CN111526954B - 交错扫描的策略及其应用 - Google Patents

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Abstract

一种用于增材制造的方法、装置和程序。在一个方面，该方法包括：在第一扫描区域(801)内形成至少部分固化的部分，其中通过沿着第一照射路径(811)照射构建材料来形成第一扫描区域(801)内的固化部分。构建材料的第二部分可以沿着第二照射路径(813)照射，其中第二扫描区域(803)相对于第一扫描区域(801)偏移，从而限定偏移区域(802)。偏移区域(802)通过第一照射路径(811)和第二照射路径(813)至少部分地固化，并且参考线(819)在偏移区域(802)内与第一照射路径(811)和第二照射路径(813)相交，其中参考线(819)基本上平行于第一扫描区域(801)的一侧(810)。

Description

交错扫描的策略及其应用
优先权信息
本申请人要求2017年11月10日提交的标题为“交错扫描策略及其应用”(Interlace Scanning Strategies and Uses Thereof)的美国临时专利申请序列号62/584,553的优先权，其公开内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及一种改进的用于增材制造中交错扫描的设备和方法。
背景技术
增材制造(AM)技术可以包括例如电子束自由成形制造、激光金属沉积(LMD)、激光金属丝沉积(LMD-w)、气体金属电弧焊、激光工程净成形(LENS)、激光烧结(SLS)、直接金属激光烧结(DMLS)、电子束熔化(EBM)、粉末进给引导能量沉积(DED)和三维打印(3DP)。例如，与减材制造方法相比，AM工艺通常涉及一种或多种材料的堆积，以制成净形或近净形(NNS)的物体。尽管“增材制造”是工业标准术语(ISO/ASTM F2792)，但AM包含各种名称已知的各种制造和原型技术，包括自由成形制造、3D打印、快速原型/工具等。AM技术能够使用多种材料制造复杂的部件。通常，独立的物体可以使用计算机辅助设计(CAD)模型来制造。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，从而创建材料粘合在一起的固体三维物体。
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末来生成三维(3D)物体。例如，美国专利4,863,538和美国专利5,460,758描述了常规的激光烧结技术。更具体地，烧结需要在低于粉末材料的熔点的温度下融合(团聚)粉末的颗粒，而熔化则需要完全熔化粉末的颗粒以形成固体均质体(solid homogeneous mass)。与激光烧结或激光熔化相关联的物理处理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)利用聚焦的电子束以熔化粉末。这些处理涉及连续熔化粉末层以使用金属粉末构建物体。
AM技术，其示例在上文和本发明中讨论，其特征可能在于使用激光或能量源在粉末中产生热量以至少部分地熔化材料。因此，在短时间内在细粉中产生高浓度的热量。在部件的堆积过程中，粉末内部的高温梯度可能会对完成部件的微观结构产生重大影响。快速加热和固化可能会导致较高的热应力，并导致整个固化材料出现局部的非平衡相。此外，由于在完成的AM部件中晶粒的取向可通过材料中的导热方向来控制，因此AM设备和技术中激光扫描的方法成为控制AM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，缺陷的示例可能包括缺乏熔合孔隙度率和/或沸腾孔隙率。
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的横截面视图的示意图。设备110通过使用由源(例如激光器120)生成的能量束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，例如部件122。通过能量束熔化的粉末通过贮存器126供应，并使用在方向134上行进的重涂覆器臂116均匀地铺展在构建板114上以保持粉末处于水平118，并将粉末水平118以上延伸的多余的粉末材料移除到废料容器128。在振镜扫描仪132的控制下，能量束136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)铺展在构建板和正在构建的物体上，随后通过激光器120连续熔化/烧结粉末。重复该处理，直到部件122完全由熔化的/烧结的粉末材料堆积。激光器120可以通过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个层的扫描图案，并根据扫描图案控制激光器120以照射粉末材料。在部件122的制造完成后，可以将各种后处理程序应用于部件122。后处理程序包括例如通过吹扫或抽真空、机械加工、打磨或喷砂移除多余的粉末。此外，常规的后处理可以包括例如通过机械加工从构建平台/基板移除部件122。其他后处理程序包括压力释放处理。另外，热和化学后处理程序可以用于完成部件122。
上述AM过程通过执行控制程序的计算机进行控制。例如，设备110包括执行固件的处理器(例如，微处理器)、操作系统或在设备110和操作员之间提供接口的其他软件。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。计算机分析模型，并为模型中的每个物体提出工具路径。操作员可以限定或调整扫描图案的各种参数，例如功率、速度和间距，但通常不直接编程工具路径。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处理。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处理中应用的任何前处理或后处理技术。
上述的增材制造技术可用于形成由不锈钢、铝、钛、钴铬等金属材料或任何合金制成的部件。例如，上述的合金可能包括商品名为钴基特种合金(Haynes)
