CN109304869A - 用于先进增材制造的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于包括固结装置的增材制造系统中的控制器，所述固结装置被构造成固结材料。所述控制器被配置成接收用于部件的包括多个构建层的构建文件，其中每个构建层包括部件外部周界、至少一个构建层生成函数、至少一个生成函数变量和至少一个生成函数常数。所述控制器被配置成对于所述多个构建层的每个构建层，生成至少一个控制信号以控制横跨材料在所述固结装置的至少一个扫描路径的功率输出，对于每个构建层，至少部分地基于所述部件外部周界、所述至少一个生成函数、所述至少一个生成函数变量和所述至少一个生成函数常数生成所述至少一个扫描路径。本发明还提供一种增材制造系统和使用包括固结装置和材料的增材制造系统制造部件的方法。

Description

用于先进增材制造的系统和方法
技术领域
本申请的领域大体上涉及增材制造系统，并且更具体地涉及用于使用生成函数制造和渲染三维部件的系统和方法。
背景技术
使用增材制造系统和工艺来制造三维部件。例如，在一些增材制造方法中，逐层地固化材料的连续层以制造部件。至少一些已知增材制造系统，例如直接金属激光熔融(DMLM)、选择性激光烧结(SLS)、直接金属激光烧结(DMLS)和激光切工系统使用聚焦能量源(例如激光装置或电子束发生器)、构建平台和颗粒(例如但不限于粉末状金属)来制造部件。(LaserCusing是Concept Laser GmbH of Lichtenfels(位于德国利希腾费尔斯市的概念激光公司的注册商标。)聚焦能量源装置使构建平台上的聚焦能量源入射到颗粒材料的区域中和周围的颗粒材料熔融，从而在称作“扫描”的过程中产生至少一个熔体池。每个熔体池在构建过程中冷却和固结以形成下一层的至少一部分。
一些已知的增材制造系统包括控制器，其接收电子文件并使用电子文件引导激光。在一些已知的增材制造系统中，电子文件包括描述一系列线性区段的坐标数据，例如矢量，以近似三维部件的各部分。然而，复杂的三维(3D)部件需要多个线性区段来近似部件的各部分。当文件大小增大以适应多个线性区段时，控制器接收并处理电子文件所需的时间也增大。另外，渲染(即创建部件的3D图像)可以占用大量内存，并且可以大大地减慢控制器的处理。结果，生产三维部件的成本增大。此外，电子文件限制了增材制造系统能够产生三维部件的精度。
发明内容
在一方面，提供了一种用于包括固结装置的增材制造系统中的控制器，该固结装置被构造成固结材料。所述控制器包括处理装置和耦连到处理装置的存储装置。所述控制器被配置成接收用于部件的包括多个构建层的构建文件，其中，所述多个构建层的每个构建层包括部件外部周界、至少一个构建层生成函数、至少一个生成函数变量和至少一个生成函数常数。所述控制器还被配置成对于所述多个构建层的每个构建层，生成至少一个控制信号以控制横跨材料遍及所述固结装置的至少一个扫描路径的功率输出，对于每个构建层，至少部分地基于所述部件外部周界、所述至少一个生成函数、所述至少一个生成函数变量和所述至少一个生成函数常数生成所述至少一个扫描路径。
在另一方面，提供了一种增材制造系统。所述增材制造系统包括被构造成固结材料的至少一个固结装置；致动器系统，所述致动器系统被配置成横跨材料移动所述至少一个固结装置；以及控制器。所述控制器被配置成接收用于部件的包括多个构建层的构建文件，其中，所述多个构建层的每个构建层包括部件外部周界、至少一个构建层生成函数、至少一个生成函数变量和至少一个生成函数常数。所述控制器还被配置成对于所述多个构建层的每个构建层，生成至少一个控制信号以控制横跨材料遍及所述固结装置的至少一个扫描路径的功率输出，对于每个构建层，至少部分地基于所述部件外部周界、所述至少一个生成函数、所述至少一个生成函数变量和所述至少一个生成函数常数生成所述至少一个扫描路径。所述控制器还被配置成将所述控制信号传输到所述固结装置，以遍及所述至少一个扫描路径固结材料。
在又一方面，提供了一种使用包括固结装置和材料的增材制造系统制造部件的方法。所述方法包括接收包括多个构建层的构建文件，所述多个构建层的每个构建层包括部件外部周界、至少一个构建层生成函数、至少一个生成函数变量和至少一个生成函数常数。所述方法还包括对于所述多个构建层的每个构建层，生成至少一个控制信号以控制横跨材料遍及所述固结装置的至少一个扫描路径的功率输出，对于每个构建层，至少部分地基于所述部件外部周界、所述至少一个生成函数、所述至少一个生成函数变量和所述至少一个生成函数常数生成所述至少一个扫描路径。所述方法还包括将所述至少一个控制信号传输到所述固结装置；以及基于所述至少一个控制信号沿所述至少一个扫描路径横跨材料移动固结装置，以固结材料。
技术方案1.一种在增材制造系统中使用的控制器，所述增材制造系统包括固结装置，所述固结装置被构造成固结材料，所述控制器包括处理装置和耦连到所述处理装置的存储装置，所述控制器被配置成：接收用于部件的包括多个构建层的构建文件，其中，所述多个构建层的每个构建层包括部件外部周界、至少一个构建层生成函数、至少一个生成函数变量和至少一个生成函数常数；对于所述多个构建层的每个构建层，生成至少一个控制信号以控制横跨材料遍及所述固结装置的至少一个扫描路径上的功率输出，对于每个构建层，至少部分地基于所述部件外部周界、所述至少一个生成函数、所述至少一个生成函数变量和所述至少一个生成函数常数生成所述至少一个扫描路径；以及将所述控制信号传输到所述固结装置，以遍及所述至少一个扫描路径上固结材料。
