CN108189390B - 选择性激光固化设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明描述选择性激光固化设备(2)，其包括粉末床(6；200；300)，粉末层(400；500)可以沉积在所述粉末床上；以及气流单元(30)，用于使气流沿着预定义的气流方向(G)在所述粉末床上穿过。提供激光扫描单元(20)，用于在所述粉末层(400；500)上扫描激光束(22)以选择性地固化所述粉末层(400；500)的至少部分以形成所需图案(402；502)。所述所需图案(402；502)由多个条纹或条纹区段(S1‑S12)形成，所述条纹或条纹区段通过在条纹形成方向(L)上沿着所述条纹或条纹区段(S1‑S12)推进所述激光束(22)而形成。所述条纹形成方向(L)经布置使得其始终至少部分地与所述预定义的气流方向(G)相反。本发明还描述一种相应方法。

Description

选择性激光固化设备和方法
本申请是分案申请，其原案申请是申请号为PCT/GB2014/050417、申请日为2014年2月13日的PCT申请并且于2015年10月10日进入中国国家阶段，申请号为201480020782.3，名称为“选择性激光固化设备和方法”。
技术领域
本发明涉及选择性激光固化且具体而言涉及一种改进的选择性激光熔化过程和设备，其中相对于气流方向控制跨越粉末床的激光移动的方向。
背景技术
用于生产组件的增量制造或快速原型方法包括使用激光束进行的材料(例如，金属粉末材料)的逐层固化。粉末层沉积在构建室中的粉末床上并且激光束扫描过对应于所构造组件的截面的粉末层的部分。激光束熔化或烧结粉末以形成固化层。如下文参考图2更详细地说明，通常使用系列条纹在粉末层中熔化或烧结所需图案。具体而言，已知沿着多个条纹依次来回推进所谓的影线(hatch line)以在粉末层中构造所需图案。在层的选择性固化之后，粉末床减少新固化层的厚度并且另一粉末层在表面上扩散且视需要固化。
在熔化或烧结过程期间，在构建室内产生残渣(例如，冷凝物、粉末的未固化颗粒等)。已知通过构建室引入气流以尝试从室中清除气流中的残渣。例如，由德国慕尼黑EOS股份有限公司生产的机器的M270模型将气流从构建室的顶部朝向粉末床传送且各种排气孔收集气体用于再循环。M270机器中的气流因此为紊流的且不具有轮廓分明的流向。由EOS生产的机器的较新M280模型包括位于粉末床后部的系列气体出口喷嘴，所述气体出口喷嘴将气流传送到位于粉末床前部的系列排气孔。以此方式，在粉末床的表面处形成气流的平面层。然而，本发明人已发现此平面气流布置以产生由熔化过程产生的固化金属层的高表面粗糙度和非均匀性。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供选择性激光固化设备，其包括：粉末床，粉末层可以沉积在所述粉末床上；气流单元，用于使气流沿着预定义的气流方向在粉末床上方穿过；以及激光扫描单元，用于在粉末层上扫描激光束以选择性地固化粉末层的至少部分以形成所需图案，所述所需图案由多个条纹或条纹区段形成，每一条纹或条纹区段通过在条纹形成方向上沿着所述条纹或条纹区段推进激光束形成，其特征在于，所述条纹形成方向始终至少部分地与该预定义的气流方向相反。
本发明因此涉及选择性激光固化设备，例如，选择性激光烧结(sintering)或选择性激光熔化设备，其中粉末层沉积在粉末床上。激光扫描单元将激光束引导到粉末层的表面上以固化(例如，熔化或烧结)粉末层的经选定部分以形成所需图案(例如，对应于所构造的3D对象的截面的图案)。此选择性固化通过将待由激光束扫描的区域分成多个条纹或条纹区段来执行。每一条纹或条纹区段通过在条纹形成方向上沿着条纹或条纹区段推进激光束而形成。如下文所说明，在优选实施例中，激光扫描单元跨越每一条纹或条纹区段快速移动(例如，扫描或步进)激光点以形成在条纹形成方向上沿着条纹或条纹区段推进的影线(hatch line)。在扫描条纹时气流单元在粉末床上方提供气流(例如，平面气流)。
本发明人已发现在使用可商购的选择性激光熔化机器(例如，EOS M280)时出现的多个问题。具体而言，已发现在激光固化(例如，熔化)过程期间所喷出的残渣(例如，冷凝物、粉末颗粒等)可以沉积在仍有待固化的粉末层的区域上。这已发现会产生额外的表面粗糙度以及另外形成缺陷(例如，孔、夹杂物等)的不均匀厚度的层的形成。尽管先前已提出改变气体在粉末床上流动的方式，但是本发明人已发现，相对于气流方向的条纹形成方向对所形成的层的质量具有显著效果。具体而言，本发明人已发现，如果预定义的气流方向始终至少部分地与条纹形成方向相反，那么出现改进的粉末层形成。换句话说，所述设备可以通过确保始终存在如此的描述气流方向的向量的分量而被改进，即，与定义条纹形成方向的向量相反的向量的分量。
重要的是，应注意，本领域的技术人员先前未认识到相对于气流方向控制条纹形成方向的益处。如下文所解释，现有技术通常使用其中相反的条纹形成方向用于相邻条纹的条纹图案；这是为了最小化在粉末层上扫描激光束所花费的时间。对于其中没有控制气流的机器，气流方向相对于条纹形成方向的变化是随机的并且仅仅引起整个粉末层的材料均匀性的普遍降低。对于其中沿着某一预定义方向(例如，按照在EOS M280机器中提供的平面流)提供气流的机器，条纹形成方向的交替方向导致经固化材料的相邻条纹具有不同物理特性(例如，不同的密度和表面粗糙度)。这些变化是可见的并且在由多个这样的层构造的三维对象内产生缺点。
