УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТРЕХМЕРНЫХ ИЗДЕЛИЙ Российский патент 2021 года по МПК B33Y30/00 B33Y10/00 B22F3/105 B29C64/10 B29C64/20 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к устройству и способу изготовления трехмерных изделий. В частности, настоящее изобретение относится к устройству для изготовления трехмерных изделий, причем устройство содержит блок облучения по меньшей мере с двумя блоками развертки.

Уровень техники

Метод PBF (Powder Bed Fusion, расплавление порошкового слоя) - это послойный аддитивный процесс, посредством которого, используя порошкообразные, в частности металлические и/или керамические, исходные материалы, можно изготавливать трехмерные изделия, имеющие сложные формы. С этой целью слой исходного порошкообразного материала наносят на носитель и подвергают пространственно селективному воздействию излучения (например, лазерного или корпускулярного) в зависимости от желательной геометрии изделия, которое требуется изготовить. Излучение, проникающее в слой порошка, вызывает нагрев и, как следствие, сплавление или спекание частиц исходного порошкообразного материала. Затем на находящийся на носителе слой, подвергнутый обработке излучением, наносят следующий слой исходного порошкообразного материала, и процесс повторяется до тех пор, пока изделие не приобретет желательные форму и размеры. Метод PBF может быть использован для изготовления, на основе данных автоматизированного проектирования (данных САПР), прототипов, инструментов, заменяющих частей, ценных компонентов или медицинских протезов, например зубных или ортопедических. К примерам технологий PBF относятся методы SLM (Selective Laser Melting, селективная лазерная плавка) и SLS (Selective Laser Sintering, селективное лазерное спекание).

Кроме вышеупомянутых методов PBF, известны другие аддитивные технологии производства, в соответствии с которыми множество слоев исходного материала отверждают пучком излучения, причем исходный материал необязательно берут в виде порошка, он может быть, например, взят в виде множества слоев текучей среды.

В последних разработках таких аддитивных технологий производства желательно увеличить максимальный размер получаемых изделий во всех трех измерениях, вследствие чего необходимо обеспечить увеличение площади исходного материала. Поэтому, среди прочего, увеличивают размер носителя, на который наносится исходный материал. Для работы с такой увеличенной областью исходного материала, блок облучения соответствующего устройства должен быть способен облучать по существу весь верхний слой исходного материала.

Одним из вариантов решения этой проблемы является увеличение расстояния (в направлении оси z) между блоком облучения и верхним слоем исходного материала и обеспечение одного блока развертки в виде части блока облучения для развертки по всей площади. Другой вариант заключается в том, чтобы обеспечить подвижный блок облучения, в котором блок развертки блока облучения перемещается над областью исходного материала в направлении, параллельном носителю, т.е. в направлении оси х и/или в направлении оси у. Однако один из недостатков этих решений заключается в том, что снижается точность положения, в которое направлен пучок излучения, и, следовательно, может ухудшаться качество получаемых изделий.

Другим вариантом является обеспечение множества источников излучения, каждый из которых испускает пучок излучения в соответствующий блок развертки. Однако это решение является дорогостоящим и недостаточно эффективным, если не обеспечено одновременное их использование.

Раскрытие сущности изобретения

Изобретение направлено на разработку способа и устройства, обеспечивающих решение вышеупомянутых и/или других связанных с ними проблем.

Поставленные задачи решены устройством в соответствии с п. 1 формулы и способом в соответствии с п. 11 формулы.

В соответствии с первым аспектом, предложено устройство для изготовления трехмерных изделий. Устройство содержит носитель, выполненный с возможностью приема множества слоев исходного материала, и блок облучения, выполненный с возможностью генерирования пучка излучения и направления пучка излучения в заданные места верхнего слоя исходного материала для отверждения исходного материала в заданных местах. Блок облучения содержит источник излучения, выполненный с возможностью генерирования пучка излучения, первый блок развертки, выполненный с возможностью приема пучка излучения и развертки пучка излучения по первой области облучения верхнего слоя исходного материала, второй блок развертки, выполненный с возможностью приема пучка излучения и развертки пучка излучения по второй области облучения верхнего слоя исходного материала, и блок переключения, выполненный с возможностью направления пучка излучения, генерируемого источником излучения, в первый блок развертки или второй блок развертки. Устройство дополнительно содержит блок управления, выполненный с возможностью управления блоком переключения для переключения из первого состояния переключения, в котором пучок излучения направлен в первый блок развертки, но не во второй блок развертки, во второе состояние переключения, в котором пучок излучения направлен во второй блок развертки, но не в первый блок развертки.

Устройство может содержать первое устройство вертикального перемещения, выполненное с возможностью опускания носителя (в отрицательном направлении по оси z) после завершения отверждения слоя исходного материала. После такого опускания новый слой исходного материала может быть нанесен на предыдущий слой, и этот новый слой может быть облучен пучком излучения. Кроме того или альтернативно, устройство может содержать второе устройство вертикального перемещения, выполненное с возможностью поднятия (в положительном направлении по оси z) блока облучения или по меньшей мере блока развертки блока облучения после завершения отверждения слоя исходного материала.

