CN113874142B - 用于制造造型物的am装置及试验am装置中光束的照射位置的方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种在实际进行造型之前使AM装置动作并验证执行数据和AM装置的动作的技术。根据一个实施方式，提供一种用于制造造型物的AM装置，具有：划定用于制造造型物的空间的腔室；配置于所述腔室内，并支承造型物的材料的基板；用于向所述基板上的材料照射光束的光束源；根据造型物的三维数据决定光束的照射位置的计算装置；根据被决定的照射位置移动光束的扫描机构；用于检测照射到所述腔室内的光束的照射位置的检测器；以及对被决定的照射位置与检测出的照射位置进行比较的评价器。

Description

用于制造造型物的AM装置及试验AM装置中光束的照射位置的 方法
技术领域
本申请涉及一种用于制造造型物的AM装置及试验AM装置中光束的照射位置的方法。本申请基于2019年5月21日提出申请的日本专利申请第2019-095153号主张优先权。日本专利申请第2019-095153号的包含说明书、要求保护的范围、附图以及摘要的全部公开内容通过参照而被整体援用于本申请。
背景技术
已知一种根据表现了三维物体的计算机上的三维数据直接对三维物体进行造型的技术。例如，已知Additive Manufacturing(AM)(增材制造)法。作为一例，在使用金属粉体的AM法中，对于铺满了的金属粉体，向进行造型的部分照射作为热源的激光光束、电子光束，使金属粉体熔融、凝固或烧结，由此对三维物体的各层进行造型。在AM法中，通过重复这样的工序，能够对所期望的三维物体进行造型。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特表2016-534234号公报
专利文献2：日本特开2017-77671号公报
发明要解决的技术问题
在AM法中，根据表现了作为造型对象的三维物体的三维CAD数据，对每一层生成激光光束、电子光束的照射位置、光束轨迹等执行数据。AM装置基于通过计算机控制而生成的执行数据自动地进行层叠造型。因此，为了造型用而生成的执行数据的验证通过实际进行造型来确认。虽然能够在计算机上的虚拟空间执行造型的仿真，但不使AM装置实际进行动作，就不能验证实际的AM装置的动作、照射出的光束的位置等。
发明内容
若在实际制造造型物的中途有AM装置的不良情况、生成的执行数据中有错误，则有时无法做出按照意图那样的造型物、有时AM装置在造型中途停止。那样的话，在解决了材料、不良情况问题后再次重新进行造型，材料、时间等被浪费。另外，制造的造型物越大，则重新进行造型时的浪费越大。于是，本申请的一个目的是，提供一种在实际进行造型之前使AM装置动作，从而验证执行数据和AM装置的动作的技术。
用于解决技术问题的技术手段
根据一个实施方式，提供一种用于制造造型物的AM装置，该AM装置具有：腔室，该腔室划定用于制造造型物的空间；基板，该基板配置于所述腔室内，并支承造型物的材料；光束源，该光束源用于向所述基板上的材料照射光束；计算装置，该计算装置根据造型物的三维数据决定光束的照射位置；扫描机构，该扫描机构根据被决定的照射位置移动光束；检测器，该检测器用于检测照射到所述腔室内的光束的照射位置；以及评价器，该评价器对被决定的照射位置与检测出的照射位置进行比较。
附图说明
图1是概略地表示一个实施方式的用于制造造型物的AM装置的图。
图2是概略地表示一个实施方式的进行空AM工序的AM装置的图。
图3是表示一个实施方式的进行空AM工序的步骤的流程图。
图4是表示一个实施方式的进行光束与检测器的对位时的状态的概略图，是表示检测器的检测范围和光束的扫描范围的图。
图5是表示一个实施方式的使用了AM装置的AM工序的流程图。
具体实施方式
