SE524439C2 - Anordning samt metod för framställande av en tredimensionell produkt - Google Patents

Description

25 30 524 439 - | - . . I . ø . .. 2 tillverkningsförfarandet. Genom att nyttja den däri beskrivna anordningen möjliggörs ökad överensstämmelse av formen hos de producerade tredimensionella kropparna l förhållande till avsedd form. I tillverkningsprocessen av de tredimensionella produkterna har det dock visat sig att ytspänningar hos den tillverkade produkten kan ge upphov till formavvikelser samt inre spänningar i produkten vilka kan ge upphov till initiering av sprickbildning.

KORT BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Ett ändamål med uppfinningen är att tillhandahålla en metod för framställning av tredimensionella kroppar där reduktion inducerade formavvikelser samt förekomsten av inre spänningar i slutprodukten möjliggörs. Detta ändamål uppnås genom en anordning enligt den kännetecknande delen av patentkravet 1.

Enligt metoden indelas det mot ett tvärsnitt hos den tredimensionella kroppen motsvarande utvalda området hos en pulverbädd i ett eller flera inre områden vilka var och en uppvisar en rand. Det inre området sammansmälts under ett rörelsemönster för fokalpunkten hos strålkanonens stråle, vilket innefattar en huvudsaklig rörelseriktning och en till nämnda huvudsakliga rörelseriktning adderad störterm vilken uppvisar en komposant i vinkelrät riktning mot den huvudsakliga rörelseriktningen. Störtermen uppvisar ett tidsmedelvärde motsvarande en nollavdrift från den huvudsakliga rörelseriktningen. Den huvudsakliga rörelseriktningen uppvisar en propageringshastighet vilken företrädesvis motsvarar utbredningshastigheten för en smältzon hos ett bearbetat material. Den huvudsakliga rörelseriktningen kan uppvisa valfri kurvform, exempelvis rätlinjig, bågformad, cirkelformad. Utseendet på den huvudsakliga rörelseriktningen är anpassad till formen på det objekt som skall skapas, Störtermen är dock inte anpassad till formen på objektet utan utformas för atttillhandahålla en gynnsammare lokal värmefördelning vid ett område kringfokalpunkten. Genom stràlens rörelsemönster tillses sålunda att 10 15 20 25 30 524 439 n u ~ | . ~ I n n - a .r strålkanonens energi tillförs med en jämnare intensitet till pulverlagret, varvid risken för överhettning reduceras. Detta minskar i sin tur risken för uppkoms av formavvikelser och spänningar i slutprodukten. Randen sammansmälts enligt en föredragen utföringsform under en huvudsakligen rätlinjig rörelse, vilken följer randens form, hos strålkanonens stråle. Genom att randen sammansmälts under en rörelse som följer randens form tillses att den färdigbildade kroppens mantelyta blir slät.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen beräknas en energijämnvikt för varje pulverlager, varvid vid beräkningen fastställs huruvida lnmatad energi till pulverlagret vid nämnda tillförande av energi från en strálkanon enligt ett för pulverlagret fastställt körschema för sammansmältning av det enligt nämnda körschema utvalda område av pulverlagret är tillräckligt för att bibehålla en bestämd arbetstemperatur hos nästkommande lager. Genom jämnviktsberäkningen inhämtas information som möjliggör upprätthållande av en bestämd arbetstemperatur. Genom att upprätthålla en bestämd arbetstemperatur, dvs en yttemperatur inom ett givet bestämt temperaturintervall under produktionen av samtliga lager tillses att förekomsten ytspänningar som uppkommer vid för stark nedkylning av den tredimensionella kroppen reduceras. Detta medför i sin tur att slutprodukten uppvisar en reducerad förekomst av formavvikelser samt en reducerad förekomst av inre spänningar i slutprodukten.

Ett andra ändamål med uppfinningen är att tillhandahålla en anordning för framställning av tredimensionella kroppar där reduktion av förekomsten av ytspänningar och därigenom inducerade formavvikelser samt förekomsten av inre spänningar i slutprodukten möjliggörs. Detta ändamål uppnås genom en anordning enligt den kännetecknande delen av patentkravet 5. l en föredragen utföringsform av uppfinningen är den i anordningen ingående styrdatorn anordnad att beräkna en energijämnvikt för varje pulverlager, varvid vid beräkningen fastställs huruvida lnmatad energi till 10 15 20 25 30 524 439 ø u n ø o .n pulverlagret vid nämnda tillförande av energi från en strålkanon enligt ett för pulverlagret fastställt körschema för sammansmältning av det enligt nämnda körschema utvalda område av pulverlagret är tillräckligt för att bibehålla en bestämd arbetstemperatur hos nästkommande lager. Genom beräkningen inhämtas information som möjliggör upprätthållande av en bestämd arbetstemperatur. Genom att upprätthålla en bestämd arbetstemperatur, dvs en yttemperatur inom ett givet bestämt temperaturintervall under produktionen av samtliga lager tillses att förekomsten ytspänningar som uppkommer vid för stark nedkylning av den tredimensionella kroppen reduceras. Detta medför i sin tur att slutprodukten uppvisar en reducerad förekomst av formavvikelser samt en reducerad förekomst av inre spänningar i slutprodukten.

FIGURBESKRIVNING Uppfinningen kommer nedan att närmare beskrivas i anslutning till bifogade ritningsfigurer, där: fig. 1 visar en genomskärning av en anordning enligt uppfinningen, fig. 2 visar ett område som skall sammansmältas vilket uppvisar ett inre område och en rand, fig. 3 visar en uppsättning skilda kurvformer med en endimensionell störterm, fig. 4 visar schematiskt hur värmefördelningen ser ut i en kropp där en stràlkanons fokalpunkt med diametern D uppvärmt kroppen, dels i närvaro av en störterm, dels i frånvaro av en störterm, fig. 5 visar ett exempel på fokalpunktens rörelse i förhållande till förflyttning av fokalpunkten längs den huvudsakliga rörelseriktningen, 10 15 20 25 30 fig. fig. fig. fig. fig. fig. fig. fig. fig. fig. 9a 10 11 12 13 14 524 459 f | n n . ø n visar en uppsättning skilda kurvformer med en tvâdimensionell störterm, visar rörelsemönstret för en fokalpunkt enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen, visar fokalpunkternas placering samt ett utvidgat område inom vilket sammansmältning sker, visar en vidare indelning av det område som skall sammansmältas i en uppsättning avskilda områden, var och en uppvisande inre områden och ränder, visar ytterligare en indelning av det område som skall sammansmältas i en uppsättning avskilda områden, var och en uppvisande inre områden och ränder, visar schematiskt en genomskärning av en tredimensionell kropp bildad av ett antal pulverlager samt ett översta pulverlager, visar en principmodell för beräkning av energijämnvikt, visar en andra principmodell för beräkning av energijämnvikt, visar ett urvalt område vilket är indelat i en uppsättning avskilda områden , visar en vy från sidan av en kammare försedd med ett genomsynligt fönster, 10 15 20 25 30 524 439 fig. 15 visar en anordning för frammatning och fixering av en skyddsfilm för bibehållande av genomsynlighet hos fönstret, fig. 16 visar ett flödesschema för generering av primärkörscheman, fig. 17 visar ett flödesdiagram för ett körschema hos anordningen, fig. 18 visar ett flödesdiagram för korrigering av nämnda körschema, fig. 19 visar schematiskt ett förfarande innefattande korrigering av körscheman med hjälp av information inhämtad från en kamera vilken uppmäter temperaturfördelningen över pulverbäddens yta, fig. 20 visar schematiskt ett förfarande för korrigering av körscheman, fig. 21 visar en schematisk uppbyggnad av ett tredimensionellt föremål och fig. 22 visar ett antal tvärsnitt ur figur 21.

