熔融和固化，并且制造产品被三维地制造。三维制造装置利用由光源105A生成的激光束109A扫描层132，同时操作扫描镜106m和116m，并加热层132的制造区域。

如图7A所示，在比较示例中，激光束109A的束斑110A被设置为大于主扫描的扫描节距(111：图4B)。利用激光束109A扫描固化区域302和非固化区域301，使得束斑110A的中心在区域之间的边界K上移动。激光束109A照射非固化区域301和固化区域302两者。光源105A的功率被设置为100W，使得激光束109A可以在期望的位置将固化区域302熔融至50μm的深度。

在三维制造装置100中，如上所述地设置光源105A，制造具有如下的长方体固体的制造产品(133：图1)，该长方体固体在主扫描方向上长度为20mm，在副扫描方向上长度为50mm，并且高度为40mm，并且测量透射窗108的透射率的变化。从开始到结束的制造时间段为100小时。

表1

如表1所示，在比较示例中，通过100小时的制造，透射窗108在1070nm波长处的透射率从实验前的92％降低到80％。另一方面，在使用激光束109A和109B的实施例1中，当同样执行100小时的制造时，透射窗108在1070nm波长处的透射率从实验前的92％仅降低到90％。当将实施例1与比较示例进行比较时，透射窗108的透射率在实施例1中较高。换句话说，导致透射率降低的烟雾的生成在实施例1中较少。因此，应当理解，实施例1是用于减少烟雾的有效技术。

(实施例1的效果)

实施例1中的三维制造装置可以通过用具有期望图案的激光束109A和109B照射薄层132并且熔融和固化每个层的制造区域来制造制造产品133，该制造产品133在质量上具有致密成分和少的部分分散。

实施例1中的三维制造装置沿着固化区域302和非固化区域301之间的边界移动激光束109A和109B，并且使层132的制造区域熔融和固化。因此，三维制造装置可以容易地调节固化区域302的加热条件和非固化区域301的加热条件，并且可以在充分熔融固化区域302的同时避免非固化区域301的过热。

在实施例1中，在束斑110A和110B经过层132的表面位置的路径中，激光束109B的每单位面积和每单位时间的加热量大于激光束109A的每单位面积和每单位时间的加热量。因此，三维制造装置可以在充分熔融固化区域302并形成致密成分的同时抑制非固化区域301的过热，以减少制造期间烟雾的生成。

在实施例1中，层132的表面位置上的激光束109B的束斑110B在边界K附近与激光束109A的束斑110A部分重叠。因此，几乎不发生在边界K附近的不充分加热。

在实施例1中，激光束109B和激光束109A在层132的表面位置上的总加热量在激光束109B的束斑的中心位置处大于在激光束109A的束斑的中心位置处。因此，三维制造装置可以在充分加热固化区域的同时避免非固化区域301的过热。

在实施例1中，束斑110A和110B在沿着边界K的移动方向上的位置对于激光束109A和激光束109B是相同的。因此，容易用激光束109A和激光束109B高速地扫描层，以提高制造速度。

<实施例2>

如图5A至图5C所示，实施例1中的三维制造装置使激光束109A和109B的束斑110A和110B彼此部分重叠，并且使粉末材料的层132加热。与此相反，在实施例2中，表面层132的表面位置上的激光束109B的束斑与激光束109A的束斑分开。三维制造装置在保持激光束109A和109B的束斑110A和110B彼此分开的状态的同时扫描层132，从而加热粉末材料131的层132。

(束斑的特征)

图8A-8C是实施例2中的激光束的说明图。图8A是束斑的平面图，图8B是沿图8A的线8B-8B截取的截面图，并且图8C是激光束的强度分布的说明图。在实施例2中，除了激光束109A和109B的束斑110A和110B分开之外，结构和控制与实施例1中的结构和控制相同。因此，在图8A至图8C中，将对与实施例1相同的结构给予与图7A和图7B中的附图标记相同的附图标记，并且将省略多余的描述。