Figure BDA0002564386780000031
钴基特种合金(Haynes)
Figure BDA0002564386780000032
镍基(Inconel)超级合金625TM，
Figure BDA0002564386780000033
Figure BDA0002564386780000034
Inconel 188的材料以及具有使用上述技术形成部件的材料特性的任何其它材料。
在上述的示例中，通过控制激光和/或能量源，基于图案在粉末层中形成一系列固化线(以下可互换地称为阴影线、固化线和光栅线)。可以选择一种图案来减少构建时间、改善或控制固化材料的材料特性、降低完工材料中的应力和/或减少激光、振镜扫描仪和/或电子束的磨损。过去曾考虑过各种扫描图案，例如包括棋盘模式图案和/或条纹图案。
控制所构建AM部件的材料内在应力的一种尝试涉及了包含多个相连平行矢量的条纹区域的旋转，这些平行矢量作为固化线，在AM构建过程中，垂直于形成每一层的条纹区域边界的固化线。平行固化线以条纹为界并垂直于条纹，针对AM构建的每一层进行旋转。在授予Dimter等人的美国专利8,034,279B2中公开了一种控制AM设备中的扫描策略的示例，标题为"用于制造三维物体的方法和装置”(Method and Device for Manufacturing aThree-dimensional Object)，在此通过引用将其全部并入。
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固化线213A，213B。一系列固化线形成构建的层并由以垂直于形成每个条纹区域的边界的固化线213A和213B的条纹211A和211B的形式的固化线界定。由固化线211A和211B界定的条纹区域形成待构建的层的较大表面的一部分。在形成部件时，大部分部件横截面被分成许多条纹区域(两条固化条纹之间包含横向固化线的区域)。如图2和3所示，对于在AM构建过程中形成的每个层，都使条纹方向旋转。第一层可以形成有一系列平行的固化线213A，在条纹区域中，所述平行的固化线213A基本垂直于固化的条纹211A并由其界定。在第一层上形成的后续层中，条纹211B被旋转，如图3所示。通过相对于上一层旋转的一组固化条纹211B为固化线213A和213B创建条纹边界，垂直于条纹211B形成并由其界定的固化线213B也可相对于前一层的固化线213A旋转。
使用上述旋转条纹策略，需要在每一层中进一步产生差异。通过采用所公开的各种实施例，可以通过防止能量源的不必要的跳跃，防止激光器的不必要的开/关转换，和/或改善层内热量累积的控制和/或效率来进一步提高构建效率。此外，可以通过控制条纹区域的模式和条纹区域内的固化线来改变部件的微观结构。
然而，在使用如下所述的移动或多个移动构建单元和/或移动构建平台的大型AM设备中，可以采用上述策略。但是，当形成与另一个扫描区域接壤的扫描区域时，还需进一步在保持效率的同时控制完成部件的能量密度和冶金。
发明内容
将在以下描述中部分地阐述各方面和优点，或者可从描述中显而易见，或者通过实施本发明而获悉。
在一方面，公开了一种用于增材制造的方法。该方法包括：在第一扫描区域内形成至少部分固化的部分，其中该第一扫描区域内的固化部分是通过沿着第一照射路径照射构建材料而形成的。构建材料的第二部分可以沿着第二照射路径照射，其中第二扫描区域相对于第一扫描区域偏移，从而限定偏移区域。该偏移区域至少部分的被第一照射路径和第二照射路径所固化，并且参考线在偏移区域内与第一照射路径和第二照射路径相交，其中参考线基本平行于第一扫描区域的一侧。
第一至少部分固化区域可以形成在相对于第一扫描区域被隔开的第二扫描区域内，其中通过沿着第二照射路径照射构建材料来形成第二扫描区域内的固化部分。其中当第一照射路径和第二照射路径与虚拟线和/或参考线(由沿着图8A和8B的中心线的浅虚线描绘)在第一扫描区域和第二扫描区域之间的空间内相交时，第一扫描区域和第二扫描区域之间的空间至少部分固化。虚拟线和/或参考线基本平行于第一扫描区域和第二扫描区域的边界。
在一方面，公开了一种形成物体的方法，该方法包括：在第一扫描区域内形成部分固化部分，其中通过在第一条纹区域内沿着第一照射路径照射构建材料来形成第一扫描区域内的固化部分。该方法还包括：在相对于第一扫描区域间隔开的扫描区域内的第二扫描区域内形成部分固化的部分，其中第二扫描区域内的固化部分是通过沿第二条纹区域内的第二照射路径照射构建材料而形成的。在第一扫描区域和第二扫描区域之间的空间内的第一条纹区域的至少一个边界被成形，以便与第二条纹区域的至少一个边界互锁。
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，该程序被配置成使计算机执行增材制造的方法。该增材制造方法可以包括在第一扫描区域内形成至少部分固化部分，其中第一扫描区域内的固化部分通过沿第一照射路径照射构建材料来形成。该方法可以进一步包括在相对于第一扫描区域间隔开的第二扫描区域内形成至少部分固化部分，其中第二扫描区域内的固化部分通过沿着第二照射路径照射构建材料来形成。通过将第一照射路径与第二照射路径互锁来照射构建材料，可以至少部分地固化第一扫描区域和第二扫描区域之间的空间。
参考以下描述和所附权利要求，这些和其他特征，方面和优点将变得更好地理解。结合在本说明书中并构成本说明书一部分的附图，举例说明本发明的实施例，与说明书一起用于解释本发明的某些原理。
附图说明
在说明书中阐述了本发明的完整且能够实现的公开内容，包括其针对本领域通常技术人员的最佳模式，该说明书参考了附图，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是描绘用于形成部件的至少一部分的常规阴影线和条纹图案的俯视图；
图3是描绘用于形成部件的至少一部分的常规阴影线和条纹图案的俯视图；
图4是描绘在AM过程中构建的部件的示例层的立体图；
图5是描绘用于形成图4所示部件的每一层的阴影线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截面图；
图7是根据本公开的一个方面的增材制造设备的建造单元和旋转建造平台的一部分的侧视截面图；