通过确保预定义的气流方向始终至少部分地与条纹形成方向相反，本发明使得通过激光固化制造的组件的质量和均匀性得到改进。确保在存在“顺风”时不发生条纹或条纹区段形成意味着较少的经喷出残渣(冷凝物、粉末颗粒等)沉积在熔化或仍有待熔化的粉末上。残渣因此被携载离开熔体前沿(即，目前在熔化状态下的条纹的部分)并且避免否则在熔体前沿处所看到的残渣累积。防止或减少熔体前沿处的残渣累积以及在尚未固化的粉末层区域的顶部上的残渣沉积不仅改进层厚度和处理均匀性，而且还可以改进固化过程的总体效率。具体而言，防止残渣的此积聚确保在激光束到达待固化的粉末层之前不存在通过残渣的激光束的大量衰减(由此确保有效固化)并且还防止先前已沉积的残渣重新熔化并再次从表面喷出。
本发明的特征在于，条纹形成方向始终至少部分地与预定义的气流方向相反。换句话说，始终存在处于与气流方向向量相反的方向上的条纹形成方向向量的分量。条纹形成方向可以与气流方向完全相反(反平行的)或在条纹形成方向与气流方向之间可以存在(例如，小于80°，更优选地小于70°或更优选地小于60°的)倾斜角。应注意，此倾斜角的符号仍须进行选择以确保条纹形成方向始终至少部分地与预定义的气流方向相反。提供与气流方向完全相反(反平行的)的条纹形成方向可提供最佳性能，但是当由多个层构造对象时保持单个条纹形成方向可能不是一直需要的，如下文更详细地描述。便利地，条纹形成方向以至少10°的角对向气流方向的法线。更优选地，所述角为至少15°、20°、25°、30°、35°、40°或45°。在优选实施例中，条纹形成方向以超过30°的角对向气流方向的法线。这确保用于形成条纹的任何影线没有变为平行于或基本上平行于气流的方向。
除相对于预定义的气流方向控制条纹形成方向之外，已发现，形成多个条纹或条纹区段的顺序可以影响固化层的均匀性和粗糙度(例如，密度)。如果在粉末床上方的气流源自粉末床的第一侧(例如，如果气体出口设置在粉末床的第一侧处)，那么优选的是多个条纹或条纹区段按照其与粉末床的第一侧的接近度的相反顺序而形成。按此顺序形成条纹或条纹区段确保在熔体前沿处产生的残渣(例如，冷凝物或喷出颗粒)由气流携载到已固化的粉末层的区域，而不是沉积在仍有待固化的材料上。这样确保仅新鲜粉末层(即，其上沉积最少残渣的粉末层)进行后续固化。这同样有助于改进层厚度均匀性并且减少表面粗糙度，从而减少缺陷。
气流单元使气体沿着预定义的气流方向在粉末床上穿过。气流可以沿着线性气流方向或者气流可以沿着非线性(例如，弯曲的)气流方向。气流方向可以根据粉末床上的位置的函数变化。优选地，气流方向在粉末床上方是均一的(例如，可以产生平面气体层)。气流单元可以包括至少一个气体出口。至少一个气体出口可以包括具有多个间隔开的气体喷嘴的线性杆。气流单元可以包括至少一个排气口。至少一个排气口可以包括具有多个排气孔的线性杆。气流单元可以包括气泵。至少一个气体出口和至少一个排气口优选地放置在粉末床的两侧中的任一侧，使得从至少一个气体出口泵送的气体传递到至少一个排气口。优选地，沿着预定义的气体方向产生基本上平面的气流。优选地，沿着预定义的气体方向产生基本上层状的气流。可以通过将气体从至少一个气体出口传递到至少一个排气口产生此平面或层状气流。
有利地，气流单元产生在粉末床上方以至少2m/s的速度移动的气流。气体流速优选地经选择以便不扰乱任何已沉积的粉末层，而是允许已喷出的残渣被吹干净。任何气体(例如，空气)都可以在粉末床上经过。有利地，惰性气体在粉末床上经过。惰性气体可以是氮气、氩气和氦气中的至少一个。
所需图案可以由多个条纹形成。所述条纹可以是细长条纹。多个条纹可以包括任何形状的条纹。例如，可以形成多个弯曲条纹。优选地，多个条纹中的每一个都包括具有细长轴的线性条纹。条纹形成方向随后优选地平行于条纹的细长轴。尽管如上文所描述，多个条纹可以按任何顺序形成，但是条纹优选地按照其与气流源的接近度的相反顺序形成。激光束在移到下一条纹上之前可以沿着整个条纹被推进。换句话说，在开始熔化不同条纹之前可以完成一个条纹的选择性熔化。或者，仅一个条纹的一部分或部分可以在移到另一条纹的一部分或部分上之前形成。当然，仅条纹的一部分可以进行固化以便界定包含在条纹内的图案的该部分。设备可以包括控制器，用于控制界定要使用的多个条纹的激光扫描单元。每一条纹可以具有至少5mm、至少10mm、至少15mm或至少20mm的宽度。每一条纹可以具有不超过50mm、40mm、30mm或20mm的宽度。
所需图案可以可替代地由多个条纹区段形成。例如，所需图案可以由形成棋盘形图案的条纹区段的规则网格形成。棋盘形图案可以包括多个正方形或矩形条纹区段。条纹区段可以都具有相同大小或可以具有不同大小。也可以形成条纹区段的不规律图案(例如，岛状物)。例如，在US2005/0142024中描述此条纹区段或部分的形成。在层内的所有条纹区段可以通过沿着相同条纹形成方向推进激光束而形成。可选地，可使用多个不同的条纹形成方向用于粉末层的不同条纹区段。例如，不同的条纹区段可以使用不同条纹形成方向而形成。如上文所解释，本发明确保在写入每一条纹区段时条纹形成方向始终至少部分地与气流方向相反。
