CN107921536A - 通过空间控制的材料熔合的增材制造 - Google Patents
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Abstract
描述了用于增材制造的方法和设备。用于增材制造的方法可以包括使构建表面上的材料层暴露于一个或更多个激光能量投射，所述一个或更多个激光能量投射包括具有基本上线形形状的至少一个线激光。在一个或更多个激光能量投射跨越构建表面扫描时，可以调制线激光的强度以导致材料层根据期望图案熔合。
Description
技术领域
本文中描述的方面涉及增材制造(additive manufacturing)。
背景技术
通过选择性激光烧结或熔化的增材制造表示使用粉末层的相继熔合来产生三维物体的方法。首先，将薄粉末层分散在工作台(通常被称为“构建平台”)上，使得至少一个粉末层形成粉末床。然后通过暴露于定向能量源(通常为激光束)使粉末层的选择区域熔合。因此激光束的暴露图案形成三维物体的截面。通过连续熔合在垂直方向上堆叠的如此形成的截面构建部件，并且在每个层的熔合之间，构建平台向下递增并将新的粉末层沉积到构建表面(build surface)上。激光粉末熔合增材制造的一般方法已经以包括以下术语的几个术语已知：选择性激光熔化(selective laser melting，SLM)、选择性激光烧结(selective laser sintering，SLS)和直接金属激光烧结(direct metal lasersintering，DMLS)；并且已经用于多种金属、陶瓷、聚合物、合金和复合材料。
在SLM期间，沿着激光点的扫描轨迹形成熔融材料的液体轨道。可以使用的激光射线的最大直径受待构建的部件的期望最小特征尺寸或细节限制。激光束光斑尺寸和特征分辨率的这种相互依赖还限制了通过SLM可获得的构建速率和品质。
为了获得更高的加工速率以及期望的特征分辨率，因此必须安装多个激光束或增加激光跨越构建表面的扫描速率。可以并入一台机器中的多个激光束的数量受技术和经济可行性限制。最大扫描速度受激光功率、熔池稳定性和传热限制。
发明内容
在一个实施方案中，一种用于增材制造的方法包括使材料层暴露于一个或更多个激光能量投射，其中一个或更多个激光能量投射中的至少一者为具有基本上线形形状的线投射。所述方法还包括通过使材料层暴露于一个或更多个激光能量投射使材料层的至少一部分熔合，以及使一个或更多个激光能量投射相对于材料层移动以使材料层的该部分熔合成期望形状。
在另一个实施方案中，一种用于增材制造的方法包括在构建表面上提供材料层，所述材料层包含具有第一熔化温度的第一材料和具有高于第一熔化温度的第二熔化温度的第二材料，以及使第一材料和第二材料暴露于一个或更多个激光能量投射。一个或更多个激光能量投射中的至少一者为具有基本上线形形状的线投射，并且使第一材料和第二材料暴露于激光能量投射将第一材料和第二材料加热至大于第一熔化温度且小于第二熔化温度的温度。所述方法还包括通过使第一材料和第二材料暴露于一个或更多个激光能量投射来使第一材料的至少一部分熔合。
在又一个实施方案中，一种用于增材制造的设备包括构建表面、被配置成将材料层沉积到构建表面上的材料沉积系统、以及被配置成使材料层暴露于一个或更多个激光能量投射的一个或更多个激光能量源。使材料层暴露于一个或更多个激光能量投射使材料层的至少一部分熔合，并且一个或更多个激光能量源中的至少一者被配置成形成具有基本上线形形状的线投射。
应理解，前述概念和以下讨论的另外的概念可以以任何合适的组合来排列，因为本公开内容在这方面不受限制。此外，通过结合附图考虑以下对多个非限制性实施方案的详细描述，本公开内容的其他优点和新的特征将变得明显。
附图说明
附图不旨在按比例绘制。在附图中，各个附图中示出的每个相同或几乎相同的部件可以由相似的数字表示。为了清楚起见，并不是每个部件都可以在每个附图中标记。在附图中：
图1为根据一个实施方案的用于增材制造的设备的示意图；
图2A为使粉末材料层暴露于激光能量源的现有技术示意图，其中单个激光源具有基本上“点”形状；
图2B为根据一个实施方案的使粉末材料层暴露于激光能量源的示意图，其中单个激光源当投射在层上时具有基本上“线”形状；
图2C至图2D为使粉末材料层暴露于具有线形形状的多个激光能量源的示意图；
图3A为根据一个实施方案的投射到构建表面上的激光线的强度分布的示意图；
图3B为根据一个实施方案的投射到构建表面上的激光线的经调制的强度分布的示意图；
图3C为根据另一个实施方案的投射到构建表面上的激光线的经调制的强度分布的示意图；
图3D为根据另一个实施方案的投射到构建表面上的激光线的经调制的强度分布的示意图；
图3E为激光线源投射激光线的示意图，其中x轴表示线的宽度方向，y轴表示线的长度方向；
