CN111032318A - 使用固结设备制造部件的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于增材制造系统的固结设备。该固结设备包括至少一个第一能量束发生器，至少一个第二能量束发生器，至少一个第一透镜，至少一个第二透镜和至少一个反射元件。第一能量束发生器被构造成产生第一能量束。第二能量束发生器被构造成产生第二能量束。第一透镜具有第一入射光瞳并且位于第一能量束产生器与材料层之间。第二透镜具有第二入射光瞳，并且位于第一透镜和材料层之间。第一入射光瞳和第二入射光瞳基本重叠。反射元件位于第一透镜和第二透镜之间，并且被构造成将第二能量束反射到材料层上。

Description

使用固结设备制造部件的系统和方法
技术领域
本公开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包括多个共享透镜的能量束发生器的固结设备来制造部件的方法和系统。
背景技术
至少一些增材制造系统涉及颗粒材料的堆积以制造部件。这样的技术便于以降低的成本和提高的制造效率用昂贵的材料生产复杂的部件。至少一些已知的增材制造系统，例如直接金属激光熔化(DMLM)，选择激光烧结(SLS)，直接金属激光烧结(DMLS)，和
Figure BDA0002394417590000011
系统使用聚焦能量源(例如激光设备或电子束发生器)，构建平台和颗粒(例如但不限于粉末化金属)来制造部件。(LaserCusing是德国利希滕费尔斯的Concept LaserGmbH的注册商标。)聚焦能量源设备在聚焦能量源入射到颗粒材料上的区域中和周围熔化构建平台上的颗粒材料，从而在称为“扫描”的过程中产生至少一个熔池。每个熔池在构建过程中冷却并固结以形成下一层的至少一部分。
在至少一些DMLM系统中，激光束或电子束被引导穿过粉末层以在粉末床的各层中烧结并熔化期望的图案。此类系统每层的典型扫描时间在70至100秒的范围内。对于某些零件，构建时间需要几天的处理时间，至少部分是由于需要同时扫描部件的简单开放区域和复杂轮廓区域。逐层扫描部件所需的时间阻碍了与增材制造相关的重大成本优势的充分实现。另外，至少某些DMLM系统利用布置成扫描部件表面的不同部分的多个激光设备以减少每一层的扫描时间，但是操作所有激光设备的能量和机械要求降低了与DMLM系统相关的成本节省和效率。
发明内容
一方面，提供了一种用于增材制造系统的固结设备。该固结设备包括至少一个第一能量束发生器，至少一个第二能量束发生器，至少一个第一透镜，至少一个第二透镜和至少一个反射元件。第一能量束发生器构造成产生第一能量束，用于在材料层中形成第一熔池。第二能量束发生器构造成产生第二能量束，用于在材料层中形成第二熔池。第一透镜具有第一入射光瞳并且位于第一能量束产生器和材料层之间，并且被构造成接收第一能量束。第二透镜具有第二入射光瞳，并且位于第一透镜和材料层之间。第二透镜被构造成接收来自第一透镜的第一能量束，并且第一入射光瞳和第二入射光瞳基本上重叠。反射元件位于第一透镜和第二透镜之间，并且被构造成接收第二能量束并反射第二能量束通过第二透镜以入射在材料层上。
在另一方面，提供了一种增材制造系统。增材制造系统包括要固结的材料和固结设备。该固结设备包括至少一个第一能量束发生器，至少一个第二能量束发生器，至少一个第一透镜，至少一个第二透镜和至少一个反射元件。第一能量束发生器构造成产生第一能量束，用于在材料层中形成第一熔池。第二能量束发生器构造成产生第二能量束，用于在材料层中形成第二熔池。第一透镜具有第一入射光瞳并且位于第一能量束产生器和材料层之间，并且被构造成接收第一能量束。第二透镜具有第二入射光瞳，并且位于第一透镜和材料层之间。第二透镜被构造成接收来自第一透镜的第一能量束，并且第一入射光瞳和第二入射光瞳基本上重叠。反射元件位于第一透镜和第二透镜之间，并且被构造成接收第二能量束并反射第二能量束通过第二透镜以入射在材料层上。
在又一方面，提供了一种使用包括固结设备的增材制造系统制造部件的方法。该方法包括将材料沉积到表面上。该方法还包括从至少一个第一能量束装置发出至少一个第一能量束和从至少一个第二能量束装置发出至少一个第二能量束。该方法还包括通过至少一个第一透镜和至少一个第二透镜接收第一能量束。该方法包括使用位于第一透镜和第二透镜之间的至少一个反射元件使第二能量束反射通过第二透镜。该方法还包括利用第一能束在材料层中产生至少一个第一熔池，以及利用第二能束在材料层中产生至少一个第二熔池。
