CN111344136A - 使用多个固化装置通过增材制造来制造物体的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使用多个固化装置通过增材制造由材料制造物体的方法，所述多个固化装置用于通过电磁辐射以堆叠层固化所述材料。所述方法包括以下步骤：由数据处理单元定义至少两个固化装置分配。在所述固化装置分配中的每一个中，所述多个固化装置被分配给所述层的相应部分，以使得所述部分覆盖所述层。所述方法还包括：针对所述至少两个固化装置分配中的每一个由所述数据处理单元来计算相应的分配部分制造时间，所述相应的分配部分制造时间表示所述多个固化装置中的每一个固化所述层的所述相应的分配部分的时间，其中所述计算考虑由通过所述多个固化装置中的一个固化所述材料而产生的预期干扰区域，其中所述干扰区域至少与在所述层上方的预期烟雾有关。所述数据处理单元然后确定制造产出时间，并选择确切分配。

Description

使用多个固化装置通过增材制造来制造物体的方法

技术领域

本发明涉及一种用于通过增材制造来生产物体的方法，特别是利用一种设备，所述设备包括：处理室，所述处理室用于接收可以通过暴露于电磁辐射而固化的材料浴；支撑件，所述支撑件用于相对于材料浴的表面水平定位物体；和固化装置，所述固化装置用于通过电磁辐射将一层材料固化在表面水平上。

背景技术

3D打印或增材制造是指用于制造三维物体的各种过程中的任何一种。传统技术(例如注模)对于制造(例如)大量聚合物产品而言可能较便宜，但在生产相对少量的三维物体时，3D打印或增材制造可以更快、更灵活且更便宜。

可以预见的是，增材制造在未来将变得越来越重要，这是因为日益增加的竞争压力迫使公司不仅要以恒定的高产品质量进行更经济的制造，而且要节省产品开发领域的时间和成本。产品的使用寿命不断缩短。除了产品质量和产品成本外，市场推广的时间对于产品的成功也变得越来越重要。

三维物体可以通过以层状方式选择性地固化粉末、纸张或片材以生成三维(3D)物体而被生成。特别地，可以使用受计算机控制的增材制造设备，该增材制造设备顺序地烧结多个层，从而以逐层的方式构建期望的物体。主要使用增材处理，在增材处理中在计算机控制下铺设连续的材料层。这些物体几乎可以具有任何形状或几何形状，并由3D模型或其它电子数据源生成。

为了打印三维物体，例如，将使用计算机设计包或通过3D扫描仪创建可打印模型。通常，输入是3D CAD文件，例如STL文件、STEP文件或IGS文件。在由CAD文件打印物体之前，将通过一款软件处理该文件，该软件将模型转换为一系列的薄后续层。此外，设备设置和矢量被生成以用于控制后续层中的每一个的创建。

包含在受计算机控制的增材制造设备中的激光器遵循这些设置和矢量以固化连续的材料层，从而由一系列横截面构建3D物体。这些层(对应于来自CAD模型的虚拟横截面)在此过程中同时被接合或融合以创建最终的3D物体。

制造三维物体(尤其是金属物体的增材制造)中的挑战之一是如何将CAD文件有效地处理成一系列的薄后续层，以及在增材制造过程期间将使用多个固化装置时如何有效地生成用于控制所述后续层的创建的设备设置和矢量。

发明内容

为此，本发明提供了一种用于使用多个固化装置通过增材制造由材料制造物体的改进的方法，其中所述多个固化装置用于以堆叠层固化所述材料。

根据本发明，该方法包括以下步骤：

由数据处理单元定义至少两个固化装置分配，其中在所述固化装置分配中的每一个中，所述多个固化装置被分配给所述层的相应部分，以使得所述部分覆盖所述层，其中所述至少两个固化装置分配基本上相互不同；

针对所述至少两个固化装置分配中的每一个，由所述数据处理单元计算相应的分配部分制造时间，所述相应的分配部分制造时间表示所述多个固化装置中的每一个固化所述层的所述相应分配部分的时间，其中所述计算考虑由通过所述多个固化装置中的一个固化所述材料而产生的预期干扰区域，其中所述干扰区域至少与所述层上方的预期烟雾和/或飞溅物有关；

