专利名称：用于通过高温直接激光熔化制造三维金属件的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及用于直接烧结金属粉末的方法和装置，且更详细地涉及用于在高温环境下以逐层的方式在加工空间平台上直接烧结金属粉末的方法和装置。本发明涉及能够制造具有两类材料的复合材料件的方法和装置。
背景技术：
在背景技术中，已经提出了用于通过在基底上沉积多层材料形成三维物体的各种方法。这种分层制造工艺也被公知为固体自由形态制造(solidfree-form fabrication)(SFF)或快速成型(rapid prototyping)(RP)。根据这种方法，能够加工各种材料和材料的组合物，这些材料包括塑料，石蜡，金属，陶瓷等。授予Foderhase等人的美国专利5,252,264描述了用于制造样品件的这类方法和装置的范例。Foderhase等人描述了用于通过在目标区域熔化一层粉末的选定部分制造具有多重粉末活塞的样品件的方法和装置。
RP技术已经成功地用于提供各种样品，如视觉上的，功能性的和生产样品。然而，如果单独使用RP技术用于样品的直接制造，具有有限的效果。RP的优点，如在自由形态加工中的灵活性而没有几何限制，短暂的材料加工时间，以及新型混合技术，在减少制造复杂工具的时间上有很大的潜力。在激烈竞争的市场中，RP技术被应用于快速加工(rapid tooling)(RT)以缩短加工准备的引导时间(lead-time)并进一步缩短新产品投入市场的时间。
RT技术通常分为间接快速加工或直接快速加工。间接快速加工工艺始于RP工艺制得的模型，然后通过铸造或喷镀对该模型进行两次加工等。在直接加工工艺中，工具由RP机器通过烧结，压焊，固化，沉积等制造，而没有任何中间步骤。在金属粉末成型工艺中，选择性激光烧结(SLS)，直接金属激光烧结(DMLS)和激光造形(laser generating)(LG)或激光工程网格成型(laser engineered net shaping)(LENS)都众所周知。
SLS工艺由奥斯汀的DTM公司开发。该系统包括50W、CO2激光设备，供粉盒，激光扫描设备，造型汽缸(build-cylinder)，和粉末进料器。在运转过程中，马达驱动粉末进料器将一定量的粉末在水平面上铺开。供粉盒横穿水平面且将粉末传递到目标区域。在该目标区域，激光束由激光装置产生且由检流器控制的反射镜使之转向。反射镜的旋转由电脑控制，与待制造的物件的横截面相对应。当制造物件的一层时，粉末将被有选择地熔化。一旦一层制造完成，该工艺将重复逐层进行直到将物件制成。
在1989年9月5日授予Deckard的美国专利4,863,538；1990年7月3日授予Beaman等人的美国专利4,938,816；1990年7月31日授予Bourell等人的美国专利4,944,817；1998年4月21日公开的PCT出版物WO88/02677；1992年9月15日授予Marcus等人的美国专利5,147,587；1992年10月20日授予Bourell等人的美国专利5,156,697；以及1993年1月26日授予Marcus等人的美国专利5,182,170都描述了上述工艺的详细示范方法和装置；这些专利中的每一个在这里整体引为参考。
若干种粉末形式的材料，如聚合物，尼龙和金属，在SLS系统中经常使用。可获得的加工材料是铜聚酰胺(Copper Polyamide)和高速钢。高速钢2.0是聚合物包敷的不锈钢粉末。这种钢能够用于生产用于桥梁或预制注模的工具。在激光烧结中熔化的粘合剂将不锈钢粉末聚合在一起。在高速钢加工中，只有聚合物粘结剂熔化。因为激光的能量，例如为50W，不足够高到将粉末加热到金属的熔点，所以金属不能在烧结过程中被激光熔化。
