CN107206493A - 增材制造设备和增材制造方法 - Google Patents

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CN107206493A CN201580074171.1A CN201580074171A CN107206493A CN 107206493 A CN107206493 A CN 107206493A CN 201580074171 A CN201580074171 A CN 201580074171A CN 107206493 A CN107206493 A CN 107206493A
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迈克尔·约瑟夫·麦克利兰
R·G·阿斯瓦塔纳拉扬斯瓦米
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Abstract

本发明涉及一种增材制造设备，该增材制造设备包括：构建室(101)；构建平台(102)，其可在该构建室(101)中降低使得可流动材料的层可连续地跨该构建平台(102)形成；激光器(105)，其用于产生激光束(118)；扫描单元(106)，其用于将该激光束(118)引导到每一层上以在选定区域中固化该材料；和处理器(131)，其用于控制该扫描单元(106)。该处理器(131)被布置成控制该扫描单元(106)引导该激光束(118)以沿着扫描路径(300a2、300b2)固化层的材料，其中在与沿着前一层的对应的扫描路径(300a1、300b1)的对应段来推进该激光束(118)的方向相反的方向上，沿着该扫描路径(300a2、300b2)的至少一段来推进该激光束(118)。该扫描路径(300a、300b)可为围绕该层的该等选定区域中的一个的边界而延伸的边界扫描路径。

Description

增材制造设备和增材制造方法
技术领域
本发明涉及以逐层方式固化材料层以形成物件的增材制造设备和方法。本发明具有对选择性激光固化设备的特定但非排他性应用，例如，选择性激光熔融(SLM)和选择性激光烧结(SLS)设备。
背景技术
选择性激光熔融(SLM)和选择性激光烧结(SLS)设备使用高能量束(例如，激光束)经由材料(例如，金属粉末材料)的逐层固化来产生物件。通过邻近粉末床沉积粉末堆和用刮片跨粉末床(从粉末床的一侧到另一侧)散布粉末堆以形成层而在构建室中跨粉末床形成粉末层。随后跨对应于经建构物件的横截面的粉末层的区域而扫描激光束。激光束熔融或烧结粉末以形成经固化层。在层的选择性固化之后，粉末床按新固化的层的厚度降低，并且再一粉末层在表面上扩散且按需要固化。此装置的实例揭示于US6042774中。
通常，沿着扫描路径跨粉末扫描激光束。扫描路径的布置将通过扫描策略来界定。US5155324描述包括扫描部分横截面的轮廓(边界)，接着扫描部分横截面的内部(核心)的扫描策略。扫描该部分的边界可改善该部分的表面的解析度、清晰度和平滑化。
WO2014/0154878揭示扫描将轮廓划分成单独的向量的闭合轮廓，其中扫描每一向量的方向是基于该向量对气流方向的角度。
Parimi L.、Aswathanarayanaswamy R.、Clark D.、Attallah M.的“直接激光制造的IN718的微观结构和纹理发展(Microstructural and texture development in directlaser fabricated IN718)”(材料特性(Materials Characterization)，第89册，2014年3月，第102到111页)揭示关于IN718 SLM构建部分的柱状晶粒结构的单向和双向扫描策略的效果
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种增材制造设备，该增材制造设备包括：构建室；构建平台，其可在该构建室中降低使得可流动材料的层可连续地跨该构建平台形成；激光器，其用于产生激光束；扫描单元，其用于将该激光束引导到每一层的选定区域上以在该选定区域中固化该材料；和处理器，其用于控制该扫描单元。
