CN111315510B - 用于增材制造的扫描场变化 - Google Patents

Abstract

一种用于增材制造的方法，设备和程序。增材制造方法可以包括在第一扫描区域(902A)内凝固构建材料(416)的第一层(601)的至少一部分。可以移动构建单元(400)和构建平台(310)中的至少一个，以凝固第二扫描区域(902B)内的构建材料(416)的第一层(601)的至少一部分。可以在第一扫描区域(902A)和第二扫描区域(902B)的至少一部分上提供构建材料(416)的第二层(602)。可以在第三扫描区域(902C)的至少一部分内凝固构建材料(416)的第二层(602)，第三扫描区域(902C)可以与第一扫描区域(902A)至少部分地重叠，并且相对于第一扫描区域(902A)偏移。

Description

用于增材制造的扫描场变化

优先权信息

本申请人要求2017年11月10日提交的题为“用于增材制造的扫描场变化”的美国临时专利申请序列号62/584,482的优先权，其公开内容通过引用合并于此。

技术领域

本公开涉及一种用于扫描用于增材制造的构建材料的改进的方法和设备。

背景技术

作为示例，增材制造(AM)技术可包括电子束自由形式制造，激光金属沉积(LMD)，激光线金属沉积(LMD-w)，气体金属电弧焊，激光工程网成形(LENS)，激光烧结(SLS)，直接金属激光烧结(DMLS)，电子束熔化(EBM)，粉末进给定向能量沉积(DED)和三维打印(3DP)。与减材制造方法相比，增材制造工艺通常涉及一种或多种材料的累积，以制成网状或接近网状(NNS)的物体。尽管“增材制造”是行业标准术语(ISO/ASTM 52900)，但AM包含以各种名称已知的各种制造和原型技术，包括自由形式制造，3D打印，快速原型/加工等。AM技术能够从多种材料制造复杂的部件。通常，可以从计算机辅助设计(CAD)模型制造独立的物体。例如，特定类型的AM工艺使用能量束(例如，电子束或电磁照射，例如激光束)来烧结或熔化粉末材料和/或线材，创建固体三维物体，在该固体三维物体中，将材料结合在一起。

选择性激光烧结，直接激光烧结，选择性激光熔化和直接激光熔化是常用工业术语，用于指代通过使用激光束烧结或熔化细粉来生产三维(3D)物体。例如，美国专利第4,863,538号和美国专利第5,460,758号描述了常规的激光烧结技术。更具体地说，烧结需要在低于粉末材料的熔点的温度下使粉末的颗粒熔融(凝聚)，而熔化则需要将粉末的颗粒完全熔化以形成固体均质体。与激光烧结或激光熔化相关的物理过程包括热传递到粉末材料，然后烧结或熔化粉末材料。电子束熔化(EBM)利用聚焦的电子束来熔化粉末。这些过程涉及连续熔化粉末层以在金属粉末中构建物体。

其示例在上文和整个公开中进行讨论的AM技术可以通过使用激光或能量源在粉末中产生热量从而至少部分地熔化材料来表征。因此，在短时间内在细粉中产生高浓度的热量。在部件的构件过程中，粉末内部的高温梯度可能会对已完成部件的微观结构产生重大影响。快速加热和凝固可能会导致较高的热应力，并导致整个凝固材料出现局部非平衡相。此外，由于可以通过材料中的导热方向来控制已完成AM部件中晶粒的取向，在AM设备和技术中的激光器的扫描策略成为控制AM构建部件的微观结构的重要方法。控制AM设备中的扫描策略对于开发无材料缺陷的部件至关重要，缺陷的例子可能包括缺乏熔融孔隙度和/或沸腾孔隙度。

图1是示出用于直接金属激光烧结(DMLS)或直接金属激光熔化(DMLM)的示例性常规系统110的横截面图的示意图。设备110通过使用由诸如激光器120的源产生的能量束136烧结或熔化粉末材料(未示出)，以逐层的方式(例如，出于说明目的放大了比例的层L1，L2和L3)构建物体，例如零件122。要由能量束熔化的粉末由贮存器126供应，并使用沿方向134行进的重涂器臂116被均匀地散布在构建板114上，以使粉末保持在水平118处，并将延伸超过粉末水平118的多余的粉末材料移除到废料容器128。能量束136在振镜扫描仪132的控制下烧结或熔化正在构建的物体的横截面层(例如，层L1)。降低构建板114，并且将另一层粉末(例如，层L2)散布在构建板和正在构建的物体上，然后通过激光器120进行粉末的连续熔化/烧结。重复该过程，直到零件122由熔化/烧结的粉末材料完全构建。激光器120可以由包括处理器和存储器的计算机系统控制。该计算机系统可以确定每层的扫描图案，并根据扫描图案控制激光器120照射粉末材料。在零件122的制造完成之后，可以将各种后处理程序应用于零件122。后处理程序包括例如通过吹扫或抽真空，机械加工，打磨或喷砂，来移除多余的粉末。此外，例如，常规的后处理可包括通过机械加工从构建平台/基板移除零件122。其他后处理程序包括应力释放过程。另外，可以使用热和化学后处理程序来完成零件122。

通过执行控制程序的计算机来控制上述AM处理。例如，设备110包括执行固件，操作系统或其他软件的处理器(例如，微处理器)，该处理器在设备110和操作员之间提供接口。计算机接收要形成的物体的三维模型作为输入。例如，使用计算机辅助设计(CAD)程序生成三维模型。计算机分析该模型，并为模型中的每个物体提出工具路径。操作员可以定义或调整扫描模式的各种参数，例如功率，速度和间距，但通常不直接对工具路径进行编程。本领域普通技术人员将完全理解，上述控制程序可以适用于任何上述AM工艺。此外，上述计算机控制可以适用于任何减材制造或在任何后处理或混合过程中采用的任何前或后处理技术。

