一种制造三维物体的方法和设备技术

本发明专利技术描述一种通过能量束逐层的对粉末层扫描实现三维物体制造的方法，包括一层粉末材料铺送在底板或者已经固化的层上形成粉末层；预热光束对粉末层的至少部分区域实施预热，使预热区域的粉末温度到达设定值，预热光束的设置与粉末的吸收效率是相匹配的；能量束对三维物体在预热区域内相对应的横截面部位实施选择性扫描，完成粉末层的固化，其中预热光束是由单一波长的激光束，匀化形成能量分布均匀的光束并经过发散后，对预热区域实施预热。本方法能够快速且高效率的对使用粉末床增材制造技术中的粉末材料进行预热，从而减小三维物体在制造时与周围的温度差，减小内应力的产生，提高三维物体的制造质量。

Method and apparatus for manufacturing three-dimensional objects

The invention relates to an energy beam through layer by layer method to realize 3D manufacturing powder layer scanning, including a layer of powder material spreading and sending powder layer is formed at the bottom or solidified layer; preheating of the powder layer beam at least part of the implementation of the preheating temperature of the powder preheating area reaches a set value, the absorption efficiency and powder preheating beam are matched; energy beam cross section of parts of 3D object in the region corresponding to the implementation of pre selective scanning, complete curing powder layer, wherein the preheating beam is composed of a single wavelength laser beam, beam forming uniform distribution of energy and the divergence after the implementation of preheating of the preheating zone. This method can fast and efficient use of powder bed powder increasing material manufacturing technology in the preheating, thereby reducing the 3D object in the manufacture and the surrounding temperature difference, reduce stress, improve the manufacturing quality of 3D objects.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种通过能量束作用粉末逐层的制造三维物体的方法和相关设备。
技术介绍
常见的增材制造方法包括利用能量束（如激光或者电子束）在粉末材料的铺送层上有选择性的进行扫描，并通过逐层的扫描固化累加而最终获得三维物体。能量束的扫描位置为待制造的三维物体在该层相对应的横截面部位，该部位所对应的粉末材料在与能量束作用后温度迅速升高，瞬间实现材料熔化并在冷却后实现固化连接，一层扫描完成后在完成的扫描层上继续铺送一层新的粉末，根据三维物体在新的粉末层相对应的横截面部位扫描。扫描过程中，由于能量集中致使作用区域温度升高并与周围形成较大的温度差。以激光为能量源的选区激光烧结或选区激光熔化技术为例，激光扫描区域接受激光能量温度升高，与周围未扫描区域或已冷却区域形成温差，从而在三维物体内部产生内应力，严重时会导致三维物体发生翘曲变形，甚至造成断裂。