CN108367493B - 增材制造设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在增材制造过程中构建工件的方法，其中，工件是通过对材料的逐层固化来构建的。该方法包括：针对其中待固化的区域桥接紧邻先前层(301b)中的固化成隔开的岛部(300c，300d)的材料的桥接层(301c)，首先固化区域的经隔开部分(303a，303b)，每个经隔开部分(303a，303b)与先前层的不同岛部(300c，300d)中的不同岛部相连；并且随后固化经隔开部分(303a，303b)之间的材料(304)以使经隔开部分(303a，303b)联结到一起。

Description

增材制造设备和方法

技术领域

本发明涉及增材制造设备和方法，其中，材料层被以逐层的方式固化以形成物体。本发明尤其但不排他地应用于粉末床熔融，诸如选择性激光熔化(SLM)和选择性激光烧结(SLS)的设备。

背景技术

粉末床熔融设备通过使用高能射束(诸如，电子射束或激光射束)对材料(诸如，金属粉末材料)的逐层固化来产生物体。粉末层是通过邻近粉末床沉积堆积粉末、并且使用刮扫器跨过粉末床(从粉末床的一侧到另一侧)摊铺堆积粉末以形成层来在构建室中跨过粉末床形成的。然后，高能射束扫过粉末层的与正在被构造的物体的横截面相对应的区域。高能射束将粉末熔化或烧结以形成固化的层。在对层进行选择性固化之后，将粉末床减低新固化的层的厚度，并且根据需要将另外的粉末层摊铺在表面上并固化。US 6042774中公开这样的装置的示例。

典型地，高能射束沿扫描路径扫过粉末。该扫描路径的安排将由扫描策略限定。US5155324描述了一种扫描策略，该扫描策略包括扫描零件截面的轮廓(边界)，随后扫描该零件截面的内部(内核)。

已知的是使用连续模式的激光操作，其中激光被维持开启同时反射镜移动以沿着扫描路径引导激光光斑；或者使用脉冲模式的激光操作，其中激光在反射镜沿着扫描路径将激光光斑引导至不同位置时脉冲通断以形成连续的固化材料线。

用于扫描零件的策略可以影响在构建期间产生的热负载以及所产生的构建物的准确度。零件随着其冷却而收缩是粉末床熔融中畸变的主要原因。当在构建中稍后通过固化跨接岛部的区域(在下文中被称为“桥接区域”)将先前层的分开的岛部联结到一起时，畸变是尤其普遍的。桥接区域的收缩可以使得岛部的位置畸变和/或导致跨过桥接区域可见的证示线。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种在增材制造过程中构建工件的方法，其中，该工件是通过对材料的逐层固化来构建的，该方法包括：针对其中有待固化的区域桥接紧邻先前层中的固化成隔开的岛部的材料的桥接层，首先，固化该区域的经隔开部分，每个经隔开部分与该先前层的该岛部中的不同岛部相连；并且随后固化该经隔开部分之间的材料以使该经隔开部分联结到一起。

以这种方式，允许该经隔开部分在该经隔开区被联结到一起之前独立地收缩(诸如，在冷却期间)。以这种方式，避免了岛部和/或该经隔开部分(联结区)之间的经固化材料、以及最终证示线的畸变。

该经隔开部分之间的、被固化来使该经隔开部分联结到一起的该材料可以位于该紧邻的先前层的未固化材料的上方。为避免该经隔开部分在收缩期间的畸变，该经隔开部分的边缘必须是自由移动的。为实现这种情况，该联结区应该位于该紧邻的先前层的未固化材料的上方。

该方法可以包括延迟该经隔开部分的联结，以留出时间让经固化且经隔开部分收缩。该延迟可以是延迟预先确定的时间。该预先确定的时间可以是基于该待固化区域的几何形状来确定的。该预先确定的时间可以是基于待联结的该经隔开部分中的一个或每一个的横截面积来确定的。根据该横截面积来计算该预先确定的时间允许人在联结该经隔开部分之前基于该经隔开部分的预期收缩来确定延迟时间(因为收缩与横截面积成比例)。该预先确定的时间可以是基于具有最大横截面积的该经隔开部分的横截面积的。