Блок облучения может содержать лазер, а пучок излучения может быть лазерным лучом. Пучок излучения может быть направлен в соответствующий блок развертки через окружающую атмосферу и, необязательно, посредством оптических компонентов, таких как зеркала, линзы, призмы и т.д. Кроме того или альтернативно, пучок излучения может быть направлен в соответствующий блок развертки через одно или несколько оптических волокон. Поскольку пучок излучения может быть направлен в соответствующие блоки развертки, источник излучения не обязательно должен быть предусмотрен в непосредственной близости от блоков развертки (например, на одном и том же опорном элементе).

Первая область облучения и вторая область облучения могут иметь по существу прямоугольную форму. Первая область облучения и вторая область облучения могут быть определены максимальным отклонением подвижного зеркала соответствующего блока развертки. Другими словами, области облучения могут быть определены как наибольшие возможные области, которые могут быть облучены соответствующим блоком развертки. Может быть предусмотрена область перекрытия в области, в которой перекрываются первая область облучения и вторая область облучения.

Блок переключения может быть выполнен таким образом, что в определенное время он может направлять пучок излучения только в один блок развертки, а не одновременно в более чем один блок развертки.

Конечно, в соответствии с настоящим описанием, блок переключения и блок управления могут быть выполнены с возможностью не только переключения из первого состояния переключения во второе состояние переключения, но также могут быть выполнены с возможностью переключения из второго состояния переключения в первое состояние переключения.

За счет направления пучка излучения, генерируемого одним источником излучения, только на один из первого и второго блоков развертки в одно и то же время, источник излучения может быть использован более эффективно, и можно избежать негативного влияния на пучок излучения остатков плавления, образующихся в результате другого процесса плавления, происходящего в то же самое время.

Блок переключения может содержать светонаправляющий элемент, который выполнен с возможностью перемещения из первого положения, соответствующего первому состоянию переключения, во второе положение, соответствующее второму состоянию переключения, причем в первом положении светонаправляющий элемент не мешает пучку излучения, а во втором положении светонаправляющий элемент выполнен с возможностью направления пучка излучения во второй блок развертки и для блокирования пути пучка в первый блок развертки.

Поскольку во втором положении светонаправляющий элемент блокирует путь пучка в первый блок развертки, пучок излучения не может быть направлен в первый блок развертки и второй блок развертки в одно и то же время. Поэтому создание такого светонаправляющего элемента представляет собой простой и эффективный способ обеспечения блока переключения для переключения между первым и вторым состояниями переключения.

Светонаправляющий элемент может представлять собой подвижное зеркало. Подвижное зеркало может быть перемещено, например, вдоль оси перемещения в пучок излучения и от него. Альтернативно, подвижное зеркало может быть повернуто (т.е. сложено) относительно оси вращения в пучок излучения и из него.

Устройство может дополнительно содержать выпускное отверстие для газа и впускное отверстие для газа для создания газового потока между выпускным отверстием для газа и впускным отверстием для газа вдоль направления потока, причем первый блок развертки и второй блок развертки расположены, по существу, вдоль направления потока.

Выпускное отверстие для газа и впускное отверстие для газа могут быть соответственно выполнены в виде отверстий. Например, выпускное отверстие для газа и/или впускное отверстие для газа могут являться щелями. Выпускное отверстие для газа и/или впускное отверстие для газа могут быть предусмотрены, например, в стенке технологической камеры устройства. Кроме того, выпускное отверстие для газа и/или впускное отверстие для газа могут быть предусмотрены в выпускном рукаве для газа и/или впускном рукаве для газа, соответственно. Выпускной рукав для газа и/или впускной рукав для газа могут быть выполнены таким образом, что они могут быть приведены в непосредственную близость к верхнему слою исходного материала для того, чтобы обеспечить поток газа в непосредственной близости от верхнего слоя исходного материала. Направление потока может быть параллельным верхнему слою исходного материала. Например, направление потока может соответствовать (положительному или отрицательному) направлению по оси х. Хотя в реальности поток газа может не являться ламинарным потоком только в одном направлении, следует понимать, что поток газа имеет одно существенное предпочтительное направление, которое соответствует направлению потока. Например, направление потока может быть определено как направление, вдоль которого расположены впускное отверстие для газа и выпускное отверстие для газа. Газ, используемый для газового потока, может быть инертным газом, таким как азот. Путем создания газового потока можно удалить (то есть, обеспечить вытяжку) остатков плавления, образующихся в процессе отверждения пучком излучения.

Первый блок развертки может быть выполнен с возможностью изменения направления пучка излучения вдоль первого направления и вдоль второго направления, перпендикулярного первому направлению, для осуществления развертки пучка излучения по первой области облучения. Второй блок развертки может быть выполнен с возможностью изменения направления пучка излучения вдоль первого направления и вдоль второго направления для осуществления развертки пучка излучения по второй области облучения.

