CN110475633B - 用于控制用于工件制造的辐照系统的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于控制辐照系统(20)的方法，其中，该辐照系统(20)使用在用于增材制造三维工件的设备(10)中，并包括至少三个辐照单元(22a‑d，50)，其中，该方法包括以下步骤：a)针对辐照单元(22a‑d，50)中的每一个限定辐照区域(30a‑d)，其中，该辐照区域(30a‑d)各自包括平行于设备(10)的承载器(16)延伸的辐照平面(28)的部分，并且其中，对辐照区域(30a‑d)进行限定使得其在公共交叠区域(34)中交叠；b)辐照在承载器(16)上的原料粉末层以生成工件层；c)在已经辐照的原料粉末层上布置另外的原料粉末层以生成另外的工件层。d)本发明还涉及一种用于执行该方法的设备。

Description

用于控制用于工件制造的辐照系统的方法和设备

技术领域

本发明涉及用于控制辐照系统的设备和方法，其中，该辐照系统用于三维工件的增材制造。该辐照系统包括具有互相交叠的辐照区域的至少三个辐照单元。

背景技术

在用于制造三维工件的增材方法中、特别是在增材逐层构建方法中，通过特定位置的辐照使最初不定形或形状中性的模料(例如原料粉末)固化并因此使模料达到期望的形状。辐照通过电磁辐射实现，例如以激光辐射的形式。在初始状态下，模料最初可以呈颗粒、粉末或液体模料的形式，并且可以通过辐照而选择性地、或者换句话说对特定位置进行固化。模料可以包括例如陶瓷、金属或塑料材料以及还包括这些材料的混合物。增材层构建方法的变型涉及所谓的粉末床融合，在该粉末床熔融中，特别是使金属的和/或陶瓷的原料粉末材料固化以形成三维工件。

为了制造单独的工件层，进一步已知的是，将呈原料粉末层形式的原料粉末材料施加到承载器上并且根据当前待制造的工件层的几何形状选择性地辐照该原料粉末材料。激光辐射穿透原料粉末材料并例如通过进行加热(引起融合或烧结)而将该原料粉末材料固化。一旦工件层被固化，将新一层未处理的原料粉末材料施加到已制造好的工件层上。为此，可以使用已知的涂布器装置。然后再次对目前位于最上面并且尚未被处理的原料粉末层进行辐照。因此，工件被依次逐层构建，每一层均限定了工件的横截面区域和/或外轮廓。在这方面，进一步已知的是使用CAD或类似的工件数据，以便基本上自动地制造工件。

以下方案也是已知的，其中，通过包括多个辐照单元的辐照系统对原料粉末材料进行辐照。这些辐照单元能够一起对单个原料粉末层进行辐照并因此在时间上并行或相对于彼此偏移地进行动作。

应当理解的是，以上所讨论的所有方面同样可以在本发明的框架中提供。

在专利EP 2 875 897 A1中找到一个解决方案的示例，其中，多个辐照单元一起对单个原料粉末材料层进行辐照。其中公开了两个辐照单元，它们的辐照区域在公共交叠区域内交叠。首先对待生成的工件层进行评估以确定该工件层的哪些待生成部分延伸至单个辐照单元的辐照区域中以及哪个部分延伸至公共交叠区域中。然后将这些待生成的部分分配给各个辐照单元，其中，在公共交叠区域中的待生成的部分可以另外被细分。

使用不同辐照单元用于共同对原料粉末层进行辐照(其与由不同辐照单元共同制造工件层意义相同)与仅使用一个辐照单元相比可以缩短制造的时间。

然而，本发明人已经认识到，采用不同辐照单元进行辐照能够导致所制造工件的不均匀性。该不均匀性主要影响工件的结构并造成所制造工件的显著质量缺陷。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种用于增材制造三维工件的设备和方法，其使得能够在高工件质量的情况下相对地缩短制造时间。

为此目的，提供一种用于控制辐照系统的方法，其中，该辐照系统在一种用于增材制造三维工件的设备中使用并包括至少三个辐照单元。该设备可以被配置成以选择性激光烧结的方式来制造三维工件。辐照单元可以被配置成发射电磁处理光束，例如以激光束的形式。为此目的，辐照单元可以包括合适的处理光学器件和/或辐射源或者能够连接至这样的单元。根据一个实施例，辐照单元中的至少两个辐照单元连接至公共的辐射源。因此，由辐射源产生的处理光束可以由合适的装置进行分束和/或偏转以便其被引导至各个辐照单元。用于此目的的合适装置是分束器和/或反射镜。

处理光学器件可以至少引导一个处理光束和/或可以以期望的方式与其相互作用。为此，它们可以包括物镜，特别是f-theta(f-θ)透镜。

辐照单元可以进一步包括偏转设备，该设备用于将所发射的处理光束引导至辐照平面内的预定区域上，并因此将其引导至待辐照的原料粉末层的预定区域上。该偏转设备可以包括所谓的扫描单元，其可以优选地至少围绕两个轴进行调节。此外或可替换地，辐照单元，或至少是其发射光束的区域，可在空间中移动。特别地，其可以包括相对于辐照平面的移动，使得该辐照单元可以与辐照平面的不同区域相对设置。

该方法包括为辐照单元的每一个限定辐照区域的步骤a)，其中，辐照区域各自包括平行于设备的承载器延伸的辐照平面的一部分，其中，对辐照区域进行限定使得它们在公共交叠区域中交叠。

该辐照平面可以是一个二维平面。该辐照平面可以在每种情况下都包括当前待辐照的原料粉末层。因此，其相对于承载器的位置可以根据待辐照的原料粉末层而改变。特别地，距离承载器的距离可以随着制造时间的进行和工件层数的增加而增加。该辐照平面可以进一步与承载器相对进行布置并优选地与由承载器所限定的构建区域叠合。该构建区域可以是可以在其中制造工件的区域。更准确地说，该构建区域可以对工件所能被制造的最大横截面积进行限定。

