CN106424723A - 下表皮层的增材制造 - Google Patents

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Abstract

一种基于辐射由粉末材料增材制造三维物体的方法，多层粉末材料设在层设置方向上且被逐层辐射，多层包括悬垂层，悬垂层分别具有形成所制造三维物体芯体部分的芯体区和形成所制造三维物体悬垂部分的下表皮区，芯体区沿层设置方向在直接前一层的辐射区顶部上延伸，且下表皮区在直接前一层的先前未辐射区顶部上延伸。该方法包括：生成悬垂层的直接前一层；以及通过以至少达到从过渡部分到下表皮区的预设距离将芯体能量密度提供到芯体区中、且将取决于斜率的悬垂部能量密度提供到下表皮区的下表皮微小区域中，生成悬垂层，取决于斜率的悬垂部能量密度与芯体能量密度相差下表皮减小量，其取决于相应下表皮微小区域超过直接前一层的相应芯体区的延伸量。

Description

下表皮层的增材制造
技术领域
本申请总体涉及增材制造且更特别地涉及控制下表皮层的增材制造。
背景技术
在诸如选择性激光烧结或选择性激光熔融的增材制造中，诸如金属或陶瓷粉末的粉末材料被诸如激光的电磁辐射所辐射。随后，粉末的薄层在构建平台上设置在腔内，从而以逐层按步骤生产的方式，即，在层设置方向上形成三维物体。用于增材制造的示例性装置在文献EP 2732890A2中公开。
概括而言，辐射区可侧向移位，以使得所述层可在层设置方向上形成例如成序列层的悬垂部，在此称为悬垂层。悬垂层包括用于形成芯体部分的芯体区和用于形成三维物体的悬垂部分的下表皮区。芯体区沿层设置方向在直接前一生成层的辐射区的顶部上大致延伸。相应的，下表皮区在直接前一层的先前未辐射区的顶部上延伸。
用于增材制造下表皮层的示例性方法例如在文献EP 1720676B1中公开。
概括而言，悬垂层的形成及其形状受到之前层在悬垂区中失去支撑的影响。因此，悬垂区的增材制造可导致三维物体的相应悬垂部分可能不能完成诸如形状准确性、稳定性、和总体结构的期望规格。
本申请至少部分地旨在改进或克服现有系统的一个或多个方面，且尤其提供用于形成下表皮层的有效方法。
发明内容
目的中的一些可通过如权利要求1所述的基于辐射的增材制造三维物体的方法、如权利要求10所述的用于生成适于增材制造三维物体的辐射指令映射的方法实现。而且，目的中的一些可由如权利要求1所述的三维物体、如权利要求13所述的数字3D可打印项、如权利要求14所述的计算机可读程序产品、以及如权利要求15所述的用于增材制造三维物体的装置解决。进一步的方面和改进在从属权利要求中给出。
在第一方面，本申请公开了基于辐射的由粉末材料增材制造三维物体的方法，其中，粉末材料的多个层在层设置方向上设置且被逐层辐射，且所述多个层包括悬垂层，所述悬垂层具有分别用于形成制造的三维物体的芯体部分的芯体区和用于形成制造的三维物体的悬垂部分的下表皮区，芯体区沿层设置方向在直接前一层的辐射区的顶部上延伸，且下表皮区在所述直接前一层的先前未辐射区的顶部上延伸。所述方法包括生成悬垂层的所述直接前一层；且通过以至少达到从过渡部到下表皮区的预设距离将芯体能量密度提供到芯体区中，且将取决于斜率的悬垂部能量密度提供到下表皮区的下表皮微小区域中，生成悬垂层，其中，取决于斜率的悬垂部能量密度与芯体能量密度相差下表皮减小量，所述下表皮减小量取决于相应下表皮微小区域超过直接前一层的相应芯体区的延伸量。
在另一方面，用于生成适于由粉末材料增材制造包括悬垂部分的三维物体的辐射指令映射的方法包括：确定与三维物体对应的物体层数据的芯体区和下表皮层区，下表皮层区包括至少一个下表皮微小区域，确定下表皮微小区域超过直接前一层的相应芯体区的延伸量，将芯体能量密度关联到芯体区，且将取决于斜率的悬垂部能量密度关联到下表皮微小区域，斜率的悬垂部能量密度与芯体能量密度相差下表皮减小量，所述下表皮减小量取决于被确定用于相应下表皮微小区域的延伸量。
在另一方面，由粉末材料形成的三维物体包括具有芯体材料结构的芯体部分和悬垂部分，所述芯体材料结构具有芯体密度，尤其芯体密度在完全处理诸如熔融/烧结粉末材料的范围内，且悬垂部分包括在悬垂侧处的下表皮材料结构，其中，下表皮材料结构形成在悬垂侧处的三维物体的表面且具有在悬垂侧处的第二密度，第二密度相对于芯体密度减小且随着悬垂侧的斜率改变。
在另一方面，用于由3D制造装置处理的数字3D可打印项包括：数据组，其代表三维物体的3D结构，所述三维物体通过3D制造装置在层设置方向上由粉末材料逐层形成；和能量密度参数，其与数据组和特定层设置方向关联，以用于设定3D制造装置的辐射能量密度。能量密度参数包括用于数据组的与悬垂层的芯体区关联的数据点的芯体能量密度参数、和用于数据组的与悬垂层的下表皮区关联的数据点的取决于斜率的悬垂部能量密度参数，其中取决于斜率的悬垂部能量密度参数对应于待提供的能量密度，所述待提供的能量密度与芯体能量相比较减小了下表皮减小量，芯体能量在与从芯体区至下表皮区的过渡部具有至少预设距离的数据点处提供，其中，下表皮减小量取决于相应下表皮微小区域超过直接前一层的相应芯体区的延伸量。
