CN106564187B - 一种制造三维物体的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明描述一种通过能量束逐层的对粉末层扫描实现三维物体制造的方法，包括一层粉末材料铺送在底板或者已经固化的层上形成粉末层；预热光束对粉末层的至少部分区域实施预热，使预热区域的粉末温度到达设定值，预热光束的设置与粉末的吸收效率是相匹配的；能量束对三维物体在预热区域内相对应的横截面部位实施选择性扫描，完成粉末层的固化，其中预热光束是由单一波长的激光束，匀化形成能量分布均匀的光束并经过发散后，对预热区域实施预热。本方法能够快速且高效率的对使用粉末床增材制造技术中的粉末材料进行预热，从而减小三维物体在制造时与周围的温度差，减小内应力的产生，提高三维物体的制造质量。

Description

一种制造三维物体的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种通过能量束作用粉末逐层的制造三维物体的方法和相关设备。

背景技术

常见的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三维物体。能量束的扫描位置为待制造的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温度迅速升高，瞬间实现材料熔化并在冷却后实现固化连接，一层扫描完成后在完成的扫描层上继续铺送一层新的粉末，根据三维物体在新的粉末层相对应的横截面部位扫描。

扫描过程中，由于能量集中致使作用区域温度升高并与周围形成较大的温度差。以激光为能量源的选区激光烧结或选区激光熔化技术为例，激光扫描区域接受激光能量温度升高，与周围未扫描区域或已冷却区域形成温差，从而在三维物体内部产生内应力，严重时会导致三维物体发生翘曲变形，甚至造成断裂。现有技术通常在激光烧结设备的工作腔体内设置红外辐射加热器，对待扫描的粉末材料进行预热，从而减小激光扫描区域与周围区域的温度梯度，提高三维物体的制造质量。但存在的问题在于，红外辐射加热器辐射波长范围较宽，粉末对不同波长辐射吸收率不同而影响粉末表面的温度平衡，而且粉末材料吸收红外辐射到设定温度的时间较长，更因为加热器辐射的低指向性，使得工作腔体也会因辐射而升温，从而对腔体及腔体内的元件提出了更高的温度耐受要求。现有技术或者在制造金属三维物体的激光烧结设备基板下方设置加热器对基板进行预热，通过基板的热传导对三维物体进行保温，但基板传递热阻大，热量传递效率较低且升温耗时较长。

发明内容

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，能够快速且高效率的对使用粉末床增材制造技术中的粉末材料进行预热，从而减小三维物体在制造时与周围的温度差，减小内应力的产生，提高三维物体的制造质量。

