專(zhuān)利名稱(chēng)：制作三維物體的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制作三維物體的方法及裝置，它用光束燒結(jié)并硬化粉末材料以獲得目標(biāo)物體。
然而，如圖21A所示，根據(jù)該方法，由于其中產(chǎn)生的熱傳遞會(huì)使不必要的粉末15粘附在燒結(jié)和硬化部位上，因此將在成形物體上形成一低密度的表面層16。
日本公開(kāi)專(zhuān)利申請(qǐng)(未經(jīng)審查)No.2000-73108公開(kāi)了將圖21B所示的階梯狀的、由燒結(jié)層11疊壓而成的外部去除。然而，如圖21C所示，即使去除了階梯狀的外部，低密度的表面層16仍然被保留著，并且會(huì)因此無(wú)法得到光滑的外表面。
此外，除非燒結(jié)層可在燒結(jié)過(guò)程中具有足夠的密度(例如孔隙率小于5％)，否則即使在去除外部之后，由于燒結(jié)層表面仍有微孔，去除階梯狀的外部將無(wú)法產(chǎn)生平滑的外表面。
同樣在成形之后，對(duì)成形物體進(jìn)行精加工以去除低密度的表面層會(huì)對(duì)由成形物體的外形確定的精加工工具有所限制。例如，由于小直徑的工具在長(zhǎng)度上受到限制，有時(shí)會(huì)無(wú)法切削相對(duì)較深和較窄的溝槽。在這種情況下，需要附加的放電加工，但這會(huì)產(chǎn)生時(shí)間和成本方面的問(wèn)題。
另外，由于采用粉末燒結(jié)法來(lái)制作整個(gè)三維物體，或由于采用激光光束燒結(jié)每一粉末層，因此根據(jù)待制作的三維物體的形狀有時(shí)會(huì)花費(fèi)大量的時(shí)間。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種改進(jìn)的方法和裝置，它可以在短時(shí)間內(nèi)制作三維物體。
本發(fā)明的另一目的是提供一種上述類(lèi)型的方法和裝置，它能夠低價(jià)地、光滑地精加工該物體表面，而與其形狀無(wú)關(guān)。
為了完成以上及其它的目的，本發(fā)明的方法包括下列步驟(a)將一光束照射在一粉末層的預(yù)定部位上，形成一燒結(jié)層；(b)用新粉末層覆蓋該燒結(jié)層；(c)將光束照射在新粉末層的預(yù)定部位上，形成與下面的燒結(jié)層相結(jié)合的另一燒結(jié)層；(d)重復(fù)步驟(b)和(c)，形成多個(gè)結(jié)合在一起的燒結(jié)層，它們的尺寸大于三維物體的目標(biāo)形狀的尺寸；以及(e)去除在步驟(d)中形成的成形物體的表面區(qū)域。
由于在步驟(d)的過(guò)程中進(jìn)行了步驟(e)，可使物體表面的精加工不會(huì)受到精加工機(jī)器尺寸的限制，例如鉆頭的長(zhǎng)度或類(lèi)似因素。
本發(fā)明的方法在步驟(a)前還包括下列步驟(a1)將一基部放置在燒結(jié)臺(tái)上，該基部將構(gòu)成三維物體的下部結(jié)構(gòu)；(a2)加工該基部；以及(a3)將基部對(duì)準(zhǔn)激光束照射的位置。
基部的設(shè)定將無(wú)需形成并燒結(jié)相當(dāng)于基部厚度的一定數(shù)量的粉末層，可減少迄今經(jīng)過(guò)多個(gè)燒結(jié)加工以制出三維物體所需的時(shí)間?；康脑O(shè)定對(duì)于制作具有較高深寬比的狹窄溝槽的三維物體同樣有效。
在步驟(a1)之前，將加工基部所需時(shí)間與形成和基部形狀一樣的許多燒結(jié)層所需時(shí)間相比較，如果可確定前者所需的時(shí)間短于后者，則應(yīng)制作基部。
如果基部具有其中形成一些燒結(jié)層的一凹口或其上形成最底燒結(jié)層的平面，可以增加基部和燒結(jié)層之間的接合強(qiáng)度。
較佳的是，被去除的表面區(qū)域的厚度大于粘附在燒結(jié)層上的粉末材料所產(chǎn)生的低密度表面層的厚度。這種做法可以平滑地精加工物體的表面。
