СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЗДАНИЯ ТРЕХМЕРНЫХ ОБЪЕКТОВ
METHOD AND DEVICE FOR MARKING 3D STRUCTURES

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Данное изобретение относится к способу и устройству для послойного получения трехмерных объектов, путем использования порошкового материала, который может затвердевать при его облучении пучком высокой энергии.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Оборудование для послойного получения трехмерного объекта путем использования порошкового материала, который может затвердевать при облучении его электромагнитным излучением или пучком электронов, известно, например, из патентов US 4863538, US 5647931 и WO 2004/056511. Такое оборудование включает в себя, например, запас порошка, средство для нанесения слоя порошка на рабочую поверхность рабочего стола и средство для направления пучка по рабочей поверхности. Порошок спекается, или плавится и затвердевает при перемещении пучка или обработки им рабочей поверхности.
Для достижения требуемого качества продукции важно, чтобы наносимый слой порошка был равномерно распределен по рабочей поверхности, и чтобы толщина слоя была четко определена и соответствовала заданному значению. Кроме того, является предпочтительным, чтобы слой был быстро нанесен, для поддержания, насколько возможно, высокой производительности.
Обычно средство нанесения порошка включает в себя подающий элемент и распределительный элемент, где первый передает определенное количество порошка из запаса порошка к распределительному элементу, который, в свою очередь, распределяет порошок по рабочей поверхности. WO 2006/121374 раскрывает другой вариант, в котором уклон распределения установлен, чтобы быть подвижным по направлению и на определенном расстоянии к запасу порошка, например, работая как подающим, так и распределительным элементом.
В целях обеспечения качества и для обеспечения возможности, например, повторного нанесения слоя порошка, если нанесение порошка не корректно, было бы желательным определить толщину и однородность слоя порошка, который был нанесен на рабочую область. Однако путь, как сделать это легко и эффективно, не является очевидным независимо от того, какой тип средства нанесения порошка используется. Поэтому, фокусирование было в основном сделано на повышении надежности систем нанесения порошка.
Пример системы для мониторинга высоты/толщины поверхности слоя в устройстве для моделирования селективного осаждения (МСО) раскрыто в Патенте США 2002/0104973. В системе использован источник света, такой как лазер, который направляет пучок света вниз по направлению к слою не затвердевшего конструкционного материала. Фотоприемник, установленный под углом по отношению к источнику света, улавливает свет, рассеянный от поверхностей не отвердевшего слоя и отвердевшего слоя, расположенных внизу. Толщину не отвердевшего слоя затем вычисляют путем использования триангуляции. В описываемом применении используют жидкий конструкционный материал. Хотя раскрытая система может хорошо работать в определенных ситуациях, она не будет надлежащим образом работать при использовании непрозрачных конструкционных материалов, таких как металлический порошок. Кроме того, система требует дополнительное оборудование, которое сложно и дорого устанавливать в некоторых типах устройств.
Таким образом, еще есть необходимость в системе/способе для проверки толщины и распределения слоя порошка, который был нанесен на рабочую поверхность, в частности, в случаях, когда используется металлический порошок.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является обеспечение способа, который демонстрирует улучшенные свойства с точки зрения определения толщины слоя, по сравнению со стандартными способами. Эта задача достигается при использовании способа и соответствующего устройства, заданного техническими характеристиками, содержащимися в независимых пунктах 1 и 9 формулы изобретения. Зависимые пункты содержат предпочтительные варианты осуществления, дальнейшие усовершенствования и варианты изобретения.
Изобретение относится к способу для послойного получения трехмерных объектов, с использованием порошкового материала, который может затвердевать при его облучении пучком высокой энергии, причем упомянутый способ включает в себя этапы: нанесения первого слоя порошкового материала на рабочую область; отверждение части упомянутого первого слоя путем его облучения пучком высокой энергии; и нанесение второго слоя порошкового материала на первый, частично затвердевшего слоя.
Изобретенный способ характеризуется тем, что он включает в себя этап: определения скорости, при которой температура второго слоя повышается после нанесения первого слоя.
