專利名稱：疊層成形設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種疊層成形設(shè)備，用于通過照射光束以使粉末材料燒 結(jié)或熔融從而使其固化來制造三維疊層物體。
背景技術(shù)：
已經(jīng)提出了一種公知為選擇性粉末燒結(jié)疊層法的制造疊層物體的
方法。該方法包括以下步驟形成無機粉末或有機粉末的粉末層；以及
重復(fù)進行這些步驟以制造在其中層疊并一體結(jié)合有多個硬化層的物體。 日本專利/>報JP2002-115004A (專利文獻1)除^Hf上述步驟之外，在 重復(fù)進行的形成硬化層的硬化步驟之間還提供了打磨物體前體的表面 的步驟，以便以低成本對各種形狀的物體進行光面修整。
然而，上述現(xiàn)有技術(shù)在疊層物體的精度方面存在缺陷。也就是說， 如圖22所示，為了連續(xù)地形成薄粉末層，成形部包括成形臺61、用于 提升成形臺61的升降機構(gòu)62、以及圍繞成形臺61的成形框架63。此 外，粉末供應(yīng)部包括儲槽65、用于提升儲槽中的粉末材料的升降機構(gòu) 66和升降臺、以及用于將粉末材料從儲槽的頂部供應(yīng)到成形臺61上并 平整粉末材料的供料器刮片68。
通過這樣的配置，使成形臺61上的粉末層在要被固化成硬化層的 預(yù)定部分處燒結(jié)或熔融，通過將成形臺61降低一級以及將升降臺67提 升一級再隨后移動供料器刮片68而形成后續(xù)粉末層。然而，由于載有 物體的成形臺61被制成是可動的，因此，在照射光束以燒結(jié)或熔融從 而固化的過程中或采用銑床打磨的過程中，物體的前體很可能經(jīng)歷微小 的位置波動，這使得難于精確地制造數(shù)量級為微米的物體。
另外，用于提升成形臺61和升降臺67的升降機構(gòu)62和66必須設(shè)置在成形臺61和升降臺67的下方。因此，成形部的總高度H是成形 臺61 (以及升降臺67)升降范圍Hl的兩倍以上，使得難于減小設(shè)備 的總高度。圖中，H2指示升降裝置62 (66)的驅(qū)動范圍。 JP2002-11500
發(fā)明內(nèi)容
針對以上缺點完成了本發(fā)明，并且本發(fā)明的問題是提供一種能夠制 造高精度的疊層物體且具有緊湊配置的疊層成形設(shè)備。
根據(jù)本發(fā)明的疊層成形設(shè)備第一方面的特征在于包括粉末層制備裝 置，其構(gòu)造成制備無機或有機粉末村料的粉末層；以及光學(xué)單元，其構(gòu)造 成將光束照射到所述粉末層的預(yù)期部分以燒結(jié)或熔融而使所述部分固化 成硬化層，使得所述粉末層的制備和所述硬化層的硬化重復(fù)進行以制造層 疊并一體結(jié)合有多個所述硬化層的三維物體。所述設(shè)備還包括固定的基
座，所述粉末層和所述硬化層承載在所述固定的基座上；升降架，其構(gòu)造 成圍繞所述固定的基座的外周并能夠相對于所述固定的基座豎直運動，從 而在所述基座上方限定出由所述升降架的內(nèi)表面所圍繞的空間以制備所 述粉末層；以及升降驅(qū)動裝置，其驅(qū)動所述升降架豎直運動。根據(jù)本發(fā)明 的疊層成形設(shè)備第二方面的特征在于包括粉末層制備裝置，其構(gòu)造成制 備無機或有機粉末的粉末層；光學(xué)單元，其構(gòu)造成將光束照射到所述粉末 層的預(yù)期部分以燒結(jié)或熔融而使所述部分固化成硬化層，使得所述粉末層 的制備和所述硬化層的硬化反復(fù)進行以制造層疊并一體結(jié)合有多個所述 硬化層的三維物體；以及銑削單元，其設(shè)置成打磨正在制造的所述三維物 體的前體的表面，其中，所述設(shè)備還包括固定的基座，所述粉末層和所 述硬化層承載在所述固定的基座上；升降架，其構(gòu)造成圍繞所述固定的 基座的外周并能夠相對于所述固定的基座豎直運動，從而在所述基座上 方限定出由所述升降架的內(nèi)表面所圍繞的空間以制備所述粉末層；以及 升降驅(qū)動裝置，其驅(qū)動所述升降架豎直運動。所述銑削單元為數(shù)控機器 的形式，其具有至少能夠相對于三條軸線進行控制并固定于所述基座的 工作臺，從而在位于所述基座上方且由所述升降架的內(nèi)表面圍繞的空間內(nèi)制備粉末。
因此，能夠在基座保持固定的情況下將粉末層(硬化層)疊置在基 座上，使得能夠制造高精度的物體。
當(dāng)粉末層制備裝置構(gòu)造成包括能夠在升降架的頂面上滑動且具有 用于將粉末供入形成于基座上并由升降架所圍繞的空間中的滑板時，易 于制成緊湊結(jié)構(gòu)。
當(dāng)粉末供應(yīng)口的尺寸構(gòu)造成具有垂直于所述滑板的滑動方向的寬 度并且所述寬度大于基座的對應(yīng)寬度時，能夠均勻供給粉末。
為了增大燒結(jié)后的密度或熔融-固化后的密度，滑板可優(yōu)選成包括用 于增大所述粉末的容積密度的構(gòu)件。
滑板可設(shè)置有用于平整粉末層表面的構(gòu)件，從而具有防止磨損劣 化、穩(wěn)定地供應(yīng)粉末、以及降低硬化層表面粗糙度的優(yōu)點。
