本發(fā)明涉及通過(guò)使用能量束來(lái)制造三維制造物體的三維制造方法和三維制造裝置。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，通過(guò)使用能量束進(jìn)行加熱工藝的粉末床熔融(熔化和結(jié)合)技術(shù)來(lái)制造三維制造物體的三維制造方法正在不斷發(fā)展。在使用能量束進(jìn)行加熱步驟的粉末床熔融技術(shù)中，由于能量束而蒸發(fā)的材料粉末在裝置中固化而成的被稱為煙的細(xì)粉末成為問(wèn)題。

日本專利申請(qǐng)公開(kāi)文本no.2010-132961公開(kāi)了在裝置內(nèi)形成非活性氣體流，并且從裝置內(nèi)部排除在裝置內(nèi)生成的煙。另外，日本專利no.5721886公開(kāi)了在形成粉末床的層形成單元中提供吸煙單元。

由于日本專利申請(qǐng)公開(kāi)文本no.2010-132961和日本專利no.5721886中公開(kāi)的技術(shù)都致力于在制造三維制造物體的工藝中不可避免地生成煙的前提下去減少煙的影響，因此在本質(zhì)上是不可能降低在三維制造物體的制造工藝中生成的煙的總量本身的。

順便提及，在使用能量束進(jìn)行加熱工藝的常規(guī)粉末床熔融技術(shù)中，移動(dòng)能量束以使其射束點(diǎn)與被熔融并固化的固化區(qū)域和與固化區(qū)域相鄰的未固化區(qū)域這兩者都重疊。也就是說(shuō)，沿著固化區(qū)域和未固化區(qū)域的邊界移動(dòng)射束點(diǎn)，以同時(shí)熔融固化區(qū)域和未固化區(qū)域這兩者并使它們一體化。

在此，在粉末狀態(tài)的未固化區(qū)域，與由于固化熱容易擴(kuò)散的固化區(qū)域相比，煙傾向于更容易產(chǎn)生。因此，提議將未固化區(qū)域中的每單位面積加熱量設(shè)置為低于固化區(qū)域中的每單位面積加熱量。然而，當(dāng)射束點(diǎn)沿著固化區(qū)域和未固化區(qū)域之間的邊界移動(dòng)時(shí)，很難分別地調(diào)節(jié)固化區(qū)域和未固化區(qū)域的每個(gè)的每單位面積加熱量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供能夠容易地分別調(diào)節(jié)固化區(qū)域和未固化區(qū)域的每個(gè)的每單位面積加熱量的三維制造方法和三維制造裝置。

根據(jù)本發(fā)明的三維制造方法是一種物體制造方法，其包含：使控制單元形成材料粉末層的層形成步驟；使控制單元在移動(dòng)能量束時(shí)交替地加熱通過(guò)熔融并固化在層形成步驟中形成的層而得到的固化區(qū)域和與固化區(qū)域相鄰的未固化區(qū)域，由此一體化地熔融并固化固化區(qū)域和未固化區(qū)域的加熱步驟。

根據(jù)本發(fā)明的三維制造裝置，包含：配設(shè)為能夠形成材料粉末層的層形成單元；配設(shè)為用激光束加熱層形成單元形成的層的加熱單元；和配設(shè)為使層形成單元形成層，使加熱單元加熱層的控制單元。并且，控制單元配設(shè)為在移動(dòng)能量束時(shí)交替地加熱通過(guò)熔融并固化層而得到的固化區(qū)域和與固化區(qū)域相鄰的未固化區(qū)域，由此一體化地熔融并固化固化區(qū)域和未固化區(qū)域。

根據(jù)本發(fā)明，可以提供能夠容易地分別調(diào)節(jié)固化區(qū)域和未固化區(qū)域的每個(gè)的每單位面積加熱量的三維制造方法和三維制造裝置。由此，能夠分別調(diào)節(jié)固化區(qū)域和未固化區(qū)域的每個(gè)的每單位面積加熱量，因此降低在制造三維制造物體的工藝中生成的煙本身的總量。

通過(guò)下面參照附圖對(duì)典型實(shí)施方式的描述，本發(fā)明的進(jìn)一步的特征將會(huì)變得明顯。

附圖說(shuō)明

圖1是根據(jù)第一實(shí)施方式的三維制造裝置的構(gòu)成的說(shuō)明圖。

圖2是三維制造裝置的控制系統(tǒng)的方塊圖。

圖3是三維制造物體的制造工藝的流程圖。

圖4a和4b是常規(guī)掃描加熱中的邊界加熱的說(shuō)明圖。更具體地，圖4a是示出材料粉末層上的激光束掃描路徑的透視圖，圖4b是示出具有放大了的射束點(diǎn)的邊界加熱的透視圖。

圖5a和5b是利用激光束的邊界掃描加熱的說(shuō)明圖。更具體地，圖5a是示出激光束掃描路徑的圖，圖5b是示出邊界掃描加熱的透視圖。

圖6是創(chuàng)建邊界掃描加熱工藝程序的工藝流程圖。

圖7是示出邊界掃描加熱中的射束點(diǎn)移動(dòng)路徑的說(shuō)明圖。

圖8是示出實(shí)施例1中的激光束移動(dòng)速度的設(shè)置的說(shuō)明圖。

圖9a和9b是實(shí)施例2和3中的激光束的輸出的設(shè)置的說(shuō)明圖。更具體地，圖9a是示出激光束輸出的圖，圖9b是示出邊界掃描加熱的激光束的掃描速度的圖。

圖10a和10b是實(shí)施例4中的激光束的輸出的設(shè)置的說(shuō)明圖。更具體地，圖10a是示出激光束輸出的圖，圖10b是示出邊界掃描加熱的激光束的掃描速度的圖。

圖11a和11b是根據(jù)第二實(shí)施方式的邊界掃描加熱的說(shuō)明圖。更具體地，圖11a是示出激光束輸出的圖，圖11b是示出邊界掃描加熱的激光束的掃描速度的圖。