辐照区域可以包括该辐照平面的区域部分，其中，这些区域部分也可以交叠。换句话说，可以提供的是，所有的辐照区域至少在公共交叠区域中交叠，或者换句话说，在交叠区域中所有的辐照区域相互重叠。该交叠区域可以因此对所有辐照区域所延伸到的该辐照平面的区域部分进行限定。此外，还可以存在另外的交叠区域，其中，辐照区域中只有两个辐照区域交叠(也在下文中说明：次要交叠区域)。

对辐照区域的限定可以通过指定辐照单元的偏移单元的偏移光谱和/或通过指定辐照单元可能的移动光谱来进行。这可以在设备的控制单元中通过对合适的值范围进行限定来实现。

因此，在交叠区域之外可以提供的是，对在各自辐照区域之内的原料粉末层的辐照仅通过相关联的辐照单元装置来进行。根据一个变型可以提供的是，第一辐照区域与第一辐照单元相关联，第二辐照区域与第二辐照单元相关联，第三辐照区域与第三辐照区域相关联。其他此外的辐照区域可以与其他此外的辐照单元相关联。第一至第三辐照区域在交叠区域中交叠。然而在交叠区域之外，在该变体中可以提供的是，第一辐照区域的剩余部分仅可以由第一辐照单元进行辐照，第二辐照区域的剩余部分仅可以由第二辐照单元进行辐照，第三辐照区域的剩余部分仅可以由第三辐照单元进行辐照，以及其他此外的辐照区域的剩余部分仅可以由相关联的此外的辐照单元进行辐照。

该方法进一步包括步骤b)，其对布置在承载器上的原料粉末层进行辐照以生成工件层。辐照可以经由辐照系统的辐照单元来进行，其中，取决于辐照区域的限定，它们可以对原料粉末层的不同部分进行辐照，但是例如在交叠区域中也可以对原料粉末层的公共部分进行辐照。

承载器可以在设备的处理室中来提供。其通常可以是固定的承载器或者也可以是可移动的载体，特别是可以在竖直方向上移动。根据一个变型，该承载器在竖直方向上随着所制造的工件层的数目的增加而降低，优选地，该承载器在竖直方向上的位置取决于该数目。处理室能够相对于周围的大气是密封的，以便在其中建立一个可控的大气环境，特别是在其中的惰性气体环境。原料粉末层可以包括上述提及的原料粉末材料的全部，特别是金属合金的粉末。粉末可以具有任何合适的颗粒尺寸或颗粒尺寸分布。优选的，粉末的颗粒尺寸为小于100μm。

可以经由已知的涂布器单元或粉末施加设备来实现将原料粉末层施加在承载器上及/或施加在布置在承载器上的已被辐照过的原料粉末层上。在专利EP 2 818 305 A1中找到其一个示例。

在本公开的上下文中，术语“工件层”通常可以涉及由单个原料粉末层制造的工件层，也就是说特别地涉及工件的待制造的横截面。工件层可以进一步包括轮廓，例如以待制造的横截面的轮廓或外轮廓的形式。此外或可替换地，工件层可以包括至少部分填充的区域，例如，以生成工件的填充的或实心的横截面区域。为此目的，可以使用预定扫描或辐照模式，其中，以已知的方式将多个扫描向量限定在辐照平面内，以便使得能够基本上平坦的固化。

对于辐照而言，可以预先进行分析待生成的工件层的哪一部分会延伸至各辐照区域中及延伸至公共交叠区域中。那些处于交叠区域之外的部分可以由与各个辐照区域相关联的辐照单元来进行辐照。然而，在交叠区域之内，有多个辐照单元可用于辐照。总的来说，待生成的工件层因此可以由辐照单元中的每一个所辐照的部分组成。在专利EP 2 875 897A1中找到该过程的进一步细节，其特别涉及待制造的工件轮廓的分离及/或不同辐照单元之间的扫描或辐照模式的分离。

该方法进一步包括步骤c)，其将另外的原料粉末层布置在已经辐照的原料粉末层上以生成另外的工件层。这使得周期性的逐层的制造工件成为可能，其中，新的原料粉末层被相继地施加至已经辐照的原料粉末层上，能够对特定位置进行辐照和固化。

根据本发明，该方法的特征首先在于提供至少三个辐照单元。因此，在公共交叠区域中，多个辐照单元是可用的，可以灵活地从其中进行选择。

根据本发明，可以进一步提供的是，辐照区域在辐照平面中的比例各自在0％至100％之间并包含100％；和/或交叠区域在辐照平面中的比例在0％至100％之间并包含100％。换句话说，也可能提供全域覆盖，其中，辐照区域各自覆盖了上至100％的辐照平面。因此，辐照平面的每个区域可以由辐照单元的每一个来辐照。此外，该情况下,交叠区域同样占据了辐照平面大约为100％的比例。可替换地，然而，同样可以想到，交叠区域和/或辐照区域占据不超过辐照平面的50％或不超过辐照平面的20％。

根据进一步的研发，辐照单元和/或各辐照区域的中心构成一多边形。换句话说，可以提供的是，辐照单元和/或各辐照区域的中心不在一条公共的线上。例如，至少三个辐照单元可以构成一个三角形，并且在提供第四个辐照单元的情况下可以构成四边形。同样可以提供的是，辐照系统包括多个组，其各自包括可以对对应的多边形(或多角形)进行限定的特定数目的辐照单元。这些组可以以这种方式相对于彼此进行布置从而使得在总体上获得辐照单元的预定模式。此外或可替换地，辐照单元可以按行进行排列，其中，紧密相邻的行在至少两个方向上(例如沿着与辐照平面彼此正交延伸的X轴和Y轴)相对于彼此偏移。

辐照区域的中心可以理解为各自的几何中心，或者换句话说理解为几何中点。该辐照区域的形状通常可以是任意的，例如其具有四边形、五边形、六边形、七边形或八边形的形状。该中心可以由该形状的相对角点之间的对角线的相交形成。也可以想象该辐照区域是圆形。根据一个变型，所有的辐照区域具有相同的形状，例如四边形或六边形的形状，和/或具有相同的尺寸。

