CN112236253B - 三维造型装置和三维造型方法 - Google Patents

Abstract

一种三维造型装置(100)，具有粉末供给装置(10)，所述粉末供给装置(10)使粉末(90)朝向作为造型对象物的工件(80)的例如呈曲面的表面(81)落下来供给粉末(90)。此外，三维造型装置(100)具有激光照射装置(20)，所述激光照射装置(20)对由粉末供给装置(10)供给而沉积的粉末(90)的层照射作为能量束的激光(25)。由此，本发明提供一种能够在造型对象物的呈曲面的表面上进行梁结构的造型的三维造型装置和三维造型方法。

Description

三维造型装置和三维造型方法

技术领域

本发明涉及一种三维造型装置和三维造型方法。

背景技术

作为三维造型技术多使用以下的两种方法。即，一种是粉末床熔融结合法(以下称为“PBF(Powder Bed Fusion)法”)(例如参照专利文献1)。另一种是定向能量沉积法(以下称为“DED(Direct Energy Deposition)法”)(例如参照专利文献2)。

在PBF法中，在使用辊或刀片水平地铺满粉末之后，通过使程序控制的激光进行扫描而使粉末熔融·结合，根据其轨迹制作具有目标形状的造型层。之后，通过反复层叠造型层，制作立体的复杂形状。在此方法中，在粉末熔融而变成作为产品的一部分的块的部分和填满其间的未熔融的粉末填充在下层部分的状态下，依次层叠新的粉末。然后，到完成最终的立体产品之前不会除去未熔融的粉末。该填充的未熔融的粉末变成成为其上层的结构体的粉末的基础，由此能够进行具有梁部分和柱部分交错而成的形状的结构(以下称为“梁结构”)的造型。

这样，PBF法可以制作出在去除加工中不能实现的中空的复杂形状。特别是可以通过PBF法制作格子(lattice)结构或多孔(porous)结构等的梁结构。通过将该梁结构应用于现有的部件的形状的一部分，可以得到各种各样的好处，例如能够期待制作高强度且轻质的部件等。除此之外，由梁结构的应用所带来的各种各样的产品的开发也引人注目。

另一方面，在DED法中，通过向激光照射形成的熔融池中供给从喷嘴喷射的粉末，粉末熔融成为熔融池的一部分，通过其凝固而形成堆焊层。在DED法中，通过用机器人控制激光和射出粉末的喷管喷嘴，可以在具有任意形状的部件上进行缺失部分的堆焊修补。此外，DED法也可以在已有的部件上添加·造型新的形状。进而，在DED法中，也在研究通过使用与基座部件不同的材质赋予·造型结构制作具有新功能的产品的可能性。

这样，DED法可以进行已有的部件的修补，在已有的部件上添加新的结构。即，PBF法是用昂贵的粉末整个制作全部造型体，与此相对，DED法是在已有的部件上添加结构。因此，DED法由于以成本低的块体为基座，只造型必要的部分，所以粉末的使用量少。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2004-124200号公报，

专利文献2：日本特开2016-078205号公报。

发明内容

发明要解决的问题

然而，在考虑用DED法制作梁结构的情况下，即使用某些方法准备了作为基础的粉末，本应作为基础的下层的未熔融的粉末也会被粉末喷射引起的喷流吹飞。因此，在DED法中难以制作梁结构。

另一方面，在PBF法中，为了防止造型缺陷的产生，在造型前将粉末可靠地供给至目标位置的同时，有必要抑制所供给粉末的层的厚度的偏差。即，在PBF法中，需要高精度的粉末的供给和配置。因此，在PBF法中通过辊或刀片将粉末水平地压缩并铺满。然而，PBF法虽然可以在平面上制作出一定厚度的粉末层，但是难以在具有自由曲面的部件上制作出一定厚度的粉末层。

如上所述，在DED法中，虽然可以在曲面上造型，但是不能制作梁结构。另一方面，在PBF法中，虽然可以制作梁结构，但是不能在曲面上进行造型。即，在以往的三维造型技术中，不能在作为造型对象物的已有的部件(工件)的呈曲面的表面上对梁结构进行造型。

本发明的课题在于提供一种能够在造型对象物的呈曲面的表面上对梁结构进行造型的三维造型装置和三维造型方法。

用于解决课题的方案

为了解决上述课题，本发明涉及的三维造型装置具有粉末供给装置，所述粉末供给装置使粉末朝向造型对象物的表面落下来供给粉末。此外，所述三维造型装置具有能量束照射装置，所述能量束照射装置对由所述粉末供给装置供给而沉积的所述粉末的层照射能量束。