UTFÖRINGSEXEMPEL I figur 1 visas en anordning för framställande av en tredimensionell produkt generellt betecknad med 1. Anordningen innefattar ett arbetsbord 2 på vilken en tredimensionell produkt 3 skall uppbyggas, en eller flera pulverdispensrar 4 samt organ 28 vilka är anordnade att lägga ut ett tunt lager av pulver på arbetsbordet 2 för bildande av en pulverbädd 5, en stràlkanon 6 för avgivande av energi till pulverbädden varvid sammansmältning av delar av pulverbädden sker, organ för styrning 7 av den av strålkanonen 6 avgivna strålen över nämnda arbetsbord för bildandet av ett tvärsnitt av nämnda tredimensionella produkt genom sammansmältning av nämnda pulver och en 10 15 20 25 30 524 459 o | : | . - . | . ,, styrdator 8 i vilken information om successiva tvärsnitt av den tredimensionella produkten finns lagrad, vilka tvärsnitt bygger upp den tredimensionella produkten. Vid en arbetscykel kommer, enligt den visade föredragna utföringsformen, arbetsbordet att successivt sänkas i förhållande till strålkanonen efter varje pålagt pulverlager. För att möjliggöra denna förflyttning är i en föredragen utföringsform av uppfinningen arbetsbordet förflyttbart anordnat i vertikalled, dvs i den riktning som indikeras av pilen P.

Detta innebär att arbetsbordet startar i ett utgångsläge 2'i ett läge där ett första pulverlager av nödvändig tjocklek pålagts. För att inte skada det underliggande arbetsbordet och för att tillhandahålla tillräcklig kvalitet på detta lager gör detta lager tjockare än övriga pålagda lager, varvid genomsmåltning av detta första lager undviks. Därefter sänks arbetsbordet i anslutning till att ett nytt pulverlager utläggs för bildandet av ett nytt tvärsnitt av den tredimensionella produkten. För detta ändamål är i en utföringsform av uppfinningen arbetsbordet uppburet av en ställning 9 vilken innefattar åtminstone en kulskruv 10, försedd med tandning 11. En steg- eller servomotor 12 försedd med ett kugghjul 13 ställer in arbetsbordet 2 i önskat höjdlåge. Även andra för fackmannen kända anordningar för inställning av arbetshöjd på ett arbetsbord kan nyttjas. Exempelvis kan ställskruvar utnyttjas i stället för kuggstänger. Enligt en alternativ utföringsform av uppfinningen kan i anordningen ingående organ för pulverutläggning successivt höjas, l stället för att såsom i den ovan beskrivna utföringsformen sänka arbetsbordet.

Organet 28 är anordnat att samverka med nämnda pulverdispensrar för påfyllnad av material. Vidare drivs organets 28 svep över arbetsytan på känt sätt med en servomotor (icke visad), vilken förflyttar organet 28 längs en guideskena 29 vilken löper längs pulverbädden.

Vid pàläggning av ett nytt pulverskikt, kommer tjockleken av pulverskiktet att bestämmas av hur mycket arbetsbordet sänkts i förhållande till förra lagret.

Detta innebär att lagertjockleken kan varieras efter önskemål. Det är därför eva. 10 15 20 25 30 524 459 n n v | u möjligt att i då ett tvärsnitt uppvisar stor formförändring mellan näraliggande lager att göra tunnare lager varvid en högre ytfinhet uppnås och då liten eller ingen formförändring förekommer göra lager med för strålen maximal genomträngningstjocklek.

I en föredragen utföringsform av uppfinningen utgörs strålkanonen 6 av en elektronkanon varvid organen för styrning 7 av strålkanonens stråle utgörs av avlänkningsspolar 7". Avlänkningsspolen 7” alstrar ett magnetfält vilket styr den av elektronkanonen alstrade strålen varvid smältning av ytlagret hos pulverbädden på önskat ställe kan åstadkommas. Vidare innefattar stràlkanoner en högspänningskrets 20 vilken är avsedd att på känt sätt förse strålkanonen med en accelerationsspänning för från en hos strålkanonen anordnad emitterelektrod 21. Emitterelektroden är på känt sätt ansluten till en strömkälla 22 vilken nyttjas till att upphetta emitterelektroden 21 varvid elektroner friges. Stràlkanonens funktion och komposition är välkänd för en fackman pà området.

Avlänkningsspolen styrs av styrdatorn 8 enligt ett utlagt körschema för varje lager som skall sammansmältas varvid styrning av strålen enligt önskat körschema kan åstadkommas. Detaljer hos körschemats utseende enligt uppfinningen beskrivs nedan i anslutning till beskrivning av figurerna 2- 9.

Vidare finns åtminstone en fokusspole 7' vilken är anordnad att fokusera strålen på pulverbäddens yta på arbetsbordet. Avlänkningsspolar 7” och fokusspolar 7' kan anordnas enligt ett flertal för fackmannen välkända alternativ.

Anordningen är innesluten i ett hölje 15 som innesluter strålkanon 6 och pulverbädd 2. Höljet 15 innefattar en första kammare 23 vilken omsluter pulverbädden och en andra kammare 24 vilken omsluter strålkanonen 6. Den första kammaren 23 och den andra kammaren 24 kommunicerarmed varandra via en kanal 25, vilken medger att emitterade elektroner, vilka 10 15 20 25 30 524 439 accelererats i högspänningsfältet i den andra kammaren kan fortsätta in i den första kammaren för att senare träffa pulverbädden på arbetsbordet 2. l en föredragen utföringsform är den första kammaren är ansluten till en vakuumpump 26 vilken sänker trycket i den första kammaren 23 till ett tryck av företrädesvis ca.10'3 - 105 mBar. Den andra kammaren 24 är företrädesvis ansluten till en vakuumpump 27 vilken sänker trycket i den andra kammaren 24 till ett tryck av ca.1O'4 - 1045 mBar. l en alternativ utföringsform kan både den första och den andra kamrarna vara anslutna till samma vakuumpump.

Styrdatorn 8 är vidare företrädesvis ansluten till strålkanonen 6 för reglering av avgiven effekt hos strålkanonen samt ansluten till stegmotorn 12 för inställning av arbetsbordets höjdläge 2 mellan varje konsekutiv påläggning av pulverlager, varvid pulverlagrens individuella tjocklek kan varieras.

Vidare är styrdatorn ansluten till nämnda organ 28 för pulverutläggning på arbetsytan. Detta organ är anordnat att svepa över arbetsytan varvid ett lager pulver utlägges. Organet 28 drivs av en servomotor (icke visad) vilken styrs av nämnda styrdator 8. Styrdators styr svepets längs samt tillser att pulver påfylles vid behov. För den skull kan lastgivare vara anordnade i organet 28 varvid styrdatorn kan inhämta information om att organet är tomt eller har fastnat.

Styrdatorn 8 är vidare enligt en föredragen utföringsform uppfinningen anordnad att beräkna en energijämnvikt för det utvalda området som skall bearbetas inom varje pulverlager, varvid vid beräkningen fastställs huruvida instràlad energi till det utvalda området från det utvalda områdets omgivning är tillräckligt för att bibehålla en bestämd arbetstemperatur hos det utvalda omrâdet. 10 15 20 25 30 524 439 “ 10 Enligt uppfinningen är körschemat så utformat att det område som skall sammansmältas, dvs det utvalda området, indelas i ett eller flera inre områden I, var och en uppvisande en rand R. l figur 2 visas schematiskt ett område 35 som skall sammansmältas. Området innefattar ett inre området I vilket avgränsas av en rand R. Enligt uppfinningen sammansmälts det inre området I med ett rörelsemönster för fokalpunkten hos strålkanonens stråle, vilket innefattar en huvudsaklig rörelseriktning och en till nämnda huvudsakliga rörelseriktning adderad störterm vilken uppvisar en komposant i vinkelrät riktning mot den huvudsakliga rörelseriktningen. Störtermen växlar riktning och uppvisar ett tidsmedelvärde motsvarande en nollavdrift från den huvudsakliga rörelseriktningen. l figur 3 visas tre olika exempel på olika utseenden på störtermen vilka ger upphov till en rörelse i form av en trekantsvåg, en sinusformad kurva och en fyrkantsvåg. l figur 4 visas schematiskt hur värmefördelningen ser ut i en kropp där en strålkanons fokalpunkt med diametern D uppvärmt kroppen.

Temperaturfördelningen kring fokalpunkten har formen av en Gaussklocka.

