叠层成形设备的制作方法

专利名称：叠层成形设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种叠层成形设备，用于通过照射光束以使粉末材料烧 结或熔融从而使其固化来制造三维叠层物体。
背景技术：
已经提出了一种公知为选择性粉末烧结叠层法的制造叠层物体的
方法。该方法包括以下步骤形成无机粉末或有机粉末的粉末层；以及
重复进行这些步骤以制造在其中层叠并一体结合有多个硬化层的物体。 日本专利/>报JP2002-115004A (专利文献1)除^Hf上述步骤之外，在 重复进行的形成硬化层的硬化步骤之间还提供了打磨物体前体的表面 的步骤，以便以低成本对各种形状的物体进行光面修整。
然而，上述现有技术在叠层物体的精度方面存在缺陷。也就是说， 如图22所示，为了连续地形成薄粉末层，成形部包括成形台61、用于 提升成形台61的升降机构62、以及围绕成形台61的成形框架63。此 外，粉末供应部包括储槽65、用于提升储槽中的粉末材料的升降机构 66和升降台、以及用于将粉末材料从储槽的顶部供应到成形台61上并 平整粉末材料的供料器刮片68。
通过这样的配置，使成形台61上的粉末层在要被固化成硬化层的 预定部分处烧结或熔融，通过将成形台61降低一级以及将升降台67提 升一级再随后移动供料器刮片68而形成后续粉末层。然而，由于载有 物体的成形台61被制成是可动的，因此，在照射光束以烧结或熔融从 而固化的过程中或采用铣床打磨的过程中，物体的前体很可能经历微小 的位置波动，这使得难于精确地制造数量级为微米的物体。
另外，用于提升成形台61和升降台67的升降机构62和66必须设置在成形台61和升降台67的下方。因此，成形部的总高度H是成形 台61 (以及升降台67)升降范围Hl的两倍以上，使得难于减小设备 的总高度。图中，H2指示升降装置62 (66)的驱动范围。 JP2002-11500
发明内容
针对以上缺点完成了本发明，并且本发明的问题是提供一种能够制 造高精度的叠层物体且具有紧凑配置的叠层成形设备。
根据本发明的叠层成形设备第一方面的特征在于包括粉末层制备装 置，其构造成制备无机或有机粉末村料的粉末层；以及光学单元，其构造 成将光束照射到所述粉末层的预期部分以烧结或熔融而使所述部分固化 成硬化层，使得所述粉末层的制备和所述硬化层的硬化重复进行以制造层 叠并一体结合有多个所述硬化层的三维物体。所述设备还包括固定的基
座，所述粉末层和所述硬化层承载在所述固定的基座上；升降架，其构造 成围绕所述固定的基座的外周并能够相对于所述固定的基座竖直运动，从 而在所述基座上方限定出由所述升降架的内表面所围绕的空间以制备所 述粉末层；以及升降驱动装置，其驱动所述升降架竖直运动。根据本发明 的叠层成形设备第二方面的特征在于包括粉末层制备装置，其构造成制 备无机或有机粉末的粉末层；光学单元，其构造成将光束照射到所述粉末 层的预期部分以烧结或熔融而使所述部分固化成硬化层，使得所述粉末层 的制备和所述硬化层的硬化反复进行以制造层叠并一体结合有多个所述 硬化层的三维物体；以及铣削单元，其设置成打磨正在制造的所述三维物 体的前体的表面，其中，所述设备还包括固定的基座，所述粉末层和所 述硬化层承载在所述固定的基座上；升降架，其构造成围绕所述固定的 基座的外周并能够相对于所述固定的基座竖直运动，从而在所述基座上 方限定出由所述升降架的内表面所围绕的空间以制备所述粉末层；以及 升降驱动装置，其驱动所述升降架竖直运动。所述铣削单元为数控机器 的形式，其具有至少能够相对于三条轴线进行控制并固定于所述基座的 工作台，从而在位于所述基座上方且由所述升降架的内表面围绕的空间内制备粉末。
因此，能够在基座保持固定的情况下将粉末层(硬化层)叠置在基 座上，使得能够制造高精度的物体。
当粉末层制备装置构造成包括能够在升降架的顶面上滑动且具有 用于将粉末供入形成于基座上并由升降架所围绕的空间中的滑板时，易 于制成紧凑结构。
当粉末供应口的尺寸构造成具有垂直于所述滑板的滑动方向的宽 度并且所述宽度大于基座的对应宽度时，能够均匀供给粉末。
