专利名称：用于制造三维产品的装置和方法
技术领域：
本发明涉及这样一种装置和方法，该装置和方法通过使覆加在工作台上的粉末层的选定部分相继熔合在一起来制造三维产品。
背景技术：
以前可从例如US4863538获知一种通过使覆加在工作台上的粉末层的选定部分相继熔合在一起来制造三维产品的装置。该装置包括在其上构造所述三维产品的工作台、设置用以把一薄层粉末分配到该工作台上以形成粉末层的粉末分配器、用于输送能量给该粉末以使该粉末之后熔合在一起的辐射枪、用于把该辐射枪的射束引导到所述粉末层上以通过使部分的所述粉末层熔合在一起来形成所述三维产品的横截面的装置、以及其内储存与该三维产品的相继横截面有关的信息的控制计算机。通过使所覆加的相继粉末层的选定部分熔合在一起来构造三维产品。控制计算机旨在控制偏转装置，该偏转装置用于依据一种再现预定图形的操作方案把由辐射枪产生的射束偏转到粉末层上。当该操作方案已经把粉末层的预期区域熔合在一起时，所述三维产品的横截面就已经形成。使利用粉末分配器相继覆加的粉末层相继形成横截面，通过把该相继形成的横截面相继熔合在一起来形成三维产品。
从SE0001557-8已知这样一种用于制造三维产品的装置，其中，允许在制造过程中测量所制得三维物体的表面结构和表面温度。通过采用其中所述的装置，可以提高所制得三维物体的形状相对于预期形状的一致性。
为满足三维模型制造中的工业要求，重要的是达到充分高的制造速率。尤其是在如上所述装置用于批量生产的情况中。已经尝试加快扫描速率以及对应地增大射束功率。然而，已经发现在制造三维产品的过程中所制得产品中的表面应力会导致形状偏差，且该产品中的内应力会引发形成裂纹的危险。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于制造三维物体的方法，其中，可使该三维物体的制造过程更有效率以缩短制造时间。此目的利用一种依据本发明权利要求1的特征部分的装置来实现。
通过在一种用于制造三维物体的方法中，这里，选定区域对应于最终产品的横截面，采用两个或多个在形成三维物体的横截面时同时穿过该选定区域扩散的熔合区，使得制造过程可以更有效率。
在第一优选方法中，通过在定时脉冲调制时利用辐射枪给两个几何分离的焦点供应能量，生成所述两个或多个熔合区。
在另一种优选实施例中，该辐射枪的位于两个焦点处的焦点以与熔合区的波传播速度相对应的速度扩散。利用此过程步骤，确保降低过热的风险，于是最终产品具有良好的表面光洁度。
在本发明的一种实施例中，通过测量熔合区的波传播速度来估算该波传播速度，其中，利用由用于检测粉末层内的表面层的温度分布的装置所提供的信息测量该熔合区的波传播速度。
在一种可供选择的实施例中，通过对包括焦点的区域计算能量平衡来估算波传播速度，该波传播速度可从一种为该区域建立的热传导方程模型中获得。
所提出的两种方法都是给出波传播速度的好方法，然后也可以使用反馈系统来维持正确的所产生的波传播速度。
依据本发明的一种优选实施例，为每个粉末层计算能量平衡，在计算中确定当所述依据一种为粉末层确定的操作方案从辐射枪供应能量以把依据所述操作方案选定的粉末层区域熔合在一起时输入该粉末层内的能量是否足以维持下一层的规定工作温度，所获得的信息使得可以维持规定温度。通过维持规定工作温度，即表面温度在给定的规定温度范围内，可在所有层的制造过程中，确保减少在三维物体过度冷却时出现表面应力。这反过来可减少最终产品出现形状偏差，还减少该最终产品内出现的内应力。
本发明还涉及一种用于制造三维产品的装置，其具有与该方法对应的特征。
以下将结合附图更详细地说明本发明，其中图1表示依据本发明的一种装置的横截面，图2示意性表示一种由若干粉末层形成的三维物体的横截面层以及一顶粉末层，图3表示一种用于计算能量平衡的示意性模型，图4表示另一种用于计算能量平衡的示意性模型，图5表示焦点和熔合区域在选定表面上的移动，图6表示被分成一组单独区域的选定区域，图7表示将该单独区域分成内部区域和边缘的划分，图8表示一种具有内部区域和边缘且将被熔合在一起的区域，图9表示一组具有一维干涉项的不同曲线形状，图10示意性表示在存在和不存在干涉项的情况下物体内呈现的热量分布，这里，辐射枪的直径为D的焦点已加热该物体，图11表示相对于焦点沿主运动方向的运动的该焦点的一种运动例子，图12表示一组具有二维干涉项的不同曲形，图13表示依据本发明一种优选实施例的焦点运动图形，图14表示焦点的定位以及其内发生熔合的加宽区域，图15示意性表示依据本发明一种实施例的辐射枪焦点的运动图形，图16表示从一种提供有透明窗口的室的侧面看的示图，图17表示一种用于输送并固定保护膜以维持该窗口的透明度的装置，图18表示该装置的操作方案的流程图，图19表示生成原始操作方案的流程图，
图20表示用于修订所述操作方案的流程图，图21示意性表示一种用于生成三维物体的步骤，图22示意性表示这样一种步骤，该步骤包括借助于从用于测量粉末层表面上的温度分布的摄影机获取的信息来修正操作方案，图23表示一种三维物体的示意性构造，以及图24表示取自图23的若干横截面。
具体实施例方式
