分层制造三维物体的方法与流程

本发明涉及一种分层制造三维物体的制造方法。

背景技术：

利用激光选择性地熔合多个粉末层是制造三维物体的一种方法。具体为，粉末铺送器将新的一层粉末均匀的铺送在工作缸的上表面形成加工平面，预热装置对铺送好的粉末层实施预热并到达设定的温度时，激光束开始选择性地对粉末层进行扫描，扫描位置为待制造的三维物体在该层相对应的横截面区域，该区域所对应的粉末材料在与激光束作用后温度迅速升高，瞬间熔化并在冷却后固化连接，扫描完成后工作缸下降对应的粉末层层厚，继续在工作缸上表面铺送一层新的粉末，根据三维物体在新的粉末层相对应的横截面区域实施激光扫描，通过逐层的叠加扫描固化，直至完成三维物体所有对应粉末层的固化。

加工过程中由于预热以及激光扫描作用，工作缸体中心区域的温度长时间的维持在较高的温度，当中心区域的温度与缸壁温差太大时，由于温度的不均匀会使得靠近缸壁的三维物体容易出现橘皮、收缩等现象。现有的做法是设置缸壁加热器，对缸壁实施加热以维持加工缸体的整体温度，理论上缸壁加热温度应该尽可能高，但实际中缸壁温度过高会使得缸壁周围的粉末开裂，严重时会导致三维物体加工失败，此外过高的缸壁温度对于设备的温度耐受有更高的要求。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供了一种通过激光对粉末层进行逐层制造从而获得三维物体的方法，可以使制造过程中加工区域的温度更加均匀，避免加工边缘区域由于温度较低而影响边缘区域三维物体的制造质量。

本发明的一种分层制造三维物体的方法，包括将一层粉末状的制造材料铺送在工作缸内的底板或者已经选择性熔合的层上，形成新的材料层；引导激光选择性地照射新的材料层上的熔合区域，所述熔合区域为待制造的三维物体在该层相对应的横截面区域。

其中，至少在一个待制造的三维物体所对应的横截面区域，引导激光在材料层上熔合至少一个包围所述横截面区域的外轮廓。

对于加工区域而言，该区域热量向外扩散越慢，温度越均匀，对于激光的熔合更为有利，许多三维物体在加工过程中发生的翘曲是因为温度场的不均匀造成的。工作缸缸壁由于温度相对较低，在粉末状的制造材料热传导不存在阻挡的情况下，靠近缸壁的粉末材料温度会相对低于工作缸加工中心区域，因此在材料层的熔合过程中，如果三维物体的横截面区域跨度较大或者位于缸壁附近，则容易因为热量分布不均匀而发生翘曲或者收缩现象。如果在加工区域设置一个热阻挡，将热量维持在加工区域内以减缓向缸壁扩散，则有利于在加工区域构建更加均匀的温度场，因此在加工区域的边界设置实心的、非粉末状态的热阻挡将带来更好的加工效果，令人意外的是，直接通过激光在三维物体的横截面区域外熔合实心的外轮廓，简单而实用的解决了这一问题。

作为本发明的进一步优选方案，所述外轮廓是封闭的。显然封闭的轮廓对于减缓热传导具有更好的效果。

作为本发明的进一步优选方案，所述外轮廓是非封闭的，其中间断小于等于20mm。当存在三维物体的横截面区域接近缸壁，与缸壁的间隙难以再通过激光熔合实心的边界时，外轮廓可以不需要封闭该区域。另外，当三维物体的横截面区域位于工作缸中心且面积很小，对于缸体边缘的温度场要求相对较低，因此外轮廓也可以是开放的，甚至可以不构建外轮廓。

作为本发明的进一步优选方案，所述外轮廓形状为圆形或矩形。外轮廓的形状可以根据横截面区域来进行匹配性设定，如果制造的三维物体比较大，外轮廓最好根据工作缸的形状来设定，常用的工作缸一般为立方体或者圆柱形，因此外轮廓的形状也适应性的设计为矩形或者圆形，此外，这类形状也能提高激光工作效率。

作为本发明的进一步优选方案，所述外轮廓与横截面区域最小距离为2mm。理论上说，外轮廓与横截面区域距离越小，热阻挡效果越好，同时能节省制造粉末材料和激光的工作时间，但外轮廓太小会给三维物体从轮廓中取出带来困难，还给三维物体完成后的粉末清理带来困难。

