[发明专利]生产三维物体的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及用粉状材料逐层生产三维物体的方法和装置，所述粉状材料可通过以高能束对其进行辐照而固化。具体地，本发明涉及使用电子束的粉末预热方法。

背景技术

从例如US4863538、US5647931和SE524467中已知用于由粉状材料逐层生产三维物体层的设备，所述粉状材料层可通过以高能电磁辐射或电子束对其进行辐照而固化或熔合在一起。所述设备包括，例如，粉末供给、用于将粉末层施加于可竖直调节的平台或工作区域上的装置和用于在工作区域上面引导所述束的装置。当所述束在工作区域上面移动时，所述粉末烧结或熔融并固化。

当使用高能束熔融或烧结粉末时，重要的是避免超过粉末的蒸发温度，否则，粉末只会蒸发而非形成预期的产品。US2005/0186538公开了针对该问题的方法。在该方法中，在熔融/烧结阶段，将激光束反复导向同一粉末目标区域以逐步升高粉末温度。这样，避免了过高的粉末温度。

当使用电子束替代激光束时，情况有些不同。当电子束撞击粉末时，在电子目标区域周围形成电荷分布。如果所述电荷分布密度超过临界极限，则会因为粉末颗粒会互相排斥而发生放电。所述放电的结果是粉末层的结构会被破坏。将根据US2005/0186538的方法应用于配置有电子束的粉末熔融/烧结装置可能得到不好的结果，这是因为在该方法中未采取措施来避免放电。

对避免放电问题的一个解决方案是将诸如碳的导电材料添加至粉末以增加粉末的电导率。然而，该方案的缺点是，这种粉末混合物的固化工艺可能难以控制，并且所形成产品的性能可能受到不利影响。例如，机械强度可能降低。

发明内容

本发明的目的是提供一种由粉状材料逐层生产三维物体的方法和装置，该方法和装置使粉状材料以受控方式恰当地熔合在一起，并且对电子束和激光束这两者都很适合。这个目的是通过独立权利要求1和11中分别限定的方法和装置来实现的。从属权利要求包含本发明的优选实施方案、进一步的展开和变化方案。

本发明涉及一种利用粉状材料逐层生产三维物体的方法，所述粉状材料可通过以高能束对其进行辐照而固化。本发明的特征在于，所述方法包括以均匀预热所述粉状材料为一般目的的预热步骤，随后是以将所述粉状材料熔合在一起为一般目的的固化步骤，其中所述预热步骤包括子步骤，即通过沿分布在所述预热粉末层区域上的路径扫描所述束来扫描所述预热粉末层区域，其中连续扫描的路径以至少最小安全距离隔开，所述最小安全距离适用于防止不期望的来自所述连续扫描路径的在所述预热粉末层区域中的加和效应。

本发明方法的一个优点是，所述预热步骤使粉末层被均匀加热，以避免在后续固化步骤中在熔融金属和粉末之间的界面中存在过大的温度梯度。通过使用适于防止来自连续扫描路径的加和效应的安全距离，可以避免第一路径扫描期间沉积于粉末的能量加和到紧随第一路径之后扫描的第二路径扫描期间沉积的能量。因此，在预热阶段期间也可以避免大的温度梯度。

当使用电子束时，预热还具有另一有利效果，那就是它增加了粉末的电导率。这又具有另一效果，即在后续固化步骤中可采用高的束电流。在使用电子束时，安全距离还具有额外的优点，那就是它消除了预热步骤期间在相对冷的粉末中形成过大电荷密度的风险。因此，避免了粉末放电。

与使用例如加热元件来加热整个粉末床的相当明显的替换方案相比，本发明使用所述束预热粉末具有几个优点。一个优点是无需更多的加热设备。另一优点是，只有真正需要加热的粉末床部分，即粉末床上层的一小部分被实际加热。这使该方法非常有效。

在本发明方法的第一优选实施方案中，预热步骤还包括再扫描所述预热粉末层区域的子步骤。这样，所述预热区域可逐步且均匀地被加热。优选地，再扫描所述预热粉末层区域期间所采用的路径相对于前次扫描所述预热粉末层区域所采用的路径有一定的间隔距离，其中所述间隔距离小于所述最小安全距离。这样，在有必要采用其中路径以短于最小安全距离的距离物理隔开的扫描模式的情形中，即需要额外的、更紧密设置的路径的情形中，也可以获得均匀预热的粉末层区域。

在本发明方法的第二优选实施方案中，在预热步骤期间提高束能量。这具有的优点是，初始时可将束能量保持在相当低的水平以避免大的电荷密度和/或温度梯度，并且，随粉末温度升高提高束能量以尽可能加快预热处理。在本发明方法的优选变化方案中，束能量在连续扫描或再扫描预热粉末层区域之间逐步提高。这使得相对容易控制该过程并且使粉末预热区域被均匀地加热。

在本发明方法的第三优选实施方案中，所述束是电子束，其中通过提高束电流来提高束能量。