Как первое направление, так и второе направление могут быть параллельны верхнему слою исходного материала. Например, первое направление может быть направлением по оси х, а второе направление может быть направлением по оси у (или наоборот). Для изменения направления пучка излучения вдоль первого и второго направлений первый блок развертки и/или второй блок развертки могут содержать по меньшей мере два подвижных зеркала. Первое подвижное зеркало может быть выполнено с возможностью перемещения вдоль первого направления, а второе подвижное зеркало может быть выполнено с возможностью перемещения вдоль второго направления. Альтернативно может быть предусмотрено одно подвижное зеркало, которое может перемещаться как в первом, так и во втором направлениях. Кроме возможности изменения направления вдоль первого и второго направлений, может быть предусмотрен фокусирующий оптический элемент, выполненный с возможностью изменения фокусного положения пучка излучения в направлении вдоль пути пучка, т.е. в направлении, по существу перпендикулярном верхнему слою исходного материала (направлении оси z). Фокусирующий оптический элемент может быть предусмотрен на пути пучка перед первым и вторым блоками развертки по ходу пучка, так что для первого и второго блоков развертки достаточно только одного фокусирующего оптического элемента. Кроме того, первый и второй фокусирующие оптические элементы могут быть встроены в первый и второй блоки развертки, соответственно.

Как первый блок развертки, так и второй блок развертки могут быть расположены стационарно относительно направлений, параллельных верхнему слою исходного материала.

Другими словами, первый блок развертки и второй блок развертки могут быть выполнены без возможности перемещения в направлениях, параллельных верхнему слою исходного материала (например, в направлениях осей х и у). Однако первый блок развертки и/или второй блок развертки могут быть выполнены с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном верхнему слою исходного материала (например, в направлении оси z). Местоположение первой области облучения и местоположение второй области облучения могут не изменяться в течение всего процесса построения изделия. При стационарных первом блоке развертки и втором блоке развертки может быть улучшена точность позиционирования пучка излучения относительно верхнего слоя исходного материала.

Рядом с первым блоком развертки и вторым блоком развертки могут быть предусмотрены дополнительный первый блок развертки и дополнительный второй блок развертки, причем дополнительный первый блок развертки и дополнительный второй блок развертки расположены вдоль направления, параллельного направлению, вдоль которого расположены первый блок развертки и второй блок развертки.

Например, дополнительный первый блок развертки может быть предусмотрен рядом с первым блоком развертки вдоль направления, перпендикулярного направлению, вдоль которого расположены первый блок развертки и второй блок развертки. Например, дополнительный второй блок развертки может быть предусмотрен рядом со вторым блоком развертки вдоль направления, перпендикулярного направлению, вдоль которого расположены первый блок развертки и второй блок развертки.

Дополнительный первый блок развертки и дополнительный второй блок развертки могут быть выполнены таким образом, что в заданное время пучок излучения испускает либо дополнительный первый блок развертки, либо дополнительный второй блок развертки, но не оба дополнительных блока развертки. Для этой цели может быть предусмотрен соответствующий дополнительный блок переключения, и блок управления может быть выполнен с возможностью выполнять соответствующее переключение, подобное переключению первого блока развертки и второго блока развертки. Дополнительно или альтернативно, может быть предусмотрен третий блок развертки в положении вдоль направления, вдоль которого расположены первый блок развертки и второй блок развертки. В этом случае блок переключения и блок управления могут быть выполнены таким образом, чтобы переключение выполнялось между тремя состояниями переключения, причем в первом состоянии переключения только первый блок переключения испускает пучок излучения, а второй и третий блоки переключения не испускают пучок излучения, во втором состоянии переключения только второй блок переключения испускает пучок излучения, а первый и третий блоки переключения не испускают пучок излучения, а в третьем состоянии переключения только третий блок переключения испускает пучок излучения, а первый и второй блоки переключения не испускают пучок излучения. В дополнение к этому и аналогичным образом могут быть предусмотрены четвертый, пятый, и т.д. блоки развертки.

Блок облучения может содержать дополнительный источник излучения, выполненный с возможностью генерирования дополнительного пучка излучения, и дополнительный блок переключения, выполненный с возможностью направления дополнительного пучка излучения в дополнительный первый блок развертки или дополнительный второй блок развертки.

Дополнительный блок переключения может быть выполнен таким образом, что в первом состоянии переключения дополнительный пучок излучения направляется только на дополнительный первый блок развертки, а не на дополнительный второй блок развертки, а во втором состоянии переключения дополнительный пучок излучения направляется только на дополнительный второй блок развертки, а не на дополнительный первый блок развертки. Дополнительный источник излучения может быть либо представлен дополнительным физическим источником излучения (таким как дополнительный лазер), либо дополнительным путем для пучка, ответвляющимся от основного пути пучка, генерируемого основным источником излучения (таким как основной лазер). За счет обеспечения дополнительного источника излучения и дополнительного блока переключения может быть обеспечено эффективное использование дополнительного источника излучения.

По меньшей мере три первых блока развертки могут быть предусмотрены вдоль направления, перпендикулярного направлению, вдоль которого расположены первый блок развертки и второй блок развертки. По меньшей мере три вторых блока развертки могут быть предусмотрены вдоль направления, перпендикулярного направлению, вдоль которого расположены первый блок развертки и второй блок развертки.

За счет того, что предусмотрены по меньшей мере три первых блока развертки и/или по меньшей мере три вторых блока развертки, может быть обеспечено несколько рядов блоков развертки и эффективное освещение области верхнего слоя исходного материала.

