CN1921970A - 为通过自由形状烧结或熔化制造产品生成控制数据组的方法和装置以及用于制造该产品的装置 - Google Patents

为通过自由形状烧结或熔化制造产品生成控制数据组的方法和装置以及用于制造该产品的装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种为通过利用高能射束(8)，特别是激光束或者电子束的自由形状烧结和/或熔化制造金属和/或非金属产品(2、21)生成控制数据组的方法，其中，产品(2、21)利用这种方法借助于控制数据组引导的射束(8)由分层的可涂覆的材料(6)逐层(12－15、20、22)构成，其中，该方法具有输入表示所要制造产品的额定几何形状的产品额定几何形状数据组的步骤(23)和根据产品额定几何形状数据组生成控制数据组的步骤(25)。为提高尺寸精确性，该方法包括另外的步骤：即，确定用于补偿由于烧结和/或熔化造成的加工技术影响的补偿数据组和/或补偿函数的步骤(24)和组合补偿数据组和/或在产品额定几何形状数据组上应用补偿函数以生成控制数据组的步骤(25)。本发明还涉及一种用于实施这种方法的相应装置(11)以及一种用于制造这种产品(2、21)的受到相应控制的设备(1)。

Description

为通过自由形状烧结或熔化制造产品生成控制数据组 的方法和装置以及用于制造该产品的装置
技术领域
本发明涉及一种方法以及一种装置，该方法和装置为通过利用高能射束，特别是激光束或者电子束的自由形状烧结和/或熔化制造金属和/或非金属产品生成控制数据组，其中，产品利用这种方法借助控制数据组引导的射束由分层的可涂覆的材料逐层构成。其中，该方法包括输入表示所要制造产品的额定几何形状的产品额定几何形状数据组的步骤和根据产品额定几何形状数据组生成控制数据组的步骤。用于生成控制数据组的装置以相应的方式具有用于输入表示所要制造产品的额定几何形状的产品额定几何形状数据组的装置和用于根据产品额定几何形状数据组生成控制数据组的装置。
本发明还涉及一种设备，该设备通过利用高能射束，特别是激光束或者电子束的自由形状烧结和/或熔化制造这种产品，其中，该装置具有用于生成这种射束的射束源、用于容纳分层的可涂覆材料的平台和用于控制射束的控制装置，借助于其可以数据控制地引导射束，以便由所述材料逐层构成产品。
背景技术
这种方法、装置和设备是公知的。它们通常在制造牙科产品方面使用，例如像牙冠、牙桥、植入物等，但也用于其它产品。
但一般情况下对这种产品的精密度和尺寸精确性提出很高的要求。特别是在制造牙科产品方面，追求不超过十分之一毫米的精度。然而公知的烧结或熔化系统不能以足够的程度取得这种高精度。
发明内容
本发明所要求解决的技术问题因此在于，提高通过利用高能射束，特别是激光束或者电子束的自由形状烧结和/或熔化制造的产品的尺寸精确性。
本发明通过一种开头所述类型的方法以下述方式解决了这一技术问题，即，该方法还具有确定用于补偿由于烧结和/或熔化造成的加工技术影响的补偿数据组和/或补偿函数的步骤，以及组合补偿数据组和/或在产品额定几何形状数据组上应用补偿函数以生成控制数据组的步骤。
此外，本发明还通过一种开头所述类型的装置解决了这一技术问题，该装置具有用于确定用于补偿通过烧结和/或熔化造成的加工技术影响的补偿数据组和/或补偿函数的装置，以及用于组合补偿数据组和/或在产品额定几何形状数据组上应用补偿函数以生成控制数据组的装置。
最后，本发明通过一种开头所述类型的设备解决了这一技术问题，其中，控制装置具有用于生成用于引导射束的控制数据的上述装置。
本发明认识到，加工技术造成的影响，也就是通过借助于高能射束的烧结和/或熔化造成的影响，这对所要制造产品的尺寸精确性可能产生消极影响。
在借助于高能射束的自由形状烧结或熔化时以下述方式形成产品，即，通过高能射束例如激光束或者电子束分段照射通常呈粉末状的材料，由此加热和熔化所述材料而使其分别与相邻的材料相连接。
但是这种分层结构导致在产品具有向水平线或垂直线倾斜的(侧面)部分的情况下，所要涂覆的新层在其下面没有所要制造产品的部分的区域内延伸。也就是说，所要制造的新层在侧面相对于此前制造的层突起。