Поскольку более толстый слой, помещенный на горячую поверхность, будет нагреваться при более медленной скорости, чем более тонкий слой, по меньшей мере, что касается температуры поверхности слоя, можно связать скорость повышения температуры с толщиной слоя. Таким образом, изобретенный способ дает возможность определить толщину слоя путем определения скорости изменения температуры.
Порошковый слой, нанесенный на рабочую область, обычно нагревается относительно быстро из-за относительно быстрого теплового переноса от горячего, частично затвердевшего слоя (слоев), расположенных ниже. Хорошо известно использование устройств датчиков температуры, таких как термографических (инфракрасных) фотокамер или пирометров, предназначенных для измерения температуры поверхности нанесенного слоя порошка. Однако эти измерения обычно осуществляют в целях проверки температуры перед отверждением слоя, и они относятся к моменту времени, когда кривая изменения температуры выровнялась, т.е. когда температура нанесенного слоя порошка достигла и прошла максимальную температуру. В отличие от таких стандартных измерений, изобретенный способ относится к скорости, при которой температура слоя порошкового материала повышается до выравнивания температурной кривой.
Скорость повышения температуры может быть выражена несколькими путями. Обычно, температура в некотором местоположении на поверхности нанесенного порошкового слоя зависит от времени, истекшего с момента нанесения порошка в данном местоположении. Кроме того, скорость повышения температуры, или производная dT/dt в некотором местоположении будет в основном понижаться со временем и асимптотически приближаться к нулю (поскольку движущая сила, т.е. разность температур, понижается со временем). Одним примером выражения определенной скорости повышения температуры являются сведения о том, как она соответствует длине периода времени, начиная от момента нанесения порошка (в некотором местоположении) до момента времени достижения максимальной температуры (в том же местоположении). Другим примером является определение текущей скорости повышения температуры в некоторый момент времени. Еще одним примером является аппроксимация математической функции к измеренным данным о зависимости времени от температуры, и генерирование из этой аппроксимации функции параметра, соответствующего скорости повышения температуры. Независимо от того, как выражается определенная скорость повышения температуры, ее можно связать с толщиной слоя.
В варианте осуществления изобретения способ включает в себя этапы: измерения температуры, по меньшей мере, в одном местоположении упоминаемого второго слоя, с использованием устройства датчика температуры. Это является подходящим путем получения данных для осуществления изобретенного способа. Более того, датчик температуры, такой как термографическая фотокамера или пирометр, составляет во многих случаях даже часть устройства, используемого для типа производства трехмерных объектов, обсуждаемого в настоящей работе.
Предпочтительно, этап измерения температуры включал в себя этап: выполнения множества последовательных измерений температуры в том же, по меньшей мере, одном местоположении упомянутого второго слоя, причем упомянутое множество измерений осуществляют перед тем, как второй слой достиг максимальной температуры. Это означает, что получаются серии данных о температуре как функции времени за период времени, в течение периода которого температура второго слоя повышается. Такие серии данных очень полезны для определения скорости повышения температуры.
В еще одном варианте осуществления изобретения способ включает в себя этапы: измерения температуры во множестве местоположений на упомянутом втором слое, причем упомянутое множество местоположений распределено по поверхности второго слоя. Таким образом, становится возможным определить скорость повышения температуры на большой части второго слоя, предпочтительно, на всем слое, что, в свою очередь, дает возможность определить, равномерно ли распределена температура по слою.
В еще одном варианте осуществления изобретения устройство датчика температуры представляет собой термографическую камеру, которая, предпочтительно, направлена на верхнюю поверхность второго слоя.
В еще одном варианте осуществления изобретения способ включает в себя этапы: сопоставление выявленной скорости повышения температуры с одним или несколькими эталонными значениями. Такое сопоставление можно использовать для определения того, находится ли скорость повышения температуры, а, следовательно, и толщина слоя порошка в пределах некоторого приемлемого интервала. Его также можно использовать для определения фактической толщины слоя.
В еще одном варианте осуществления изобретения способ включает в себя этапы: аппроксимации математической функции к измеренным данным, полученным из упомянутого множества последовательных измерений температуры. Это является эффективным способом обработки измеренных данных, и, кроме того, аппроксимированная функция, т.е. аппроксимированные параметры пригодны для определения скорости повышения температуры. Является предпочтительным, чтобы функция, используемая для аппроксимации, представляла собой корректную теоретическую функцию для равновесия температуры, включающую в себя теплопроводность, поступающего из нижележащего слоя (слоев), и тепловое излучение, из второго, верхнего слоя.