此外，该预先确定的时间可以是基于正在被固化的材料的类型的。该方法可以包括：关于正在被固化的材料的类型来确定每单位面积时间；并且根据所识别的每单位面积时间以及(多个)相关的经隔开部分的横截面来确定该预先确定的时间。

通过固化该经隔开部分之间的材料而形成的联结区可以具有中线，该中线与该紧邻先前层的该岛部等距。在该中线任一侧上的联结区的宽度可以是恒定的(在该经隔开部分收缩之前)。每个经隔开部分之间的联结区的宽度具有的量级可以是几个或几十个能量射束光斑宽度(1/e²)。优选地，该联结区的宽度小于10个光斑宽度。

该经隔开部分在横截面积上可以是基本大于联结区的，例如，至少大于该联结区10倍或100倍。该经隔开部分可以仅在桥接层的岛部的基本完成之后才被联结，该岛部包括该经隔开部分。

该待固化区域可以包括三个或更多个相邻的经隔开部分，该方法包括：在联结具有较大横截面积的(多个)经隔开部分之前先联结具有最小横截面的该相邻的经隔开部分。

用于固化该经隔开部分之间的材料的扫描策略可以与用于固化该经隔开部分的扫描策略相同或不同。例如，如果曲折扫描策略被用于固化该经隔开部分，则对应的曲折扫描策略可以被用于固化该联结区。如果棋盘或条纹扫描策略被用于固化该经隔开部分，则不同的扫描策略(诸如，曲折扫描策略)可以被用于固化该联结区。由能量射束扫描以固化该联结区的材料的位置可以与由该能量射束扫描以固化待联结的该经隔开部分的位置相重叠，以便确保完成对该经隔开部分之间的材料的熔化。具体地，在该经隔开部分收缩之后，联结区的宽度可能改变，从而要求重新扫描先前扫描过的位置，以确保该经隔开部分被联结。

该方法还可以包括：通过固化如下区域而对紧邻在所述桥接层之后的一个或多个相继层进行固化，该区域桥接在紧邻该桥接层之前的层中被固化成隔开的岛部的材料，其中，首先固化该区域的经隔开部分，每个经隔开部分形成在该先前层的岛部中的不同岛部上方；并且随后固化该经隔开部分之间的材料以使该经隔开部分联结到一起。在选择性(激光或电子)射束熔化过程中生成的熔池通常具有大于单个层的深度。可以有利的是将这种扫描序列延伸至紧邻桥接层之后的一个或多个相继层，从而考虑桥接岛部的固化材料将在形成这些层期间被重新熔化的实际情况。

该增材制造过程可以包括在构建平台上形成可流动材料的相继层，并且将能量射束扫过每层的选定区域以固化该选定区域中的材料。该增材制造过程可以包括粉末床熔融。

根据本发明的第二方面，提供一种用于通过逐层固化材料来构建工件的增材制造设备，该设备包括：辐射源，用于生成用于固化材料层的选定区域的能量射束；以及控制器，用于控制该辐射源从而使得对于桥接层(在该桥接层中，待固化区域与在紧邻的先前层中被固化成隔开的岛部的材料桥接)，该辐射源首先固化该区域的经隔开部分，每个经隔开部分与该先前层的岛部中的不同岛部相连，并且随后固化该经隔开部分之间的材料以使该经隔开部分联结到一起。

根据本发明的第三方面，提供一种生成用于增材制造过程的指令的方法，其中，工件是通过对材料的逐层固化来构建的，该方法包括：标识桥接层，在该桥接层中，待固化区域桥接先前层中被固化成隔开的岛部的材料；并且当固化该桥接层的该区域时生成用于能量射束遵循的扫描序列，以使得：首先固化该区域的经隔开部分，每个经隔开部分与该先前层的岛部中的不同岛部相连；并且随后固化该经隔开部分之间的材料以使该经隔开部分联结到一起。

