專利名稱：制造三維產(chǎn)品的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過連續(xù)熔合散布到工作平臺(tái)的粉末層的選定區(qū)域來制造三維產(chǎn)品的裝置和方法的。
背景技術(shù)：
例如從US4863538中已知通過連續(xù)地熔合散布到工作平臺(tái)的粉末層的選定部分來制造三維產(chǎn)品的裝置。該裝置包括工作平臺(tái)，所述三維產(chǎn)品在該平面上形成；粉末撒布器，設(shè)置該粉末撒布器，使得在工作平臺(tái)上散布粉末薄層，以形成粉末床；輻射槍，用于傳遞能量給粉末，從而使粉末熔合；單元，用于把輻射槍發(fā)射的射束引導(dǎo)到所述粉末床以通過熔合所述粉末床的部分而形成所述三維產(chǎn)品的截面；以及控制計(jì)算機(jī)，其中存儲(chǔ)有三維產(chǎn)品的連續(xù)截面的信息。通過熔合散布的連續(xù)粉末層的選定部分來形成三維產(chǎn)品?？刂朴?jì)算機(jī)根據(jù)重現(xiàn)預(yù)定圖案的操作方案而控制用于輻射槍在粉末床上產(chǎn)生的射束的偏轉(zhuǎn)單元。當(dāng)操作方案已經(jīng)熔合粉末層的希望區(qū)域時(shí)，就已經(jīng)形成所述三維產(chǎn)品的截面。通過把在粉末散布器連續(xù)散布的粉末層中連續(xù)形成的截面連續(xù)地熔合在一起而形成三維產(chǎn)品。
從SE 0001557-8中已知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造的三維物體的表面結(jié)構(gòu)以及表面溫度。通過使用文中所述的裝置，可能增加所制造的三維物體的外形與希望外形的一致性。然而，在制造三維產(chǎn)品的過程中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)所制造的產(chǎn)品的表面應(yīng)力引起形狀偏差，以及可能引發(fā)裂縫形成的產(chǎn)品中的內(nèi)部應(yīng)力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)是提供一種用于制造三維物體的方法，其中可能減少最終產(chǎn)品中表面應(yīng)力的出現(xiàn)和由此產(chǎn)生的形狀偏差，以及內(nèi)部應(yīng)力的出現(xiàn)。通過依據(jù)專利權(quán)利要求1特征部分的裝置來實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。由于在用于制造三維物體的方法中，把對(duì)應(yīng)于三維物體截面的粉末床的選定區(qū)域劃分為多個(gè)包含內(nèi)部區(qū)域和邊界的更小部分區(qū)域，可能提供這樣的操作方案，其中可以以有利的方式進(jìn)行能量供應(yīng)，以便確保要制造的物體頂層的工作溫度能夠維持在可以接受的溫度范圍之內(nèi)。使工作表面維持在窄的溫度范圍內(nèi)的可能性意味著可以減小所制造的產(chǎn)品中的表面應(yīng)力。表面應(yīng)力引起形狀偏差，以及可能引發(fā)裂縫形成的產(chǎn)品內(nèi)部應(yīng)力。
優(yōu)選在獨(dú)立于圍繞內(nèi)部區(qū)域的邊界的處理的過程步驟中處理內(nèi)部區(qū)域。單獨(dú)的過程步驟意味著邊界是在內(nèi)部區(qū)域之前或者之后完成的。
根據(jù)本發(fā)明的第一優(yōu)選實(shí)施例，由于在第一過程步驟中熔合一組鄰近部分區(qū)域的內(nèi)部區(qū)域，并且然后在隨后的第二過程步驟中熔合連接所述部分區(qū)域的邊界，所以在加工之后得到三維物體，這個(gè)三維物體的內(nèi)部應(yīng)力與使用沿選定區(qū)域整個(gè)表面的線性掃掠(sweep)圖案來熔合選定區(qū)域所產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力相比具有更低的量級(jí)。這是由于兩個(gè)已經(jīng)被形成為固體的相鄰區(qū)域可以自由移動(dòng)，直到通過熔合形成公共邊界線的材料來將這兩個(gè)相鄰區(qū)域連結(jié)在一起。因此，在無應(yīng)力的狀態(tài)下進(jìn)行連結(jié)。
根據(jù)第二實(shí)施例，借助于隨機(jī)數(shù)發(fā)生器確定處理組成選定截面的較小部分區(qū)域的優(yōu)先級(jí)。與進(jìn)行按接近順序一個(gè)接一個(gè)地連續(xù)熔合相鄰區(qū)域的系統(tǒng)計(jì)劃編制相比，這個(gè)過程確保了以相對(duì)均勻的方式進(jìn)行要處理的整個(gè)表面的加熱。如果選定區(qū)域被分成大量的更小部分區(qū)域，優(yōu)選為多于100或1000，則這種方法尤其有利。隨機(jī)過程也可以包括這樣的智能選擇，其中與剛剛被加熱的區(qū)域相鄰的區(qū)域被選為下一個(gè)區(qū)域的概率較低。可以設(shè)置用于這種方法的熱攝像機(jī)，以測量包括的所有區(qū)域的溫度，隨后根據(jù)每一個(gè)更小區(qū)域的溫度來調(diào)整概率。如果使用N個(gè)區(qū)域，并且床溫從對(duì)應(yīng)于未受影響的床溫的T0變化到對(duì)應(yīng)于剛剛被熔合的區(qū)域的溫度的Ts，則區(qū)域被選中的概率優(yōu)選被調(diào)整為P(i)＝Ts-Ti/∑(Ts-Tn)。于是，剛被熔合的區(qū)域再次被加熱的概率為0。所有冷區(qū)域的概率是相等的，并且區(qū)域被選取為下一個(gè)處理區(qū)域的概率線性地取決于與熔合溫度相比的溫度。
根據(jù)第三實(shí)施例，如果對(duì)于物體內(nèi)部的部分需要較低的均勻性等級(jí)，則可以有利地使用該實(shí)施例，可以改為在第一過程步驟中為許多連續(xù)粉末層熔合邊界，然后，在用于所述連續(xù)粉末層的公共第二過程步驟中熔合所述連續(xù)粉末層的內(nèi)部區(qū)域。借助于這種處理，獲得具有光滑外表面以及對(duì)應(yīng)于內(nèi)邊界的內(nèi)部分塊的物體，其中內(nèi)部分塊具有高的堅(jiān)硬度。中間的內(nèi)部區(qū)域具有較低熔合程度，從而可能獲得某種多孔結(jié)構(gòu)。因?yàn)檫@種情況中的產(chǎn)品有利地不是完全均勻的，所以內(nèi)部應(yīng)力出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)就被減少了，這是因?yàn)閮?nèi)部多孔結(jié)構(gòu)中特定運(yùn)動(dòng)能力允許削弱內(nèi)部應(yīng)力。
根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例，在輻射槍的射束焦點(diǎn)移動(dòng)圖案期間熔合內(nèi)部區(qū)域，這個(gè)焦點(diǎn)移動(dòng)圖案包括主運(yùn)動(dòng)方向和干擾項(xiàng)，干擾項(xiàng)被添加到所述主運(yùn)動(dòng)方向上，并且在與主運(yùn)動(dòng)方向成直角的方向上具有分量。干擾項(xiàng)具有對(duì)應(yīng)于主運(yùn)動(dòng)方向零位漂移的時(shí)間平均值。主運(yùn)動(dòng)方向上的傳播速度優(yōu)選對(duì)應(yīng)于被處理材料的熔合區(qū)的傳播速度。主運(yùn)動(dòng)方向可以具有任何曲線形狀，例如直線的，曲線的，圓周的。主運(yùn)動(dòng)方向的外形適應(yīng)要?jiǎng)?chuàng)建的物體的形狀。然而，干擾項(xiàng)不適應(yīng)物體的形狀，但是設(shè)計(jì)干擾項(xiàng)，以便在焦點(diǎn)周圍區(qū)域中提供更好的局部熱分布。因此，射束的移動(dòng)圖案確保將輻射槍的能量以更均衡的強(qiáng)度提供給粉末層，減少了過熱的風(fēng)險(xiǎn)。這也反過來減少了最終產(chǎn)品中出現(xiàn)形狀偏差和應(yīng)力的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，在輻射槍射束的主要為沿著邊界形狀的直線的運(yùn)動(dòng)期間熔合邊界。由于在沿邊界形狀的運(yùn)動(dòng)期間熔合邊界，就保證了完成的物體的側(cè)表面是光滑的。
根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例，為每一粉末層計(jì)算能量平衡，在計(jì)算中確定在根據(jù)為粉末層所確定的操作方案從輻射槍進(jìn)行所述能量供應(yīng)以根據(jù)所述操作方案熔合選定的粉末層區(qū)域時(shí)饋入粉末層中的能量是否足以維持下一層的規(guī)定工作溫度，獲取信息，使得可能維持規(guī)定的溫度。通過在制造所有層期間維持規(guī)定的工作溫度，也就是說給定的規(guī)定溫度范圍中的表面溫度，確保在三維物體冷卻太過強(qiáng)烈時(shí)產(chǎn)生的表面應(yīng)力出現(xiàn)被減少了。這也反過來導(dǎo)致最終產(chǎn)品具有減少的形狀偏差以及最終產(chǎn)品中內(nèi)部應(yīng)力的出現(xiàn)。
本發(fā)明的另一個(gè)目標(biāo)是提供一種用于制造三維物體的裝置，其中可能減少最終產(chǎn)品中表面應(yīng)力的出現(xiàn)和由此產(chǎn)生的形狀偏差，以及內(nèi)部應(yīng)力的出現(xiàn)。由依據(jù)專利權(quán)利要求11特征部分的裝置實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。