该处理器可被布置成控制该扫描单元沿着扫描路径引导该激光束以固化层的材料，该激光束在与以下方向上沿着该扫描路径的至少一段被推进：该方向与沿着前一层的对应的扫描路径的对应段来推进该激光束或另一激光束的方向相反。
扫描路径可为绕层的选定区域中的一个的边界来延伸的边界扫描路径，其中在以下方向上沿着边界扫描路径的至少该段来推进激光束：该方向与沿着前一层的对应的选定区域的对应的边界扫描路径的对应段来推进该激光束或另一激光束的方向相反。
以此方式沿着选定区域的边界扫描路径来推进激光束(相对于沿着在相同方向上的连续层中的对应区域的边界扫描路径来推进激光束)可以减小在正在制造的部分的表面处的柱状晶粒结构的大小。减小该部分的表面处的长柱状晶粒结构可获得更强硬的部件，因为部分的裂痕倾向于从具有高度与宽度之间的大失配的柱状晶粒结构传播。减小表面处的长柱状晶粒结构因此减小了该部分开裂的可能性。
可在以下方向(逆时针/顺时针)上沿着扫描路径的全部长度(例如，边界扫描路径(闭合折线))来推进激光束：该方向与沿着前一层的对应的扫描路径(例如，对应的选定区域的对应的边界扫描路径)的全部长度来推进该激光束或另一激光束的方向相反。这可对于每一边界扫描路径的连续扫描特别有利，因为将只存在单个接合点(在共同的开始点和结束点处)。
替代地，可沿着在不同方向上的扫描路径(例如，边界扫描路径)的不同段推进激光束。举例来说，WO2014/0154878揭示可将边界扫描路径划分成段和在基于气刀的气流方向的方向上沿着每一段来扫描激光束的方式。可在以下方向上沿着不同段中的两个或更多个来推进激光束：该方向与沿着前一层的对应的扫描路径(例如，对应的选定区域的对应的边界扫描路径)的对应段来推进该激光束或另一激光束的方向相反。对于扫描路径(例如，边界扫描路径)的一些段，既符合关于相对于气流方向的扫描方向的要求又与沿着前一层的对应的扫描路径(例如，对应的选定区域的对应的边界扫描路径)的对应段推进激光束的方向相反，可能并不可能。对于这样的段，可在以下方向上沿着段来扫描激光束：该方向与沿着前一层的对应的扫描路径(例如，对应的选定区域的对应的边界扫描路径)的对应段来扫描激光束的方向相同。
处理器可被布置成控制扫描单元引导激光束以固化绕选定区域的边界而延伸的邻近边界扫描路径。可在以下方向上沿着邻近边界扫描路径中的一个的段来推进激光束：该方向与沿着邻近边界扫描路径中的另一个的对应段来推进该激光束或另一激光束的方向相反。
以此方式沿着邻近边界扫描路径推进激光束的优势在于，相对于沿着邻近边界扫描路径在相同方向上推进激光束，可以减小在正在制造的部分的表面处的晶粒结构的大小。减小该部分的表面处的晶粒结构的大小可获得更强硬的部分，因为一部分中的裂痕倾向于从在沿着晶粒结构的不同方向上的热收缩的失配而传播。减少晶粒结构的尺寸的失配减小了这部分开裂的可能性。
可在以下方向上沿邻近边界扫描路径中的一个的全部长度来推进激光束：该方向与绕邻近边界扫描路径中的另一个的全部长度来推进该激光束或另一激光束的方向相反。这可为有利的，因为对于每一边界扫描路径的连续扫描，将只存在单个接合点(在共同的开始点和结束点)。
替代地，可在沿着邻近边界扫描路径中的一个或每一个的不同段的不同方向上推进激光束。举例来说，WO2014/0154878揭示了可将边界扫描路径划分成段和沿着在基于气刀的气流方向的方向上的每一段来扫描激光束的方式。根据本发明，可在以下方向上扫描邻近边界扫描路径中的一个的不同段中的一个或多个：该方向与沿着邻近边界扫描路径中的另一个的对应段来扫描激光束的方向相反。对于邻近边界扫描路径的一些段，既符合关于相对于气流方向的扫描方向的要求又与沿着邻近边界扫描路径中的另一个的对应段扫描激光束的方向相反，可能并不可能。对于这样的段，可沿着在相同方向上的另一邻近边界扫描路径的对应段来扫描激光束。
