專利名稱：用于制造三維產(chǎn)品的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及這樣一種裝置和方法，該裝置和方法通過使覆加在工作臺(tái)上的粉末層的選定部分相繼熔合在一起來制造三維產(chǎn)品。
背景技術(shù)：
以前可從例如US4863538獲知一種通過使覆加在工作臺(tái)上的粉末層的選定部分相繼熔合在一起來制造三維產(chǎn)品的裝置。該裝置包括在其上構(gòu)造所述三維產(chǎn)品的工作臺(tái)、設(shè)置用以把一薄層粉末分配到該工作臺(tái)上以形成粉末層的粉末分配器、用于輸送能量給該粉末以使該粉末之后熔合在一起的輻射槍、用于把該輻射槍的射束引導(dǎo)到所述粉末層上以通過使部分的所述粉末層熔合在一起來形成所述三維產(chǎn)品的橫截面的裝置、以及其內(nèi)儲(chǔ)存與該三維產(chǎn)品的相繼橫截面有關(guān)的信息的控制計(jì)算機(jī)。通過使所覆加的相繼粉末層的選定部分熔合在一起來構(gòu)造三維產(chǎn)品?？刂朴?jì)算機(jī)旨在控制偏轉(zhuǎn)裝置，該偏轉(zhuǎn)裝置用于依據(jù)一種再現(xiàn)預(yù)定圖形的操作方案把由輻射槍產(chǎn)生的射束偏轉(zhuǎn)到粉末層上。當(dāng)該操作方案已經(jīng)把粉末層的預(yù)期區(qū)域熔合在一起時(shí)，所述三維產(chǎn)品的橫截面就已經(jīng)形成。使利用粉末分配器相繼覆加的粉末層相繼形成橫截面，通過把該相繼形成的橫截面相繼熔合在一起來形成三維產(chǎn)品。
從SE0001557-8已知這樣一種用于制造三維產(chǎn)品的裝置，其中，允許在制造過程中測量所制得三維物體的表面結(jié)構(gòu)和表面溫度。通過采用其中所述的裝置，可以提高所制得三維物體的形狀相對于預(yù)期形狀的一致性。
為滿足三維模型制造中的工業(yè)要求，重要的是達(dá)到充分高的制造速率。尤其是在如上所述裝置用于批量生產(chǎn)的情況中。已經(jīng)嘗試加快掃描速率以及對應(yīng)地增大射束功率。然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在制造三維產(chǎn)品的過程中所制得產(chǎn)品中的表面應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致形狀偏差，且該產(chǎn)品中的內(nèi)應(yīng)力會(huì)引發(fā)形成裂紋的危險(xiǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種用于制造三維物體的方法，其中，可使該三維物體的制造過程更有效率以縮短制造時(shí)間。此目的利用一種依據(jù)本發(fā)明權(quán)利要求1的特征部分的裝置來實(shí)現(xiàn)。
通過在一種用于制造三維物體的方法中，這里，選定區(qū)域?qū)?yīng)于最終產(chǎn)品的橫截面，采用兩個(gè)或多個(gè)在形成三維物體的橫截面時(shí)同時(shí)穿過該選定區(qū)域擴(kuò)散的熔合區(qū)，使得制造過程可以更有效率。
在第一優(yōu)選方法中，通過在定時(shí)脈沖調(diào)制時(shí)利用輻射槍給兩個(gè)幾何分離的焦點(diǎn)供應(yīng)能量，生成所述兩個(gè)或多個(gè)熔合區(qū)。
在另一種優(yōu)選實(shí)施例中，該輻射槍的位于兩個(gè)焦點(diǎn)處的焦點(diǎn)以與熔合區(qū)的波傳播速度相對應(yīng)的速度擴(kuò)散。利用此過程步驟，確保降低過熱的風(fēng)險(xiǎn)，于是最終產(chǎn)品具有良好的表面光潔度。
在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，通過測量熔合區(qū)的波傳播速度來估算該波傳播速度，其中，利用由用于檢測粉末層內(nèi)的表面層的溫度分布的裝置所提供的信息測量該熔合區(qū)的波傳播速度。
在一種可供選擇的實(shí)施例中，通過對包括焦點(diǎn)的區(qū)域計(jì)算能量平衡來估算波傳播速度，該波傳播速度可從一種為該區(qū)域建立的熱傳導(dǎo)方程模型中獲得。
所提出的兩種方法都是給出波傳播速度的好方法，然后也可以使用反饋系統(tǒng)來維持正確的所產(chǎn)生的波傳播速度。
依據(jù)本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施例，為每個(gè)粉末層計(jì)算能量平衡，在計(jì)算中確定當(dāng)所述依據(jù)一種為粉末層確定的操作方案從輻射槍供應(yīng)能量以把依據(jù)所述操作方案選定的粉末層區(qū)域熔合在一起時(shí)輸入該粉末層內(nèi)的能量是否足以維持下一層的規(guī)定工作溫度，所獲得的信息使得可以維持規(guī)定溫度。通過維持規(guī)定工作溫度，即表面溫度在給定的規(guī)定溫度范圍內(nèi)，可在所有層的制造過程中，確保減少在三維物體過度冷卻時(shí)出現(xiàn)表面應(yīng)力。這反過來可減少最終產(chǎn)品出現(xiàn)形狀偏差，還減少該最終產(chǎn)品內(nèi)出現(xiàn)的內(nèi)應(yīng)力。
本發(fā)明還涉及一種用于制造三維產(chǎn)品的裝置，其具有與該方法對應(yīng)的特征。


以下將結(jié)合附圖更詳細(xì)地說明本發(fā)明，其中圖1表示依據(jù)本發(fā)明的一種裝置的橫截面，圖2示意性表示一種由若干粉末層形成的三維物體的橫截面層以及一頂粉末層，圖3表示一種用于計(jì)算能量平衡的示意性模型，圖4表示另一種用于計(jì)算能量平衡的示意性模型，圖5表示焦點(diǎn)和熔合區(qū)域在選定表面上的移動(dòng)，圖6表示被分成一組單獨(dú)區(qū)域的選定區(qū)域，圖7表示將該單獨(dú)區(qū)域分成內(nèi)部區(qū)域和邊緣的劃分，圖8表示一種具有內(nèi)部區(qū)域和邊緣且將被熔合在一起的區(qū)域，圖9表示一組具有一維干涉項(xiàng)的不同曲線形狀，圖10示意性表示在存在和不存在干涉項(xiàng)的情況下物體內(nèi)呈現(xiàn)的熱量分布，這里，輻射槍的直徑為D的焦點(diǎn)已加熱該物體，圖11表示相對于焦點(diǎn)沿主運(yùn)動(dòng)方向的運(yùn)動(dòng)的該焦點(diǎn)的一種運(yùn)動(dòng)例子，圖12表示一組具有二維干涉項(xiàng)的不同曲形，圖13表示依據(jù)本發(fā)明一種優(yōu)選實(shí)施例的焦點(diǎn)運(yùn)動(dòng)圖形，圖14表示焦點(diǎn)的定位以及其內(nèi)發(fā)生熔合的加寬區(qū)域，圖15示意性表示依據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施例的輻射槍焦點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)圖形，圖16表示從一種提供有透明窗口的室的側(cè)面看的示圖，圖17表示一種用于輸送并固定保護(hù)膜以維持該窗口的透明度的裝置，圖18表示該裝置的操作方案的流程圖，圖19表示生成原始操作方案的流程圖，
圖20表示用于修訂所述操作方案的流程圖，圖21示意性表示一種用于生成三維物體的步驟，圖22示意性表示這樣一種步驟，該步驟包括借助于從用于測量粉末層表面上的溫度分布的攝影機(jī)獲取的信息來修正操作方案，圖23表示一種三維物體的示意性構(gòu)造，以及圖24表示取自圖23的若干橫截面。
具體實(shí)施例方式