另外，所述設(shè)備優(yōu)選包括遮蔽框，其設(shè)置在升降架上并設(shè)置成具 敞開的底部并在所述遮蔽框的頂部開口中具有用于使光束透過的窗；以及 氛圍氣體供應(yīng)裝置，其用于將氛圍氣體供入遮蔽框內(nèi)。通過這種配置，能 夠在避免硬化層氧化的同時限制氛圍氣體量。
遮蔽框可設(shè)置有用于將所述氛圍氣體以渦旋流的形式供入所述遮蔽 框內(nèi)的渦旋流形成裝置，使得能夠有效地充入氛圍氣體。
所述設(shè)備還可包括用于測量所述遮蔽框的內(nèi)部空間內(nèi)的氧氣濃度的 氧氣濃度測量計。在此形式中，氛圍氣體供應(yīng)裝置構(gòu)造成根據(jù)所述氧氣濃 度測量計的輸出來供應(yīng)氛圍氣體以便進一步限制氛圍氣體量。
所述設(shè)備可包括活塞，活塞構(gòu)造成在遮蔽框內(nèi)豎直運動以便供應(yīng)和排 放氛圍氣體，從而實現(xiàn)氛圍氣體的快速供應(yīng)和排放。
當(dāng)窗為f e透鏡的形式時，能夠進行精準(zhǔn)地?zé)Y(jié)或熔融-固化。
所述設(shè)備優(yōu)選包括清潔裝置，清潔裝置構(gòu)造成清潔包括所述窗的內(nèi)表 面在內(nèi)的所述遮蔽框的內(nèi)表面，以便清除燒結(jié)時產(chǎn)生的煙霧所導(dǎo)致的污 垢，從而實現(xiàn)成功燒結(jié)。清潔裝置可包括形成在升降架上的清潔構(gòu)件，清 潔構(gòu)件形成為能夠豎直運動并能夠在遮蔽框內(nèi)旋轉(zhuǎn)。此外，可以設(shè)置能夠在升降架的頂面上滑動的多個遮蔽框，使得當(dāng) 其中一個遮蔽框定位在基座上時，另外的遮蔽框處于通過清潔裝置進行清 潔的位置。因而，能夠同時進行燒結(jié)和清潔，從而縮短由清潔^作所導(dǎo)致 的制造時間的延長。
光學(xué)單元可設(shè)置在遮蔽框的側(cè)部上。
所述設(shè)備可包括標(biāo)記目標(biāo)，其設(shè)置在升降架頂面上，用于通過來自 光學(xué)單元的光束在其上提供標(biāo)記；以及測量單元，其構(gòu)造用以測量標(biāo)記目 標(biāo)上的標(biāo)記以獲取對來自光學(xué)單元的光束預(yù)期的照射部位的補償數(shù)據(jù)。這 種配置使得能夠提高用于燒結(jié)或熔融-固化的光束的照射精確度。
當(dāng)在升降架的頂面上設(shè)置有功率測量計以便測量來自光學(xué)單元的光束 的能量時，易于采用適度的能量進行精準(zhǔn)地?zé)Y(jié)或熔融固化，并且當(dāng)配備 有清潔裝置時還易于指示恰當(dāng)?shù)那鍧崟r間。
如權(quán)利要求1或2所述的疊層成形設(shè)備優(yōu)選包括遮蔽框，其設(shè)置在 升降架上并設(shè)置成具有敞開的底部以及位于遮蔽框的頂部開口中用于使 光束透過的窗；氛圍氣體供應(yīng)裝置，其用于將氛圍氣體供入所述遮蔽框內(nèi)； 以及滑板，其能夠在升降架的頂面上滑動并設(shè)置有粉末層制備裝置，其中， 遮蔽框形成滑板的一部分。通過這種配置，通過滑板的滑動4吏粉末層制備 以及燒結(jié)或熔融-固化在惰性氛圍下進行，從而有效地制造疊層物體。
更進一步地，升降架可構(gòu)造成圍繞多個基座中的每一個的外周并能夠 相對于各個基座豎直運動。在此形式中，滑^L設(shè)置成能夠在升降架的頂面 上滑動，同時粉末層制備裝置設(shè)置在滑板上并設(shè)置成通過滑板的滑動選擇 性地在多個基座上面或上方制*末層。通過這種配置，單個升降架的豎 直運動與滑板的滑動協(xié)同作用以分別在多個基座上制備粉末層。
滑板可形成有供銑削單元的刀具穿過的銑削開口 ，使得僅通過滑板的 滑動就能夠在粉末供應(yīng)、燒結(jié)或熔融-固化、以及打磨之間進行切換。
當(dāng)滑板設(shè)置有用于吸取基座上的需要去除的未硬化粉末的吸取單元 時，易于防止未硬化粉末妨礙打磨和降低磨削精度。
當(dāng)滑板構(gòu)造成以相對于升降架的頂面滑動的方式旋轉(zhuǎn)時，即便當(dāng)滑板 中結(jié)合有多種部件時所述設(shè)備仍能夠制造得緊湊。當(dāng)光學(xué)單元設(shè)置成能夠相對于光束所照射的平面改變高度位置時，能
夠使光束的照射與成形i!JL或成形精度保持很好的 一致性。
本發(fā)明使得能夠在^^座保持固定的同時將粉末層疊置在基座上，從
造高^度的疊層^體。在重'復(fù)進行粉末層的制備以及A粉末層硬化成硬化 層的步驟之間采用銑削單元來打磨疊層物體的前體的表面的情況下，能夠 避免疊層物體在打磨時可能出現(xiàn)的波動，因此還能夠確保容易地制造高精 度的疊層物體。
圖l是示出本發(fā)明實施方式的示意性剖視圖2 (a)和2 (b)是分別示出上述實施方式的光學(xué)單元的附連方 式的示意圖3 (a)以及圖3 (b)和3 (c)是示出上述實施方式的粉末供應(yīng) 部的平面圖以及示意性剖視圖4是說明上述實施方式中釆用的粉末供應(yīng)部的改型的示意性剖視