图4A为根据一个实施方案的使粉末材料层暴露于激光能量源的示意图，其中该源当投射到粉末层上时具有基本上线形形状，其中层的一些区域被该线选择性熔合而另一些保持未熔合；
图4B为根据一个实施方案的线形投射位置相对于时间的示意图；
图5A为根据一个实施方案的使粉末层暴露于被调制成形成“棋盘”图案的线形形状激光辐射的示意图；
图5B为根据一个实施方案的使粉末层暴露于被调制成形成“斑马纹”图案的线形形状激光辐射的示意图；
图5C为根据一个实施方案的在两个相继阶段中使粉末层暴露于线形形状激光辐射的示意图，其中暴露后的熔合区域在粉末层上形成期望的形状；
图6A为根据一个实施方案的使用两个激光能量源同时暴露粉末层的示意图，其中当投射到层上时，一个具有基本上“线”形状，一个具有基本上“点”形状；
图6B为根据一个实施方案的从两个激光源投射的示意图，一个具有基本上“线”形状，一个具有基本上“点”形状，其中线投射和点投射完全重叠；
图6C为根据一个实施方案的从两个激光源投射的示意图，一个具有基本上“线”形状，一个具有基本上“点”形状，其中线投射和点投射部分重叠；
图6D为根据一个实施方案的从两个激光源投射的示意图，其中一个具有基本上“线”形状，一个具有基本上“点”形状，其中线投射和点投射没有重叠；
图7A为根据一个实施方案的使用两个激光能量源同时暴露粉末层的示意图，其中一个为经调制的线源，一个为未经调制的线源；
图7B为根据一个实施方案的从两个激光源投射的示意图，一个为经调制的线源，一个为未经调制的线源，其中经调制的线投射和未经调制的线投射完全重叠；
图7C为根据一个实施方案的从两个激光源投射的示意图，一个为经调制的线源，一个为未经调制的线源，其中经调制的线投射和未经调制的线投射完全重叠；
图7D为根据一个实施方案的从两个激光源投射的示意图，一个为经调制的线源，一个为未经调制的线源，其中经调制的线投射和未经调制的线投射部分重叠；
图7E为根据一个实施方案的从两个激光源投射的示意图，一个为经调制的线源，一个为未经调制的线源，其中经调制的线投射和未经调制的线投射没有重叠；
图8为根据一个实施方案的通过激光能量源暴露由两种不同的粉末材料构造的层的示意图，其中源当投射到粉末层上时具有基本上线形形状。
具体实施方式
在通过选择性激光熔化(SLM)的增材制造期间激光能量在粉末床上的空间和时间分布对于适当的过程控制是关键的。可以严格控制能量分布的方式影响目标属性，包括形成的几何形状的准确性和可达到的最小特征尺寸、部件的显微结构和密度以及与构建速率直接相关的过程的生产率。至粉末床的激光能量递送可以通过以下属性来描述：包括激光波长、激光功率、强度分布、激光投射的空间分布(例如，包括标称光斑尺寸的光束轮廓)、激光脉冲形状、扫描速度和扫描图案。
然而，如上所述，现有技术的激光粉末床增材制造系统(通常为SLM机器)仅使用具有基本上圆形光束形状(在本文中被称为“点”光束)的一个或更多个激光源。递送的能量的空间分布可以通过“塑造(shape)”激光束的强度分布来修改，例如以具有“高斯型”或“高顶礼帽”轮廓。现有技术的SLM机器的光束直径通常为20微米至200微米。
然而，这样的光束轮廓的高度局部化性质限制了可以通过SLM方法生产部件的速率。通过提高激光扫描速度来提高加工构建速率需要更高的激光功率。与慢扫描光束相比，具有足以形成熔融轨道的功率的快扫描光束所得的熔池延长。已经表明具有高的长宽比的熔池的不稳定性导致构建表面上不期望的缺陷，缺陷形成是因为熔融轨道断裂成每个具有比基本上圆柱形轨道更大的表面能的部分。这种缺陷的机制包括：(i)由熔体和周围粉末之间的高热梯度引起的不稳定性；(ii)冷却期间的液体轨道收缩；以及(iii)由于相对于凝固时间尺度的快速的毛细管流动时间尺度以及液体金属的低粘度引起的熔化轨道的断裂。具有足够能量密度的较快的激光扫描速度导致较长的熔池，因此，可以凝固而不会成球的熔池的形态为形成连续凝固轨道的SLM激光扫描速度设置了上限。
此外，SLM的速率由入射激光能量引起构建表面上的粉末材料熔化的速率控制。该速率可以通过增加激光功率来提高，并且因此这可以允许更快的扫描速率。然而，从构建表面(即，在其上激光入射)向下还存在温度梯度，如果为了提高构建速率而输送更高的功率密度，则因此温度梯度必定更大。在构建表面之下的特定距离处实现粉末熔化的要求(其中该距离限定了大概的层厚度)，还由于熔融材料从构建表面蒸发导致更多的热损失。这种蒸发以及由于蒸汽速度引起的对熔池形状的破坏导致能量效率降低和表面品质下降。
本发明人已经发现克服了这些限制的在选择性激光熔化中同时实现高速率和分辨率的增材制造方法。新的方法允许使用基本上较高的激光功率和改善的对递送至构建表面的能量分布的控制，从而提高加工速率但不必提高扫描速度或牺牲空间分辨率(即，最小特征尺寸)。