图1表示一种用于制造三维产品且通常标识为1的装置。该装置包括在其上构造三维产品3的工作台2、设置用以把一薄层粉末分配到该工作台2上以形成粉末层5的一个或多个粉末分配器4以及装置28、用于输送能量给该粉末层以使部分粉末层之后熔合在一起的辐射枪6、用于把该辐射枪6的射束引导到所述工作台上以通过所述粉末熔合在一起来形成所述三维产品的横截面的装置7、以及其内储存与该三维产品的相继横截面有关的信息的控制计算机8，其中，该横截面构成该三维产品。在工作周期中，覆加每个粉末层之后，工作台将相对于辐射枪逐渐下降。为使这种移动成为可能，在本发明的一种优选实施例中，工作台被设置成可在垂直方向即箭头P所示的方向移动。这意味着该工作台起初位于起始位置2’，在该起始位置2’覆加所需厚度的第一粉末层。为了不损坏下面的工作台以及为了给此层提供足够的质量，此层比所覆加的其它层要厚，从而避免此第一层被透熔。与分配用于形成三维产品的新横截面的新粉末层相关联的，之后降低该工作台。为此在本发明的一个实施例中，工作台经由一种支架9支承，该支架9包括至少一个具有齿11的滚珠螺杆10。一种具有齿轮13的步进马达或伺服马达12把工作台2设定在预定垂直位置。也可采用专业人员已知的用于设定工作台的工作高度的其它装置。例如，可采用调节螺钉来代替齿条。
装置28设置用以与所述用于补充材料的粉末分配器相协作。此外，利用一种伺服马达(未表示)按照已知方式驱使装置28在工作面上扫过，该伺服马达沿着沿粉末层延伸的导轨29移动该装置28。
当覆加一新粉末层时，利用工作台已经相对于前一层下降了多少来确定该新粉末层的厚度。这意味着可依据需要改变层厚。因此，可在相邻层之间的横截面形状有较大变化时形成较薄的粉末层，从而实现较高的表面精度，以及在形状几乎没有或者完全没有变化时，使粉末层对于射束具有最大穿透厚度。
在本发明的一种优选实施例中，辐射枪6由电子枪组成，用于引导该辐射枪的射束的装置7由偏转线圈7”组成。该偏转线圈7”生成磁场，该磁场引导该电子枪产生的射束，然后该射束就可以使位于预期位置的粉末层的表面层熔合。辐射枪还包括用于按已知方式给该辐射枪内的发射电极21提供加速电压的高压电路20。该发射电极按照已知方式与用于加热该发射电极21的电源22连接，于是电子就被释放。辐射枪的功能和构造对本领域专业人员来说是公知的。
利用控制计算机8且依据为将要熔合在一起的每一层所设计的操作方案来控制偏转线圈，于是该偏转线圈就可以依据预期操作方案引导射束。
还存在至少一个聚焦线圈7’，该聚焦线圈7’设置用以把射束聚集在工作台上粉末层的表面上。
可依据专业人员公知的大量可供选择方式设置偏转线圈7”和聚焦线圈7’。
该装置被封闭在外壳15中，该外壳15封闭辐射枪6和粉末层2。外壳15由包围粉末层的第一室23和包围辐射枪6的第二室24组成。第一室23和第二室24经由通道25连通，该通道25允许第二室内已在高压电场中加速的发射电子继续进入第一室并随后撞击工作台2上的粉末层。
在一种优选实施例中，第一室与真空泵26连接，该真空泵26把该第一室23内的压强降低至优选大约10-3-10-5毫巴。第二室24优选与真空泵27连接，该真空泵27把该第二室24内的压强降低至优选大约10-4-10-6毫巴。在一种可供选择的实施例中，第一和第二室都与同一真空泵连接。
此外，控制计算机8优选与辐射枪6连接以调节该辐射枪的输出，以及与步进马达12连接以在相继覆加粉末层之间调节工作台2的垂直位置，于是就可改变该粉末层的各自厚度。
控制计算机还与所述用于在工作面上分配粉末的装置28连接。此装置设置用以扫过工作面并分配一层粉末。利用受所述控制计算机8控制的伺服马达(未表示)驱动该装置28。该控制计算机控制该扫过操作并确保根据需要补充粉末。为此，可在装置28中设置负载传感器，于是控制计算机就能够获得有关该装置是排空还是阻塞的信息。
依据本发明，控制计算机8还设置用以为每个粉末层内的至少一个选定区域计算能量平衡，通过计算确定从局部区域周围辐射到该局部区域内的能量是否足以维持该局部区域的规定工作温度。
依据本发明的一种优选实施例，控制计算机还设置用以为每个粉末层内的至少一个将要被熔合在一起的选定区域计算能量平衡，通过计算确定从选定区域周围辐射到该选定区域内的能量是否足以维持该选定区域的规定工作温度。
为粉末层计算能量平衡的目的是要计算为保持物体表面在给定温度而需要的能量。假定该能量在整个表面上不变。
以下说明在本发明的一种实施例中如何执行能量平衡计算，其中，为每层执行一次该计算过程。
为了可以实时地计算能量，以下简化是有必要的1.我们假定温度在x和y方向不变，其仅在z方向变化，换句话说，整个表面具有相同温度。
2.温度在z方向变化jLt，其中，j是层数且Lt是层厚。
3.假定温度分布在熔合过程中不变。
以下参数对计算过程有影响。
各种索引i＝顶层的索引j＝从1至i的层索引对象数据
Lt＝所要熔合的层厚[m]Lcont(j)＝层j的伸直长度(contour length)[m]Apowt(z)＝Apow(j)＝层j覆盖粉末的面积[m2]A(z)＝4(j)＝层j所要熔合的总表面积[m2]材料特性λmet＝材料的导热性[W/mK]σmet＝对金属表面的辐射常数[W/m2K]σmetpow＝对覆盖以粉末的金属表面的辐射常数[W/m2K]σpow＝对粉末表面的辐射常数[W/m2K]λpow＝粉末的导热性[W/mK]hpow(z)＝从对象至粉末的热传递系数[W/m2K]温度[K]Tsur(i)＝在层i被熔合时影响表面的周围温度(可在热挡板上测量)Tpow(z)＝粉末的温度T(z)＝对象的温度Tsurf(i)＝T(iLt)＝在层i被熔合时对象表面上的理想温度(被设定在AMA中)Tbott(i)＝在层i开始熔合之前对象底部的温度(恰在集堆之前测量的温度或者计算的温度。参见以下)为确定温度在对象内如何分布，我们解一维静态导热方程，该方程包括考虑到粉末内的热损耗的源项-λmet∂2T(z)∂z2=hpow(z)Apow(z)A(z)Lt(Tpow(z)-T(z))]]>表面上和底部处的边界条件为-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))]]>这里，A和B是两个常数。
