CN107530962A - 用于生成式地制造三维物体的设备、方法和控制单元 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于借助于通过电磁辐射、尤其是激光辐射逐层地固化粉末状建造材料制造三维物体(2)的方法，该方法包括以下步骤：利用来自辐射源(21)的电磁射束(22)扫描所述粉末状建造材料(11)的涂敷层的对应于待制造的物体(2)的横截面的位置，以选择性地固化粉末状建造材料(11)；在利用所述电磁射束(22)扫描期间引导气体流(33)经过涂敷层，并且不规则性确定针对在制造时的至少一个过程参数的过程不规则性的存在，其中，在利用所述电磁射束(22)扫描期间，基于所述不规则性确定的结果中断在待固化的横截面的至少一个当前位置上的扫描过程。

Description

用于生成式地制造三维物体的设备、方法和控制单元
技术领域
本发明涉及用于借助生成式制造(也称作“叠层制造”)逐层地构建三维物体的一种装置和一种方法。尤其是，本发明涉及生成式的制造过程，在这些制造过程中三维物体逐层地由粉末状金属材料生成。
背景技术
所提到的方法根据特殊的实施方案也被称为“选择性激光烧结”、“选择性激光熔化”、“直接金属激光烧结”(direct metal laser sintering—DMLS)、“快速成型”、“快速加工”或“快速制造”。用于实施这样一种方法的设备例如在文献DE19514740C1中说明。根据所述文献，首先借助涂敷器涂敷薄层的粉末状建造材料并且随后在对应于物体的相应横截面的位置上通过激光束的作用使所述建造材料固化。所述两个最后提到的步骤交替地重复，直至完成待制造的三维物体为止。
对于待制造的物体的机械特性可以有利的是，激光束局部地扫描在涂敷的粉末层中要固化的位置。DE102007014683A1例如说明一种方法，在该方法中层的利用激光束要扫描的区域被分成多个细长的条形区域，并且所述各条形区域通过利用激光束沿横向于条形区域的纵向方向线性地扫描被照射。
在激光束作用到相应使用的材料上时，尤其是当材料是无粘合剂的并且无钎剂的金属材料粉末时，经常可能出现溅射物、烟以及蒸汽，其扩散到构建空间中。为此的原因例如是在通过激光产生的材料熔体中形成气体，形成的气体在冷却时从材料中逸出。为了避免污染物通过溅射物、烟以及蒸汽沉积在用于激光束的耦入窗口上，DE 198 53 947 A1提出一种处理室，在该处理室中在两个彼此对置的端部上设置有保护气体入口和保护气体出口，从而已定向的保护气体流能够被引导通过所述处理室。通过所述保护气体流，污染物被从处理室中去除。
此外，在现有技术中已知使用保护气体流以形成粉末层的均匀的表面温度，以便形成较为均一的过程条件，对此参见WO 92/08592 A。
在现有技术中，溅射物、烟以及蒸汽尤其是因此被看作是有问题的，因为污染物可能沉积在处理室中的表面上或待固化的粉末层上。此外，在待固化的粉末层上方的烟和蒸汽可能干扰地作用到激光束上并且由此影响借助于激光束熔化材料的过程。例如，一部分要输入的激光束能量可能在粉末层上方被吸收或激光在烟上被散射。发明人例如可以观察到，在存在烟时利用激光照射的面在冷却之后比其它的在其照射时存在少量烟的面具有较大的粗糙度。因此，待制造的物体的特性通过在当前被照射的面上方的气体环境中存在的烟和蒸汽影响并且必要时甚至受到不利影响。
在现有技术中已经使用的用于去除烟和蒸汽的保护气体流如发明人进行的实验显示的那样不能总完全防止由于烟和蒸汽对激光束产生不利影响：
为了有效地去除烟，原则上期望尽可能高的保护气体流动速度。然而太高的流动速度引起吹动粉末。因此在实际中，必须总是在确定流动速度时找到合适的折衷。因此，可使用的流动速度是受限制的。典型地，在构建区上流动速度的值为1m/s至3m/s。
当前激光束通常移动的速度在1m/s至3m/s或甚至超过该速度。当在极不利的情况下气体流动的方向和激光束的扫描方向一致时，则可能发生，激光必须总是穿过由其本身产生的烟云并且可以说与所述烟云一起移动。