本文中描述的方面涉及通过使用一个或更多个线形激光能量源(在本文中被称为线激光)以能量图案扫描构建表面经由粉末层的空间选择性熔合来逐层地从粉末床生产部件。根据期望的结果，熔合可以表示构建表面的要素(例如，粉末颗粒、线或片)在固态下或者通过熔化、聚结和凝固连接。这以这种方式进行：在线的长度上空间控制材料熔合，但不必在瞬时投射到构建表面上的线的长度的全部或大部分上发生。根据本文中所述的一些方面，通常可以控制沿着线的粉末的熔合以沿着线形成任何合适/期望的熔合区域图案，而不必独立控制多个点形激光源，如使用现有方法所需的。
激光能量的线源(因此线激光)可以被认为长度尺寸是其宽度的至少10倍，其宽度的至少100倍，或其宽度的至少1000倍的。例如，根据一个实施方案使用的线激光的宽度可以为10微米至100微米，并且长度为0.1毫米至1毫米，1毫米至10毫米，1厘米至10厘米或最长至1米。在某些实施方案中，长度和宽度可以由强度达到其最大强度的1/e2时的相应尺寸限定。而且，可以理解投射在粉末床上的单个线形源可以通过多于一个的具有更小尺寸和/或更小能量密度的线形源的叠加来实现。10个每个长度为1厘米的线形源的叠加可以形成长度10厘米的单个有效线形源，或使得有效线形源的长度仍然仅仅为1厘米，但是能量密度是组成投射到粉末床上的线的10个线形源的总和。线形源的这种叠加还可以产生这样的能力：将一系列平行的激光能量线投射到构建表面上，使得平行线之间的强度调制的示例性振幅还与每条单独线的宽度尺寸相当。以这种方式，可以使用线形源的叠加来形成二维激光能量阵列。
根据一些实施方案，沿着和/或跨越线激光的平均强度分布可以以基本上任何合适的方式改变(也被称为“调制”)，使得局部强度为零至最大值。因此在本文中，投射到构建表面上的基本上线形的激光源或线激光不仅应被限定为投射到构建表面上的激光能量的图案具有如上限定的长宽比且激光能量沿着和跨越所述线均匀分布，而且被限定为如果激光能量沿着和跨越所述线的分布是基本上被调制的。所述线的能量可以被调制到这样的程度使得构建表面上的材料(例如，粉末)的熔合不发生在一些暴露于投射的区域中，而材料的熔合发生在暴露于投射的另一些区域中。在调制的一个实例中，强度可以在沿着线的长度的特定区域中设置为零，在其他区域中强度可以为零至最大值，空间幅度变化接近线的宽度尺寸。因此，线激光可以被调制到这样的程度使得具有足够高以在给定扫描速度下实现粉末的熔合的能量的线的一些或所有部分不具有以自身或自身中的线定义线的这些单独部分的单独长宽比。然而，应理解，这些单独熔合的部分仍然是经调制的线的部分，而不是多个单独控制的基本上点形的激光源。可以理解，材料的任何区域的熔合是通过由该区域上的激光投射转移的能量和转移的持续时间以及材料和周围环境的参数确定的，使得熔合或没有熔合的过程不仅受经调制的强度控制，而且还受本文中所述的其他加工参数控制。
作为熔合的特定情况，如上所述，构建表面的多个小区域的同时熔化允许该过程实现高空间分辨率的熔化，同时克服了现有方法的限制(包括细长熔池的不稳定性、由于成球的缺陷形成以及由于在只使用多个点源时伴随着高功率密度和扫描速度产生的高的温度梯度引起的低效率)以提高加工构建速率。在一个实施方案中，在粉末床上可以同时熔化的不同位置(即，在过程的任何时刻的单独的熔池)的数量显著地远远超过通过多个独立控制点源扫描可以形成的隔离的熔池的数量。
根据一个实施方案，空间控制材料熔合可以通过提供至少一个线激光源并沿线的长度调制强度分布，同时协调该调制与线形轮廓在构建表面上的运动以空间控制粉末层的加热、熔化和凝固来实现。
在另一个实施方案中，空间控制材料熔合可以通过具有基本上均匀的强度分布的至少一个线激光源沿着线的长度扫描来实现，线源的扫描与至少一个基本上圆形(点)源协调。该复数个源在构建表面上扫描使得熔合仅仅发生在其中基本上由线源加热的区域和基本上由点源加热的区域至少部分重叠的位置处。例如，线可以将粉末加热至基本上高于环境温度但又低于熔化温度的温度，然后点可以将温度升至高于熔化温度。在这种情况下，点的平均扫描速度可以但并非必须显著大于线的扫描速度，并且线的长度可以显著大于点的直径。
又一个实施方案包括构建表面的构造，包括具有不同熔化温度的至少两种粉末材料的空间布置，以及提供通过扫描包括至少一个基本上线形源的激光源限定的激光能量的空间分布，使得暴露于激光能量导致材料中的一种而不是两种在表面的选择区域熔化。熔化温度可以间隔多至10摄氏度，多至100摄氏度，多至1000摄氏度或多至4000摄氏度。两种材料都可以是金属的，都可以是陶瓷的，或者一种可以是金属的而另一种可以是陶瓷的。材料还可以为聚合物、半导体或离子化合物。构建表面的熔化温度还可以通过沉积均匀组成的第一材料(例如，金属粉末)并然后局部沉积第二材料而在空间上改变，该第二材料例如通过形成共晶组合物起改变材料组合的熔化温度的作用。