如果去除表面區(qū)域會(huì)暴露出燒結(jié)層，該暴露的表面密度將較高，并會(huì)因此變得平滑。
切削去除表面區(qū)域的較佳方法是，在步驟(e)前將光束照射在待去除部位上以使其軟化。光束的照射將減少切削力，可減少切削時(shí)間并延長(zhǎng)切削工具的使用壽命。
可用激光來(lái)去除表面區(qū)域。
有利的是，在步驟(e)后將光束照射在已去除表面區(qū)域的成形物體的一部分上，藉此增大該部分的密度。
又一有利的是，在步驟(e)的過(guò)程中去除燒結(jié)層周?chē)奈礋Y(jié)粉末或去除表面區(qū)域所產(chǎn)生的切屑。這種做法可使此后形成的新粉末層不會(huì)受到這些切屑的不利影響。
在步驟(e)前，可以去除燒結(jié)層周?chē)奈礋Y(jié)粉末。在這種情況下，由于不會(huì)有切屑混入未燒結(jié)粉末，因此可重新使用未燒結(jié)粉末。
在步驟(e)后，將樹(shù)脂或蠟填入已去除未燒結(jié)粉末或切屑的空間中。使用樹(shù)脂或蠟可減少隨后形成一新粉末層時(shí)的粉末數(shù)量。
在步驟(e)前，可用冷凍的方法或使用樹(shù)脂或蠟?zāi)涛礋Y(jié)粉末。在這種情況下，無(wú)需重新填入粉末材料，只需簡(jiǎn)單地去除切屑即可。
另一方面，本發(fā)明的裝置包括一用于形成粉末層的粉末層形成部件、一用于形成燒結(jié)層的燒結(jié)層形成部件，它將光束照射在粉末層的預(yù)定部位上、一用于調(diào)節(jié)所述燒結(jié)層形成部件和燒結(jié)層之間的距離的距離調(diào)節(jié)器、以及一用于去除密度低于燒結(jié)層的密度的表面層的表面層去除部件。
上述構(gòu)造的裝置有助于提高物體表面的質(zhì)量。
該裝置還可包括一緊靠所述粉末層形成部件的排放件，它可用于排放未燒結(jié)粉末或表面層去除部件產(chǎn)生的切屑。該排放件可防止新粉末層受到切屑的不利影響。
該排放件可具有一驅(qū)動(dòng)件，它可沿每一待成形平面的輪廓線(xiàn)移動(dòng)排放件。
圖5A是許多燒結(jié)層的垂直剖視圖；圖5B是在去除表面區(qū)域后，許多燒結(jié)層的垂直剖視圖；圖6A是具有相同多余厚度的成形物體的垂直剖視圖；圖6B是與圖6A相似的示意圖，描述了具有不同多余厚度的另一成形物體；圖7是與圖6A相似的示意圖，描述了當(dāng)目標(biāo)物體具有平緩斜坡時(shí)切削的垂直間距；圖8是在光束照射在就位于切削工具前的一部分物體時(shí)的成形物體的立體圖；圖9與圖8相似，是光束照射在工具通過(guò)后的一部分上時(shí)的立體圖；

圖10示出了圖1所示的裝置經(jīng)過(guò)修改后的立體圖；圖11示出了圖1所示的裝置經(jīng)過(guò)另一修改后的立體圖；圖12A示出了設(shè)于上述成形物體上的吸入嘴的正視圖；圖12B示出了設(shè)于上述成形物體上的另一吸入嘴的正視圖；圖13A示出了與粉末容器相通的吸入嘴的正視圖；圖13B與圖13A相似，是在與切屑容器相通的吸入嘴的正視圖；圖14A示出了將樹(shù)脂或蠟填入已去除未燒結(jié)粉末的空間時(shí)成形物體的垂直剖視圖；圖14B與圖14A相似，是在圖14A的成形物體上形成新的粉末層時(shí)的示意圖；圖14C是與圖14A相似的示意圖，但描述了未燒結(jié)粉末冷凍凝固的情況；圖15示出了安裝在驅(qū)動(dòng)件上以驅(qū)動(dòng)校平刀片的吸入嘴的正視圖；圖16A是安裝在XY驅(qū)動(dòng)件上的專(zhuān)用吸入嘴的立體圖；圖16B是與圖16A相似的示意圖，描述了安裝在表面層去除部件的XY驅(qū)動(dòng)件上的吸入嘴；圖17示出了本發(fā)明的第二實(shí)施例的制作三維物體的裝置的立體圖；圖18A至18D示出了描述如何在基部上形成許多燒結(jié)層的正視圖；圖19是需要光束照射的位置對(duì)準(zhǔn)光束實(shí)際照射的位置時(shí)基部的俯視平面圖；圖20示出了一個(gè)三維物體示例的正視圖；圖21A是許多燒結(jié)層的垂直剖視圖，描述了其粘附不必要的粉末的狀態(tài)；圖21B是具有階梯狀外部的許多燒結(jié)層的垂直剖視圖；以及圖21C是在去除階梯狀外部后，許多燒結(jié)層的垂直剖視圖。
