CN105228775A - 选择性激光固化设备及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及选择性激光固化设备。所述设备包括：粉末床(104)，粉末层可沉积在所述粉末床上；气流单元，其用于使气流沿气流方向(118)在所述粉末床(104)上穿过；激光扫描单元(106)，其用于在所述粉末层上方扫描激光束，以选择性固化所述粉末层的至少一部分从而以形成一个或多个物体；以及处理单元(131)。所述处理单元131基于所述气流方向(118)选择所述激光束的扫描次序。本发明还涉及用于选择扫描次序的方法。

Description

选择性激光固化设备及方法
技术领域
本发明涉及选择性激光固化，并且具体涉及改进的选择性激光熔化过程和设备，其中，基于气流的方向来选择构建物体或物体部分的顺序。
背景技术
用于制造物体的增材制造或快速成型方法包括使用激光束逐层固化诸如金属粉末材料的材料。粉末层沉积在构建室的粉末床上，并且激光束扫描横越对应于正在构造的物体的横截面的一部分粉末层。激光束熔化或烧结粉末以形成固化层。在选择性固化层之后，粉末床降低新近经固化层的厚度，并且另外的粉末层被散布在表面上并在需要时固化。在单次构建中，可以构建不止一个物体，该物体在粉末床中隔开。
在熔化或烧结过程中，在构建室内产生残渣(例如，冷凝物、粉末的未固化颗粒等)。已知，引入气流通过构建室以试图通过气流去除室内的残渣。例如，由德国慕尼黑EOS股份有限公司制造的机器型号M280包括位于粉末床后部的一系列气体出口喷嘴，这一系列气体出口喷嘴将气流传递到位于粉末床前面的一系列排气孔。通过这种方式，在粉末床的表面形成气流的平面层。Renishaw的AM250和AM125机器提供类似的布置，其中在粉末床的任一侧面上的小孔提供在粉末床上穿过的大体上平面的气流。已经发现，残渣可以从物体的一个节段吹到该物体的另一个节段或另一物体的另一个节段。这可导致通过熔化过程生成的固化金属层的非均匀性和增加的孔隙度。具体地，吹过粉末床的残渣可导致表面粗糙度增加，使得相邻层之间形成气孔。构建中的非均匀性可导致物体不符合预期的设计并损坏设备。具体地，刮板通常用于在粉末床上散布各个粉末层。从粉末床上伸出的固化结构可碰到刮板并将刮板损坏。损坏的刮板可导致粉末层具有隆起的粉末。因此，构建中的非均匀性不仅关系到正在形成的层，而且关系到此后形成的粉末层。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种选择性激光固化设备，所述设备包括：粉末床，粉末层可以沉积在所述粉末床上；气流单元，其用于使气体沿气流方向在粉末床上穿过；激光扫描单元，其用于在粉末层上方扫描激光束，以选择性固化粉末层的至少一部分从而形成一个或多个物体；以及处理单元，其基于气流方向选择激光束的扫描次序。
扫描次序可以经选择使得通过扫描产生的残渣被带走远离有待被扫描的粉末层的区域。因此，这些粉末区没有被残渣扰乱和污染，从而确保当固化这些区域时，固化层被构建成预期的均匀高度。例如，处理单元可以选择在扫描另一个区域之前扫描一个区域，因为所述一个区域在气流方向上位于另一个区域的顺风方向。在形成逆风区域中所产生的残渣可能被吹到已经形成的顺风区域上，但是这种残渣可以由刮板去除，并且如果所述残渣没有被去除，则在形成下个一横截面时，所述残渣被将要被熔化的下一个粉末层覆盖。因此，以这个顺序扫描区域不太可能在构建中导致非均匀性。
一个或多个物体可通过在至少一个粉末层中固化单独岛状物而形成，处理单元经布置以基于岛状物在至少一个粉末层中的相对位置和气流方向选择形成岛状物的顺序。
