CN106794517B - 用于通过激光烧结来添加制造的激光操作机器及对应的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于通过激光烧结来添加制造物体的激光操作机器，包括：输送结构(11)，其在工作空间(100)中是可移动的，根据第一移动轴线(X,Y,Z)系统操作，且构造成支承用于发射将烧结在工作基底(100,110)上的烧结粉末射流的一个或更多个喷嘴(34)；以及用于激光束(L)传送到聚焦于所述工作基底(100,110)上的激光点(S)来烧结所述粉末的光学激光组件(20)。根据本发明，所述光学激光组件(20)与所述输送结构(11)整体结合关联，且可动元件(12)也与输送结构(11)整体结合关联，根据第二移动轴线(u,v)系统操作，所述可动元件(12)包括工具承载框架(30)，用于发射烧结粉末射流的一个或更多个喷嘴(34)布置在框架(30)上，喷嘴(34)与所述第二移动轴线(u,v)系统相关联，且相对于所述光学激光组件(20)是可移动的。

Description

用于通过激光烧结来添加制造的激光操作机器及对应的方法
技术领域
本描述涉及一种用于通过激光烧结来添加制造物体的激光操作机器，其包括具有第一移动轴线系统且构造成支承用于将烧结粉末射束发射到工作基底上的一个或更多个喷嘴的输送机构，以及用于传送聚焦在所述工作基底上的激光点(S)中的激光束(L)来烧结所述粉末的激光器件。
各种实施例可从热塑性或金属烧结粉末(不锈钢、铝、钛、钴铬、镍超级合金、贵重合金)和它们的任何组合开始来应用于烧结较大体积的物体。
背景技术
用于激光烧结的制造添加过程由沉积烧结粉末的连续层以便构成复杂的几何形状来组成。若干制造生产领域(诸如汽车和航空领域)考虑了用于制造较大的复杂金属或金属合金物体的这些过程。目前使用的增长技术限于增大待生产的物体的尺寸。目前使用的技术为两个类型：
·基于粉末床技术的添加制造
·通过金属沉积的添加制造。
在粉末床技术中，过程发生在排空且由惰性气体填充的室中。粉末床形成有层流。连接到单模式激光源上且具有恒定尺寸的激光点的激光扫描仪朝粉末床引导聚焦辐射，因此执行烧结。粉末床同时提供烧结材料，且用作用于构成物件的支承物。该技术的缺陷在于，其限于较大尺寸的室(具有大于250x250x250mm的大小)的实施：此情况中的过程将由于使用粉末中的低效而不便，且变形将在烧结中相对于所需几何形状发生。
用于金属沉积的技术是用于金属涂布或包层的进化方案。与用于激光处理的机器的射束对准的用于包层的喷嘴提供烧结所需的金属粉末射流。尽管该技术允许制造较大的部分，但其由于支承机器的移动轴线的缓慢而处理精度有限且限于产量低。
发明内容
本文描述的实施例旨在改善如前文所述的根据现有技术的方法及系统。
由于具有所附权利要求中提到的特点的用于通过激光烧结来添加制造的激光操作机器，故各种实施例实现了该目的。
各种实施例还涉及用于通过激光烧结来添加制造物体的对应方法。
权利要求形成本文关于本发明提供的技术公开内容的组成部分。
附图说明
现在将仅通过举例，参照附图来描述各种实施例，在附图中：
图1示出了激光操作机器的示意性透视图，
图2a和2b示出了图1的视图的两个细节，
图3,4和5示出了图1的机器的细节的三个视图；
图6a和6b示出了根据本发明的方法的操作的两个模式；
图7示出了所述操作机器的控制架构。
具体实施方式
在以下描述中，提供了许多具体细节，以便允许示例性实施例的最大理解。实施例可在具有或没有特定细节，或利用其它方法、构件、材料等实施。在其它情形中，并未详细示出或描述公知的材料结构或操作来避免使实施例的方面模糊。本说明书内提到的"实施例"指出了结合包括在至少一个实施例中的实施例描述的特定特征、结构或特点。因此，本说明书内的各种位置的短语"在一个实施例中"的使用不一定表示相同实施例。此外，特定特征、结构或特点可在一个或更多个实施例中以任何适合的方式组合。
标题和引用在本文中提供成仅为了方便读者，且不限定实施例的范围或显著性。
简言之，提出的激光操作机器包括：