在另一方面，具有存储在其上的计算机可读指令、响应于由3D制造装置的控制单元执行的计算机可读程序产品引起3D制造装置实施如在此公开的方法，且其中，计算机可读程序产品具有尤其存储其上的如在此公开的数字3D可打印项。
在另一方面，用于由粉末材料增材制造三维物体的装置包括：辐射系统，诸如，包括激光源和激光扫描镜的激光系统；具有粉末操纵系统的物体形成腔；以及控制单元。控制单元配置成控制所述装置，以实施如在此公开的方法且尤其基于如在此公开的数字3D可打印项实施增材制造。
以上方面的另外的实施方式在通过引用结合于此的权利要求中公开。
本申请的其它特征和方面将通过以下说明书和附图变得明显。
根据本申请的一个方面，提供一种基于辐射的由粉末材料增材制造三维物体的方法，其中，粉末材料的多个层设置在层设置方向上且被逐层辐射，且所述多个层包括悬垂层，所述悬垂层具有分别用于形成制造的三维物体的芯体部分的芯体区和用于形成制造的三维物体的悬垂部分的下表皮区，芯体区沿层设置方向在直接前一层的辐射区的顶部上延伸，且下表皮区在直接前一层的先前未辐射区的顶部上延伸，所述方法包括：生成悬垂层的直接前一层；以及通过以至少达到从过渡部分到下表皮区的预设距离将芯体能量密度提供到芯体区中、且将取决于斜率的悬垂部能量密度提供到下表皮区的下表皮微小区域中，生成所述悬垂层，其中，取决于斜率的悬垂部能量密度与芯体能量密度相差一下表皮减小量，所述下表皮减小量取决于在直接前一层的顶部上相应下表皮微小区域超过相应芯体区的延伸量。
优选地，所述方法还包括当在从芯体区扫描到下表皮区期间过渡时，使辐射芯体区和下表皮区之间的辐射功率、扫描速度、和/或辐射光斑尺寸中的至少之一变化，且尤其是通过减小辐射功率和/或增加扫描速度和/或增加辐射光斑尺寸，由此施加所述下表皮减小量。
优选地，所述取决于斜率的悬垂部能量密度还取决于层厚度、且尤其取决于与每个下表皮微小区域关联的表面斜率，并且其中尤其是例如通过确定侧向延伸量，和/或通过尤其基于直接前一层和悬垂层之间的表面上的一个点、和悬垂层和紧接后续层之间的两个点来确定在下表皮微小区域处与三维物体的形状相近似的平面，从限定三维物体的形状的数据点推导与相应下表皮微小区域关联的表面斜率。
优选地，对于具有较大和较小表面斜率的两个下表皮微小区域而言，与较大表面斜率关联的悬垂层的下表皮减小量小于与较小表面斜率关联的悬垂层的下表皮减小量，以使得与较小表面斜率关联的悬垂层设有较小能量密度，且其中尤其下表皮微小区域与同一悬垂层相关或与相继的悬垂层相关，诸如与共同悬垂部分的悬垂层相关。
优选地，取决于斜率的悬垂部能量密度在大约10％至大约80％的最大层特定芯体能量密度的范围内。
优选地，所述方法还包括：接收对于下表皮微小区域的斜率参数；以及取决于与相应下表皮微小区域关联的斜率参数设定所述取决于斜率的悬垂部能量密度。
优选地，芯体区包括在过渡部分处到相应下表皮微小区域的过渡区，且所述方法还包括：以相对于芯体能量密度被减小的相应过渡能量密度辐射所述过渡区。
优选地，所述过渡能量密度被选定为接近于过渡部分地对应于所述取决于斜率的悬垂部能量密度，和/或高于所述取决于斜率的悬垂部能量密度，和/或在从芯体区朝向下表皮微小区域的侧向方向上，从芯体区处的芯体能量密度连续地或逐步地减小到所述取决于斜率的悬垂部能量密度，且其中过渡部分能量密度尤其在大约20％至大约90％的最大芯体能量密度的范围内。
优选地，相继悬垂层的下表皮区限定悬垂轮廓，所述悬垂轮廓在层设置方向上界定制造的三维物体的悬垂部分，且在悬垂部分内，层特定芯体能量密度在层设置方向上随着与所述悬垂轮廓的距离而增加，且其中，尤其过渡能量密度在层设置方向上随着与所述悬垂轮廓的距离而增加。
根据本申请的又一个方面，提供一种用于生成辐射指令映射的方法，所述辐射指令映射用于由粉末材料增材制造包括悬垂部分的三维物体，所述方法包括：确定与三维物体对应的物体层数据的芯体区和下表皮层区，下表皮层区包括至少一个下表皮微小区域；确定下表皮微小区域超过直接前一层的相应芯体区的延伸量；将芯体能量密度关联到芯体区；以及将取决于斜率的悬垂部能量密度关联到下表皮微小区域，所述取决于斜率的悬垂部能量密度与芯体能量密度相差一下表皮减小量，所述下表皮减小量取决于针对相应下表皮微小区域所确定的延伸量。
根据本申请的又一个方面，提供一种由粉末材料形成的三维物体，所述物体包括：具有芯体材料结构的芯体部分，芯体材料结构具有芯体密度，尤其是芯体密度在完全处理的诸如熔融/烧结粉末材料的范围内；和悬垂部分，其在悬垂侧处包括下表皮材料结构，其中所述下表皮材料结构在所述悬垂侧处形成三维物体的表面且在所述悬垂侧处具有第二密度，所述第二密度相对于芯体密度减小且随着悬垂侧的斜率改变。
优选地，悬垂部分在与悬垂侧相反的顶侧处还包括具有芯体密度的上表皮材料结构。