技术方案2.根据技术方案1所述的控制器，其中，所述控制器还被配置成：生成所述部件的三维(3D)几何形状的表示，其中，对于每个构建层，基于所述部件外部周界、所述至少一个生成函数、所述至少一个生成函数变量和所述至少一个生成函数常数生成所述部件的3D几何形状的表示；以及在控制器呈现接口上显示所述3D几何形状的生成的表示。
技术方案3.根据技术方案1所述的控制器，其中，所述控制器还被配置成：生成所述部件的第一部分的3D几何形状的表示，其中，对于每个构建层，基于所述部件外部周界、所述至少一个生成函数、所述至少一个生成函数变量和所述至少一个生成函数常数生成所述部件的第一部分的3D几何形状的表示；以及在控制器呈现接口上显示所述部件的第一部分的3D几何形状的生成的表示，其中，所述部件的第一部分的3D几何形状的生成的表示的二维(2D)尺寸与所述控制器呈现接口的2D尺寸基本上相似。
技术方案4.根据技术方案1所述的控制器，其中，所述至少一个生成函数限定B样条曲线、希尔伯特曲线、晶格和单位单元中的至少一个。
技术方案5.根据技术方案4所述的控制器，其中，所述至少一个生成函数包括与部件的第一部分有关的第一生成函数和与部件的第二部分有关的第二生成函数。
技术方案6.根据技术方案1所述的控制器，还包括用户输入接口，其中，所述至少一个生成函数能够执行以基于使用所述用户输入接口接收的至少一个用户输入至少部分地限定所述至少一个扫描路径。
技术方案7.根据技术方案1所述的控制器，其中，所述控制器还被配置成对于所述固结装置的至少一个扫描路径生成非均匀的能量强度分布，其中，所述非均匀能量强度分布促进固结材料。
技术方案8.一种增材制造系统，包括：至少一个固结装置，所述固结装置被构造成固结材料；致动器系统，所述致动器系统被配置成横跨材料移动所述至少一个固结装置；以及控制器，所述控制器被配置成：接收用于部件的包括多个构建层的构建文件，其中，所述多个构建层的每个构建层包括部件外部周界、至少一个构建层生成函数、至少一个生成函数变量和至少一个生成函数常数；对于所述多个构建层的每个构建层，生成至少一个控制信号以控制横跨材料遍及所述固结装置的至少一个扫描路径上的功率输出，对于每个构建层，至少部分地基于所述部件外部周界、所述至少一个生成函数、所述至少一个生成函数变量和所述至少一个生成函数常数生成所述至少一个扫描路径；以及将所述控制信号传输到所述固结装置，以遍及所述至少一个扫描路径上固结材料。
技术方案9.根据技术方案8所述的增材制造系统，其中，所述控制器还被配置成：生成所述部件的三维(3D)几何形状的表示，其中，对于每个构建层，基于所述部件外部周界、所述至少一个生成函数、所述至少一个生成函数变量和所述至少一个生成函数常数生成所述部件的3D几何形状的表示；以及在控制器呈现接口上显示所述3D几何形状的生成的表示。
技术方案10.根据技术方案8所述的增材制造系统，其中，所述控制器还被配置成：生成所述部件的第一部分的3D几何形状的表示，其中，对于每个构建层，基于所述部件外部周界、所述至少一个生成函数、所述至少一个生成函数变量和所述至少一个生成函数常数生成所述部件的第一部分的3D几何形状的表示；以及在控制器呈现接口上显示所述部件的第一部分的3D几何形状的生成的表示，其中，所述部件的第一部分的3D几何形状的生成的表示的2D尺寸与所述控制器呈现接口的2D尺寸基本上相似。
技术方案11.根据技术方案8所述的增材制造系统，其中，所述至少一个生成函数包括B样条曲线、希尔伯特曲线、晶格和单位单元中的至少一个。
技术方案12.根据技术方案11所述的增材制造系统，其中，所述至少一个生成函数包括与部件的第一部分有关的第一生成函数和与部件的第二部分有关的第二生成函数。
技术方案13.根据技术方案8所述的增材制造系统，其中，所述控制器还包括用户输入接口，其中，所述至少一个生成函数能够执行以基于使用所述用户输入接口接收的至少一个用户输入限定所述至少一个扫描路径。
技术方案14.根据技术方案8所述的增材制造系统，其中，所述控制器还被配置成对于所述固结装置的至少一个扫描路径生成非均匀的能量强度分布，其中，所述非均匀能量强度分布促进固结材料。
技术方案15.一种使用包括固结装置和材料的增材制造系统制造部件的方法，所述方法包括：接收包括多个构建层的构建文件，其中，所述多个构建层的每个构建层包括部件外部周界、至少一个构建层生成函数、至少一个生成函数变量和至少一个生成函数常数；对于所述多个构建层的每个构建层，生成至少一个控制信号以控制横跨所述材料遍及所述固结装置的至少一个扫描路径上的功率输出，对于每个构建层，至少部分地基于所述部件外部周界、所述至少一个生成函数、所述至少一个生成函数变量和所述至少一个生成函数常数生成所述至少一个扫描路径；将所述至少一个控制信号传输到所述固结装置；以及基于所述至少一个控制信号沿所述至少一个扫描路径横跨所述材料移动固结装置，以固结所述材料。