激光扫描单元可以包括脉冲激光器。优选地，激光扫描单元包括连续波(CW)激光器。激光扫描单元可以包含激光束调制器。调制器随后可以调制(例如，激活或去激活)撞击在粉末层上的激光束。以此方式，可以通过视需要打开和关闭激光束来控制激光固化。可选地，可以调节激光功率，例如，可以施加正弦波调制。激光扫描单元可以产生足够功率的激光束以烧结和/或熔化粉末层。激光束的功率可以由用户调整。
激光扫描单元可以产生激光束，所述激光束经适当地成形(例如，通过光束成形光学器件)以形成具有跨越条纹或条纹区段延伸的长轴的可变长度激光线。在此实例中，通过在条纹形成方向上沿着条纹或条纹区段推进激光线形成条纹内的图案。有利地，激光扫描单元产生跨越条纹移动(例如，步进或扫描)以形成所谓的影线的激光点。激光点可以具有基本上圆形的截面分布(例如，高斯光束分布)。激光扫描单元可以通过将点从条纹的一侧快速移动(例如，步进或扫描)到另一侧来形成影线。这可以使用激光扫描单元的合适光束操控(steering)光学器件来实现。优选地，使用沿着条纹形成方向推进的多个影线形成多个条纹或条纹区段中的每一个。换句话说，连续地形成跨越条纹或条纹区段的影线，其中每一影线与前述影线相比沿着条纹形成方向更远地定位。当然，应注意，不是条纹或条纹区段内的所有粉末层都需要熔化以形成所需图案。可能的是，通过激光扫描单元的合适控制沿着条纹或条纹区段的选定部分形成部分的影线，或省略影线。
设备可以通过跨越条纹或条纹区段来回栅格扫描激光束形成系列的影线。所述系列的影线还可以通过跨越条纹或条纹区段快速来回步进激光束而形成。此双向影线的形成(即，在两个相反的方向上跨越条纹的宽度通过激光运动形成的影线)是用于沿着条纹形成所需图案的常规影线形成技术。也已知，当光束操控光学器件用于将激光束从一个影线再定位到另一个影线时可以去激活激光束。
本发明的设备可以使用双向影线形成多个条纹或条纹区段。可选地，系列影线可以通过仅在相同的线方向上跨越条纹或条纹区段移动激光束而形成。换句话说，可以形成单向影线。优选地，跨越条纹或条纹区段的线方向至少部分地与气流方向相反。以此方式，在影线形成期间喷出的残渣被携载离开其中激光束跨越条纹或条纹区段所推进的方向。尽管与将条纹形成方向与气流方向对齐的益处相比，与使用单向影线相关联的改进相对较小，但是其仍提供有用的改进。然而，这以可以写入影线的速度的显著减小为代价。
在一个实施例中，形成影线的方式在使用期间可以变化。具体而言，形成影线的方式可以取决于条纹形成方向相对于气流方向的定向来选择。换句话说，可以基于条纹形成方向相对于气流方向的定向来选择线方向。如果条纹形成方向与气流方向的法线之间的角很大(例如，大于10°、20°或30°)，那么可以使用双向影线而不会导致层形成的任何大量降级。然而，对于较小角(例如，小于10°、20°或30°)，可以有利地使用单向影线。在此情况下，可以选择线方向以至少部分地与气流方向相反。
本发明的设备通常用于逐层构建三维对象。所述设备因此优选地经布置以沉积且选择性地固化多个粉末层，每一层沉积在上一层的顶部上以形成三维对象。优选地，本发明的层形成技术依次施加于所形成的对象的每一层。具体而言，每一粉末层的所需图案可以由多个条纹或条纹区段形成。对于每一层的每一条纹或条纹区段，条纹形成方向优选地始终至少部分地与预定义的气流方向相反。换句话说，优选地不形成不符合条纹形成方向始终至少部分地与预定义的气流方向相反的要求的条纹或条纹区段。这确保控制整个三维对象中的均匀性和致密层厚度。
应注意，在所需图案已使用基于条纹或条纹区段的形成技术而写入到粉末层中之前和/或之后，可以执行轮廓扫描。轮廓扫描涉及围绕部分的轮廓快速扫描激光束，以重新熔化/重新固化将形成所形成的部分的外表面的材料。此轮廓扫描涉及仅仅少量材料的固化，由此喷出最少量的残渣，并且因此可以通过常规方式(即，没有相对于气流方向而控制激光束移动方向)形成。此轮廓扫描可以在应用到多个不同粉末层的条纹形成技术之间执行。
本发明的设备优选地还包含用于将粉末层沉积到粉末床上的粉末沉积设备。粉末沉积设备优选地包括撒粉器和刮粉器。粉末床还可以包含可移动平台或工作台。底板可以附接到平台。机器内的平台高度可以调整以使粉末床在粉末层的沉积之前下降。此特征对于选择性固化机器是常规的以及为简洁起见本文将不进一步描述。
先前已在US8034279中说明，当形成三维对象时针对不同层改变条纹方向是有利的。这在使用本发明的技术时也适用。具体而言，相邻粉末层优选地使用不同的条纹形成方向(例如，相差30°)。如上文所说明，优选地，用于每一层的条纹形成方向至少部分地与气流方向相反。
本发明的设备可以用于选择性地烧结粉末。有利地，本发明的设备用于选择性地熔化粉末。例如，粉末可以包括塑料粉末、陶瓷粉末或金属粉末。优选地，设备经布置以沉积和固化金属粉末。例如，可以使用金属粉末，例如，钢(例如，钢材1.2709)、不锈钢、钛、钴铬合金等。