具體實(shí)施方式

以下，依據(jù)附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行具體的描述。

<第一實(shí)施方式>

在第一實(shí)施方式中，在固化區(qū)域和未固化區(qū)域之間的邊界進(jìn)行邊界掃描加熱，以一體化地熔融(熔化)并固化固化區(qū)域和未固化區(qū)域。并且，未固化區(qū)域中的激光束邊界掃描速度設(shè)為高于固化區(qū)域中的激光束邊界掃描速度。由此，可以降低粉末床熔融技術(shù)中煙自身的產(chǎn)生。

(三維制造裝置)

圖1是根據(jù)第一實(shí)施方式的三維制造裝置的構(gòu)成的說(shuō)明圖。粉末床熔融技術(shù)在近些年被發(fā)展是因?yàn)樗梢灾圃煨∨慷喾N類的金屬零件和復(fù)雜形狀的金屬零件。在粉末床熔融技術(shù)中，通常，對(duì)于許多層重復(fù)進(jìn)行如下工藝：形成材料粉末層，利用能量束局部地熔融所形成的層，并且在平面方向和深度方向接合或組合熔融層與另一層；所獲得的多層然后被層疊以形成產(chǎn)品制造物體。

如圖1所示，三維制造裝置100是粉末床熔融系統(tǒng)的所謂的3d打印機(jī)。容器101由不銹鋼制成，并且能夠氣密密封。壓力計(jì)143連接到容器101。

氣體抽空單元141抽空容器101的內(nèi)部以排出氧氣。氣體抽空單元141由干式泵構(gòu)成。氣體供應(yīng)單元142能夠向容器101內(nèi)供應(yīng)氮?dú)狻?/p>

氣體抽空單元141在與容器101的連接部具有能夠調(diào)節(jié)開(kāi)口量的開(kāi)口調(diào)節(jié)閥。通過(guò)在由氣體供應(yīng)單元142向容器101供應(yīng)氣體時(shí)根據(jù)壓力計(jì)143的輸出來(lái)調(diào)節(jié)開(kāi)口調(diào)節(jié)閥，三維制造裝置100能夠保持容器101的內(nèi)部為期望的氣氛和期望的壓力(真空度)。

在容器101內(nèi)配置制造容器120。在制造容器120中，在臺(tái)121上配置層疊基底材料124，其為材料粉末131的層132在其上被層疊的基板。上升/下降單元122以對(duì)應(yīng)于層132的厚度的任意間距使臺(tái)121逐步下降。

層形成單元104能夠在制造容器120中形成材料粉末131的層132。隨著含有材料粉末131的移動(dòng)單元135沿著制造容器120的上表面在箭頭r1的方向移動(dòng)，層形成單元104形成材料粉末131的層132。層形成單元104在層疊基底材料124或?qū)?32上形成并層疊材料粉末131的層132。并且，層形成單元104通過(guò)涂刷器，滾筒等(未示出)將具有幾微米到幾十微米粒子直徑的金屬粉末的材料粉末131形成至約10μm-100μm的均一的厚度。在第一實(shí)施方式中，利用層形成單元104，用具有粒子直徑20μm的sus316(steelusestainless316)材料粉末形成了厚度40μm的層132。

掃描加熱單元130用激光束109來(lái)加熱利用層形成單元104(層形成單元的一例)形成的層132。掃描加熱單元130利用由光源105生成的激光束109通過(guò)掃描鏡106m和116m來(lái)進(jìn)行雙軸掃描，從而來(lái)加熱層132的對(duì)應(yīng)于輸入數(shù)據(jù)的固化區(qū)域。掃描加熱單元130利用激光束109來(lái)加熱制造容器120的層132，幾乎瞬間熔融該層，并一體化地固化熔融層和熔融層下面的固體材料。由此，在制造容器120中形成的層132的期望制造區(qū)域變?yōu)榱斯袒瘜?32h。

光源105為yag(yttriumaluminumgarnet)激光振蕩器，是具有1070nm波長(zhǎng)和500w輸出的半導(dǎo)體光纖激光器。光學(xué)系統(tǒng)107，包括用于聚焦激光束的透鏡，在層132的高度形成激光束的射束點(diǎn)。透射窗口108用于使激光束109透射到容器101中。

控制單元200(控制單元的一例)，使層形成單元104形成層132，使掃描加熱單元130(掃描加熱單元的一例)加熱層132?？刂茊卧?00移動(dòng)激光束109以交替地加熱如圖5b所示的其中層132已被熔融并固化了的固化區(qū)域302和與固化區(qū)域302相鄰的未固化區(qū)域301，由此一體化地熔融并固化固化區(qū)域302和未固化區(qū)域301。

(制造物體的制造工藝)

圖2是示出三維制造裝置的控制系統(tǒng)的方塊圖。圖3是描述三維制造物體的制造工藝的流程圖。如圖1所示，三維制造裝置100重復(fù)地進(jìn)行層形成步驟和激光加熱步驟以制造層疊了固化層132h的三維產(chǎn)品制造物體133。三維制造裝置100通過(guò)控制掃描鏡106m和116m來(lái)改變激光束109的移動(dòng)速度，通過(guò)控制光源105來(lái)改變激光束109的輸出。

如圖2所示，控制單元200將從rom(只讀存儲(chǔ)器)207中提取的三維制造工藝的控制程序和數(shù)據(jù)保存在ram(隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)206中，cpu(中央處理單元)205對(duì)所保存的程序和數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和控制，以使控制單元作為三維制造工藝控制器起作用。控制單元200通過(guò)執(zhí)行由外部計(jì)算機(jī)210創(chuàng)建的工藝程序來(lái)控制三維制造裝置100。

如圖3所示，當(dāng)使用者通過(guò)操作單元208指示開(kāi)始工藝時(shí)，控制單元200進(jìn)行準(zhǔn)備步驟(s11)。在準(zhǔn)備步驟中，如圖1所示，氣體抽空單元141運(yùn)行以抽空(或排空)容器101的內(nèi)部。然后，當(dāng)容器101內(nèi)部的壓力到達(dá)幾百帕斯卡(pa)時(shí)，開(kāi)始利用氣體供應(yīng)單元142的氣體供應(yīng)以設(shè)置容器101中的壓力和氣氛。進(jìn)一步地，通過(guò)運(yùn)行上升/下降單元122使臺(tái)121下降，在層疊基底材料124上形成用于形成第一層132的空間。