上述增材制造技术可以用于由不锈钢，铝，钛，钴铬以及其他金属材料或任何合金来形成部件。例如，上述合金可以包括商标名称为

Super AlloyInconel 625TM，

625，

625，

625，

6020，Inconel188的材料，以及具有对使用上述技术形成部件具有吸引力的材料特性的任何其他材料。

在上述示例中，通常控制激光和/或能量源以基于图案在粉末层中形成一系列凝固线(以下可互换地称为填充线，凝固线和光栅线)。可以选择图案以减少构建时间，改善或控制凝固材料的材料特性，减小已完成材料中的应力，和/或减少对激光器、振镜扫描仪和/或电子束的磨损。过去已经考虑了各种扫描策略，例如包括棋盘图案和/或条纹图案。

一种控制构建的AM部件的材料内的应力的尝试包括在AM构建过程中旋转包含多个相邻的平行矢量(作为凝固线)的条形区域，这些平行矢量垂直于形成每层的条形区域的边界的凝固线延伸。对于AM构建的每一层，旋转由条纹限定边界并垂直于条纹的平行凝固线。在授予Dimter等人的题为“用于制造三维物体的方法和装置”的美国专利8,034,279B2中公开了一种控制AM设备中的扫描策略的示例，其全文以引用方式并入本文。

图2和3表示上述旋转条纹策略(例如，通常由激光器的扫描线210识别)。在整个粉末表面上扫描激光，以形成一系列的凝固线213A，213B。一系列的凝固线形成构建的层，并由条纹211A和211B形式的凝固线限定边界，条纹211A和211B垂直于凝固线213A和213B，形成每个条纹区域的边界。由凝固线211A和211B限定边界的条纹区域形成待构建层的较大表面的一部分。在形成零件时，大部分零件横截面被划分为多个条纹区域(包含横向凝固线的两个凝固条纹之间的区域)。对于在AM构建过程中形成的每层，条纹取向被旋转，如图2和3所示。第一层可以在条纹区域中形成有一系列平行的凝固线213A，平行的凝固线213A基本上形成为垂直于凝固的条纹211A并由凝固的条纹211A限定边界。在形成在第一层上的后续层中，条纹211B如图3所示旋转。通过相对于上一层旋转的一组凝固条纹211B为凝固线213A和213B创建条纹边界，形成为垂直于条纹211B并由条纹211B限定边界的凝固线213B也相对于先前层的凝固线213A旋转。

使用上述旋转条纹策略，当采用如下所述的用于大型AM设备的构建时，存在进一步在每一层中产生变化的需求。通过采用所公开的各种实施例，可以进一步提高构建效率和/或改善对每层以及先前/随后层内的热量积累的控制和/或效率。此外，通过控制条纹区域的图案和条纹区域内的凝固线，可以改变使用AM工艺构建的零件的微观结构。

在使用至少一个如下所述的移动构建单元和/或移动构建平台的大型AM设备中，可以采用上述策略。然而，当形成与另一个扫描区域接壤的扫描区域时，进一步需要在构造内产生变化以控制已完成部件的冶金，同时仍保持效率。

发明内容

方面和优点将在下面的描述中部分地阐述，或者可以从描述中显而易见，或者可以通过实施本发明而获知。

在一个方面，公开了一种用于增材制造的方法，该方法包括在第一扫描区域内凝固构建材料的第一层的至少一部分。可以将构建单元移动到第二扫描区域，并且可以在第二扫描区域内凝固第二扫描区域的至少一部分。可以在第一扫描区域的至少一部分上提供第二层构建材料。可以在第三扫描区域的至少一部分内凝固构建材料的第二层，第三扫描区域可以与第一扫描区域至少部分地重叠，并且可以相对于第一扫描区域偏移。

在另一方面，公开了一种用于增材制造的方法，该方法包括在第一扫描区域内凝固构建材料的第一层的至少一部分。构建平台可以被移动到第二扫描区域以在第二扫描区域内凝固构建材料的至少一部分。可以在第一扫描区域的至少一部分上提供构建材料的第二层。可以在第三扫描区域的至少一部分内凝固构建材料的第二层，第三扫描区域可以与第一扫描区域至少部分地重叠，并且可以相对于第一扫描区域偏移。

在另一方面，公开了一种存储程序的非暂时性计算机可读介质，该程序被配置为使计算机执行增材制造方法。增材制造方法可以包括在第一扫描区域内凝固构建材料的第一层的至少一部分。构建单元和构建平台中的至少一个可以移动到第二扫描区域，构建材料的第一层的至少一部分可以在第二扫描区域内凝固。可以在第一扫描区域的至少一部分上提供构建材料的第二层。可以在第三扫描区域的至少一部分内凝固构建材料的第二层，第三扫描区域可以与第一扫描区域至少部分地重叠，并且可以相对于第一扫描区域偏移。

参考以下描述和所附权利要求，将更好地理解这些和其他特征，方面和优点。结合在本说明书中并构成其一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与说明书一起用于解释本发明的某些原理。

附图说明

在说明书中提出了针对本领域的普通技术人员的本发明的完整而可行的公开，包括其最佳模式，其参考附图，其中：

图1是用于形成部件的至少一部分的常规增材制造技术的侧视图；

图2是示出用于形成部件的至少一部分的常规填充和条纹图案的俯视图；

图3是示出用于形成部件的至少一部分的常规填充和条纹图案的俯视图；

图4是立体图，描绘了在AM过程中部件构建的示例层；

图5是描绘用于形成图4中描绘的部件的每一层的填充和条纹图案的俯视图；

图6是根据本公开的一个方面的构建单元的侧视图横截面；

图7是根据本公开的一个方面的增材制造设备的构建单元和旋转构建平台的一部分的侧视图横截面；

图8是示出根据本公开的一方面的构建单元和扫描区的示例取向的俯视图；

图9是示出根据本公开的一方面的构建单元和扫描区的示例取向的俯视图；

图10是立体图，描绘了根据本公开的一方面的在AM过程期间构建的部件的示例层；

图11是描绘用于形成图10中描绘的部件的每一层的示例扫描区构造的俯视图；

图12是描绘用于形成图10和图11中描绘的部件的每一层的示例扫描区构造的俯视图；和

图13是描绘根据本公开的一个方面的用于形成部件的每一层的示例扫描区构造的俯视图；

在本说明书和附图中重复使用参考字符旨在表示本发明的相同或相似特征或元件。

具体实施方式

现在将详细参考本发明的实施例，在附图中示出了其一个或多个示例。通过举例说明本发明而不是限制本发明来提供每个实示例。实际上，对于本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可以对本发明进行各种修改和变型。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以与另一实施例一起使用，以产生又一实施例。因此，本发明旨在覆盖落入所附权利要求及其等同物的范围内的这种修改和变型。