在所有层被扫描后，为第一炉期制备型芯，因为此时被制造的模具型芯是未加工(green)件。在第一炉期的过程中，粘合物分解且钢粉末烧结而在颗粒间形成小颈状部分(或跨接部分)。所形成的型芯具有60％的密度，被称作“棕色”型芯且比未加工件更耐用。该棕色型芯置于坩埚中且经测量的量的青铜与其相邻放置。然后该坩埚置于炉中进行第二炉期。青铜熔化且由于毛细作用而引入棕色型芯中，形成浸润件。所得到的模具型芯因此完全致密化。然而，后处理过程是十分耗时的且包括大量的工作。
在1998年中期，DTM引入了铜聚酰胺(PA)，一种铜和塑料的耐热、导热复合物，其能够用来制造对应塑料件的小批量所用的工具。在操作中，铜的金属粉末不会熔化。取而代之的是塑料复合物熔化以粘结粉末。
DMLS是由德国慕尼黑的光电系统(Electro Optics Systems)研发的另一种金属激光成型工艺。ESOINTM机器自1995年以后已经被研制和商业化。该机器包括200W CO2激光设备，激光扫描设备，制造平台，以及刮刀组件。该制造工艺与SLS工艺类似。示范方法和装置还在2000年3月28日授予Wilkening等人的美国专利6,042,774中得以描述，其整体在这里引为参考。
经常在EOSINT中使用的金属粉末是青铜，镍和磷化铜的混合物。在该粉末中，磷化铜在660℃熔化且作为低温粘结剂。当激光束照在粉末上时，青铜和镍粉末在高温下均质化。磷化铜粉末熔化，且液相渗透到周围的孔洞中，湿润青铜/镍颗粒，并将这些颗粒粘结到一起。烧结后，物件密度大约为该材料理论密度的70％。
基于众所周知的激光包层工艺(Hoadley和Drezet，1991)，激光造型(LG)方法在亚琛的Technische Hochschule作为“激光辅助粉末固化法”(LAPS)(Kreutz等人，1995)，在Los Alamos国家实验室作为“直接光线制造法”(DLF)(Lewis，1995)和在Sandia实验室作为“激光工程网格成型法”(LENS)加以研制。在Sandia实验室的LENS中，该系统使用机器人控制的激光熔化金属粉末，以在特定腔室内制造订制物件(custom parts)。该腔室用氩气净化，该气体作为熔化过程中的粉末金属的保护气氛。
在该腔室内进行的操作是通过编程的六轴机器人来完成制造特定物件所需的动作。金属粉末通过电缆供给机器人的铰接手臂。与此同时，激光束穿过光纤以传递能量。LG是唯一能够直接制造完全致密化件的RT技术(N.P.Karapatis等人，1998)。
然而，所需的激光功率和光束质量通常较高，例如激光功率通常高于lkW。此外，该工艺本身引起可导致物件失效的较高的热应力。因为支承材料的缺乏，几何准确率和物件稳定性难以获得。该物件的几何形状通常限定于十分简单的形状。由于施加了高功率和激光质量，以及用于粉末和激光传递的复杂机构，使得LENS系统比SLS系统更加昂贵(R.Irving，1999)。
所有这些系统都证实了通过激光烧结采用金属粉末产生三维物体的尝试。然而，各种问题，如在SLS和EOS系统中制造的物件的低密度，变形，几何形状限制和LENS系统的高成本，均限制了这些系统的实际应用。
背景技术：
的上述讨论包括大量仅通过它们的作者和