準(zhǔn)備步驟完成時(shí)，控制單元200進(jìn)行層形成步驟(s12)。在層形成步驟(s12)(層形成工序的一例)中，控制單元200引起形成材料粉末131的層132。在層形成步驟中，如圖1所示，層形成單元104運(yùn)行以在層疊基底材料124上或已經(jīng)形成的層132上形成材料粉末131的層132。

層形成步驟完成時(shí)，控制單元200進(jìn)行激光加熱步驟(s13)。在激光加熱步驟(s13)(加熱工序的一例)中，控制單元200控制激光束109(能量束的一例)來(lái)交替地加熱層132中的已經(jīng)熔融并固化的固化區(qū)域302和與固化區(qū)域302相鄰的未固化區(qū)域301。由此，同時(shí)一體化地熔融并固化固化區(qū)域302和未固化區(qū)域301。在激光加熱步驟中，如圖1所示，掃描加熱單元130和光源105運(yùn)行以利用激光束109來(lái)熔融并固化層132上的制造區(qū)域。激光加熱步驟在引入氮?dú)獾臏p壓或大氣壓氣氛中進(jìn)行。熔融并固化位于激光束109的移動(dòng)路徑上的材料粉末131，以使層132的表面分為固化區(qū)域和未固化區(qū)域。

激光加熱步驟完成時(shí)，控制單元200進(jìn)行下降步驟(s14)。在下降步驟中，如圖1所示，上升/下降單元122運(yùn)行以使臺(tái)121下降，從而形成在激光加熱步驟已經(jīng)對(duì)其進(jìn)行了的層132上形成下一層132的空間。

控制單元200重復(fù)地進(jìn)行層形成步驟(s12)，激光加熱步驟(s13)和下降步驟(s14)，直至達(dá)到了形成產(chǎn)品制造物體所需的層疊次數(shù)(s15中為no)。當(dāng)達(dá)到了所需的層疊次數(shù)(s15中為yes)，控制單元200進(jìn)行取出步驟(s16)。在取出步驟中，如圖1所示，氣體供應(yīng)單元142和氣體抽空單元141停止，外部空氣供應(yīng)到容器101中以冷卻產(chǎn)品制造物體133，并且，在產(chǎn)品制造物體冷卻下來(lái)后，通過(guò)顯示單元209允許使用者取出(或拿出)所制造的產(chǎn)品。

(常規(guī)邊界加熱)

圖4a和4b是常規(guī)掃描加熱中的邊界加熱的說(shuō)明圖。更具體地，圖4a是示出材料粉末層上的激光束掃描路徑的透視圖，圖4b是示出具有放大了的射束點(diǎn)的邊界加熱的透視圖。

如圖4a所示，三維制造裝置100使用在y方向上以相等的間隔反復(fù)重復(fù)線性x方向上的主掃描的光柵掃描。通過(guò)在進(jìn)行激光束109在x方向的主掃描時(shí)進(jìn)行其在y方向的副掃描，激光束109以均一的照射密度照射到層132的表面。然后，通過(guò)對(duì)多個(gè)層132重復(fù)這樣的掃描，可以將其中層疊了固化區(qū)域302的產(chǎn)品制造物體(圖1中133)形成至期望的形狀。

如圖4b所示，在激光加熱步驟中，在之前的主掃描中熔融并固化了的固化區(qū)域302，且還沒(méi)有固化的未固化區(qū)域301被同時(shí)熔融并一體化固化。從而，常規(guī)地，形成了具有與固化區(qū)域302和未固化區(qū)域301重疊的尺寸的射束點(diǎn)110b，并且掃描激光束109以使射束點(diǎn)110b的中心沿著固化區(qū)域302和未固化區(qū)域301之間的邊界移動(dòng)。射束點(diǎn)110b的直徑大于主掃描中的掃描間距111，固化區(qū)域302和未固化區(qū)域301這兩者被射束點(diǎn)110b同時(shí)加熱并因此熔融。通過(guò)沿著主掃描路徑連續(xù)地進(jìn)行用射束點(diǎn)110b連接固化區(qū)域302和未固化區(qū)域301的工藝，固化區(qū)域302被成形至所希望的形狀。

(煙的問(wèn)題)

為了防止氧化，粉末床熔融技術(shù)中的能量束照射通常在非活性氣體中進(jìn)行。在粉末床熔融技術(shù)中，隨著材料粉末在非活性氣體中被能量束加熱，細(xì)顆粒(所謂煙)在容器中生成。

如圖1所示，在激光加熱步驟中，當(dāng)激光束109照射到材料粉末131的層132并且層由此被加熱時(shí)，生成被稱為煙的煙霧。煙是當(dāng)材料粉末131被急劇地加熱時(shí)，在由升華或蒸發(fā)而生成的金屬蒸汽被凝聚的情況下生成的細(xì)顆粒。當(dāng)容器101充滿煙時(shí)，煙粘附到通過(guò)其激光束109被引入到容器101的透射窗口108，以使透射率減小?；蛘撸≡谌萜?01的煙散射激光束109，以使達(dá)到材料粉末131的層132的激光束109減小。在此，當(dāng)達(dá)到層132的激光束109減小時(shí)，有材料粉末131的熔融可能不足的可能。因此，在激光加熱步驟中，要求抑制煙的生成量。

順便提及，材料粉末131已經(jīng)被熔融并固化的固化區(qū)域302的熱導(dǎo)率高于未熔融材料粉末131的未固化區(qū)域301的熱導(dǎo)率，并且當(dāng)激光束109照射時(shí)固化區(qū)域的溫度不會(huì)容易地上升。由于這個(gè)原因，希望與熔融固化區(qū)域302所需的能量相比，降低熔融未固化區(qū)域301所需的激光束109的能量。如圖4b所示，當(dāng)固化區(qū)域302和未固化區(qū)域301被普通射束點(diǎn)110b同時(shí)加熱時(shí)，激光束109以熔融固化區(qū)域302所需的強(qiáng)度照射到未固化區(qū)域301。由此，未固化區(qū)域301用大于熔融所要求的級(jí)別的激光束109照射，未固化區(qū)域變?yōu)檫^(guò)熱狀態(tài)，煙的生成量增大。

