CN111344094B - 在增材制造时在悬伸区域中的按层选择的照射 - Google Patents

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Abstract

在用于由粉末(5)增材制造三维构件(3)的方法中，待制造的构件(3)的层结构模型被划分为芯区域(39)和与芯区域(39)邻接的外壳区域(41)，其中，所述外壳区域(41)构成三维构件(3)的表面的至少一个区段。然后，执行基于层的照射过程，其中，被照射的粉末层的密度在外壳区域(41)中的低于在芯区域(39)中。

Description

在增材制造时在悬伸区域中的按层选择的照射
技术领域
本发明涉及一种尤其基于激光增材制造三维生成的构件的方法，所述构件尤其具有悬伸区域。此外，本发明涉及一种用于增材制造的设备。
背景技术
基于激光增材制造尤其金属或陶瓷的构件基于通过用激光照射固化在构造平台上例如以粉末形式存在的初始材料。该方案-也作为选择性激光熔化(SLM：selectivelaser melting)或粉末床融合已知-还被用在用于(金属)3D打印的机器中。在基于金属粉末的3D打印的情况下，也称为激光金属融合(LMF)设备。在Sisma S.p.A的欧洲专利申请EP2 732 890 A2中公开了一种用于增材制造三维产品的示例性的机器。增材制造的优点通常是简单地制造复杂和可单独定制的零件。
在此公开的方面尤其涉及增材制造过程对构件的靠近表面的区域的影响。也被称为外壳(或“皮”(Skin))的该区域包括在工件的上侧、下侧和侧面上的区域。在此，靠近表面的区域相应地也被称为上皮区域(在激光束的入射侧上的外壳区域)、下皮区域(在背离激光束入射的一侧上的外壳区域)和侧皮(或中皮)区域(基本上沿着激光束方向延伸的外壳区域)。
例如，在书籍《轻金属合金应用》(ISBN978-953-51-1588，2014年6月11日)(LightMetal Alloys Applications)的章节I“铝合金和铝基复合材料的增材制造”(AdditiveManufacturing of Al Alloys and Aluminium Matrix Composites(AMCs))中说明了在这种区域中的这种分类以及将各种参数配属于这些区域。
构件的下皮区域通常在形成的构件区段沿激光束方向在粉末上产生的位置延伸。构件的上皮区域在后续的涂覆过程中被粉末覆盖，该粉末未被照射。上皮区域通常在激光束入射侧上构成构件表面。下皮区域例如沿着工件下侧延伸，在这里是在第一被照射层的意义上，或者沿着构件的悬伸区域的下侧延伸。侧表面区域构成构件的侧边缘，该侧边缘由照射在层平面内的横向尺寸给定。相应地，所述侧表面区域侧向地邻接到未被照射的粉末上。外壳区域包围构件的内部区域或该内部区域的区段。该内部区域通常也被称为构件的芯(或“Core”)。
增材制造过程对这些靠近表面的区域的影响例如涉及构件的稳定性、形状精度和表面质量。因此，这些影响也确定，构件是否还能够以规划的几何形状这样地制造，使得该构件满足对应的产品要求。在通过基于粉末床激光熔化构造由钢制成的LMF构件时，例如悬伸的表面通常仅能够以质量降低的方式以关于层平面小于所谓的临界角(例如关于垂线小于约60°)的(悬伸)角度制造。因此，EP 1 720 676 B1公开了，对悬伸区域中粉末层的照射可能导致熔融物，该熔融物超过单个层作用并且使形状精确的制造变得困难。
在申请人的EP 3 127 635 A1中说明了一种用于在照射悬伸区域中的层时确保高形状精度的示例性方案。在此，在悬伸区域的每个层内在构件轮廓附近、尤其在下皮区域中降低照射能。在此，在照射一个层时可以分级地并且与悬伸角度相关地执行照射能的降低。
在特定的检测方法中，对于特定粉末确定增材制造过程的参数。在此，例如粉末的材料类型、颗粒大小分布和颗粒形状可能是重要的。在此，例如确定待引入的能量密度。在此，在确定增材制造过程的参数时的一般目标是，在制造时使用具有高扫描速度的高能激光束，以便在制造过程中实现足够高的速度。
通常，这些检测方法使用针对增材制造的各制造场景相应设计的检测对象的制造。为此，检测对象具有设计为用于确定参数的结构。因此，检测对象具有带有线性面的悬伸部，该线性面在待达到的临界角的斜度下延伸，和/或检测对象具有带有弯曲表面的区段和/或这样的区段，该区段具有带有线性面的悬伸部，该线性面以比临界角更平缓的角度延伸。
除针对芯区域的能量密度外，也可以限定针对中皮和下皮区域的参数。此外，如果在所追求的激光参数中测试一系列的悬伸角度，则可以确定已经提及的临界角，从该临界角起例如需要支撑结构。
检测方法通常基于测试制造过程，在该测试制造过程中，在基板上制造多个相同的检测对象。对于每个检测对象实施制造过程的固有参数。随后，在其质量方面评价检测对象。为此，检测对象尤其在其强度、密度、变形、着色等方面被检查。以这种方式例如可以借助测试制造过程和相应大量的检测对象和参数组确定第一参数范围，该第一参数范围然后在后续的测试制造过程中被细化。待改变的参数例如可以是激光束的能量、焦点直径和形状和/或扫描速度，但也可以是所施加的粉末层厚度。
为了确定在检测对象的芯区域和下皮区域中的合适的能量密度，对于特定的检测对象结构，例如可以从预给定的能量密度的100％值出发，在层厚度保持不变的情况下执行逐级的能量密度减小。
这些参数可以由用于增材制造的机器的运营者求取，但也可以由运营者的粉末供应商或机器制造商求取。
例如，在一些技术领域中，对于无支撑结构地制造而言，例如可能市场需要可实施的、在45°临界角下或更陡的斜面。临界角在制造时待设置的支撑结构方面的重要性例如在L.M.R.Seabra的用于获取航空航天工程理学硕士学位的论文《用于选择性激光熔化(SLM)的设计优化和对航空器部件的实验测试》，里斯本技术大学，2015年5月中被论述(“DesignOptimisation for Selective Laser Melting(SLM)and Experimental Testing of anAircraft Component”Thesis to obtain the Master of Science Degree in AerospaceEngineering,Tecnico Lisboa,May 2015)。
发明内容
本公开的一个方面所基于的任务在于，提出一种能够实现构造悬伸区域的增材制造方法。另一任务在于，能够实现尽可能与涂覆器的运动方向无关地规划的增材制造。另一任务在于，提出一种甚至能够以在粉末颗粒大小范围内的粉末层厚度实现构造悬伸区域的增材制造方法。
这些任务中的至少一个通过根据本发明的用于由粉末增材制造三维构件的方法、通过根据本发明的用于增材制造的制造设备和根据本发明的构件来解决。下面还说明本发明的扩展方案。
在一个方面中，用于由粉末增材制造三维构件的方法具有以下步骤：
-将待制造的构件的层结构模型划分为芯区域和邻接到该芯区域上的外壳区域，用于形成所述悬伸结构，其中，所述外壳区域构成三维构件表面的至少一个区段，和
-基于层结构模型执行基于层的照射过程，在该层结构模型中，被照射的粉末层的密度在外壳区域中低于在沿层平面方向邻接的芯区域中，其中，该密度由沿粉末层的法线方向每单位长度的被照射层的数量给定。
在另一方面，包括一种用于由粉末增材制造三维构件的方法，其中，所述构件具有悬伸结构并且通过选择性激光熔化在构造平台上制造，所述方法包括以下步骤：
-基于三维构件的层模型提供照射计划，其中，层模型包括层的序列，这些层分别配有构件的层特定的轮廓，其中，所述序列包括层的第一子组和层的第二子组，所述第一子组和所述第二子组彼此嵌套，并且其中，在层的第一子组中在悬伸结构的区域中计划将粉末照射至轮廓，而在层的第二子组中在悬伸结构的区域中计划将粉末仅照射至与所述轮廓隔开一距离处，和