本发明涉及的三维造型方法包含粉末供给工序，所述粉末供给工序使粉末朝向造型对象物的呈曲面的表面落下来供给粉末。此外，所述三维造型方法包含能量束照射工序，所述能量束照射工序对所述粉末供给工序中供给而沉积的所述粉末的层照射能量束。

发明效果

根据本发明，可以提供一种能够在造型对象物的呈曲面的表面上对梁结构进行造型的三维造型装置和三维造型方法。

附图说明

图1是表示本发明的一个实施方式涉及的三维造型装置的结构的图。

图2是示意地表示图1所示的粉末供给装置的立体图。

图3是示意地表示图1所示的表面形状测量装置的立体图。

图4是表示本实施方式涉及的三维造型方法的内容的流程图。

具体实施方式

一边适当参照附图一边详细说明本发明的实施方式。

另外，在各图中，对于共同的结构元件或同样的结构元件，标注相同的附图标记，适当省略它们的重复说明。

图1是表示本发明的一个实施方式涉及的三维造型装置100的结构的图。

在本实施方式中，三维造型装置100是通过向金属粉末90的层照射作为能量束的激光25来制作三维的造型体的三维造型装置。

如图1所示，三维造型装置100具有：粉末供给装置10、作为能量束照射装置的激光照射装置20、移动装置30、表面形状测量装置40、拍摄装置50、以及控制装置60。粉末供给装置10和移动装置30容纳在腔室70内。

图2是示意地表示图1所示的粉末供给装置10的立体图。

如图2所示，粉末供给装置10使粉末90朝向作为造型对象物的现有的部件(包括已完成的产品)的工件80的表面81落下来供给粉末90。在这里，工件80是弯曲的板，工件80的表面81例如呈圆弧面等的曲面。粉末供给装置10能够利用高精度粉末计量机来构成，可以从供给口11以正确的量稳定且连续供给粉末90。

作为金属粉末90，例如可以使用铝、铁、不锈钢、钛、以及金属氧化物等的合金。粉末90为了在工件80的表面81上不聚集且更加均匀地沉积，优选在某种程度上流动性好，即休止角比较小的粉末。这里，休止角是指从一定高度落下的粉末90不倒塌而形成稳定的山状时，山的斜面相对于水平面形成的角度。粉末90的粒径优选10～45μm。原因是粒径过小则有损粉末90的颗粒的流动性，难以形成均匀厚度的粉末90的层，粒径过大则难以得到造型体的精密的形状。

三维造型装置100(参照图1)在本实施方式中，具有壁部75，所述壁部75在工件80的表面81上暂时保持粉末供给装置10供给的粉末90。壁部75是为了将工件80的表面81上的包含造型区域的规定区域与其他区域划分而垂直配置在工件80的表面81上的板状部件。壁部75虽然在这里是将所述规定区域夹在其间的一对平行的板状部件，但是不限于此，例如也可以是与四边形的各边对应的四个板状部件，或者一个框状部件。

壁部75例如可以通过设置在基台31的移动机构(未图示)而相对于工件80的表面81进行接近和远离的移动，从而配置在工件80的表面81上。但是不限于此，壁部75也可以通过机器人装置进行移动，从而配置在工件80的表面81上。

另外，也可以不具有壁部75。例如，在工件80的表面81是平面或平缓倾斜的曲面等的情况下，由于粉末90能通过自身的保持力保持在工件80的表面81上，所以可以省略壁部75。

图3是示意地表示图1所示的表面形状测量装置40的立体图。

如图3所示，表面形状测量装置40测量粉末供给装置10供给而沉积的粉末90的层的表面形状。作为表面形状测量装置40，例如可以使用激光位移传感器，所述激光位移传感器向测量对象物照射带状的激光，用受光元件接收其反射光，用三角测距的原理生成测量对象物的形状轮廓。

如图1所示，激光照射装置20向粉末供给装置10供给而沉积的粉末90的层照射激光25。激光照射装置20具有：激光源21、反射镜(galvano-mirror，检流计镜)22、23、以及透镜系统24。

激光源21射出激光25。作为激光源21，例如可以使用光纤激光器或二氧化碳激光器等。此外，激光25优选脉冲振荡激光。通过使用脉冲振荡激光，能以更小的输出进行照射，因此能够减小对成为造型的母材的造型对象物施加的热影响，能够进一步抑制造型体的变形。但是，激光25不限于脉冲振荡激光，也可以是CW(连续振荡)激光。