为了增大烧结后的密度或熔融-固化后的密度，滑板可优选成包括用 于增大所述粉末的容积密度的构件。
滑板可设置有用于平整粉末层表面的构件，从而具有防止磨损劣 化、稳定地供应粉末、以及降低硬化层表面粗糙度的优点。
另外，所述设备优选包括遮蔽框，其设置在升降架上并设置成具 敞开的底部并在所述遮蔽框的顶部开口中具有用于使光束透过的窗；以及 氛围气体供应装置，其用于将氛围气体供入遮蔽框内。通过这种配置，能 够在避免硬化层氧化的同时限制氛围气体量。
遮蔽框可设置有用于将所述氛围气体以涡旋流的形式供入所述遮蔽 框内的涡旋流形成装置，使得能够有效地充入氛围气体。
所述设备还可包括用于测量所述遮蔽框的内部空间内的氧气浓度的 氧气浓度测量计。在此形式中，氛围气体供应装置构造成根据所述氧气浓 度测量计的输出来供应氛围气体以便进一步限制氛围气体量。
所述设备可包括活塞，活塞构造成在遮蔽框内竖直运动以便供应和排 放氛围气体，从而实现氛围气体的快速供应和排放。
当窗为f e透镜的形式时，能够进行精准地烧结或熔融-固化。
所述设备优选包括清洁装置，清洁装置构造成清洁包括所述窗的内表 面在内的所述遮蔽框的内表面，以便清除烧结时产生的烟雾所导致的污 垢，从而实现成功烧结。清洁装置可包括形成在升降架上的清洁构件，清 洁构件形成为能够竖直运动并能够在遮蔽框内旋转。此外，可以设置能够在升降架的顶面上滑动的多个遮蔽框，使得当 其中一个遮蔽框定位在基座上时，另外的遮蔽框处于通过清洁装置进行清 洁的位置。因而，能够同时进行烧结和清洁，从而缩短由清洁^作所导致 的制造时间的延长。
光学单元可设置在遮蔽框的侧部上。
所述设备可包括标记目标，其设置在升降架顶面上，用于通过来自 光学单元的光束在其上提供标记；以及测量单元，其构造用以测量标记目 标上的标记以获取对来自光学单元的光束预期的照射部位的补偿数据。这 种配置使得能够提高用于烧结或熔融-固化的光束的照射精确度。
当在升降架的顶面上设置有功率测量计以便测量来自光学单元的光束 的能量时，易于采用适度的能量进行精准地烧结或熔融固化，并且当配备 有清洁装置时还易于指示恰当的清洁时间。
如权利要求1或2所述的叠层成形设备优选包括遮蔽框，其设置在 升降架上并设置成具有敞开的底部以及位于遮蔽框的顶部开口中用于使 光束透过的窗；氛围气体供应装置，其用于将氛围气体供入所述遮蔽框内； 以及滑板，其能够在升降架的顶面上滑动并设置有粉末层制备装置，其中， 遮蔽框形成滑板的一部分。通过这种配置，通过滑板的滑动4吏粉末层制备 以及烧结或熔融-固化在惰性氛围下进行，从而有效地制造叠层物体。
更进一步地，升降架可构造成围绕多个基座中的每一个的外周并能够 相对于各个基座竖直运动。在此形式中，滑^L设置成能够在升降架的顶面 上滑动，同时粉末层制备装置设置在滑板上并设置成通过滑板的滑动选择 性地在多个基座上面或上方制*末层。通过这种配置，单个升降架的竖 直运动与滑板的滑动协同作用以分别在多个基座上制备粉末层。
滑板可形成有供铣削单元的刀具穿过的铣削开口 ，使得仅通过滑板的 滑动就能够在粉末供应、烧结或熔融-固化、以及打磨之间进行切换。
当滑板设置有用于吸取基座上的需要去除的未硬化粉末的吸取单元 时，易于防止未硬化粉末妨碍打磨和降低磨削精度。
当滑板构造成以相对于升降架的顶面滑动的方式旋转时，即便当滑板 中结合有多种部件时所述设备仍能够制造得紧凑。当光学单元设置成能够相对于光束所照射的平面改变高度位置时，能
够使光束的照射与成形i!JL或成形精度保持很好的 一致性。
本发明使得能够在^^座保持固定的同时将粉末层叠置在基座上，从
造高^度的叠层^体。在重'复进行粉末层的制备以及A粉末层硬化成硬化 层的步骤之间采用铣削单元来打磨叠层物体的前体的表面的情况下，能够 避免叠层物体在打磨时可能出现的波动，因此还能够确保容易地制造高精 度的叠层物体。


图l是示出本发明实施方式的示意性剖视图2 (a)和2 (b)是分别示出上述实施方式的光学单元的附连方 式的示意图3 (a)以及图3 (b)和3 (c)是示出上述实施方式的粉末供应 部的平面图以及示意性剖视图4是说明上述实施方式中釆用的粉末供应部的改型的示意性剖视
