本發(fā)明涉及通過使用能量束來制造三維制造的物體的三維制造裝置和三維制造方法。

背景技術(shù)：

近年來，逐漸開發(fā)了通過使用能量束執(zhí)行加熱處理的粉末床熔融接合技術(shù)來制造三維制造的物體的三維制造方法。在通過使用能量束執(zhí)行加熱處理的粉末床熔融接合技術(shù)中，被稱為煙霧(fume)的細(xì)顆粒成為問題，其是通過這樣的處理形成的，即原材料的粉末已經(jīng)被能量束蒸發(fā)并在裝置中被固化。

日本專利申請(qǐng)公開no.2010-132961中描述的裝置在裝置中形成惰性氣體流，并且從裝置內(nèi)排出已經(jīng)在裝置中生成的煙霧。在日本專利no.5721886中描述的裝置在形成粉末床的層形成(layer-forming)部分中提供煙霧的抽吸單元。

在日本專利申請(qǐng)公開no.2010-132961和日本專利no.5721886中描述的裝置旨在在假定煙霧是在制造三維制造的物體的處理中生成的情況下減輕煙霧的影響，因此不能減少在制造三維制造的物體的處理中生成的煙霧自身的總量。

順便提及，在使用能量束執(zhí)行加熱處理的常規(guī)粉末床熔融接合技術(shù)中，該裝置使一個(gè)束斑與熔融且固化區(qū)域以及與固化區(qū)域鄰接的非固化區(qū)域重疊，并且移動(dòng)能量束(參見圖7a和圖7b)。換句話說，裝置沿著固化區(qū)域和非固化區(qū)域之間的邊界移動(dòng)一個(gè)能量束的束斑，并同時(shí)熔融兩者以使兩者成為一體。

這里，在粉末狀態(tài)的非固化區(qū)域中，煙霧趨于比在粉末被固化的固化區(qū)域中更容易生成，并且熱趨于容易擴(kuò)散，因此已經(jīng)提出將非固化區(qū)域的每單位面積的加熱量設(shè)置為比固化區(qū)域的每單位面積的加熱量低的值。然而，當(dāng)束斑沿著固化區(qū)域和非固化區(qū)域之間的邊界移動(dòng)時(shí)，難以針對(duì)固化區(qū)域和非固化區(qū)域單獨(dú)調(diào)節(jié)每單位面積的加熱量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供三維制造裝置和三維制造方法，其易于針對(duì)固化區(qū)域和非固化區(qū)域單獨(dú)地調(diào)節(jié)每單位面積的加熱量。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，三維制造裝置包括：層形成單元，形成粉末材料的層；加熱單元，通過第一能量束和第二能量束來加熱所述層，其中第一能量束加熱熔融并固化的區(qū)域，第二能量束加熱與固化區(qū)域相鄰的非固化區(qū)域；和控制單元，控制加熱單元以沿著固化區(qū)域和非固化區(qū)域之間的邊界移動(dòng)第一能量束和第二能量束，并且使所述層的制造區(qū)域熔融和固化。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，三維制造方法包括：層形成，其中控制部使能夠形成粉末材料的層的層形成單元形成所述層；以及加熱，其中控制部使加熱單元加熱所述層的制造區(qū)域以熔融和固化所述制造區(qū)域，其中所述加熱單元能夠生成加熱所述層的熔融并固化的區(qū)域的第一能量束以及加熱與固化區(qū)域相鄰的非固化區(qū)域的第二能量束，其中在所述加熱中，控制部控制加熱單元以沿著固化區(qū)域和非固化區(qū)域之間的邊界移動(dòng)第一能量束和第二能量束。

本發(fā)明可以提供三維制造裝置和三維制造方法，其容易地針對(duì)固化區(qū)域和非固化區(qū)域單獨(dú)地調(diào)節(jié)每單位面積的加熱量。由此，能夠針對(duì)固化區(qū)域和非固化區(qū)域單獨(dú)地調(diào)節(jié)每單位面積的加熱量，并且減少在制造三維制造的物體的處理中生成的煙霧自身的總量。

從下面參照附圖對(duì)示例性實(shí)施例的描述中，本發(fā)明的其它特征將變得清楚。

附圖說明

圖1是實(shí)施例1的三維制造裝置的結(jié)構(gòu)的說明圖。

圖2是三維制造裝置的控制系統(tǒng)的框圖。

圖3是制造三維制造的物體的處理的流程圖。

圖4a和圖4b是傳統(tǒng)掃描加熱中邊界的加熱的說明圖。圖4a是示出粉末材料的層上的激光束掃描路徑的圖，并且圖4b是通過束斑的邊界的加熱的透視圖。

圖5a、圖5b和圖5c是實(shí)施例1中的激光束的說明圖。圖5a是束斑的平面圖，圖5b是沿圖5a中的線5b-5b截取的截面圖，并且圖5c是激光束的強(qiáng)度分布的說明圖。

圖6是用于創(chuàng)建制造處理程序的流程圖。

圖7a和圖7b是比較示例中的激光束的說明圖。圖7a是束斑的平面圖，并且圖7b是沿圖7a中的線7b-7b截取的截面圖。

圖8a、圖8b和圖8c是實(shí)施例2中的激光束的說明圖。圖8a是束斑的平面圖，圖8b是沿圖8a中的線8b-8b截取的截面圖，并且圖8c是激光束的強(qiáng)度分布的說明圖。

圖9a和圖9b是實(shí)施例3的激光束控制的說明圖。圖9a是束斑的平面圖，并且圖9b是激光束的強(qiáng)度分布的概念圖。

圖10a和圖10b是實(shí)施例4的激光束設(shè)置的說明圖。圖10a是束斑的平面圖，并且圖10b是激光束的強(qiáng)度分布的概念圖。

圖11是實(shí)施例5的三維制造裝置的結(jié)構(gòu)的說明圖。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)在將根據(jù)附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。