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层扫描实现三维物体制造的方法，包括如下步骤：

（1）将一层粉末材料铺送在底板或已经固化的层上，形成粉末层；

（2）预热光束对粉末层的至少部分区域实施预热，使预热区域的粉末温度到达设定值，其中预热光束的设置与粉末的吸收效率是相匹配的；

（3）能量束对三维物体在预热区域内相对应的横截面部位实施扫描，完成粉末层的固化；

（4）重复步骤（1）至（3），直至完成三维物体的制造。

其中，预热光束是由单一波长的激光束，匀化形成能量分布均匀的光束并经过发散后，对预热区域实施预热。

进一步的，所述预热区域至少分为一个预热单元区域，所述预热光束对预热单元区域依次实施预热，使预热区域的粉末温度到达设定值。

进一步的，所述预热区域至少包括三维物体在粉末层相对应的横截面部位。

进一步的，能量束在预热区域粉末温度到达设定值或在部分预热单元区域粉末温度到达设定值时，开启对三维物体在粉末层相对应的横截面部位的扫描。

本发明还包括一种通过能量束逐层的对待制造的三维物体在粉末层相对应的横截面部位扫描实现三维物体制造的设备，包括，

铺粉器，用于将粉末材料铺送在底板或已经选择性固化的层上，形成粉末层；

能量源，用于产生能量束，能量束被导入粉末层上进行选择性的扫描，其中扫描的位置为待制造的三维物体在该层相对应的横截面部位；

工作腔体，提供一个封闭工作区域，能量束在工作腔体内实现对粉末层的扫描，工作腔体内设置气流入口和气流出口，引入保护气流；

预热系统，用于在能量束扫描前，对粉末层内预热区域的粉末实施预热；

其中，所述预热系统包括激光单元，光束匀化单元，光束发散单元和控制单元，激光单元发射激光束，光束匀化单元将激光束转化成能量分布均匀的匀化光束，光束发散单元将匀化光束发散后形成预热光束，对预热区域实施可调节的辐射预热，激光单元的开启和关闭、激光束功率大小的调节以及预热区域的调节通过控制单元完成。

进一步的，所述激光单元为单一波长的激光器。

进一步的，所述预热系统包含光束偏转单元，用于对所述预热光束进行偏转，将预热光束导入工作腔体内设定的预热区域。

进一步的，所述预热系统包括温度检测单元，设置于工作腔体内，用于探测预热区域的温度，并反馈给控制单元。

进一步的，所述预热系统包括热交换单元，设置于气流出口处，用于与气流发生热交换，调节工作腔体内温度。

进一步的，所述热交换单元为管壳式换热器。

根据本发明的方法，适用于利用能量束逐层的对粉末材料的铺送层上有选择性的扫描最终形成三维物体，通过在能量束扫描粉末材料前，引入具有单一波长的激光束，该激光束与粉末材料的吸收率相匹配，经过匀化和发散后，对待扫描区域的粉末材料实施预热，减小因能量束扫描引起的局部区域温度骤升与周围环境形成的温差，减小内部内应力的产生，提高三维物体的制造质量。该方法具有以下优点：

（1）采用波长单一、指向性高的激光对粉末实施预热，粉末吸收同一波长的激光易实现温度平衡，另外指向性高使得激光不向四周发散造成工作腔体的温度升高；

（2）可以根据粉末的性质选择合适的激光器，使激光能量最大限度的被粉末吸收，减小粉末对激光的反射而造成工作腔体的温度升高；

（3）使用激光预热能使得粉末在瞬间达到设定的温度，提高了效率；

（4）经过匀化和发散的激光能使预热区域的粉末在短时间内形成均匀的温度场，有效减小了应力的产生，提高了三维物体的制造质量；

（5）能通过提高激光功率将粉末快速预热到更高的温度，进一步提高三维零件的制造质量，并减小对工作腔体内元件的热影响。

附图说明

图1为根据本发明通过粉末逐层固化制造三维物体的设备的一个示例；

图2为图1所示设备的预热系统；

图3为根据本发明对粉末层进行分区域预热的一个示例。

图中标记说明：

1、成型缸支座；2、供粉缸支座；3、基板；4、铺粉器；5、工作平面；6、扫描偏转镜；7、窗口镜；8、预热偏转镜；9、预热激光器；10、匀化器；11、发散镜；12、控制器；13、温度探测器；14、驱动装置；15、气流出口；16、热交换器；17、成型缸；18、供粉缸；19、三维物体；20、框架；21、扫描光束；22、预热光束；23、扫描激光器。

具体实施方式

下面将参考图1和图2说明根据本发明的示例性用于制造三维物体的设备及其预热系统。

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成型缸17，在成型缸17中设置一用于支承待形成的三维物体19的支座2，支座2能够借助驱动装置14在成型缸17中沿垂直方向上下运动。

成型缸17的上边缘确定工作平面5。在工作平面 5上方设置有扫描激光器23，发射出扫描光束21并通过扫描偏转镜6导入到工作平面5上进行扫描，扫描的区域位置为待制造的三维物体19在工作平面5相对应的横截面部位。工作平面 5上方还设有预热系统，其中由预热激光器9发射激光束通过匀化器10匀化和发散镜11发散后，经预热偏转镜8导入工作平面5的预热区域实施预热，控制器12控制预热激光器9的开启和关闭以及功率输出大小的调节和预热区域的位置调节。设备还包括铺粉器4，用于将一层待固化的粉末材料铺送到基板3表面或者已扫描固化的粉末层上，铺粉器4能够在工作平面5上来回运动，工作平面5上的粉末由供粉缸18通过支座1向上运动提供。框架20将工作平面5和提供粉末平面区域以上的区域与周围环境隔断形成工作腔体，防止粉末材料在激光扫描时氧化，扫描光束21和预热光束22都可以通过窗口镜7进入工作腔体，工作腔体内设有温度探测器13，用于探测预热区域的温度，并将探测信号反馈给控制器12。