如图8A所示，激光束109A和109B的束斑110A和110B被分开。

激光束109A的束斑110A的直径为30μm。从固化区域302和非固化区域301之间的边界K到束斑110A的中心的距离为40μm。激光束109B的束斑110B的直径为30μm。从固化区域302和非固化区域301之间的边界K到束斑110B的中心的距离为40μm。

如图8B所示，激光束109A和109B在包括非固化区域301和固化区域302的熔融区域303的范围内熔融并固化粉末材料131的层132。熔融区域303的深度比层132的厚度(其为40μm)大。

如图8C所示，激光束109A和109B被分开，因此激光束109A和109B的单独加热能量分布304A和304B在总加热能量分布304中是独立的。

照射非固化区域301的第二激光束109A具有比照射固化区域302的第一激光束109B小的加热能量。光源105A将第二激光束109A的功率设置为60W，并且光源105B将第一激光束109B的功率设置为130W。因此，对于粉末材料131的层132，40μm的厚度被熔融。

期望的是，将光源105A的加热能量的量设置为在期望位置处将非固化区域301熔融到期望深度所需的最小量。光源105B满足最小加热能量，通过该最小加热能量，可以在期望位置将固化区域302制造到期望深度。因此，光源105A不具有足以将固化区域302熔融到期望深度的加热能量的量。

为了减少烟雾量，期望激光束109A和109B在垂直于激光束109A和109B的扫描方向的方向上对准。

如上所述地设置激光束109A和109B，并且进行与实施例1和比较示例中类似的测试制造。然后，在进行100小时的制造之后，评价透射窗108在1070nm波长处的透射率。

表2

如表2所示，在使用激光束109A和109B的实施例2中，当制造同样进行100小时时，透射窗108在1070nm波长处的透射率从实验前的92％仅降低到90％。

因此，可以确定导致透射率降低的烟雾的生成与实施例1中的烟雾的生成同样小。因此，应当理解，实施例2是用于减少烟雾的有效技术。

<实施例3>

如图5A所示，在实施例1中，已经在使束斑110A和110B之间的在主扫描方向上的位置关系固定的状态下扫描和加热粉末材料131的层132。与此相反，在实施例3中，在主扫描期间可变地控制束斑110A和110B在主扫描方向上的位置。另外，对于束斑110A和110B的沿着边界K的移动方向上的位置，加热非固化区域301的激光束109A位于比加热固化区域302的激光束109B的束斑的区域更晚地熔融和固化的区域中。

(激光束控制)

图9A和图9B是实施例3的激光束控制的说明图。图9A是束斑的平面图，图9B是激光束的强度分布的概念图。在实施例3中，除了激光束109A和109B的束斑110A和110B之间的主扫描方向上的距离是可变的之外，结构和控制与实施例1中的结构和控制相同。因此，在图9A和图9B中，将对与实施例1相同的结构给予与图5A至图5C中的附图标记相同的附图标记，并且将省略多余的描述。

如图9A所示，期望的是第二激光束109A在主扫描方向上以大致恒定的速度和时间间隔执行非固化区域301的熔融和固化。

如图9B所示，第二激光束109A固定功率，以对应于在期望位置处将非固化区域301熔融到期望深度所需的最小加热能量。因此，如果扫描速度或扫描时间间隔变化，则在非固化区域301中容易发生加热的过量和不足。顺便提及，扫描间隔时间是指对于每次主扫描，束斑通过沿主扫描线的方向上的相同位置所花费的时间间隔。

然而，部件在主扫描方向上的尺寸根据位置而不同，因此扫描时间间隔根据部件在主扫描方向上的尺寸而变化。另外，当扫描时间间隔短时，在固化区域302的温度高的状态下开始下一次加热和熔融，因此即使当第二激光束109A的功率相同时，也存在照射的非固化区域301的温度变得过高的倾向。然后，在实施例3中，为了避免在部件的主扫描方向上的尺寸短的位置处的非固化区域301的过热，激光束109A和109B的束斑110A和110B之间的主扫描方向上的距离L被设置为大。