具體實(shí)施例方式
本申請(qǐng)分別基于申請(qǐng)于2000年10月5日的日本No.2000-306546以及申請(qǐng)于2001年6月26日的日本No.2001-192121的申請(qǐng)文本，下文將援引它們的全部?jī)?nèi)容作為參考。
現(xiàn)在請(qǐng)參照附圖，圖1中所示的是本發(fā)明的第一實(shí)施例的制作三維物體的裝置。所示裝置包括一用于形成粉末層10的粉末層形成部件2、一用于形成燒結(jié)層11的燒結(jié)層形成部件3以及一用于去除低密度表面層的表面層去除部件4。在圓筒體包圍的一空間里垂直移動(dòng)的燒結(jié)臺(tái)20上供應(yīng)有機(jī)或無(wú)機(jī)粉末材料，使用校平刀片21將粉末材料校平，可使粉末層形成部件2形成所需厚度為Δt1的粉末層10。驅(qū)動(dòng)件5驅(qū)使燒結(jié)臺(tái)20上下移動(dòng)。激光束發(fā)生器30發(fā)出的激光借助掃描光學(xué)系統(tǒng)照射在粉末層10上，使燒結(jié)層形成部件3形成燒結(jié)層11，所述掃描光學(xué)系統(tǒng)包括偏轉(zhuǎn)板31和類(lèi)似裝置。一激光振蕩器可較好地作為激光束發(fā)生器30。表面層去除部件4包括一安裝在其基部上的XY驅(qū)動(dòng)件40和一安裝在XY驅(qū)動(dòng)件40上的精加工機(jī)器41。較佳的XY驅(qū)動(dòng)件40可使用一線(xiàn)性電動(dòng)機(jī)來(lái)高速驅(qū)動(dòng)。可將一電流鏡較佳地作為偏轉(zhuǎn)板31。一切削機(jī)(諸如端銑床或鉆床)、激光束發(fā)生器或通過(guò)對(duì)著物體吹燒結(jié)粉末從而相對(duì)物體進(jìn)行塑性加工的噴砂機(jī)可較佳地用作為精加工機(jī)器41?？捎靡粯O坐標(biāo)驅(qū)動(dòng)件代替XY驅(qū)動(dòng)件40。
圖2描述了如何使用上面提到的裝置制作三維物體。如圖所示，有機(jī)或無(wú)機(jī)粉末材料首先被施加在安裝于燒結(jié)臺(tái)20上的基部22上，所述燒結(jié)臺(tái)可作為調(diào)節(jié)燒結(jié)層形成部件3和燒結(jié)層之間的距離的距離調(diào)節(jié)器。然后，校平刀片21將施加在基部22上的粉末材料校平，以形成第一粉末層10，一光束(激光束)L照射在第一粉末層10的所需部位上以將其燒結(jié)，因而形成與基部22相結(jié)合的燒結(jié)層11。
此后，燒結(jié)臺(tái)20被降低了一預(yù)定長(zhǎng)度并再次施加粉末材料和用校平刀片21將其校平，以形成第二粉末層10。光束L再次照射在第二粉末層10的所需部位上以將其燒結(jié)，因而形成與下面的燒結(jié)層11相結(jié)合的另一燒結(jié)層11。
反復(fù)進(jìn)行在燒結(jié)臺(tái)降低后形成一新粉末層10的過(guò)程和光束L照射在新的粉末層10的所需部位以形成新的燒結(jié)層11的過(guò)程，藉此制成三維物體。總體上具有平均直徑約為20微米的球形鐵粒粉末可以較好地作為粉末材料，二氧化碳激光器可較好地作為光束。每一粉末層10的較佳厚度Δt1約為0.05毫米。
圖3示意地描述了一個(gè)本發(fā)明的數(shù)據(jù)流程示例。該數(shù)據(jù)流程使理想的三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型有兩種數(shù)據(jù)，一種數(shù)據(jù)表示激光照射的路徑，另一種數(shù)據(jù)表示切削的路徑。從三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)中預(yù)先設(shè)計(jì)這些路徑，以示出理想的形狀。
