一種制造三維物體的方法與設備與流程

本發明涉及通過能量束逐層固化粉末材料來制造金屬三維物體的方法和設備。

背景技術：

常見的金屬增材制造方法包括利用能量束（如激光或者電子束）在粉末材料的鋪送層上有選擇性的進行掃描，并通過逐層的掃描固化累加而最終獲得金屬三維物體。在此過程中，能量束的掃描位置為待制造的一個或者多個三維物體在該層相對應的橫截面部位，該部位所對應的粉末材料在與能量束作用后實現固化，隨后在完成的掃描層上繼續鋪送一層新的粉末，繼續根據三維物體在新的粉末層相對應的橫截面部位掃描。

粉末材料與能量束作用的過程中容易產生殘渣，殘渣包括凝結成團的顆粒、未固化的顆粒等等，為避免制造過程中因殘渣的累積而造成的影響，現有技術中通常會在三維制造設備的制造腔體內引入氣流，將殘渣吹走。但實際中發現，如果氣流將某一區域掃描產生的殘渣吹入至下一階段掃描單元，則會導致下一階段掃描單元與能量束作用過程中固化的不均勻，形成較大的空隙或者缺陷或者凸起，而且將會對后續的鋪粉層過程造成影響，因為刮刀在鋪送過程中遇到較大的凸起可能會出現卡頓，或者對刮刀造成損傷，從而影響后續的鋪粉層的平整度，進而影響三維工件的質量。

技術實現要素：

為解決上述問題，本發明的目的在于提供一種制造三維物體的方法和設備，能夠有效避免能量束在掃描過程中產生的殘渣對制造過程中產生的不利影響，提高所制造的三維物體的質量。

為實現上述目的，本發明采用了如下技術方案：

一種通過能量束逐層的對粉末材料進行選擇性作用來制造三維物體的方法，包括如下步驟：

(1)將一層粉末材料鋪送在已經選擇性固化的層上；

(2)能量束選擇性的掃描所鋪送的層，使得掃描位置的粉末選擇性固化，其中掃描位置為待制造的一個或者多個三維物體在該層相對應的橫截面部位，在該層形成一個或者多個掃描單元；

(3)在掃描過程中，有氣流沿氣流方向流經所掃描的層，將掃描過程中形成的殘渣吹離；

在至少在待固化的橫截面的一個區域內，若存在兩個掃描單元，在氣流方向的殘渣散落影響距離內，依次掃描第一掃描單元和第二掃描單元，其中第一掃描單元位于氣流方向上的第二掃描單元的順風方向；在氣流方向的殘渣散落影響距離外，先掃描第一掃描單元或者第二掃描單元，或者兩者同時掃描。

進一步的，通過調節所述氣流的速度、流量和方向來調節所述殘渣散落影響距離。

進一步的，若存在兩個掃描單元，在氣流方向的殘渣散落影響距離內，第一掃描單元的一部分位于第二掃描單元的順風方向，另一部分位于第二掃描單元的逆風方向，則依次掃描第一掃描單元的順風部分、第二掃描單元的至少一部分以及第一掃描單元的逆風部分。

進一步的，若存在兩個掃描單元，第一掃描單元的一部分位于第二掃描單元的順風方向，另一部分位于第二掃描單元的逆風方向，若存在第一掃描單元的順風部分在氣流方向的殘渣散落影響距離外，則先掃描第一單元的順分部分或者第二掃描單元的至少一部分，或者兩者同時掃描，再掃描第一掃描單元的逆風部分；若存在第一單元的逆風部分在氣流方向的殘渣散落影響距離外，則先掃描第一掃描單元的順風部分，再掃描第一掃描單元的逆分部分或者第二掃描單元的至少一部分，或者兩者同時掃描。

本發明還包括一種通過能量束逐層的對粉末材料進行選擇性作用來制造三維物體的設備，包括，

鋪粉單元，用于將粉末材料鋪送在已經選擇性固化的層上；

能量單元，用于產生能量束，并被導入鋪送的材料層上進行選擇性的掃描，其中掃描的位置為待制造的一個或者多個三維物體在該層相對應的橫截面部位，在該層形成一個或多個掃描單元；