圖5 (a)、 5 (b)、 5(c)分別是上述粉末供應(yīng)部的相應(yīng)平面圖、粉 末供應(yīng)部的又一改型的示意性平面圖、以及粉末供應(yīng)部的另一改型的示 意性平面圖6是粉末供應(yīng)部的另外又一改型的示意性平面圖7 (a)和7 (b)是粉末供應(yīng)部的再又一改型的示意性剖視圖8是用于形成惰性氛圍的遮蔽框的示意性剖視圖9 (a)和9 (b)是遮蔽框的改型的水平剖視圖和示意性剖視圖IO是清潔構(gòu)件的示意性剖視圖11 (a)和11 (b)是示出設(shè)置有兩套清潔構(gòu)件的示例的示意性 剖視圖；圖12 (a)和12 (b)是示出用于對光束的照射部位進行位置補償 的構(gòu)造的示意性剖視圖13 (a)和13 (b)是示出用于測量光束能量的構(gòu)造的示意性剖 視圖14 (a)、 14 (b)以及14 (c)是示出本發(fā)明另一實施方式的平 面圖、示意性豎向剖視圖、以及示意性水平剖視圖15 (a)和15 (b)是示出另一實施方式的平面圖和示意性豎向 剖視圖16是示出設(shè)置光學(xué)單元的另一布置的示意性剖視圖17 (a)以及圖17 (b)和17 (c)分別是示出配備有粉末吸取機 構(gòu)的滑板的水平剖視圖以及示意性剖視圖18是示出光學(xué)單元制成為可拆卸的改型的示意性剖視圖19是示出粉末供應(yīng)口設(shè)置有蓋的改型的示意性剖視圖20 (a)和20 (b)是示出粉末供應(yīng)口設(shè)置有蓋的另一改型的立 體圖21是示出升降架設(shè)置有排放口的改型的示意性剖視圖22 (a)和22 (b)示出現(xiàn)有技術(shù)的局部立體圖和局部剖視附圖標(biāo)記說明
1:成形單元
2:光學(xué)單元
3:銑削單元
8: 粉末
9:硬化層
10:成形部11:基座 12:升降架 15:粉末供應(yīng)部 L:光束
具體實施例方式
現(xiàn)在將參照
本發(fā)明。圖l示出了疊層成形設(shè)備，該疊層成 形設(shè)備包括成形單元l，其包括成形部IO和設(shè)置在成形部IO上的粉 末供應(yīng)部15;將光束照射到成形部10的光學(xué)單元2;以及用于打磨的 銑削單元。
銑削單元3為數(shù)控機床，其具有工作臺(機加工工作臺)30和能夠 在至少3條軸線上進行控制的機頭座31。機頭座31具有主軸頭32，主 軸頭32設(shè)置有用于打磨的端銑刀33,同時成形單元1設(shè)置在銑削單元 3的工作臺30上。工作臺30上固定有基座11以便在基座11上形成疊 層物體。光學(xué)單元2附連到機頭座31。在示出的實施方式中，主軸頭 32能夠沿X軸和Z軸運動，而工作臺30能夠沿Y軸運動。
如上所述，成形單元1的成形部10設(shè)置成在固定到工作臺30的基 座11上形成疊層物體，并且成形單元1的成形部10設(shè)置有升降架12， 升降架12圍繞基座11的外周并由線性驅(qū)動機構(gòu)形式的升降驅(qū)動裝置驅(qū) 動以上下運動。升降架12在圍繞基座11的部分處具有足夠的厚度，使 得當(dāng)相對于基座11提升升降架12時在基座上的升降架所限定的范圍內(nèi) 形成足夠高度的空間。
粉末供應(yīng)部15包括用于將粉末供應(yīng)到升降架12上的粉末供應(yīng)器 (未示出)；設(shè)置在升降架12的頂面上方的供應(yīng)器刮片16;以及用于水 平驅(qū)動供應(yīng)器刮片16的驅(qū)動部17。
粉末材料8可以是能夠通過暴露于從光學(xué)單元2所射出的光束而固 化成硬化層的無機(金屬或陶瓷)粉末或有機(塑料)粉末，但是盡管 粉末材料8并不局限于特定種類。在示出的實施方式中，采用平均粒度 為20微米的鐵粉作為粉末材料。銑削單元3以數(shù)控機床的、特別是切削刀具的端銑刀33作為可拆 卸地機加工中心。端銑刀33主要選擇為具有雙硬質(zhì)合金刀片的球頭端 銑刀并且可以根據(jù)特定的形狀或用途從方頭端銑刀、圓角端銑刀或鉆中 進行選擇。
照射用于使粉末8燒結(jié)的光束L的光學(xué)單元2包括光源21,其由 激光振蕩器構(gòu)成；集光鏡；以及掃描機構(gòu)22，其由檢流計構(gòu)成，用于 使光束L偏轉(zhuǎn)以將光束引導(dǎo)至預(yù)期的點或部分。在示出的實施方式中， 掃描機構(gòu)22的一部分固定到主軸頭32的側(cè)部，同時通過光纖23將掃 描機構(gòu)22連接到光源21。當(dāng)采用鐵粉時，光源21由C02 (二氧化碳) 氣體激光器(輸出功率500瓦)或Nd:YAG (摻釹釔鋁石榴石)激光器 (輸出功率500瓦)來實現(xiàn)。
掃描機構(gòu)22 (光學(xué)單元2)可以如圖2(a)所示以可拆卸的方式附 連到位于主軸頭32的側(cè)部上的安裝部310，或者可以如圖2(b)所示 通過套爪卡盤附連到主軸頭32而非端銑刀33。在后一種情況下，與照 射光束L或使用端銑刀33無關(guān)，主軸頭32可定位在同一位置處，從而 與光學(xué)單元2設(shè)置在機頭座31的側(cè)部上的情況相比，使主軸頭32的總 體行進范圍最小化，因此使得能夠制造體積相對較大的物體。此外，光 學(xué)單元2不在機頭座31上確保了采用端銑刀32的打磨不受光纖23的 干擾，并因此減小振動的影響。