此外，在保护气体流动中可能出现湍流。在喷嘴排出口上、但也在制造设备内的轮廓和边缘上可能形成小的漩涡。所述漩涡并非强制位置固定的，而是可以随着保护气体流动在构建区上移动。观察到，构建区的某些区域可能比其它的区域更受漩涡形成的影响。这意味着，在这些区域中遇到漩涡的可能性高于在构建区的其它位置上。在保护气体流动中的漩涡因此是不利的，因为由于该漩涡可能将已经从激光束的作用区域中被去除的烟和蒸汽再次运回到该作用区域中。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的任务是，提供用于逐层生成式地制造三维物体的一种改进的设备或一种改进的方法或一种相应构造的控制单元。在此，改进尤其优选被看成制造的三维物体的构件特性的改进。具体地，这些构件特性的改进涉及尽可能连续地在整个构件中获得的构件质量、也就是说也在根据现有技术由于上述通过溅射物、烟、蒸汽或诸如此类的物体形成的负面影响而潜在受到损害的区域中实现。
所述任务通过根据权利要求1所述的一种方法和根据权利要求13所述的一种设备以及通过根据权利要求14所述的一种控制单元得以解决。
按照本发明的用于借助于通过电磁辐射、尤其是激光辐射逐层地固化粉末状建造材料制造三维物体的方法据此包括至少以下的步骤：
利用来自辐射源的电磁射束扫描所述粉末状建造材料的涂敷层的与待制造的物体的横截面相对应的位置，以选择性地固化粉末状建造材料，
在利用所述电磁射束扫描期间，引导气体流经过涂敷层，并且
不规则性确定针对在制造时的至少一个过程参数的过程不规则性的存在。
在利用所述电磁射束扫描期间，基于所述不规则性确定的结果中断在待固化的横截面的至少一个当前位置上的扫描过程。
因此，本发明的原则是，在制造时、尤其是在扫描过程期间确定过程不规则性并且基于确定结果实施扫描过程的中断。过程不规则性的示例尤其是如下：
·出现或提高(增强)出现颗粒，如溅射物、烟、蒸汽诸如此类的物体；
·在扫描期间，来自电磁射束在建造材料上的作用位置的改变的辐射发射，由此例如也可能导出建造材料的过热；发射的辐射例如可以是可见光；改变的辐射发射例如能够通过发射的辐射的改变的光谱组成和/或强度波动被察觉到；
·待制造的物体的已固化区段的大的表面粗糙度；
·其它的测量结果或预测结果，由这些结果能够推断出在待制造的物体的材料结构中的提高的缺陷概率。
换句话说，本发明想要将至今仅理解为干扰影响的过程不确定性有针对性地用作制造过程的质量的指示，在其基础上制造过程被控制或被调节。
所述不规则性确定可以在测量技术上例如借助光学传感器进行。在此，在进行的制造过程期间、即尤其是在扫描建造材料层期间，一个或多个过程参数例如通过传感器在测量技术上被确定。在此，仅示例性地将从电磁射束在建造材料上的作用位置发射的辐射的特性、溅射数量和溅射尺寸、在所述作用位置上方的烟或蒸汽的浓度或在层中的温度波动称作过程参数。替代地或补充地，所述不规则性确定也可以以预测系统、即预测功能性为基础，该预测功能性例如(单纯地)基于经验的原始数据和/或基于输出测量值预测在制造过程期间过程不规则性的出现。这种经验的输出测量值例如可以提前在典型的测量序列中确定并且记录在测量数据库中。而原始数据优选是这样的数据，这些数据不来源于特定测量，而是作为对于具体的根据本发明实施的方法典型的、以前已经实施的制造过程(或多个这样的制造过程)的一种“副产品”被收集。因此，当前的过程不规则性能够被确定和/或能够预测将来的过程不规则性，即例如利用关于其实际出现的可能性的陈述。
在此，术语“当前的过程不规则性”是指在进行制造过程期间、即尤其是在扫描建造材料层期间出现的过程不规则性。当提及在待固化的横截面的当前位置上的扫描过程被中断时，则因此是指待固化的横截面的一个位置，用于固化的电磁射束的作用位置在中断时刻正好处于该位置上。基于不规则性确定的结果的扫描中断可以直接在出现(或预测出现)存在过程不规则性之后和/或时间延迟地而后被实施。在基于仅预测出现过程不规则性的中断的情况下，替代地和/或附加地，中断可以在预测的出现过程不规则性之前时间错开地进行。换句话说，除关于过程不规则性的类型(以及必要时可能性)的信息之外，所述不规则性确定也提供什么时候(预计)出现过程不规则性的时间说明。因此，扫描中断可以根据所述时间说明被插入。
借助按照本发明的方法可能的是，在时间上这样影响所述扫描过程，使得可能的干扰影响或实际的干扰影响可以显著地减少或甚至被消除，这些干扰影响与过程不规则性有直接或间接的关联。因此，这在最终效果中提高待制造的物体的构件质量。
按照本发明的方法仅适合于借助电磁辐射、尤其是激光辐射固化粉末状建造材料来制造三维物体。尤其是适用于如下方法，在该方法中使用上面所提到的保护气体流。即通常仅这样的气体流为下述提供前提：在实现扫描的中断之后，过程不规则性在短时间内减轻。