激光照射的路徑基本上與傳統(tǒng)成形方法相同，其中以等距(在本實(shí)施例中為0.05毫米)對(duì)從三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型產(chǎn)生的STL數(shù)據(jù)進(jìn)行分層(slicing)所得到的每一部分的輪廓數(shù)據(jù)限定了目標(biāo)形狀。將輪廓數(shù)據(jù)加上激光照射條件(掃描速度、光點(diǎn)直徑、功率及類(lèi)似條件)以產(chǎn)生新數(shù)據(jù)，再使它們傳遞給精加工過(guò)程。
所獲得的切削路徑考慮到三維計(jì)算機(jī)輔助制造中使用的加工工具的直徑、種類(lèi)、進(jìn)給速度、旋轉(zhuǎn)速度等因素。表示該路徑的數(shù)據(jù)也將被傳遞給精加工過(guò)程。
激光燒結(jié)過(guò)程中使用表示激光照射路徑的數(shù)據(jù)，高速切削過(guò)程中則使用表示切削路徑的數(shù)據(jù)。反復(fù)進(jìn)行這二個(gè)過(guò)程以完成目標(biāo)物體。
較佳地引導(dǎo)光束的照射以使至少將三維物體的表面區(qū)域燒結(jié)為高密度(例如孔隙率小于5％)。此原因是即便表面層去除部件4去除表面層，如果表面區(qū)域密度較低，表面去除加工后露出的表面仍然是疏松的。因此，如圖4所示，模型數(shù)據(jù)被分成表面區(qū)域S和內(nèi)部區(qū)域N兩部分，光束在下列狀態(tài)下照射內(nèi)部區(qū)域N為疏松的，表面區(qū)域S在大部分粉末材料被熔化的情況下變?yōu)楦呙芏取?br> 在圖5A中，標(biāo)號(hào)12表示高密度區(qū)域，標(biāo)號(hào)16表示低密度表面層，如同上面所討論的，低密度表面層是由粉末材料的粘附產(chǎn)生的。位于高密度區(qū)域12里面的內(nèi)部的密度低于高密度區(qū)域12的密度，但高于低密度表面層16的密度。
在許多燒結(jié)層11的形成過(guò)程中，例如當(dāng)其總厚度達(dá)到銑刀頭41的工具長(zhǎng)度所預(yù)定的特定值時(shí)，表面層去除部件4開(kāi)始切削當(dāng)時(shí)已成形的三維物體的表面。例如，銑刀頭41的刀具(圓頭銑刀)直徑為1毫米，有效刀片長(zhǎng)度為3毫米，它們可以完成深度為3毫米的切削。因此，如果粉末層10的厚度Δt1為0.05毫米，在形成60層燒結(jié)層11時(shí)可使表面層去除部件4開(kāi)始驅(qū)動(dòng)。
如圖5A，這種表面層去除部件4可去除粉末粘附在成形物體的表面所產(chǎn)生的低密度表面層16，同時(shí)可切掉一部分高密度區(qū)域12，藉此使高密度區(qū)域12露在成形物體的整個(gè)表面之外，如圖5B所示。為此，燒結(jié)層11的形狀尺寸略大于理想形狀M。
通過(guò)示例，當(dāng)沿理想輪廓線(xiàn)的光束L在下面給定的條件下照射時(shí)，每一燒結(jié)層11的水平尺寸(寬度)可達(dá)到約0.3毫米，大于理想形狀M的水平尺寸。
激光功率200瓦激光光點(diǎn)直徑0.6毫米掃描速度50毫米/秒垂直方向上的多余厚度可等于或不同于水平方向上的多余厚度。修改表示理想形狀M的垂直尺寸的原始數(shù)據(jù)可得到燒結(jié)層11的外形的垂直尺寸。
圖6A描述了水平方向上的多余厚度基本上與垂直方向上的多余厚度相同的情況，而圖6B描述了水平方向上的多余厚度不同于垂直方向上的多余厚度的情況。在圖6A和6B中，虛線(xiàn)表示燒結(jié)層11的形狀，而實(shí)線(xiàn)表示理想形狀M。