但本发明认识到，在这些突起的区域内熔化的材料在处于其下面的层的区域内延伸。在该区域内形成所谓的熔珠，也就是使产品尺寸改变的产品的珠状或部分珠状的外翻(Ausstülpungen)。在这些区域内由此产品的厚度高于原来计划的尺寸。
本发明此外认识到，由于分层结构和不同温度的层连接，因不同层内部不同的热膨胀而在层内部形成应力。只要产品从支承件(即所谓的衬板)松开，那么这些应力就导致变形。
由于这种举例示出的影响而发生的实际制造的产品相对于计划产品的变化根据本发明这样得到补偿，即，首先确定补偿数据组和/或补偿函数。随后将该补偿数据组与产品额定几何形状的数据组相组合或在该产品额定几何形状数据组上应用补偿函数以生成控制数据组，借助于该控制数据组引导烧结和/或熔化期间的高能射束。
根据由此确定的补偿函数或补偿数据组，利用高能射束的烧结或熔化的消极加工技术影响可以尽可能地得到补偿，从而可以很大程度地提高尺寸精确性。
优选补偿数据组或补偿函数在取决于根据尺寸和形状以及相切地邻接在所要制造产品外表面上的平面与基准面(例如水平基准面)所成的倾角的情况下确定。其中，特别是与该切平面垂直地确定的所要制造产品的厚度借助于补偿数据组或补偿函数在取决于该倾角的情况下降低。按照这种方式，上述熔珠或部分熔珠可以根据所要制造产品或产品部分的厚度得到补偿。(特别是在倾斜部分的区域内的)与产品尺寸相关的可能缺陷因此尽可能地得到避免。
优选补偿函数是连续且可微的。特别是补偿函数具有二次、三次、四次和/或更高次的多项式。业已表明，借助于这种补偿函数，由于产品的分层结构而产生的不同的温度和几何形状造成的应力效应可以得到令人满意的补偿。
在一种特别优选的实施方式中，多个补偿函数分别应用于所要制造产品的不同区域。在另一实施方式中，这种补偿函数的多项式的次数同样取决于所要制造产品的各个区域。
在另一优选的实施方式中，为所要制造产品的具有简单几何形状的区域应用低次的多项式，而为所要制造产品的具有复杂几何形状的区域则应用高次的多项式。各个多项式的次数也决定计算费用。计算费用自然地随着多项式的次数增加。因此优选的是仅仅这样应用多项式：即，仅应用可以达到令人满意的补偿结果的具有尽可能低次的多项式。但因为温度造成的应力效应取决于所要制造产品的几何形状，所以这些应力在所要制造产品的不同区域上的作用同样不同。因此一般情况下完全可以在紧凑的几何形状中应用较简单的补偿函数和在复杂或精细几何形状中应用较复杂的补偿函数。因此可以有利地降低计算费用并从而提高所使用的烧结或熔化装置的效率。
在另一特殊的实施方式中，仅为所要制造产品的某些区域在产品几何形状数据组上应用补偿函数。例如，仅为所要制造的作为牙代用品的牙桥的连接区域在产品几何形状数据组上应用补偿函数。也就是在这种所要制造产品中的情况表明，特别是在这些连接区域内产生应力，而相对紧凑地构成的表示牙齿的区域内的应力则很大程度地降低了温度造成的应力效应。利用补偿函数的这种选择性的应用同样可以降低计算费用并从而更好地充分利用所使用装置的计算能力。
特别优选的是，补偿数据组和/或补偿函数借助一组参数中的至少一个参数确定，该组包括下列内容：材料的弹性模量、固相温度、热膨胀系数、抗拉强度和弹性屈服点；表示围绕所要加工材料的加工室内部温度的加工室温度，表示材料的受高能射束照射区域的温度的加工温度；表示已涂覆材料层厚度的层厚度；烧结或熔化过程中射束源，特别是激光器或者电子射束源的功率或射束，特别是激光束或电子束的功率；射束的移动速度；照射策略；几何形状和特别是所要制造产品的高度以及产品烧结或熔化之后可能的后处理类型。业已表明，通过考虑这些参数或这些参数的一部分，可以很大程度地补偿加工技术造成的影响。
在另一优选的实施方式中，在材料层的照射期间和/或之后，以光学方式测量产品正在产生或已经产生的轮廓。把按照这种方式获得的测量数据与产品额定几何形状数据组的数据进行比较。在确定偏差时相应于所确定的偏差对控制数据组进行修正。通过产品在其形成时的这种光学测量和同时对控制数据组进行的修正，可以按照具有优点的方式进一步提高所要制造产品的精度和尺寸精确性。
附图说明
其他优选的实施方式由借助附图详细解释的实施例给出。在附图中：
图1示出根据本发明的一个实施例的用于通过自由形状烧结和/或熔化制造产品的装置的示意剖面图；
图2示出用于说明根据一种理想的理论模式借助于图1所示装置制造的产品的分层结构的示意剖面图；