当使用任何上述AM技术以通过至少部分熔化粉末来形成零件时，以光栅扫描方式对粉末材料的激光扫描用于创建图案填充扫描(以下可互换地称为填充扫描，光栅，扫描线或凝固线)。在AM构建期间，上述凝固线用于形成零件横截面的大部分。轮廓扫描可以进一步用于勾勒零件横截面的边缘的轮廓。在光栅扫描过程中，能量源或激光器被打开，在需要AM构建的固体部分的区域被增加功率和/或聚焦，然后被关闭，散焦，脉冲化和/或在不需要在该层中熔化形成物体的横截面的地方降低功率。在光栅扫描过程中，沿着相邻的凝固线重复粉末的至少部分熔化和凝固的形成，以例如形成待构建物体的单个熔化和熔融的横截面，而轮廓扫描则创建零件的离散边界或边缘。在使用粉末床的示例AM设备中，一旦完成了构建物体的一个横截面的熔化形成，该设备就会在完成的横截面表面上涂上一层额外的粉末。重复该过程，直到完成物体为止。注意，尽管在整个说明书中将构建材料称为粉末，但是可以使用任何构建材料来形成每一层(例如，构建材料的箔和/或薄片)。此外，虽然术语凝固，熔化，部分凝固在整个说明书中使用，并且应当注意，本公开旨在适用于构建材料的任何类型的致密化。例如，本公开思想可以适用于构建材料的粘合剂喷射。粘合剂喷射涉及以与上述类似的方式连续沉积增材粉末层。然而，代替使用能量源产生能量束以选择性地熔化或熔融增材粉末，粘合剂喷射涉及将液体粘合剂选择性地沉积在每一粉末层上。例如，液体粘合剂可以是光固化聚合物或另一种液体结合剂。其他合适的增材制造方法和变型旨在处于本主题的范围内。

由于以上原因，至少出于以下原因，控制激光和/或能量源，以使用图案在粉末层中形成一系列凝固线：减少构建时间，控制粉末内的热量累积和/或提高构建效率，改善和/或控制凝固材料的材料性能，减少完成材料中的应力和/或减少对激光器和/或振镜扫描仪的磨损。

如图4和图5所示，构建的AM部件包括多个层215、216、217。示出了上述策略的一个示例，例如，第一层217可以通过软件被划分为由形成为凝固线的条纹257和277限定边界的几个条纹区域。条纹257和277可以形成用于单独形成的平行相邻矢量或凝固线267的边界。零件的表面包括覆盖要构建的表面的多个条纹。如图5所示，每个条纹区域由层217中的凝固条纹257和277限定边界，凝固条纹257和277形成一系列平行凝固线267的边界。平行凝固线267垂直于凝固条纹边界257和277。这些条纹在层217中以第一角度取向，其中垂直凝固线267基本垂直于条纹257和277形成。在第二层216上由凝固条纹256和257限定边界的条纹区域相对于上一层217上的凝固条纹边界257和277成角度。因此，垂直于凝固条纹256和276延伸的凝固线266也相对于上一层217上的凝固线267成角度。随着构建的进行，在第三层215上具有条纹265和275的下一层相对于层217上的条纹257和277、以及层216上的条纹256和276成角度。应理解，如本文所用，术语“第一”，“第二”，和“第三”可以交换地使用，以将一个打印区域与另一个打印区域进行区分，并且不意味着表示各个区域的位置或重要性，也不表示必须打印区域的顺序。

可根据本发明使用的扫描策略的其他细节可以在以下文件中找到：2017年3月7日提交的美国专利申请号15/451,108，题为“用于增材制造的三角形填充图案”，代理案卷号037216.00070；2017年3月6日提交的美国专利申请号15/451,043，题为“用于填充图案的腿消除策略”，代理案卷号037216.00078；2017年3月15日提交的美国专利申请号15/459,941，题为“用于增材制造的恒定变化的填充”，代理案卷号037216.00077，其公开内容通过引用合并于此。

图6示出了根据本发明的大型AM设备的一个实施例的示例。该设备包括定位系统(未示出)，构建单元400，该构建单元400包括照射发射引导装置401，层流气流区404，以及在被构建的物体415下方的构建板。最大构建区域由定位系统(未示出)限定，而不是像常规系统那样由粉末床来限定，并且可以将用于特定构建的构建区域限制在可以与物体一起动态构建的构建封套(envelope)414中。通常，本发明中使用的定位系统可以是任何多维定位系统，例如龙门系统，三角机器人，电缆机器人，机械臂等。照射发射引导装置401可以通过第二定位系统(未示出)独立地在构建单元400内部移动。可以控制构建单元外部的大气环境，即“构建环境”或“收容区(containment zone)”，使得相对于典型的周围空气减少氧气含量，并且使环境处于减压状态。在一些实施例中，所使用的重涂器是选择性重涂器。选择性重涂器411的一个实施例在图6中示出。

在激光源的情况下，也可能存在照射源，该照射源产生包括由照射发射引导装置所引导的激光照射的光子。当照射源是激光源时，照射发射引导装置可以是例如振镜扫描仪，并且激光源可以位于构建环境之外。在这些情况下，可以通过任何合适的手段，例如，光纤电缆，将激光照射传输到照射发射引导装置。当照射源是电子源时，则电子源产生包含由照射发射引导装置所引导的电子束的电子。当照射源是电子源时，照射发射引导装置可以是，例如，偏转线圈。当根据本发明的实施例的大型增材制造设备在运行时，如果照射发射引导装置引导激光束，则通常有利的是包括基本上提供层流气流区的气流装置403。电子束也可以代替激光被使用或与激光结合使用。电子束是众所周知的照射源。例如，授予Larsson的题为“用于生产三维产品的布置和方法”的美国专利号7,713,454讨论了电子束系统，并且通过引用而在此结合。