附图说明
当参考附图阅读以下详细描述时，将更好地理解本公开的这些和其他特征，方面和优点，其中在整个附图中，相同的字符表示相同的部分，其中：
图1是增材制造系统的示意图；
图2是用于操作图1所示的增材制造系统的控制器的框图；
图3是与图1所示的增材制造系统一起使用的示例性固结设备的局部立体图；
图4是图3所示的固结设备的示意图；
图5是图3和图4所示的固结设备的替代实施例的示意图，示出了示例性的能量束感测系统；及
图6是示出使用图1所示的增材制造系统制造部件的方法的流程图。
除非另有说明，否则本文提供的附图旨在说明本公开的实施方案的特征。这些特征被认为可应用于包括本公开的一个或多个实施例的多种系统中。这样，附图并不意味着包括本领域普通技术人员已知的实践本文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中，将参考多个术语，这些术语应被定义为具有以下含义。
除非上下文另外明确指出，否则单数形式“一”和“该”包括复数形式。
“任选的”或“任选地”是指随后描述的事件或情况可能会或可能不会发生，并且该描述包括事件发生的实例和事件没有发生的实例。
如在整个说明书和权利要求书中在本文中所使用的，近似语言可以用于修改可以定量变化的任何定量表示，而不会导致与之相关的基本功能的变化。因此，由诸如“大约”，“近似”和“基本上”的一个或多个术语修饰的值不限于所指定的精确值。如本文在整个说明书和权利要求书中所使用的，由术语“基本上重叠”修饰的值可以应用于任何定量表示，以指示该定量表示在参考定量表示的百分之九十五的范围内覆盖参考定量表示，尤其是在所引用的定量表示形式的99％范围内。在至少一些情况下，近似语言可以对应于用于测量值的仪器的精度。在此以及整个说明书和权利要求书中，可以组合和/或互换范围限制，除非上下文或语言另有指示，否则这种范围被识别并且包括其中包含的所有子范围。
如本文所使用的，术语“处理器”和“计算机”，以及相关术语，例如“处理设备”，“计算设备”和“控制器”，不仅限于本领域中称为计算机的那些集成电路，而是广泛地指微控制器，微型计算机，可编程逻辑控制器(PLC)和专用集成电路以及其他可编程电路，这些术语在本文中可以互换使用。在本文所述的实施例中，存储器可以包括但不限于诸如随机存取存储器(RAM)的计算机可读介质，诸如闪存的计算机可读非易失性介质。另外，也可以使用软盘，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，在本文描述的实施例中，附加的输入通道可以是但不限于与诸如鼠标和键盘之类的操作员界面相关联的计算机外围设备。可替代地，还可以使用其他计算机外围设备，其可以包括例如但不限于扫描仪。此外，在示例性实施例中，附加的输出通道可以包括但不限于操作员界面监视器。
此外，如本文所使用的，术语“软件”和“固件”是可互换的，并且包括储存在存储器中的由个人计算机，工作站，客户端和服务器执行的任何计算机程序。
如本文所用，术语“非暂时性计算机可读介质”旨在表示以任何技术方法实现的任何有形的基于计算机的设备，用于短期和长期存储信息，例如任何设备中的计算机可读指令，数据结构，程序模块和子模块，或其他数据。因此，本文描述的方法可以被编码为体现在有形，非暂时性计算机可读介质中的可执行指令，该介质包括但不限于储存设备和/或存储器设备。当由处理器执行时，这样的指令使处理器执行本文描述的方法的至少一部分。此外，如本文所使用，术语“非暂时性计算机可读介质”包括所有有形的计算机可读介质，包括但不限于非暂时性计算机存储设备，包括但不限于易失性和非易失性介质，以及可移动和不可移动介质，例如固件，物理和虚拟存储，CD-ROMS，DVD和任何其他数据源(例如网络或Internet)，以及尚未开发的数字手段，唯一的例外是暂时的传播信号。
此外，如本文所使用的，术语“实时”是指相关事件的发生时间，预定数据的测量和收集时间，处理数据时间以及系统对事件和环境的响应时间中的至少一个。在本文所述的实施例中，这些活动和事件基本上是瞬时发生的。