透镜系统24使激光25汇聚。此外，通过驱动单元(未图示)使反射镜22、23的角度变化，从而进行使激光25的照射方向变化的操作。即，通过反射镜22、23的旋转，调整激光25照射的位置。

拍摄装置50拍摄被激光25照射之后的粉末90的层的表面。即，拍摄装置50拍摄粉末90的层的表面，所述粉末90的层的表面包含被激光25照射而粉末90熔融·结合且固化的造型区域和未被激光25照射的未熔融的粉末90存在的区域。

移动装置30是使工件80移动的装置。在本实施方式中，移动装置30具有设置工件80的基台31和使基台31移动的驱动机构32。驱动机构32具有引导基台31的移动的引导装置和产生使基台31移动的驱动力的驱动装置。驱动机构32能够使基台31在X方向(图1中的左右方向)、Y方向(图1中与纸面垂直的方向)、Z方向(上下方向)移动。但是，移动装置30不限于所述的结构，例如也可以是把持工件80而使其姿势和位置变化的机器人装置。

腔室70例如是由不锈钢等金属形成的容器。腔室70构成为可以密闭，可以通过排气机构(未图示)对腔室70内部进行排气而减圧。此外，排气机构兼作为排出口，所述排出口用于排出加工时因激光而熔融的粉末产生的金属烟雾(金属蒸汽)。在通过抽真空除去了氧气的腔室70内，供给氩、氮等惰性气体。此外，在腔室70中设置有未图示的激光25的通过用的窗口、表面形状测量用的窗口、以及拍摄用的窗口。

控制装置60具有未图示的CPU(中央计算处理装置)、以及存储器、硬盘等存储部。在存储部中，保存想要三维造型的结构的三维形状数据和加工条件数据。三维形状数据和加工条件数据可以在控制装置60中制作，也可以在外部的装置中制作再输入到控制装置60。控制装置60基于加工条件数据控制激光源21、反射镜22、23、以及透镜系统24，调整激光25的输出特性、扫描速度、扫描间隔、以及照射位置。

此外，控制装置60控制移动装置30，使工件80移动。进而，控制装置60控制表面形状测量装置40，在测量粉末90的层的表面形状的同时，控制拍摄装置50，拍摄粉末90的层的表面。

控制装置60具有计算部61和图像处理部62。计算部61和图像处理部62是通过在存储器上执行控制装置60的存储部存储的程序而实现的。计算部61基于表面形状测量装置40测量的粉末90的层的表面形状在粉末90的供给前后的变化，计算粉末90的层的厚度。具体地，根据粉末90的层的表面在Z方向(上下方向)上的位移计算粉末90的层的厚度。此外，图像处理部62基于拍摄装置50拍摄的激光25照射的粉末90的层的表面的图像，识别造型区域。具体地，在粉末90的层的表面，例如可以将与未熔融的粉末90存在的周边区域颜色不同的区域识别为激光25照射而粉末90熔融·结合且固化的造型区域。

在控制装置60中，连接显示装置63与输入装置64。显示装置63例如是液晶显示器(LCD)等。显示装置63显示由表面形状测量装置40测量的粉末90的层的表面形状、由拍摄装置50拍摄的粉末90的层的表面的图像、操作画面、以及警告消息等各种信息。输入装置64例如是键盘或鼠标等，受理用于三维形状数据或加工条件数据的制作或输入的用户的操作，进行三维造型作业的开始指示等的各种信息的输入。

图4是表示本实施方式涉及的三维造型方法的内容的流程图。

如图4所示，首先，工件80设置固定在移动装置30的基台31(S1)。然后，在腔室70内部抽真空之后，向腔室70内部供给惰性气体。

接下来，通过表面形状测量装置40，测量工件80的表面81的形状(表面形状)(S2)。这里，控制装置60控制移动装置30，一边使工件80以固定速度在水平方向(例如从图1的表面形状测量装置40的下方朝向粉末供给装置10的下方的左方向)移动，一边控制表面形状测量装置40，测量工件80的表面81的形状。

接着，通过粉末供给装置10，使粉末90朝向工件80的例如呈曲面的表面81适量落下来供给粉末90(S3)。这里，控制装置60控制移动装置30，一边使工件80以固定速度在水平方向(图1的右方向)移动，一边控制粉末供给装置10，使粉末90以一定量朝向工件80的表面81落下。由此，形成在工件80的表面81上沉积的薄粉末90的层。

