способ и устройство для изготовления трехмерного объекта

Формула изобретения

1. Устройство для изготовления трехмерного объекта посредством упрочнения слоев конструкционного материала на соответствующих поперечному сечению объекта местах за счет воздействия электромагнитного или корпускулярного излучения, содержащее устройство (13) измерения температуры для бесконтактного измерения температуры конструкционного материала в измерительной зоне (14), которая является частичной зоной слоя конструкционного материала, отличающееся тем, что дополнительно содержит средство (15) регулирования положения для изменения положения измерительной зоны (14) устройства (13) измерения температуры независимо от изменения положения зоны, на которую воздействует электромагнитное или корпускулярное излучение.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство (15) регулирования положения содержит поворотное устройство (23, 25, 26) для изменения углового положения устройства (13) измерения температуры относительно слоя конструкционного материала.

3. Устройство по любому из п.1 или 2, отличающееся тем, что средство (15) регулирования положения содержит механические средства, с помощью которых устройство измерения температуры можно перемещать над слоем конструкционного материала.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство (15) регулирования положения содержит оптическую систему, с помощью которой испускаемое из измерительной зоны тепловое излучение можно отображать в устройство (13) измерения температуры и можно изменять положение измерительной зоны (14).

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что устройство (13) измерения температуры является точечным пирометром.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно содержит управляющее устройство (17), которое управляет средством (15) регулирования положения так, что измерительная зона (14) устройства (13) измерения температуры не перекрывает зону слоя, на которую как раз воздействует электромагнитное или корпускулярное излучение.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно содержит управляющее устройство (17), которое управляет воздействующим электромагнитным или корпускулярным излучением в зависимости от температуры, измеренной с помощью устройства (13) измерения температуры.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно содержит нагревательное устройство для конструкционного материала и управляющее устройство (17), которое управляет мощностью нагревания для конструкционного материала в зависимости от температуры, измеренной с помощью устройства (13) измерения температуры.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что устройство является лазерным агломерационным устройством.

10. Способ изготовления трехмерного объекта, содержащий этапы:

(a) нанесения слоя конструкционного материала, подлежащего упрочнению с помощью электромагнитного или корпускулярного излучения, на подложку или на упрочненный перед этим слой;

(b) упрочнения слоя конструкционного материала за счет воздействия электромагнитного или корпускулярного излучения на соответствующие поперечному сечению объекта места (30) в слое;

(с) повторения этапов (а) и (b) до полного изготовления трехмерного объекта (3),

отличающийся тем, что температуру конструкционного материала измеряют бесконтактным образом с помощью устройства (13) измерения температуры в измерительной зоне (14), которая является частичной зоной слоя, при этом положение измерительной зоны (14) устанавливают или изменяют с помощью средства (15) регулирования положения независимо от изменения положения зоны, на которую воздействует электромагнитное или корпускулярное излучение на стадии (b).

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что положение измерительной зоны (14) устанавливают или изменяют с помощью средства (15) регулирования положения так, что измерительная зона (14) не перекрывает зону в слое, которую как раз упрочняют или перед этим упрочняли в этом слое.

12. Способ по любому из п.10 или 11, отличающийся тем, что положение измерительной зоны (14) устанавливают или изменяют с помощью средства (15) регулирования положения так, что измерительная зона (14) не перекрывает еще подлежащую упрочнению зону в слое.

13. Способ по п.10, отличающийся тем, что конструкционный материал нагревают и применяемую для этого мощность нагревания регулируют в зависимости от температуры, измеренной устройством (13) измерения температуры.

14. Способ по п.10, отличающийся тем, что температуру конструкционного материала в слое измеряют в нескольких отличающихся друг от друга измерительных зонах.

15. Способ по п.14, отличающийся тем, что конструкционный материал нагревают в зависимости от зоны в нескольких, соответствующих нескольким измерительным зонам зонах нагревания, и мощность нагревания для различных зон нагревания регулируют или управляют в зависимости от температуры соответствующих измерительных зон.

16. Способ по п.10, отличающийся тем, что локальный ввод энергии излучения для упрочнения слоя регулируют в зависимости от температуры, измеренной устройством (13) измерения температуры.

