用于制造三維物體的方法
【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分所述的用于逐層地制造三維物體的 方法。本發(fā)明尤其涉及一種用于激光燒結(jié)構(gòu)件的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 越來越多地，生成式制造方法不再僅用于母型或小批量的制造，而是趨向于借助 于層構(gòu)造法來批量生產(chǎn)全功能構(gòu)件。在批量生產(chǎn)時非常重要的方面是生產(chǎn)時間。但是，盡 可能短的生產(chǎn)時間通常與實現(xiàn)盡可能小的物體細節(jié)相矛盾。在層構(gòu)造法中該矛盾直接在構(gòu) 造參數(shù)上表現(xiàn)出：
[0003]例如如果在激光燒結(jié)時為用于固化構(gòu)造材料的照射選擇大的激光束焦點，那么這 縮短了構(gòu)造過程。然而，大的焦點降低了在待制造的物體上的可達到的細節(jié)精度。在層構(gòu) 造工藝中待涂覆的構(gòu)造材料層的厚度也最終反映出在構(gòu)造時間和細節(jié)精度之間的折衷。如 果選擇大的層厚度，那么層的總數(shù)量減少。但由此降低了細節(jié)精度，這主要在相對于垂直線 具有斜度的構(gòu)件表面的情況下表現(xiàn)出：層厚度越大，越不能完美地實現(xiàn)傾斜的表面。傾斜的 表面具有階梯輪廓，層厚度越大，階梯輪廓越粗糙。
[0004]DE4309524C1建議一種方法，其中，物體的表面區(qū)域借助于具有小直徑的激光束 進行固化，而物體的內(nèi)部區(qū)域借助于具有大直徑的激光束進行固化。對此，在涂覆預定厚度 的構(gòu)造材料層之后僅所述層的對應于物體表面的部分被固化，而內(nèi)部區(qū)域不進行固化。只 有在涂覆完N個層之后（其中N是大于1的整數(shù)），才借助于具有大直徑的激光束一次性固 化全部N個層的內(nèi)部區(qū)域。
[0005] 根據(jù)DE4309524C1的方法尤其在具有復雜地構(gòu)成的表面的復雜構(gòu)件中具有缺 點，因為復雜的表面導致每個物體橫截面的延展的邊緣線并且因而導致每個層的該輪廓線 的長時間的固化。
[0006]DE19727943A1描述一種用于優(yōu)化在構(gòu)造時間和細節(jié)精度之間的折衷的替選方 法。該文獻建議，在分析構(gòu)件之后將該構(gòu)件交互地分成多個部段并且為各個部段單獨確定 構(gòu)件層的厚度。由此能夠給關(guān)鍵區(qū)域、例如窄的連接片配置單獨的小的層厚度，而將較厚的 層配置給其它區(qū)域，例如構(gòu)件的垂直于所述層的壁。由此在整體上減少了構(gòu)造時間。
[0007] 根據(jù)DE19727934A1的方法尤其是放棄：為整個物體橫截面強制性地選擇一個 恒定的層厚度。僅在與關(guān)鍵區(qū)域相對應的部段中，層厚度選擇為小的。這樣的方法尤其在 制造層壓式物體時是有利的，其中，紙層相疊地粘接。然而，在立體光刻和激光燒結(jié)時，這樣 的方法產(chǎn)生下述問題：
[0008] 復雜的是：薄的構(gòu)造材料層僅被涂覆在結(jié)構(gòu)空間的與一個部段相對應的子區(qū)域 中，并且在結(jié)構(gòu)空間的其它子區(qū)域中沒有涂覆構(gòu)造材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 因此，本發(fā)明的任務在于，提供一種用于借助于通過電磁輻射或能量粒子輻射實 現(xiàn)的固化來逐層地制造三維物體的方法，其中，也針對這種物體的制造對在構(gòu)造時間和細 節(jié)精度之間的折衷進行優(yōu)化，其中，所要求的細節(jié)精度在物體內(nèi)部大幅度變化。