圖1表示一種用于制造三維產(chǎn)品且通常標(biāo)識(shí)為1的裝置。該裝置包括在其上構(gòu)造三維產(chǎn)品3的工作臺(tái)2、設(shè)置用以把一薄層粉末分配到該工作臺(tái)2上以形成粉末層5的一個(gè)或多個(gè)粉末分配器4以及裝置28、用于輸送能量給該粉末層以使部分粉末層之后熔合在一起的輻射槍6、用于把該輻射槍6的射束引導(dǎo)到所述工作臺(tái)上以通過所述粉末熔合在一起來形成所述三維產(chǎn)品的橫截面的裝置7、以及其內(nèi)儲(chǔ)存與該三維產(chǎn)品的相繼橫截面有關(guān)的信息的控制計(jì)算機(jī)8，其中，該橫截面構(gòu)成該三維產(chǎn)品。在工作周期中，覆加每個(gè)粉末層之后，工作臺(tái)將相對于輻射槍逐漸下降。為使這種移動(dòng)成為可能，在本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施例中，工作臺(tái)被設(shè)置成可在垂直方向即箭頭P所示的方向移動(dòng)。這意味著該工作臺(tái)起初位于起始位置2’，在該起始位置2’覆加所需厚度的第一粉末層。為了不損壞下面的工作臺(tái)以及為了給此層提供足夠的質(zhì)量，此層比所覆加的其它層要厚，從而避免此第一層被透熔。與分配用于形成三維產(chǎn)品的新橫截面的新粉末層相關(guān)聯(lián)的，之后降低該工作臺(tái)。為此在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，工作臺(tái)經(jīng)由一種支架9支承，該支架9包括至少一個(gè)具有齒11的滾珠螺桿10。一種具有齒輪13的步進(jìn)馬達(dá)或伺服馬達(dá)12把工作臺(tái)2設(shè)定在預(yù)定垂直位置。也可采用專業(yè)人員已知的用于設(shè)定工作臺(tái)的工作高度的其它裝置。例如，可采用調(diào)節(jié)螺釘來代替齒條。
裝置28設(shè)置用以與所述用于補(bǔ)充材料的粉末分配器相協(xié)作。此外，利用一種伺服馬達(dá)(未表示)按照已知方式驅(qū)使裝置28在工作面上掃過，該伺服馬達(dá)沿著沿粉末層延伸的導(dǎo)軌29移動(dòng)該裝置28。
當(dāng)覆加一新粉末層時(shí)，利用工作臺(tái)已經(jīng)相對于前一層下降了多少來確定該新粉末層的厚度。這意味著可依據(jù)需要改變層厚。因此，可在相鄰層之間的橫截面形狀有較大變化時(shí)形成較薄的粉末層，從而實(shí)現(xiàn)較高的表面精度，以及在形狀幾乎沒有或者完全沒有變化時(shí)，使粉末層對于射束具有最大穿透厚度。
在本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施例中，輻射槍6由電子槍組成，用于引導(dǎo)該輻射槍的射束的裝置7由偏轉(zhuǎn)線圈7”組成。該偏轉(zhuǎn)線圈7”生成磁場，該磁場引導(dǎo)該電子槍產(chǎn)生的射束，然后該射束就可以使位于預(yù)期位置的粉末層的表面層熔合。輻射槍還包括用于按已知方式給該輻射槍內(nèi)的發(fā)射電極21提供加速電壓的高壓電路20。該發(fā)射電極按照已知方式與用于加熱該發(fā)射電極21的電源22連接，于是電子就被釋放。輻射槍的功能和構(gòu)造對本領(lǐng)域?qū)I(yè)人員來說是公知的。
利用控制計(jì)算機(jī)8且依據(jù)為將要熔合在一起的每一層所設(shè)計(jì)的操作方案來控制偏轉(zhuǎn)線圈，于是該偏轉(zhuǎn)線圈就可以依據(jù)預(yù)期操作方案引導(dǎo)射束。
還存在至少一個(gè)聚焦線圈7’，該聚焦線圈7’設(shè)置用以把射束聚集在工作臺(tái)上粉末層的表面上。
可依據(jù)專業(yè)人員公知的大量可供選擇方式設(shè)置偏轉(zhuǎn)線圈7”和聚焦線圈7’。
該裝置被封閉在外殼15中，該外殼15封閉輻射槍6和粉末層2。外殼15由包圍粉末層的第一室23和包圍輻射槍6的第二室24組成。第一室23和第二室24經(jīng)由通道25連通，該通道25允許第二室內(nèi)已在高壓電場中加速的發(fā)射電子繼續(xù)進(jìn)入第一室并隨后撞擊工作臺(tái)2上的粉末層。
在一種優(yōu)選實(shí)施例中，第一室與真空泵26連接，該真空泵26把該第一室23內(nèi)的壓強(qiáng)降低至優(yōu)選大約10-3-10-5毫巴。第二室24優(yōu)選與真空泵27連接，該真空泵27把該第二室24內(nèi)的壓強(qiáng)降低至優(yōu)選大約10-4-10-6毫巴。在一種可供選擇的實(shí)施例中，第一和第二室都與同一真空泵連接。
此外，控制計(jì)算機(jī)8優(yōu)選與輻射槍6連接以調(diào)節(jié)該輻射槍的輸出，以及與步進(jìn)馬達(dá)12連接以在相繼覆加粉末層之間調(diào)節(jié)工作臺(tái)2的垂直位置，于是就可改變該粉末層的各自厚度。
控制計(jì)算機(jī)還與所述用于在工作面上分配粉末的裝置28連接。此裝置設(shè)置用以掃過工作面并分配一層粉末。利用受所述控制計(jì)算機(jī)8控制的伺服馬達(dá)(未表示)驅(qū)動(dòng)該裝置28。該控制計(jì)算機(jī)控制該掃過操作并確保根據(jù)需要補(bǔ)充粉末。為此，可在裝置28中設(shè)置負(fù)載傳感器，于是控制計(jì)算機(jī)就能夠獲得有關(guān)該裝置是排空還是阻塞的信息。
依據(jù)本發(fā)明，控制計(jì)算機(jī)8還設(shè)置用以為每個(gè)粉末層內(nèi)的至少一個(gè)選定區(qū)域計(jì)算能量平衡，通過計(jì)算確定從局部區(qū)域周圍輻射到該局部區(qū)域內(nèi)的能量是否足以維持該局部區(qū)域的規(guī)定工作溫度。
依據(jù)本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施例，控制計(jì)算機(jī)還設(shè)置用以為每個(gè)粉末層內(nèi)的至少一個(gè)將要被熔合在一起的選定區(qū)域計(jì)算能量平衡，通過計(jì)算確定從選定區(qū)域周圍輻射到該選定區(qū)域內(nèi)的能量是否足以維持該選定區(qū)域的規(guī)定工作溫度。
為粉末層計(jì)算能量平衡的目的是要計(jì)算為保持物體表面在給定溫度而需要的能量。假定該能量在整個(gè)表面上不變。
以下說明在本發(fā)明的一種實(shí)施例中如何執(zhí)行能量平衡計(jì)算，其中，為每層執(zhí)行一次該計(jì)算過程。
為了可以實(shí)時(shí)地計(jì)算能量，以下簡化是有必要的1.我們假定溫度在x和y方向不變，其僅在z方向變化，換句話說，整個(gè)表面具有相同溫度。
2.溫度在z方向變化jLt，其中，j是層數(shù)且Lt是層厚。
3.假定溫度分布在熔合過程中不變。
以下參數(shù)對計(jì)算過程有影響。
各種索引i＝頂層的索引j＝從1至i的層索引對象數(shù)據(jù)
Lt＝所要熔合的層厚[m]Lcont(j)＝層j的伸直長度(contour length)[m]Apowt(z)＝Apow(j)＝層j覆蓋粉末的面積[m2]A(z)＝4(j)＝層j所要熔合的總表面積[m2]材料特性λmet＝材料的導(dǎo)熱性[W/mK]σmet＝對金屬表面的輻射常數(shù)[W/m2K]σmetpow＝對覆蓋以粉末的金屬表面的輻射常數(shù)[W/m2K]σpow＝對粉末表面的輻射常數(shù)[W/m2K]λpow＝粉末的導(dǎo)熱性[W/mK]hpow(z)＝從對象至粉末的熱傳遞系數(shù)[W/m2K]溫度[K]Tsur(i)＝在層i被熔合時(shí)影響表面的周圍溫度(可在熱擋板上測量)Tpow(z)＝粉末的溫度T(z)＝對象的溫度Tsurf(i)＝T(iLt)＝在層i被熔合時(shí)對象表面上的理想溫度(被設(shè)定在AMA中)Tbott(i)＝在層i開始熔合之前對象底部的溫度(恰在集堆之前測量的溫度或者計(jì)算的溫度。參見以下)為確定溫度在對象內(nèi)如何分布，我們解一維靜態(tài)導(dǎo)熱方程，該方程包括考慮到粉末內(nèi)的熱損耗的源項(xiàng)-λmet∂2T(z)∂z2=hpow(z)Apow(z)A(z)Lt(Tpow(z)-T(z))]]>表面上和底部處的邊界條件為-λmet∂T(z)∂z|z=iLt=(σmet+σpow)2(T(iLt)4-Tsur(i)4)-PinA(iLt)]]>-λmet∂T(z)∂z|z=0=hpow(Tbott(i)-T(0))]]>這里，A和B是兩個(gè)常數(shù)。