因此，在第一實(shí)施方式中，在固化區(qū)域302和未固化區(qū)域301之間的邊界進(jìn)行掃描射束點(diǎn)110b的邊界掃描加熱，從而交替地加熱固化區(qū)域302和未固化區(qū)域301。在此，對(duì)于未固化區(qū)域301，激光束109每單位面積照射量設(shè)置為小于固化區(qū)域302的激光束109每單位面積照射量。

(邊界掃描加熱)

圖5a和5b是利用激光束的邊界掃描加熱的說(shuō)明圖。圖6是創(chuàng)建邊界掃描加熱工藝程序的工藝流程圖。更具體地，圖5a是示出激光束掃描路徑的圖，圖5b是示出邊界掃描加熱的透視圖。

如圖5a所示，在第一實(shí)施方式中，沿著對(duì)于每個(gè)掃描間距111進(jìn)行的主掃描進(jìn)行邊界掃描加熱。在邊界掃描加熱中，當(dāng)在y方向以恒定掃描間距111移動(dòng)地在x方向進(jìn)行主掃描時(shí)，激光束109以高頻率在y方向以三角波波形往復(fù)。

在固化區(qū)域302和未固化區(qū)域301之間以高速度移動(dòng)射束點(diǎn)110b以交替地加熱固化區(qū)域302和未固化區(qū)域301。熔融且固化了的固化區(qū)域302和尚未固化的未固化區(qū)域301被激光束109交替地加熱，以使固化區(qū)域302和未固化區(qū)域301被一體化地熔融并固化。射束點(diǎn)110b新照射到的區(qū)域被熔融，然后在該區(qū)域和由于射束點(diǎn)110b的照射已經(jīng)被熔融的區(qū)域之間發(fā)生固化。

由于掃描間距111等同于應(yīng)該被一次主掃描熔融并固化的范圍，所以使利用射束點(diǎn)110b的邊界掃描加熱的振幅大于掃描間距111。由此，由之前的主掃描產(chǎn)生的固化區(qū)域302和由現(xiàn)在的主掃描產(chǎn)生的固化區(qū)域302在一定程度上彼此重疊，以使固化區(qū)域302和未固化區(qū)域301的一體化變得可靠。

如圖5b所示，射束點(diǎn)110的直徑小于邊界掃描加熱的掃描寬度l1，小于未固化區(qū)域301中的邊界掃描加熱的加熱寬度，小于固化區(qū)域302中的邊界掃描加熱的加熱寬度。由虛線畫(huà)出的每個(gè)射束點(diǎn)110示意性地表示射束點(diǎn)110已經(jīng)經(jīng)過(guò)并因此熔融的部分。即，當(dāng)射束點(diǎn)110的直徑是d，未固化區(qū)域301中的邊界掃描加熱的加熱寬度是l2，固化區(qū)域302中的邊界掃描加熱的加熱寬度是l3時(shí)，得到以下關(guān)系。

d<l3≤l2<l1

l1＝l2+l3

如圖2所示，外部計(jì)算機(jī)210根據(jù)從外部的輸入的產(chǎn)品制造物體133的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，如圖6所示，自動(dòng)創(chuàng)建被三維制造裝置100執(zhí)行的產(chǎn)品制造物體133的制造工藝程序。更具體地，外部計(jì)算機(jī)210獲取產(chǎn)品制造物體133的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)(cad(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))數(shù)據(jù))(s21)。外部計(jì)算機(jī)210根據(jù)產(chǎn)品制造物體133的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)為每一層132設(shè)置制造區(qū)域(s22)。

外部計(jì)算機(jī)210根據(jù)每一層132的制造區(qū)域來(lái)設(shè)置每一層132的制造中的掃描路徑(s23)。外部計(jì)算機(jī)210設(shè)置每一層132的掃描路徑上的每個(gè)點(diǎn)的激光束109的輸出級(jí)別(s24)。外部計(jì)算機(jī)210通過(guò)將每一層132的激光束109的掃描路徑和激光束109的輸出級(jí)別彼此結(jié)合來(lái)創(chuàng)建產(chǎn)品制造物體133的制造工藝程序，并存儲(chǔ)創(chuàng)建的制造工藝程序(s25)。

制造工藝程序(程序的一例)，被存儲(chǔ)在圖2的記錄介質(zhì)211中，用于使控制單元200(計(jì)算機(jī)的一例)進(jìn)行三維制造方法的每個(gè)步驟。三維制造裝置100通過(guò)使用進(jìn)行邊界掃描加熱的制造工藝程序來(lái)進(jìn)行激光加熱步驟(s13)，并因此通過(guò)熔融并結(jié)合材料粉末131的層132的未固化區(qū)域301和固化區(qū)域302來(lái)制造(成形或模制)具有期望的形狀的產(chǎn)品制造物體133。

如圖4a所示，在第一實(shí)施方式中，利用邊界掃描加熱生產(chǎn)具有在主掃描方向20mm長(zhǎng)度、副掃描方向50mm長(zhǎng)度的長(zhǎng)方體產(chǎn)品制造物體(圖1中133)。在邊界掃描加熱中，未固化區(qū)域301和固化區(qū)域302被連續(xù)地、交替地加熱。

(每單位面積加熱量)

圖7是示出邊界掃描加熱中的射束點(diǎn)移動(dòng)路徑112的說(shuō)明圖。如圖7所示，隨著在箭頭r3方向的主掃描，射束點(diǎn)110在箭頭r4的方向往復(fù)，從而進(jìn)行邊界掃描加熱。為了抑制煙的生成，期望由激光束109供應(yīng)到層132的每單位面積加熱能量是熔融未固化區(qū)域301和固化區(qū)域302至期望的深度所要求的最小量。

在邊界掃描加熱中，控制激光束109以使未固化區(qū)域301的每單位面積加熱量小于固化區(qū)域302的每單位面積加熱量。邊界掃描加熱中的未固化區(qū)域301的每單位面積加熱量設(shè)置為小于固化區(qū)域302的每單位面積加熱量。