可以选择形成岛状物的顺序，以使得通过形成岛状物而产生的残渣被带走远离还未形成岛状物的粉末层的区域。因此，这些粉末区域没有被残渣扰乱和污染，从而确保当固化这些区域时，固化层被构建成期望的均匀高度。例如，处理单元可选择在形成另一个岛状物的至少一部分之前形成一个岛状物的至少一部分，因为所述一个岛状物的至少一部分在气流方向上位于另一个岛状物的至少一部分的顺风方向。在形成逆风岛状物时所产生的残渣可被吹到已经形成的顺风岛状物上，但是此残渣将被下一粉末层覆盖，并且所述残渣很可能在形成下一横截面时再熔化。因此，以这个顺序构建岛状物不太可能在构建时导致非均匀性。
对于其中第一岛状物整体位于第二岛状物的顺风方向的岛状物，处理单元可经布置以选择在形成第二岛状物之前完全形成第一岛状物。然而，如果第一岛状物至少部分围绕第二岛状物定位，从而第一岛状物的部分在第二岛状物的顺风方向而第一岛状物的其他部分在第二岛状物的逆风方向，则处理单元可经布置以选择在形成第一岛状物的顺风部分和逆风部分中间，形成第二岛状物的至少一部分。
通过投射在固化每个区域时所形成的残渣散落区并确定待固化的一个或多个其他区域是否落入所述残渣散落区，处理单元可确定区域应当被扫描的顺序；处理单元选择在固化已从该区域投射残渣散落区的区域之前，固化落入该残渣散落区内的一个或多个其他区域。残渣散落区可以从在垂直于气流方向的方向上的区域的最外边缘，被投射成在气流方向上延伸的一对并行线。当气流是层式气流时(雷诺数小于2000)，此类残渣散落区可为适合的。然而，考虑到气流中的轻微湍流，将残渣散落区投射成与气流方向成轻微角度的分叉线也可以是可取的，轻微湍流可导致残渣沉积到在垂直于气流方向的方向中的区域的最外边缘之外。可使用更复杂的残渣可沉积在其上的区域的模型，从而需求残渣散落区的更复杂投射。例如，靠近粉末床边缘定位的待固化区域可能经受更多湍流，因为这些区域比定位在粉末床中心的区域更接近构建室的侧壁。
所述设备可包括供用户识别待形成的一个或多个物体的界面。用户可以选择将要构建一个或多个物体的构建平台上的位置。另选地，处理单元可经布置以在构建平台上为一个或多个物体选择位置。处理器可基于已选定位置的物体的残渣散落区为一个或多个物体选择位置。
激光扫描单元可经布置以在粉末层上方扫描激光束，以选择性固化粉末层的至少一部分，从而形成所需的图案，所需的图案由多个条纹或条纹段形成，每个条纹或条纹段通过在条纹形成方向上沿条纹或条纹段推进激光束来形成。如果激光扫描单元以这种方式布置，则条纹形成方向则可以并不总是与预定气流方向至少部分相反。
根据本发明的第二方面，提供在选择性激光固化过程中选择激光束扫描次序的方法，在该选择性激光固化过程中通过重复以下步骤来逐层形成一个或多个物体：在粉末床上沉积粉末层，以及在经沉积的粉末上方扫描激光束以选择性固化粉末层的至少一部分，其中气流在气流方向上在粉末床上穿过；所述方法包括基于气流方向选择激光束的扫描次序。
所述方法可以为计算机执行的方法。
根据本发明的第三方面，提供具有储存在其上的指令的数据载体，当处理器执行所述指令时，指令使处理器执行本发明的第二方面的方法。
根据本发明的第四方面，提供用于在选择性激光固化过程中选择激光束扫描次序的设备，在该选择性激光固化过程中通过重复以下步骤来逐层形成一个或多个物体：在粉末床上沉积粉末层，以及在经沉积的粉末上方扫描激光束以选择性固化粉末层的至少一部分，其中气流在气流方向上在粉末床上穿过；所述设备包括处理单元、显示器和用户输入装置，该处理单元经布置以进行以下各项：(1)接收关于一个或多个物体的数据，该数据包括物体在构建平台上的位置，(2)促使显示器显示待固化区域的图像，并且(3)从用户输入装置接收有关区域待扫描顺序的用户输入，其中从每个区域投射残渣散落区。