处理器可被布置成控制扫描单元沿着绕区域的边界延伸的三个边界扫描路径、四个边界扫描路径或多于四个边界扫描路径来推进激光束。可在以下方向(顺时针/逆时针)上沿着绕边界延伸的边界扫描路径中的每一个来推进激光束：该方向与绕邻近边界扫描路径来推进激光束的方向相反。
处理器可被布置成控制扫描单元沿着选定区域的边界扫描路径来扫描激光束，以使得扫描的开始点或/和结束点沿着该边界的位置与沿着前一层的对应的选定区域的边界扫描路径的扫描开始点或/和结束点的位置是不同的。
归因于在端点处的不同熔融条件(相对于其它扫描点)，扫描的起点和/或终点可引致部件中的缺陷。对用于连续层的边界扫描的开始点和结束点进行偏移可减小在这些点处形成的缺陷的大小，从而减小裂缝从此类缺陷扩展的可能性。
处理器可被布置成控制扫描单元，以沿着绕选定区域的边界而延伸的邻近边界扫描路径来引导激光束以固化材料，邻近边界扫描路径中的一者的扫描的开始点或/和结束点沿着该边界的位置与沿着邻近边界扫描路径中的另一者的扫描的开始点或/和结束点的位置是不同的。
归因于在结束点处的不同熔融条件(相对于其它扫描点)，扫描的起点和/或终点可引致部件中的缺陷。对用于邻近边界扫描的开始点和结束点进行偏移可减小在这些点处形成的缺陷的大小，从而减小裂缝从此类缺陷穿透层来扩展的可能性。
在具有共同的开始点和结束点的单个扫描中，可沿着邻近边界扫描路径(闭合折线)中的一者的全部长度来扫描激光束，该共同的开始点和结束点沿边界所处的不同位置不同于沿着边界扫描路径中的另一者的全部长度的单个扫描的共同的开始点和结束点。这可为有利的，因为对于每一边界扫描路径，将只存在单个接合点(在共同的开始和结束点处)。
替代地，可在多个离散扫描中沿着邻近边界扫描路径中的一者来扫描激光束，离散扫描中的两者或更多者(且优选地，所有)的开始点或/和结束点沿着边界所处的位置不同于沿着邻近边界扫描路径中的另一者的离散扫描的开始点或/和结束点。举例来说，WO2014/0154878揭示了可将边界扫描路径划分成段和沿着在基于气刀的气流方向的方向上的每一段来扫描激光束的方式。可在邻近边界扫描路径之间更改该等段中的两个或更多个(且优选地，所有)的结束点，以使得在扫描的起点或终点形成的任何缺陷都不传播穿过该部件的层。
该处理器可被布置成控制扫描单元沿着绕选定区域的边界而延伸的三个边界扫描路径、四个边界扫描路径或多于四个边界扫描路径来引导激光束以固化材料。沿着边界扫描路径中的每一者的扫描可具有开始点或/和结束点，该开始点或/和结束点沿着边界所处的位置不同于沿着邻近边界扫描路径的扫描的开始点或/和结束点。
该处理单元可被布置成控制扫描单元跨选定区域的核心、在边界内、沿着平行扫描路径来扫描激光束。举例来说，可使用光栅扫描、棋盘或条带结构的常规扫描策略来扫描核心。
该设备可包括激光单元(该激光单元视情况可包括多个激光)，用于产生多个激光束，其中用于扫描扫描路径的激光束可同于或不同于用以扫描前一层的对应的扫描路径的激光束。
根据本发明的第二方面，提供一种在逐层增材制造工艺中扫描材料层的方法，其中跨构建平台形成可流动材料的连续层且跨每一层的选定区域扫描激光束以固结在选定区域中的该材料。
该方法可包括沿着扫描路径(例如，绕选定区域中的一个的边界而延伸的边界扫描路径)来引导激光束以固化该层的材料，其中在以下方向上沿着扫描路径(例如，边界扫描路径)的至少一段来推进激光束：该方向与沿着前一层的对应的选定区域的对应的扫描路径(例如，对应的边界扫描路径)的对应段来推进该激光束或另一激光束的方向相反。
该方法可包括沿着绕选定区域中的一个的边界而延伸的邻近边界扫描路径来引导激光束以固化材料，其中在以下方向上沿着邻近边界扫描路径中的一者的一段来推进激光束：该方向与沿着邻近边界扫描路径中的另一者的对应段来推进该激光束或另一激光束的方向相反。
根据本发明的第三方面，提供一种其上存储有指令的数据载体，该等指令在由增材制造设备的处理单元执行时使处理单元控制增材制造设备实行根据本发明的第二方面的方法。
