[发明专利]加层制造方法和设备

说明书

技术领域

本发明涉及通过加层制造（ALM）尤其选择性激光熔化（SLM）或直接材料沉积（DMD）来制造三维对象的方法，和通过加层制造来制造三维对象的设备。

背景技术

加层制造被越来越多地用于快速制造原型或甚至最终部件，然后，也分别地被称为快速原型制造和快速制造。与涉及通过如切割、钻孔或其他机械加工从材料块去除材料的传统制造方法相比，加层制造直接从对象的数字表示逐层构造所需的三维对象。它也称为3D打印。

典型的加层制造方法包括在支撑板上设置粉末形式的制造产品的材料薄层，凭借激光照射来熔化、固化或烧结层的与正在制造的产品相对应的那些部分中的粉末，随后在初始层的顶上设置进一步的薄层材料并再次凭借激光照射来熔化、固化或烧结层的与正在制造的产品相对应的那些部分中的粉末，并且重复加工直到得到完整的对象。在每一层中，与产品不对应的粉末没有被照射并保持粉末形式，所以其可以在以后的阶段从对象去除。支撑板可设置有活动台，活动台可以在每次照射层过后下降与该层的厚度相等的距离，从而为每层的设置提供限定的初始条件。

鉴于此，应注意，原则上个体层不是材料的完整或连续层，而是仅在与正在制造的对象相对应的区域或包括这些区域的选定的范围内才包括材料的材料。

以上的已知的加层制造方法在腔室内实现，腔室内维持密切受控的恒定的惰性气体（例如，氩气）氛围，以尽量避免在激光照射下这些层与周围气体的反应。

这种形式的特定加层制造方法也称为选择性激光熔化（SLM）或直接材料沉积（DMD）。鉴于此，应注意为了同样的目的，使用电子束替代使用激光束也是可能的。使用电子束的特定加层制造方法也称为电子束熔化（EBM）。

如上面指出的那样，对象是以三维方式逐层构建的。这使得可使用同一个设备有效并快速地从各种材料（特别是金属材料，也可是塑料材料和陶瓷材料）制造不同的高度复杂的对象。例如，可以轻松地制得用其他技术很难生产的高度复杂的栅或蜂窝状结构。与传统的方法相比，对象的复杂度仅在造价上有一点影响。

尽管有这些优点，已知的加层制造方法还有一个主要缺点，即在制造的对象的不同部分中设置各种材料特性是困难和复杂的。例如，材料可在不同层之间改变，但这种改变费时、难以实现并增加制造成本。加层制造方法与其他普通的制造技术（比如，模塑、铸造、锻造或切割）一样具有这样的缺点。一般而言，制造渐变的对象是困难的或不可能的。

发明内容

因此，本发明的目的是设置通过加层制造来制造三维对象的方法和系统，使得能够以简单、快速和成本有效的方式选择性地改变正在制造的对象的不同部分中的材料性质。

这个目标是通过本发明公开的方法和设备来达到。方法和设备的有利实施方式为各个从属权利要求的主题。

根据以上描述的现有技术方法，根据本发明的通过加层制造来制造三维对象的方法包括在又称为建造腔室的腔室内的支撑构件上层叠地设置粉末形式材料的多个层，并且在设置后一层之前用激光或粒子束照射每一层。尽管优选使用激光束，但是在某些应用中，使用粒子束也可以是有益的。例如，假设在腔室内可以存在低压，则照射也可以凭借电子束生效。

典型地，这些层具有在20到100微米范围内的厚度，其中基于所需的表面光洁度和加工速度来选择这些厚度。仅在每层的与正在制造的三维对象相对应的这些部分选择性地照射该层，且照射是以相应层的材料在受照射部分局部熔化或烧结的方式进行的。这种局部熔化或烧结用来将受照射区域的粉末颗粒熔结在一起并作用于之前的层。

在整个制造加工的过程中或至少在每个激光或粒子束照射步骤期间，在腔室内维持具有受控的压力和成分的气体氛围。然而，与已知的加层制造方法不同的是，在制造加工的过程中或至少在每个激光或粒子束照射步骤期间，腔室内的气体氛围的压力和成分、每层的照射期间的束斑尺寸和/或气体氛围和/或层的气体氛围的温度是选择性改变的，从而选择性地实现所制造的三维对象中的不同层的不同特性。

根据第一个选项，腔室内的气体氛围的压力和成分中的至少一个是受控的，使得在这些层中的不同层的照射期间，在腔室内存在具有不同的预定压力和/或成分的至少两种不同的气体氛围。换句话说，腔室内的气体氛围的压力、成分或压力和成分在加工的过程中改变，使得这些层中的一个或多个受照射的气体氛围与其他层受照射的气体氛围是不同的。因此，两个或更多不同气体氛围可以用来照射多个层的不同子集。这使得必需在一对或多对相邻层的照射之间改变气体氛围。