根据本发明的第五方面，提供用于在选择性激光固化过程中选择激光束扫描次序的数据载体，在该选择性激光固化过程中中通过重复以下步骤来逐层形成一个或多个物体：在粉末床上沉积粉末层，以及在已沉积的粉末上方扫描激光束以选择性固化粉末层的至少一部分，其中气流在气流方向上在粉末床上穿过；所述数据载体具有在其上的指令，当处理器执行所述指令时，该指令使处理器进行以下各项：(1)接收关于一个或多个物体的数据，该数据包括物体在构建平台上的位置，(2)促使显示器显示待固化区域的图像，并且(3)从用户输入装置接收有关区域待扫描顺序的用户输入，其中从每个区域投射残渣散落区。
残渣散落区可以为粉末层的区域，预测在粉末的固化期间所生成的残渣由于被气流携带而会落在其上。
根据本发明的第六方面，提供在选择性激光固化过程中选择在其中构建物体的位置的方法，在选择性激光固化过程中通过重复以下步骤来逐层形成一个或多个物体：在粉末床上沉积粉末层，以及在经沉积的粉末上方扫描激光束以选择性固化粉末层的至少一部分，其中刮板在刮擦方向上将粉末分散在粉末床上以形成每个粉末层；所述方法包括基于刮擦方向选择要在粉末床中构建一个或多个物体的位置。
一个或多个物体的位置可经选择以最小化或防止在固化粉末床的一个区域期间所生成的残渣被刮板分散到待固化的粉末床的另一个区域上。
刮板可以在粉末床上来回移动，刮板经布置以在两个方向或仅在一个方向上分散粉末。
所述方法可以为计算机执行的方法。
根据本发明的第七方面，提供具有储存在其上的指令的数据载体，当处理器执行所述指令时，指令使处理器执行本发明的第六方面的方法。
根据本发明的第八方面，提供用于在选择性固化过程中设计待构建物体的构建的设备，在选择性固化过程中通过重复以下步骤来逐层形成一个或多个物体：在粉末床上沉积粉末层，以及在经沉积的粉末上方扫描激光束以选择性固化粉末层的至少一部分，其中沉积步骤包括使用刮板以在至少一个刮擦方向上将粉末分散在粉末床上以形成粉末层；其中，所述设备包括处理单元、显示器和用户输入装置，布置处理单元以进行以下各项：(1)接收关于多个物体的数据(该数据包括物体中的至少一个物体在粉末床中的经界定位置)，(2)促使显示器关于具有经界定位置的每个物体，来显示待固化以形成物体的粉末床的区域的图像和从每个区域投射的残渣分散区的图像，并且(3)从用户输入装置接收有关多个物体中的至少一个物体的位置的用户输入。
通过显示位于粉末床中的一个物体的残渣分散区的图像，用户可以基于所显示的残渣分散区选择在粉末床中的另一个物体的位置。
本发明还提供具有储存在其上的指令的数据载体，当处理器执行所述指令时，该指令使处理器根据在本发明的第八方面中定义的处理器来运行。
残渣分散区可以为据预测残渣(该残渣在粉末的固化期间生成)可被刮板分散到其上的粉末层的区域。
本发明上述方面的数据载体可以为用于向机器提供指令的合适介质，诸如非暂时性数据载体，例如软盘、CDROM、DVDROM/RAM(包括-R/-RW和+R/+RW)、HDDVD，蓝光(TM)盘、存储器(诸如记忆棒(TM)、SD卡、紧凑闪存卡等)、磁盘驱动器(诸如硬盘驱动器)、磁带、任何磁/光存储或瞬态数据载体诸如在导线或光纤上的信号或无线信号，例如通过有线网络或无线网络发送的信号(诸如，互联网下载，FTP传输等)。
附图说明
现在将参照附图来描述仅作为示例的本发明的实施例，其中：
图1为根据本发明一个实施例的激光固化设备的示意图；
图2为激光固化设备另一侧面的示意图；
图3为示出根据本发明方法的步骤的流程图；
图4为在设备的构建平台上待固化的岛状物的平面图，其中已透射残渣散落区；以及