-在构造平台上执行按顺序地施加粉末层并且根据照射计划以激光束的照射参数照射粉末层。
在另一方面，用于由粉末增材制造三维构件的制造设备包括提供工作面的制造室和构造缸，所述制造室包括平台区域，所述构造缸具有能够在高度上移动的载体，在该载体上，三维构件应逐层地在构造平台的表面上制造。此外，制造设备包括具有涂覆器的移动装置、照射系统和控制单元，所述涂覆器用于在平台区域中用粉末产生粉末层；照射系统用于产生照射平台区域中的粉末层的射束，用于逐层地制造三维构件；所述控制单元基于三维构件的照射计划的照射数据控制根据如在此所说明的方法制造三维构件。在此，照射数据可以限定粉末层的待照射的区域，该待照射的区域可以包括外壳区域和芯区域，并且被照射的粉末层的密度在外壳区域中可以低于在芯区域中。
在另一方面，由粉末通过选择性激光熔化增材制造的构件具有芯区域和外壳区域，其中，外壳区域构成构件表面的至少一部分。至少在外壳区域的一部分中以减少的能量输入通过沿层方向比在芯区域中照射更少的层的方式执行选择性激光熔化，并且在外壳区域中或在外壳区域的一个区段中，每个被照射的粉末层与芯区域中的被照射的粉末层重合。
可看到，在此公开的方案执行被照射层的密度的比较，所述比较基于层模型的多个相邻层。换言之，在被照射层的密度方面，将外壳区域或外壳区域的一部分与沿层平面方向邻接的芯区域(或芯区域的邻接部分)比较。
在一些实施方式中，基于层的照射过程可以包括按顺序地施加粉末层，这些粉末层可以被以芯能量输入照射，并且这些层在外壳区域中经受按层选择的照射。在按选择地照射外壳区域时可以根据三维构件的表面几何形状改变被照射粉末层的密度。尤其，(相邻层的)轮廓之间的距离越大，并且尤其悬伸结构越平缓地向由粉末床表面给定的层平面延伸，则悬伸结构区域中的被辐射粉末层的密度可以减小得越多。
在一些实施方式中，在外壳区域或外壳区域的区段中仅能够照射被施加的粉末层的每个第n层，或者在外壳区域或外壳区域的区段中不能照射被施加的粉末层的每个第n层。
在一些实施方式中，在一个粉末层内、尤其在整个构件中，在外壳区域中和在芯区域中以相同的激光功率进行照射。在此，尽管激光功率相同，但由于按层选择的照射，能量输入在外壳区域中与芯区域相比减少。
在一些扩展方案中，在外壳区域中或在外壳区域的一个区段中，被照射的粉末层与芯区域中的被照射的粉末层重合，并且其中，这些粉末层在外壳区域中和在芯区域中在共同的照射过程中(即作为一个层)被照射。
在一些实施方式中，当在沿层平面方向不配有邻接的芯区域的外壳区域中，尤其在待制造的构件的下侧上执行基于层的照射过程时，可以使用中皮参数，所述中皮参数针对芯区域中的被照射的粉末层的密度设置，该密度高于该外壳区域中的粉末层的密度。在这里也可看到，在此公开的方案执行被照射层的密度的比较，该比较基于层模型的多个相邻的层。
在一些实施方式中，施加的粉末层可以具有在粉末的平均颗粒大小范围内的厚度。该厚度尤其可以位于粉末的平均颗粒大小的30％至300％的范围内。
在一些实施方式中，外壳区域的尺寸可以通过层的轮廓与被照射区域的距离来确定，对该层的照射不延伸到三维构件的轮廓走势上。替代地或附加地，相继的层的数量可以确定外壳区域的尺寸，对这些层的照射不延伸到三维构件的轮廓走势上。
在一些实施方式中，为了施加粉末层，可以借助涂覆器从储存区域沿施加方向施加粉末，并且悬伸结构可以这样地朝向施加方向取向，使得至少一个后续待照射的层的轮廓在悬伸结构的区域中比之前被照射的层的轮廓更靠近储存区域伸出。此外，激光束的照射参数可以相应于激光束与构件芯区域中的粉末的所希望的相互作用被固定地设定。
在一些实施方式中，在层结构模型中可以将层划分为尤其是矩形的照射场，其中，在照射过程中，在外壳区域中、尤其在层的靠近轮廓的区域中的照射场中进行能量输入，该能量输入相对于芯区域中的、尤其远离轮廓的照射场中的能量输入减小。在此，所述层的被该层的轮廓切割的照射场仅能够在形成构件的内部区域中被照射。
在扩展方案中，照射的开始可以以减小的能量输入在这些照射场的区域中开始：所述照射场被一个层的尤其沿层方向投影到该层上的轮廓切割，其中，该层在外壳区域中被照射至轮廓。
通常，照射计划的、被尤其沿层方向投影到该层上的轮廓切割的照射场可以作为整体以减小的能量输入或作为整体以芯区域的能量输入被照射。
在此，被照射粉末层的密度由在层平面的法线方向(分层方向)和每单位长度上的被照射层的数量给定。层平面由平坦的粉末床表面给定，该粉末层表面通过用涂覆器施加粉末而产生。如果每个层被照射(如在芯区域中通常是这种情况)，则密度最大。在薄层的情况下，例如照射25层，以便(在法线方向上)产生1mm的材料厚度。如果这些层在照射时在外壳区域中被省略，则在那里密度减小。例如，当变换地照射一层，而不照射另一层时，密度减半，或者当仅照射每个第三层时，密度减为三分之一。在激光照射参数相同的情况下，能量输入相应地减小。被照射粉末层的减小的密度导致减小的(由辐射引入到粉末中的)体积能(以[J/m∧3]为单位)，其中，该体积能基本上由以下公式得出：
体积能＝激光功率/(层厚度×扫描速度×轨迹距离)
在此，能量输入还是必须借助辐射平均引入到粉末中的能量，以便得到所希望的粉末特定的相互作用(大多数是由于所供应的体积能而引起的熔化程度)，该相互作用设置为用于构件的芯区域。
关于这一点应提及，在层厚度较大时需要减小的体积能，因为由于较高的层厚度，位于下方的层较少程度地熔化。因此，少量的热被传导到位于下方的层中，并且结果是：在层厚度较大的情况下，可能需要较小的体积能，以便实现高的构件密度。
在此公开的方案的实施方式的示例性优点包括在施加粉末时与涂覆器的运动方向相反的45°悬伸斜面的非常好的可构造性，以及与涂覆器的运动方向相反的例如具有最大30°或更小的悬伸角度的剧烈悬伸部的可构造性。这在许多情况下，即使不允许这种几何形状的无支撑的结构，但允许减少支撑结构。此外，因此也可以从内部构造位于构件中的悬伸部，所述悬伸部经常不能被支撑或者其支撑结构在制造之后不再能够被移除。因此，通过在此公开的方案可以更形状精确地制造位于内部的悬伸部。
另外的优点涉及能量输入和激光辐射。因此，下皮区域的制造可以被集成到配属于芯的工艺步骤中，其中，尽管如此，到悬伸部中的时间上的能量输入仍可以保持得小于在照射芯时的能量输入。减少了到外壳区域、尤其是到下皮区域中的能量输入，由此可以实现更好的表面质量和可构造性。连续照射外壳区域和芯区域可以借助简单的照射策略实施、伴随着均匀的能量输入，该能量输入可以通过延伸到悬伸部中的大的运动矢量实施。
换言之，不必再为下皮区域确定单独的照射策略(尤其在激光参数的方面)，因为在此提出的例如对下皮区域的按选择地照射将对芯的照射选择性地延续到外壳区域中。因此，除激光系统的中皮参数，即激光系统的限定到芯(具有构件侧面的中皮区域，即不存在上皮匹配和下皮匹配)中的能量输入参数(尤其是激光功率、焦点大小、扫描速度和粉末层厚度)外，不必再针对激光系统研发下皮参数。通常，针对制造悬伸部的参数研发可以明显地简化。这通过减少重要的、在计划时要考虑的参数来简化尤其针对不同材料的参数研发。与开头所提及的EP 3 127 635 A1相反地，在该文献中，悬伸部被分成小区域并且在该文献中，对于这些小区域而言，以复杂的、角度相关的方法根据与表面的距离获得能量，能量现在是近似固定的参数。换言之，可以借助激光束的中皮参数执行均匀的、即使是逐层的按选择地照射。
此外，在此提出的方案还可以允许取消这样的支撑结构，该支撑结构经常在构造与涂覆器运动方向相反地取向的悬伸区域时必须被设置，用于避免构件变形。也就是说，可以取消构造以及取消在构造过程之后经常手动地移除支撑结构，由此通过较少的数据准备和额外工作降低构件成本。通常可以提高否则被支撑的面的表面质量。
在在此公开的方案的一些实施方式中，按层选择的照射也可以仅应用在低于临界角的下皮区域中。在不实施按选择地照射的情况下，这种下皮区域可能只能借助支撑结构构造。