应理解，如本文中所使用的术语“扫描”包括按连续运动沿着扫描路径移动激光点，和在扫描单元沿着扫描路径推进激光点时接通和切断激光束(如在Renishaw's AM250机器中使用)。在两种情况下，沿着扫描路径连续地形成固化线(例如，焊接线)。“离散扫描”指单独的扫描，其中，在扫描之间，在固化线的连续形成中存在中断。然而，离散扫描可与该等离散扫描中的另一个相交(例如，在结束点)。
本发明的以上方面的数据载体可为用于为机器提供指令的合适的媒介，例如，非暂时性数据载体，例如，软盘、CD ROM、DVD ROM/RAM(包含-R/-RW和+R/+RW)、HD DVD、蓝光(TM)光盘、存储器(例如，记忆棒(TM)、SD卡、紧凑快闪卡或类似物)、光盘驱动器(例如，硬盘驱动器)、胶带、任何磁/光存储装置或瞬态数据载体，例如，电线或光纤上的信号或无线信号，例如，通过有线或无线网络(例如，因特网下载、FTP传送或类似物)发送的信号。
附图说明
图1为根据本发明的实施例的选择性激光固化设备的示意图；
图2为从另一侧的选择性激光固化设备的示意图；
图3a和图3b为说明沿着扫描路径的扫描的示意图；
图4为说明根据本发明的实施例的跨待固化的层的区域的边界和填充扫描的示意图；
图5为说明根据本发明的实施例的沿着连续层之间的边界扫描路径的扫描的结束点和方向的改变的示意图；以及
图6示出根据本发明的另一实施例的沿着边界扫描路径扫描激光束的方向。
具体实施方式
参见图1和图2，根据本发明的实施例的激光固化设备包括主腔室101，其中具有分割区115、116，该分割区界定构建室117和粉末可沉积到其上的表面。提供构建平台102以用于支撑通过选择性激光熔融粉末104来构建的物件103。该平台102随着物件103的连续层形成可在构建室117内降低。可用的构建体积由构建平台102可降低到构建室117内的程度界定。
随着物件103由分配设备108和细长刮片109构建而形成粉末104的层。举例来说，分配设备108可为如WO2010/007396中描述的设备。
激光模块105产生用于熔融粉末104的激光，按需要，由光学扫描仪106在计算机130的控制下引导激光。激光经由窗107进入腔室101。
光学扫描仪106包括用于将激光束引导到粉末床104上的所要位置的转向光学器件(在此实施例中，两个可移动镜106a、106b)，和用于调整激光束的焦距的聚焦光学器件(在此实施例中，一对可移动透镜106c、106d)。电动机(未示出)驱动镜106a和透镜106b、106c的移动，电动机由处理器131控制。
计算机130包括处理器单元131、存储器132、显示器133、用户输入装置134(例如，键盘、触摸屏等)、到激光熔融单元的模块(例如，光模块106和激光模块105)的数据连接、位置测量装置140和外部数据连接135。存储在存储器132上的是指令处理单元进行如现在所描述的方法的计算机程序。
处理器经由外部连接135接收用于描述在每一粉末层中用以固化粉末的区域的扫描路径的几何数据。为了构建部件，处理器控制扫描器106根据以几何数据所限定的扫描路径来引导激光束。
参看图3a和图3b，在此实施例中，为了沿着绕待固化的材料的区域而延伸的扫描路径(例如，边界扫描路径200)来执行扫描，激光105与扫描仪106被同步以使得沿着扫描路径200的一系列离散点201依次暴露于激光束。对于每一扫描路径200，定义点距离d、点曝光时间、光点大小和每个点曝光之间的延迟。还定义扫描点201的方向D。在图3a中，激光束绕边界扫描路径201推进的方向D为顺时针，但如下文更详细地描述，对于其它边界扫描路径，可在逆时针方向上绕边界扫描路径来推进激光束。实际上，每个点曝光之间的时间通常短到使得镜106a、106b不能够相对于激光的脉冲式输出来足够快速地移动和停止以扫描离散光斑(如图3a中所示出)，从而导致形成针对每一离散点的细长熔体池210，如在图3b中示意性地示出。因此，曝光一系列离散点(如图3a中所示出)的指令导致沿着扫描路径形成经固化材料的连续线。