<實(shí)施例1>

實(shí)施例1中的三維制造裝置在用第一激光束加熱固化區(qū)域的同時(shí)用第二激光束加熱非固化區(qū)域，并且熔融固化區(qū)域和非固化區(qū)域以使該區(qū)域一體地固化。另外，三維制造裝置設(shè)置已經(jīng)用第一激光束加熱的區(qū)域中的每單位面積的加熱量以變?yōu)楸扔玫诙す馐訜岬膮^(qū)域中的每單位面積的加熱量大。因此，三維制造裝置可以降低粉末床熔融接合技術(shù)中煙霧的生成本身。

(三維制造裝置)

圖1是實(shí)施例1的三維制造裝置的結(jié)構(gòu)的說明圖。粉末床熔融接合技術(shù)可以生產(chǎn)少量的和各種類型的制造產(chǎn)品和具有復(fù)雜形狀的制造產(chǎn)品，并因此在近年來逐漸發(fā)展。粉末床熔融接合技術(shù)通常形成粉末材料的層，用能量束局部熔融形成的層，并在平面方向和深度方向上接合該層。然后，該技術(shù)對(duì)于大量的層重復(fù)這樣的處理，堆疊這些層，從而制造制造產(chǎn)品。

如圖1所示，三維制造裝置100是根據(jù)粉末床熔融接合方法的所謂的3d打印機(jī)。覆蓋整體的櫥柜狀容器101由不銹鋼形成并且可以被氣密密封。壓力計(jì)143被連接到容器101。

排氣單元141使容器101的內(nèi)部排氣以除去氧氣。排氣單元141包括干式泵。氣體供給單元142可以向容器101的內(nèi)部供給氮?dú)?。通常在粉末床熔融接合技術(shù)中使用能量束的照射在惰性氣體中執(zhí)行，以防止粉末材料的氧化。

排氣單元141在連接到容器101的部分中具有可以調(diào)節(jié)開口量的開口調(diào)節(jié)閥。三維制造裝置100根據(jù)壓力計(jì)143的輸出調(diào)節(jié)開口調(diào)節(jié)閥，同時(shí)利用氣體供給單元142向容器101供給氣體，從而可以將容器101的內(nèi)部保持在期望的氣氛和壓力(真空度)。

制造容器120被布置在容器101中。制造容器120具有布置在臺(tái)121上的層堆疊基材124，層堆疊基材124是其上堆疊粉末材料131的層132的基板。升高/降低單元122以對(duì)應(yīng)于層132的厚度的節(jié)距逐步向下移動(dòng)臺(tái)121。

作為層形成單元的一個(gè)示例的層形成單元104可以通過執(zhí)行層形成步驟來形成粉末材料的層132。隨著容納粉末材料131的移動(dòng)部135沿著制造容器120的上表面在箭頭r1方向上移動(dòng)，層形成單元104形成粉末材料131的層132。層形成單元104在層堆疊基材124上或者層132上形成粉末材料131的層132，并堆疊層132。層形成單元104通過未示出的擠壓器、輥等等形成顆粒尺寸為幾μm到幾十μm的金屬粉末的粉末材料131，以具有大約10μm至100μm的均勻厚度。在實(shí)施例1中，使用顆粒尺寸為20μm的sus316的粉末材料，并且通過層形成單元104形成厚度為40μm的層132。

作為加熱單元的一個(gè)示例的光源105a和105b以及熱掃描單元130a和130b可以在加熱步驟中生成激光束109a和109b。作為第一生成源的一個(gè)示例的光源105b生成作為第一能量束的一個(gè)示例的激光束109b。作為第二生成源的一個(gè)示例的光源105a生成作為第二能量束的一個(gè)示例的激光束109a。

熱掃描單元130a和130b用兩個(gè)激光束109a和109b加熱已經(jīng)由層形成單元104形成的層132。熱掃描單元130a通過致動(dòng)器106a和116a利用掃描鏡106m和116m對(duì)由光源105a生成的激光束109a進(jìn)行雙軸掃描，并且加熱層132中的與輸入數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的制造區(qū)域。熱掃描單元130b利用掃描鏡106n和116n對(duì)由光源105b生成的激光束109b進(jìn)行雙軸掃描，并且加熱層132中的與輸入數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的制造區(qū)域。

熱掃描單元130a和130b通過激光束109a和109b加熱制造容器120中的層132，幾乎使層132立即熔融，并且使層132與下層的固體成分一體地固化。由此，已經(jīng)在制造容器120中形成的層132的期望制造區(qū)域變?yōu)楣袒膶?32h。

光源105a和105b是yag激光振蕩器，并且是具有1070mm的波長和500w的功率的半導(dǎo)體光纖激光器。光學(xué)系統(tǒng)107a和107b各自包括會(huì)聚激光束的透鏡，并且在層132的高度處形成激光束的束斑。透射窗108使激光束109a和109b通過其透射進(jìn)入容器101。

(制造制造物體的方法)

圖2是三維制造裝置的控制系統(tǒng)的框圖。圖3是制造三維制造的物體的處理的流程圖。如圖1所示，三維制造裝置100重復(fù)層形成步驟和激光加熱步驟，從而制造其上堆疊了固化的層132h的三維制造產(chǎn)品133。三維制造裝置100控制掃描鏡106m、106n、116m和116n以掃描激光束109a和109b，并且控制光源105a和105b以改變激光束109a和109b的功率。

如圖2所示，控制部200將已經(jīng)從rom207調(diào)用的三維制造處理的處理程序和數(shù)據(jù)保存在ram206中，使cpu205執(zhí)行必要的計(jì)算和控制，從而用作用于三維制造的處理控制器。作為控制單元的一個(gè)示例的控制部200執(zhí)行已經(jīng)由外部計(jì)算機(jī)210創(chuàng)建的制造處理程序，并且控制三維制造裝置100。