當(dāng)通過上述疊層成形設(shè)備制造疊層物體時，將粉末8供至升降架12 的頂部上。在將升降架12的頂部保持在略高于固定在基座11上的成形 板的水平面上的同時，驅(qū)動刮片16使其水平移動以將粉末8供應(yīng)到基 座11上并平整粉末8以形成第一粉末層，隨后從位于成形部10上方的 光學(xué)單元2將光束L照射到待硬化的部分，從而使粉末8燒結(jié)以形成硬 化層。
隨后，將升降架12提升預(yù)定程度從而進行粉末8的供應(yīng)和平整以 在第一粉末層(硬化層)上制備第二粉末層。然后，將光束L照射到第 二粉末層的待硬化的部分從而使粉末硬化，形成了與下層硬化層成一體 的下一硬化層。
重復(fù)地進行提升升降架12以制備新的粉末層和將光束L照射到該 層的預(yù)定部分以形成硬化層這兩個步驟，以制造在基座11的頂部上的成形板上將具有預(yù)期形狀的三維物體9制造為疊層物體。當(dāng)所形成的物 體用作成型模具時，粉末層優(yōu)選具有0.05毫米的厚度。
根據(jù)疊層物體的三維CAD (計算機輔助設(shè)計)數(shù)據(jù)預(yù)先作出光束L 的照射路線(影線路線)。也就是說，以恒定間距(當(dāng)粉末層的厚度為 0.05亳米時間距為0.05毫米)分割從三維CAD模型獲取的STL (標(biāo) 準(zhǔn)三角剖分語言)數(shù)據(jù)，以獲取各剖面的剖面輪廓數(shù)據(jù)，基于該剖面輪 廓數(shù)據(jù)作出照射路線。就此而言，使光束L照射成使疊層物體的最外層 表面以高密度(孔隙率低于5%)燒結(jié)并使其內(nèi)部以低密度燒結(jié)。換言 之，剖面輪廓數(shù)據(jù)分為外周部分和內(nèi)部部分，使得光束L照射成在粉末 幾乎完全熔融的條件下燒結(jié)外周部分以獲得高密度，而在留有多孔結(jié)構(gòu) 的條件下燒結(jié)內(nèi)部部分，從而能夠快速制造具有精確成形的表面的物 體。
在重復(fù)進行制備粉末層以及通過照射光束L形成硬化層的步驟的同 時，硬化層的總厚度達到預(yù)定值，該預(yù)定值由銑削單元3的端銑刀33 的刀具長度等來決定。在這種情況下，端銑刀33定位在成形部10的上 方以打磨正在制造的物體9的前體(precursor )的表面(主要是上側(cè)面)。
通過銑削單元3進行的打磨清除了由粉末粘附到物體9所產(chǎn)生的多 余的硬化部分，從而使高密度部分暴露于物體的最外層表面。當(dāng)打磨操 作完成時，重復(fù)進行粉末層的制備和燒結(jié)。
與光束L的照射路線一樣，根據(jù)三維CAD (計算機輔助設(shè)計)數(shù) 據(jù)預(yù)先確定銑削單元的打磨工作路線。盡管采用輪廓線加工來確定打磨 工作路線，但是打磨工作路線無需精確對應(yīng)于燒結(jié)時沿Z方向(豎直方 向)的層間距，并且Z方向的間距可以設(shè)定得較短使物體的傾斜角度減 小從而獲得更光滑的表面加工。
圖4示出粉末供應(yīng)部15的改型，其中，粉末供應(yīng)部15構(gòu)造成具有 滑板18,滑板18能夠在升降架12的頂面上滑動并設(shè)置有豎直延伸的粉 末供應(yīng)口 19。當(dāng)粉末供應(yīng)口處于在升降架12上但不在基座11上方的位 置時，將粉末從粉末供應(yīng)器(未示出)供應(yīng)到粉末供應(yīng)口 19中，之后 滑板18滑過基座11以將粉末供應(yīng)到基座上并同時平整粉末。在粉末供 應(yīng)口 19定位于基座11上方以引導(dǎo)光束穿過粉末供應(yīng)口的情況下或者在 滑板18從基座上方退回的情況下，照射光束L進行燒結(jié)。就此而言，如圖5 (a)所示，粉末供應(yīng)口 19沿與滑板18的滑動方 向垂直的方向的寬度大于基座11的對應(yīng)寬度以將粉末遍布基座11上的 所有部分均勻地供應(yīng)。粉末供應(yīng)口 19不必是正方形的，還可以是矩形、 圓形、橢圓形或其它任何形狀的，以將粉末8供應(yīng)至基座11上的所有 部分。
此外，如圖5(b)所示，可以在滑板18的內(nèi)部設(shè)置有旋轉(zhuǎn)板1卯， 旋轉(zhuǎn)板l卯能夠繞豎直軸線旋轉(zhuǎn)并且形成有類似的粉末供應(yīng)口 19。在這 種改型中，旋轉(zhuǎn)板的旋轉(zhuǎn)能夠在上述方向上改變粉末供應(yīng)口 19的寬度。
如圖5 (c)示出，粉末供應(yīng)口 19的內(nèi)壁優(yōu)選制成具有凹凸結(jié)構(gòu)， 從而有效避免粉末8聚集在粉末供應(yīng)口內(nèi)的一個寬度方向的端部上。此 外，為了避免剩余的粉末成為滑板18滑動的障礙，可在升降架12或滑 板18的側(cè)部上形成有收集器。
通過這種配置，利用具有粉末供應(yīng)口 19的滑板18的滑動來將粉末 8供應(yīng)到基座11上的由升降架12所限定的成形空間中，可以在位于粉 末供應(yīng)口 19內(nèi)的粉末上施加重量81以對這些粉末施壓，和/或能夠附 加振動發(fā)生器82以使粉末振動，從而增大供應(yīng)到基座11的粉末的容積 密度進而增大粉末層的密度以便獲得具有高燒結(jié)密度的物體。