根据本申请的又一个方面，提供一种由3D制造装置处理的数字3D可打印项，所述项包括：数据组，其代表三维物体的3D结构，所述三维物体通过3D制造装置在层设置方向上由粉末材料逐层形成；和能量密度参数，其与数据组和特定层设置方向关联，以用于设定3D制造装置的辐射能量密度，所述能量密度参数包括芯体能量密度参数，其用于所述数据组的与悬垂层的芯体区关联的数据点；和取决于斜率的悬垂部能量密度参数，其用于所述数据组的与悬垂层的下表皮区关联的数据点，其中，所述取决于斜率的悬垂部能量密度参数对应于待提供的能量密度，所述待提供的能量密度与芯体能量相比较减小了下表皮减小量，所述芯体能量在与从芯体区至下表皮区的过渡部分具有至少预设距离的数据点处提供，其中所述下表皮减小量取决于相应下表皮微小区域超过直接前一层的相应芯体区的延伸量。
根据本申请的又一个方面，提供一种计算机可读程序产品，其具有存储在其上的计算机可读指令，响应于由3D制造装置的控制单元的执行，所述计算机可读指令引起3D制造装置实施根据本申请的第一方面所述的方法，且其中所述计算机可读程序产品具有尤其存储其上的根据本申请上一个方面所述的数字3D可打印项。
根据本申请的又一个方面，提供一种用于由粉末材料增材制造三维物体的装置，所述装置包括：辐射系统，诸如激光系统，其包括激光源和激光扫描镜；具有粉末操纵系统的物体形成腔；和控制单元，其中所述控制单元配置成对所述装置进行控制，以实施根据本申请的第一方面所述的方法，且尤其基于根据本申请上一个方面所述的数字3D可打印项实施增材制造。
附图说明
在此结合且构成说明书一部分的附图与说明书一起阐述本申请的示例性实施方式、用于解释本申请的原理。在附图中：
图1是三维物体的示意性侧视图，用于示出基于层的增材制造的辐射原理；
图2是示例性增材制造装置的示意图；
图3是层结构的侧视图，用于示出对于变化的斜率表面调整在下表皮微小区域内的能量密度；
图4是层结构的侧视图，用于示出对于恒定斜率表面调整在下表皮微小区域内的能量密度；
图5是两个层的示意性俯视图，示出下表皮微小区域及其斜率的指定；
图6至8示出下表皮微小区域的示意性突起，以示出斜率值的近似；
图9是示出考虑到悬垂层的形成的斜率概念的流程图；以及
图10是三维物体的示意性侧视图，用于示出尤其悬垂部分的密度结构。
具体实施方式
下文是本申请的示例性实施方式的详细说明。在此描述且在图中示出的示例性实施方式旨在教导本申请的原理，以使得本领域中的普通技术人员能够在许多不同环境下且对于许多不同应用实施和使用本申请。因此，示例性实施方式并非旨在且不应被考虑为限制专利保护范围的说明。实际上，专利保护的范围应该由所附权利要求限定。
本申请部分地基于这样的认识：在初始下表皮区处给三维物体的悬垂部分设置特别改良的材料结构可允许制造过程的加固和稳定。尤其是，认识到的是取决于与悬垂部分的下表皮表面关联的下方斜率来适配制造过程可导致改进的结构。
在下文中，结合图1描述3D物体，尤其3D物体的由基于层的增材制造生成的一部分。结合图2描述相应的增材制造装置。结合图3和4描述在悬垂区内对于增材制造的示例性能量密度分布。结合图5至8说明与下表皮微小区域关联的近似斜率参数的指定。图9是基于在此公开的概念描述增材制造的示例性流程图，且图10阐述合成的三维物体及其特定密度结构。
参照图1，三维物体1包括芯体部分3和悬垂部分5。在三维物体1内，示意性表明具有六层的层结构。在图1中，Z方向代表所述层的设置方向。概括而言，所述层在层的平面、例如X-Y平面内延伸。所述层的厚度T被假设为就对于三维物体1示意性表明的所述多个层而言是相同的。概括而言，厚度可变化(也参见图3)。
所述层结构包括自底部起的三层，三层中的最后一层在图1中明确标记为N-1。这三层中的每层仅作为示例地包含芯体区9，其中，在本文中，所述层的芯体区被理解为构建在先前辐射区的顶部上。在芯体部分3中，这些芯体区9基本上一个放置在另一个的顶部上，由此提供用于三维物体1的辐射和形成的恒定边界条件。
在层N-1的顶部上表明两个悬垂层N、N+1的组。对于每个悬垂层N、N+1，虚线表明从构建在先前辐射区的顶部上的那个层的区域(即，那个层的相应芯体区9)与构建在先前未被辐射的区域的顶部上的区域的过渡部分7，在本文中这些区被称为下表皮区11。在此，芯体区的靠近于过渡部分7延伸的那个部分被称为过渡区13。因此，过渡区13在下方辐射区的顶部上延伸且达到下方辐射区的边界。再次地，在芯体区9且因此也在过渡区13内，用于三维物体1的辐射和形成的恒定边界条件被基本给定，而下表皮区11形成在未辐射粉末的顶部上，且因此受到对于辐射和形成的不同边界条件。
在悬垂层N+1的顶部上，具有仅相应纯芯体区的另一层N+2形成三维物体1的顶侧，即，层N+2仅在层N+1的先前辐射区的上方延伸。
概括而言，物体的芯体可被最大激光功率熔融。例如，芯体区9被允许下方粉末材料完全固熔的能量密度辐射，以对于典型的粉末材料导致相应芯体部分的材料密度。