在此公开的方法可以以出乎意料的方式消除现有技术的不利方面，例如悬伸部的变色、构件的翘曲和变形直至在非常强烈的变形时的过程中断，所述过程中断可能导致突出的悬伸部棱边与涂覆器刀片的碰撞。
例如，通过在下皮区域中的有效更大的层厚度可以补偿悬伸部棱边的可能的轻微翘曲，尤其在与涂覆器运动相反地延伸的悬伸部的情况下。因此减少或甚至避免在构件之前的粉末堆积，否则，该粉末堆积可能增强悬伸部棱边的翘曲。
对于在此公开的方案的一些正面效果的可能解释可以与所使用的(金属)粉末的颗粒大小分布相关。由于颗粒大小分布，具有例如30μm的平均颗粒大小的粉末可能具有更大数量的具有例如15μm至45μm大小的颗粒。尤其在构造悬伸区域时通常施加薄的粉末层，以便构件不呈现“阶梯状”。涂覆器相应少量地被抬起到制造平面上方。这导致例如在施加40μm的薄层时，较大的颗粒不再嵌入到涂覆器和构件之间并且因此被涂覆器携带。较大的颗粒在此可以附着在构件的面向涂覆器的一侧上。然后，这些较大的颗粒或者可以向下被压到最后被照射的层中，或者可以被涂覆器抬起地使已经被照射的薄悬伸层向上携动。由此可能干扰尺寸稳定性。此外，在下一次粉末施加时还出现更大的影响，直至过程中断。
然而，如在此提出的那样，如果外壳区域中的被照射层的密度减小，例如仅每个第n层被照射，则这至少部分地相应于粉末较厚的涂覆，而具有对制造过程相应很小的影响。仅照射外壳区域中的每个第二层例如可能导致，在构件的薄且不稳定的前棱边上在涂覆器移动过来的方向上构造基本上两倍厚的、在前述示例中相应80μm厚的粉末层。在该粉末层之间在芯区域中执行的涂覆过程中，较大的颗粒现在仅能够继续附着在构件内部，因此不会对构件的靠近表面的区域、尤其在那里的表面质量产生影响。
为了完整性，参考例如在DE 10 2011 105045 B3中所说明的、特定的“外壳-芯-策略”的工作方式，其中，之前总结出的方案与此不同或者说尤其对下面所说明的工作方式补充地可以在不同照射策略之间过渡时使用。
为了简短地阐述已知的“外壳-芯-策略”方案，在此将构件划分为外壳区域和芯区域，其中，这两个区域可以(完全)彼此独立地被参数化。照射策略也可以在所述区域中彼此独立地设置并且相应地在构件内部区域之间的边界线上变换。因此，例如可以在外壳区域中设置相对薄的粉末层厚度和低的激光功率，而在芯区域中设置相对厚的粉末层厚度和高的激光功率，其中，芯区域的层厚度通常是外壳区域的层厚度的多倍。在照射策略方面，在芯区域中更能够设置棋盘照射或条带照射，相反地，在边缘区域中更能够实施偏移-填充-策略(Offset-Fillling-Strategie)或者多个轮廓。因此，在芯区域中可以实现高的构造速率或生产率。反之，在具有固有过程参数的外壳区域中，可以产生向外良好的表面质量，该表面质量尤其能够仅以较小的层厚度实现。
与该外壳-芯-策略不同地，在此所说明的工作方式在按层选择地照射时不要求真正区分“外壳区域”和“芯区域”。在所提出的按选择地照射中，一方面照射构件内部至外轮廓(尤其设置的激光参数)能够被无级地应用并且另一方面可以将照射面逐层地在下皮区域中略微缩小，以便在对应层中在减小的芯区域外不引入能量。因此，与之前所说明的传统的“外壳-芯-策略”不同地，不必存在可分开地参数化的“外壳区域”。而是可以通过以一定节奏进行的照射面的缩小产生一种外壳区域，然而，该外壳区域仅在构件内部的“芯区域”的层厚度上不同，并且主要总是能够与芯区域连续地被照射。因此，尤其可以使用相同的过程参数，例如激光功率、移动速度和扫描间距(Hatch-Abstand)，具体而言借助连续的照射策略，例如棋盘格结构的逐行照射。可看到，在此所说明的按选择地下皮照射的优点在于，照射过程可以连续进行，并且针对中皮区域和下皮区域不分开地参数化。
另外的实施方式涉及不同照射策略之间的过渡。这尤其涉及这样的构件，在构造所述构件时在外壳区域中不同的区基于不同的照射策略，以便最优地呈现出对应的构件几何形状。在此，这些区尤其包括用于下皮区域、上皮区域和中皮区域的区；即在增材制造时，照射策略在外壳区域中划分为用于构件的向下倾斜面、向上倾斜面和/或侧面。在此，也可以在各个下皮区域、上皮区域或中皮区域中使用多个区，以便可以进一步区分照射策略。
现在，发明人还认识到，当区和从而照射策略的过渡在构件表面的走势中在限定的角度处跳跃地进行时，在表面上能够形成可见的过渡线。这些过渡线尤其可以影响构件的视觉外观，需要相应的后续加工和/或负面地影响构件的机械特性。
为了尤其改善构件的外观并且必要时改善形状和机械特性，发明人还提出，不是刚性地根据边界角度确定区过渡，而是让区域过渡逐渐地进行。对于逐渐的区过渡的技术实施提出不同的可能性。尤其可以在更详细地限定的角度范围内实现区过渡。
如下面也根据图13至图16阐述，在构件中可以在一个层内实现各区之间的过渡，当该层在外壳区域上延伸时，所述外壳区域在下皮区域、上皮区域、中皮区域中配有不同表面走势。这些表面走势在此被称为在X/Y方向上，即在层平面内的区过渡。此外，相邻的层可以配属于不同的区，当这些区例如配有不同的表面斜率，这些表面斜率又分配有不同的照射策略。这在此被称为在Z方向上，即在各层上的区过渡。
总之，制造方法、尤其是之前所说明的方法的扩展方案可以具有以下特征：
在一些实施方式中，三维构件的表面具有至少两个彼此邻接的区域，所述区域配有至少两个照射策略。至少一个照射策略具有基于层结构模型的照射过程，在该层结构模型中，被照射的粉末层的密度在外壳区域中低于在沿层平面方向邻接的芯区域中。在各区的形成三维构件表面的过渡区域中，在一个层内可以这样地执行照射策略之间的变换，使得发生变换处的空间位置按相邻层的顺序双向地变化。补充地或替换地，可以沿层构造方向按相邻层的顺序执行照射策略之间的多次来回变换。
在一些实施方式中，所述至少两个彼此邻接的区可以包括至少一个用于外壳区域的照射区和一个用于借助符合芯区域的照射过程产生的区段的照射区。补充地或替代地，所述至少两个彼此邻接的区可以构造在外壳区域中和/或所述至少两个彼此邻接的区包括上皮区、下皮区和/或中皮区。
在一些实施方式中，可以通过将过渡参数、尤其是将区过渡角配属于在预定的过渡角周围的角度范围内而引起所述变换的空间位置和/或引起所述来回变换，其中，尤其通过随机算法或根据预定的图案实现所述配属。
在一些实施方式中，可以通过预定的过渡角的配属和由过渡角产生的区的增大或减小而引起所述变换的空间位置和/或引起所述来回变换。在此，尤其可以通过随机算法或根据过渡区域中的预给定的图案实现增大或减小由过渡角产生的区。
其它方面包括计算机程序(或计算机程序产品)和计算机可读的介质，在该计算机可读的介质上存储有相应的计算机程序。计算机程序/计算机程序产品包括指令，所述指令在通过计算机、尤其是通过用于运行用于增材制造三维构件的制造设备的计算机执行的控制单元实施程序时促使计算机/控制单元，实施/执行在此所说明的用于由粉末增材制造三维构件的方法。
计算机程序/计算机程序产品和计算机可读的介质相应地设置为用于实施前述方法之一。计算机程序可以保存在非易失性存储器上，该非易失性存储器尤其作为用于运行用于增材制造三维构件的制造设备的控制单元的一部分使用。
此外，计算机可读的介质和计算机程序/计算机程序产品还可以具有计算机可执行的指令，所述计算机可执行的指令设计为用于促使/操控用于增材制造根据本发明的三维构件的制造设备。
附图说明
在此公开了一些方案，所述方案允许至少部分地改进现有技术的方面。尤其借助附图由下面实施方式的说明得出其它特征及其实用性。从附图中示出：
图1示例性的增材制造设备的示意性立体视图，
图2平行于XY平面穿过制造室的图1的增材制造设备的示意性剖视图，
图3如在图2中所示那样，平行于XZ平面穿过制造室的图1的增材制造设备的示意性剖视图，
图4A和4B用于直观阐明下皮区域和芯区域中的被照射层的不同密度的示意性略图，