根據(jù)本發(fā)明的第一優(yōu)選實(shí)施例，設(shè)置輻射槍，以便在第一過程步驟中熔合一組相鄰部分區(qū)域的內(nèi)部區(qū)域，然后在隨后的第二過程步驟中熔合連接所述部分區(qū)域的邊界，在加工之后得到三維物體，與使用沿選定區(qū)域整個(gè)表面的線性掃掠圖案熔合選定區(qū)域相比，這個(gè)三維物體具有更低量級(jí)的內(nèi)部應(yīng)力。這是由于兩個(gè)已經(jīng)被形成為固體的相鄰區(qū)域可以自由移動(dòng)，直到通過熔合形成公共邊界線的材料而使這兩個(gè)相鄰區(qū)域被連結(jié)到一起。于是，連結(jié)發(fā)生在無應(yīng)力的狀態(tài)下。
根據(jù)第二實(shí)施例，設(shè)置隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，以確定處理組成選定截面的更小部分區(qū)域的優(yōu)先級(jí)。與進(jìn)行按接近順序一個(gè)接一個(gè)地連續(xù)熔合相鄰區(qū)域的系統(tǒng)計(jì)劃編制相比，這個(gè)過程確保了以相對(duì)均勻的方式進(jìn)行對(duì)待處理的整個(gè)表面的加熱。如果選定區(qū)域被分成數(shù)量很多的更小部分區(qū)域，優(yōu)選多于100或1000，則這種方法尤其有利。隨機(jī)過程也可以包括這樣的智能選擇，其中與剛剛被加熱的區(qū)域相鄰的區(qū)域被選為下一個(gè)區(qū)域的概率較低?？梢栽O(shè)置用于這種方法的熱攝像機(jī)，以測量包括的所有區(qū)域的溫度，隨后根據(jù)每一個(gè)更小區(qū)域的溫度來調(diào)整概率。如果使用N個(gè)區(qū)域，并且床溫從對(duì)應(yīng)于未受影響的床溫的T0變化到對(duì)應(yīng)于剛剛被熔合的區(qū)域的溫度的Ts，則區(qū)域被選中的概率優(yōu)選被調(diào)整為P(i)＝Ts-Ti/∑(Ts-Tn)。于是，剛被熔合的區(qū)域再次被加熱的概率為0。所有冷區(qū)域的概率是相等的，并且區(qū)域被選取為下一個(gè)處理區(qū)域的概率線性地取決于與熔合溫度相比的溫度。
根據(jù)第三個(gè)實(shí)施例，如果對(duì)于物體內(nèi)部的部分需要較低均勻性等級(jí)，則可以有利地使用該實(shí)施例，設(shè)置輻射槍，以便在第一過程步驟中為大量連續(xù)粉末層熔合邊界，然后，在用于所述連續(xù)粉末層的公共第二過程步驟中熔合所述連續(xù)粉末層的內(nèi)部區(qū)域。借助于這種處理，得到的物體具有光滑的外表面以及對(duì)應(yīng)于內(nèi)邊界的內(nèi)部分塊，其中內(nèi)部分塊具有高的堅(jiān)硬度。中間的內(nèi)部區(qū)域的熔合程度較低，可能獲得特定的多孔結(jié)構(gòu)。因?yàn)檫@種情況中產(chǎn)品有利地不是完全均勻的，所以內(nèi)部應(yīng)力出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)就被減少了，這是因?yàn)閮?nèi)部多孔結(jié)構(gòu)中的特定運(yùn)動(dòng)能力允許削弱內(nèi)部應(yīng)力。
根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例，設(shè)置操作方案，以提供輻射槍射束焦點(diǎn)的移動(dòng)圖案，這個(gè)焦點(diǎn)移動(dòng)圖案包括主運(yùn)動(dòng)方向和干擾項(xiàng)，干擾項(xiàng)被添加到所述主運(yùn)動(dòng)方向，并且在與主運(yùn)動(dòng)方向成直角的方向上具有分量。干擾項(xiàng)具有對(duì)應(yīng)于主運(yùn)動(dòng)方向零位漂移的時(shí)間平均值。主運(yùn)動(dòng)方向上具有的傳播速度優(yōu)選地對(duì)應(yīng)于被處理材料的熔合區(qū)的傳播速度。主運(yùn)動(dòng)方向可以具有任何曲線形狀，例如直線的，曲線的，圓周的。主運(yùn)動(dòng)方向的外形適應(yīng)要?jiǎng)?chuàng)建的物體的形狀。然而，干擾項(xiàng)不適應(yīng)物體的形狀，但是設(shè)計(jì)干擾項(xiàng)，以便在焦點(diǎn)周圍區(qū)域中提供更好的局部熱分布。因此，射束的移動(dòng)圖案確保了以更均衡的強(qiáng)度提供輻射槍的能量給粉末層，減少了過熱的風(fēng)險(xiǎn)。這也反過來減少了最終產(chǎn)品中形狀偏差和應(yīng)力出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，在輻射槍射束的主要是沿邊界形狀的直線運(yùn)動(dòng)期間熔合邊界。由于在沿邊界形狀的運(yùn)動(dòng)期間熔合邊界，保證了完成的物體的側(cè)表面是光滑的。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，設(shè)置包括在裝置中的控制計(jì)算機(jī)，以計(jì)算每一粉末層的能量平衡，在計(jì)算中確定當(dāng)根據(jù)為粉末層確定的操作方案進(jìn)行所述來自輻射槍的能量供應(yīng)以根據(jù)所述操作方案熔合選中的粉末層區(qū)域時(shí)饋入粉末層的能量是否足以維持下一層的規(guī)定工作溫度，獲取信息，使得可能維持規(guī)定的工作溫度。通過在生產(chǎn)所有層期間維持規(guī)定的工作溫度，也就是說處在給定的規(guī)定溫度范圍中的表面溫度，確保減少了在三維物體冷卻太過強(qiáng)烈時(shí)發(fā)生的表面應(yīng)力出現(xiàn)。這反過來導(dǎo)致了最終產(chǎn)品具有減少的形狀偏差出現(xiàn)，以及最終產(chǎn)品中減少的內(nèi)部應(yīng)力出現(xiàn)。


以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)的描述，其中圖1表示依據(jù)本發(fā)明的裝置的截面，圖2表示具有內(nèi)部區(qū)域和邊界的待熔合區(qū)域，圖3表示把待熔合區(qū)域進(jìn)一步劃分成一組具有各自內(nèi)部區(qū)域和邊界的單獨(dú)區(qū)域，圖4概略地表示了在第一過程步驟中如何處理多個(gè)相鄰內(nèi)部區(qū)域、然后在隨后的第二過程步驟中如何熔合屬于所述相鄰部分區(qū)域的邊界的例子，圖5表示被劃分成大量正方形內(nèi)部區(qū)域的選定區(qū)域，圖6表示多個(gè)連續(xù)粉末層，其中將邊界和中間新的粉末散布熔合到一起，然后，在隨后的公共過程步驟中處理幾個(gè)粉末層的內(nèi)部區(qū)域，圖7表示圖6的頂視圖，圖8表示一組具有一維干擾項(xiàng)的不同的曲線形狀，圖9概略地表示物體中熱分布是怎樣的，其中輻射槍直徑為D的焦點(diǎn)已經(jīng)加熱物體，一方面存在干擾項(xiàng)，另一方面不存在干擾項(xiàng)，圖10表示與焦點(diǎn)沿主運(yùn)動(dòng)方向移動(dòng)相比的焦點(diǎn)運(yùn)動(dòng)例子，圖11表示一組具有二維干擾項(xiàng)的不同的曲線形狀，圖12表示根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的焦點(diǎn)移動(dòng)圖案，圖13表示焦點(diǎn)的定位以及其中發(fā)生了熔合的擴(kuò)展區(qū)域，圖14概略地表示由多個(gè)粉末層以及頂部粉末層形成的三維物體的截面，圖15表示被劃分成一組單獨(dú)區(qū)域的選定區(qū)域，圖16表示用于計(jì)算能量平衡的示意模型，
圖17表示用于計(jì)算能量平衡的另一示意模型，圖18表示從裝有透明窗的小室側(cè)得到的視圖，圖19表示用于饋送和固定用于保持窗透明度的防護(hù)膜的裝置，圖20概略地表示制造三維物體的方法，圖21表示產(chǎn)生基本操作方案的流程圖，圖22表示裝置操作方案的流程圖，圖23表示修正所述操作方案的流程圖，圖24概略地表示包括修正操作方案的流程，這個(gè)修正是借助于測量粉末床表面上溫度分布的攝像機(jī)所獲得的信息進(jìn)行的，圖25概略地表示用于操作方案修正的流程，圖26表示三維物體的示意結(jié)構(gòu)，以及圖27表示圖26中多個(gè)截面。
具體實(shí)施例方式
圖1表示用于制造三維產(chǎn)品的裝置，用1來表示。該裝置包括工作平臺(tái)2，在該平臺(tái)上形成三維產(chǎn)品3；一個(gè)或多個(gè)粉末散布器4以及被設(shè)置以在工作平臺(tái)2上散布粉末薄層從而形成粉末床5的單元28；輻射槍6，用于傳遞能量到粉末床，于是熔合粉末床的部分；設(shè)備7，用于把輻射槍6發(fā)射的射束引導(dǎo)到所述工作平臺(tái)上，從而通過熔合所述粉末來形成所述三維產(chǎn)品的截面；以及控制計(jì)算機(jī)8，關(guān)于三維產(chǎn)品連續(xù)截面的信息被存儲(chǔ)在該計(jì)算機(jī)中，這些截面形成三維產(chǎn)品。在工作循環(huán)中，根據(jù)所示優(yōu)選實(shí)施例，在每一個(gè)粉末層被散布后，將相對(duì)于輻射槍逐漸降低工作平臺(tái)。為了使這種移動(dòng)變?yōu)榭赡?，在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，工作平臺(tái)被設(shè)置為在垂直方向上是可移動(dòng)的，也就是說，在箭頭P所示的方向上是可移動(dòng)的。這意味著工作平臺(tái)從其中已經(jīng)散布所需厚度的第一粉末層的初始位置2’開始。為了不毀壞下面的工作平臺(tái)，并且為了以足夠的品質(zhì)提供這一層，這一層比散布的其他層厚，從而避免熔穿這個(gè)第一層。隨后，工作平臺(tái)連同被散布的用于形成三維產(chǎn)品新截面的新粉末層一起下降。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，工作平臺(tái)在這一端由架子9支撐，架子9包括至少一個(gè)帶齒11的滾珠絲桿10。帶齒輪的步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)12將工作平臺(tái)2設(shè)定到希望的垂直位置。也可以使用專業(yè)人員已知的其它用于設(shè)定工作平臺(tái)工作高度的裝置。例如可以使用調(diào)節(jié)螺釘來取代齒條。根據(jù)本發(fā)明的可選實(shí)施例，裝置中包括的用于粉末散布的單元可以被逐漸提升，而不是上述實(shí)施例中的工作平臺(tái)下降。