在替代实施例中，可沿着扫描路径连续扫描光斑。在此实施例中，可针对每一扫描路径指定激光光斑的速度，而非定义点距离和曝光时间。
参看图4，针对材料层中待固化的区域示出扫描路径300a、300b和302。扫描路径包括绕区域的边界而延伸的外边界扫描路径300a和内边界扫描路径300b，和用于固化区域的核心的填充扫描路径302。在图4中，填充扫描路径302被示出为光栅(曲折)扫描，但应理解，可使用其它扫描策略以填充区域的核心，例如，作为一系列条带或按棋盘图案来扫描，如在EP1993812中所描述。关于区域的外框与核心使用不同的扫描策略通常是有益的，以便有效率地固化该区域同时获得该部件的准确表面。
如由图4中的箭头示出，在与沿着内边界路径300b推进激光束的逆时针方向相反的顺时针方向上沿着外边界扫描路径300a来推进激光束。
图5示出沿着不同层1、2、3、4的对应区域的对应边界扫描路径来推进激光束的方向是如何在顺时针与逆时针方向之间交替。通常，在连续层之间待固化的区域不显著地改变，因为通常将在避免层之间的大阶跃改变的定向上来构建部件。因此，在前一层中待固化的区域将通常在大小和形状上紧密对应于在目前层中待固化的区域。
在图5中，关于每一层1、2、3、4，用激光束扫描外边界扫描路径和内边界扫描路径300a、300b的方向是与前一层相反的。此外，用于每一边界扫描路径300a、300b的扫描的开始/结束位置303a、303b的位置从前一层1、2、3、4中的对应的边界扫描路径300a、300b的扫描的开始/结束位置的位置而更改。图5中，为了清晰起见，省略填充扫描路径，然而，应理解，通常在层之间通过经设定的角度来旋转填充扫描路径，例如，以使得当前层的填充扫描路径按不可由45度、60度、72度或90度相除的角度延伸到前一层的填充扫描。通常，连续层之间的旋转角度大于10度，且优选地为例如67度或74度的角度。
图6示出根据本发明的替代性实施例的用于连续层的边界扫描路径。在此实施例中，通过进行沿着边界扫描路径400的不同(在此情况下，六个)段404a到404f的一系列离散扫描来固化沿着边界扫描路径400的材料。在绕边界扫描路径400的不同方向(顺时针/逆时针)上扫描不同段404a到404f。沿着边界扫描路径4002的每一段404a2到404f2来扫描激光束的方向与沿着前一层的对应的边界扫描路径4001的对应段404a1到404f1扫描激光束的方向相反。
在于区域的固化中进行多个边界扫描路径400的情况下，可通过进行一系列离散边界扫描来固化沿着边界扫描路径中的每一个的材料。用于边界扫描路径中的一个的每一离散扫描的开始点和结束点可在沿着边界的(与沿着邻近边界扫描路径的离散扫描的开始点或/和结束点不同)的位置处。
应理解，在不脱离如本文中所定义的本发明的范围的情况下可对上文所描述的实施例进行更改和修改。举例来说，本发明可扩展到在连续层中实质上重复的非边界扫描。举例来说，US2015/0151491揭示在2维段的形成中激光束待行进的一组路径的形状取决于该段的轮廓的几何形状的布置。对于具有待形成的相同或类似2维段/区域的连续层，可在连续层之间反转激光束行进的路径中的对应者的方向。此外，该设备可包括用于产生多个激光束的多个激光器，和，对于每一激光束，用于将激光束引导到粉末床的选定区域的扫描模块，其中，用于扫描扫描路径300a、300b、400的激光束可为用以扫描前一层的对应的扫描路径300a、300b、400的激光束中的相同或不同者。

Claims (15)

1.一种增材制造设备，所述增材制造设备包括：
构建室；
构建平台，其可在所述构建室中降低以使得可流动材料的层可连续地跨所述构建平台形成；
激光器，其用于产生激光束；
扫描单元，其用于将所述激光束引导到每一层上以固化在选定区域中的所述材料；和
处理器，其用于控制所述扫描单元，
其中所述处理器被布置成控制所述扫描单元以沿着扫描路径引导所述激光束以固化一层的材料，所述激光束在以下方向上沿着所述扫描路径的至少一段被推进：该方向与沿着前一层的对应扫描路径的对应段来推进所述激光束或另一激光束的方向相反。
