CN109937102B - 用于逐层地增材制造构件的方法和对应的计算机程序载体 - Google Patents

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Abstract

在一种用于借助至少两个能够二维偏转经过相同粉末床区域(8)的激光射束(3a,3b)在粉末床(5)中逐层地增材制造构件(2)的方法、尤其LMF或SLS方法中，所述激光射束的投射到粉末床(5)上的激光焦斑分别调设或能够调设为小于或等于300μm、优选200μm、特别优选100μm的尺寸，其中，能够由所述激光射束(3a,3b)中的每个制成待在所述粉末床区域(8)中制造的构件(2)，根据本发明，待在所述粉末床区域(8)中制造的构件(2)的每个单个的、延伸经过多个层的、相对于所述粉末床(5)成直角或近似成直角地定向的表面轮廓(9a)和/或待在所述粉末床区域(8)中制造的构件(2)的每个单个的、延伸经过多个层的、相对于所述粉末床(5)不平行或不近似平行地定向的表面轮廓(9a)仅由所述激光射束(3a,3b)之一制造。

Description

用于逐层地增材制造构件的方法和对应的计算机程序载体
技术领域
本发明涉及一种方法、尤其LMF(LaserMetal Fusion)或SLS(Selective LaserSintering)方法，用于借助至少两个能够二维偏转经过相同粉末床区域的激光射束在粉末床中逐层地增材制造构件，所述激光射束的投射到粉末床上的激光焦斑分别调设到或能够调设到小于或等于300μm、优选200μm、特别优选100μm的尺寸，其中，激光射束中的每个激光射束都能制成待在粉末床区域中制造的构件，本发明也涉及对应的计算机程序载体。
背景技术
这种方法例如通过DE 10 2013 103 006 A1已知。
在用于逐层地增材制造构件的机器中，通过在过程腔室中将粉末层(金属、陶瓷、热塑性塑料)施加到基底板上并且用激光射束固化的方式来处理材料。所述材料可以是反应性的、例如在与氧气接触中迅速氧化的钛或铝，或者可以是相对惰性的、例如不锈钢。如果粉末层用激光射束熔化，则称为激光金属熔合(LMF)或选择性激光熔化(SLM)。如果粉末层仅用激光射束烧结，则称为选择性激光烧结(SLS)。随后，将基底板降低一个粉末层厚度并且施加一个新的粉末层并且重新固化，直至已制成三维构件。通常，以对应扫描器使用多个激光射束，以便沿X和Y轴增大可能的构造空间，该构造空间在唯一扫描器的情况下会被该扫描器的扫描范围限制，其中，不排除扫描器的交叠的工作区域(例如，DE 10 2005 014483 A1)。根据EP 2 875 897 A1，构件的(表面)轮廓的熔化在两个激光射束工作区域的交叠区域中由一个激光射束开始，并且然后由其它扫描器继续。
此外，在用于增材制造的方法中还已知所谓的壳-芯策略，其中，用具有小焦点直径(例如<100μm)的第一激光射束将构件的(精细)轮廓(“壳”)熔化并且用至少一个第二激光射束将构件的内部区域(“芯”)基于较大的聚焦直径(例如>500μm)并从而基于随之而来的增大的激光能量相对于第一激光射束加速地熔化。可选地，芯区域不按照每个粉末层熔化，而是用第二激光射束一次熔化两个或更多个粉末层。根据DE 19818469A1，第一激光射束的直径可以是0.01至1.0mm、尤其0.1至0.3mm，并且第二激光射束的直径可以是0.3至50mm，尤其2至10mm。
由开头所述的DE 10 2013 103 006 A1已知一种用于借助多个激光射束逐层地增材制造构件的机器。该机器针对每个激光射束分别包括一个扫描器，用于使相应的激光射束扫描经过粉末床，该机器还包括能够逐步降低的载体，所述载体用于使得能够实现相继的层制造周期并且用于接收粉末床。这些激光射束是相同的并且可以分别扫描相同的粉末床区域，使得所述激光射束中的每个激光射束都能够制造待在该粉末床区域中制造的构件的每个部分。激光射束的投射到位于焦平面内的粉末床上的焦斑具有通常约为70μm的直径。通过多个彼此交叠的激光射束，满足较大的公共粉末床区域，使得单个部件的不同区段可以同时和彼此邻接地通过这些激光射束制造。在此，当激光射束没有精确地彼此校准或激光射束在构造时间期间经受不同的漂移时，这在由这些激光射束共同制造的表面轮廓中导致表面粗糙度增加，因为激光射束的熔化轨迹以该不精确性相对彼此错开。