公开日期获得的参考文献中若干参考文献。后面提供了这些参考文献的书刊目录描述，其中的每一篇在这里整体引为参考。Hoadley，A.和Drezet，J.M.(1991)，“Modelisation thermique de la refusion et du traitement de surface par laser，Lasers de puissance et traitement des materiaux，”Ecole de Printemps，Sireuil，法国，5月28-31，1991；Kreutz，E.W.，Backes，G.，Gasser，A.和Wissebach，K.，“采用CO2激光辐射的快速成型”，应用表面科学，Vol.86 No.1，(1995)，pp310-316；Lewis，G.K.，“直接激光金属沉积工艺快速制造接近网格形状元件”，材料技术，Vol.10，(1995)，pp3-4；N.P.Karapatis等人，“直接快速加工当前研究回顾”，快速成型杂志，Vol.4，No.2，(1998)，pp77-89；以及RobertIrving，“粉末处理”，机械工程，1999年9月，pp55-59。
发明内容
本发明克服了与背景技术相关的缺点，且取得了背景技术所没有获得的其他优点。
本发明的一个目的是提高三维分层产品的制造过程中的生产效率和产品密度。
本发明的一个目的是提供一种采用多于一种材料且在高生产温度环境下的组合物生产的可控制的、可靠的零件生产方法。
这些和其他的目的通过用于生产所期望的三维金属件的方法来达到，该方法包括如下步骤加热零件生产装置到设定的温度；在生产期间保持该设定温度；沉积粉末到目标表面上，该粉末包括第一和第二材料；精确地控制层厚；防止粉末在高温环境下从主粉末容器中泄漏；以及烧结与所期望零件的相关截面相对应的粉末的被选部分。
这些和其他的目的还通过用于由至少一种金属粉末生产三维金属件的烧结装置来达到，该烧结装置包括用于选择性地熔化至少一种金属粉末的激光器；沿激光束的传播路径安装的扫描仪头，该扫描仪头对激光束进行聚焦和引导；用于高温烧结至少一种金属粉末的加工室；用于保持惰性气体密封的气密室，该气密室包围加工室；次级粉末容器；用于将至少一种金属粉末传递至目标区域的刮刀；用于加热该装置到设定温度的加热系统；用于配送和造型(build)至少一种金属粉末的汽缸和活塞组件；以及用于控制烧结装置的设备。
本发明进一步的适用范围将从后面的详细描述中变得显而易见。然而，应该理解，详细描述和特定范例尽管表明了本发明的优选实施例但也仅通过解释说明的方式给出，因为在该发明的精神和范围内的各种改进和改动，从该发明的详细描述中，对于本领域的技术人员将变得显而易见。
本发明从后面所给出的详细描述和附图中可完全得以理解，附图仅以解释说明的方式给出，而不对本发明加以限制，其中图1(a)-1(c)示出了根据本发明优选实施例的用于制造零件的装置的组装视图；图2示出了根据本发明实施例的加热系统的分解透视图；图3(a)-3(c)示出了根据本发明实施例的用于惰性气体通过和进入加工室的加热箱的多个视图；图4(a)-4(c)示出了根据本发明实施例的加工室和气密室的详细视图；图5(a)-5(d)示出了根据本发明实施例的用于次级粉末的供料系统和配置系统组件的详细视图；图6(a)-6(c)示出了根据本发明实施例的活塞组件的详细视图；以及图7(a)-7(b)示出了根据本发明实施例的驱动活塞在汽缸内上、下移动的特别设计的运动系统。
具体实施例方式
此后，本发明将参照附图加以描述。图1(a)-1(c)示出了根据本发明的优选实施例的用于制造零件的装置的组装视图。图2示出了根据本发明的一个实施例的加热系统的分解透视图。图3(a)-3(c)示出了根据本发明的一个实施例的用于惰性气体通过和进入加工室的加热箱的多个视图。图4(a)-4(c)示出了根据本发明的一个实施例的加工室和气密室的详细视图。图5(a)-5(d)示出了根据本发明的一个实施例的用于次级粉末的供料系统和配置系统组件的详细视图。图6(a)-6(c)示出了根据本发明的一个实施例的活塞组件的详细视图。图7(a)-7(b)示出了根据本发明的一个实施例的驱动活塞在汽缸内上下移动的特别设计的运动系统。