具有本文描述的固结设备的增材制造系统的实施例有助于使用一组共享的透镜控制由单独的能量束发生器产生的多个能量束。因此，本文描述的系统和方法使用至少一个第一能量束发生器来促进部件的大面积的快速固结，并且使用单独的第二能量束发生器来促进部件的轮廓和复杂部分的固结，每个能量束被引导通过一组共享透镜的至少一部分。具体地，增材制造系统包括固结设备，该固结设备包括至少一个第一阴影线能量束发生器，一个第二轮廓能量束发生器，一对具有基本上重叠的入射光瞳的远心透镜，以及位于两个透镜之间的反射元件。由至少一个第一能量束发生器产生的至少一个能量束在入射到部件的构造层上之前被两个透镜接收并行进通过两个透镜，以利于固结部件的大的开放区域。由第二能量束发生器产生的能量束在入射到部件的构造层上之前，被反射元件反射通过第二透镜，以便于巩固部件的轮廓和复杂区域。此类固结设备可用于但不限于在固结设备每次通过部件时增加覆盖范围，减少固结设备在增材制造处理中必须通过的次数，减少制造时间，并减少固结设备的尺寸和复杂性。该系统和方法的示例可以包括多个能量束发生器和多个共享或重叠的透镜，这取决于给定系统或多个系统的构造，尺寸和形状，或被增材制造的零件或正在使用的材料和能量源。
在光学系统中，透镜的入射光瞳是透镜的物理孔径光阑(aperture stop)或光通过的开口的光学图像，从透镜前部可以看到。远心透镜是一种复合透镜，其入射光瞳在无限远处，从而使透镜物体空间成为远心透镜。具体来说，远心透镜的图像放大倍率与物体在透镜视场内的距离或位置无关。
用于固结材料的增材制造处理和系统包括但不限于光聚合，粉末床熔合，粘合剂喷射，材料喷射，薄片层压，材料挤压，定向能量沉积和混合系统。这些处理和系统包括但不限于，例如SLA-光刻装置，DLP-数字光处理，3SP-扫描，旋转和选择性光固化，CLIP-连续液体界面生产，SLS-选择性激光烧结，DMLS-直接金属激光烧结，SLM-选择性激光熔化，EBM-电子束熔化，SHS-选择性热烧结，MJF-多喷射融合，3D打印，体素喷射(Voxeljet)，聚合喷射(Polyjet)，SCP-平滑曲率印刷，MJM-多喷射建模专业喷射，LOM-层压制品制造，SDL-选择性沉积层压，UAM-超声增材制造，FFF-熔融长丝加工，FDM-熔融沉积建模，LMD-激光金属沉积，LENS-激光工程净成形，DMD-直接金属沉积，混合系统以及这些处理和系统的组合。固结处理和系统可以采用例如但不限于所有形式的电磁辐射，加热，烧结，熔化，固化，粘合，压制，组合，集成，熔合，统一，嵌入及其组合。
增材制造处理和系统采用的材料包括但不限于例如聚合物，塑料，金属，陶瓷，沙，玻璃，蜡，纤维，生物物质，复合材料以及这些材料的混合物。这些材料可以以适合于给定材料和方法或系统的各种形式用于这些方法和系统中，包括例如但不限于液体，固体，粉末，片，箔，带，细丝，颗粒，液体，浆，线，喷雾，糊以及这些形式的组合。
图1是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和固结设备138，所有这些将在下面更详细地描述。在替代实施例中，增材制造系统100可以包括任何其他部件，以使增材制造系统100能够如本文所述地起作用。
在示例性实施例中，固结设备138包括多个第一能量束产生器130，第二能量束产生器131，第一透镜144，第二透镜146，反射镜142和反射元件148。第一能量束发生器130提供高强度热源，该高强度热源被构造成使用第一能量束132在粉末状材料中产生第一熔池134(未按比例显示)。第二能量束发生器131提供高强度热源，该高强度热源被构造成使用第二能量束133在粉末材料中产生第二熔池135(未按比例显示)。第一能量束产生器130和第二能量束产生器131包含在壳体136内，该壳体136联接至安装系统108。增材制造系统100还包括计算机控制系统或控制器106。反射镜142通过电动机140移动以引导第二能量束133。通过致动器或致动器系统112来移动安装系统108，该致动器或致动器系统112被构造成在XY平面中移动安装系统108，以与反射镜142配合，从而便于在增材制造系统100内制造部件104的层。例如但不限于，安装系统108绕中心点枢转，沿线性路径，弯曲路径移动和/或旋转以覆盖粉末床110上的一部分粉末，以便于沿着部件104的表面引导第一能量束132和第二能量束133。或者，壳体136，第一能量束132和第二能量束133以使增材制造系统100能够如本文所述起作用的任何取向和方式移动。