17. Способ по п.10, отличающийся тем, что положение измерительной зоны устройства (13) измерения температуры изменяют посредством изменения угла (a) положения устройства измерения температуры относительно слоя конструкционного материала.

18. Способ по п.10, отличающийся тем, что положение измерительной зоны (14) устройства (13) измерения температуры изменяют посредством перемещения устройства (13) измерения температуры в плоскости над конструкционным материалом.

19. Способ по п.10, отличающийся тем, что положение измерительной зоны (14) устройства (13) измерения температуры изменяют посредством изменения переменной оптической системы.

20. Способ по п.10, отличающийся тем, что установку положения измерительной зоны (14) выполняют дополнительно так, что измерительная зона (14) имеет предварительно заданное расстояние от упрочненных ранее зон в самом верхнем слое и под ним.

21. Способ по п.10, отличающийся тем, что применяют порошкообразный конструкционный материал и в качестве облучающего устройства (6) лазер.

Описание изобретения к патенту

Данное изобретение относится к устройству и способу для изготовления трехмерного объекта, согласно ограничительной части пункта 1, соответственно, 10 формулы изобретения.

Подобное устройство и подобный способ известны из патента DE 10007711 С1. В нем приводится описание лазерного агломерационного устройства, в котором температуру спекаемого порошка на подвижной поверхности детектирования в зоне места спекания детектируют с помощью пирометра и при этом регулируют мощность лазера в зависимости от обнаруженной температуры.

При этом на измеряемую с помощью пирометра температуру значительно влияет тепловое излучение места спекания. В зависимости от степени экспонирования порошка изменяется излучательная способность поверхности (отношение испускаемой с поверхности энергии излучения к энергии излучения, испускаемой черным телом при одинаковой температуре), за счет чего искажается результат измерения. Кроме того, результат измерения температуры искажается отраженным лазерным излучением. Поэтому измеренная таким образом температура не является достоверной мерой температуры поверхности порошкового слоя. Однако температура поверхности порошкового слоя является в зависимости от применяемого материала (спекаемого порошка) при лазерном спекании решающим для качества изготавливаемой детали параметром.

Из патентных заявок ЕР 1466718 А2 и из ЕР 1296788 В1 известно устройство для изготовления трехмерных объектов, в котором температуру поверхности порошкового слоя по всей рабочей зоне измеряют одновременно с помощью инфракрасной камеры с разрешением в пространстве. При этом имеется одна трудность, заключающаяся в загрязнении оптической системы инфракрасной камеры. Это загрязнение, которое не полностью исключается с помощью продувки, приводит к тому, что результаты измерения искажаются в зависимости от местоположения. Другой недостаток этого измерения состоит в высокой стоимости инфракрасной камеры по сравнению с другими бесконтактными устройствами для измерения температуры, как, например, пирометром.

Поэтому в основу изобретения положена задача создания простого в обращении, недорогого устройства и простого и экономичного способа для изготовления трехмерного объекта посредством упрочнения слоев конструкционного материала на соответствующих поперечному сечению объекта местах за счет воздействия электромагнитного или корпускулярного излучения, с помощью которых можно надежно изготавливать трехмерные объекты высокого качества.

Задача решена с помощью устройства для изготовления трехмерного объекта, согласно пункту 1 формулы изобретения, и с помощью способа изготовления трехмерного объекта, согласно пункту 10 формулы изобретения. Модификации изобретения следуют из зависимых пунктов формулы изобретения.

Изобретение имеет, в частности, преимущество, состоящее в том, что температуру подлежащего упрочнению конструкционного материала можно измерять без влияния вносимой в конструкционный материал для упрочнения электромагнитным или корпускулярным излучением энергии излучения, и поэтому ее можно очень точно контролировать и/или регулировать.

Кроме того, изобретение имеет то преимущество, что для измерения температуры можно применять простой и недорогой точечный пирометр, который в противоположность инфракрасной камере не требует никакого охлаждения. Кроме того, для точечного пирометра необходимо значительно меньшее окно в технологической камере, чем для инфракрасной камеры. Небольшое окно, в свою очередь, значительно легче очищать посредством продувки от загрязнения технологическими газами, и это уменьшает опасность повреждения устройства для измерения температуры обратным лазерным отражением, когда в качестве источника излучения применяется лазер.