根据本发明的第四方面，提供一种包括处理器的设备，该处理器被安排成用于执行本发明的第三方面的方法。

根据本发明的第五方面，提供一种其上存储有指令的数据载体，其中，当由处理器执行该指令时，使得该处理器执行本发明的第三方面的方法。

本发明的上述方面的数据载体可以是用于向机器提供指令的适合的介质，例如非瞬态数据载体，例如软盘、CD ROM、DVD ROM/RAM(包括-R/-RW和+R/+RW)、HD DVD、Blu Ray(TM)盘、存储器(例如记忆棒(TM)、SD卡、小型闪存卡等)、磁盘驱动器(例如，硬盘驱动器)、磁带、任何磁/光存储器、或者瞬态数据载体(例如，有线或光纤上的信号或无线信号)、例如通过有线或无线网络发送的信号(例如，互联网下载、FTP传输等)。

附图说明

图1是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是形成对紧邻先前层中的固化材料岛部进行桥接的区域的现有技术方法的示意图；

图3a是根据本发明的实施例的形成对紧邻先前层中的固化材料岛部进行桥接的区域的第一步骤的示意图；

图3b是根据本发明的实施例的形成对紧邻先前层中的固化材料岛部进行桥接的区域的第二步骤的示意图；

图4示出根据本发明的一个实施例的方法，该方法用于使用参考图3a和图3b所描述的方法来识别待固化区域；并且

图5展示用于在选择性激光固化过程中限定激光射束的扫描的多种不同扫描参数。

具体实施方式

参考图1，根据本发明的实施例的粉末床熔融设备包括主室101，该主室中具有隔板115、116，这些隔板界定构建室117。构建平台102被提供用于支撑由选择性激光熔化粉末104构建的物体103。平台102可以随着形成物体103的相继层而在构建室117内被降低。可用的构建容积由构建平台102可以被降低到构建室117中的程度来限定。

通过分配设备和细长刮扫器(未示出)而随着物体103的构建来形成粉末104的层。例如，分配设备可以是如在WO 2010/007396中描述的设备。

激光模块105生成用于熔化粉末104的激光，在计算机130的控制下并按照要求由光学扫描器106来引导激光。激光经由窗口107进入室101。

光学扫描器106包括方向操控光学器件(在这个实施例中，是用于将激光射束引导至粉末床104上所希望位置的两个可移动反射镜106a)、以及聚焦光学器件(在这个实施例中，是用于调整激光射束的焦距的一对可移动透镜106c和106d)。马达(未示出)驱动反射镜106a和透镜106c、106d的移动，该马达由计算机130控制。

计算机130包括处理器单元131、存储器132、至激光熔化单元模块(诸如，光学模块106和激光模块105)的数据连接134以及外部数据连接135。存储在存储器132上的是计算机程序，该计算机程序根据同样存储在存储器132中的扫描指令指示处理单元来构建零件。扫描指令可以由计算机130确定或者在单独的计算机上确定、并且经由外部连接135接收。扫描指令描述激光射束在固化每个粉末层中的粉末区域时采取的扫描路径。为构建零件，计算机130根据扫描指令中所界定的扫描路径来控制扫描器106以引导激光射束。

参考图2，示出用于在构建中固化三个相继层201a至201c的区域200a至200e的扫描路径202。层201a和201b对应地包括待固化的材料的隔开岛部200a、200b和200c、200d；而层201c(所谓的“桥接层”)包括待固化区域200e，该待固化区域桥接紧邻先前层201b中被固化成隔开的岛部200c、200d的材料。

在示出的现有技术的实施例中，激光射束在固化区域200a至200e时所遵循的扫描路径202是曲折扫描策略(光栅扫描)。然而，将可以理解到的是，可以使用其他扫描策略，诸如，条纹或棋盘扫描策略。扫描是从区域200a至200e的一侧到另一侧进行的。