输送结构，其允许可动元件沿第一组多条轴线或确切地说三条笛卡尔轴线X,Y和Z的位移。这些移动优选地以低动力，特别是在相对低的加速度下发生；
具有平行运动的可动元件，其具有相应的多条平移或旋转移动轴线，该可动元件是冗余的(redundant)，或确切地说相对于移动可动元件的输送机构具有平行运动。这些轴线优选配备有加速和最大速度方面的较大动力能力，且因此以高动力移动控制；
工具载体框架，特别是圆形冠状框架，其与可动元件的轴线整体结合，具有平行运动，或可能由于具有平行运动的该可动元件的轴线的移动而根据一条或更多条轴线倾斜，该框架上布置了用于发射烧结粉末射流的一个或更多个喷嘴，以及可能的保护气体，特别是来自于可能较远布置的粉末和/或气体的供应系统，该框架具有一定形状，以便在内部限定通路区域，其允许用于烧结的激光束的通路；
光学组件，其包括光学扫描器件，或确切地说与输送结构的竖直移动轴线或Z整体结合的光学激光扫描仪，且包括：
定向镜，其以高动力可动来用于通过围绕两条垂直轴线旋转来在圆锥形空间内引导烧结激光束且因此激光点，
聚焦元件，其也以高动力操作，以改变该圆锥形空间内的焦点或激光点，以及
静止镜，其将来自聚焦元件的竖直激光束(特别地，水平地)朝定向镜引导。
因此，图1示出了大体上由参考标号10指出的激光操作机器的实施例的示意性透视图，该激光操作机器包括输送结构11，输送结构11构造成移动支承物11d，基本上是竖直支承物，可动元件12沿第一组多条轴线(具体是笛卡尔轴线X,Y,Z)与支承物11d整体结合关联。出于此目的，输送结构11包括两个正交臂11a和11b，以用于借助于马达(图1中未示出)来沿轴线X和Y转移可动元件12。具体而言，以已知方式，臂11a促动成沿臂11b(Y轴线)中的引导件滑动，同时马达促使可动元件12沿臂11a(X轴线)在引导件中移动。附加马达(也未示出)操作关于臂11a的沿可动元件12的Z轴线转移。如图1中所示，由于该构造，转移可动元件12发生在工作容积100中，基本上是平行六面体，其大小由可动元件12沿水平轴线X和Y和竖直轴线Z的行程限定。工作平面110也在图1中指出，其基本上对应于工作容积100的下面。工作平面110为平面或工作基底，如下文所述，待生产的物体的区段从平面或工作基底以添加方式烧结。作为备选，输送结构11可为例如便携式类型。
此外，在图1中，11c指出了悬链，其包括来传送激光辐射的光纤，线缆和可能的保护气体(诸如，氩或氮)，以及来自相对可动元件12和激光光学组件20中的构件远距离的相应给送装置的烧结粉末，激光光学组件20包括与输送结构11(特别是与支承物11d)相关联的光学扫描仪。
在图1中，仅支承物11d和可动元件12的外保护罩或盖可见，在图2的透视图中放大示出，以示出可动元件12如何具有下部中的工具末端，这由在可动元件12的下部处包括的工具载体框架30上安装的用于发射烧结粉末的多个喷嘴34代表，以便限定周边，限定其内的通路区域。具体而言，在图2a中所述的实施例中，由喷嘴34限定的该周边是圆形的，使得工具载体框架30产生喷嘴34的冠30。如在更详细示出喷嘴34的该冠30的图2b中最佳所见，喷嘴34优选相对于将冠连接到工作平面110上的竖直轴线布置，其中喷嘴34的纵向喷嘴发射轴线U朝经过周边的中心的轴线倾斜，使得这些喷嘴轴线U在粉末的沉积点PD处与彼此交叉。根据优选实施例，这些喷嘴34中的一个或更多个适用于喷洒保护气体的喷嘴。在图2b中，这以34a指出。
图3,4和5分别示出了从下方的平面视图，以及没有外保护罩的支承物11d和可动元件12的两个侧视图。
在图4的侧视图中，其中X轴线指向出自附图的平面的方向，可观察到，首先可动元件12如何整体结合地固定到支承物11d上，以沿第一组多条移动轴线X,Y,Z输送。以相同方式，包括光学扫描仪20的光学组件固定到支承物11d上，其与支承物11的Z轴线但不与元件12整体结合，且引导和聚焦激光辐射L到工作容积100中的激光点S。