盡管在以上示出的實施方式中，滑板18自身用作平整基座ll上的 粉末層的構(gòu)件，但是如圖7所示，可以在滑板18的粉末供應(yīng)口 19的沿 其滑動方向的兩個相對側(cè)(或其中任一側(cè))上設(shè)置用于平整粉末8的刮 片16。這在為了質(zhì)量輕而由輕金屬制成滑板18的情況下尤為有利?？?慮到由于刮片16進行平整的粉末的表面上可能存在非正常燒結(jié)所產(chǎn)生 的堅硬的凸起，所以刮片16優(yōu)選由鋼或陶乾制成。
另外，為了成功地去除凸起，滑板18可設(shè)置有旋轉(zhuǎn)切割器83，旋 轉(zhuǎn)切割器的下端與滑板18的下表面保持齊平以便通過旋轉(zhuǎn)切割器83切 除凸起。旋轉(zhuǎn)切割器83可由單獨安裝的馬達或由利用滑板18的滑動使 旋轉(zhuǎn)切割器83旋轉(zhuǎn)的諸如齒條-小齒輪的機構(gòu)來驅(qū)動。
當(dāng)將光束L照射到粉末層上用以進行燒結(jié)時，由于粉末暴露于大氣， 因此取決于粉末材料的種類可能發(fā)生氧化，從而無法使粉末完全燒結(jié)。 為了避免這種燒結(jié)不足，如圖8所示，利用設(shè)置在升降架12上的遮蔽 框40使得在惰性氛圍中照射光束L。遮蔽框40具有大于基座11的上表面面積的底部開口并且其頂部由窗41封閉，使得光束L在遮蔽框40 所圍繞的空間中充有惰性氣體(諸如氮氣或氬氣)的情況下透過窗41 進行照射。附圖標(biāo)記45指示氛圍氣體發(fā)生器或氣罐；附圖標(biāo)記46指示 用于收集燒結(jié)時產(chǎn)生的煙霧的集塵器；附圖標(biāo)記47指示充氣口；以及 附圖標(biāo)記48指示排氣口。由于僅僅需要氛圍氣體填充由基座ll上的遮 蔽框40所圍繞的小空間，因此能夠縮短充填和排放氛圍氣體的時間并 減少氛圍氣體量。
為了減少氛圍氣體量，可以設(shè)置用于測量遮蔽框40中的氧氣濃度 的測氧計，以便僅當(dāng)氧氣濃度變得高于預(yù)定氧氣濃度時才供應(yīng)氛圍氣 體。
為了提高光束L的透射率，當(dāng)采用YAG激光器的光束L時窗41 可以由石英玻璃制成，而當(dāng)采用C02激光器的光束L時窗41可以由硒 化鋅制成。當(dāng)窗41構(gòu)造成用作f 6透鏡而不是構(gòu)造成平行板的形式時， 則光束L在燒結(jié)表面上匯聚成等直徑的部位，以便精確燒結(jié)。盡管可以 釆用動態(tài)聚焦透鏡來獲得等直徑的部位，但是這種透鏡需要作為附件安 裝在光學(xué)單元上，引起增大光學(xué)單元2的體積和重量的問題。
遮蔽框40可設(shè)置成能夠在升降架12的頂面上滑動的滑板18，以便 能夠在進行粉末層制備和打磨的位置與通過光束照射進行燒結(jié)的位置 之間容易地運動。
鑒于充填和排放氛圍氣體所需的時間、氣體的換氣效率以及對窗41 的防污要求，遮蔽框40的充氣口 47和排氣口 48優(yōu)選為將氛圍氣體沿 遮蔽框40的內(nèi)周斜向下引導(dǎo)至遮蔽框40的內(nèi)部空間，如圖9所示，從 而使氛圍氣體在所述內(nèi)部空間內(nèi)以渦旋的形式向下流動。
為了解決在過長時間使用的過程中煙霧使窗41變臟進而導(dǎo)致其對 光束L的透射率降低的問題，升降架12優(yōu)選為結(jié)合有用于清潔窗41 的清潔機構(gòu)。圖10中示出了清潔機構(gòu)的一個示例，其中清潔構(gòu)件51設(shè) 置在豎直延伸穿過升降架12的開口內(nèi)，并且由豎直運動氣缸53驅(qū)動以 上下運動并同時由馬達驅(qū)動以旋轉(zhuǎn)。清潔構(gòu)件51的表面上形成有清除 紙或無紡布并設(shè)置有用于配送清潔劑(加壓空氣或水)的噴口，以^便清 潔窗41的內(nèi)表面并清潔和擦除遮蔽框40內(nèi)壁上的灰塵。豎直運動氣缸 53設(shè)置在工作臺30上，使得清潔構(gòu)件51隨升降架12的豎直運動而進行豎直運動。
如圖ll所示，可以使用多個形成惰性氛圍的遮蔽框40或使用具有 多個窗41的遮蔽框40，使得當(dāng)其中一個窗41位于清潔機構(gòu)上方時另外 的窗定位在基座11上方。在這種情況下，同時進行燒結(jié)和清潔以消除 清洗等候時間，從而縮短疊層物體的制造時間。
清潔構(gòu)件51可以是活塞的形式，活塞實現(xiàn)將氛圍氣體強制充入和 排出遮蔽框40。清潔構(gòu)件51在被提升時將氛圍氣體排出遮蔽框40的內(nèi) 部空間，并在下降時將氛圍氣體吸入遮蔽框40的內(nèi)部空間。其中，充 氣口 47和排氣口 48均設(shè)置有閥，閥與清潔構(gòu)件(活塞51)聯(lián)鎖以打開 和關(guān)閉。