此外，本发明与在一种用于较长时间(在超过一分钟的范围中)的“应急切断”的意义上结束扫描过程不同。而是，本发明基于基本上按计划继续制造过程并且仅仅短时间地、尤其是在下面详细阐述的中断时间的意义上中断、而不是终止制造过程。因此涉及无终止的制造过程。
按照本发明的用于借助于通过电磁辐射、尤其是激光辐射逐层地固化粉末状建造材料制造三维物体的设备包括：
扫描单元，该扫描单元用于利用来自辐射源的电磁射束扫描所述粉末状建造材料的涂敷层的与待制造的物体的横截面相对应的位置，以选择性地固化粉末状建造材料，
气体流引导单元，该气体流引导单元构造用于在利用电磁射束扫描期间引导气体流经过涂敷层，以及
不规则性确定单元，该不规则性确定单元在运行中针对在制造时的至少一个过程参数的过程不规则性的存在实施不规则性确定，
所述设备构造成，使得该设备在利用电磁射束扫描期间基于不规则性确定的结果中断在待固化横截面的至少一个当前位置上的扫描过程。
尤其是，为了实施按照本发明的方法可以使用按照本发明的控制单元，该控制单元构造用于装备/或改装按照本发明的设备，并且此外该控制单元构造成，使得该控制单元在利用电磁射束扫描期间基于不规则性确定的结果中断在待固化横截面的至少一个当前位置上的扫描过程。
所述设备或控制单元按照本发明可以由计算机程序控制，该计算机程序可被加载到可编程的控制单元中，该计算机程序具有程序代码，当计算机程序在控制单元上执行时，所述程序代码能执行按照本发明的方法的所有步骤。
在各从属权利要求中给出本发明的进一步改进方案。在此，从属权利要求以及下面说明中的针对方法的各特征也可以用作设备或控制单元的进一步改进方案，反之亦然，除非明确排除。
优选地，将电磁射束中断的时段是最高70ms、优选最高50ms、特别优选最高30ms以及尤其优选最高8ms。如下面在附图说明的范围中进一步说明的，发明人发现这些值描述这些的时段，在这些时段之内基于过程不规则性的干扰效果能够暂时地被足够消除。理想地，根据所述过程不规则性选择中断的时段。
另一方面优选的是，将电磁射束中断的时段是至少1ms、优选至少2ms、特别优选至少10ms。也可以根据过程不规则性的类型选择这些值，如在下面进一步解释。
此外，被证明有利的是，与待制造的物体的横截面相对应的区域被分成多个区段且逐区段地利用电磁射束扫描，其中，将所述电磁射束在至少一个区段中沿多个向量、尤其是彼此平行的向量移动，并且将电磁射束在两个相邻的向量的扫描之间、优选在两个相邻向量之间的反转点上中断。有针对性地在两个这样的向量的照射之间的中断(例如在所谓的“扫描照射(hatch exposure)”的范畴中)提供如下优点：其中一个向量仍然被扫描直到其端部并且下一个向量的扫描还未开始。因此在所述空间位置上是根据本发明的特别好的用于中断的时间点。
此外，出于省时高效的原因可以有利的是：电磁射束在中断时段期间在与当前位置不同的位置上实施扫描过程。在此，当前位置是如下位置，在该位置上电磁射束直接在开始中断之前作用到层上并且该位置至少潜在地被过程不规则性影响。所述不同的位置优选这样与当前位置间隔开距离，使得该不同的位置尽可能可靠地不被过程不规则性影响。该不同的位置可以位于正好在待固化的物体横截面的层中的另一个位置上、例如但也位于如下区域中，在该区域中另一个物体的横截面应在该层中被固化。就此而言应强调，在激光烧结方法中或激光熔化方法中(如本申请将此作为基础)不起作用的是：在构建空间中是否仅一个物体或并行地多个物体被制造。因此，每当在本申请中提及一个物体的制造，因此也暗示地指，不应被排除所述一个物体的相同制造过程中并行制造其它物体。
在中断结束之后，所述电磁射束优选指向与当前位置直接相邻的位置，之前在该当前位置上实现中断。“与当前位置直接相邻”尤其意味着，电磁射束的在粉末状建造材料中的该位置上的作用区域延伸直到所述当前位置的边界上，使得例如通过电磁射束在直接相邻位置上的作用一起影响在当前位置上的熔化过程和/或显著加热。由此确保，在中断结束之后，(潜在的)过程不规则性以高的可能性对在当前位置上的制造过程不具有明显的影响。
优选地，所述中断根据由过程不规则性得出的信息触发、尤其是根据所述信息在时间上被控制。相应的信息例如包括过程不确定性的显著性和/或位置。