图8A是展示了根据本公开的一个方面的两个相邻扫描区域之间的区域的示例的俯视图；
图8B是图8A的放大视图，展示了根据本公开的一个方面的两个相邻扫描区域之间的区域的示例；
图9A是展示了根据本发明的一个方面的两个相邻扫描区域之间的区域的示例的俯视图；
图9B是图9A的放大视图，展示了根据本公开的一个方面的两个相邻扫描区域之间的区域的示例；
图10是描绘了根据本公开的一个方面的构建单元和扫描区域的示例性取向的俯视图；
图11是描绘了根据本发明的一个方面的构建单元和扫描区域的示例性取向的俯视图。
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，其一个或多个示例在附图中示出。提供每个示例是为了解释本发明，而不是限制本发明。实际上，对于本领域技术人员显而易见的是，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个实施例一起使用以产生另一个实施例。因此，本发明旨在覆盖在所附权利要求及其等同物的范围内的这种修改和变化。
当使用上述任何一种AM技术通过至少部分地熔化粉末来形成部件时，以光栅扫描方式在粉末材料上激光扫描常常被用于产生影线扫描(以下可互换地称为影线扫描，光栅，扫描线或固化线)。在AM构建过程中，上述固化线常用于形成部件横截面的大部分。轮廓扫描可进一步用于勾勒部件横截面的边缘。在光栅扫描过程中，在需要AM构建的固体部分的区域中，打开能量源或激光器，增加功率和/或聚焦，并且在不需要在该层中熔化形成物体横截面的情况下能量源或激光器关闭、散焦、脉冲和/或降低功率。在光栅扫描过程中，至少部分粉末的熔化和固化的形成是沿着相邻的固化线重复的，例如，在轮廓扫描产生部件的离散边界或边缘的同时，形成待构建物体的单个熔化和熔合的横截面。在使用粉末床的示例性AM装置中，一旦正在被构建的对象的一个横截面的熔化成型完成，该装置将在所完成的横截面表面涂覆另外的粉末层。重复该过程，直到对象完成。
应注意是，虽然在整个说明书中将构建材料称为粉末，但可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，虽然在整个说明书中使用了术语固化，熔化和部分固化，应当注意是，本发明旨在适用于构建材料的任何类型的致密化。例如，本发明可应用于构建材料的粘合剂喷射。粘合剂喷射包括以与上述类似的方式连续沉积添加剂粉末层。然而，与使用能量源产生能量束以选择性地熔化或熔合添加剂粉末相反的是，粘合剂喷射包括选择性地将液体粘合剂沉积到每层粉末上。例如，液体粘合剂可以是可光固化的聚合物或另一种液体粘合剂。其它合适的增材制造方法和变型也在本发明主题的范围内。
由于上述原因，至少出于以下原因，激光和/或能量被控制，使用图案以在粉末层中形成一系列固化线：缩短构建时间，控制粉末内的热积累和/或提高建造效率，改善和/或控制固化材料的材料特性，减少完成材料中的应力和/或减少激光和/或振镜扫描仪的磨损。
如图4和5所示，构建的AM部件包括多个层215、216、217。上述策略的一个示例被图示，例如，第一层217可以由软件分成若干条纹区域，这些条纹区域由形成为固化线的条纹257和277界定。条纹257和277可以形成用于单独形成的平行邻接矢量或固化线267的边界。部件的表面包括覆盖待构建表面的多个条纹。如图5所示，每个条纹区域由层217中的所述固化条纹257和277界定，从而形成一系列平行固化线267的边界。该平行的固化线267垂直于固化的条纹边界257和277。条纹在层217中以第一角度取向，其中垂直的固化线267基本上垂直于条纹257和277。在第二层216上，由固化条纹256和257界定的条纹区域相对于在先前层217上的固化条纹边界257和277成角度。因此，垂直于固化条纹256和276的固化线266也相对于先前层217上的固化线267成角度。随着构建的进行，在第三层215上具有条纹265和275的下一层相对于在层217上的条纹257和277成角度；并相对于在层216上的条纹256和276成角度。
可以根据本发明使用的扫描策略的其它细节可以在一下专利中找到；美国专利申请号15/451,108，标题为“用于增材制造的三角形影线图案”(Triangle Hatch Patternfor Additive Manufacturing)，代理人案号为037216.00070，于2017年3月7日提交；美国专利申请号15/451,043，标题为"影线图案的支腿消除策略"(Leg Elimination Strategyfor Hatch Pattern)，代理人案号037216.00078，于2017年3月6日提交；美国专利申请号15/459,941，标题为"用于增材制造的恒定变化的影线"(Constant Varying Hatch forAdditive Manufacturing)，代理人案号037216.00077，于2017年3月15日提交，这些公开内容通过引用并入本文。
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)，包括照射发射引导装置401的构建单元400，层流气流区域404，以及在被构建物体415下方的构建板。最大构建范围由定位系统(未示出)限定，而不是如常规系统那样由粉末床限定，并且用于特定构建的构建范围可被限制在可与物体一起动态构建的构建封套414中。通常，在本发明中使用的定位系统可以是任何多维定位系统，例如龙门架系统，delta机器人，缆线机器人，机器人臂等。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内移动。可以控制建造单元外部的大气环境，即"构建环境"或"容纳区域"，使得氧气含量相对于典型的环境空气降低，并且使得环境处于减压状态。在一些实施例中，所使用的重涂覆器是选择性重涂覆器。图6示出了选择性重涂覆器411的一个实施例。