如圖3所示，當(dāng)用戶通過操作部209指示處理的開始時(shí)，控制部200執(zhí)行準(zhǔn)備步驟(s11)。在準(zhǔn)備步驟中，如圖1所示，控制部200使排氣單元141操作并使容器101的內(nèi)部排氣。然后，當(dāng)容器101內(nèi)的壓力達(dá)到數(shù)百pa時(shí)，控制部200使氣體供給單元142開始供給氣體并設(shè)置容器101內(nèi)的壓力和氣氛。此外，控制部200使升高/降低單元122操作，向下移動(dòng)臺(tái)121，從而形成在層堆疊基材124上形成第一層132的空間。

當(dāng)準(zhǔn)備步驟結(jié)束時(shí)，控制部200執(zhí)行層形成步驟(s12)。在層形成步驟中，如圖1所示，控制部200使層形成單元104操作并在層堆疊基材124上或在已形成的層132上形成粉末材料131的層132。

當(dāng)層形成步驟結(jié)束時(shí)，控制部200執(zhí)行激光加熱步驟(s13)。激光加熱步驟在已經(jīng)導(dǎo)入了氮?dú)獾臏p小壓力或大氣壓的氣氛中執(zhí)行。位于激光束109的移動(dòng)路徑中的粉末材料131被熔融和固化，并且層132的表面被分成固化區(qū)域(302：圖5a至圖5c)和非固化區(qū)域(301：圖5a至圖5c)。

當(dāng)激光加熱步驟結(jié)束時(shí)，控制部200執(zhí)行下降步驟(s14)。在下降步驟中，如圖1所示，控制部200使升高/降低單元122操作，向下移動(dòng)臺(tái)121，從而形成其中在已經(jīng)經(jīng)受激光加熱步驟的層132上形成下一層132的空間。

控制部200重復(fù)層形成步驟(s12)、激光加熱步驟(s13)和下降步驟(s14)，直到步驟的數(shù)量達(dá)到形成制造產(chǎn)品133所需的層堆疊的數(shù)量為止(s15：否)。當(dāng)步驟的數(shù)量已經(jīng)達(dá)到必要層堆疊的數(shù)量時(shí)(s15：是)，控制部200執(zhí)行排出步驟(s16)。在排出步驟中，如圖1所示，三維制造裝置通過操作部209的顯示屏幕停止氣體供給單元142和排氣單元141，將外部空氣供給到容器101的內(nèi)部，等待制造產(chǎn)品133的冷卻，并且允許用戶取出制造產(chǎn)品133。

(現(xiàn)有技術(shù)的邊界的加熱)

圖4a和圖4b是傳統(tǒng)掃描加熱中邊界的加熱的說明圖。在圖4a和圖4b中，圖4a是示出粉末材料的層上的激光束掃描路徑的圖，并且圖4b是通過束斑的邊界的加熱的透視圖。

如圖4a所示，三維制造裝置100采用光柵掃描，其中在x方向上的線性主掃描在y方向上以相等的間隔重復(fù)。三維制造裝置100在利用激光束109在x方向上執(zhí)行主掃描的同時(shí)在y方向上執(zhí)行副掃描，從而以均勻的照射密度用激光束109照射層132的表面。三維制造裝置100對(duì)各個(gè)層132重復(fù)該步驟，從而將圖1所示的制造產(chǎn)品133制造成為期望的形狀。

如圖4b所示，在激光加熱步驟中，三維制造裝置100使通過上次的主掃描已經(jīng)熔融和固化的固化區(qū)域302以及未熔融的非固化區(qū)域301同時(shí)熔融，并使該區(qū)域一體地固化。因此，通常，三維制造裝置形成具有與固化區(qū)域302和非固化區(qū)域301重疊的大小的束斑110d，并且用激光束109掃描這些區(qū)域，使得束斑110d的中心沿著固化區(qū)域302和非固化區(qū)域301之間的邊界k移動(dòng)。束斑110d的直徑大于主掃描的掃描節(jié)距111，并且束斑110d同時(shí)使固化區(qū)域302和非固化區(qū)域301兩者加熱和熔融。三維制造裝置連續(xù)執(zhí)行其中束斑110d沿著主掃描路徑將固化區(qū)域302和非固化區(qū)域301一體地固化的處理，從而將固化區(qū)域302制造為期望形狀。

(煙霧問題)

如圖1所示，在激光加熱步驟中，當(dāng)用激光束109照射粉末材料131的層132并加熱時(shí)，生成被稱為煙霧的煙。在粉末床熔融接合技術(shù)中，煙霧成為問題，其與粉末材料的加熱相關(guān)聯(lián)地在容器中生成。煙霧是當(dāng)粉末材料131被快速加熱時(shí)通過升華或蒸發(fā)而生成的金屬蒸汽的凝結(jié)物的細(xì)顆粒。當(dāng)容器101的內(nèi)部充滿煙霧時(shí)，煙霧附著到將激光束109通過其引導(dǎo)到容器101中的透射窗108上，并降低透射率。替代地，漂浮在容器101中的煙霧散射激光束109，并且減少到達(dá)粉末材料131的層132的激光束109。當(dāng)?shù)竭_(dá)層132的激光束109減少時(shí)，粉末材料131的熔融變得不足，這可能導(dǎo)致制造不良。