設(shè)置單元28，以與所述粉末散布器相互作用，從而進(jìn)行材料補(bǔ)給。而且，由伺服電機(jī)(未表示)以已知方式驅(qū)動(dòng)單元28在工作平臺(tái)上的掠過，伺服電機(jī)使單元28沿導(dǎo)軌29移動(dòng)，導(dǎo)軌29是沿著粉末床的。
當(dāng)散布新的粉末層時(shí)，粉末層厚度是根據(jù)工作平臺(tái)相對(duì)于前一層已經(jīng)降低了多少來確定的。這意味著層的厚度能夠根據(jù)需要而改變。因此，可能在相鄰層之間截面的形狀變化很大時(shí)構(gòu)造較薄的層，從而獲得更高的表面光潔度，而且可能在形狀變化很小或者沒有變化的時(shí)候構(gòu)造具有射束最大穿透厚度的層。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，輻射槍6包括電子槍、包括偏轉(zhuǎn)線圈7”的、用于引導(dǎo)輻射槍射束的單元7。偏轉(zhuǎn)線圈產(chǎn)生磁場，這個(gè)磁場引導(dǎo)電子槍產(chǎn)生的射束，從而可能引起希望位置中的粉末床表面層的熔合。輻射槍也包括高壓電路20，這個(gè)高壓電路用于以已知的方式為輻射槍提供用于安裝在輻射槍中的發(fā)射極電極21的加速電壓。發(fā)射極電極以已知的方式連接到電流源22，這個(gè)電流源用于加熱發(fā)射極電極21，從而釋放出電子。輻射槍的功能及構(gòu)成對(duì)于本領(lǐng)域的專業(yè)人員來說是熟知的。
控制計(jì)算機(jī)8根據(jù)為每一個(gè)要熔合的層所安排的操作方案來控制偏轉(zhuǎn)線圈，從而可能根據(jù)希望的操作方案來引導(dǎo)輻射束。根據(jù)本發(fā)明操作方案的細(xì)節(jié)將在下文結(jié)合附圖2-9的說明來描述。
還存在至少一個(gè)聚焦線圈7’，設(shè)置聚焦線圈，以便把射束聚焦到工作平臺(tái)上的粉末床表面。也可以根據(jù)專業(yè)人員所熟知的許多替代方案來設(shè)置偏轉(zhuǎn)線圈7”和聚焦線圈7’。
裝置被封裝在殼體15中，殼體15封裝了輻射槍6以及粉末床2。殼體15包括包圍粉末床的第一小室23和包圍輻射槍6的第二小室24。第一小室23和第二小室24經(jīng)由通道25彼此相通，通道25允許發(fā)射出的，已經(jīng)在第二小室中的高壓區(qū)域中被加速的電子繼續(xù)進(jìn)入到第一小室中，然后撞擊工作平臺(tái)2上的粉末床。
在優(yōu)選實(shí)施例中，第一小室連接到真空泵26，真空泵26把第一小室23中的氣壓降低到優(yōu)選為大約10-3-10-5mbar的壓力。第二小室優(yōu)選地連接到真空泵27，真空泵27把第二小室24中的氣壓降低到約為10-4-10-6mbar的壓力。在可選實(shí)施例中，第一和第二小室可以被連接到同一個(gè)真空泵。
此外，控制計(jì)算機(jī)8優(yōu)選地連接到輻射槍6以調(diào)節(jié)輻射槍的輸出，并且也連接到步進(jìn)電機(jī)12以調(diào)整粉末層連續(xù)散布之間工作平臺(tái)2的垂直位置，從而可能改變粉末層的單獨(dú)厚度。
控制計(jì)算機(jī)也連接到所述用于工作表面上粉末散布的單元28。設(shè)置這個(gè)單元，以便在工作表面上方掠過，散布粉末層。由伺服電機(jī)(未表示)驅(qū)動(dòng)單元28，而伺服電機(jī)由所述控制計(jì)算機(jī)8控制?？刂朴?jì)算機(jī)控制掃掠，并且保證粉末按需要補(bǔ)給。因此，單元28中可以設(shè)置負(fù)荷傳感器，從而控制計(jì)算機(jī)能夠獲得關(guān)于單元為空或者已經(jīng)被堵塞的信息。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，也設(shè)置控制計(jì)算機(jī)8，以計(jì)算每個(gè)粉末層中要處理的選定區(qū)域的能量平衡，在計(jì)算中確定從選定區(qū)域周圍輻射進(jìn)選定區(qū)域的能量是否足以維持選定區(qū)域的預(yù)定工作溫度。
圖2概略地表示要被熔合的區(qū)域35。該區(qū)域包括由邊界R劃界的內(nèi)部區(qū)域I。根據(jù)本發(fā)明，以這樣的方式設(shè)計(jì)操作方案，使得要被熔合的區(qū)域，也就是說選定的區(qū)域，被劃分成一個(gè)或多個(gè)內(nèi)部區(qū)域I，每個(gè)內(nèi)部區(qū)域I具有邊界R。優(yōu)選地在與圍繞內(nèi)部區(qū)域的邊界的處理分開的過程步驟中處理內(nèi)部區(qū)域。單獨(dú)的過程步驟意味著在內(nèi)部區(qū)域之前或者之后完成邊界。
附圖3概略地表示要被熔合的區(qū)域35。該區(qū)域被劃分成多個(gè)部分區(qū)域80-91，每一個(gè)部分區(qū)域具有內(nèi)部區(qū)域和邊界。根據(jù)本發(fā)明的第一優(yōu)選實(shí)施例，在第一過程步驟中熔合一組相鄰部分區(qū)域的內(nèi)部區(qū)域I，然后在隨后的第二過程步驟中熔合所述邊界R并且連接所述部分區(qū)域。通過這樣的過程，減小了三維物體在冷卻后彎曲應(yīng)力的出現(xiàn)。
附圖4概略地表示在第一過程步驟中如何處理多個(gè)相鄰內(nèi)部區(qū)域的例子，包括用第一操作方案1’執(zhí)行的內(nèi)部區(qū)域86的熔合。圖示的操作方案1’包括如下文所述的部分重疊的螺旋狀運(yùn)動(dòng)。然后，按照第二操作方案2’熔合內(nèi)部區(qū)域81。也根據(jù)第三操作方案3’熔合內(nèi)部區(qū)域80。最后，根據(jù)第四操作方案4’熔合內(nèi)部區(qū)域88。這樣，已經(jīng)在第一過程步驟中熔合了一組相鄰的部分區(qū)域。隨后，熔合圍繞著這些相鄰部分區(qū)域80、81、86、88的邊界。這是根據(jù)包括熔合外部邊緣的第五操作方案5’和包括將部分區(qū)域相互劃界的內(nèi)部邊緣的第六操作方案6’來實(shí)現(xiàn)的。
根據(jù)第二優(yōu)選實(shí)施例，設(shè)置操作方案，以借助于隨機(jī)數(shù)發(fā)生器確定處理所述多個(gè)較小部分區(qū)域的優(yōu)先級(jí)。為此，控制計(jì)算機(jī)8包括隨機(jī)數(shù)發(fā)生器S。如果選定區(qū)域被分成大量較小的部分區(qū)域，優(yōu)選為多于100或1000，則這種方法尤其有利。在附圖5中表示了這種劃分的一個(gè)例子，其中選定區(qū)域35被劃分成大量正方形圖案的內(nèi)部區(qū)域。隨機(jī)優(yōu)先級(jí)表示如何連續(xù)處理一連串的區(qū)域1”-6”。
根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，隨機(jī)過程也可以包括這樣的智能選擇，其中與剛剛被加熱的區(qū)域相鄰的區(qū)域被選為下一個(gè)區(qū)域的概率較低?？梢栽O(shè)置用于這種方法的熱攝像機(jī)，以測量包括的所有區(qū)域的溫度，然后根據(jù)每一個(gè)較小區(qū)域的溫度來調(diào)整概率。如果使用N個(gè)區(qū)域，并且床溫從對(duì)應(yīng)于未受影響的床溫的T0變化到對(duì)應(yīng)于剛剛被熔合的區(qū)域的溫度的Ts，則區(qū)域被選中的概率優(yōu)選地被調(diào)整為P(i)＝Ts-Ti/∑(Ts-Tn)。于是，剛被熔合的區(qū)域被再次加熱的概率為0。所有冷區(qū)域的概率是相等的，并且區(qū)域被選取為下一個(gè)處理區(qū)域的概率線性地取決于與熔合溫度相比的溫度。除了使用熱攝像機(jī)，概率可以被邏輯地控制，并且對(duì)于點(diǎn)的選取，概率隨著點(diǎn)與剛被選中的點(diǎn)之間距離的增加而增加。優(yōu)選地基于熱導(dǎo)率等式中的信息來準(zhǔn)備概率計(jì)算。當(dāng)大量部分區(qū)域被熔合的時(shí)候，用于調(diào)整概率的計(jì)算變得很復(fù)雜。因此，使用上述熱攝像機(jī)是有利的。
在可選實(shí)施例中，可以在第一過程步驟中熔合邊界，并且在隨后的過程步驟中熔合內(nèi)部區(qū)域。當(dāng)散布非常薄的粉末層時(shí)，這可能是有利的，如果適合，以大量內(nèi)部支撐分塊構(gòu)造固態(tài)側(cè)表面。然后，在隨后的過程步驟中熔合內(nèi)部區(qū)域，其中在輻射槍在幾個(gè)層上方的公共掃掠中，熔合幾個(gè)粉末層。這導(dǎo)致了內(nèi)部區(qū)域很容易被熔結(jié)，這對(duì)某些產(chǎn)品可能是有利的。根據(jù)本發(fā)明的這個(gè)第三實(shí)施例，在第一過程步驟中為許多連續(xù)粉末層熔合邊界，隨后，在用于所述連續(xù)粉末層的公共第二過程步驟中熔合所述連續(xù)粉末層的內(nèi)部區(qū)域。這個(gè)過程在附圖6和7中有概略的表示。
