專利名稱：用于制造三維物體的裝置的制作方法
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、設(shè)置用以把一薄層粉末分配到該工作臺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)儲存與該三維產(chǎn)品的相繼橫截面有關(guān)的信息的控制計算機。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?？刂朴嬎銠C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，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。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)力會導(dǎo)致形狀偏差，且該產(chǎn)品中的內(nèi)應(yīng)力會引發(fā)形成裂紋的危險。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種用于制造三維物體的方法，其中，該方法可減少最終產(chǎn)品內(nèi)引發(fā)的形狀偏差以及出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力。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現(xiàn)。
依據(jù)該方法，粉末層的與三維物體的橫截面相對應(yīng)的選定區(qū)域被分割為一個或多個內(nèi)部區(qū)域，每個內(nèi)部區(qū)域都具有邊緣。在輻射槍的射束焦點按一種運動圖形移動的過程中把內(nèi)部區(qū)域熔合在一起，該運動圖形包括主移動方向和附加給所述主移動方向且具有垂直于該主移動方向的方向分量的干涉項。該干涉項具有與從主移動方向起的零點偏移相對應(yīng)的時間平均值。主移動方向具有優(yōu)選與所處理材料的熔合區(qū)的擴散速度相對應(yīng)的擴散速度。主移動方向可具有任何曲線形狀，例如，矩形、弧形、圓形。主移動方向的外部特征與所要生成物體的形狀匹配。但是，干涉項不與該物體的形狀匹配，而是設(shè)計用以在圍繞焦點的區(qū)域內(nèi)提供更有利的局部熱量分布。因此，射束的運動圖形確保輻射槍的能量以更均勻的強度供應(yīng)給粉末層，減小過熱的風(fēng)險。這反過來減小最終產(chǎn)品內(nèi)出現(xiàn)形狀偏差和應(yīng)力的風(fēng)險。依據(jù)一種優(yōu)選實施例，在輻射槍射束遵循邊緣形狀的大體直線運動過程中把邊緣熔合在一起。通過在遵循邊緣形狀的運動過程中把邊緣熔合在一起，確保最終產(chǎn)品的側(cè)面光滑。
依據(jù)本發(fā)明的一種優(yōu)選實施例，為每個粉末層計算能量平衡，在計算中確定當(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。經(jīng)由平衡計算獲得使其可以維持規(guī)定溫度的信息。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)明的另一目的是提供一種用于制造三維物體的裝置，其中，可減少出現(xiàn)表面應(yīng)力以及由這些表面應(yīng)力導(dǎo)致的形狀偏差，還可減少最終產(chǎn)品內(nèi)出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力。此目的利用一種依據(jù)本發(fā)明權(quán)利要求5的特征部分的裝置實現(xiàn)。
在本發(fā)明的一種優(yōu)選實施例中，包括在該裝置內(nèi)的控制計算機設(shè)置用以為每個粉末層計算能量平衡，在該計算中確定當(dāng)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該粉末層區(qū)域熔合在一起時輸入該粉末層內(nèi)的能量是否足以維持下一層的規(guī)定工作溫度。經(jīng)由該計算獲得使其可維持規(guī)定工作溫度的信息。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)內(nèi)應(yīng)力。
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3表示一組具有一維干涉項的不同曲線形狀，圖4示意性表示在存在和不存在干涉項的情況下物體內(nèi)呈現(xiàn)的熱量分布，這里，輻射槍的直徑為D的焦點已加熱該物體，圖5表示相對于焦點沿主運動方向的運動的該焦點的一種運動例子，圖6表示一組具有二維干涉項的不同曲形，圖7表示依據(jù)本發(fā)明一種優(yōu)選實施例的焦點運動圖形，圖8表示焦點的定位以及其內(nèi)發(fā)生熔合的加寬區(qū)域，圖9表示該所要熔合區(qū)域被進(jìn)一步分割為一組具有各自的內(nèi)部區(qū)域和邊緣的單獨區(qū)域的劃分，圖9a表示該所要熔合區(qū)域被分割為一組具有各自的內(nèi)部區(qū)域和邊緣的單獨區(qū)域的另一種劃分，圖10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11表示一種用于計算能量平衡的示意性模型，