在示例性实施例中，粉末床110安装到支撑结构114，支撑结构114由致动器系统112移动。如以上关于安装系统108的描述，致动器系统112还被构造成在Z方向上(即，垂直于粉末床110的顶表面)移动支撑结构114。在一些实施例中，致动器系统112还被构造成使支撑结构114在XY平面内移动。例如但不限于，在壳体136固定的替代实施例中，致动器系统112在XY平面中移动支撑结构114以引导第一能量束产生器130的第一能量束132沿着第一扫描路径154，并且与电动机140和反射镜142配合以引导第二能量束生成器131的第二能量束133沿着第二扫描路径156(分别沿着粉末床110)。在示例性实施例中，致动器系统112包括但不限于例如线性电动机，液压和/或气动活塞，螺杆驱动机构和/或输送机系统。
在示例性实施例中，增材制造系统100被操作以用部件104的3D几何形状的计算机建模代表来制造部件104。可以在计算机辅助设计(CAD)或类似文件中生成计算机建模代表。部件104的CAD文件被转换为逐层格式，该格式包括用于部件104的每一层(例如，部件104的构建层116)的多个构建参数。在示例性实施例中，在相对于增材制造系统100中使用的坐标系原点的期望方位上对部件104进行建模。部件104的几何形状被切成具有期望厚度的一堆层，使得每一层的几何形状是在该特定层位置处穿过部件104的横截面的轮廓。横跨相应层的几何形状产生第一扫描路径154和第二扫描路径156。沿着第一扫描路径154和第二扫描路径156应用构建参数，以使用用于构建部件104的材料来制造部件104的该层。对于部件104几何结构的每个相应层重复这些步骤。一旦该过程完成，将生成一个或多个包括所有层的电子计算机构建文件。将构建文件加载到增材制造系统100的控制器106中，以在每一层的制造处理中控制系统。
在将构建文件加载到控制器106中之后，操作增材制造系统100，通过实施逐层制造工艺(例如直接金属激光熔化方法)来生成部件104。示例性的逐层增材制造处理不使用预先存在的制品作为最终部件的前体，而是该过程用可构造形式的原材料(例如粉末)来生产部件104。例如但不限于，可以使用钢粉末来增材制造钢部件。增材制造系统100能够使用多种材料(例如但不限于金属，陶瓷，玻璃和聚合物)制造部件，例如部件104。
图2是用于操作增材制造系统100(图1所示)的控制器106的框图。在示例性实施例中，控制器106是通常由增材制造系统100的制造商提供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至少部分地基于来自操作员的指令执行操作以控制增材制造系统100的操作。控制器106包括例如将由增材制造系统100制造的部件104的3D模型。控制器106执行的操作包括控制每个第一能量束发生器130(图1所示)和第二能量束发生器131(图1所示)的功率输出，以及经由致动器系统112(均在图1中示出)调节安装系统108和/或支撑结构114，以控制第一能量束132和第二能量束133的扫描速度。控制器106还构造成控制电动机140以引导反射镜142，以进一步控制增材制造系统100内的第二能量束133的扫描速度。在替代实施例中，控制器106可以执行使增材制造系统100能够如本文所述起作用的任何操作。
在示例性实施例中，控制器106包括存储器设备118和耦接到存储器设备118的处理器120。处理器120可以包括一个或多个处理单元，例如但不限于多核构造。处理器120是允许控制器106如本文所述操作的任何类型的处理器。在一些实施例中，可执行指令被存储在存储器设备118中。控制器106可构造成通过编程处理器120执行本文所述的一个或多个操作。例如，可以通过将操作编码为一个或多个可执行指令并在存储器设备118中提供可执行指令来对处理器120进行编程。在示例性实施例中，存储器设备118是使得能够存储和检索诸如可执行指令或其他数据的信息的一个或多个设备。存储器设备118可以包括一个或多个计算机可读介质，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。以上存储器类型仅是示例性的，因此不限于可用于存储计算机程序的存储器的类型。
存储器设备118可以被构造成存储任何类型的数据，包括但不限于与部件104相关联的构建参数。在一些实施例中，处理器120基于数据的寿命从数据存储器设备118移除或“清除”数据。例如，处理器120可以覆盖与后续时间或事件相关联的先前记录和存储的数据。另外或可替代地，处理器120可以去除超过预定时间间隔的数据。另外，存储器设备118包括但不限于足够的数据，算法和命令，以促进对由增材制造系统100制造的部件104的构建参数和几何条件的监测。