技术方案16.根据技术方案15所述的方法，其中接收所述构建文件还包括：生成所述部件的3D几何形状的表示，其中，对于每个构建层，基于所述部件外部周界、所述至少一个生成函数、所述至少一个生成函数变量和所述至少一个生成函数常数生成所述部件的3D几何形状的表示；以及在控制器呈现接口上显示所述3D几何形状的生成的表示。
技术方案17.根据技术方案15所述的方法，其中接收所述构建文件还包括：生成所述部件的第一部分的3D几何形状的表示，其中，对于每个构建层，基于所述部件外部周界、所述至少一个生成函数、所述至少一个生成函数变量和所述至少一个生成函数常数生成所述部件的第一部分的3D几何形状的表示；以及在控制器呈现接口上显示所述部件的第一部分的3D几何形状的生成的表示，其中，所述部件的第一部分的3D几何形状的生成的表示的2D尺寸与所述控制器呈现接口的2D尺寸基本上相似。
技术方案18.根据技术方案15所述的方法，其中，生成所述至少一个控制信号还包括至少部分地基于限定B样条曲线、希尔伯特曲线、晶格和单位单元中的至少一个的至少一个生成函数，生成所述至少一个扫描路径。
技术方案19.根据技术方案18所述的方法，其中，生成所述至少一个控制信号还包括至少部分地基于与部件的第一部分有关的第一生成函数和与部件的第二部分有关的第二生成函数生成所述至少一个扫描路径。
技术方案20.根据技术方案15所述的方法，还包括通过对于所述固结装置的至少一个扫描路径生成非均匀能量强度分布，控制所述固结装置的功率输出，其中，所述非均匀能量强度分布促进固结所述材料。
附图说明
当参考附图阅读以下详细描述时，本申请的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，在所有附图中相同的标号表示相同的零件，在附图中：
图1是增材制造系统的示意图；
图2是具有示例性单位单元结构的部件的透视图；
图3示出示例性构建层的关于图2的剖面线4-4截取的部件的剖视图；
图4是用于操作图1中所示出的增材制造系统的控制器的框图；
图5是由图4中所示的控制器生成的部件的第一部分的3D几何形状的示例性表示的透视图；以及
图6示出用增材制造系统制造部件的方法的流程图。
除非另外指明，否则本说明书中所提供的附图用来说明本申请的实施例的特征。这些特征被认为适用于包括本申请的一个或多个实施例的广泛多种系统。由此，附图并非意在包括所属领域的技术人员已知的实践本说明书中所公开的实施例所需的所有常规特征。
具体实施方式
在以下说明书和权利要求书中，将引用若干术语，所述术语应定义为具有以下含义。
除非上下文另外明确规定，否则单数形式“一”以及“所述”包括复数参考物。
“任选”或“视需要”意味着随后描述的事件或情形可能发生或可能不发生，且所述描述包括事件发生的情况和事件不发生的情况。
如本说明书中在整个说明书以及权利要求书中所使用的近似语言可以应用于修饰可以许可的方式变化而不会导致其相关的基本功能改变的任何定量表示。因此，由例如“约”、“大约”和“大体上”等词语修饰的值并不限于所指定的确切值。如在说明书和权利要求书中使用的由术语“基本上相似”修饰的值可适用于修饰在被引用的定量表示的百分之五范围内并且更具体地在被引用的定量表示的百分之一的范围内的任何定量表示。在至少一些情况下，近似语言可对应于用于测量所述值的仪器的精度。此处以及在整个说明书以及权利要求书中，范围限制可以组合和/或互换；除非内容或语言另外指示，否则此类范围得以识别且包括其中所包括的所有子范围。
如本说明书中所使用，术语“处理器”和“计算机”及相关术语(例如，“处理装置”、“计算装置”和“控制器”)不仅限于在本领域中被称为计算机的那些集成电路，而是广义地指代微控制器、微计算机、可编程逻辑控制器(PLC)和专用集成电路以及其它可编程电路，且这些术语在本说明书中可互换使用。在本说明书中所描述的实施例中，存储器可包括但不限于例如随机存取存储器(RAM)等计算机可读媒体和例如闪存等计算机可读非易失性媒体。或者，也可使用软盘、光盘只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)和/或数字多功能光盘(DVD)。而且，在本说明书中所描述的实施例中，额外输入通道可以是但不限于与例如鼠标和键盘等操作者接口相关联的计算机外围设备。或者，也可使用其它计算机外围设备，其可包括例如但不限于扫描仪。此外，在示例性实施例中，额外输出通道可包括但不限于操作者接口监视器。
此外，如本说明书中所使用，术语“软件”和“固件”是可互换的，且包括存储在存储器中用于由个人计算机、工作站、客户端和服务器执行的任何计算机程序。
如本说明书中所使用，术语“非暂时性计算机可读媒体”旨在代表在任何技术方法中实现的任何有形的基于计算机的装置，以用于诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块和子模块、或在任何装置中的其它数据的信息的短期和长期存储。因此，本说明书中所描述的方法可被编码为嵌入包括但不限于存储装置和/或存储装置的有形的非暂时性计算机可读媒体内的可执行指令。此类指令在由处理器执行时致使处理器执行本说明书中所描述的方法的至少一部分。此外，如本说明书中所使用，术语“非暂时性计算机可读媒体”包括所有有形的计算机可读媒体，包括但不限于非暂时性计算机存储装置，包括但不限于易失性和非易失性媒体以及可移动和不可移动的媒体，例如固件、物理和虚拟存储、CD-ROM、DVD、和例如网络或因特网的任何其它数字源，以及尚待开发的数字化手段，唯一的例外是暂时性传播的信号。