Блок управления может быть выполнен с возможностью управления переключением из первого состояния переключения во второе состояние переключения на основе присутствия остатков плавления в первой области облучения и/или во второй области облучения.

В настоящем описании выражение "остатки плавления" используется для любого вида остатков (например, в форме пара, такого как металлический пар, конденсата и/или распыленного порошка), которые могут образовываться в процессе плавления, процессе сварки и/или процессе отверждения исходного материала. Остатки плавления образуются в процессе отверждения, при котором пучок излучения попадает на исходный материал. Для отвода остатков плавления может быть обеспечен поток газа через впускное отверстие для газа. Остатки плавления в первой области облучения могут генерироваться пучком излучения, испускаемым первым блоком развертки, и/или пучком излучения, испускаемым вторым блоком развертки в случае, если первая область облучения находится ниже по потоку от второй области облучения в отношении газового потока. Аналогично, остатки плавления во второй области облучения могут генерироваться пучком излучения, испускаемым вторым блоком развертки, и/или пучком излучения, испускаемым первым блоком развертки в случае, если вторая область облучения находится ниже по потоку от первой области облучения в отношении газового потока. Блок управления может быть запрограммирован таким образом, что он осведомлен о наличии остатка плавления в первой и/или второй зоне облучения, например, на основе предыдущих калибровочных измерений или испытательных прогонов.

Согласно второму аспекту предложен способ изготовления трехмерных изделий. Способ содержит нанесение множества слоев исходного материала на носитель, генерирование посредством блока облучения пучка излучения и направление пучка излучения в заданные участки верхнего слоя исходного материала для отверждения исходного материала в заданных участках, причем блок облучения содержит источник излучения, выполненный с возможностью генерирования пучка излучения. Способ дополнительно содержит прием первым блоком развертки пучка излучения и осуществление развертки пучка излучения по первой области облучения верхнего слоя исходного материала, прием вторым блоком развертки пучка излучения и осуществление развертки пучка излучения по второй области облучения верхнего слоя исходного материала и выполнение управления блоком переключения для переключения из первого состояния переключения, в котором пучок излучения направляют в первый блок развертки, но не во второй блок развертки, во второе состояние переключения, в котором пучок излучения направляют во второй блок развертки, но не в первый блок развертки.

Раскрытые выше подробности в отношении первого аспекта также могут применяться ко второму аспекту, где это приемлемо. В частности, способ, определенный во втором аспекте, может представлять собой способ изготовления трехмерных изделий с помощью устройства согласно первому аспекту.

Способ может дополнительно содержать перемещение светонаправляющего элемента из первого положения, соответствующего первому состоянию переключения, во второе положение, соответствующее второму состоянию переключения, причем в первом положении светонаправляющий элемент не мешает пучку излучения, а во втором положении светонаправляющий элемент направляет пучок излучения во второй блок развертки и блокирует путь пучка в первый блок развертки.

Способ может дополнительно содержать создание потока газа вдоль направления потока, причем первый блок развертки и второй блок развертки расположены, по существу, вдоль направления потока.

Первый блок развертки может изменять направление пучка излучения вдоль первого направления и вдоль второго направления, перпендикулярного первому направлению, для осуществления развертки пучка излучения по первой области облучения. Второй блок развертки может изменять направление пучка излучения вдоль первого направления и вдоль второго направления для осуществления развертки пучка излучения по второй области облучения.

Управление переключением из первого состояния переключения во второе состояние переключения может осуществляться на основе присутствия остатков плавления в первой области облучения и/или во второй области облучения.

Краткое описание чертежей

Предпочтительные варианты осуществления изобретения раскрыты более подробно со ссылкой на приложенные схематические чертежи, в которых:

На фиг. 1 схематично показан вид сбоку устройства в соответствии с настоящим изобретением, причем блок переключения находится в первом состоянии переключения;

На фиг. 2 схематично представлен вид сбоку устройства, показанного на фиг. 1, причем блок переключения находится во втором состоянии переключения; и

На фиг. 3 схематично показан вид сверху устройства в соответствии с настоящим изобретением, в котором предусмотрено множество первых блоков развертки и множество вторых блоков развертки.

Осуществление изобретения

На фиг. 1 схематично показан вид сбоку устройства для изготовления трехмерных изделий в соответствии с настоящим изобретением. Устройство содержит носитель 2, который выполнен с возможностью приема множества слоев исходного материала 4. В процессе построения изделия первый слой исходного материала 4 наносят на носитель 2 с помощью устройства нанесения исходного материала (не показано) устройства. В настоящем варианте осуществления исходный материал 4 представляет собой порошок исходного материала (например, металлический порошок), который может быть расплавлен и отвержден пучком 6 излучения. В этом случае устройство нанесения исходного материала представляет собой устройство нанесения порошка. Однако в других вариантах осуществления в качестве исходного материала 4 могут быть использованы другие исходные материалы (например, другие материалы и/или другая их структура).