出于此目的，光学扫描仪20包括准直仪21，其传送激光辐射L，激光辐射L来自具有适用于烧结的功率特征的相关联的连续激光源，沿Z轴线入射，穿过可动聚焦元件24中的镜22，可动聚焦元件24基本上包括可沿平行于轴线Z的光学轴线α的方向移动穿过线性促动器的透镜25。在可动聚焦元件24下游，静止镜26垂直地或确切地说沿水平方向朝可定向的镜27偏转激光辐射，镜27可移动且由电流计促动器(附图中未示出)促动，以沿两条相互垂直的旋转轴线或确切地说对应于镜27的纵轴线的第一旋转轴线θ和垂直于其且平行于轴线X的第二旋转轴线ω来旋转可定向的镜27且因此由镜27偏转的激光束L。通过使可定向的镜27沿这些轴线移动，有可能使激光辐射L相对于正交入射轴线I移动，例如，直到图4中所示的限制方向I1,I2(ω轴线)，以及图5中所示的I3,I4(轴线θ)，因此以此方式移动由这些限制方向I1,I2,I3,I4限定的圆锥形空间内的激光束L，以及沿方向X和Y上移动工作平面110上的激光点S。从图4和5中清楚的是，这些限制方向I1,I2,I3,I4和圆锥形空间由使冠30的周边与可定向的镜27的中心连结的线限定。因为激光点S由于旋转轴线θ和ω而沿球形帽精确地移动，然而借助于沿光学轴线α移动的聚焦元件24的动作，聚焦透镜25的位置可通过移动焦点或确切地说激光点S来补偿，以便获得其在平表面上的位移。将清楚的是，聚焦元件24还允许沿Z轴线聚焦的也独立于旋转轴线θ和ω的效果的激光点S的位移。这里所述的光学扫描仪20在同一申请人的专利EP 1 228 835中的已知光学扫描仪上模拟。
参考与支承物11d的下部相关联的可动元件12，在图3的视图中，喷嘴34的冠30是可见的，在冠30内激光束L经过。该冠30根据第二组多条平移和/或旋转移动轴线(具体是平行于轴线X和Y的两条轴线u和v)移动，且因此限定相对于这些轴线的运动冗余。
对于由可动元件12移动冠30，大体上使用两个滑动系统31u和31v，而对于轴线u和轴线v，滑动系统包括借助于线性马达32u或32v获得的促动器，其以本来已知的方式在滚珠螺杆33u和33v上操作。线性马达32u或32v承载朝相应的滑动引导件35u或35v的冠30设在侧部上的平行六面体形的臂34u或34v，在其内，工作载体或冠30在另一臂34v或34u的作用下滑动。然而，滑动可动元件12的轴线的此类移动是本来已知的，例如，其在欧洲专利EP 1793 963 B1, EP 1 838 486 B1和同一申请人的专利申请EP 1 294 544 A1中描述，且用于移动冠30的其它机械布置可在各种实施例中采用。
在参照图3,4和5所述的实施例中，滑动系统31u和31v分别包括第二线性马达31u'和31v'，其在平衡移动质量37u'和37v'的相应滚珠螺杆32u'和32v'上操作。
与可动元件的移动轴线相关联的这些平衡质量以已知方式允许了一般从可动元件12的轴线请求的给定的动力性能，减少可动元件12的不需要的振动传递至机器的输送结构，确保了输送结构中典型的延伸工作体积中的制造和生产的准确性。这些可动平衡质量37u和37v各自沿与其相关联的相对的臂33u和33v的转移相反的方向以相等的速度和加速度转移。该平衡系统也例如在欧洲专利EP 1793963 B1中描述。
图5示出了支承物11d、光学扫描仪20和可动元件12的另一个前视图(出自附图的平面内的Y轴线)，其中可更好认识到光学扫描仪20的移动轴线，其构成用于移动激光点S的第三组多条移动轴线。如可见，第一旋转轴线θ和第二旋转轴线ω垂直于彼此，位于可定向的镜27的平面中，且经过可定向的镜27的中心。第二旋转轴线ω平行于轴线X，且垂直于连接静止镜26和可定向的镜27的中心的轴线。
图7示出了用于管理促动器或确切地说输送结构11的马达的控制的数字控制单元60的架构的示意图，促动器移动可动元件12的轴线X, Y, Z，促动器移动滑动件31u,31v，且因此光学扫描仪20的轴线u,v，或确切地说为平移轴线α的线性促动器，以及旋转轴线θ和ω的电流计促动器。该单元60包括两台个人计算机61和62。个人计算机61作为用户界面操作，以将指令和命令发送至第二个人计算机62，其优选包括与用于管理机器的实时类型的扩展部分62b相关的操作系统62a。例如，操作系统可为Linux或WinCE类型，或通过专有解决方案获得。个人计算机62然后提供将在DSP PCI类型的伺服控制板63上执行的轨迹，以用于控制促动器。