在激光源的情况下，也可以有一个照射源，该照射源产生包含由照射发射引导装置引导的激光照射的光子。当照射源是激光源时，则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的外部。在这些情况下，可以通过任何合适的手段例如，光纤电缆，将激光照射传送到照射发射引导装置。当照射源是电子源时，电子源产生包括由照射发射引导装置引导的构成电子束的电子。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。当根据本发明实施例的大型增材制造装置运行时，如果照射发射引导装置引导激光束，则通常有利的是包括提供基本层流的气流区域的气流装置403。也可使用电子束代替激光或与激光组合使用。电子束是众所周知的照射源。例如，标题为“用于生产三维产品的装置和方法”(Arrangement and Method for Producing a Three-Dimensional Product("Larsson")的Larsson的美国专利No.7,713,454讨论了电子束系统，在此通过引用将其并入。
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可以向气流区域404和重涂覆器405提供气流。在气流区域404上方具有可以包含惰性环境419的外壳418。重涂覆器405可包括由后板407和前板408组成的料斗406。重涂覆器405还具有至少一个致动元件409，至少一个闸板410，重涂覆器刀片411，致动器412和重涂覆器臂413。重涂覆器安装在安装板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，被形成的物体415和容纳在料斗405中用来形成物体415的粉末416。在该特定示例中，致动器412启动致动元件409以将闸板410拉离前板408。在该实施例中，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。在该实施例中，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，当相应的操纵元件将相应的闸板从粉末闸门拉出时，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。或者，后板407，前板408和闸板410可以都是相同的材料，并且该材料可以是与任何期望的材料兼容的材料，例如钴铬合金。在本发明的一个实施例的特定图示中，气流区域404中的气流沿x方向流动，但也可相对于构建单元沿任何期望的方向流动。重涂覆器刀片411在x方向上具有宽度。当θ2约为0时，照射发射束的方向在该视图中定义为z方向。气流区域404中的气体流可以基本上是层流。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。该图示出了处于关闭位置的闸板410。
此外，应注意的是，尽管上述的选择性粉末重涂覆机构405仅包括单个粉末分配器，但粉末重涂覆机构可包括多个包含多个不同材料粉末的隔室也是可能的。类似地，上述装置可以包括多个重涂覆器机构。
当闸板410处于打开位置时，在料斗中的粉末被沉积以形成新的粉末层416B，该粉末层416B被重涂覆器刀片411平滑化以形成基本上均匀的粉末层。在本发明的一些实施例中，在构建单元移动的同时可以照射基本均匀的粉末层，这将允许构建单元的连续运行，从而允许更快地生产物体。
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，该构建单元302被描绘在构建平台的远侧上。移动构建单元302包括照射束引导机构506，具有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)和粉末重涂覆机构504，该气流机构在方向538上向气流区域提供气流。在该示例中，流动方向基本上沿X方向。在气流区域538上方，可以具有包含惰性环境542的外壳540。安装在重涂覆器板544上的粉末重涂覆机构504具有粉末分配器512，该粉末分配器512包括后板546和前板548。粉末重涂覆机构504还包括至少一个致动元件552，至少一个闸板516，重涂覆器刀片550，致动器518和重涂覆器臂508。在该实施例中，致动器518启动致动元件552以拉动闸板516远离前板548，如图7所示。在前板548和闸板516之间还存在间隙564，当闸板516被致动元件552拉离前板548时，该间隙允许粉末流到旋转构建平台310上。旋转构建平台310可以由电动机316可旋转地控制。
图7示出了闸板516处于打开位置的构建单元302。粉末分配器512中的粉末515被沉积以制造新的粉末层554，并通过重涂覆器刀片510在旋转构建平台310的顶表面的一部分(即构建或工作表面)上平滑化，以形成基本上均匀的粉末层556，然后该粉末层被照射束558照射为作为打印物体330的一部分的熔合层。在一些实施例中，在构建单元302移动的同时可以照射基本均匀的粉末层556，这将允许构建单元302的连续运行，并因此允许更有时间效率地生产打印或生长的物体330。在旋转构建平台310上构建的物体330被显示在由外部构建壁324和内部构建壁326所限制的粉末床314中。在本发明的一个实施例的特定图示中，气流区域538中的气流沿x方向流动，但是相对于构建单元也可沿任何期望的方向流动。
应注意，尽管上述选择性粉末重涂覆机构504仅包括单个粉末分配器，但粉末重涂覆机构可包括容纳多种不同材料粉末的多个隔室也是可能的。此外，虽然示出了单个重涂覆器设备，但是本发明可应用于具有多个重涂覆器设备的设备。