Пучок 6 излучения направляют на первый слой исходного материала 4 для отверждения исходного материала 4 в соответствии с данными САПР изготавливаемого изделия 8. Таким образом, местоположения на верхнем слое исходного материала 4, в которые направляют пучок 6 излучения, соответствует геометрии изготавливаемого изделия 8. Носитель 2 выполнен с возможностью перемещения вдоль направления оси z (обозначенного стрелкой на фиг.1) для опускания носителя 2 после завершения процесса отверждения слоя исходного материала 4. После опускания носителя 2 наносят новый слой исходного материала 4 и начинают процесс отверждения (т.е. процесс облучения) этого нового слоя. Таким образом, на носителе 2 слой за слоем осуществляется построение изделия 8.

Устройство дополнительно содержит блок облучения, содержащий источник 10 излучения, первый блок 12 развертки, второй блок 14 развертки и блок 16 переключения. Кроме того или в качестве альтернативы вертикально перемещаемому носителю 2 по меньшей мере первый блок 12 развертки и второй блок 14 развертки могут быть выполнены с возможностью перемещения по вертикали (в направлении оси z) относительно носителя 2. В качестве альтернативы опусканию носителя 2 может осуществляться поднятие блоков 12 и 14 развертки после завершения процесса отверждения слоя исходного материала 4. Таким образом, расстояние между блоками 12, 14 развертки и верхним слоем исходного материала 4 может поддерживаться по существу постоянным.

Согласно настоящему варианту осуществления источник 10 излучения представляет собой лазер, а испускаемый пучок 6 излучения является лазерным лучом. Более точно, источник 10 излучения может, например, содержать иттербиевый волоконный лазер с диодной накачкой, испускающий лазерное излучение с длиной волны приблизительно от 1070 до 1080 нм. Блок облучения выполнен с возможностью селективного облучения пучком 6 излучения исходного материала 4 на носителе 2. С помощью блока облучения исходный материал 4 может быть подвергнут селективному с точки зрения расположения лазерному облучению в зависимости от требуемой геометрии изготавливаемого изделия 8.

Каждый из блоков 12 и 14 развертки по настоящему варианту осуществления содержит подвижные зеркала для направления пучка 6 излучения в направлениях, параллельных носителю 2, т.е. направлениях, параллельных верхнему слою исходного материала 4. Другими словами, местоположение пучка 6 излучения может быть изменено как в направлении оси х, так и в направлении оси у. В альтернативных вариантах осуществления могут быть реализованы другие технологии отклонения пучка 6 излучения в направлении оси х и направлении оси у.

Устройство дополнительно содержит блок 18 управления для управления функциональными возможностями устройства до, во время и после процесса построения изделия. В частности, блок 18 управления выполнен с возможностью управления переключением блока 16 переключения из первого состояния переключения во второе состояние переключения или из второго состояния переключения в первое состояние переключения, как подробно раскрыто ниже. Блок 18 управления дополнительно выполнен с возможностью управления другими функциями устройства, такими как вертикальное перемещение носителя 2, подача исходного материала устройством нанесения исходного материала, пропускание раскрытого ниже потока газа, осуществление развертки блоками 12 и 14 развертки, а также источником 10 излучения.

В дополнение к блокам 12, 14 развертки могут быть предусмотрены дополнительные оптические компоненты для направления пучка 6 излучения и/или воздействия на него. Например, может быть предусмотрен расширитель пучка для расширения пучка 6 излучения. До или после (относительно траектории пучка 6 излучения) блоков 12 и 14 развертки может быть предусмотрен фокусирующий оптический элемент. Альтернативно, фокусирующий оптический элемент может быть встроен в каждый из блоков 12 и 14 развертки. В обоих случаях фокусирующий оптический элемент выполнен с возможностью регулирования положения фокуса пучка 6 излучения вдоль траектории пучка 6 излучения и, следовательно, по существу вдоль оси z. Кроме того, позади каждого из блоков 12 и 14 развертки могут быть предусмотрены линзы объективов. Линза объектива может представлять собой f-theta линзу.

Кроме того, устройство содержит выпускное отверстие 20 для газа и впускное отверстие 22 для газа. Как показано на фиг. 1, выпускное отверстие 20 для газа выполнено в выпускном рукаве для газа, а впускное отверстие 22 для газа выполнено во впускном рукаве для газа. Выпускное отверстие 20 для газа представляет собой отверстие в выпускном рукаве для газа, через которое может осуществляться подача инертного газа в рабочую камеру. Впускное отверстие 22 для газа представляет собой отверстие во впускном рукаве для газа, через которое может осуществляться всасывание инертного газа. Между выпускным отверстием 20 для газа и впускным отверстием 22 для газа образуется поток газа, как показано стрелкой на фиг. 1. В соответствии с фиг. 1, направление потока газа соответствует отрицательному направлению по оси х.

Поток газа организован с возможностью отвода остатков 24 плавления, которые образуются в процессе плавления, при котором пучок 6 излучения попадает на исходный материал 4 и создает ванну расплава для отверждения исходного материала 4. Остатки 24 плавления сдувает в направлении потока газа и засасывает во впускное отверстие 22 для газа вместе с инертным газом. Остатки 24 плавления удаляются потоком газа, поскольку присутствие остатков 24 плавления может негативно влиять на последующий процесс отверждения. В частности, когда остатки 24 плавления присутствуют в области, где происходит процесс отверждения, пучок 6 излучения может частично поглощаться, рассеиваться и/или отклоняться остатками 24 плавления.