Дополнительно к этому, изобретение имеет то преимущество, что можно свободно выбирать зону измерения в каждом слое, т.е. ее можно изменять. Нет необходимости удерживать свободной остающуюся неизменной зону поля обработки для измерения температуры, а можно активно использовать в каждом слое остающуюся свободной зону в любом месте поля обработки для измерения температуры. За счет этого обеспечивается лучшее использование поля обработки для измерения температуры с помощью неподвижного точечного пирометра без средства регулирования положения.

Другое преимущество изобретения состоит в том, что в слое конструкционного материала можно детектировать температурный профиль, который можно затем применять для локальной коррекции мощности лазера с целью более точного регулирования вносимой энергии излучения в соответствии с оптимальным технологическим окном. Это приводит к более высокому качеству детали.

Кроме того, распределение температуры можно использовать в качестве входной переменной величины для управления зависящим от места нагреванием порошкового слоя. Компенсация локальных колебаний температуры обеспечивает более высокое качество детали.

Другие признаки и характеристики изобретения следуют из приведенного ниже описания примеров выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:

фиг.1 - схематичный вид примера выполнения устройства для изготовления трехмерного объекта;

фиг.2 - частичный разрез одного варианта выполнения устройства для измерения температуры; и

фиг.3 - схематичный вид части устройства, согласно фиг.1.

На фиг.1 показано лазерное агломерационное устройство в качестве примера выполнения устройства, согласно изобретению. Лазерное агломерационное устройство имеет контейнер 1, открытый вверх. В контейнере 1 предусмотрен носитель 2 для опоры подлежащего образованию объекта 3. Носитель 2 установлен с возможностью перемещения вверх и вниз в контейнере 1 в вертикальном направлении А с помощью привода 4. Верхний край контейнера 1 задает рабочую плоскость 5. Над рабочей плоскостью 5 расположено облучающее устройство 6 в виде лазера, которое испускает направленный лазерный луч 18, который с помощью отклоняющего устройства 7 отклоняется на рабочую плоскость 5. Кроме того, предусмотрено устройство 8 покрытия для нанесения слоя подлежащего упрочнению порошкообразного конструкционного материала на поверхность носителя 2 или одного конечного упрочняемого ранее слоя. Устройство 8 покрытия предназначено для перемещения туда и обратно над рабочей плоскостью 5 с помощью привода, схематично обозначенного стрелками В. С помощью двух дозирующих устройств 9 слева и справа от поля обработки в устройство покрытия подается порошок из двух контейнеров 10. Кроме того, слева и справа от поля обработки предусмотрены два переливных резервуара 11, которые могут принимать возникающий при нанесении слоев излишний порошок.

Кроме того, устройство содержит расположенное над рабочей плоскостью 5 нагревательное устройство 12 для нагревания порошкового слоя 19 и, в частности, для предварительного нагревания нанесенного, но еще не спеченного упрочненного порошкового слоя, до подходящей для спекания рабочей температуры Т_А. Нагревательное устройство 12 выполнено, например, в виде одного или нескольких теплоизлучателей, как, например, инфракрасных излучателей, которые расположены над рабочей плоскостью 5 так, что обеспечивается равномерное нагревание нанесенного порошкового слоя.

На расстоянии и над рабочей плоскостью 5 предусмотрено устройство 13 измерения температуры, которое служит для бесконтактного измерения температуры последнего нанесенного, соответственно, самого верхнего порошкового слоя. При этом устройство 13 измерения температуры измеряет среднюю температуру в измерительной зоне 14, которая занимает меньшую площадь, чем нанесенный в поле обработки порошковый слой. Местоположение измерительной зоны 14 устройства 13 измерения температуры можно изменять внутри рабочей плоскости с помощью средства 15 регулирования положения.

Технологическая камера 16 изолирует рабочую зону от окружения. За счет этого можно, при необходимости, исключать окисление порошка.