图1中示出了根据一个实施方案的用于增材制造的设备的示意图。具有粉末床4的工作台5位于具有窗口3(允许粉末床暴露于激光源1)的室2内部。激光源或设置在激光源的光学路径中的其他部件包括改变激光束投射相对于粉末床的位置的装置，例如台架系统和/或基于镜的系统(其可以包括一个或更多个镜检流计)，其可以放置在室内或外部。与粉末床相交的调制和/或塑造激光能量的装置包括光束调制装置和光阀(例如，光栅光阀和平面光阀)。来自激光源的受控的能量递送允许在局部加热和随后冷却时在粉末层内进行选择性熔合。然后降低工作台，并在粉末床的顶部上分布新的粉末层。在该实施方案中，粉末层是用重涂覆器系统形成的，其包括使来自工作台区域中的垂直致动的粉末盒6的粉末铺开的机构8。替代的粉末层形成方法可以包括通过喷嘴机构、喷墨沉积、电流体动力学沉积或超声沉积来沉积粉末。因此，以多个连续熔合的截面制造了(即，增材制造)三维部件。可以理解，截面可以是但不必须是平面的。
图2A示出了用于从复数个熔合层生产三维物体的现有技术方法，包括通过具有控制装置的激光器11暴露粉末层10。激光源11在层10上具有基本上“点”形状投射12。然后通过沿着限制在期望截面内的轨迹用“点”形投射扫描粉末层实现层内的选择性熔合。
图2B大体上示出了通过粉末熔合进行增材制造的一个实施方案。使粉末层20暴露于具有控制装置的激光源21，激光源当投射在层20上具有基本上线形形状22。激光源21包括调制线投射22的强度分布的装置，例如光阀，例如沿着线调制强度的光栅光阀(GLV)或者沿着和跨越线调制强度的平面光阀(PLV)。示例性的GLV调制器系统利用使用一排动态致动的高反射性微带(micro-ribbon)空间控制跨越投射线的输出光强度的能力。在线跨越构建表面扫描期间，为了引导在构建表面(例如，织物或片)上的粉末或其他材料形式的局部熔合，激光强度的线形分布在空间上和时间上控制。随后提供如何调制强度的另外的实例。明显的是GLV或PLV调制仅仅是调制投射线的强度的两种方式，并且可以采用其他空间光调制方式。这些可以包括使激光与具有局部可调节光学透射率的介质相交，因此在期望的空间图案下仅激光能量的一部分透过介质并入射在构建表面上。
图3A至图3E示意性地示出了线激光源31的投射32(图3E)的强度分布可以沿着这样的线(y方向)调制。在一个替代实施方案中，线激光源31投射到部件32上时的强度分布可以沿着(y方向)和跨越(x方向)这样的线调制。线激光源的强度分布可以从在I030下大部分均匀的(图3A)至不均匀的(图3B)改变。在此，选择设置的参数使得在I040下的层暴露引起粉末的局部熔合。同时，如用0或kI0(其中k为0至1的数值)的强度指定的那些，较低强度区域(41、42和43)允许粉末在相应区域不熔合，从而实现在线投射的分离区域内粉末的选择性熔合。强度分布的其他实例包括矩形和正弦分布(图3C、图3D)。
图4A示出了强度分布调制和线激光扫描的协调的同时控制允许在构建表面上产生期望的空间和时间强度图案。线激光301将经调制的线302投射到构建表面300上。因此，与沿x方向的线扫描协调地调制线投射的强度分布，使得期望的区域303熔合。线投射的强度分布可以以这样的方式调制：使得不仅熔合区域303的外形受过程控制，而且使得在其内可以产生具有任何期望的熔合和不熔合区域图案(例如304)。图4B示出了如在此描述的这样的线在时间t期间沿着x轴的扫描不必以均匀的速度发生并且甚至可以在层的扫描期间前后交替。这种扫描运动可以为例如恒定速度和正弦变化速度的总和，并且与沿线的强度调制一起发生，使得由于激光的投射而存在复数个单独的熔池，并且一个或更多个这样的扫描的完成导致期望熔合的构建表面的整个区域完全熔合。
如图5A和图5C所示，当用线激光进行扫描时，可以使用“棋盘”图案来形成复数个单独的熔池。在该实例中，对于每个层，暴露图案包括至少两个阶段。在第一阶段期间，在空间和时间上调制激光能量以仅引发在构建表面313上标记为311的区域中的熔合。在第二阶段期间，根据截面如果需要的话，引发在标记为312的区域中的至少部分熔合。因此，“棋盘”图案根据截面用作暴露区域的掩模。改变构建表面上的线投射随时间变化的位置、投射的宽度和沿着投射的强度分布，以实现这样的示例性棋盘图案，从而得到构建表面上的材料在期望的最终密度和/或显微结构下熔合。在这种情况下，“棋盘”为扫描图案的一般表示，其中局部平行的扫描线的相对取向在增材制造的部件的连续截面内和/或之间变化。