Temperaturfördelningen kring en fokalpunkt utan störterm visas med kurvan markerad (d) Genom störtermen breddas det spår som bearbetas under strålens propagering längs den huvudsakliga rörelseriktningen. Ett breddat spår visas med kurvan indikerad med (ß). Det breddade spåret har även en temperaturfördelning med lägre maxvärde. Detta reducerar risken för uppkomst av överhettning med bildande av ojämnheter som följd.

Störtermen är företrädesvis av sådan art att en smältzon bildas, vilken uppvisar en bredd huvudsakligen motsvarande dubbla amplituden hos störtermens komposant i riktning vinkelrätt mot den huvudsakliga rörelseriktningen. Medelhastigheten av absolutbeloppet av fokalpunktens rörelse i störtermens riktning skall företrädesvis överstiga hastigheten för värmeutbredningen i materialet. Hastigheten i den huvudsakliga rörelseriktningen motsvarar företrädesvis hastigheten för värmeutbredningen i materialet. Amplituden och frekvensen hos störtermen skall företrädesvis 10 15 20 25 30 : | I = u nu 524 439 g gg;= = 11 avpassas så att fokalpunkten hinner röra sig från sitt utgångsläge där störtermen har värdet noll, passera min och maxvärdet för störtermen och återta sitt läge tills det under den tid värmeutbredningens vågfront rör sig från första nolläget till det andra nolläget. Detta visas schematiskt i figur 5. l figur 5 visas hur fokalpunkten rör sig längs kurvan 50 från en första position 51, förbi ett maxima 52 hos störtermen, ett minima 53 hos störtermen för att därefter anta en andra position 54 med ett nollvärde på störtermen. Under denna tid har värmeutbredningens vågfront propagerat från den första positionen 51 fram till den andra positionen. l det fall att störtermens medelhastighet är för låg bildas i stället för ett brett spår ett kurvformat smält spår vilket löper inom den bana som definieras av störtermens ändpunkter.

Enligt en föredragen utföringsform uppvisar störtermen även en komposant i en riktning parallell med den huvudsakliga rörelseriktningen. Störtermen är i detta fall tvådimensionell. Exempel på störtermer med tvådimensionell riktning ges i figur 6.

Randen R sammansmälts företrädesvis under en huvudsakligen rätlinjig rörelse hos stràlkanonens stråle. med att köra med ett rörelsemönster för fokalpunkten hos Syftet stràlkanonens stråle, vilket innefattar en huvudsaklig rörelseriktning och en till nämnda huvudsakliga rörelseriktning adderad störterm vilken uppvisar en komposant i vinkelrät riktning mot den huvudsakliga rörelseriktningen är att man med bredare spår kan förflytta smältzonen långsammare men ändå smälta med en relativt hög hastighet jämfört med konventionell körning. En långsam förflyttning av smältzonen ger mindre förångning och mindre förekomst av att smält material kokar och stänker. Syftet med att randen sammansmälts med en kontinuerlig huvudsakligen rätlinjig rörelse är att detta ger en slät ytstruktur för den färdiga produkten. 10 15 20 25 l c u a = s : o i - a f | ; u f 4 . ,, en un o o go u; u vn n g.

I a po c | u; p nu u n a , 0 v x v o . u p I o v g He vi oo g n . . , , , , :_ n o n t: a p a ~ 12 Nedan följer en analys av rörelsemönstret för strálkanonens stràle vid en föredragen utföringsform av uppfinningen med en tvådimensionell störterm vilket ger upphov till ett spirallikande rörelsemönster för fokalpunkten.

Läget för en fokalpunkt som roterar kring x-axeln och som rör sig längs samma axel med hastigheten V, kan fås ur: in) = (141 + AX coswnif + A, sinnwïy Ekv. 1 där AX och Ay är amplituderna i x- respektive y-led.

En typiskt "spinnkurva" kan se ut enligt vad som visas i figur 4: Det i figur 7 visade mönstret fås om wsätts till: _ 27rVx a) Ekv. 2 A, Fokalpunktens hastighet ges av: få? = (Vx - Axwsin(a2t)); + Ayco cos(cot); Ekv. 3 Dess absoluthastighet är såleds: = x/(Vx - Ara) sin(cot))2 + (Ayco cos(a1t))2 Ekv. 4 Om fokalpunkten rör sig enligt formlerna ovan så kommer dess hastighet att variera och vara som störst antingen på undersidan av x-axeln och minst på ovansidan eller tvärtom beroende på rotationsriktningen. För att få en fokalpunkt som rör sig med konstant hastighet längs spinnkurvan i Figur 1 beräknas först dess medelhastighet: 10 15 20 25 524 439 o n u o ~ » v n . | u .. 13 ïdríö , 0 dt Vmedel I T 5 Där : r = Zl (0 V m, är hastigheten som fokalpunkten ska förflytta sig med. Vid tiden t har III fokalpunkten förflyttat sig sträckan: s=t*V medel Denna sträcka måste vara lika med spinnkurvanslängd vid tiden t'. Alltså: Ekv. 6 dïdš t d: Genom att lösa ekv. 6 för 0 t.

S = t * I/medel :I 0 Ekv. 1 vilket ger spottens läge som funktion av tiden t.

Ett flertal simuleringar med olika hastigheter och Ay har visat att smältzonen 0.1-0.15 mm under ytan har en ungefärlig bredd av 1.8Ay. Hoppet mellan två spinlinjer bör då vara: Hoppspin=1 .8Ay-O. 3 Avståndet till starten från en kant blir ungefär: 10 15 20 25 30 524 459 o ~ ø ~ - » n u u Q - n . » t v - n 14 sfanhopp= oßAy-o. 1 s I figur 8 visas att en sammanhängande bred smält rand vilken propagerar i riktningen x markerad med en pil i diagrammet. Fokalpunkterna med en diameter D är markerade i diagrammet. Det överlappande mönstret ser till att sammansmältning sker inom ett område utanför fokalpunkten. Ett sådant område är utritat och markerat med symbolen ö. Sammantaget bildar dessa områden en heltäckande area vilken propagerar i riktningen markerad med pilen x.

I figur 9 visas schematiskt ett område 35 som skall sammansmältas. Detta område är indelat i ett flertal delområden 80 - 91, vilka var och en uppvisar ett inre område och en rand.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen utformas körschemat så att det inre området l hos en uppsättning angränsande delområden inom sammansmälts under ett rörelsemönster för fokalpunkten hos strålkanonens stråle, vilket innefattar en huvudsaklig rörelseriktning och en till nämnda huvudsakliga rörelseriktning adderad störterm vilken uppvisar en komposant i vinkelrät riktning mot den huvudsakliga rörelseriktningen. Företrädesvis sammansmälts åtminstone den rand som bildar en inre eller yttre mantelyta hos den färdiga kroppen under en rörelse vilken följer randen utan tillägg av störterm. Enligt en utföringsform av uppfinningen sammansmälts de inre områdena l i ett första processteg varefter ränderna sammanfogar de inre områdena i ett efterföljande processteg. Genom detta förfarande minskas förekomsten av böjspänningar i den tredimensionella kroppen efter avsvalning. l en alternativ utföringsform kan ränderna sammansmältas i ett första processteg och de inre områdena i ett efterföljande processteg. Detta kan vara fördelaktigt när mycket tunna pulverlager utläggs varvid en solid mantelyta skapas, eventuellt med ett antal inre stadgande skott. De inre områdena kan därefter sammansmältas i ett senare processteg där flera pulverlager sa_mmansmälts i ett gemensamt svep med stràlkanonen över 10 15 20 25 30 524 459 q - ; u - I | ø - u » u 15 flera lager. Detta medför att de inre områdena blir lätt sintrade, vilket kan vara fördelaktigt för vissa produkter.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen är styrdatorn vidare anordnad att beräkna en energijämnvikt för åtminstone det utvalda området som skall sammansmältas inom varje pulverlager, varvid vid beräkningen fastställs huruvida instrålad energi till det utvalda området från det utvalda områdets omgivning år tillräckligt för att bibehålla en bestämd arbetstemperatur hos det utvalda området.

Syftet med att beräkna energijämnvikten för pulverlagren år att beräkna effekten som behövs för att hålla objektets yta vid en given temperatur.

Effekten antas vara konstant över hela ytan.