Управляющее и/или регулирующее устройство 17 служит для управления и/или регулирования мощности нагревательного устройства 12, мощности облучающего устройства 6, отклонения с помощью отклоняющего устройства 7 и для управления средством 15 регулирования положения, а также для считывания с устройства 13 измерения температуры измеренной температуры порошкового слоя 19. Для этого управляющее и/или регулирующее устройство 17 соединено с нагревательным устройством 12, устройством 13 измерения температуры, средством 15 регулирования положения, отклоняющим устройством 7, а также облучающим устройством 6.

На фиг.2 показан вид варианта выполнения устройства измерения температуры и средства регулирования положения.

Устройство 13 измерения температуры, согласно этому варианту выполнения, состоит из предусмотренного в корпусе 21 точечного пирометра 20. Корпус 21 защищает точечный пирометр 20 от механических и тепловых нагрузок и соединен со стенкой 22 технологической камеры 16 через шаровую шарнирную опору 23. Через окно 24 в корпусе 21 точечный пирометр 20 детектирует тепловое излучение из измерительной зоны 14 самого верхнего порошкового слоя. Для предотвращения загрязнения технологическими газами окно 24 продувается, например, азотом, так что технологические газы можно удалять из указанного окна 24.

Измерительную зону точечного пирометра 20 можно изменять посредством поворота относительно рабочей плоскости. При этом поворот точечного пирометра осуществляется с помощью двух серводвигателей 25 и 25', которые двумя серворычагами 27 и 27' сцеплены в точке 26 с корпусом 21 точечного пирометра. С помощью серводвигателя 25 корпус 21 точечного пирометра 20 поворачивается вокруг оси Y, а с помощью серводвигателя 25' - вокруг оси Х. Как показано, в частности, на фиг.3, за счет поворота точечного пирометра 20 вокруг оси Y на угол , положение измерительной зоны 14 перемещается вдоль оси Х на длину Х. Соответственно, положение измерительной зоны перемещается вдоль оси Y посредством поворота точечного пирометра 20 вокруг оси Х. Таким образом, положение измерительной зоны 14 точечного пирометра 20 можно изменять и регулировать полностью независимо от положения создаваемого облучающим устройством 6 в рабочей плоскости пятна луча. Это равнозначно тому, что между положением измерительной зоны 14 и положением пятна луча не имеется неизменной связи по положению.

Ниже приводится описание работы указанного выше лазерного агломерационного устройства, согласно первому варианту выполнения способа.

Сначала на носитель 2 наносят первый порошковый слой с помощью устройства 8 покрытия.

Решающим значением для качества изготовляемого объекта является, в частности, то, что температура подлежащего упрочнению самого верхнего порошкового слоя равна температуре в определенном диапазоне, а именно технологического окна. При температурах над этим технологическим окном порошок уже без дополнительной энергии излучения, по меньшей мере, частично упрочнен посредством спекания, в то время как при температурах ниже технологического окна в упрочненном слое образуются коробления или другие нежелательные термически обусловленные эффекты. В значительной степени проявляется также так называемый эффект завитка, при котором края упрочненного слоя отгибаются, соответственно, скручиваются, что объясняется слишком низкой температурой самого верхнего порошкового слоя. Поэтому для получения хороших результатов, в частности, для предотвращения короблений в изготовленном объекте, необходимо нанесенный устройством покрытия порошковый слой перед упрочнением нагревать с помощью нагревательного устройства 12 до рабочей температуры Т_А внутри технологического окна.

Для этого после нанесения порошкового слоя измеряют температуру этого слоя бесконтактным способом с помощью устройства 13 измерения температуры. В зависимости от измеренной при этом температуры определяют мощность нагревания нагревательного устройства 12. При этом положение измерительной зоны 14 устройства 13 измерения температуры регулируют средством 15 регулирования положения таким образом, что измерительная зона 14 не накладывается на зону 30 в слое, которая в следующей стадии будет упрочняться посредством облучения лазером. То есть, в способе, согласно первому варианту осуществления изобретения, в каждом слое перед упрочнением этого слоя активно выбирается не подлежащая облучению зона для измерения температуры поверхности самого верхнего порошкового слоя.