此外，如本说明书中所使用，术语“实时”指代相关联的事件的发生时间、预定数据的测量和收集时间、处理数据的时间、以及对事件和环境的系统响应的时间中的至少一个。在本说明书中所描述的实施例中，这些活动和事件基本上瞬时地发生。
如本说明书中使用的术语“函数”指包括一个或多个变量的表达式或等式。
此外，如本说明书中使用的术语“构建文件”指在制造部件中使用的部件的电子表示。
本说明书中描述的实施例促进使用增材制造过程制造部件。使用包括部件外部周界、生成函数、生成函数变量和生成函数常数的构建文件制造部件。不是接收包含用于固结装置的多个扫描路径的部件的3D模型，而是使用与每个构建层关联的部件外部周界、生成函数、生成函数变量和生成函数常数生成用于固结材料以形成部件的扫描路径。固结装置可包括例如用于结合、集成、熔融、粘合和/或统一材料的电磁辐射源。因此，与至少一些已知的系统相比，构建文件降低了存储和处理数据所需的存储器和处理能力。构建文件还允许增材制造系统用提高的精度和较小的误差制造部件，原因是控制器沿使用部件外部周界、生成函数、生成函数变量和生成函数常数生成的扫描路径引导固结装置。另外，与至少一些已知的系统相比，在只渲染查看窗口内部件的部分的同时，使用部件外部周界、生成函数、生成函数变量和生成函数常数渲染复杂结构，例如由单位单元构建的结构降低了渲染图像所需的存储器和处理能力。
增材制造方法和系统包括例如但不限于光聚合固化(vatphotopolymerization)、粉末床融合、粘结剂喷射、材料喷射、片材层合、材料挤出、定向能量沉积和混合系统。这些方法和系统包括例如但不限于SLA-立体光刻设备；DLP-数字光处理；3SP-扫描、自旋和选择性光固化，CLIP-连续液体界面生成；SLS-选择性激光烧结；DMLS-直接金属激光烧结；SLM-选择性激光熔融；EBM-电子束熔融；SHS-选择性热烧结；MJF-多喷嘴融合；3D打印；体元喷射；聚合物喷射；SCP-平滑曲率打印；MJM-多喷嘴建模项目；LOM-分层物体制造；SDL-选择性沉积层压；UAM-超声增材制造；FFF-粘结丝制造；FDM-融合沉积建模；LMD-激光金属沉积；LENS-激光近形制造；DMD-直接金属沉积；混合系统；以及这些方法和系统的组合。这些方法和系统可使用例如但不限于所有形式的电磁辐射、加热、烧结、熔化、固化、结合、固结、压制、嵌入和其组合。
增材制造方法和系统使用的材料包括，例如但不限于聚合物、塑料、金属、陶瓷、沙子、玻璃、蜡、纤维、生物质、复合物和这些材料的混合。这些材料可以适合给定材料和方法或系统的各种形式用在这些方法和系统中，包括例如但不限于液体、固体、粉末、板、箔、带、丝、球团、液体、浆、线、雾化、糊剂和这些形式的组合。
图1为示例性增材制造系统100的示意图。坐标系102包括X-轴，Y-轴和Z-轴。在示例性实施例中，增材制造系统100包括控制器106、安装系统108、粉末床110、致动器系统112、支撑结构114和固结装置138，所有这些将在下面更详细地描述。在替代性实施例中，增材制造系统100可包括使得增材制造系统100能够如本说明书中所描述而起作用的任何其它部件。
在示例性实施例中，固结装置138包括用于使用逐层制造过程制造部件104的激光装置130、扫描电机140、扫描镜142和扫描透镜160。激光装置130提供高强度热源，其被配置成使用能量束132在粉末状材料109中生成熔体池134(未按比例示出)。激光装置130包含于外壳136内，外壳136连接到安装系统108。增材制造系统100还包括计算机控制系统或控制器106。安装系统108由致动器或致动器系统112移动，致动器或致动器系统112被配置成在XY平面中移动安装系统108以与扫描镜142合作促进在增材制造系统100内制造部件104的层。例如但不加限制，安装系统108关于中心点枢转，在线性路径、曲线路径移动和/或旋转以覆盖粉末床110上的粉末状材料109的一部分，从而促进沿部件104的表面引导能量束132。可选择地，外壳136和能量束132在使得增材制造系统100能够如本说明书中所描述而起作用的任何定向和方式移动。
扫描电机140由控制器106控制，并被配置成移动扫描镜142，使得能量束132被反射以沿着粉末床110沿预定路径入射，例如但不限于线性和/或旋转扫描路径152。在示例性实施例中，扫描电机140和扫描镜142的结合形成二维扫描检流计。可选择地，扫描电机140和扫描镜142可包括三维(3D)扫描检流计，动态聚焦检流计和/或可用来偏转激光装置130的能量束132的任何其它扫描方法。
在示例性实施例中，将粉末床110安装到支撑结构114，支撑结构114通过致动器系统112而移动。如上文关于安装系统108所描述，致动器系统112还被配置成在Z方向上(即，垂直于粉末床110的顶部表面)移动支撑结构114。在一些实施例中，致动器系统112还被配置成在XY平面中移动支撑结构114。举例来说且不受限制，在外壳136是静止的替代实施例中，致动器系统112在XY平面中移动支撑结构114以与扫描电机140和扫描镜142合作，围绕粉末床110沿着扫描路径152引导激光装置130的能量束132。在示例性实施例中，致动器系统112包括例如但不限于线性电动机、液压和/或气动活塞、螺钉传动机构和/或传送机系统。