图3示出与图2相应一种实际制造的产品示意图；
图4示出所要制造产品的第一激光烧结或激光熔化层的示意侧剖面图，该产品借助于多个支架与位于其下方的衬板相连接；
图5示出具有另一涂覆层的图4所示产品；
图6示出图5所示产品，但是在从支架上拆下来的情况下；以及
图7示出用于说明根据本发明的一个实施例的用于为激光束生成控制数据组的方法的方法步骤的流程图。
具体实施方式
图1示出一种用于通过自由形状激光烧结和/或熔化制造金属和/或非金属产品2的装置1，特别是牙科产品，如牙冠、牙桥、牙植入物等，或者医疗产品例如假体。装置1具有操作台3及高度可调的平台4，衬板5平放在该平台上面。平台4可通过一个未示出的传动装置在其高度上逐级地，尤其是以与呈粉末状的材料6的粉末颗粒大小相匹配的级差进行调整。
装置1还具有设置在操作台3上方的激光器7，例如CO2激光器，其射束8由适当的装置，特别是计算机控制的镜面检流计9引导。
装置1还具有涂层机构10，借助于其使粉末状材料6均匀分布在操作台3的表面上，使得特别是平台4的表面与操作台3的表面之间的空间直至操作台3的表面上均布满粉末状的材料6。
制造产品2的过程如下进行：首先平台4处于上部起始位置上。然后接通激光器7并将其激光束8对准粉末状的材料6。固定激光束8并利用由其产生的热熔化粉末状材料6，该材料-根据施加在粉末状材料6上的能量大小与周围的粉末颗粒烧结或熔化。激光束8借助于控制数据组引导。激光束根据这种引导照射粉末状材料6的预定位置。在由激光束8照射的区域上，产生一个固体层的熔化或者烧结材料。
一旦完成一层，就关闭激光器7并将平台4降下一个例如与材料6的粉末颗粒的平均直径相匹配的层厚度。随后借助于涂层机构10涂覆并刮平新的一层粉末状材料6。然后重新接通激光器7并把激光器7在计算机控制下重新移动到预定位置或者与其邻接或者不邻接的区域，在该预定位置，内部粉末状材料6与此前产生的层熔化或者烧结。涂覆粉末状原始材料6层和这些层与此前涂覆的层借助于激光束8烧结或熔化的这种过程重复进行，直至以所期望的形状构成产品2。
装置1具有控制装置11，借助于该控制装置，特别是通过镜面检流计9和平台4的高度调整来控制激光器7的接通和关闭以及激光束8的定位。装置1这些部件的协调基本上保证产品2所期望的构成。
控制装置11具有用于输入表示所要制造的产品的额定几何形状的产品额定几何形状数据组的装置。控制装置根据这些额定几何形状数据计算出激光束借助于其引导的控制数据组。例如，该控制数据组具有用于调整镜面检流计9的数据，借助于这些数据，确定激光束8在材料6最上层的击中点。
控制装置11此外确定下面解释的加工技术影响的补偿数据组和/或补偿函数，这些影响在激光烧结或激光熔化时出现。将这些补偿数据与额定几何形状数据相组合或在额定几何形状数据组上应用补偿函数，以生成前面解释的控制数据组。按照这种方式，在制造产品2之前或在产生产品2的下一个要形成的层之前就可以考虑下面详细解释的激光烧结或激光熔化造成的加工技术影响。
图2用于说明这种第一加工技术的影响。图2示出已经激光烧结或激光熔化的产品2的剖面，该产品可以制造成多层12、13、14、15。但层12-15并不是垂直地彼此叠置的，而是分别彼此相对偏移。通过相应的偏移，形成了紧贴在层末端上的切平面以角度α相对于水平线(例如平台4的顶面)的倾斜。
在图2所示的例子中，层12-15各具有相同的宽度，从而以理想方式产生一种厚度为d的倾斜设置的板，它相对于水平面成角度α。
图3示出实际实现的图2在理论上所示的产品。在层13-15各自相对于其下面的层12-14分别以一定距离偏移的右末端上，形成在激光烧结或激光熔化期间所谓的熔珠或熔珠部分16、17、18。也就是说，在熔化材料6的这些区域内，不仅层13、14、15厚度内部的材料粉末6被精确地加热，而且周围的材料粉末6也被加热，后者在此方面熔化并以液相向下流动并从而形成熔珠16、17、18。
熔珠16至18造成与图2中所示的厚度d相比加大了的厚度d`。
加工技术对所要制造的产品的厚度造成的影响此外也取决于倾角α。角度α，也就是切平面相对于水平面的角度越大，厚度d`与图2中所示的理论厚度d相比的改变就越小。
图4至6示出加工技术在对所要制造产品的尺寸精确性上造成的另一影响。