在个人计算机62和伺服控制板63中，激光机器10的轴线的管理程序实施，具体是冗余轴线的管理，这将在下文中更详细阐释。
根据现有技术水平中本来已知的程序的数字控制单元60生成对应于所谓的'部分程序'的一系列指令P，以用于具有确定的加速度和速度规格的"虚拟"机器。该系列指令P来自个人计算机51，且由适合的程序发起，以设置离线的机器的轨迹和移动。插值函数应用于其，其基于一系列指令P提供了操作机器的轨迹的生成。操作机器的该轨迹对应于运动坐标，其实时描述了操作机器的点的运动，例如，接头或末端或工具中心点(TCP)。该插值响应于作为一系列指令P的一部分发送的准备代码或G代码操作。插值操作经由个人计算机62中的软件实施。
注意，在描述的激光操作机器中，单元60还构造成发送关于调整的附加命令，例如，烧结粉末的射流的流速和保护气体的流速。这些命令可与一系列指令P相关联，以便在与操作机器的轨迹线性的确定点和时刻发生。
如从关于图1-5在前文描述和在图6a中随后更详细阐释的内容中清楚那样，根据第一组轴线(X, Y, Z)、第二组轴线(u, v)和第三组轴线(α, θ, ω)操作的激光操作机器10的促动器允许根据二维轨迹而且根据三维轨迹起作用。
这里应当注意的是，利用根据确定轴线起作用的轨迹，例如，对应于所述轴线的运动变量的函数是预期的。对应的线性运动变量(位移、速度、加速度)与轴线X, Y, Z, u, v且与平移轴线α相关联，这确定了激光L的焦点的位移，同时旋转轴线θ, ω与对应的角向运动变量(旋转角、速度和角向加速度)相关联。
此外，如参照图1至5所示，激光机器10具有两个末端或操作端，限定粉末沉积点PD的喷嘴30的冠，以及在其关于可定向的镜27的部分限定聚焦激光点S的位置的光学扫描仪20。这些末端不一定与彼此一体移动，但可沿着相应的制造路径，这参照图6a和6b更好详述。具体而言，如已经描述那样，喷嘴的冠30相对于光学扫描仪20是可移动的。
因此，大体上，用于通过激光烧结来添加制造物体的方法可应用于激光操作的机器10，其包括设置粉末发射路径以借助于冠30的喷嘴34根据粉末的发射路径发射将烧结在工作平面110上的材料的粉末，设置激光烧结路径来根据用于执行烧结的所述第二发射路径经由所述光学组件20沿所述发射粉末上的激光烧结路径发送激光束的聚焦点，借助于数字控制单元50和伺服控制模块53命令与机器轴线相关联的激光操作机器的促动器，以借助于相应轴线符合轨迹来执行所述烧结，且符合发射PP路径，其中命令促动器的该功能包括所述可动元件12的促动器31u,31v控制成以相对于光学单元20可动的方式移动喷嘴34的冠30的操作模式。
因此，机器促动器10可设有对应于粉末的发射路径的轨迹，其引起冠30相对于光学扫描仪20的相对移动，光学扫描仪20的位置大体上与输送结构11整体结合。
此外，借助于第三组轴线上的光学扫描仪20的作用，激光点S还可由相对于粉末的沉积点PD的相对移动来转移。因此，在各种实施例中，这允许了附加的操作模式，例如，构想出移动冠30的轴线的和光学扫描仪20或确切地说构件24, 25, 26, 27的轴线的同时促动，且允许粉末的沉积点PD和聚焦点S关于彼此移动的操作模式。如参照图4和5所述，冠30的周边和可定向的镜27的中心的位置限定激光束L和点S移动穿过其的圆锥形空间。大体上，给定冠30相对于光学扫描仪20是可动的，该圆锥形空间可具有倾斜圆锥的形状，特别是所述形式的倾斜圆锥。
现在将更详细描述激光操作机器10的特定操作模式。
参看图6a，给定工作路径来获得物体上的确定的烧结区段，可构想出设置粉末的发射路径PP和聚焦在工作平面110上的激光点S的烧结路径LP。具体而言，根据图6a中指出的内容，粉末的发射路径PP和烧结路径LP在各种实施例中基本上从空间坐标的视点是一致的。烧结路径PL和发射路径PP可同时地由冠30和光学扫描仪20遵循，或确切地说激光点S和沉积点PD对准，在处理点处交叉，或可命令激光点S根据烧结路径LP以一定时间延迟来遵循粉末发射路径PP，或确切地说其以给定时间延迟在连续地或在相继的沉积点PD中沉积的粉末上操作。在这些模式中，粉末射流的流速参数、可能的保护气体的流速参数和激光束L的功率参数在各种实施例中可基本上对应于金属沉积技术中使用的那些。此外，如下文参照图6b列举那样，粉末的发射路径PP和烧结路径LP在其它实施例中可不在空间上一致，具体而言，粉末的发射路径可确定粉末区域(局部粉末床)，在其内，烧结路径遵循所述区域内的形状，但与整个区域不一致。