图5为在设备的构建平台上待固化的岛状物的平面图，其中已透射根据本发明不同实施例的残渣散落区。
具体实施方式
参考图1和图2，根据本发明实施例的激光固化设备包括构建平台102，其用于支撑通过选择性激光熔化粉末104构建的物体103。在形成物体103的连续层时，平台102可以在室101中下降。在通过分发设备108和刮板109构建物体103时形成粉末层104。例如，分发设备109可以为如在WO2010/007396中描述的设备。激光模块105生成用于熔化粉末104的激光，激光根据需要由在计算机130控制下的光学模块106引导。激光经由窗口107进入构建室。
入口112和出口110经布置用于生成穿过在构建平台102上形成的粉末床的气流。入口112和出口110经布置以产生层流，层流具有从入口到出口的流动方向，如箭头118所指示。气体通过气体再循环回路111从出口110再循环到入口112。泵113保持在入口112和开口5、6处的期望气压。过滤器114设置在再循环回路111中，以过滤流量中被截留的气体冷凝物。应当理解，可以在构建室101中设置不止一个入口112。此外，再循环回路111可包含于构建室101内，而不是在构建室101外面延伸。
计算机130包括处理单元131、存储器132、显示器133、用户输入装置135(诸如键盘、触摸屏等)、到激光烧结单元模块(诸如光学模块106和激光模块105)的数据连接，以及外部数据连接135。计算机程序储存在存储器132上，该程序指令处理单元执行参照图3-5所描述的方法。
参考图3，由计算机130通过例如外部数据连接135接收(201)待构建物体的几何数据，诸如为STL文件形式的几何数据。处理单元131接收(202)关于物体在构建平台102上的位置的信息。这个位置信息可以已经被限定在STL中或用户可使用用户输入装置135来选择，其中每个物体应当位于构建平台102上。对于每一层，处理单元131识别待固化的层的区域并确定203激光束应当扫描这些区域的顺序。图4示出了如何完成这些步骤的示例。
图4示出针对特定层的五个待固化的独立区域(岛状物)122至126。对于每个岛状物122至126，处理单元在气流方向上从岛状物投射残渣散落区122a至126a。然后，对于每个岛状物122至126，处理单元131确定任何另一个岛状物是否落入残渣散落区内。如果是，则处理单元在形成已经确定了关于其的残渣散落区的岛状物之前，选择形成该另一个岛状物。例如，在图4中，岛状物125和126落入岛状物122的散落区内，并且因此，在扫描岛状物122之前选择扫描岛状物125和126。岛状物126也落入岛状物125的散落区内，并且因此，应当形成在岛状物125之前形成岛状物126。
处理单元131可经布置以选择在形成该岛状物的不同部分中间形成另一个岛状物的至少一部分，而不是将构建顺序限制到完整的岛状物。图4示出这种构建顺序的两个示例。在第一示例中，岛状物123完全被岛状物124围绕。因此，岛状物124包括在岛状物123逆风方向的部分和在岛状物123顺风方向的部分。在此类情形中，处理单元131选择在扫描岛状物123之前处理位于岛状物123顺风方向的岛状物的一部分，并且然后扫描在岛状物123逆风方向的岛状物124的一部分。既不在岛状物123的逆风方向又不在岛状物123的顺风方向的岛状物124的一部分可以在扫描岛状物123之前或之后被扫描，并且这些部分的扫描顺序的选择可以基于其他标准，诸如扫描速度。岛状物124的不同部分通过虚线示出。在第二示例中，可在扫描岛状物126之前扫描不在岛状物126逆风方向的岛状物125的一部分，而不是在扫描岛状物126之后扫描所有的岛状物125。在扫描岛状物126之前扫描岛状物125的一部分的原因在于，诸如优化扫描速度、材料成分和/或焦点位置的变化。