图4示出多个支架19，它们烧结在衬板5上，以便在其上面形成所要制造产品21的第一层20。该第一层具有一个高度h。但层20在熔化后冷却。由此层20由于冷却而根据其热膨胀系数收缩。但层由此产生的收缩在层20的上部区域内比在层20的下部区域内程度更强地进行，因为层20的下部区域由于支架19并因而由于与衬板5的连接而比较地刚性并因此挠性明显降低。但层20的上面收缩最强。这一点在图4中借助于层20侧端上的虚线示出。
图5示出如何在已经冷却的层20上涂覆另一第二层22，该层也由于冷却在其侧端上向上收缩强于其下部区域内的收缩。
产品通过大量这种层20、22形成，它们分别由于冷却并由于热膨胀系数而收缩，并因此在所要制造的产品21内部产生应力。
但需要指出的是，图4、图5和图6中并非按比例而是非常夸张地示出层由于冷却而造成的宽度变化。但这一点用于说明这种加工技术造成的影响。
图6示出例如沿图5中的虚线的在将最下层20从支架19上拆下来之后的图5所示产品21。只要产品21从支架19上拆下来，该产品就由于上面所述的应力在层20、22内变形。产品21从支架19上拆下来后在其侧端向上弯曲。
这种弯曲近似对应于利用二次多项式描述的曲线。
这种影响同样借助于补偿数据组或补偿函数进行修正。
一系列参数均对实际制造的产品与其理论预先计划的偏差具有影响。在这种情况下特别是下列参数：
材料的弹性模量、固相温度，热膨胀系数、抗拉强度和弹性屈服点，加工期间加工室内部的温度，材料6受激光束照射的区域的温度，层12-15、20、22的厚度，激光器7或激光束8在激光烧结或熔化期间的功率，激光束8的移动速度(也就是激光束在材料6表面上移动的速度)，照射策略(也就是激光器以何种方式需要时反复接近所要照射的预先确定的点)，几何形状(特别是所要制造产品2、21的高度)，以及产品在烧结或熔化之后可能的后处理类型。
所称的参数对所要制造产品的尺寸精确性具有不同的影响。因此——根据所要制造产品所要求的精密度——不需要分别地精确确定所有参数。虽然考虑所有参数可以取得最佳结果。但是考虑所有参数导致费用过高，这样最终造成明显增加生产成本。因此在一种特别优选的实施例中，仅考虑选择最重要的，也就是最具影响的参数。
图7示出用于说明根据本发明一个实施例的方法的流程图。在第一步骤23中，由控制装置11输入所要制造产品的额定几何形状数据。在继续的步骤24中，控制装置11确定补偿数据组和/或补偿函数。在继续的步骤25中，进行补偿数据组的组合和/或补偿函数在产品的额定几何形状数据上的应用，以生成用于控制激光束8的数据组。在继续的步骤26中，激光束8借助该控制数据组控制或引导。
在一种特殊的实施例中，激光烧结或激光熔化期间在继续的步骤27中以光学方式测量产生的产品。在下面的步骤28中，将按照这种方式获得的测量数据与产品的额定几何形状数据进行比较。在接下来的步骤29中，控制数据根据可能的所确定偏差进行修正，使得随后借助修正的控制数据组控制或引导激光束。
总而言之本发明认识到，激光烧结或激光熔化对所要制造产品造成的加工技术影响可以通过监控激光束的控制数据得到补偿并因此可以很大程度地提高所要制造产品的尺寸精确性。
上面虽然结合激光烧结或激光熔化对本发明进行了介绍，但本发明并不局限于将激光束用于烧结或熔化上。取代激光束例如也可以使用电子束。因此上述激光器也可以毫无问题地通过电子束源取代。本发明因此一般涉及通过来自这种高能射束的相应源的高能射束所产生的任何类型的烧结或熔化过程。

Claims (14)

1.一种方法，该方法为通过利用高能射束(8)，特别是激光束或者电子束的自由形状烧结和/或熔化制造金属和/或非金属产品(2、21)，特别是牙科产品或者医疗产品生成控制数据组，其中，利用这种方法，产品(2、21)借助控制数据组引导的射束(8)由分层的可涂覆的材料(6)逐层(12-15、20、22)构成，其中，该方法包括输入表示所要制造产品(2、21)的额定几何形状的产品额定几何形状数据组的步骤(23)和根据产品额定几何形状数据组生成控制数据组的步骤(25)，其特征在于，该方法具有另外的确定用于补偿由于烧结和/或熔化造成的加工技术影响的补偿数据组和/或补偿函数的步骤(24)，以及组合补偿数据组和/或在产品额定几何形状数据组上应用补偿函数以生成控制数据组的步骤(25)。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，补偿数据组或补偿函数根据所要制造产品(2、21)的尺寸和形状确定。