气流装置403可以向加压出口部分403A和真空入口部分403B提供气体，该加压出口部分403A和真空入口部分403B可以向气流区404和重涂器405提供气流。在气流区404上方有外壳418，外壳418可包含惰性环境419。重涂器405可包括料斗406，其包括后板407和前板408。重涂器405还具有至少一个致动元件409，至少一个闸板410，重涂器刀片411，致动器412和重涂器臂413。重涂器安装在安装板420上。图6还示出了可以通过例如增材制造或Mig/Tig焊接来构建的构建封套414，形成的物体415，以及容纳在料斗406中用于形成物体415的粉末416。在该特定示例中，致动器412激活致动元件409以将闸板410从前板408拉开。在实施例中，致动器412可以是例如气动致动器，并且致动元件409可以是双向阀。在实施例中，致动器412可以是例如音圈，并且致动元件409可以是弹簧。在前板408和后板407之间还存在料斗间隙417，当通过致动元件将相应的闸板从粉末闸门拉开时，该料斗间隙417允许粉末流动。粉末416，后板407，前板408和闸板410可以全部是相同的材料。替代地，后板407，前板408和闸板410可以全部是相同的材料，并且该材料可以是与任何所需材料兼容的材料，例如钴铬合金。在本发明的一个实施例的该特定图示中，气流区404中的气流沿x方向流动，但是也可以相对于构建单元沿任何期望的方向流动。重涂器刀片411在x方向上具有宽度。当θ₂近似为0时的照射发射束的方向在此视图中定义了z方向。气流区404中的气流可以基本上是层流的。照射发射引导装置401可以通过第二定位系统(未示出)独立地移动。该图示示出了处于关闭位置的闸板410。

还要注意，尽管上述选择性粉末重涂机构405仅包括单个粉末分配器，但是粉末重涂机构也可以包括包含多种不同材料粉末的多个隔室。类似的，上述设备可以包括多个重涂器机构。

当闸板410在打开位置时，料斗中的粉末被沉积以形成新粉末层416，新粉末层416B被重涂器刀片411抹平以形成基本上均匀的粉末层。在本发明的一些实施例中，可以在构建单元移动的同时照射基本均匀的粉末层，这将允许构建单元的连续操作并因此更快地生产物体。

图7示出了包括构建单元302的细节的制造设备300的侧视图，其被描绘在构建平台的远侧。移动构建单元302包括照射束引导机构506，具有向气流区538提供气流的气体入口和气体出口(未示出)的气流机构(例如，类似于气流装置403)，以及粉末重涂机构504。在该示例中，流动方向基本上沿着X方向。在气流区538上方，可以有外壳540，该外壳540包含惰性环境542。安装在重涂器板544上的粉末重涂机构504具有粉末分配器512，粉末分配器512包括后板546和前板548。粉末重涂机构504还包括至少一个致动元件552，至少一个闸板516，重涂器刀片550，致动器518和重涂器臂508。在该实施例中，致动器518激活致动元件552，以将闸板516从前板548拉开，如图7所示。在前板548和闸板516之间还有间隙564，当通过致动元件552将闸板516从前板548拉开时，间隙564允许粉末流动到旋转的构建平台310。旋转的构建平台310可以由马达316可旋转地控制。

图7示出了构建单元302，其中闸板516处于打开位置。粉末分配器512中的粉末515被沉积以形成新的粉末层554，通过重涂器刀片510，该新的粉末层554在旋转的构建平台310的顶表面的一部分(即，构建或工作表面)上被抹平，以形成基本上均匀的粉末层556，然后粉末层556由照射束558照射为作为被打印物体330的一部分的熔融层。在一些实施例中，可以在构建单元302移动的同时照射基本上均匀的粉末层556，这允许构建单元302的连续操作，并且因此可以更节省时间地生产被打印或生长的物体330。在旋转的构建平台310上构建的物体330在粉末床314中示出，该粉末床314由外部构建壁324和内部构建壁326约束。在本发明的一个实施例的该特定说明中，气流区538中的气流在x方向上流动，但是也可以相对于构建单元在任何期望的方向上流动。

注意，尽管上述选择性粉末重涂机构504仅包括单个粉末分配器，但是粉末重涂机构也可以包括容纳多种不同材料粉末的多个隔室.此外，虽然示出了单个重涂器设备，但是本发明适用于具有多个重涂器设备的设备。

此外，应理解，根据替代实施例，上述增材制造机器和构建单元可被配置用于使用增材制造的“粘合剂喷射”工艺。在这方面，粘合剂喷射涉及以与上述类似的方式连续沉积增材粉末层。然而，代替使用能量源产生能量束以选择性地熔化或熔融增材粉末，粘合剂喷射涉及将液体粘合剂选择性地沉积在每一粉末层上。例如，液体粘合剂可以是光固化聚合物或另一种液体粘合剂。其他合适的增材制造方法和变型旨在处于本主题的范围内。

可以根据本发明使用的单个和/或多个单元的构建单元和定位机构的附加细节可以在以下文件中找到：2017年5月31日提交的美国专利申请号15/610,177，题为“使用移动构建容积的增材制造”，代理案卷号037216.00103；2017年5月31日提交的美国专利申请号15/609,965，题为“连续增材制造的设备和方法”，代理案卷号037216.00102；2017年5月31日提交的美国专利申请号15/610,113，题为“利用动态生长的构建壁的实时同时增材和减材制造方法”，代理案卷号037216.00108；2017年5月31日提交的美国专利申请号15/610,214，题为“实时同时和校准的增材和减材制造方法”，代理案卷号037216.00109；2017年5月31日提交的美国专利申请号15/609,747，题为“利用回收未使用的原料的机制的实时同时增材和减材制造的设备和方法”，代理案卷号037216.00110；2017年1月13日提交的美国专利申请号15/406,444，题为“使用动态生长的构建封套的增材制造”，代理案卷号037216.00061；2017年1月13日提交的美国专利申请号15/406,467，题为“使用移动构建容积的增材制造”，代理案卷号037216.00059；2017年1月13日提交的美国专利申请号15/406,454，题为“使用移动扫描区域的增材制造”，代理案卷号037216.00060；2017年1月13日提交的美国专利申请号15/406,461，题为“使用选择性重涂器的增材制造”，代理案卷号为037216.00062；2017年1月13日提交的美国专利申请号15/406,471，题为“大型增材机器”，代理案卷号037216.00071，这些公开内容通过引用而结合于此。