把该公式改写为替换的微分公式并使j为每层的索引。
-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))]]>这里1≤j≤i-2当表面温度由T(i)确定时，关于对象内的温度分布，表面上的边界条件实际上未给我们提供任何信息。但为确定Pin其是需要的，Pin是为维持表面上的温度在T(i)所需要的能量。T(j)现在从以下方程系统中获得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)=Tbptt(i)hpow(1)Lt/λmet(1+hpow(1)Lt/λmet+T(2)1(1+hpow(1)Lt/λmet)]]>插入T(1)的表达式并用公式把问题表示为线性方程系统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)i-2.-2T(i-1)+T(i-2)(1+Δ(i-2))＝Δ(i-2)Tpow(i-2)-T(i)在矩阵式中，其变成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-1+2)T(i)]]>为了可以解方程，必须知道粉末的温度Tpow(j)和热传递系数hpow(j)。在程序中，Tpow(z)被设定为Tpow(j)＝AT(j)i-1+BTsur(i-1)
i-1意味着为确定Tpow(j)要采用前一层的温度。
用于hpow(j)的函数像这样 值L1和L2已假定独立于面积，而hconst1，hconst2和hconst3假定取决于A(j)。通过用简单几何在对象上进行从1D模型上至3DFEM的计算，已获得用于Tpow和hpow的表达式中的所有常数。
用于源项的表达式中包括Apow(j)，其实际上是每层覆盖粉末的总面积。在大面积过渡的情况中，该值可能相当大，这意味着源项的值会跳变。这种不连续的跳变使得解不稳定。为防止这种现象，依据一种优选实施例，Apow(j)被设定为Lcont(j)*Lt。随后附加由于面积过渡导致的能量损耗。能量损耗的多少取决于面积过渡的各个底层面积有多大以及该底层位于顶层下方有多远。已利用3D FEM模拟获得用于不同面积过渡和不同深度的值。利用内插法获得任意面积过渡的附加能量。
在计算能量之前，程序读取用于每层的Lcont(j)*Lt和A(j)的不同值。借助于文件原本，可以各种各样的方式影响这些值。这样就可以控制用于每层的能量。从文件原本如何发挥作用的描述中显现出各个几何参数如何受到影响。
在解上述方程系统时，由表面的边界条件获得为维持表面在Tsurf(i)所需要的总能量Pin=A(i)(λmetLt(T(i)-T(i-1))+(σmet+σpow)2(T(i)4-Tsur(i)4))]]>
在熔合一层时，在表面上使用不同的电流和速度。为了可以计算所需的不同电流，将所采用全部能量的平均值设定为等于Pin。如果采用ni种不同电流熔合一层，那么Pin=αUΣk=1k=niIiktikTtot]]>tik=likvik]]>Ttot=Σk=lk=nitik]]>其中tik是每种电流Iik的熔合时间lik是熔合长度vik是熔合速度Ttot是层的总熔合时间U是加速电压因而，为了可以计算电流，速度必须是已知的。这些由公知为表示电流与速度之间关系的速度函数获得。因为这些函数不是解析的，所以必须采用迭代过程以确定所有电流和速度。在计算程序中，每个lik的初始值是假定的。然后，获得各个速度。接着，增大电流值直至能量平均值刚好超过所算得的Pin值。
现在假定我们需要以这种速度和电流来熔合各个局部区域，在该速度和电流下，输送给材料的能量少于为维持表面在Tsurf(i)所需要的能量。于是，必须给该表面加热。这样获得为加热该表面所需要的次数，通过向能量平均值的表达式中加入加热项Piheat=nαUliheatIiheatviheat]]>并在用于时间Ttot的表达式中加入加热次数tiheat=nliheatviheat]]>其中，n表示该表面必须被加热多少次。
上述计算过程可用于整个粉末层。在一种可供选择的实施例中，对粉末层的各个局部区域执行该计算。在这种情况下同样可采用上述方程。但是，需要为靠近熔合体的内边缘提供不同的边界条件。
图2表示一种熔合体30的侧视图，该熔合体30通过把相继粉末层i-1，i-2，i-3，i-4中的局部区域31-34熔合在一起而构成。毫无疑问的，依据本发明制造的实际物体可具有比此例所示更多的层。
顶粉末层i分配在该熔合体上。选定区域35位于此顶粉末层内。依据操作方案，该选定区域35由将要熔合在一起的区域组成。层i内的选定区域35由外边缘36界定。毫无疑问的，选定区域可能不仅包括外边缘，还包括内边缘。在选定区域35内，表示了将要计算其能量平衡的局部区域37。局部区域37可如图2所示包括选定区域的一部分，或者选择性地可包括整个选定区域。选定区域35优选如图6所示被分成多个较小的局部区域。