在本文中公开的概念中，能量密度被提供到下表皮区11中，且在一些实施方式中，从提供到芯体区9中的能量密度偏离的能量密度被提供到过渡区13中。借此，下表皮区11的特征在于特定的结构特征，所述特定的结构特征取决于引入粉末的减少的能量。如对于技术人员明显的是，未由某些先前辐射区支撑的下表皮区11可能受到处理作用影响，所述处理作用在被辐射且至少部分熔融的粉末材料上起作用。这些作用对于未适配的辐射可能导致悬垂表面侧的结构非期望的形状，悬垂表面侧是当从层设置方向的方向上看去时的悬垂部分5的底侧。
如下文所述，所提供的能量密度的改变可尤其取决于相应下表皮区11延伸超过在前下方层的关联芯体区9的程度。
在图1中，层N的延伸量15由双箭头示意性表明。例如，层N的下表皮区11延伸超过层N-1的芯体区9(过渡部分7)是层N+1的下表皮区11延伸超过层N的过渡部分7的大约两倍，以界定层N的支撑辐射区。
注意到上文指定层及其关联区可呈现在三维物体1的物体层数据(诸如扩展的CAD代表图)中。
参照图2，示意性示出用于由粉末材料增材制造三维物体的(诸如，图1的三维物体1)的装置21。
装置21包括用于提供光束25的辐射源23，所述光束与在粉末床31内逐层设置的粉末材料27相互作用。
辐射源23包括例如激光系统33，激光系统具有泵激光器35、谐振器37、以及扫描镜39。
激光系统33的相应部件以及粉末层的设置可由控制单元41控制。利用来自传感器的输入，控制器可配置成例如调整扫描速度或(例如，激光)功率，直到期望能量密度在辐射区内积累。
概括而言，控制单元可以是单一微型处理器或多个微型处理器，其可包括尤其用于控制的器件，以控制辐射源35或扫描镜39的操作以及粉末分布和三维物体的已生成部分的位置降低等等。控制单元可包括运行辐射应用所需的已知部件，诸如，例如，存储器、存储装置、以及诸如中央处理单元的处理器或在本领域中已知的用于增材制造的控制装置21的任何其它器件。
各种其它已知电路可与控制单元41关联，包括功率供应电路、信号调节电路、通讯电路、以及其它合适的电路。控制单元41可分析和比较接收和存储的数据，且基于存储在存储器中或由用户输入的指令和数据确定需要什么类型的动作。例如，控制单元41可将接收值与存储在存储器中的目标值相比较，且控制器可基于比较结果将信号传递到一个或多个部件，以改变存放的能量密度。
控制单元41可包括任何这样的存储器装置，所述存储器装置在本领域中已知用于存储与用于增材制造的装置21及其部件的操作相关的数据。数据可以一个或多个映射的形式存储，诸如CAD文件或适配的CAD文件。示例是在此公开的数字3D可打印项，其描述3D数据(例如，3D数据点)和/或将之相关于特定操作和/或辐射参数。映射和数据项中的每个可以是表格、图表、和/或等式的形式，且包括数据的编译。控制单元41可参考这些映射和项，且响应于一个部件的期望操作控制另一部件的操作。例如，控制单元41可在粉末27的顶层之上提供光束25的特定扫描图案43，由此辐射粉末材料以形成期望的实体物体。
如在图2中示意性示出的，控制单元41基于数字3D可打印项45控制扫描过程的实施。在此，数字可打印项是用于由诸如装置21的3D制造装置处理的项。所述项可被局域或分散存储在一个或多个存储装置上。所述项包括例如由代表三维物体1的3D结构的数据组基本限定的三维物体1的形状、以及有关待处理层结构的信息。这些信息可包括芯体区、过渡区、和下表皮区的层厚度、延伸度和位置。此外，数字3D可打印项45包括与数据组/数据点和特定层结构、且尤其特定层设置方向关联的能量密度参数。
能量密度参数配置用于使得在3D制造装置21的操作期间能够设定辐射能量密度。能量密度参数包括芯体能量密度参数，所述芯体能量密度参数用于与尤其悬垂层的芯体区9关联的数据组的那些数据点。能量密度参数还包括悬垂部能量密度参数，所述悬垂部能量密度参数用于与悬垂层的下表皮区11关联的数据组的那些数据点。因此，数字3D可打印项代表例如扩展的CAD数据组。
依照在此公开的概念，用于下表皮区的特定数据点的悬垂部能量密度参数取决于关联的相应下表皮微小区域的延伸量15(也参见图5至8)。尤其是，悬垂部能量密度参数取决于能够与相应下表皮微小区域关联的斜率值，如将在此描述的。换言之，数字3D可打印项45代表例如(3D)激光辐射映射，所述(3D)激光辐射映射用于诸如装置21的基于激光的3D增材制造装置。
此外，图2示意性示出制造的三维物体1A。在图2的物体实施方式中，具有改良层厚度的层序列被表明为这样的层厚度，所述层厚度在悬垂部分5的制造期间例如与已知适应性分层技术一致地改变。
在图2中示出的物体1A的左侧代表芯体部分3。如结合图1公开的，芯体部分3已经例如以导致粉末材料27的基本完全熔融的能量密度制造。示范性地，芯体部分3包括全部层且侧向延伸达到物体1A的外侧表面51。外侧表面51被示意性表明为就图右侧(例如在X方向上)而言的界定层N-1、N-2和N+7。示范性地，芯体部分3已经以例如在芯体部分3内恒定辐射的在此称为100％的最大芯体部分能量密度制造。
外侧表面51到中间层N至N+6中的假定延伸由界定物体1A的阴影左侧的虚线示出。虚线将这些中间层分成完全与芯体部分3相关的区段和与悬垂部分5相关的区段。