把該公式改寫為替換的微分公式并使j為每層的索引。
-λmetT(j+2)-2T(J+1)+T(j)Lt2=hpow(j)Apow(j)A(j)Lt(Tpow(j)-T(j))]]>-λmetLt(T(i)-T(i-1))=(σmet+σpow)2(T(i)4-Tsur(i)4)-PinA(i)]]>-λmetLt(T(2)-T(1))=hpow(Tbott(i)-T(1))]]>這里1≤j≤i-2當(dāng)表面溫度由T(i)確定時(shí)，關(guān)于對象內(nèi)的溫度分布，表面上的邊界條件實(shí)際上未給我們提供任何信息。但為確定Pin其是需要的，Pin是為維持表面上的溫度在T(i)所需要的能量。T(j)現(xiàn)在從以下方程系統(tǒng)中獲得Δ(j)=-hpow(j)Apow(j)LtA(j)λmet]]>T(j+2)-2T(j+1)+T(j)(1+Δ(j))＝Δ(j)Tpow(j)T(1)=Tbptt(i)hpow(1)Lt/λmet(1+hpow(1)Lt/λmet+T(2)1(1+hpow(1)Lt/λmet)]]>插入T(1)的表達(dá)式并用公式把問題表示為線性方程系統(tǒng)1.T(3)-2T(2)+T(2)(1+Δ(1))(1+hpow(1)Lt/λmet)=Δ(1)Tpow(1)-Tbptt(i)hpow(1)Lt/λmet(1+hpow(1)Lt/λmet)(1+Δ(1))]]>2.T(4)-2T(3)+T(2)(1+Δ(2))＝Δ(2)Tpow(2)i-2.-2T(i-1)+T(i-2)(1+Δ(i-2))＝Δ(i-2)Tpow(i-2)-T(i)在矩陣式中，其變成Ax＝b于是其中Ajk=δ(j+1-k)-2δ(j-k)+δ(j-1-k)(1+Δ(j))+δ(1-k)δ(1-j)(1+Δ(1))(1+hpow(1)Lt/λmet)]]>x1＝T(2)，……，xi-2＝T(i-1)bj=Δ(j)Tpow(j)-δ(j-1)Tbott(i)hpow(1)Lt/λmet(1+hpow(1)Lt/λmet)(1+Δ(1))-δ(j-1+2)T(i)]]>為了可以解方程，必須知道粉末的溫度Tpow(j)和熱傳遞系數(shù)hpow(j)。在程序中，Tpow(z)被設(shè)定為Tpow(j)＝AT(j)i-1+BTsur(i-1)
i-1意味著為確定Tpow(j)要采用前一層的溫度。
用于hpow(j)的函數(shù)像這樣 值L1和L2已假定獨(dú)立于面積，而hconst1，hconst2和hconst3假定取決于A(j)。通過用簡單幾何在對象上進(jìn)行從1D模型上至3DFEM的計(jì)算，已獲得用于Tpow和hpow的表達(dá)式中的所有常數(shù)。
用于源項(xiàng)的表達(dá)式中包括Apow(j)，其實(shí)際上是每層覆蓋粉末的總面積。在大面積過渡的情況中，該值可能相當(dāng)大，這意味著源項(xiàng)的值會(huì)跳變。這種不連續(xù)的跳變使得解不穩(wěn)定。為防止這種現(xiàn)象，依據(jù)一種優(yōu)選實(shí)施例，Apow(j)被設(shè)定為Lcont(j)*Lt。隨后附加由于面積過渡導(dǎo)致的能量損耗。能量損耗的多少取決于面積過渡的各個(gè)底層面積有多大以及該底層位于頂層下方有多遠(yuǎn)。已利用3D FEM模擬獲得用于不同面積過渡和不同深度的值。利用內(nèi)插法獲得任意面積過渡的附加能量。
在計(jì)算能量之前，程序讀取用于每層的Lcont(j)*Lt和A(j)的不同值。借助于文件原本，可以各種各樣的方式影響這些值。這樣就可以控制用于每層的能量。從文件原本如何發(fā)揮作用的描述中顯現(xiàn)出各個(gè)幾何參數(shù)如何受到影響。
在解上述方程系統(tǒng)時(shí)，由表面的邊界條件獲得為維持表面在Tsurf(i)所需要的總能量Pin=A(i)(λmetLt(T(i)-T(i-1))+(σmet+σpow)2(T(i)4-Tsur(i)4))]]>
在熔合一層時(shí)，在表面上使用不同的電流和速度。為了可以計(jì)算所需的不同電流，將所采用全部能量的平均值設(shè)定為等于Pin。如果采用ni種不同電流熔合一層，那么Pin=αUΣk=1k=niIiktikTtot]]>tik=likvik]]>Ttot=Σk=lk=nitik]]>其中tik是每種電流Iik的熔合時(shí)間lik是熔合長度vik是熔合速度Ttot是層的總?cè)酆蠒r(shí)間U是加速電壓因而，為了可以計(jì)算電流，速度必須是已知的。這些由公知為表示電流與速度之間關(guān)系的速度函數(shù)獲得。因?yàn)檫@些函數(shù)不是解析的，所以必須采用迭代過程以確定所有電流和速度。在計(jì)算程序中，每個(gè)lik的初始值是假定的。然后，獲得各個(gè)速度。接著，增大電流值直至能量平均值剛好超過所算得的Pin值。
現(xiàn)在假定我們需要以這種速度和電流來熔合各個(gè)局部區(qū)域，在該速度和電流下，輸送給材料的能量少于為維持表面在Tsurf(i)所需要的能量。于是，必須給該表面加熱。這樣獲得為加熱該表面所需要的次數(shù)，通過向能量平均值的表達(dá)式中加入加熱項(xiàng)Piheat=nαUliheatIiheatviheat]]>并在用于時(shí)間Ttot的表達(dá)式中加入加熱次數(shù)tiheat=nliheatviheat]]>其中，n表示該表面必須被加熱多少次。
上述計(jì)算過程可用于整個(gè)粉末層。在一種可供選擇的實(shí)施例中，對粉末層的各個(gè)局部區(qū)域執(zhí)行該計(jì)算。在這種情況下同樣可采用上述方程。但是，需要為靠近熔合體的內(nèi)邊緣提供不同的邊界條件。
圖2表示一種熔合體30的側(cè)視圖，該熔合體30通過把相繼粉末層i-1，i-2，i-3，i-4中的局部區(qū)域31-34熔合在一起而構(gòu)成。毫無疑問的，依據(jù)本發(fā)明制造的實(shí)際物體可具有比此例所示更多的層。
頂粉末層i分配在該熔合體上。選定區(qū)域35位于此頂粉末層內(nèi)。依據(jù)操作方案，該選定區(qū)域35由將要熔合在一起的區(qū)域組成。層i內(nèi)的選定區(qū)域35由外邊緣36界定。毫無疑問的，選定區(qū)域可能不僅包括外邊緣，還包括內(nèi)邊緣。在選定區(qū)域35內(nèi)，表示了將要計(jì)算其能量平衡的局部區(qū)域37。局部區(qū)域37可如圖2所示包括選定區(qū)域的一部分，或者選擇性地可包括整個(gè)選定區(qū)域。選定區(qū)域35優(yōu)選如圖6所示被分成多個(gè)較小的局部區(qū)域。
原則上依據(jù)Ein(i)＝Eout(i)+Eheat(i)計(jì)算能量平衡，這里，Ein(i)代表輸入局部區(qū)域內(nèi)的能量，Eout(i)代表從該局部區(qū)域散逸和輻射的能量損耗，以及Eheat(i)代表存入該局部區(qū)域內(nèi)的能量。所輸入的能量一方面包括已經(jīng)由熱傳導(dǎo)從計(jì)算其能量平衡的局部區(qū)域35周圍輻射入或者流入的能量Ein(c)，另一方面包括已從輻射槍6輻射入的能量Ein(s)。因此，若在能量供應(yīng)給局部區(qū)域35之前計(jì)算能量平衡，則Ein(s)＝0。依據(jù)本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施例，在經(jīng)由輻射槍6供應(yīng)能量之前，對局部區(qū)域35執(zhí)行至少第一能量平衡計(jì)算。
