一种制造三维物体的方法与设备与流程

本发明涉及通过能量束逐层固化粉末材料来制造金属三维物体的方法和设备。

背景技术：

常见的金属增材制造方法包括利用能量束（如激光或者电子束）在粉末材料的铺送层上有选择性的进行扫描，并通过逐层的扫描固化累加而最终获得金属三维物体。在此过程中，能量束的扫描位置为待制造的一个或者多个三维物体在该层相对应的横截面部位，该部位所对应的粉末材料在与能量束作用后实现固化，随后在完成的扫描层上继续铺送一层新的粉末，继续根据三维物体在新的粉末层相对应的横截面部位扫描。

粉末材料与能量束作用的过程中容易产生残渣，残渣包括凝结成团的颗粒、未固化的颗粒等等，为避免制造过程中因残渣的累积而造成的影响，现有技术中通常会在三维制造设备的制造腔体内引入气流，将残渣吹走。但实际中发现，如果气流将某一区域扫描产生的残渣吹入至下一阶段扫描单元，则会导致下一阶段扫描单元与能量束作用过程中固化的不均匀，形成较大的空隙或者缺陷或者凸起，而且将会对后续的铺粉层过程造成影响，因为刮刀在铺送过程中遇到较大的凸起可能会出现卡顿，或者对刮刀造成损伤，从而影响后续的铺粉层的平整度，进而影响三维工件的质量。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种制造三维物体的方法和设备，能够有效避免能量束在扫描过程中产生的残渣对制造过程中产生的不利影响，提高所制造的三维物体的质量。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种通过能量束逐层的对粉末材料进行选择性作用来制造三维物体的方法，包括如下步骤：

(1)将一层粉末材料铺送在已经选择性固化的层上；

(2)能量束选择性的扫描所铺送的层，使得扫描位置的粉末选择性固化，其中扫描位置为待制造的一个或者多个三维物体在该层相对应的横截面部位，在该层形成一个或者多个扫描单元；

(3)在扫描过程中，有气流沿气流方向流经所扫描的层，将扫描过程中形成的残渣吹离；

在至少在待固化的横截面的一个区域内，若存在两个扫描单元，在气流方向的残渣散落影响距离内，依次扫描第一扫描单元和第二扫描单元，其中第一扫描单元位于气流方向上的第二扫描单元的顺风方向；在气流方向的残渣散落影响距离外，先扫描第一扫描单元或者第二扫描单元，或者两者同时扫描。

进一步的，通过调节所述气流的速度、流量和方向来调节所述残渣散落影响距离。

进一步的，若存在两个扫描单元，在气流方向的残渣散落影响距离内，第一扫描单元的一部分位于第二扫描单元的顺风方向，另一部分位于第二扫描单元的逆风方向，则依次扫描第一扫描单元的顺风部分、第二扫描单元的至少一部分以及第一扫描单元的逆风部分。

进一步的，若存在两个扫描单元，第一扫描单元的一部分位于第二扫描单元的顺风方向，另一部分位于第二扫描单元的逆风方向，若存在第一扫描单元的顺风部分在气流方向的残渣散落影响距离外，则先扫描第一单元的顺分部分或者第二扫描单元的至少一部分，或者两者同时扫描，再扫描第一扫描单元的逆风部分；若存在第一单元的逆风部分在气流方向的残渣散落影响距离外，则先扫描第一扫描单元的顺风部分，再扫描第一扫描单元的逆分部分或者第二扫描单元的至少一部分，或者两者同时扫描。

本发明还包括一种通过能量束逐层的对粉末材料进行选择性作用来制造三维物体的设备，包括，

铺粉单元，用于将粉末材料铺送在已经选择性固化的层上；

能量单元，用于产生能量束，并被导入铺送的材料层上进行选择性的扫描，其中扫描的位置为待制造的一个或者多个三维物体在该层相对应的横截面部位，在该层形成一个或多个扫描单元；