在这个实施例中，处理单元131针对每一层实施这个过程。
然而，在另一个实施例中，可从单次分析确定多个层的顺序，而不是计算每一层的扫描顺序。例如，散落区可从每个物体在构建平台102上的占位面积来确定，顺序基于其他物体是否落入基于该占位面积而计算的残渣散落区内来确定。虽然针对某些层，残渣散落区可小于从占位面积计算出的散落区，但是此类方法可提供合理归纳，其减少在确定部件应被构建的顺序中所需的处理量。
所选择的扫描所述部分的顺序可显示给用户并且用户能够改变该顺序。然后，用户可激活构建，以使处理单元控制204光学模块106和激光模块105，以扫描粉末层从而以所选择的顺序形成岛状物。
在如图4所示的实施例中，残渣散落区通过从岛状物的边缘在气流方向上延伸直线来投射。然而，可以使用散落区的其他投射。图5示出了两个示例。对于岛状物127，考虑到在气流中的轻微湍流，散落区127a投射成与气流方向成轻微角度的发散线，轻微湍流可导致残渣沉积到在与气流方向垂直的方向中的岛状物的最外边缘之外。岛状物128和散落区128a体现出类似的原理，其中，散落区的初始弯曲边界用于模拟局部残渣可通过在粉末床上的激光束的冲击被扔出，但更进一步，残渣更可能沿着比较直的路径被气流带走远离岛状物。
在进一步的实施例中，用户可选择构建岛状物的顺序，而不是处理单元选择扫描岛状物的顺序。这可通过处理单元131使显示器133显示类似于图4和图5所示的图像来实现，使得用户可以基于散落区的这种可视化来选择扫描岛状物的顺序。然后，处理单元131接收来自户输入装置的应当扫描岛状物的顺序的用户输入。
应当理解，在上述描述中，岛状物可与更早的层或更晚的层一起出现，以便形成单个物体，或可以保持独立以便形成一个或多个独立的物体。
在进一步的实施例(未示出)中，处理单元基于刮板109在粉末床104上分散粉末的方向W选择物体在粉末床中的位置。具体地，物体在粉末床中的位置可经选择使得通过固化粉末床的一个区域所产生的残渣不被刮板分散到待固化的粉末床的另一个区域，诸如在后续粉末层中的待固化的区域。此类任务也可以由用户借助计算机手动执行。例如，处理单元131可使显示器133显示那些位置已被识别的物体的残渣扩散区，使得用户可基于所显示的残渣分散区为另外的物体选择粉末床中的位置。
应当理解，在未背离如本文所限定的本发明范围的情况下，可对本发明做出变更和更改。例如，本发明可应用于单个岛状物，其中，在扫描岛状物的逆风部分之前扫描岛状物的顺风部分是可取的。

Claims (15)

1.一种选择性激光固化设备，其包括：
粉末床，粉末层可沉积在所述粉末床上；
气流单元，其用于使气流沿气流方向在所述粉末床上穿过；
激光扫描单元，其用于在所述粉末层上方扫描激光束，以选择性固化所述粉末层的至少一部分从而形成一个或多个物体；以及
处理单元，其基于所述气流方向选择所述激光束的扫描次序。
2.根据权利要求1所述的选择性激光固化设备，其中扫描次序经选择使得在扫描期间产生的残渣被带离未被扫描的所述粉末层的区域。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的选择性激光固化设备，其中所述处理单元选择在扫描另一个区域之前扫描一个区域，因为所述一个区域在气流方向上位于另一个区域的顺风方向。
4.根据前述权利要求中任一项所述的选择性激光固化设备，其中所述一个或多个物体通过在至少一个粉末层中固化分开的岛状物而形成，所述处理单元经布置以基于岛状物在所述至少一个粉末层中的相对位置和所述气流方向选择形成所述岛状物的顺序。