根据本发明可以使用单个和/或多个单元的构建单元和定位机构的其它细节可以在一下专利中找到：美国专利申请号15/610,177，标题为“使用移动构建体积的增材制造”(Additive Manufacturing Using a Mobile Build Volume)，代理人案号037216.00103，于2017年5月31日提交；美国专利申请号15/609,965，标题为“连续增材制造的设备和方法”(Apparatus and Method for Continuous Additive Manufacturing)，代理人案号037216.00102，于2017年5月31日提交；美国专利申请号15/610,113，标题为“动态生成构建壁的实时同步增材和减材制造的方法”(Method for Real-Time Simultaneous Additiveand Subtractive Manufacturing with a Dynamic Grown Build Wall)，代理人档案号037216.00108，于2017年5月31日提交；美国专利申请号15/610,214，标题为“用于实时同步和校准增材和减材制造的方法”(Method for Real-Time Simultaneous and CalibratedAdditive and Subtractive Manufacturing)，代理人案号037216.00109，于2017年5月31日提交；美国专利申请号15/609,747，标题为“具有回收未使用原材料的机构的实时同步增材和减材制造的设备和方法”(Apparatus and Method for Real-Time SimultaneousAdditive and Subtractive Manufacturing with Mechanism to Recover Unused RawMaterials)，代理人案号037216.00110，于2017年5月31日提交；美国专利申请号15/406,444，标题为“使用动态增长的构建封套的增材制造”(Additive Manufacturing Using aDynamic Grown Build Envelope)，代理人案号037216.00061，于2017年1月13日提交；美国专利申请号15/406,467，标题为"使用移动构建体积的增材制造(Additive ManufacturingUsing a Mobile Build Volume)，代理人案号037216.00059，于2017年1月13日提交；美国专利申请号15/406,454，标题为“使用移动扫描区域进行增材制造”(AdditiveManufacturing Using a Mobile Scan Area)，代理人案号037216.00060，于2017年1月13日提交；美国专利申请号15/406,461，标题为“使用选择性重涂覆器的增材制造”(AdditiveManufacturing Using a Selective Recoater)，代理人案号037216.00062，于2017年1月13日提交；美国专利申请号15/406,471，标题为“大型增材机”(Large Scale AdditiveMachine)，代理人案号037216.00071，于2017年1月13日提交，其公开内容通过引用并入本文。
如上所述，构建单元(例如，如图6和7所示)用于选择性地提供构建材料(例如粉末)并且在扫描区域内至少部分地熔化或烧结构建材料。随着使用AM设备制造的部件的尺寸增加，部件的部分可能需要构建单元移动到另一个扫描区域。此外，构建的部分可能需要连接两个或多个扫描区域以形成AM构建的单个较大的至少部分固化的层。例如，如图8A和8B所示，第一扫描区域801可以在第二扫描区域803附近。第一扫描区域801可以表示构建单元(例如，如图6和7所示构建单元302和/或400)的第一位置处的一部分可扫描区域，和/或可以表示图7所示的构建平台310相对于构建单元302的第一位置。第二扫描区域803可表示构建单元(例如，如图6和7所示构建单元302和/或400)的第二位置处的一部分可扫描区域，和/或可以表示图7所示的构建平台310相对于构建单元302的第二位置。例如，当通过至少部分地固化扫描区域801和/或803中的构建材料来形成AM构建的层时，在第一扫描区域801和第二扫描区域803之间的偏移区域802处可能发生过度的热积累。
可扫描区域可以表示表面区域，在该表面区域上，照射源能够在构建单元的特定位置处至少部分地熔合构建材料。例如，参考图6，可扫描区域可以包括粉末和/或熔合区域415的表面区域416B，当构建单元400相对于构建表面415和/或416B处于单一取向时，照射源402能够在该表面区域上操作(例如，能够熔合和/或烧结构建材料)。换句话说，区域801和803可以表示在构建单元和/或平台处于单个固定取向时的至少整个可扫描区域的一部分的表面。
如图8A-B所示，每一个扫描区域801和/或803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801和/或803可以包括固化线811和/或813，其可以由条纹810和/或820界定。如上所述，每个条纹可以是单独的固化线或者也可以仅表示每个固化线811和/或813的边界。如果条纹810和/或820是边界，则照射源可以沿着构建材料的路径以形成每个固化线811和/或813，并且可以在条纹810和/或820处散焦，脉冲，降低功率和/或关闭。
在本公开的一个方面中，第一扫描区域801和第二扫描区域803中的每一个的固化线可以形成为在每个扫描区域之间的偏移区域802内形成互锁。固化线811和813可以形成为在两个扫描区域之间的偏移区域802内以交替间隔互锁。为简化起见，在图8B中，扫描区域801和803被显示为在接近801和803的线处结束，然而，应注意的是，任何互锁或形成固化线的方法都可应用于两个或多个扫描区域之间。例如，如图8A所示，扫描区域可以在Y方向上在扫描区域801和803之一或两者之上和/或之下形成。此外，例如，附加的扫描区域可以在X方向上在每个扫描区域801和/或803旁边形成。在一个方面，可以在第一扫描区域801内形成至少部分固化的部分。第一扫描区域801内的固化部分可以通过沿着第一照射路径830、811照射构建材料来形成。构建材料的第二部分可以沿着第二照射路径813照射，其中第二扫描区域803相对于第一扫描区域偏移，从而限定偏移区域802。偏移区域802至少部分地由第一照射路径830、811和第二照射路径813固化，并且位于819处的参考线与偏移区域802内的第一和第二照射路径相交，其中参考线819基本上平行于第一扫描区域801的一侧。
如上所述，当通过至少部分地固化扫描区域801和/或802中的构建材料来形成AM构建的层时，在第一扫描区域801和第二扫描区域803之间的空间802的各种区域处可能发生过度的热量积聚和/或降低温度。为了补偿在偏移区域802中过多的热量积聚，可以调整工艺参数以确保所构建的层具有所需的特性。例如，与固化线811和813相比，在区域812中形成的固化线可以用不同的工艺参数形成，以补偿在空间802内任何过多的热量积聚。