根据第二方面，本发明提供一种选择性地固化沉积在粉末床上的粉末层的方法，其包括以下步骤：使气流沿着预定义的气流方向在粉末床上穿过；以及在粉末层上扫描激光束以选择性地固化粉末层的至少部分以形成所需图案，所述所需图案由多个条纹或条纹区段形成，每一条纹或条纹区段通过在条纹形成方向上沿着条纹或条纹区段推进激光束而形成，其特征在于，条纹形成方向始终至少部分地与所述预定义的气流方向相反。所述方法可以包括所描述用于本发明的第一方面的对应设备的优选特征中的任一个。
根据另一方面，本发明提供选择性激光熔化设备，其包括：粉末床，粉末层可以沉积到所述粉末床上；气流装置，用于使气流沿着预定义的气流方向在所述粉末床上穿过；以及激光扫描单元，用于在沉积在所述粉末床上的粉末层上沿着扫描路径扫描激光束，当横越扫描路径时选择性地输出激光束以允许粉末层的经选定区域熔化，其中激光束移动所沿着的方向相对于气流方向定向以便基本上防止在激光熔化期间喷出的任何颗粒由气流携载到仍有待扫描的扫描路径的区域中。
在另一方面中，本发明延伸至选择性激光固化设备，其包括：粉末床，粉末层可以沉积在所述粉末床上；气流单元，用于使气流沿着预定义的气流方向在所述粉末床上穿过；以及激光扫描单元，用于在所述粉末层上扫描激光束以选择性地固化所述粉末层的至少部分以形成所需图案，所述所需图案由多个条纹或条纹区段形成，其中在所述粉末床上穿过的气流源自所述粉末床的第一侧并且所述多个条纹或条纹区段按照其与所述粉末床的所述第一侧的接近度的相反顺序形成。本发明还延伸至操作选择性激光固化设备的相应方法并且可以包括本文中所描述的任何特征。
在另一方面中，本发明延伸至选择性激光固化设备，其包括：粉末床，粉末层可以沉积在所述粉末床上；气流单元，用于使气流沿着预定义的气流方向在所述粉末床上穿过；以及激光扫描单元，用于在所述粉末层上扫描激光束以选择性地固化所述粉末层的至少部分以形成所需图案，所述所需图案由多个条纹或条纹区段形成，其中所述激光扫描单元产生跨越所述条纹或条纹区段移动的激光点以形成影线，所述多个条纹或条纹区段中的每一个使用沿着所述条纹形成方向推进的多个影线形成，其特征在于，所有影线均通过在相同的线方向上跨越所述条纹或条纹区段移动所述激光束形成，所述线方向至少部分地与所述气流方向相反。本发明还延伸至操作选择性激光固化设备的相应方法并且可以包括本文中所描述的任何特征。
在另一方面中，本发明延伸至选择性激光固化设备，其包括：粉末床，粉末层可以沉积到所述粉末床上；气流单元，用于使气流沿着气流方向在所述粉末床上穿过；以及激光扫描单元，用于在所述粉末层上移动激光束以选择性地固化所述粉末层的至少部分以形成所需图案，其中所述激光扫描单元移动所述激光束以形成沿着影线移动方向在所述粉末层上推进的系列影线，其中所述影线移动方向至少部分地与所述气流方向相反。所述影线可以用于形成条纹、区段、壳体或任何形状。所述影线移动方向对于所述粉末床上的不同区域可以是不同的。本发明还延伸至操作选择性激光固化设备的相应方法并且可以包括本文中所描述的任何特征。
附图说明
现在将仅借助于实例参考附图描述本发明，其中：
图1是选择性激光熔化机器的示意性说明，
图2示出用于使用沿着十二个条纹推进的影线固化粉末层的现有技术，图3是示出使用图2的现有技术发生的氧化的变化的显微照片，
图4说明当气流处于与条纹形成方向(“顺风”情况)相同的方向上时发生的喷出材料的沉积，
图5说明根据本发明的当气流方向与条纹形成方向相反时发生的喷出材料的沉积，
图6示出本发明的条纹扫描的第一实例，
图7示出本发明的条纹扫描的第二实例，
图8A、8B和8C示出用于通过跨越条纹的宽度快速扫描激光束来形成影线的三个选择方案，
图9说明条纹形成方向可以如何在层之间变化，以及
图10说明多个条纹区段可以如何通过棋盘形图案形成于层内。
具体实施方式
参考图1，示意性地说明已知的选择性激光熔化机器2。
激光熔化机器2包括其中提供有粉末床6的构建室或外壳4。粉末床6可以通过活塞机构8升高和降低(即，在Z方向上移动)。提供粉末分配和辊子系统10，用于将薄(例如，10μm至100μm)粉末层沉积到粉末床6的顶部上。用于形成粉末层的粉末优选地是金属粉末(例如，1.2709级钢粉末)。
还提供激光扫描单元20，其包括高功率连续波(CW)激光器和扫描光学器件以朝向粉末床6引导激光束22。扫描光学器件还使激光束22能够在粉末床6的表面上快速移动。激光扫描单元20还包括光学调制器以使撞击在粉末层上的激光束22能够视需要打开和关闭。
还提供气流单元30。气流单元30包括气体出口杆32，其具有用于喷出气体的多个喷嘴34。还提供用于收集气体的排气杆36。泵38用于从排气杆36吸入气体并且将气体泵送到气体出口杆32的喷嘴34。提供合适的气体管道40以将气体出口杆32和排气杆36连接到泵38。在使用时，气体从气体出口杆32流动到排气杆36。因此机器内存在预定义气流；即，气体沿着气流方向G在粉末床上穿过。
激光熔化机器2根据控制器50的方向如下操作。首先，衬底板被固定到活塞机构。衬底板优选地由与将要沉积在其上的粉末相同的材料制成，该衬底板形成粉末床的底座。粉末分配和辊子系统10随后用于将某一厚度(例如，80μm)的粉末层分配到衬底板上。激光扫描单元20随后将激光束22引导至粉末层上并且熔化粉末层的经选定部分；即，粉末层的经选定区域被熔化到衬底板。下文更详细地描述被扫描激光使用的粉末床上的路径。在所需图案(例如，截面)已写入到粉末层中后，活塞8降下粉末床6，另一粉末层沉积在现有(经部分固化的)层的顶部上并且激光扫描单元随后选择性地熔化新近已沉积的粉末层。随后逐层重复此过程以形成所需三维对象。在此制造过程期间，气流单元30沿着气流方向G连续供应气体在粉末床上穿过。