在一些实施例中，控制器106包括耦接到处理器120的呈现界面122。呈现界面122向用户124呈现诸如增材制造系统100的操作条件的信息。在一个实施例中，呈现界面122包括耦接到诸如阴极射线管(CRT)，液晶显示器(LCD)，有机LED(OLED)显示器或“电子墨水”显示器之类的显示设备(未示出)的显示适配器(未示出)。在一些实施例中，呈现界面122包括一个或多个显示设备。另外或替代地，呈现界面122包括音频输出设备(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包括用户输入界面126。在示例性实施例中，用户输入界面126耦接到处理器120并从用户124接收输入。用户输入界面126可以包括但不限于例如键盘，定点设备，鼠标，触控笔，触敏面板，诸如但不限于触摸板或触摸屏，和/或音频输入界面，例如但不限于麦克风。诸如触摸屏之类的单个部件可以用作呈现界面122的显示设备和用户输入界面126。
在该示例性实施例中，通信接口128耦接到处理器120，并且被构造成与一个或多个其他设备(例如第一能量束发生器130)通信耦接，并且在充当输入通道的同时针对这些设备执行输入和输出操作。例如，通信接口128可以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可以从一个或多个远程设备接收数据信号或向一个或多个远程设备发送数据信号。例如，在一些实施例中，控制器106的通信接口128可以向致动器系统112发送数据信号/从致动器系统112接收数据信号。
呈现界面122和通信接口128均能够提供适合与本文描述的方法一起使用的信息，例如，向用户124或处理器120提供信息。因此，呈现界面122和通信接口128可以被称为输出设备。类似地，用户输入界面126和通信接口128能够接收适合与本文描述的方法一起使用的信息，并且可以被称为输入设备。
图3是增材制造系统100(图1所示)的固结设备138的局部立体图。图4是固结设备138(图3所示)的示意图。在示例性实施例中，固结设备138包括多个第一能量束发生器130，其构造成产生多个第一能量束132，以在构造层116中形成第一熔池134。固结设备138还包括第二能量束发生器131，该第二能量束发生器131构造成产生第二能量束133，以在构造层116中形成第二熔池135。在示例性实施例中，多个第一能量束发生器130布置成阵列并且是阴影线激光设备(hatching laser device)，并且第二能量束发生器131是轮廓激光设备(contouring laser device)。在替代实施例中，多个第一能量束生成器130和第二能量束生成器131可以包括任何类型和数量的能量束生成器，以使得能够如本文所述地进行增材制造系统100的操作。
在示例性实施例中，第一透镜144具有第一入射光瞳158，并且位于第一能量束产生器130与构造层116之间，并且被构造成接收第一能量束132。第二透镜146具有第二入射光瞳160，并且位于第一透镜144和构造层116之间。第二透镜146被构造成从第一透镜144接收第一能量束132，并且将第一能量束132沿着第一扫描路径154聚焦在构建层116的表面上。在示例性实施例中，第一透镜144和第二透镜146是远心透镜，并且被定位成使得第一入射光瞳158基本上与第二入射光瞳160重叠。在替代实施例中，第一透镜144和第二透镜146可以以有助于本文所述的增材制造系统100的操作的任何方式构造。
在示例性实施例中，反射元件148位于第一透镜144和第二透镜146之间。反射元件148被构造成接收第二能量束133并且反射第二能量束133通过第二透镜146以入射在构造层116的表面上。在示例性实施例中，反射元件148是二向色分束器，其被构造成透射具有980nm的波长的光并反射具有1070nm的波长的光。在替代实施例中，反射元件148可以以有助于本文所述的增材制造系统100的操作的任何方式构造。
在示例性实施例中，反射镜142是位于第二能量束产生器131与反射元件148之间的反射元件，并且被构造成从第二能量束产生器131接收第二能量束133。电动机140由控制器106控制，并且被构造来移动反射镜142，使得第二能量束133被反射镜142反射到反射元件148，然后被引导通过第二透镜146，以沿着沿着粉末床110的预定路径入射，例如但不限于，线性和/或旋转的第二扫描路径156。在示例性实施例中，电动机140和反射镜142的组合形成二维扫描振镜。或者，电动机140和反射镜142可包括三维(3D)扫描振镜，动态聚焦振镜和/或可用于使第二能量束发生器131的第二能量束133偏转的任何其他方法。