以下，与附图一起说明本发明所涉及的用于制造造型物的AM装置的实施方式。在附图中，有时对相同或类似的要素标注相同或类似的参照符号，并在各实施方式的说明中省略关于相同或类似的要素的重复说明。另外，各实施方式所示的特征只要不互相矛盾，就能够应用于其他实施方式。
图1是概略地表示一个实施方式的用于制造造型物的AM装置的图。如图1所示，AM装置100包含处理室102。在处理室102的底面104安装有增层室106。在增层室106设置有升降台108。升降台108能够通过驱动机构110而在上下方向(z方向)上移动。驱动机构110可以是例如气压式、液压式的驱动机构，也可以是由电机和滚珠丝杠构成的驱动机构。另外，虽未图示，但也可以在处理室102配置用于导入和排出保护气体的入口和出口。
如图1所示，在一个实施方式中，在升降台108上配置有XY载物台112。XY载物台112是能够在与升降台108的平面平行的两个方向(x方向、y方向)上移动的载物台。在XY载物台112上配置有用于支承造型物的材料的基板114。
在处理室102内，在增层室106的上方配置有用于供给造型物的材料的材料供给机构150。材料供给机构150具备：用于保持成为造型物的材料的粉末152例如金属粉末的储存容器154；和用于移动储存容器154的移动机构160。储存容器154具备用于将材料粉末152排出到基板114上的开口156。开口156例如能够设置为比基板114的一边长的直线状的开口156。在该情况下，通过构成为使移动机构160在与开口156的直线正交的方向上比基板114的另一方的边长的范围内移动，能够向基板114的整个表面供给材料粉末152。另外，储存容器154具备用于控制开口156的开闭的阀158。
如图1所示，在一个实施方式中，AM装置100具备激光光源170和扫描机构174，该扫描机构174将从激光光源170发射的激光172引导向基板114上的材料粉末152。在图示的实施方式中，激光光源170和扫描机构174配置于处理室102内。扫描机构174能够由任意的光学系统构成，并构成为能够向基板114上的造型面(聚焦面)的任意的位置照射激光172。
在一个实施方式中，可以使用电子光束源代替激光光源170。在使用电子光束源的情况下，扫描机构174由磁铁等构成，并构成为能够向基板114上的造型面的任意的位置照射电子光束。
在图1所示的实施方式中，AM装置100具有控制装置200。控制装置200构成为对AM装置100的各种动作机构、例如上述的驱动机构110、移动机构160、激光光源170、扫描机构174、开口156的阀158等的动作进行控制。控制装置200能够由一般的计算机或专用计算机构成。
在通过根据图1所示的实施方式的AM装置100制作三维物体的情况下，大致通过以下的步骤进行。首先，向控制装置200输入造型对象物的三维数据D1。控制装置200根据被输入的造型物的三维数据D1生成造型用的切片数据。另外，控制装置200生成包含造型条件、方案的执行数据。即，控制装置200作为根据造型物的三维数据D1决定光束的照射位置的计算装置发挥作用。造型条件和方案例如包括光束条件、光束扫描条件以及层叠条件。光束条件在使用激光的情况下包含激光光源170的电压条件、激光输出等，另外，在使用电子光束的情况下，包含光束电压、光束电流等。光束扫描条件包含扫描模式、扫描路径、扫描速度以及扫描间隔等。作为扫描模式，例如有向一个方向进行扫描的情况、沿往复方向进行扫描的情况、之字形进行扫描的情况以及一边描绘小圆一边向横向移动的情况等。扫描路径决定例如以怎样的顺序来进行扫描等。层叠条件例如包含材料的种类、粉末材料的平均粒形、粒形状、粒度分布、层叠厚度(进行造型时铺满材料粉末的厚度)、造型厚度系数(层叠厚度与实际进行造型的造型物的厚度的比例)等。另外，上述的造型条件和方案的一部分可以根据被输入的造型物的三维数据生成和变更，也可以与被输入的造型物的三维数据无关地被预先决定。