圖3示意性表示一種模型，基于該模型計(jì)算局部區(qū)域Δ1的能量平衡。在這種情況中，局部區(qū)域Δ1對應(yīng)于粉末層i的選定區(qū)域的一部分。在這種情況中，用于計(jì)算能量平衡的方程表現(xiàn)為Ein(Δ1)＝Eout(Δ1)+Eheat(Δ1)，這里，Ein(Δ1)代表輸入局部區(qū)域內(nèi)的能量，Eout(Δ1)代表從該局部區(qū)域Δ1散逸和輻射的能量損耗，以及Eheat(Δ1)代表存入該局部區(qū)域Δ1內(nèi)的能量。所輸入的能量一方面包括已經(jīng)由熱傳導(dǎo)從局部區(qū)域Δ1周圍輻射入或者流入的能量Ein(c)(Δ1)，另一方面包括已從輻射槍6輻射入的能量Ein(s)(Δ1)。
圖4示意性表示一種模型，基于該模型計(jì)算選定區(qū)域35內(nèi)的第二局部區(qū)域Δ2的能量平衡。在這種情況中，局部區(qū)域Δ2對應(yīng)于粉末層i的選定區(qū)域的這樣一部分，該部分還沒有熔合在一起且與粉末層i內(nèi)的第一局部區(qū)域Δ1相鄰，這里，從所述第一局部區(qū)域至所述第二局部區(qū)域發(fā)生輻射傳導(dǎo)或熱傳導(dǎo)。在這種情況中，用于計(jì)算能量平衡的方程表現(xiàn)為Ein(Δ2)＝Eout(Δ2)+Eheat(Δ2)，這里，Ein(Δ2)代表輸入局部區(qū)域內(nèi)的能量，Eout(Δ2)代表從該局部區(qū)域Δ2散逸和輻射的能量損耗，以及Eheat(Δ2)代表存入該局部區(qū)域Δ2內(nèi)的能量。所輸入的能量一方面包括已經(jīng)由熱傳導(dǎo)從局部區(qū)域Δ2周圍輻射入或者流入的能量Ein(c)(Δ2)，另一方面包括已從輻射槍6輻射入的能量Ein(s)(Δ2)。該經(jīng)由熱傳導(dǎo)供應(yīng)的能量Ein(c)(Δ2)包括分量Ein(s)(Δ2，i-1)和Eout(Δ1，Δ2)，該分量Ein(s)(Δ2，i-1)對應(yīng)于從前一層供應(yīng)的能量，分量Eout(Δ1，Δ2)對應(yīng)于從第一局部區(qū)域Δ1散逸或輻射并供應(yīng)給第二局部區(qū)域Δ2的能量。
圖5表示兩個(gè)焦點(diǎn)201，202在選定區(qū)域203內(nèi)的移動(dòng)。因此，選定區(qū)域203包括兩個(gè)在形成三維物體的橫截面時(shí)同時(shí)擴(kuò)散的熔合區(qū)204，205。利用熔合區(qū)204，205的前線206，207的移動(dòng)，示意性表示該熔合區(qū)的擴(kuò)散。該圖表示了選定區(qū)域在六個(gè)時(shí)候的狀態(tài)。在第一時(shí)候，輻射槍6給焦點(diǎn)I輸送能量，前線I形成。在隨后的時(shí)候，輻射槍的焦點(diǎn)移動(dòng)至焦點(diǎn)II，前線II形成。在下一階段，焦點(diǎn)I移動(dòng)至焦點(diǎn)III，即移動(dòng)一量Δ。在同一時(shí)間，前線I以一量δ移動(dòng)至前線III。在本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施例中，量δ等于量Δ。在下一步驟，焦點(diǎn)II移動(dòng)至焦點(diǎn)IV，前線II移動(dòng)至前線IV。在隨后的另一階段，焦點(diǎn)III移動(dòng)至焦點(diǎn)V，且前線III移動(dòng)至前線V。最后表示了焦點(diǎn)IV如何移動(dòng)至焦點(diǎn)VI，同時(shí)前線IV移動(dòng)至前線VI。
如圖5所示，三焦點(diǎn)之間的移動(dòng)不需要是直線的，但可對其進(jìn)行控制以使前線以盡可能最迅速的方式充滿選定區(qū)域。
為使焦點(diǎn)的擴(kuò)散速度與熔合區(qū)的擴(kuò)散速度即熔合區(qū)的波傳播速度相匹配，依據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例，利用某種裝置提供的信息估算該波傳播速度，該裝置位于粉末層內(nèi)且用于檢測表面層的溫度分布。此裝置可由熱攝影機(jī)組成，該熱攝影機(jī)在兩個(gè)連續(xù)時(shí)刻測量熔合區(qū)的前線位置，按照這種方式可以計(jì)算速度。
在一種可供選擇的實(shí)施例中，通過對包含所述焦點(diǎn)的區(qū)域計(jì)算能量平衡來估算波傳播速度，所述波傳播速度自一種為所述區(qū)域建立的熱傳導(dǎo)方程模型中獲得。
依據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例，這樣安排儲(chǔ)存在控制計(jì)算機(jī)內(nèi)的操作方案，使得所述數(shù)量的焦點(diǎn)在整個(gè)選定區(qū)域上擴(kuò)散，該整個(gè)選定區(qū)域?qū)?yīng)于所要形成的三維物體的整個(gè)橫截面。依據(jù)一種可供選擇的實(shí)施例，在局部區(qū)域內(nèi)采用若干焦點(diǎn)，如下所述。
圖6表示了一種被分割為多個(gè)較小局部區(qū)域的選定區(qū)域35。依據(jù)本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施例，每個(gè)粉末層內(nèi)的表面被分割成一組單獨(dú)區(qū)域38-58，每個(gè)單獨(dú)區(qū)域都包括選定區(qū)域35的某些部分，對所述單獨(dú)區(qū)域組38-58中的每個(gè)都計(jì)算能量平衡。選定區(qū)域由外邊緣72界定。當(dāng)然，選定區(qū)域還可包括內(nèi)邊緣。
依據(jù)本發(fā)明的另一種優(yōu)選實(shí)施例，所述單獨(dú)區(qū)域組38-58包括完全位于所述選定區(qū)域的邊緣72內(nèi)的第一組區(qū)域54-58和其邊緣與所述選定區(qū)域的邊緣部分重合的第二組區(qū)域38-53。這里適當(dāng)?shù)氖?，包括在所述第二組內(nèi)的每個(gè)區(qū)域38-53被分割成第二組較小區(qū)域38a-38d，53a-53d。
圖7示意性表示依據(jù)本發(fā)明一種優(yōu)選實(shí)施例的操作方案，這里，位于所述第一和第二組區(qū)域內(nèi)的每個(gè)區(qū)域80-91都由內(nèi)部區(qū)域I和邊緣R組成，其中，在第一處理步驟中將位于所述第一或第二組區(qū)域內(nèi)的相鄰區(qū)域組的內(nèi)部區(qū)域I熔合在一起，之后把位于所述區(qū)域之間的所述邊緣R熔合在一起。利用此過程，減少在冷卻后三維物體內(nèi)出現(xiàn)彎曲應(yīng)力。
依據(jù)本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施例，這樣設(shè)計(jì)操作方案，使得將所要熔合在一起的區(qū)域即選定區(qū)域分割成一個(gè)或多個(gè)內(nèi)部區(qū)域I，每個(gè)內(nèi)部區(qū)域I都具有邊緣R。圖8示意性表示一種所要熔合在一起的區(qū)域35。該區(qū)域包括一種由邊緣R界定的內(nèi)部區(qū)域I。依據(jù)本發(fā)明，利用輻射槍的射束焦點(diǎn)的移動(dòng)圖形把內(nèi)部區(qū)域I熔合在一起，該移動(dòng)圖形具有主移動(dòng)方向和干涉項(xiàng)，該干涉項(xiàng)附加給所述主移動(dòng)方向且具有其方向垂直于該主移動(dòng)方向的分量。干涉項(xiàng)改變方向并具有與主移動(dòng)方向的零點(diǎn)偏移相對應(yīng)的時(shí)間平均值。圖9表示三種不同干涉項(xiàng)表現(xiàn)的不同例子，該三種干涉項(xiàng)導(dǎo)致呈三角波、正弦波和矩形波形式的運(yùn)動(dòng)。