在示例性实施例中，第一能量束132从第一能量束产生器130行进到第一透镜144，穿过第一透镜144，被第二透镜146接收，并穿过第二透镜146，以入射在构造层116上。使用两个单独的单边远心透镜，第一透镜144和第二透镜146的入射光瞳基本重叠(第一光瞳158和第二光瞳160)，从而在第一透镜144和第二透镜146之间的中点提供了一个焦平面。反射元件148位于焦平面处，以将第二能量束133引入第二透镜146和构造层116，而无需第二组透镜，同时允许第一能量束132如本文所述起作用。在示例性实施例中，多个第一能量束发生器130产生多个第一能量束132，以有助于在增材制造系统100的操作期间固结部件104的大面积，被称为阴影化(hatching)。第二能量束发生器131产生第二能量束133，其与反射镜142，反射元件148和第二透镜146配合以固结多个第一能量束132不具有有效固结的分辨率的部件104的轮廓和复杂区域。
图5是固结设备138(在图3-4中示出)的替代实施例的示意图，示出了能量束感测系统162。除了存在包括能量束检测器164和反射传感器元件166的感测系统162之外，图3和图4所示的实施例与图5所示的实施例基本相同。在示例性实施例中，能量束检测器164被构造成检测由构建层116反射通过第二透镜146和第一透镜144的至少一个第一能量束132和第二能量束133中的至少一个。在示例性实施例中，能量束检测器164是光电二极管传感器。在替代实施例中，能量束检测器164是图像传感器。在其他替代实施例中，能量束检测器164和反射传感器元件166可以以有助于本文所述的增材制造系统100的操作的任何方式构造。
在示例性实施例中，反射传感器元件166位于第一透镜144和多个第一能量束产生器130之间。反射传感器元件166被构造成传递由多个第一能量束发生器130产生的多个第一能量束132，并且将由构建层116反射的多个第一能量束132和由构建层116反射的第二能量束133中的至少一个反射到能量束检测器164。在替代实施例中，反射传感器元件166可以以有助于本文所述的增材制造系统100的操作的任何方式构造。
在示例性实施例中，在增材制造系统100的操作期间，多个第一能量束132和第二能量束133中的至少一个的至少一部分被构建层116反射通过第二透镜146和第一透镜144。多个第一能量束132和第二能量束133中到达反射传感器元件166的部分被反射传感器元件166反射到能量束检测器164。能量束检测器164与控制器106通信，控制器106使用从能量束检测器164接收的信息来监测增材制造处理并对该处理进行调整，包括但不限于调整多个第一能量束产生器130和第二能量束产生器131的功率输出。另外，经由能量束检测器164对多个第一能量束132和第二能量束133的下光束过程监测通过识别多个第一能量束132和第二能量束133入射在其上的区域内的不一致和不必要的重叠，有助于改善处理的一致性和效率。
图6是示出了使用包括固结设备138的增材制造系统100来制造部件104的方法200的流程图。参照图1-5，方法200包括在表面上沉积材料层(202)。方法200还包括从至少一个第一能量束发生器130发射至少一个第一能量束132和从第二能量束发生器131发射第二能量束133(204)。方法200还包括通过第一透镜144和第二透镜146接收至少一个第一能量束132(206)。方法200包括使用位于第一透镜144和第二透镜146之间的反射元件148反射第二能量束133穿过第二透镜146(208)。最后，方法200包括用至少一个第一能量束132在材料的构造层116中生成至少一个第一熔池134，用第二能量束133在材料的构造层116中生成第二熔池134(210)。