针对所述至少两个固化装置分配中的每一个，由所述数据处理单元确定所述层的相应层制造产出时间，其中相应层制造产出时间等于所述层的所述计算出的分配部分制造时间中的最长分配部分制造时间；

基于所述确定的层制造产出时间，由所述数据处理单元选择所述多个固化装置的确切分配，并且使用所述确切分配利用所述多个固化装置制造所述层。

因此，根据本发明，该方法定义了至少两个相互不同的固化分配。在第一固化分配中，将多个固化装置分别被分派给所述层的部分以制造所述层。在至少第二固化分配中，多个固化装置也被分别分派给所述层的部分以制造所述层。然而，第一固化分配的部分的分派与第二固化分配的部分的分派不同。

在随后的步骤中，所述数据处理单元针对所述至少两个固化装置分配中的每一个计算相应的分配部分制造时间，所述分配部分制造时间表示所述多个固化装置中的每一个固化所述层的所述相应的分配部分的时间。因此，针对固化装置分配中的每一个，计算制造所述层所需的时间。所述计算考虑了由通过所述多个固化装置中的一个固化所述材料而产生的预期的干扰区域，其中所述干扰区域至少与所述层上方的预期烟雾和/或飞溅物有关。烟雾与例如增材制造期间所用材料的蒸发有关。飞溅物例如与材料和所喷射的粉末在电磁辐射与粉末状材料之间的相互作用区域的位置处的溅射有关。不希望在最终产品中包含飞溅物，这是因为这会导致材料缺陷。可以观察到，这些飞溅物离电磁辐射不远，并且此外，这些飞溅物行进的方向可以由计算机模型预测，并可以由数据处理单元解释。

在随后的步骤中，所述数据处理单元为所述至少两个固化装置分配中的每一个确定所述层的相应层制造产出时间。这对应于多个固化装置中的个完成其工作所需的最长时间。尤其是，这意味着固化装置中的每一个完成其工作所需的最长时间，包括活动时间(固化)和非活动时间(等待时间)。该最长时间确定完成相应层所需的时间。

最后，根据本发明的方法要求所述数据处理单元基于所述确定的层制造产出时间选择所述多个固化装置的确切分配，并且使用所述确切分配来利用所述多个固化装置制造所述层。这意味着通常将后续层制造产出时间相互比较，并且选择最短时间作为确切分配。然而，所述选择也可以包括基于其它和/或另外的标准的选择。例如，选择可以基于包括制造时间、烟雾相互作用和/或飞溅物相互作用的最优化。最终，在增材制造过程中很难满足所有边界条件，并且这意味着优化可以允许发生一些负面影响(例如，更长的制造时间)，即使这防止其它不良影响(例如，烟雾和/或飞溅物)。这意味着并非总是需要选择最短产出时间作为确切分配。

利用根据本发明的方法，由于生成多个分配并且由于在增材制造期间烟雾生成的事实被考虑，因此用于控制利用多个固化装置创在后续层的处理和生成设备设置以及矢量被改进和优化。这提高了制造过程的有效性和速度，由此实现了本发明的目的。

下面将解释该方法的有利实施例。

在一个实施例中，该方法包括以下步骤：通过至少重复一次所述定义步骤、所述计算步骤和所述确定步骤，由所述数据处理单元优化所述层制造产出时间，其中在重复所述定义步骤中，在所述确定步骤中获得的信息被使用。因此，关于第一定义的信息以及所得的计算出的产出时间可以用于定义进一步的固化装置分配。这样，与具有相对较短的制造产出时间的固化装置分配有关的信息可以用于定义新的固化装置分配，且目的是进一步减少所述制造产出时间。