概括而言，悬垂部分5在Z方向上包括底侧53和顶侧55。中间层中的任何一个可沿(至少部分地沿着)这些侧面延伸或可在这些侧面中结束，且因此中间层可具有这样的区段，所述区段没有在其顶部或下方的层(诸如，下表皮区11)。
对于悬垂部分5，下表皮区11针对层N、N+1、N+2、和N+3被表明。因此，这些层包括被辐射但不在先前辐射区的顶部(在Z方向上)上的区段。在图2中，对于这些层的过渡部分7再次由虚线表明。在过渡部分7的芯体部分侧处，相应层的芯体区被给定，因为那个芯体区在先前辐射区的顶部上。因此，对于悬垂部分5的层，芯体区可延伸超过外表面侧51。
对于在悬垂部分5内的相应区段，能量密度值在图2中被表明为相对于芯体能量密度的百分比值。与在此公开的概念一致的，在侧向方向上延伸出较大延伸量的这些下表皮区与较低能量密度辐射关联，即，基于相对于芯体能量密度的较大下表皮减小量。
示范性地在图2中，层N和层N+1的下表皮区11被20％的芯体能量密度辐射，而层N+2的(“较小”)下表皮区11被30％的芯体能量密度辐射，且层N+3的(“甚至更小的”)下表皮区11被50％的芯体能量密度辐射。
如在图2中进一步示出的，在一层内，能量密度以特定方式从下表皮区11朝向芯体部分3增加。例如，层N+1包括一段40％的芯体能量密度的能量密度以及一段20％的芯体能量密度。
如进一步示出的，提供到各层的能量密度可在Z方向上增加，直到可在悬垂部分5的顶表面55处提供最大芯体能量密度。因此，悬垂部分5以在Z方向上的变化能量密度生成，从而导致由于例如在底侧53处的部分未完全熔融的粉末27造成的特定结构。
换言之，如对于图2的实施方式示例性示出的，直到表面51，芯体部分3可包括完全熔融/烧结材料，而当从底侧53、即在Z方向上看去时，悬垂部分5包括仅部分熔融/烧结材料，且当从顶侧55、即与Z方向相反看去时，悬垂部分5再次包括完全熔融/烧结材料。
类似于图2，图3示出针对3D形状、在芯体部分3和悬垂部分5之间改良的能量密度范围分布。尤其是，示出的是，相对于内侧51，悬垂层N、N+1、N+2、N+3的序列也在内侧51的左边处(即，在芯体部分侧处)以减小的能量密度制造。借此，结构桥(与在下表皮区11处类似的结构)可延伸到芯体部分3中。
此外，图3对于每个悬垂层N、N+1、N+2、N+3表明关联下表皮微小区域的侧向延伸量15，如下文中将讨论的。下表皮微小区域69是一部分下表皮区11，所述一部分下表皮区将在斜率分析内作为单一单位且取决于在下表皮区中的期望处理质量延伸过例如0.5mm至10mm的范围；这继而意味着用于划分下表皮区11的射线62的数量(参见图5)可取决于微小区域的期望延伸量和所述部分的整体尺寸。
如在图2中，示意性表明底侧53和顶侧55。沿着底侧53，基于下表皮微小区域超过辐射区的侧向延伸量以及层厚度的斜率从左到右增加，即，从内侧51朝向最远悬垂位置56增加。斜率可例如由如结合图5至8描述的近似下表皮微小区域的平面限定。例如，用于层N和N+2的近似下表皮微小区域的平面的相应法向矢量nN、nN+2在图3中被表明。如能够看见的，法向矢量相对于Z方向的角度随着从层N至层N+2的增加的斜率而增加。
注意到，在图2和3中，芯体能量密度的百分比值仅为了阐述目的提供。芯体能量密度的百分比值可取决于辐射的类型和粉末的类型，且概括而言3D制造过程的类型，且因此芯体能量密度的百分比值可被选择例如以使得对于下表皮区设置增加的硬度，以避免或至少减小在制造过程期间的相应变形。
在图4中，悬垂部分5'示出为具有恒定斜率，例如对于恒定层厚度的恒定延伸量15。因此，设置用于下表皮区的取决于斜率的悬垂部能量密度被示出为对于每个悬垂层N、N+1、N+2、N+3是最大芯体能量密度的20％。
对于单一三维物体，各悬垂部分5'可设有不同斜率，其中，不同斜率导致在这些部分制造中使用的不同取决于斜率的悬垂能量密度。因此，相应增材制造装置的控制单元将用于悬垂区的变化能量密度与变化斜率参数关联。
图5示出用于确定下表皮区和用于将下表皮区分成下表皮微小区域的示例性方法。基于下表皮微小区域的这种指定，相应斜率值可基于代表三维物体的3D数据组被推导且与相应下表皮微小区域关联。斜率值于是影响选定的能量密度。
在图5的俯视图中，三维物体1B由比粉末床31的相应壁59尺寸更小的全局部分廓影(global part silhouette)57界定。具体地，图5指定形心61。形心61可以是全局部分形心，其涉及待生产的完全部分或对于例如由全局部分廓影57的闭合边界界定的层的相应部分的局部形心。
在图5中，在前层轮廓63和当前层轮廓65代表相应层的边界。在前层轮廓63和当前层轮廓65之间形成相应下表皮区67。
在到这两层上的俯视图中，例如以规则角度扩展的从形心61开始的射线将下表皮区67分成下表皮微小区域69的序列。
如结合图6至8说明的，近似切向平面能够分别被计算以用于下表皮微小区域69。