具有本文所述的固结设备的增材制造系统的实施例有助于使用一组共享的光学组件来操纵由单独的能量束发生器产生的多个能量束。因此，本文描述的系统和方法使用至少一个第一能量发生器来促进部件的大面积的快速固结，并且使用单独的第二能量束发生器来促进部件的轮廓和复杂部分的固结，每种类型的能量束都被引导通过一组共享的透镜。具体地，增材制造系统包括固结设备，该固结设备包括至少一个第一阴影线能量束发生器，第二轮廓能量束发生器，一对透镜以及位于两个透镜之间的反射元件。由至少一个第一能量束发生器产生的至少一个第一能量束在入射到部件的构造层上之前被两个透镜接收并行进通过两个透镜，以固结部件的大的开放区域。由第二能量束发生器产生的第二能量束在入射到部件的构造层上之前，被反射元件反射通过第二透镜，以固结部件的轮廓和复杂区域。此类固结设备可用于但不限于在固结设备每次通过部件时增加覆盖范围，减少固结设备在增材制造处理中必须进行的通过次数，减少制造时间并减少固结设备的尺寸和复杂性。
本文所述的方法，系统和装置的示例性技术效果包括以下至少之一：(a)使用至少部分共享的光学系统，将多个单独的能量束发生器作为固结设备的一部分进行操作；(b)在每次通过固结设备时增加固结范围；(b)减少零件的制造时间；(c)通过更少的制造时间和硬件来降低运营成本。
上面详细描述了包括固结设备的增材制造系统的示例性实施例，该固结设备包括由多个单独的能量束发生器共享的透镜。所述装置，系统和方法不限于本文描述的特定实施例，而是相反，所述方法的操作和系统的部件可以与本文描述的其他操作或部件独立地并且分开地利用。例如，本文描述的系统，方法和装置可以具有其他工业或消费者应用，并且不限于实践如本文描述的部件。而是，可以结合其他行业来实现和利用一个或多个实施例。
尽管可以在一些附图中示出本公开的各种实施例的特定特征而不在其他附图中示出，但这仅是为了方便。根据本公开的原理，可以结合任何其他附图的任何特征来参考和/或要求保护附图的任何特征。
一些实施例涉及使用一个或多个电子或计算设备。这样的设备通常包括处理器，处理设备或控制器，例如通用中央处理器(CPU)，图形处理器(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)设备和/或能够执行本文所述功能的任何其他电路或处理设备。本文描述的方法可以被编码为体现在计算机可读介质中的可执行指令，该计算机可读介质包括但不限于储存设备和/或存储器设备。当由处理设备执行时，这样的指令使处理设备执行至少一部分本文描述的方法。以上示例仅是示例性的，因此无意于以任何方式限制术语处理器和处理设备的定义和/或含义。
本书面描述使用示例来描述本公开，包括最佳模式，并且还使本领域的任何技术人员能够实践本公开，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何结合的方法。本公开的可专利范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这样的其他示例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言没有实质性差异的等效结构元件，则它们旨在权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种用于增材制造系统的固结设备，其特征在于，所述固结设备包括：
至少一个第一能量束发生器，所述第一能量束发生器构造成生成第一能量束，用于在材料层中形成第一熔池；
至少一个第二能量束发生器，所述第二能量束发生器构造成生成第二能量束，用于在所述材料层中形成第二熔池；
至少一个具有第一入射光瞳的第一透镜，所述第一透镜位于所述第一能量束发生器和所述材料层之间，其中，所述第一透镜构造成接收所述第一能量束；
至少一个具有第二入射光瞳的第二透镜，所述第二透镜位于所述第一透镜和所述材料层之间，其中，所述第二透镜构造成接收来自所述第一透镜的所述第一能量束，并且其中，所述第一入射光瞳和所述第二入射光瞳基本上重叠；以及
至少一个反射元件，所述反射元件位于所述第一透镜和所述第二透镜之间，所述反射元件构造成接收所述第二能量束并使所述第二能量束反射通过所述第二透镜以入射在所述材料层上。
2.根据权利要求1所述的固结设备，其特征在于，其中所述第一透镜和所述第二透镜分别包括单侧远心透镜。
3.根据权利要求2所述的固结设备，其特征在于，其中所述第一能量束发生器包括第一阴影线激光设备的阵列，并且所述第二能量束发生器包括轮廓激光设备。
4.根据权利要求1所述的固结设备，其特征在于，其中所述反射元件包括二向色分束器。
5.根据权利要求4所述的固结设备，其特征在于，其中所述二向色分束器构造成透射具有大约980纳米(nm)的波长的光并且反射具有大约1070nm的波长的光。