因此，通过激光烧结来添加制造物体的方法包括根据粉末的发射路径PP来发射将烧结到工作平面110上的材料的粉末，且根据依据所述发射路径PP发射的所述粉末的激光烧结路径LP发送激光束L的聚焦点S来执行烧结，在各种实施例中，包括将由所述发射路径生成的粉末发射的路径或所述路径的分量提供至所述可动元件的促动器来用于移动所述喷嘴框架，以及将由所述烧结路径LP生成的烧结轨迹或所述轨迹的分量提供至到光学组件20的轴线的促动器。
轨迹的分量意味着各个粉末发射或烧结轨迹可根据不同标准细分成轨迹分量，以利用操作机器的冗余运动。例如，可应用标准，诸如动力标准(例如，通过应用低通或高通滤波)或关于速度和/或加速度的值的标准，或关于由将执行的路径或轨迹限定的形式的标准，或关于角的标准。
可动元件12和光学扫描仪20实际上可设有整个轨迹或轨迹分量，因为它们中的各个均根据轴线系统操作，轴线系统相对于输送结构11限定相应的冗余运动。可动元件12具有相对于轴线X和Y冗余的移动轴线u,v。如所述的光学扫描仪20仅呈现出平移轴线，其限定相对于垂直轴线Z的冗余定位。然而，如所述，光学扫描仪20的轴线可用于获得工作平面中的位移，相对于轴线X,Y冗余，或在工作容积100中，相对于所有三条轴线X,Y,Z冗余。
因此，将清楚的是，基本上具有三个机器：输送结构11、可动元件12和光学扫描仪20的激光操作机器10以冗余运动可操作轨迹分量的许多不同类型的分布。
例如，可构想出的是，在所述输送结构11上执行粉末发射和/或烧结轨迹的分量的分布，特别是将具有低动力的分量分布在所述输送结构11上。
更详细而言，输送结构11涉及在工作容积100中(具体是工作平面110中)沿轴线X,Y,Z输送光学扫描仪20和可动元件12。可动元件12根据相应的轴线u,v移动，使得喷嘴34的冠30的位置可相对于光学扫描仪20的位置移动。冠30的该位移根据轴线u,v发生，相对于轴线X,Y冗余。输送结构11和可动元件12实际上确定了具有冗余轴线的系统，其确定了喷嘴34的冠30相对于主输送结构11的冗余移动。冗余涉及输送结构11的轴线X和Y，因为出于结构和处理原因，由粉末沉积点PD与聚焦激光点S之间的交叉点给出的处理点的移动优选沿工作平面110或确切地说待生产的物体的区段发生，同时在Z轴线上，前移大体上限于一个区段与另一个之间的位移到取决于使用的粉末的直径和/或主输送结构11的移动轴线的最小分辨率的程度。
在以类似于金属沉积的方式操作的可能的实施例中，处理点或确切地说执行处理的点由喷嘴34的粉末流或确切地说喷嘴轴线U(即，点PD)、保护气流和激光点S或确切地说聚焦激光束L之间的交叉点指出。一系列这些处理点代表处理路径，其优选利用冗余移动元件的轴线或确切地说可动元件12的轴线u,v的典型动力来编程。轨迹的分离系统离线地或在处理期间，以本来已知的方式(例如，同一申请人的欧洲专利EP 1 758 003描述的那些)选择具有低动力的轨迹(低加速度和速度)，利用其来控制输送结构11，这在此情况中对应于较大或较慢的机器。具体是发射或烧结的相对于最初编程的轨迹的差异的组分离线地或在处理期间确定，以用于控制可动元件12的冗余轴线，其移动冠30，以便获得所需点的粉末和气流的会聚。因此，给定执行烧结的点和光学激光器20与其整体结合的输送结构11所处的点，例如，构想出了利用反运动计算离线地或在处理期间确定激光束L和点S的定向和聚焦命令，通过其，执行烧结方法。
因此，在各种实施例中，轨迹分量的分布包括从所述发射或烧结轨迹减去分布在输送结构11上的分量，以及将减去引起的轨迹分量分配至可动元件12，或分别至光学扫描器件20的促动器。如所述，还参看图6a，烧结轨迹基本上遵循发射轨迹，特别是具有一定时间延迟。