图5A和5B用于直观阐明在外壳和芯之间的过渡区域中示例性地实施按层选择地照射的示意性剖视图，
图6A至6D用于在层的俯视图中直观阐明外壳和芯之间的过渡区域中的按层选择的照射的示意性略图，
图7在外壳和芯之间的过渡区域中的按层选择的照射的另一示例的示意性剖视图，
图8借助按层选择地照射制成的构件的示意性剖视图，
图9多个构件的照片，这些构件的过渡区域借助按层选择地照射制成，
图10用于直观阐明通常在外壳区域和芯区域中的被照射层的不同密度的示意性略图，
图11用于直观阐明在薄层中的粉末颗粒大小的可能影响的略图，
图12用于直观阐明在照射轮廓附近区域时使用改变的激光参数的略图，
图13用于直观阐明在斜柱形构件的外壳区域中的不同区的略图，
图14用于直观阐明在测试对象表面上的区过渡的过渡区域的略图，
图15用于直观阐明通过在层中导入过渡区域使区过渡平滑的略图，
图16用于直观阐明通过沿层构造方向的过渡区域使过渡区平滑的略图/照片。
具体实施方式
在此所说明的方面部分地基于以下认识，即所希望的几何形状的实际可实施性经常与涂覆工艺关联，并且尤其与涂覆器相对于形成的构件的运动方向(施加方向)关联。因此，已经发现，在制造靠近表面的、指向涂覆器运动方向的区域时，可能发生工艺中断或构件损坏。LMF方法在构型自由性和几何形状的接近最终轮廓构造的意义上的基本优点非常强地受悬伸部的这种方向相关的可构造性限制。在考虑到这些的情况下，制定出在此公开的方案，借助所述方案，例如可以实现由钢构造悬伸部，所述悬伸部以60°或更小的悬伸角指向涂覆运动方向。
在增材制造中通常使用层模型，所述层模型基于层序列，这些层分别配有待产生构件的层特定的轮廓。尤其，在此提出一种照射计划，该照射计划基于层模型并且在一层内的构件轮廓附近、尤其在下皮区域和侧面区域中的轮廓附近引入少量能量，其方式是：仅照射例如每个第二层或第三层(或第n层)(或例如不照射每个第二或第三层(或第n层))，然而，其中，照射以基本上与在芯区域中入射的激光辐射相同的(全部)功率进行。所提出的过程显著简化了照射过程并且减少了在照射时要调整的变量的数量。照射计划仅限定，应照射多少层和未被照射的层区域应从轮廓伸进构件中多远。激光辐射的功率基本上不再变化并且至少在过渡区域芯-外壳中保持固定。应注意，在构件的悬伸区域中不形成交替熔化和未熔化的层，而是形成连续熔化的粉末体积，因为对粉末层的照射导致熔融物，该熔融物超出对应被照射的粉末层起作用。恰好在非常薄的层和在芯区域中常用的激光辐射功率的情况下，两层或更多层粉末至少部分地被熔化。
总之，根据本发明在基于层的照射过程中选择外壳区域中的被照射层的密度，该密度低于芯区域中的密度。因此，在照射例如下皮区域时有效地存在较高的层厚度和从而较小的体积能。例如，尤其在下皮区域中仅用配属于芯区域的强度连续地照射每个第n层。在位于它们之间的层中，下皮区域被留空。被引入的体积能例如在连续照射每个第二层的情况下相应于芯中的体积能的一半，而在照射每个第三层的情况下相应于芯中的体积能的三分之一。这可以引起所提及的优点，例如甚至指向涂覆器的施加方向最大30°悬伸角的可构造性，在靠近表面的区域中减少能量输入和/或避免/减少在构件前的粉末堆积。
通常，对下皮区域的照射作为以中皮参数进行连续照射仅能够完全穿过例如每个第二、第三或第n层直至构件在对应层中的规划的轮廓走势。在位于它们之间的层中，例如下皮区域不被照射，而是简单地在照射计划中被省略。
此外，还认识到，也可以在上皮区域中使用该工作方式，以便在那里也改善外壳区域、尤其是表面的质量。
图1至3以立体图以及以从上方或从前方看的示意性剖视图示出示例性的增材制造设备1，用于由粉末状材料(通常为粉末5)增材制造三维构件3。对于制造过程参考开头提及的EP 2 732 890 A2。
制造设备1包括壳体7，该壳体提供制造室9。通过前壁11中的门11A存在到制造室9的入口。壳体7还包括保护气体抽吸系统，该保护气体抽吸系统例如具有用于以惰性气体充满制造室9的排出开口13A以及抽吸开口13B。在图2中用箭头13示例性地示出流动走向。例如安装在壳体上方的照射系统15构造为用于产生激光，该激光将粉末5熔化成3D构件3的材料层。
制造过程在工作面27上进行，该工作面构成制造室9的底部并且具有平台区域17A、储存区域25A和(可选地)粉末聚集区域29A。制造过程在构造平台17上进行，该构造平台在平台区域17A中例如在中央布置在门15A之前。构造平台17位于载体19上，该载体可以在构造缸21中在高度上(在图3中在±Z方向上)移动。储存区域25A用于提供新鲜粉末5A，该新鲜粉末为了逐层地制造3D构件3借助涂覆器23被传递到构造平台区域23A中。
在增材制造期间，在构造平台17上重复地准备例如用金属或陶瓷粉末填充的粉末床，用于借助激光从上方照射。如在图1至图3中所示那样，涂覆器23(通常也称为滑动件或刮擦器)用于在制造过程期间在X方向上分配粉末5。在涂覆期间，涂覆器23的下部区域在工作面27上方掠过，携带粉末并且由此填充例如相对于工作面27降低的区域。在这些区域中，涂覆器23的下部区域限定了粉末表面的水平。例如，在设置在储存区域25A中的储存缸25中所提供的新鲜粉末5借助在X方向上运动的涂覆器23在工作面27上方被移动到平台区域17A中，在那里粉末聚集在降低的构造平台17的区域中并且该区域相应地在形成新鲜粉末层的情况下被涂覆。不需要的粉末例如被带到设置在粉末聚集区域29A中的收集缸29中。
如在附图中示例性地所示那样，储存区域25A、平台区域17A和粉末聚集区域29A彼此并排地沿X方向偏移地布置并且涂覆器23能够在±X方向上移动。
总之，制造过程包括将构造平台17在构造缸21中重复地降低、在构造平台17上构造新鲜粉末层并且在这样的区域中熔化粉末层，在该区域中应根据基于层模型结构的照射计划产生3D构件3。图3示出部分制成的3D构件3，该3D构件埋入到未熔化的粉末5中。
在此公开的制造方法例如可以被集成到制造控制装置中。为此，制造设备1具有控制单元31，在该控制单元中保存有照射计划并且该控制单元根据照射计划执行所述过程。在图1和3中，控制单元31示意性地以虚线示出并且通过以点划线示出的数据连接33与照射系统15和构造平台17的驱动器35以及涂覆器23的驱动器连接。
在此公开的方案允许借助制造设备1逐层地构造3D构件。在图4A和图4B中示意性地示出3D构件的示例性的层模型结构。
作为第一示例，图4A示出具有芯区域39和外壳区域41的构件37的层模型结构的局部。在这种情况下，外壳区域41是下皮区域，该下皮区域一方面在构件37的下侧37A上延伸，另一方面沿着悬伸部37B延伸，其中，假设激光辐射沿箭头45从上方垂直于形成构件37的层结构的方向入射。悬伸部37B形成倾斜的侧面，该侧面以角度α相对于层平面(在制造时基本上由构造平台17的平面给定)延伸。在外壳区域41中，间隔更大的线直观阐明在下皮区域41A中的被照射层43A的密度较小，而彼此更靠近的线直观阐明在芯区域39中的被照射层43B的密度较大。在图4A中通过箭头D表示在下侧37A上的外壳区域41的厚度。
图4B作为另一示例示出具有芯区域39'和外壳区域41'的构件37'。与图4A中的构件37不同，下侧37A'构造为连续弯曲的球形。在图4B的示例中，外壳区域41'的厚度(箭头D')与构件37'的表面相对于层平面的取向有关。该表面相对于层平面的取向约陡，则所述厚度变得越窄。厚度例如可以在相对于层平面的法线成约90°的角度时减小到较小的厚度(箭头D")并且可能地在延续到超过90°的角度时减小到零，在该角度时表面相当于上皮区域。此外，厚度甚至可以在约90°或更小的角度时减小到零。在图4B中也通过阴影线的间距表示在外壳区域41'和芯区域39'中的被照射层43A、43B的密度。