在图6至8中示出下表皮微小区域69P、69Q、69U。对于每个下表皮微小区域，三点被指定用于近似化一切向平面。第一点P1、Q1、U1被例如选定为在前层轮廓63的相应区段的中心点。两个第二点P2、P3-Q2、Q3-U2、U3被例如选定为从形心61起始的径向射线的当交叉当前层轮廓65时的交叉点。
已知当前层的层厚度，这三点限定相对于层平面以给定斜率角度倾斜的平面。相应近似平面71U在图8中与相应法向矢量nU一起被表明用于下表皮微小区域69U。尤其是，斜率角度可由从近似平面的法线到层设置方向Z的角度给出。对于相应下表皮微小区域，所述平面相对于层平面的斜率角度可被选定以确定能量密度的适配。换言之，能量密度相对于芯体能量密度的下表皮减小量可随着减小的斜率而增加。
结合图6至8总结程序，下表皮区(下表皮区域)可通过将直接前一层的区域从当前层减去而获得。产生的区域在此称为下表皮区域。那个区域被分成在此称为下表皮微小区域的小区域。分出这些下表皮微小区域可通过例如从物体的形心起始的射线追踪逐步实施。形心可例如是整个物体或相应层的边界框的中心。下表皮微小区域于是被分配有用于制造的不同能量密度值，例如，不同激光功率值或激光扫描速度，其中，这些值基于近似切向平面与层平面(地平面)形成的斜率角度。如以上说明的，用于每个下表皮微小区域的近似切向平面可被利用三点计算，一点来自由直接前一层生成的轮廓，且两点来自由当前层生成的轮廓。
在以下层中，在这些下表皮微小区域的顶部上的区段将被增长的能量密度(例如，激光功率)辐射，直到到达设定点的100％、例如相应层的最大能量密度。
在替换性实施方式中，可例如基于与层厚度组合的、在例如径向方向上与形心的最大延伸量确定斜率。替换性相应下表皮微小区域的斜率参数的近似对于技术人员而言将是明显的。
如由在图2和3中的示例性值表明，能量密度的适配可逐步实施。在一些实施方式中，能量密度的适配可连续实施。例如，适配可遵循对于相应实施的扫描图案的斜率改变。
概括而言，能量密度是限定3D制造过程的参数之一。尤其是，能量密度与由激光光束提供到粉末床的功率成正比，且与光束25的扫描速度和基本直径的乘积成反比。因此，能量密度可通过修改下述而适配：由辐射源提供的功率、光束25的延伸量、光束的扫描速度、扫描线之间的距离和/或用于加影线的策略，以及这些参数的中的一些或全部的组合。
如对于技术人员明显的，相应能量密度是例如用于3D制造过程的辐射类型和粉末类型的特性。一般而言，减小的能量密度能够生成具有多个孔隙的熔融体积部。在下表皮区的情况下，利用适当校准的低能量可避免激光的深度穿透，所以可以获得相对于原始形状具有较小粗糙度的更好的表面，以及可避免可能损坏后续层的熔融粉末的不规则块体。
图9示出基于在此公开的概念的三维处理的流程图。所述概念在尤其基于激光的3D增材制造装置中使用辐射的适配，以用于生产性制造物体。
一般而言，制造被分成计划阶段81、构型阶段83、和制造阶段85。
在计划阶段81期间，限定待制造物体的几何形状和结构。例如，可提供物体的3D数据组(步骤81A)。基于选定的层设置方向(Z方向)，可指定芯体区(步骤81B)以及下表皮区(步骤81C)。在一些实施方式中，也可发生过渡区的指定(步骤81D)和到物体的芯体部分中的延伸量的确定。
基于指定的下表皮区，下表皮微小区域可被限定，且相应斜率参数可与限定的下表皮微小区域关联(步骤81E)。
计划阶段81的结果可以是以上讨论的基本上一部分的数字3D可打印项。
在构型阶段83中，基于计划阶段81的结果且考虑到相应3D制造装置的机器特定参数87，能量密度被限定用于芯体区(步骤83A)、下表皮微小区域(步骤83B)、且在一些实施方式中用于过渡区(步骤83C)。能量密度要求对于辐射源的相应功率值、例如对于扫描镜的光束直径、扫描速度、扫描路径重叠，等等。因此，扫描程序将例如以数字3D可打印项的形式限定。
在制造阶段85中，3D制造装置与限定的扫描程序一致地操作，由此生成三维物体。
图10示意性示出鉴于在此公开的概念的生成材料结构的密度分布。具体地，在主要芯体部分3内，存在材料结构的基本恒定芯体部分密度。这在图10中被表明为高芯体密度91的区域。
对于悬垂部分，在悬垂侧处的下表皮材料结构具有相对于芯体部分密度减小但是在从悬垂侧到顶侧的方向上增加的密度。这在图10中被表明为在下表皮区处的低密度93的区域以及表明密度的增加的箭头95A。此外，在侧向方向上，在悬垂部内的材料结构的密度至少对于这些层可朝向主要芯体部分增加，所述层是如由箭头95B表明的悬垂层。在一些实施方式中，材料结构达到最大芯体密度的密度增加将如以上讨论的延伸到主要芯体部分中。
因此，由在此公开的概念生成的三维物体的结构分析可示出，至少在悬垂部分的下表皮区中的不那么稠密(例如，由于部分熔融的粉末粒)的密度，还有结构的密度朝向悬垂部分的顶侧以及朝向对于悬垂层的主要芯体部分的增加。
在一些构型中，最大密度可设置在顶侧处，而鉴于增加的密度特征，减小密度的区域可在悬垂层的顶部上形成在悬垂部分的层内(参见图2)。