順便提及，當(dāng)用激光束109照射該區(qū)域時(shí)，其中粉末材料131已經(jīng)熔融和固化的固化區(qū)域302具有比未熔融的粉末材料131的非固化區(qū)域301高的熱導(dǎo)率，并且抗溫度上升性(temperatureresistsrising)比非固化區(qū)域的抗溫度上升性高。因此，為了使固化區(qū)域302熔融，需要向該區(qū)域供給比非固化區(qū)域301更高密度的加熱能量。然而，如圖4b所示，當(dāng)固化區(qū)域302和非固化區(qū)域301由公共束斑110同時(shí)加熱時(shí)，激光束109導(dǎo)致用使固化區(qū)域302熔融所需的強(qiáng)度均等地照射非固化區(qū)域301。因此，非固化區(qū)域301被用具有高于熔融所需的強(qiáng)度的高強(qiáng)度的激光束109照射，溫度上升為高于所需的溫度，非固化區(qū)域301變?yōu)檫^熱狀態(tài)，并且生成的煙霧的量增加。用具有等于或大于熔融所需的量的能量的量的激光束109照射未熔融的金屬粉末，發(fā)生金屬粉末的蒸發(fā)，并形成煙霧。

然后，實(shí)施例1中的三維制造裝置用第二激光束109a加熱非固化區(qū)域301，同時(shí)用第一激光束109b加熱固化區(qū)域302。此外，加熱非固化區(qū)域301的第二激光束109a被配置為具有較小的束斑的加熱性能，換言之，比加熱固化區(qū)域302的第一激光束109b小的激光束的功率。

(束斑的特征)

圖5a-圖5c是實(shí)施例1中的激光束的說明圖。圖5a是束斑的平面圖，圖5b是沿圖5a中的線5b-5b截取的截面圖，并且圖5c是激光束的強(qiáng)度分布的說明圖。

如圖5a所示，在實(shí)施例1中，激光束109b沿著邊界k移動(dòng)，并再次加熱激光束109a已經(jīng)熔融和固化的固化區(qū)域302。激光束109a沿著邊界k移動(dòng)，并且加熱與固化區(qū)域302相鄰的非固化區(qū)域301。

激光束109a和109b在箭頭r1方向上沿著邊界k主掃描，熔融和固化非固化區(qū)域301和固化區(qū)域302二者，從而將固化的層132h制造成期望的形狀。在通過激光束109a熔融非固化區(qū)域301以制造固化區(qū)域302的處理中，激光束109b再次熔融固化區(qū)域302并固化該區(qū)域。此外，照射非固化區(qū)域301的激光束109a的強(qiáng)度被設(shè)置為小于照射固化區(qū)域302的激光束109b的強(qiáng)度。

激光束109a和109b的主掃描速度為200mm/sec。激光束109a和109b的束斑110a和110b的直徑各自為60μm。束斑110a和110b的中心分別位于距離非固化區(qū)域301和固化區(qū)域302之間的邊界k20μm的位置處，因此束斑110a和110b在邊緣部分的一部分處彼此重疊。

如圖5b所示，層132在包括非固化區(qū)域301和固化區(qū)域302的熔融區(qū)域303的范圍內(nèi)熔融，并且被一體地固化。熔融區(qū)域303的深度比層132的厚度(其為40μm)深，并與緊接的之前的層132一體地固化。

如圖5c所示，作為激光束109a和109b的總和的加熱能量分布304示出了其中激光束109a和109b各自的加熱能量分布304a和304b被重疊的分布。

照射非固化區(qū)域301的第二激光束109a具有比照射固化區(qū)域302的第一激光束109b小的加熱能量。圖1中所示的光源105a將第二激光束109a的功率設(shè)置為40w，并且光源105b將第一激光束109b的功率設(shè)置為100w。

為了減少煙霧的量，調(diào)節(jié)光源105a的功率，使得可以確保利用第二激光束109a在期望的位置處將非固化區(qū)域301熔融到期望深度所需的最小加熱能量。為了充分地熔融對(duì)應(yīng)于固化區(qū)域302的厚度的層，調(diào)節(jié)光源105b的功率，使得可以確保利用第一激光束109b在期望的位置處將固化區(qū)域302熔融到期望深度所需的加熱能量。第二激光束109a的加熱能量小于將固化區(qū)域302制造到期望深度所需的加熱能量。

調(diào)節(jié)激光束109a和109b的重疊，使得總加熱能量分布304局部最小化的位置位于非固化區(qū)域301和固化區(qū)域302之間的邊界k處。激光束109a和109b的束斑110a和110b在垂直于掃描方向的方向上對(duì)準(zhǔn)。

(制造處理程序)

圖6是用于創(chuàng)建制造處理程序的流程圖。如圖2所示，控制部200基于已經(jīng)從外部計(jì)算機(jī)210輸入的制造產(chǎn)品133的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，通過三維制造裝置100自動(dòng)地創(chuàng)建用于制造產(chǎn)品133的制造處理程序。cpu205從外部計(jì)算機(jī)210獲取制造產(chǎn)品133的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)(cad數(shù)據(jù))(s21)。cpu205基于制造產(chǎn)品133的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)設(shè)置用于每個(gè)層132的制造區(qū)域(s22)。

cpu205針對(duì)在制造每個(gè)層132中的層132的每個(gè)制造區(qū)域，設(shè)置激光束109a和109b中的每一個(gè)的掃描路徑(s23)。cpu205針對(duì)每個(gè)制造區(qū)域，設(shè)置在激光束109a和109b的掃描路徑上的每個(gè)點(diǎn)處的激光束109的功率水平(s24)。cpu205通過組合用于每個(gè)制造區(qū)域的激光束109a和109b的掃描路徑和功率水平來創(chuàng)建用于制造產(chǎn)品133的制造處理程序(s25)。制造處理程序被發(fā)送到外部計(jì)算機(jī)210，并被存儲(chǔ)在記錄介質(zhì)211中。

作為程序的一個(gè)示例的制造處理程序被存儲(chǔ)在記錄介質(zhì)211中，并且作為計(jì)算機(jī)的一個(gè)示例的控制部200執(zhí)行三維制造方法的每個(gè)步驟。三維制造裝置100通過使用制造處理程序來執(zhí)行激光加熱步驟(s13：圖3)，其中該制造處理程序利用兩個(gè)激光束109a和109b執(zhí)行掃描加熱。由此，三維制造裝置100將粉末材料131的層132的非固化區(qū)域301和固化區(qū)域302熔融接合，從而制造具有期望形狀的制造產(chǎn)品133。