如已经参照图6b提到那样，不同实施例构想出了使用操作机器10来以更类似于粉末床技术的类型来烧结。通过粉末射流U和保护气体的流速的增大，具有取决于使用的流速的直径和平面形状的粉末床的减少版本可局部地实施，直径在任何情况中都大于金属沉积技术的沉积点PD中使用的。利用引导激光点S的点的相同路径，用于分布轨迹的模式改变。具体而言，如之前的情况那样，利用其控制输送结构11的具有低动力的版本由可动元件或冠30的高动力工作路径离线地或在处理期间选择。然而，在此情况中，冗余可动元件12的命令不由差异确定，而是为了具有以冗余可动元件的轴线的很高动态的移动遵循的一系列局部粉末床。通过离线地或在处理期间执行反运动计算，有可能确定光学扫描仪20的构造，其朝容纳在局部粉末床PB内的编程点引导聚焦的激光点S。因此，该实施例构想出了连同所述粉末床发射路径LP设置命令，以用于借助于所述路径LP的限定点中增大发射流速来将粉末区域沉积在工作平面110上，以及用于控制使激光点S根据所述粉末床PB内的形状移动的烧结路径。
不同实施例可备选地用于物体的制造程序中，还关于几何方面和/或与制造过程相关。
因此，从所述内容看，将清楚所述解决方案和相关的利益。
由于用于粉末发射的喷嘴是相对于光学激光器可移动的事实，故根据本发明的激光操作机器能够以灵活方式操作。
由于一方面在以相对低移动和加速度的相对较宽空间中的整个可动元件的位移与另一方面的可动元件且因此多个喷嘴的射流复合物的位移之间的坐标，故根据本发明的激光操作机器能够以极高精度和速度在也可能很大的可用容积内操作，且激光扫描仪以高速度和高加速度下的冗余移动方便地允许了朝烧结添加粉末的点的聚焦激光束的方向。以此方式，有可能在局部复制粉末床技术的优点，在仅以金属沉积技术易于管理的大容积内连续操作。
与可动元件的移动轴线操作上相关联的平衡质量的可能存在允许了可动元件的不需要的振动至机器的输送结构的传递的急剧减少，而与高动力性能无关，确保了输送结构中典型的延伸工作容积上的处理和生产的准确性。
有利地，消除激光束与金属沉积技术中典型的粉末射流之间的对准使得在过程中使用保护气体成为可能，这也未与激光束对准，以诸如氮或氩的气体局部地影响工作气氛，因此在小规模和整个工作容积内复制了粉末床机器的制造室的优点。
具体在激光束经过的框架上的粉末射流和激光相对于用于沉积粉末的分类机器的不同布置还允许了之前几乎不可控的分离和优化技术方面。
当然，在不有损本发明的原理的情况下，细节和实施例可甚至相对于单纯通过举例描述的内容显著地改变，而不脱离保护范围。该保护范围由所附权利要求限定。
在各种实施例中，在喷嘴内，粉末可预热，以便更好控制过程，在金属沉积期间防止各种工作步骤中的热冲击引起的表面张力。
在各种实施例中，喷嘴的流速可改变，以便调整还关于待生产的形状、使用的粉末类型且因此聚焦激光束的直径来调整局部粉末床的形状。
在各种实施例中，用于朝光学单元和扫描头传导激光辐射的光纤的使用允许了关联适用于消融的第二激光源(例如，超快类型)或确切地说持续大约几皮秒的脉冲发射，烧结过程与激光消融过程的交替用于完成与添加制造相关联的任何处理缺陷。
在各种实施例中，可构想出的是，利用可动元件的模块化结构来用于可能关联视觉系统，其监测平行于激光执行烧结的区域，探测制造过程中的任何缺陷的存在。
所述优选实施例中的激光操作机器包括与工具承载框架相关联的多个喷嘴，具体限定了周边，具体是圆周，该多个喷嘴和其布置提出了即使是相对于激光束的位置的灵活性和简单性方面，以及在流对准方面(具体是通过添加用于保护气体的喷嘴)的具体优点。然而，上文所述的主要原理还延伸至框架或支承物承载用于发射粉末的单个喷嘴的机器，其与可动元件的第二移动轴线系统相关联，且相对于光学单元移动。
