[發明專利]生產三維物體的方法和裝置

有效

• 申請號: 200680055237.3
• 申請日: 2006-07-27
• 公開（公告）號: CN101479064A
• 公開（公告）日: 2009-07-08
• 發明（設計）人: 摩根·拉爾森;安德斯·斯尼斯
• 申請（專利權）人: 阿卡姆股份公司
• 主分類號: B22F3/105
• 分類號: B22F3/105;B29C67/00
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司
• 代理人: 蔡勝有;吳亦華

技術領域

本發明涉及用粉狀材料逐層生產三維物體的方法和裝置，所述粉狀材料可通過以高能束對其進行輻照而固化。具體地，本發明涉及使用電子束的粉末預熱方法。

背景技術

從例如US4863538、US5647931和SE524467中已知用于由粉狀材料逐層生產三維物體層的設備，所述粉狀材料層可通過以高能電磁輻射或電子束對其進行輻照而固化或熔合在一起。所述設備包括，例如，粉末供給、用于將粉末層施加于可豎直調節的平臺或工作區域上的裝置和用于在工作區域上面引導所述束的裝置。當所述束在工作區域上面移動時，所述粉末燒結或熔融并固化。

當使用高能束熔融或燒結粉末時，重要的是避免超過粉末的蒸發溫度，否則，粉末只會蒸發而非形成預期的產品。US2005/0186538公開了針對該問題的方法。在該方法中，在熔融/燒結階段，將激光束反復導向同一粉末目標區域以逐步升高粉末溫度。這樣，避免了過高的粉末溫度。

當使用電子束替代激光束時，情況有些不同。當電子束撞擊粉末時，在電子目標區域周圍形成電荷分布。如果所述電荷分布密度超過臨界極限，則會因為粉末顆粒會互相排斥而發生放電。所述放電的結果是粉末層的結構會被破壞。將根據US2005/0186538的方法應用于配置有電子束的粉末熔融/燒結裝置可能得到不好的結果，這是因為在該方法中未采取措施來避免放電。

對避免放電問題的一個解決方案是將諸如碳的導電材料添加至粉末以增加粉末的電導率。然而，該方案的缺點是，這種粉末混合物的固化工藝可能難以控制，并且所形成產品的性能可能受到不利影響。例如，機械強度可能降低。

發明內容

本發明的目的是提供一種由粉狀材料逐層生產三維物體的方法和裝置，該方法和裝置使粉狀材料以受控方式恰當地熔合在一起，并且對電子束和激光束這兩者都很適合。這個目的是通過獨立權利要求1和11中分別限定的方法和裝置來實現的。從屬權利要求包含本發明的優選實施方案、進一步的展開和變化方案。

本發明涉及一種利用粉狀材料逐層生產三維物體的方法，所述粉狀材料可通過以高能束對其進行輻照而固化。本發明的特征在于，所述方法包括以均勻預熱所述粉狀材料為一般目的的預熱步驟，隨后是以將所述粉狀材料熔合在一起為一般目的的固化步驟，其中所述預熱步驟包括子步驟，即通過沿分布在所述預熱粉末層區域上的路徑掃描所述束來掃描所述預熱粉末層區域，其中連續掃描的路徑以至少最小安全距離隔開，所述最小安全距離適用于防止不期望的來自所述連續掃描路徑的在所述預熱粉末層區域中的加和效應。

本發明方法的一個優點是，所述預熱步驟使粉末層被均勻加熱，以避免在后續固化步驟中在熔融金屬和粉末之間的界面中存在過大的溫度梯度。通過使用適于防止來自連續掃描路徑的加和效應的安全距離，可以避免第一路徑掃描期間沉積于粉末的能量加和到緊隨第一路徑之后掃描的第二路徑掃描期間沉積的能量。因此，在預熱階段期間也可以避免大的溫度梯度。

當使用電子束時，預熱還具有另一有利效果，那就是它增加了粉末的電導率。這又具有另一效果，即在后續固化步驟中可采用高的束電流。在使用電子束時，安全距離還具有額外的優點，那就是它消除了預熱步驟期間在相對冷的粉末中形成過大電荷密度的風險。因此，避免了粉末放電。

與使用例如加熱元件來加熱整個粉末床的相當明顯的替換方案相比，本發明使用所述束預熱粉末具有幾個優點。一個優點是無需更多的加熱設備。另一優點是，只有真正需要加熱的粉末床部分，即粉末床上層的一小部分被實際加熱。這使該方法非常有效。

在本發明方法的第一優選實施方案中，預熱步驟還包括再掃描所述預熱粉末層區域的子步驟。這樣，所述預熱區域可逐步且均勻地被加熱。優選地，再掃描所述預熱粉末層區域期間所采用的路徑相對于前次掃描所述預熱粉末層區域所采用的路徑有一定的間隔距離，其中所述間隔距離小于所述最小安全距離。這樣，在有必要采用其中路徑以短于最小安全距離的距離物理隔開的掃描模式的情形中，即需要額外的、更緊密設置的路徑的情形中，也可以獲得均勻預熱的粉末層區域。

在本發明方法的第二優選實施方案中，在預熱步驟期間提高束能量。這具有的優點是，初始時可將束能量保持在相當低的水平以避免大的電荷密度和/或溫度梯度，并且，隨粉末溫度升高提高束能量以盡可能加快預熱處理。在本發明方法的優選變化方案中，束能量在連續掃描或再掃描預熱粉末層區域之間逐步提高。這使得相對容易控制該過程并且使粉末預熱區域被均勻地加熱。

在本發明方法的第三優選實施方案中，所述束是電子束，其中通過提高束電流來提高束能量。