将成为造型物的材料的粉末152例如金属粉末放入储存容器154内。使增层室106的升降台108移动到上方的位置，使基板114的表面到达激光172的聚焦面。接着，打开储存容器154的开口156的阀158，使储存容器154移动，将材料粉末152均匀地供给到基板114上。材料供给机构150被控制装置200控制为向聚焦面供给相当于一层造型物(相当于上述的“层叠厚度”)的材料粉末152。接着，从激光光源170发射激光172，通过扫描机构174在规定的范围内将激光172照射向聚焦面，将规定的位置的粉末材料熔融、烧结，形成一层的造型物M1。此时，如果有必要，可以也使配置于升降台108上的XY载物台112移动，变更激光172的照射位置。
一层的造型完成后，使增层室106的升降台108下降一层。再次通过材料供给机构150向聚焦面供给相当于一层造型物的材料粉末152。然后，通过扫描机构174使激光172在聚焦面上进行扫描，将规定的位置的材料粉末152熔融、烧结，形成一层的造型物M1。通过重复这些动作，能够从粉末152形成作为目标的造型物M1的整体。
如上所述，若在实际制造造型物的中途有AM装置的不良情况、生成的执行数据中有错误，则有时无法做出按照意图那样的造型物、有时AM装置在造型中途停止。于是，本发明的一个实施方式的AM装置100具备用于验证AM装置100是否以能够实际制造造型物的方式进行动作的结构。另外，在本说明书中，将验证AM装置的动作的工序称为“空AM工序(airadditive manufacturing process)”。图2是概略地表示一个实施方式的进行空AM工序的AM装置的图。另外，空AM工序在没有材料粉末152的状态下进行。
一个实施方式的AM装置100具备用于检测照射出的光束的照射位置的检测器202。在图1所示的实施方式中，检测器202是摄像机202a。摄像机202a配置在处理室102内，并配置为能够拍摄激光172的聚焦面上的扫描范围整体。另外，摄像机202a是能够拍摄激光172的聚焦位置的摄像机。摄像机202a与控制装置200连接，由摄像机202a拍摄的数据能够通过控制装置200进行处理。
本实施方式的AM装置100通过摄像机202a拍摄激光172的照射位置，由此，能够确认AM装置的实际的动作，尤其是激光的照射位置和扫描轨道。通过确认被输入的造型物的全部层中的激光172的照射位置和扫描轨道，能够确认AM装置是否在以能够适当地制造被输入的造型物的方式进行动作。由于该动作能够在没有材料粉末152的状态下执行，因此，能够在实际使用材料粉末152进行造型之前确认AM装置100的动作。
在一个实施方式中，AM装置100可以具备片状的二维的检测器202b来作为用于检测照射出的光束的照射位置的检测器202(参照图2)。检测器202b能够检测激光172的光，能够被设为覆盖激光172的聚焦面上的扫描范围整体的尺寸。通过将片状的检测器202b配置于激光172的聚焦面，能够与上述的摄像机202a同样地确认激光172的照射位置和扫描轨道。
另外，在为使用电子光束代替激光172的AM装置的情况下，摄像机202a能够拍摄电子光束，片状的检测器202b能够检测电子光束。
在进行空AM工序的情况下，激光172或电子光束的强度优选被设为比实际烧结材料粉末152时小的光束强度。在一个实施方式中，AM装置100具备用于调整照射的光束的强度的调整装置171。该调整装置171能够构成为调整向激光光源、电子光束源供给的电力的大小。
图3是表示一个实施方式的进行空AM工序的步骤的流程图。首先，根据被输入到控制装置200的造型对象物的三维数据D1，生成用于通过AM装置100进行造型的执行数据。执行数据包含通过AM装置100对造型对象物进行造型时各层中的光束的照射位置、造型条件以及方案等。