在邊界掃描加熱中，使要供應(yīng)的用于熔融并固化未固化區(qū)域301至預(yù)定深度的加熱能量小于要供應(yīng)的用于熔融并固化固化區(qū)域302至預(yù)定深度的加熱能量。使提供給未固化區(qū)域301的每單位面積照射能量的積分值小于提供給固化區(qū)域302的每單位面積的加熱能量的積分值。

由此，避免由于未固化區(qū)域301的過(guò)熱導(dǎo)致的煙的增多。通過(guò)阻止未固化區(qū)域301的過(guò)熱，抑制激光加熱步驟(s13)中的煙的生成量本身。

在邊界掃描加熱中，通過(guò)使用所謂的光柵掃描方法控制激光束109以連續(xù)地照射固化區(qū)域302和未固化區(qū)域301。

順便提及，作為降低未固化區(qū)域301的每單位面積加熱量使其小于固化區(qū)域302的每單位面積加熱量的方法，可以參考以下例子。

(1)在未固化區(qū)域301中，使激光束109的掃描速度大于固化區(qū)域302中的激光束109的掃描速度。在后述的實(shí)施例1中，控制激光束109以使未固化區(qū)域301中的激光束109的平均掃描速度大于固化區(qū)域302中的激光束109的平均掃描速度。在后述的第2實(shí)施方式中，通過(guò)使用具有與固化區(qū)域302匹配的尺寸的射束點(diǎn)110來(lái)進(jìn)行在掃描的最大振幅位置的減速(降速)和停止。在本申請(qǐng)中，掃描速度有時(shí)可能被稱為移動(dòng)速度。

(2)在未固化區(qū)域301，使激光束109的輸出低于固化區(qū)域302的激光束109的輸出。在后述的實(shí)施例2、3和4中，控制激光束109以使未固化區(qū)域301中的激光束109的平均輸出小于固化區(qū)域302中的激光束109的平均輸出。

(3)在未固化區(qū)域301，使激光束109的掃描頻率低于固化區(qū)域302中的激光束109的掃描頻率。

如圖7所示，在實(shí)施例1、2、3和4中，調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)(圖1中的107)以使激光束109的射束點(diǎn)直徑在層132的表面位置為約80μm。主掃描速度為200mm/sec，掃描間距111為200μm。通過(guò)進(jìn)行垂直于主掃描的激光束109的掃描來(lái)進(jìn)行邊界掃描加熱，邊界掃描加熱的掃描寬度(峰與峰的距離)為400μm。設(shè)置邊界掃描加熱的掃描寬度以使通過(guò)用另一種金屬板事先實(shí)驗(yàn)性地進(jìn)行邊界掃描加熱來(lái)觀察照射軌跡時(shí)，激光束109的照射軌跡的最大距離為約400μm。如圖8和9a所示，在實(shí)施例1、2和3中，邊界掃描加熱的掃描寬度l1為400μm，固化區(qū)域302的加熱寬度l3為200μm，未固化區(qū)域301的加熱寬度l2為200μm。

在實(shí)施例1、2、3和4中，在利用激光束109對(duì)固化區(qū)域302和未固化區(qū)域301進(jìn)行邊界掃描加熱的情況下，在未固化區(qū)域301中的掃描的最大振幅位置及該位置附近激光束109的輸出降低。以最大振幅位置為中心的附近的范圍與激光束109的射束點(diǎn)的尺寸相對(duì)應(yīng)，在最大振幅位置激光束109的輸出為0。

邊界掃描加熱的掃描速度在最大振幅的兩端均為0，并且設(shè)置與最大振幅的位置相鄰的加速/減速區(qū)域。在邊界掃描加熱的的最大振幅的位置，由于隨著移動(dòng)方向反轉(zhuǎn)射束點(diǎn)110的移動(dòng)速度變?yōu)?，因此每單位面積加熱能量變得過(guò)多，激光束109的輸出減小到“0w(0瓦特)”(參看圖9a)。

(實(shí)施例1)

圖8是示出實(shí)施例1中的激光束移動(dòng)速度的設(shè)置的說(shuō)明圖。如圖8所示，在實(shí)施例1中，在邊界掃描加熱期間未固化區(qū)域301中的激光束109的移動(dòng)速度高于固化區(qū)域302中的激光束109的移動(dòng)速度。未固化區(qū)域301中的邊界掃描加熱的平均速度設(shè)置為2000mm/sec，固化區(qū)域302中的邊界掃描加熱的平均速度設(shè)置為1300mm/sec。

在未固化區(qū)域301中，以平均速度約2000mm/sec在往復(fù)400μm的距離移動(dòng)束，因此在未固化區(qū)域301中一次往復(fù)移動(dòng)的時(shí)間為約200μsec。在200μsec的移動(dòng)時(shí)間期間在主掃描方向上的射束點(diǎn)110的移動(dòng)距離為40μm。另一方面，在固化區(qū)域302中，類似地，以平均速度約1300mm/sec在往復(fù)400μm的距離移動(dòng)束，因此在固化區(qū)域302中一次往復(fù)移動(dòng)的時(shí)間為308μsec左右。在308μsec的移動(dòng)時(shí)間期間在主掃描方向上的射束點(diǎn)110的移動(dòng)距離為62μm。

在實(shí)施例1中，未固化區(qū)域301中的邊界掃描加熱的振幅與固化區(qū)域302中的邊界掃描加熱的振幅相等，未固化區(qū)域301中的激光束109的輸出與固化區(qū)域302中的激光束109的輸出相等。因此，未固化區(qū)域301和固化區(qū)域302的每個(gè)的加熱量正比于各自區(qū)域中的主掃描距離。由于這樣的原因，未固化區(qū)域301每單位面積加熱量為固化區(qū)域302每單位面積加熱量的40/62，即，65％左右。

未固化區(qū)域301和固化區(qū)域302的每個(gè)的加熱量正比于各自區(qū)域中的主掃描時(shí)間。因此，未固化區(qū)域301每單位時(shí)間加熱量為固化區(qū)域302每單位時(shí)間加熱量的200/308，即，65％。