圖12示出了一種設(shè)備，其中升降架12設(shè)置有標(biāo)記目標(biāo)55，光束L 照射到標(biāo)記目標(biāo)以作標(biāo)記，并且其中設(shè)置有用于測量標(biāo)記目標(biāo)55上的 標(biāo)記部位的照射部位測量單元25。如圖12(a)所示，光束L照射到預(yù) 定部位以得到交叉線等標(biāo)記；然后如圖l2(b)所示，照射部位測量單 元25 (其圖像元件)獲取標(biāo)記的圖像并進行圖像處理以測量標(biāo)記的位 置。當(dāng)識別出標(biāo)記位置存在誤差時，對光學(xué)單元2的檢流計反射鏡的轉(zhuǎn) 角進行校正，從而保持將光束L以較高的精確度照射到所述部位。特別 地，通過以上配置，易于在制造疊層物體期間校正光束L的照射部位， 這有利于進行高度精確地?zé)Y(jié)。
圖13示出了在升降架12上設(shè)置有用于測量光束L能量的功率測量 計56。從接收到透過遮蔽框的窗41的光束L時功率測量計56的輸出 與去掉功率測量計從遮蔽框40直接接收到光束時功率測量計56的輸出 之間的差值得到指示窗41的臟污程度的光束L的衰減因子。因此，能 夠容易并恰當(dāng)?shù)嘏卸ǔ鰧Υ?1進行清潔的時間以提高制造效率并實現(xiàn) 持續(xù)成功的燒結(jié)。
如圖14所示，遮蔽框40和粉末供應(yīng)部15可形成在單個滑板18的 側(cè)部上?；?8可在升降架12的頂面上線性滑動，且在該滑板18的 縱向端部處設(shè)置有粉末供應(yīng)口 19并在其相對的縱向端部處限定出帶有 窗41的遮蔽框40。通過設(shè)置在升降架12側(cè)部上的諸如線性電機的線性 驅(qū)動器來驅(qū)動滑板18使其在升降架12的頂面上滑動。
使滑板18從圖14中所示的位置運動至圖14中的左側(cè)位置以在基座11上制備新的粉末層，隨后將光束L透過窗41照射到粉末層以進行 燒結(jié)。當(dāng)通過銑削單元3打磨物體9時，使滑板18返回到示出的位置 以露出基座11。
圖15示出了一種滑板18為圓盤形式的改型，滑板18由馬達驅(qū)動 從而以相對于升降架12的頂面滑動的方式繞其軸線旋轉(zhuǎn)?；?8本身 限定有具有粉末供應(yīng)口 19的粉末供應(yīng)部15以及具有窗41的遮蔽框40， 并且滑板18形成有銑削開口 39,銑削開口 39豎直延伸以便在打磨過程 中供銑削單元3使用。
通過旋轉(zhuǎn)滑板18，使形成在滑板18的外周部分中的粉末供應(yīng)部15、 遮蔽框40以及銑削開口 39相繼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與銑削開口 39之間的部分中形成有多個小 孔38以便吸取粉末(或在之前的打磨過程中產(chǎn)生的金屬屑)，從而能夠 在沒有未硬化粉末的情況下進行后續(xù)打磨并因此防止物體被未硬化的 粉末損傷或避免金屬屑混入隨后制備的粉末層中。
圖17示出了一種改型，其中結(jié)合有遮蔽框40的滑板18形成有粉 末供應(yīng)口 19和粉末吸取機構(gòu)。可線性滑動的滑板18在其沿滑動方向的 一個端部中設(shè)置有粉末供應(yīng)口 19并在相對于遮蔽框40的另 一端部處設(shè) 置有用于吸取粉末的吸嘴185。吸嘴185能夠沿在所述另一端部處形成 的狹縫184滑動，所述狹縫184形成為在與滑動方向垂直的方向上延伸， 并能夠在進行粉末8燒結(jié)或進行打磨之后運動到包含狹縫184的部分位 于基座ll上方時的位置，如圖17(c)所示的，從而驅(qū)動吸嘴185使其 沿狹縫184滑動用以吸取金屬屑或未硬化的粉末。
由于上述對可除去粉末的吸取，因此能夠制備無濺出物摻雜的均一 粉末層并由此獲得無缺陷的硬化層。當(dāng)采用清除粉末的步驟時，粉末供 應(yīng)部在隨后的供應(yīng)粉末以形成粉末層的步驟中提供更多的粉末。
當(dāng)滑板18與粉末供應(yīng)部15、遮蔽框40以及銑削開口 39 —體結(jié)合時， 能夠?qū)⒍鄠€基座11與單個升降架12組合，使得一邊向一個基座供應(yīng)粉末 并且一邊在另外的基座上進行燒結(jié)或打磨，或者一邊在其中一個基座11 上進行燒結(jié)并且一邊在另外的基座上進行打磨，這樣有助于同時并高效地 制造多個物體。
當(dāng)采用旋轉(zhuǎn)滑板18時，可以在滑板的外周區(qū)域中提供多個粉末供應(yīng)部15、多個遮蔽框40和/或多個銑削開口 39，以便制成緊湊的結(jié)構(gòu)或能夠容 易適用于上述多個基座11與單個升降架12的組合。
盡管在上述示出的實施方式和改型中光學(xué)單元2設(shè)置在銑削單元3的 側(cè)部上，但是如圖7所示，光學(xué)單元還可設(shè)置在遮蔽框40 (滑板18)的 側(cè)部上。
另外，當(dāng)光學(xué)單元2能夠拆離銑削單元3的機頭座31時，以可拆卸的 方式安裝光學(xué)單元2的安裝部31優(yōu)選能夠沿豎直方向改變光學(xué)單元2的 安裝位置，如圖18所示。
光學(xué)單元2的安裝高度越高，到工作表面的距離就越長，與到工作表 面的距離較短的情況相比，掃描機構(gòu)22同樣的掃描角度產(chǎn)生更長的掃描 路線，從而使得掃描速度提高。然而掃描角度的誤差也會導(dǎo)致工作表面上 的位置誤差增大。