圖10示意性表示物體內(nèi)呈現(xiàn)的熱量分布，這里，輻射槍的直徑為D的焦點(diǎn)已加熱該物體。焦點(diǎn)周圍的熱量分布具有高斯鐘(Gaussianbell)的形狀。利用由(α)標(biāo)識(shí)的曲線表示無干涉項(xiàng)時(shí)焦點(diǎn)周圍的溫度分布。利用干涉項(xiàng)，加寬射束傳播過程中沿主移動(dòng)方向處理的軌跡。利用由(β)標(biāo)識(shí)的曲線表示加寬軌跡。該加寬軌跡的溫度分布還具有較小的最大值。結(jié)果這降低了由于過熱而導(dǎo)致成形不規(guī)則的風(fēng)險(xiǎn)。
干涉項(xiàng)優(yōu)選具有這樣一種特征，其使得所形成熔合區(qū)的寬度基本等于該干涉項(xiàng)在垂直于主移動(dòng)方向的方向上的分量幅值的兩倍。焦點(diǎn)在干涉項(xiàng)方向上運(yùn)動(dòng)的絕對值平均速度優(yōu)選超過材料內(nèi)的熱傳播速度。主移動(dòng)方向上的速度優(yōu)選等于材料內(nèi)的熱傳播速度。干涉項(xiàng)的幅值和頻率優(yōu)選這樣匹配，使得焦點(diǎn)能夠從干涉項(xiàng)具有零值的其初始位置起移動(dòng)、經(jīng)過該干涉項(xiàng)的最小和最大值、然后返回至其使熱傳播的波前從第一零位置移動(dòng)至第二零位置的位置。這示意性地表示在圖5中。圖11表示了焦點(diǎn)如何沿著曲線50從第一位置51起經(jīng)過干涉項(xiàng)的最大值52、該干涉項(xiàng)的最小值53，然后占據(jù)該干涉項(xiàng)為零值的第二位置54。在這期間，熱傳播的波前已從第一位置51傳播至第二位置。如果干涉項(xiàng)的平均速度過低，就形成一種曲線熔合軌跡而不是加寬軌跡，該曲線熔合軌跡在由干涉項(xiàng)的端點(diǎn)所限定的通路內(nèi)延伸。
依據(jù)一種優(yōu)選實(shí)施例，干涉項(xiàng)還具有在平行于主移動(dòng)方向的方向上的分量。在這種情況中，干涉項(xiàng)是兩維的。圖12中給出了具有二維方向的干涉項(xiàng)的例子。
優(yōu)選在輻射槍射束的大體直線運(yùn)動(dòng)過程中將邊緣R熔合在一起。
該輻射槍的射束焦點(diǎn)的移動(dòng)圖形包括主移動(dòng)方向和附加給所述主移動(dòng)方向且具有垂直于該主移動(dòng)方向的方向分量的干涉項(xiàng)，采用這種移動(dòng)圖形來進(jìn)行操作的目的是利用加寬軌跡可以更緩慢地移動(dòng)熔合區(qū)，而該熔合區(qū)仍然能以與傳統(tǒng)操作相比較快的速度熔合。熔合區(qū)的緩慢移動(dòng)使得蒸發(fā)減少，并減少發(fā)生熔合材料沸騰和飛濺的可能性。采用連續(xù)大體直線運(yùn)動(dòng)把邊緣熔合在一起的目的是為了給最終產(chǎn)品生成光滑表面結(jié)構(gòu)。
以下在本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施例中給出對具有兩維干涉項(xiàng)的輻射槍的焦點(diǎn)移動(dòng)圖形的分析，該兩維干涉項(xiàng)導(dǎo)致該焦點(diǎn)進(jìn)行一種螺旋狀運(yùn)動(dòng)。
由以下方程1可獲得繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)并沿同一軸以速率Vx移動(dòng)的焦點(diǎn)的位置r(t)＝(Vxt+Axcos(ωt))x+Aysin(ωt)yEqu.1這里，Ax和Ay分別是x和y方向的幅值。
一種典型的“旋轉(zhuǎn)曲線”可像圖13所示的那樣。
若按以下方程2設(shè)定ω，獲得圖7所示圖形ω=2πVxAx]]>Equ.2焦點(diǎn)的速度由以下方程3給出dr(t)‾dt=(Vx-Axωsin(ωt))x‾+Ayωcos(ωt)y‾---Equ.3]]>因此，其絕對速度為|dr(t)‾dt|=(Vx-Axωsin(ωt))2+(Ayωcos(ωt))2]]>Equ.4若焦點(diǎn)依據(jù)上述公式移動(dòng)，其速度將發(fā)生變化，可在x軸下方最大、上方最小或者依據(jù)旋轉(zhuǎn)方向反過來也可以。為獲得沿著圖13中的旋轉(zhuǎn)曲線以恒定速度移動(dòng)的焦點(diǎn)，首先計(jì)算其平均速度Vaverage=∫0T|dr(t)‾dt|dtT]]>Equ.5這里T=2πω]]>Vaverage是焦點(diǎn)的移動(dòng)速度。在時(shí)間t時(shí)，焦點(diǎn)已移動(dòng)距離s＝t*Vaverage此距離必須等于在時(shí)間t’時(shí)的旋轉(zhuǎn)曲線長度。
因此s=t*Vaverage=∫0t,|dr(t)‾dt|dt---Equ.6]]>對于0＜t＜T求解方程6，給出作為t的函數(shù)的t’。然后，將t’用在方程1中，該方程1給出作為時(shí)間t的函數(shù)的焦點(diǎn)位置。
采用不同速度和Ay的若干模擬已經(jīng)顯示位于表面下方0.1-0.15mm的熔合區(qū)具有大約1.8Ay的寬度。因此，兩旋轉(zhuǎn)線之間的跳距應(yīng)該是Hop spin＝1.8Ay-0.3從邊緣至起點(diǎn)的距離近似為Starting hop＝0.8Ay-0.15圖14表示了沿圖中箭頭標(biāo)識(shí)的x方向擴(kuò)散的連續(xù)加寬熔合邊緣。圖中標(biāo)識(shí)了直徑為D的焦點(diǎn)。重疊區(qū)域確保熔合發(fā)生在焦點(diǎn)外部的區(qū)域中。用符號(hào)δ表示并標(biāo)識(shí)此區(qū)域。這些區(qū)域共同形成了沿箭頭x標(biāo)識(shí)的方向擴(kuò)散的總區(qū)域。
依據(jù)本發(fā)明的另一種優(yōu)選實(shí)施例，在輻射槍射束的大體直線運(yùn)動(dòng)過程中，內(nèi)部區(qū)域I之間的邊緣R熔合在一起。
依據(jù)圖15，該裝置還根據(jù)本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施例包括用于檢測粉末層內(nèi)的表面層的表面特性的裝置14。此用于檢測粉末層5內(nèi)的表面層的溫度分布的裝置14優(yōu)選由攝影機(jī)組成。在本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施例中，該攝影機(jī)一方面用于測量表面層上的溫度分布，另一方面用于通過表面不規(guī)則引發(fā)形成的陰影來測量該表面不規(guī)則的發(fā)生。一方面，有關(guān)溫度分布的信息用于在表面層的所要熔合的那些部分上生成盡可能均勻的溫度分布，另一方面，因?yàn)闇囟确植挤从钞a(chǎn)品的形狀，該信息可用以檢測所生成的三維產(chǎn)品與原始設(shè)計(jì)之間的任何尺寸偏差。在本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施例中，圖像攝影機(jī)安裝在用于封閉粉末層5和輻射槍6的外殼15的外部上。為使溫度測量成為可能，該外殼提供有透明窗口16。攝影機(jī)經(jīng)由此窗口可看到粉末層5。
在本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施例中，如圖16所示，窗口16由一種保護(hù)膜17覆蓋。該保護(hù)膜由輸出單元18輸送給收集單元19，由此逐漸更換該膜，這意味著能夠維持透明度。作為熔合處理的結(jié)果，保護(hù)膜必然成為涂層形式。
圖17示意性表示一種依據(jù)本發(fā)明制造三維物體的方法。通過把與三維物體的相繼橫截面對應(yīng)的粉末層的選定區(qū)域相繼熔合在一起來形成該三維物體。