(比較示例)

圖7a和圖7b是比較示例(僅用激光束109a掃描層的情況)中的激光束的說明圖。圖7a是束斑的平面圖，并且圖7b是沿圖7a中的線7b-7b截取的截面圖。

如圖1所示，在比較示例中，層132的制造區(qū)域僅通過光源105a和熱掃描單元130a熔融和固化，并且制造產(chǎn)品被三維地制造。三維制造裝置利用由光源105a生成的激光束109a掃描層132，同時(shí)操作掃描鏡106m和116m，并加熱層132的制造區(qū)域。

如圖7a所示，在比較示例中，激光束109a的束斑110a被設(shè)置為大于主掃描的掃描節(jié)距(111：圖4b)。利用激光束109a掃描固化區(qū)域302和非固化區(qū)域301，使得束斑110a的中心在區(qū)域之間的邊界k上移動(dòng)。激光束109a照射非固化區(qū)域301和固化區(qū)域302兩者。光源105a的功率被設(shè)置為100w，使得激光束109a可以在期望的位置將固化區(qū)域302熔融至50μm的深度。

在三維制造裝置100中，如上所述地設(shè)置光源105a，制造具有如下的長方體固體的制造產(chǎn)品(133：圖1)，該長方體固體在主掃描方向上長度為20mm，在副掃描方向上長度為50mm，并且高度為40mm，并且測量透射窗108的透射率的變化。從開始到結(jié)束的制造時(shí)間段為100小時(shí)。

表1

如表1所示，在比較示例中，通過100小時(shí)的制造，透射窗108在1070nm波長處的透射率從實(shí)驗(yàn)前的92％降低到80％。另一方面，在使用激光束109a和109b的實(shí)施例1中，當(dāng)同樣執(zhí)行100小時(shí)的制造時(shí)，透射窗108在1070nm波長處的透射率從實(shí)驗(yàn)前的92％僅降低到90％。當(dāng)將實(shí)施例1與比較示例進(jìn)行比較時(shí)，透射窗108的透射率在實(shí)施例1中較高。換句話說，導(dǎo)致透射率降低的煙霧的生成在實(shí)施例1中較少。因此，應(yīng)當(dāng)理解，實(shí)施例1是用于減少煙霧的有效技術(shù)。

(實(shí)施例1的效果)

實(shí)施例1中的三維制造裝置可以通過用具有期望圖案的激光束109a和109b照射薄層132并且熔融和固化每個(gè)層的制造區(qū)域來制造制造產(chǎn)品133，該制造產(chǎn)品133在質(zhì)量上具有致密成分和少的部分分散。

實(shí)施例1中的三維制造裝置沿著固化區(qū)域302和非固化區(qū)域301之間的邊界移動(dòng)激光束109a和109b，并且使層132的制造區(qū)域熔融和固化。因此，三維制造裝置可以容易地調(diào)節(jié)固化區(qū)域302的加熱條件和非固化區(qū)域301的加熱條件，并且可以在充分熔融固化區(qū)域302的同時(shí)避免非固化區(qū)域301的過熱。

在實(shí)施例1中，在束斑110a和110b經(jīng)過層132的表面位置的路徑中，激光束109b的每單位面積和每單位時(shí)間的加熱量大于激光束109a的每單位面積和每單位時(shí)間的加熱量。因此，三維制造裝置可以在充分熔融固化區(qū)域302并形成致密成分的同時(shí)抑制非固化區(qū)域301的過熱，以減少制造期間煙霧的生成。

在實(shí)施例1中，層132的表面位置上的激光束109b的束斑110b在邊界k附近與激光束109a的束斑110a部分重疊。因此，幾乎不發(fā)生在邊界k附近的不充分加熱。

在實(shí)施例1中，激光束109b和激光束109a在層132的表面位置上的總加熱量在激光束109b的束斑的中心位置處大于在激光束109a的束斑的中心位置處。因此，三維制造裝置可以在充分加熱固化區(qū)域的同時(shí)避免非固化區(qū)域301的過熱。

在實(shí)施例1中，束斑110a和110b在沿著邊界k的移動(dòng)方向上的位置對(duì)于激光束109a和激光束109b是相同的。因此，容易用激光束109a和激光束109b高速地掃描層，以提高制造速度。

<實(shí)施例2>

如圖5a至圖5c所示，實(shí)施例1中的三維制造裝置使激光束109a和109b的束斑110a和110b彼此部分重疊，并且使粉末材料的層132加熱。與此相反，在實(shí)施例2中，表面層132的表面位置上的激光束109b的束斑與激光束109a的束斑分開。三維制造裝置在保持激光束109a和109b的束斑110a和110b彼此分開的狀態(tài)的同時(shí)掃描層132，從而加熱粉末材料131的層132。

(束斑的特征)

圖8a-8c是實(shí)施例2中的激光束的說明圖。圖8a是束斑的平面圖，圖8b是沿圖8a的線8b-8b截取的截面圖，并且圖8c是激光束的強(qiáng)度分布的說明圖。在實(shí)施例2中，除了激光束109a和109b的束斑110a和110b分開之外，結(jié)構(gòu)和控制與實(shí)施例1中的結(jié)構(gòu)和控制相同。因此，在圖8a至圖8c中，將對(duì)與實(shí)施例1相同的結(jié)構(gòu)給予與圖7a和圖7b中的附圖標(biāo)記相同的附圖標(biāo)記，并且將省略多余的描述。