图5 (a)、 5 (b)、 5(c)分别是上述粉末供应部的相应平面图、粉 末供应部的又一改型的示意性平面图、以及粉末供应部的另一改型的示 意性平面图6是粉末供应部的另外又一改型的示意性平面图7 (a)和7 (b)是粉末供应部的再又一改型的示意性剖视图8是用于形成惰性氛围的遮蔽框的示意性剖视图9 (a)和9 (b)是遮蔽框的改型的水平剖视图和示意性剖视图IO是清洁构件的示意性剖视图11 (a)和11 (b)是示出设置有两套清洁构件的示例的示意性 剖视图；图12 (a)和12 (b)是示出用于对光束的照射部位进行位置补偿 的构造的示意性剖视图13 (a)和13 (b)是示出用于测量光束能量的构造的示意性剖 视图14 (a)、 14 (b)以及14 (c)是示出本发明另一实施方式的平 面图、示意性竖向剖视图、以及示意性水平剖视图15 (a)和15 (b)是示出另一实施方式的平面图和示意性竖向 剖视图16是示出设置光学单元的另一布置的示意性剖视图17 (a)以及图17 (b)和17 (c)分别是示出配备有粉末吸取机 构的滑板的水平剖视图以及示意性剖视图18是示出光学单元制成为可拆卸的改型的示意性剖视图19是示出粉末供应口设置有盖的改型的示意性剖视图20 (a)和20 (b)是示出粉末供应口设置有盖的另一改型的立 体图21是示出升降架设置有排放口的改型的示意性剖视图22 (a)和22 (b)示出现有技术的局部立体图和局部剖视附图标记说明
1:成形单元
2:光学单元
3:铣削单元
8: 粉末
9:硬化层
10:成形部11:基座 12:升降架 15:粉末供应部 L:光束
具体实施例方式
现在将参照

本发明。图l示出了叠层成形设备，该叠层成 形设备包括成形单元l，其包括成形部IO和设置在成形部IO上的粉 末供应部15;将光束照射到成形部10的光学单元2;以及用于打磨的 铣削单元。
铣削单元3为数控机床，其具有工作台(机加工工作台)30和能够 在至少3条轴线上进行控制的机头座31。机头座31具有主轴头32，主 轴头32设置有用于打磨的端铣刀33,同时成形单元1设置在铣削单元 3的工作台30上。工作台30上固定有基座11以便在基座11上形成叠 层物体。光学单元2附连到机头座31。在示出的实施方式中，主轴头 32能够沿X轴和Z轴运动，而工作台30能够沿Y轴运动。
如上所述，成形单元1的成形部10设置成在固定到工作台30的基 座11上形成叠层物体，并且成形单元1的成形部10设置有升降架12， 升降架12围绕基座11的外周并由线性驱动机构形式的升降驱动装置驱 动以上下运动。升降架12在围绕基座11的部分处具有足够的厚度，使 得当相对于基座11提升升降架12时在基座上的升降架所限定的范围内 形成足够高度的空间。
粉末供应部15包括用于将粉末供应到升降架12上的粉末供应器 (未示出)；设置在升降架12的顶面上方的供应器刮片16;以及用于水 平驱动供应器刮片16的驱动部17。
粉末材料8可以是能够通过暴露于从光学单元2所射出的光束而固 化成硬化层的无机(金属或陶瓷)粉末或有机(塑料)粉末，但是尽管 粉末材料8并不局限于特定种类。在示出的实施方式中，采用平均粒度 为20微米的铁粉作为粉末材料。铣削单元3以数控机床的、特别是切削刀具的端铣刀33作为可拆 卸地机加工中心。端铣刀33主要选择为具有双硬质合金刀片的球头端 铣刀并且可以根据特定的形状或用途从方头端铣刀、圆角端铣刀或钻中 进行选择。
照射用于使粉末8烧结的光束L的光学单元2包括光源21,其由 激光振荡器构成；集光镜；以及扫描机构22，其由检流计构成，用于 使光束L偏转以将光束引导至预期的点或部分。在示出的实施方式中， 扫描机构22的一部分固定到主轴头32的侧部，同时通过光纤23将扫 描机构22连接到光源21。当采用铁粉时，光源21由C02 (二氧化碳) 气体激光器(输出功率500瓦)或Nd:YAG (掺钕钇铝石榴石)激光器 (输出功率500瓦)来实现。