在另一方面，固化线812可以在偏移区域802中使用改变的工艺参数和/或相同的工艺参数来形成，且可形成为互锁配置，使得在第一扫描区域801内形成至少部分固化部分，其中通过沿着第一照射路径811照射构建材料来形成第一扫描区域内的固化部分。第二个至少部分固化部分可以在相对于第一扫描区域801间隔开的第二扫描区域803内形成。第二扫描区域803内的固化部分可以通过沿着第二照射路径813照射构建材料来形成，其中当第一照射路径811和第二照射路径813与第一扫描区域801和第二扫描区域803之间的偏移区域802内的参考线819交叉时，第一扫描区域801和第二扫描区域803之间的偏移区域802至少部分固化。其中参考线819基本上平行于第一扫描区域801和第二扫描区域803的边界810和/或820中的至少一个，并且在它们之间等距离地间隔开。换句话说，可以形成第一扫描区域801内的固化线811的第一部分830，以便延伸到或稍微超过扫描区域810的条纹和/或末端。可以形成随后形成的和/或平行的固化线832的部分，以便通过扫描区域810的条纹和/或末端，并通过固化线的相邻部分的第一部分830。形成扫描区域803的固化物813，以便与扫描区域801的固化线811的部分830和832互锁。上述实例的应用允许在偏移区域802内控制冶金和/或能量积聚，以便改善成品部件的冶金性能和/或尺寸精度。
如上所述，当将能量赋予到构建材料时，也可以在AM构建过程中控制工艺参数。例如，当使用激光时，从激光功率，扫描速度和扫描间隔得到赋予到构建材料中的激光能量。与输入到激光器中的瓦数相反地，激光功率是引导到所构建的部件(例如，构建材料和所构建的部件)中的能量。因此，激光功率可以包括激光器的焦点，激光器的脉冲和/或激光器的瓦数。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。扫描间隔是在构建材料中形成的每个固化线之间的间隔。可以控制上述任何工艺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其组合来控制能量密度。
在建造过程中，过多的能量密度可能导致最终部件的翘曲，尺寸不精确和/或沸腾孔隙率。太低的能量密度可能导致完成的部件的不适当结合。因此，在整个构建过程中，能量密度可以基于在构建的区域内估计或检测的能量密度积累和/或能量密度降低而被不断地控制。可以在区域内改变上述任何变量，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特性。在2017年9月21日提交的代理人案号037216.00127的标题为"周边和区域独立的扫描策略"(Scanning Strategy for Perimeter and Region Isolation)的美国专利申请号15/771,808中公开了在构建过程中赋予的能量密度的可能变化的进一步描述，其通过引用整体并入本文。
互锁图案也可以通过在互锁配置中形成第一条纹区域和第二条纹边界来实现。参考图9A和9B中所示的示例，可以在第一扫描区域701内形成部分固化的部分，其中，第一扫描区域701内的固化部分通过沿着第一照射路径711照射构建材料而形成，所述第一照射路径711由偏移区域(如图9A中的702所示)内或在第一扫描区域701的边界710和第二扫描区域703的边界720之间限定的空间712内的第一条纹716界定。第一照射路径可以形成为一系列基本上平行的固化线711。条纹边界716可以形成为如图9B所示的齿状结构。然而，应当注意是，上述配置仅仅是一个示例，并且连接每个扫描区域的互锁图案可以形成为多个互锁形状。例如，条纹边界可以形成为一系列半圆、正弦曲线、燕尾和/或矩形、正方形、成角度的几何形状或任何其它类型的互锁几何形状。此外，可以在相对于第一扫描区域701间隔开的扫描区域内的第二扫描区域703内形成部分固化部分，其中通过沿着由第二条纹区域703界定的第二照射路径713照射构建材料来形成第二扫描区域内的固化部分，所述第二条纹区域703基本上与第一条纹区域716平行和或重叠。通过在第一扫描区域701和第二扫描区域703之间的空间712内形成由第一条纹区域701的至少一个边界界定的一系列平行固化线713，可以形成固化线和每个固化区域以便与第二条纹区域的至少一个边界互锁。
如上所述，条纹716可以是单独的固化线，或者可以简单地代表每个固化线711和/或713中的边界。如果每个扫描区域701和/或703的条纹是边界，则照射源可以沿着构建材料的路径以形成每个固化线711和/或713，并且可以在条纹716处散焦，脉冲，降低功率和/或关闭。第二扫描区域703也可以在第二能量密度下被照射形成固化线713。第一能量密度和第二能量密度可以是相同的或可以根据层内所确定的热量积累和/或完成的部件和/或层的所需冶金性能而变化。
在图10中示出了一个示例实施方式。图10表示了构建单元在构建区域900内移动的俯视图。构建区域900可以是粉末床和/或可以是由构建单元提供粉末和/或构建材料的区域。构建单元可以首先定位在由902A表示的第一位置和/或方位。值得注意的是，轮廓902A可以表示可扫描区域和/或构建单元轮廓，并是为了清楚的目的而被简化。此外，应注意，部分902A可互换地称为可扫描区域或构建单元，且可包括相对于扫描区域901A更大或更小的区域。如上所述，该扫描区域901A可以是可扫描区域902A的一部分，其可以表示照射源能够在构建单元的特定位置(例如，位置902A)处至少部分地熔合构建材料的表面区域。例如，参考图6，可扫描区域可以包括粉末和/或熔融区域415的表面区域416B，当构建单元400相对于构建表面415和/或416B处于单一取向时，照射源402能够在该表面区域上操作(例如，能够熔合和/或烧结构建材料)。换句话说，区域901A和901B可以表示在构建单元和/或平台处于单个固定取向时的整个可扫描区域的至少一部分的表面。
