[發明專利]制造三維物體的裝置及方法

在審

• 申請號: 201510613458.9
• 申請日: 2015-09-24
• 公開（公告）號: CN105127424A
• 公開（公告）日: 2015-12-09
• 發明（設計）人: 鮑光;於安華;肖朋;尹志勇;彭偉
• 申請（專利權）人: 湖南華曙高科技有限責任公司
• 主分類號: B22F3/105
• 分類號: B22F3/105;B33Y30/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及三維物體制造技術領域，具體涉及通過光束逐層熔化粉末材料來制造三維物體的領域。

背景技術

通過光束輻射粉末狀材料來制造三維物體是一種已知的技術，例如使用激光逐層選擇性照射粉末狀材料來制造三維物體的選擇性激光燒結技術（SLS）和選區激光熔化技術（SLM）。這種制造技術過程中，常采用的激光輻射能給激光光斑范圍內的粉末材料一個瞬間的高能量輸出，使之迅速升溫并熔化，當激光束離開時，能量驟然下降導致原激光照射區域溫度瞬間下降，隨著激光源的移動，整個三維物體的的溫度將隨時間和空間急劇變化。當溫度變化太大時，容易造成應力集中，發生材料的翹曲變形，影響制造的三維物體的加工精度和物理性能，而較平緩的加工溫度變化梯度則能很好的避免這一問題。

在SLS技術中，為了解決因激光光斑移動引起的溫度驟變對加工三維物體的影響，常對工作腔內工作平面上的粉末材料進行預熱，使之達到與熔點接近的溫度，工作腔內也保持一定加工溫度，以此減小接受激光照射的粉末材料與周圍的粉末材料的溫差，減緩因激光束移動導致已熔化區域的溫度驟降趨勢，避免因溫差太大而發生變形。SLM技術常采用的粉末材料為金屬，金屬熔點要高于SLS技術常使用的尼龍或者蠟等材料熔點，因此一般不預熱金屬材料以接近其熔點，但會對金屬基板進行一定溫度的預熱以及制作三維物體的支撐結構來抑制因溫差太大而發生的變形問題。

發明內容

本發明的目的在于提供一種通過光束熔化粉末材料來制造三維物體的裝置和方法，用于獲得良好的光束加工溫度條件，減小因光斑的移動引起的溫度變化對加工三維物體的影響。

本發明提供一種通過光束逐層熔化粉末材料來制造三維物體的裝置，該裝置包括：

能量源，包括第一光源發生第一光束，以及第二光源，發生第二光束，其中第一光束聚焦光斑小于第二光束聚焦光斑；

光路系統，包括光束聚焦單元和光束偏轉單元，以及合束單元，合束單元用于將第一光束和第二光束合束，形成合束光；

以及一個三維物體工作腔。

進一步地，在所述光路系統中第一光束與第二光束經合束單元合束形成合束光后，經聚焦單元聚焦，通過光束偏轉單元進入三維物體工作腔。

進一步地，所述的光路系統還包括光整形單元，設置在合束單元之前，對第二光束實施整形。

進一步地，所述的光路系統還包括平頂光整形單元，設置在合束單元之前，將第二光束整形成平頂光束。

進一步地，所述的光路系統還包括光斑調節單元，用于調節第二光束的光斑大小。

進一步地，所述第一光源為固體激光器或二氧化碳激光器，第二光源為固體激光器或二氧化碳激光器或激光二極管。

更進一步地，所述合束光其光斑分為核心區和輪廓區，核心區能量密度高，輪廓區為核心區的外圍光斑區域，能量密度低，核心區與輪廓區的光斑區域嵌套。

本發明還提供了一種通過光束逐層熔化粉末材料來制造三維物體的方法，其特征在于，包括如下步驟：

a、在支撐體上或者已經固結好的層上，涂覆上粉末材料形成粉層；

b、將兩束具有不同聚焦光斑的光束合束形成合束光，導向三維物體截面在粉層相對應的位置上實施照射，其中合束光的光斑分為核心區和輪廓區，核心區用于熔化粉末材料，輪廓區用于粉末材料實施熱處理。

其中所述的熱處理包括：合束光輪廓區對粉末材料實施預熱處理，當合束光移動時，沿移動方向核心區后的部分輪廓區還對已經經過核心區加熱的材料實施保溫或退火處理。

根據本發明提供的通過光束逐層熔化粉末材料來制造三維物體的裝置，通過在光路系統中使用合束單元對不同的光束實施合束，形成具有良好加工質量的合束光并通過光束偏轉單元導向待加工粉末，得到的合束光既能熔化粉末材料，而且還能對粉末材料實施熱處理，能減小因光束加工三維物體過程中的溫度驟變對三維物體的制造精度和物理性能的影響。

根據本發明提供的通過光束逐層熔化粉末材料來制造三維物體的方法，通過將兩束具有不同聚焦光斑的光束合束形成合束光，合束光在加工過程中不僅可以熔化粉末材料，而且還能對周圍的粉末材料實施預熱，對已熔化的材料實施退火/保溫處理，能夠及時釋放材料的內應力，解決光束加工過程中的溫度驟變引起的內應力集中問題，從而提高三維物體的制造精度和物理性能。

附圖說明

圖1表示的是一種激光制造三維物體的裝置示意圖；

圖2表示的是圖1裝置中光路系統的實施方式；

圖3表示的是圖1裝置中光路系統又一實施方式；