圖12表示另一種用于計算能量平衡的示意性模型，圖13表示被分成一組單獨區(qū)域的選定區(qū)域，圖14表示從一種提供有透明窗口的室的側(cè)面看的示圖，圖15表示一種用于輸送并固定保護膜以維持該窗口的透明度的裝置，圖16表示生成原始操作方案的流程圖，圖17表示該裝置的操作方案的流程圖，圖18表示用于修訂所述操作方案的流程圖，圖19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獲取的信息來修正操作方案，圖20示意性表示一種用于修訂操作方案的過程，圖21表示一種三維物體的示意性構(gòu)造，以及圖22表示取自圖21的若干橫截面。
具體實施例方式
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2、設(shè)置用以把一薄層粉末分配到該工作臺2上以形成粉末層5的一個或多個粉末分配器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)儲存與該三維產(chǎn)品的相繼橫截面有關(guān)的信息的控制計算機8，其中，該橫截面構(gòu)成該三維產(chǎn)品。依據(jù)所示的優(yōu)選實施例，在工作周期中，覆加每個粉末層之后，工作臺將相對于輻射槍逐漸下降。為使這種移動成為可能，在本發(fā)明的一種優(yōu)選實施例中，工作臺被設(shè)置成可在垂直方向即箭頭P所示的方向移動。這意味著該工作臺起初位于起始位置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。為此在本發(fā)明的一個實施例中，工作臺經(jīng)由一種支架9支承，該支架9包括至少一個具有齒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。依據(jù)本發(fā)明的一種可供選擇的實施例，能夠逐漸提升包括在該裝置內(nèi)且用于分配粉末的裝置，以取代像上述實施例中那樣使工作臺下降。
裝置28設(shè)置用以與所述用于補充材料的粉末分配器相協(xié)作。此外，利用一種伺服馬達(dá)(未示出)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)沿著活粉末層延伸的導(dǎo)軌29移動該裝置28。
當(dāng)覆加一新粉末層時，利用工作臺已經(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形成較薄的粉末層，從而實現(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，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。
利用控制計算機8且依據(jù)為將要熔合在一起的每一層所設(shè)計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)期操作方案來引導(dǎo)射束。以下結(jié)合圖2-9描述依據(jù)本發(fā)明操作方案的細(xì)節(jié)表現(xiàn)。
還存在至少一個聚焦線圈7’，該聚焦線圈7’設(shè)置用以把射束聚集在工作臺上粉末層的表面上?？梢罁?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2上的粉末層。
在一種優(yōu)選實施例中，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)的壓強降低至優(yōu)選大約10-4-10-6毫巴。在一種可供選擇的實施例中，第一和第二室都與同一真空泵連接。
此外，控制計算機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2的垂直位置，于是就可改變該粉末層的各自厚度。
控制計算機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。利用受所述控制計算機8控制的伺服馬達(dá)(未表示)驅(qū)動該裝置28。該控制計算機控制該掃過操作并確保根據(jù)需要補充粉末。為此，可在裝置28中設(shè)置負(fù)載傳感器，于是控制計算機就能夠獲得有關(guān)該裝置是排空還是阻塞的信息。
依據(jù)本發(fā)明的一種優(yōu)選實施例，控制計算機8還設(shè)置用以為每個粉末層內(nèi)的至少一個選定區(qū)域計算能量平衡，在計算中確定從選定區(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。
依據(jù)本發(fā)明，這樣設(shè)計操作方案，使得將所要熔合在一起的區(qū)域即選定區(qū)域分割成一個或多個內(nèi)部區(qū)域I，每個內(nèi)部區(qū)域I都具有邊緣R。圖2示意性表示所要熔合在一起的區(qū)域35。該區(qū)域包括由邊緣R界定的內(nèi)部區(qū)域I。依據(jù)本發(fā)明，利用一種用于輻射槍的射束焦點的運動圖形把內(nèi)部區(qū)域I熔合在一起，該運動圖形包括主移動方向和附加給所述主移動方向且具有垂直于該主移動方向的方向分量的干涉項。該干涉項改變方向，并具有與從主移動方向起的零點偏移相對應(yīng)的時間平均值。圖3表示干涉項的不同表現(xiàn)的三種不同例子，這些干涉項導(dǎo)致呈三角波、正弦波和方形波形式的運動。