[0010] 所述任務通過根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法來解決。
[0011] 本發(fā)明的擴展在從屬權(quán)利要求中給出。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明，不像在DE4309524C1中那樣，在固化構(gòu)造材料時靜態(tài)地在物體橫截 面的內(nèi)部區(qū)域和物體橫截面的邊緣區(qū)域之間進行區(qū)分。不同于在DE19727934A1中的方 法，根據(jù)本發(fā)明，為了對在構(gòu)造時間和細節(jié)精度之間的折衷進一步優(yōu)化，不是調(diào)整層厚度， 而是調(diào)整用于構(gòu)造材料固化的照射參數(shù)。尤其是將需要高的細節(jié)精度的區(qū)域以與小的細節(jié) 精度就足夠的區(qū)域不同的方式和方法進行固化。
【附圖說明】
[0013] 借助于附圖由對實施例的說明得到本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點。在附圖中：
[0014] 圖1示出作為用于逐層地制造三維物體的設備的示例的激光燒結(jié)設備的示意圖；
[0015]圖2示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的待制造的物體的子區(qū)域的垂直于層的剖視 圖；
[0016]圖3示出根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的待制造的物體的垂直于被涂覆的層的剖視 圖。
【具體實施方式】
[0017] 圖1以示意的方式示出激光燒結(jié)設備，其作為用于借助于生成式制造方法逐層地 制造三維物體的設備的示例。能根據(jù)控制裝置的調(diào)整來實施按本發(fā)明的方法的設備具有向 上敞開的容器1，該容器具有能夠在其中沿豎直方向運動的支架2,該支架支承待形成的物 體。支架2沿豎直方向設定成，使得物體的各待固化的層位于工作平面6中。此外設有涂 覆機10、11，用于施加待通過電磁輻射固化的粉末狀構(gòu)造材料。設有激光器7作為電磁輻射 源。由激光器7產(chǎn)生的激光束8通過偏轉(zhuǎn)單元9轉(zhuǎn)向到工藝室100中并且在工作平面6中 的預定的點處聚焦。此外設有控制裝置40,該控制裝置以協(xié)調(diào)的方式控制設備的各組成部 分以實施構(gòu)造工藝。此外，所述控制與待制造的物體的CAD數(shù)據(jù)相關(guān)地被實施。
[0018] 能夠使用所有的適用于激光燒結(jié)法的粉末或粉末混合物作為粉末狀構(gòu)造材料。這 樣的粉末例如包括塑料粉末、如聚酰胺或聚苯乙烯、聚醚醚酮、金屬粉末如稀有金屬粉末或 者其它的適應于相應目的的金屬粉末、尤其是合金、塑料覆層的沙或陶瓷粉末。
[0019] 激光燒結(jié)設備的運行通常如此實現(xiàn)，即涂覆機10、11在構(gòu)造區(qū)域上方運動并且將 粉末層以預定的厚度d施加在整個構(gòu)造區(qū)域中，所述厚度不必對于所有層都相同。隨后，借 助激光束對物體3在工作平面6中的相應的層中的橫截面進行照射并且使那里的粉末固 化。然后，支架2下降并且施加新的粉末層。物體的制造通過該方式逐層地進行。在完成 之后，將物體取出并且必要時例如通過銑削進行再處理和/或進行質(zhì)量控制。
[0020] 在物體橫截面內(nèi)部能夠?qū)⑤喞獏^(qū)域和內(nèi)部區(qū)域進行區(qū)分。輪廓區(qū)域在此對應于物 體的邊緣區(qū)域（在數(shù)學-拓撲意義中的邊緣），而內(nèi)部區(qū)域是橫截面減去輪廓區(qū)域。在制成 的物體中，輪廓區(qū)域位于外表面上或者（在存在空腔或通道的情況下）也位于內(nèi)表面上。