发明内容
与此相对地，本发明所基于的任务是，改进开头所述类型的方法，使得构件可以在表面轮廓中无错位地、即以在整个表面轮廓上相同的精度被制造。
该任务根据本发明通过以下方式来解决：待在粉末床区域中制造的构件的每个单个的、延伸经过多个层的、相对于粉末床成直角或近似成直角地定向的表面轮廓和/或待在粉末床区域中制造的构件的每个单个的、延伸经过多个层的、相对于粉末床不平行或不近似平行地定向的表面轮廓仅由所述激光射束之一制造。优选地，构件的外表面和/或内表面的每个单个的、延伸经过多个层的、相对于粉末床成直角或近似成直角地定向的表面轮廓和/或构件的外表面和/或内表面的每个单个的、延伸经过多个层的、相对于粉末床不平行或不近似平行的表面轮廓仅由所述激光射束之一制造。在本发明的范畴内，与粉末床的法线围成小于20°、优选小于10°的角度的表面轮廓被理解为“相对于粉末床近似成直角”，并且与粉末床的法线围成小于70°的角度的表面轮廓被理解为“相对于粉末床不近似平行”。
根据本发明，用同一激光射束经过构件的每个单个的表面轮廓的所有层照射该表面轮廓，使得在不同激光射束之间存在的校准误差或漂移误差是微不足道的。这些激光射束由于其比较小的激光焦斑全都适用于制造具有相同表面质量的表面轮廓。换言之，激光射束的投射到粉末床上的激光焦斑在粉末床区域内分别具有近似相同的焦斑尺寸或者沿着粉末床区域近似相同或对称的焦斑尺寸走势。在本发明的范畴内，激光焦斑的尺寸被理解为激光焦斑的最大延伸尺度，即在圆形激光焦斑的情况下是指直径，并且在椭圆形激光焦斑的情况下是指长轴长度。
在此，待在粉末床区域中制造的构件的至少一个延伸经过多个层的、相对于粉末床平行地或近似平行地定向的表面轮廓也可以有利地以与尤其与其邻接的、相对于粉末床成直角或近似成直角地定向的表面轮廓相同的激光射束制造。在本发明的范畴内，与粉末床的法线围成大于70°、优选大于80°的角度的表面轮廓被理解为“相对于粉末床近似平行”。
待在粉末床区域中制造的构件的至少一个延伸经过多个层的、相对于粉末床平行地或近似平行地定向的表面轮廓可以同样有利地以与尤其与其邻接的、相对于粉末床不平行或不近似平行地定向的表面轮廓相同的激光射束制造。
特别有利地，待在粉末床区域中制造的构件的外表面和/或内表面的所有延伸经过多个层的、相对于粉末床成直角或近似成直角地定向的表面轮廓和/或该构件的所有延伸经过多个层的、相对于粉末床不平行或不近似平行地定向的表面轮廓仅由所述激光射束之一制造。
完全特别有利地，待在粉末床区域中制造的构件的所有延伸经过多个层的、相对于粉末床成直角或近似成直角地定向的表面轮廓和所有其余相对于粉末床不平行或不近似平行地定向的表面轮廓仅由所述激光射束之一制造。
待在粉末床区域中制造的多个构件可以各自由不同的激光射束在时间上并行地制造。
优选地，能够被激光射束扫描的粉末床区域由粉末床的至少约2/3构成、尤其由整个粉末床构成。
这些激光射束可以要么由不同的激光源产生，要么仅由单个激光源产生，该激光源的激光射束通过分束器被分为各个激光射束。在第一种情况下，激光射束的投射到粉末床上的激光焦斑的也可以是不同尺寸的，而在第二种情况下，这些激光焦斑一样大或者至少近似一样大。
特别有利地，与所述表面轮廓的制造在时间上并行地，由所述激光射束中的另一激光射束制造构件的内部区域，只要所述另一激光射束不能在时间上并行地制造其自身的构件，则这就是有意义的。构件的表面轮廓的照射和构件的内部区域的尤其通过另一激光射束的照射在此优选地彼此交叠地实施，具体而言至少以这些激光射束之间的校准误差或漂移的数量级交叠地实施。
本发明还涉及一种计算机程序载体，该计算机程序载体具有代码单元，当程序在机器的机器控制装置上运行时，该代码单元被适配用于执行上面所说明的方法的所有步骤。
附图说明