Устройство содержит первый блок 12 развертки и второй блок 14 развертки для обеспечения возможности облучения области верхнего слоя исходного материала 4 большей площади и, таким образом, возможности создания изделий 8 большого размера. Для обеспечения возможности облучения области большой площади, первый блок 12 развертки выполнен с возможностью осуществления развертки пучка 6 излучения по первой области 26 облучения, а второй блок 14 развертки выполнен с возможностью осуществления развертки пучка 6 излучения по второй области 28 облучения. Таким образом, каждая из областей 26 и 28 облучения представляет собой область, которая может быть достигнута пучком 6 излучения, испускаемым соответствующим блоком 12 или 14 развертки. Как показано на фиг. 1, может быть предусмотрена область перекрытия, в которой первая область 26 облучения и вторая область 28 облучения перекрываются друг с другом.

Далее будет описано, как блок 18 управления осуществляет управление блоком 16 переключения во время процесса отверждения слоя исходного материала. На фиг. 1 показано устройство в первом состоянии переключения. В первом состоянии переключения пучок 6 излучения, испускаемый источником 10 излучения, направлен в первый блок 12 развертки. Первый блок 12 развертки принимает пучок 6 излучения и осуществляет его развертку по первой области 26 облучения в соответствии с требуемой геометрией изготавливаемого изделия 8. Остатки 24 плавления, которые образуются во время этого процесса отверждения, отводятся потоком газа. В первом состоянии переключения пучок 6 излучения, генерируемый источником 10 излучения, направлен только на блок 12 развертки, но не на какие-либо другие блоки развертки, такие как блок 14 развертки. В первом состоянии переключения светонаправляющий элемент (подвижное зеркало) блока 16 переключения позиционируется таким образом, чтобы не мешать пучку 6 излучения. Таким образом, пучок 6 излучения может проходить к первому блоку 12 развертки. В варианте осуществления, показанном на фиг. 1, блок 16 переключения содержит в качестве светонаправляющего элемента подвижное зеркало, которое может быть перемещено на траекторию пучка 6 излучения и от нее на основе управляющего воздействия блока 18 управления.

При окончании отверждения в первой области 26 облучения, блок 18 управления осуществляет управление для переключения блока 16 переключения из первого состояния переключения, показанного на фиг. 1, во второе состояние переключения, показанное на фиг. 2. На фиг. 2 показано устройство, представленное на фиг. 1, во втором состоянии переключения. Во втором состоянии переключения светонаправляющий элемент блока 16 переключения перемещен в пучок 6 излучения и, таким образом, направляет пучок 6 излучения во второй блок 14 развертки. Как показано на фиг. 2, светонаправляющий элемент блока 16 переключения блокирует траекторию пучка к первому блоку 12 развертки, и, следовательно, пучок 6 излучения направлен только во второй блок 14 развертки, но не в первый блок 12 развертки.

Во втором состоянии переключения второй блок 14 развертки выполняет облучение второй области 28 облучения в соответствии с требуемой геометрией изготавливаемого изделия 8. Остатки 24 плавления, которые образуются во время процесса плавления, отводятся потоком газа. Как показано на фиг. 2, остатки 24 плавления, таким образом, проходят через первую область 26 облучения. Из-за этих остатков 24 плавления в первой области 26 облучения, процесс плавления в первой области 26 облучения не инициируют в то же время, в которое осуществляется процесс плавления во второй области 28 облучения. Другими словами, негативного влияния на процесс плавления остатков 24 плавления, образующихся в результате другого процесса плавления, можно избежать путем выполнения только одного процесса плавления блоками 12, 14 развертки, расположенными вдоль потока газа, в одно и то же время. Однако, как раскрыто ниже со ссылкой на фиг. 3, различные процессы плавления могут выполняться одновременно с помощью блоков развертки, которые расположены в направлении, по существу перпендикулярном или, проще говоря, отклонены от газового потока.

При окончании облучения во второй области 28 облучения, на носитель 2 может быть нанесен новый слой исходного материала 4, и/или блок 18 управления может осуществлять управление для переключения блока 16 переключения обратно в первое состояние переключения, показанное на фиг. 1.

На фиг. 3 показан вид сверху варианта осуществления устройства в соответствии с настоящим изобретением, которое содержит три источника 10 излучения, три первых блока 12 развертки и три вторых блока 14 развертки. Функциональные возможности устройства, показанного на фиг. 3, аналогичны тем, что раскрыты со ссылкой на фиг. 1 и 2. Кроме того, устройство по фиг. 3 содержит все элементы, раскрытые со ссылкой на фиг. 1 и 2, поэтому некоторые из этих элементов опущены на фиг. 3 и в последующем описании.

В устройстве по фиг. 3 поток газа организован в отрицательном направлении по оси х (как показано стрелкой). Поток газа может быть обеспечен множеством выпускных отверстий 20 для газа и впускных отверстий 22 для газа или одним большим выпускным отверстием 20 для газа и одним большим впускным отверстием 22 для газа, например, в форме щелевых отверстий.