在示例性实施例中，操作增材制造系统100以根据部件104的3D几何形状的计算机模型表示而制造部件104。所述计算机模型表示可产生于计算机辅助设计(CAD)或类似文件中。将部件104的CAD文件转换成包括针对部件104的每一层，例如部件104的构建层116的多个构建参数的逐层格式。在示例性实施例中，相对于增材制造系统100中所使用的坐标系的原点在期望取向上对部件104建模。将部件104的几何形状切分成所要厚度的层的堆叠，使得每一层的几何形状为在所述特定层位置处部件104的二维(2D)几何形状的轮廓。沿着扫描路径152施加构建参数以由用于构造部件104的材料制造部件104的层。针对部件104的每一相应层的几何形状重复所述步骤。一旦完成所述工艺，产生包括所有层的一个或多个电子计算机构建文件。将所述构建文件载入到增材制造系统100的控制器106中以在每一层的制造期间控制所述系统。
在将构建文件载入到控制器106中之后，操作增材制造系统100以通过实施逐层制造工艺，例如直接金属激光熔融方法产生部件104。示例性逐层增材制造工艺并不使用预先存在制品作为最终部件的前体，相反地，所述工艺由呈例如粉末的可配置形式的原料产生部件104。举例来说且不受限制，钢部件可使用钢粉末增材制造。增材制造系统100实现了使用例如但不限于金属、陶瓷、玻璃和聚合物的广泛范围的材料制造例如部件104的部件。
图2为具有示例性单位单元结构206的部件200的透视图。图3为图示示例性构建层116的关于图2的剖面线4-4截取的部件200的剖视图。在示例性实施例中，部件200的单位单元结构206包括重复的晶格结构。对应于剖面4-4的构建层116包括多个部件内部几何形状204，其限定在构建层116内的部件200的内部2D横截面；以及部件外部周界202，其限定部件200的外部周界边界。多个扫描路径152覆盖部件内部几何形状204。
图4为用于操作增材制造系统100(图1中示出)的控制器106的框图。在示例性实施例中，控制器106为通常由增材制造系统100的制造商提供的用以控制增材制造系统100的操作的任何类型的控制器。控制器106执行操作以至少部分地基于来自操作人员的指令而控制增材制造系统100的操作。控制器106包括例如多个2D构建参数，其代表待通过增材制造系统100制造的部件104的3D模型。由控制器106执行的操作包括控制激光装置130(图1中示出)的功率输出，并通过致动器系统112调节安装系统108和/或支撑结构114(全部在图1中示出)，从而控制能量束132的扫描速度。控制器106还被配置成控制扫描电机140以引导扫描镜142进一步控制在增材制造系统100内能量束132的扫描速度。
在示例性实施例中，控制器106包括存储装置118和耦连到存储装置118的处理器120。处理器120可包括一个或多个处理单元，例如但不限于多核配置。处理器120是准许控制器106如本说明书中所描述而操作的任何类型的处理器。在一些实施例中，可执行指令存储于存储装置118中。控制器106被配置成通过编程处理器120来执行本说明书中所描述的一个或多个操作。举例来说，可通过将操作编码为一个或多个可执行指令且提供存储装置118中的可执行指令来编程处理器120。在示例性实施例中，存储装置118是实现例如可执行指令或其它数据等信息的存储和检索的一个或多个装置。存储装置118可包括一个或多个计算机可读媒体，例如但不限于随机存取存储器(RAM)、动态RAM、静态RAM、固态磁盘、硬盘、只读存储器(ROM)、可擦除可编程ROM、电可擦除可编程ROM或非易失性RAM存储器。关于可用于计算机程序的存储的存储器类型，以上存储器类型仅为示例性的，且因此并不是限制性的。
存储装置118可被配置成存储包括但不限于与部件104相关联的构建参数的任何类型的数据。在一些实施例中，处理器120基于数据的年限而去除或“清除”来自存储装置118的数据。举例来说，处理器120可覆盖与后续时间或事件相关联的先前记录和存储的数据。另外，或另一选择为，处理器120可去除超过预定时间间隔的数据。另外，存储装置118包括但不限于足够数据、算法和命令以促进监视通过增材制造系统100制造的部件104的构建参数和几何条件。
在一些实施例中，控制器106包括耦连到处理器120的呈现接口122。呈现接口122将例如增材制造系统100的操作条件等信息呈现给用户124。在一个实施例中，呈现接口122包括耦连到例如阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)、有机LED(OLED)显示器或“电子墨水”显示器等的具有2D尺寸的显示装置(未示出)的显示适配器(未示出)。在一些实施例中，呈现接口122包括一个或多个显示装置。另外，或另一选择为，呈现接口122包括音频输出装置(未示出)，例如但不限于音频适配器或扬声器(未示出)。