图1(a)-1(c)示出了根据本发明的优选实施例的用于制造零件的装置的组装视图。用于生产三维零件的装置将在后面进行详细描述。图1(a)是该装置的正视图，图1(b)是该装置的侧视图，而图1(c)是该装置的俯视图。为便于描述和观察，图1(a)-1(c)的系统用分解的方式示出，而不包括盖板等。该装置包括激光器1，扫描仪头2，加工室3，气密室4a和4b，次级粉末容器5，刮刀6，辐射加热板7，散布汽缸(dispensing cylinder)10a，造型汽缸(buildingcylinder)10b，以及个人电脑15。
激光器1在图1中示意性的示出了一些。使用CO2激光器，其能在具有约200瓦最大输出功率的连续模式中起作用。激光器1的激光束输出具有约10590nm的波长，其为红外光。激光器1可被调制开或关，以选择性地制造激光束。输出功率也可在可选择的0至200瓦的范围内调节。在该装置中，激光器开或关以及功率输出调节可由个人电脑15控制。激光器可通过电脑15并根据包含所期望零件的详细尺寸及其相关截面的CAD文件被选择性的控制。
扫描仪头2置于沿激光束传播的路径上，以会聚激光束和使激光束改向。扫描仪头2包括一对由各自的检流计驱动的反射镜。电脑15通过控制器卡控制检流计。控制器卡允许电脑15和反射镜间通信。
如图1(a)-1(c)所示，加工室3处于预加热，粉末散布和烧结工艺发生的位置。该加工室3的内表面由不锈钢制成。该加工室3的外表面由热绝缘材料覆盖(云母，20mm厚)。在加工室3的顶部，一圆形的开口允许激光束穿过并在目标区域8b上进行扫描。腔室4是气密的，其中封有惰性气体。惰性气体通过入口23输入腔室4中，且空气从出口24清除。一个特定的光学晶体被装在室4的顶部，该晶体可防止扫描仪测头2的镜头被污染。激光束可穿过该晶体而几乎没有能量损耗。
容器5用于存放次级粉末。在容器5的底部具有活门盒(shutter pot)。一蜗杆被插入到容器5中以在容器5中混合粉末，这样该粉末可较容易地释放。步进电机20驱动容器5在加工室3内来回移动。刮刀6安装在容器5上。当发动机20驱动容器5时，刮刀6可来回移动以将粉末传递到目标区域8b且将粉末表面刮平。
如图1(a)-1(c)所示，辐射加热板7置于水平表面29之上。辐射加热板7能够被汽缸12驱动上、下移动。在造型过程中，加热板位于下部位置，以使得在散布汽缸10a和造型汽缸10b中的粉末能够被有效地加热。在造型工艺之后，加热板7被汽缸12推到上部位置以使得造型件易于取出。
汽缸10a和10b将粉末覆盖(house)在活塞组件8a和8b上。伺服电机13a和13b通过一对齿轮11a和11b驱动滚珠丝杠(总地为9a和9b)。采用滚珠丝杠，使旋转转变为直线运动，且丝杠轴9a驱动活塞组件8a和8b在汽缸10a和10b内上、下移动。
本发明优选实施例的操作将在后面结合附图作更详细的描述。本发明的基本原理是直接采用逐层方式制造金属件。即，一个零件的STL文件(STLfile)被切割成具有一定厚度的不连续的层，其累积一起构成该零件的三维构型。每层包括该金属件的二维截面轮廓。