На фиг. 3 показано устройство во втором состоянии переключения, в котором пучок 6 излучения, испускаемый каждым из источников 10 излучения, направлен, соответственно, в один из вторых блоков 14 развертки. Блоки 14 развертки осуществляют процесс отверждения соответствующих вторых областей облучения. Остатки 24 плавления, которые образуются при этом процессе плавления, отводятся потоком газа. Как показано на фиг. 3, пучки 6 излучения направлены только на вторые блоки 14 развертки, но не на первые блоки 12 развертки. Однако может осуществляться индивидуальное переключение первого блока 12 развертки и второго блока 14 развертки каждого из источников 10 излучения соответствующим блоком переключения под управлением блока 18 управления. Таким образом, устройство по фиг. 3 содержит три индивидуально управляемых блока переключения.

В зависимости от геометрии изготавливаемого изделия 8 и для достижения эффективности процесса его построения возможно, чтобы один или несколько блоков переключения находились в первом состоянии переключения, а один или несколько блоков переключения находились во втором состоянии переключения в одно и то же время. Как показано на фиг. 3, влияние на области облучения устройства оказывают только процессы плавления в других областях облучения вдоль направления потока газа, но не перпендикулярно этому направлению.

Следует отметить, что устройство, показанное на фиг. 3, представляет собой только пример расположения блоков 12 и 14 развертки. В отличие от расположения, показанного на фиг. 3, произвольное число первых блоков 12 развертки и произвольное число вторых блоков 14 развертки могут быть расположены рядом друг с другом в ряд вдоль направления (соответствующего направлению оси у), перпендикулярного потоку газа. Подобным образом, вдоль направления потока газа может быть предусмотрено произвольное число (больше одного) блоков развертки, так что предусмотрены первый блок 12 развертки, второй блок 14 развертки и один или несколько дополнительных блоков развертки (третий блок развертки, четвертый блок развертки и т.д.). В этом случае предусмотрен блок переключения, и блок 18 управления выполняет переключение блока переключения таким образом, что в заданный момент времени пучок 6 излучения принимают только один из первого, второго, третьего и т.д. блоков развертки. Таким образом можно гарантировать, что остатки 24 плавления не оказывают негативного влияния на область облучения.

Изобретение относится к области аддитивных технологий, в частности к устройству и способу для изготовления трехмерных изделий. Устройство для изготовления трехмерных изделий содержит носитель, выполненный с возможностью приема множества слоев исходного материала, и блок облучения, выполненный с возможностью генерирования пучка излучения и направления пучка излучения в заданные места верхнего слоя исходного материала для отверждения исходного материала в заданных местах. Блок облучения содержит источник излучения, выполненный с возможностью генерирования пучка излучения, первый блок развертки, выполненный с возможностью приема пучка излучения и развертки пучка излучения по первой области облучения верхнего слоя исходного материала, второй блок развертки, выполненный с возможностью приема пучка излучения и развертки пучка излучения по второй области облучения верхнего слоя исходного материала, и блок переключения, выполненный с возможностью направления пучка излучения, генерируемого источником излучения, в первый блок развертки или второй блок развертки. Блок управления блоком переключения выполнен с возможностью переключения из первого состояния, в котором пучок излучения направлен в первый блок развертки, во второе состояние переключения, в котором пучок излучения направлен во второй блок развертки, но не в первый блок развертки. Обеспечивается возможность увеличения размеров получаемого изделия в трех направлениях без снижения его качества. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для изготовления трехмерных изделий, содержащее:

носитель (2), выполненный с возможностью приема множества слоев исходного материала (4);

и блок облучения, выполненный с возможностью генерирования пучка (6) излучения и направления пучка (6) излучения в заданные места верхнего слоя исходного материала (4) для отверждения исходного материала (4) в заданных местах, причем блок облучения содержит

источник (10) излучения, выполненный с возможностью генерирования пучка (6) излучения;

первый блок (12) развертки, выполненный с возможностью приема пучка (6) излучения и развертки пучка (6) излучения по первой области (26) облучения верхнего слоя исходного материала (4);

второй блок (14) развертки, выполненный с возможностью приема пучка (6) излучения и развертки пучка (6) излучения по второй области (28) облучения верхнего слоя исходного материала (4); и

блок (16) переключения, выполненный с возможностью направления пучка (6) излучения, генерируемого источником (10) излучения, в первый блок (12) развертки или второй блок (14) развертки,

причем устройство дополнительно содержит блок (18) управления, выполненный с возможностью управления блоком (16) переключения для переключения из первого состояния переключения, в котором пучок (6) излучения направлен в первый блок (12) развертки, но не во второй блок (14) развертки, во второе состояние переключения, в котором пучок (6) излучения направлен во второй блок (14) развертки, но не в первый блок (12) развертки.

2. Устройство по п. 1, в котором блок (16) переключения содержит светонаправляющий элемент, выполненный с возможностью перемещения из первого положения, соответствующего первому состоянию переключения, во второе положение, соответствующее второму состоянию переключения, причем в первом положении светонаправляющий элемент не мешает пучку (6) излучения, а во втором положении светонаправляющий элемент выполнен с возможностью направления пучка (6) излучения во второй блок (14) развертки и для блокирования пути пучка в первый блок (12) развертки.