圖4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的焦點已加熱該物體。焦點周圍的熱量分布具有高斯鐘(Gaussianbell)的形狀。利用由(α)標(biāo)識的曲線表示無干涉項時焦點周圍的溫度分布。利用干涉項，加寬射束傳播過程中沿主移動方向處理的軌跡。利用由(β)標(biāo)識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。
干涉項優(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在垂直于主移動方向的方向上的分量幅值的兩倍。焦點在干涉項方向上運動的絕對值平均速度優(yōu)選超過材料內(nèi)的熱傳播速度。主移動方向上的速度優(yōu)選等于材料內(nèi)的熱傳播速度。干涉項的幅值和頻率優(yōu)選這樣匹配，使得焦點能夠從干涉項具有零值的其初始位置起移動、經(jīng)過該干涉項的最小和最大值、然后返回至其使熱傳播的波前從第一零位置移動至第二零位置的位置。這示意性地表示在圖5中。圖5表示了焦點如何沿著曲線50從第一位置51起經(jīng)過干涉項的最大值52、該干涉項的最小值53，然后占據(jù)該干涉項為零值的第二位置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的端點所限定的通路內(nèi)延伸。
依據(jù)一種優(yōu)選實施例，干涉項還具有在平行于主移動方向的方向上的分量。在這種情況中，干涉項是兩維的。圖6中給出了具有二維方向的干涉項的例子。
優(yōu)選在輻射槍射束的大體直線運動過程中將邊緣R熔合在一起。
該輻射槍的射束焦點的移動圖形包括主移動方向和附加給所述主移動方向且具有垂直于該主移動方向的方向分量的干涉項，采用這種移動圖形來進(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)大體直線運動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)選實施例中給出對具有兩維干涉項的輻射槍的焦點移動圖形的分析，該兩維干涉項導(dǎo)致該焦點進(jìn)行一種螺旋狀運動。
由以下方程1可獲得繞x軸轉(zhuǎn)動并沿同一軸以速率Vx移動的焦點的位置r(t)＝(Vxt+Axcos(ωt))x+Aysin(ωt)y Equ.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4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]]>若焦點依據(jù)上述公式移動，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4中的旋轉(zhuǎn)曲線以恒定速度移動的焦點，首先計算其平均速度Vaverage=∫0T|dr(t)‾dt|dtT---Equ.5]]>這里T=2πω]]>Vaverage是焦點的移動速度。在時間t時，焦點已移動距離s＝t*Vaverge此距離必須等于在時間t’時的旋轉(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給出作為時間t的函數(shù)的焦點位置。
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從邊緣至起點的距離近似為Starting hop＝0.8Ay-0.15圖8表示了沿圖中箭頭標(biāo)識的x方向擴散的連續(xù)加寬熔合邊緣。圖中標(biāo)識了直徑為D的焦點。重疊區(qū)域確保熔合發(fā)生在焦點外部的區(qū)域中。用符號δ表示并標(biāo)識此區(qū)域。這些區(qū)域共同形成了沿箭頭x標(biāo)識的方向擴散的總區(qū)域。
圖9示意性表示了所要熔合在一起的區(qū)域35。該區(qū)域被分割成若干局部區(qū)域80-91，每個局部區(qū)域都具有內(nèi)部區(qū)域和邊緣。
依據(jù)本發(fā)明的一種優(yōu)選實施例，這樣設(shè)計操作方案，使得在輻射槍射束焦點按一種運動圖形移動的過程中，一組相鄰局部區(qū)域的內(nèi)部區(qū)域I熔合在一起，該運動圖形包括主移動方向和附加給所述主移動方向且具有垂直于該主移動方向的方向分量的干涉項。優(yōu)選的，至少用于形成最終物體的內(nèi)側(cè)面或外側(cè)面的邊緣在一種遵循該邊緣而不附加干涉項的運動過程中熔合在一起。依據(jù)本發(fā)明的一種實施例，內(nèi)部區(qū)域I在第一處理步驟中熔合在一起，接著在隨后的處理步驟中邊緣把該內(nèi)部區(qū)域連接在一起。利用此過程，減少冷卻后三維物體內(nèi)出現(xiàn)彎曲應(yīng)力。在一種可供選擇的實施例中，可在第一處理步驟中把邊緣熔合在一起，在隨后的處理步驟中把內(nèi)部區(qū)域熔合在一起。這有利的是在分配非常薄的粉末層以生成固體側(cè)面時，適當(dāng)?shù)匦纬扇舾蓛?nèi)部支承隔離件。然后，在隨后的處理步驟中把內(nèi)部區(qū)域熔合在一起，在此，若干粉末層在輻射槍同時掃過若干層時熔合在一起。這使得內(nèi)部區(qū)域略微熔結(jié)，對于特定產(chǎn)品而言這是有利的。