Измерительную зону в первом варианте осуществления изобретения предпочтительно выбирают так, что она находится на предварительно заданном расстоянии от подлежащих облучению зон в слое, а также от подлежащих облучению зон в нижних, уже упрочненных слоях. Чем больше это предварительно заданное расстояние, тем меньше влияние облученных зон на измерение температуры. В частности, можно также учитывать, что компактные спеченные зоны удерживают больше тепла и поэтому при одинаковом расстоянии до измерительной зоны оказывают большее влияние на измерение температуры, чем небольшие спеченные структуры.

После нагревания самого верхнего порошкового слоя до рабочей температуры Т _А посредством облучения лазером упрочняют соответствующие поперечному сечению объекта места в порошковом слое. После достижения рабочей температуры Т_А во время облучения лазером продолжают измерение температуры Т самого верхнего порошкового слоя и в зависимости от нее регулируют мощность нагревания нагревательного устройства 12 для удерживания температуры Т в технологическом окне.

После упрочнения одного слоя носитель 2 опускают на длину, соответствующую толщине одного слоя, и с помощью устройства 8 покрытия наносят новый порошковый слой на облученный перед этим лазером слой. Затем повторяют указанные выше стадии до завершения изготовления трехмерного объекта.

Изменение и/или регулирование положения измерительной зоны 14 в слое происходит, согласно первому варианту выполнения, перед упрочнением этого слоя и независимо от изменения положения зоны, на которую воздействует при упрочнении слоя электромагнитное или корпускулярное излучение (зоны пятна луча). Это равнозначно тому, что во время упрочнения слоя не существует остающегося постоянным неизменного соотношения между положением измерительной зоны 14 и положением зоны пятна луча.

За счет того, что положение измерительной зоны устройства измерения температуры в каждом слое лежит в неэкспонируемой зоне, то измерению температуры не оказывает помех облучение этой зоны лазером. Тем самым возможно очень точное регулирование и/или управление температурой самого верхнего порошкового слоя. Можно очень хорошо соблюдать технологическое окно и за счет этого изготавливать объекты высокого качества.

Во втором варианте выполнения способа, согласно изобретению, положение измерительной зоны изменяют также во время облучения. За счет этого измеряют температуру в слое в различных местах и тем самым определяют распределение температуры.

Измеренное таким образом распределение температуры поверхности порошкового слоя применяют в управляющем устройстве 17 для управления вносимой лазерным излучением энергии посредством управления локальной мощностью лазера облучающего устройства 6 и/или посредством управления скоростью развертки, с которой направленный лазерный луч перемещается по полю обработки с помощью отклоняющего устройства 7 во время облучения.

Так же, как в первом варианте осуществления изобретения, изменение и/или регулирование положения измерительной зоны в слое не зависит от изменения положения зоны пятна луча.

Способ, согласно второму варианту осуществления изобретения, имеет то преимущество, что посредством измерения распределения температуры в слое можно определять локальные повышения температуры самого верхнего слоя, которые вызываются соседними уже облученными зонами того же слоя или облученными зонами слоев под самым верхним слоем. За счет коррекции локальной мощности лазера облучающего устройства 6 и/или за счет управления скоростью развертки, с которой перемещается по полю обработки лазерный луч с помощью отклоняющего устройства 7 при облучении, можно более точно соблюдать технологическое окно для вносимой в порошок энергии и значительно повышать качество объекта, изготовленного с помощью способа.

Положение измерительной зоны во время экспонирования предпочтительно изменяют так, что она не перекрывает зону в слое, которая как раз упрочняется или уже была упрочнена. Таким образом, в способе, согласно второму варианту осуществления изобретения, так же, как и согласно первому варианту осуществления изобретения, можно исключать создание помех измерению температуры за счет облучения лазером.

Возможны альтернативы и модификации указанного выше устройства и указанного выше способа.