附圖6表示許多連續(xù)層i，i-1，i-2，其中邊界1，2，3已經(jīng)和中間新的粉末散布熔合。此后，在對(duì)幾個(gè)層i，i-1，i-2共同的過程步驟中熔合內(nèi)部區(qū)域I(附圖7)。當(dāng)散布較厚的層時(shí)，這種方法尤其適合于形成具有光滑外表面并且有對(duì)應(yīng)于內(nèi)部邊界的內(nèi)部分塊的物體，其中內(nèi)部分塊有一個(gè)很高的堅(jiān)硬度。中間的內(nèi)部區(qū)域具有較低的熔合程度，可能得到某種多孔結(jié)構(gòu)。因?yàn)檫@種情況下產(chǎn)品有利地不是完全均勻的，所以出現(xiàn)內(nèi)部應(yīng)力的風(fēng)險(xiǎn)就被減少了，這是因?yàn)閮?nèi)部多孔結(jié)構(gòu)中的特定運(yùn)動(dòng)能力允許削弱內(nèi)部應(yīng)力。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，使用用于輻射槍射束焦點(diǎn)的移動(dòng)圖案熔合內(nèi)部區(qū)域I，這個(gè)焦點(diǎn)移動(dòng)圖案包括主運(yùn)動(dòng)方向和干擾項(xiàng)，這個(gè)干擾項(xiàng)被添加到所述主運(yùn)動(dòng)方向上，并且在與主運(yùn)動(dòng)方向成直角的方向上有分量。這個(gè)干擾項(xiàng)改變方向，并且具有對(duì)應(yīng)于主運(yùn)動(dòng)方向零位漂移的時(shí)間平均值。附圖8表示干擾項(xiàng)不同形狀的三個(gè)不同例子，這三個(gè)例子中的干擾項(xiàng)分別產(chǎn)為三角波、正弦波和方波形式的移動(dòng)。至少，優(yōu)選地在沿沒有附加干擾項(xiàng)的邊界移動(dòng)期間熔合形成完成物體內(nèi)部或外部側(cè)表面的邊界。
附圖9概略地表示了物體中熱分布情況，其中具有輻射槍直徑D的焦點(diǎn)已經(jīng)加熱這個(gè)物體。焦點(diǎn)周圍的溫度分布是高斯鐘形。用標(biāo)記為(α)的曲線表示沒有干擾項(xiàng)的焦點(diǎn)周圍的溫度分布。借助于干擾項(xiàng)，加寬了在射束沿主移動(dòng)方向傳播期間處理的軌跡。加寬后的軌跡用標(biāo)記為(β)的曲線來表示。加寬后的軌跡也有較小最大值的溫度分布。這減少了出現(xiàn)過熱的風(fēng)險(xiǎn)，出現(xiàn)過熱的結(jié)果為形成不規(guī)則結(jié)構(gòu)。
干擾項(xiàng)優(yōu)選具有這樣的性質(zhì)即形成熔合區(qū)，其寬度基本上對(duì)應(yīng)于干擾項(xiàng)在與主移動(dòng)方向成直角的方向上分量的振幅的兩倍。焦點(diǎn)在干擾項(xiàng)方向上移動(dòng)的絕對(duì)值的平均速度優(yōu)選超過材料中的熱傳播速度。主移動(dòng)方向上的速度優(yōu)選對(duì)應(yīng)于材料中的熱傳播速度。優(yōu)選地以這樣一種方式適應(yīng)干擾項(xiàng)的振幅和頻率，使得在其使熱傳播的波前從第一零位置移動(dòng)到第二零位置時(shí)，焦點(diǎn)能夠從干擾項(xiàng)的值為零的、它的初始位置經(jīng)過干擾項(xiàng)的最小值和最大值，并返回它的位置。這在附圖10里有概略的描述。附圖10表示焦點(diǎn)如何沿曲線50從第一位置51經(jīng)過干擾項(xiàng)的最大值52、干擾項(xiàng)的最小值53，然后占據(jù)干擾項(xiàng)為零的第二位置54。在此期間，熱傳播的波前已經(jīng)從第一位置51傳播到第二位置。如果干擾項(xiàng)的平均速度太低，則形成在由干擾項(xiàng)端點(diǎn)所限定的路徑內(nèi)運(yùn)行的彎曲熔合軌跡，而不是寬軌跡。
根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，干擾項(xiàng)在與主移動(dòng)方向平行的方向上也具有分量。在這種情況下干擾項(xiàng)是二維的。附圖11中給出了具有二維方向的干擾項(xiàng)例子。
優(yōu)選地在輻射槍射束的大體為直線的運(yùn)動(dòng)期間熔合邊界R。
以用于輻射槍射束焦點(diǎn)的移動(dòng)圖案操作的目的在于，用寬軌跡，可能更慢地移動(dòng)熔合區(qū)域，但和傳統(tǒng)操作相比仍然以相對(duì)較高的速度進(jìn)行熔合，其中移動(dòng)圖案包括主移動(dòng)方向和添加到所述主移動(dòng)方向的干擾項(xiàng)，干擾項(xiàng)在與主移動(dòng)方向成直角的方向上具有分量。熔合區(qū)域的緩慢移動(dòng)產(chǎn)生更少的汽化，并且減少了熔合材料沸騰和飛濺的發(fā)生。使用連續(xù)的主要為直線的運(yùn)動(dòng)來熔合邊界的目的在于，這為完成的產(chǎn)品產(chǎn)生光滑表面。
以下是具有二維干擾項(xiàng)的本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的情況下對(duì)用于輻射槍射束的移動(dòng)圖案的分析，其中二維干擾項(xiàng)產(chǎn)生焦點(diǎn)的螺旋狀移動(dòng)圖案。
可以從下面的式子得到相對(duì)于X軸旋轉(zhuǎn)、并沿著同一軸線以速度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分別為x和y方向上的振幅。典型的“回轉(zhuǎn)曲線”可能如附圖12所示。
如果ω被設(shè)定如下，就得到了附圖12中表示的圖案ω=2πVxAx---Equ.2]]>焦點(diǎn)的速度由下式給出dr(t)‾dt=(Vx-Axωsin(ωt))x‾Ayωcos(ωt)y‾---Equ.3]]>因此，它的絕對(duì)速度為|dr(t)‾di|=(Vx-Axωsin(ωt))2+(Ayωcos(ωt))2---Equ.4]]>如果焦點(diǎn)根據(jù)上述公式移動(dòng)，則它的速度將變化，并且根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向處于X軸下方的最大值和上方的最小值上，或者反之亦然。為了獲得以恒定速度沿附圖12的回轉(zhuǎn)曲線移動(dòng)的焦點(diǎn)，首先計(jì)算它的平均速度Vaverage=∫0T|dr(t)‾dt|dtT---Equ.5]]>這里T=2πω]]>Vaverage是焦點(diǎn)將移動(dòng)的速度。時(shí)間t時(shí)，焦點(diǎn)已經(jīng)移動(dòng)了距離s＝t*Vaverage
這個(gè)距離必須等于時(shí)間t’的回轉(zhuǎn)曲線長度。因此s=t*Vaverage=∫0t,|dr(t)‾dt|dt---Equ.6]]>對(duì)于0＜t＜T解等式6，得到作為t的函數(shù)的t’。然后t’被應(yīng)用到等式1中，從而給出了作為t的函數(shù)的點(diǎn)位置。
使用不同速度和Ay的多個(gè)模擬已經(jīng)顯示，表面以下0.1-0.15mm的熔合區(qū)域具有近似為1.8Ay的寬度。于是，兩條螺旋線之間的躍距應(yīng)該為螺旋躍距＝1.8Ay-0.3從邊界到起點(diǎn)的距離約為起始躍距＝0.8Ay-0.15附圖13表示連續(xù)的寬熔合邊界，寬熔合邊界在圖中箭頭所示的X方向上傳播。圖中標(biāo)記了具有直徑D的焦點(diǎn)。交疊圖案確保在焦點(diǎn)以外的區(qū)域進(jìn)行熔合。這樣的區(qū)域被圖解并被標(biāo)記為符號(hào)δ。這些區(qū)域一起形成在箭頭X所標(biāo)示的方向上傳播的總區(qū)域。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，還設(shè)置控制計(jì)算機(jī)，以計(jì)算用于每個(gè)粉末層中至少選定的要熔合區(qū)域的能量平衡，在計(jì)算中確定從選定區(qū)域周圍輻射進(jìn)選定區(qū)域的能量是否足以維持選定區(qū)域的限定的工作溫度。
計(jì)算粉末層的能量平衡的目的是計(jì)算為把物體表面保持在給定溫度所需要的功率。假設(shè)功率在整個(gè)表面上是恒定的。
以下描述在本發(fā)明實(shí)施例中如何執(zhí)行能量平衡計(jì)算，其中每次執(zhí)行一個(gè)層的計(jì)算。
為了可能實(shí)時(shí)地計(jì)算功率，需要簡化1、設(shè)想溫度在x和y方向上是恒定的，并且它只在z方向變化，換句話說，整個(gè)表面具有同樣的溫度。
2、z方向的溫度根據(jù)jLt變化，其中j表示層號(hào)，Lt是層的厚度。
3、假設(shè)熔合過程中溫度分布是固定的。
下列參數(shù)對(duì)計(jì)算有影響不同的標(biāo)號(hào)i＝頂層的標(biāo)號(hào)j＝層標(biāo)號(hào)從1到i對(duì)象數(shù)據(jù)Lt＝要熔合的層的厚度[m]Lcont(j)＝層j的輪廓線長度[m]Apowt(z)＝Apow(j)＝朝向?qū)觠的粉末的面積[m]A(z)＝A(j)為層j熔合的總表面積[m2]材料性質(zhì)λmet＝材料的熱導(dǎo)率[W/mK]σmet＝材料表面的輻射常量[W/m2K]σmetpow＝由粉末覆蓋的材料表面的輻射常量[W/m2K]σpow＝粉末表面的輻射常量[W/m2K]λpow＝粉末的熱導(dǎo)率[W/mK]hpow(z)＝從物體到粉末的熱傳遞系數(shù)[W/m2K]α＝被材料吸收的輻射能量的比例溫度[K]Tsur(i)＝當(dāng)熔合層i時(shí)影響表面的環(huán)境溫度(可以在加熱罩上測量)Tpow(z)＝粉末中的溫度T(z)＝物體中的溫度Tsurf(i)＝T(iLt)＝在熔合層i時(shí)物體表面的希望溫度。(在AMA中設(shè)置)Tbott(i)＝在開始層i以前物體底部的溫度(在掠過之前測量，或者被計(jì)算，見下文)。
