CN110732667A - 造型物的造型方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可将由伴随无法预期的烧结条件变化而产生的变形部所产生的刀片的卡住防患于未然的造型物的造型方法。造型物的造型方法当在第n层的烧结层的上表面上产生了具有任意的高度的变形部时，在形成接下来的第n+1层的烧结层时避开产生了所述变形部的区域来对第n+1层的粉末层照射激光。而且，在形成第n+2层的粉末层后，对所述未烧结部分与第n+2层的粉末层一同进行烧结。

Description

造型物的造型方法
技术领域
本发明涉及一种利用激光烧结的金属的造型物的造型方法。
背景技术
作为用于制造金属的造型物的装置，有专利文献1中记载的层叠造型装置。在所述层叠造型装置中，在造型室内的造型空间内，使涂覆机头(recoater head)在水平单轴方向上移动，通过设置在涂覆机头上的材料贮存箱及刀片来供给金属的材料粉末且使材料粉末平坦化，由此形成粉末层，并利用激光照射装置对粉末层的规定范围照射激光来形成烧结层。然后，在所述烧结层上形成新的粉末层并照射激光来形成烧结层，通过反复进行所述步骤来制造金属的造型物。
[现有技术文献]
[专利文献]
[专利文献1]日本专利特表平1-502890号公报
[专利文献2]日本专利第3599059号公报
发明内容
[发明所要解决的问题]
此处，在如专利文献1中记载的层叠造型装置中，有时因激光照射条件的设定错误，而导致于照射激光来形成烧结层时火花飞散，且所述火花中所包含的材料粉末的残渣附着在烧结层的表面上而产生突起状的异常烧结部。而且，当已产生的异常烧结部的高度比形成在烧结层上的粉末层的厚度高时，存在异常烧结部从所述粉末层的上表面突出，使粉末层平坦化的刀片与异常烧结部碰撞而在刀片中产生损伤的担忧。
作为为了解决此种问题，而利用切削工具切除异常烧结部，由此可不使造型加工中断而进行层叠造型物的制造的装置，有专利文献2中记载的层叠造型装置。在所述层叠造型装置中，每当形成各烧结层时检测有无已产生在烧结层的表面上的异常烧结部，在产生了异常烧结部的情况下，将位于形成粉末层时的刀片的路径上的异常烧结部切除。
另外，即便不如引用文献2般进行切削，也可以通过以适当的激光照射条件进行造型，而将成为所述问题的原因的异常烧结部的产生防患于未然。
对此，有时即便在以适当的激光照射条件进行了造型的情况下，也在烧结层的一部分区域中明显产生如隆起般的变形。更具体而言，例如，有时因伴随对材料粉末进行了烧结时产生的被称为烟气(fume)的烟或激光透过的透镜的污垢、由焦点位移所引起的激光的焦点位置的偏移等事先无法预期的烧结条件的变化的影响，而导致激光的照射能量下降且构成烧结层的材料粉末的一部分变成未烧结状态，由低照射能量进行了烧结的区域如相对于其周边区域突出般隆起。
在产生了此种变形的情况下，若在将所述变形部放置不管的状态下继续形成下次以后的烧结层，则存在产生各种问题的担忧，经常有变形变大而刀片卡住的情况。
此处，以烧结后的烧结层的厚度变成约50μm的方式，将每一层的粉末层的厚度设定成约80μm。材料粉末的粒径约为10μm～50μm，因此可知各粉末层的厚度非常薄。
因此，即便变形部的高度比形成在所述烧结层上的粉末层的厚度低，且其前端部未从粉末层的上表面飞出，当使粉末层平坦化时，也存在已达到规定高度以上的变形部成为主要原因而在刀片中产生卡住的担忧。
本发明是鉴于所述情况而成者，其目的在于提供一种可将伴随无法预期的烧结条件的变化所产生的变形部成为主要原因而产生的刀片的卡住防患于未然的造型物的造型方法。
[解决问题的技术手段]