设备还设有气流入口（图中未示出），位于工作腔体内工作平面5的侧上方，气流通过气体输送管道从气流入口输入工作腔体，并一定向的吹过工作平面5，从与气流入口相对的另一侧气流出口15流出，在工作腔体外的气流出口15处，还设有热交换器16，流出的热气体进入热交换器16，与冷却水换热后降温，将工作腔体内的热量带出，避免工作腔体内温度过高而使腔体内元件受损，冷却后的气体并再次从气流入口输入工作腔体形成循环气流。优选的，这种热交换器可以设置成一种管壳式换热器。

图2所示，预热系统的工作原理如下：在基板3(或者已经固化的粉末层上)表面均匀地铺设一个层厚的粉末，预热激光器9发射激光束通过匀化器10后，转化为具有特殊形状的匀化光束，匀化光束光斑能量分布均匀，边界清晰，无中心亮点。匀化光束经过发散镜11后形成预热光束22，通过控制其运动方向，将预热光束22导入至粉末的预热区域。由于光束已被匀化，预热区域短时间内受到能量分布均匀的光束照射而快速升温，温度探测器13判断预热区域粉末表面温度是否升至指定值，并反馈至控制单元12调节预热激光器9的输出功率。当满足温度条件后，扫描激光器23发射扫描光束21经扫描偏转镜6后，在工作平面按照设定的路径开始粉末层的固化。当一层粉末固化完成后，支座2下降一个层厚的高度，铺粉器4将一层新的粉末材料铺送到已扫描固化的粉末层上，重复上述过程直至完成所有层的固化获得三维物体。

值得注意的是，本实施例是基于制造金属三维物体的选区激光熔化技术上实施，为了实现金属粉末对预热激光束能量最大限度的吸收，通常可选的预热激光器为波长808nm、940nm或920nm的半导体激光器，或者波长1000nm的光纤激光器，或者波长532nm或1064nm的固体激光器，金属粉末材料对这些类型的激光束能量吸收率高，不易造成工作腔体的升温。如果是基于制造非金属材料（如尼龙）三维物体的选择性激光烧结技术实施，通常会选用波长为10640nm的CO₂激光器。

预热光束对于预热区域的选择是可调节的。可选的一种方案为，预热区域尽可能全面覆盖新的粉末层，此时温度探测器只需探测粉末层的温度并将信号反馈给预热系统的控制单元，控制单元经计算调节单位时间内预热激光器的激光输出功率对粉末层实施预热，使得整个粉末层能在短时间内快速形成一个均衡的温度场，温度探测器探测到粉末层达到设定温度时，扫描光束便可快速实施对粉末层的扫描固化程序。

若三维物体的横截面面积较大，工作腔体内的粉末层面积较大，对于单个的激光预热系统难以实现一次性整体预热，除了使用多个的预热系统外，还可以将粉末层分成若干个区域进行处理。如图3所示，粉末层分为4个工作区域，预热光束在可以覆盖区域1的情况下，先对区域1内粉末实施预热，随后预热光束可以依次跳转至区域2、3、4，实现粉末层的预热，温度探测器在检测到整体粉末层温度到达设定值时，扫描光束便可实施对于粉末层的扫描固化程序。预热光束的跳转可以在预热系统中设置偏转镜或者通过偏转镜的跳动来实现，或者设置驱动装置驱动预热系统运动完成所有区域的预热。