依據(jù)本發(fā)明的一種優(yōu)選實施例，控制計算機還設(shè)置用以為每個粉末層內(nèi)的至少所要熔合在一起的選定區(qū)域計算能量平衡，在計算中確定從選定區(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。
為粉末層計算能量平衡的目的是要計算為保持物體表面在給定溫度而需要的能量。假定該能量在整個表面上不變。
以下說明在本發(fā)明的一種實施例中如何執(zhí)行能量平衡計算，其中，為每層執(zhí)行一次該計算過程。
為了可以實時地計算能量，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)＝A(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]α＝被材料吸收的輻射能量的比率溫度[K]Tsur(i)＝在層i被熔合時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-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，關(guān)于對象內(nèi)的溫度分布，表面上的邊界條件實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)=Tbott(i)hpow(1)Lt/λmet(1+hpow(1)Lt/λmet)+T21(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)-Tbott(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-i+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)。
用于源項的表達(dá)式中包括Apow(j)，其實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，這意味著源項的值會跳變。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)出各個幾何參數(shù)如何受到影響。
在解上述方程系統(tǒng)時，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，在表面上使用不同的電流和速度。為了可以計算所需的不同電流，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的熔合時間Iik是熔合長度
Vik是熔合速度Ttot是層的總?cè)酆蠒r間U是加速電壓因而，為了可以計算電流，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。因為這些函數(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。在計算程序中，每個lik的初始值是假定的。然后，獲得各個速度。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Piheat=nαUliheatIiheatviheat]]>并在用于時間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。
上述計算過程可用于整個粉末層。在一種可供選擇的實施例中，對粉末層的各個局部區(qū)域執(zhí)行該計算。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10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。在整個選定區(qū)域35上執(zhí)行平衡計算。該選定區(qū)域35優(yōu)選如圖9所示被分割成多個較小的局部區(qū)域，于是可以對該局部區(qū)域執(zhí)行單獨計算。在選定區(qū)域35內(nèi)，表示了將要計算其能量平衡的局部區(qū)域37。局部區(qū)域37可如圖5所示包括選定區(qū)域的一部分，或者選擇性地可包括整個選定區(qū)域。
圖9a表示被分成多個較小局部區(qū)域的選定區(qū)域35。依據(jù)本發(fā)明的一種優(yōu)選實施例，每個粉末層內(nèi)的表面都分割成一組單獨區(qū)域38-58，每個單獨區(qū)域都包括選定區(qū)域35的某些部分，對所述單獨區(qū)域組38-58中的每個都計算能量平衡。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)選實施例，所述單獨區(qū)域組38-58包括其邊緣完全位于選定區(qū)域35內(nèi)的第一組區(qū)域54-58和其邊緣與該選定區(qū)域的邊緣72至少部分重合的第二組區(qū)域38-53。這里適當(dāng)?shù)氖牵ㄔ谒龅诙M區(qū)域內(nèi)的區(qū)域可被分割成子區(qū)域38a，39b；48a-48d。構(gòu)成所述第一組區(qū)域的每個局部區(qū)域54-58優(yōu)選具有相同形狀。在所示例子中，該區(qū)域為正方形。優(yōu)選采用矩形、三角形和六角形的區(qū)域。除了可能的溫度差異外，這組內(nèi)的邊界條件也類似。因為采用相似形狀可以執(zhí)行部分的公共計算，所以允許簡化計算程序。