在各种实施例中，可动元件包括其移动轴线系统中的适用于使工具承载框架根据一条或更多条轴线可倾斜的旋转轴线，例如，如果框架限定根据包含在该平面中的轴线的平面，或如果在单个喷嘴的情况中其根据不与所述支承轴线重合的各条轴线限定仅一条支承轴线。以此方式，这些旋转轴线与框架器件一起限定粉末射流的定向，且因此允许了粉末射流在圆弧或球形表面上的移动。因此，可动元件可包括旋转轴线和/或平移轴线，且具体而言，可包括除上文结合笛卡尔冗余(X, Y, u, v)所述的实施例之外的旋转轴线，考虑了将圆形或球形旋转轴线插入滑动系统下游，或确切地说平移轴线u,v的下游。引入粉末射流的定向器件的一个优点在于，它们允许从工作点的平面管理穿至三维管理，其可在复杂形状物体的情况中是方便的。这些旋转冗余构件的组合能够可能地允许根据与激光束不同的角来准备定向喷嘴的粉末射流的粉末床PB。
在各种实施例中，可动元件的多条轴线借助于平行运动机器布置来定向，构造成在三维空间中利用其限定的定向或倾斜来定位工具承载框架，以便达成上文所述的不同实施例的各种优点。具体而言，该平行运动布置可通过彼此冗余且可能连接到彼此上和/或工作承载框架上的平移轴线和旋转轴线的组合，通过被动棱柱机器人接头和/或旋转体(通常是笛卡尔接头、圆柱、旋转和球形的形状)(例如，平行操纵器或斯图尔特平台的形式)来获得。如上文所述，大体上，将冗余结构引入可动元件内涉及执行反运动计算，以本领域的技术人员本来已知的方式，离线地或在过程期间控制，以便确定对所述可动元件的所有轴线的命令。

Claims (21)

1.一种用于通过激光烧结来添加制造物体的激光操作机器，包括：输送结构(11)，其在工作空间(100)中是可移动的，根据包括X轴、Y轴以及Z轴的第一移动轴线系统操作，且构造成支承用于发射将烧结在工作平面(110)上的粉末射流的一个或更多个喷嘴(34)；以及用于激光束(L)传送到聚焦于所述工作平面(110)上的激光点(S)来烧结粉末的光学激光组件(20)，其特征在于，所述光学激光组件(20)与所述输送结构(11)整体结合关联，且可动元件(12)也与所述输送结构(11)整体结合关联并根据包括u轴和v轴的第二移动轴线系统操作，所述可动元件(12)包括工具承载框架(30)，用于发射粉末射流的一个或更多个喷嘴(34)布置在所述工具承载框架(30)上，所述一个或更多个喷嘴(34)与所述第二移动轴线系统(u,v)相关联，且相对于所述光学激光组件(20)是可移动的。
2.根据权利要求1所述的激光操作机器，其特征在于，所述光学激光组件(20)包括光学扫描器件(24,25,26,27)，以用于定位在所述工作空间(100)中根据第三移动轴线系统(α,θ,ω)操作的所述激光点(S)。
3.根据权利要求2所述的激光操作机器，其特征在于，多个喷嘴(34)布置在所述工具承载框架(30)上，以用于发射粉末射流，且在于所述光学扫描器件(24,25,26,27)布置成将所述激光束(L)发射到由用于发射粉末射流的所述多个喷嘴(34)限定的周边内的所述工作平面(110)上。
4.根据权利要求3所述的激光操作机器，其特征在于，用于保护气体的发射的一个或更多个喷嘴(34a)也布置在所述工具承载框架(30)上。
5.根据权利要求4所述的激光操作机器，其特征在于，用于发射粉末射流的喷嘴(34)包括预热器件。
6.根据前述权利要求3所述的激光操作机器，其特征在于，所述喷嘴(34)的发射轴线(U)倾斜，使得它们在粉末沉积点(PD)交叉。
7.根据权利要求3至5中的任一项所述的激光操作机器，其特征在于，所述工具承载框架(30)和用于发射粉末射流的所述多个喷嘴(34)的布置限定圆周。
8.根据权利要求1所述的激光操作机器，其特征在于，所述第一移动轴线系统(X,Y,Z)包括笛卡尔三元组。
9.根据权利要求1所述的激光操作机器，其特征在于，所述第二移动轴线系统(u,v)包括一条或更多条旋转轴线，以使所述工具承载框架(30)可倾斜。
10.根据权利要求1所述的激光操作机器，其特征在于，所述第二移动轴线系统(u,v)借助于平行运动机器实施，所述平行运动机器构造成将所述工具承载框架(30)定位在三维空间中且具有其自身的定向。
11.根据权利要求2所述的激光操作机器，其特征在于，所述第三移动轴线系统(α,θ,ω)包括垂直于彼此的入射在所述工作平面(110)上的所述激光束(L)的轴线(I)的两条旋转轴线θ轴和ω轴，以及沿所述激光束(L)的所述轴线(I)的平移轴线α轴。