在第一方法步驟100中，給工作臺(tái)覆加粉末層。利用上述把一薄層粉末分配在工作臺(tái)2上的裝置28來實(shí)現(xiàn)覆加操作。
在第二方法步驟110中，依據(jù)為該粉末層確定的操作方案由輻射槍6給該粉末層內(nèi)的選定區(qū)域供應(yīng)能量，把依據(jù)所述操作方案選定的該粉末層的區(qū)域熔合在一起以形成所述三維物體的一橫截面。通過把由相繼覆加的粉末層相繼形成的橫截面相繼熔合在一起來形成三維物體。
依據(jù)本發(fā)明，這樣設(shè)計(jì)所述操作方案，使選定區(qū)域具有兩個(gè)或多個(gè)在形成三維物體的橫截面時(shí)穿過該選定區(qū)域同時(shí)擴(kuò)散的熔合區(qū)。
通過在定時(shí)脈沖調(diào)制(time sampling)時(shí)利用輻射槍給兩個(gè)或多個(gè)幾何分離的焦點(diǎn)供應(yīng)能量，產(chǎn)生兩個(gè)或多個(gè)熔合區(qū)。
優(yōu)選這樣設(shè)計(jì)操作方案，使輻射槍的焦點(diǎn)處的焦點(diǎn)以與熔合區(qū)的波傳播速度相對應(yīng)的速度擴(kuò)散。
依據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例，由用于檢測粉末層內(nèi)的表面層的溫度分布的裝置所提供的信息，通過測量熔合區(qū)的波傳播速度來估算波傳播速度。此裝置通過讀取物體表面上的溫度分布能夠記錄熱量如何從焦點(diǎn)向外擴(kuò)散。熱量的擴(kuò)散速度對應(yīng)于波傳播速度。
依據(jù)一種優(yōu)選實(shí)施例，在第三方法步驟120中對每個(gè)粉末層內(nèi)的至少一個(gè)局部區(qū)域計(jì)算能量平衡，在計(jì)算中確定從該局部區(qū)域周圍輻射到該局部區(qū)域內(nèi)的能量是否足以維持該局部區(qū)域的規(guī)定工作溫度。依據(jù)上述模型執(zhí)行計(jì)算。
圖18示意性表示產(chǎn)生原始操作方案的過程。在第一步驟40中，在例如CAD程序中生成所要制造產(chǎn)品的3D模型，或者選擇性地把所要制造產(chǎn)品的預(yù)備3D模型輸入控制計(jì)算機(jī)8。然后，在第二步驟41中，生成一種矩陣，該矩陣包含與產(chǎn)品橫截面的外部特征有關(guān)的信息。圖23表示一種具有相關(guān)橫截面31-33例子的錘子模型。這些橫截面還表示在圖24a-24c中。這些橫截面按照一定的密度分布以形成最終產(chǎn)品，該密度對應(yīng)與所要熔合的各層厚度。該厚度優(yōu)選可在各層之間變化。尤其優(yōu)選的是使得在相鄰層之間橫截面外部特征變化較大的區(qū)域內(nèi)的層較薄。因此，在生成橫截面時(shí)，創(chuàng)造這樣一種矩陣，該矩陣包含了與共同構(gòu)成三維產(chǎn)品的所有橫截面的外部特征有關(guān)的信息。
一旦生成橫截面，就在第三步驟42中為每個(gè)橫截面生成原始操作方案。一方面基于構(gòu)成橫截面的部分的形狀識(shí)別，另一方面基于該操作方案如何影響橫截面的局部部分的冷卻溫度的知識(shí)，來生成原始操作方案。目的是生成這樣一種操作方案，該操作方案使得在覆加下一層之前冷卻溫度在所要熔合的部分內(nèi)盡可能均勻，同時(shí)維持該冷卻溫度在預(yù)期范圍內(nèi)，以降低產(chǎn)品內(nèi)出現(xiàn)收縮應(yīng)力的風(fēng)險(xiǎn)并減小由于該產(chǎn)品變形而出現(xiàn)在該產(chǎn)品內(nèi)的收縮應(yīng)力的大小。
首先，基于橫截面的各個(gè)組成部分的形狀生成原始操作方案。
因此，在本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施例中，基于某種操作方案能為橫截面的冷卻溫度提供良好溫度分布的經(jīng)驗(yàn)來制訂原始操作方案，于是可以縮小由于產(chǎn)品變形而導(dǎo)致該產(chǎn)品內(nèi)出現(xiàn)收縮應(yīng)力的風(fēng)險(xiǎn)。為此，一組用于不同形狀區(qū)域的操作方案儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器中。在一種優(yōu)選實(shí)施例中，作為對操作方案的修訂進(jìn)行評估的結(jié)果，更新此存儲(chǔ)器，從而獲得一種自學(xué)系統(tǒng)。
依據(jù)本發(fā)明的一種可供選擇的實(shí)施例，把已利用獨(dú)立計(jì)算機(jī)生成的預(yù)備完成橫截面輸入控制計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器內(nèi)，從而生成所述原始操作方案。在這種情況中，信息直接經(jīng)由外部信源40a提供給第三步驟42。
圖19示意性表示一種采用結(jié)合圖17所示的方法來制造三維物體的過程。在第一方法步驟130中，確定參數(shù)，基于該參數(shù)計(jì)算能量平衡。在第二方法步驟140中，對選定區(qū)域35的至少一個(gè)局部區(qū)域計(jì)算能量平衡。依據(jù)前述方法執(zhí)行計(jì)算。
在第三方法步驟150中，依據(jù)所算得的能量平衡更新操作方案。若能量平衡的結(jié)果是儲(chǔ)存在局部區(qū)域內(nèi)的熱量足以維持預(yù)期工作溫度，就不需要額外的能量供應(yīng)。依據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例，如果能量平衡的結(jié)果是局部區(qū)域內(nèi)儲(chǔ)存的熱量不足以維持預(yù)期工作溫度，那么就以在熔合之前預(yù)熱該局部區(qū)域的形式額外供應(yīng)能量。這種預(yù)熱可通過輻射槍非常迅速地掃過該區(qū)域、或者該輻射槍以比平常低的能量掃過該區(qū)域、或者兩者的結(jié)合來實(shí)現(xiàn)。在第四方法步驟160中進(jìn)行此預(yù)熱。
在第五方法步驟170中，利用掃過局部區(qū)域的輻射槍實(shí)現(xiàn)熔合。
圖20示意性表示本發(fā)明的一種實(shí)施例，其中適當(dāng)采用上述用于生成和修訂操作方案的方法。在第一方法步驟180中，識(shí)別選定區(qū)域的一個(gè)或多個(gè)內(nèi)部區(qū)域I。在第二方法步驟190中，識(shí)別與所述內(nèi)部區(qū)域相關(guān)且圍繞每個(gè)所述內(nèi)部區(qū)域的一個(gè)或多個(gè)邊緣R。在第三方法步驟200中，所述內(nèi)部區(qū)域I在輻射槍射束的部分重疊循環(huán)運(yùn)動(dòng)過程中熔合在一起。在第四方法步驟210過程中，所述邊緣在該射束的直線運(yùn)動(dòng)過程中熔合在一起。
依據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例，這樣安排操作方案以連續(xù)地每次把位于所述內(nèi)部區(qū)域中的一個(gè)區(qū)域內(nèi)的粉末熔合在一起。
依據(jù)本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施例，控制計(jì)算機(jī)設(shè)置用以把每個(gè)粉末層內(nèi)的表面分割成一組單獨(dú)區(qū)域，所述單獨(dú)區(qū)域組包括完全位于所述選定區(qū)域內(nèi)的第一組區(qū)域和部分位于所述選定區(qū)域內(nèi)的第二組區(qū)域，這里，位于所述第一和第二組區(qū)域內(nèi)的每個(gè)區(qū)域組成了一種具有邊緣的內(nèi)部區(qū)域?？刂朴?jì)算機(jī)還設(shè)置用以確保在輻射槍射束的部分重疊循環(huán)運(yùn)動(dòng)過程中把位于所述第一組區(qū)域內(nèi)的區(qū)域組的所述內(nèi)部區(qū)域熔合在一起。