现有技术通常在激光烧结设备的工作腔体内设置红外辐射加热器，对待扫描的粉末材料进行预热，从而减小激光扫描区域与周围区域的温度梯度，提高三维物体的制造质量。但存在的问题在于，红外辐射加热器辐射波长范围较宽，粉末对不同波长辐射吸收率不同而影响粉末表面的温度平衡，而且粉末材料吸收红外辐射到设定温度的时间较长，更因为加热器辐射的低指向性，使得工作腔体也会因辐射而升温，从而对腔体及腔体内的元件提出了更高的温度耐受要求。现有技术或者在制造金属三维物体的激光烧结设备基板下方设置加热器对基板进行预热，通过基板的热传导对三维物体进行保温，但基板传递热阻大，热量传递效率较低且升温耗时较长。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术的目的在于提供一种制造三维物体的方法和设备，能够快速且高效率的对使用粉末床增材制造技术中的粉末材料进行预热，从而减小三维物体在制造时与周围的温度差，减小内应力的产生，提高三维物体的制造质量。为实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：一种通过能量束逐层的对粉末层扫描实现三维物体制造的方法，包括如下步骤：（1）将一层粉末材料铺送在底板或已经固化的层上，形成粉末层；（2）预热光束对粉末层的至少部分区域实施预热，使预热区域的粉末温度到达设定值，其中预热光束的设置与粉末的吸收效率是相匹配的；（3）能量束对三维物体在预热区域内相对应的横截面部位实施扫描，完成粉末层的固化；（4）重复步骤（1）至（3），直至完成三维物体的制造；其中，预热光束是由单一波长的激光束，匀化形成能量分布均匀的光束并经过发散后，对预热区域实施预热。进一步的，所述预热区域至少分为一个预热单元区域，所述预热光束对预热单元区域依次实施预热，使预热区域的粉末温度到达设定值。进一步的，所述预热区域至少包括三维物体在粉末层相对应的横截面部位。进一步的，能量束在预热区域粉末温度到达设定值或在部分预热单元区域粉末温度到达设定值时，开启对三维物体在粉末层相对应的横截面部位的扫描。本专利技术还包括一种通过能量束逐层的对待制造的三维物体在粉末层相对应的横截面部位扫描实现三维物体制造的设备，包括，铺粉器，用于将粉末材料铺送在底板或已经选择性固化的层上，形成粉末层；能量源，用于产生能量束，能量束被导入粉末层上进行选择性的扫描，其中扫描的位置为待制造的三维物体在该层相对应的横截面部位；工作腔体，提供一个封闭工作区域，能量束在工作腔体内实现对粉末层的扫描，工作腔体内设置气流入口和气流出口，引入保护气流；预热系统，用于在能量束扫描前，对粉末层内预热区域的粉末实施预热；其中，所述预热系统包括激光单元，光束匀化单元，光束发散单元和控制单元，激光单元发射激光束，光束匀化单元将激光束转化成能量分布均匀的匀化光束，光束发散单元将匀化光束发散后形成预热光束，对预热区域实施可调节的辐射预热，激光单元的开启和关闭、激光束功率大小的调节以及预热区域的调节通过控制单元完成。进一步的，所述激光单元为单一波长的激光器。进一步的，所述预热系统包含光束偏转单元，用于对所述预热光束进行偏转，将预热光束导入工作腔体内设定的预热区域。进一步的，所述预热系统包括温度检测单元，设置于工作腔体内，用于探测预热区域的温度，并反馈给控制单元。进一步的，所述预热系统包括热交换单元，设置于气流出口处，用于与气流发生热交换，调节工作腔体内温度。进一步的，所述热交换单元为管壳式换热器。根据本专利技术的方法，适用于利用能量束逐层的对粉末材料的铺送层上有选择性的扫描最终形成三维物体，通过在能量束扫描粉末材料前，引入具有单一波长的激光束，该激光束与粉末材料的吸收率相匹配，经过匀化和发散后，对待扫描区域的粉末材料实施预热，减小因能量束扫描引起的局部区域温度骤升与周围环境形成的温差，减小内部内应力的产生，提高三维物体的制造质量。该方法具有以下优点：（1）采用波长单一、指向性高的激光对粉末实施预热，粉末吸收同一波长的激光易实现温度平衡，另外指向性高使得激光不向四周发散造成工作腔体的温度升高；（2）可以根据粉末的性质选择合适的激光器，使激光能量最大限度的被粉末吸收，减小粉末对激光的反射而造成工作腔体的温度升高；（3）使用激光预热能使得粉末在瞬间达到设定的温度，提高了效率；（4）经过匀化和发散的激光能使预热区域的粉末在短时间内形成均匀的温度场，有效减小了应力的产生，提高了三维物体的制造质量；（5）能通过提高激光功率将粉末快速预热到更高的温度，进一步提高三维零件的制造质量，并减小对工作腔体内元件的热影响。