(實(shí)施例2)

圖9a和9b是實(shí)施例2和3中的激光束的輸出的設(shè)置的說(shuō)明圖。更具體地，圖9a是示出激光束輸出的圖，圖9b是示出邊界掃描加熱的激光束的掃描速度的圖。順便提及，每個(gè)圖的橫軸表示掃描方向上的邊界掃描加熱的位置，未固化區(qū)域301布置在圖的左側(cè)，固化區(qū)域302布置在圖的右側(cè)，未固化與固化區(qū)域之間的邊界b布置在圖的中心。

如圖9b所示，在實(shí)施例2中，除了加速/減速區(qū)域，邊界掃描加熱的掃描速度設(shè)置為1000mm/sec。邊界掃描加熱的掃描速度在最大振幅的兩端均為0，在最大振幅之間的未固化區(qū)域301和固化區(qū)域302始終為1000mm/sec。

如圖9a所示，未固化區(qū)域301中的激光束109的輸出小于固化區(qū)域302中的激光束109的輸出。除了最大振幅的兩端，未固化區(qū)域301中的激光束109的輸出為110w，固化區(qū)域302中的激光束109的輸出為200w。

在實(shí)施例2中，邊界掃描加熱的掃描速度、間距和面積在未固化區(qū)域301和固化區(qū)域302之間是相等的，因此激光束109每單位面積加熱量正比于激光束輸出。在未固化區(qū)域301和固化區(qū)域302中的激光束109的輸出比是110w/200w，因此未固化區(qū)域301的每單位面積加熱量是固化區(qū)域302的每單位面積加熱量的約55％。

在實(shí)施例2中，邊界掃描加熱的面積和激光束109的照射時(shí)間在未固化區(qū)域301和固化區(qū)域302之間是相等的，因此激光束109每單位時(shí)間加熱量也正比于激光束輸出。在未固化區(qū)域301和固化區(qū)域302中的激光束109的輸出比是110w/200w，因此未固化區(qū)域301的每單位時(shí)間加熱量也是固化區(qū)域302的每單位時(shí)間的加熱量的約55％。

(實(shí)施例3)

在實(shí)施例3中，主掃描速度設(shè)置為實(shí)施例2中的一半100mm/sec，邊界掃描加熱的平均速度也設(shè)置為實(shí)施例2中的一半500mm/sec(參看圖7)。

在實(shí)施例3中，未固化區(qū)域301中的激光束109的輸出小于固化區(qū)域302中的激光束109的輸出。圖9a表示實(shí)施例2中激光束的輸出。在實(shí)施例3中，除了兩端的最大振幅位置，未固化區(qū)域301中的激光束109的輸出設(shè)置為50w，固化區(qū)域302中的激光束109的輸出設(shè)置為80w。

在實(shí)施例3中，邊界掃描加熱的掃描速度、間距和面積在未固化區(qū)域301和固化區(qū)域302中是相等的，因此激光束109的每單位面積加熱量正比于激光束輸出。在未固化區(qū)域301和固化區(qū)域302中的激光束109的輸出比是50w/80w，因此未固化區(qū)域301中的每單位面積加熱量是固化區(qū)域302中的每單位面積加熱量的約63％。

在實(shí)施例3中，邊界掃描加熱的面積和激光束109的照射時(shí)間在未固化區(qū)域301和固化區(qū)域302之間是相等的，因此激光束109的每單位時(shí)間加熱量也正比于激光束輸出。在未固化區(qū)域301和固化區(qū)域302中的激光束109的輸出比是50w/80w，因此未固化區(qū)域301的每單位時(shí)間加熱量也是固化區(qū)域302的每單位時(shí)間的加熱量的約63％。

(實(shí)施例4)

圖10a和10b是實(shí)施例4中的激光束的輸出的設(shè)置的說(shuō)明圖。更具體地，圖10a是示出激光束輸出的圖，圖10b是示出邊界掃描加熱的激光束的掃描速度的圖。在實(shí)施例4中，主掃描速度設(shè)置為200mm/sec，掃描間距111設(shè)置為150μm(參看圖7)。而且，如圖10b所示，邊界掃描加熱的掃描速度設(shè)置為1000mm/sec，掃描寬度設(shè)置為400μm。然而，在實(shí)施例4中，邊界掃描加熱的掃描寬度l1設(shè)置為400μm，固化區(qū)域302的加熱寬度l3設(shè)置為250μm，未固化區(qū)域301的加熱寬度l2設(shè)置為150μm。

如圖10a所示，在實(shí)施例4中，未固化區(qū)域301中的激光束109的輸出小于固化區(qū)域302中的激光束109的輸出。除了兩端的最大振幅位置，未固化區(qū)域301中的激光束109的輸出設(shè)置為80w，固化區(qū)域302中的激光束109的輸出設(shè)置為150w。

在實(shí)施例4中，邊界掃描加熱的掃描速度、間距和面積在未固化區(qū)域301和固化區(qū)域302之間是相等的，因此激光束109的每單位面積加熱量正比于激光束輸出。在未固化區(qū)域301和固化區(qū)域302中的激光束109的輸出比是80w/150w，因此未固化區(qū)域301中的每單位面積加熱量是固化區(qū)域302中的每單位面積加熱量的約55％。

另一方面，在實(shí)施例4中，未固化區(qū)域301的振幅設(shè)置為150μm，固化區(qū)域302的振幅設(shè)置為250μm。因此，未固化區(qū)域301的加熱時(shí)間為150μm÷1000mm/sec＝150μsec，固化區(qū)域302的加熱時(shí)間為250μm÷1000mm/sec＝250μsec。

由此，未固化區(qū)域301的每單位時(shí)間加熱量是固化區(qū)域302的每單位時(shí)間加熱量的(80w/150w)×(150μsec/250μsec)＝約33％(包括激光束輸出的變化)。

(比較實(shí)施例1)

在比較實(shí)施例1中，如圖4b所示，在主掃描和副掃描中進(jìn)行激光加熱步驟。激光束輸出設(shè)置為50w，主掃描速度設(shè)置為200mm/sec，掃描間距設(shè)置為40μm。其他條件設(shè)置為與實(shí)施例1和2中相同。