在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，利用部分重疊循環(huán)運(yùn)動(dòng)使所述第二組區(qū)域內(nèi)的內(nèi)部區(qū)域熔合在一起。在本發(fā)明的一種可供選擇的實(shí)施例中，利用大體直線運(yùn)動(dòng)，使所述第二組區(qū)域內(nèi)的內(nèi)部區(qū)域熔合在一起。
依據(jù)本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施例，在上述涉及把選定表面分割成較小局部表面的實(shí)施例情況中，采用上述能量平衡計(jì)算，以在射束能量校正和最終熔合前用以加熱粉末層的能量供應(yīng)方面對操作方案加以控制。
圖21示意性表示一種把來自輻射槍的射束引導(dǎo)到粉末層上以生成產(chǎn)品橫截面的過程。在第一步驟50，開始依據(jù)步驟42中限定的原始操作方案把射束引導(dǎo)到粉末層上。在下一步驟51，利用攝影機(jī)測量該粉末層的表面層上的溫度分布。然后，由所測得的溫度分布生成一種溫度分布矩陣Tij-measured，其中儲(chǔ)存該粉末層的表面層的小局部區(qū)域的溫度，將該矩陣內(nèi)的每個(gè)溫度值Tij-measured與一種預(yù)期值矩陣內(nèi)的預(yù)期值Tij-desired value比較。粉末層的表面層可粗略分為三類。首先是經(jīng)由輻射槍的處理發(fā)生熔合的區(qū)域。在這些區(qū)域中，最大熔合溫度Tij-max是所關(guān)心的。第二是已經(jīng)熔合并由此冷卻的區(qū)域。在這些區(qū)域中，允許的最小冷卻溫度Tij-cooling-min是所關(guān)心的，因?yàn)槔鋮s溫度過冷會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力并由此導(dǎo)致表面層變形。第二是還沒有被輻射槍處理的區(qū)域。在這些區(qū)域中，層溫Tij-bed是所關(guān)心的。也可僅比較經(jīng)處理區(qū)域內(nèi)的溫度，因此不需要儲(chǔ)存和/或檢測Tij-bed。
在第三步驟52中，判斷Tij-measured是否偏離預(yù)期值Tij-desired value以及偏差是否大于允許的限值。與三種不同類型相關(guān)的限值ΔTij-max，ΔTij-cooling和ΔTij-bed儲(chǔ)存在控制計(jì)算機(jī)8中。也可以不檢測層溫。在這種情況中，不存儲(chǔ)與其相關(guān)的限值。若Tij-measured與Tij-desired value之間的偏差超過此限值，就在第四步驟53判斷表面層是否已全部處理。若還沒有全部處理，則繼續(xù)依據(jù)當(dāng)前操作方案的操作，再次運(yùn)行上述方法步驟50-53。
若Tij-measured與Tij-desired value之間的偏差超過所述限值之一，則在第五步驟中修訂操作方案42。在一種優(yōu)選實(shí)施例中，依據(jù)圖17所示的系統(tǒng)執(zhí)行所述修訂。
在本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施例中，僅在完成每層之后分配新粉末層，通過相繼熔合該粉末層來構(gòu)造產(chǎn)品直至完成該產(chǎn)品。在這種情況中，當(dāng)在第四步驟53中確定用于一層的操作方案已經(jīng)結(jié)束時(shí)，在第六步驟55之后，若作為整體的產(chǎn)品還沒有完成，則開始新的一層。
在一種優(yōu)選實(shí)施例中，如圖22所示，操作方案的修訂包括以下方法步驟在第一步驟56，比較Tij-max與Tij-max-desired value。若Tij-max相對于Tij-max-desired value的偏差大于ΔTij-max，就通過改變射束的能量或者改變該射束的掃描速度來校正對粉末層的能量供應(yīng)。
在第二步驟58，比較Tij-cooling與Tij-cooling-desired value。若Tij-cooling相對于Tij-cooling-desired value的偏差大于ΔTij-cooling，就在步驟58a改變射束的操作方案。存在許多用于改變射束的操作方案的方法。一種用于改變操作方案的方法是在區(qū)域已過度冷卻之前允許射束再加熱該區(qū)域。于是，輻射槍可以較低的能量強(qiáng)度和/或以較快的掃描速度掃過已經(jīng)熔合在一起的區(qū)域。
在第三步驟60中，判斷Tij-bed是否偏離Tij-bed-desired value。在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，若偏差大于ΔTij-bed，可在步驟60a中例如通過使射束掃過粉末層以供應(yīng)能量來修正該層的溫度。也可使單獨(dú)的層加熱設(shè)備與該裝置連接。
還可以利用安裝在該裝置內(nèi)的熱攝影機(jī)對所制造的物體執(zhí)行尺寸檢測。如上所述，測量已熔合在一起的粉末層和部分。所測得的熱量分布充分反映所要生成的三維物體的一部分的物體形狀。按照這種方式在第四步驟62對物體執(zhí)行尺寸檢測，從而可以反饋輻射槍射束的X-Y偏轉(zhuǎn)。在本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施例中，在步驟62a檢測橫截面尺寸之間的偏差，若偏差大于允許偏差，就修訂輻射槍的X-Y偏轉(zhuǎn)。
此外，來自攝影機(jī)的輸入信息可用于識(shí)別是否出現(xiàn)表面不規(guī)則，例如，呈焊接火花形式的表面不規(guī)則。在已識(shí)別表面不規(guī)則的坐標(biāo)后，可更新操作方案，使輻射槍朝向所識(shí)別的坐標(biāo)以熔毀該表面的不規(guī)則。
本發(fā)明不限于上述示意性實(shí)施例；輻射槍可包括例如激光，在這種情況中偏轉(zhuǎn)裝置包括可引導(dǎo)的反射鏡和/或透鏡。
本發(fā)明還用在一種利用從能源至產(chǎn)品原材料的能量傳遞來制造三維物體的裝置中，該裝置包括在其上構(gòu)造所述三維產(chǎn)品的工作臺(tái)、設(shè)置用以把一薄層的產(chǎn)品原材料分配到該工作臺(tái)上以形成產(chǎn)品層的分配器、用于輸送能量給該產(chǎn)品層表面的選定區(qū)域并允許該產(chǎn)品原材料發(fā)生相變以在所述區(qū)域內(nèi)形成固定橫截面的裝置、以及用于管理存儲(chǔ)器的控制計(jì)算機(jī)，該存儲(chǔ)器內(nèi)儲(chǔ)存與該三維產(chǎn)品的相繼橫截面有關(guān)的信息，該橫截面構(gòu)成該三維產(chǎn)品，這里，該控制計(jì)算機(jī)旨在控制所述用于輸送能量的裝置以將該能量供應(yīng)給所述選定區(qū)域，通過把由分配器相繼覆加的產(chǎn)品原材料相繼形成的橫截面相繼連接在一起來形成所述三維產(chǎn)品。
在這種情況中，該實(shí)施例不限于利用對粉末層表面進(jìn)行輻射的輻射槍把粉末熔合在一起。產(chǎn)品原材料可包括在相變之后形成固體例如在熔融或淬火之后固化的任何材料。能量輸送裝置可包括電子槍、或者引導(dǎo)到工作面上的激光、或者選擇性的一種能直接在產(chǎn)品層上投影橫截面的能量輸送裝置。
此外，上述實(shí)施例具有相對于前述實(shí)施例所述的全部特征。
權(quán)利要求