气流单元，用于使气流沿气流方向流经所扫描的层，将扫描过程中形成的残渣吹离；

以及一扫描控制单元，用于解决基于气流单元的调节所选择的扫描单元的扫描顺序。

进一步的，通过调节所述气流单元来调节所述残渣散落影响距离。

进一步的，若存在两个扫描单元，在气流方向的残渣散落影响距离内，第一扫描单元的一部分位于第二扫描单元的顺风方向，另一部分位于第二扫描单元的逆风方向，则依次扫描第一扫描单元的顺风部分、第二扫描单元的至少一部分以及第一扫描单元的逆风部分。

进一步的，若存在两个扫描单元，第一扫描单元的一部分位于第二扫描单元的顺风方向，另一部分位于第二扫描单元的逆风方向，若存在第一扫描单元的顺风部分在气流方向的残渣散落影响距离外，则先扫描第一单元的顺分部分或者第二扫描单元的至少一部分，或者两者同时扫描，再扫描第一扫描单元的逆风部分；若存在第一单元的逆风部分在气流方向的残渣散落影响距离外，则先扫描第一扫描单元的顺风部分，再扫描第一扫描单元的逆分部分或者第二扫描单元的至少一部分，或者两者同时扫描。

根据本发明提供的方法和设备，使得扫描单元的先后顺序能与相互之间的位置关系以及与气流彼此协调，从而有效减小因扫描过程中产生的残渣飞溅对后续的扫描单元造成的影响，从而提高三维物体的制造质量。

附图说明

图1表示根据本发明的制造三维物体的选区激光熔化设备；

图2表示为具有多个扫描单元的扫描区域示意图；

图3表示为具有多个扫描单元的扫描区域又一示意图；

图4表示为具有多个扫描单元的扫描区域又一示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，是一种能执行本发明的一种设备的具体实施例，是一种选区激光熔化设备。该激光熔化设备具有一向上开口的容器9。在该容器9中设置一用于支承待形成的物体的支座2。支座2能够借助一驱动装置3在容器11中沿垂直方向上下运动。容器11的上边缘确定一工作平面8。在工作平面 8上方设置一激光器6，激光器6发出激光束并通过一偏转装置5偏转到工作平面8上进行扫描，扫描的区域位置为待制造的三维物体14在该层工作平面8相对应的横截面部位，并形成一个或者多个扫描单元，这些扫描单元上的粉末受激光扫描后固化。

此外，设备还包括用于铺粉的刮刀4，用于将一层待固化的粉末材料铺送到支座2表面或者已扫描固化的粉末层上，刮刀4能够借助于驱动装置3在工作平面8上来回运动，工作平面8上的粉末由粉末储存器10通过支座1向上运动提供。框架11将工作平面8和提供粉末平面区域以上的工作腔体与周围环境隔断，防止粉末材料在激光扫描时氧化，激光束可以通过窗口7进入工作腔体。激光烧结设备还设有气孔12，位于工作平面的侧上方，气流通过气体输送管道（图中未示出）从气孔12流出，并一定向的吹过工作平面8，扫描控制器13用于控制激光束在工作平面8上的扫描单元的先后顺序，这种顺序的确定由扫描单元在工作平面8的位置关系和气流因素协调决定。

设备工作时，在激光束照射粉末过程中，由于瞬间的高温容易飞溅出一些残渣，这些残渣包括凝结成团的颗粒、未固化的颗粒等等，引入的气流将残渣吹离扫描区域，减小因扫描区域的不均匀而产生的质量问题。残渣被气流吹起后，散落在扫描位置的顺风方向，或者部分被带离出扫描区域，残渣在顺风方向散落的能覆盖到的距离称为残渣散落影响距离H。