原則上依據(jù)Ein(i)＝Eout(i)+Eheat(i)計算能量平衡，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之前計算能量平衡，則Ein(s)＝0。依據(jù)本發(fā)明的一種優(yōu)選實施例，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算，從而可以確定用以維持適當(dāng)工作溫度所需的能量。
圖11示意性表示一種模型，基于該模型計算局部區(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12示意性表示一種模型，基于該模型計算選定區(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。
依據(jù)圖13，該裝置還根據(jù)本發(fā)明的一種優(yōu)選實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)選由攝影機組成。在本發(fā)明的一種優(yōu)選實施例中，該攝影機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，因為溫度分布反映產(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)計之間的任何尺寸偏差。在本發(fā)明的一種優(yōu)選實施例中，圖像攝影機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)選實施例中，如圖14所示，窗口16由一種保護膜17覆蓋。該保護膜由輸出單元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，保護膜必然成為涂層形式。
以下是結(jié)合附圖15對生成和修訂操作方案的詳細(xì)說明。
圖12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，給工作臺覆加粉末層。利用上述把粉末薄層分配在工作臺2上的裝置28來實現(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。該相繼橫截面被分割成一個或多個內(nèi)部區(qū)域I，每個內(nèi)部區(qū)域I都具有邊緣R，這里依據(jù)本發(fā)明，該內(nèi)部區(qū)域I在輻射槍射束焦點按一種運動圖形移動的過程中熔合在一起，該運動圖形包括主移動方向和附加給所述主移動方向且具有垂直于該主移動方向的方向分量的干涉項。依據(jù)一種優(yōu)選實施例，邊緣在輻射槍射束的大體直線運動過程中熔合在一起。
在一種優(yōu)選實施例中，在第三方法步驟120中對每個粉末層內(nèi)的至少所要熔合的選定區(qū)域計算能量平衡，在計算中確定從選定區(qū)域周圍輻射到該選定區(qū)域內(nèi)的能量是否足以維持選定區(qū)域的規(guī)定工作溫度。依據(jù)上述模型執(zhí)行計算。
圖16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模型輸入控制計算機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21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22a-22c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，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，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，基于橫截面的各個組成部分的形狀生成原始操作方案。在生成原始操作方案時，識別每個橫截面的邊緣和內(nèi)部區(qū)域。這里適當(dāng)?shù)模纬梢唤M每個都具有邊緣的內(nèi)部區(qū)域。依據(jù)本發(fā)明，為內(nèi)部區(qū)域生成一種操作方案，該操作方案具有這樣一種用于輻射槍的焦點的運動圖形，該運動圖形如上所述包括主移動方向和附加給所述主移動方向且具有垂直于該主移動方向的方向分量的干涉項。在邊緣處，輻射槍的焦點按大體直線運動圖形移動。這意味著輻射槍遵循邊緣的形狀。
因此，在本發(fā)明的一種優(yōu)選實施例中，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。為此，一組用于不同形狀區(qū)域的操作方案儲存在存儲器中。這樣設(shè)計依據(jù)本發(fā)明的操作方案，使得在內(nèi)部區(qū)域I內(nèi)，輻射槍的焦點按照這樣一種運動圖形移動，該運動圖形包括主移動方向和附加給所述主移動方向且具有垂直于該主移動方向的方向分量的干涉項。除此信息外，操作方案還包括所要處理的一組內(nèi)部區(qū)域的順序列表、與加熱不同區(qū)域有關(guān)的信息及與能量供應(yīng)和掃描速度有關(guān)的信息。在一種優(yōu)選實施例中，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施例，把已利用獨立計算機生成的預(yù)備完成橫截面輸入控制計算機的存儲器內(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17示意性表示一種用于生成三維物體的過程，該過程包括為粉末層計算能量平衡的方法步驟。在第一方法步驟130中，確定參數(shù)，基于該參數(shù)計算能量平衡。在第二方法步驟140中，對選定區(qū)域35的至少一個局部區(qū)域計算能量平衡。依據(jù)前述方法執(zhí)行計算。