扫描机构22 (光学单元2)可以如图2(a)所示以可拆卸的方式附 连到位于主轴头32的侧部上的安装部310，或者可以如图2(b)所示 通过套爪卡盘附连到主轴头32而非端铣刀33。在后一种情况下，与照 射光束L或使用端铣刀33无关，主轴头32可定位在同一位置处，从而 与光学单元2设置在机头座31的侧部上的情况相比，使主轴头32的总 体行进范围最小化，因此使得能够制造体积相对较大的物体。此外，光 学单元2不在机头座31上确保了采用端铣刀32的打磨不受光纤23的 干扰，并因此减小振动的影响。
当通过上述叠层成形设备制造叠层物体时，将粉末8供至升降架12 的顶部上。在将升降架12的顶部保持在略高于固定在基座11上的成形 板的水平面上的同时，驱动刮片16使其水平移动以将粉末8供应到基 座11上并平整粉末8以形成第一粉末层，随后从位于成形部10上方的 光学单元2将光束L照射到待硬化的部分，从而使粉末8烧结以形成硬 化层。
随后，将升降架12提升预定程度从而进行粉末8的供应和平整以 在第一粉末层(硬化层)上制备第二粉末层。然后，将光束L照射到第 二粉末层的待硬化的部分从而使粉末硬化，形成了与下层硬化层成一体 的下一硬化层。
重复地进行提升升降架12以制备新的粉末层和将光束L照射到该 层的预定部分以形成硬化层这两个步骤，以制造在基座11的顶部上的成形板上将具有预期形状的三维物体9制造为叠层物体。当所形成的物 体用作成型模具时，粉末层优选具有0.05毫米的厚度。
根据叠层物体的三维CAD (计算机辅助设计)数据预先作出光束L 的照射路线(影线路线)。也就是说，以恒定间距(当粉末层的厚度为 0.05亳米时间距为0.05毫米)分割从三维CAD模型获取的STL (标 准三角剖分语言)数据，以获取各剖面的剖面轮廓数据，基于该剖面轮 廓数据作出照射路线。就此而言，使光束L照射成使叠层物体的最外层 表面以高密度(孔隙率低于5%)烧结并使其内部以低密度烧结。换言 之，剖面轮廓数据分为外周部分和内部部分，使得光束L照射成在粉末 几乎完全熔融的条件下烧结外周部分以获得高密度，而在留有多孔结构 的条件下烧结内部部分，从而能够快速制造具有精确成形的表面的物 体。
在重复进行制备粉末层以及通过照射光束L形成硬化层的步骤的同 时，硬化层的总厚度达到预定值，该预定值由铣削单元3的端铣刀33 的刀具长度等来决定。在这种情况下，端铣刀33定位在成形部10的上 方以打磨正在制造的物体9的前体(precursor )的表面(主要是上侧面)。
通过铣削单元3进行的打磨清除了由粉末粘附到物体9所产生的多 余的硬化部分，从而使高密度部分暴露于物体的最外层表面。当打磨操 作完成时，重复进行粉末层的制备和烧结。
与光束L的照射路线一样，根据三维CAD (计算机辅助设计)数 据预先确定铣削单元的打磨工作路线。尽管采用轮廓线加工来确定打磨 工作路线，但是打磨工作路线无需精确对应于烧结时沿Z方向(竖直方 向)的层间距，并且Z方向的间距可以设定得较短使物体的倾斜角度减 小从而获得更光滑的表面加工。
图4示出粉末供应部15的改型，其中，粉末供应部15构造成具有 滑板18,滑板18能够在升降架12的顶面上滑动并设置有竖直延伸的粉 末供应口 19。当粉末供应口处于在升降架12上但不在基座11上方的位 置时，将粉末从粉末供应器(未示出)供应到粉末供应口 19中，之后 滑板18滑过基座11以将粉末供应到基座上并同时平整粉末。在粉末供 应口 19定位于基座11上方以引导光束穿过粉末供应口的情况下或者在 滑板18从基座上方退回的情况下，照射光束L进行烧结。就此而言，如图5 (a)所示，粉末供应口 19沿与滑板18的滑动方 向垂直的方向的宽度大于基座11的对应宽度以将粉末遍布基座11上的 所有部分均匀地供应。粉末供应口 19不必是正方形的，还可以是矩形、 圆形、椭圆形或其它任何形状的，以将粉末8供应至基座11上的所有 部分。
此外，如图5(b)所示，可以在滑板18的内部设置有旋转板1卯， 旋转板l卯能够绕竖直轴线旋转并且形成有类似的粉末供应口 19。在这 种改型中，旋转板的旋转能够在上述方向上改变粉末供应口 19的宽度。
如图5 (c)示出，粉末供应口 19的内壁优选制成具有凹凸结构， 从而有效避免粉末8聚集在粉末供应口内的一个宽度方向的端部上。此 外，为了避免剩余的粉末成为滑板18滑动的障碍，可在升降架12或滑 板18的侧部上形成有收集器。