图4A和4B示出的示例直观阐明了以下方案：可以沿横向方向(即沿层平面的方向)和垂直于层平面进行照射的参数化。因此，可以如下面所阐述的那样通过在层平面内的各个被照射区域的尺寸(并且因此通过未被照射区域的尺寸)结合被层选择所涉及的层的数量限定外壳区域41、41'。以这种方式，可以在大的悬伸角时有针对性地调整下皮区域。
此外，如在示例中所示的那样，在下侧上分别以已经针对照射芯区域中的n层较薄层研发出的强度对多个较厚层进行照射，使得总体上减少在下侧上的能量输入并且尽管如此，例如施加n层较薄层。在芯区域中，现在n层较薄层才全部被照射并且基于中皮参数执行制造。以这种方式，通过提高被层选择所涉及的层的数量避免在下侧上熔穿外壳区域，尤其因为与例如热量可以流到已经固化的构件3中的上皮区域相比，在下侧37A上由于照射而产生的热量在制造时不能较好地流出。
图5A和5B根据以截面示出的层模型结构直观阐明，如何能够通过按层选择的照射确定外壳区域的尺寸。在图5A中示意性地示出四个芯层nk，在所述芯层上应形成悬伸结构47。悬伸结构47衔接到基本上位于芯层nk上方的芯区域39"上。层n1开始构造与层平面成一角度延伸的悬伸部。
通常，在此将这样的平面理解为层平面，该平面在层模型中通常相应于通过涂覆器的运动成型的粉末床表面。
通过形成特别制成的外壳区域41实施悬伸结构47，该外壳区域通过按选择地照射下面的层产生。在此重要的是，不是外壳区域41"中的每一层都被照射至规划构件的轮廓，而是在基于层的照射中执行至少一个选择，使得对一些层的照射距轮廓一定距离地结束。在图5A中示例性地绘制出用于层n8_s的距离a，在该距离中，对粉末层的照射在所希望的轮廓之前结束。假设悬伸部具有均匀的斜率，在所示的示例中也能够以相对于轮廓受限的尺寸照射层n6_s、n4_s和n2_s。在施加具有40μm层厚度的层时，距离a例如可以位于300μm的范围内。
图5B放大地示出悬伸结构47的起始层。层n1(即n1粉末层的被照射区域)横向地超过最上方的芯层nk延伸了距离d1。层n1的端部在层nl内限定了对于过渡结构47所希望的轮廓50B的点。例如，d1在到悬伸结构的该过渡区域中位于比轮廓50A(40μm层厚度)更靠外的150μm处。通常，以来自芯区域的功率入射，使得也至少部分地熔化在层n1下方的粉末。在由d1给定的区域中的照射成型出构件在悬伸部中的表面。
根据按层选择的照射，现在对层n2_s的照射不延续至对于过渡结构47所希望的轮廓走势中。取而代之，照射在到层nl的端部之前的距离d2处结束并且在到层n2_s的端部之前的距离a2处(轮廓50C)结束。因此，未熔化的粉末在层n2_s的侧向端部上例如保留在d2＝200μm的条带中。可看到，对层n2_s的整体照射与之前被照射的层(在这里是层n1)直接邻近地发生。
现在，层n3的端部应再次限定对于过渡结构47所希望的轮廓走势(轮廓50D)。为此，层n3横向地超过层n2_s延伸了距离d3+d2(例如400μm)。因此，端部超过层n1的端部伸出了距离d3(例如200μm)并且限定了另一点，该点在悬伸结构47的该区域中确定了表面斜度。对层n3的照射在外壳区域41"中最初作用到在层nl上方的由d2给定的区域中的两倍厚的粉末层上(在该示例中为80μm)。除此之外，不存在下方的之前被照射的层，使得现在对层n3在由d3给定的区域中的照射形成构件在悬伸部中的表面。
类似于层n2_s，在到层n3的端部之前的距离d4(例如300μm)处结束对层n4_s的照射。相应地，未熔化的粉末保留在层n4_s的侧向端部上，这些粉末在照射层n5时又导致双倍厚的粉末层。然后，在由d5给定的区域中，层n5形成构件在悬伸部中的表面。距离d6和a6相应地限定层n6_s。
因此，层选择的过程涉及对不应有助于表面成型的层(例如n2_s、n4_s、n6_s、n8_s)和应被照射至轮廓走势并且因此确定表面形状的层(例如n1、n3、n5、n7、n9)进行选择。
图6A至6D在层nk、nl、n2_s、n3的俯视图中直观阐明在外壳区域41"和芯区域39"之间的过渡区域中的按层选择的照射，例如可以针对各层在悬伸结构47的区域中的直线轮廓走势(也参见图9)所得到的那样。在附图中点状地示出被照射的区域，其中，附加地绘制出示例性的扫描矢量49A、49B、49C、49D。此外，可看到轮廓50A、50B、50C、50D的直线区段，这些直线区段配属于悬伸结构47并且(以截面)在图5A和5B中绘制出。
层nk的几何形状形成初始点。位于其上的层nl超过层nk的被照射区域延伸。为了直观阐明，在图6B中示出一种芯区域k1，该芯区域位于层nk的被照射的区域上方。除芯区域kl外还衔接有另一被照射的区域hl，该区域一起确定外壳区域41"并且在这种情况下配属于距离d1。
层n2_s仅在层nl的被照射区域的一部分上延伸并且因此仅构成在层n1的端部之前的距离d2处结束的芯区域k2。
层n3超过层n2_s的被照射区域延伸，即另一被照射区域h3衔接到芯区域k3上。区域h3的第一部分51A配属于距离d2并且在层n1上方延伸。第二部分51B配属于距离d3并且在其下方没有已经被照射的区域。另一被照射区域h3一起确定了外壳区域41。
在一些实施方式中，视悬伸部的角度而定，可以选择另外的被照射区域的尺寸和尤其是在施加方向上的部分51A、51B的尺寸。这些区域越大，则悬伸结构可以越平缓。照射、即能量输入由此匹配所述另外的被照射区域的尺寸，即例如仅对每个第(n+x)层进行照射，使得出现对于外壳区域41"有利的体积能。
通常，可以根据悬伸角匹配能量输入，使得例如随着悬伸角增大而在外壳区域中照射更多倍的层。例如，对具有在0°至X°的角度范围内延伸的表面的悬伸部的外壳区域中的下皮区域进行照射，每个第4层(或通常每个第n层)被照射。在X°至Y°的角度范围内延伸的表面中，可以照射每个第2层(或通常每个第m层，m<n)，而在具有在Y°至90°的角度范围内延伸的表面的悬伸部中，可以照射每一层直至轮廓。在这种情况下，外壳区域中的下皮区域根据多个悬伸角(在这里例如α_l＝X°并且α_2＝Y)被划分为多个(在这里例如三个)区。这些区在悬伸角处彼此邻接。
图7以截面图示意地示出另一示例性的层模型。
为此，图7以示意性截面图示出了，仅每个第四层n(x)、n(x+4)、n(x+8)、n(x+12)可以在对应层内延续至所希望的轮廓走势。这例如是有帮助的，当借助涂覆器施加几10μm的、非常薄的层，使得对应的三个位于所述层之间的层n_s在外壳区域中导致所希望的能量输入减少。在对于层n_s用实线所示的实施变型中，(缩短的被照射)层n_s彼此重叠地结束，使得在层n(x+4)、n(x+8)、n(x+12)的伸出的区域中总是得到四倍的层厚度。
替代地，层n_s能够以偏移的方式遵循悬伸部表面的走势，如对于层n_s用虚线所示的那样。在该替代的实施方式中，这些层中的每一个例如可以从轮廓缩短200μm地被照射，使得形成均匀的外壳区域。
图8示意性地直观阐明构件3'，该构件借助按层选择地照射在构造平台17上制成并且该构件的表面从构造平台以角度α向上延伸。示意性地可看到，被照射层的区域浅灰色地示出。点状区域表示在被照射层上密度较低的区域，即具有减少的能量输入的外壳区域41"'。该外壳区域形成构件3’的表面。外壳区域41"'包围执行(最大)能量输入的芯区域39"'。
应注意，在构件的悬伸区域中不形成交替熔化和未熔化的层，而是形成连续熔化的粉末体积，因为对粉末层的照射导致熔融物，该熔融物超过对应被照射的粉末层起作用。恰好在非常薄的层和如在芯区域中常用的激光辐射功率的情况下，两层或更多层粉末至少部分地被熔化。
图9是多个构件的照片，这些构件如在图1至3中所示那样在结构平台17上借助用于增材制造的设备制造。在前面看到两个构件53A、53B，它们在悬伸区域中也在与涂覆器的运动方向55相反地指向的一侧上具有干净的表面结构。悬伸区域在没有支撑结构的情况下以30°或45°的悬伸角产生。