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)果是儲存在選定區(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)明的一種實施例，如果能量平衡的結(jié)果是選定區(qū)域內(nèi)儲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)域的輻射槍實現(xiàn)熔合。
圖18示意性表示本發(fā)明的一種實施例，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，識別選定區(qū)域的一個或多個內(nèi)部區(qū)域I。在第二方法步驟190中，識別與所述內(nèi)部區(qū)域相關(guān)且圍繞每個所述內(nèi)部區(qū)域的一個或多個邊緣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)運動過程中熔合在一起。在第四方法步驟210的過程中，所述邊緣在射束的直線運動過程中熔合在一起。對于采用依據(jù)本發(fā)明方法的處理以及對于執(zhí)行能量平衡計算的處理，修正幅度較小，其中，本發(fā)明方法的運動圖形具有干涉項。然而，修正還用于改進(jìn)最終結(jié)果。
依據(jù)本發(fā)明的一種實施例，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)選實施例，控制計算機設(shè)置用以把每個粉末層內(nèi)的表面分割成一組單獨區(qū)域，所述單獨區(qū)域組包括完全位于所述選定區(qū)域的邊緣內(nèi)的第一組區(qū)域和其邊緣與所述選定區(qū)域的邊緣部分重疊的第二組區(qū)域。這里適當(dāng)?shù)模龅诙M區(qū)域內(nèi)的區(qū)域可分割成子區(qū)域。構(gòu)成所述第一組區(qū)域的每個局部區(qū)域優(yōu)選具有相同形狀。在所示例子中，該區(qū)域為正方形。優(yōu)選采用矩形、三角形和六角形的區(qū)域。除了可能的溫度差異外，這組內(nèi)的邊界條件也類似。因為采用相似形狀可以執(zhí)行部分的公共計算，所以允許簡化計算程序。
控制計算機還設(shè)置用以確保在輻射槍射束的部分重疊循環(huán)運動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)明的一種實施例中，利用一種包括如上所述干涉項的焦點運動使所述第二組區(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施例中，利用大體直線運動，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)選實施例，在上述涉及把選定表面分割成較小局部表面的實施例情況中，采用上述能量平衡計算，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19示意性表示這樣一種過程，該過程包括借助于由用于測量粉末層表面上的溫度分布的攝影機所獲得的信息來修訂操作方案。依據(jù)該過程，把來自輻射槍的射束引導(dǎo)到粉末層上以生成產(chǎn)品的橫截面。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，因為冷卻溫度過冷會導(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儲存在控制計算機8中。也可以不檢測層溫。在這種情況中，不存儲與其相關(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)選實施例中，依據(jù)圖20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，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)選實施例中，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，來自攝影機的輸入信息可用于識別是否出現(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、設(shè)置用以把一薄層的產(chǎn)品原材料分配到該工作臺上以形成產(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、以及用于管理存儲器的控制計算機，該存儲器內(nèi)儲存與該三維產(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，該控制計算機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，上述實施例具有相對于前述實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，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，通過把由所述相繼覆加的粉末層相繼形成的所述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)域被分割成一個或多個內(nèi)部區(qū)域I，每個所述內(nèi)部區(qū)域I都具有邊緣R，其中，在所述輻射槍的射束焦點按一種運動圖形移動的過程中把所述內(nèi)部區(qū)域I熔合在一起，所述運動圖形包括主移動方向和附加給所述主移動方向且具有垂直于所述主移動方向的方向分量的干涉項。