Изобретение также относится к устройству для послойного получения трехмерных объектов с использованием порошкового материала, который может затвердевать при его облучении пучком высокой энергии, причем это устройство спроектировано для функционирования согласно вышеописанному способу.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
В приведенном ниже описании изобретения имеется ссылка на следующие Фигуры, на которых:
Фиг.1 показывает схематический вид варианта осуществления устройства, пригодного для осуществления изобретенного способа,
Фиг.2 показывает схематический пример измеренных и аппроксимированных данных по температуре «тонкого» порошкового слоя, и
Фиг.3 показывает схематический пример измеренных и аппроксимированных данных по температуре «толстого» порошкового слоя.
ОПИСАНИЕ ПРИМЕРНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фиг.1 схематически показывает предпочтительный вариант осуществления изобретенного устройства 1 для послойного получения трехмерного объекта 6 с использованием порошкового материала, который может затвердевать при облучении его пучком энергии. Описываемое устройство 1 пригодно для применения изобретенного способа. Устройство 1 содержит электронную пушку 3, пригодную для генерирования электронного пучка 4 в вакуумированной камере 2. Порошковый пласт 7, т.е. множество частичных затвердевших слоев, помещенных поверх друг друга, расположен на рабочем столе 9, отрегулированном по высоте. Порошок, который в данном примере изготовлен из металлического материала, извлекают из запаса порошка (не показан) и послойно наносят на рабочий стол 9, с использованием элемента 12, распределяющего порошок. Верхняя часть порошкового пласта 7 образует рабочую область 5, по которой осуществляют сканирование электронным лучом 4 во время излучения. После облучения и сплавления выбранных частей первого, верхнего порошкового слоя, нанесенного на рабочую область 5, второй, новый слой порошка 8, распределяют по рабочей области 5 поверх порошкового пласта 7. Эти части, а также то, как управлять электронной пушкой 3, как устанавливать вакуум в камере 2, и т.д., хорошо известно специалистам в данной области техники.
Изобретенное устройство 1 дополнительно содержит температурный датчик в форме цифровой термографической фотокамеры 14 (иногда также называемой, например, «ИК-камерой»), расположенной снаружи камеры 2 на уровне выше и со стороны рабочей области 5, и направленной под углом вниз, по направлению к рабочей области 5, т.е. по направлению к верхней поверхности самого верхнего порошкового слоя. Окно 15, которое является прозрачным для длин волн соответствующего излучения, расположено в стенке камеры 2, таким образом, что оно позволяет фотокамере 14 воспринимать температуру рабочей области 5. Фотокамера 14 электрически соединена с блоком управления 11, которая, в свою очередь, электрически подключена в целях управления, например, электронной пушкой 3 и оборудованием, управляющей элементом 12, распределяющим порошок. Электронные соединения обозначены пунктирными линиями 13. Для уменьшения угла между камерой 14 и рабочей областью 5 фотокамера 14 и окно 15 могут быть вместо этого установлены на верхней стороне камеры 2, на некотором расстоянии от поверхности электронной пушки 3.
Сигналы, поступающие из термографической фотокамеры 14, обрабатываются и анализируются блоком управления 11. Термографические фотокамеры и обработка/анализ сигналов, генерируемых такими фотокамерами, хорошо известны и не описаны здесь подробно. Можно упомянуть, что обработку сигналов можно осуществлять в самой фотокамере 14 или во вспомогательных блоках, соединенных с фотокамерой 14 и/или с блоком управления 11. Также можно упомянуть, что, по меньшей мере, часть из устройств согласно уровню техники, представляющие собой устройства описываемого здесь типа, снабжены температурными датчиками, например, термографическими фотокамерами. Однако температурные датчики устройств согласно уровню техники были использованы для других целей.
При нанесении нового, второго слоя порошка 8 на первый и частично затвердевший слой порошка, который ранее был нанесен на рабочую область 5, термографическую фотокамеру 14 в изобретенном способе используют для определения скорости, при которой температура второго слоя 8 повышается после его нанесения на первый слой. Это используется для проверки толщины однородности второго слоя.