為了確定物體中溫度是如何分布的，求解一維穩(wěn)態(tài)熱導(dǎo)率等式，等式包括考慮粉末的熱損失的源項(xiàng)-λmet∂2T(z)∂z2=hpow(z)Apow(z)A(z)Lt(Tpow(z)-T(z))]]>表面和底部的邊界條件為-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))]]>其中A和B是兩個(gè)常量。
把上面的公式改寫成微分方程，并且用j索引每一層-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))]]>其中1≤j≤i-2因?yàn)橛蒚(i)確定表面溫度，所以表面上的邊界條件事實(shí)上沒有為我們提供任何關(guān)于物體中溫度分布的新的東西。但是，為了確定為將表面溫度保持在T(i)所需的能量Pin，就需要這個(gè)表面上的邊界條件。現(xiàn)在，從下述的方程組中獲得T(j)T(j+2)-2T(j+1)+T(j)(1+Δ(j))＝Δ(j)Tpow(j)插入T(1)的壓力表達(dá)式，并且把問題表示為線性方程組T(1)=Tbptt(i)hpow(1)Lt/λmet(1+hpow(1)Lt/λmet+T(2)1(1+hpow(1)Lt/λmet)]]>Δ(j)=-hpow(j)Apow(j)LtA(j)λmet]]>
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)1-2.-2T(i-1)+T(i-2)(1+Δ(i-2))＝Δ(i-2)Tpow(i-2)-T(i)在矩陣形式中，這個(gè)方程組變?yōu)锳x＝b因而，這里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)，.....，x1-2＝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)]]>為了能夠求解這些方程，粉末的溫度Tpow(j)和熱傳遞系數(shù)hpow(j)必須已知。在程序中，Tpow(z)被設(shè)置為Tpow(j)＝AT(j)i-1+BTsur-(i-1)i-1表示使用前一層的溫度，以確定Tpow(j)。
用于hpow(j)的函數(shù)就像這個(gè) 已經(jīng)假設(shè)值L1和L2是與區(qū)域無關(guān)的，而假設(shè)hconst1、hconst2和以及hconst3依賴于A(j)。通過用簡單的幾何方法把上述1D模型改寫為物體上的3D FEM計(jì)算，已經(jīng)產(chǎn)生了Tpow和hpow的表達(dá)式中的所有常量。
Apow(j)被包括在源項(xiàng)的表達(dá)式中，Apow(j)實(shí)際上是整個(gè)朝向每一層粉末的面積。在大區(qū)域轉(zhuǎn)換情況下，這個(gè)值可能非常大，這意味著源項(xiàng)值跳躍。這樣的離散跳躍使解答不穩(wěn)定。為了防止這種情況，根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，Apow(j)被設(shè)為Lcont(j)*Lt。然后添加由于區(qū)域轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的功率損失。功率損失的大小取決于區(qū)域轉(zhuǎn)換在各個(gè)下面區(qū)域上多大以及它處于頂層以下多遠(yuǎn)。由3D FEM仿真產(chǎn)生不同區(qū)域轉(zhuǎn)換以及不同深度的值。對(duì)于任意區(qū)域變換，通過插值法獲得附加的功率。
在計(jì)算功率前，程序讀取每一層的Lcont(j)*Lt和A(j)的不同值。借助于腳本文件，能夠以不同方式影響這些值。這樣，可能控制每一層的功率。用關(guān)于腳本文件如何運(yùn)行的描述表現(xiàn)如何影響不同的幾何參數(shù)。
在求解上述方程組的時(shí)候，從表面的邊界條件得到為將表面保持在Tsurf(i)所需的總功率Pin=A(i)(λmetLt(T(i)-T(i-1))+(σmet+σpow)2(T(i)4-Tsur(i)4))]]>當(dāng)熔合層時(shí)，在表面上使用不同的電流和速度。為了能夠計(jì)算所需要的不同電流，使用的所有功率的平均值被設(shè)定為等于Pin。如果使用ni個(gè)不同的電流熔合層，則Pin=αUΣk=1k=niIiktikTtot]]>tik=likvik]]>Ttot=Σk=lk=nitik]]>其中tik表示每個(gè)電流Iik的熔合時(shí)間Iik是熔合長度vik是熔合速度
Ttot是層i的總?cè)酆蠒r(shí)間U是加速電壓因此，為了能夠計(jì)算電流，速度必須是已知的。從已知的表示電流和速度之間關(guān)系的速度函數(shù)中獲得它們。因?yàn)檫@些函數(shù)不是解析的，所以為了確定所有電流和速度，必須使用迭代過程。在計(jì)算程序中，推測iik的每個(gè)起始值。然后獲得不同的速度。隨后增加電流值直到功率平均值恰好超過計(jì)算值Pin。
現(xiàn)在假設(shè)我們希望以這樣的速度和電流熔合不同的部分區(qū)域，使得傳遞給材料的能量小于為把表面保持在Tsurf(i)所需的能量。于是，表面必須被加熱。通過在功率平均值表達(dá)式中添加加熱項(xiàng)Piheat=nαUliheatIiheatviheat]]>以及在時(shí)間Ttot的表達(dá)式中添加加熱時(shí)間tiheat=nliheatviheat]]>來獲得加熱表面所需的次數(shù)，其中n表示表面必須被加熱多少次。
上述計(jì)算程序能夠用于整個(gè)粉末層。在可選實(shí)施例中，能夠?yàn)榉勰拥牟煌糠謪^(qū)域執(zhí)行計(jì)算。上述等式也可以在這種情況下使用。然而，對(duì)于靠近熔合體的內(nèi)邊界，得到不同的邊界條件。
附圖14表示熔合后的物體30的側(cè)視圖，通過熔合連續(xù)粉末層i-1，i-2，i-3，i-4中的部分區(qū)域31-34形成這個(gè)物體。當(dāng)然，根據(jù)本發(fā)明制造的實(shí)際物體可能具有比該例子所示更多的層。
在物體上散布頂粉末層i。選定的區(qū)域35位于這個(gè)頂粉末層中。選定區(qū)域35包括要根據(jù)操作方案熔合的區(qū)域。層i中的選定區(qū)域35由外邊界36限定。當(dāng)然可以想到，選定區(qū)域包括外邊界和內(nèi)邊界。在整個(gè)選定區(qū)域35上將執(zhí)行平衡計(jì)算。選定區(qū)域35優(yōu)選地被劃分為多個(gè)更小的部分區(qū)域，如附圖15所示，因而可能為部分區(qū)域執(zhí)行單獨(dú)計(jì)算。
附圖15表示被劃分成多個(gè)更小部分區(qū)域38-53的選定區(qū)域35，并且為所述單獨(dú)部分區(qū)域組38-53的每一個(gè)計(jì)算能量平衡。選定區(qū)域由外邊界72劃界。當(dāng)然選定區(qū)域也能夠包括內(nèi)邊界。
根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，所述單獨(dú)部分區(qū)域組38-53包括第一組區(qū)域54-58，其邊界完全位于選定區(qū)域35之內(nèi)，以及第二組區(qū)域38-53，其邊界至少部分地與選定區(qū)域的邊界72重合。在合適的地方，所述第二組區(qū)域中的區(qū)域可以被分成子區(qū)域38a，39b；48a-48d。形成所述第一組區(qū)域的部分區(qū)域54-58中的每一個(gè)優(yōu)選地具有同樣的形狀。在圖示的例子中，這些區(qū)域是正方形的?？梢杂欣厥褂镁匦巍⑷切我约傲呅螀^(qū)域。除了可能的溫度差異之外，這一組中的邊界條件也相似。在能夠執(zhí)行部分相同的計(jì)算時(shí)，使用相似形狀允許簡化計(jì)算程序。
理論上，根據(jù)Ein(i)＝Eout(i)+Eheat(i)計(jì)算能量平衡，其中Ein(i)表示饋入部分區(qū)域的能量，Eout(i)表示通過從部分區(qū)域耗散和輻射的能量損失，Eheat(i)表示存儲(chǔ)在部分區(qū)域中。饋入的能量一方面包括已經(jīng)被輻射進(jìn)來或者已經(jīng)經(jīng)由熱傳導(dǎo)從為其計(jì)算能量平衡的部分區(qū)域35的周圍流入的能量Ein(c)，另一方面包括已經(jīng)從輻射槍6輻射進(jìn)來的能量Ein(s)。如果在能量已經(jīng)被提供給部分區(qū)域35之前計(jì)算能量平衡，則Ein(s)＝0。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，在已經(jīng)經(jīng)由輻射槍6提供能量之前，至少為部分區(qū)域35執(zhí)行第一能量平衡計(jì)算。
附圖16概略地表示部分區(qū)域Δ1的能量平衡計(jì)算所基于的模型。在這個(gè)例子中，部分區(qū)域Δ1對(duì)應(yīng)于粉末層i的選定區(qū)域的一部分。在這個(gè)例子中，計(jì)算能量平衡的等式表現(xiàn)為Ein(Δ1)＝Eout(Δ1)+Eheat(Δ1)，其中Ein(Δ1)表示饋入部分區(qū)域的能量，Eout(Δ1)表示從部分區(qū)域Δ1耗散和輻射的能量損失，Eheat(Δ1)表示存儲(chǔ)在部分區(qū)域Δ1內(nèi)。饋入的能量一方面包括已經(jīng)被輻射進(jìn)來或者經(jīng)由熱傳導(dǎo)從部分區(qū)域Δ1的周圍流入的能量Ein(c)(Δ1)，另一方面包括已經(jīng)從輻射槍6輻射進(jìn)來的能量Ein(s)(Δ1)。