Nedan beskrivs hur jämnviktsberäkningen utförs i en utföringsform av uppfinningen där beräkningen utförs för ett lager i taget För att kunna beräkna effekten i realtid krävs förenklingar: 1. Vi tänker oss att temperaturen är konstant i x och y-led och att den varierar enbart i z led, m.a.o. hela ytan har samma temperatur. 2. Temperaturen i z-led varierar med jLt. Där j är lagernumret och Lt är lagertjockleken. 3. Temperaturfördelningen under smältning anses vara stationär.

Följande parametrar påverkar beräkningen: Olika index: i =index för översta lagret j= lager index går från 1 till i Objektdata: 10 15 20 25 30 524 459 ' 16 Lt = lagertjockleken som ska smältas [m] Lcont(j) = konturlängden för lager j [m] Apowt(z)=ApowU)= arean ut mot pulvret för lager j. [m] A(z)=A(i) total ytan som har smältas för lager j [m2] Materialegenskaper: /lmef = materialets värmeledningsförmåga [W/mK] om; strålningskonstanten för metallytan [W/m2K] omefp°w= strâlningskonstanten för metallyta täckt med pulver [WImZKj apan; stràlningskonstanten för pulverytan [VVImZK] Åpow = pulvrets värmeledningsförmåga [W/mK] hp.,w(z) = värmeöverföringstalet från objektet ut mot pulvret [WImZK] a = andelen av stràleffekten som tas upp av materialet Temperaturer [K]: Tsur(i) = omgivningens temperatur som ytan känner när lager i smälts (Kan mätas på kepsen) Tpow(z)= temperaturen i pulvret T(z) = temperaturen i objektet Tsurf(i) = T(iLt) = önskad temperaturen på ytan av objektet när lager i smälts. (saæiAMA) Tbott(i) = temperaturen i botten på objektet innan lager i påbörjas (Mäts precis innan rakning eller beräknas. Se nedan) För att bestämma hur temperaturen fördelar sig i objektet löser vi den endimensionella stationära värmeledningsekvationen inkluderande en källterm som tar hänsyn till värmeförluster ut i pulvret: _ 52112) _ hpow (z)Apow(z) "" àz _ Aon» (TPOWU) _ T (2)) nu u 10 15 20 524 439 17 Randvillkoren på ytan och i botten är: ar (GW, + 6:” = ---”-“ - Tsuwr) - :(353 - lm, agg” ia, = hm (Tbofw) - fo» Där A och B är två konstanter.

Skriver om formlerna som differensformler i stället och låter j vara indexet för varje lager. _ Ä TU + 2) - m; + 1) + m) _ h,,0w(j)Ap0w(j) """' LR ' Amy ~ ïLfj-wflf) - Tu - 1» = (TP0W(J) ~ T (1)) (my - Tsuwy) ~% (O-mel + O-pow) - flfwm) - fo» = hwwurbofftf) - m» igjgf-z Randvillkoret på ytan ger oss egentligen inget nytt vad det gäller temperaturfördelningen i objektet eftersom ytans temperatur bestäms av T(i).

Men det behövs för att bestämma Pin som är effekten som krävs för att hålla temperaturen på ytan vid T(i). TU) fås nu ur följande ekvationssystem: _ _ _h,,i,.,<1>Ap0w<1>Lf AU) ' Aomm, To' + 2) - m; +1>+ T<1><1+ A<1>>= A<1>Tp0w<1> hm (UL: /1 1 T(1) = Ißottfi) m" + T(2) (14. hpow(1)Lt!/1met) + hpow 524 439 - | ~ Q ' ° ' Q o c : v . » . ø « n , ,, 18 Sätter in yttrycket för T(1) och formulerar problemet som ett linjärt ekvationssystem: (1 J" A0» = A(1)Tp0w(1)~ norra) h"°"(1)Lt/Å"'“ (1 + Am) 51. T - *__-_ ______:_ (3) m2) + m) (1 + hm (1)Lf /ama ) (1 + hPOW(1)Lf/,1Me,) 2. m) - 2T(3) + T(2)(1+ A(2)) = A(2)Tp0w(2) i-2. - 211:- 1) + w _ 2)(1+ Au _ 2)) = Au _ zflpowrf - 2) - m) 10 På matrisform blir det: Ax = b där då: 15 _ _ _ . . (1+A(1)) A. = 6()+1-k)-2§()-k)+§( -1-k)(1+A()))+5(1-k)6(1-))--__-- f* J <1+ h,,.,.,<1>1:f/1m,,> x, = T(2),..... x,._2 =T(i-1) _ . _ _ _ hpoálflf/Äme, . _ . bl. - A(])Tp0w(]) - å(j -1)T7J0tt(1) (1+ A(1)) - å(j -1+ 2)T(1) (1 + h,,.,w(1)Lf/Åme.) För att kunna lösa ekvationerna krävs det att pulvrets temperatur, Tpowfl), 20 och värmeöverförningstalet, hpowg), är kända. l programmet är Tpow(z) satt till: Tp0w(j) = AT(j),._] +BTsur(i-1) 10 15 .w- -v evo-v 0 20 524 459 l 19 i-1 betyder att temperaturen för det föregående lagret används för att bestämma Tpowü).

Funktionen som används för hpowü) ser ut pà följande sätt: .__,I,,,_,,,,,, É- nea-st: - _ malm ........................

Värden L1 och L2 har antagits vara areaoberoende medan hconst1, hconst2 och hconst3 antas bero på A0). Alla konstanterna i uttrycken för både Tpow och hpow har fåtts fram genom att anpassa 1 D modellen ovan mot en 3D FEM beräkningar på objekt med enkla geometrier.

I uttrycket för källtermen ingår ApowU) som egentligen är den totala arean ut mot pulvret för varje lager. Vi stora areaövergångar kan detta värde bli rätt stort vilket medför att värdet på källtermen gör ett hopp. Sådana diskreta skutt medför att lösningen blir instabil. För att förhindra detta sätts enligt en förerdagen utföringsform ApowU) till Loont0')*Lt. Effektförluster som uppstår genom en areaövergång läggs istället till i efterhand. Storleken på effektförlusten beror på hur stor över respektive underarean är och hur långt under topplagret som areaövergången är belägen. Värden för olika areaövergångar och olika djup har fåtts fram genom 3D FEM simuleringar.

För en godtycklig areaövergång fås effekttillägget genom interpoling. 10 15 20 25 524 4-39 e e ~ « ~ u» 20 lnnan effekten beräknas läser programmet in de olika värden för Lcont0)*Lt och AU) för varje lager. Med hjälp av en scriptfil kan man påverka dessa på olika sätt. På så sätt kan man styra effekten för varje lager. Hur man påverkar de olika geometri parametrarna framgår av beskrivningen över hur scriptfilen fungerar.

När ekvationssystemet ovan är löst fås den totala effekten som krävs för att hålla ytan vid Tsurf(i) ur randvillkoret för ytan: 1"; (m) ~ T>+ m" +0p0w) 3,, = A(i)( (T(1')“ - TSuf(i)4)) När ett lager smälts används olika ström och hastighet över ytan. För att kunna beräkna de olika strömmarna som krävs sätts medelvärdet av alla effekter som används lika med Pin.

Om ett lager ska smältas med n,- olika strömmar gäller: Zlfkffk z aU k=1 TM l.- tik z __ Vik k=m zot _: tzk Där tik är smälttiden för varje ström I,-k lik är smältlängden vik är smälthastigheten TM är den totala smälttiden för lagret i.

U är accelerationsspänningen. 10 15 20 25 524 459 n u . e . . o . | ø = 1 .- nov H 21 För att kunna beräkna strömmarna måste man alltså veta hastigheterna.

Dessa erhålls ur så kallade speedfunctions som anger förhållandet mellan ström och hastigheten. Eftersom dessa funktioner inte är analytiska måste ett iterativt förfarande användas för att bestämma alla strömmar och hastigheter. l beräkningsprogrammet gissas varje startvärde på lik. Därefter hämtas de olika hastigheterna. Värdena på strömmarna ökas sedan på tills medelvärdet av effekten precis överstiger det beräknade värdet på Pin.