3. Устройство по п. 2, в котором светонаправляющий элемент представляет собой подвижное зеркало.

4. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее выпускное отверстие (20) для газа и впускное отверстие (22) для газа для создания газового потока между выпускным отверстием (20) для газа и впускным отверстием (22) для газа вдоль направления потока, при этом указанный газовый поток образован с возможностью отвода остатков (24) плавления, образующихся в процессе отверждения пучком (6) излучения, причем первый блок (12) развертки и второй блок (14) развертки расположены вдоль направления потока.

5. Устройство по п. 1, в котором первый блок (12) развертки выполнен с возможностью изменения направления пучка (6) излучения вдоль первого направления и вдоль второго направления, перпендикулярного первому направлению, для осуществления развертки пучка (6) излучения по первой области (26) облучения, причем второй блок (14) развертки выполнен с возможностью изменения направления пучка (6) излучения вдоль первого направления и вдоль второго направления для осуществления развертки пучка (6) излучения по второй области (28) облучения.

6. Устройство по п. 1, в котором каждый из первого блока (12) развертки и второго блока (14) развертки расположен стационарно относительно направлений, параллельных верхнему слою исходного материала (4).

7. Устройство по п. 1, в котором рядом с первым блоком (12) развертки и вторым блоком (14) развертки предусмотрены дополнительный первый блок (12) развертки и дополнительный второй блок (14) развертки, причем дополнительный первый блок (12) развертки и дополнительный второй блок (14) развертки расположены вдоль направления, параллельного направлению, вдоль которого расположены первый блок (12) развертки и второй блок (14) развертки.

8. Устройство по п. 7, в котором блок облучения содержит дополнительный источник (10) излучения, выполненный с возможностью генерирования дополнительного пучка (6) излучения, и дополнительный блок переключения, выполненный с возможностью направления дополнительного пучка (6) излучения в дополнительный первый блок (12) развертки или дополнительный второй блок (14) развертки.

9. Устройство по п. 1, в котором по меньшей мере три первых блока (12) развертки предусмотрены вдоль направления, перпендикулярного направлению, вдоль которого расположены первый блок (12) развертки и второй блок (14) развертки, и по меньшей мере три вторых блока (14) развертки предусмотрены вдоль направления, перпендикулярного направлению, вдоль которого расположены первый блок (12) развертки и второй блок (14) развертки.

10. Устройство по п. 4, в котором блок (18) управления выполнен с возможностью управления переключением из первого состояния переключения во второе состояние переключения на основе присутствия остатков (24) плавления, имеющих форму металлического пара, конденсата и/или распыленного порошка, в первой области (26) облучения и/или во второй области (28) облучения.

11. Способ изготовления трехмерных изделий, содержащий:

нанесение множества слоев исходного материала (4) на носитель;

генерирование посредством блока облучения пучка (6) излучения и направление пучка излучения в заданные участки верхнего слоя исходного материала (4) для отверждения исходного материала (4) в заданных участках, причем блок облучения содержит источник (10) излучения, выполненный с возможностью генерирования пучка (6) излучения;

получение первым блоком (12) развертки пучка (6) излучения и осуществление развертки пучка (6) излучения по первой области (26) облучения верхнего слоя исходного материала (4);

получение вторым блоком (14) развертки пучка (6) излучения и осуществление развертки пучка (6) излучения по второй области (28) облучения верхнего слоя исходного материала (4); и

осуществление управления блоком (16) переключения для переключения из первого состояния переключения, в котором пучок (6) излучения направлен в первый блок (12) развертки, но не во второй блок (14) развертки, во второе состояние переключения, в котором пучок (6) излучения направлен во второй блок (14) развертки, но не в первый блок (12) развертки.

12. Способ по п. 11, дополнительно содержащий перемещение светонаправляющего элемента из первого положения, соответствующего первому состоянию переключения, во второе положение, соответствующее второму состоянию переключения, причем в первом положении светонаправляющий элемент не мешает пучку (6) излучения, а во втором положении светонаправляющий элемент направляет пучок (6) излучения во второй блок (14) развертки и блокирует путь пучка в первый блок (12) развертки.

13. Способ по п. 11, дополнительно содержащий

создание потока газа вдоль направления потока, при этом указанный газовый поток образован с возможностью отвода остатков (24) плавления, образующихся в процессе отверждения пучком (6) излучения,

причем первый блок (12) развертки и второй блок (14) развертки расположены вдоль направления потока.

14. Способ по п. 11, в котором первый блок (12) развертки изменяет направление пучка (6) излучения вдоль первого направления и вдоль второго направления, перпендикулярного первому направлению, для осуществления развертки пучка (6) излучения по первой области (26) облучения, при этом второй блок (14) развертки изменяет направление пучка (6) излучения вдоль первого направления и вдоль второго направления для осуществления развертки пучка (6) излучения по второй области (28) облучения.

15. Способ по п. 13, в котором управление переключением из первого состояния переключения во второе состояние переключения осуществляют на основе присутствия остатков (24) плавления, имеющих форму металлического пара, конденсата и/или распыленного порошка, в первой области (26) облучения и/или во второй области (28) облучения.