如前所述，切削路徑與激光照射路徑由三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)確定。盡管可確定基于所謂輪廓線(xiàn)加工方法的切削路徑，但切削路徑的垂直間距不總是要求與燒結(jié)過(guò)程中的疊壓間距相同。如圖7所示，如果目標(biāo)物體具有平緩斜坡，就可減少垂直間距以得到平滑的表面。
在使用直徑為1毫米的圓頭銑刀進(jìn)行切削的情況下，較佳的是將工具的切削深度、進(jìn)給速度和旋轉(zhuǎn)速度分別設(shè)定在0.1-0.5毫米、5-50米/分和20,000-100,000轉(zhuǎn)/分。
切削將以圖8所示方式進(jìn)行。尤其是將具有較小能量密度的光束(激光束)L照射并加熱就位于工具44前的物體部分以使前者軟化后者。用工具44切削軟化的部分以減少切削力，可減少切削時(shí)間并延長(zhǎng)工具44的使用壽命。
也如圖9所示，光束L可照射就在工具44經(jīng)過(guò)后的部分上。這種做法可熔化并凝固或熱處理該部分，因而增大其密度。
圖10描述了圖1所示的裝置的修改。圖10所示的裝置包括一安裝在表面層去除部件4的XY驅(qū)動(dòng)件40上的照射頭35，它借助一光纖36以輸出從燒結(jié)層形成部件3的激光束發(fā)生器30接收到的光束。該構(gòu)造有助于減少零件的數(shù)量。
圖11描述了圖1所示的裝置的另一修改。圖11所示的裝置包括一位于精加工機(jī)器41附近的吸入嘴51以及一與吸入嘴51相連的空氣泵50。作為排放裝置的吸入嘴51用于將與切削同時(shí)產(chǎn)生的未燒結(jié)粉末或切屑排放出去。由于不僅未燒結(jié)粉末或切屑會(huì)阻止表面層去除部件4的去除作業(yè)，而且切屑偶爾會(huì)被校平刀片21所攜帶并妨礙校平刀片21形成平坦的粉末層10，因此吸入嘴51的設(shè)定是十分有效的。切屑被夾在校平刀片21和成形物體之間，偶爾會(huì)使校平刀片21停滯在該處。
圖12A描述了并排設(shè)置連接空氣泵50的吸入嘴51和銑削頭41的情況，而圖12B描述了同心設(shè)置吸入嘴51和銑削頭41的情況。在兩種情況下，吸入嘴51都緊靠在銑削頭41的附近。
如圖13A和13B所示，可將吸入嘴51設(shè)計(jì)為可選擇地與粉末容器52或切屑容器53相通。在這種情況下，使吸入嘴51在切削前與粉末容器52相通以引導(dǎo)未燒結(jié)粉末，以及是吸入嘴51在切削的同時(shí)與切屑容器52相通以引導(dǎo)切屑。這種做法不會(huì)使切屑混入未燒結(jié)粉末，以便重新使用未燒結(jié)粉末。
與此同時(shí)，如果未燒結(jié)粉末被吸入嘴51去除，那么在去除未燒結(jié)粉末后，燒結(jié)層(或多層)11上將需要大量粉末以形成新的粉末層10。多次反復(fù)進(jìn)行去除未燒結(jié)粉末的過(guò)程的情況下，在每次燒結(jié)前必須將粉末填入已去除的未燒結(jié)粉末的全部空間，導(dǎo)致?lián)p失大量時(shí)間。
為了解決該問(wèn)題，可將樹(shù)脂或蠟填滿(mǎn)這些空間，如圖14A所示，它們將被凝固以形成凝固部分18。如圖14B所示，在這種情況下，在最上面的燒結(jié)層11和凝固部分18上形成下一粉末層10，使其可以減少所需粉末的數(shù)量并防止切屑混入未燒結(jié)粉末中。
或者，如圖14C所示，未燒結(jié)粉末可以用冷凍的方法進(jìn)行凝固，例如從噴嘴54中吹出液態(tài)氮。如有必要，含有濕氣的氣體可與液態(tài)氮共同使用。
盡管在上述實(shí)施例中，表面層去除部件4使用一切削工具，但也可使用高功率激光器。通過(guò)示例，一具有最大輸出功率大于10千瓦的Q開(kāi)關(guān)YAG激光器(Q-switch YAG laser)通過(guò)使其立即蒸發(fā)可快速地去除低密度表面層16。此外，被去除部分并不局限于低密度表面層16。甚至是取決于目標(biāo)物體的形狀所產(chǎn)生的、原本多余的部分也可被去除。
