[發明專利]用于制備三維物體的方法和裝置

有效

• 申請號: 201280063578.0
• 申請日: 2012-12-21
• 公開（公告）號: CN104010749B
• 公開（公告）日: 2018-03-27
• 發明（設計）人: C·貝薩克;F·皮亞洛;G·瓦爾朗
• 申請（專利權）人: 米其林集團總公司
• 主分類號: B22F3/00
• 分類號: B22F3/00;B22F3/105;B29C67/06
• 代理公司: 北京戈程知識產權代理有限公司11314
• 代理人: 程偉,王錦陽

技術領域

本發明涉及一種用于通過連續逐層固結粉狀材料的層的選定區而制備三維物體的方法和裝置，所述固結區對應于三維物體的連續部段。這種基于粉末的制造過程(也稱為增材制造)涉及使用電磁輻射(例如激光束)或粒子束(例如電子束)逐層完全或部分燒結或熔化粉末晶粒。

背景技術

能夠通過粉末的選擇性熔化由粉狀材料逐層制備三維物體的工具的一個例子從文獻US 4 863 538中已知。這種工具包括含微處理器的控制單元，所述含微處理器的控制單元用于在預先沉積于工具的支持件上的粉狀材料的層上控制和引導激光束的能量，以固結所述層的一部分，所述操作逐層重復。將待獲得的物體的連續橫截面載入微處理器中，所述微處理器控制激光束，以取決于物體的橫截面的輪廓而熔化粉末粒子。這種工具允許以良好的公差制備常規制造技術難以制備的復雜物體。然而，由于所述工具使用低功率激光束，其花費長時間來制造物體，因此所述工具經證實僅在制造相當小的原型時可用。

文獻US 6 007 764描述了一種解決方法，其用于改進使用激光束逐層地通過粉末的選擇性熔化而制得的三維物體的制造。根據所述文獻，將用于獲得三維物體的粉末(所述粉末由不透明粒子形成)與透明粒子(如二氧化硅粒子，所述粒子促進激光束的能量傳輸至粉末層中)混合。因此，激光束能夠進一步穿透至粉末中，且最后固結的層更好地粘附至預先凝固的那些層。作為一個變體，使用兩個激光源，一個預熱粉末，另一個熔化粉末粒子。盡管這必定有可能更快速地操作并使用更厚的粉末層，但將不同性質的粒子添加至物體的基底材料的粒子中具有如下風險：不僅改變組成，還改變物體后凝固的機械性質。

最近已開發了發射更強的激光束的電源。然而，已觀察到由粉末吸收的能量的量(尤其是如果為金屬粉末時)極小，因為激光束的能量的大部分被粉末粒子反射。因此，即使在這種制造過程中使用強激光束，其生產率仍保持較低。

此外，文獻WO 01/81031為已知的，所述文獻描述了一種用于制造三維物體的裝置，所述裝置包括用于待構造的物體的支持件、用于在所述支持件上分配連續粉末層的元件，和通過控制單元控制以選擇性熔化待制備的物體的橫截面的電子槍，所述橫截面由連續沉積于所述支持件上的粉末層連續形成。此外，所述裝置包括用于檢測在粉末層的表面上的溫度分配的設備，從而允許控制電子槍的操作參數，以防止溫差出現在各個層中，并因此防止獲得的物體中的應變。這種基于電子槍的裝置有可能施加比上述基于激光的裝置的功率更高的功率，因此它們更有效，并具有比基于激光的裝置更高的生產率。然而，由于難以聚焦電子束，且由于在電子束的沖擊點處的粉末晶粒電荷效應，已觀察到使用基于電子槍的裝置獲得的物體的表面品質比使用基于激光的裝置獲得的物體的表面品質更差。

此外，文獻WO 2004/056510描述了一種使用電子槍通過連續接合熔化粉末床的選定區而制備三維本體的方法。在所述文獻中，電子槍的操作原理為，能量轉移在同時傳播通過選定區的多個熔化區中發生，以形成三維本體的橫截面。盡管其允許進一步增加生產率，但如前述文獻的裝置那樣，所述方法不允許獲得具有高表面品質的部件。具體地，由于束的電子被高度加速，當它們碰撞粉末層時，它們具有相當大的動能，因此，粉狀材料從束的沖擊點周圍噴射。另外，由于組成電子束的粒子為帶電的，因此粉狀材料在沖擊點處變成帶電，因此，粒子趨于圍繞所述點移動位置，從而產生具有顯著粗糙度或甚至孔隙率的粉末的固結層。

文獻EP 2 156 941描述了一種使用激光束或電子束通過熔融粉末粒子而制造空氣或油過濾器的方法。所述文獻公開了優選使用電子束來制備油過濾器，因為相比于使用激光束，其獲得更高的孔隙率，由此有可能捕獲油粒子。

此外，用于基于陶瓷或玻璃陶瓷粉末的增材制造的機器由文獻EP2 292 357已知，所述機器使用兩個激光束，第一未聚焦激光束用于預熱粉末，第二聚焦激光束用于熔化粉末。也可使用電子束而不是激光束。實際上獲得具有改進機械性質的物體，但并未關注由此制得的物體的表面光潔度。

文獻DE 10 2010 0111059也是已知的，所述文獻描述了用于基于粉末的增材制造的另一種機器，所述機器包括用于同時逐層熔化粉末層的多個區的兩個電子束。實際上獲得具有高生產率的三維物體，但仍然未關注由此制得的物體的表面光潔度。

發明內容

本發明的目的在于減少這些缺點，并提供通過選擇性熔化粉末而制備三維物體的方法和裝置，從而允許以良好的生產率獲得具有復雜形狀和良好品質的表面光潔度的物體。