由说明书、权利要求书和附图得到本发明的主题的其它优点和有利构型。同样地，上述特征和还进一步列举的特征可以单独使用或以多个任意组合使用。所示出和说明的实施方式不应被理解为最终的穷举，而是具有用于描述本发明的示例性的特征。在附图中示出了：
图1示意性地示出用于逐层地增材制造构件的LMF机；
图2示出根据图1中的II-II线的在图1中所示的LMF机的剖视图；和
图3类似于图2在剖视图中示出用于逐层地增材制造构件的改型LMF机。
具体实施方式
在图1中所示的LMF机1用于借助两个激光射束3a,3b逐层地增材制造构件2并且包括过程腔室4，在该过程腔室中，一粉末层(金属、陶瓷、热塑性塑料)能够以粉末床5的形式被施加到基底板6上并且用激光射束3a,3b熔化并且由此固化。随后，将基底板6降低一个粉末层厚度并且施加一个新的粉末层并且重新固化，直至已制成三维构件2。
在粉末床5上方布置有用于将其中一个激光射束3a二维地偏转经过第一粉末床区段的第一扫描器7a和用于将另外的第二激光射束3b二维地偏转经过第二粉末床区段的第二扫描器7b，其中，两个粉末床区段彼此交叠。如在图1中以点划线所示地，在所示的实施例中，两个激光射束3a,3b可以分别扫描尤其在基底板6上的整个粉末床5，使得在这里能够由两个激光射束3a,3b扫描的粉末床区域8由整个粉末床5构成。
激光射束3a,3b的投射到粉末床5上的激光焦斑分别调设到或能够调设到小于或等于300μm、优选200μm、特别优选100μm的尺寸。激光焦斑的形状和尺寸在整个粉末床5上基本上恒定、但不精确恒定。如果激光射束3a,3b在粉末床5上从其在扫描器7a,7b正下方的照射点运动离开，则激光射束的形状和尺寸改变、变成椭圆形并且尺寸扩大，由此减小了功率密度。两个激光射束3a,3b由于其小的激光光斑尺寸同等地适用于制造具有相同表面粗糙度(表面质量)的构件2。有利地，两个激光射束3a,3b分别具有在粉末床区域8内近似一致的焦斑尺寸或者沿着粉末床区域8近似一致或对称的焦斑尺寸走势。
在迄今已知的制造方法中-在两个激光光束3a,3b本身校准并且相互校准之后-构件2的延伸经过多个层的、相对于粉末床5成直角或近似成直角地定向的表面轮廓9a被两个激光射束3a,3b一起制造并且因此在这些激光射束的校准误差或漂移的情况下构件的表面粗糙度提高，不同于迄今已知的制造方法，根据本发明，每个单个的、延伸经过多个层的、相对于粉末床成直角或近似成直角地定向的表面轮廓9a仅由所述两个激光射束3a,3b之一制造。构件2的外表面和/或内表面的延伸经过多个层的、相对于粉末床成直角或近似成直角地定向的所有表面轮廓优选仅由所述两个激光射束3a,3b之一制造。如果构件2的相对于粉末床成直角或近似成直角地定向的所有表面轮廓9a仅由所述两个激光射束3a,3b之一制造，则这基于这些表面轮廓9a相对彼此更精确地定位而导致在这些表面轮廓9a上保持不变的表面粗糙度和尤其导致更好的尺寸精确性。有利地，待在粉末床区域8中制造的构件2的相对于粉末床5成直角或近似成直角地定向的所有表面轮廓9a和相对于粉末床不成直角地或不近似成直角地定向的所有其余表面轮廓9b仅由所述两个激光射束3a,3b之一制造。
与通过其中一个激光射束制造相对于粉末床5成直角或近似成直角地定向的表面轮廓9a在时间上并行地，该构件2的内部区域可以由另一个激光射束制造。待在同一粉末床5中、尤其在粉末床区域8中制造的多个构件可以由两个激光射束3a，3b在时间上并行地并且彼此独立地制造。对相对于粉末床5成直角或近似成直角地定向的表面轮廓9a的照射和尤其通过另一个激光射束对构件2的内部区域的照射在此优选彼此交叠地实施，并且具体而言至少以这些激光射束之间的校准误差或漂移的数量级彼此交叠地实施。
如在图1中所示地，机器1还包括机器控制装置10，该机器控制装置编程为用于控制上面所说明的用于逐层地增材制造构件的方法。
如上面已经实施的那样，构件2可具有多个相对于粉末床5成直角或近似成直角地定向的表面轮廓9a，就像在下面的示例中解释说明的那样：
1.内部中空的球以球外表面具有表面轮廓9a并以球内表面具有另一表面轮廓9a。