5.根据权利要求4所述的选择性激光固化设备，其中形成岛状物的所述顺序经选择使得通过形成岛状物而产生的残渣被带离所述粉末层的还未形成岛状物的区域。
6.根据权利要求4或权利要求5所述的选择性激光固化设备，其中所述处理单元选择在形成另一个岛状物的至少一部分之前形成一个岛状物的至少一部分，因为所述一个岛状物的至少一部分在气流方向上位于另一个岛状物的至少一部分的顺风方向。
7.根据权利要求4至6中的任一项所述的选择性激光固化设备，其中，对于其中第一岛状物整体位于第二岛状物的顺风方向的岛状物，所述处理单元经布置以选择在形成所述第二岛状物之前完全形成所述第一岛状物。
8.根据权利要求4至7中的任一项所述的选择性激光固化设备，其中，如果第一岛状物至少部分围绕第二岛状物定位，从而所述第一岛状物的一部分在所述第二岛状物的顺风方向并且所述第一岛状物的其他部分在所述第二岛状物的逆风方向，则所述处理单元经布置以选择在形成所述第一岛状物的顺风部分和逆风部分中间形成所述第二岛状物的至少一部分。
9.根据前述权利要求中任一项所述的选择性激光固化设备，其中通过投射在固化每个区域时会形成的残渣散落区以及通过确定待固化的一个或多个其他区域是否落入所述残渣散落区，由所述处理单元来确定区域应当被扫描的顺序；所述处理单元选择在固化一个从其投射所述残渣散落区的区域之前，固化落入所述残渣散落区内的一个或多个其他区域。
10.根据前述权利要求中任一项所述的选择性激光固化设备，其中所述处理单元经布置以在构建平台上为一个或多个所述物体选择位置，所述处理单元基于已选定了位置的物体的所述残渣散落区来选择所述位置。
11.一种在选择性激光固化过程中选择激光束扫描次序的方法，在该选择性激光固化过程中通过重复以下步骤来逐层形成一个或多个物体：在粉末床上沉积粉末层，以及在经沉积的粉末上方扫描激光束以选择性固化所述粉末层的至少一部分，其中气流在气流方向上在所述粉末床上穿过；
所述方法包括基于所述气流方向选择所述激光束的扫描次序。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述方法通过计算机执行。
13.一种具有储存在其上的指令的数据载体，当处理器执行所述指令时，所述指令使所述处理器执行权利要求11所述的方法。
14.一种用于在选择性激光固化过程中选择激光束扫描次序的设备，在该选择性激光固化过程中通过重复以下步骤来逐层形成一个或多个物体：在粉末床上沉积粉末层，以及在经沉积的粉末上方扫描激光束以选择性固化所述粉末层的至少一部分，其中气流在气流方向上在所述粉末床上穿过；所述设备包括：处理单元、显示器和用户输入装置，所述处理单元经布置以进行以下各项：接收关于一个或多个物体的数据，促使所述显示器显示待固化区域的图像，并且从所述用户输入装置接收所述区域待扫描顺序的用户输入，其中所述数据包括所述物体在构建平台上的位置，以及从每个区域投射残渣散落区。
15.一种用于在选择性激光固化过程中选择激光束扫描次序的数据载体，在该选择性激光固化过程中通过重复以下步骤来逐层形成一个或多个物体：在粉末床上沉积粉末层，以及在经沉积的粉末上方扫描激光束以选择性固化所述粉末层的至少一部分，其中气流在气流方向上在所述粉末床上穿过；所述数据载体具有在其上的指令，当处理器执行所述指令时，所述指令使所述处理器进行以下各项：接收关于一个或多个物体的数据，促使显示器显示待固化区域的图像，并且从用户输入装置接收所述区域待扫描顺序的用户输入，其中所述数据包括所述物体在构建平台上的位置，以及从每个区域投射残渣散落区。
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