Предпочтительный вариант осуществления изобретенного способа включает в себя следующие этапы:
1
A) Выполнения множества последовательных этапов измерения температуры в множестве местоположений второго слоя 8, причем упомянутое множество измерений осуществляют перед тем, как второй слой 8 достигает максимальной температуры T (см. ниже), и при этом упомянутое множество местоположений распределены по второму слою 8.
B) Аппроксимации математических функций к данным, полученным из этапа A, причем одну функцию аппроксимируют к каждому из упомянутых местоположений второго слоя 8.
C) Определения скорости повышения температуры для каждого из упомянутых местоположений с использованием результатов, полученных из этапа B.
D) Сохранение выявленных данных о скоростях повышения температуры.
E) Сопоставления каждой из выявленных скоростей повышения температуры с одним или несколькими эталонными значениями.
F) В случае, если любая из полученных скоростей повышения температуры будет ниже или выше, чем заданное значение, - этап повторного нанесения слоя порошкового материала на рабочую область 5.
Измерения на этапе A осуществляют с помощью термографической фотокамеры 14, которая управляется блоком управления 11. Фотокамеру 14 направляют на верхнюю поверхность второго слоя 8, что означает, что она в принципе может регистрировать температуру поверхности второго слоя 8 (даже если тепло, излучаемое из материала, расположенного чуть ниже поверхности, также может достигать фотокамеры 14). Местоположение и направление фотокамеры 14 также подразумевает, что «местоположения», упоминаемые на этапе A выше, по существу представляют собой двумерные единицы области на боковой плоскости, т.е. часть верхней поверхности второго слоя 8. Размер каждого «местоположения» может колебаться и зависеть, например, от разрешения (числа пикселей) фотокамеры 14, расстояния между фотокамерой 14 и вторым слоем 8 и числа пикселей, используемых для каждого «местоположения».
1
Фотокамерой 14 управляют, например, чтобы для всех местоположений была осуществлена последовательность измерений температуры, распределенных по периоду времени, в течение которого второй слой 8 нагревается за счет передачи тепла от слоя (слоев), расположенных ниже. По истечении некоторого времени поверхность второго слоя 8 достигает максимальной температуры T (см. Фиг. 2 и 3). Приблизительно в этот момент времени скорость, с которой тепло передается от слоя (слоев), расположенных ниже, равна скорости, с которой тепло излучается назад от верхней поверхности второго слоя 8. После этого момента времени температура второго слоя 8 понижается (при умеренной скорости).
Последовательные измерения температуры следует начинать как можно скорее после нанесения порошка, поскольку скорость повышения температуры понижается со временем, и поскольку время на достижение максимальной температуры достаточно коротко и для устройства, описанного выше, обычно составляет примерно 1 с. Поскольку элемент 12, распределяющий порошок, перемещается по рабочей области 5 от одного края к другому, момент времени, когда слой порошка 8 наносится на рабочую область 5, изменяется в зависимости от местоположения слоя 8. Поэтому, последовательные измерения температуры в конкретном местоположении второго слоя 8 следует начать, как можно скорее, после нанесения порошка в этом конкретном местоположении. Является предпочтительным, чтобы в момент и после достижения вторым слоем 8 максимальной температуры также было осуществлено много измерений температуры.
Фотокамера 14 регистрирует данные также при перемещении элемента 12, распределяющего порошок. Это означает, что для того чтобы после нанесения порошка сделать сбор данных измерений коротким (в пределах примерно 0,1 с), можно использовать пиксели, «просматривающие» местоположения даже на задней стороне элемента 12.
1
1
Множество последовательных измерений температуры, осуществляемых в каждом местоположении до того, как второй слой 8 достигнет максимальной температуры T, включает в себя, по меньшей мере, два измерения температуры. Из этих двух экспериментальных точек можно оценить скорость повышения температуры, в частности также, если получена, по меньшей мере, одна дополнительная экспериментальная точка в момент (или после этого), когда второй слой 8 достиг своей максимальной температуры. Однако, поскольку скорость повышения температуры не является линейной, рекомендуется осуществлять, по меньшей мере, три измерения температуры перед тем, как второй слой 8 достигнет максимальной температуры T. В принципе, чем больше число экспериментальных точек (т.е. измерений температуры), тем лучше будет аппроксимирована функция. Было показано, что лучше всего подходит частота измерений примерно 10 Гц, т.е. одно измерение в каждые 0,1 с.