在形状上相同的测试对象的类似布置可以基于在开头所说明的、在用于确定增材制造过程的参数的检测方法中的测试制造过程。
图10直观阐明了，用于影响外壳区域特性的按选择地照射的方案不限于下皮区域，如示例性地结合图4A和4B所说明的那样。可看到芯区域57的截面，该芯区域在所有侧上被外壳区域包围，在该外壳区域中，被照射层的密度减小。在此，外壳区域的厚度在下皮区域59A中选择得比在侧表面(中皮)区域59B和上皮区域59C中更厚。对层的照射根据照射计划沿箭头61的方向进行，该照射计划根据之前所阐述的方案匹配外壳区域中的体积能。替代地，按选择地照射的方案也可以仅应用在下皮区域中，所述下皮区域处于临界角下并且因此在其他情况下必须借助支撑结构构造。
图11阐述了开头所说明的状况，即粉末5的粉末颗粒大小在借助涂覆器23产生的层厚度的区域中(通过虚线68表示)可能引起构件63的新产生的区域在粉末床的表面65上抬起(箭头69)和/或变形。尤其，特别大的粉末颗粒67可以聚积在构件63的前侧上并且将压力施加到恰好刚才借助照射系统15才照射并且新构造的区域上。由于变形，涂覆器23的下棱边和构件的上端部之间的缝隙尺寸减小。
此外，除结合图11所述的、由于大粉末颗粒而尤其是悬伸结构抬起的效应外还存在以下可能性：悬伸部棱边由于构件的内应力可以从粉末床翘曲。由此也可以减小涂覆器下棱边和悬伸部上棱边之间的缝隙尺寸。因为粉末颗粒具有约15μm至45μm的直径，较大的粉末颗粒不再穿过缝隙并且能够在悬伸部棱边之前堆积。
如果进一步沿该方向构造悬伸部，则可以通过已经堆积的粉末而增强该效应并且悬伸部棱边还进一步朝涂覆器23的下棱边的方向翘曲。因此，可能发生构件上棱边和涂覆器之间的碰撞，这可能导致构造过程的中断。在此公开的方案可以降低该风险。
为了完整性提及下皮照射的方案，例如该方案可以结合开头所提及的EP 3 127635 A1被实施，此外，可以与在此提出的按选择地下皮照射结合。在这种情况下，具有特别确定的能量值的下皮照射将进一步延续到构件内部并且因此在应用按选择地下皮照射之后实施。
结合图12阐述在照射靠近轮廓的区域时使用变化的激光参数的示例性的实施方式。可看到照射图案69，如该照射图案例如可以针对图5B的层n3设置在照射计划中。
照射图案69基于棋盘状布置的(矩形)照射场，其中，每个场配有包括多个扫描矢量的特定照射路径。在内侧上(图12中左侧)可看到两种类型的(芯)照射路径71k、73k的布置方式，其中，实线表示具有中皮参数的入射。照射路径71k、73k例如相对彼此旋转90°并且引起粉末在为芯设置的圆周内熔化。一般常见的是，将一个层这样地划分为照射场，其中，对于照射场可以确定不同的照射参数，尤其用于使照射计划中的体积能输入均匀化。
在轮廓线50D'的一侧上，可看到照射路径71r、73r，所述照射路径在轮廓附近的场中以虚线示出，用于直观阐明减小的(变化的)激光功率。如果轮廓线50D'切割场，则以相应缩短的扫描矢量仅照射所述场的位于内部的区域，以便形成构件的规划的表面走势。应注意，由于对场进行局部照射，场中的短的扫描矢量使制造缓慢，因为这需要对小的被照射面进行多个加速和减速过程。
按选择地照射的方案与能量减少的组合现在导致例如沿着轮廓线50D'存在较大的条带，所述条带以(仅一次性要调整的)激光强度被照射。
为了直观阐明背景，在图12中附加地绘制出先前的(缩短地被照射的层(在图5B中为层n2)和最后被照射至轮廓的层(在图5B中为层nl)的轮廓线50C'和轮廓线50B'，可看到，当每个层(n1,n2,n3)被照射至对应轮廓并且仅悬伸区域中减小强度(例如根据EP 3 127635 A1)时，在层n2和n3中产生两个窄的条带。这些条带将在轮廓线50B’和轮廓线50C'之间并且在轮廓线50C'和轮廓线50D'之间延伸并且以相应地多个短的扫描矢量被照射(未在图12中绘制出)。
在按选择地照射时，现在能够以全部强度照射层n2直至轮廓线50C'(在图12中未绘制出)。为此，对在图12中所示的层n3的照射以减小的强度在轮廓线50B'和轮廓线50D'之间的较大区域中延伸并且因此此外，能够以相应较大的扫描矢量被照射，这加速了制造。
此外，在按选择地照射的方案与能量减小组合时可以这样地设计照射计划，使得从中皮参数到变化的激光参数的过渡不再精确地遵循轮廓线50B'的走势，而是尽可能很大程度上保持棋盘格结构。在根据图12的示例性实施方式中，轮廓线50B'延伸经过的所有场作为整体以减小的激光功率被照射。相应地，仅在轮廓线50D'的区域中将这些场划分为被照射和未被照射的区域。换言之，接触下皮区域或前面的层至少部分地未被照射的棋盘格以减小的功率被照射。因此可以进一步加速照射过程。
当由于按选择未被照射的层而进一步在构件内部中存在过渡时，该过程尤其可以有利地被实施。然而，通常在悬伸区域中减小强度(例如根据EP 3 127 635 A1)的照射计划中，可以基于照射场执行内部变换。
图13示意性地示出具有呈斜柱体80形式区段的、待逐层构造的构件。为了直观阐明，在柱体外周面上示出不同区：上皮区U、中皮区I和下皮区D，它们在图13中被过渡线t_UI、t_ID示意性地分开。这些区可以在外壳区域81A中借助固有的层特定的照射策略构造，这些照射策略彼此不同并且可能也与芯区域81B的照射策略不同。可看到，对于斜柱体80而言，每层具有多个表面取向角度。例如，下皮区D包括从两侧至在反转点上延伸的线L增大的悬伸角度范围。
不同的区通过角度范围给出，相应的表面在所述角度范围内延伸。例如，上皮区域U涉及向上指向的、直至过渡角β_l的表面，该过渡角例如在93°的范围内。中皮区域I涉及在过渡角β_l和表明略微悬伸的过渡角β_2之间的角度范围内(例如在93°至87°的范围内)指向侧面的表面。下皮区域D涉及向下指向的表面，在这种情况下从过渡角β_2开始，其中，通过制造过程特定的临界角(例如力求达到30°)给定最大的例如无支撑结构可实施的表面斜度。例如，可以在87°至0°的角度范围内构造下皮区D，其中，如果例如借助支撑结构要实施超过临界角的表面，则可以将所述下皮区划分成另外的区，例如划分成87°至45°的角度范围、45°至30°的角度范围和可能30°至0°的角度范围。
如已经提及的那样，在严格实施限定的过渡角时可以形成不同照射策略的外观的可见的、沿着过渡线t_UI、t_ID延伸的跳跃式变化。
如在此现在还提出，在限定的区U、I、D之间的过渡线t_UI、t_ID可以扩展到在图13中示意性地围绕过渡线t_ID示出的略微更宽的过渡区域83中。这种扩展导致在过渡线t_UI、t_ID的区域中的外观和结构的平滑。因此，在相邻的区之间可以形成无阶梯的过渡。这例如可以在过渡区域83内借助配属于两个相邻的区的照射策略的随机变换实现。
图14示出具有多个区段85A、85B的增材制造的测试对象85，在这些区段中形成悬伸结构(作为示意性的轮廓草图和照片)。在制造时已经使用了两种照射策略，因为结构被划分为上皮区域和下皮区域。在区段85A中可看到一条光亮线t_UD，该光亮线表示照射策略之间的变换。
在图14中示意性地直观阐明，如何能够在光亮线的区域中设置过渡区域83，如结合图15所阐述的那样，在各个层内分配照射策略时可以考虑该过渡区域。为了直观阐明，在图14中还示出过渡区域83v，在该过渡区域中，照射策略能够从层到层、即在竖直方向上变换，如结合图16所阐述的那样。在两种情况下，使用过渡区域可以导致在测试对象表面上的平滑的区过渡。
因此，例如在过渡区域中发生平滑，在该过渡区域中，区过渡在各个层内变化。各个区之间的过渡因此可以空间上分布到一个区域上。在区域过渡域中发生的区过渡相应地不严格地根据临界角度被限定，而是逐渐地、例如在更详细地待限定的角度范围内实现。由此，相邻的区不但可以在层平面(在这里是X-Y平面)内而且可以沿竖直方向、即层构造方向(在这里是Z方向)熔化。
在操控构件的构造过程时，可以通过不同的方案实施区过渡。