如圖15所示，較佳的是可將吸入嘴51安裝在驅(qū)動(dòng)件上，該驅(qū)動(dòng)件可用來(lái)驅(qū)動(dòng)粉末層形成部件2的校平刀片21。該構(gòu)造不需要使用任何專(zhuān)門(mén)用于吸入嘴51的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，可簡(jiǎn)化裝置的結(jié)構(gòu)。
另一方面，如圖16A所示，吸入嘴51可以安裝在專(zhuān)用的XY驅(qū)動(dòng)件55上，或者如圖16B所示，安裝在表面層去除部件4的XY驅(qū)動(dòng)件40上。將XY驅(qū)動(dòng)件40或55設(shè)計(jì)成在精加工機(jī)器41的前面移動(dòng)的吸入嘴51，并且沿每一待成形平面的輪廓線(xiàn)移動(dòng)吸入嘴51，使吸入嘴51吸走燒結(jié)層(或多層)11周?chē)奈礋Y(jié)粉末。該構(gòu)造可防止表面層去除部件4將未燒結(jié)粉末夾住，可得到高精確的表面。
圖17描述了本發(fā)明的第二實(shí)施例的用來(lái)制作三維物體的裝置。其中所示的裝置包括一用于形成一粉末層10的粉末層形成部件2、一用于形成燒結(jié)層11的燒結(jié)層形成部件3以及一用于去除低密度表面層的表面層去除部件4。在一圓筒體圍繞的一空間內(nèi)垂直移動(dòng)的燒結(jié)臺(tái)20上施加有機(jī)或無(wú)機(jī)粉末材料，使用校平刀片21將粉末材料校平，可使粉末層形成部件2形成所需厚度為Δt1的粉末層10。驅(qū)動(dòng)件5驅(qū)使燒結(jié)臺(tái)20上下移動(dòng)。激光束發(fā)生器30發(fā)出的激光借助掃描光學(xué)系統(tǒng)照射在粉末層10上，使燒結(jié)層形成部件3形成燒結(jié)層11，所述掃描光纖系統(tǒng)包括偏轉(zhuǎn)板31和類(lèi)似裝置。表面層去除部件4包括安裝在其基部上的XY驅(qū)動(dòng)件40和安裝在XY驅(qū)動(dòng)件上的精加工機(jī)器41。圖17所示裝置進(jìn)一步包括一用于控制上述部件和設(shè)備的控制器60，還包括一帶有照相機(jī)64的對(duì)準(zhǔn)件62，該照相機(jī)可獲得燒結(jié)臺(tái)20上的圖像數(shù)據(jù)，控制器60可進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)程序。
在使用上述裝置制作理想形狀的三維物體的過(guò)程中，首先形成一具有形狀的基部22，該形狀對(duì)應(yīng)于三維物體的整個(gè)下部結(jié)構(gòu)或其一部分的結(jié)構(gòu)?；?2可以是任何能與其上形成的燒結(jié)層相結(jié)合的材料。
如圖18A所示，基部22置于燒結(jié)臺(tái)20上，由精加工機(jī)器41根據(jù)要求進(jìn)行所需的機(jī)加工?；诒硎緳C(jī)加工后的形狀的數(shù)據(jù)進(jìn)行該機(jī)加工，事先將預(yù)定條件加在三維物體的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)上，可獲得所述數(shù)據(jù)。
如圖18B所示，在加工后接通照相機(jī)64，通過(guò)獲得其圖像數(shù)據(jù)和探測(cè)從上方看到的輪廓線(xiàn)以確定燒結(jié)臺(tái)20上的基部22的位置，使得激光照射的位置可以與基部22的表面上將開(kāi)始燒結(jié)的位置一致。此后，具有較小能量密度的光束L在基部22的表面作標(biāo)記，照相機(jī)64可獲得標(biāo)記位置的圖像數(shù)據(jù)。此時(shí)，如圖19所示，如果光束L相對(duì)于基部22希望進(jìn)行照射的位置A偏離光束L實(shí)際照射的位置B，控制器60將發(fā)覺(jué)該基部22的坐標(biāo)和光束照射系統(tǒng)的坐標(biāo)之間的偏差，并予以校正。