第一发明的造型物的造型方法是根据作为制作目标的造型物的造型数据，对形成在造型台上的包含金属的材料粉末的各粉末层的规定区域照射激光，而层叠形成烧结层的造型物的造型方法，其包括：三维形状数据取得步骤，取得位于最上侧的第n层的烧结层的上表面的三维形状数据；变形部检测步骤，根据所述三维形状数据，探测是否产生了相对于所述第n层的烧结层的上表面突出的任意的高度的变形部；二维数据生成步骤，在产生了所述变形部的情况下，生成包含产生了所述变形部的区域的坐标数据的二维数据；修正后的第n+1层的造型数据生成步骤，使初始的第n+1层的造型数据与所述二维数据的坐标匹配并进行比较，生成从由所述初始的第n+1层的造型数据所定义的激光照射区域中排除由所述二维数据所定义的产生了所述变形部的区域的修正后的第n+1层的造型数据；第n+1层的粉末层形成步骤，在所述第n层的烧结层上形成所述第n+1层的粉末层；排除产生了变形部的区域的第n+1层的烧结层形成步骤，根据所述修正后的第n+1层的造型数据，对所述第n+1层的粉末层照射激光来进行烧结，由此形成第n+1层的烧结层；第n+2层的粉末层形成步骤，在所述第n+1层的烧结层上形成第n+2层的粉末层；以及产生了所述变形部的区域的所述第n+1层的烧结层及第n+2层的烧结层形成步骤，根据第n+2层的造型数据，对所述第n+1层的粉末层的产生了所述变形部的区域及所述第n+2层的粉末层照射激光来进行烧结，由此形成产生了所述变形部的区域的所述第n+1层的烧结层及第n+2层的烧结层。
在本发明中，当在第n层的烧结层的上表面上产生了具有任意的高度的变形部时，在形成接下来的第n+1层的烧结层时避开产生了所述变形部的区域来对第n+1层的粉末层照射激光。而且，在形成第n+2层的粉末层后，对所述未烧结部分与第n+2层的粉末层一同进行烧结。由此，可防止在特定部位上继续产生所述变形，并将造型中的造型物重设成产生变形部前的状态。因此，可将形成粉末层时的刀片的卡住防患于未然。
第二发明的造型物的造型方法的特征在于：在所述第一发明中，在所述第n+1层的粉末层形成步骤中，利用贮存有材料粉末的涂覆机头来供给材料粉末，并且利用安装在所述涂覆机头上的刷子状的刷子刀片来使材料粉末平坦化，由此在所述第n层的烧结层上形成所述第n+1层的粉末层。
在本发明中，在第n+1层的粉末层形成步骤中，利用贮存有材料粉末的涂覆机头来供给材料粉末，并且利用安装在涂覆机头上的刷子状的刷子刀片来使材料粉末平坦化，由此在第n层的烧结层上形成第n+1层的粉末层。由此，即便当在第n层的烧结层的上表面上产生了具有比第n+1层的粉末层的厚度高的高度的所述异常烧结部或变形部时，也可以避免与刀片的卡住。
[发明的效果]
根据本发明，可将由伴随无法预期的烧结条件的变化而产生的变形部所产生的刀片的卡住防患于未然。
附图说明
图1是层叠造型装置的侧面图。
图2是层叠造型装置的正面图。
图3是涂覆机头的立体图。
图4是粉末层形成装置及激光照射装置的立体图。
图5是表示构成层叠造型装置的各装置的控制的框图。
图6是表示从形成第n层的烧结层后至形成第n+1层的烧结层为止的流程的流程图。
图7(a)是形成第n层的烧结层后的造型物的内部侧面图，图7(b)是表示由二维数据所定义的产生了具有第n+1层的烧结层的厚度以上的高度的变形部的区域的图。
图8是表示由初始的第n+1层的造型数据所定义的第n+1层的烧结层的烧结区域的图。
图9是表示由修正后的第n+1层的造型数据所定义的第n+1层的烧结层的烧结区域的图。
图10(a)是形成第n+1层的粉末层后的造型物的内部侧面图，图10(b)是形成第n+1层的烧结层后的造型物的内部侧面图。
图11(a)是形成第n+2层的粉末层后的造型物的内部侧面图，图11(b)是形成第n+2层的烧结层后的造型物的内部侧面图。
[符号的说明]
1：层叠造型装置
1A：造型室
1D：透过透镜
2：粉末层形成装置
2A：造型台
2B：支撑机构
2C：传达机构
3：涂覆机头
3A：刀片
3B：材料贮存箱
3C：引导机构
4：造型板
5：激光照射装置
5A：激光扫描装置
5B：激光振荡器
5C：焦点透镜
6：数值控制装置
7：存储部
8：运算部
9：解读部
10：指令部