3.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，补偿数据组或补偿函数根据相切地邻接在所要制造的产品(2、21)外表面上的平面与基准面，特别是水平面所成的倾角(α)确定。
4.按权利要求3所述的方法，其特征在于，与该切平面垂直地确定的所要制造产品的厚度(d)借助于补偿数据组或补偿函数根据倾角(α)降低。
5.按前述权利要求中任何一项所述的方法，其特征在于，补偿函数连续且可微。
6.按权利要求5所述的方法，其特征在于，补偿函数具有二次、三次、四次和/或更高次的多项式。
7.按权利要求6所述的方法，其特征在于，为一个产品应用在其次数方面至少部分不同的多个补偿函数。
8.按权利要求7所述的方法，其特征在于，为所要制造产品的具有简单几何形状的区域应用低次多项式，而为所要制造产品的具有复杂几何形状的区域则应用高次多项式。
9.按前述权利要求中任何一项所述的方法，其特征在于，仅为所要制造产品的一定区域在所述产品几何形状数据组上应用补偿函数。
10.按权利要求9所述的方法，其特征在于，仅为所要制造的作为牙代用品的牙桥的连接区域在所述产品几何形状数据组上应用补偿函数。
11.按前述权利要求中任何一项所述的方法，其特征在于，补偿数据组和/或补偿函数借助一组参数中的至少一个参数确定，该组包括下列内容：
材料(6)的弹性模量，
材料(6)的固相温度，
材料(6)的热膨胀系数，
材料(6)的抗拉强度，
材料(6)的弹性屈服点，
表示围绕所要加工材料(6)的加工室内部温度的加工室温度，
表示材料(6)受射束(8)照射的区域温度的加工温度，
表示所要涂覆或已涂覆材料层(12-15、20、22)厚度的层厚度(d)，
烧结或熔化过程期间射束源、特别是激光器(7)或者电子射束源的功率，或者射束，特别是激光束(8)或电子束的功率，
射束(8)的移动速度，
照射策略，
所要制造产品(2、21)的几何形状，
所要制造产品(2、21)的高度，以及
产品(2、21)烧结或熔化之后可能的后处理类型。
12.按前述权利要求中的任何一项所述的方法，其特征在于，在材料层(12-15、20、22)的照射期间和/或之后，以光学方式测量产品(2、21)正在产生或已经产生的轮廓，并将按照这种方式获得的测量数据与产品额定几何形状数据组的数据进行比较，以及在确定控制数据组的偏差时相应于所确定的偏差进行修正。
13.一种装置，该装置用于通过借助于高能射束(8)，特别是激光束或者电子束的自由形状烧结和/或熔化为制造金属和/或非金属产品(2、21)，特别是牙科产品或者医疗产品生成控制数据组，并用于实施按权利要求1至12中任何一项所述的方法，其中，产品(2、21)可利用这种方法借助可由控制数据组引导的射束(8)由分层的可涂覆的材料(6)逐层(12-15、20、22)构成，其中，该装置(11)
具有用于输入表示所要制造产品(2、21)的额定几何形状的产品额定几何形状数据组的步骤(23)的装置，以及
用于根据产品额定几何形状数据组生成控制数据组的步骤(25)的装置，
其特征在于，
用于确定补偿数据组和/或补偿函数以补偿烧结和/或熔化造成的加工技术影响的步骤(24)的装置，以及
用于组合补偿数据组和/或在产品额定几何形状数据组上应用补偿函数以生成控制数据组的步骤(25)的装置。
14.一种设备，该设备用于通过借助于高能射束(8)，特别是激光束或者电子束的自由形状烧结和/或熔化制造金属和/或非金属产品(2、21)，特别是牙科产品或者医疗产品，其中，该设备具有
射束源(7)，特别是激光器或者电子束源，用于产生这种射束(8)，
用于接纳分层可涂覆材料(6)的平台(4)，以及
用于控制射束(8)的控制装置(11)，可以借助其以数据控制方式引导射束(8)，以便由材料(6)逐层(12-15、20、22)构成所述产品，
其特征在于，控制装置(11)具有用于生成按权利要求13所述用于引导射束(8)的控制数据的装置。
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