Antag nu att vi vill smälta de olika delareorna med en sådan hastighet och ström att energin som avges till materialetblir mindre än den som krävs för att hålla ytan vid Tsurffi). Ytan måste då värmas upp. Antalet gånger som behövs för att värma upp ytan fås genom att i uttrycket för medelvärdet på effekten lägga till en uppvärmningsterm: n aUliheatl-iheat heat i heat _ R _ V och i uttrycket förtiden Tjo, lägga till uppvärmningstiden: them _ nliheat 1 vheat där n anger hur många gånger som ytan måste värmas upp.

Ovan redovisade beräkningsrutin kan nyttjas för hela pulverlagret. I en alternativ utföringsform kan beräkningen ske för olika delareor av pulverlagret.. Även i detta fall kan de ovan angivna ekvationerna nyttjas.

Dock erhålles andra randvillkor för de inre ränder som ligger an mot en smält kropp. 10 15 20 25 30 524 459 * a s n v ; Q I u n n v : f: u: .. 22 l figur 10 visas en sidovy av en sammansmält kropp 30 vilken är uppbyggd genom sammansmältning av delområden 31 - 34 i konsekutiva pulverlageri - 1, i- 2, i- 3, i - 4. Givetvis kan en verklig kropp tillverkad enligt uppfinningen innefatta långt fler lager än vad som angivits i detta exempel.

På kroppen är ett översta pulverlager i utlagt. inom detta översta pulverlager är ett urvalt område 35 beläget. Det utvalda området 35 utgörs av det område som enligt ett körschema skall sammansmältas. Det utvalda området 35 inom lagret i begränsas av en yttre rand 36. Det år givetvis tänkbart att ett urvalt område innefattar såväl yttre som inre ränder. Jåmnviktsberäkningen skall utföras på hela det utvalda området 35. Företrädesvis är det utvalda området 35 indelat i en mängd mindre delområden såsom visas i figur 9 varvid separata beräkningar kan utföras för delområdena. inom det utvalda området 35 är ett delområde 37 visat för vilket en energijåmnvikt skall beräknas. Det delområdet 37 kan utgöras av en del av det utvalda området såsom visats i figur 5 alternativt utgöras av hela det utvalda området.

I figur 9a visas ett utvalt område 35 vilket är indelat i en mängd mindre delområden. Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen år ytan inom varje pulverlager indelad i en uppsättning avskilda områden 38 - 53, varvid en energijämnvikt beräknas för var och en av nämnda uppsättning avskilda områden 38 - 53, vilka innefattar någon del av det utvalda området 35. Det utvalda området begränsas av en yttre rand 72. Givetvis kan det utvalda området även innefatta inre ränder.

Enligt en ytterligare föredagen utföringsform av uppfinningen innefattar nämnda uppsättning avskilda områden 38 - 53 en första grupp områden 54 - 58 vars ränder ligger helt inom utvalda område 35 samt en andra grupp områden 38 - 53 vars ränder åtminstone delvis sammanfaller med det utvalda områdets rand 72. I förekommande fall kan områden inom nämnda andra grupp av områden indelas i underområden 38a, 39b; 48a - 48d .

Företrädesvis uppvisar vart och ett av de i nämnda första grupp av områden ingående delområdena 54 - 58 samma form. l det visade exemplet år 10 15 20 25 30 524 4-59 23 områdena kvadratiska. Rektangulära, triangelformade och hexagonala områden kan med fördel användas, Randvillkoren inom denna grupp är även likartade förutom eventuella temperaturdifferenser. Genom nyttjande av formlikhet kan beräkningsrutinerna förenklas eftersom devis gemensamma beräkningar kan utföras. energijämnvikten beräknas principiellt enligt El" (i)= E°“' (i) + E“°=*(i), där El” (i) utgör inmatad energi till delomràdet E°“' (i) utgör energiförluster genom avledning och utstrålning från delomràdet + E"°*“(i) utgör upplagrad i delomràdet. Den inmatade energin utgörs av dels energi Ei" (°) vilken instrålats eller inströmmat via värmeledning från omgivningen av det delområde 35 för vilken energijämnvikten beräknas., dels av energi vilken instrålats från strålkanonen 6 EMS). I det fall att energijämnvikten beräknas innan energi tillförts delomràdet 35 gäller sålunda att E" (s) = 0. Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen sker åtminstone en första energijämnviktsberäkning för elområdet 35 innan energi tillförts via strålkanonen 6.

I figur 11 visas schematisk en modell på vilken beräkningen av energijämnvikten för delomràdet A1 baseras. l detta fall motsvaras delomràdet A1 av en del av det utvalda området av pulverlagret i. I detta fall får ekvationen för beräkningen av energijämnvikten utseendet Ei" (A1)= E°“* (A1) + E“°*'(A1), där E" (A1) utgör inrnäiäd energi mi delomràdet, E°“* (A1) utgör energiförluster genom avledning och utstrålning från delomràdet A1 och E"°°'(A1) utgör upplagrad i delområdet A1. Den inmatade energin utgörs av dels energi Ei" "Û (A1) vilken instrålats eller inströmmat via värmeledning från omgivningen av delomràdet A1 för vilken, dels av energi El" (S)A1 vilken instrålats från strålkanonen 6_ I figur 12 visas schematisk en modell på vilken beräkningen av energijämnvikten för ett andra delomràdet A2 inom det utvalda området 35 i lagret i baseras. l detta fall motsvaras delomràdet A2 av en del av det utvalda 10 15 20 25 30 . n a ø | w . « n . u u | | no 524 4-39 24 området 35 av pulverlagret i vilken ännu inte sammansmälts och vilket angränsar till ett första delområde A1 inom pulverlagret i, där utstrålning eller värmeledning sker från nämnda första till nämnda andra delområde. I detta fall får ekvationen för beräkningen av energijämnvikten utseendet El" (A2)= E°“' (A2) + E“°“*(A2), där E" (A2) utgör inmaiad energi nu delområdet E°“* (A2) utgör energiförluster genom avledning och utstrålning från delområdet A1 + E“°*“(A2) utgör upplagrad i delområdet A2. Den inmatade energin utgörs av dels energi Ei" l” (A2) vilken instràlats eller inströmmat via värmeledning från omgivningen av delområdet A1 för vilken, dels av energi E'" (S) A2 vilken instràlats från strålkanonen 6, Den via värmeledning tillförda energin E"'(°) (A2) innefattar dels komponenten Ei" (s) (A2, i- 1) vilken motsvarar tillförd energi från tidigare lager samt E°“' (A1, A2) vilken motsvarar energi vilken avletts eller utstràlats från det första delområdet A1 och tillförts det andra delområdet A2.

Enligt vad som visas i fig. 13 innefattar anordningen enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen vidare organ 14 för avkänning av ytegenskaper hos ett hos pulverbädden beläget ytlager. Detta organ 14 för avkänning av temperaturfördelningen hos ett hos pulverbädden 5 beläget ytlager utgörs företrädesvis av en kamera. l en föredragen utföringsform av uppfinningen nyttjas kameran dels till att uppmäta temperaturfördelningen på ytlagret, dels till att uppmäta förekomsten av ytojämnheter genom den skuggbildning som ytojämnheter ger upphov till. Information om temperaturfördelningen nyttjas dels till att åstadkomma en så jämn temperaturfördelning som möjligt över de delar av ytlagret som skall smältas, dels kan information nyttjas för att kontrollera eventuella måttavvikelser mellan genererad tredimensionell produkt och förlaga eftersom temperaturfördelningen återspeglar produktens form. l en föredragen utföringsform av uppfinningen är videokameran monterad pà utsidan av det hölje 15 som innesluter pulverbädd 5 och stràlkanon 6. För att möjliggöra temperaturmätning är höljet försett med ett genomsynligt fönster 16, Pulverbädden 5 är synlig för kameran genom detta fönster. 10 15 20 25 30 524 439 25 I en föredragen utföringsform av uppfinningen, vilken visas i figur 14, är fönstret 16 täckt av en skyddsfilm 17. Skyddsfilmen matas från en utmatningsenhet 18 till en uppsamlingsenhet 19 varvid filmen successivt bytas ut vilket medför att genomsynligheten kan bibehàllas. Skyddsfiimen är nödvändig eftersom beläggningar uppstår till följd av smältprocessen.