即使在辐照单元的多个组的情况下，可以提供的是，至少三个辐照单元的辐照区域在公共交叠区域中重叠。此外，也可以存在仅有两个辐照单元的辐照区域在其中重叠的交叠区域。可以进一步提供的是，单个辐照单元的辐照区域具有与相邻辐照单元的多个交叠区域，并且特别是具有与另外两个辐照单元的多个交叠区域。主要地，交叠区域的至少一半或全部可以由不超过三个的不同的辐照区域形成，例如，以便在该区域所制造的工件结构中避免不精确的过渡。

优选地，该方法进一步提供选择至少一个辐照单元用于辐照该交叠区域的步骤。原则上，至少三个辐照单元中的全部都可用于该交叠区域中，以执行对原料粉末层的局部部分的辐照。根据目前进一步的研发，可以从辐照单元的总数中选择至少一个、至少两个或通常上至n-1个辐照单元，其中，n表示辐照单元的总数。然而原则上可以想到，至少对于对选择的原料粉末层的辐照而言，选择全部辐照单元用于辐照交叠区域。

进一步的研发提供，在辐照另外的工件层之前，也就是说，例如，根据方法步骤c)在辐照另外的工件层之前，再次执行选择步骤。

因此，可以提供逐层重复对用于交叠区域的辐照单元进行选择的步骤。对辐照单元的选择通常可以根据当前待制造的工件层的轮廓、辐照模式或其他特征来进行，也因此可以逐层单独地来进行调整。此外或可替换地，选择可以根据在下文中所讨论的标准之一来进行，其中，所有的选择标准可以彼此加权、优先化、和/或相继分层构建以便以优选的方式对使用在交叠区域中的辐照单元进行选择。

该方法可以进一步提供的是，针对两个相继的原料粉末层，对用于交叠区域的辐照单元的选择是彼此不同的。换句话说，该变型提供的是，由选择限定的辐照单元的组在两个相继的原料粉末层之间是彼此不同的，其中，这些组还可以仅包括一个辐照单元。换句话说，基于相继的原料粉末层，在所选择且因此可用的辐照单元之间可以被逐层改变。

例如，为了在交叠区域中对第一原料粉末层进行辐照，可以选择第一和第二辐照单元。在另一方面，为了在交叠区域中对随后的第二原料粉末层进行辐照，可以接着选择仅第一辐照单元、仅第二辐照单元或者仅第三辐照单元，以及可替换地，第二和第三辐照单元或者第一和第三辐照单元。在另一方面，第一和第二辐照单元不能再次用于对另外的原料粉末层的交叠区域进行辐照。

通过为相继的原料粉末层选择辐照单元的不同可用的组(例如通过满足不同的选择)，交叠区域由不同的辐照单元逐层进行辐照。换句话说，可以在每个原料粉末层被辐照之前改变可用的辐照单元，使得各辐照单元对工件结构的单个影响至少在交叠区域中变得不那么明显。因此可以提高工件结构的均一性以及工件的质量。

应当注意的是这也可以应用在多个例如100个原料粉末层上，其中，在每次对这些原料粉末层之一进行辐照之前，可以进行新的选择并因此对可以用于交叠区域的辐照单元进行新的改变。可以进一步认识到，根据本发明也可以提供的是，在待辐照的原料粉末层的每一层之间不对所选择的辐照单元进行上述改变。相反，该选择也可以例如在预定数目的相继原料粉末层上保持恒定。

总的来说，可以提供的是，该方法应用在至少两个相继的待辐照原料粉末层上。相继的待辐照原料粉末层的数目同样可以包括至少10个、至少50个、至少200个或至少500个。同样，可以提供的是，关于单个工件的制造操作，对相继的待辐照原料粉末层的多个组进行限定，在所限定的组中应用本方法，而不是在这些组之间。主要地，在单个工件的制造过程中待辐照的原料粉末层的至少20％、至少50％、至少80％或大约100％可以应用本方法。

进一步研发提供的是，选择多个辐照单元用于对交叠区域进行辐照，以便并行或相继地对交叠区域进行辐照。通过并行化该交叠区域的辐照可以减少相应工件层的制造时间。

根据进一步的实施例，执行以下步骤以用于选择用于交叠区域的辐照单元：

选择照射单元以用于对交叠区域进行辐照，在该交叠区域中的辐照区域中的待生成的工件层也延伸至该交叠区域之外。

特别地，只有上述的辐照单元可以被选择用于该交叠区域的辐照。换句话说，可以提供的是，对于该交叠区域的辐照而言，不选择在该交叠区域之外不再用于制造当前工件层的辐照单元。为此目的，可以首先在上游步骤中确定的是，在哪个处理区域中当前待生成的工件层也延伸至该交叠区域之外。因此更好的工件结构过渡可以在交叠区域和相邻的工件层部分之间实现，这是因为为此使用了最小可能数目的辐照单元。在此方面可以进一步提供的是，主要地或仅仅只选择那些辐照单元，其制造与交叠区域直接相邻的工件层的部分。换句话说，可以提供的是，进行评估待生成的工件层直接从交叠区域开始延伸至哪个辐照区域中。接着可能主要地或仅仅只选择那些被分配给这些辐照区域的辐照单元。因此，对于交叠区域的辐照也可以提供的是，不选择任何在交叠区域之外的任意点处对待制造工件层部分进行制造的辐照单元。相反，可以选择在交叠区域的紧邻区域或在到所述交叠区域的过渡处工作的辐照单元。

同时提供了上面讨论的变型，根据该变型，对用于辐照交叠区域的辐照单元的选择应该尽可能逐层改变，也可以在这些选择标准之间进行优先排序。例如，可以提供的是，首先考虑在交叠区域外待生成的工件层的部分来选择可能的辐照单元，因而接着检查那些辐照单元是否使得可以用在交叠区域中的辐照单元能够逐层改变。如果不是这种情况，根据优先化排序，仍然可以继续用最初选择的辐照单元，或放弃这个选择并选择辐照单元仅为了实现所用辐照单元的期望的逐层改变。