在本文中公开概念的一些实施方式中，提供到粉末且由粉末吸收的激光功率在悬垂部的至少一层中减小。这可例如通过增加的扫描速度或减小的激光功率实现。借此，粉末可仅被部分熔融但不被完全熔融。在此之后，施加的激光功率被增加以用于相继在这些减小的悬垂层区段的顶部上的在此之后的后续层。
如以上表明的，在悬垂区中靠近于三维物体的轮廓施加的能量密度可至少在下表皮区内在第一悬垂层中大程度地减小。
在此提及的适应性分层在本领域中已知：通过利用较厚粉末层制造基本在竖直方向上延伸的物体，而物体的曲率由减小厚度的层紧密遵循。减小厚度的层允许减小实际轮廓与期望轮廓的偏差。
在一些实施方式中，在此公开的概念将下表皮区分成小区域，称为“下表皮微小区域”(图5)。划分可借助于从所述部分的形心开始的射线逐步完成。下表皮微小区域可基于切向平面与地平面形成的角度被分配到不同功率级别阈值。在后续(上)层中，在这些微小区域的顶部上的区域将被增长的激光功率辐射，以达到设定点的100％。在下表皮微小区域中的切向平面可利用三点计算：一点来自由在前层生成的轮廓，两点来自由当前层生成的轮廓(图5)。
注意到在本文中当调整3D制造过程时示范性地涉及到“部分”熔融或“完全”熔融。然而，技术人员理解到所述“部分”熔融或“完全”熔融可仅有关于粉末和粉末颗粒的这些成分和部分，所述成分和部分被认为且配置用于处理相应类型的增材制造，诸如相应辐射。
公开的概念提供解决如下问题的自动方式，所述问题否则会涉及多个人工试错法阶段作业。
最后，能够施加在此公开概念的增材制造机器的示例包括选择性激光烧结或选择性激光熔融机器，诸如由TRUMPF SISMA und TRUMPF制造的“mysint100”。基于与在此公开的概念一致的元素的金属或陶瓷制造可在各种技术领域中找到应用，诸如在医学、牙科、航天、和汽车应用中。
虽然已经在此描述本发明的优选实施方式，但是在不偏离以下权利要求的情况下可结合改进和修改方案。

Claims (15)

1.一种基于辐射的由粉末材料(27)增材制造三维物体(1)的方法，其中，粉末材料(27)的多个层(N-1，N，N+1，N+2)设置在层设置方向(Z)上且被逐层辐射，且所述多个层(N-1，N，N+1，N+2)包括悬垂层(N，N+1，N+2)，所述悬垂层具有分别用于形成制造的三维物体(1)的芯体部分(3)的芯体区(9)和用于形成制造的三维物体的悬垂部分(5)的下表皮区(11)，芯体区(9)沿层设置方向(Z)在直接前一层(N-1，N，N+1)的辐射区的顶部上延伸，且下表皮区(11)在直接前一层(N-1，N，N+1)的先前未辐射区的顶部上延伸，所述方法包括：
生成悬垂层(N，N+1，N+2)的直接前一层(N-1，N，N+1)；以及
通过以至少达到从过渡部分(7)到下表皮区(11)的预设距离将芯体能量密度提供到芯体区(9)中、且将取决于斜率的悬垂部能量密度提供到下表皮区(11)的下表皮微小区域(69)中，生成所述悬垂层(N，N+1，N+2)，
其中，取决于斜率的悬垂部能量密度与芯体能量密度相差一下表皮减小量，所述下表皮减小量取决于在直接前一层(N-1，N，N+1)的顶部上相应下表皮微小区域(69)超过相应芯体区(9)的延伸量(15)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述取决于斜率的悬垂部能量密度还取决于层厚度(T)、和与每个下表皮微小区域(69)关联的表面斜率。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，通过确定相应下表皮微小区域(69)的延伸量(15)，和/或通过尤其基于直接前一层(N-1，N，N+1)和悬垂层(N，N+1，N+2)之间的表面上的一个点、和悬垂层(N，N+1，N+2)和紧接后续层(N+1，N+2)之间的两个点来确定在下表皮微小区域(69)处与三维物体(1)的形状相近似的平面，从限定三维物体(1)的形状的数据点推导与相应下表皮微小区域(69)关联的表面斜率。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，对于具有较大和较小表面斜率的两个下表皮微小区域(69)而言，与较大表面斜率关联的悬垂层(N，N+1，N+2)的下表皮减小量小于与较小表面斜率关联的悬垂层(N，N+1，N+2)的下表皮减小量，以使得与较小表面斜率关联的悬垂层(N，N+1，N+2)设有较小能量密度，且
其中尤其下表皮微小区域(69)与同一悬垂层(N，N+1，N+2)相关或与相继的悬垂层(N，N+1，N+2)相关，诸如与共同悬垂部分(5)的悬垂层(N，N+1，N+2)相关。
5.根据前述权利要求中任一所述的方法，其特征在于，取决于斜率的悬垂部能量密度在大约10％至大约80％的最大层特定芯体能量密度的范围内，和/或
其中所述方法还包括：
当在从芯体区(9)扫描到下表皮区(11)期间过渡时，使辐射芯体区(9)和下表皮区(11)之间的辐射功率、扫描速度、和/或辐射光斑尺寸中的至少之一变化，且尤其是通过减小辐射功率和/或增加扫描速度和/或增加辐射光斑尺寸，由此施加所述下表皮减小量。