(比較實(shí)施例2)

在比較實(shí)施例2中，在比較實(shí)施例1的條件下，激光束輸出設(shè)置為200w，掃描間距設(shè)置為200μm，主掃描速度設(shè)置為200mm/sec。

(實(shí)驗(yàn)結(jié)果)

如表1所表示，在實(shí)施例1、2、3和4以及比較實(shí)施例1和2的各自的上述條件下制造產(chǎn)品制造物體133。然后，制造開(kāi)始的50小時(shí)后，測(cè)定透射窗口108的具有1070nm波長(zhǎng)的紅外光的透射率。

表1

如表2所表示，比較了在實(shí)施例1、2、3和4以及比較實(shí)施例1和2的條件下的透射窗口108的透射率的下降狀態(tài)。順便提及，制造開(kāi)始之前，1070nm波長(zhǎng)下的透射窗口108的透射率為92％。

表2

如表2所表示，在實(shí)施例1、2、3和4中，即使在制造開(kāi)始的50小時(shí)后透射率依然高達(dá)86％-90％。與此相對(duì)，在比較實(shí)施例1和2中，透射率大幅度減小到80％-81％。因此，在實(shí)施例1、2、3和4中，確認(rèn)了引起透射率減小的煙的生成少。

(第一實(shí)施方式的效果)

在第一實(shí)施方式中，通過(guò)使用激光束109對(duì)固化區(qū)域302和未固化區(qū)域301進(jìn)行邊界掃描加熱，從而在熔融固化區(qū)域302時(shí)熔融相鄰的未固化區(qū)域301的材料粉末131。因此，可以再熔融固化區(qū)域302，高度一體化固化區(qū)域與未固化區(qū)域301，并因此制造由加熱不良導(dǎo)致的組織無(wú)序少的具有致密結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品制造物體133。

在第一實(shí)施方式中，當(dāng)對(duì)固化區(qū)域302和未固化區(qū)域301進(jìn)行邊界掃描加熱時(shí)，供應(yīng)到未固化區(qū)域301的每單位面積加熱能量設(shè)置為小于供應(yīng)到固化區(qū)域302的每單位面積加熱能量。因此，可以抑制未固化區(qū)域301中的材料粉末131的過(guò)熱和蒸發(fā)，可以降低煙的生成量。由此，可以避免容器101的透射窗口108的煙附著污染以及容器101中的激光束109的散射，并因此可以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定地保持到達(dá)材料粉末131的層132的激光束109的狀態(tài)。

在第一實(shí)施方式中，進(jìn)行利用激光束109交替地加熱固化區(qū)域302和未固化區(qū)域301的邊界掃描加熱，從而一體化地熔融并固化這些區(qū)域。因此，可以制造或成形由加熱不良導(dǎo)致的不均勻度小的致密剛性產(chǎn)品制造物體133。

在第一實(shí)施方式中，進(jìn)行邊界掃描加熱以使未固化區(qū)域301的每單位面積加熱量小于固化區(qū)域302的每單位面積加熱量。因此，可以避免未固化區(qū)域301的過(guò)熱，可以抑制由未固化區(qū)域301的加熱導(dǎo)致的煙的生成量本身。

在第一實(shí)施方式中，進(jìn)行邊界掃描加熱以連續(xù)地照射固化區(qū)域302和未固化區(qū)域301。因此，可以有效率地加熱固化區(qū)域302和未固化區(qū)域301之間的邊界區(qū)域。此外，可以通過(guò)增大每單位時(shí)間加熱量來(lái)增大三維制造的生產(chǎn)率。

在第一實(shí)施方式中，進(jìn)行邊界掃描加熱以降低在未固化區(qū)域301中的掃描的最大振幅位置及其附近的激光束109的輸出。因此，即使在邊界掃描加熱中射束點(diǎn)110的移動(dòng)方向反轉(zhuǎn)，也可以防止由于射束點(diǎn)110停止在未固化區(qū)域301上而引起的瞬間過(guò)熱。

在第一實(shí)施方式中，以邊界掃描加熱的最大振幅位置為中心的附近的范圍與激光束109的射束點(diǎn)尺寸相對(duì)應(yīng)，激光束109在最大振幅位置的輸出為0。因此，在射束點(diǎn)110的移動(dòng)方向反轉(zhuǎn)的前后及其他時(shí)機(jī)，未固化區(qū)域301的每單位時(shí)間加熱量的變化降低。

<第二實(shí)施方式>

在實(shí)施例2、3和4中，通過(guò)增加除了邊界掃描加熱的最大振幅位置的整個(gè)固化區(qū)域的激光束的輸出，保證了熔融固化區(qū)域所需的加熱量。另一方面，在第二實(shí)施方式中，通過(guò)利用在邊界掃描加熱的最大振幅位置的激光束的掃描速度的減小(停止)保證熔融固化區(qū)域所需的加熱量。

(最大振幅位置的過(guò)熱)

圖11a和11b是根據(jù)第二實(shí)施方式的邊界掃描加熱的說(shuō)明圖。更具體地，圖11a是示出激光束輸出的圖，圖11b是示出邊界掃描加熱的激光束的掃描速度的圖。

如圖11b所示，在邊界掃描加熱的最大振幅位置，射束點(diǎn)的移動(dòng)速度減小，每單位面積加熱量增大。因此，如圖11a所示，在未固化區(qū)域301的最大振幅位置，以與實(shí)施例2、3和4同樣的方式降低激光束輸出以避免材料粉末131的過(guò)熱，從而抑制煙的生成。另一方面，在固化區(qū)域302的最大振幅位置，保持激光束輸出，以使生成與虛線所示的激光束輸出的增大等同的每單位面積加熱量的增大。進(jìn)一步地，對(duì)應(yīng)于每單位面積加熱量的這樣的增大的范圍，在固化區(qū)域302的邊界掃描加熱的范圍內(nèi)設(shè)置小于激光束109的射束點(diǎn)110的直徑的距離。