在一些实施例中，控制器106包括用户输入接口126。在示例性实施例中，用户输入接口126耦连到处理器120且接收来自用户124的输入。用户输入接口126可包括例如但不限于键盘；指示装置；鼠标；手写笔；触敏面板，例如但不限于触摸垫或触摸屏；和/或音频输入接口，例如但不限于麦克风。例如触摸屏等单个部件可充当呈现接口122和用户输入接口126两者的显示装置。
在示例性实施例中，通信接口128耦连到处理器120且被配置成与例如激光装置130的一个或多个其它装置通信耦连，且在作为输入通道执行的同时执行关于此类装置的输入和输出操作。举例来说，通信接口128可包括但不限于有线网络适配器、无线网络适配器、移动电信适配器、串行通信适配器或并行通信适配器。通信接口128可从一个或多个远程装置接收数据信号或将数据信号发射到一个或多个远程装置。举例来说，在一些实施例中，控制器106的通信接口128可将数据信号发射到致动器系统112/从致动器系统112接收数据信号。
呈现接口122和通信接口128都能够提供适合于供本说明书中所描述的方法使用的信息，例如将信息提供到用户124或处理器120。因此，呈现接口122和通信接口128可被称为输出装置。类似地，用户输入接口126和通信接口128能够接收适合于供本说明书中所描述的方法使用的信息，且可被称为输入装置。
在示例性实施例中，参照图1-4，存储装置118被配置成接收用于部件104的包括多个构建层116的构建文件。多个构建层116的每一个包括部件外部周界202、至少一个构建层生成函数、至少一个生成函数变量和至少一个生成函数常数。部件外部周界202对每个构建层116限定部件104的外部周界，并包括近似部件104的外部周界的坐标点和/或矢量的列表。生成函数至少部分地限定对于每个构建层116部件104的内部周界。在一些实施例中，部件外部周界可覆盖由生成函数限定的部件104的内部周界的至少一部分。
在示例性实施例中，生成函数例如但不限于限定B样条曲线、希尔伯特曲线、晶格结构和单位单元中的至少一个。在可选择实施例中，至少一个生成函数包括与部件104的第一部分有关的第一生成函数和与部件104的第二部分有关的第二生成函数。在另一替代性实施例中，至少一个生成函数由用户124通过用户输入接口126输入到存储装置118中以由处理器120使用，其中，至少一个生成函数可执行以基于来自用户124的输入在构建层116内限定内部几何形状204和部件104的扫描路径152的至少一个。
如本说明书中使用的术语“生成函数常数”指对于生成函数的常数的输入值。在一些实施例中，至少一个生成函数常数连同至少一个生成函数一起提供至控制器106。在一些实施例中，用户124通过用户输入接口126将至少一个生成函数常数提供至控制器106。在另外的实施例中，生成函数常数的集合存储在控制器106上，并为一个或多个曲线选择生成函数常数的至少一个集合。因此，生成函数常数允许至少一个生成函数代表多个不同曲线，降低生成必须存储在存储装置118中的曲线所需的数据。
如本说明书中使用的术语“生成函数变量”指生成函数的输入变量。在示例性实施例中，除了至少一个生成函数和至少一个生成函数常数之外，生成函数变量的集合被提供至控制器106。在一些实施例中，用户124通过用户输入接口126将至少一个生成函数变量提供至控制器106。基于部件104的内部几何形状204的特定曲线确定生成函数变量。因为构建文件包括至少一个生成函数和至少一个生成函数常数，所以与在至少一些已知的系统中使用的坐标点或矢量的列表来近似曲线相比，生成内部几何形状204所需的生成函数变量的数量减小。在替代实施例中，构建文件包括使得增材制造系统100能够如本说明书中所描述而操作的任何值。
在示例性实施例中，一旦部件104的构建层116已经生成并提供至控制器106，控制器106被操作以对于多个构建层116的每个构建层116生成至少一个控制信号，从而控制横跨粉末床110遍及固结装置138的至少一个扫描路径152的功率输出。在一些实施例中，控制器106对至少一个扫描路径152生成非均匀能量强度分布，其中所述非均匀能量强度分布促进固结具有至少一个预定特性的材料109。对于每个构建层116，至少部分地基于部件外部周界202、至少一个生成函数、至少一个生成函数变量和至少一个生成函数常数生成至少一个扫描路径152。更具体讲，对于每个构建层116，控制器106使用部件外部周界202、至少一个生成函数、至少一个生成函数变量和至少一个生成函数常数确定每个构建层116内的部件104的内部几何形状204。基于在每个构建层116内的确定的部件104的内部几何形状204，控制器106生成使得固结装置138能够固结材料109以形成内部几何形状204所需那么多的扫描路径152。
图5为由控制器106(图4中示出)生成的部件104的第一部分208的3D几何形状的示例性表示的透视图。在示例性实施例中，控制器106可被操作以生成部件104的3D几何形状的表示，其中，对于每个构建层116，基于部件外部周界202、至少一个生成函数、至少一个生成函数变量和至少一个生成函数常数生成部件104的3D几何形状的表示。在示例性实施例中，控制器106生成部件104的第一部分208的3D几何形状的表示，其中，部件104的第一部分208并不包括由部件外部周界202限定的部件104的全部。部件104的第一部分208的3D几何形状的生成的表示然后显示在控制器106的呈现接口122上，其中，第一部分208的生成的3D几何形状的2D横截面尺寸与呈现接口122的查看窗口的2D横截面尺寸基本上相似。