作为另一个实例，如图5B所示，以“斑马纹”图案的递送能量也允许控制熔池形态。在第一扫描期间，引发在标记为321的区域中的熔合。在一个或多个后续的扫描期间，引发在标记为322的区域中的熔合，其可以与区域321重叠。与“点”激光熔化不同，熔池的宽度不是由激光“点”的尺寸设置的，而是通过调制沿着线激光的强度和扫描参数直接控制的。另一些实例包括具有在后续阶段重叠的暴露轮廓的图案，这允许在不同阶段暴露的区域之间更均匀的合并(consolidation)。尽管已经描述了棋盘和斑马纹图案，但是如斑马纹图案在空间上分离许多连续熔池(例如，波纹和V形图案)或者例如棋盘图案交替小的不连续熔池(例如，人字形图案)的其他图案也是可能的。
可以理解，可以使用多个协调的线形源在更短的时间量内实现多个阶段的效果，使得使多个线形源的动作以与上述多个阶段相同的方式协调。
图6A至图6D示出了使用“点”和“线”形能量源的组合的另一些实施方案。一个实例是使用线形形状的激光能量投射将粉末加热至其熔点的大分数，以及使用一个或更多个“点”形源来引起快速的局部熔化。在一些情况下，这可以在线形投射与点投射相交时发生。替代地，这可以通过在没有激光源相交的情况下用点激光和线激光相继暴露区域但是在很短的时间间隔内使得粉末在暴露之间未显著冷却来发生。如图6A至图6D中示意性地描绘的，使用线形激光源201和点形激光源202二者来将能量递送至粉末床200。可以选择激光源的参数使得仅用线形源暴露粉末层使粉末到其熔化温度的大分数，并且通过使用单独控制的激光能量源(例如使用点源)将粉末进一步升到其熔化温度而空间控制熔化。图6B至图6D中示出了粉末层上的线形投射204和点投射205的更近的视图210。线形投射212和点投射213的完全重叠(图6B)导致在点投射的至少一部分内的粉末熔合，而投射222和223的部分重叠(图6C)可以例如导致在区域的暴露于线投射和点投射二者的交叉区域中的至少一些内的熔合。如果投射232和233不相交(图6D)，则在线形投射232内不发生熔合；如以上解释的，然而在这种情况下，如果在足够使得粉末未从由线投射引起的升高的温度显著冷却的时间内点投射与构建表面中之前与线投射相交的区域相交，则在通过点投射暴露的区域内可以发生熔合。应理解，上述实施方案中的线源和点源的影响可以相反，例如点源可以起升高温度但不使其超过熔点的作用，经调制的线源可以使构建表面的某些区域熔化。
图7A至图7E示出了使用在构建表面700上具有经调制的线投射704的至少一个激光线源702与在构建表面700上具有未经调制的线投射703的一个激光线源701组合的选择性粉末熔合的另一个实施方案。一个实例是使用未经调制的线形形状的激光能量投射来将粉末加热至其熔点的大分数，以及使用一个或更多个经调制的线形形状投射来引起局部熔化。类似于结合图6A至图6D的上述实施方案，这可以在未经调制的线形投射与经调制的线形投射相交时发生，或者与未经调制的线形投射分开地但在足够使得粉末未从升高的温度显著冷却的时间内发生。如图7A中示意性地描绘的，使用未经调制的线形状激光源701和经调制的线形状激光源702二者来将能量递送至粉末床700。可以选择激光源的参数使得仅用未经调制的线形源暴露粉末层使粉末接近其熔化温度，并且如果例如使用经调制的线源递送另外的能量则熔化发生。在图7B至图7E中示出了粉末层上的未经调制的线形投射702和经调制的线形投射704的更近的视图705。
未经调制的线形投射707和经调制的线形投射706的完全重叠使得经调制的线形投射位于未经调制的线形投射内(图7B)导致至少在一些重叠区域内的粉末熔合。未经调制的线形投射709和经调制的线形投射708的完全重叠使得未经调制的线形投射位于经调制的线形投射内(图7C)导致在至少一些重叠区域内的粉末熔合。投射710和711的部分重叠(图7D)例如可以导致在至少一些其交叉区域内的熔合。如果投射713和712不相交(图7E)，则在未经调制的线形投射713内不发生熔合；如以上解释的，然而在这种情况下，如果在足够使得粉末未从由未经调制的线形投射引起的升高温度显著冷却的时间内经调制的线形投射与构建表面中的之前与未经调制的线形投射相交的区域相交，则在经调制的线形投射712内可以发生熔合。
可以理解，在粉末上不与经调制的线或点相交的未经调制的线投射还可以用于除了熔合之外的热处理目的，例如将构建表面加热到升高的温度以在该层熔合后但在施加下一层未熔合的材料之前，减轻残余应力或控制其显微结构。
图8示出了另一个实施方案，其包括构造构建表面801，包括具有不同熔化温度的至少两种材料(例如，粉末)的空间布置。然后，如此构造的具有由粉末材料P1构成的区域804、805、807和由粉末材料P2构成的区域803、806的构建表面用在构建表面上具有线形投射802的至少一个线激光源800进行扫描。在给定的功率和扫描速度下暴露于激光能量源导致粉末材料中的一种而不是两种熔合。在图8中，线沿正x方向扫描构建表面。线形投射的左侧的构建表面已暴露于激光，包括区域806和807，但是仅区域806(由粉末材料P2构成)熔合，而由粉末材料P1构成的区域807未由于暴露而熔合。构建表面的线形投射右侧的部分(包括区域803和804)尚未暴露于激光，因此在任何点上都没有熔合。一旦该区域暴露于激光，再次仅区域803(由粉末材料P2构成)将熔合，而由粉末材料P1构成的区域804将保持未熔合。