可替换地，也可以提供的是，选择照射单元用于对交叠区域进行照射，该交叠区域中的辐照区域中待生成的工件层没有延伸至该交叠区域之外。这使得能够提升辐照单元的利用率，和/或节约单个工件层的制造时间，因为交叠区域可以由在其他情况下不需要的辐照单元进行辐照。另一方面，在辐照区域之外，可以使用那些在任意情况下都需要用于制造当前工件层的辐照单元，因为待生成的工件层也在其辐照区域中的交叠区域之外延伸。形象地说，因此可以释放在交叠区域之外本就执行辐照的辐照单元，因为在交叠区域内使用了否则就不被需要的其他辐照单元。因此待生成的工件层整体的部分可以被更平均地分配在辐照单元之间。特别地，因此可以减少单个工件层的制造时间，因为可以在原料粉末层的辐照中实现更高度的并行化。

根据进一步的研发，可以提供的是，以一种方式对辐照区域进行限定使得在辐照平面内对交叠区域的布置在两个相继的原料粉末层之间改变。例如，用于辐照第一原料粉末层的交叠区域可以布置在辐照平面内的第一位置中，并且，用于辐照第二原料粉末层的交叠区域可以布置在第二位置中，该第二位置不同于第一位置。

换句话说，可以提供的是，交叠区域并不在辐照平面内保持一个恒定的位置或布置。相反，可以对随后的或者甚至基本上在每个新的待辐照的原料粉末层之前的辐照进行重新定位。因此可以实现的是，相对于所制造的工件而言，交叠区域不能在局部保持恒定的位置但可以至少在所选择的工件层之间或在所有工件层中改变其位置。任何与交叠区域的辐照相关联的非均一性，例如，在交叠区域与相邻辐照区域之间的工件结构中不准确的过渡，可以因此而减少和/或在工件在整体上分布得更均匀。

在这方面，辐照区域可以被重新定义为在新原料粉末层之前或与其并行，由此也可以实现交叠区域的新定位。这可以例如通过合适地计算辐照区域的新位置和范围和/或通过从内存中读取合适的、预先存储的位置来实现。

主要地，交叠区域因此可以优选地在辐照平面内的每一层在至少两个彼此成角度的方向上位移，例如沿着互相正交的轴。这些可以是辐照平面或承载器构建区域的传统的X轴和Y轴。该位移可以随机或根据预定的模式来进行。例如，在多个相继原料粉末层上所考虑的交叠区域，可以在辐照平面内以的螺旋的方式进行位移。

该方法可以进一步包括以下步骤：

将交叠区域细分成多个分割区域，该多个分割区域各自分配辐照单元中的至少一个；以及

改变分割区域的边界，使得分割区域在两个相继原料粉末层之间彼此不相同。

该进一步的研发可以通过在交叠区域内改变辐照条件从而有助于在工件结构中避免固定的或局部恒定的非均一性。此外或可替换地，然而，交叠区域自身也可以在辐照平面内以上面所描述的方式有变化地进行定位，和/或可以有目的地改变对可用辐照单元的选择。

分割区域，类似于辐照区域、交叠区域和辐照平面，可以对可以在其中使用辐照单元的虚拟区域进行限定。当使用三个辐照单元时，例如，可以依次将三角形的交叠区域细分成组成对应的分割区域并各自与辐照单元其中之一相关联的多个单个三角形。同样地，当使用四个辐照单元时，可以对四边形交叠区域进行限定，该四边形交叠区域反过来可以依次由相对应的分割区域细分成多个单个四边形。因此分割区域的位置、尺寸、数量和/或形状可以通过改变分割区域的边界而在相继原料粉末层之间有目的地改变。

因此，与辐照单元中的每一个有关联的交叠区域的部分可以在相继原料粉末层之间变化。结果是，即使待制造工件层保持不变，辐照单元也可以在交叠区域中执行不同的辐照操作，因为其与不同的分割区域逐层地相关联。

一般来说，分割区域边界预定区域进行限定，在该预定区域中转移直接发生在辐照单元之间。换句话说，，辐照可以由第一辐照单元根据预定辐照向量或沿着待制造工件的外轮廓直到达到分割区域的边界来执行。当穿过边界时，辐照由第二辐照单元继续。然而，同样可以想到，分割区域不能对转移直接发生的窄区域进行限定。相反，可以提供的是，例如，辐照单元沿着预定辐照向量甚至超过分割区域的边界继续进行辐照，那就是说，在到达分割区域时并没有立即停止辐照。然而，可以因此提供的是，辐照单元并不沿着另外的向量开始辐照，从辐照单元的视角来看，另外的向量仅在分割区域边界之后开始。换句话说，分割区域的边界限定了一个区域，超过了该区域，辐照单元不能开始新的辐照操作。这尤其相关的是，当生成填充的工件层时，应当沿着具有预定长度的多个平行辐照向量执行辐照。

可以在专利EP 2875897中找到该过程以及分割区域边界和所选择的辐照策略的互相作用的进一步细节。在本公开的上下文中，明确参照了专利EP2875897的附图4和5的讨论。

在这一方面，可以进一步提供的是，分割区域边界的改变包括分割区域边界的交汇点的位移。如果，例如，使用四个辐照单元，其中的每一个都和交叠区域的四边形分割区域相关联，则这些分割区域的边界可以交汇于一公共点，当这些分割区域都具有相同尺寸时，该公共点对应于交叠区域的几何中点。该交汇点的位移通常发生在辐照平面之内，并优选地在彼此成一角度延伸的两个方向的至少一个上。类似于交叠区域整体的位移，该方向可以是互相正交的轴，例如，辐照平面或载体构建区域的X轴和Y轴。应当理解，当交汇点位移时，分割区域的边界可以自动进行调整并且分割区域的尺寸比例也会相应自动地改变。