在第一方案中，不是严格地从特定角度起，而是在限定的角度范围内限定不同区(上皮区、下皮区、中皮区)。具体地待使用在一层内的区过渡角度逐层地被确定为在给定的角度边界内的值。这可以随机地或根据特定图案实现。在后一种情况下，该确定例如可以导致在相继层的重叠区域中的交替的照射策略(通常沿着层构造方向按相邻层的顺序在照射策略之间多次来回变换)，或者照射策略不同程度地延伸进成型三维构件3的表面的过渡区域中。
在另一方案中，如到目前为止严格地从特定角度起限定不同的区(上皮区、下皮区、中皮区)。然而，在每个层中，所述邻接的区域之一从理论上的区过渡出发略微增大或减小，例如扩宽或减少了一个或多个照射场。这又可以在事先设定的边界内随机地或根据系统性实现。
在图15中示意性地示出层91，该层具有配属于外壳区域的区段41A和配属于芯区域的区段39A。在外壳区域中根据过渡角设置两个照射策略D1和D2。在照射策略D1和D2之间延伸有过渡区域83，在所述过渡区域中，视配属而定，在示意性表示的照射场D1/D2中使用照射策略D1和D2之一。
为了完整性而示出过渡线t_D1D2、t_D2D1，在所述过渡线中，在不实施在此提出的方案的情况下，过渡将在Dl和D2或者D2和D1之间延伸。
根据在此提出的方案，现在可以在一层内在过渡区域83中选择照射策略D1和D2之间的变换，其中，在一层内这样地执行每个变换，使得发生变换处的空间位置按相邻层的顺序双向地变化。这在附图右半侧中以在过渡线t_D1D2的区域中的多个层的示意性俯视图直观阐明。每次变换作为线条91在各个层内绘制出。在每个线条91的左侧上借助照射策略D1进行增材制造，而在每个线条91的右侧上借助照射策略D2进行增材制造。可看到，线条的位置(即变换)沿两个方向变化并且这些线条相应地相对彼此移位地布置。由此沿着层构造方向(图15中的Z方向)按相邻层的顺序得到照射策略之间的多次来回变换。
换言之，通过配属过渡参数、尤其是将区过渡角配属于在预定过渡角周围的角度范围内(该预定过渡角相应于所示的过渡线t_D1D2、t_D2D1)引起变换的空间位置和/或来回变换。通常，所述配属尤其可以通过随机算法或根据预给定的图案进行。此外，通过配属预定过渡角和增大或减小由过渡角产生的区可以引起变换的空间位置和/或来回变换。由过渡角产生的区的增大或减小例如可以通过随机算法或根据预给定的图案在过渡区域中实现。
图16示出具有弯曲侧面的构件的侧视图，其中，该侧面从中皮区域出发形成具有减小的过渡角的下皮区域。借助照射策略I产生中皮区域，而借助两个照射策略D1和D2在外壳区域中产生下皮区域。图16相应地示出两个过渡区域83，这两个过渡区域在预定的过渡参数(在照射策略之间有区别的预定的悬伸角)的范围内被限定。示例性的预定过渡角在图16中用点93表示，其中，当不实施这此提出的用于平滑过渡部的方案时，将沿着所属的层形成光亮线。
例如，在图16的右侧上以a)和b)示出两个方案a)和b)，用于使上过渡区域83中的过渡部平滑。根据方案a)在上过渡区域83中或者借助照射策略D1或者借助照射策略D2随机地产生相继的层。方案b)涉及之前所讨论的根据悬伸角度范围减少被照射的层。例如，在过渡区域83之间仅每个第二层被照射(照射策略D1')，而在更平缓的悬伸角度情况下仅照射每个第三层(照射策略D2')。在上过渡区域83中例如根据预给定的图案(在这里交替地)使用照射策略D1'或D2'。
应注意，方案b)也可以相应匹配地在一层或者一组层内变换时被实施(参见对图15的描述)，其中，例如在一组层内这样地执行每个变换，使得发生变换处的空间位置按层的相邻组的顺序双向地变化。
关于在过渡区域中使用不同照射策略的替代工作方式例如包括在靠近主要实施各照射策略的区中优选一种照射策略。
除改善构件外观外，也可以由使用过渡区域得到其它优点，如构件的改善的表面质量，因为可以降低在区过渡处的粗糙度，或者如改善的机械特性，因为熔化过程可以被积极影响，例如在较小程度上受影响。
此外，可看到，在此公开的方面也可以与所谓的“自适应切层(AdaptiveSlicing)”组合地使用。在自适应切层中，相对于粉末层平面仅成小角度的构件表面借助比(近似)垂直于粉末层平面的构件表面更薄的层制成。因此，例如可以获得较不粗糙的表面，并且可以在总体上良好的表面质量的情况下缩短制造时长。
将承认，在此公开的方案能够在整个外壳区域中或仅在外壳区域的区段中实施。例如，在此公开的方案可以在与涂覆方向相反取向的悬伸区域中实施，而不是在沿涂覆方向取向的外壳区域的区段中实施。
鉴于在此公开的方案，也可以在芯区域和外壳区域中改变在构件上的粉末层厚度并且因此也改变用于芯区域所需的能量输入。然而，在实施在此公开的方案时，至少在层结构的下部区域中，被照射的粉末层的密度在外壳区域中低于邻接的芯区域(如果存在的话)的密度。外壳区域的层在没有沿层方向邻接的芯区域情况下具有比与其邻接的芯区域更低的密度。
应明确强调的是，在申请文件中公开的所有特征应被视为分开的和彼此独立的，为了原始公开的目的以及为了限制所要求保护的发明的目的，而与实施方式中的特征组合无关。明确地确定，所有值范围或单元组的说明为了原始公开的目的以及为了限制所要求保护的发明的目的而公开了每个可能的中间值或单元子组，尤其也作为值范围的限界。

Claims (27)

1.一种用于由粉末(5)增材制造三维构件(3)的方法，其中，所述三维构件(3)具有悬伸结构(47)，所述方法具有以下步骤：
-将待制造的构件(3)的层结构模型划分为芯区域(39)和邻接到所述芯区域(39)上的外壳区域(41)，用于形成所述悬伸结构(47)，其中，所述外壳区域(41)构成所述三维构件(3)的表面的至少一个区段，和
-基于所述层结构模型执行基于层的照射过程，在所述层结构模型中，被照射的粉末层的密度在所述外壳区域(41)中低于在沿层平面方向邻接的芯区域(39)中，其中，所述密度由沿所述粉末层的法线方向每单位长度的被照射层的数量给定。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述基于层的照射过程包括按顺序地施加粉末层，所述粉末层被以芯能量输入照射，并且这些层在所述外壳区域(41)中经受按层选择的照射。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在对所述外壳区域(41)按层选择地照射时根据所述三维构件(3)的表面几何形状改变被照射粉末层的密度。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在所述外壳区域(41)或在所述外壳区域(41)的区段中仅照射被施加的粉末层的每个第n层，或
其中，在所述外壳区域(41)或所述外壳区域(41)的区段中不照射所述被施加的粉末层的每个第n层。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在一个粉末层内，在所述芯区域(39)和在所述外壳区域(41)中以相同的激光功率进行所述照射。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在所述外壳区域(41)中或在所述外壳区域(41)的一个区段中，被照射的粉末层与所述芯区域(39)中的被照射的粉末层重合，并且其中，这些粉末层在所述外壳区域(41)中和所述芯区域(39)中在共同的照射过程中被照射。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其中，当在沿层平面方向不配有邻接的芯区域(39)的外壳区域(41)中执行所述基于层的照射过程时，使用中皮参数，所述中皮参数针对芯区域(39)中的被照射的粉末层的密度设置，该密度高于所述外壳区域(41)中的粉末层的密度。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其中，施加的粉末层具有在所述粉末(5)的平均颗粒大小的范围内的密度。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述外壳区域(41)的尺寸通过以下参数确定：