1.一種通過把粉末層的選定區(qū)域相繼熔合在一起來制造三維物體的方法，所述粉末層的所述選定區(qū)域部分對應(yīng)于所述三維物體的相繼橫截面，所述方法包括以下方法步驟把粉末層覆加給工作臺(tái)，依據(jù)確定用于所述粉末層的操作方案從輻射槍給所述粉末層內(nèi)的所述選定區(qū)域供應(yīng)能量，把依據(jù)用于形成所述三維物體的橫截面的所述操作方案選定的所述粉末層的區(qū)域熔合在一起，通過把由相繼覆加的粉末層相繼形成的橫截面相繼熔合在一起來制造所述三維物體，其特征在于，所述選定區(qū)域具有兩個(gè)或多個(gè)在形成所述三維物體的橫截面時(shí)同時(shí)穿過所述選定區(qū)域擴(kuò)散的熔合區(qū)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，通過在定時(shí)脈沖調(diào)制時(shí)利用輻射槍給兩個(gè)或多個(gè)幾何分離的焦點(diǎn)供應(yīng)能量，生成所述兩個(gè)或多個(gè)熔合區(qū)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述輻射槍的位于所述兩個(gè)熔合點(diǎn)處的所述焦點(diǎn)以與所述熔合區(qū)的波傳播速度相對應(yīng)的速度擴(kuò)散。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，通過測量所述熔合區(qū)的所述波傳播速度來估算所述波傳播速度，其中，利用由用于檢測所述粉末層內(nèi)的表面層的溫度分布的裝置所提供的信息來測量所述熔合區(qū)的所述波傳播速度。
5.如權(quán)利要求3或4所述的方法，其特征在于，通過對包括所述焦點(diǎn)的區(qū)域計(jì)算能量平衡來估算所述波傳播速度，所述波傳播速度可從一種為所述區(qū)域建立的熱傳導(dǎo)方程模型中獲得。
6.如權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，對每個(gè)粉末層內(nèi)的至少一個(gè)局部區(qū)域計(jì)算能量平衡，在計(jì)算中確定從所述局部區(qū)域的周圍輻射入所述局部區(qū)域內(nèi)的能量是否足以維持所述局部區(qū)域的規(guī)定工作溫度。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，除了使所述局部區(qū)域熔合在一起的能量外，若所述能量平衡計(jì)算的結(jié)果是沒有用以維持所述局部區(qū)域的預(yù)期工作溫度的足夠能量，則供應(yīng)用于加熱所述局部區(qū)域的能量，從而獲得所述局部區(qū)域的規(guī)定工作溫度。
8.如權(quán)利要求6或7所述的方法，其特征在于，依據(jù)Ein(i)＝Eout(i)+Eheat(i)計(jì)算用于每個(gè)粉末層的能量平衡，這里，Ein(i)代表輸入所述局部區(qū)域內(nèi)的能量，Eout(i)代表從所述局部區(qū)域散逸和輻射的能量損耗，以及Eheat(i)代表存入所述局部區(qū)域內(nèi)的能量。
9.一種用于制造三維產(chǎn)品的裝置，所述裝置包括在其上構(gòu)造所述三維產(chǎn)品的工作臺(tái)、設(shè)置用以把粉末薄層分配到所述工作臺(tái)上以形成粉末層的粉末分配器、用于輸送能量給所述粉末以使所述粉末熔合在一起的輻射槍、用于把所述輻射槍發(fā)射的射束引導(dǎo)到所述粉末層上以通過使部分的所述粉末層熔合在一起來形成所述三維產(chǎn)品的橫截面的裝置、以及其內(nèi)儲(chǔ)存與所述三維產(chǎn)品的相繼橫截面有關(guān)的信息的控制計(jì)算機(jī)，所述橫截面構(gòu)成所述三維產(chǎn)品，其中，所述控制計(jì)算機(jī)用于依據(jù)一種用于形成所述三維物體的橫截面的操作方案來控制所述用于在所述粉末層上引導(dǎo)所述輻射槍的裝置，通過把由所述粉末分配器相繼形成的橫截面相繼熔合在一起來制造所述三維物體，其特征在于，這樣安排所述操作方案以把所述輻射槍引導(dǎo)至所述選定區(qū)域的兩個(gè)或多個(gè)熔合區(qū)，所述熔合區(qū)在形成所述三維物體的橫截面時(shí)同時(shí)穿過所述選定區(qū)域擴(kuò)散。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，這樣安排所述操作方案，使得在定時(shí)脈沖調(diào)制時(shí)引導(dǎo)所述輻射槍至所述兩個(gè)或多個(gè)熔合區(qū)以給兩個(gè)幾何分離的焦點(diǎn)供應(yīng)能量。
11.如權(quán)利要求9或10所述的裝置，其特征在于，這樣安排所述操作方案，使得以一種與所述熔合區(qū)的波傳播速度相對應(yīng)的擴(kuò)散速度引導(dǎo)所述輻射槍的位于所述兩個(gè)熔合點(diǎn)處的所述焦點(diǎn)。
12.如權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，所述控制計(jì)算機(jī)設(shè)置用以通過測量所述熔合區(qū)的所述波傳播速度來估算所述波傳播速度，其中，利用由用于檢測所述粉末層內(nèi)的表面層的溫度分布的裝置所提供的信息來測量所述熔合區(qū)的所述波傳播速度。
13.如權(quán)利要求11或12所述的裝置，其特征在于，所述控制計(jì)算機(jī)設(shè)置用以通過對包括所述焦點(diǎn)的區(qū)域計(jì)算能量平衡來估算所述波傳播速度，所述波傳播速度可從一種為所述區(qū)域建立的熱傳導(dǎo)方程模型中獲得。
14.如權(quán)利要求10-13中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述控制計(jì)算機(jī)還設(shè)置用以對每個(gè)粉末層內(nèi)的至少一個(gè)局部區(qū)域計(jì)算能量平衡，在計(jì)算中確定從所述局部區(qū)域的周圍輻射入所述局部區(qū)域內(nèi)的能量是否足以維持所述局部區(qū)域的規(guī)定工作溫度。
15.如權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于，所述控制計(jì)算機(jī)設(shè)置用以控制所述操作方案，以除了供應(yīng)使所述粉末層熔合在一起的能量外，若所述能量平衡計(jì)算的結(jié)果是所述操作方案沒有提供用以維持所述局部區(qū)域的預(yù)期工作溫度的足夠能量，則還供應(yīng)用于加熱所述粉末層的能量，從而維持所述局部區(qū)域的規(guī)定工作溫度。
16.如權(quán)利要求14或15所述的裝置，其特征在于，所述控制計(jì)算機(jī)設(shè)置用以依據(jù)Ein(i)＝Eout(i)+Eheat(i)計(jì)算用于每個(gè)粉末層的能量平衡，這里，Ein(i)代表輸入所述局部區(qū)域內(nèi)的能量，Eout(i)代表從所述局部區(qū)域散逸和輻射的能量損耗，以及Eheat(i)代表存入所述局部區(qū)域內(nèi)的能量。
17.如權(quán)利要求10-16中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括用于檢測所述粉末層內(nèi)的表面層的溫度分布的裝置。
全文摘要
一種通過把粉末層的選定區(qū)域相繼熔合在一起來制造三維物體的方法和裝置，該粉末層的選定區(qū)域部分對應(yīng)于該三維物體的相繼橫截面，該方法包括以下方法步驟把粉末層覆加給工作臺(tái)，依據(jù)由該粉末層確定的操作方案從輻射槍給該粉末層內(nèi)的所述選定區(qū)域供應(yīng)能量，把依據(jù)用于形成所述三維物體的橫截面的所述操作方案選定的該粉末層的區(qū)域熔合在一起，通過把由相繼覆加的粉末層相繼形成的橫截面相繼熔合在一起來形成三維物體。
文檔編號(hào)B29C67/00GK1726108SQ200380106450
公開日2006年1月25日 申請日期2003年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月19日
發(fā)明者M·拉爾松 申請人:阿卡姆股份公司