在操作中，如图1(a)-1(c)所示，随着活塞单元8a向下部位置移动，汽缸10a和容器5由不同的粉末填充。门16和17关闭。加热元件7，33，36和37(参见图2)开始工作以加热加工室3和在汽缸10a和容器5内的粉末到达设定温度。惰性气体通过惰性气体入口IGI被导入加热箱，且在预热后通过惰性气体出口IGO从加热箱33(参见图2)进入室4。
上述准备之后，造型工艺开始。散布活塞8a向上移动一定距离，且粉末的第一部分被提升高于水平面29。目标活塞8b向下移动一定距离，以覆盖将被传送的粉末。由步进电机20驱动的刮刀6从该装置的左侧掠过到达右侧，且将粉末的第一部分散布在目标区域8b上。与所期望零件的第一横截区域相对应，个人电脑15控制激光束选择性地扫描仅在限定边界内的被沉积的粉末。在加热元件的辅助下，激光束加热粉末使之熔化，且该粉末结合在一起。这样第一烧结层制作完成。
当在零件的制造中涉及次级粉末时，次级粉末的散布如下所述。次级粉末容器5移动到散布汽缸8a和目标汽缸8b之间的中间位置(当前位置在图1中示出)且停止。汽缸18驱动容器5的出口处的活门21开启，且发动机19驱动旋转的蜗杆25。在容器5中的次级粉末被释放并掉落在水平面29上。
当粉末的量足以散布到一层的目标区域8b上时，汽缸18驱动活门21关闭。刮刀6固定在容器5上。当步进电机20移动容器5时，刮刀6与容器5一起移动且掠过水平面29。从容器5中释放的次级粉末被散布在目标区域8b上。激光束根据所期望零件的截面，有选择地熔化粉末。在完成对于粉末的特定层的选择熔化后，目标活塞8b向下移动与下一层的厚度相对应的量，且等待来自于刮刀6的下一层粉末的沉积。
图2示出了根据本发明的一个实施例的加热系统的分解透视图。所示加热系统为金属粉末提供预加热且确保金属粉末的温度在烧结前到达400℃。图2示意性地示出了本发明的优选加热系统。本装置的目的是直接熔化金属粉末。
在优选装置中通常使用的金属是镍，铜和铁等。这些材料的熔点通常高于1000℃。仅使用200W的激光功率，难以加热粉末到如此高的温度。以低速扫描会聚更多的能量在粉末上而使之熔化是一种方法。然而，这样牺牲了生产时间和效率。可应用于本发明中的一种优选的替代方法是应用辅助加热元件将粉末在烧结前加热到一定的温度。当激光能量增加时，粉末能够被加热到熔点。
在本装置中，粉末被期望加热达到400℃的温度。首先，将3000W辐射加热板7保持在水平面29上的一个垂下的位置处以获得预定温度。在制造过程中，加热板7由于重力下降，且固定在加工室3的壁上的两个挡块38支承加热板7。在汽缸10a和10b内的粉末能够吸收加热板7辐射的热量。在零件制造完成之后，由电脑15控制的汽缸12(如图1所示)向上推动加热板7以使得制造的零件易于取出。
在加热板7上的开口34是允许激光束通过的措施。然而，因为开口34正好在目标活塞的上面，对于加热目标汽缸10b中的粉末是不利的。因此，条形加热器37被安装在平台8a和8b下面，以确保汽缸中的粉末被加热到所需温度。
在容器5中的次级粉末以至少两种方式吸热。一方面，辐射加热板7向容器5中的粉末辐射热量。另一方面，条形加热器35和36被置于容器5两侧，以确保容器中的粉末被加热到所需温度。
当惰性气体，如氮气，刚从汽缸中释放出时，温度可以非常低。如果这种低温气体被导入加工室3时，这会不合需要地影响室3内的温度。因此，加热箱33在惰性气体进入室3前预热惰性气体。
图3(a)-3(c)示出了根据本发明的一个实施例的用于在惰性气体进入加工室之前预加热该惰性气体的加热箱的多个视图。图3(a)是根据本发明优选实施例的加热箱33的俯视图，图3(b)是正视图，图3(c)是侧视图。加热箱33包括两个箱体，用于加热惰性气体的内气密箱43和用于热绝缘的外箱44。在内箱43中，装有三个350W的加热器39。热电耦41置于箱43中用于闭环温度控制。在内箱43和外箱44之间的空气防止箱43内的热量扩散。