已经发现，桥接紧邻先前层201b中的岛部200c、200d的区域200e的形成导致下层区域200a至3300d的畸变以及区域200e中证示线的形成。

现在将参考图3a和图3b来描述形成区域300e的方法，该区域桥接紧邻先前层301b中形成为隔开的岛部300c、300d的材料。使用相同但成系列300的附图标记来指代该实施例的与参考图2所描述的特征相同或相似的特征。在本发明的这个实施例中，区域300e被划分成经隔开部分303a、303b，每个存在于紧邻先前层301b中的岛部303c、303d一个部分。这些经隔开部分303a、303b由位于先前层301b的粉末上方的联结区304分开。

如图3a中所示，在第一步骤中，这些经隔开部分303a、303b是使用曲折扫描策略而形成的。然而，将可以理解到的是，可以使用其他扫描策略，诸如，条纹和棋盘扫描策略。经隔开部分303a、303b由具有粉末的间隙306隔开，该间隙稍后形成为联结区304。间隙306中的粉末保持未固化，同时允许这些经隔开部分303a、303b随着它们冷却而收缩。间隙306的宽度典型地是1至10个激光光斑的直径。

在预先确定的时长之后，间隙306中的粉末被固化以形成将经隔开部分303a、303b联结到一起的联结区304。用于形成联结区304的扫描路径305可以与用于固化经隔开部分303a、303b的扫描路径302重叠，以考虑经隔开部分303a、303b的收缩和/或以将邻接的表面303a、303b、304足够紧密地结合到一起。根据最大的经隔开部分303a、303b的横截面积以及正在被固化材料的每横截面积的延迟时间值来计算预先确定的时长(延迟时间)。延迟时间可以被包括在扫描指令中或者可以由计算机130根据存储在存储器132中的不同材料的每横截面积的延迟时间值来确定。

用于固化联结区304的扫描路径可以简单地是被用于固化经隔开部分303a、303b的扫描图案的延伸，或者可以是不同的扫描图案(如图3b所示)。

在这个实施例中，如其在现有技术中应被扫描的那样来扫描将在桥接层303e之后的相继层(其本身不是桥接层)中被固化的区域。然而，在另一实施例中，还修改桥接层303e上方设定数目的相继层的扫描图案，以考虑如下实际情况：桥接层303e的跨越区段(诸如，联结区304)在这些相继层中的区域进行固化期间被重新熔化。所设定的层数可以基于由激光射束产生的熔池的预期深度。

可以相信的是，在将经隔开部分303a、303b联结到一起以完成对区域300e的固化之前，允许经隔开部分303a、303b收缩避免了现有技术方法中所发生的区域300e中的畸变。

用于实施这种方法的扫描路径典型地但不一定是例如由增材构建软件提前确定的。增材构建软件接收界定(例如，以STL文件的形式)工件的表面几何形状的几何形状数据。根据几何形状数据，增材构建软件作为增材制造过程中的层来确定有待构建的工件的切片。然后为每个切片确定扫描路径。

根据本发明，构建软件识别包括对紧邻先前层的岛部进行桥接的至少一个区域的桥接层。构建软件将桥接层303e的区域划分成经隔开部分303a、303b以及一个或多个联结区304。联结区304的位置(并且因此，经隔开部分303a、303b的形状)被确定为确保联结区部304的中线305与先前层301b的岛部303c、303d等距，联结部分304具有预先设定的宽度(诸如几个激光光斑直径的宽度)。

参考图4，有待使用上述方法来形成的桥接区域是通过以下方式来识别的，即，确定桥接区域400d的中轴线407a至407h，并且识别沿着中轴线长度的至少一部分未被先前层的岛部400a、400b、400c所支撑的中轴线的每个分支(边)407c、407d、407f以及407h。首先，不再考虑分支407d，该分支以未被先前层的岛部400a、400b、400c支撑的开放节点(单边顶点)408d而结束。关于每个剩余的分支407c、407f、407h，分支407c、407f、407h的节点间的距离是确定的。如果距离d低于预先确定的距离(诸如针对分支407f和407h而言)，则不再进一步考虑分支407f、407h。