图1的说明和描述仅示出已知激光熔化机器的基本操作。技术人员将了解机器构造和操作的其它细节。应注意，以上示意性说明是基于由EOS股份有限公司制造的激光熔化机器的M280模型的。
接下来参考图2，将描述用于使用上文参考图1所描述的机器选择性地熔化沉积的粉末层的现有技术工艺。此过程被实施为关于上述EOS M280机器的标准。
图2说明将选择性地熔化以形成固化层图案102的粉末层100。粉末层100使用参考图1所描述的粉末分配和辊子系统10沉积在粉末床上。此外示出沿着气流方向G提供平面气流的气体出口杆32和排气杆36。
为了固化粉末层100以形成固化层图案102，界定多个条纹(在图2中标记为S1至S12)。条纹S1至S12一起界定含有将写入固化层图案102的粉末床上的区域的正方形区域。激光扫描单元20产生激光点，该激光点快速扫描跨越条纹的宽度(即，沿着垂直于条纹的细长轴或长度的方向)以形成所谓的影线。为了沿着条纹的长度选择性地熔化粉末，连续的影线在方向L上沿着条纹移动。换句话说，该条纹通过沿着条纹形成方向L移动影线而形成。应注意，通过激光形成的影线可以具有条纹的宽度或者如果在那个特定位置处不需要横越整个条纹宽度上的熔化，则影线可以短于条纹的宽度。
在图2中示出的现有技术实例中，首先寻址条纹S12。这涉及激光扫描单元形成影线，该影线沿着条纹形成方向L从左到右移动以固化与S12条纹一起下降的层图案102的部分。在已写入条纹S12之后，写入条纹S11的图案，这涉及在条纹形成方向L上沿着条纹S11移动影线。用于条纹S11的条纹形成方向L与用于条纹S12的条纹形成方向L相反。因此可以看到，在依次(即，按S12至S1的顺序)写入条纹时条纹形成方向L在条纹之间交替。在本实例中，使用从左到右移动的影线形成所有偶数编号的条纹(S2、S4、S4等)，而使用从右到左移动的影线形成所有奇数编号的条纹(S1、S3、S5等)。
本发明人已发现该现有技术具有很多缺点。如图3中示出，本发明人已发现，通过在相反的条纹形成方向上移动影线形成的条纹具有不同的表面变色和表面粗糙度。具体而言，本发明人已发现，对于已使用从左到右移动的影线(在图2中)形成的偶数编号的条纹(S2、S4、S4等)出现氧化和高表面粗糙度。这些偶数编号的条纹在图3的显微照片中通过标记140识别。
现在参考图4和5，将描述相对于条纹形成方向的气流方向对层形成的影响。
图4示出携载已熔化金属层202以及仍有待熔化的粉末层204的粉末床200。虚线206说明由激光扫描单元产生用以熔化当前形成已熔化金属层202的粉末的影线。在此实例中，气流方向G与条纹形成方向L相同。换句话说，存在与条纹形成方向L处于相同方向上的气流方向的分量；这可以被认为存在“顺风”。
本发明人已发现，当气流方向G和条纹形成方向L以图4中示出的方式对准时，来自熔化过程的残渣(例如，来自熔化过程的粉末颗粒、粉末颗粒的部分已熔化凝块以及其它残留物/冷凝物等)由气流携载朝向仍有待熔化的粉末层的部分。此残渣形成在进行熔化时沿着条纹移动的污染物的表面区域或凸出部分208。这样不仅由于不同大小的颗粒沉积在未熔化粉末的顶部上而导致形成不均匀厚度的层，而且还减小到达粉末层的激光功率从而改变底层粉末层的熔化条件。具体而言，已发现，发生已熔化粉末的次最优氧化并且该过程产生相对高等级的表面粗糙度且引入缺陷等。图4中示出的效果导致在图3的显微照片中示出的偶数编号的条纹(S2、S4、S4等)的较差质量。
图5示出携载已熔化金属层302以及仍有待熔化的粉末层304的粉末床300。虚线306说明由激光扫描单元产生用以熔化当前形成已熔化金属层302的粉末的影线。在此实例中，气流方向G与条纹形成方向L相反。换句话说，不存在与条纹形成方向L处于相同方向上的气流方向的分量；即，不存在“顺风”。
在此实例中，气流方向G上的气流用于将从熔化过程产生的残渣吹离仍有待熔化的条纹粉末层。已发现这样防止形成如图4中所示的污染物的凸出部分。应注意，尽管图5示出使用与条纹形成方向L完全相反的气流方向G，但是替代地在气流方向G与条纹形成方向L之间可以存在倾斜角。提供此倾斜角也确保残渣不会沉积在刚刚经熔化的条纹的区域上。
还应注意，图4和5示出其中条纹的整个宽度通过沿着条纹形成方向L在连续点处形成的多个全宽影线来熔化的实施例。当然，可以仅熔化每一条纹的经选定部分以便构造已熔化材料的所需截面或图案。
图6示出将要选择性地熔化以形成固化层图案402的粉末层400。使用参考图1所描述的粉末分配和辊子系统来将粉末层400沉积在粉末床上。还示出参考图1所描述的气体出口杆32和排气杆36，其提供沿着气流方向G的气流。
为了固化粉末层400以形成已固化层图案402，依次熔化多个条纹；这些条纹在图6中标记为S1至S12。与上文参考图2所描述的现有技术工艺不同，图6中所示的条纹通过在相同方向上沿着每一条纹移动影线而形成。换句话说，相同条纹形成方向L用于条纹S1至S12中的每一个。另外，条纹形成方向L被布置成与气流方向G相差角θ(在此实例中约为125°)。在图6中还示出气流方向G的法线与条纹形成方向L之间的角α。在此实例中，α具有大约35°的值。