因此，當(dāng)疊層物體不需要高精度而需要快速掃描以覆蓋寬范圍時，光 學(xué)單元2可安裝在相對較高的高度處以確?？焖傩纬捎不瘜樱?dāng)需要高 度精確地掃描時光學(xué)單元2可安裝在相對較低的高度處。
此外，當(dāng)光學(xué)單元2將光束L照射到物體的最外部時可選擇低安裝高 度，而當(dāng)光學(xué)單元2將光束L照射到相同物體的內(nèi)部時可選擇高安裝高度。
圖19示出了一種改型，其中設(shè)置有蓋193以關(guān)閉滑板18中的粉末供 應(yīng)口 19的上開口。包含蓋193以將粉末8與污物或灰塵、燒結(jié)時產(chǎn)生的 濺出物、或者打磨時產(chǎn)生的金屬屑隔離。
優(yōu)選地，蓋193構(gòu)造成與滑板18的滑動同步地打開和關(guān)閉。圖20中 示出的以可旋轉(zhuǎn)的方式支撐的蓋193在抵靠止動件194時旋轉(zhuǎn)并打開粉末 供應(yīng)口 19的上開口。
圖21示出了一種改型，其中升降架12設(shè)置有用于排放保持在升降架 12的頂面上的殘留粉末8的排放口 125。升降架12與滑板18之間僅留有 微小間隙，使得隨著滑板18滑動，將在基座11上積聚從而高過升降架12 頂面的粉末、金屬屑或濺出物朝升降架12的頂端的外周推擠。
排放口 125用于在不干擾滑板18滑動的情況下排放粉末和金屬 屑。排放的粉末8可通過濾網(wǎng)收集以便重復(fù)利用。
權(quán)利要求
1.一種疊層成形設(shè)備，所述設(shè)備包括粉末層制備裝置，所述粉末層制備裝置構(gòu)造成制備無機或有機粉末材料的粉末層；以及光學(xué)單元，所述光學(xué)單元構(gòu)造成將光束照射到所述粉末層的預(yù)期部分以燒結(jié)或熔融而使所述部分固化成硬化層，使得所述粉末層的制備和所述硬化層的硬化重復(fù)進行以制造層疊并一體結(jié)合有多個所述硬化層的三維物體，其中，所述設(shè)備還包括固定的基座，所述粉末層和所述硬化層承載在所述固定的基座上；升降架，所述升降架構(gòu)造成圍繞所述固定的基座的外周并能夠相對于所述固定的基座豎直運動，從而在所述基座上方限定出由所述升降架的內(nèi)表面所圍繞的空間以制備所述粉末層；以及升降驅(qū)動裝置，所述升降驅(qū)動裝置驅(qū)動所述升降架豎直運動。
2. —種疊層成形i殳備，所述設(shè)備包括粉末層制備裝置，所述粉末層制備裝置構(gòu)造成制備無機或有機粉末的 粉末層；光學(xué)單元，所述光學(xué)單元構(gòu)造成將光束照射到所述粉末層的預(yù)期部分 以燒結(jié)或熔融而使所述部分固化成硬化層，4吏得所述粉末層的制備和所述 硬化層的硬化反復(fù)進行以制造層疊并一體結(jié)合有多個所述硬化層的三維 物體；以及銑削單元，所述銑削單元設(shè)置成打磨正在制造的所述三維物體的前體 的表面，其中，所述設(shè)備還包括固定的基座，所述粉末層和所述硬化層承載在所述固定的基座上； 升降架，所述升降架構(gòu)造成圍繞所述固定的基座的外周并能夠相對于所述固定的基座豎直運動，從而在所述基座上方限定出由所述升降架的內(nèi)表面所圍繞的空間以制備所述粉末層；以及升降驅(qū)動裝置，所述升降驅(qū)動裝置驅(qū)動所述升降架豎直運動， 所述銑削單元為數(shù)控機器的形式，其具有至少能夠相對于三條軸線進行控制并固定于所述基座的工作臺。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的疊層成形設(shè)備，其中，所述粉末層制備裝 置包括滑板，所述滑板能夠在所述升降架的頂面上滑動并具有粉末供應(yīng) 口 ，所述粉末供應(yīng)口用于將所述粉末供應(yīng)到形成在所^&座上并由所述升 降架圍繞的所述空間中。
4. 如權(quán)利要求3所述的疊層成形設(shè)備，其中，所述粉末供應(yīng)口的尺寸構(gòu)造成具有垂直于所述滑板的滑動方向的寬 度，所述粉末供應(yīng)口的所述寬度大于所述基座的對應(yīng)寬度。
5. 如權(quán)利要求3或4所述的疊層成形設(shè)備，其中， 所述滑板設(shè)置有用于增大所述粉末的容積密度的構(gòu)件。
6. 如權(quán)利要求3至5中任一項所述的疊層成形設(shè)備，其中， 所述滑板設(shè)置有用于平整所述粉末層的表面的構(gòu)件。
7. 如權(quán)利要求1至6中任一項所述的疊層成形設(shè)備，所述設(shè)備還包括 遮蔽框，所述遮蔽框設(shè)置在所述升降架上并設(shè)置成具有敞開的底部并在所述遮蔽框的頂部開口中具有用于使所述光束透過的窗；以及氛圍氣體供應(yīng)裝置，所述氛圍氣體供應(yīng)裝置用于將氛圍氣體供入所述 遮蔽框內(nèi)。
8. 如權(quán)利要求7所述的疊層成形設(shè)備，其中，所述遮蔽框設(shè)置有用于將所述氛圍氣體以渦旋流的形式供入所述遮 蔽框內(nèi)的渦旋流形成裝置。