为尽量减小残渣对扫描过程带来的影响，对于三维物体在工作平面上形成的扫描单元时，扫描控制器对于扫描单元的顺序选择以尽量减少残渣对于扫描区域的影响。如图2所示，为具有多个扫描单元的扫描区域示意图，图中扫描单元在风向的阴影部分为残渣的散落区域，在风向上的距离为残渣散落影响距离H。当任意两个扫描单元彼此的残渣散落距离在残渣影响距离H内时，如果先扫描位于风向上逆风的扫描单元，那散落的残渣会随着风向落入顺风的扫描单元内，影响顺风的扫描单元的扫描质量，因此优先选择扫描位于顺风方向的扫描单元显然具有更好的扫描效果，这种选择方式在图2中可体现为，对于扫描单元101或102与扫描单元104，则先选择101或102，然后再进行104单元的扫描；对于扫描104和扫描单元106，则依次扫描104和106；同理对于扫描单元103和扫描单元105，依次扫描103和105，如果两个扫描单元彼此不在风向上，则扫描的先后顺序不受影响，如扫描单元105和106。图中可采用的一种方式为，依次扫描101，102，103，104，105，106。

如果存在两个扫描单元，在气流方向的残渣散落影响距离H内时，第一扫描单元的一部分位于第二扫描单元的顺风方向，另一部分位于第二扫描单元的逆风方向，如图3所示，圆形状的扫描单元204对于环状扫描单元既存在顺风方向的扫描部分202，也存在逆风方向的扫描部分205，则依次扫描202，204，205。环状扫描单元的其余部分201，203既可以先扫描也可以后扫描，图中可采用的一种方式为，依次扫描201，202，203，204，205。如果两个扫描在风向上部分区域存在交错的，可以对扫描单元中既处于顺风又处于逆风方向的部分进行至少一部分的扫描。

如果存在两个扫描单元，在气流方向的残渣散落影响距离H外时，如图4所示，扫描单元301和302的残渣散落区域对彼此影响极小，几乎可以忽略。在此情况下，即便其中一个扫描单元位于另一扫描单元的顺风或者逆风方向，两者的扫描先后顺序也可以互相置换，或者同时进行。值得注意的是，这里的同时进行，指的是在采用双激光束或者多激光束同时对不同区域进行扫描。

更加复杂的，若存在两个扫描单元，第一扫描单元的一部分位于第二扫描单元的顺风方向，另一部分位于第二扫描单元的逆风方向，若存在第一扫描单元的顺风部分在气流方向的残渣散落影响距离H外：则先扫描第一扫描单元的顺分部分或者第二扫描单元的至少一部分，或者两者同时扫描，再扫描第一单元的逆风部分；若存在第一扫描单元的逆风部分在气流方向的残渣散落影响距离H外，则先扫描第一单元的顺风部分，再扫描第一扫描单元的逆分部分或者第二扫描单元的至少一部分，或者两者同时扫描。

可以看出，除了扫描单元在风向上的位置受残渣散落的影响外，残渣的散落影响距离H对于扫描单元的选择顺序也有重要影响。对于在风向上的两个扫描单元，如果第一扫描单元的顺风部分或者逆风部分在气流方向的残渣散落影响距离H外时，可以先对第一扫描单元或者第二扫描单元进行整体性扫描，而不必对其进行分部分处理后，再按照先顺风后逆风的顺序实施。这样扫描的好处在于，如果对一个整体扫描单元进行分部分实施间歇式的扫描，会给其整体的连续性造成影响，造成冷热不均产生的缺陷，引起应力的集中等，从而损害后续的扫描过程及三维物体的质量。

残渣的散落影响距离H的值也应当设置在合适的范围内。当H值过大时，尽管容易将更多的残渣吹离扫描区域，但残渣散落的区域范围会比较大，且过大的H值有可能将铺送正常的粉末材料吹离扫描区域而造成影响；如果H值太小，可能吹离的残渣量比较少，残渣散落区域的密度变大，对于散落区的扫描质量会造成比严重影响，吹入落口的残渣量也会比较少。

残渣的散落影响距离H值的设置由可以通过调节气流速度、流量、方向以及出气口的形状等条件来协调控制，选择一个合适的H值对于减少残渣对制造过程中的影响，对于制造的稳定性具有良好的意义。

另外，如果某些扫描单元的面积足够小，或者对于某些在风向上为狭长的条状扫描单元，在实际扫描中，不必对这些单元的扫描顺序作出严格的判断，可以根据扫描需要采用灵活的扫描顺序策略，这种调整也可以在上述的任意情况中采用。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。