Устройство, согласно изобретению, было описано так, что положение измерительной зоны устройства измерения температуры изменяется посредством поворота с помощью серводвигателей. Однако положение измерительной зоны можно изменять также за счет наличия плоттерного механизма, который перемещает устройство измерения температуры над рабочей плоскостью вдоль оси Х и/или оси Y. Однако это имеет тот недостаток, что плоттерный механизм может создавать помехи прохождению лазерного луча.

Другая возможность изменения положения измерительной зоны устройства измерения температуры в рабочей плоскости состоит в наличия такой изменяемой оптической системы пирометра, с помощью которой тепловое излучение из измерительной зоны можно направлять на датчик теплового излучения в пирометре так, что за счет регулирования изменяемой оптической системы можно изменять положение измерительной зоны. В частности, изменяемая оптическая система может содержать поворотное зеркало, с помощью которого в зависимости от угла установки зеркала можно направлять тепловое излучение с различных направлений на датчик теплового излучения в пирометре.

Устройство, согласно изобретению, было описано так, что в нем применяется точечный пирометр в качестве устройства измерения температуры. Однако точно также можно применять многоточечный пирометр или инфракрасную камеру, которая имеет меньшую измерительную зону относительно поля обработки.

Можно также использовать однострочную камеру с зарядовой связью с проходящей вдоль оси Х измерительной зоной, при этом можно изменять положение измерительной зоны вдоль оси Y. И наоборот, можно также использовать однострочную камеру с зарядовой связью с проходящей вдоль оси Y измерительной зоной, при этом можно изменять положение измерительной зоны вдоль оси Х.

Вместо целенаправленного отклонения лазерного луча на рабочую поверхность с помощью отклоняющего устройства и направления на различные места рабочей области можно также перемещать объект относительно лазера.

Устройство покрытия описано так, что его можно перемещать туда и обратно над рабочей плоскостью. В качестве альтернативного решения, можно конструкционный материал также напылять или наносить другим образом в рабочей области в виде слоя.

Изобретение было описано на основе лазерного агломерационного устройства, в котором в качестве источника излучения применяется лазер. Однако можно применять любой другой источник излучения, с помощью которого можно вносить электромагнитное или корпускулярное излучение в конструкционный материал. Так, например, можно применять излучающий источник для излучения некогерентного светового излучения, инфракрасного излучения, рентгеновского излучения или электронного излучения в качестве источника излучения. В соответствии с этим необходимо применять конструкционный материал, который можно упрочнять соответствующим излучением.

В указанном выше устройстве в качестве нагревательного устройства применяется инфракрасный излучатель над рабочей плоскостью. Возможны также другие способы нагревания последнего нанесенного слоя конструкционного материала. Так, например, можно применять для предварительного нагревания слоя циркуляцию теплого воздуха или азота, который направляется над свеженанесенным слоем.

Было указано применение полученного согласно второму варианту осуществления распределения температуры для управления вносимой с помощью лазерного излучения энергии. Кроме того, распределение температуры можно применять также для управления нагревательным устройством 12 для нагревания поверхности порошкового слоя 19. В частности, можно управлять нагревательным устройством 12 с несколькими зонами, при этом каждой зоне нагревательного устройства 12 соответствует частичная область измеряемого распределения температуры с целью компенсации различий распределения температуры за счет различной мощности отдельных зон.

В способе, согласно первому или второму варианту осуществления изобретения, можно дополнительно к указанным регулированиям или изменениям положения измерительной зоны 14 изменять ее во время упрочнения так, что измерительная зона 14 временно перекрывает зоны, которые уже упрочнены или которые как раз упрочняются. Измеренные при этом температуры можно применять для проверки и/или управления мощностью облучающего устройства 6. Из изменения температуры в зависимости от времени ранее облученной зоны можно дополнительно делать выводы о теплоемкости, а также теплопроводности в направлении Х/Y, соответственно, Z. При этом теплоемкость и теплопроводность являются решающими величинами для оптимального выбора параметров процесса, как, например, мощности или скорости развертки упрочняющего излучения, или параметров регулирования предварительного нагревания порошка. Поэтому параметры процесса и тем самым качество деталей и время обработки можно оптимизировать в зависимости от таких измерений температуры.