如圖18C所示，在完成上述對(duì)準(zhǔn)之時(shí)，在燒結(jié)臺(tái)20上施加粉末材料，該粉末材料被校平刀片21校平，以形成一厚度為Δt1的粉末層10。然后，光束L照射粉末層10，用以燒結(jié)所需區(qū)域。在反復(fù)進(jìn)行粉末層10的形成和光束L的燒結(jié)之后，可獲得由基部22制成的下部結(jié)構(gòu)和許多燒結(jié)層11互相疊壓而成的上部結(jié)構(gòu)，如圖18D所示。
基部22的設(shè)定將不再需要疊壓并燒結(jié)相當(dāng)于基部22厚度的一定數(shù)量的粉末層10，這一費(fèi)時(shí)的工作可被免除。
如果機(jī)加工基部22所需的時(shí)間長(zhǎng)于形成與基部22形狀相同的許多燒結(jié)層11所需的時(shí)間，則基部22的設(shè)定將導(dǎo)致增加制作三維物體的時(shí)間。因此，將預(yù)先模擬機(jī)加工基部22的過(guò)程和形成燒結(jié)層11的過(guò)程，如果前者所需時(shí)間短于后者所需時(shí)間，可使用基部22。
如圖20所示，根據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步討論基部22的使用。
僅當(dāng)用機(jī)加工制作該結(jié)構(gòu)的部分C所需的時(shí)間短于層疊多層燒結(jié)層11制作部分C所需的時(shí)間時(shí)，圖20的結(jié)構(gòu)才可用作為基部22。相反，如果用機(jī)加工制作部分C所需的時(shí)間長(zhǎng)于層疊多層燒結(jié)層11制作部分C所需的時(shí)間，將對(duì)部分D進(jìn)行機(jī)加工以形成沒(méi)有部分C的基部22。
盡管已經(jīng)結(jié)合附圖以舉例的方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的敘述，然而應(yīng)當(dāng)注意的是，本技術(shù)領(lǐng)域的熟練人員將清楚會(huì)有多種變化和修改。因此，除非這些變化和修改脫離了本發(fā)明的精神和范圍，都可將它們解釋為包括于本發(fā)明中。
權(quán)利要求
1.一種制作三維物體的方法，它包括下列步驟(a)將一光束照射在一粉末層的預(yù)定部位上，形成一燒結(jié)層；(b)用新粉末層覆蓋該燒結(jié)層；(c)將光束照射在新粉末層的預(yù)定部位上，形成與下面的燒結(jié)層相結(jié)合的另一燒結(jié)層；(d)重復(fù)步驟(b)和(c)以形成多個(gè)結(jié)合在一起的燒結(jié)層，它們的尺寸大于三維物體的目標(biāo)形狀的尺寸；以及(e)去除在步驟(d)中形成的成形物體的一表面區(qū)域。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟(a)前還包括下列步驟(a1)將一基部放置在燒結(jié)臺(tái)上，所述基部將構(gòu)成三維物體的下部結(jié)構(gòu)；(a2)加工該基部；以及(a3)將基部對(duì)準(zhǔn)光束照射的位置。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，在步驟(a1)前還包括下列步驟將機(jī)加工基部所需的時(shí)間和形成與基部形狀相同的許多燒結(jié)層所需的時(shí)間相比較；以及如果可確定前者所需的時(shí)間短于后者，則應(yīng)制作基部。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，被去除的表面區(qū)域的厚度大于粘附在燒結(jié)層上的粉末材料所產(chǎn)生的表面層的厚度，該表面層的密度低于燒結(jié)層。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，去除表面區(qū)域?qū)⒙冻鰺Y(jié)層。