2.根据权利要求1所述的增材制造设备，其中，所述扫描路径是绕所述层的所述选定区域中的一个的边界而延伸的边界扫描路径，
其中，在以下方向上沿着所述边界扫描路径的至少所述段来推进所述激光束：该方向与沿着所述前一层的对应选定区域的对应边界扫描路径的对应段来推进所述激光束或所述另一激光束的方向相反。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的增材制造设备，其中，所述处理器被布置成控制所述扫描单元，以在以下方向上沿着所述扫描路径的全部长度来推进所述激光束：该方向与沿着所述前一层的对应的所述选定区域的所述扫描路径的全部长度来推进所述激光束或所述另一激光束的所述方向相反。
4.根据权利要求1所述的增材制造设备，其中，所述处理器被布置成控制所述扫描单元，以使得在不同方向上沿着所述扫描路径的不同段来推进所述激光束。
5.根据权利要求4所述的增材制造设备，其中，所述处理器被布置成控制所述扫描单元，以使得在以下方向上沿着所述不同段中的两个或更多个来推进所述激光束：该方向与沿着所述前一层的所述对应扫描路径的所述对应段来推进所述激光束或所述另一激光束的方向相反。
6.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的增材制造设备，其中，所述处理器被布置成控制所述扫描单元，以引导所述激光束来固化绕所述选定区域的所述边界而延伸的邻近边界扫描路径。
7.根据权利要求6所述的增材制造设备，其中，所述处理器被布置成控制所述扫描单元，以在以下方向上沿着所述邻近边界扫描路径中的一者的段来推进所述激光束：该方向与沿着所述邻近边界扫描路径中的另一者的对应段来推进所述激光束或另一激光束的方向相反。
8.根据权利要求7所述的增材制造设备，其中，所述处理器被布置成控制所述扫描单元，以在以下方向上沿着所述邻近边界扫描路径中的一者的全部长度来推进所述激光束：该方向与绕所述邻近边界扫描路径中的另一者的全部长度来推进所述激光束或所述另一激光束的方向相反。
9.根据权利要求7所述的增材制造设备，其中，所述处理器被布置成控制所述扫描单元，以沿着所述邻近边界扫描路径中的一者或每一者的不同段而在不同方向上推进所述激光束。
10.根据权利要求6到9中任一权利要求所述的增材制造设备，其中，所述处理器被布置成控制所述扫描单元，以沿着绕所述选定区域的所述边界延伸的三个边界扫描路径、四个边界扫描路径或多于四个边界扫描路径来引导所述激光束以固化材料。
11.根据权利要求10所述的增材制造设备，其中，在与所述邻近边界扫描路径相反的方向上绕所述边界扫描路径中的每一者来推进所述激光束。
12.根据权利要求6到11中任一权利要求所述的增材制造设备，其中，所述处理器被布置成控制所述扫描单元，以在多个离散扫描中沿着所述邻近边界扫描路径中的每一者来推进所述激光束，其中用于所述邻近边界扫描路径中的一者的每一离散扫描的开始点或/和结束点沿着所述边界所处的位置不同于沿着所述邻近边界扫描路径中的另一者的至少对应段的离散扫描的开始点或/和结束点。
13.根据权利要求2或当引用权利要求2时的权利要求3到12中的任一权利要求所述的增材制造设备，其中，所述处理单元被布置成控制所述扫描单元，以跨所述选定区域的核心、在所述边界内、沿着平行扫描路径来扫描所述激光束。
14.一种在逐层增材制造工艺中扫描材料层的方法，其中，跨构建平台形成可流动材料的连续层，且将激光束引导到每一层的选定区域以固化在所述选定区域中的所述材料，所述方法包括沿着层的扫描路径来引导所述激光束以固化材料，其中在以下方向上沿着所述扫描路径的至少一段来推进所述激光束：该方向与沿着前一层的对应扫描路径来推进所述激光束或另一激光束的方向相反。
15.一种其上存储有指令的数据载体，所述指令在由增材制造设备的处理单元执行时，使所述处理单元控制所述增材制造设备实行根据权利要求14所述的方法。
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