如图6所示，CPU 205设置每个层的制造区域(S22)，然后提取制造区域中主扫描方向上的尺寸短的位置。然后，在主扫描方向的尺寸短的位置中，CPU 205设置激光束109A和109B的扫描计划，使得激光束109A和109B的束斑110A和110B的距离L被设置为大(S23)。

因此，三维制造装置可以减少在主扫描方向上的每个位置处的非固化区域301的加热状态的变化，并且可以调节对于在每层的制造区域的每个部分中的非固化区域301的加热的过量和不足。三维制造装置可以防止由于非固化区域301的过度加热而引起的烟雾的增加。

<实施例4>

如图8A所示，在实施例2中，束斑110A和110B在垂直于主扫描方向的方向上彼此分开。与此相反，在实施例4中，激光束109A和109B在垂直于主扫描方向的方向上重叠。

(激光束设置)

图10A和图10B是实施例4的激光束设置的说明图。图10A是束斑的平面图，并且图10B是激光束的强度分布的概念图。在实施例4中，除了激光束109A和109B的束斑110A和110B彼此重叠之外，结构和控制与实施例1中的结构和控制相同。因此，在图10A和图10B中，将对与实施例1相同的结构给予与图5A至图5C中的附图标记相同的附图标记，并且将省略多余的描述。

如图10A所示，期望的是在垂直于主扫描方向的方向上在宽范围内执行非固化区域301的熔融和固化。这是因为每一次主扫描的制造量增加并且生产率提高。另外，期望的是在与非固化区域301相邻的有限的狭窄区域中加热和熔融固化区域302。这是因为期望避免对制造产品133的无用加热，并且增加输入电力被分配给制造的速率。

然后，在实施例4中，具有小直径的束斑110B与具有大直径的束斑110A重叠，使得固化区域302的与非固化区域301相邻的窄范围可以被集中和有效地加热。束斑110A和110B在主扫描方向上的位置关系是固定的，并且束斑110A以相对小的能量密度加热固化区域302和非固化区域301。此外，与非固化区域301相邻的固化区域302被具有高能量密度的束斑110B加热。

在实施例4中，在使得束斑110A和110B在主扫描方向上的位置关系固定的状态下扫描和加热粉末材料131的层132。在实施例4中，对于层132的表面位置上的束斑110A和110B的面积，激光束109A中的面积大于激光束109B中的面积。因此，在一次主扫描中可以熔融和固化的面积增加，并且提高了生产率。另外，再次熔融的固化区域302的面积减小，并且可以减少对固化区域302的不必要的加热。

<实施例5>

如图1所示，在实施例1中，分别为激光束109A和109B设置热扫描单元130A和130B。与此相反，在实施例5中，作为公共扫描单元的一个示例的热扫描单元130公共地扫描激光束109B和激光束109A。公共热扫描单元130使激光束109A和109B扫描层132，并加热粉末材料131的层132。

(热扫描单元)

图11是实施例5的三维制造装置的结构的说明图。如图11所示，三维制造装置100B具有与实施例1中的结构相同的结构，除了热扫描单元130对于激光束109A和109B是公共的。因此，在图11中，将对与实施例1中的结构相同的结构给予与图1中的附图标记相同的附图标记，并且将省略多余的描述。

在如实施例4中一样固定束斑110A和110B之间的主扫描方向上的位置关系的情况下，可以利用热扫描单元130扫描激光束109A和109B。

如图11所示，光源105A生成功率可变的激光束109A。光源105B生成功率可变的激光束109B。光源105A和105B在垂直于纸面的方向上彼此相邻地布置，并且被布置为使得激光束109A和109B对角地入射在与纸面垂直的平面中的层132的表面上。