另外地，在一些实施方案中，可以使用一个或更多个传感器来监测构建表面的温度和形态，该信息可以用于实时控制光束位置、光束强度分布、粉末床温度和其他参数。感测装置可以包括光电二极管或红外相机、波传播和反射传感器(例如，超声波、RF)。可以使用来自传感器的信息结合控制算法来调制激光能量的空间和时间分布。例如，可以对能量的调制进行编程以保持期望的表面温度、将温度保持在阈值内、使材料局部熔合以消除初步熔合步骤后的空隙等。反馈控制方案可以包括在部件的每个层的加工期间，对构建表面的经历熔合的区域附近(例如，线形暴露图案下方和周围)的温度进行空间成像，以及控制激光源的位置和强度参数，以在构建表面上建立期望的瞬态温度场。可以使用进一步的反馈控制方案来监测和控制熔合层的高度，其通过在每个层的熔合期间或之后测量构建表面的高度，并确定激光源的后续扫描图案和/或在下一层中递送的材料的量。期望的瞬态温度场可以例如被编程为与待熔合的每个层的期望截面相对应，并且可以通过构建过程的计算机模拟来通知。根据上述的一个实施方案，其中使用至少一个激光源(例如线)来将构建表面加热至低于熔化温度的升高的温度，使用第二激光源(例如点)来使构建表面以期望的空间图案熔化，上述感测和控制装置可以用于调制激光源的强度和位置，使得构建表面的指定区域根据期望程序保持低于和高于熔化温度。
根据一个特定实施方案，投射到构建表面上的激光线可以最长至100微米，最长至1mm，最长至10mm，最长至100mm或最长至1m。这样的线的平均宽度可以最宽至1微米，最宽至10微米，最宽至100微米，最宽至1mm，最宽至10mm或最宽至100mm。这样的线的截面的可以单独调制的平均宽度(在本文中也被称为“像素”)可以为最多至1微米，最多至10微米，最多至100微米，最多至1mm，最多至10mm或最多至100mm，而最长至线的最大宽度。在其中不仅可以沿着线的长而且也可以跨越线的宽度调制强度的另一个实施方案中，像素的长度可以小于线的最大宽度。像素可以最长至1微米，最长至10微米，最长至100微米，最长至1mm，最长至10mm或最长至100mm。这样的线投射到构建表面上时的总功率可以最高至1W，最高至10W，最高至100W，最高至1,000W，最高至10,000W，最高至100,000W或最高至1,000,000W。这样的线相对于构建表面的扫描速度可以最高至1mm/s，最高至10mm/s，最高至100mm/s，最高至1m/s，最高至10m/s，最高至100m/s或最高至1000m/s。可以使用能够进行材料加工的所有类型的激光器来进行线投射，例如但不限于气体激光器(例如，一氧化碳和二氧化碳激光器)、化学激光器(例如，COIL和AGIL激光器)、染料激光器、固态激光器特别是体激光器和光纤激光器(例如Nd:YAG、NdCrYAG、Er:YAG)以及半导体激光器(例如，GaN)。
应理解，构建表面可以具有任何合适的形状。平均宽度可以最宽至10mm，最宽至100mm，最宽至1m或最宽至10m。平均长度可以与宽度不同，可以最宽至10mm，最宽至100mm，最宽至1m，最宽至10m或最宽至100m。
可以将多种材料施加至构建表面用于用激光加工形成3D部件，例如金属、陶瓷、聚合物、合金和复合材料。在本文中，金属可以是指但不限于不锈钢(例如，316L和17-4)、建筑用钢(例如，马氏体时效300)、轻金属和合金(钛、铝和铝-锂合金)、超级合金(例如，镍基合金，例如Inconel和Hastelloy)、硬质和难熔金属(例如，钨和钼)、贵金属(例如，金)、导热和导电金属(例如，铜和银)。在本文中，陶瓷可以是指但不限于由金属、类金属或非金属原子构成的无机非金属固体。实例为碳化物、氮化物和硼化物(例如，碳化钨和碳化钛、氮化硅和碳化硅以及氮化硼)以及氧化物(例如铝氧化物、锌氧化物和氧化锆)。在本文中，聚合物可以是指但不限于光聚合物、热塑性塑料和热固性聚合物。
在将材料作为粉末施加至构建表面的情况下，这样的粉末颗粒可以具有多种尺寸、尺寸(和平均尺寸)分布以及不同的几何形状。粉末尺寸(和平均尺寸)分布可以为1纳米至1000纳米，1微米至100微米，10微米至1mm。此外，可以将纳米结构添加至这样的粉末，即，基础材料为粉末，第二材料为至少一个尺寸为1nm在100nm的纳米结构，例如碳纳米管(CNT)或纳米颗粒。然而，这些纳米结构的材料不必与粉末基础材料不同，尽管纳米颗粒由于其尺寸可以具有抑制的熔化/烧结温度。
尽管已经结合各种实施方案和实例描述了本教导，但是不旨在本教导限于这样的实施方案或实例。相反，如本领域技术人员将理解的，本教导涵盖多种替代方案、修改方案和等同方案。因此，前述描述和附图仅仅作为示例。