根据按照本发明的方法的一种实施形式，不规则性确定包括在利用电磁射束扫描期间检测粉末状建造材料的层的相应被扫描的位置的光学发射特性，并且当记录到光学发射特性的显著变化时，认定存在过程不规则性。尤其是，当记录到参数值的显著改变时，光学发射特性的变化可以被记录为显著的，所述参数值代表由被扫描的位置发射的辐射(例如可见光)的光谱组成和/或强度。作为基础的过程参数能够如上所述例如包括光谱组成和/或强度组成和/或光谱加权强度(由所述光谱组成在时间上的积累得到)和/或时间上的强度性能。上述显著的变化或显著的改变(通常存在显著性)优选基于阈值被确定，从而在超过或低于事先确定的阈值时认定存在显著性。这种阈值优选为作为基础的参数的提前定义的正常值或正常值光谱的至少10％、特别优选至少20％、尤其优选至少40％的偏差，从而根据发明人的评估能够获得可靠的评估结果。
特别是，在上面提到的逐区段的基于向量的扫描的范畴中被证明有利的是，电磁射束在扫描一个区段期间针对存在的过程不规则性被多次中断。所述中断因此可能特别短且有针对性地进行。
在相同的背景下(与中断的次数无关)优选的是，各区段是彼此平行的细长条，并且彼此平行的向量(至少一个区段沿这些向量被扫描)基本上垂直于条纵向方向。
附图说明
接下来，参考附图说明本发明的实施形式。
图1示出用于逐层地制造三维物体的设备的示意性的、部分以剖面示出的视图，该设备适合用于实施本发明。
图2示出在图1中示出的激光烧结设备的待固化粉末层的示意性俯视图，其中示意性地示出，用于固化粉末的激光束如何在粉末层上被引导。
图3示出在没有烟形成(左侧)的过程时和具有强烈烟形成(右侧)的过程时的光发射的对比。
图4示出在用于逐层地制造三维物体的方法中的按照本发明的闭环控制的一种实施例的流程图。
具体实施方式
接下来借助图1说明根据本发明的一种实施形式的设备1。在图1中所示出的设备是激光烧结设备或激光熔化设备1。为了构建物体2，该设备包含具有室壁4的处理室3。
具有壁6的向上敞开的容器5设置在所述处理室3中。在竖直方向V上可移动的托架7设置在所述容器5中，底板8安装在该托架上，该底板8向下封闭容器5并且因此形成容器的底部。底板8可以是与托架7分开构造的板，该板固定到托架7上，或该板可以与托架7一体地构造。如在图1中示出的，根据所使用的粉末和工艺，可以在底板8上安装另一个构建平台9，物体2构建在该构建平台上。但物体2也可以构建在底板8本身上，因此该底板被用作构建平台。在图1中在容器5中在构建平台9上示出待形成的物体2在工作平面10的下方以具有多个固化层的中间状态示出，这些固化层被保持未固化的建造材料11包围。
所述激光烧结设备1还包含用于可通过电磁辐射固化的粉末状建造材料13的储存容器12和能够沿水平方向H移动的涂覆器14，该涂覆器用于将建造材料13涂覆到工作平面10上。所述储存容器12也可以侧向地设置在容器5的旁边。此外，处理室3的壁4在其上侧上包含用于固化粉末13的射线22的耦入窗口15。
激光烧结设备1还包含具有激光器21的照射装置作为扫描单元20，该激光器产生激光束22，该激光束22通过偏转装置23偏转并且通过聚焦装置24经由耦入窗口15聚焦到工作平面10上。
激光烧结设备1还包括控制单元29，通过该控制单元29装置1的各个组件以协调的方式实施构建过程。所述控制单元可以包含CPU，其运行由计算机程序(软件)控制。控制单元29在信号技术上与传感器55、在本实施例中与以光电二极管传感器形式的光学传感器连接。控制单元29与传感器55一起构成不规则性确定单元，在该不规则性确定单元中基于传感器的测量值和/或其它的模拟值确定(可能)存在的过程不规则性。
为了在处理室3中产生(优选基本上层状的)气体流33，激光烧结设备1还包括气体供给管道31、气体入口喷嘴32、气体抽吸喷嘴34和气体排放管道35。所述气体供给管道31、气体入口喷嘴32、气体抽吸喷嘴34和气体排放管道35在本实施例中构成一个气体流引导单元。气体供给和气体排放也可以由控制单元29控制。从处理室3中抽吸的气体可以被输送给过滤装置(未示出)，并且经过滤的气体可以通过气体供给管道31又输送给处理室3，从而形成具有闭合气体回路的循环空气系统。代替仅设置一个气体入口喷嘴32和一个气体抽吸喷嘴34，也可以各自设置多个喷嘴。
在运行期间，为了涂覆粉末层，托架7首先被降低一个优选对应于所期望的层厚度的高度。现在在使用涂覆器14的情况下涂覆一层粉末状建造材料13。优选在整个构建区域上进行涂覆，该构建区域是在容器5上方的工作平面10的部分。
随后，由激光束22扫描(即照射)待制造的物体2的横截面，使得粉末状建造材料13在这些位置上被固化。重复这些步骤，直到物体2被制造完成并且可以从构建空间中移除。在通过固化粉末状建造材料11制造三维物体2时，激光束22局部地将能量引入到建造材料11中，使得粉末颗粒熔结在一起亦或粉末材料11局部地完全熔化，紧接着建造材料11在冷却之后固化成固体结构。