用于防止氧化的惰性气体从入口40进入加热箱43。该惰性气体随着通过加热器39而被加热且然后从出口42中释放。出口42在连接点23与加工室3相连(如图2所示)，在连接点处，预热的惰性气体IGo进入加工室3。当前面的元件如上述使用时，加工室3内的粉末能够到达期望的400℃的温度。
图4(a)-4(c)示出了根据本发明的一个实施例的加工室和气密室的详细视图。图4(a)是截面正视图，图4(b)是俯视图，图4(c)是侧视图。加工室和气密室有助于保持金属粉末的温度在期望的温度/设定点。加工室3和气密室4的结构将作进一步详细描述。
因为加工温度非常高，保持加工室3内的热量不扩散是十分关键的。首先，有效的热量保持和/或绝缘能够减少不必要的能量消耗。第二，使置于室3外部的精密的动作和电子元件与高温区隔离能够保证这些元件的适当工作条件。否则，动作准确率将受到损害，且精密元件的使用寿命将大大缩短。
加工室3的内部具有不锈钢的壳。在室3的前部有门16，顶部有开口22用于使激光束进入。在室3的后壁，有用于惰性气体进入的入口23和惰性气体排出的出口24。热绝缘材料45，例如云母和/或其等同物，具有约20mm的厚度，覆盖在室3的外部。加工板29形成室3的底板，且热绝缘板30在加工板29下面支撑。四个热绝缘条47置于绝缘板30之下，且在绝缘板30和基板31之间具有20mm厚的空间以进一步热绝缘。
气密室4包围加工室3。室4也由不锈钢板制成，且固定在基板3 1上。室4由两部分4a和4b组成。部分4a包围加工室3，而部分4b覆盖刮刀6和次级容器5的运动系统。空气能够在部分4a和4b之间流动。窗22安装于室4的顶部以允许CO2激光通过，同时也防止室4内气体泄漏。惰性气体被密封在室4内。室3和室4之间保留一定的空间以助于获得好的热绝缘效果。
图5(a)-5(d)示出了根据本发明的一个实施例的用于次级粉末的供料系统和散布系统组件的详细视图。图5(a)是俯视图，图5(b)是部分截面正视图，图5(c)是左侧视图，图5(d)是右侧视图。
次级粉末容器5的结构和运动系统将参考图5(a)-5(d)作进一步详细描述。次级粉末容器5在顶部是开口的。粉末能够被添加到容器5中且从加热板7中吸收能量。刮刀6固定在容器5的一侧77上。在容器的底部，留有一个用于释放粉末的槽。蜗杆25插入容器5中且能够由马达19带动旋转。搅拌动作将有助于精细粉末顺利释放。固定在被气体汽缸18驱动的轴26上的活门21通常关闭该槽口。当汽缸18充气时，轴26被驱动旋转，且装在轴26上的活门21将开启。
容器5的两侧壁75和76各自通过热绝缘板77和78与板79和80相连，以避免热传导至运动部分。板79和80固定在与带82相连的移动平台84上。带82缠绕(twined)在一对带轮83和86上，且带轮83与步进电机20相连。通过这对带轮，电机20的旋转运动转变为带82的直线运动。带82的运动驱动容器5和刮刀6与移动平台84一起来回运动。移动平台84的运动由一对导轨85引导。
在室3的后壁上具有槽73，其用于移动平台84与容器5之间的连接。槽73也为运动件和室3之间的相对运动提供了空间。包括安装于部分4b上的元件19，20，82，83，85和86的运动系统，应该避免在高温环境下工作，以保证运动精度和增加精密元件的使用寿命。
空气可以通过槽73从部分4a流动到部分4b。因为加工区域4a处于高温，槽73应该敞开尽可能的小。柔性的热绝缘带74与容器5相连。柔性的热绝缘带74能够随容器5一起移动，且密封该槽73以防止在区域4a中的热量通过辐射和传导被传输到区域4b。