附圖17概略地表示層i中選定區(qū)域35的第二部分區(qū)域Δ2的能量平衡計(jì)算所基于的模型。在這個(gè)例子中，部分區(qū)域Δ2對(duì)應(yīng)于粉末層i的選定區(qū)域35中仍然未被熔合的、與粉末層i中第一部分區(qū)域Δ1相鄰的部分，其中從所述第一到所述第二部分區(qū)域進(jìn)行輻射或熱傳導(dǎo)。在這個(gè)例子中，計(jì)算能量平衡的等式表示為Ein(Δ2)＝Eout(Δ2)+Eheat(Δ2)，其中Ein(Δ2)表示饋入部分區(qū)域的能量，Eout(Δ2)表示從部分區(qū)域Δ1耗散和輻射的能量損失，Eheat(Δ2)表示存儲(chǔ)在部分區(qū)域Δ2內(nèi)。饋入的能量一方面包括已經(jīng)被輻射進(jìn)來或者通過熱傳導(dǎo)從部分區(qū)域Δ1的周圍流入的能量Ein(c)(Δ2)，另一方面包括已經(jīng)從輻射槍6輻射進(jìn)來的能量Ein(s)(Δ2)。通過熱傳導(dǎo)所提供的能量Ein(c)(Δ2)包括對(duì)應(yīng)于從前一層所提供的能量的分量Ein(s)(Δ2，i-1)，并且也包括對(duì)應(yīng)于已經(jīng)從第一部分區(qū)域Δ1耗散或輻射的、并且被提供給第二部分區(qū)域Δ2的能量的Eout(Δ1，Δ2)。
根據(jù)附圖18，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，裝置還包括用于感測位于粉末床中的表面層表面特性的單元14。這個(gè)用于感測位于粉末床5中的表面層溫度分布的單元14優(yōu)選地包括攝像機(jī)機(jī)。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，攝像機(jī)一方面用于測量表面層上溫度分布，另一方面用于借助于表面不規(guī)則引起的陰影形成來測量表面不規(guī)則的出現(xiàn)。一方面，關(guān)于溫度分布的信息被用于使要熔合的表面層部分上的溫度分布盡可能均勻，另一方面，可以使用信息，以便檢查所產(chǎn)生的三維產(chǎn)品和原始設(shè)計(jì)之間的任何尺寸偏差，這是因?yàn)闇囟确植挤从钞a(chǎn)品的形狀。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，視頻攝像機(jī)被安裝在封閉著粉末床5和輻射槍6的殼體15的外側(cè)。為了使溫度測量成為可能，殼體具有透明窗16。攝像機(jī)可以透過這個(gè)窗口觀察粉末床5。
在如附圖19所示的本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，窗口16覆蓋有保護(hù)膜17。保護(hù)膜從輸出單元18輸送到收集單元19，薄膜被逐漸更換，這意味著能夠維持透明度。由于熔合過程的緣故，保護(hù)膜需要作為涂敷層形式。
以下將結(jié)合附圖20-的說明來闡述關(guān)于產(chǎn)生和修正操作方案的詳細(xì)說明。
附圖20概略地表示根據(jù)本發(fā)明的制造三維物體的方法。通過連續(xù)熔合粉末床選定區(qū)域形成三維物體，這些部分對(duì)應(yīng)于三維物體的連續(xù)截面。
在第一方法步驟100中，將粉末層散布到工作平臺(tái)上。通過上述單元28在工作平臺(tái)2上散布粉末薄層而實(shí)現(xiàn)散布。
在第二方法步驟110中，根據(jù)為粉末層確定的操作方案，從輻射槍向粉末層中選定區(qū)域提供能量，隨后根據(jù)所述操作方案熔合選定的粉末層區(qū)域，以形成所述三維物體的截面。通過連續(xù)熔合從連續(xù)散布的粉末層中連續(xù)地形成的截面而形成三維物體。連續(xù)截面被分成一個(gè)或多個(gè)內(nèi)部區(qū)域I，每個(gè)內(nèi)部區(qū)域具有邊界R。
根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例，以這樣的方式設(shè)計(jì)操作方案，使得在第一過程步驟中，輻射槍熔合一組相鄰部分區(qū)域的內(nèi)部區(qū)域I，然后在隨后的第二過程步驟中，所述邊界R被熔合并且連接所述部分區(qū)域。
根據(jù)本發(fā)明的可選實(shí)施例，在第一過程步驟中為大量連續(xù)粉末層熔合邊界，然后在對(duì)于所述連續(xù)粉末層共同的第二過程步驟中熔合所述連續(xù)粉末層的內(nèi)部區(qū)域。
根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例，設(shè)置操作方案，以借助于隨機(jī)數(shù)發(fā)生器確定處理所述眾多較小部分區(qū)域的優(yōu)先級(jí)。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，在輻射槍射束焦點(diǎn)移動(dòng)圖案期間熔合內(nèi)部區(qū)域，焦點(diǎn)移動(dòng)圖案包括主運(yùn)動(dòng)方向和被添加到所述主運(yùn)動(dòng)方向上的干擾項(xiàng)，并且干擾項(xiàng)在與主運(yùn)動(dòng)方向成直角的方向上具有分量。根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，在輻射槍射束的主要為直線的運(yùn)動(dòng)期間熔合邊界。
在優(yōu)選實(shí)施例中，在第三方法步驟120中至少為每個(gè)粉末層中要熔合的選定區(qū)域計(jì)算能量平衡，在計(jì)算中確定從選定區(qū)域周圍輻射進(jìn)選定區(qū)域的能量是否足以維持選定區(qū)域的規(guī)定工作溫度。根據(jù)上述模型進(jìn)行計(jì)算。
附圖21概略地表示用于產(chǎn)生基本操作方案的流程。在第一步驟40中，例如在CAD程序中產(chǎn)生要制造的產(chǎn)品的3D模型，或者可選地將要制造的產(chǎn)品的已經(jīng)產(chǎn)生的3D模型輸入到控制計(jì)算機(jī)8。然后，在第二步驟41中，產(chǎn)生包含關(guān)于產(chǎn)品截面外形信息的矩陣。附圖25表示具有相關(guān)截面31-33實(shí)例的錘子模型。這些截面也表示在附圖26a-26c中。為了形成最終產(chǎn)品，以對(duì)應(yīng)于要熔合的不同層的厚度的密度來分布截面。厚度有利地在不同層之間變化。使在相鄰層之間截面外形變化很大的區(qū)域中的層較薄是有利的。因此，在產(chǎn)生截面時(shí)，創(chuàng)建包含關(guān)于共同構(gòu)成三維產(chǎn)品的所有截面的外形信息的矩陣。
一旦已經(jīng)產(chǎn)生截面，則在第三步驟42中為每個(gè)截面產(chǎn)生基本操作方案?；静僮鞣桨傅漠a(chǎn)生一方面是基于對(duì)構(gòu)成截面的部分的形狀辨識(shí)，另一方面是基于關(guān)于操作方案如何影響截面上局部部分的冷卻溫度的知識(shí)。目的在于創(chuàng)建這樣一種操作方案，其允許在散布下一層之前熔合的部分中的冷卻溫度盡可能均勻，同時(shí)冷卻溫度被保持在希望的范圍內(nèi)，以便減少產(chǎn)品中出現(xiàn)收縮應(yīng)力的風(fēng)險(xiǎn)，并且減少產(chǎn)品中出現(xiàn)的、導(dǎo)致產(chǎn)品的變形的收縮應(yīng)力的量級(jí)。
首先，基于截面的獨(dú)立組成部分的外形產(chǎn)生基本操作方案。在產(chǎn)生時(shí)，識(shí)別每個(gè)截面的邊界和內(nèi)部區(qū)域。在合適的地方，形成一組內(nèi)部區(qū)域，每個(gè)內(nèi)部區(qū)域具有邊界。根據(jù)本發(fā)明，為內(nèi)部區(qū)域產(chǎn)生操作方案，操作方案具有輻射槍焦點(diǎn)的移動(dòng)圖案，移動(dòng)圖案包括主移動(dòng)方向和干擾項(xiàng)，干擾項(xiàng)被添加到所述主移動(dòng)方向上，并且在與上述主移動(dòng)方向成直角的方向上具有分量。在邊界上，輻射槍的焦點(diǎn)以主要為直線的移動(dòng)圖案進(jìn)行移動(dòng)。這意味著輻射槍是沿著邊界的外形。
因此，在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，基于操作方案提供截面冷卻溫度的良好溫度分布的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)基本操作方案，于是可能減小導(dǎo)致產(chǎn)品變形的、產(chǎn)品中收縮應(yīng)力的風(fēng)險(xiǎn)。為此，在存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)一組用于不同形狀區(qū)域的操作方案。以這樣的方式設(shè)計(jì)根據(jù)本發(fā)明的操作方案，使得在內(nèi)部區(qū)域I中，輻射槍的焦點(diǎn)在移動(dòng)圖案中移動(dòng)，移動(dòng)圖案包括主移動(dòng)方向和干擾項(xiàng)，干擾項(xiàng)被添加到所述主移動(dòng)方向上，并且在與主移動(dòng)方向成直角的方向上具有分量。除了這個(gè)信息，操作方案可以包括順序列表，一組內(nèi)部區(qū)域以該順序被處理；關(guān)于加熱不同區(qū)域的信息；以及關(guān)于能量供給和橫掠速度的信息。在優(yōu)選實(shí)施例中，評(píng)估操作方案的修正導(dǎo)致更新這個(gè)存儲(chǔ)器，獲得了自學(xué)習(xí)的系統(tǒng)。
在本發(fā)明的可選實(shí)施例中，由獨(dú)立計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的已經(jīng)完成的截面被輸入到控制計(jì)算機(jī)中的存儲(chǔ)器，在那里產(chǎn)生所述基本操作方案。在這種情況下，信息通過外部源40a直接提供給第三步驟42。
附圖22概略地表示用于產(chǎn)生三維物體的流程，這個(gè)流程包括用于計(jì)算層的能量平衡的方法步驟。在第一方法步驟130中，確定能量平衡計(jì)算所基于的參數(shù)。在第二方法步驟140中，進(jìn)行至少用于選定區(qū)域35的能量平衡計(jì)算。根據(jù)之前闡述的方法進(jìn)行計(jì)算。