12.根据权利要求11所述的激光操作机器，其特征在于，所述光学扫描器件(24,25,26,27)包括聚焦元件(24)，其沿平移轴线α轴接收所述激光束(L)且包括沿所述平移轴线α轴可移动来执行所述激光点(S)的平移的透镜(25)、在所述聚焦元件(24)的输出处接收所述激光束(L)且使其朝可定向的镜(27)偏转的静止镜(26)，所述可定向的镜(27)布置成沿入射在所述工作平面(110)上的所述激光束(L)的所述轴线(I)偏转所述激光束，在休止状态中，所述激光束(L)的所述轴线(I)正交于所述工作平面(110)，所述可定向的镜(27)沿所述两条旋转轴线θ轴和ω轴移动来定向所述激光束(L)的所述轴线(I)。
13.根据权利要求1所述的激光操作机器，其特征在于，所述光学激光组件(20)与第二激光源相关联，所述第二激光源相对于执行烧结的第一激光源是可交替地操作的，以执行激光消融过程，并改善与所述添加制造相关联的可能的工作缺陷。
14.根据权利要求1所述的激光操作机器，其特征在于，它包括与所述可动元件(12)相关联的视觉系统，以监测所述烧结在其上执行的工作平面(110)的区域，并探测制造过程的可能缺陷的存在。
15.一种用于通过根据权利要求1至14中的任一项所述的激光操作机器进行激光烧结来添加制造物体的方法，包括：
设置粉末发射路径(PP)来根据所述粉末发射路径(PP)经由所述工具承载框架(30)中的所述一个或更多个喷嘴(34)发射将烧结在工作平面(110)上的粉末，
设置激光烧结路径(LP)来根据按照所述粉末发射路径(PP)发射的所述粉末上的所述激光烧结路径(LP)来经由所述光学激光组件(20)传送激光束(L)的聚焦点(S)，以执行所述粉末的烧结，
借助于数字控制单元(50)和伺服控制模块(53)命令与所述激光操作机器的轴线相关联的激光操作机器(10)的促动器(31)，以执行穿过相应轴线的轨迹来实施所述激光烧结路径(LP)和粉末发射路径(PP)，其中，
命令促动器(31)的操作包括操作模式，其中命令所述可动元件(12)的促动器(31)来以可动方式相对于所述光学激光组件(20)移动所述工具承载框架(30)。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，将从所述粉末发射路径(PP)生成的发射轨迹或所述发射轨迹的分量供应至所述可动元件(12)的促动器来移动所述工具承载框架(30)，以及将从所述激光烧结路径(LP)生成的烧结轨迹或所述烧结轨迹的分量供应至所述光学激光组件(20)的所述光学扫描器件(24,25,26,27)的促动器。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，在所述输送结构(11)上执行所述发射轨迹和/或所述烧结轨迹的分量的分布。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述分布包括从所述发射轨迹或烧结轨迹减去分布在所述输送结构(11)上的分量，以及使所述减去得到的轨迹分量分配至所述可动元件(12)或分别分配至所述光学扫描器件(24,25,26,27)。
19.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述烧结轨迹基本上以一定时间延迟遵循所述发射轨迹。
20.根据权利要求15或16所述的方法，其特征在于，连同所述粉末发射路径(PP)一起发送流速调整命令，以用于通过增大所述粉末发射路径(PP)和粉末区域(PB)的限定点中的发射流速和命令使所述激光点(S)根据所述粉末区域(PB)内的形状移动的激光烧结路径(LP)，来沉积在所述工作平面(110)上。
21.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，在所述输送结构(11)上执行所述发射轨迹和/或所述烧结轨迹的分量的所述分布，将低动力范围分量分布在所述输送结构(11)上，并将高动力范围分量分布在所述可动元件(12)上。
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