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述干涉項改變方向，并具有與從所述主移動方向起的零點偏移相對應(yīng)的時間平均值。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述干涉項具有平行于所述主移動方向的分量。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述運動圖形對應(yīng)于所述輻射槍的射束的一種部分重疊螺旋運動。
5.如權(quán)利要求1-4中任一項所述的方法，其特征在于，在所述輻射槍的所述射束的大體直線運動過程中把所述邊緣熔合在一起。
6.如權(quán)利要求1-5中任一項所述的方法，其特征在于，為每個粉末層內(nèi)的至少所述選定區(qū)域計算能量平衡，在所述計算中確定從所述選定區(qū)域周圍輻射入所述選定區(qū)域內(nèi)的能量是否足以維持所述選定區(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，除了使所述選定區(qū)域熔合在一起的能量外，若所述能量平衡計算的結(jié)果是沒有用以維持所述選定區(qū)域的預(yù)定工作溫度的足夠能量，則供應(yīng)用于加熱所述選定區(qū)域的能量，從而實現(xiàn)所述選定區(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)計算用于每個粉末層的能量平衡，這里，Ein(i)代表輸入所述選定區(qū)域內(nèi)的能量，Eout(i)代表從所述選定區(qū)域散逸和輻射的能量損耗，以及Eheat(i)代表存入所述選定區(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、設(shè)置用以把粉末薄層分配到所述工作臺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)的信息的控制計算機，所述橫截面構(gòu)成所述三維產(chǎn)品，其中，所述控制計算機用于依據(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，所述控制計算機設(shè)置用以把所述選定區(qū)域分割成一個或多個內(nèi)部區(qū)域I，每個所述內(nèi)部區(qū)域I都具有邊緣R。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述控制計算機還設(shè)置用以為每個粉末層內(nèi)的至少所述選定區(qū)域計算能量平衡，在所述計算中確定從所述選定區(qū)域的周圍輻射入所述選定區(qū)域內(nèi)的能量是否足以維持所述選定區(qū)域的規(guī)定工作溫度。
11.如權(quán)利要求9或10所述的裝置，其特征在于，所述控制計算機設(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，若所述能量平衡計算的結(jié)果是所述操作方案沒有提供用以維持所述選定區(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，從而維持所述選定區(qū)域的規(guī)定工作溫度。
12.如權(quán)利要求9-11中任一項所述的裝置，其特征在于，所述控制計算機設(shè)置用以依據(jù)Ein(i)＝Eout(i)+Eheat(i)計算用于每個粉末層的能量平衡，這里，Ein(i)代表輸入所述選定區(qū)域內(nèi)的能量，Eout(i)代表從所述選定區(qū)域散逸和輻射的能量損耗，以及Eheat(i)代表存入所述選定區(qū)域內(nèi)的能量。
13.如權(quán)利要求9-12中任一項所述的裝置，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、設(shè)置用以把粉末薄層分配到所述工作臺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)的信息的控制計算機，所述橫截面構(gòu)成所述三維產(chǎn)品，其中，所述控制計算機用于依據(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。以及采用這種裝置制造三維產(chǎn)品的方法。
文檔編號B29C67/00GK1729068SQ200380106734
公開日2006年2月1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·拉松 申請人:阿卡姆股份公司