热扫描单元130使已由光源105A生成的激光束109A和由光源105B生成的激光束109B通过致动器106A和116A利用扫描镜106m和116m公共地双轴扫描层132。因此，激光束根据层132中的输入数据加热制造区域。因此，减少了热扫描单元130的数量，并且在加热步骤中，束斑110A和110B之间的相对位置关系的变化也减小。

<其它实施例>

根据本发明的三维制造方法和三维制造装置不受实施例1中的每个部分的具体结构、部件的形式和实际尺寸的限制。三维制造方法和三维制造装置也可以通过将实施例1的结构的一部分或全部替换为等效部件的另一实施例来实现。

因此，能量束的波长、激光振荡器的类型、激光束的束斑尺寸、光源的功率设置、激光束的照射位置、制造容器和用于形成粉末材料层的设备可以改变为期望的规格。粉末材料131不限于不锈钢颗粒。可以自由选择钛、铁、铝、硅、金属碳化物、金属氮化物、金属氧化物、陶瓷颗粒等。要引入容器101中的气体也可以任意改变。例如，在提高强度以引入其中氢气与氮气、氩气等混合的混合气体并在还原气氛下进行制造方面也是有效的。还可以接受的是将层132加热到低于熔融温度的温度，以烧结粉末材料，并进行三维制造。

在实施例1中，激光束109A和109B的功率以固定的比率固定，但是激光束109A和109B的功率可以在粉末材料131的层132的制造区域的每个位置处不同。例如，加热非固化区域301的激光束109A保持恒定的功率，以避免熔融条件的波动。另一方面，可以想到基于固化区域302的估计温度来改变加热固化区域302的激光束109B的功率，以减少固化区域302的再熔融状态的变化。也可以接受的是在加热和熔融一个层132的步骤中反转固化区域301和非固化区域302相对于束斑110A和110B的分配，并与上述反转一起反转激光束109A和109B之间的功率幅度的关系。在制造区域的非固化区域301和固化区域302之间的位置关系反转的位置中，也可以接受的是用激光束109A加热固化区域302，并且用激光束109B加热非固化区域301。

在实施例3中，也可以接受的是随着束斑110A和110B的移动方向上的距离L的改变的同时，改变激光束109A和109B的功率。替代地，也可以接受的是在保持束斑110A和110B的移动方向上的距离L恒定的同时，在主扫描方向上的尺寸短的位置处降低激光束109A和109B的功率。

实施例1中的三维制造装置固定束斑110A和110B之间的位置关系，并加热粉末材料131的层132。然而，三维制造装置使用两个独立的热扫描单元130A和130B，因此可以在扫描方向和与扫描方向垂直的方向上任意改变束斑110A和110B之间的位置关系。束斑110A和110B之间的位置关系的改变可以用于各种物体。例如，如已经在实施例3中所述的，也可以接受的是改变光束光斑110A和110B之间的位置关系，并且减轻制造区域的每个部分的加热条件的波动。具体地，在为激光束109A和109B设置独立的热扫描单元130A和130B的情况下，可以将激光束109A和109B定位成减小制造区域的每个部分的加热条件的波动。

在光栅扫描和固化制造区域之后，三维制造设备可以移动激光束109A和109B，以便沿着制造区域的轮廓移动束斑110A和110B。在这种情况下，期望的是根据制造区域的非固化区域301和固化区域302之间的位置关系来改变束斑110A和110B之间的相对位置关系。

在实施例1中，三维制造装置通过在副扫描方向上重复主扫描的光栅扫描方法来固化每一层的制造区域。然而，三维制造设备可以采用除光栅扫描方法之外的能量束移动方法。三维制造装置可以采用螺旋运动、从中心朝向轮廓的涡流运动、从轮廓朝向中心的涡流运动等。

在实施例1中，具有1070nm波长的YAG激光器的激光束被用作能量束。然而，能量束可以用具有另一波长的激光束和/或由另一振荡源或电子束替换。然而，当使用电子束时，需要高度地排空图1所示的容器101，并且将容器101的内部保持在低压状态。