-层的轮廓(50C)与被照射区域的距离(a2)，对该层的照射不延伸到所述三维构件(3)的轮廓走势上，和/或
-相继的层(n_s)的数量，对这些层的照射不延伸到所述三维构件(3)的对应的轮廓走势上。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述三维构件(3)的表面具有至少两个彼此邻接的区，所述区配有至少两个照射策略(D1,D2,I)，并且
在所述区的形成所述三维构件(3)的表面的过渡区域(83)中，
在一个层内这样地执行所述照射策略之间的变换，使得发生所述变换处的空间位置按相邻层的顺序双向地变化，和/或
沿着所述层构造方向按相邻层的顺序执行所述照射策略之间的多次来回变换。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述至少两个彼此邻接的区包括至少一个用于所述外壳区域的照射区和一个用于借助符合所述芯区域(39)的照射过程产生的区段的照射区，和/或
其中，所述至少两个彼此邻接的区构造在所述外壳区域中，和/或，
其中，所述至少两个彼此邻接的区域包括上皮区、下皮区和/或中皮区(U,D,I)。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，通过将过渡参数配属于在预定的过渡角周围的角度范围内而引起所述变换的空间位置和/或引起所述来回变换。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，通过
预定的过渡角的配属，和
由所述过渡角产生的区的增大或减小
引起所述变换的空间位置和/或引起所述来回变换。
14.根据权利要求3所述的方法，其中，相邻的层(nk,n1,n2_s,n3)的轮廓(50A,50B,50C,50D)之间的间距越大，并且所述悬伸结构(47)越平缓地向由粉末床的表面(65)给定的层平面延伸，则所述悬伸结构(47)的区域中的被照射的粉末层的密度减小得越多。
15.根据权利要求5所述的方法，其中，在整个构件(3)中，在一个粉末层内，在所述芯区域(39)和在所述外壳区域(41)中以相同的激光功率进行所述照射。
16.根据权利要求10所述的方法，其中，所述照射策略(D1,D2,I)中的至少一个照射策略包括基于所述层结构模型的照射过程，在所述层结构模型中，被照射的粉末层的密度在所述外壳区域(41)中低于在沿层平面方向邻接的芯区域(39)中。
17.根据权利要求12所述的方法，其中，所述过渡参数是区过渡角。
18.根据权利要求12所述的方法，其中，所述配属通过随机算法或根据预给定的图案实现。
19.根据权利要求13所述的方法，其中，由所述过渡角产生的区的增大或减小通过随机算法或根据所述过渡区域(83)中的预给定的图案实现。
20.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在所述层结构模型中，将层(n3)划分为照射场(71k,73k,71r,73r)，并且其中，在所述照射过程中，在所述外壳区域(41)中的照射场(71r,73r)中进行能量输入，该能量输入相对于芯区域(39)中的能量输入减小。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，层(n3)的被所述层(n3)的轮廓(50D’)切割的照射场(73r)仅在形成所述构件(3)的内部区域中被照射，和/或，
其中，所述照射的开始以减小的能量输入在这些照射场的区域中开始：所述照射场被层(n1)的投影到所述层(n3)上的轮廓(50B’)切割，其中，该层(n1)在外壳区域(41)中被照射至所述轮廓(50B’)和/或，
其中，被投影到所述层(n3)上的轮廓(54B’,54C’)切割的照射场作为整体以减少的能量输入被照射或作为整体以所述芯区域(39)的能量输入被照射。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，投影到所述层(n3)上沿层方向进行。
23.一种用于由粉末(5)增材制造三维构件(3)的方法，其中，所述构件(3)具有悬伸结构(47)并且通过选择性激光熔化在结构平台(17)上制造，所述方法具有以下步骤：
-基于所述三维构件(3)的层模型提供照射计划，其中，所述层模型包括层(nk,n1,...n9)的序列，这些层分别配有所述构件(3)的层特定的轮廓(50A,50B,50C,50D)，其中，所述序列包括层(n1,n3,n5)的第一子组和层(n2_s,n4_s,n6_s)的第二子组，所述第一子组和所述第二子组彼此嵌套，并且其中，在层(n1,n3,n5)的第一子组中在所述悬伸结构(47)的区域中计划将所述粉末(5)照射至所述轮廓(50A,50B,50D)，而在层的第二子组中在所述悬伸结构的区域中计划将所述粉末(5)仅照射至与所述轮廓(50C)隔开距离(a2,a4,a6)处，并且，
-在所述结构平台(17)上执行按顺序地施加粉末层并且根据所述照射计划以激光束的照射参数照射所述粉末层。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，为了施加所述粉末层，借助涂覆器(23)从储存区域(25A)沿涂覆方向施加粉末(5)，并且所述悬伸结构这样地朝向所述涂覆方向取向，使得至少一个后续待照射的层的轮廓在所述悬伸结构(47)的区域中比之前被照射的层的轮廓更靠近所述储存区域(25A)伸出，和/或，
其中，所述激光束的照射参数相应于所述激光束与所述构件(3)的芯区域中的粉末(5)的所希望的相互作用被固定地设定。
25.一种用于由粉末(5)增材制造三维构件(3)的制造设备(1)，所述制造设备具有：
-提供工作面(27)的制造室(9)，所述制造室包括平台区域(17A)，
-构造缸(21)，所述构造缸具有能够在高度上移动的载体(19)，在所述载体上，所述三维构件(3)应逐层地在结构平台(17)的表面上制造，
-具有涂覆器(23)的移动装置，所述涂覆器用于在平台区域(17A)中用所述粉末(5)产生粉末层，
-用于产生射束的照射系统(15)，所述射束用于照射所述平台区域(17A)中的粉末层，用于逐层地制造所述三维构件(3)，和
-控制单元(31)，所述控制单元基于所述三维构件(3)的照射计划的照射数据控制按照根据权利要求1至19中任一项所述的方法制造所述三维构件(3)。
26.根据权利要求25所述的制造设备，其中，所述照射数据限定所述粉末层的待照射的区域(k1,k2,h1,h2)，所述待照射的区域(k1,k2,h1,h2)包括外壳区域(41)和芯区域(39)并且被照射的粉末层的密度在所述外壳区域(41)中低于在所述芯区域(39)中。
27.一种具有悬伸结构(47)的构件(3)，所述构件由粉末(5)通过选择性激光熔化被增材制造，所述构件具有：
-芯区域(39)和
-外壳区域(41)，其中，所述芯区域(39)和邻接到所述芯区域(39)上的外壳区域(41)用于形成所述悬伸结构(47)，其中，
-所述外壳区域(41)构成所述构件(3)的表面的至少一部分，
-至少在所述外壳区域(41)的一部分中以减少的能量输入通过沿分层方向比在所述芯区域(39)中照射更少的层的方式执行所述选择性激光熔化，和
-在外壳区域(41)中或在所述外壳区域(41)的一个区段中，每个被照射的粉末层与所述芯区域(39)中的被照射的粉末层重合。
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