9. 如權(quán)利要求7或8所述的疊層成形設(shè)備，所述設(shè)備還包括 氧氣濃度測量計，所述氧氣濃度測量計用于測量所述遮蔽框的內(nèi)部空間中的氧氣濃度；所述氛圍氣體供應(yīng)裝置構(gòu)造成根據(jù)所述氧氣濃度測量計的輸出來供 應(yīng)所述氛圍氣體。
10. 如權(quán)利要求7至9中任一項所述的疊層成形設(shè)備，所述設(shè)備還包括活塞，所述活塞構(gòu)造成在所述遮蔽框內(nèi)豎直運動以便供應(yīng)和排放所述氛圍氣體。
11. 如權(quán)利要求7至10中任一項所述的疊層成形設(shè)備，其中， 所述窗是f 6透鏡的形式。
12. 如權(quán)利要求7至11中任一項所述的疊層成形設(shè)備，所述設(shè)備還包括清潔裝置，所述清潔裝置構(gòu)造成清潔包括所述窗的內(nèi)表面在內(nèi)的所述 遮蔽才匡的內(nèi)表面。
13. 如權(quán)利要求12所述的疊層成形設(shè)備，其中， 所述清潔裝置包括形成在所述升降架上的清潔構(gòu)件，所述清潔構(gòu)件形成能夠豎直運動并能夠在所述遮蔽框內(nèi)旋轉(zhuǎn)以便清潔包括所述窗的內(nèi)表 面在內(nèi)的所述遮蔽才匡的內(nèi)表面。
14. 如權(quán)利要求12或13所述的疊層成形設(shè)備，其中，設(shè)置有能夠在所述升降架的頂面上滑動的多個所述遮蔽框，使得當(dāng)所 述遮蔽框中的一個定位在所g座上時，另外的遮蔽框處于由所述清潔裝 置進行清潔的位置。
15. 如權(quán)利要求7至14中任一項所述的疊層成形設(shè)備，其中， 所述光學(xué)單元設(shè)置在所述遮蔽框的側(cè)部上。
16. 如權(quán)利要求1至15中任一項所述的疊層成形設(shè)備，所述設(shè)備還包括標(biāo)記目標(biāo)，所述標(biāo)記目標(biāo)i更置在所述升降架的頂面上，用于通過來自 所述光學(xué)單元的光束在所述標(biāo)記目標(biāo)上提供標(biāo)記；以及測量單元，所述測量單元構(gòu)造成測量所述標(biāo)記目標(biāo)上的所述標(biāo)記以獲 取對來自所述光學(xué)單元的光束預(yù)期的照射部位的補償數(shù)據(jù)。
17. 如權(quán)利要求1至16中任一項所述的疊層成形設(shè)備，所述設(shè)備還包括功率測量計，所述功率測量計設(shè)置在所述升降架的頂面上并構(gòu)造成測 量來自所述光學(xué)單元的光束的能量。
18. 如權(quán)利要求1或2所述的疊層成形設(shè)備，所述設(shè)備還包括 遮蔽框，所述遮蔽框設(shè)置在所述升降架上，所述遮蔽框具有敞開的底部并在所述遮蔽框的頂部開口中具有用于使所述光束透過的窗；氛圍氣體供應(yīng)裝置，所述氛圍氣體供應(yīng)裝置用于將氛圍氣體供入所述 遮蔽才匡內(nèi)；以及滑板，所述滑板能夠在所述升降架的頂面上滑動并設(shè)置有所述粉末層 制備裝置，所述遮蔽框形成所述滑板的一部分。
19. 如權(quán)利要求1或2所述的疊層成形設(shè)備，其中， 所述升降架構(gòu)造成圍繞所述多個基座中的每一個的外周并能夠相對于各個所述基座豎直運動，滑板設(shè)置成能夠在所述升降架的頂面上滑動，所述粉末層制備裝置設(shè)置在所述滑板上并設(shè)置成通過所述滑板的滑 動選擇性地在所述多個基座上或所述多個基座上方制備所述粉末層。
20. 如權(quán)利要求19所述的疊層成形設(shè)備，其中， 所述滑板設(shè)置有供所ii^制單元的刀具穿過的銑削開口 。
21. 如權(quán)利要求18至20中任一項所述的疊層成形設(shè)備，其中 所述滑板設(shè)置有吸取單元，所述吸取單元吸取所g座上的需要去除的未硬化的粉末。
22. 如權(quán)利要求18至21中任一項所述的疊層成形設(shè)備，其中， 所述滑板構(gòu)造成以相對于所述升降架的頂面滑動的方式旋轉(zhuǎn)。
23. 如權(quán)利要求18至22中任一項所述的疊層成形設(shè)備，其中， 所述光學(xué)單元設(shè)置成能夠相對于所述光束所照射的平面改變高度位置。
全文摘要
一種疊層成形設(shè)備，所述設(shè)備具有粉末層制備裝置和光學(xué)單元，光學(xué)單元將光束照射到粉末層的預(yù)期部分以燒結(jié)或熔融而使所述部分固化成硬化層。重復(fù)進行粉末層制備和硬化層硬化以制造層疊并一體結(jié)合有多個硬化層的三維物體。所述設(shè)備包括在承載粉末層和硬化層的固定的基座、圍繞固定的基座的外周的升降架以及用于驅(qū)動升降架豎直運動的驅(qū)動裝置。粉末層形成在位于基座上方由升降架的內(nèi)表面圍繞的空間內(nèi)，使得能夠在基座保持于固定位置處的情況下將粉末層(硬化層)疊置在基座上，從而有助于制造精確成形的物體。
文檔編號B29C67/00GK101541511SQ20088000062
公開日2009年9月23日 申請日期2008年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月30日
發(fā)明者不破勲, 東喜萬, 吉田德雄, 阿部諭 申請人:松下電工株式會社