优化的步骤可以包括以下步骤：合并与至少两个确定的制造产出时间有关的信息。例如，这意味着第一固化装置分配的信息可以与来自第二固化装置分配的信息合并。在一个实施例中，与所述两个制造产出时间有关的固化装置的分配可以被合并以定义新的固化装置分配，并且随后可以计算和确定相应的制造产出时间。可以执行进一步的优化步骤，即使这导致制造产出时间的改善。否则，可以通过合并不同的信息来执行新的优化步骤。

所述信息可以包括与最短层制造产出时间中的至少一个有关的信息。可以设想，通过合并与最短层制造产出时间有关的信息，可以获得制造产出时间的进一步改善(即，减少)。然而，由于增材制造过程的复杂性以及其中所涉及的参数，情况并非如此。

可以进行优化直到获得期望的阈值。然而，不确定的是优化步骤是否会导致收敛解。实际上，优化步骤可能导致与制造产出时间有关的更差的解(即更长的制造时间)。当然，无限数量的定义和计算可能会导致最佳解，但这不是有益的。

为了进一步最小化所需的计算数量，并进一步增加优化过程，可以执行以下步骤。该方法可以包括以下步骤：在至少两个组中分派所确定的层制造产出时间，并且将与所述至少两个组中的一组中的最短层制造产出时间中的至少一个有关的信息和与所述至少两个组中的另一组中的最短层制造产出时间中的至少一个有关的信息合并。可以随机地(即，通过将所确定的制造产出时间中的每一个随机分派给组中的一个)，执行至少两个组的分派。然后，对于每一个组，对制造产出时间进行排序，并选择最短产出时间中的一个或者最短产出时间。然后，与第一组的所选择的产出时间有关的信息和与第二组的所选择的产出时间有关的信息合并。该信息尤其包括固化装置到不同部分的分配。