在使用上述任何构建单元来构建部件时，控制构建单元相对于构建材料的定位以及控制处理参数以控制传递到构建材料中的能量对于已完成部件的冶金和/或结构质量和/或尺寸精度都很重要。例如，当使用激光时，从激光功率，扫描速度和扫描间距获得赋予构建材料的激光能量。激光功率是与输入到激光器的瓦特数相对的被引导到被构建的零件(例如，构建材料和正在构建的部件)中的能量。因此，激光功率可以包括激光的焦点，激光的脉冲和/或激光的瓦特数。扫描速度是激光在构建轮廓上移动的速度。例如，扫描速度可以由振镜扫描仪引导激光的速度来确定。扫描间距是在构建材料中形成的每条凝固线之间的间距。可以控制上述任何处理参数，以将特定能量赋予构建材料。因此，尽管不限于此，但是可以通过控制上述值中的任何一个或组合来控制能量密度。在构建过程中过多的能量密度可能会导致成品部件翘曲，尺寸不正确和/或沸腾孔隙率。太低的能量密度可能会导致完成的部件结合不当。从而，在整个构建过程中，可以基于估计或检测到的在该构建区域内的能量密度积累和/或能量密度的降低来恒定地控制能量密度。可以在一个区域内改变任何上述变量，以确保一致的构建和/或控制完成的层和/或多个完成的层的冶金性能。

此外，使用可用于形成比典型的AM设备大的部件的构建单元来形成部件，需要考虑每个扫描区域之间的区域和/或相邻扫描区域之间的边界区域。如下所述，例如，扫描区域可以包括构建单元相对于构建材料的位置。一旦完成了第一扫描区域并且将构建单元和/或构建平台移至要被至少部分凝固的构建材料层的第二部分上的第二扫描区域，如果第一扫描区域和第二扫描区域是间隔开的，则需要考虑的是在上述第一扫描区域和第二扫描区域之间的区域中的构建材料的凝固，和/或如果两个区域相邻，则需要考虑在第一扫描区域和第二扫描区域之间的边界处的构建材料的凝固。

在图8中示出了一个示例实施方式。图8示出了在形成AM构建的层的同时在构建区域900内的构建单元运动的示例俯视图。构建区域900可以是粉末床和/或可以是由构建单元供应粉末和/或构建材料的区域。构建区域也可以是一层箔。构建单元可以首先被定位在由902A表示的第一位置和/或取向中。注意，轮廓902A可以代表可扫描区域和/或构建单元轮廓，并且为了清楚起见而被简化。此外，应注意，部分902A可以可互换地称为可扫描区域或构建单元，并且可以包括相对于扫描区901A更大或更小的区域。扫描区901A可以是可扫描区域902A的一部分，该可扫描区域902A可以表示照射源能够在其上至少部分地熔融在构建单元的特定位置(例如位置902A)上的构建材料的表面区域。例如，参考图6，可扫描区域可以包括构建材料416B和/或熔融区域415的表面区域，照射源402能够在其上进行操作(例如，能够熔融和/或烧结构建材料)，同时构建单元400相对于构建表面415和/或416B处于单一取向。换句话说，区域901A和901B可以表示在构建单元和/或平台处于单一固定取向时作为总可扫描区域的至少一部分的表面。

如图8所示，第一扫描区901A可以在第二扫描区901B附近。例如，第一扫描区可以代表可扫描区域902A在构建单元(例如，如图6和7所示的构建单元302和/或400)的第一位置处的一部分，和/或可以代表图7所示的构建平台310相对于构建单元302的第一位置。例如，第二扫描区901B可以代表可扫描区域902A在构建单元(例如，如图6和图7所示的构建单元302和/或400)的第二位置处的一部分，或者可以代表图7所示的构建平台310相对于构建单元302的第二位置。可以照射第一扫描区以在每个条纹906A之间形成一系列凝固线908A。但是请注意，此示例不构成限制，例如，第一扫描区901A可以使用上述结合的光栅扫描方案中的任何一种而形成。同样，第二扫描区902B可以通过沿着由条纹906A限定边界的一系列凝固线908B照射粉末来形成。虽然在图8中未示出，当形成第一扫描区901A和第二扫描区901B时，条纹和/或凝固线方案可以改变。此外，第三可扫描区域902C内的第三扫描区901C可通过沿着由条纹906C限定边界的一系列凝固线照射构建材料而至少部分地凝固。如上所述，当形成第一扫描区901A和第二扫描区901B以及第三扫描区901C时，条纹和/或凝固线方案可以改变，并且可以使用凝固线和/或条纹方案的任何组合。此外，应注意，尽管箭头909和910示出了构建单元的示例移动，但是第一，第二和第三扫描区可以以任何顺序凝固。

作为另一示例，扫描区911A，911B和911C也可以形成在构建单元的三个分开的位置处。类似于以上情形，由于每个可扫描区域912A-C的重叠，部分913A和/或913B可以通过构建形成，而在任何单个或多个扫描区形成边界部分913A和/或913B后，构建单元保持静止。还应注意的是，部分903A-B和/或913A-B可以通过将构建单元(例如，沿着方向919和920)也移动到每个扫描区901A-C和/或911A-C之间的中间位置来形成。当通过至少部分凝固扫描区911A，911B和/或911C中的构建材料来形成AM构建的层时，可以在每个扫描区911A，911B和/或911C中使用互锁凝固路径(例如，如图8)，互锁凝固路径可以用于至少部分地凝固第一，第二和/或第三扫描区域911A-C之间的空间913A和/或913B。此外，当连接扫描区域911A-C时，可以改变任何上述处理参数。