附图说明图1为根据本专利技术通过粉末逐层固化制造三维物体的设备的一个示例；图2为图1所示设备的预热系统；图3为根据本专利技术对粉末层进行分区域预热的一个示例。图中标记说明：1、成型缸支座；2、供粉缸支座；3、基板；4、铺粉器；5、工作平面；6、扫描偏转镜；7、窗口镜；8、预热偏转镜；9、预热激光器；10、匀化器；11、发散镜；12、控制器；13、温度探测器；14、驱动装置；15、气流出口；16、热交换器；17、成型缸；18、供粉缸；19、三维物体；20、框架；21、扫描光束；22、预热光束；23、扫描激光器。具体实施方式下面将参考图1和图2说明根据本专利技术的示例性用于制造三维物体的设备及其预热系统。如图1所示，是一种能执行本专利技术的一种设备的具体实施例，是一种选区激光熔化设备。该激光熔化设备具有一向上开口的成型缸17，在成型缸17中设置一用于支承待形成的三维物体19的支座2，支座2能够借助驱动装置14在成型缸17中沿垂直方向上下运动。成型缸17的上边缘确定工作平面5。在工作平面5上方设置有扫描激光器23，发射出扫描光束21并通过扫描偏转镜6导入到工作平面5上进行扫描，扫描的区域位置为待制造的三维物体19在工作平面5相对应的横截面部位。工作平面5上方还设有预热系统，其中由预热激光器9发射激光束通过匀化器10匀化和发散镜11发散后，经预热偏转镜8导入工作平面5的预热区域实施预热，控制器12控制预热激光器9的开启和关闭以及功率输出大小的调节和预热区域的位置调节。设备还包括铺粉器4，用于将一层待固化的粉末材料铺送到基板3表面或者已扫描固化的粉末层上，铺粉器4能够在工作平面5上来回运动，工作平面5上的粉末由供粉缸18通过支座1向上运动提供。框架20将工作平面5和提供粉末平面区域以上的区域与周围环境隔断形成工作腔体，防止粉末材料在激光扫本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种通过能量束逐层的对粉末层扫描实现三维物体制造的方法，包括如下步骤：（1）将一层粉末材料铺送在底板或已经固化的层上，形成粉末层；（2）预热光束对粉末层的至少部分区域实施预热，使预热区域的粉末温度到达设定值，其中预热光束的设置与粉末的吸收效率是相匹配的；（3）能量束对三维物体在预热区域内相对应的横截面部位实施扫描，完成粉末层的固化；（4）重复步骤（1）至（3），直至完成三维物体的制造；其特征在于，预热光束是由单一波长的激光束，匀化形成能量分布均匀的光束并经过发散后，对预热区域实施预热。

【技术特征摘要】
1.一种通过能量束逐层的对粉末层扫描实现三维物体制造的方法，包括如下步骤：（1）将一层粉末材料铺送在底板或已经固化的层上，形成粉末层；（2）预热光束对粉末层的至少部分区域实施预热，使预热区域的粉末温度到达设定值，其中预热光束的设置与粉末的吸收效率是相匹配的；（3）能量束对三维物体在预热区域内相对应的横截面部位实施扫描，完成粉末层的固化；（4）重复步骤（1）至（3），直至完成三维物体的制造；其特征在于，预热光束是由单一波长的激光束，匀化形成能量分布均匀的光束并经过发散后，对预热区域实施预热。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预热区域至少分为一个预热单元区域，所述预热光束对预热单元区域依次实施预热，使预热区域的粉末温度到达设定值。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述预热区域至少包括三维物体在粉末层相对应的横截面部位。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，能量束在预热区域粉末温度到达设定值或在部分预热单元区域粉末温度到达设定值时，开启对三维物体在粉末层相对应的横截面部位的扫描。5.一种通过能量束逐层的对粉末层扫描实现三维物体制造的设备，包括，铺粉器，用于将粉末材料铺送在底板或已经选择性固化的层上，形成粉末层；能量源，用于产生能量束，能量束被导入粉末层上进行选择性的...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭伟，鲍光，许小曙，
申请(专利权)人：湖南华曙高科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：湖南;43