氣流單元，用于使氣流沿氣流方向流經所掃描的層，將掃描過程中形成的殘渣吹離；

以及一掃描控制單元，用于解決基于氣流單元的調節所選擇的掃描單元的掃描順序。

進一步的，通過調節所述氣流單元來調節所述殘渣散落影響距離。

進一步的，若存在兩個掃描單元，在氣流方向的殘渣散落影響距離內，第一掃描單元的一部分位于第二掃描單元的順風方向，另一部分位于第二掃描單元的逆風方向，則依次掃描第一掃描單元的順風部分、第二掃描單元的至少一部分以及第一掃描單元的逆風部分。

進一步的，若存在兩個掃描單元，第一掃描單元的一部分位于第二掃描單元的順風方向，另一部分位于第二掃描單元的逆風方向，若存在第一掃描單元的順風部分在氣流方向的殘渣散落影響距離外，則先掃描第一單元的順分部分或者第二掃描單元的至少一部分，或者兩者同時掃描，再掃描第一掃描單元的逆風部分；若存在第一單元的逆風部分在氣流方向的殘渣散落影響距離外，則先掃描第一掃描單元的順風部分，再掃描第一掃描單元的逆分部分或者第二掃描單元的至少一部分，或者兩者同時掃描。

根據本發明提供的方法和設備，使得掃描單元的先后順序能與相互之間的位置關系以及與氣流彼此協調，從而有效減小因掃描過程中產生的殘渣飛濺對后續的掃描單元造成的影響，從而提高三維物體的制造質量。

附圖說明

圖1表示根據本發明的制造三維物體的選區激光熔化設備；

圖2表示為具有多個掃描單元的掃描區域示意圖；

圖3表示為具有多個掃描單元的掃描區域又一示意圖；

圖4表示為具有多個掃描單元的掃描區域又一示意圖。

具體實施方式

下面結合說明書附圖和具體實施例對本發明做進一步說明。

如圖1所示，是一種能執行本發明的一種設備的具體實施例，是一種選區激光熔化設備。該激光熔化設備具有一向上開口的容器9。在該容器9中設置一用于支承待形成的物體的支座2。支座2能夠借助一驅動裝置3在容器11中沿垂直方向上下運動。容器11的上邊緣確定一工作平面8。在工作平面 8上方設置一激光器6，激光器6發出激光束并通過一偏轉裝置5偏轉到工作平面8上進行掃描，掃描的區域位置為待制造的三維物體14在該層工作平面8相對應的橫截面部位，并形成一個或者多個掃描單元，這些掃描單元上的粉末受激光掃描后固化。

此外，設備還包括用于鋪粉的刮刀4，用于將一層待固化的粉末材料鋪送到支座2表面或者已掃描固化的粉末層上，刮刀4能夠借助于驅動裝置3在工作平面8上來回運動，工作平面8上的粉末由粉末儲存器10通過支座1向上運動提供。框架11將工作平面8和提供粉末平面區域以上的工作腔體與周圍環境隔斷，防止粉末材料在激光掃描時氧化，激光束可以通過窗口7進入工作腔體。激光燒結設備還設有氣孔12，位于工作平面的側上方，氣流通過氣體輸送管道（圖中未示出）從氣孔12流出，并一定向的吹過工作平面8，掃描控制器13用于控制激光束在工作平面8上的掃描單元的先后順序，這種順序的確定由掃描單元在工作平面8的位置關系和氣流因素協調決定。

設備工作時，在激光束照射粉末過程中，由于瞬間的高溫容易飛濺出一些殘渣，這些殘渣包括凝結成團的顆粒、未固化的顆粒等等，引入的氣流將殘渣吹離掃描區域，減小因掃描區域的不均勻而產生的質量問題。殘渣被氣流吹起后，散落在掃描位置的順風方向，或者部分被帶離出掃描區域，殘渣在順風方向散落的能覆蓋到的距離稱為殘渣散落影響距離H。