提供在气流方向G与条纹形成方向L之间的此角意味着在熔化过程期间喷出的任何残渣都通过气流携载远离仍有待熔化的粉末层的部分并且也远离刚刚经熔化的任何材料的条纹。例如，在熔化图6中示出的点P时从表面喷出的残渣沿着向量d且远离条纹S1被携载。这有助于确保大部分残渣不会覆盖仍有待烧结的粉末并且也不会黏附于最近熔化的粉末。与如根据参考图2所描述的现有技术工艺的使用交替的条纹形成方向所产生的层相比，通过熔化工艺形成的固化层图案402因此具有更均匀的(不太粗糙、更少缺陷的)表面。
除了每一条纹通过沿着相同条纹形成方向L移动影线形成之外，条纹S1至S12优选地按特定顺序形成。具体而言，条纹S1至S12优选地按照其与气体出口杆32的接近度的相反顺序形成。换句话说，首先形成最接近排气杆36的条纹S1，随后形成条纹S2，然后形成条纹S3等。按此顺序形成条纹具有以下优点：在写入一个条纹时所喷出的任何残渣不会扰乱用于仍有待写入的条纹的粉末层。具体而言，可以看出，在熔化条纹S1内的粉末层的经选定部分时所喷出的任何残渣不会被携载于条纹S2至S12上方的气流中。这意味着当写入每一条纹时提供更均匀、基本上无残渣的粉末层。
参考图7，示出将要选择性地熔化以形成已固化层图案502的粉末层500。粉末层500使用参考图1所描述的粉末分配和辊子系统沉积在粉末床上。还示出参考图1所描述的气体出口杆32和排气杆36，其提供沿着气流方向G的气流。
在此实例中，条纹S1至S12再次优选地按照其与气体出口杆32的接近度的相反顺序形成。每一条纹通过在相同方向上沿着每一条纹移动影线形成。换句话说，相同条纹形成方向L用于条纹S1至S12中的每一个。还可以看出，图7的条纹形成方向L是图6中示出的条纹形成方向L关于气流方向的的映射。换句话说，在图7中，条纹形成方向L被布置成与气流方向G相差角-θ。图7的布置因此与图6的布置具有类似益处。
除优化条纹形成方向L之外，应记住，优选地使用系列影线形成每一条纹。这些影线通过跨越条纹扫描激光点形成；即，影线通过沿着垂直于条纹形成方向L的线移动激光点形成。已进一步发现，可以通过改变影线形成过程来获得对条纹形成的均匀性的进一步改进。现将参考图8A、8B和8C说明这点。
参考图8A，示出用于跨越条纹S的宽度来回扫描激光点以沿着条纹形成方向L形成系列的影线600的现有技术方法。虚线602说明其中激光束被去激活时在每一影线600的末端处的所穿过的理论上的路径，以便适当地定位准备用于形成下一影线的激光束。为方便起见，图8A的影线系列可以称为双向影线。
图8A中示出的影线形成技术具有以下优点：可以高速形成连续的影线，因为激光扫描单元的光束控制光学器件仅需要在一个影线的终点与下一影线的起点之间提供少量(抽象的)激光束移动。然而，已发现，相对于气流方向的影线形成方向还可以影响从熔化条纹内的粉末层所产生的层的质量和均匀性。此外已发现，当气流方向G的法线与条纹形成方向L之间的角α的量值(上文参考图6和7所描述)减小时，由此影响造成的非均匀性增加。
通过始终在相同方向上跨越条纹扫描激光束来形成影线因此可以改进所熔化层的均匀性。图8B示出如何可以通过始终从条纹S的顶部到底部扫描激光点形成影线610。图8C示出如何可以通过始终从条纹S的底部到顶部扫描激光点形成影线620。为方便起见，图8B和8C的影线系列可以称为单向影线。尽管单向影线的形成可以改进条纹质量，但是此改进伴随着其用以形成系列影线所花费的时间增加。具体而言，存在与跨越条纹向后移动的激光扫描单元的扫描光学器件以允许形成下一影线相关联的额外时延。因此，当单向影线提供足够明显的改进时优选地仅使用单向影线；例如，当在气流方向G的法线与条纹形成方向L之间的角α的量值充分减小，使得形成单向影线具有益处时。
还应注意，相对于条纹形成方向L的单向影线形成的方向将取决于相对于气流方向G形成的条纹的定向。例如，图6中所形成的条纹将有益地由图8B的单向影线所形成，同时图7中所形成的条纹将有益地由图8C的单向影线所形成。在两种情况下，在影线形成期间的光束移动方向被布置为至少部分地与气流方向G相反。这意味着与粉末熔化相关联的大部分残渣被从仍有待熔化的影线内的粉末中吹干净。双向或单向影线的形成因此可以针对相对于气流方向的不同条纹定向视需要而变化。
参考图9，说明由多个经熔化层(700a至700f)构造三维对象710的过程。每一层700a至700f可以通过涉及使用多个条纹选择性地熔化每一层的工艺形成，其中一层中的每一条纹沿着共同条纹形成方向L形成。条纹形成方向L可以在层之间变化，但是优选地气流方向始终至少部分地与用于每一层的条纹形成方向相反。以此方式，对于三维对象中的每一层都获得本发明的益处。对于每一层使用不同条纹形成方向L还意味着某些层可以使用双向影线形成，而其它层使用单向影线形成。此外，先前在US8034279(EOS)中描述了改变层之间的条纹形成方向的益处。在此实例中，采用相邻层之间的条纹形成方向上至少30°的差，但可以实施其它不同角度。例如，相邻层之间的旋转角度可以超过40°或可以为67°。相邻层之间的旋转角度优选地小于80°。此外，应注意，优选地每一层(或至少大多数的层)符合气流方向始终至少部分地与条纹形成方向相反的要求。