在示例性实施例中，部件104的第二部分210代表部件104这一部分，控制器106并不针对该部分生成3D几何形状的表示，直到呈现接口122的查看窗口的2D横截面尺寸与由第二部分210表示的部件104的区域的至少一部分对应。在示例性实施例中，用户124能够通过用户输入接口修改呈现接口122的查看窗口。只对该部分例如可在呈现接口122的查看窗口上查看的部件104的第一部分208生成部件104的3D几何形状的表示，促进降低处理器120的所需处理能力和存储装置118的存储容量，并促进更快速地渲染部件104的3D几何形状的表示。
图6示出用包括固结装置138和材料109的增材制造系统100制造部件104的方法300的流程图。参照图1、图2、图4和图6，方法300包括接收302包括多个构建层116的构建文件，其中，多个构建层116的每一个包括部件外部周界202、至少一个生成函数、至少一个生成函数变量和至少一个生成函数常数。方法300还包括对于多个构建层116的每个构建层116，生成304至少一个控制信号以控制横跨材料109遍及固结装置138的至少一个扫描路径152的功率输出，对于每个构建层，至少部分地基于部件外部周界202、至少一个生成函数、至少一个生成函数变量和至少一个生成函数常数生成至少一个扫描路径152。方法300还包括将至少一个控制信号传输306到固结装置138，并基于至少一个控制信号沿至少一个扫描路径152横跨材料109移动308固结装置138，以固结材料109。
本说明书中所描述的方法、系统和设备的示例性技术效果包括以下各项中的至少一项：(a)减小用于增材制造3D部件的存储器和处理要求；(b)减小用于渲染3D部件的存储器和处理要求；(c)降低使用增材制造系统组装三维部件的成本；(d)提高产生三维部件的精度；以及(e)提高增材制造系统与建模软件的兼容性。
上述的实施例提供了用于使用增材制造过程制造部件的系统和方法。使用包括部件外部周界、生成函数、生成函数变量和生成函数常数的构建文件制造部件。不是接收包含用于固结装置的多个扫描路径的部件的3D模型，而是使用与每个构建层关联的部件外部周界、生成函数、生成函数变量和生成函数常数生成用于固结材料以形成部件的扫描路径。因此，与至少一些已知的系统相比，构建文件降低了存储和处理数据所需的存储器和处理能力。构建文件还允许增材制造系统用提高的精度和较小的误差制造部件，原因是控制器沿使用部件外部周界、生成函数、生成函数变量和生成函数常数生成的扫描路径引导固结装置。另外，与至少一些已知的系统相比，在只渲染查看窗口内的部件的部分的同时，使用部件外部周界、生成函数、生成函数变量和生成函数常数渲染复杂结构，例如由单位单元构建的结构降低了渲染图像所需的存储器和处理能力。
尽管本申请的各种实施例的具体特征可在一些附图中示出而不在其它附图中示出，但这仅仅是为了方便。根据本申请的原则，附图的任何特征可以与任何其它附图的任何特征组合引用和/或要求保护。
一些实施例包括使用一个或多个电子装置或计算装置。此类装置通常包括处理器、处理装置或控制器，例如通用中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、微控制器、精简指令集计算机(RISC)处理器、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑电路(PLC)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理(DSP)装置和/或能够执行本说明书中所描述的功能的任何其它电路或处理装置。本说明书中所描述的方法可被编码为在非限制性地包括存储装置和/或存储装置的计算机可读媒体中体现的可执行指令。此类指令当由处理装置执行时使处理装置进行本说明书中所描述的方法的至少一部分。以上实例仅为示例性的，且因此不希望以任何方式限制术语处理器和处理装置的定义和/或含义。
本书面描述用实例来描述包括最佳模式的本发明，且还使所属领域的技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及进行任何所并入的方法。本申请的可获专利的范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域的技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例具有并非不同于权利要求书的字面语言的结构要素，或如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质差异的等效结构要素，那么它们既定在权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种在增材制造系统中使用的控制器，所述增材制造系统包括固结装置，所述固结装置被构造成固结材料，所述控制器包括处理装置和耦连到所述处理装置的存储装置，所述控制器被配置成：
接收用于部件的包括多个构建层的构建文件，其中，所述多个构建层的每个构建层包括部件外部周界、至少一个构建层生成函数、至少一个生成函数变量和至少一个生成函数常数；