在构建物体2期间，气体(优选保护气体，例如氩气和/或氮气)通过气体入口喷嘴32被引入到处理室3中，并通过气体抽吸喷嘴34再次从该处理室中被抽出。
在借助激光束22扫描层的待固化区段时引入至少一个停顿，也就是说中断扫描过程，更确切地说基于之前(或当前)在不规则性确定中确定的过程不规则性。在此，停顿表征为在照射期间的时段，激光束22在该时段之内中断，其方式为切断激光器或使激光束转向到其它的位置、尤其是在工作平面10之外。在激光束22中断期间，偏转装置23也可以是暂时不用的，使得在停顿结束之后所述激光束22直接在(在停顿之前最后借助激光束22进行固化的)位置的旁边入射到粉末层上。
就所获得的构件的均一性而言，本发明的方式具有如下优点：
过程不规则性的示例是出现溅射物或烟或蒸汽或类似的颗粒(接下来代表地总是仅提及烟)。在停顿期间，这种烟可以在粉末层的最后被照射的位置上方移走。因此，在停顿之后再次开始照射时，固化过程可以在没有烟的干扰影响下继续。
如果尝试，通过减少激光束的扫描速度解决烟太缓慢移走的问题，这则导致，由于扫描速度的改变(如果激光功率是恒定的)，输入到材料中的能量总额提高。在激光烧结以及类似的方法中已知以[J/mm2]为单位的参数“单位面积能量”，该单位面积能量给出每个单位面积射入的焦耳能量。由公式单位面积能量[J/mm2]＝激光功率/(扫描速度×扫描间距)可知，随着扫描速度减小，输入的单位面积能量增加。但要输入的能量总额是难控制变量。因此，按照本发明的方式是有利的，因为通过引入停顿，所述单位面积能量不必被改变。就此而言，所述扫描间距理解为两个相邻向量之间的距离，沿所述向量通过电磁射束进行扫描。
按照本发明的方法不仅在由于形成烟对过程准确性产生不利影响方面具有优点。而且通过引入停顿也可以预防在构件中的局部过度加热过程，这些过度加热过程可以通过考虑其它的过程不规则性被确定。因此，在构建空间中在某些位置上的温度例如可以通过直接的或间接的温度测量被确定，例如借助点高温计。
通常，在制造三维物体时局部用于固化粉末而引入的热量通过已经存在的部分物体借助热传导被导出。根据构件有多“实心”，所述导热更好或更差。正是在细丝的结构中，所述导热较差。细丝结构也因此是特别敏感的，因为在所述结构中“照射重复时间”、也就是说直至激光束再次返回到当前照射的位置的附近中的时间是短的。因此，构件的细丝区域对于过度加热效果来说是特别易受影响的。在此，通过根据相应确定的过程不规则性插入照射停顿可提供更多时间以用于导出热量，从而减少局部过热的危险。
考虑到充分的烟消散，照射停顿的长度为一毫秒或几毫秒、优选为至少2ms和/或最高8ms。在此，要选择的停顿持续时间可以根据气体流33的流动速度的值确定。如果例如流动速度为2m/s并且停顿的持续时间为2ms，则在停顿之内烟可以继续前行的距离长度为L＝停顿持续时间×流动速度＝4mm。利用这样的烟到位置(在该位置上继续照射过程)的距离，所述过程不再显著受到干扰。
鉴于过热问题，一毫秒或多于十毫秒的、优选至少10ms和/或最高70ms的、还优选最高30ms的停顿时段是有利的。停顿持续时间的长度在所述情况下例如与已经在上面提到的“照射重复时间”有关。
所述停顿原则上可以作为固定参数引入到照射过程中。例如，在(也预测的)存在过程不规则性时，定义长度的停顿可以以事先定义的时间间隔被引入到局部待固化粉末层的照射过程中。在这样一种情况下，自动通过控制单元29实现引入停顿，该控制单元控制激光束22和偏转装置23以及可选地控制未在图1中示出的射线偏转装置，该射束偏转装置用于将能量射线转向离开构建区。
接下来借助图2说明一种方法，在该方法中事先确定的停顿以特别有利的方式被引入到方法过程中：
图2示出粉末层的待固化区段的俯视图，其中，所述待固化区段为了简单性而示出为矩形的。在图2中示出两个并排设置的条形区段203，在这两个条形区段内激光束蜿蜒地在层上运动。在所述条形区段203内的各单个彼此平行的运动线在此称作向量W。
出于简单的原因，仅示出两个这样的条形区段。在说明的方法中，应该被固化的粉末层区域的至少一部分在激光束照射时利用这样彼此平行的条形区段203被覆盖。在此，在照射时优选这样进行，使得各条形区段203在时间上被依次照射。