还应注意，尽管可以通过沿着条纹推进影线发生熔化工艺过程，但是可以存在其它处理步骤，该处理步骤不要求对相对于气流方向这样紧密地控制条纹形成方向。例如，激光扫描单元可以在已通过沿着条纹推进影线来熔化层之前和/或之后执行轮廓扫描。轮廓扫描可以仅围绕对象的轮廓来扫描激光束以重新熔化并固化该金属以改进表面质量。在这样的轮廓扫描中，激光束点的路径可以相对于气流方向呈现任何定向。未发现这具有不利的影响，因为由此轮廓扫描产生的残渣的量极小的。
参考图10，其还说明本发明如何可以适用于使用条纹区段来形成层。具体而言，图10说明将要熔化以形成所需图案(未示出)的粉末层800。粉末层800可以使用参考图1所描述的粉末分配和辊子系统沉积。如先前所描述，沿着方向G在粉末层上提供平面气流。
通过将层分成多个条纹区段802来将所需图案写入到粉末层800。单独地形成每一条纹区段802。可以按任何顺序写入该条纹区段。如图10中也示出的，针对不同条纹区段的条纹形成方向L可以是不同的(尽管其可以是相同的)。然而，气流方向G始终至少部分地与每一条纹区段的条纹形成方向L相反。
图10中示出的条纹区段是相等大小的并且规则地布置为栅格或棋盘类型图案。然而，条纹区段或部分可以具有不同形状和/或大小。条纹区段还可以不规则地间隔开。例如，条纹区段可以提供为形成于衬底上的局部区域中的壳体或岛状物。条纹区段或部分还可以包括先前在US2005/0142024中描述的布置中的任一个(但是其中根据本发明气流方向相对于条纹形成方向受到控制)。
技术人员还将认识到，对本发明的技术的其它变化和添加也是可能的。

Claims (32)

1.一种选择性激光固化设备(2)，其包括:
粉末床(6；200；300)，粉末层(400；500)可以沉积在所述粉末床上，
气流单元(30)，用于使气流沿着预定义的气流方向(G)在所述粉末床上穿过，以及
激光扫描单元(20)，用于在沉积在所述粉末床(6；200；300)上的粉末层(400；500)上沿着扫描路径扫描激光束(22)，当横越扫描路径时选择性地输出激光束以允许粉末层(400；500)的经选定区域熔化，
其特征在于，其中激光束移动所沿着的方向相对于所述气流方向(G)定向以便基本上防止在激光熔化期间喷出的任何颗粒由气流携载到仍有待扫描的扫描路径的区域中。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述激光扫描单元(20)移动所述激光束(22)以形成沿着影线移动方向在所述粉末层(400；500)上推进的影线(600；610)的系列。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述影线移动方向反平行于所述气流方向(G)，或在所述影线移动方向与所述气流方向(G)之间存在倾斜角从而使得所述影线移动方向至少部分地与所述气流方向(G)相反。
4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述影线(600；610)被用于形成条纹或条纹区段(S1-S12)。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，在所述粉末床(6；200；300)上的所述气流源自所述粉末床的第一侧，并且所述多个条纹或条纹区段(S1-S12)按照其与所述粉末床的所述第一侧的接近度的相反顺序形成。
6.根据权利要求2所述的设备，其中，所述影线移动方向对于所述粉末床(6；200；300)上的不同区域是不同的。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述气流方向(G)根据所述粉末床(6；200；300)上的位置的函数变化。
8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述气流方向(G)在所述粉末床(6；200；300)上是基本上均一的。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，沿着所述气流方向(G)产生基本上平面的气流。
10.根据权利要求1所述的设备，其中，所述气流单元(30)产生以不扰乱已沉积的粉末层的速率移动的气流。
11.根据权利要求1所述的设备，其中，所述气流单元(30)产生以至少2m/s的速度移动的气流。
12.根据权利要求1所述的设备，其中，所述气流单元使惰性气体在所述粉末床(6；200；300)上通过。
13.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备被布置以沉积和固化金属粉末。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的设备，其中，所述设备被布置以沉积和选择性地固化多个粉末层以形成三维对象。
15.根据权利要求14所述的设备，其中，使用不同的影线移动方向用于相邻粉末层。
16.一种选择性激光固化设备，其包括:
粉末床(6；200；300)，粉末层(400；500)可以沉积在所述粉末床上，