在第二實(shí)施方式中，控制激光束109以使未固化區(qū)域301中的激光束109的照射面積大于固化區(qū)域302中的激光束109的照射面積。由此，節(jié)省了固化區(qū)域302中的分配給再熔融的加熱能量，增大了未固化區(qū)域301中的分配給熔融材料粉末131的加熱能量。其結(jié)果，可以增大沿著一次主掃描而被熔融的未固化區(qū)域301的面積，并因此可以增大三維制造的生產(chǎn)率。而且，可以在激光加熱步驟中節(jié)省電力消耗的同時(shí)增大三維制造的生產(chǎn)率。

<其他實(shí)施方式>

根據(jù)本發(fā)明的三維制造方法和三維制造裝置不限于第一實(shí)施方式中的具體構(gòu)成、零件形式和實(shí)際尺寸。換句話說(shuō)，本發(fā)明可以用以等同的構(gòu)件來(lái)替代第一實(shí)施方式中的部分或整個(gè)構(gòu)成的其他實(shí)施方式來(lái)實(shí)施。因此，能量束激光束109的射束點(diǎn)尺寸、激光束輸出、激光束照射位置、制造容器及材料粉末層形成裝置能夠被變更為期望的規(guī)格。材料粉末131不限于不銹鋼粒子。換句話說(shuō)，能夠自由選擇鈦、鐵、鋁、硅、金屬碳化物、金屬氮化物、金屬氧化物、陶瓷粒子等。并且，引入容器101中的氣體能夠任意變更。例如，引入氫氣與氮?dú)狻鍤夂?或其他混合的混合氣體并且在還原氣氛下進(jìn)行制造也有增大產(chǎn)品制造物體強(qiáng)度的效果。也可以加熱材料粉末至比熔融溫度低的溫度來(lái)燒結(jié)該材料粉末，從而進(jìn)行三維制造。

在第一實(shí)施方式中，利用在副掃描方向上堆棧主掃描的光柵掃描方法固化每一層的制造區(qū)域。然而，可以采用光柵掃描方法以外的能量束移動(dòng)。換句話說(shuō)，可以采用螺旋移動(dòng)、從中心到外形的漩渦(螺旋)移動(dòng)、從外形到中心的漩渦移動(dòng)等。

在第一實(shí)施方式中，使用于邊界掃描加熱的邊界掃描加熱的掃描速度或激光束輸出在固化區(qū)域302和未固化區(qū)域301為不同。然而，對(duì)于固化區(qū)域302和未固化區(qū)域301這兩者，邊界掃描加熱的掃描速度和激光束輸出這兩者可以在同一時(shí)間平行地使其為不同。

在第一實(shí)施方式中，邊界掃描加熱的掃描方向設(shè)置為垂直于主掃描方向的方向。然而，也可以將邊界掃描加熱的掃描方向設(shè)置為垂直于主掃描方向的方向以外的方向。而且，移動(dòng)激光束時(shí)交替地加熱固化區(qū)域和未固化區(qū)域的方法不限于光柵掃描。換句話說(shuō)，也可以進(jìn)行在平面上一點(diǎn)一點(diǎn)地位移圓形軌道、橢圓形軌道或多邊形軌道并因此使之移動(dòng)的平面-螺旋-曲線激光束移動(dòng)。

在第一實(shí)施方式中，使用具有1070nm波長(zhǎng)的半導(dǎo)體激光器的激光束作為能量束。然而，也可以用具有其他波長(zhǎng)的激光束、其他振蕩源的激光束或電子束來(lái)代替所述能量束。然而，當(dāng)使用電子束時(shí)，圖1中所示的容器101需要通過(guò)抽高真空度來(lái)保持低壓狀態(tài)。

本發(fā)明的實(shí)施方式還能夠通過(guò)以下實(shí)現(xiàn)：讀出并執(zhí)行記錄在存儲(chǔ)介質(zhì)(更全面地，也被稱為“非暫時(shí)性計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)”)上的計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令(例如一個(gè)或多個(gè)程序)以進(jìn)行一個(gè)或多個(gè)上述實(shí)施方式的功能和/或包含用于執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)上述實(shí)施方式的功能的一個(gè)或多個(gè)電路(例如，專用集成電路(asic))的系統(tǒng)或裝置的計(jì)算機(jī)，和利用系統(tǒng)或裝置的計(jì)算機(jī)例如讀出并執(zhí)行來(lái)自存儲(chǔ)介質(zhì)的計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令以進(jìn)行一個(gè)或多個(gè)上述實(shí)施方式的功能和/或控制一個(gè)或多個(gè)電路以進(jìn)行一個(gè)或多個(gè)上述實(shí)施方式的功能而進(jìn)行的方法。計(jì)算機(jī)可以包含一個(gè)或多個(gè)處理器(例如，中央處理單元(cpu)，微處理單元(mpu))并且可以包含單獨(dú)的計(jì)算機(jī)或單獨(dú)的處理器的網(wǎng)絡(luò)以讀出并執(zhí)行計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令。計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令可以從例如網(wǎng)絡(luò)或存儲(chǔ)介質(zhì)提供給計(jì)算機(jī)。存儲(chǔ)介質(zhì)可以包含例如一個(gè)或多個(gè)硬盤(pán)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(ram)，只讀存儲(chǔ)器(rom)，分布式計(jì)算系統(tǒng)存儲(chǔ)，光盤(pán)(如壓縮盤(pán)(cd)、數(shù)字通用盤(pán)(dvd)、或藍(lán)光盤(pán)(bd)^tm)，閃存設(shè)備，存儲(chǔ)卡等。

其他實(shí)施例

本發(fā)明的實(shí)施例還可以通過(guò)如下的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，即，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)或者各種存儲(chǔ)介質(zhì)將執(zhí)行上述實(shí)施例的功能的軟件(程序)提供給系統(tǒng)或裝置，該系統(tǒng)或裝置的計(jì)算機(jī)或是中央處理單元(cpu)、微處理單元(mpu)讀出并執(zhí)行程序的方法。

雖然參照示例性實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是應(yīng)理解為本發(fā)明不限于所公開(kāi)的示例性實(shí)施方式。以下權(quán)利要求的范圍應(yīng)被給與最寬泛的解釋，以便包括所有這些修改以及等同的結(jié)構(gòu)和功能。