原则上依据Ein(i)＝Eout(i)+Eheat(i)计算能量平衡，这里，Ein(i)代表输入局部区域内的能量，Eout(i)代表从该局部区域散逸和辐射的能量损耗，以及Eheat(i)代表存入该局部区域内的能量。所输入的能量一方面包括已经由热传导从计算其能量平衡的局部区域35周围辐射入或者流入的能量Ein(c)，另一方面包括已从辐射枪6辐射入的能量Ein(s)。因此，若在能量供应给局部区域35之前计算能量平衡，则Ein(s)＝0。依据本发明的一种优选实施例，在经由辐射枪6供应能量之前，对局部区域35执行至少第一能量平衡计算。
图3示意性表示一种模型，基于该模型计算局部区域Δ1的能量平衡。在这种情况中，局部区域Δ1对应于粉末层i的选定区域的一部分。在这种情况中，用于计算能量平衡的方程表现为Ein(Δ1)＝Eout(Δ1)+Eheat(Δ1)，这里，Ein(Δ1)代表输入局部区域内的能量，Eout(Δ1)代表从该局部区域Δ1散逸和辐射的能量损耗，以及Eheat(Δ1)代表存入该局部区域Δ1内的能量。所输入的能量一方面包括已经由热传导从局部区域Δ1周围辐射入或者流入的能量Ein(c)(Δ1)，另一方面包括已从辐射枪6辐射入的能量Ein(s)(Δ1)。
图4示意性表示一种模型，基于该模型计算选定区域35内的第二局部区域Δ2的能量平衡。在这种情况中，局部区域Δ2对应于粉末层i的选定区域的这样一部分，该部分还没有熔合在一起且与粉末层i内的第一局部区域Δ1相邻，这里，从所述第一局部区域至所述第二局部区域发生辐射传导或热传导。在这种情况中，用于计算能量平衡的方程表现为Ein(Δ2)＝Eout(Δ2)+Eheat(Δ2)，这里，Ein(Δ2)代表输入局部区域内的能量，Eout(Δ2)代表从该局部区域Δ2散逸和辐射的能量损耗，以及Eheat(Δ2)代表存入该局部区域Δ2内的能量。所输入的能量一方面包括已经由热传导从局部区域Δ2周围辐射入或者流入的能量Ein(c)(Δ2)，另一方面包括已从辐射枪6辐射入的能量Ein(s)(Δ2)。该经由热传导供应的能量Ein(c)(Δ2)包括分量Ein(s)(Δ2，i-1)和Eout(Δ1，Δ2)，该分量Ein(s)(Δ2，i-1)对应于从前一层供应的能量，分量Eout(Δ1，Δ2)对应于从第一局部区域Δ1散逸或辐射并供应给第二局部区域Δ2的能量。
图5表示两个焦点201，202在选定区域203内的移动。因此，选定区域203包括两个在形成三维物体的横截面时同时扩散的熔合区204，205。利用熔合区204，205的前线206，207的移动，示意性表示该熔合区的扩散。该图表示了选定区域在六个时候的状态。在第一时候，辐射枪6给焦点I输送能量，前线I形成。在随后的时候，辐射枪的焦点移动至焦点II，前线II形成。在下一阶段，焦点I移动至焦点III，即移动一量Δ。在同一时间，前线I以一量δ移动至前线III。在本发明的一种优选实施例中，量δ等于量Δ。在下一步骤，焦点II移动至焦点IV，前线II移动至前线IV。在随后的另一阶段，焦点III移动至焦点V，且前线III移动至前线V。最后表示了焦点IV如何移动至焦点VI，同时前线IV移动至前线VI。
如图5所示，三焦点之间的移动不需要是直线的，但可对其进行控制以使前线以尽可能最迅速的方式充满选定区域。
为使焦点的扩散速度与熔合区的扩散速度即熔合区的波传播速度相匹配，依据本发明的一种实施例，利用某种装置提供的信息估算该波传播速度，该装置位于粉末层内且用于检测表面层的温度分布。此装置可由热摄影机组成，该热摄影机在两个连续时刻测量熔合区的前线位置，按照这种方式可以计算速度。
在一种可供选择的实施例中，通过对包含所述焦点的区域计算能量平衡来估算波传播速度，所述波传播速度自一种为所述区域建立的热传导方程模型中获得。
依据本发明的第一实施例，这样安排储存在控制计算机内的操作方案，使得所述数量的焦点在整个选定区域上扩散，该整个选定区域对应于所要形成的三维物体的整个横截面。依据一种可供选择的实施例，在局部区域内采用若干焦点，如下所述。
图6表示了一种被分割为多个较小局部区域的选定区域35。依据本发明的一种优选实施例，每个粉末层内的表面被分割成一组单独区域38-58，每个单独区域都包括选定区域35的某些部分，对所述单独区域组38-58中的每个都计算能量平衡。选定区域由外边缘72界定。当然，选定区域还可包括内边缘。
依据本发明的另一种优选实施例，所述单独区域组38-58包括完全位于所述选定区域的边缘72内的第一组区域54-58和其边缘与所述选定区域的边缘部分重合的第二组区域38-53。这里适当的是，包括在所述第二组内的每个区域38-53被分割成第二组较小区域38a-38d，53a-53d。
图7示意性表示依据本发明一种优选实施例的操作方案，这里，位于所述第一和第二组区域内的每个区域80-91都由内部区域I和边缘R组成，其中，在第一处理步骤中将位于所述第一或第二组区域内的相邻区域组的内部区域I熔合在一起，之后把位于所述区域之间的所述边缘R熔合在一起。利用此过程，减少在冷却后三维物体内出现弯曲应力。
依据本发明的一种优选实施例，这样设计操作方案，使得将所要熔合在一起的区域即选定区域分割成一个或多个内部区域I，每个内部区域I都具有边缘R。图8示意性表示一种所要熔合在一起的区域35。该区域包括一种由边缘R界定的内部区域I。依据本发明，利用辐射枪的射束焦点的移动图形把内部区域I熔合在一起，该移动图形具有主移动方向和干涉项，该干涉项附加给所述主移动方向且具有其方向垂直于该主移动方向的分量。干涉项改变方向并具有与主移动方向的零点偏移相对应的时间平均值。图9表示三种不同干涉项表现的不同例子，该三种干涉项导致呈三角波、正弦波和矩形波形式的运动。