11：分配输出部
12：CAD装置
13：运算部
14：存储部
15：CAM装置
16：运算部
17：存储部
18：三维测定器
18a：照相机
18b：投影仪
19：刀片伺服马达控制装置
20：激光控制装置
21：形状修正运算装置
22：存储部
23：运算部
26：烧结层
26a～26i：变形部
27：第n+1层的粉末层
28：第n+1层的烧结层
29：第n+2层的粉末层
30：第n+2层的烧结层
31、31R、31L：轴承
32：轴材
32R、32L：导轨
D1：三维形状数据
D2：二维数据
D3：第n+1层的初始的造型数据
D4：修正后的第n+1层的造型数据
D5：初始的第n+2层的造型数据
h1：厚度
R1、R2、R3、R1a～R1e：区域
S1～S10：步骤
具体实施方式
以下，一边参照附图一边对本发明的实施方式进行说明。
层叠造型装置1是烧结式材料粉末层叠造型装置。如图1、图2所示，在层叠造型装置1的造型室内设置有造型室1A。从未图示的惰性气体供给装置朝造型室1A内供给惰性气体。由此，造型室1A内以氧浓度尽可能变低的方式构成。另外，在造型室1A内收容有造型台2A。在造型台2A的上侧形成铺满金属的材料粉末的造型空间。在造型台2A上配置将造型物在其上侧进行层叠造型的造型板4。
如图1、图2所示，粉末层形成装置2包括：造型台2A、支撑造型台2A且使其升降的支撑机构2B、将动作传达至支撑机构2B中的传达机构2C、以及包含驱动支撑机构2B的支撑机构驱动马达的未图示的驱动装置等。造型台2A每当形成粉末层时，下降相当于接下来形成的粉末层的厚度的高度。
如图3、图4所示，涂覆机头3包含刀片3A、材料贮存箱3B、及引导机构3C。引导机构3C具有一对轴承31，及作为各轴承31R、轴承31L分别承接的一对轴材32的导轨32R、导轨32L。涂覆机头3根据后述的刀片伺服马达控制装置19的扫描指令，在造型台2A上沿着引导机构3C的导轨32R、导轨32L朝左右方向移动。由此，从材料贮存箱3B朝造型台2A上供给材料粉末，并且通过刀片3A来使材料粉末平坦化，由此在造型板4上形成粉末层。
在形成粉末层后涂覆机头3进行待机的待机部位的上方，设置有将材料粉末供给至材料贮存箱3B中的未图示的材料供给装置。材料供给装置以在造型物的造型过程中，材料贮存箱3B的中的材料粉末不会不足的方式，将材料粉末适宜供给至材料贮存箱3B中。
激光照射装置5使造型板4上的粉末层的一部分或整个区域中形成烧结层。激光照射装置5包括：包含两个电流镜的激光扫描装置5A、激光振荡器5B、焦点透镜5C、以及对它们进行控制的激光控制装置20等。
从激光振荡器5B中输出的具有规定的能量的激光穿过激光传达构件，到达激光扫描装置5A的电流镜中。由一对电流镜反射的激光由焦点透镜5C来聚光，并穿过穿设在造型室1A的顶板中的通孔中所设置的透过透镜1D。由焦点透镜5C来聚光的激光以事先决定的光点直径进行照射。另外，激光照射位置的原点是以与相对于粉末层正交的方式，从激光振荡器5B朝铅垂方向照射了激光时的照射位置，与形成粉末层的造型板4的中心位置大致一致。
激光照射装置5的激光扫描装置5A设置在造型室1A的顶板上。激光扫描装置5A的各电流镜分别包括使电流镜旋转的未图示的电动致动器。电动致动器按照激光控制装置20的扫描指令进行驱动。激光扫描装置5A通过激光控制装置20而使激光的光点沿着规定的扫描路径，并以规定的移动速度从各照射区域的一端侧朝另一端侧依次移动。
如图5所示，计算机辅助设计(Computer Aided Design，CAD)装置12是用于制作由层叠造型装置1进行造型的造型物的实体数据(solid data)者。CAD装置12包括：制作造型物的实体数据的运算部13、及存储由运算部13所制作的实体数据的存储部14等。另外，实体数据是表示规定的造型物的形状及尺寸的三维数据。