En detaljerad beskrivning avseende generering och korrigering av körscheman följer nedan i anslutning till beskrivningen av ritningsfigurerna 15 l figur 12 visas schematiskt en metod för framställning av tredimensionella kroppar enligt uppfinningen. Den tredimensionella kroppen bildas genom successiv sammansmältning av utvalda områden av en pulverbädd, vilka delar motsvarar successiva tvärsnitt hos den tredimensionella kroppen. l ett första metodsteg 100 sker påläggning av pulverlager på ett arbetsbord.

Pàläggning sker genom att ovan nämnda organ 28 distribuerar ett tunt lager av pulver på arbetsbordet 2. l ett andra metodsteg 110 tillförs energi fràn en strålkanon 6 enligt ett för pulverlagret fastställt körschema till ett urvalt område inom pulverlagret varvid sammansmältning av det enligt nämnda körschema utvalda område av pulverlagret för bildandet av ett tvärsnitt av nämnda tredimensionella kropp äger rum. En tredimensionell kropp bildas genom successiv sammansmältning av successivt bildade tvärsnitt ur successivt pàlagda pulverlager. De successiva tvärsnitten är indelade i ett eller flera inre områden l, var och en uppvisande en rand R, där det inre området I enligt uppfinningen sammansmälts under ett rörelsemönster för fokalpunkten hos strålkanonens stråle, vilket innefattar en huvudsaklig rörelseriktning och en till nämnda huvudsakliga rörelseriktning adderad störterm vilken uppvisar en komposant i vinkelrät riktning mot den huvudsakliga rörelseriktningen. Enligt en föredragen utföringsform sammansmälts randen under en huvudsakligen w» v-n in 10 15 20 25 30 524 439 26 rätlinjig rörelse hos strålkanonens stråle.

I en föredragen utföringsform beräknas i ett tredje metodsteg 120 en energijämnvikt för åtminstone det utvalda området som skall sammansmältas inom varje pulverlager, varvid vid beräkningen fastställs huruvida instrålad energi till det utvalda området från det utvalda områdets omgivning är tillräckligt för att bibehålla en bestämd arbetstemperatur hos det utvalda området. Beräkningen sker enligt de modeller som redovisats ovan. l figur 16 visas schematiskt tillvägagångssättet för generering av primära körscheman. I ett första steg 40 genereras en 3D modell, i exempelvis ett CAD- program, av den produkt som skall tillverkas, alternativt inmatas en färdiggenererad 3D modell av den produkt som skall tillverkas till styrdatorn 8. Därefter genereras i ett andra steg 41 en matris innehållande information om utseenden på tvärsnitt av produkten. I figur 21 visas en modell av en hammare med exempel på tillhörande tvärsnitt 31- 33. Dessa tvärsnitt visas även i fig. 22a- 22c. Tvärsnitten utlågges med en täthet motsvarande tjockleken av de skilda lagren som skall sammansmältas för att bilda den färdiga produkten. Tjockleken kan med fördel varieras mellan de olika lagren.

Det är bland annat fördelaktigt att göra lagren tunnare i områden där stor variation finns på tvärsnittens utseende mellan näraliggande lager. Vid genereringen av tvärsnitten skapas sålunda en matris innehållande information om utseende på alla tvärsnitt, vilka tillsammans bygger upp den tredimensionella produkten.

När tvärsnitten väl är genererade genereras i ett tredje steg 42 ett primärt körschema för varje tvärsnitt. Genereringen av primära körscheman baseras dels på formigenkänning av de delar som bygger upp ett tvärsnitt, dels på kunskap om hur körschemat påverkar avsvalningstemperaturen hos lokala delar av ett tvärsnitt. Målsättningen är att skapa ett körschema som medför att avsvalningstemperaturen är så jämn som möjligt hos de delarsom sammansmälts innan nästa lager påläggs samtidigt som 10 15 20 25 30 ~ - . . en 524 439 27 avsvalningstemperaturen skall hållas inom önskat intervall för att reducera risken för uppkomst av krympspänningar i produkten samt reducera storleken på uppkomna krympspänningar i produkten, med deformation av produkten som följd.

I första hand genereras ett primärt körschema utgående från formen hos skilda ingående delar av tvärsnittet. Vid genereringen identifieras varje tvårsnitts rand och inre område. l förekommande fall bildas en uppsättning inre områden vilka var och en uppvisar ränder. För de inre områdena genereras enligt uppfinningen ett körschema vilket uppvisar ett rörelsemönster för strålkanonens fokalpunkt vilket innefattar en huvudsaklig rörelseriktning och en till nämnda huvudsakliga rörelseriktning adderad störterm vilken uppvisar en komposant i vinkelrät riktning mot den huvudsakliga rörelseriktningen enligt vad som ovan angivits. Vid rändema rör sig strålkanonens fokalpunkt i ett huvudsakligen linjärt rörelsemönster. Detta innebär att strålkanonen följer randens form. l en föredragen utföringsform av uppfinningen utläggs sålunda primära körscheman baserade på erfarenhet om vilka körscheman som ger en god temperaturfördelning på avsvalningstemperaturen hos tvärsnittet, varvid risken krympspänningar i produkten med deformation av produkten som följd kan reduceras. För detta ändamål finns en uppsättning körscheman för områden av skilda former lagrade i ett minne. Körscheman enligt uppfinningen är så utformade att strålkanonens fokalpunkt inom inre områden l rör sig i ett rörelsemönster vilket innefattar en huvudsaklig rörelseriktning och en till nämnda huvudsakliga rörelseriktning adderad störterm vilken uppvisar en komposant i vinkelrät riktning mot den huvudsakliga rörelseriktningen. mönster. Förutom denna information kan körscheman innefatta en lista på i vilken ordning en uppsättning inre områden skall bearbetas, information om uppvärmning av skilda områden och information om energitillförsel och svephastighet. l en föredragen 10 15 20 25 30 . u . : - « | n f n » - . ø | n » av 524 439 28 utföringsform uppdateras detta minne allteftersom resultat av korrigeringar av körschemat utvärderas, varvid ett självlärande system erhålles.

I en alternativ utföringsform av uppfinningen matas redan färdiga tvärsnitt, vilka genererats av en fristående dator, in till ett minne i styrdatorn, där nämnda primära körscheman genereras. I detta fall erhålles information direkt till det tredje steget 42 via en extern källa 40a. l figur 17 visas schematiskt ett förfarande för generering av en tredimensionell kropp vilken innefattar metodsteg för beräkning av energijämnvikt för ett lager. I ett första metodsteg 130 sker ett fastställande av parametrar på vilka en energijämnviktsberäknings baseras. I ett andra metodsteg 140 sker en beräkning av energijämnvikten för ett åtminstone det utvalda området 35. Beräkningen sker enligt den tidigare redovisade metoden.

I ett tredje metodsteg 150 sker en uppdatering av körschemat i beroende av den beräknade energijämnvikten. Om energijämnvikten resulterar att tillräckligt värmeenergi finns lagrad i det utvalda området för att bibehålla önskad arbetstemperatur sker ingen extra energitillförsel. Om energijämnvikten resulterar att tillräckligt värmeenergi inte finns lagrad i det utvalda området för att bibehålla önskad arbetstemperatur sker enligt en utföringsform av uppfinningen extra energitillförsel i form av förvärmning av det utvalda området innan sammansmältning sker. Denna förvärmning kan ske genom att strålkanonen sveps mycket snabbt över området eller att strålkanonen sveper över området med lägre effekt än normalt alternativt en kombination av bådadera. Förvärmningen äger rum i ett flärde metodsteg 160. l ett femte metodsteg 170 sker sammansmältningen genom att strålkanonen sveps över det utvalda området. 10 15 20 25 30 524 439 | e o ~ » ; o | n . fi. 29 l figur 18 visas schematiskt en utföringsform av uppfinningen vilken i förekommande fall utnyttjar de ovan beskrivna metoderna för generering och korrigering av körscheman. I ett första metodsteg 180 identifieras ett eller flera av inre områden l hos det utvalda området. l ett andra metodsteg 190 identifieras den eller de till nämnda inre områden tillhörande randen eller ränderna R vilka var och en omsluter nämnda inre område. I ett tredje metodsteg 200 sammansmälts nämnda inre områden l under en delvis överlappande cirkelformad rörelse hos den av strålkanonen avgivna strålen.