对于分区域处理的预热，扫描光束对于粉末层的扫描固化程序还可以这样实施：在预热光束完成区域1的预热时，扫描光束对区域1实施扫描固化程序；预热光束完成区域2的预热时，扫描光束便可实施对区域2的扫描固化程序；其他区域可依次进行，也可根据实际需求在部分预热区域到达设定温度时实施该区域的扫描固化，无需等待整体粉末层到设定温度或者实现动态平衡，在这种情况下，温度探测是针对预热区域进行的，温度探测器可采用非接触式的温度检测计。如果这种即时扫描的方法因金属材料导热较快使预热区域的热量向其他区域发散而导致该预热区域的温度骤降，预热光束可一直在该区域进行预热，维持该区域的温度，直至扫描结束后开始跳转进行下一区域的预热和扫描。

相对于传统加热方式，本发明的预热方法利用了良好的方向性，将激光能量有效限制于预热区域内。受到预热激光束的直接作用，预热区域的粉末温度能在短时间内达到设定值，同时匀化后的预热光束，能量分布均衡，能使得预热区域快速达到温度动态平衡。该方法能够快速实现预热，有效降低三维零件内部应力，并减小对工作腔体内元件的热影响，此外该方法还能通过提高激光功率将粉末快速预热到更高的温度，进一步提高三维零件的制造质量。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体一种实施方式，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。

Claims (9)

1.一种通过能量束逐层的对粉末层扫描实现三维物体制造的方法，包括如下步骤：

（1）将一层粉末材料铺送在底板或已经固化的层上，形成粉末层；

（2）预热光束对粉末层的至少部分区域实施预热，使预热区域的粉末温度到达设定值，其中预热光束的设置与粉末的吸收效率是相匹配的；

（3）能量束对三维物体在预热区域内相对应的横截面部位实施扫描，完成粉末层的固化；

（4）重复步骤（1）至（3），直至完成三维物体的制造；

其特征在于，预热光束是由单一波长的激光束，匀化形成能量分布均匀的光束并经过发散后，对预热区域实施预热；其中，

所述预热区域分为多个预热单元区域，能量束在部分预热单元区域粉末温度到达设定值时，开启对三维物体在粉末层相对应的横截面部位的扫描。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预热光束对预热单元区域依次实施预热，使预热区域的粉末温度到达设定值。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述预热区域至少包括三维物体在粉末层相对应的横截面部位。

4.一种通过能量束逐层的对粉末层扫描实现三维物体制造的设备，包括，

铺粉器，用于将粉末材料铺送在底板或已经选择性固化的层上，形成粉末层；

能量源，用于产生能量束，能量束被导入粉末层上进行选择性的扫描，其中扫描的位置为待制造的三维物体在该层相对应的横截面部位；

工作腔体，提供一个封闭工作区域，能量束在工作腔体内实现对粉末层的扫描，工作腔体内设置气流入口和气流出口，引入保护气流；

预热系统，用于在能量束扫描前，对粉末层内预热区域的粉末实施预热；

其特征在于，所述预热系统包括激光单元，光束匀化单元，光束发散单元和控制单元，激光单元发射激光束，光束匀化单元将激光束转化成能量分布均匀的匀化光束，光束发散单元将匀化光束发散后形成预热光束，对预热区域实施可调节的辐射预热，激光单元的开启和关闭、激光束功率大小的调节以及预热区域的调节通过控制单元完成；其中，

所述预热区域分为多个预热单元区域，能量束在部分预热单元区域粉末温度到达设定值时，开启对三维物体在粉末层相对应的横截面部位的扫描。

5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述激光单元为单一波长的激光器。

6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述预热系统包含光束偏转单元，用于对所述预热光束进行偏转，将预热光束导入工作腔体内设定的预热区域。

7.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述预热系统包括温度检测单元，设置于工作腔体内，用于探测预热区域的温度，并反馈给控制单元。

8.根据权利要求4-7任一项所述的设备，其特征在于，所述预热系统包括热交换单元，设置于气流出口处，用于与气流发生热交换，调节工作腔体内温度。

9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述热交换单元为管壳式换热器。