為盡量減小殘渣對掃描過程帶來的影響，對于三維物體在工作平面上形成的掃描單元時，掃描控制器對于掃描單元的順序選擇以盡量減少殘渣對于掃描區域的影響。如圖2所示，為具有多個掃描單元的掃描區域示意圖，圖中掃描單元在風向的陰影部分為殘渣的散落區域，在風向上的距離為殘渣散落影響距離H。當任意兩個掃描單元彼此的殘渣散落距離在殘渣影響距離H內時，如果先掃描位于風向上逆風的掃描單元，那散落的殘渣會隨著風向落入順風的掃描單元內，影響順風的掃描單元的掃描質量，因此優先選擇掃描位于順風方向的掃描單元顯然具有更好的掃描效果，這種選擇方式在圖2中可體現為，對于掃描單元101或102與掃描單元104，則先選擇101或102，然后再進行104單元的掃描；對于掃描104和掃描單元106，則依次掃描104和106；同理對于掃描單元103和掃描單元105，依次掃描103和105，如果兩個掃描單元彼此不在風向上，則掃描的先后順序不受影響，如掃描單元105和106。圖中可采用的一種方式為，依次掃描101，102，103，104，105，106。

如果存在兩個掃描單元，在氣流方向的殘渣散落影響距離H內時，第一掃描單元的一部分位于第二掃描單元的順風方向，另一部分位于第二掃描單元的逆風方向，如圖3所示，圓形狀的掃描單元204對于環狀掃描單元既存在順風方向的掃描部分202，也存在逆風方向的掃描部分205，則依次掃描202，204，205。環狀掃描單元的其余部分201，203既可以先掃描也可以后掃描，圖中可采用的一種方式為，依次掃描201，202，203，204，205。如果兩個掃描在風向上部分區域存在交錯的，可以對掃描單元中既處于順風又處于逆風方向的部分進行至少一部分的掃描。

如果存在兩個掃描單元，在氣流方向的殘渣散落影響距離H外時，如圖4所示，掃描單元301和302的殘渣散落區域對彼此影響極小，幾乎可以忽略。在此情況下，即便其中一個掃描單元位于另一掃描單元的順風或者逆風方向，兩者的掃描先后順序也可以互相置換，或者同時進行。值得注意的是，這里的同時進行，指的是在采用雙激光束或者多激光束同時對不同區域進行掃描。

更加復雜的，若存在兩個掃描單元，第一掃描單元的一部分位于第二掃描單元的順風方向，另一部分位于第二掃描單元的逆風方向，若存在第一掃描單元的順風部分在氣流方向的殘渣散落影響距離H外：則先掃描第一掃描單元的順分部分或者第二掃描單元的至少一部分，或者兩者同時掃描，再掃描第一單元的逆風部分；若存在第一掃描單元的逆風部分在氣流方向的殘渣散落影響距離H外，則先掃描第一單元的順風部分，再掃描第一掃描單元的逆分部分或者第二掃描單元的至少一部分，或者兩者同時掃描。

可以看出，除了掃描單元在風向上的位置受殘渣散落的影響外，殘渣的散落影響距離H對于掃描單元的選擇順序也有重要影響。對于在風向上的兩個掃描單元，如果第一掃描單元的順風部分或者逆風部分在氣流方向的殘渣散落影響距離H外時，可以先對第一掃描單元或者第二掃描單元進行整體性掃描，而不必對其進行分部分處理后，再按照先順風后逆風的順序實施。這樣掃描的好處在于，如果對一個整體掃描單元進行分部分實施間歇式的掃描，會給其整體的連續性造成影響，造成冷熱不均產生的缺陷，引起應力的集中等，從而損害后續的掃描過程及三維物體的質量。

殘渣的散落影響距離H的值也應當設置在合適的范圍內。當H值過大時，盡管容易將更多的殘渣吹離掃描區域，但殘渣散落的區域范圍會比較大，且過大的H值有可能將鋪送正常的粉末材料吹離掃描區域而造成影響；如果H值太小，可能吹離的殘渣量比較少，殘渣散落區域的密度變大，對于散落區的掃描質量會造成比嚴重影響，吹入落口的殘渣量也會比較少。

殘渣的散落影響距離H值的設置由可以通過調節氣流速度、流量、方向以及出氣口的形狀等條件來協調控制，選擇一個合適的H值對于減少殘渣對制造過程中的影響，對于制造的穩定性具有良好的意義。

另外，如果某些掃描單元的面積足夠小，或者對于某些在風向上為狹長的條狀掃描單元，在實際掃描中，不必對這些單元的掃描順序作出嚴格的判斷，可以根據掃描需要采用靈活的掃描順序策略，這種調整也可以在上述的任意情況中采用。

以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發明的保護范圍。