通过这种配置，利用具有粉末供应口 19的滑板18的滑动来将粉末 8供应到基座11上的由升降架12所限定的成形空间中，可以在位于粉 末供应口 19内的粉末上施加重量81以对这些粉末施压，和/或能够附 加振动发生器82以使粉末振动，从而增大供应到基座11的粉末的容积 密度进而增大粉末层的密度以便获得具有高烧结密度的物体。
尽管在以上示出的实施方式中，滑板18自身用作平整基座ll上的 粉末层的构件，但是如图7所示，可以在滑板18的粉末供应口 19的沿 其滑动方向的两个相对侧(或其中任一侧)上设置用于平整粉末8的刮 片16。这在为了质量轻而由轻金属制成滑板18的情况下尤为有利。考 虑到由于刮片16进行平整的粉末的表面上可能存在非正常烧结所产生 的坚硬的凸起，所以刮片16优选由钢或陶乾制成。
另外，为了成功地去除凸起，滑板18可设置有旋转切割器83，旋 转切割器的下端与滑板18的下表面保持齐平以便通过旋转切割器83切 除凸起。旋转切割器83可由单独安装的马达或由利用滑板18的滑动使 旋转切割器83旋转的诸如齿条-小齿轮的机构来驱动。
当将光束L照射到粉末层上用以进行烧结时，由于粉末暴露于大气， 因此取决于粉末材料的种类可能发生氧化，从而无法使粉末完全烧结。 为了避免这种烧结不足，如图8所示，利用设置在升降架12上的遮蔽 框40使得在惰性氛围中照射光束L。遮蔽框40具有大于基座11的上表面面积的底部开口并且其顶部由窗41封闭，使得光束L在遮蔽框40 所围绕的空间中充有惰性气体(诸如氮气或氩气)的情况下透过窗41 进行照射。附图标记45指示氛围气体发生器或气罐；附图标记46指示 用于收集烧结时产生的烟雾的集尘器；附图标记47指示充气口；以及 附图标记48指示排气口。由于仅仅需要氛围气体填充由基座ll上的遮 蔽框40所围绕的小空间，因此能够缩短充填和排放氛围气体的时间并 减少氛围气体量。
为了减少氛围气体量，可以设置用于测量遮蔽框40中的氧气浓度 的测氧计，以便仅当氧气浓度变得高于预定氧气浓度时才供应氛围气 体。
为了提高光束L的透射率，当采用YAG激光器的光束L时窗41 可以由石英玻璃制成，而当采用C02激光器的光束L时窗41可以由硒 化锌制成。当窗41构造成用作f 6透镜而不是构造成平行板的形式时， 则光束L在烧结表面上汇聚成等直径的部位，以便精确烧结。尽管可以 釆用动态聚焦透镜来获得等直径的部位，但是这种透镜需要作为附件安 装在光学单元上，引起增大光学单元2的体积和重量的问题。
遮蔽框40可设置成能够在升降架12的顶面上滑动的滑板18，以便 能够在进行粉末层制备和打磨的位置与通过光束照射进行烧结的位置 之间容易地运动。
鉴于充填和排放氛围气体所需的时间、气体的换气效率以及对窗41 的防污要求，遮蔽框40的充气口 47和排气口 48优选为将氛围气体沿 遮蔽框40的内周斜向下引导至遮蔽框40的内部空间，如图9所示，从 而使氛围气体在所述内部空间内以涡旋的形式向下流动。
为了解决在过长时间使用的过程中烟雾使窗41变脏进而导致其对 光束L的透射率降低的问题，升降架12优选为结合有用于清洁窗41 的清洁机构。图10中示出了清洁机构的一个示例，其中清洁构件51设 置在竖直延伸穿过升降架12的开口内，并且由竖直运动气缸53驱动以 上下运动并同时由马达驱动以旋转。清洁构件51的表面上形成有清除 纸或无纺布并设置有用于配送清洁剂(加压空气或水)的喷口，以^便清 洁窗41的内表面并清洁和擦除遮蔽框40内壁上的灰尘。竖直运动气缸 53设置在工作台30上，使得清洁构件51随升降架12的竖直运动而进行竖直运动。
如图ll所示，可以使用多个形成惰性氛围的遮蔽框40或使用具有 多个窗41的遮蔽框40，使得当其中一个窗41位于清洁机构上方时另外 的窗定位在基座11上方。在这种情况下，同时进行烧结和清洁以消除 清洗等候时间，从而缩短叠层物体的制造时间。
清洁构件51可以是活塞的形式，活塞实现将氛围气体强制充入和 排出遮蔽框40。清洁构件51在被提升时将氛围气体排出遮蔽框40的内 部空间，并在下降时将氛围气体吸入遮蔽框40的内部空间。其中，充 气口 47和排气口 48均设置有阀，阀与清洁构件(活塞51)联锁以打开 和关闭。