计算机辅助制造(Computer Aided Manufacturing，CAM)装置15是用于根据由CAD装置12所制作的实体数据来生成造型数据者。CAM装置15包括：根据由CAD装置12所制作的实体数据来生成造型数据的运算部16，以及存储由CAD装置12所制作的实体数据、及由运算部16所生成的造型数据的存储部17等。另外，造型数据是表示对规定的造型物进行造型时的构成层叠造型装置的各装置的动作程序者。在造型数据中，例如包含激光的照射区域的坐标数据。激光的照射区域的坐标数据是为了对各层定义从激光照射装置5朝粉末层照射的激光的照射区域而使用。
数值控制装置6包括存储部7与运算部8等。在存储部7中存储由CAM装置15所生成的造型物的造型数据等。运算部8包括：对已被存储在存储部7中的造型数据等进行解读的解读部9、根据由解读部9所解读的造型数据来输出指令的指令部10、以及将来自指令部10的指令分配输出至所述各装置中的分配输出部11等。
来自运算部8的指令部10的移动指令以信号或数据的形式被输入刀片伺服马达控制装置19中。未图示的刀片伺服马达根据从刀片伺服马达控制装置19所发送的指令，使刀片3A在造型台2A上，在水平方向上往返移动。
激光控制装置20包括未图示的致动器控制装置及驱动电流供给装置等。激光控制装置20根据造型数据，将扫描指令以信号或数据的形式输出至致动器控制装置中。激光照射装置5的各电动致动器从驱动电流供给装置接受按照扫描指令的驱动电流的供给，而使电流镜朝所期望的方向倾斜。
另外，在本实施方式中，当在第n层的烧结层的上表面上产生了具有第n+1层的烧结层的厚度以上的高度的变形部时，在形成接下来的第n+1层的烧结层时避开产生了所述变形部的区域来照射激光。而且，对所述未烧结部分与第n+2层的粉末层一同进行烧结。以下，一边参照图7(a)～图10(b)，一边按照图5的框图及图6的流程图对从形成第n层的烧结层后至形成第n+2层的烧结层为止的各装置的控制及动作进行详细说明。
首先，三维测定器18取得造型中的造型物的作为最上层的第n层的烧结层的上表面的三维形状数据D1(步骤S1)。如图1、图2所示，三维测定器18例如包含照相机18a与投影仪18b。照相机18a及投影仪18b设置在造型室1A内的上部。照相机18a及投影仪18b通过使用方格投影法，而取得第n层的烧结层的上表面的三维形状数据D1。三维形状数据D1包含产生了相对于第n层的烧结层的上表面突出的变形部的区域的坐标数据及所述变形部的高度的数据等。三维形状数据D1被存储在形状修正运算装置21的存储部22中。
其次，形状修正运算装置21的运算部23对三维形状数据D1进行分析，并探测有无变形部(步骤S2)。更具体而言，形状修正运算装置21的运算部23例如对如图7(a)所示般产生在第n层的烧结层26的上表面上的变形部26a～变形部26i的高度进行分析，当检测到具有形成在第n层的烧结层26上的第n+1层的烧结层28的厚度h1以上的高度的变形部26a～变形部26e时，判断为“在第n层的烧结层上产生了变形部”。另外，当产生在n层的烧结层的上表面上的所有变形部的高度比第n+1层的烧结层的厚度低时，形状修正运算装置21的运算部23判断为“在第n层的烧结层上未产生变形部”。另外，粉末层的厚度与对所述粉末层进行烧结而成的烧结层的厚度的数据被存储在形状修正运算装置21的存储部22中。例如，当粉末层的厚度约为80μm时，对所述粉末层进行烧结所获得的烧结层的厚度变成约50μm。
在已判断为“在第n层的烧结层上产生了变形部”的情况下，形状修正运算装置21的运算部23生成包含产生了具有第n+1层的烧结层的厚度以上的高度的变形部的区域的坐标数据的二维数据D2(步骤S3)。更具体而言，二维数据D2例如如图7(b)般表示，图7(a)中所示的产生了变形部26a的区域对应于区域R1a，产生了变形部26b的区域对应于区域R1b，产生了变形部26c的区域对应于区域R1c，产生了变形部26d的区域对应于区域R1d，产生了变形部26e的区域对应于区域R1e。二维数据D2被从形状修正运算装置21发送至CAM装置15中，并被存储在存储部17中。