如图10所示，第一扫描区域901A可以在第二扫描区域901B附近。例如，第一扫描区域可以表示在构建单元(例如，如图6和7所示构建单元302和/或400)的第一位置处的可扫描区域902A的一部分，和/或可以表示图7所示的构建平台310相对于构建单元302的第一位置。例如，第二扫描区域901B可表示构建单元(例如，如图6和7所示的构建单元302和/或400)的第二位置处的可扫描区域902A的一部分，和/或可以表示图7所示的构建平台310相对于构建单元302的第二位置。第一扫描区域可被照射以在每个条纹906A之间形成一系列固化线908A。然而，应注意的是，此示例不是限制性的，例如，第一扫描区域901A可使用任何上述及合并的光栅扫描方案来形成。同样地，第二扫描区域902B可以通过沿着由条纹906A界定的一系列固化线908B照射粉末来形成。虽然在图10中未示出，但是当形成第一扫描区域901A和第二扫描区域901B时，条纹和/或固化线方案是可以改变的。此外，在第三可扫描区域902C内的第三扫描区域901C可通过沿着由条纹906C界定的一系列固化线照射构建材料而至少部分固化。如上所述，当形成第一扫描区域901A和第二扫描区域901B以及第三扫描区域901C时，条纹和/或固化线方案是可以改变的，并且可以使用固化线和/或条纹方案的任何组合。此外，应当注意，虽然箭头909和910示出了构建单元的示例性移动，但是第一，第二和第三扫描区域可以以任何顺序固化。当通过在扫描区域901A,901B和/或901C中至少部分固化构建材料来形成AM构建的层时，如图9A-B所示的互锁条纹方案可以用于第一，第二和/或第三扫描区域901A-C之间的空间903A和/或903B中。此外，当连接扫描区域901A-C时，上述任何工艺参数都可以改变。
作为另一个示例，扫描区域911A,911B和911C也可以在构建单元的三个分开的位置形成。与上述情形类似，由于每个可扫描区域912A-C的重叠，在形成边界部分913A和/或913B的任何单个或多个扫描区域之后，在构建单元保持固定时，可以通过构建来形成部分913A和/或913B。还应注意，可通过将构建单元(例如，沿着方向919和920)移动到每个扫描区域901A-C和/或911A-C之间的中间位置来形成部分903A-B和/或913A-B。当通过至少部分固化扫描区域911A,911B和/或911C中的构建材料来形成AM构建的层时，可在每一个扫描区域911A,911B和/或911C中使用互锁固化路径(例如，如图8A-B所示)，互锁固化路径可用于第一，第二和/或第三扫描区域911A-C之间的至少部分固化的空间913A和/或913B。此外，当连接扫描区域911A-C时，上述任何工艺参数都可以改变。
注意的是，为了简化的目的，图10示出了有限数量的可能位置，其每个上述示例中，构建单元可以进一步前进到构建区域900内的任何位置，以至少部分地固化区域，并且可以应用相同的发明原理。本领域的普通技术人员将进一步认识到，可以以任何期望的顺序固化上述扫描区域，并且实施例不是限制性的。此外，本领域技术人员将进一步认识到，本发明可应用于在所形成的每一层上的各种可能的AM构建场景。
在图11中示出了另一个示例实施方式。图11表示构建单元移动构建区域1000内的移动的俯视图，该移动构建区域1000可以沿着箭头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/或方位。注意，轮廓1012A可以表示可扫描区域和/或构建单元轮廓，并且为了清楚的目的而被简化。此外，应注意，部分1012A可互换地称为可扫描区域或构建单元，且相对于扫描区域1012A包括更大或更小的区域。如上所述，扫描区域1012A可以是可扫描区域1012A的一部分，其可以表示表面区域，在该表面区域上，照射源能够在构建单元的特定位置处至少部分地熔合构建材料，例如，位置1012A。例如，参考图7，可扫描区域可以包括粉末和/或熔合区域330的表面区域314，当构建单元302相对于构建表面300处于单一取向时，照射源558能够在该表面区域上操作(例如，能够熔合和/或烧结构建材料)。换句话说，区域1018A和1018B可以表示当构建单元和/或平台1000处于单个固定取向时的整个可扫描区域1012A和1012B的至少一部分的表面。
如图11所示，第一扫描区域1011A可以在第二扫描区域1011B附近。例如，第一扫描区域可表示在构建单元的第一位置处的可扫描区域1012A的一部分和/或可表示构建单元相对于构建平台1000的第一位置。第二扫描区域1011B可表示在构建单元和/或平台1000的第二位置处的可扫描区域1012B的一部分。第一扫描区域可以被照射以形成一系列固化线1018A，其可以在构建区域1011A的整个表面上形成，和/或可以由单个和/或多个条纹1006A界定。然而，应注意，此实例不是限制性的，例如，第一扫描区域1012A可使用任何上述及合并的光栅扫描方案来形成。同样，第二扫描区域1012B可以通过沿一系列固化线1018B照射粉末来形成。虽然在图11中未示出，但是当形成第一扫描区域1012A和第二扫描区域1012B时，可以改变条纹和/或固化线方案。应注意的是，虽然箭头1019和1009示出了构建单元在构建平台1000的径向方向上的示例性移动，但是第一和第二扫描区域可以以任何顺序固化。
当通过在扫描区域1011A和/或1011B中至少部分固化构建材料来形成AM构建的层时，固化路径1018A和1018B可以形成为在区域1013内的交替互锁固化路径(例如，如图8A-B所示)，该互锁固化路径可以用于至少部分固化第一和第二扫描区域1011A-B之间的空间1013。此外，当连接扫描区域1011A-B时，上述任何工艺参数都可以改变。
作为另一个示例，扫描区域1001A和1001B也可以在构建单元的两个分开的位置形成。与上述情形类似，由于每个可扫描区域1002A-B的重叠，在形成边界部分1003的任何单个或多个扫描区域之后，当构建单元保持固定时，部分1003可以由构建而形成。还应注意的是，部分1013和/或1003也可通过将构建单元移动到每个扫描区域1011A-B和/或1001A-B之间的中间位置来形成。