如圖8a所示，激光束109a和109b的束斑110a和110b被分開。

激光束109a的束斑110a的直徑為30μm。從固化區(qū)域302和非固化區(qū)域301之間的邊界k到束斑110a的中心的距離為40μm。激光束109b的束斑110b的直徑為30μm。從固化區(qū)域302和非固化區(qū)域301之間的邊界k到束斑110b的中心的距離為40μm。

如圖8b所示，激光束109a和109b在包括非固化區(qū)域301和固化區(qū)域302的熔融區(qū)域303的范圍內(nèi)熔融并固化粉末材料131的層132。熔融區(qū)域303的深度比層132的厚度(其為40μm)大。

如圖8c所示，激光束109a和109b被分開，因此激光束109a和109b的單獨(dú)加熱能量分布304a和304b在總加熱能量分布304中是獨(dú)立的。

照射非固化區(qū)域301的第二激光束109a具有比照射固化區(qū)域302的第一激光束109b小的加熱能量。光源105a將第二激光束109a的功率設(shè)置為60w，并且光源105b將第一激光束109b的功率設(shè)置為130w。因此，對(duì)于粉末材料131的層132，40μm的厚度被熔融。

期望的是，將光源105a的加熱能量的量設(shè)置為在期望位置處將非固化區(qū)域301熔融到期望深度所需的最小量。光源105b滿足最小加熱能量，通過該最小加熱能量，可以在期望位置將固化區(qū)域302制造到期望深度。因此，光源105a不具有足以將固化區(qū)域302熔融到期望深度的加熱能量的量。

為了減少煙霧量，期望激光束109a和109b在垂直于激光束109a和109b的掃描方向的方向上對(duì)準(zhǔn)。

如上所述地設(shè)置激光束109a和109b，并且進(jìn)行與實(shí)施例1和比較示例中類似的測試制造。然后，在進(jìn)行100小時(shí)的制造之后，評(píng)價(jià)透射窗108在1070nm波長處的透射率。

表2

如表2所示，在使用激光束109a和109b的實(shí)施例2中，當(dāng)制造同樣進(jìn)行100小時(shí)時(shí)，透射窗108在1070nm波長處的透射率從實(shí)驗(yàn)前的92％僅降低到90％。

因此，可以確定導(dǎo)致透射率降低的煙霧的生成與實(shí)施例1中的煙霧的生成同樣小。因此，應(yīng)當(dāng)理解，實(shí)施例2是用于減少煙霧的有效技術(shù)。

<實(shí)施例3>

如圖5a所示，在實(shí)施例1中，已經(jīng)在使束斑110a和110b之間的在主掃描方向上的位置關(guān)系固定的狀態(tài)下掃描和加熱粉末材料131的層132。與此相反，在實(shí)施例3中，在主掃描期間可變地控制束斑110a和110b在主掃描方向上的位置。另外，對(duì)于束斑110a和110b的沿著邊界k的移動(dòng)方向上的位置，加熱非固化區(qū)域301的激光束109a位于比加熱固化區(qū)域302的激光束109b的束斑的區(qū)域更晚地熔融和固化的區(qū)域中。

(激光束控制)

圖9a和圖9b是實(shí)施例3的激光束控制的說明圖。圖9a是束斑的平面圖，圖9b是激光束的強(qiáng)度分布的概念圖。在實(shí)施例3中，除了激光束109a和109b的束斑110a和110b之間的主掃描方向上的距離是可變的之外，結(jié)構(gòu)和控制與實(shí)施例1中的結(jié)構(gòu)和控制相同。因此，在圖9a和圖9b中，將對(duì)與實(shí)施例1相同的結(jié)構(gòu)給予與圖5a至圖5c中的附圖標(biāo)記相同的附圖標(biāo)記，并且將省略多余的描述。

如圖9a所示，期望的是第二激光束109a在主掃描方向上以大致恒定的速度和時(shí)間間隔執(zhí)行非固化區(qū)域301的熔融和固化。

如圖9b所示，第二激光束109a固定功率，以對(duì)應(yīng)于在期望位置處將非固化區(qū)域301熔融到期望深度所需的最小加熱能量。因此，如果掃描速度或掃描時(shí)間間隔變化，則在非固化區(qū)域301中容易發(fā)生加熱的過量和不足。順便提及，掃描間隔時(shí)間是指對(duì)于每次主掃描，束斑通過沿主掃描線的方向上的相同位置所花費(fèi)的時(shí)間間隔。

然而，部件在主掃描方向上的尺寸根據(jù)位置而不同，因此掃描時(shí)間間隔根據(jù)部件在主掃描方向上的尺寸而變化。另外，當(dāng)掃描時(shí)間間隔短時(shí)，在固化區(qū)域302的溫度高的狀態(tài)下開始下一次加熱和熔融，因此即使當(dāng)?shù)诙す馐?09a的功率相同時(shí)，也存在照射的非固化區(qū)域301的溫度變得過高的傾向。然后，在實(shí)施例3中，為了避免在部件的主掃描方向上的尺寸短的位置處的非固化區(qū)域301的過熱，激光束109a和109b的束斑110a和110b之間的主掃描方向上的距離l被設(shè)置為大。

如圖6所示，cpu205設(shè)置每個(gè)層的制造區(qū)域(s22)，然后提取制造區(qū)域中主掃描方向上的尺寸短的位置。然后，在主掃描方向的尺寸短的位置中，cpu205設(shè)置激光束109a和109b的掃描計(jì)劃，使得激光束109a和109b的束斑110a和110b的距離l被設(shè)置為大(s23)。

因此，三維制造裝置可以減少在主掃描方向上的每個(gè)位置處的非固化區(qū)域301的加熱狀態(tài)的變化，并且可以調(diào)節(jié)對(duì)于在每層的制造區(qū)域的每個(gè)部分中的非固化區(qū)域301的加熱的過量和不足。三維制造裝置可以防止由于非固化區(qū)域301的過度加熱而引起的煙霧的增加。