本发明的一个或多个实施例也可以由读出并执行在存储介质(其也可被更完整地称作‘非瞬时计算机可读存储介质’)上记录的计算机可执行指令(例如，一个或多个程序)以执行上述实施例中的一个或多个实施例的功能和/或包括用于执行上述实施例中的一个或多个实施例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来实现，以及通过由系统或装置的计算机例如通过读出并执行来自存储介质的计算机可执行指令以执行上述实施例中的一个或多个实施例的功能并且/或者控制一个或多个电路以执行上述实施例中的一个或多个实施例的功能来执行的方法来实现。计算机可以包括一个或多个处理器(例如，中央处理单元(CPU)、微处理单元(MPU))并且可以包括用来读出并执行计算机可执行指令的单独计算机或单独处理器的网络。计算机可执行指令可以例如从网络或者存储介质被提供给计算机。存储介质可以包括例如硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、分布式计算系统的存储装置、光盘(诸如紧凑盘(CD)、数字多用途盘(DVD)或者蓝光盘(BD)TM)、闪存装置、存储卡等中的一个或多个。

其它实施例

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。

虽然已经参照示例性实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应被赋予最宽泛的解释，以便包括所有这样的修改以及等同结构和功能。

Claims (12)

1.一种三维制造装置，其特征在于，包括：

层形成单元，形成粉末材料的层；

加热单元，通过第一能量束和第二能量束来加热所述层，其中第一能量束加热经过熔融的固化区域，第二能量束加热与固化区域相邻的非固化区域；和

控制单元，控制加热单元以沿着固化区域和非固化区域之间的边界移动第一能量束和第二能量束，并且使所述层的制造区域熔融和固化。

2.根据权利要求1所述的三维制造装置，其中，在所述层的表面位置上的第一能量束的束斑通过的区域的每单位面积的加热量比第二能量束的束斑通过的区域的每单位面积的加热量大。

3.根据权利要求1或2所述的三维制造装置，其中，在所述层的表面位置上的第一能量束的束斑通过的区域的每单位时间的加热量比第二能量束的束斑通过的区域的每单位时间的加热量大。

4.根据权利要求2所述的三维制造装置，其中，在所述层的表面位置上的第二能量束的束斑的面积比第一能量束的束斑的面积大。

5.根据权利要求2或4所述的三维制造装置，其中，加热单元包括：生成第一能量束的第一生成源；生成第二能量束的第二生成源；以及公共扫描单元，其公共地扫描第一能量束和第二能量束。

6.根据权利要求2或4所述的三维制造装置，其中，在所述层的表面位置上的第一能量束的束斑与第二能量束的束斑分开。

7.根据权利要求2或4所述的三维制造装置，其中，在所述层的表面位置上的第一能量束的束斑与第二能量束的束斑部分重叠。

8.根据权利要求7所述的三维制造装置，其中，第一能量束和第二能量束在所述层的表面位置上的总加热量在第一能量束的束斑的中心位置处比在第二能量束的束斑的中心位置处大。

9.根据权利要求2，4或8所述的三维制造装置，其中，第二能量束的束斑在所述层的表面位置上的移动方向上沿着所述边界处于比第一能量束的束斑的区域更晚地熔融和固化的区域中。

10.一种三维制造方法，其特征在于，包括：

层形成，其中控制部使能够形成粉末材料的层的层形成单元形成所述层；和

加热，其中控制部使加热单元加热所述层的制造区域以熔融和固化所述制造区域，其中所述加热单元能够生成加热所述层的经过熔融的固化区域的第一能量束以及加热与固化区域相邻的非固化区域的第二能量束，其中

在所述加热中，控制部控制加热单元以沿着固化区域和非固化区域之间的边界移动第一能量束和第二能量束。

11.一种程序，其特征在于，所述程序用于操作计算机以执行根据权利要求10所述的三维制造方法。

12.一种非暂时性计算机可读记录介质，其特征在于，所述非暂时性计算机可读记录介质存储用于操作计算机以执行根据权利要求10所述的三维制造方法的程序。