2.垂直地构造在粉末床中的管也具有两个表面轮廓9a，即一个相对于粉末床5成直角地定向的、构成管外侧面的表面轮廓和另一个相对于粉末床5成直角地定向的、构成管内侧面的表面轮廓，其中，外侧面和内侧面通过构件的内部区域连接。这意味着：尤其，基本上平行于粉末床定向的面、在本例中指管端面不被视为在本发明的意义上的以下表面轮廓，所述表面轮廓必须仅由所述激光之一制造，以便避免由于激光射束之间的校准误差或漂移导致的表面粗糙度。在这种情况下，对相对于粉末床成直角地定向的表面轮廓9a的照射和对构件2的内部的、平行于粉末床定向的区域9b的照射——尤其当这些照射通过不同激光射束被实施时——优选彼此交叠地实施，具体而言至少以参与的激光射束之间的校准误差或漂移的数量级。然而，可选地可能的是，待在粉末床区域8中制造的构件2的所有相对于粉末床5成直角或近似成直角地定向的表面轮廓9a和/或所有其余的、即相对于粉末床不成直角地或不近似成直角地定向的表面轮廓9b仅由所述激光射束3a,3b之一制造。在这种情况下，能够以更简单的方式即使在基本上平行于粉末床定向的面中也实现更好的表面质量。
代替在图1中所示的两个激光射束3a,3b，机器1也可以具有三个或更多个激光射束，这些激光射束扫描相同的粉末床区域。在图3中示出具有三个扫描器7a,7b,7c的机器1，这些扫描器用于二维地偏转三个激光射束，其中，三个扫描器7a-7c布置在粉末床5的中心上方的一正三角形的顶点处。

Claims (20)

1.一种用于借助至少两个激光射束(3a,3b)在粉末床(5)中逐层地增材制造构件(2)的方法，所述至少两个激光射束能够分别借助各自的扫描器(7a，7b)二维偏转经过相同的粉末床区域(8)，所述至少两个激光射束的投射到所述粉末床(5)上的激光焦斑分别已调设到小于或等于300μm的尺寸，其中，待在所述粉末床区域(8)中制造的构件(2)能够由所述激光射束(3a,3b)中的每个激光射束以相同的表面质量制成，所述至少两个激光射束同等地适用于制造具有相同表面质量的构件，
其特征在于，
待在所述粉末床区域(8)中制造的构件(2)的外表面或内表面的每个单个的、延伸经过多个层的、相对于所述粉末床(5)成直角地定向的表面轮廓(9a)仅由所述激光射束(3a,3b)中的一个激光射束制造。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，待在所述粉末床区域(8)中制造的构件(2)的延伸经过多个层的、相对于所述粉末床(5)平行地定向的至少一个表面轮廓(9b)与邻接该至少一个表面轮廓的、相对于所述粉末床(5)成直角地定向的表面轮廓(9a)以相同的激光射束(3a,3b)制造。
3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，待在所述粉末床区域(8)中制造的构件(2)的延伸经过多个层的、相对于所述粉末床(5)平行地定向的至少一个表面轮廓(9b)与邻接该至少一个表面轮廓的、相对于所述粉末床(5)不平行地定向的表面轮廓以相同的激光射束(3a,3b)制造。
4.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，待在所述粉末床区域(8)中制造的构件(2)的外表面或内表面的延伸经过多个层的、相对于所述粉末床(5)成直角地定向的所有表面轮廓(9a)仅由所述激光射束(3a,3b)中的一个激光射束制造。
5.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，待在所述粉末床区域(8)中制造的构件(2)的延伸经过多个层的、相对于所述粉末床(5)不平行地定向的所有表面轮廓仅由所述激光射束(3a,3b)中的一个激光射束制造。
6.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，相对于所述粉末床(5)不平行地定向的所有表面轮廓仅由所述激光射束(3a,3b)中的一个激光射束制造。