在一个实施例中，所述信息可以包括至少与相应的固化装置分配有关的信息，即，针对固化装置中的每一个相应部分的分配。

所述多个固化装置可以被布置成用于发射电磁辐射束。在所述计算所分配部分制造时间的步骤中，所述计算可以考虑以下所述中的至少一个：

-所述电磁辐射束的波长；

-所述电磁辐射束在所述层处的几何形状；

-所述电磁辐射束的功率水平；

-所述电磁辐射束沿着所述层的速度。

在一个实施例中，在所述分配步骤期间，所述层的所述部分至少部分地重叠。可以考虑使用不同的固化装置来固化待制造物体的至少重叠部分。

在所述分配步骤期间，所述层可以至少被分成轮廓部分和填充部分，所述轮廓部分包括所述层的与所述制造的物体的外层相对应的轮廓。

针对所述堆叠层中的至少两层，优选地针对所述堆叠层中的每一层，执行定义分配、计算、确定和选择的方法步骤。

根据一个方面，本发明提供一种数据处理单元，所述数据处理单元被布置和配置成执行根据如上所述的本发明的一个或多个实施例的根据本发明的方法。

根据一个方面，提供了一种使用根据本发明的方法通过增材制造来生产物体的设备，其中所述设备包括：

处理室，所述处理室用于在构建板的构建表面上接收所述材料的浴；

支撑件，所述支撑件用于相对于所述材料的所述浴的表面水平将所述构建板定位在所述处理室中；

多个固化装置，所述多个固化装置被布置成用于传送多个电磁辐射束以固化所述材料；和

如上所述的数据处理单元。

上面已经描述了这种设备的优点，其中该设备结合了用于执行根据本发明的方法的数据处理单元。

附图说明

接下来将通过附图解释本发明。在图中：

图1示出了根据本发明的设备的示意性概图，该设备被布置成用于通过增材制造来生产物体；

图2示出了使用两个固化装置的制造过程的俯视图；

图3示出了根据该方法定义的两个相互不同的固化装置分配的示例；

图4示意性地示出了根据本发明的方法中的步骤；以及

图5示意性地示出了该方法的扩展过程。

具体实施方式

图1示出了用于通过增材制造来生产物体2的设备1的概观。设备1由多个框架部分11、12、13构成。该设备包括用于容纳可以被固化的材料浴4的处理室3。在下框架部分11中，形成轴，其中包括构建板5的支撑件被设置以用于相对于材料浴4的表面高度L定位物体2(或甚至多个物体)。支撑件5可移动地设置在轴中，以使得在固化一层之后，支撑件5可以被降下，并且另一层材料可以被固化在已经形成的物体2的一部分的顶部上。在设备1的顶部部分13中，大量固化装置7、7’被设置以用于分别固化材料的选择性部分。在所示的实施例中，固化装置7是激光装置，所述激光装置被布置成产生例如呈激光形式的电磁辐射，以便熔化设置在支撑件上的粉末状材料，其中该粉末状材料则在冷却后形成将要被制造的物体的固化部分。可以看出，由激光装置7、7’发射的电磁辐射71、71’通过偏转器单元74偏转，该偏转器单元74使用大量可旋转光学元件75、75’以将所发射的辐射71、71’分别朝向材料层4的表面L引导。

设备1可以进一步包括重涂装置(未示出)，该重涂装置可以沿着材料浴的表面L移位以使材料浴4的表面L平整。这种重涂装置本身是本领域技术人员已知的。

概括地说，如图1所示，用于通过增材制造来生产物体2的设备1包括第一固化装置7，该第一固化装置7被设置成用于通过电磁辐射来固化材料的选择性部分。设备1的顶部部分13还包括另一个固化装置7，该另一个固化装置7用于通过电磁辐射来固化材料的选择性部分。由另一个激光装置7’发射的电磁辐射71’通过另一个可旋转偏转器单元75’被偏转，以将所述另一个激光装置7’发射的辐射71’朝向材料层4的表面L引导。

在图1中还可以看出，在所示的实施例中，多个偏转器装置75、75’定位在垂直于由物体加工区域L限定的平面的线C附近，并且所述线C穿过物体加工区域L的几何重心。换句话说，偏转器装置75、75’基本上设置在物体加工区域L的中心部分上方。这允许多个固化装置中的每一个都容易地到达基本上整个物体加工区域，以使得例如可以同时发生单个物体的不同部分的固化。

根据本发明的设备1还包括数据处理单元8，该数据处理单元8连接或可连接到设备1，并且该数据处理单元8的功能将在下面关于根据本发明的方法进行说明。一般来说，所述数据处理单元8例如可以是独立计算机，并且由所述处理单元8产生的制造数据可以例如通过诸如USB存储装置的数据载体甚至通过无线连接被传输到设备1。因此，没有必要将数据处理单元直接连接到设备，只要由处理单元8产生的信息可以被传输传递到设备1即可。

然而，首先参考图2，将说明在使用用于以堆叠层固化材料的多个固化装置通过增材制造由材料制造物体的过程中发生的挑战之一。

图2示出了在构建板5的顶部上的材料层4的俯视图，其中，两个电磁辐射点(例如来自固化装置7、7’)78、79同时用于制造单层的间隔开的物体2a、2b。该层被分成两个子部分I、II；其中每个固化装置被分配给单独的子部分I、II。

使用处理气流18，并且该处理气流通常具有两个目的，即防止氧化以及从激光/粉末相互作用区域去除飞溅物和金属冷凝物。

如图2中可以看到的，基于点78、79的扫描场的对准，上游系统(子部分II)会影响下游系统(子部分I)的部分质量，例如，由点79产生的烟雾19直接在点78上方移动。这是不希望的。

这些烟雾和其它干扰物的存在以及为了获得所需质量而需要重视的各种边界条件，在确定将激光装置分派给不同部分的策略时提出了重大挑战。这样，特别是当使用大量固化装置时，难以优化制造过程。固化装置相对昂贵，并且因此固化装置的闲置时间需要被最小化以提高设备的成本效率。

为此，本发明提供了一种用于使用多个固化装置7、7’通过增材制造由材料4制造物体2的方法，其中所述多个固化装置7、7’用于通过电磁辐射73、73’以堆叠层固化所述材料4。现在参考图3和图4，将看到所述方法包括以下步骤：