在第三方法步驟150中，根據(jù)計(jì)算的能量平衡來更新操作方案。如果能量平衡的結(jié)果是，選定區(qū)域中存儲(chǔ)有足以維持希望的工作溫度的熱能，則不進(jìn)行額外的能量供應(yīng)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，如果能量平衡的結(jié)果是選定區(qū)域中沒有存儲(chǔ)足以維持希望的工作溫度的熱能，則在進(jìn)行熔合之前，以預(yù)熱選定區(qū)域的形式進(jìn)行額外的能量供應(yīng)?？梢酝ㄟ^輻射槍非常快速地在該區(qū)域上方掃掠、或者輻射槍以低于正常狀態(tài)的能量在該區(qū)域上方掃掠、或者這兩者的組合，來實(shí)現(xiàn)這個(gè)預(yù)熱。在第四方法步驟160中進(jìn)行預(yù)熱。
在第五方法步驟170中，通過輻射槍在選定區(qū)域上掃掠來實(shí)現(xiàn)熔合。
附圖23概略地表示了本發(fā)明的實(shí)施例，其在恰當(dāng)?shù)牡胤绞褂蒙鲜鲇糜诋a(chǎn)生和修正操作方案的方法。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)的并且包圍著所述內(nèi)部區(qū)域的邊界或多個(gè)邊界。在第三方法步驟200中，在輻射槍所發(fā)射的射束的部分重疊的圓周運(yùn)動(dòng)期間熔合所述內(nèi)部區(qū)域I。在第四方法步驟210中，在射束的直線運(yùn)動(dòng)期間熔合所述邊界。對(duì)于使用依據(jù)本發(fā)明的具有干擾項(xiàng)的移動(dòng)圖案的處理，以及對(duì)于進(jìn)行能量平衡計(jì)算的處理，修正的量級(jí)較小。然而，能夠使用修正，以進(jìn)一步改善最終結(jié)果。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，設(shè)置操作方案以連續(xù)地熔合一個(gè)區(qū)域內(nèi)的粉末，每一次熔合所述內(nèi)部區(qū)域內(nèi)的粉末。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，設(shè)置控制計(jì)算機(jī)以將每個(gè)粉末層中的表面分成一組單獨(dú)的區(qū)域。也設(shè)置計(jì)算機(jī)以確保在輻射槍射束的部分重疊的圓周運(yùn)動(dòng)期間熔合所述第一組區(qū)域中一組區(qū)域的所述內(nèi)部區(qū)域。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，以上述包括干擾項(xiàng)的焦點(diǎn)移動(dòng)圖案進(jìn)行所述第二組區(qū)域中內(nèi)部區(qū)域的熔合。在本發(fā)明的可選實(shí)施例中，以主要為直線的移動(dòng)進(jìn)行所述第二組區(qū)域中內(nèi)部區(qū)域內(nèi)的熔合。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，在上述涉及將選定表面劃分為更小的部分表面的實(shí)施例的情況下，使用上述能量平衡計(jì)算，以便針對(duì)射束功率校準(zhǔn)以及在最終熔合發(fā)生之前提供能量以加熱粉末床來控制操作方案。
附圖23概略地表示了包括借助于從測量粉末床表面上溫度分布的攝像機(jī)中所獲得的信息修正操作方案的流程。根據(jù)流程，來自輻射槍的射束被引導(dǎo)到粉末床上，以便產(chǎn)生產(chǎn)品的截面。在第一步驟50中，開始根據(jù)步驟42中定義的基本操作方案將射束引導(dǎo)到粉末床上。在下一個(gè)步驟51中，用攝像機(jī)檢測粉末床表面層上的溫度分布。然后，根據(jù)測量的溫度分布產(chǎn)生溫度分布矩陣Tij-measured，其中存儲(chǔ)有粉末床表面層的小部分區(qū)域的溫度。在產(chǎn)生矩陣時(shí)，矩陣中的每個(gè)溫度值Tij-measured與期望值矩陣Tij-desired value中的期望值相比較。粉末床表面層可以被大致劃分成三類。首先是其中通過輻射槍處理而發(fā)生熔合的區(qū)域。在這些區(qū)域中，關(guān)心的是最大的熔合溫度Tij-max。其次是已經(jīng)被熔合并且因此正在冷卻的區(qū)域。在這些區(qū)域中，關(guān)心的是允許的最小冷卻溫度Tij-cooling-min，這是因?yàn)槔鋮s溫度太低會(huì)引起應(yīng)力并且由此引發(fā)表面層的變形。第三是還沒有被輻射槍處理過的區(qū)域。在這些區(qū)域中，關(guān)心的是床溫Tij-bed。也可能只比較處理過的區(qū)域的溫度，因而Tij-bed不被存儲(chǔ)和/或檢查。
在第三步驟52中，調(diào)查Tij-measured是否偏離期望值Tij-desired value，以及偏離是否大于允許的極限值。在控制計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)與三種不同分類相關(guān)的極限值ΔTij-max、ΔTij-cooling以及ΔTij-bed。也可能不檢查床溫。在這種情況下，不存儲(chǔ)相關(guān)的極限值。如果Tij-measured和Tij-desired value之間的偏差沒有超過這個(gè)極限值，則在第四步驟53中調(diào)查表面層是否被完全處理。如果不是這種情況，則繼續(xù)根據(jù)當(dāng)前操作方案的操作，上述方法步驟50-53被從頭到尾再運(yùn)行一次。
如果Tij-measured和Tij-desired value之間的偏差超過其中一個(gè)所述極限值，則在第五步驟中進(jìn)行修正操作方案42。在優(yōu)選實(shí)施例中，根據(jù)附圖24所示的系統(tǒng)來執(zhí)行所述修正。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，只有在完成每一個(gè)層之后才散布新的粉末層，通過連續(xù)熔合粉末層直到產(chǎn)品完成來構(gòu)建產(chǎn)品。在這種情況下，如果已經(jīng)在第四步驟53確定已經(jīng)完成層的操作方案時(shí)產(chǎn)品作為整體還沒有被完成，則在第六步驟55之后開始新的層。
在優(yōu)選實(shí)施例中，操作方案的修正包括下列方法步驟在第一步驟56中，比較Tij-max和Tij-max-desired value。如果Tij-max偏離Tij-max-desired value超過ΔTij-max，則在步驟56a中通過改變射束功率或改變射束掃掠速度來校準(zhǔn)給粉末層的能量供應(yīng)。
在第二步驟58中，比較Tij-cooling和Tij-cooling-desired value。如果Tij-cooling偏離Tij-cooling-desired value超過ΔTij-cooling，則在步驟58a中改變射束的操作方案。存在很多改變射束操作方案的方法。一種改變操作方案的方法是允許射束在區(qū)域冷卻過度之前重新加熱它們。于是，輻射槍可以以較低的能量強(qiáng)度和/或以較高的掃掠速度在已經(jīng)熔合的區(qū)域上方掃掠。
在第三步驟60中，調(diào)查Tij-bed是否偏離Tij-bed-desired。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，如果偏差大于ΔTij-bed，則可以在步驟60a中修正床溫，例如通過使射束在床上方掃掠以提供能量。也可能將單獨(dú)的床加熱設(shè)備連接到裝置上。
也可能用安裝在裝置上的熱攝像機(jī)來檢查被制造物品的尺寸。如上所述，測量床和已經(jīng)被熔合的部分。測量的熱分布完全反映要制造的三維物體的截面中的對(duì)象的形狀。以這種方式，在第四步驟62中能夠?qū)崿F(xiàn)物體尺寸的檢測，從而可能反饋輻射槍射束的X-Y偏轉(zhuǎn)。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，在步驟62a中進(jìn)行這種截面尺寸之間偏差的檢查，并且如果偏差大于允許值，則修正輻射槍的X-Y偏轉(zhuǎn)。
而且，來自攝像機(jī)的輸入信號(hào)也能夠被用于識(shí)別表面不規(guī)則的出現(xiàn)，例如以焊接火花的形式。在已經(jīng)識(shí)別表面不規(guī)則的坐標(biāo)時(shí)，可以更新操作方案，使得命令輻射槍到被識(shí)別的坐標(biāo)，以便熔化表面不規(guī)則。
本發(fā)明不限于上述的說明性實(shí)施例；輻射槍可能包括例如激光，在這種情況下，偏轉(zhuǎn)設(shè)備包含可導(dǎo)向鏡面以及/或者透鏡。
本發(fā)明可以還可用于通過從能量源向產(chǎn)品原料傳遞能量從而制造三維產(chǎn)品的裝置，這種裝置包括工作平臺(tái)，在這個(gè)工作平臺(tái)上構(gòu)建所述三維產(chǎn)品；散布器，設(shè)置該散布器，以在工作平臺(tái)上散布產(chǎn)品原料的薄層從而形成產(chǎn)品床；用于傳遞能量給產(chǎn)品床表面選定區(qū)域的單元，允許產(chǎn)品原料的相變以在所述區(qū)域內(nèi)形成固態(tài)截面；以及控制計(jì)算機(jī)，其管理存儲(chǔ)器，該存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)有關(guān)于三維產(chǎn)品連續(xù)截面的信息，這些截面形成該三維產(chǎn)品，其中控制計(jì)算機(jī)用于控制所述用于傳遞能量的單元，使得能量被提供到所述選定區(qū)域，通過連續(xù)連接由散布器連續(xù)散布的產(chǎn)品原料連續(xù)形成的截面來形成所述三維產(chǎn)品。