对于所述多个构建层的每个构建层，生成至少一个控制信号以控制横跨材料遍及所述固结装置的至少一个扫描路径上的功率输出，对于每个构建层，至少部分地基于所述部件外部周界、所述至少一个生成函数、所述至少一个生成函数变量和所述至少一个生成函数常数生成所述至少一个扫描路径；以及
将所述控制信号传输到所述固结装置，以遍及所述至少一个扫描路径上固结材料。
2.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述控制器还被配置成：
生成所述部件的三维(3D)几何形状的表示，其中，对于每个构建层，基于所述部件外部周界、所述至少一个生成函数、所述至少一个生成函数变量和所述至少一个生成函数常数生成所述部件的3D几何形状的表示；以及
在控制器呈现接口上显示所述3D几何形状的生成的表示。
3.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述控制器还被配置成：
生成所述部件的第一部分的3D几何形状的表示，其中，对于每个构建层，基于所述部件外部周界、所述至少一个生成函数、所述至少一个生成函数变量和所述至少一个生成函数常数生成所述部件的第一部分的3D几何形状的表示；以及
在控制器呈现接口上显示所述部件的第一部分的3D几何形状的生成的表示，其中，所述部件的第一部分的3D几何形状的生成的表示的二维(2D)尺寸与所述控制器呈现接口的2D尺寸基本上相似。
4.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述控制器还被配置成对于所述固结装置的至少一个扫描路径生成非均匀的能量强度分布，其中，所述非均匀能量强度分布促进固结材料。
5.一种增材制造系统，包括：
至少一个固结装置，所述固结装置被构造成固结材料；
致动器系统，所述致动器系统被配置成横跨材料移动所述至少一个固结装置；以及
控制器，所述控制器被配置成：
接收用于部件的包括多个构建层的构建文件，其中，所述多个构建层的每个构建层包括部件外部周界、至少一个构建层生成函数、至少一个生成函数变量和至少一个生成函数常数；
对于所述多个构建层的每个构建层，生成至少一个控制信号以控制横跨材料遍及所述固结装置的至少一个扫描路径上的功率输出，对于每个构建层，至少部分地基于所述部件外部周界、所述至少一个生成函数、所述至少一个生成函数变量和所述至少一个生成函数常数生成所述至少一个扫描路径；以及
将所述控制信号传输到所述固结装置，以遍及所述至少一个扫描路径上固结材料。
6.根据权利要求5所述的增材制造系统，其中，所述控制器还被配置成：
生成所述部件的三维(3D)几何形状的表示，其中，对于每个构建层，基于所述部件外部周界、所述至少一个生成函数、所述至少一个生成函数变量和所述至少一个生成函数常数生成所述部件的3D几何形状的表示；以及
在控制器呈现接口上显示所述3D几何形状的生成的表示。
7.根据权利要求5所述的增材制造系统，其中，所述控制器还被配置成：
生成所述部件的第一部分的3D几何形状的表示，其中，对于每个构建层，基于所述部件外部周界、所述至少一个生成函数、所述至少一个生成函数变量和所述至少一个生成函数常数生成所述部件的第一部分的3D几何形状的表示；以及
在控制器呈现接口上显示所述部件的第一部分的3D几何形状的生成的表示，其中，所述部件的第一部分的3D几何形状的生成的表示的2D尺寸与所述控制器呈现接口的2D尺寸基本上相似。
8.一种使用包括固结装置和材料的增材制造系统制造部件的方法，所述方法包括：
接收包括多个构建层的构建文件，其中，所述多个构建层的每个构建层包括部件外部周界、至少一个构建层生成函数、至少一个生成函数变量和至少一个生成函数常数；
对于所述多个构建层的每个构建层，生成至少一个控制信号以控制横跨所述材料遍及所述固结装置的至少一个扫描路径上的功率输出，对于每个构建层，至少部分地基于所述部件外部周界、所述至少一个生成函数、所述至少一个生成函数变量和所述至少一个生成函数常数生成所述至少一个扫描路径；
将所述至少一个控制信号传输到所述固结装置；以及
基于所述至少一个控制信号沿所述至少一个扫描路径横跨所述材料移动固结装置，以固结所述材料。
9.根据权利要求8所述的方法，其中接收所述构建文件还包括：
生成所述部件的3D几何形状的表示，其中，对于每个构建层，基于所述部件外部周界、所述至少一个生成函数、所述至少一个生成函数变量和所述至少一个生成函数常数生成所述部件的3D几何形状的表示；以及
在控制器呈现接口上显示所述3D几何形状的生成的表示。
10.根据权利要求8所述的方法，其中接收所述构建文件还包括：
生成所述部件的第一部分的3D几何形状的表示，其中，对于每个构建层，基于所述部件外部周界、所述至少一个生成函数、所述至少一个生成函数变量和所述至少一个生成函数常数生成所述部件的第一部分的3D几何形状的表示；以及
在控制器呈现接口上显示所述部件的第一部分的3D几何形状的生成的表示，其中，所述部件的第一部分的3D几何形状的生成的表示的2D尺寸与所述控制器呈现接口的2D尺寸基本上相似。
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