CAM装置15的运算部16使形成第n+1层的烧结层时的初始的造型数据D3与二维数据D2的坐标匹配并进行比较，生成从由初始的造型数据D3所定义的原本的第n+1层的激光照射区域中排除产生了变形部的区域的修正后的第n+1层的造型数据D4(步骤S4)。修正后的第n+1层的造型数据D4例如如图9所示，作为从图8中所示的原本的第n+1层的激光照射区域R2中排除图7(b)中所示的产生了变形部26a～变形部26e的区域R1而成的区域R3来表示。修正后的第n+1层的造型数据D4被存储在CAM装置15的存储部17中。修正后的第n+1层的造型数据D4被从CAM装置15发送至数值控制装置6中，并被存储在存储部7中。
设置在数值控制装置6中的运算部8的解读部9对修正后的第n+1层的造型数据D4进行解读。指令部10以修正后的第n+1层的造型数据D4中所指示的顺序，经由分配输出部11而朝刀片伺服马达控制装置19及激光控制装置20等中输出指令，形成第n+1层的粉末层及烧结层(步骤S5、步骤S6)。更具体而言，通过使未图示的支撑机构驱动马达进行驱动，而使造型台2A下降。另外，造型台2A的下降量在所有层中固定。换言之，所有粉末层的厚度固定。继而，涂覆机头3例如如图10(a)所示，根据来自刀片伺服马达控制装置19的指令，在第n层的烧结层26上形成第n+1层的粉末层27。其后，例如如图10(b)所示，激光照射装置5根据来自激光控制装置20的指令，对在第n+1层的粉末层27上新定义的照射区域R3照射激光，而形成第n+1层的烧结层28。
另外，在所述步骤S2中，在形状修正运算装置21已判断为“在第n层的烧结层中未产生变形部”的情况下，数值控制装置6根据第n+1层的初始的造型数据D3，朝控制层叠造型装置1的各装置中输出指令，而形成第n+1层的粉末层及烧结层(步骤S7、步骤S8)。
继而，设置在数值控制装置6中的运算部8的解读部9对初始的第n+2层的造型数据D5进行解读。指令部10以初始的第n+2层的造型数据D5中所指示的顺序，经由分配输出部11而朝刀片伺服马达控制装置19及激光控制装置20等中输出指令，形成第n+2层的粉末层及烧结层(步骤S9、步骤S10)。更具体而言，通过使未图示的支撑机构驱动马达进行驱动，而使造型台2A下降。然后，涂覆机头3例如如图11(a)所示，根据来自刀片伺服马达控制装置19的指令，在第n+1层的烧结层28上形成第n+2层的粉末层29。其后，例如如图11(b)所示，激光照射装置5根据来自激光控制装置20的指令，对变成未烧结的区域R1的第n+1层的粉末层27、及第n+2层的粉末层29照射激光，形成产生了变形部26a～变形部26e的区域R1的第n+1层的烧结层28及第n+2层的烧结层30。
另外，当对变成未烧结的区域R1照射激光时，也可以相对于其他区域使激光的照射条件变化。更具体而言，例如也可以与其他区域相比，减慢沿着照射路径前进的激光的移动速度、或提高激光的照射能量。
(作用·效果)
在本实施方式中，当在第n层的烧结层的上表面上产生了具有形成在第n层的烧结层上的第n+1层的烧结层的厚度以上的高度的变形部时，生成从原本的第n+1层的激光照射区域中排除产生了变形部的区域的修正后的第n+1层的造型数据D4，并根据造型数据D4对第n+1层的粉末层进行激光照射，形成对除产生了变形部的区域以外的区域进行烧结而成的第n+1层的烧结层。而且，在变形部上形成了第n+1层的粉末层与第n+2层的粉末层后，对产生了变形部的区域进行烧结。由此，可防止在特定部位上继续产生所述变形，并将造型中的造型物重设成产生变形部前的状态。因此，可将形成粉末层时的刀片的卡住防患于未然。
以上，对本发明的适宜的实施方式进行了说明，但本发明并不限定于所述实施方式或实施例，只要在权利要求记载的范围内，则可进行各种设计变更。