0
1
2
n
2
n
Аппроксимация математических функций к экспериментальным точкам хорошо известна специалистам в данной области техники. Хотя в настоящем случае вероятно можно использовать стандартную аппроксимацию параметров (y=a+ax+ax+...+ax), является предпочтительным, чтобы аппроксимация была выполнена с использованием подходящей теоретической функции для температурного равновесия, учитывающей теплопроводность при тепловом излучении от нижележащего слоя (слоев) и тепловое излучение от второго, верхнего слоя. Такая теоретическая функция может содержать, например, следующие параметры: толщину слоя, свойства порошкового материала и гранулометрический состав порошка. Преимущество использования соответствующей теоретической функции состоит в том, что результирующая толщина слоя выводится из соответствующих физических соотношений.
Считается, что выражение «аппроксимация (математической) функции» также охватывает ситуацию, когда имеются в наличии только две экспериментальные точки (в этом случае прямая или кривая «аппроксимирована» по двум точкам).
Анализ измерений данных, полученных на этапе A, сделан для всех местоположений, распределенных по второму слою 8. При надлежащем распределении местоположений это обеспечивает информацию по скорости повышения температуры по целому слою 8.
На этапе, следующим за аппроксимацией функций, определяют скорость повышения температуры для каждого из упомянутых местоположений. Этот этап можно рассматривать как часть этапа аппроксимации. Обычно параметр определяют на этапе аппроксимации, и этот параметр отображает скорость повышения температуры. Эта скорость, в свою очередь, непосредственно связана с толщиной второго слоя 8 порошка.
Сохранение выявленных скоростей повышения температуры, например, в памяти, соединенной с блоком 11 управления, полезно не только для создания данных, пригодных для расчетов и сопоставлений, но также и для контроля качества. Например, если объект, полученный согласно изобретенному способу, некоторым образом разрушается в ходе использования, может быть целесообразным вернуться назад к получению данных и выявлению того, была ли корректной толщина и/или однородность слоев порошка. Также может быть возможным соскабливать такие полученные объекты после изготовления, если измерения толщины не соответствуют предварительно установленным значениям.
На следующем этапе каждую из выявленных скоростей повышения температуры сопоставляют с одним или несколькими эталонными значениями. В случае если какая-либо из выявленных скоростей (или другой параметр, известным образом связанный с соответствующей скоростью) будет ниже или выше, чем заданное значение, за этим этапом должен следовать этап повторного нанесения слоя порошкового материала на рабочую область 5. Это означает, что если второй слой, например, не будет достаточно однородно распределен по рабочей области 5, элемент 12, распределяющий порошок, будет дополнять его другим слоем порошкового материала.
Фиг.2 показывает схематический пример измеренных и аппроксимированных данных по температуре «тонкого» второго слоя 8 порошка (или местоположения второго слоя, в котором слой является «тонким»). Для сравнения, Фиг.3 показывает схематический пример измеренных и аппроксимированных данных по температуре «толстого» второго слоя 8 порошка (или местоположения на втором слое, в котором слой является «толстым»). Таким образом, данные, представленные на Фиг.3, относятся к более толстому слою порошка, чем данные, представленные на Фиг.2.
1
1
Экспериментальные точки 20, представленные на Фиг.2, отображают последовательные измерения температуры, тогда как кривая 21 отображает функцию, аппроксимированную к экспериментальным точкам 20, т.е. кривая 21 отображает температуру на поверхности порошкового слоя. Видно, что температура растет очень быстро вначале (вскоре после нанесения порошка), что означает, что скорость повышения температуры, т.е., производная кривой 21 вначале очень велика. Скорость постепенно понижается и становится равной нулю при t=t в момент времени, когда температура достигает своего максимального значения T. После этого температура медленно понижается.