Claims (56)
1.一种用于增材制造的方法，包括：
使材料层暴露于一个或更多个激光能量投射，其中所述一个或更多个激光能量投射中的至少一者为具有基本上线形形状的线投射；
通过使材料层暴露于所述一个或更多个激光能量投射来使所述材料层的至少一部分熔合；以及
使所述一个或更多个激光能量投射相对于所述材料层移动，以使所述材料层的所述部分熔合成期望形状。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述线投射的强度沿着所述线投射的长度是恒定的。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括在使所述一个或更多个激光能量投射移动的同时，改变所述线投射的长度和宽度中的至少一者。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述一个或更多个激光能量投射中的至少一者为点投射。
5.根据权利要求4所述的方法，还包括在使所述一个或更多个激光能量投射相对于所述材料层移动的同时，使所述点投射相对于所述线投射移动。
6.根据权利要求4所述的方法，其中使所述材料层暴露于所述线投射将所述材料层的至少一部分加热至低于所述材料层的熔化温度的第一温度，使所述材料层暴露于所述点投射将所述材料层的所述部分加热至高于所述材料层的所述熔化温度的第二温度。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括沿着所述线投射的长度和所述线投射的宽度中的至少一者调制所述线投射的强度。
8.根据权利要求7所述的方法，其中当使所述一个或更多个激光能量投射相对于所述材料层移动时，根据期望的图案调制所述线投射的强度。
9.根据权利要求7所述的方法，其中所述线投射的强度被调制成使得暴露于所述线投射的区域的小于约50％被加热至高于所述材料层的熔化温度的温度。
10.根据权利要求7所述的方法，其中所述线投射的强度被调制成使得暴露于所述线投射的区域的约25％至约75％被加热至高于所述材料层的熔化温度的温度。
11.根据权利要求7所述的方法，还包括使所述线投射的强度的调制与所述线投射相对于所述材料层的移动协调，以将期望的激光能量的二维图案递送至所述材料层。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述二维图案为斑马纹图案和棋盘图案中的至少一者。
13.根据权利要求7所述的方法，其中使用光栅光阀调制器和平面光阀调制器中的至少一者调制所述线投射的强度。
14.根据权利要求1所述的方法，其中使所述材料层的所述部分熔合包括使所述材料层的所述部分熔化。
15.根据权利要求1所述的方法，其中所述材料层包含粉末、材料片和织物中的至少一者。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述粉末包括金属颗粒、陶瓷颗粒和聚合物颗粒中的至少一者。
17.根据权利要求15所述的方法，其中所述材料层还包含与所述粉末混合的纳米结构。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述纳米结构为基于碳的纳米结构，所述基于碳的纳米结构包括富勒烯、碳纳米管和石墨烯片中的至少一者。
19.根据权利要求15所述的方法，其中所述粉末包含尺寸为0.01微米至100微米的颗粒。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述粉末包含尺寸为1微米至100微米的颗粒。
21.根据权利要求19所述的方法，其中所述粉末包含尺寸为10微米至1mm的颗粒。
22.根据权利要求1所述的方法，还包括在构建表面上提供所述材料层。
23.根据权利要求22所述的方法，其中提供所述材料层包括用粉末撒布系统、喷墨沉积系统、电流体动力学沉积系统和挤出喷嘴中的至少一者沉积所述材料层。
24.根据权利要求1所述的方法，还包括测量所述材料层的至少一个特性，以及基于至少一个所测量的特性，调整所述一个或更多个激光投射的强度和所述一个或更多个激光投射的移动中的至少一者。
25.根据权利要求24所述的方法，其中所述材料层的所述至少一个特性是用光学相机、光学距离传感器、红外传感器、红外相机、声发射传感器、X射线发射传感器或超声发射传感器中的至少一者测量的。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述至少一个特性为所述材料层的温度。
27.根据权利要求25所述的方法，其中所述至少一个特性为所述材料层的高度。
28.一种用于增材制造的方法，包括：