图6(a)-6(c)示出了根据本发明的一个实施例的活塞组件的详细视图。三维对象在活塞组件中制造且未烧结的粉末保存于其中。图6(a)是根据本发明一个实施例的活塞组件的部分截面图，图6(b)是第二部分截面图，图6(c)是图6(b)中一部分的放大图。
图6示出了活塞8a和汽缸10a的结构。汽缸10a内粉末的温度约为400℃。通常使用的密封剂，如橡胶或垫层不能忍受这种高温。如果直接使用活塞8a密封粉末，严密的密封需要活塞8a和汽缸10a被精密加工，且必须严格控制公差。因为活塞8a需要在汽缸10a内移动，活塞，汽缸和精密运动系统间的对齐在严密密封的情况下是非常困难的。此外，在高温环境下，汽缸10a和活塞8a的不同热膨胀会阻碍活塞的运动。
在优选实施例中，使用活塞环50以保持密封。活塞环50由铸铁制成。该活塞环50能够在800℃的温度中正当地工作。而且，铸铁具有好的承沙能力(sand bearing)，即这种铸铁作为密封粉末材料使用是优选的。在优选实施例中，该活塞环的直径约252mm。在活塞环中倾斜缝隙59的存在和这种材料的弹性使得活塞环的直径可以调节。在活塞8a上加工有四个凹槽，且四个活塞环置于各自的凹槽中。四个活塞环的间隙排列在可选的位置上。活塞件在其中上、下移动的汽缸10a的直径在优选实施例中约为250mm。当具有活塞环50的活塞8a被置于汽缸10a内时，因为活塞环50的直径大于汽缸10a的直径，活塞环50被迫使收紧以与汽缸10a的直径相匹配。由于弹性，活塞环50依附在汽缸10a上以防止在汽缸10a内的粉末泄漏。
图7(a)-7(b)示出了根据本发明的一个实施例的驱动活塞在汽缸内上、下移动的特别设计的运动系统。图7(a)是该运动系统的侧视图和俯视图，而图7(b)是该运动系统的相对的侧视图和部分俯视图。活塞件的运动系统将在下面结合特定附图7(a)-7(b)作详细描述。
滚珠丝杠9，导销28a和套筒28b将活塞件8a和运动系统连接在一起。这里应用滚珠丝杠螺母9b和螺杆9a以精确地将旋转运动转化为直线运动。伺服电机13a通过一对精密齿轮11a和11b驱动滚珠丝杠螺母9b转动。由于通过元件62在垂直方向的连接，滚珠丝杠螺母9b仅旋转而没有在这个方向上的运动。由于旋转运动，滚珠丝杠螺母9b精确地驱动螺杆9a在垂直方向上移动。活塞件的直线运动由导销28a和套筒28b引导和支承，且导销28a和套筒28b间的滚动配合使得活塞的运动稳定且容易。
参考图6(a)-6(b)，在活塞环50和活塞8a之间的轴向上有间隙57，在径向上有间隙58。这些间隙可允许活塞环50在活塞8a内轻微移动。即使基板31不与运动系统完全对齐，如图1所示，活塞环50可保持依附在汽缸10a上，且活塞件8a能够在汽缸10a内顺利移动，而不影响密封效果。
如此描述了本发明，本发明在许多方面可以加以变化是显而易见的。这种变化并不被认为是与本发明的精神和范围相脱离，且所有这种对于本领域的技术人员是显而易见的修改旨在包括在下述权利要求书的范围内。
权利要求
1.一种用于制造所期望的三维金属件的方法，包括步骤将零件制造装置加热到设定的温度；在制造过程中保持设定的温度；沉积粉末到目标表面，所述粉末包括第一和第二材料；精确控制层厚；防止所述粉末在高温环境下从粉末容器中泄漏；以及烧结与所期望的零件的相关截面区域相对应的所述粉末的被选区域。
2.如权利要求1所述的方法，所述零件制造装置还包括加热系统，该系统具有辐射加热器；置于平台之下的条形加热器，所述粉末载于平台上；以及加热箱，惰性气体在进入到加工室之前通过该加热箱预热，其中将零件制造装置加热到设定温度是通过所述加热系统实现的。