由数据处理单元8定义201至少两个固化装置分配101、102(图3)。在所述固化装置分配101、102中的每一个中，所述多个固化装置被分配给所述层104的相应部分171、172，以使得所述部分覆盖所述层104以用于制造所述物体102。从图3(左侧)可以看出，提供第一分配101，其中所述物体102的左下部分171被分派给第一固化装置，并且所述物体102的右上部分172被分派给第二固化装置。在图3(右侧)中可以看出，对各个部分的分配171’、172’被选择为不同：现在，左上部分171’被分派给第一固化装置，而右下部分172’被分派给第二固化装置。

各个部分的分派可以至少在最初随机地进行。有根据的猜测也可以用作初始分派。如将在下面解释的，也可以使用迭代过程。在图3中未示出，但是本发明的一部分是：该分派还可以包括所述层104的所述部分171、172至少部分地重叠。也未示出，但是本发明的一部分是：所述层104可以被分成轮廓部分和填充部分，该轮廓部分包括所述层104的与所述制造的物体102的外层相对应的轮廓。

无论如何，该方法包括定义分配101、102的步骤，其中所述至少两个固化装置分配101、102基本上相互不同。

根据该方法，所述数据处理单元8针对所述至少两个固化装置分配101、102中的每一个计算202相应的所分配的部分的制造时间，所述制造时间表示所述多个固化装置7、7’中的每一个用于固化所述层的所述层的所述相应所分配部分171、172、171’、172’的时间，其中所述计算考虑了预期干扰区域19(参见图2)，所述预期干扰区域19通过所述多个固化装置7、7′中的一个固化所述材料而产生，其中所述干扰区域至少与在所述层104上方的预期烟雾19有关。

因此，对于分配101(图3的左部分)，计算202制造物体部分171所花费的时间，并且计算制造物体部分172所花费的时间。另外，对于分配102(图3的右部分)，计算制造物体部分171’所花费的时间，并且计算制造物体部分172’所花费的时间。

一旦计算出制造时间202，数据处理单元11就针对所述至少两个固化装置分配101、102中的每一个确定203所述层104的各个层制造产出时间，其中各个层制造产出时间等于所述层104的所述计算出的所分配部分制造时间中的最长时间。

例如，在图3(左手侧)中可以看出，部分172相对较大，而部分171相对较小。因此，期望分配部分172的制造时间长于分配部分171的制造时间，这意味着与分配部分171相关联的固化装置的闲置时间更长。在图3(右手侧)中，分配部分171’和172’在尺寸上彼此相对相等。因此，分配部分171’和172’的制造时间大致彼此相同(在该示例中，不考虑任何干扰物，例如预期的烟雾)。从图3中，可以预期分配101花费了最长的时间(由于大部分分配172)，并因此分配102是花费最短制造时间的分配。

一旦被确定203，所述数据处理单元8可以基于所述所确定的层制造产出时间来选择所述多个固化装置7、7’的确切分配102。然后，该确切分配102被设备1使用以用于通过所述多个固化装置7、7’制造所述层104。

如图5中所示，可以执行优化步骤。这可以通过重复至少一次所述定义201、计算202和确定203步骤来完成，其中在所述重复的定义201步骤中，使用在所述确定203步骤中获得的信息。

在图5中，总共二十四个分配r_a1-r_a4被定义201，并且得到的产出时间被计算202。然后，二十四个分配r_a1-r_a4被分组为四个不同的组A1-A4，这可以随机地或以任何其它方式完成。然后，对于每个组A1-A4，选择最佳的三个分配r_a1-r_a4(即，最短的制造时间)。然后来自一组的与这些分配有关的信息与来自另一组的与这些分配有关的信息合并。在图5中，可以看到来自组A1的信息和来自组A2的信息合并以定义组B1中的其他分配。同样，来自组A3的信息和来自组A4的信息合并以定义组B2中的其它分配。因此，该优化步骤包括以下步骤：合并与至少两个确定的制造产出时间有关的信息，特别是与最短层制造产出时间中的至少一个有关的信息。