Under ett fjärde metodsteg 210 sammansmälts nämnda ränder under en rätlinjig rörelse hos strålen. Korrigeringen är av mindre magnitud för processer vilka nyttjar den uppfinningsmässiga metoden med ett rörelsemönster uppvisande en störterm samt för processer där en energijåmnviktsberäkning utförs. En korrigering kan ändock nyttjas för att ytterligare förbättra slutresultatet.

Enligt en utföringsform av uppfinningen är körschemat anordnat att konsekutivt sammansmälta pulvret inom ett område i taget inom nämnda inre områden.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen är styrdatorn anordnad att indela ytan inom varje pulverlager i en uppsättning avskilda områden, varvid nämnda uppsättning avskilda områden innefattar en första grupp områden vilka ligger helt inom nämnda utvalda områdes rand samt en andra grupp områden vars ränder delvis sammanfaller med nämnda utvalda områds rand. l förekommande fall kan områden inom nämnda andra grupp av områden indelas i underområden. F öreträdesvis uppvisar vart och ett av de i nämnda första grupp av områden ingående delområdena samma form. l det visade exemplet är områdena kvadratiska. Rektangulära, triangelformade och hexagonala områden kan med fördel användas. Randvillkoren inom denna grupp är även likartade förutom eventuella temperaturdifferenser. Genom nyttjande av formlikhet kan beräkningsrutinerna förenklas eftersom devis gemensamma beräkningar kan utföras. 10 15 20 25 30 524 439 » n s - 4 u « . v - . . . o : - .- 30 Styrdatorn är vidare anordnad att tillse att nämnda inre områden hos en uppsättning områden inom nämnda första grupp av områden sammansmälts under en delvis överlappande cirkelformad rörelse hos strålkanonens stråle.

I en utföringsform av uppfinningen sker sammansmältningen hos de inre områdena i nämnda andra grupp av områden med en fokalpunktsrörelse innefattande en störterm enligt vad som ovan beskrivits. l en alternativ utföringsform av uppfinningen sker sammansmältningen inom de inre områdena i nämnda andra grupp av områden med en huvudsakligen rätlinjig rörelse.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen nyttjas vid ovan beskrivna utföringsformer avseende indelning av den utvalda ytan i mindre delytor den ovan beskrivna beräkningen av energijämnvikt för att styra körschemat med avseende på kalibrering av strålens effekt och tillförsel av energi för uppvärmning av pulverbädden innan slutlig sammansmältning sker.

I figur 19 visas schematiskt ett förfarande innefattande korrigering av körscheman med hjälp av information inhämtad från en kamera vilken uppmäter temperaturfördelningen över pulverbäddens yta. Enligt förfarandet styrs strålen från strålkanonen över pulverbädden för att generera ett tvärsnitt av en produkt. l ett första steg 50 påbörjas styrning av stàlen över pulverbädden enligt det i steg 42 definierade primära körschemat. l nästa steg 51 mäts temperaturfördelningen på pulverbäddens ytlager av kameran.

Av den uppmätta temperaturfördelningen genereras därefter en temperaturfördelningsmatris, Ti,--uppmän, där temperaturen på små delområden av pulverbäddens ytlager lagras. När matrisen år generad jämförs varje temperaturvärde Tjjsuppmäu i matrisen med önskat värde hos en börvärdesmatris Tjbönßyde. Pulverbäddens ytlager kan grovt indelas i tre kategorier. För det första, områden där sammansmältning pågår genom bearbetning avstrålkanonen. I dessa områden är maximala smälttemperatur Tij--max av intresse. För det andra, områden som redan sammansmälts och 10 15 20 25 30 524 439 . ; a v | n o | u « Q , Q ~ c o su 31 som därigenom sva|nar. I dessa områden är en minimal tillåten avsvalningstemperatur Tijavsvajnjngjmin av intresse eftersom alltför kall avsvalningstemperatur ger upphov till spänningar och därigenom deformationer av ytlagret. För det tredje, områden som inte bearbetats av strålkanonen. l dessa områden är bäddtemperaturen Tijbädd av intresse. Det är även möjligt att temperaturen jämförs enbart i bearbetade områden, varvid Tjj--bädd inte lagras och/eller kontrolleras, l ett tredje steg 52 undersöks om TÜ--uppmäfi avviker från önskat värde Tjböwäfde och om avvikelsen är större än tillåtna gränsvärden. Grånsvärden ATijmax, ATij-avsvaining OCh ATj--bädd tillhörande de tre olika kategoriema finns lagrade i styrdatorn 8. Det är även möjligt att bäddtemperaturen inte kontrolleras. l detta fall lagras inte det tillhörande gränsvärdet. Om avvikelsen mellan Tjjuppmån och Tjböwänje inte överstiger detta gränsvärde undersöks i ett fjärde steg 53 huruvida ytlagret är färdigbearbetat. Om så inte är fallet fortsätter körningen enligt det gällande körschemat varvid ovan nämnda metodsteg 50 - 53 genomlöpes ytterligare en gång.

Om avvikelsen mellan TÜ--uppmätf och Tijböwäfde överstiger något av nämnda gränsvärden sker en korrigering av körschemat 42 i ett femte steg . Nämnda korrigering utförs i en föredragen utföringsform enligt det schema som visas i figur 20. l en föredragen utföringsform av uppfinningen utlägges ett nytt pulverlager först efter färdigställandet av varje lager, varvid produkten uppbygges genom successiva sammansmältningar av pulverlager tills det att produkten är färdig. I detta fall påbörjas, efter ett sjätte steg 55, ett nytt lager, om produkten i sin helhet inte är färdig, när det i det fjärde steget 53 konstaterats att körschemat för ett lager är avslutat. 10 15 20 25 30 . n a . , - a | v ø a .- 32 Korrigeringen av körschemat innefattar i en föredragen utföringsform följande metodsteg: l ett första steg 56 jämförs Tijmax med Tü-max-böwä,de_ Om Tjjmax avviker från Tij- maxsöwäfde överstigande ATj--max kalibreras i ett steg 56a energitillförseln till pulverlagret genom att antingen ändra stràlens effekt eller ändra stràlens svephastighet. | ett andra Steg 58 lämfÖfs Tij-avsvaining med Tij-avsvainang-börvärde. Ûm Taj-avsvalning avviker från Tij--avsvainingjböfväfde överstigande ATij--avsvaining ändras stràlens körschema i ett steg 58a. Det finns flera sätt att ändra körschemat hos en stråle. Ett sätt att ändra körschemat är att tillåta att stràlen àteruppvärmer områden innan de avsvalnat för mycket. Strålkanonen kan då svepa över redan sammansmälta områden med lägre energiintensitet och/eller högre svephastighet. l ett tredje steg 60 undersöks huruvida Tj--bädd avviker från Tijbädctböwäfde. Om avvikelsen är större än ATj--bädd kan i en utföringsform av uppfinningen bäddens temperatur korrigeras i ett steg 60a, exempelvis genom att stràlen förmàs svepa över bädden för tillförsel av energi. Det är även möjligt att till anordningen ansluta separat bädduppvärmningsutrustning.

Det är även möjligt att en storlekskontroll av det föremål som skall tillverkas görs genom den värmekamera som installerats i anordningen. Enligt vad som ovan beskrivits uppmäts bädden och de delar som sammansmälts. Den uppmätta värmefördelningen avspeglar helt och hållet objektets form i ett snitt av den tredimensionella kropp som skall skapas. En kontroll av föremålets dimensioner kan därigenom göras i ett fjärde steg 62 och återkoppling av X-Y avlänkning av strålkanonens stråle kan därigenom utföras. Denna kontrol utförs i en föredragen utföringsform av uppfinningen i ett steg 62a där avvikelsen mellan mått på tvärsnittet görs och om avvikelsen är större än tillåten, strålkanonens X-Y avlänkning korrigeras. 10 15 20 25 30 524 4-38 ~ u e e u > ; ø u | o - « v- 33 Dessutom kan insignaler från kameran nyttjas till att identifiera förekomsten ytojämnheter, exempelvis i form av en svetsloppa. När koordinaterna för en ytojämnhet har identifierats kan körschemat uppdateras så att stràikanonen beordras till identifierad koordinat för att smälta ned ytojämnheten.