接着，使照射的光束的基准位置与检测光束的照射位置的检测器202的基准位置一致。图4是表示进行光束与检测器202的对位时的状态的概略图，是表示检测器202的检测范围与光束的扫描范围的图。在图4中，外侧的实线的四边形是检测器202的检测范围210，具体而言，是摄像机202a的拍摄区域，是片状的检测器202b的检测范围。在图4中，虚线表示光束的扫描范围212，是能够通过扫描机构174扫描光束的范围。图4中的单点划线表示检测器202的检测范围的中心。
在进行光束的基准位置与检测器202的基准位置的对位时，首先，将检测器202配置为使光束的扫描范围212的整体进入检测器202的检测范围210。接着，将基准标记216配置在光束的扫描范围212的内侧的任意的位置。在图4所示的例中，在光束的扫描范围212的四角分别配置一个基准标记216。基准标记也可以是一个。也可以将基准标记216配置在光束的扫描范围212的中央。另外，基准标记216也可以是预先设置于AM装置100的聚焦面、例如基板114的表面的特征。
接着，向基准标记216的位置照射光束，并通过检测器202检测照射出的光束。由于已知由检测器202检测出的光束位置(在检测器202上的基准标记216的位置)和由AM装置100照射光束的位置、例如扫描机构174的动作位置(用于向基准标记216的位置照射光束的扫描机构174的动作位置)，因此能够掌握由检测器202检测出的任意的光束位置是AM装置的聚焦面的哪个位置。
当光束与检测器202的对位完成时，使用AM装置100，基于执行数据照射光束。但是，照射的激光172或电子光束的强度被设为比实际烧结材料粉末152时小的光束强度。另外，在空AM工序中，基于造型用的执行数据使XY载物台112也进行动作，但升降台108的高度不变。通过检测器202检测出照射出的光束的位置。将由空AM工序检测出的光束位置与造型对象物的三维数据进行比较并进行评价。能够通过控制装置200对由空AM工序检测出的光束位置与造型对象物的三维数据D1进行比较和评价。即，控制装置200作为用于对由空AM工序检测出的光束位置与造型对象物的三维数据D1进行比较和评价的评价器发挥作用。若检测出的光束位置与造型对象物的三维数据不一致，则认为执行数据或AM装置的动作、尤其是扫描机构174的动作中有错误。若检测出的光束位置与造型对象物的三维数据不一致，并且AM装置100按照执行数据的方案进行动作，则认为在执行数据中有错误。另外，也可以是，基于辅助性地在计算机上的虚拟空间执行数据，不使用AM装置而执行虚拟的造型仿真，由此验证执行数据。在空AM工序中，即使在检测出的光束位置与造型对象物的三维数据一致的情况下，在AM装置100不按照意图那样进行动作时、在相同位置过度地重复照射时，也认为AM装置和/或执行数据中有错误。
图5是表示一个实施方式的使用了AM装置的AM工序的流程图。首先，造型对象物的三维数据被输入至控制装置200。控制装置200生成包含造型条件、方案的执行数据。接着，AM装置实施上述的空AM工序。若在空AM工序中没有不良情况，则实施实际的AM工序来制造造型物。若在空AM工序中有不良情况，则修正不良情况，并再次实施空AM工序。
在上述的实施方式的AM装置中，能够在AM装置中对造型对象物实际进行造型之前使用同一AM装置实施空AM工序，因此，能够在制造前发现AM装置的误动作、造型用数据的不良情况。因此，能够不消耗用于造型的材料而验证AM装置的动作、造型数据、方案。驱动AM装置100的升降台108的驱动机构110、基板114上的XY载物台112、扫描机构174的动作等如果不使AM装置100实际进行动作就不能进行验证，因此，在计算机上的模拟仿真中，不能发现这些的AM装置100的驱动机构的不良情况。本发明的实施方式中的空AM工序不仅能够验证执行数据，也能够验证AM装置的动作机构的动作。
以上，基于几个例子对本发明的实施方式进行了说明，但上述的发明的实施方式是为了容易理解本发明，并不是限定本发明。本发明可以不脱离其主旨地进行变更、改良，并且，本发明当然也包含其等同物。另外，在能够解决上述的技术问题的至少一部分的范围、或起到效果的至少一部分的范围内，能够任意组合或省略记载于请求保护的范围和说明书的各结构要素。