接下来，通过表面形状测量装置40，测量在工件80的表面81上沉积的粉末90的层的表面形状(S4)。这里，控制装置60控制移动装置30，一边使工件80以固定速度在水平方向(图1的右方向)移动，一边控制表面形状测量装置40，测量沉积的粉末90的层的表面形状。

在步骤S5中，控制装置60基于粉末90的层的表面形状在粉末90的供给前后的变化，计算粉末90的层的厚度。这里，在计算最初形成的最下层的厚度的情况下，基于从预先测量的工件80的表面81的形状(参照步骤S2)开始的变化来计算厚度。然后，控制装置60判断计算得到的粉末90的层的厚度是否在预先设定的一层的厚度的允许范围内。

在粉末90的层的厚度不在允许范围内的情况下(S5的“否”)，控制装置60在进行了规定的警告处理之后(S6)，结束三维造型作业。例如通过在显示装置63显示表明粉末90的层的厚度在允许范围外的警告消息来进行规定的警告处理。

在粉末90的层的厚度在允许范围内的情况下(S5的“是”)，利用激光25的照射进行加热(S7)。即，控制装置60控制移动装置30，在使工件80移动到激光照射装置20的下方之后，控制激光照射装置20，使激光照射粉末90的层。由此，形成粉末90熔融·结合而固化的造型区域。

接下来，通过拍摄装置50，拍摄激光25照射之后的粉末90的层的表面(S8)。这里，控制装置60控制移动装置30，一边使工件80以固定速度在水平方向(图1的左方向)移动，一边控制拍摄装置50，拍摄激光25照射的粉末90的层的表面。

在步骤S9中，控制装置60基于激光25照射的粉末90的层的表面的图像，识别造型区域。然后，控制装置60判断被识别的造型区域是否在预先设定的造型区域的允许范围内。

在造型区域不在允许范围内的情况下(S9的“否”)，控制装置60在进行了规定的警告处理之后(S10)，结束三维造型作业。例如通过在显示装置63显示表明造型区域在允许范围外的警告消息来进行规定的警告处理。

在造型区域在允许范围内的情况下(S9的“是”)，通过表面形状测量装置40，测量激光25照射的粉末90的层的表面形状(S11)。这里，控制装置60控制移动装置30，一边使工件80以固定速度在水平方向(图1的左方向)移动，一边控制表面形状测量装置40，测量激光25照射的粉末90的层的表面形状。通过测定该表面形状，能够确认层叠造型的高度是否达到目标高度。此外，在第二层以后的粉末90的供给前测量表面形状。

在步骤S12中，判断三维造型是否进行到最后的层而结束。即，控制装置60判断对通过在粉末90的层的规定区域照射激光25而固化的造型区域的层一层一层地层叠来进行造型的三维造型是否进行到最后的层而结束(最上层)。

在判断三维造型没有进行到最后的层而结束的情况下(S12的“否”)，控制装置60控制处理回到步骤S3，以对接下来的层实施三维造型(S3～S12)。另外，不除去之前的层中未在造型中利用的粉末90，在此之上再一次通过粉末90的适量落下而供给粉末90形成一定厚度的接下来的层(S3)。另一方面，在判断三维造型进行到最后的层而结束的情况下(S12的“是”)，控制装置60结束三维造型作业。

如上所述，本实施方式涉及的三维造型装置100具有粉末供给装置10，所述粉末供给装置10使粉末90朝向工件80的例如呈曲面的表面81落下来供给粉末90。

在这样的结构中，由于没有像使用PBF法时那样用辊或刀片将粉末90水平地铺满的作业，所以可以在具有曲面的工件80的表面81上制作出一定厚度的粉末90的层。并且，由于没有像使用DED法时那样因为粉末90的喷射引起的喷流吹飞本应作为基础的下层的未熔融的粉末90，所以可以制作梁结构。

因此根据本实施方式，能够在工件80的呈曲面的表面81上对梁结构进行造型。

此外，本实施方式涉及的三维造型装置100具有使工件80移动的移动装置30。

在这样的结构中，能够一边使工件80以固定速度移动，一边使粉末90朝向工件80的表面81落下。即，粉末供给装置10不必为了供给粉末90而移动，可以固定地配置。因此，能够通过固定配置的粉末供给装置10以正确的量稳定且连续供给粉末90，在工件80的表面81上形成更加厚度均匀的粉末90的层。

此外，通过使工件80在粉末供给装置10和激光照射装置20之间往复移动，能够容易地交替连续实施形成粉末90的层和形成由激光25的照射而带来的固化的造型区域的层。

此外，通过随着造型区域的层依次堆叠而使工件80下降移动，能够使粉末90的层的上表面保持在一定的高度。由此，能够更加正确地形成粉末90的层和利用激光25的照射而固化的造型区域的层。