[0021] 下面對如何能在剛才描述的激光燒結(jié)設備中實施按本發(fā)明的方法進行說明，其 中，僅描述相對于傳統(tǒng)方法的特性：
[0022] 在由構(gòu)造材料逐層地制成物體的生成式制造方法、例如激光燒結(jié)法中，首先存在 待制造的物體的CAD模型，所述物體被分解成層（所謂的分層（slicing))，所述層對應于 構(gòu)造材料的待固化的層。為了制造物體，包含關(guān)于物體的結(jié)構(gòu)信息的數(shù)據(jù)（也稱為生產(chǎn)數(shù) 據(jù)）由控制裝置40進行處理。根據(jù)本發(fā)明，物體的原始CAD模型在分解為層（分層）之前 被分成（分解成）模型子區(qū)域。因此，在分層之后至少在一部分層中存在對應于不同模型 子區(qū)域的區(qū)域。
[0023] 然后，在后續(xù)基于生產(chǎn)數(shù)據(jù)制造物體時將在一個層中的構(gòu)造材料在不同的模型子 區(qū)域中以不同的方式固化。通常通過進行分解可行的是，僅在下述模型子區(qū)域中提供具有 高的細節(jié)精度（Detailgenauigkeit)的耗時的固化：在這些模型子區(qū)域中這由于物體幾何 結(jié)構(gòu)、物體的使用目的或通過制造工藝預設的邊緣條件是必要的。盡管如此，在整個構(gòu)造區(qū) 域中以相同的厚度涂覆層。在不同的模型子區(qū)域方面的區(qū)分通過固化參數(shù)實現(xiàn)。
[0024] 通常足夠的是，在一個物體中分成兩個模型子區(qū)域：一個是應以高的細節(jié)精度被 固化的模型子區(qū)域，而另一個是能以較低的細節(jié)精度（并且因而更快速地）被固化的模型 子區(qū)域。盡管如此，也還能夠在固化條件中進行更大程度的區(qū)分，其方式為：設置多于兩個 模型子區(qū)域。為了形象地說明按本發(fā)明的方法，下面將所謂的關(guān)鍵區(qū)域和所謂的非關(guān)鍵區(qū) 域、即由三維CAD模型分解成的兩個模型子區(qū)域進行區(qū)分。
[0025] 圖2示出借助于根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的方法制成的物體的一個子區(qū)域的示 意性橫截面，其中剖面垂直于制成物體的粉末層延伸。在理想情況下在制成的物體上不再 看到在構(gòu)造過程中的層。然而為了形象地說明按本發(fā)明的方法，在圖2中物體如此被示出， 使得各個（方形表示的）固化區(qū)域是可見的，這些固化區(qū)域是例如激光束作用到粉末的這 些部位處的結(jié)果。
[0026] 在圖2中示出的制成的物體的特點是具有位于內(nèi)部的冷卻通道20,該冷卻通道具 有大的彎曲。由于所述彎曲和小的直徑而必要的是，制成具有高細節(jié)精度的冷卻通道壁區(qū) 域21。與此相反，物體橫截面的其余區(qū)域僅具有非常少的細節(jié)，從而在該區(qū)域中較大的結(jié) 構(gòu)類型也是可行的。因此，原始的CAD模型被分解為對應于壁區(qū)域21的區(qū)域作為關(guān)鍵區(qū)域 (第一模型子區(qū)域）和包括物體的整個其余體積的非關(guān)鍵區(qū)域（第二模型子區(qū)域）。
[0027] 構(gòu)造過程現(xiàn)在例如如此實施，使得逐層地以小的厚度d(例如40μm)涂覆構(gòu)造材 料，該厚度選擇為，使得在冷卻通道的壁區(qū)域21中能夠?qū)嵤┚哂懈呔鹊墓袒?。在細?jié)精 度方面被視為特別關(guān)鍵的表面區(qū)域21現(xiàn)在在每個層中在涂覆所述層之后就被固化，而被 涂覆的層的其余部分首先不被固化。在施加一定數(shù)量N的層之后（N是