如果距离超过预先确定的距离(诸如针对分支407c的)，则在沿着该分支位于上一层的未固化粉末上方的位置处识别出联结区404。联结区404的中线与支撑分支407c的节点的岛部400a、400b等距。在替代性实施例中，当确定联结区404的位置时，考虑经隔开部分403a、403b的横截面积。例如，联结区404可以被移动为更靠近这些岛部中的一者，以便使得这两个经隔开部分403a、403b的横截面积更接近地匹配，以使得固化联结区404的延迟最小化。在经隔开区域303a、303b内的中轴线的长度可以作为经隔开部分303a、303b的横截面积的替代物来使用，从而使得联结区404的位置是基于每个经隔开部分中的中轴线部分的总长度的。可以考虑的其他因素是岛部400a和400b的材料的体积和/或材料的热导率。

然后，关于每个经隔开部分303a、303b、403a、403b以及联结区304、404来生成扫描路径。生成联结区304、404的扫描路径以便部分地与经隔开部分303a、303b、403a、403b的扫描路径相重叠，从而考虑到在固化经隔开部分303a、303b、403a、403b与联结区304、404之间发生的经隔开部分303a、303b、403a、403b的收缩。

在替代性实施例中，扫描路径是在桥接层的区域300e、400d之前生成的，并且扫描路径是基于这些确定出的经隔开区域303a、303b、403a、403b以及联结区304、404来划分的。

在又另一个实施例中，联结区304、404的形状是基于关于区域和/或经隔开部分303a、303b、403a、403b所确定的扫描路径图案来确定的。例如，可以将联结区304、404确定成使得经隔开部分303a、303b、403a、403b与联结部分304、404邻接的边缘与用于形成经隔开部分303a、303b、403a、403b的扫描图案的填充线相符合。例如，可以将联结区304、404的形状确定成使得可以在经隔开部分303a、303b、403a、403b和联结区304、404的边界处以所需要的角度形成棋盘扫描图案的完整正方形或条纹扫描图案的条纹的完整填充线(即，联结区部04、404不将正方形或条纹图案的填充线一分为二)。

用于扫描联结区304、404的扫描参数可以不同于用于扫描这些经隔开部分303a、303b、403a、403b的参数(或者至少不同于用于扫描位于先前层的未固化粉末上方的这些经隔开部分的部段的扫描参数)。参考图5，扫描参数可以包括选自以下各项的一个或多个参数：激光功率、光斑大小、扫描速度、点距23(填充线24的每个点之间的距离)以及暴露时间(每个点暴露于激光射束的时间)(离散点扫描法所需要的，例如，如雷尼绍的AM250(Renishaw's Am250)中使用的)、填充距离25、设置在填充线24的末端与边界22之间的间距26、以及边界扫描21、22之间的间距27。具体地，相比于在经隔开区域303a、303b、403a、403b的形成期间邻接固化材料已经被冷却的量而言，联结区304、404任一侧的固化材料会已经相对显著地冷却，因此用于固化联结区的扫描参数所提供的能量密度可以比用于固化经隔开区的类似区域的更高。

边界扫描可以在已经联结经隔开部分303a、303b、403a、403b之后完成。

当构建工件时，由构建软件确定的扫描指令被发送至计算机130和/或由计算机用于控制粉末床熔融设备。

应该可以理解到的是，可以对上述实施例进行改变和修改而不背离如权利要求所限定的本发明的范围。例如，本发明可以用于其他增材制造设备，诸如光固化立体造型设备。

Claims (24)

1.一种在增材制造过程中构建工件的方法，其中，所述工件是通过逐层固化材料而构建的，所述方法包括：对于如下桥接层：在所述桥接层中，待固化区域与在紧邻的先前层中被固化成隔开的岛部的材料桥接，

首先固化所述区域的经隔开部分，每个经隔开部分与所述先前层的所述岛部中的不同岛部相连；并且

随后固化所述经隔开部分之间的材料以将所述经隔开部分联结到一起。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述经隔开部分之间的且被固化以使所述经隔开部分联结到一起的所述材料，位于所述紧邻的先前层的未固化材料的上方。