在這種情況下，實(shí)施例不限于通過輻射槍照射粉末床表面來熔合粉末。產(chǎn)品原料可以包括在相變之后形成固體，例如在熔合或硬化之后凝固，的任何材料。能量傳遞單元可以包括對(duì)準(zhǔn)工作表面的電子槍或激光，或者能夠直接將截面投射到產(chǎn)品床上的能量傳遞設(shè)備。
而且，上述實(shí)施例具有前述實(shí)施例所描述的所有特征。
權(quán)利要求
1.一種用于通過連續(xù)熔合粉末床選定區(qū)域來制造三維物體的方法，所述部分對(duì)應(yīng)于所述三維物體的連續(xù)截面，所述方法包括下列方法步驟將粉末層散布到工作平臺(tái)上，根據(jù)為所述粉末層確定的操作方案，將能量從輻射槍提供給所述粉末層中的所述選定區(qū)域，根據(jù)所述操作方案熔合所述選定的粉末層區(qū)域，以形成所述三維物體的截面，通過連續(xù)地熔合由連續(xù)散布的粉末層連續(xù)形成的截面來形成三維物體，其特征在于，所述選定區(qū)域被劃分成多個(gè)更小部分區(qū)域，每個(gè)所述部分區(qū)域包括內(nèi)部區(qū)域I和邊界R。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在第一過程步驟中熔合一組相鄰部分區(qū)域的內(nèi)部區(qū)域I，然后在隨后的第二過程步驟中，屬于所述相鄰部分區(qū)域的邊界R被熔合并且連接所述部分區(qū)域。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，安排所述操作方案，以借助于隨機(jī)數(shù)發(fā)生器確定用于處理所述多個(gè)更小部分區(qū)域的優(yōu)先級(jí)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在第一過程步驟中為大量連續(xù)粉末層熔合所述邊界，然后在對(duì)所述連續(xù)粉末層公共的第二過程步驟中熔合所述連續(xù)粉末層的內(nèi)部區(qū)域。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在用于所述輻射槍射束焦點(diǎn)的移動(dòng)圖案期間熔合所述內(nèi)部區(qū)域，所述移動(dòng)圖案包括主移動(dòng)方向和干擾項(xiàng)，所述干擾項(xiàng)被添加到所述主移動(dòng)方向，并且在與所述主移動(dòng)方向成直角的方向上具有分量。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在所述輻射槍射束的主要為直線的移動(dòng)期間熔合所述邊界。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，為每一粉末層中至少一個(gè)部分區(qū)域計(jì)算能量平衡，在計(jì)算中確定從所述部分區(qū)域的周圍輻射進(jìn)所述部分區(qū)域的能量是否足以維持所述部分區(qū)域的規(guī)定工作溫度。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，如果所述能量平衡計(jì)算的結(jié)果是不存在維持所述部分區(qū)域預(yù)期工作溫度的足夠能量，則除了用于熔合所述部分區(qū)域的能量之外，提供用于加熱所述部分區(qū)域的能量，從而達(dá)到所述部分區(qū)域的規(guī)定工作溫度。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的方法，其特征在于，根據(jù)Ein(i)＝Eout(i)+Eheat(i)計(jì)算每一粉末層的能量平衡，其中Ein(i)表示饋入所述部分區(qū)域的能量，Eout(i)表示從所述部分區(qū)域耗散和輻射的能量損失，Eheat(i)表示存儲(chǔ)在所述部分區(qū)域中。
10.根據(jù)權(quán)利要求7-9中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，為每個(gè)所述部分區(qū)域計(jì)算能量平衡。
11.一個(gè)用于制造三維產(chǎn)品的裝置，所述裝置包括工作平臺(tái)，在所述工作平臺(tái)上構(gòu)建所述三維產(chǎn)品；粉末散布器，用于在所述工作平臺(tái)上散布粉末薄層，以形成粉末床；輻射槍，用于傳遞能量給所述粉末，然后熔合所述粉末；用于把所述輻射槍所發(fā)射的射束定向到所述粉末床上，以通過熔合所述粉末床的部分而形成所述三維產(chǎn)品的截面的單元；以及控制計(jì)算機(jī)，在所述控制計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)所述三維產(chǎn)品連續(xù)截面的信息，所述截面形成所述三維物體，其中所述控制計(jì)算機(jī)用于根據(jù)形成所述三維物體截面的操作方案來控制所述用于將所述輻射槍定向到所述粉末床上的單元，通過連續(xù)地熔合由散布器連續(xù)形成的截面來形成所述三維產(chǎn)品，其特征在于，設(shè)置所述控制計(jì)算機(jī)，以將所述選定區(qū)域劃分成多個(gè)更小部分區(qū)域，每個(gè)所述更小部分區(qū)域包括內(nèi)部區(qū)域I和邊界R。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，設(shè)置所述輻射槍，以在第一過程步驟中熔合一組相鄰部分區(qū)域的內(nèi)部區(qū)域I，然后在隨后的第二過程步驟中所述邊界R被熔合并且連接所述部分區(qū)域。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的裝置，其特征在于，設(shè)置所述操作方案，以借助于隨機(jī)數(shù)發(fā)生器確定處理所述多個(gè)更小部分區(qū)域的優(yōu)先級(jí)。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，在第一過程步驟中為大量連續(xù)粉末層熔合所述的邊界，然后在對(duì)所述連續(xù)粉末層共同的第二過程步驟中，熔合所述連續(xù)粉末層的內(nèi)部區(qū)域。
15.根據(jù)權(quán)利要求11-14中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，安排所述操作方案，以利用移動(dòng)圖案將所述輻射槍射束焦點(diǎn)定向到所述內(nèi)部區(qū)域中，所述移動(dòng)圖案包括主移動(dòng)方向和干擾項(xiàng)，所述干擾項(xiàng)被添加到所述主移動(dòng)方向，并且在與所述主移動(dòng)方向成直角的方向上具有分量。
16.根據(jù)權(quán)利要求11-15中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，設(shè)置所述輻射槍，以根據(jù)由所述控制計(jì)算機(jī)確定的操作方案，在所述輻射槍射束的主要為直線的移動(dòng)期間熔合所述邊界。
17.根據(jù)權(quán)利要求11-16中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，設(shè)置所述控制計(jì)算機(jī)，以為每個(gè)粉末層中至少一個(gè)部分區(qū)域計(jì)算能量平衡，在所述計(jì)算中確定從所述部分區(qū)域的周圍輻射進(jìn)所述部分區(qū)域的能量是否足以維持所述部分區(qū)域的規(guī)定工作溫度。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于，設(shè)置所述控制計(jì)算機(jī)，以控制所述操作方案，如果所述能量平衡計(jì)算的結(jié)果是所述操作方案不提供用于維持所述部分區(qū)域預(yù)期工作溫度的足夠能量，則除了所述用于熔合粉末層的能量之外，提供用于加熱所述粉末層的能量，從而維持所述部分區(qū)域的規(guī)定工作溫度。
19.權(quán)利要求17或18所述的裝置，其特征在于，設(shè)置所述控制計(jì)算機(jī)，以根據(jù)Ein(i)＝Eout(i)+Eheat(i)為每一粉末層計(jì)算所述能量平衡，其中Ein(i)表示饋入所述部分區(qū)域的能量，Eout(i)表示從所述部分區(qū)域耗散和輻射的能量損失，Eheat(i)表示存儲(chǔ)在所述部分區(qū)域中的能量。
20.根據(jù)權(quán)利要求11-19中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，設(shè)置所述控制計(jì)算機(jī)，以為每一所述部分區(qū)域計(jì)算能量平衡。
21.根據(jù)權(quán)利要求11-19中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括用于感測位于所述粉末床中的表面層溫度分布的單元。
全文摘要
一種通過連續(xù)熔合粉末床的選定區(qū)域從而制造三維物體的裝置和方法，該部分對(duì)應(yīng)于三維物體的連續(xù)截面，這種方法包括以下的方法步驟將粉末層散布到工作平臺(tái)，根據(jù)為粉末層確定的操作方案，從輻射槍給粉末層中所述選定區(qū)域提供能量，根據(jù)所述操作方案將選定的粉末層區(qū)域熔合，從而形成所述的三維物體的截面，三維物體是通過連續(xù)地熔合從連續(xù)散布的粉末層中連續(xù)形成的截面而形成的。
文檔編號(hào)B29C67/00GK1726109SQ200380106462
公開日2006年1月25日 申請(qǐng)日期2003年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月19日
發(fā)明者摩根·拉爾森 申請(qǐng)人:阿卡姆股份公司