[发明专利]制作三维物体的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及制作三维物体的方法及装置，它用光束烧结并硬化粉末材料以获得目标物体。

背景技术

日本专利No.2620353公开了一种制作三维物体的方法，称为照相定形法(photo-shaping)。根据该专利，如图21A所示，光束L首先照射在一层粉末材料的预定部位上以形成一烧结层11，所述粉末材料可以是有机物质，也可以是无机物质。然后获得的烧结层11被覆盖了一层新的粉末材料，光束L照射在新层的预定部位上以形成一新的烧结层11，它将与下面层11相结合。重复进行这些过程，使许多烧结层11一层层牢固地叠压起来，形成烧结制品或三维物体。根据该方法，将三维物体的设计数据(计算机辅助设计的数据)的模型切成所需厚度的薄片，使基于获得的每一层的分段式数据用来引导光束L的照射。因此，没有计算机辅助制造设备，上面提及的方法也可用于制作任意形状的三维物体，相对于使用切削作业的方法，它可以更迅速地获得任何所需形状的物体。

然而，如图21A所示，根据该方法，由于其中产生的热传递会使不必要的粉末15粘附在烧结和硬化部位上，因此将在成形物体上形成一低密度的表面层16。

日本公开专利申请(未经审查)No.2000-73108公开了将图21B所示的阶梯状的、由烧结层11叠压而成的外部去除。然而，如图21C所示，即使去除了阶梯状的外部，低密度的表面层16仍然被保留着，并且会因此无法得到光滑的外表面。

此外，除非烧结层可在烧结过程中具有足够的密度(例如孔隙率小于5％)，否则即使在去除外部之后，由于烧结层表面仍有微孔，去除阶梯状的外部将无法产生平滑的外表面。

同样在成形之后，对成形物体进行精加工以去除低密度的表面层会对由成形物体的外形确定的精加工工具有所限制。例如，由于小直径的工具在长度上受到限制，有时会无法切削相对较深和较窄的沟槽。在这种情况下，需要附加的放电加工，但这会产生时间和成本方面的问题。

另外，由于采用粉末烧结法来制作整个三维物体，或由于采用激光光束烧结每一粉末层，因此根据待制作的三维物体的形状有时会花费大量的时间。

发明内容

本发明用于克服上述缺点。

本发明的一个目的是提供一种改进的方法和装置，它可以在短时间内制作三维物体。

本发明的另一目的是提供一种上述类型的方法和装置，它能够低价地、光滑地精加工该物体表面，而与其形状无关。

为了完成以上及其它的目的，本发明的方法包括下列步骤：(a)将一光束照射在一粉末层的预定部位上，形成一烧结层；(b)用新粉末层覆盖该烧结层；(c)将光束照射在新粉末层的预定部位上，形成与下面的烧结层相结合的另一烧结层；(d)重复步骤(b)和(c)，形成多个结合在一起的烧结层，它们的尺寸大于三维物体的目标形状的尺寸；以及(e)去除在步骤(d)中形成的成形物体的表面区域。

由于在步骤(d)的过程中进行了步骤(e)，可使物体表面的精加工不会受到精加工机器尺寸的限制，例如钻头的长度或类似因素。

本发明的方法在步骤(a)前还包括下列步骤：(a1)将一基部放置在烧结台上，该基部将构成三维物体的下部结构；(a2)加工该基部；以及(a3)将基部对准激光束照射的位置。

基部的设定将无需形成并烧结相当于基部厚度的一定数量的粉末层，可减少迄今经过多个烧结加工以制出三维物体所需的时间。基部的设定对于制作具有较高深宽比的狭窄沟槽的三维物体同样有效。

在步骤(a1)之前，将加工基部所需时间与形成和基部形状一样的许多烧结层所需时间相比较，如果可确定前者所需的时间短于后者，则应制作基部。

如果基部具有其中形成一些烧结层的一凹口或其上形成最底烧结层的平面，可以增加基部和烧结层之间的接合强度。

较佳的是，被去除的表面区域的厚度大于粘附在烧结层上的粉末材料所产生的低密度表面层的厚度。这种做法可以平滑地精加工物体的表面。

如果去除表面区域会暴露出烧结层，该暴露的表面密度将较高，并会因此变得平滑。

切削去除表面区域的较佳方法是，在步骤(e)前将光束照射在待去除部位上以使其软化。光束的照射将减少切削力，可减少切削时间并延长切削工具的使用寿命。

可用激光来去除表面区域。

有利的是，在步骤(e)后将光束照射在已去除表面区域的成形物体的一部分上，藉此增大该部分的密度。