交汇点的位移可以随机地发生或根据预定的模式发生，其中，在相继原料粉末层上的螺旋状位移也可能作为一个合适的示例而被提及。

更进一步的研发提供的是，辐照系统包括至少一组至少三个辐照单元，且该方法进一步包括以下步骤：

以一种方式来布置辐照单元使得辐照单元一起构成一个多边形；以及

以一种方式限定每一个辐照单元的辐照区域，使得至少部分地将公共交叠区域布置在多边形内。

如上所讨论的，在例如三个辐照单元为一组的情况中，公共三角形可以被构成。交叠区域至少可以部分地位于其中(例如在中间)。每一个辐照单元因此可以具有矩形或方形的辐照区域。作为进一步的示例，可以提及三个辐照单元的至少一组，其各自具有六边形的辐照区域。一般来说，该组的每一个辐照单元可以具有辐照区域，该辐照区域也与来自相邻组的另外的辐照单元的至少一个辐照区域相交叠。

本发明进一步涉及一种用于对三维工件逐层制造的设备，其包括：

具有至少三个辐照单元的辐照系统；

承载器，其被适配为接收可以由辐照系统辐照以生成工件层的原料粉末层；

控制单元，其被适配为，为辐照单元中的每一个限定辐照区域，其中，辐照区域各自包括平行于承载器延伸的辐照平面的部分，并且其中，控制单元进一步适配为以一种方式对辐照区域进行限定使得它们在公共交叠区域中交叠；

其中，控制单元进一步被适配为以一种方式控制设备使得相继布置于承载器上的原料粉末层可以由辐照系统来辐照以生成相继的工件层。

该设备通常可以包括任意另外的特征和部件以便能够实施上述提及的所有步骤并实现上述提及的所有效果。特别地，控制单元可以被配置成执行所有关于对在交叠区域中待使用的辐照单元所进行的选择、在辐照平面中的交叠区域的位置的变化以及任意分割区域的限定和/或改变的变型。

根据进一步的变型，该设备包括至少四个辐照区域并对辐照区域进行限定使得辐照单元的所有辐照区域都在公共交叠区域中交叠。优选该公共交叠区至少部分地位于由辐照单元所构成的四边形内。

附图说明

本发明通过参照附图在下文中进行解释，其中：

图1：是根据本发明实施根据本发明的方法的设备的示图；

图2：表示图1中设备的辐照区域；

图3：表示图1中设备的可能的分割区域；

图4、5：示出在图1设备中辐照单元的可能的布置。

具体实施方式

图1示出了设备10，该设备10被配置成根据本发明实施用于通过金属粉末床增材制造三维工件的方法。更准确地说，该方法涉及一种以所谓的选择性激光熔化(SLM)的方式进行的制造过程。设备10包括处理室12。处理室12相对于周围的环境是密封的，使得在其中可以建立惰性气体氛围。布置于处理室12的粉末应用设备14将原料粉末层施加至承载器16上。如图1中箭头A所示，承载器16被适配成可在竖直方向上移动。因此，工件从选择性固化的原料粉末层逐层构建时，承载器可以随着工件构建高度的增加而在竖直方向上降低高度。

设备10进一步包括辐照系统20，其用于选择性地和位置特定地引导多个激光束24a和24b至位于承载器16上的原料粉末层。更准确地说，根据待制造工件层的几何形状，原料粉末材料可以借助于辐照系统20暴露在辐射中，并因此被局部地熔化和固化。

该辐照系统包括四个辐照单元22a-d，其中只有前面的两个辐照单元22a-b在图1中是可视的。另一方面，另外的辐照单元22c-d位移至附图的平面中，并因此布置在图1中可视的辐照单元22a-b的背后。

辐照单元22a-d中的每一个都与公共激光束源进行了耦合。由激光束源发射的激光束可以由例如光束分束器和/或反射镜的适合的装置进行分束和/或偏移，以便引导激光束至各辐照单元22a-d。可替换地，可以想到给辐照单元22a-d中的每一个分配其自己的激光束源。例如，可以以具有大约1070至1080纳米波长的二极管泵浦镱光纤激光的形式提供合适的激光束源。

辐照单元22a-d中的每一个都进一步包括处理光束光学器件，以便和所提供的激光束互相作用。处理光束光学器件各自包括扫描器单元形式的偏移设备，其能够灵活地将承载器16的方向上所发射的激光束24a和24b的聚焦点定位在与承载器16平行地延伸的辐照平面28内。

辐照平面28表示一虚拟平面，其包括布置在承载器16的最顶层之上的原料粉末层，该原料粉末层当前被辐照以生成工件层。因此，辐照平面28的位置相对于承载器16随着被施加并被辐照的原料粉末层的数目的增加而变化。然而，通过降低承载器16，也可以提供的是，辐照平面28相对于辐照单元22a-d的位置没有改变，因为其总是恒定地布置在处理室12内。

辐照系统20对原料粉末层的辐照由控制单元26来控制。控制单元进一步被配置成为辐照单元22a-d中的每一个限定同样的虚拟的辐照区域18a-d，其各自在辐照平面28上延伸，并包括其预定的部分。在图1的表示中，也仅仅只有其中所示的辐照单元22a-d的辐照区域18a-b是可见的。

图2显示了来自辐照系统20视角的承载器16和辐照平面28的俯视图。可以看出的是，辐照平面28是方形的，并因此包括相同尺寸的四个象限I至IV。在这些象限I至IV的每一个的中心大致布置有辐照单元22a-d中的一个。控制单元26为辐照单元22a-d中的每一个限定自己的辐照区域30a-d。在所示情况下，为辐照单元22a-d中的每一个所选择的辐照区域30a-d具有相同的尺寸并且是矩形的。此外，对它们进行限定使得将辐照单元22a-d布置在辐照区域30a-d内稍微偏离圆心的位置上。

辐照区域30a的外形轮廓，或者换句话说辐照区域30a的区域边界在图2中由虚线示出。辐照区域30d的外形轮廓也是如此，其由点划线描绘。另外的辐照区域30b和c的外形轮廓原则上选择为类似的类型。因此，可以看出，辐照区域30a-d交叠了若干次，其中，总体上十字形交叠区32被限定在辐照平面28内。