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，用切削的方法去除表面區(qū)域。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，用激光去除表面區(qū)域。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟(e)前還包括步驟將光束照射在待去除的部位上，以軟化該部位。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟(e)后還包括步驟將光束照射在成形物體已去除了表面區(qū)域的部位上，因而可增大該部分的密度。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟(e)的過(guò)程中去除燒結(jié)層周?chē)奈礋Y(jié)粉末或去除表面區(qū)域所產(chǎn)生的切屑。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟(e)前還包括步驟去除燒結(jié)層周?chē)奈礋Y(jié)粉末。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，在步驟(e)后還包括步驟將樹(shù)脂或蠟填入已去除未燒結(jié)粉末或切屑的空間。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟(e)前還包括步驟凝固未燒結(jié)粉末。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，以冷凍的方法凝固未燒結(jié)粉末。
15.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，使用樹(shù)脂或蠟?zāi)涛礋Y(jié)粉末。
16.一種制作三維物體的裝置，包括一用于形成粉末層的粉末層形成部件；一用于形成燒結(jié)層的燒結(jié)層形成部件，它將光束照射在粉末層的預(yù)定部位上；一用于調(diào)節(jié)所述燒結(jié)層形成部件和燒結(jié)層之間距離的距離調(diào)節(jié)器；以及一用于去除密度低于燒結(jié)層的密度的表面層的表面層去除部件。
17.如權(quán)利要求16所述的裝置，其特征在于，還包括一緊靠所述粉末層形成部件的排放件，它可用于排放未燒結(jié)粉末或表面層去除部件所產(chǎn)生的切屑。
18.如權(quán)利要求16所述的裝置，其特征在于，還包括一排放件，它可用于排放未燒結(jié)粉末或表面層去除部件所產(chǎn)生的切屑，所述排放件具有一驅(qū)動(dòng)件，該驅(qū)動(dòng)件可沿每一待成形平面的輪廓線(xiàn)移動(dòng)所述排放件。
全文摘要
為了制作三維物體,首先將一光束照射在粉末層的預(yù)定部位上,形成一燒結(jié)層,然后該燒結(jié)層將被一新的粉末層覆蓋。將光束再次照射在新的粉末層的預(yù)定部位上,形成與下面的燒結(jié)層相結(jié)合的另一燒結(jié)層。重復(fù)進(jìn)行這些過(guò)程以形成多個(gè)結(jié)合在一起的燒結(jié)層,它們的尺寸大于三維物體的目標(biāo)形狀。在許多燒結(jié)層形成的過(guò)程中可去除當(dāng)時(shí)形成的成形物體的一表面區(qū)域。
文檔編號(hào)B22F3/16GK1347783SQ0114116
公開(kāi)日2002年5月8日 申請(qǐng)日期2001年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2000年10月5日
發(fā)明者阿部諭, 吉田德雄, 東喜萬(wàn), 峠山裕彥, 不破勛, 上永修士, 待田精造 申請(qǐng)人:松下電工株式會(huì)社