作为本发明的进一步优选方案，所述外轮廓的轮廓宽度为0.6-4mm。外轮廓的宽度越大，即实心区域越大，热量便越难以扩散，但同时需要激光熔合的时间和耗费的制造材料也越大，在外轮廓的轮廓宽度为0.6-4mm时，制造时间和制造材料的成本耗费是值得的，在这个范围之外，或者难以实现，或者制造时间和材料耗费太多。

作为本发明的进一步优选方案，相邻的材料层上的外轮廓彼此连接。热量的扩散是发散的，尽管某一层的外轮廓能够在一定程度上减缓该层粉末状态制造材料的热传导，但该层的热能除了向缸壁处横向传导外，还会向位于其下的已经熔合好的或者不需要熔合的层传导，如果相邻的材料层外轮廓是不连续的，热量会较多的从彼此间断的外轮廓逸出，而彼此连接的外轮廓则能较好的阻挡热量从间隙逸出。

作为本发明的进一步优选方案，在新的材料层上，激光先熔合三维物体相对应的横截面区域的外轮廓，再对横截面区域进行熔合。可以理解的是，先形成一个均匀的温度场，对于加工区域内的激光熔合更为有利。

本发明的激光对粉末层进行逐层制造从而获得三维物体的方法，通过在材料层上面利用激光熔合至少一个包围所述横截面区域的外轮廓，利用外轮廓的阻挡能减缓热量由加工中心区域向缸壁扩散，使得轮廓内加工区域温度更加均匀，提高了三维物体的加工质量。

附图说明

图1为一种三维物体及外轮廓的制造方法；

图2为另一种三维物体及外轮廓的制造方法。

具体实施方式

下面通过具体的实施方式结合附图来阐述本发明的方法。

实施例1：制造三维物体以及矩形的外轮廓。

使用湖南华曙高科技有限责任公司的选择性激光烧结设备FS403和聚酰胺粉末材料FS3200。图1所示的是制造包括三维物体和矩形状外轮廓的示意图，制造过程包括：先将三维物体3以及包括所有外轮廓2的三维CAD模型导入FS403设备中，进行分层切片处理；铺粉装置将粉末材料逐层的铺送在工作缸1的上表面形成材料层，其中每一个材料层的厚度为0.1mm；设备根据材料层上的三维物体和外轮廓的切片信息，控制激光在相对应的区域进行扫描，直至完成所有三维物体和外轮廓的构建；将三维物体从工作缸中取出，并进行粉末清理。

此处各层的外轮廓均为大小相等的矩形，跟随三维物体一起“生长”，最终形成的是一个上下不封闭的柱状空心立方体。三维物体每一层对应的横截面区域与对应的矩形外轮廓的距离大于4mm，轮廓的厚度控制在3mm左右。结果表明，三维物体发生翘曲和收缩的地方很少，制造质量得到提升。

实施例2：制造三维物体以及随形式的外轮廓。

使用湖南华曙高科技有限责任公司的选择性激光烧结设备FS403和聚酰胺粉末材料FS3200。图2所示的是制造包括三维物体和随形式外轮廓的示意图，制造过程包括：先将三维物体3和三维物体5以及包括所有外轮廓2和外轮廓4的三维CAD模型导入FS403设备中，进行分层切片处理；铺粉装置将粉末材料逐层的铺送在工作缸1的上表面形成材料层，其中每一个材料层的厚度为0.1mm；设备根据材料层上的三维物体和外轮廓的切片信息，控制激光在相对应的区域进行扫描，直至完成所有三维物体和外轮廓；将三维物体从工作缸中取出，并进行粉末清理。

在制造三维物体3时，其横截面区域所对应的外轮廓根据其形状，均使用大小相等且重叠的圆形，最终形成的是一个上下不封闭的柱状空心圆柱体，三维物体5形状不规则，其横截面区域所对应的外轮廓根据其形状，每一层的设置均与对应的横截面区域等距，最终形成一个根据三维物体形状进行包覆的外壳。三维物体每一层对应的横截面区域与对应的外轮廓的距离大于3mm，轮廓的厚度控制在2mm左右。结果表明，三维物体发生翘曲和收缩的地方很少，制造质量得到提升。

以上所述实施例仅表达了本发明的两种实施方式，应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。