6.根据前述权利要求中任一所述的方法，还包括：
接收对于下表皮微小区域(69)的斜率参数；以及
取决于与相应下表皮微小区域(69)关联的斜率参数设定所述取决于斜率的悬垂部能量密度。
7.根据前述权利要求中任一所述的方法，其特征在于，芯体区(9)包括在过渡部分(7)处到相应下表皮微小区域(69)的过渡区(13)，且所述方法还包括：
以相对于芯体能量密度被减小的相应过渡能量密度辐射所述过渡区(13)。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述过渡能量密度被选定为
接近于过渡部分(7)地对应于所述取决于斜率的悬垂部能量密度，和/或
高于所述取决于斜率的悬垂部能量密度，和/或
在从芯体区(9)朝向下表皮微小区域(69)的侧向方向上，从芯体区(9)处的芯体能量密度连续地或逐步地减小到所述取决于斜率的悬垂部能量密度，且
其中，过渡部分(7)能量密度尤其在大约20％至大约90％的最大芯体能量密度的范围内。
9.根据前述权利要求中任一所述的方法，其特征在于，相继悬垂层(N，N+1，N+2)的下表皮区(11)限定悬垂轮廓(53)，所述悬垂轮廓在层设置方向(Z)上界定制造的三维物体(1)的悬垂部分(5)，且
在悬垂部分(5)内，层特定芯体能量密度在层设置方向(Z)上随着与所述悬垂轮廓(53)的距离而增加，且
其中，尤其过渡能量密度在层设置方向(Z)上随着与所述悬垂轮廓(53)的距离而增加。
10.一种用于生成辐射指令映射(45)的方法，所述辐射指令映射用于由粉末材料(27)增材制造包括悬垂部分(5)的三维物体(1)，所述方法包括：
确定与三维物体(1)对应的物体层数据的芯体区和下表皮层区，下表皮层区包括至少一个下表皮微小区域(69)；
确定下表皮微小区域(69)超过在直接前一层(N-1，N，N+1)的顶部上的相应芯体区(9)的延伸量(15)；
将芯体能量密度关联到芯体区(9)；以及
将取决于斜率的悬垂部能量密度关联到下表皮微小区域(69)，所述取决于斜率的悬垂部能量密度与芯体能量密度相差一下表皮减小量，所述下表皮减小量取决于针对相应下表皮微小区域(69)所确定的延伸量(15)。
11.一种由粉末材料(27)形成的三维物体(1)，所述物体(1)包括：
具有芯体材料结构的芯体部分(3)，芯体材料结构具有芯体密度，尤其是芯体密度在完全处理的诸如熔融/烧结粉末材料(27)的范围内，和
悬垂部分(5)，其在悬垂侧(53)处包括下表皮材料结构，其中所述下表皮材料结构在所述悬垂侧处形成三维物体(1)的表面且在所述悬垂侧处具有第二密度，所述第二密度相对于芯体密度减小且随着悬垂侧的斜率改变。
12.根据权利要求11所述的三维物体(1)，其特征在于，悬垂部分(5)在与悬垂侧(53)相反的顶侧(55)处还包括具有芯体密度的上表皮材料结构。
13.一种由3D制造装置(21)处理的数字3D可打印项(45)，所述项包括：
数据组，其代表三维物体(1)的3D结构，所述三维物体通过3D制造装置(21)在层设置方向(Z)上由粉末材料(27)逐层形成；和
能量密度参数，其与数据组和特定层设置方向(Z)关联，以用于设定3D制造装置(21)的辐射能量密度，所述能量密度参数包括
芯体能量密度参数，其用于所述数据组的与悬垂层(N，N+1，N+2)的芯体区(9)关联的数据点；和
取决于斜率的悬垂部能量密度参数，其用于所述数据组的与悬垂层(N，N+1，N+2)的下表皮区(11)关联的数据点，其中，
所述取决于斜率的悬垂部能量密度参数对应于待提供的能量密度，所述待提供的能量密度与芯体能量相比较减小了下表皮减小量，所述芯体能量在与从芯体区(9)至下表皮区(11)的过渡部分(7)具有至少预设距离的数据点处提供，其中所述下表皮减小量取决于下表皮区(11)的相应下表皮微小区域(69)超过在直接前一层(N-1，N，N+1)的顶部上的相应芯体区(9)的延伸量(15)。
14.一种计算机可读程序产品，其具有存储在其上的计算机可读指令，响应于由3D制造装置(21)的控制单元(41)的执行，所述计算机可读指令引起3D制造装置(21)实施根据权利要求1至权利要求10中任一所述的方法，且
其中所述计算机可读程序产品具有尤其存储其上的根据权利要求13所述的数字3D可打印项(45)。
15.一种用于由粉末材料(27)增材制造三维物体(1)的装置(21)，所述装置(21)包括：
辐射系统，诸如激光系统(33)，其包括激光源(35)和激光扫描镜(39)；
具有粉末操纵系统的物体形成腔；和
控制单元(41)，
其中所述控制单元(41)配置成对所述装置(21)进行控制，以实施根据权利要求1至权利要求10中任一所述的方法，且尤其基于根据权利要求13所述的数字3D可打印项(45)实施增材制造。
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