气流单元(30)，用于使气流沿着预定义的气流方向(G)在所述粉末床上穿过，以及
激光扫描单元(20)，用于在所述粉末层上扫描激光束(22)以选择性地固化所述粉末层的至少部分以形成所需图案，所述所需图案由多个条纹或条纹区段(S1-S12)形成，每一条纹或条纹区段通过在条纹形成方向上沿着所述条纹或条纹区段推进所述激光束而形成，
其特征在于，所述条纹形成方向(L)始终至少部分地与所述预定义的气流方向(G)相反。
17.根据权利要求16所述的设备，其中，所述条纹形成方向(L)以超过30°的角(α)对向所述气流方向(G)的法线。
18.根据权利要求16所述的设备，其中，在所述粉末床上的所述气流源自所述粉末床的第一侧，并且所述多个条纹按照其与所述粉末床的所述第一侧的接近度的相反顺序形成。
19.根据权利要求16所述的设备，其中，所述气流单元(30)包括至少一个气体出口(32)和至少一个排气口(36)，所述至少一个气体出口和所述至少一个排气口放置在所述粉末床的两侧中的任一侧，使得从所述至少一个气体出口泵送到所述至少一个排气口的气体沿着预定义的气体方向提供基本上平面的气流。
20.根据权利要求16所述的设备，其中所述所需图案由多个细长条纹形成。
21.根据权利要求20所述的设备，其中所述多个细长条纹中的每一个都包括具有细长轴的线性条纹并且所述条纹形成方向(L)平行于所述细长轴。
22.根据权利要求16所述的设备，其中所述激光扫描单元(20)产生跨越所述条纹或条纹区段移动以形成影线的激光点，所述多个条纹或条纹区段中的每一个都使用沿着所述条纹形成方向(L)推进的多个影线来形成。
23.根据权利要求22所述的设备，其中所述激光扫描单元(20)通过跨越所述条纹或条纹区段来回移动所述激光束形成影线的系列。
24.根据权利要求23所述的设备，其中所有影线都通过跨越所述条纹在相同的线方向上移动所述激光束而形成，所述线方向至少部分地与所述气流方向相反。
25.根据权利要求24所述的设备，其中基于所述条纹形成方向相对于所述气流方向的定向选择所述线方向。
26.根据权利要求16至25中任一项所述的设备，其中所述设备沉积并且选择性地固化多个粉末层以形成三维对象，每一粉末层的所述所需图案由多个条纹或条纹区段形成，其中对于每一层的每一条纹或条纹区段，所述条纹形成方向始终至少部分地与所述预定义的气流方向相反。
27.根据权利要求26所述的设备，其中使用不同的条纹形成方向(L)用于相邻粉末层。
28.根据权利要求16所述的设备，其中所述激光扫描单元(20)经布置以选择性地熔化所述粉末层。
29.一种选择性地固化沉积在粉末床(6；200；300)上的粉末层(400；500)的方法，所述方法包括以下步骤:
使气流沿着预定义的气流方向(G)在所述粉末床上穿过，以及
在所述粉末层上扫描激光束(22)以选择性地固化所述粉末层的至少部分以形成所需图案，所述所需图案由多个条纹或条纹区段(S1-S12)形成，每一条纹或条纹区段都通过在条纹形成方向(L)上沿着所述条纹或条纹区段推进所述激光束而形成，
其特征在于，所述条纹形成方向(L)始终至少部分地与所述预定义的气流方向(G)相反。
30.一种选择性激光固化设备，其包括:
粉末床(6；200；300)，粉末层(400；500)可以沉积在所述粉末床上，
气流单元(30)，用于使气流沿着预定义的气流方向(G)在所述粉末床上穿过，以及
激光扫描单元(20)，用于在所述粉末层上扫描激光束(22)以选择性地固化所述粉末层的至少部分以形成所需图案，所述所需图案由多个条纹或条纹区段(S1-S12)形成，
其特征在于，在所述粉末床上的所述气流源自所述粉末床的第一侧并且所述多个条纹或条纹区段按照其与所述粉末床的所述第一侧的接近度的相反顺序形成。
31.一种选择性激光固化设备，其包括:
粉末床(6；200；300)，粉末层(400；500)可以沉积在所述粉末床上，
气流单元(30)，用于使气流沿着气流方向(G)在所述粉末床上穿过，以及
激光扫描单元(20)，用于在所述粉末层上移动激光束(22)以选择性地固化所述粉末层的至少部分以形成所需图案，
其特征在于，所述激光扫描单元(20)移动所述激光束以形成沿着影线移动方向在所述粉末层上推进的影线的系列，其中所述影线移动方向至少部分地与所述气流方向(G)相反。
32.一种选择性激光固化设备，其包括:
粉末床(6；200；300)，粉末层(400；500)可以沉积在所述粉末床上，
气流单元(30)，用于使气流沿着预定义的气流方向(G)在所述粉末床上穿过，以及
激光扫描单元(20)，用于在所述粉末层上扫描激光束(22)以选择性地固化所述粉末层的至少部分以形成所需图案，所述所需图案由多个条纹或条纹区段(S1-S12)形成，
其中所述激光扫描单元(20)产生跨越所述条纹或条纹区段移动以形成影线的激光点，所述多个条纹或条纹区段中的每一个都使用沿着所述条纹形成方向(L)推进的多个影线来形成，
其特征在于，所有影线都通过跨越所述条纹或条纹区段在相同的线方向上移动所述激光束而形成，所述线方向至少部分地与所述气流方向(G)相反。
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