图10示意性表示物体内呈现的热量分布，这里，辐射枪的直径为D的焦点已加热该物体。焦点周围的热量分布具有高斯钟(Gaussianbell)的形状。利用由(α)标识的曲线表示无干涉项时焦点周围的温度分布。利用干涉项，加宽射束传播过程中沿主移动方向处理的轨迹。利用由(β)标识的曲线表示加宽轨迹。该加宽轨迹的温度分布还具有较小的最大值。结果这降低了由于过热而导致成形不规则的风险。
干涉项优选具有这样一种特征，其使得所形成熔合区的宽度基本等于该干涉项在垂直于主移动方向的方向上的分量幅值的两倍。焦点在干涉项方向上运动的绝对值平均速度优选超过材料内的热传播速度。主移动方向上的速度优选等于材料内的热传播速度。干涉项的幅值和频率优选这样匹配，使得焦点能够从干涉项具有零值的其初始位置起移动、经过该干涉项的最小和最大值、然后返回至其使热传播的波前从第一零位置移动至第二零位置的位置。这示意性地表示在图5中。图11表示了焦点如何沿着曲线50从第一位置51起经过干涉项的最大值52、该干涉项的最小值53，然后占据该干涉项为零值的第二位置54。在这期间，热传播的波前已从第一位置51传播至第二位置。如果干涉项的平均速度过低，就形成一种曲线熔合轨迹而不是加宽轨迹，该曲线熔合轨迹在由干涉项的端点所限定的通路内延伸。
依据一种优选实施例，干涉项还具有在平行于主移动方向的方向上的分量。在这种情况中，干涉项是两维的。图12中给出了具有二维方向的干涉项的例子。
优选在辐射枪射束的大体直线运动过程中将边缘R熔合在一起。
该辐射枪的射束焦点的移动图形包括主移动方向和附加给所述主移动方向且具有垂直于该主移动方向的方向分量的干涉项，采用这种移动图形来进行操作的目的是利用加宽轨迹可以更缓慢地移动熔合区，而该熔合区仍然能以与传统操作相比较快的速度熔合。熔合区的缓慢移动使得蒸发减少，并减少发生熔合材料沸腾和飞溅的可能性。采用连续大体直线运动把边缘熔合在一起的目的是为了给最终产品生成光滑表面结构。
以下在本发明的一种优选实施例中给出对具有两维干涉项的辐射枪的焦点移动图形的分析，该两维干涉项导致该焦点进行一种螺旋状运动。
由以下方程1可获得绕x轴转动并沿同一轴以速率Vx移动的焦点的位置r(t)＝(Vxt+Axcos(ωt))x+Aysin(ωt)yEqu.1这里，Ax和Ay分别是x和y方向的幅值。
一种典型的“旋转曲线”可像图13所示的那样。
若按以下方程2设定ω，获得图7所示图形ω=2πVxAx]]>Equ.2焦点的速度由以下方程3给出dr(t)‾dt=(Vx-Axωsin(ωt))x‾+Ayωcos(ωt)y‾---Equ.3]]>因此，其绝对速度为|dr(t)‾dt|=(Vx-Axωsin(ωt))2+(Ayωcos(ωt))2]]>Equ.4若焦点依据上述公式移动，其速度将发生变化，可在x轴下方最大、上方最小或者依据旋转方向反过来也可以。为获得沿着图13中的旋转曲线以恒定速度移动的焦点，首先计算其平均速度Vaverage=∫0T|dr(t)‾dt|dtT]]>Equ.5这里T=2πω]]>Vaverage是焦点的移动速度。在时间t时，焦点已移动距离s＝t*Vaverage此距离必须等于在时间t’时的旋转曲线长度。
因此s=t*Vaverage=∫0t,|dr(t)‾dt|dt---Equ.6]]>对于0＜t＜T求解方程6，给出作为t的函数的t’。然后，将t’用在方程1中，该方程1给出作为时间t的函数的焦点位置。
采用不同速度和Ay的若干模拟已经显示位于表面下方0.1-0.15mm的熔合区具有大约1.8Ay的宽度。因此，两旋转线之间的跳距应该是Hop spin＝1.8Ay-0.3从边缘至起点的距离近似为Starting hop＝0.8Ay-0.15图14表示了沿图中箭头标识的x方向扩散的连续加宽熔合边缘。图中标识了直径为D的焦点。重叠区域确保熔合发生在焦点外部的区域中。用符号δ表示并标识此区域。这些区域共同形成了沿箭头x标识的方向扩散的总区域。
依据本发明的另一种优选实施例，在辐射枪射束的大体直线运动过程中，内部区域I之间的边缘R熔合在一起。
依据图15，该装置还根据本发明的一种优选实施例包括用于检测粉末层内的表面层的表面特性的装置14。此用于检测粉末层5内的表面层的温度分布的装置14优选由摄影机组成。在本发明的一种优选实施例中，该摄影机一方面用于测量表面层上的温度分布，另一方面用于通过表面不规则引发形成的阴影来测量该表面不规则的发生。一方面，有关温度分布的信息用于在表面层的所要熔合的那些部分上生成尽可能均匀的温度分布，另一方面，因为温度分布反映产品的形状，该信息可用以检测所生成的三维产品与原始设计之间的任何尺寸偏差。在本发明的一种优选实施例中，图像摄影机安装在用于封闭粉末层5和辐射枪6的外壳15的外部上。为使温度测量成为可能，该外壳提供有透明窗口16。摄影机经由此窗口可看到粉末层5。
在本发明的一种优选实施例中，如图16所示，窗口16由一种保护膜17覆盖。该保护膜由输出单元18输送给收集单元19，由此逐渐更换该膜，这意味着能够维持透明度。作为熔合处理的结果，保护膜必然成为涂层形式。
图17示意性表示一种依据本发明制造三维物体的方法。通过把与三维物体的相继横截面对应的粉末层的选定区域相继熔合在一起来形成该三维物体。
在第一方法步骤100中，给工作台覆加粉末层。利用上述把一薄层粉末分配在工作台2上的装置28来实现覆加操作。
在第二方法步骤110中，依据为该粉末层确定的操作方案由辐射枪6给该粉末层内的选定区域供应能量，把依据所述操作方案选定的该粉末层的区域熔合在一起以形成所述三维物体的一横截面。通过把由相继覆加的粉末层相继形成的横截面相继熔合在一起来形成三维物体。