在其中心，交叠区32具有一个公共交叠区域34，其中，所有辐照区域30a-d在此相互重叠和交叠。从该交叠区域34(其在该情况中是方形的)开始，另外的多个次要交叠区域36以十字形延伸(在每个次要交叠区域36中只有辐照区域30a-d中的两个交叠)。

概括来说，因此可以看出，布置辐照单元22a-d使得它们一起构成矩形形式的多边形，并使得它们的辐照区域30a-d被进一步限定使得公共交叠区域34被布置在矩形内的中央位置。

在图2中，也示出了待制造的工件38的外形轮廓。以已知的方式，可以提供的是，其外轮廓由当前最顶层的原料粉末层的特定位置的辐照和的固化来制造。此外或可替换地，可以提供的是，由外形轮廓框定的工件横截面区域基本上完全固化并因此填充，或者换句话说，是实心的。这可以通过已知辐照模式的装置来进行，该辐照模式包括，例如，多个彼此平行延伸的扫描向量。

主要地，可以从图2看出，待生成的工件层38具有不同的部分，通过这些部分其可以延伸至各辐照区域30a-d，也可以延伸至交叠区域34和第二交叠区域36。为了生成工件层，因此辐照单元20a-d必须以协调的方式由控制单元26来控制以便能够制造它们各自分配的工件层38的一部分。

在待生成的工件层38的相关部分只在辐照区域30a-d中的一个以及交叠空间32之外延伸的情况下，该部分可以直接由相应的相关辐照单元22a-d进行固化。另一方面，对于那些在交叠空间32之内延伸的工件层28的部分，根据本发明实施该方法的控制单元26提供的是，有目的地选择实际用于辐照的辐照单元20a-d。

在图2中示出了，例如，多个双头箭头1-4，其各自在辐照区域30a-d之间延伸并各自穿过了次级交叠区域36中的一个。如果为了制造期望的工件层而沿着这些双头箭头1至4对激光束24a-b进行引导，则控制单元26决定在公共次级交叠区域36中辐照单元22a-d中的哪一个应该执行对原料粉末层的辐照。然而，此外地或可替换地，还可以提供的是，与公共次级交叠区域36相关联的辐照单元22a-d中的两个被选择用于该辐照。

在双头箭头1的情况中，这意味着，在辐照从图2的底部移动到顶部的情况中，辐照首先由辐照单元22b来进行，直到到达辐照区域30b和30d之间的次级交叠区域36为止。从这一处起，控制单元26，例如，可以指定辐照单元22b继续辐照直到其到达图2中次级交叠区域36的上边界。之后，沿着双头箭头1的进一步的辐照必须由辐照单元22d来执行。

然而，双头箭头5-6也在图2中所示，其在辐照平面28内沿对角线延伸，并特别地穿过公共交叠区域34。因为所有的辐照区域30a-d都交叠于交叠区域34之内，则控制单元可以在该区域中的所有辐照单元22a-d之间进行选择，以便对由其所包围的原料粉末层的部分进行辐照。

关于双头箭头5，以及当从图2的左下至右上进行考虑时，这意味着辐照首先由辐照单元22a的装置来进行，直到达到公共交叠区域34。在那里，控制单元26接着可以指定要选择辐照单元22a-d中的哪一个用于在该区域中对原料粉末层进行辐照，或者甚至指定辐照单元22a-d中的多个或全部是否应该为此目的一起工作。在穿过公共交叠区域34之后，辐照沿着箭头5使用图2中右上的辐照单元22d依次继续进行。

当选择辐照单元22a-d用于辐照交叠区域34时，控制单元26只考虑也用在交叠区域之外用于实施所期望的辐照的那些辐照单元22a-d。另一方面，故意不选择不用于对公共交叠区域34之外进行辐照的另外的辐照单元22b和c，以便使由于辐照单元22a-d的频繁变化所造成的工件结构内的过渡不精确的风险最小化。

该示例的实施例的一个目的在于以一种方式对辐照区域30a-d的多处交叠和待使用的辐照单元22a-d之间所描述的选择可能性进行利用，以便使所制造的工件的结构尽可能是均一的。本发明人已认识到，例如，如果辐照条件被选择为尽可能变化，则可以实现对均一性的改进，以便不在每个工件层的相同位置都产生相同的误差，。

根据本示例实施例，可以实现的是，选择各个待辐照的原料粉末层，辐照单元22a-d的哪一个实际在公共交叠区域34/或第二交叠区域36中使用。此外，可以确保的是，这种选择在相继原料粉末层中是彼此不同的。由于辐照单元22a-d的选择持续地改变，因此在交叠空间32中的辐照条件可以逐层改变。

根据本示例的实施例同样可以提供的是，通过对辐照区域30a-d中的至少一些进行逐层重新限定，辐照平面28中的公共交叠区域34的位置可以逐层进行改变。交叠区域34，特别是其几何中点，因此在辐照平面28内位移。因此，在对新原料粉末层随机或者根据预定模式进行辐照之前，交叠区域34沿着在辐照平面28的彼此正交的X轴和Y轴中的至少一个进行位移。

螺旋被认为是一种预定的模式，其中，图2所示的交叠区域34布置在所述螺旋的中心。同样可以想到将交叠区域以所谓马步移动的方式进行位移。另外的合适的模式可以是所谓的“随机棋盘”，其也包括随机运动分量，或依据“最大间隔”的行动。

图3示出用于辐照原料粉末层的进一步变型，该变型可以采用当前的实施例来实施。还可以看出辐照平面28和布置在其中的十字形交叠空间32。除了对交叠空间32的如下文所述的细分之外，该示例设计为类似于图2的示例。因此，出于清楚的原因，并不是所有的参考标记都输入了到图3中。