<實(shí)施例4>

如圖8a所示，在實(shí)施例2中，束斑110a和110b在垂直于主掃描方向的方向上彼此分開。與此相反，在實(shí)施例4中，激光束109a和109b在垂直于主掃描方向的方向上重疊。

(激光束設(shè)置)

圖10a和圖10b是實(shí)施例4的激光束設(shè)置的說明圖。圖10a是束斑的平面圖，并且圖10b是激光束的強(qiáng)度分布的概念圖。在實(shí)施例4中，除了激光束109a和109b的束斑110a和110b彼此重疊之外，結(jié)構(gòu)和控制與實(shí)施例1中的結(jié)構(gòu)和控制相同。因此，在圖10a和圖10b中，將對(duì)與實(shí)施例1相同的結(jié)構(gòu)給予與圖5a至圖5c中的附圖標(biāo)記相同的附圖標(biāo)記，并且將省略多余的描述。

如圖10a所示，期望的是在垂直于主掃描方向的方向上在寬范圍內(nèi)執(zhí)行非固化區(qū)域301的熔融和固化。這是因?yàn)槊恳淮沃鲯呙璧闹圃炝吭黾硬⑶疑a(chǎn)率提高。另外，期望的是在與非固化區(qū)域301相鄰的有限的狹窄區(qū)域中加熱和熔融固化區(qū)域302。這是因?yàn)槠谕苊鈱?duì)制造產(chǎn)品133的無用加熱，并且增加輸入電力被分配給制造的速率。

然后，在實(shí)施例4中，具有小直徑的束斑110b與具有大直徑的束斑110a重疊，使得固化區(qū)域302的與非固化區(qū)域301相鄰的窄范圍可以被集中和有效地加熱。束斑110a和110b在主掃描方向上的位置關(guān)系是固定的，并且束斑110a以相對(duì)小的能量密度加熱固化區(qū)域302和非固化區(qū)域301。此外，與非固化區(qū)域301相鄰的固化區(qū)域302被具有高能量密度的束斑110b加熱。

在實(shí)施例4中，在使得束斑110a和110b在主掃描方向上的位置關(guān)系固定的狀態(tài)下掃描和加熱粉末材料131的層132。在實(shí)施例4中，對(duì)于層132的表面位置上的束斑110a和110b的面積，激光束109a中的面積大于激光束109b中的面積。因此，在一次主掃描中可以熔融和固化的面積增加，并且提高了生產(chǎn)率。另外，再次熔融的固化區(qū)域302的面積減小，并且可以減少對(duì)固化區(qū)域302的不必要的加熱。

<實(shí)施例5>

如圖1所示，在實(shí)施例1中，分別為激光束109a和109b設(shè)置熱掃描單元130a和130b。與此相反，在實(shí)施例5中，作為公共掃描單元的一個(gè)示例的熱掃描單元130公共地掃描激光束109b和激光束109a。公共熱掃描單元130使激光束109a和109b掃描層132，并加熱粉末材料131的層132。

(熱掃描單元)

圖11是實(shí)施例5的三維制造裝置的結(jié)構(gòu)的說明圖。如圖11所示，三維制造裝置100b具有與實(shí)施例1中的結(jié)構(gòu)相同的結(jié)構(gòu)，除了熱掃描單元130對(duì)于激光束109a和109b是公共的。因此，在圖11中，將對(duì)與實(shí)施例1中的結(jié)構(gòu)相同的結(jié)構(gòu)給予與圖1中的附圖標(biāo)記相同的附圖標(biāo)記，并且將省略多余的描述。

在如實(shí)施例4中一樣固定束斑110a和110b之間的主掃描方向上的位置關(guān)系的情況下，可以利用熱掃描單元130掃描激光束109a和109b。

如圖11所示，光源105a生成功率可變的激光束109a。光源105b生成功率可變的激光束109b。光源105a和105b在垂直于紙面的方向上彼此相鄰地布置，并且被布置為使得激光束109a和109b對(duì)角地入射在與紙面垂直的平面中的層132的表面上。

熱掃描單元130使已由光源105a生成的激光束109a和由光源105b生成的激光束109b通過致動(dòng)器106a和116a利用掃描鏡106m和116m公共地雙軸掃描層132。因此，激光束根據(jù)層132中的輸入數(shù)據(jù)加熱制造區(qū)域。因此，減少了熱掃描單元130的數(shù)量，并且在加熱步驟中，束斑110a和110b之間的相對(duì)位置關(guān)系的變化也減小。

<其它實(shí)施例>

根據(jù)本發(fā)明的三維制造方法和三維制造裝置不受實(shí)施例1中的每個(gè)部分的具體結(jié)構(gòu)、部件的形式和實(shí)際尺寸的限制。三維制造方法和三維制造裝置也可以通過將實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)的一部分或全部替換為等效部件的另一實(shí)施例來實(shí)現(xiàn)。

因此，能量束的波長、激光振蕩器的類型、激光束的束斑尺寸、光源的功率設(shè)置、激光束的照射位置、制造容器和用于形成粉末材料層的設(shè)備可以改變?yōu)槠谕囊?guī)格。粉末材料131不限于不銹鋼顆粒。可以自由選擇鈦、鐵、鋁、硅、金屬碳化物、金屬氮化物、金屬氧化物、陶瓷顆粒等。要引入容器101中的氣體也可以任意改變。例如，在提高強(qiáng)度以引入其中氫氣與氮?dú)?、氬氣等混合的混合氣體并在還原氣氛下進(jìn)行制造方面也是有效的。還可以接受的是將層132加熱到低于熔融溫度的溫度，以燒結(jié)粉末材料，并進(jìn)行三維制造。