注意，为了简化起见，图8示出了有限数量的可能位置，在每个上述示例中，构建单元可以进一步前进到构建区域900内的任何位置以至少部分地凝固区域，并且可以应用相同的发明原理。本领域普通技术人员将进一步认识到，可以以任何期望的顺序凝固上述扫描区，并且示例不是限制性的。此外，本领域技术人员将进一步理解，本发明可以应用于在所形成的每一层之上的各种可能的AM构建场景。

在图9中示出了另一示例实施方式。图9表示当形成AM构建的至少一层时在移动构建区域1000内的构建单元运动的示例俯视图。移动构建区域1000可以沿箭头1001所示的方向旋转。构建区域1000可以是粉末床和/或可以是由构建单元供应粉末和/或构建材料的区域。构建单元可以首先被定位在由1012A表示的第一位置和/或取向中。注意，轮廓1012A可以代表可扫描区域和/或构建单元轮廓，并且为了清楚起见而被简化。此外，应注意，部分1012A可以可互换地称为可扫描区域或构建单元，并且可以包括相对于扫描区1012A更大或更小的区域。如上所述，扫描区1012A可以是可扫描区域1012A的一部分，该可扫描区域1012A可以代表照射源能够在其上至少部分地熔融构建单元的特定位置(例如位置1012A)处的构建材料的表面区域。例如，参考图7，可扫描区域可以包括粉末314和/或熔融区域330的表面区域，照射源558能够在其上进行操作(例如，能够熔融和/或烧结构建材料)，同时构建单元302相对于构建表面300处于单一取向。换句话说，区域1018A和1018B可以表示在构建单元和/或平台1000处于单一固定取向时作为总可扫描区域1012A和1012B的至少一部分的表面。

如图9所示，第一扫描区1011A可以在第二扫描区1011B附近。例如，第一扫描区可以代表可扫描区域1012A在构建单元的第一位置处的一部分，和/或可以代表构建平台1000相对于构建单元的的第一位置。第二扫描区1011B可以代表可扫描区域1012B在构建单元和/或平台1000的第二位置处的一部分。可以照射第一扫描区以形成一系列凝固线1018A，其可以形成为横跨构建区1011A的整个表面和/或可以由单个和/或多个条纹1006A限定边界。但是，应注意，该示例不是限制性的，例如，可以使用任何上述提及结合的光栅扫描方案来形成第一扫描区1012A。同样，可以通过沿着一系列凝固线1018B照射粉末来形成第二扫描区1012B。虽然在图9中未示出，当形成第一扫描区1012A和第二扫描区1012B时，条纹和/或凝固线方案可以改变。注意，尽管箭头1019和1009示出了构建单元在构建平台1000的径向上的示例移动，但是第一扫描区和第二扫描区可以以任何顺序凝固。

当通过至少部分地凝固扫描区1011A和/或1011B中的构建材料来形成AM构建的层时，凝固路径1018A和1018B可以形成为区域1013内的交替的互锁凝固路径(例如，如图8所示)，互锁凝固路径可用于至少部分地凝固第一扫描区域1011A和第二扫描区域1011B之间的空间1013。此外，当连接扫描区域1011A-B时，可以改变任何上述处理参数。

作为另一示例，扫描区1001A和1001B也可以形成在构建单元的两个分开的位置处。与以上情形类似，由于每个可扫描区域1002A-B的重叠，部分1003可以通过构建形成，而在任何单个或多个扫描区形成边界部分1003之后，构建单元保持静止。进一步注意，部分1013和/或1003也可以通过将构建单元移动到每个扫描区1011A-B和/或1001A-B之间的中间位置来形成。

如上所述，当形成第一扫描区1001A和第二扫描区1001B时，条纹和/或凝固线方案可以改变，并且可以使用凝固线和/或条纹方案的任何组合。此外，应注意，尽管箭头1009和1019示出了构建单元的示例移动，但是第一和第二扫描区可以以任何顺序凝固。当通过至少部分地凝固扫描区1001A和1001B中的构建材料来形成AM构建的层时，如图9所示，可以在第一扫描区域1001A和第二扫描区域1001B之间的空间1003中使用互锁条纹方案。此外，当连接扫描区域1001A-B时，可以改变任何上述处理参数。

如上所述，在以上示例中，可扫描区域可以表示照射源能够在其上至少部分地熔融在构建单元的特定位置处的构建材料的表面区域。例如，参考图8，可扫描区域可以包括粉末902A和/或熔融区域901A的表面区域，照射源(例如，图6中的附图标记402)能够在其上进行操作(例如，能够熔融和/或烧结构建材料)，同时构建单元400相对于构建表面902A和/或901A处于单个取向。换句话说，区域902A和901A可以表示一表面，该表面是构建单元和/或平台处于单个固定取向时的总可扫描区域的至少一部分。例如，部分902A将在下文中称为可扫描区域和/或扫描区域，在该区域上，构建单元能够至少部分地熔融构建单元的每个位置的构建材料，其中构建单元的足迹可由轮廓902A示出。

如图8所示，每个扫描区域(例如901A和/或911A)可以由软件选择，该软件将期望AM构建的每一层划分为构建单元位置和光栅扫描区域。每个扫描区域901A和/或911A可以包括凝固线908A，该凝固线908A可以由条纹906A限定边界。如上所述，每个条纹可以是单独的凝固线，或者可以简单地代表每个凝固线908A的边界。如果条纹906A是边界，则照射源可以沿着构建材料沿着路径形成每个凝固线908A，并且可以在条纹906A处散焦，脉冲化，降低功率和/或关闭。

在本公开的一方面，第一扫描区域(例如，902A)和第二扫描区域(例如，902B)中的每一个的凝固线可以形成为互锁在每个扫描区域之间的空间903A内。凝固线908A和908B可以形成为在两个扫描区域之间的空间903A内以交替的间隔互锁。可以根据本发明使用的互锁凝固线方案的其他细节可以在2017年11月10日提交的Gansler等人的美国临时申请号62/584,553中找到，该申请题为“隔行扫描策略及其用途”，代理案卷号为037216.00156，其内容通过引用合并于此。