6.根据权利要求1所述的固结设备，其特征在于，进一步包括能量束感测系统，所述能量束感测系统包括能量束检测器，所述能量束检测器构造成检测在被所述材料反射之后的所述第一能量束和所述第二能量束中的至少一个。
7.根据权利要求6所述的固结设备，其特征在于，其中所述能量束检测器包括光电二极管和图像传感器中的至少一个。
8.一种增材制造系统，其特征在于，包括：
要固结的材料；以及
固结设备，包括：
至少一个第一能量束发生器，所述第一能量束发生器构造成生成第一能量束，用于在材料层中形成第一熔池；
至少一个第二能量束发生器，所述第二能量束发生器构造成生成第二能量束，用于在所述材料层中形成第二熔池；
至少一个具有第一入射光瞳的第一透镜，所述第一透镜位于所述第一能量束发生器和所述材料层之间，其中，所述第一透镜构造成接收所述第一能量束；
至少一个具有第二入射光瞳的第二透镜，所述第二透镜位于所述第一透镜和所述材料层之间，其中，所述第二透镜构造成接收来自所述第一透镜的所述第一能量束，并且其中，所述第一入射光瞳和所述第二入射光瞳基本上重叠；以及
至少一个反射元件，所述反射元件位于所述第一透镜和所述第二透镜之间，所述反射元件构造成接收所述第二能量束并使所述第二能量束反射通过所述第二透镜以入射在所述材料层上。
9.根据权利要求8所述的增材制造系统，其特征在于，其中所述第一透镜和所述第二透镜中的每一个均包括单侧远心透镜。
10.根据权利要求9所述的增材制造系统，其特征在于，其中所述第一能量束发生器包括第一阴影线激光设备的阵列，并且所述第二能量束发生器包括轮廓激光设备。
11.根据权利要求8所述的增材制造系统，其特征在于，其中所述反射元件包括二向色分束器。
12.根据权利要求11所述的增材制造系统，其特征在于，其中所述二向色分束器构造成透射具有大约980纳米(nm)的波长的光并且反射具有大约1070nm的波长的光。
13.根据权利要求10所述的增材制造系统，其特征在于，进一步包括能量束感测系统，所述能量束感测系统包括能量束检测器，所述能量束检测器构造成检测在被所述材料反射之后的所述第一能量束和所述第二能量束中的至少一个。
14.根据权利要求13所述的增材制造系统，其特征在于，其中所述能量束检测器包括光电二极管和图像传感器中的至少一个。
15.一种使用包括固结设备的增材制造系统制造部件的方法，其特征在于，所述方法包括：
在表面上沉积材料层；
从至少一个第一能量束发生器发出至少一个第一能量束，并从至少一个第二能量束发生器发出至少一个第二能量束；
通过至少一个第一透镜和至少一个第二透镜接收所述第一能量束；
使用位于所述第一透镜和所述第二透镜之间的至少一个反射元件将所述第二能量束反射通过所述第二透镜；以及
利用所述第一能量束在所述材料层中产生至少一个第一熔池，并利用所述第二能量束在所述材料层中产生第二熔池。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，其中通过第一透镜和第二透镜接收所述第一能量束，包括通过单侧远心的第一透镜和单侧远心的第二透镜接收所述第一能量束。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，其中发出至少一个第一能量束和至少一个第二能量束，包括：从第一阴影线能量束发生器的阵列发出至少一个第一能量束，并且从轮廓能量束发生器发出至少一个第二能量束。
18.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，其中反射所述第二能量束包括使用二向色分束器反射所述第二能量束。
19.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，其中反射所述第二能量束包括使用二向色分束器反射所述第二能量束，所述二向色分束器构造成透射具有大约980纳米(nm)的波长的光并且反射具有大约1070nm的波长的光。
20.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，其中制造所述部件进一步包括：使用包括能量束检测器的能量束感测系统，所述能量束检测器构造成检测在被所述材料反射之后的所述第一能量束和所述第二能量束中的至少一个。
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