此外，在本实施方式中，基于表面形状测量装置40测量的粉末90的层的表面形状的变化，计算粉末90的层的厚度。因此，通过检查粉末90的层的厚度的偏差，可以在未出现问题时就防止造型的缺陷的产生。

此外，在本实施方式中，基于拍摄装置50拍摄的图像识别造型区域。因此，通过检查被识别的实际的造型区域是否与预先设定的造型区域一致，可以在未出现问题时就防止造型不良的产生。

此外，在本实施方式中，由粉末供给装置10供给的粉末90通过壁部75保持在工件80的表面81上。因此，能够更加可靠地在工件80的表面81上形成粉末90的层。

此外，在本实施方式中，由于粉末90是金属粉末，所以可以造型高强度的金属产品。

以上，虽然基于实施方式对本发明进行了说明，但是本发明不限于所述实施方式记载的结构。本发明包含适当组合或选择所述实施方式记载的结构，能够在不脱离其主要内容的范围内适当变更其结构。此外，对于所述实施方式的结构的一部分，能够进行追加、删除、置换。

例如，在上述的实施方式中，粉末90虽然是金属粉末，但是不限于此，例如也可以是陶瓷材料的粉末。

此外，在上述的实施方式中，工件80的表面81是弯曲的板的圆弧面等的曲面，但是不限于此，例如也可以是圆柱的侧面或球体的表面(球面)。

此外，在上述的实施方式中，在作为造型对象物的现有的部件(包含完成的产品)的工件80上造型，但是不限于此，也可以在一般的基材(金属板)等的母材上造型。即，造型对象物不限于工件80，也可以是任意的母材。

此外，在上述的实施方式中，虽然向粉末90的层照射的能量束是激光25，但是不限于此，例如也可以是电子束。

附图标记说明

10：粉末供给装置

20：激光照射装置(能量束照射装置)

25：激光(能量束)

30：移动装置

40：表面形状测量装置

50：拍摄装置

60：控制装置

61：计算部

62：图像处理部

75：壁部

80：工件

81：表面

90：粉末

100：三维造型装置

Claims (5)

1.一种三维造型装置，其特征在于，具有：

粉末供给装置，其使粉末朝向造型对象物的呈曲面的表面落下来供给粉末；

表面形状测量装置，其对由所述粉末供给装置供给而沉积的所述粉末的层的表面形状进行测量；

计算部，其基于所述表面形状测量装置测量的表面形状在所述粉末供给前后的变化，计算所述粉末的层的厚度；

能量束照射装置，其在计算得到的所述粉末的层的厚度在预先设定的一层的厚度的允许范围内的情况下，对由所述粉末供给装置供给而沉积的所述粉末的层照射能量束；以及

移动装置，其使所述造型对象物移动，

所述移动装置使所述造型对象物以固定速度在水平方向移动的同时，所述粉末供给装置使所述粉末朝向所述造型对象物的表面落下。

2.根据权利要求1所述的三维造型装置，其特征在于，具有：

拍摄装置，其拍摄被能量束照射的所述粉末的层的表面；以及

图像处理部，其基于所述拍摄装置拍摄的图像识别造型区域。

3.根据权利要求1或2所述的三维造型装置，其特征在于，具有：

壁部，其在所述造型对象物的表面上保持所述粉末供给装置供给的所述粉末，

所述壁部能够通过相对于所述造型对象物的表面进行接近和远离的移动，从而配置在所述造型对象物的表面上。

4.根据权利要求1或2所述的三维造型装置，其特征在于，

所述粉末是金属粉末。

5.一种三维造型方法，其特征在于，具有：

粉末供给工序，使粉末朝向造型对象物的呈曲面的表面落下来供给粉末；

表面形状测量工序，对由所述粉末供给工序供给而沉积的所述粉末的层的表面形状进行测量；

计算工序，基于在所述表面形状测量工序中测量的表面形状在所述粉末供给前后的变化，计算所述粉末的层的厚度；

以及

能量束照射工序，在计算得到的所述粉末的层的厚度在预先设定的一层的厚度的允许范围内的情况下，对所述粉末供给工序中供给而沉积的所述粉末的层照射能量束，

在所述粉末供给工序中，一边使所述造型对象物以固定速度在水平方向移动，一边使所述粉末朝向所述造型对象物的表面落下。

Images