图3示出了如何通过改变相继的待辐照的原料粉末层之间的分割区域的边界来以不同的方式细分交叠空间32的各种可能性。分割区域的边界的当前位置用实线和虚线在图3中示出。

图3用点线示出了选择分割区域边界的另外的变型。总的来说，可以看出，交叠空间32可以根据分割区域边界的选择而细分成不同的分割空间，其中，例如分割空间可以由在图3中示出的PS1x-PS4x、PS1y-PS4y部分组成。这些分割区域可以再次各自地与辐照单元22a-d中之一相关联。

对合适的分割区域边界和与之相关的交叠空间32的分割区域的选择可以特别针对公共交叠区域34来进行。可以看出，分割区域边界交汇于公共点P。公共交叠区域34因此同样被分成了不同尺寸的四个区域，其中的每一个都形成了公共交叠空间34的分割区域T1-4。这些分割区域T1-4中的每一个都与辐照单元22a-d中之一相关联，其中，图3中左上辐照单元22c与最大的分割区域T1相关联，以及右下辐照单元22b与最小的分割区域T3相关联。

如上所讨论，辐照单元22a-d的转换可以立即在分割区域的边界处发生以产生公共工件层(也就是说，辐照立即由辐照单元22a-d中与相邻分割区域相关联的一个来继续)。此外地或可替换地，分割区域边界也可以仅仅限定一个也可以被暂时穿过的一般区域，例如，在由辐照单元22a-d沿预定向量进行辐照的情况下。然而，，沿着从各个辐照单元22a-d的视角来看仅在分割区域边界之后才开始的新辐照向量进行辐照是无法实现的。

为了改变相继原料粉末层之间的辐照条件，所示的实施例提供在公共交叠区域34内改变分割区域边界交汇点P的位置的可能性。具体地，交汇点P可以沿着X-Y轴中的至少一个轴位移。类似于上述讨论的整体公共交叠区域34的位移，交汇点P可以随机或根据预定模式进行位移。作为交汇点P的位移的结果，分割区域T1-4的尺寸也会改变。

因此，公共交叠区域34的相同部分可以由不同的辐照单元22a-d来进行辐照，其取决于交汇点P的位置并在多个相继原料粉末层之上考虑，即取决于相关部分当前被包含在其中的分割区域T1至T4。

为了完整性，将在下文中讨论图3所示的对次级交叠区域36上部进行细分的可能性。在这种情况下，通过选择对应的次级分割区域N1和N2(其中的每一个都由部分PS1x-PS4x组成)可以看出四个可能的分部，。由于当前所选择的区域边界，相对较小的部分PS4x与图3中右上辐照单元22d相关联。另一方面，包括另外的区域PS1x-PS3x的次级交叠区域36处的明显较大的部分与左上辐照单元22c相关联。

正如所解释的，分割区域边界可以借助于控制单元26在相继原料粉末层之间相应改变。特别地，可以实现的是，由部分PS1x-PS4x所限定的次级分割区域N1和N2在相继的原料粉末层之间彼此不同。例如如果在根据图3的变型中完成对当前原料粉末层的辐照的话，则控制单元26可以移动由虚线表示的分割区域边界使得次级交叠区域36的上部在中间被分开。因此，包括部分PS3x-PS4x的次级分割区域N1会将与辐照单元22d相关联，而包括部分PS1x-PS2x的次级分割区域N2将会与辐照单元22c相关联。

应当理解，这也可以对所有其他次级交叠区域36来实施。然而，在所示的示例实施例中，次级交叠区域36和公共交叠区域34的所有细分同时改变，亦即通过交汇点P在公共交叠区域34中的如上所述的位移实现。

总而言之，因此提供了若干可能性，这些可能性利用了至少三个辐照单元22a-d的存在和由此形成的交叠区域34的存在以便改进所制造工件结构的均一性。这些可能性涉及交叠区域34的位移以及根据图2的对辐照单元22a-d的不同选择和根据图3由各分割区域T1-T4对交叠空间32的不同细分。原则上设备10可以被配置成执行所有这些可能性。这些可能性中的哪个被施加至相继原料粉末层的单独一个亦或多个，可以预先为整个待制造的工件亦或单独地为每一个待制造的工件层来确定。

图4和图5示出用于布置多个辐照单元的另外的可能性，其以十字的形式被示出并总是提供相同的参考标记50。然而，出于清楚的原因，并不是所有的辐照单元都提供该参考标记。图4和图5的示图，类似于图2和图3，同样示出辐照平面28的俯视图。图4和图5所示的辐照单元50的布置原则上可以用于上述所讨论的设备10中。因此，在下文中，相同的参考标记将会用于相同类型的特征或具有相同的效果的特征。

在图4中可以看出，总共提供9个辐照单元50，其沿着Y-X轴在辐照平面28内相对于彼此偏移。具体地，分别示出了在Y方向上一个接一个布置的三个辐照单元50，其中，总共提供了三个这种列，并沿着X轴彼此间隔。当在Y方向上观察时，中间的列相对于外侧的列要向下偏移。总的来说，结果是在每种情况中都形成三个辐照单元50的组，这些辐照单元的方形的辐照区域52在公共交叠区域34中彼此交叠。出于清楚的原因，图4和图5中并不是所有的辐照和交叠区域34、52都具有对应的参考标记。

对于两个选择的组而言，在图4中更加精确地示出了三角形的构成。可以看出每种情况中辐照单元50都布置在其方形交叠区域52的中间。因此，组中的辐照单元50构成了示意性示出的虚拟的三角形，公共交叠区域34几乎完全布置在其中。再者，也可以看出多个次级交叠区域36，其中，只有两个辐照单元50的辐照区域52交叠。进一步可以看出，每个辐照单元50与构成三角形的单个的组之外的另外的辐照单元50互相作用，且也与其辐照区域52交叠。换句话说，一个辐照单元50可以和辐照单元50的多个组相关联，并与其一起形成交叠区域34。例如，这涉及在图4中由箭头Z标记的辐照单元50，其与图4中所示的两个三角形组中相关联。