在两个相邻的条形区段203的边界区域中，在条形区段203的照射过程期间实现激光束的运动方向的反转205。因为在运动反转205时在偏转装置23中实现转向镜的反转运动，所以激光束22在运动反转205时被切断。所述切断持续时间在当前使用的制造方法中为大约0.3ms，其中，这与过程和设备的边界参数有关(带宽目前为0.1ms至0.6ms)。因此，以有利的方式，在激光束22的运动反转205期间激光器的切断持续时间可以简单地被延长，从而照射停顿正好在运动反转205的位置上进行。因为在所述位置上本来存在非常短的停顿，所以用于引入按照本发明的附加的停顿的控制花费不是非常大。
要指出，当然在图2中不是必须在激光束22的运动方向的每次反转205时都进行所述停顿。而是所述照射停顿也仅可能在每第二次运动反转205、每第三次运动反转205等等时进行。上限是在条形区段203照射期间出现的运动反转过程205的总数。
还应强调，区域区段203不是必然必须是条状的。通常，待固化的物体横截面不是矩形的。如果在这样一种情况下区域区段203邻接物体横截面的边缘，则其轮廓经常与矩形条的形状不同。此外，尤其是正方形的区域区段203也是可能的。最后也可能的是，分别照射在一个区域区段203内的一个小的区域并且然后在另一个区域区段203中继续照射。在激光束“跳跃”到另一个区域区段203期间因此可以插入按照本发明的停顿。
尽管由于所述的引入停顿可以在表面质量和均一性方面观察到改善的构件质量，然而必须考虑，通过所述停顿当然也延长对于层的照射持续时间并且由此延长用于物体的总制造时间。因此，按照本发明的照射停顿应该优选仅在实际上需要这样的停顿时才被集成到照射过程中。就此而言，停顿的优选的时间上限也是可以理解的。换句话说，所述停顿优选有针对性地根据借助电磁辐射、尤其是激光辐射固化粉末状建造材料的过程进行优化并且相应地选择成短的。在此，尤其是热效应和/或被引导经过涂敷层的气体流的抽吸效应一起被考虑或有利地被使用。
在此，第一途径是预测地确定、即借助预测模型确定：什么时候以及在哪里应该引入照明停顿。例如，通过观察在按照本发明的用于制造三维物体的设备中已进行的制造过程可以被确定，在工作平面10上方的哪个位置上尤其频繁地出现过程不规则性、例如在气体流33中的旋涡形成。照射停顿因此恰好在照射这样经常形成旋涡(或其它的过程不规则性)的区域中的位置时被引入。
另一种得到预测模型的可能性是构建过程的数学建模。例如，在激光烧结方法或激光熔化方法中，待制造的物体的结构及其在制造期间在粉末床中的位置是事先已知的。因此，尤其是在局部过热的过程不规则性方面可以事先确定，待制造的物体的哪个位置特别容易过热。因为在认识了材料粉末时待制造的物体的物理特性、尤其是导热特性也基本上是事先已知的，所以可以计算：在哪个位置上在制造过程中出现的热量可能特别差地通过物体的已制造的部分被导出。作为结果，按照本发明的照射停顿能够正好在制造特别易受伤害的物体区域时(例如细丝的物体区段)被引入。因此，在开始制造过程之前就可以这样调节控制装置29，使得照射停顿恰好在所期望的位置上被引入到构建过程中。
替代于或补充于基于预测模型引入照射停顿，基于关于过程的实时信息控制或甚至调节照射过程。为此，必须例如探测在照射过程期间的所述烟形成亦或局部过热并且通过引入过程停顿来阻碍过量烟形成或局部过热。
已经观察到，过度的烟形成引起在光发射中的改变，所述光发射通常从一个层区域出发，当前激光作用到该层区域上或者说不久之前激光作用到该层区域上(“过程照射”)。图3示出基本上在没有烟形成(左侧)的过程时和具有强烈烟形成(右侧)的过程时的光发射的对比。可以看出，伴随着出现过度的烟形成也出现越来越多的溅射物。
因此，通过尤其是光学监控激光束的作用区域可以自动检测光发射的变化并且可以被用于决定，是否应该通过引入照射停顿做出反应。为了更好地理解还补充，光发射通常从由于激光作用熔化的粉末的熔池出发，因此光发射的监控也被称为“熔池监视”。
例如，光学监控可以借助光电二极管执行，这些光电二极管确保在读取光学信息时所需要的高的过程速度。也可以使用其它的测量装置，尤其是当这些装置可以足够快地提供关于光发射改变的信息时。所有30至50微秒的测量、即大约30kHz的带宽被证明是合适的时间分辨率，这可以利用光电二极管在技术上实现。所述光电二极管可以作为传感器55在处理室3内安装在工作平面10上方亦或安装在处理室之外，其中，通过射束分配器实现向激光束的光学路径中的耦入，从而光发射可以通过偏转装置23经由相同的光学路径被观察到，激光束也占据所述路径。