依据本发明，这样设计所述操作方案，使选定区域具有两个或多个在形成三维物体的横截面时穿过该选定区域同时扩散的熔合区。
通过在定时脉冲调制(time sampling)时利用辐射枪给两个或多个几何分离的焦点供应能量，产生两个或多个熔合区。
优选这样设计操作方案，使辐射枪的焦点处的焦点以与熔合区的波传播速度相对应的速度扩散。
依据本发明的一种实施例，由用于检测粉末层内的表面层的温度分布的装置所提供的信息，通过测量熔合区的波传播速度来估算波传播速度。此装置通过读取物体表面上的温度分布能够记录热量如何从焦点向外扩散。热量的扩散速度对应于波传播速度。
依据一种优选实施例，在第三方法步骤120中对每个粉末层内的至少一个局部区域计算能量平衡，在计算中确定从该局部区域周围辐射到该局部区域内的能量是否足以维持该局部区域的规定工作温度。依据上述模型执行计算。
图18示意性表示产生原始操作方案的过程。在第一步骤40中，在例如CAD程序中生成所要制造产品的3D模型，或者选择性地把所要制造产品的预备3D模型输入控制计算机8。然后，在第二步骤41中，生成一种矩阵，该矩阵包含与产品横截面的外部特征有关的信息。图23表示一种具有相关横截面31-33例子的锤子模型。这些横截面还表示在图24a-24c中。这些横截面按照一定的密度分布以形成最终产品，该密度对应与所要熔合的各层厚度。该厚度优选可在各层之间变化。尤其优选的是使得在相邻层之间横截面外部特征变化较大的区域内的层较薄。因此，在生成横截面时，创造这样一种矩阵，该矩阵包含了与共同构成三维产品的所有横截面的外部特征有关的信息。
一旦生成横截面，就在第三步骤42中为每个横截面生成原始操作方案。一方面基于构成横截面的部分的形状识别，另一方面基于该操作方案如何影响横截面的局部部分的冷却温度的知识，来生成原始操作方案。目的是生成这样一种操作方案，该操作方案使得在覆加下一层之前冷却温度在所要熔合的部分内尽可能均匀，同时维持该冷却温度在预期范围内，以降低产品内出现收缩应力的风险并减小由于该产品变形而出现在该产品内的收缩应力的大小。
首先，基于横截面的各个组成部分的形状生成原始操作方案。
因此，在本发明的一种优选实施例中，基于某种操作方案能为横截面的冷却温度提供良好温度分布的经验来制订原始操作方案，于是可以缩小由于产品变形而导致该产品内出现收缩应力的风险。为此，一组用于不同形状区域的操作方案储存在存储器中。在一种优选实施例中，作为对操作方案的修订进行评估的结果，更新此存储器，从而获得一种自学系统。
依据本发明的一种可供选择的实施例，把已利用独立计算机生成的预备完成横截面输入控制计算机的存储器内，从而生成所述原始操作方案。在这种情况中，信息直接经由外部信源40a提供给第三步骤42。
图19示意性表示一种采用结合图17所示的方法来制造三维物体的过程。在第一方法步骤130中，确定参数，基于该参数计算能量平衡。在第二方法步骤140中，对选定区域35的至少一个局部区域计算能量平衡。依据前述方法执行计算。
在第三方法步骤150中，依据所算得的能量平衡更新操作方案。若能量平衡的结果是储存在局部区域内的热量足以维持预期工作温度，就不需要额外的能量供应。依据本发明的一种实施例，如果能量平衡的结果是局部区域内储存的热量不足以维持预期工作温度，那么就以在熔合之前预热该局部区域的形式额外供应能量。这种预热可通过辐射枪非常迅速地扫过该区域、或者该辐射枪以比平常低的能量扫过该区域、或者两者的结合来实现。在第四方法步骤160中进行此预热。
在第五方法步骤170中，利用扫过局部区域的辐射枪实现熔合。
图20示意性表示本发明的一种实施例，其中适当采用上述用于生成和修订操作方案的方法。在第一方法步骤180中，识别选定区域的一个或多个内部区域I。在第二方法步骤190中，识别与所述内部区域相关且围绕每个所述内部区域的一个或多个边缘R。在第三方法步骤200中，所述内部区域I在辐射枪射束的部分重叠循环运动过程中熔合在一起。在第四方法步骤210过程中，所述边缘在该射束的直线运动过程中熔合在一起。
依据本发明的一种实施例，这样安排操作方案以连续地每次把位于所述内部区域中的一个区域内的粉末熔合在一起。
依据本发明的一种优选实施例，控制计算机设置用以把每个粉末层内的表面分割成一组单独区域，所述单独区域组包括完全位于所述选定区域内的第一组区域和部分位于所述选定区域内的第二组区域，这里，位于所述第一和第二组区域内的每个区域组成了一种具有边缘的内部区域。控制计算机还设置用以确保在辐射枪射束的部分重叠循环运动过程中把位于所述第一组区域内的区域组的所述内部区域熔合在一起。
在本发明的一种实施例中，利用部分重叠循环运动使所述第二组区域内的内部区域熔合在一起。在本发明的一种可供选择的实施例中，利用大体直线运动，使所述第二组区域内的内部区域熔合在一起。
依据本发明的一种优选实施例，在上述涉及把选定表面分割成较小局部表面的实施例情况中，采用上述能量平衡计算，以在射束能量校正和最终熔合前用以加热粉末层的能量供应方面对操作方案加以控制。