如上所述，当形成第一扫描区域1001A和第二扫描区域1001B时，可以改变条纹和/或固化线方案，并且可以使用固化线和/或条纹方案的任何组合。此外，应当注意，虽然箭头1009和1019示出了构建单元的示例性移动，但是第一和第二扫描区域可以以任何顺序固化。当通过至少部分固化扫描区域1001A和1001B中的构建材料来形成AM构建的层时，如图9A-B所示的互锁条纹方案可以用于第一和第二扫描区域1001A-B之间的空间1003中。此外，当连接扫描区域1001A-B时，上述任何工艺参数都可以改变。
注意的是，为了简化的目的，图11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1000内的任何位置以至少部分地固化区域，并且可以应用相同的发明原理。此外，应注意的是，与构建单元移动相结合或当构建单元固定时，移动构建平台1000可以被移动以移动构建单元下方的新扫描区域。本领域的普通技术人员将进一步认识到，上述扫描区域可以以任何期望的顺序固化，并且上述示例不是限制性的。此外，本领域技术人员将进一步认识到，本发明可应用于在所形成的每一层上的各种可能的AM构建场景。
该书面描述使用示例来公开本发明，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发明，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，则这些其他示例意图落入权利要求的范围内。所描述的各种实施例的方面以及每个这样的方面的其他已知等效物，可以通过本领域的普通技术人员混合和匹配，以根据本申请的原理工作构造附加实施例和技术。

Claims (10)

1.一种形成物体的方法，其特征在于，包括：
沿着第一照射路径照射第一扫描区域内的构建材料的第一部分；和
沿着第二照射路径照射第二扫描区域内的构建材料的第二部分，其中所述第二扫描区域相对于所述第一扫描区域偏移，从而限定偏移区域，其中所述偏移区域至少部分地被所述第一照射路径和所述第二照射路径固化，并且参考线在所述偏移区域内与所述第一照射路径以及所述第二照射路径相交，其中所述参考线基本上平行于所述第一扫描区域的一侧，
其中用于沿着所述第一照射路径照射所述第一扫描区域内的构建材料的所述第一部分的第一工艺参数和用于沿着所述第二照射路径照射所述第二扫描区域内的构建材料的所述第二部分的第二工艺参数不同于用于沿着所述第一照射路径或所述第二照射路径照射所述偏移区域内的构建材料的所述第一部分或所述第二部分的第三工艺参数，其中所述第一工艺参数为激光功率、扫描速度或扫描间隔，所述第二工艺参数为激光功率、扫描速度或扫描间隔，所述第三工艺参数为激光功率、扫描速度或扫描间隔。
2.根据权利要求1所述的形成物体的方法，其特征在于，其中当构建单元相对于所述物体处于第一位置时，在所述第一扫描区域内照射所述构建材料的所述第一部分，并且当所述构建单元处于不同于所述第一位置的第二位置时，在所述第二扫描区域内照射所述构建材料的所述第二部分。
3.根据权利要求1所述的形成物体的方法，其特征在于，其中所述第一扫描区域和所述第二扫描区域位于移动构建平台上，其中所述构建材料的所述第一部分相对于构建单元位于第一位置，并且当所述移动构建平台相对于所述构建单元位于第二位置时，形成所述第二扫描区域内的至少部分固化的部分。
4.根据权利要求1所述的形成物体的方法，其特征在于，其中所述第一扫描区域内的至少部分固化的部分包括第一固化线和基本上平行于所述第一固化线的第二固化线，其中所述第一固化线与所述参考线相交，并且所述第二固化线不与所述参考线相交。
5.根据权利要求4所述的形成物体的方法，其特征在于，其中所述第二扫描区域内的至少部分固化的部分包括第三固化线和基本上平行于所述第三固化线的第四固化线，其中所述第三固化线不与所述参考线相交，并且所述第四固化线与所述参考线相交。
6.一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形成物体的增材制造方法，其特征在于，所述制造方法包括：
沿着第一照射路径照射第一扫描区域内的构建材料的第一部分；和
沿着第二照射路径照射第二扫描区域内的构建材料的第二部分，其中所述第二扫描区域相对于所述第一扫描区域偏移，从而限定偏移区域，其中所述偏移区域至少部分地被所述第一照射路径和所述第二照射路径固化，并且参考线在所述偏移区域内与所述第一照射路径和所述第二照射路径相交，其中所述参考线基本上平行于所述第一扫描区域的一侧，
其中用于沿着所述第一照射路径照射所述第一扫描区域内的构建材料的所述第一部分的第一工艺参数和用于沿着所述第二照射路径照射所述第二扫描区域内的构建材料的所述第二部分的第二工艺参数不同于用于沿着所述第一照射路径或所述第二照射路径照射所述偏移区域内的构建材料的所述第一部分或所述第二部分的第三工艺参数，其中所述第一工艺参数为激光功率、扫描速度或扫描间隔，所述第二工艺参数为激光功率、扫描速度或扫描间隔，所述第三工艺参数为激光功率、扫描速度或扫描间隔。
7.根据权利要求6所述的存储程序的非暂时性计算机可读介质，其特征在于，其中当构建单元相对于所述物体处于第一位置时，在所述第一扫描区域内照射所述构建材料的所述第一部分，并且当所述构建单元处于不同于所述第一位置的第二位置时，在所述第二扫描区域内照射所述构建材料的所述第二部分。
8.根据权利要求6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和所述第二扫描区域位于移动构建平台上，其中所述构建材料的所述第一部分相对于构建单元处于第一位置，并且当所述移动构建平台相对于所述构建单元处于第二位置时，形成所述第二扫描区域内的固化的部分。
9.根据权利要求6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内的至少部分固化的部分包括第一固化线和基本上平行于所述第一固化线的第二固化线，其中所述第一固化线与所述参考线相交，并且所述第二固化线不与所述参考线相交。
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，其中所述第二扫描区域内的至少部分固化的部分包括第三固化线和基本上平行于所述第三固化线的第四固化线，其中，所述第三固化线不与所述参考线相交，并且所述第四固化线与所述参考线相交。
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