图12示出了一种设备，其中升降架12设置有标记目标55，光束L 照射到标记目标以作标记，并且其中设置有用于测量标记目标55上的 标记部位的照射部位测量单元25。如图12(a)所示，光束L照射到预 定部位以得到交叉线等标记；然后如图l2(b)所示，照射部位测量单 元25 (其图像元件)获取标记的图像并进行图像处理以测量标记的位 置。当识别出标记位置存在误差时，对光学单元2的检流计反射镜的转 角进行校正，从而保持将光束L以较高的精确度照射到所述部位。特别 地，通过以上配置，易于在制造叠层物体期间校正光束L的照射部位， 这有利于进行高度精确地烧结。
图13示出了在升降架12上设置有用于测量光束L能量的功率测量 计56。从接收到透过遮蔽框的窗41的光束L时功率测量计56的输出 与去掉功率测量计从遮蔽框40直接接收到光束时功率测量计56的输出 之间的差值得到指示窗41的脏污程度的光束L的衰减因子。因此，能 够容易并恰当地判定出对窗41进行清洁的时间以提高制造效率并实现 持续成功的烧结。
如图14所示，遮蔽框40和粉末供应部15可形成在单个滑板18的 侧部上。滑板18可在升降架12的顶面上线性滑动，且在该滑板18的 纵向端部处设置有粉末供应口 19并在其相对的纵向端部处限定出带有 窗41的遮蔽框40。通过设置在升降架12侧部上的诸如线性电机的线性 驱动器来驱动滑板18使其在升降架12的顶面上滑动。
使滑板18从图14中所示的位置运动至图14中的左侧位置以在基座11上制备新的粉末层，随后将光束L透过窗41照射到粉末层以进行 烧结。当通过铣削单元3打磨物体9时，使滑板18返回到示出的位置 以露出基座11。
图15示出了一种滑板18为圆盘形式的改型，滑板18由马达驱动 从而以相对于升降架12的顶面滑动的方式绕其轴线旋转。滑板18本身 限定有具有粉末供应口 19的粉末供应部15以及具有窗41的遮蔽框40， 并且滑板18形成有铣削开口 39,铣削开口 39竖直延伸以便在打磨过程 中供铣削单元3使用。
通过旋转滑板18，使形成在滑板18的外周部分中的粉末供应部15、 遮蔽框40以及铣削开口 39相继并交替地定位在基座11上方。在示出 的示例中，在位于遮蔽框40与铣削开口 39之间的部分中形成有多个小 孔38以便吸取粉末(或在之前的打磨过程中产生的金属屑)，从而能够 在没有未硬化粉末的情况下进行后续打磨并因此防止物体被未硬化的 粉末损伤或避免金属屑混入随后制备的粉末层中。
图17示出了一种改型，其中结合有遮蔽框40的滑板18形成有粉 末供应口 19和粉末吸取机构。可线性滑动的滑板18在其沿滑动方向的 一个端部中设置有粉末供应口 19并在相对于遮蔽框40的另 一端部处设 置有用于吸取粉末的吸嘴185。吸嘴185能够沿在所述另一端部处形成 的狭缝184滑动，所述狭缝184形成为在与滑动方向垂直的方向上延伸， 并能够在进行粉末8烧结或进行打磨之后运动到包含狭缝184的部分位 于基座ll上方时的位置，如图17(c)所示的，从而驱动吸嘴185使其 沿狭缝184滑动用以吸取金属屑或未硬化的粉末。
由于上述对可除去粉末的吸取，因此能够制备无溅出物掺杂的均一 粉末层并由此获得无缺陷的硬化层。当采用清除粉末的步骤时，粉末供 应部在随后的供应粉末以形成粉末层的步骤中提供更多的粉末。
当滑板18与粉末供应部15、遮蔽框40以及铣削开口 39 —体结合时， 能够将多个基座11与单个升降架12组合，使得一边向一个基座供应粉末 并且一边在另外的基座上进行烧结或打磨，或者一边在其中一个基座11 上进行烧结并且一边在另外的基座上进行打磨，这样有助于同时并高效地 制造多个物体。
当采用旋转滑板18时，可以在滑板的外周区域中提供多个粉末供应部15、多个遮蔽框40和/或多个铣削开口 39，以便制成紧凑的结构或能够容 易适用于上述多个基座11与单个升降架12的组合。
尽管在上述示出的实施方式和改型中光学单元2设置在铣削单元3的 侧部上，但是如图7所示，光学单元还可设置在遮蔽框40 (滑板18)的 侧部上。
另外，当光学单元2能够拆离铣削单元3的机头座31时，以可拆卸的 方式安装光学单元2的安装部31优选能够沿竖直方向改变光学单元2的 安装位置，如图18所示。