Uppfinningen är inte begränsad till det ovan beskrivna utföringsexemplet, exempelvis kan strålkanonen utgöras av en laser, varvid avlänkningsorganen utgörs av styrbara speglar och eller linser.

Uppfinningen kan vidare utnyttjas i en anordning för framställande av en tredimensionell produkt genom energiöverföring från en energikälla till ett produktråmaterial, vilken anordning innefattar ett arbetsbord på vilken nämnda tredimensionella produkt skall uppbyggas, en dispenser vilken är anordnad att lägga ut ett tunt lager av produktråmaterial på arbetsbordet för bildande av en produktbädd, ett organ för avgivande av energi till valda områden av produktbäddens yta varvid en fasövergàng hos produktràmaterialet medges för bildande av ett fast tvärsnitt inom nämnda område och en styrdator vilken hanterar ett minne i vilket information om successiva tvärsnitt av den tredimensionella produkten finns lagrad, vilka tvärsnitt bygger upp den tredimensionella produkten, där styrdatorn är ämnad att styra nämnda organ för avgivande av energi så att energi tillförs till nämnda valda områden, varvid nämnda tredimensionella produkt bildas genom successiv sammanbindning av successivt bildade tvärsnitt ur av dispensern successivt pålagt produktråmaterial.

I detta fall är utföringsformen inte begränsad till sammansmältning av pulver genom att en stràlkanon bestrålar ytan hos en pulverbädd.

Produktråmaterialet kan utgöras av varje material vilka efter en fasövergàng bildar en fast kropp, exempelvis stelning efter smältning eller härdning. Det energiavgivande organet kan utgöras en elektronkanon, en laser vilka styrs överarbetsytan alternativt av ett energiavgivande organ vilket kan projicera ett tvärsnitt direkt på produktbädden. f . n . l. . 1 -:unna o « 34 De ovan beskrivna utföringsform kan i övrigt utrustas med alla de särdrag som finns beskrivna i förhållande till den tidigare beskrivna utföringsformen. ann u u v en .- -- nu

Claims (1)

1. 0 15 20 25 30 524 459 35 PATENTKRAV Metod för framställning av tredimensionella kroppar genom successiv sammansmältning av utvalda områden av en pulverbädd, vilka delar motsvarar successiva tvärsnitt hos den tredimensionella kroppen, vilken metod innefattar följande metodsteg: påläggning av pulverlager på ett arbetsbord, tillförande av energi från en strålkanon enligt ett för pulverlagret fastställt körschema till nämnda utvalda område inom pulverlagret, sammansmältning av det enligt nämnda körschema utvalda området av pulverlagret för bildandet av ett tvärsnitt av nämnda tredimensionella kropp, varvid en tredimensionell kropp bildas genom successiv sammansmältning av successivt bildade tvärsnitt ur successivt pålagda pulverlager k ä n n et e c k n a d a v att nämnda utvalda område indelas i ett eller flera inre områden l, var och en uppvisande en rand R, där det inre området l sammansmälts under ett rörelsemönster för fokalpunkten hos strålkanonens stråle, vilket innefattar en huvudsaklig rörelseriktning och en till nämnda huvudsakliga rörelseriktning adderad störterm vilken uppvisar en komposant i vinkelrät riktning mot den huvudsakliga rörelseriktningen. Metod enligt krav 1, kännetecknad av att störtermen växlar riktning och uppvisar ett tidsmedelvärde motsvarande en nollavdrift från den huvudsakliga rörelseriktningen. Metod enligt krav 1, kännetecknad av att nämnda störterm uppvisar en komposant vilken är parallell med den huvudsakliga rörelseriktningen. 10 15 20 25 30 524 4-39 36 Metod enligt krav 3, kännetecknad av att rörelsemönstret motsvarar en delvis överlappande spiralformad rörelse hos stràlkanonens stråle. Metod enligt något av kraven 1 - 4, kännetecknad av att och nämnda rand sammansmälts under en huvudsakligen rätlinjig rörelse hos stràlkanonens stråle. Metod enligt något av kraven 1 - 5, kännetecknad av att en energijämnvikt beräknas för åtminstone nämnda utvalda område inom varje pulverlager, varvid vid beräkningen fastställs huruvida instrålad energi till det utvalda området från det utvalda områdets omgivning är tillräckligt för att bibehålla en bestämd arbetstemperatur hos det utvalda området. Metod enligt krav 6, kännetecknad av att, förutom nämnda energi för sammansmältning av det utvalda området, energi för uppvärmning av det utvalda området tillförs i det fall att beräkningen av energijämnvikt resulterar i att tillräcklig energi för bibehållande av avsedd arbetstemperatur hos det utvalda området inte föreligger, varvid bestämd arbetstemperatur hos det utvalda området uppnås. Metod enligt krav 6 eller 7, kännetecknad av att energijämnvikten för varje pulverlager beräknas enligt Ei" (i)= E°”' (i) + E"°a'(i), där Em (i) utgör inmatad energi till det utvalda området E°“' (i) utgör energiförluster genom avledning och utstrålning från det utvalda området + E“°a'(i) utgör upplagrad i det utvalda omrâdet. Anordning för framställande av en tredimensionell produkt, vilken anordning innefattar ett arbetsbord på vilken nämnda tredimensionella produkt skall uppbyggas, en pulverdispenser 10 15 20 25 30 10 11 524» 4-59 37 vilken är anordnad att lägga ut ett tunt lager av pulver på arbetsbordet för bildande av en pulverbädd, en strålkanon för avgivande av energi till pulvret varvid sammansmältning av pulvret sker, organ för styrning av den av strålkanonen avgivna strålen över nämnda pulverbädd för bildandet av ett tvärsnitt av nämnda tredimensionella produkt genom sammansmältning av delar av nämnda pulverbädd och en styrdatori vilken information om successiva tvärsnitt av den tredimensionella produkten finns lagrad, vilka tvärsnitt bygger upp den tredimensionella produkten, där styrdatom är ämnad att styra nämnda organ för styrning av strålkanonen över pulverbädden enligt ett körschema bildande ett tvärsnitt hos nämnda tredimensionella kropp, varvid nämnda tredimensionella produkt bildas genom successiv sammansmältning av successivt bildade tvärsnitt ur av pulverdispensern, k ä n n e t e c k n a d a v att styrdatorn är anordnad att indela nämnda utvalda område i ett eller flera inre I områden vilka var och en uppvisar en rand R, körschemat är anordnat att Anordning enligt krav 9, kännetecknad av att styrdatorn vidare är anordnad att beräkna en energijämnvikt för åtminstone det utvalda området inom varje pulverlager, varvid vid beräkningen fastställs huruvida instrålad energi till det utvalda området från delområdets omgivning är tillräckligt för att bibehålla en bestämd arbetstemperatur hos det utvalda området. Anordning enligt krav 9 eller 10, kännetecknad av att styrdatom är anordnad att styra nämnda körschema för tillförsel av, förutom nämnda energi för sammansmältning av pulverlager, energi för uppvärmning av pulverlagret i det fall att beräkningen av energijämnvikt resulterar i att körschemat ej ger tillräcklig energi för bibehållande av avsedd arbetstemperatur hos det utvalda 10 12 13 38 området, varvid bestämd arbetstemperatur hos det utvalda området bibehålles. Anordning enligt något av kraven 9 - 11, kännetecknad av att styrdatorn är anordnad att beräkna energijämnvikten för varje puiveriager enligt E" (i)= E°“* (i) + Emma), där El" (i) utgör inmatad energi till det utvalda området E°”' (i) utgör energiförluster genom avledning och utstrålning från det utvalda området + Eheatü) utgör upplagrad energi i det utvalda området. Anordning enligt något av kraven 9 - 12, kännetecknad av att anordningen vidare innefattar organ för avkänning av temperaturfördelningen hos ett hos pulverbädden beläget ytlager.