然后，在组B1和B2中重复上述过程，以定义另一个分配组C1。最后，确定203并选择204最佳制造产出时间rF，以供设备使用。

在计算202分配部分制造时间的所述步骤期间，所述计算考虑以下所述中的至少一个：

-所述电磁辐射束的波长；

-在所述层处的所述电磁辐射束的几何形状；

-所述电磁辐射束的功率水平；

-所述电磁辐射束沿着所述层的速度。

对于每一层，可以至少部分地重复如上所述的方法。在这种情况下，为所述堆叠层中的至少两层，优选地为所述堆叠层中的每一层执行定义分配、计算、确定和选择的方法步骤。

期望的保护限定在所附权利要求书中。

Claims (12)

1.一种用于使用多个固化装置通过增材制造由材料制造物体的方法，所述多个固化装置用于通过电磁辐射以堆叠层固化所述材料，所述方法包括以下步骤：

由数据处理单元定义至少两个固化装置分配，其中在所述固化装置分配中的每一个中，所述多个固化装置被分配给所述层的相应部分，以使得所述部分覆盖所述层，其中所述至少两个固化装置分配基本上相互不同；

针对所述至少两个固化装置分配中的每一个，由所述数据处理单元计算相应的分配部分制造时间，所述相应的分配部分制造时间表示所述多个固化装置中的每一个固化装置固化所述层的所述相应的分配部分的时间，其中所述计算考虑预期的干扰区域，所述干扰区域由通过所述多个固化装置中的一个固化装置固化所述材料产生，其中所述干扰区域至少与在所述层上方的预期烟雾和/或飞溅物有关；

针对所述至少两个固化装置分配中的每一个，由所述数据处理单元确定所述层的相应的层制造产出时间，其中相应的层制造产出时间等于所述层的所述计算出的分配部分制造时间中的最长时间；

基于所述确定的层制造产出时间，由所述数据处理单元选择所述多个固化装置的确切分配，并且使用所述确切分配利用所述多个固化装置制造所述层。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法包括以下步骤：

通过至少重复一次所述定义步骤、所述计算步骤和所述确定步骤，由所述数据处理单元优化所述层制造产出时间，其中在重复所述定义步骤中，使用在所述确定步骤中获得的信息。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述优化步骤包括以下步骤：

合并与至少两个确定的层制造产出时间有关的信息。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，所述信息包括与最短的层制造产出时间中的至少一个有关的信息。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，包括以下步骤：

在至少两个组中分派所确定的层制造产出时间，并且将与所述至少两个组中的一组中的最短的层制造产出时间中的至少一个有关的信息和与所述至少两个组中的另一组中的最短的层制造产出时间中的至少一个有关的信息合并。

6.根据权利要求2-5中任一项所述的方法，其中，所述信息包括至少与相应的固化装置分配有关的信息。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述多个固化装置被布置成用于发射电磁辐射束，其中在计算分配部分制造时间的所述步骤期间，所述计算考虑以下所述中的至少一个：

所述电磁辐射束的波长；

所述电磁辐射束在所述层处的几何形状；

所述电磁辐射束的功率水平；

所述电磁辐射束沿着所述层的速度。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在定义分配的所述步骤期间，所述层的所述部分至少部分地重叠。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在定义分配的所述步骤期间，所述层被至少分成轮廓部分和填充部分，所述轮廓部分包括所述层的与所述制造的物体的外层相对应的轮廓。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，针对所述堆叠层中的至少两层，优选地针对所述堆叠层中的每一层，执行定义分配、计算、确定和选择的方法步骤。

11.一种数据处理单元，所述数据处理单元被配置成执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。

12.一种使用根据权利要求1-10中任一项所述的方法通过增材制造来生产物体的设备，所述设备包括：

处理室，所述处理室用于在构建板的构建表面上接收所述材料的浴；

支撑件，所述支撑件用于相对于所述材料的所述浴的表面水平将所述构建板定位在所述处理室中；

多个固化装置，所述多个固化装置被布置成用于传送多个电磁辐射束以固化所述材料；和

根据权利要求11所述的数据处理单元。

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