图21示意性表示一种把来自辐射枪的射束引导到粉末层上以生成产品横截面的过程。在第一步骤50，开始依据步骤42中限定的原始操作方案把射束引导到粉末层上。在下一步骤51，利用摄影机测量该粉末层的表面层上的温度分布。然后，由所测得的温度分布生成一种温度分布矩阵Tij-measured，其中储存该粉末层的表面层的小局部区域的温度，将该矩阵内的每个温度值Tij-measured与一种预期值矩阵内的预期值Tij-desired value比较。粉末层的表面层可粗略分为三类。首先是经由辐射枪的处理发生熔合的区域。在这些区域中，最大熔合温度Tij-max是所关心的。第二是已经熔合并由此冷却的区域。在这些区域中，允许的最小冷却温度Tij-cooling-min是所关心的，因为冷却温度过冷会导致应力并由此导致表面层变形。第二是还没有被辐射枪处理的区域。在这些区域中，层温Tij-bed是所关心的。也可仅比较经处理区域内的温度，因此不需要储存和/或检测Tij-bed。
在第三步骤52中，判断Tij-measured是否偏离预期值Tij-desired value以及偏差是否大于允许的限值。与三种不同类型相关的限值ΔTij-max，ΔTij-cooling和ΔTij-bed储存在控制计算机8中。也可以不检测层温。在这种情况中，不存储与其相关的限值。若Tij-measured与Tij-desired value之间的偏差超过此限值，就在第四步骤53判断表面层是否已全部处理。若还没有全部处理，则继续依据当前操作方案的操作，再次运行上述方法步骤50-53。
若Tij-measured与Tij-desired value之间的偏差超过所述限值之一，则在第五步骤中修订操作方案42。在一种优选实施例中，依据图17所示的系统执行所述修订。
在本发明的一种优选实施例中，仅在完成每层之后分配新粉末层，通过相继熔合该粉末层来构造产品直至完成该产品。在这种情况中，当在第四步骤53中确定用于一层的操作方案已经结束时，在第六步骤55之后，若作为整体的产品还没有完成，则开始新的一层。
在一种优选实施例中，如图22所示，操作方案的修订包括以下方法步骤在第一步骤56，比较Tij-max与Tij-max-desired value。若Tij-max相对于Tij-max-desired value的偏差大于ΔTij-max，就通过改变射束的能量或者改变该射束的扫描速度来校正对粉末层的能量供应。
在第二步骤58，比较Tij-cooling与Tij-cooling-desired value。若Tij-cooling相对于Tij-cooling-desired value的偏差大于ΔTij-cooling，就在步骤58a改变射束的操作方案。存在许多用于改变射束的操作方案的方法。一种用于改变操作方案的方法是在区域已过度冷却之前允许射束再加热该区域。于是，辐射枪可以较低的能量强度和/或以较快的扫描速度扫过已经熔合在一起的区域。
在第三步骤60中，判断Tij-bed是否偏离Tij-bed-desired value。在本发明的一种实施例中，若偏差大于ΔTij-bed，可在步骤60a中例如通过使射束扫过粉末层以供应能量来修正该层的温度。也可使单独的层加热设备与该装置连接。
还可以利用安装在该装置内的热摄影机对所制造的物体执行尺寸检测。如上所述，测量已熔合在一起的粉末层和部分。所测得的热量分布充分反映所要生成的三维物体的一部分的物体形状。按照这种方式在第四步骤62对物体执行尺寸检测，从而可以反馈辐射枪射束的X-Y偏转。在本发明的一种优选实施例中，在步骤62a检测横截面尺寸之间的偏差，若偏差大于允许偏差，就修订辐射枪的X-Y偏转。
此外，来自摄影机的输入信息可用于识别是否出现表面不规则，例如，呈焊接火花形式的表面不规则。在已识别表面不规则的坐标后，可更新操作方案，使辐射枪朝向所识别的坐标以熔毁该表面的不规则。
本发明不限于上述示意性实施例；辐射枪可包括例如激光，在这种情况中偏转装置包括可引导的反射镜和/或透镜。
本发明还用在一种利用从能源至产品原材料的能量传递来制造三维物体的装置中，该装置包括在其上构造所述三维产品的工作台、设置用以把一薄层的产品原材料分配到该工作台上以形成产品层的分配器、用于输送能量给该产品层表面的选定区域并允许该产品原材料发生相变以在所述区域内形成固定横截面的装置、以及用于管理存储器的控制计算机，该存储器内储存与该三维产品的相继横截面有关的信息，该横截面构成该三维产品，这里，该控制计算机旨在控制所述用于输送能量的装置以将该能量供应给所述选定区域，通过把由分配器相继覆加的产品原材料相继形成的横截面相继连接在一起来形成所述三维产品。
在这种情况中，该实施例不限于利用对粉末层表面进行辐射的辐射枪把粉末熔合在一起。产品原材料可包括在相变之后形成固体例如在熔融或淬火之后固化的任何材料。能量输送装置可包括电子枪、或者引导到工作面上的激光、或者选择性的一种能直接在产品层上投影横截面的能量输送装置。
此外，上述实施例具有相对于前述实施例所述的全部特征。
权利要求
1.一种通过把粉末层的选定区域相继熔合在一起来制造三维物体的方法，所述粉末层的所述选定区域部分对应于所述三维物体的相继横截面，所述方法包括以下方法步骤把粉末层覆加给工作台，依据确定用于所述粉末层的操作方案从辐射枪给所述粉末层内的所述选定区域供应能量，把依据用于形成所述三维物体的横截面的所述操作方案选定的所述粉末层的区域熔合在一起，通过把由相继覆加的粉末层相继形成的横截面相继熔合在一起来制造所述三维物体，其特征在于，所述选定区域具有两个或多个在形成所述三维物体的横截面时同时穿过所述选定区域扩散的熔合区。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过在定时脉冲调制时利用辐射枪给两个或多个几何分离的焦点供应能量，生成所述两个或多个熔合区。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述辐射枪的位于所述两个熔合点处的所述焦点以与所述熔合区的波传播速度相对应的速度扩散。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，通过测量所述熔合区的所述波传播速度来估算所述波传播速度，其中，利用由用于检测所述粉末层内的表面层的温度分布的装置所提供的信息来测量所述熔合区的所述波传播速度。