此外，当通过至少部分地凝固扫描区902A和/或902B中的构建材料来形成AM构建的层时，在第一扫描区域902A和第二扫描区域902B之间的空间903A的各个区域上会发生过多的热量积累和/或温度降低。为了补偿在空间903A中过多的热量积累，可以调整处理参数以确保所构建的层具有期望的特性。例如，形成在区域903A中的凝固线可以形成有与凝固线902A和902B不同的处理参数，以补偿空间903A内任何过多的热量积累。可以根据本发明使用的在两个或更多个扫描区域之间改变处理参数的其他细节可以在2017年9月21日提交的Jones等人的美国申请号15/711,808中找到，该申请题为“用于周边和区域隔离的扫描策略”，代理案卷号为037216.00127，其内容通过引用合并于此。

一旦使用上述讨论的任何上述方法形成层，就可以在先前至少部分熔融的区域上提供第二层构建材料。在一个示例中，当提供第二层构建材料时，构建单元可以沿竖直方向(例如，正Z方向)移动。在另一个示例中，当提供第二层构建材料时，可以在负竖直方向上移动构建平台。参考图10，例如，参考图8和图9公开的上述示例可以用于形成图10中的层L1-L3中的任何一个。图10中的层宽度为了说明的目的而已经放大。此外，应当理解的是，使用图8和图9所示的大型AM设备可以形成任何形状或几何形状，因此，图中所示的形状仅用于说明目的，可以大大简化。尽管为简单起见，此处仅显示了三层，但要注意的是，AM构建过程可能包含的层比下面解释的示例所示的层要多得多。在一个示例中，当提供第一层构建材料时，构建单元可以在竖直方向(例如，Z方向)上移动，在竖直方向上再次移动以形成第二层构建材料，并且在竖直方向上移动以形成第三层构建材料。在另一个示例中，当提供每一层构建材料时，构建平台可以沿负竖直方向移动。如图10所示，示例构建的AM部件可以包括多个层601、602和603。示出了上述布置扫描区域的策略的一个示例，例如，可以通过软件将第一层601划分成多个扫描区域(例如632、633)，它们可以相邻并且共享边界636和/或可以是彼此间隔开，例如，如图8和9所示。注意，可以使用任何已知的方法来凝固每个扫描区域内的构建材料，该方法可以包括上面讨论的扫描和/或条纹策略。如果要形成的物体600是实心圆柱形状的物体，如图10所示，则扫描区域633可以被部分凝固，之后，构建平台和/或构建单元可以相对于AM构建被移动到第二位置，并且扫描区域632可以随后被部分凝固。注意，提到的顺序不是限制性的，并且可以颠倒。类似地，例如，可以部分地形成第一扫描区域的一部分，之后可以形成第二扫描区域或第二扫描区域的一部分，然后可以形成第一扫描区域的另一部分。可以使用任何上述方法来结合扫描区域和/或可以使用任何已知的扫描策略简单地彼此相邻地形成扫描区域。

使用上述软件，扫描区域布置600C可以相对于部件610的中心偏移。然后，第二层602可以被划分为一系列扫描区域600B。该层中的扫描区域可以相对于第一层中的扫描区域偏移。此外，扫描区域可以相对于部件610的中心偏移，使得第一层的偏移不等于第二层的偏移。注意，虽然在图11中，每个扫描区域被示出为具有相似的几何形状，但是本领域普通技术人员将理解，每个扫描区域的几何形状也可以变化。当使用构建单元和/或移动构建平台来构建大型AM部件时，避免扫描区域的边界之间重叠是有利的。从而，可能期望选择用于第一层601的第一扫描区域布置600C和用于第二层602的第二扫描区域布置600B，使得部分628不与部分638重叠。类似地，有利的是，当从图11的Z方向观察时(例如，如图12所示)确保该部分626不与部分636重叠。通过在每层中的扫描区域的布置中引入变化，可以改善以下至少一项：构建中的热分布，完成的部件的尺寸稳定性；完成的部件中的应力，完成的部件的冶金，构建的效率和/或构建期间的结构稳定性。

类似地，当形成后续的第三层603时，扫描区域布置600A可以相对于部件610的中心偏移。第三层603可以被分成一系列扫描区域600A。该层中的扫描区域可以相对于第一层和/或第二层中的扫描区域偏移。此外，扫描区域可以相对于部件610的中心偏移，使得第一层和/或第二层的偏移不等于第三层的偏移。如前所述，要注意的是，虽然在图11中每个扫描区域被示出为具有相似的几何形状，但是本领域普通技术人员将理解，每个扫描区域的几何形状也可以变化。在使用构建单元和/或移动构建平台构建大型AM部件时，避免扫描区域的边界之间的重叠是有利的。因此，可能期望选择用于第一层601的第一扫描区域布置600C，用于第二层602的第二扫描区域布置600B以及用于第三层的第三扫描区域布置600A，使得部分618不与先前层中的部分628和/或638重叠。类似地，当从图11的Z方向观察时(例如，如图12所示)，确保部分616不与部分636和/或626重叠可能是有利的。

图12示出了上述扫描区域布置的视图，其中，各层L1-L3的扫描区域布置被叠加以便阐明每个扫描区域布置的偏移。如图12所示，每个层L1，L2和/或L3具有扫描区域，这些扫描区域被布置为使得每个扫描区域的边界区域在随后或先前的层中不重叠。如图12所示，通过在各层中的扫描区域的布置上引入变化，可以改善以下中的至少一项：构建中的热分布，完成的部件的尺寸稳定性；完成的部件中的应力，完成的部件的冶金，构建的效率和/或构建期间的结构稳定性。

图13示出了替代性扫描区域布置，其示出了叠加的层L1和L2的扫描区域布置，以便阐明每个扫描区域布置的偏移和变化。替代扫描区域布置示出了具有变化的几何形状的扫描场的示例。如图13所示，每个层L1和L2具有几何形状变化的扫描区域700A和700B，其布置成使得每个扫描区域的大部分边界区域在随后的或先前的层中不重叠。如图13所示，通过在各层中的扫描区域的布置上引入变化，可以改善以下中的至少一项：构建中的热分布，完成的部件的尺寸稳定性；完成的部件中的应力，完成的部件的冶金，构建的效率和/或构建期间的结构稳定性。