在构建表面上提供材料层，所述材料层包含具有第一熔化温度的第一材料和具有大于所述第一熔化温度的第二熔化温度的第二材料；
使所述第一材料和所述第二材料暴露于一个或更多个激光能量投射，其中所述一个或更多个激光能量投射中的至少一者为具有基本上线形形状的线投射，其中使所述第一材料和所述第二材料暴露于所述激光能量投射将所述第一材料和所述第二材料加热至大于所述第一熔化温度且小于所述第二熔化温度的温度；以及
通过使所述第一材料和所述第二材料暴露于所述一个或更多个激光能量投射来使所述第一材料的至少一部分熔合。
29.根据权利要求28所述的方法，其中所述第一材料和所述第二材料根据期望的形状和期望的组成中的至少一者设置在所述构建表面上。
30.根据权利要求28所述的方法，其中所述第一材料和所述第二材料包含金属粉末、陶瓷粉末和聚合物粉末中的至少一者。
31.根据权利要求30所述的方法，其中所述第一材料包含金属粉末，所述第二材料包含陶瓷粉末。
32.根据权利要求28所述的方法，还包括使所述一个或更多个激光能量投射相对于所述材料层移动。
33.根据权利要求28所述的方法，其中所述第一材料和所述第二材料中的至少一者包含纳米结构。
34.根据权利要求33所述的方法，其中所述纳米结构为基于碳的纳米结构，所述基于碳的纳米结构包括富勒烯、碳纳米管和石墨烯片中的至少一者。
35.根据权利要求28所述的方法，其中所述第一材料和所述第二材料中的至少一者包含尺寸为0.01微米至100微米的粉末颗粒。
36.根据权利要求35所述的方法，其中所述粉末包含尺寸为1微米至100微米的颗粒。
37.根据权利要求35所述的方法，其中所述粉末包含尺寸为10微米至1mm的颗粒。
38.根据权利要求28所述的方法，其中在所述构建表面上提供所述材料层包括用粉末撒布系统、喷墨沉积系统、电流体动力学沉积系统和挤出喷嘴中的至少一者沉积所述材料层。
39.根据权利要求38所述的方法，其中所述第一材料和所述第二材料单独地沉积在所述构建表面上。
40.根据权利要求B1所述的方法，还包括测量所述材料层的至少一个特性，以及基于至少一个所测量的特性，调整所述一个或更多个激光投射的强度中的至少一个。
41.根据权利要求40所述的方法，其中所述材料层的所述至少一个特性是用光学相机、光学距离传感器、红外传感器、红外相机、声发射传感器、X射线发射传感器或超声发射传感器中的至少一者测量的。
42.根据权利要求41所述的方法，其中所述至少一个特性为所述第一材料和所述第二材料中的至少一者的温度。
43.根据权利要求41所述的方法，其中所述至少一个特性为所述材料层的高度。
44.一种用于增材制造的设备，包括：
构建表面；
材料沉积系统，所述材料沉积系统被配置成将材料层沉积到所述构建表面上；
一个或更多个激光能量源，所述一个或更多个激光能量源被配置成使所述材料层暴露于一个或更多个激光能量投射，其中使所述材料层暴露于所述一个或更多个激光能量投射使所述材料层的至少一部分熔合，其中所述一个或更多个激光能量源中的至少一者被配置成形成具有基本上线形形状的线投射。
45.根据权利要求44所述的设备，其中所述构建表面被封闭在室内。
46.根据权利要求45所述的设备，其中所述室具有受控的气氛。
47.根据权利要求45所述的设备，其中所述材料沉积系统被封闭在所述室内。
48.根据权利要求45所述的设备，其中所述一个或更多个激光能量源设置在所述室的外部，来自一个或更多个源的激光能量穿过所述室的一个表面中的窗口。
49.根据权利要求44所述的设备，其中所述材料沉积系统包括粉末撒布系统、喷墨沉积系统、电流体动力学沉积系统和挤出喷嘴中的至少一者。
50.根据权利要求44所述的设备，其中所述材料沉积系统被配置成沉积金属材料、陶瓷材料、聚合物材料和液体材料中的至少一者。
51.根据权利要求44所述的设备，其中所述构建表面相对于所述一个或更多个激光能量源是可移动的。
52.根据权利要求44所述的设备，其中所述激光源中的至少一者被配置成形成点投射。
53.根据权利要求44所述的设备，还包括与所述一个或更多个激光能量源中的至少一者相关联的强度调制器。
54.根据权利要求53所述的设备，其中所述强度调制器包括光栅光阀调制器和平面光阀调制器中的至少一者。
55.根据权利要求44所述的设备，还包括第二构建表面，其中所述一个或更多个激光能量源被配置成使所述构建表面和第二构建表面中的每一个上的材料暴露于一个或更多个激光能量投射，其中所述第二构建表面相对于所述第一构建表面是可移动的。
56.根据权利要求44所述的设备，还包括基于镜的系统，所述基于镜的系统与所述一个或更多个激光能量源相关联并且被配置成调整所述一个或更多个激光能量投射相对于所述构建表面的位置。
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