5.如权利要求3或4所述的方法，其特征在于，通过对包括所述焦点的区域计算能量平衡来估算所述波传播速度，所述波传播速度可从一种为所述区域建立的热传导方程模型中获得。
6.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，对每个粉末层内的至少一个局部区域计算能量平衡，在计算中确定从所述局部区域的周围辐射入所述局部区域内的能量是否足以维持所述局部区域的规定工作温度。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，除了使所述局部区域熔合在一起的能量外，若所述能量平衡计算的结果是没有用以维持所述局部区域的预期工作温度的足够能量，则供应用于加热所述局部区域的能量，从而获得所述局部区域的规定工作温度。
8.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，依据Ein(i)＝Eout(i)+Eheat(i)计算用于每个粉末层的能量平衡，这里，Ein(i)代表输入所述局部区域内的能量，Eout(i)代表从所述局部区域散逸和辐射的能量损耗，以及Eheat(i)代表存入所述局部区域内的能量。
9.一种用于制造三维产品的装置，所述装置包括在其上构造所述三维产品的工作台、设置用以把粉末薄层分配到所述工作台上以形成粉末层的粉末分配器、用于输送能量给所述粉末以使所述粉末熔合在一起的辐射枪、用于把所述辐射枪发射的射束引导到所述粉末层上以通过使部分的所述粉末层熔合在一起来形成所述三维产品的横截面的装置、以及其内储存与所述三维产品的相继横截面有关的信息的控制计算机，所述横截面构成所述三维产品，其中，所述控制计算机用于依据一种用于形成所述三维物体的横截面的操作方案来控制所述用于在所述粉末层上引导所述辐射枪的装置，通过把由所述粉末分配器相继形成的横截面相继熔合在一起来制造所述三维物体，其特征在于，这样安排所述操作方案以把所述辐射枪引导至所述选定区域的两个或多个熔合区，所述熔合区在形成所述三维物体的横截面时同时穿过所述选定区域扩散。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，这样安排所述操作方案，使得在定时脉冲调制时引导所述辐射枪至所述两个或多个熔合区以给两个几何分离的焦点供应能量。
11.如权利要求9或10所述的装置，其特征在于，这样安排所述操作方案，使得以一种与所述熔合区的波传播速度相对应的扩散速度引导所述辐射枪的位于所述两个熔合点处的所述焦点。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述控制计算机设置用以通过测量所述熔合区的所述波传播速度来估算所述波传播速度，其中，利用由用于检测所述粉末层内的表面层的温度分布的装置所提供的信息来测量所述熔合区的所述波传播速度。
13.如权利要求11或12所述的装置，其特征在于，所述控制计算机设置用以通过对包括所述焦点的区域计算能量平衡来估算所述波传播速度，所述波传播速度可从一种为所述区域建立的热传导方程模型中获得。
14.如权利要求10-13中任一项所述的装置，其特征在于，所述控制计算机还设置用以对每个粉末层内的至少一个局部区域计算能量平衡，在计算中确定从所述局部区域的周围辐射入所述局部区域内的能量是否足以维持所述局部区域的规定工作温度。
15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述控制计算机设置用以控制所述操作方案，以除了供应使所述粉末层熔合在一起的能量外，若所述能量平衡计算的结果是所述操作方案没有提供用以维持所述局部区域的预期工作温度的足够能量，则还供应用于加热所述粉末层的能量，从而维持所述局部区域的规定工作温度。
16.如权利要求14或15所述的装置，其特征在于，所述控制计算机设置用以依据Ein(i)＝Eout(i)+Eheat(i)计算用于每个粉末层的能量平衡，这里，Ein(i)代表输入所述局部区域内的能量，Eout(i)代表从所述局部区域散逸和辐射的能量损耗，以及Eheat(i)代表存入所述局部区域内的能量。
17.如权利要求10-16中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括用于检测所述粉末层内的表面层的温度分布的装置。
全文摘要
一种通过把粉末层的选定区域相继熔合在一起来制造三维物体的方法和装置，该粉末层的选定区域部分对应于该三维物体的相继横截面，该方法包括以下方法步骤把粉末层覆加给工作台，依据由该粉末层确定的操作方案从辐射枪给该粉末层内的所述选定区域供应能量，把依据用于形成所述三维物体的横截面的所述操作方案选定的该粉末层的区域熔合在一起，通过把由相继覆加的粉末层相继形成的横截面相继熔合在一起来形成三维物体。
文档编号B29C67/00GK1726108SQ200380106450
公开日2006年1月25日 申请日期2003年12月12日 优先权日2002年12月19日
发明者M·拉尔松 申请人:阿卡姆股份公司