该书面描述使用示例来公开本发明，包括优选实施例，并且还使本领域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执行任何结合的方法。本发明的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，则意图将这些其他示例包括在权利要求的范围内。所描述的各种实施例的各方面，以及每一个这样的方面的其他已知等价物，可以由具有普通技能的人根据本申请的原则混合和匹配，以构建附加的实施例和技术。

Claims (15)

1.一种形成物体（330）的方法，其特征在于，包括：

在第一扫描区域（902A）内凝固构建材料（416）的第一层（601）的至少一部分；

将构建单元（400）移动到第二扫描区域（902B），并在所述第二扫描区域（902B）内凝固所述构建材料（416）的所述第一层（601）的至少一部分；

在所述第一扫描区域（902A）的至少一部分上提供所述构建材料（416）的第二层（602）；和

在第三扫描区域（902C）内凝固所述构建材料（416）的所述第二层（602）的至少一部分，其中所述第三扫描区域（902C）与所述第一扫描区域（902A）至少部分地重叠，但相对于所述第一扫描区域（902A）偏移；其中

所述构建单元（400）包括气流装置（403）；

所述气流装置（403）向加压出口部分（403A）和真空入口部分（403B）提供气体，所述加压出口部分（403A）和所述真空入口部分（403B）向气流区（404）和重涂器（405）提供气流；

所述构建单元（400）外部的大气环境被控制，使得相对于周围空气减少氧气含量；

构建区域由定位系统限定，照射发射引导装置（401）通过第二定位系统独立地在所述构建单元（400）内部移动。

2.根据权利要求1所述的形成物体（330）的方法，其特征在于，其中，所述第三扫描区域（902C）与所述第一扫描区域（902A）和所述第二扫描区域（902B）之间的边界重叠。

3.根据权利要求1和2中任一项所述的形成物体（330）的方法，其特征在于，其中，所述第一扫描区域（902A）具有沿着第一方向的第一长度，并且所述第三扫描区域（902C）具有沿着所述第一方向的第二长度，其中所述第一长度和所述第二长度不相等。

4.根据权利要求1所述的形成物体（330）的方法，其特征在于，其中，所述第一扫描区域（902A）和所述第二扫描区域（902B）是相邻的。

5.根据权利要求1所述的形成物体（330）的方法，其特征在于，还包括：

在第四扫描区域内凝固所述构建材料（416）的所述第二层（602）的至少一部分，其中所述第四扫描区域与所述第二扫描区域（902B）重叠，而不与所述第一扫描区域（902A）重叠。

6.根据权利要求1所述的形成物体（330）的方法，其特征在于，其中，所述构建单元（400）被移动以凝固所述第三扫描区域（902C）内的所述构建材料（416）的至少一部分。

7.根据权利要求1所述的形成物体（330）的方法，其特征在于，其中，当提供所述构建材料（416）的所述第二层（602）时，所述构建单元（400）在基本上竖直的方向上移动。

8.根据权利要求1所述的形成物体（330）的方法，其特征在于，其中，每个凝固步骤包括烧结、熔化或粘合剂喷射所述构建材料（416）。

9.一种存储程序的非暂时性计算机可读介质，所述程序被配置为使计算机执行增材制造方法，其特征在于，所述增材制造方法包括：

在第一扫描区域（902A）内凝固构建材料（416）的第一层（601）的至少一部分；

将构建单元（400）和构建平台中的至少一个移动到第二扫描区域（902B），并在所述第二扫描区域（902B）内凝固所述构建材料（416）的所述第一层（601）的至少一部分；

在所述第一扫描区域（902A）的至少一部分上提供所述构建材料（416）的第二层（602）；和

在第三扫描区域（902C）内凝固所述构建材料（416）的所述第二层（602）的至少一部分，其中所述第三扫描区域（902C）与所述第一扫描区域（902A）至少部分地重叠，但相对于所述第一扫描区域（902A）偏移；其中

所述构建单元（400）包括气流装置（403）;

所述气流装置（403）向加压出口部分（403A）和真空入口部分（403B）提供气体，所述加压出口部分（403A）和所述真空入口部分（403B）向气流区（404）和重涂器（405）提供气流；

所述构建单元（400）外部的大气环境被控制，使得相对于周围空气减少氧气含量；

构建区域由定位系统限定，照射发射引导装置（401）通过第二定位系统独立地在所述构建单元（400）内部移动。

10.根据权利要求9所述的存储程序的非暂时性计算机可读介质，其特征在于，其中，所述第三扫描区域（902C）与所述第一扫描区域（902A）和所述第二扫描区域（902B）之间的边界重叠。

11.根据权利要求9和10中任一项所述的存储程序的非暂时性计算机可读介质，其特征在于，其中，所述第一扫描区域（902A）具有沿着第一方向的第一长度，并且所述第三扫描区域（902C）具有沿着所述第一方向的第二长度，其中所述第一长度和所述第二长度不相等。

12.根据权利要求9所述的存储程序的非暂时性计算机可读介质，其特征在于，其中，所述第一扫描区域（902A）和所述第二扫描区域（902B）是相邻的。

13.根据权利要求9所述的存储程序的非暂时性计算机可读介质，其特征在于，还包括：

在第四扫描区域内凝固所述构建材料（416）的所述第二层（602）的至少一部分，其中所述第四扫描区域与所述第二扫描区域（902B）重叠，而不与所述第一扫描区域（902A）重叠。

14.根据权利要求9所述的存储程序的非暂时性计算机可读介质，其特征在于，其中，所述构建单元（400）被移动以凝固所述第三扫描区域（902C）内的所述构建材料（416）的至少一部分。

15.根据权利要求9所述的存储程序的非暂时性计算机可读介质，其特征在于，其中，所述构建平台被移动以凝固所述第三扫描区域（902C）内的所述构建材料（416）的至少一部分。

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