在本实施方式中，记载了各粉末层的厚度固定，但各粉末层的厚度也可以对应于粉末层的下方的烧结层中所产生的变形部的高度而变化。换言之，造型台2A的下降量也可以对应于粉末层的下方的烧结层中所产生的变形部的高度而变化。更具体而言，也能够以粉末层的厚度变得比粉末层的下方的烧结层中所产生的变形部之中，高度最高的变形部厚的方式，对应于三维形状数据D1的分析结果使造型台2A的下降量在各层中适宜变化。由此，可防止变形部从粉末层的上表面飞出，而确实地防止所述变形部与刀片3A的碰撞。
另外，刀片3A也可以包含刷子状的刷子刀片。由此，即便当在第n层的烧结层上产生了具有比第n+1层的粉末层的厚度高的高度的异常烧结部或变形部时，也可以不损伤刀片而形成粉末层。
另外，记载了照相机18a及投影仪18b通过使用方格投影法，而取得第n层的烧结层的上表面的三维形状数据D1，但只要可取得第n层的烧结层的上表面的三维形状数据D1，则三维测定器及其取得方法可为任意者。例如，也可以替代投影仪18b，从激光照射装置5投影具有材料粉末不被烧结的范围内的输出的微弱的激光来对第n层的烧结层的上表面进行扫描，而取得第n层的烧结层的上表面的三维形状数据D1。
另外，记载了当检测到具有形成在第n层的烧结层26上的第n+1层的烧结层28的厚度h1以上的高度的变形部26a～变形部26e时，判断为“在第n层的烧结层上产生了变形部”，但判断为“在第n层的烧结层上产生了变形部”的变形部的高度可任意地设定。例如，也可以将判断为“在第n层的烧结层上产生了变形部”的变形部的高度设定成远小于各层的厚度的值、或比零大的值，并避开产生了变形部的所有区域对第n+1层的粉末层进行激光烧结。
另外，形状修正运算装置21例如也可以设置在三维测定器18等构成层叠造型装置1的任何装置内。
另外，也可以每当形成每一层、或多个烧结层时进行所述一连串的步骤。

Claims (2)

1.一种造型物的造型方法，其是根据作为制作目标的造型物的造型数据，对形成在造型台上的包含金属的材料粉末的各粉末层的规定区域照射激光，而层叠形成烧结层的造型物的造型方法，其特征在于，包括：
三维形状数据取得步骤，取得位于最上侧的第n层的烧结层的上表面的三维形状数据；
变形部检测步骤，根据所述三维形状数据，探测是否产生了相对于所述第n层的烧结层的上表面突出的任意的高度的变形部；
二维数据生成步骤，在产生了所述变形部的情况下，生成包含产生了所述变形部的区域的坐标数据的二维数据；
修正后的第n+1层的造型数据生成步骤，使初始的第n+1层的造型数据与所述二维数据的坐标匹配并进行比较，生成从由所述初始的第n+1层的造型数据所定义的激光照射区域中排除由所述二维数据所定义的产生了所述变形部的区域的修正后的第n+1层的造型数据；
第n+1层的粉末层形成步骤，在所述第n层的烧结层上形成所述第n+1层的粉末层；
排除产生了变形部的区域的第n+1层的烧结层形成步骤，根据所述修正后的第n+1层的造型数据，对所述第n+1层的粉末层照射激光来进行烧结，由此形成第n+1层的烧结层；
第n+2层的粉末层形成步骤，在所述第n+1层的烧结层上形成第n+2层的粉末层；以及
产生了所述变形部的区域的所述第n+1层的烧结层及第n+2层的烧结层形成步骤，根据第n+2层的造型数据，对所述第n+1层的粉末层的产生了所述变形部的区域及所述第n+2层的粉末层照射激光来进行烧结，由此形成产生了所述变形部的区域的所述第n+1层的烧结层及第n+2层的烧结层。
2.根据权利要求1所述的造型物的造型方法，其特征在于，
在所述第n+1层的粉末层形成步骤中，利用贮存有材料粉末的涂覆机头来供给材料粉末，并且利用安装在所述涂覆机头上的刷子状的刷子刀片来使材料粉末平坦化，由此在所述第n层的烧结层上形成所述第n+1层的粉末层。
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