由光传感器(例如光电二极管)提供的信息的再加工能够以对于本领域技术人员已知的方式发生并且因此在此不再详细说明。例如，借助傅里叶分析(如快速傅里叶变换，英文为FFT)、小波变换或其他数学分析方法可以确定信号幅值的波动，这些波动指出溅射过程。此外，在时域(英文为time domain)中观察信号也可以用于评估过程。此外，光发射的改变也可以通过短时傅里叶变换检测，其方式为分析信号的频谱的随时间的改变。重要的是，基于由测量装置(即传感器)提供的信息，通过控制装置29在极短的时间内(优选在小于10ms、优选小于1ms内)可以决定，在利用激光束进行照射时停顿是否应该被引入。
局部的过热也导致光发射的变化。因此，在物体的过热区域中出现余晖(大约半秒)，从而在激光束作用到粉末上时在过热区域上发射更多的光。此外，在过热区域上方新涂敷的粉末在下部层中出现颜色变化。所述颜色变化能够经由已发射光的光谱分析和/或强度改变的分析被探测。因此，通过光学分析激光束作用区域可以实时检测，是否存在过热区域。
图4示出用于说明生成式制造方法的方框图，在该方框图中进行按照本发明的闭环控制。这里假定，涉及如下制造过程，在该制造过程中对金属粉末进行加工并且通过选择性地熔化粉末生成三维物体(也称为DMLS-直接金属激光烧结)。因此，在步骤A中激光烧结方法或激光熔化方法伴随着连续的(在此光学的)过程监控(在此在激光束入射点上监控熔池)实施。因此，为了监控所述制造过程，借助多个光电二极管连续地在激光束入射点上光学检测熔池，并且在步骤B中通过分析在光发射/光谱分布中的变化来决定，是否存在过程不规则性。如果存在过程不规则性，则进行情况区分。按照光发射变化的类型决定，根据第一次识别B1是否存在烟形成或根据第二次识别B2是否存在局部的过热作为过程不规则性的原因。
取决于存在什么类型的过程不规则性，然后决定可以引入什么类型的照射停顿。在过程不规则性“烟形成”B1的情形下，例如在步骤C1中在激光束的每次方向变换时引入一系列的短照射停顿(分别为2毫秒至4毫秒)。在此，照射停顿的次数可以在可选的步骤D中与如下用于引入照射停顿的中断标准相关：
例如可设想下面的中断标准：
——光学监控探测到过程不规则性的结束；
——在事先确定照射停顿的最大数量之后，在引入所述照射停顿的最大数量之后不再引入照射停顿；
——假设，在当前粉末层中待固化区域逐区段地(例如一条一条地，如在图2中示出的)被照射，一旦当前区段(条)被完全照射，结束引入停顿。
如果在情形B2“局部过热”被确定成过程不规则性，则通常足够的是：在步骤C2中引入较长的照射停顿(大于等于10毫秒)，因此构件可以局部地冷却。在任何情况下，制造过程在达到中断标准之后正常地在步骤E中在没有其它的照射停顿的情况下继续进行，直到重新探测到过程不规则性。当然也可能的是，在探测到烟的情况下仅引入10毫秒或更长的较长照射停顿，并且在探测到局部过热的情况下依次相继地如所述地嵌入(引入)多个照射停顿。依次相继引入的照射停顿的最大数量例如可以是在2至20之间的值。当一个区段(例如在图2中示出的条形区段203)的照射结束时，优选没有进一步的照射停顿被引入。
此外，在图4中示出一种过程流程，在该过程流程中不仅在烟形成方面而且在局部过热方面进行过程监控。当然也可能的是，在一种简化的具有闭环控制的过程流程中仅实施烟形成方面的监控或仅实施局部过热方面的监控。
在按照本发明的方法中要使用的粉末状建造材料可以是塑料粉末、陶瓷粉末或金属粉末或混合粉末(例如由塑料包套的金属粉末)。然而按照本发明的方法特别适合与金属粉末相关联，因为由于在构建过程时的高温在此最经常出现烟形成、过热效果以及过程照明。
在使用上述的过程闭环控制时，不一定必须采用对于可见光敏感的传感器。同样从能量射线的作用位置发射的辐射也可以在其它的光谱区域(例如在红外线中)中被探测到。

Claims (15)

1.一种用于借助于通过电磁辐射、尤其是激光辐射逐层地固化粉末状建造材料(11)来制造三维物体(2)的方法，该方法包括以下步骤：
利用来自辐射源(21)的电磁射束(22)扫描所述粉末状建造材料(11)的涂敷层的与待制造的物体(2)的横截面相对应的位置，以选择性地固化粉末状建造材料(11)，
在利用所述电磁射束(22)扫描期间引导气体流(33)经过涂敷层，并且
不规则性确定针对在制造时的至少一个过程参数的过程不规则性的存在，