1
1
1
В схематическом примере, показанном на Фиг.2, количество экспериментальных точек 20, отображающих последовательные измерения температуры, равно шести; три - до достижения температурой своего максимального значения T, а три - в момент времени t, когда была достигнута максимальная температура T, или после этого.
1
1
2
По аналогии с Фиг.2 экспериментальные данные 30, представленные на Фиг.3, отображают последовательные измерения температуры, тогда как кривая 31 представляет функцию, аппроксимированную к экспериментальным точкам 30, т.е. кривая 31 представляет температуру на поверхности «толстого» слоя порошка. Также, в этом случае количество экспериментальных точек 30 шесть, но в этом случае пять из них относятся к периоду времени до достижения температурой своего максимального значения T, а момент времени, когда достигается температура T, на Фиг.3 обозначен как t.
1
1
1
2
1
При сопоставлении Фиг. 2 и 3 можно увидеть принципиальную разницу между слоями различной толщины, состоящую в том, что температура повышается более медленно в «толстом» слое, показанном на Фиг.3, что означает, что скорость повышения температуры в «толстом» слое будет более низкой. В обоих случаях скорость постепенно понижается и становится равной нулю при достижении температурой своего максимального значения T, и эта максимальная температура T имеет примерно одинаковое значение в обоих случаях. Однако, время, затраченное на достижение максимальной температуры T, различается: t>t.
Является предпочтительным, чтобы каждое отдельное измерение температуры 20, 30, т.е., каждое «взятие замеров» температуры осуществлялось за такой короткий период времени, при котором колебание температуры в течение этого периода времени будет незначительным.
Устройства температурных датчиков согласно уровню техники в основном использовались для проверки температуры, имеющей место перед затвердеванием, и относящейся к моменту времени, когда происходит выравнивание кривой температуры, т.е. когда температура нанесенного порошкового слоя достигла и прошла свое максимальное значение. Такое измерение температуры согласно уровню техники соответствует одной точке на правом краю графиков изменения температуры, показанных на Фиг. 2 и 3.
Термографическая фотокамера, иногда называемая инфракрасной (ИК) фотокамерой или тепловой фотокамерой, обычно рассматривается как устройство, которое может формировать изображение с использованием инфракрасного излучения, аналогичное обычной фотокамере, которая формирует изображение с использованием видимого света. Цифровую термографическую фотокамеру можно рассматривать как устройство температурного датчика, в котором каждый пиксель формирует отдельный термочувствительный единичный элемент. Измерения температуры, т.е. экспериментальные точки на графике 20, 30 на Фиг. 2 и 3 могут быть основаны на сигнале, поступающем от каждого отдельного пикселя или от множества пикселей.
Изобретение не ограничено вариантами осуществления, описанными выше, и может быть модифицировано различными способами в пределах объема формулы изобретения. Например, вместо или в дополнение к термографической фотокамере 14 можно использовать пирометр. Однако, фотокамера описанного типа является предпочтительной в том, что она позволяет определять скорость повышения температуры во множестве местоположений слоя, который, в свою очередь, дает возможность определять однородность слоя (т.е. вертикальную неоднородность слоя порошка).
Более того, пучок высокой энергии может представлять собой лазерный луч, генерируемый источником лазера вместо пучка электронов, приведенного в качестве примера. Кроме того, порошковый материал не обязательно должен быть изготовлен из металла, а может быть изготовлен, например, из пластмассы или композиционного материала.
Если известен момент времени, в который порошок наносят в некоторое местоположение на рабочую область 5, то может быть достаточным осуществление только одного измерения температуры в этом местоположении (до достижения максимальной температуры) для определения, или, по меньшей мере, оценки скорости повышения температуры. Эту точку времени нанесения порошка можно выявить из информации, полученной с блока 11 управления, касающейся местоположения элемента 12, распределяющего порошок, или из зрительной информации. Однако определение точной точки времени нанесения порошка может быть осложнено, и, кроме того, использование только одного-единственного измерения температуры для определения скорости повышения температуры вносит значительную неопределенность в полученный результат. При выполнении множества последовательных измерений температуры, которые «сопровождают» температурную кривую, не является обязательным устанавливать точку времени нанесения порошка; по желанию, его можно рассчитать с использованием аппроксимированной функции.