光学单元2的安装高度越高，到工作表面的距离就越长，与到工作表 面的距离较短的情况相比，扫描机构22同样的扫描角度产生更长的扫描 路线，从而使得扫描速度提高。然而扫描角度的误差也会导致工作表面上 的位置误差增大。
因此，当叠层物体不需要高精度而需要快速扫描以覆盖宽范围时，光 学单元2可安装在相对较高的高度处以确保快速形成硬化层，而当需要高 度精确地扫描时光学单元2可安装在相对较低的高度处。
此外，当光学单元2将光束L照射到物体的最外部时可选择低安装高 度，而当光学单元2将光束L照射到相同物体的内部时可选择高安装高度。
图19示出了一种改型，其中设置有盖193以关闭滑板18中的粉末供 应口 19的上开口。包含盖193以将粉末8与污物或灰尘、烧结时产生的 溅出物、或者打磨时产生的金属屑隔离。
优选地，盖193构造成与滑板18的滑动同步地打开和关闭。图20中 示出的以可旋转的方式支撑的盖193在抵靠止动件194时旋转并打开粉末 供应口 19的上开口。
图21示出了一种改型，其中升降架12设置有用于排放保持在升降架 12的顶面上的残留粉末8的排放口 125。升降架12与滑板18之间仅留有 微小间隙，使得随着滑板18滑动，将在基座11上积聚从而高过升降架12 顶面的粉末、金属屑或溅出物朝升降架12的顶端的外周推挤。
排放口 125用于在不干扰滑板18滑动的情况下排放粉末和金属 屑。排放的粉末8可通过滤网收集以便重复利用。
权利要求
1.一种叠层成形设备，所述设备包括粉末层制备装置，所述粉末层制备装置构造成制备无机或有机粉末材料的粉末层；以及光学单元，所述光学单元构造成将光束照射到所述粉末层的预期部分以烧结或熔融而使所述部分固化成硬化层，使得所述粉末层的制备和所述硬化层的硬化重复进行以制造层叠并一体结合有多个所述硬化层的三维物体，其中，所述设备还包括固定的基座，所述粉末层和所述硬化层承载在所述固定的基座上；升降架，所述升降架构造成围绕所述固定的基座的外周并能够相对于所述固定的基座竖直运动，从而在所述基座上方限定出由所述升降架的内表面所围绕的空间以制备所述粉末层；以及升降驱动装置，所述升降驱动装置驱动所述升降架竖直运动。
2. —种叠层成形i殳备，所述设备包括粉末层制备装置，所述粉末层制备装置构造成制备无机或有机粉末的 粉末层；光学单元，所述光学单元构造成将光束照射到所述粉末层的预期部分 以烧结或熔融而使所述部分固化成硬化层，4吏得所述粉末层的制备和所述 硬化层的硬化反复进行以制造层叠并一体结合有多个所述硬化层的三维 物体；以及铣削单元，所述铣削单元设置成打磨正在制造的所述三维物体的前体 的表面，其中，所述设备还包括固定的基座，所述粉末层和所述硬化层承载在所述固定的基座上； 升降架，所述升降架构造成围绕所述固定的基座的外周并能够相对于所述固定的基座竖直运动，从而在所述基座上方限定出由所述升降架的内表面所围绕的空间以制备所述粉末层；以及升降驱动装置，所述升降驱动装置驱动所述升降架竖直运动， 所述铣削单元为数控机器的形式，其具有至少能够相对于三条轴线进行控制并固定于所述基座的工作台。
3. 如权利要求1或2所述的叠层成形设备，其中，所述粉末层制备装 置包括滑板，所述滑板能够在所述升降架的顶面上滑动并具有粉末供应 口 ，所述粉末供应口用于将所述粉末供应到形成在所^&座上并由所述升 降架围绕的所述空间中。
4. 如权利要求3所述的叠层成形设备，其中，所述粉末供应口的尺寸构造成具有垂直于所述滑板的滑动方向的宽 度，所述粉末供应口的所述宽度大于所述基座的对应宽度。
5. 如权利要求3或4所述的叠层成形设备，其中， 所述滑板设置有用于增大所述粉末的容积密度的构件。
6. 如权利要求3至5中任一项所述的叠层成形设备，其中， 所述滑板设置有用于平整所述粉末层的表面的构件。
7. 如权利要求1至6中任一项所述的叠层成形设备，所述设备还包括 遮蔽框，所述遮蔽框设置在所述升降架上并设置成具有敞开的底部并在所述遮蔽框的顶部开口中具有用于使所述光束透过的窗；以及氛围气体供应装置，所述氛围气体供应装置用于将氛围气体供入所述 遮蔽框内。