其中，在利用所述电磁射束(22)扫描期间，基于所述不规则性确定的结果中断在待固化的横截面的至少一个当前位置上的扫描过程。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将电磁射束(22)中断的时段是最高70ms、优选最高50ms、特别优选最高30ms以及尤其优选最高8ms。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将电磁射束(22)中断的时段是至少1ms、优选至少2ms、特别优选至少10ms。
4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，所述电磁射束(22)在中断期间在与当前位置不同的位置上实施扫描过程。
5.根据权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，所述电磁射束(22)在中断结束后指向与当前位置直接相邻的位置，之前在该当前位置上实现中断。
6.根据权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，根据由过程不规则性导出的信息触发所述中断，尤其是根据由过程不规则性导出的信息在时间上控制所述中断。
7.根据权利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，不规则性确定包括在利用电磁射束(22)扫描期间检测粉末状建造材料(11)的层的相应被扫描的位置的光学发射特性，并且当记录到光学发射特性的显著变化时，认定存在过程不规则性。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，当记录到参数值的显著改变时，光学发射特性的变化被记录为显著的，所述参数值代表由被扫描的位置发射的辐射、尤其是可见光和/或近红外光的光谱组成和/或强度。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述显著变化和/或显著改变是基于阈值被确定的。
10.根据权利要求1至9之一所述的方法，其特征在于，与待制造的物体(2)的横截面相对应的区域分成多个区段(203)且逐区段地利用电磁射束(22)扫描，
其中，将所述电磁射束(22)在至少一个区段中沿多个向量(W)、尤其是彼此平行的向量(W)移动，并且
将电磁射束(22)在两个相邻的向量(W)的扫描之间、优选在两个相邻向量(W)之间的反转点上中断。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，将所述电磁射束(22)在扫描一个区段(203)期间多次中断。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，各区段(203)是彼此平行的细长的条(S)，并且彼此平行的向量(V)——至少一个区段(203)沿这些向量被扫描——基本上垂直于条纵向方向。
13.一种用于借助于通过电磁辐射(22)、尤其是激光辐射(22)逐层地固化粉末状建造材料(11)来制造三维物体(2)的设备，该设备包括：
扫描单元(20)，该扫描单元用于利用来自辐射源(21)的电磁射束(22)扫描所述粉末状建造材料(11)的涂敷层的与待制造的物体的横截面(2)相对应的位置，以选择性地固化粉末状建造材料(11)，
气体流引导单元(31、32、34、35)，该气体流引导单元构造用于在利用电磁射束(22)扫描期间引导气体流(33)经过涂敷层，以及
不规则性确定单元(29、55)，该不规则性确定单元在运行中针对在制造时的至少一个过程参数的过程不规则性的存在实施不规则性确定，
所述设备构造成，使得该设备在利用电磁射束(22)扫描期间基于不规则性确定的结果中断在待固化横截面的至少一个当前位置上的扫描过程。
14.一种控制单元(29)，该控制单元用于装备/或改装根据权利要求13所述的设备，该控制单元构造成，使得该控制单元在利用电磁射束(22)扫描期间基于不规则性确定的结果中断在待固化横截面的至少一个当前位置上的扫描过程。
15.一种计算机程序，该计算机程序能被加载到可编程的控制单元和/或设备中，该计算机程序具有程序代码，以便当计算机程序在控制单元和/或设备上执行时实施根据上述权利要求1至12之一所述的方法的所有步骤。
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