因此，图4中的辐照单元50相对于彼此排列使得其辐照区域52在每种情况中都和两个另外的辐照单元50至少形成两个公共交叠区域34。

应当理解，同样在图4的情况下，用于改变辐照条件的所有上述提及的可能性都是可用的，例如，以对在交叠区域34中使用的辐照单元50的不同的选择或者在辐照平面28内交叠区域34的位置的不同位移的形式来实施。

同样的情况也可以应用于根据图5的变型中，其中，总共14个辐照单元50布置在互相偏移的行列中。辐照单元50各自都是六边形，或换句话说具有蜂窝形状的辐照区域52。再者，出于清楚的原因，并不是所有所描述的特征都具有对应的参考标记。

依次布置辐照单元50使得形成三个辐照单元50的各个组，其一起构成包括公共交叠区域34的三角形。此外还可以看出，每个辐照单元50与多个相邻辐照单元50互相作用，并因此限定了多个公共交叠区域34和/或次级交叠区域36进行。无论在图4还是图5中，没有交叠区域34是由超过三个不同的辐照区域52来形成，其如前所述，尽管具有不同的辐照可能性，仍然可以实现工件结构中的精确过渡。

Claims (13)

1.一种用于控制辐照系统（20）的方法，其中，所述辐照系统（20）在用于增材制造三维工件的设备（10）中使用并且包括至少三个辐照单元（22a-d，50），其中，所述方法包括以下步骤：

针对所述辐照单元（22a-d，50）中的每一个限定辐照区域（30a-d），其中，所述辐照区域（30a-d）各自包括平行于所述设备（10）的承载器（16）延伸的辐照平面（28）的部分，并且其中，对所述辐照区域（30a-d）进行限定使得所述辐照区域在公共交叠区域（34）中交叠；

将所述公共交叠区域（34）细分成多个分割区域（T1-T4），所述多个分割区域（T1-T4）中的每一个与所述辐照单元（22a-d，50）中的至少一个相关联；

改变所述分割区域的边界以使得所述分割区域（T1-T4）在两个相继的原料粉末层之间彼此不相同；

辐照布置在所述承载器（16）上的原料粉末层以生成工件层；以及

将另外的原料粉末层布置在已经辐照的原料粉末层上以生成另外的工件层。

2.根据权利要求1所述的方法，

其中，所述辐照区域（30a-d）在所述辐照平面（28）中的比例各自在0%至100%之间并且包括100%；和/或

其中，所述公共交叠区域（34）在所述辐照平面（28）中的比例在0%至100%之间并且包括100%。

3.根据权利要求1所述的方法，

其中，所述辐照单元（22a-d，50）和/或所述辐照区域（30a-d）的各自的中心构成一多边形。

4.根据权利要求1所述的方法，

进一步包括以下步骤：

选择用于所述公共交叠区域的辐照的至少一个辐照单元（22a-d，50）。

5.根据权利要求4所述的方法，

其中，在辐照所述另外的工件层之前再次实施所述选择步骤。

6.根据权利要求4所述的方法，

其中，针对两层相继的原料粉末层，对用于所述公共交叠区域（34）的所述辐照单元（22a-d，50）的选择不同。

7.根据权利要求4所述的方法，

其中，选择多个所述辐照单元（22a-d，50）用于所述公共交叠区域（34）的辐照，以便并行地或相继地对所述公共交叠区域（34）进行辐照。

8.根据权利要求4所述的方法，

其中，为了选择用于所述公共交叠区域（34）的所述辐照单元（22a-d，50），实施以下步骤：

选择所述辐照单元（22a-d，50）以用于对所述公共交叠区域（34）进行辐照，在所述公共交叠区域（34）的辐照区域（30a-d）中，待生成的工件层也延伸到所述公共交叠区域（34）之外；或者

选择所述辐照单元（22a-d，50）以用于对所述公共交叠区域（34）进行辐照，在所述公共交叠区域（34）的辐照区域（30a-d）中，待生成的工件层没有延伸到所述公共交叠区域（34）之外。

9.根据权利要求1所述的方法，

其中，所述辐照区域（30a-d）被限定以使得在所述辐照平面（28）内对所述公共交叠区域（34）的布置在两个相继的原料粉末层之间改变。

10.根据权利要求1所述的方法，

其中，通过对所述分割区域边界的交汇点（P）进行移位来改变所述分割区域的边界。

11.根据权利要求10所述的方法，

其中，对所述交汇点（P）的移位随机地或根据预定的模式来进行。

12.根据权利要求1所述的方法，

其中，所述辐照系统（20）包括至少一组辐照单元（22a-d，50），每组包括至少三个辐照单元，所述方法包括以下步骤：

布置所述辐照单元（22a-d，50）以使得所述辐照单元（22a-d，50）一起构成一多边形；以及

针对每个辐照单元（22a-d，50）限定所述辐照区域（30a-d）以使得所述辐照区域的公共交叠区域（34）被至少部分地布置在所述多边形内。

13.一种用于逐层制造三维工件的设备，所述设备包括：

辐照系统（20），其具有至少三个辐照单元（22a-d，50）；

承载器（16），其被适配为接收原料粉末层，该原料粉末层能够被由所述辐照系统（20）辐照以生成工件层；

控制单元（26），其被适配为针对所述辐照单元（22a-d，50）中的每一个限定辐照区域（30a-d），其中，所述辐照区域（30a-d）各自包括平行于所述承载器（16）延伸的辐照平面（28）的部分，并且其中，所述控制单元（26）进一步被适配为对所述辐照区域（30a-d）进行限定以使得所述辐照区域在公共交叠区域（34）中交叠；

其中，所述控制单元（26）进一步被适配为以如下方式控制所述设备：将所述公共交叠区域（34）细分成多个分割区域（T1-T4），所述多个分割区域（T1-T4）中的每一个与所述辐照单元（22a-d，50）中的至少一个相关联；以及改变所述分割区域的边界以使得所述分割区域（T1-T4）在两个相继的原料粉末层之间彼此不相同；以及

其中，所述控制单元（26）进一步被适配为控制所述设备以使得相继布置于所述承载器（16）上的原料粉末层能够被辐照以生成相继的工件层。

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