3.根据权利要求1所述的方法，包括延迟所述经隔开部分的联结，以留出时间让经固化且经隔开部分收缩。

4.根据权利要求2所述的方法，包括延迟所述经隔开部分的联结，以留出时间让经固化且经隔开部分收缩。

5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述延迟为延迟预先确定的时间。

6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述延迟为延迟预先确定的时间。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其中，所述预先确定的时间是基于所述待固化区域的几何形状来确定的。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述预先确定的时间是基于待联结的所述经隔开部分中的一个或每一个的横截面积来确定的。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述预先确定的时间是基于具有最大横截面积的所述经隔开部分的横截面积的。

10.根据权利要求5至6中任一权利要求所述的方法，其中，所述预先确定的时间是基于正在被固化的材料的类型的。

11.根据权利要求5至6中任一权利要求所述的方法，包括：关于正在被固化的材料的类型来确定每单位面积时间；并且根据所识别的每单位面积时间以及相关的所述经隔开部分或者多个所述经隔开部分的横截面来确定所述预先确定的时间。

12.根据权利要求1所述的方法，其中，联结区具有中线，所述联结区通过固化所述经隔开部分之间的材料而形成以联结所述经隔开部分，所述中线与所述紧邻的先前层的所述岛部等距。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述联结区在所述中线任一侧上的宽度是恒定的。

14.根据权利要求1所述的方法，其中，联结区的宽度是几个或几十个能量射束光斑宽度(1/e²)，所述联结区通过固化所述经隔开部分之间的材料而形成以联结所述经隔开部分。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述联结区的宽度小于10个光斑宽度。

16.根据权利要求1所述的方法，其中，所述经隔开部分的横截面积基本上大于联结区，所述联结区通过固化所述经隔开部分之间的材料而形成以联结所述经隔开部分。

17.根据权利要求1所述的方法，其中，所述经隔开部分仅在所述桥接层的岛部基本完成之后才被联结，所述岛部包括所述经隔开部分。

18.根据权利要求1所述的方法，其中，所述待固化区域包括三个或更多个相邻的经隔开部分，所述方法包括：在联结具有较大横截面积的所述经隔开部分或多个所述经隔开部分之前，先联结具有最小横截面的所述相邻的经隔开部分。

19.根据前述权利要求1至6及12至18中任一权利要求所述的方法，其中，用于固化在所述经隔开部分之间的材料的扫描策略与用于固化所述经隔开部分的扫描策略相同。

20.根据权利要求1至6及12至18中任一权利要求所述的方法，其中，用于固化在所述经隔开部分之间的材料的扫描策略与用于固化所述经隔开部分的扫描策略不相同。

21.根据前述权利要求1至6及12至18中任一权利要求所述的方法，其中，如下位置相重叠：由能量射束扫描以固化所述联结区的材料的位置，以及由所述能量射束扫描以固化待联结的所述经隔开部分的位置。

22.根据前述权利要求1至6及12至18中任一权利要求所述的方法，包括：通过固化如下区域而对紧邻所述桥接层之后的一个或多个相继层进行固化，该区域桥接在紧邻所述桥接层的先前层中被固化成隔开的岛部的材料，

其中，首先固化所述区域的经隔开部分，每个经隔开部分形成于所述先前层的所述岛部中的不同岛部的上方；以及随后固化所述经隔开部分之间的材料，以使所述经隔开部分联结到一起。

23.一种生成用于增材制造过程的指令的方法，其中，工件是通过逐层固化材料来构建的，所述方法包括：识别桥接层，在所述桥接层中，待固化区域桥接先前层中的被固化成隔开的岛部的材料；并且生成当固化所述桥接层的所述区域时用于能量射束遵循的扫描序列，以使得首先固化所述区域的经隔开部分，每个经隔开部分与所述先前层的所述岛部中的不同岛部相连；并且随后固化所述经隔开部分之间的材料，以使所述经隔开部分联结到一起。

24.一种其上存储有指令的机器可读介质，其中，当由处理器执行所述指令时，使得所述处理器执行如权利要求23所述的方法。

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