3.如权利要求1所述的方法，其中，保持设定温度的步骤涉及热保持系统，所述热保持系统包括用于高温烧结的加工室和包围所述加工室的气密室，该气密室用于保持惰性气体密封和热绝缘。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述粉末包括主要粉末和次级粉末。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述防止粉末从粉末容器中泄漏的步骤还包括次级粉末沉积系统，所述次级粉末沉积系统包括用于所述次级粉末的容器和相关运动系统。
6.如权利要求1所述的方法，其中，所述防止粉末从粉末容器中泄漏的步骤包括具有密封活塞和多个活塞密封环的防漏系统。
7.如权利要求1所述的方法，其中，烧结与所期望的零件的相关截面区域相对应的所述粉末的被选区域的步骤包括用于选择性地熔化所述粉末的激光器。
8.如权利要求2所述的方法，其中，烧结与所期望的零件的相关截面区域相对应的所述粉末的被选区域的步骤包括用于选择性地熔化所述金属粉末的激光器。
9.如权利要求7所述的方法，其中，所述激光器是根据所期望零件的CAD文件选择性地熔化所述金属粉末的200W CO2激光器。
10.一种由至少一种金属粉末制造三维金属件的烧结装置，所述烧结装置包括用于选择性地熔化所述至少一种金属粉末的激光；沿激光束的传播路径安装的扫描仪头，该扫描仪头对激光束进行聚焦和引导；用于高温烧结所述至少一种金属粉末的加工室；用于保持惰性气体密封的气密室，所述气密室包围加工室；次级粉末容器；用于将所述至少一种金属粉末传递至目标表面的刮刀；用于加热该装置到设定温度的加热系统；用于散布和造型至少一种金属粉末的汽缸和活塞组件；以及用于控制烧结装置的设备。
11.如权利要求10所述的烧结装置，其中，所述激光器是200W CO2激光器，其能够被调节开和关以产生激光束，且可在选择的功率范围内被调节。
12.如权利要求10所述的烧结装置，其中，所述激光具有约10590nm的波长。
13.如权利要求10所述的烧结装置，其中，扫描仪头还包括由分别布置的一对检流计驱动的一对反射镜。
14.如权利要求10所述的烧结装置，其中，所述加工室包括不锈钢的内表面和具有热绝缘材料的外表面。
15.如权利要求10所述的烧结装置，其中，所述气密室包括惰性气体入口和惰性气体出口。
16.如权利要求10所述的烧结装置，所述加热系统还包括辐射加热器；置于平台之下的条形加热器，所述粉末载于该平台上；以及加热箱，惰性气体在进入到加工室之前通过该加热箱预热。
17.如权利要求10所述的烧结装置，其中，所述设定温度为约400℃。
18.如权利要求10所述的烧结装置，其中，所述汽缸和活塞组件包括散布汽缸，造型汽缸和一对相应的活塞组件。
19.如权利要求18所述的烧结装置，其中，所述汽缸和活塞组件包括汽缸密封机构，所述汽缸密封机构包括活塞密封环。
全文摘要
本发明公开了一种电脑控制的装置和方法，该装置和方法用于通过在目标区域激光熔化金属粉末的一层(多层)的特定区域来制造金属件。该系统包括用于预加热和保持金属粉末的相对高温(如400℃)的设备，这样可使得以相对低的激光器功率，例如200WCO
文档编号B22F3/00GK1476362SQ01819407
公开日2004年2月18日 申请日期2001年11月26日 优先权日2000年11月27日
发明者王欣华, 王运赣, 林国财, 傅盈西, 黄玉山, 陆际焕, 程宏斌, 于悦峰, 张湘琳, 唐亚新, 陆丽, 王选 申请人:新加坡国立大学, 精技私人有限公司