在實(shí)施例1中，激光束109a和109b的功率以固定的比率固定，但是激光束109a和109b的功率可以在粉末材料131的層132的制造區(qū)域的每個(gè)位置處不同。例如，加熱非固化區(qū)域301的激光束109a保持恒定的功率，以避免熔融條件的波動(dòng)。另一方面，可以想到基于固化區(qū)域302的估計(jì)溫度來改變加熱固化區(qū)域302的激光束109b的功率，以減少固化區(qū)域302的再熔融狀態(tài)的變化。也可以接受的是在加熱和熔融一個(gè)層132的步驟中反轉(zhuǎn)固化區(qū)域301和非固化區(qū)域302相對(duì)于束斑110a和110b的分配，并與上述反轉(zhuǎn)一起反轉(zhuǎn)激光束109a和109b之間的功率幅度的關(guān)系。在制造區(qū)域的非固化區(qū)域301和固化區(qū)域302之間的位置關(guān)系反轉(zhuǎn)的位置中，也可以接受的是用激光束109a加熱固化區(qū)域302，并且用激光束109b加熱非固化區(qū)域301。

在實(shí)施例3中，也可以接受的是隨著束斑110a和110b的移動(dòng)方向上的距離l的改變的同時(shí)，改變激光束109a和109b的功率。替代地，也可以接受的是在保持束斑110a和110b的移動(dòng)方向上的距離l恒定的同時(shí)，在主掃描方向上的尺寸短的位置處降低激光束109a和109b的功率。

實(shí)施例1中的三維制造裝置固定束斑110a和110b之間的位置關(guān)系，并加熱粉末材料131的層132。然而，三維制造裝置使用兩個(gè)獨(dú)立的熱掃描單元130a和130b，因此可以在掃描方向和與掃描方向垂直的方向上任意改變束斑110a和110b之間的位置關(guān)系。束斑110a和110b之間的位置關(guān)系的改變可以用于各種物體。例如，如已經(jīng)在實(shí)施例3中所述的，也可以接受的是改變光束光斑110a和110b之間的位置關(guān)系，并且減輕制造區(qū)域的每個(gè)部分的加熱條件的波動(dòng)。具體地，在為激光束109a和109b設(shè)置獨(dú)立的熱掃描單元130a和130b的情況下，可以將激光束109a和109b定位成減小制造區(qū)域的每個(gè)部分的加熱條件的波動(dòng)。

在光柵掃描和固化制造區(qū)域之后，三維制造設(shè)備可以移動(dòng)激光束109a和109b，以便沿著制造區(qū)域的輪廓移動(dòng)束斑110a和110b。在這種情況下，期望的是根據(jù)制造區(qū)域的非固化區(qū)域301和固化區(qū)域302之間的位置關(guān)系來改變束斑110a和110b之間的相對(duì)位置關(guān)系。

在實(shí)施例1中，三維制造裝置通過在副掃描方向上重復(fù)主掃描的光柵掃描方法來固化每一層的制造區(qū)域。然而，三維制造設(shè)備可以采用除光柵掃描方法之外的能量束移動(dòng)方法。三維制造裝置可以采用螺旋運(yùn)動(dòng)、從中心朝向輪廓的渦流運(yùn)動(dòng)、從輪廓朝向中心的渦流運(yùn)動(dòng)等。

在實(shí)施例1中，具有1070nm波長的yag激光器的激光束被用作能量束。然而，能量束可以用具有另一波長的激光束和/或由另一振蕩源或電子束替換。然而，當(dāng)使用電子束時(shí)，需要高度地排空?qǐng)D1所示的容器101，并且將容器101的內(nèi)部保持在低壓狀態(tài)。

本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例也可以由讀出并執(zhí)行在存儲(chǔ)介質(zhì)(其也可被更完整地稱作‘非瞬時(shí)計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)’)上記錄的計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令(例如，一個(gè)或多個(gè)程序)以執(zhí)行上述實(shí)施例中的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的功能和/或包括用于執(zhí)行上述實(shí)施例中的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的功能的一個(gè)或多個(gè)電路(例如，專用集成電路(asic))的系統(tǒng)或裝置的計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)，以及通過由系統(tǒng)或裝置的計(jì)算機(jī)例如通過讀出并執(zhí)行來自存儲(chǔ)介質(zhì)的計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令以執(zhí)行上述實(shí)施例中的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的功能并且/或者控制一個(gè)或多個(gè)電路以執(zhí)行上述實(shí)施例中的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的功能來執(zhí)行的方法來實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)可以包括一個(gè)或多個(gè)處理器(例如，中央處理單元(cpu)、微處理單元(mpu))并且可以包括用來讀出并執(zhí)行計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令的單獨(dú)計(jì)算機(jī)或單獨(dú)處理器的網(wǎng)絡(luò)。計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令可以例如從網(wǎng)絡(luò)或者存儲(chǔ)介質(zhì)被提供給計(jì)算機(jī)。存儲(chǔ)介質(zhì)可以包括例如硬盤、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(ram)、只讀存儲(chǔ)器(rom)、分布式計(jì)算系統(tǒng)的存儲(chǔ)裝置、光盤(諸如緊湊盤(cd)、數(shù)字多用途盤(dvd)或者藍(lán)光盤(bd)tm)、閃存裝置、存儲(chǔ)卡等中的一個(gè)或多個(gè)。

其它實(shí)施例

本發(fā)明的實(shí)施例還可以通過如下的方法來實(shí)現(xiàn)，即，通過網(wǎng)絡(luò)或者各種存儲(chǔ)介質(zhì)將執(zhí)行上述實(shí)施例的功能的軟件(程序)提供給系統(tǒng)或裝置，該系統(tǒng)或裝置的計(jì)算機(jī)或是中央處理單元(cpu)、微處理單元(mpu)讀出并執(zhí)行程序的方法。

雖然已經(jīng)參照示例性實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不限于所公開的示例性實(shí)施例。所附權(quán)利要求的范圍應(yīng)被賦予最寬泛的解釋，以便包括所有這樣的修改以及等同結(jié)構(gòu)和功能。