7.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，待在所述粉末床区域(8)中制造的多个构件各自由不同的激光射束(3a,3b)在时间上并行地制造。
8.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，能够被所述激光射束(3a,3b)扫描的粉末床区域(8)由所述粉末床(5)的至少2/3构成。
9.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述激光射束(3a,3b)的投射到所述粉末床(5)上的激光焦斑一样大。
10.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，与表面轮廓的制造在时间上并行地，由所述激光射束(3a,3b)中的另外的激光射束制造所述构件(2)的内部区域。
11.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，投射到所述粉末床(5)上的激光焦斑分别已调设或能调设到小于或等于200μm的尺寸。
12.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，投射到所述粉末床(5)上的激光焦斑分别已调设或能调设到小于或等于100μm的尺寸。
13.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，以上表面轮廓是构件(2)的外表面或内表面。
14.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，待在所述粉末床区域(8)中制造的构件(2)的外表面或内表面的每个单个的、延伸经过多个层的、与粉末床(5)的法线围成小于20°的角度的表面轮廓(9a)仅由所述激光射束(3a,3b)中的一个激光射束制造。
15.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，待在所述粉末床区域(8)中制造的构件(2)的外表面或内表面的每个单个的、延伸经过多个层的、相对于所述粉末床(5)不平行地定向的表面轮廓仅由所述激光射束(3a,3b)中的一个激光射束制造。
16.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，待在所述粉末床区域(8)中制造的构件(2)的延伸经过多个层的、与粉末床(5)的法线围成大于70°的角度的至少一个表面轮廓(9b)与邻接该至少一个表面轮廓的、与粉末床(5)的法线围成小于20°的角度的表面轮廓(9a)以相同的激光射束(3a,3b)制造。
17.按照权利要求3所述的方法，其特征在于，待在所述粉末床区域(8)中制造的构件(2)的延伸经过多个层的、与粉末床(5)的法线围成大于70°的角度的至少一个表面轮廓(9b)与邻接该至少一个表面轮廓的、相对于所述粉末床(5)不平行地定向的表面轮廓以相同的激光射束(3a,3b)制造。
18.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，待在所述粉末床区域(8)中制造的构件(2)的外表面或内表面的延伸经过多个层的、与粉末床(5)的法线围成小于20°的角度的所有表面轮廓(9a)仅由所述激光射束(3a,3b)中的一个激光射束制造。
19.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，待在所述粉末床区域(8)中制造的构件(2)的外表面和内表面的每个单个的、延伸经过多个层的、相对于所述粉末床(5)成直角地定向的表面轮廓(9a)仅由所述激光射束(3a,3b)中的一个激光射束制造。
20.一种计算机程序载体，所述计算机程序载体具有代码单元，当程序在机器(1)的机器控制装置(10)上运行时，所述代码单元被适配用于执行按照权利要求1或2所述的方法的所有步骤。
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