从上述的实施方式至少掌握以下的技术思想。
[方式1]根据方式1，提供一种用于制造造型物的AM装置，该AM装置具有：腔室，该腔室划定用于制造造型物的空间；基板，该基板配置于所述腔室内，并支承造型物的材料；光束源，该光束源用于向所述基板上的材料照射光束；计算装置，该计算装置根据造型物的三维数据决定光束的照射位置；扫描机构，该扫描机构根据被决定的照射位置移动光束；检测器，该检测器用于检测照射到所述腔室内的光束的照射位置；以及评价器，该评价器对被决定的照射位置与检测出的照射位置进行比较。
[方式2]根据方式2，在方式1的AM装置中，具有调整装置，该调整装置用于调整照射的光束的强度。
[方式3]根据方式3，在方式1或方式2的AM装置中，所述光束源是激光源。
[方式4]根据方式4，提供一种试验AM装置中的光束的照射位置的方法，该方法具有：准备通过AM装置制造的造型物的三维数据的步骤；基于所述三维数据决定光束的照射位置的步骤；在不存在所述造型物的材料的状态下，根据被决定的所述光束的照射位置使AM装置动作而照射光束的步骤；检测照射出的光束的位置的步骤；以及对被决定的所述光束的照射位置与检测出的所述光束的位置进行比较的步骤。
[方式5]根据方式5，在方式4的方法中，照射所述光束的步骤以比通过AM装置制造造型物时照射的光束强度小的光束强度进行。
[方式6]根据方式6，在方式4或方式5的方法中，所述光束是激光。
符号说明
102…处理室
106…增层室
108…升降台
110…驱动机构
112…载物台
114…基板
150…材料供给机构
152…材料粉末
154…储存容器
160…移动机构
170…激光光源
171…调整装置
172…激光
174…扫描机构
200…控制装置
202…检测器
D1…三维数据
M1…造型物

Claims (6)

1.一种AM装置，用于制造造型物，其特征在于，具有：
腔室，该腔室划定用于制造造型物的空间；
基板，该基板配置于所述腔室内，并支承造型物的材料；
光束源，该光束源用于向所述基板上的材料照射光束；
计算装置，该计算装置根据造型物的三维数据决定用于制造造型物的光束的照射位置；
扫描机构，该扫描机构根据被决定的照射位置移动光束；
检测器，该检测器用于检测照射到所述腔室内的光束的照射位置；以及
评价器，该评价器对被决定的照射位置与检测出的照射位置进行比较，
所述AM装置构成为：
在不存在所述造型物的材料的状态下，所述AM装置根据被决定的所述光束的照射位置使所述扫描机构动作而照射光束，
检测照射出的光束的位置，
对被决定的所述光束的照射位置与检测出的所述光束的位置进行比较。
2.根据权利要求1所述的AM装置，其特征在于，
具有调整装置，该调整装置用于调整照射的光束的强度。
3.根据权利要求1或2所述的AM装置，其特征在于，
所述光束源是激光源。
4.一种试验AM装置中光束的照射位置的方法，其特征在于，具有：
准备通过AM装置制造的造型物的三维数据的步骤；
基于所述三维数据决定用于制造造型物的光束的照射位置的步骤；
在不存在所述造型物的材料的状态下，根据被决定的所述光束的照射位置使AM装置动作而照射光束的步骤；
检测照射出的光束的位置的步骤；以及
对被决定的所述光束的照射位置与检测出的所述光束的位置进行比较的步骤。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，
照射所述光束的步骤以比通过AM装置制造造型物时照射的光束强度小的光束强度进行。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，
所述光束是激光。
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