8. 如权利要求7所述的叠层成形设备，其中，所述遮蔽框设置有用于将所述氛围气体以涡旋流的形式供入所述遮 蔽框内的涡旋流形成装置。
9. 如权利要求7或8所述的叠层成形设备，所述设备还包括 氧气浓度测量计，所述氧气浓度测量计用于测量所述遮蔽框的内部空间中的氧气浓度；所述氛围气体供应装置构造成根据所述氧气浓度测量计的输出来供 应所述氛围气体。
10. 如权利要求7至9中任一项所述的叠层成形设备，所述设备还包括活塞，所述活塞构造成在所述遮蔽框内竖直运动以便供应和排放所述氛围气体。
11. 如权利要求7至10中任一项所述的叠层成形设备，其中， 所述窗是f 6透镜的形式。
12. 如权利要求7至11中任一项所述的叠层成形设备，所述设备还包括清洁装置，所述清洁装置构造成清洁包括所述窗的内表面在内的所述 遮蔽才匡的内表面。
13. 如权利要求12所述的叠层成形设备，其中， 所述清洁装置包括形成在所述升降架上的清洁构件，所述清洁构件形成能够竖直运动并能够在所述遮蔽框内旋转以便清洁包括所述窗的内表 面在内的所述遮蔽才匡的内表面。
14. 如权利要求12或13所述的叠层成形设备，其中，设置有能够在所述升降架的顶面上滑动的多个所述遮蔽框，使得当所 述遮蔽框中的一个定位在所g座上时，另外的遮蔽框处于由所述清洁装 置进行清洁的位置。
15. 如权利要求7至14中任一项所述的叠层成形设备，其中， 所述光学单元设置在所述遮蔽框的侧部上。
16. 如权利要求1至15中任一项所述的叠层成形设备，所述设备还包括标记目标，所述标记目标i更置在所述升降架的顶面上，用于通过来自 所述光学单元的光束在所述标记目标上提供标记；以及测量单元，所述测量单元构造成测量所述标记目标上的所述标记以获 取对来自所述光学单元的光束预期的照射部位的补偿数据。
17. 如权利要求1至16中任一项所述的叠层成形设备，所述设备还包括功率测量计，所述功率测量计设置在所述升降架的顶面上并构造成测 量来自所述光学单元的光束的能量。
18. 如权利要求1或2所述的叠层成形设备，所述设备还包括 遮蔽框，所述遮蔽框设置在所述升降架上，所述遮蔽框具有敞开的底部并在所述遮蔽框的顶部开口中具有用于使所述光束透过的窗；氛围气体供应装置，所述氛围气体供应装置用于将氛围气体供入所述 遮蔽才匡内；以及滑板，所述滑板能够在所述升降架的顶面上滑动并设置有所述粉末层 制备装置，所述遮蔽框形成所述滑板的一部分。
19. 如权利要求1或2所述的叠层成形设备，其中， 所述升降架构造成围绕所述多个基座中的每一个的外周并能够相对于各个所述基座竖直运动，滑板设置成能够在所述升降架的顶面上滑动，所述粉末层制备装置设置在所述滑板上并设置成通过所述滑板的滑 动选择性地在所述多个基座上或所述多个基座上方制备所述粉末层。
20. 如权利要求19所述的叠层成形设备，其中， 所述滑板设置有供所ii^制单元的刀具穿过的铣削开口 。
21. 如权利要求18至20中任一项所述的叠层成形设备，其中 所述滑板设置有吸取单元，所述吸取单元吸取所g座上的需要去除的未硬化的粉末。
22. 如权利要求18至21中任一项所述的叠层成形设备，其中， 所述滑板构造成以相对于所述升降架的顶面滑动的方式旋转。
23. 如权利要求18至22中任一项所述的叠层成形设备，其中， 所述光学单元设置成能够相对于所述光束所照射的平面改变高度位置。
全文摘要
一种叠层成形设备，所述设备具有粉末层制备装置和光学单元，光学单元将光束照射到粉末层的预期部分以烧结或熔融而使所述部分固化成硬化层。重复进行粉末层制备和硬化层硬化以制造层叠并一体结合有多个硬化层的三维物体。所述设备包括在承载粉末层和硬化层的固定的基座、围绕固定的基座的外周的升降架以及用于驱动升降架竖直运动的驱动装置。粉末层形成在位于基座上方由升降架的内表面围绕的空间内，使得能够在基座保持于固定位置处的情况下将粉末层(硬化层)叠置在基座上，从而有助于制造精确成形的物体。
文档编号B29C67/00GK101541511SQ20088000062
公开日2009年9月23日 申请日期2008年5月30日 优先权日2007年5月30日
发明者不破勲, 东喜万, 吉田德雄, 阿部谕 申请人:松下电工株式会社