CN112055630B - 选择扫描顺序以最小化碎屑对构建质量的影响的选择性激光固化设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在选择性激光固化过程中选择激光束扫描顺序的方法，其中通过重复地在粉末床上沉积粉末层并且在所沉积的粉末上扫描多个激光束以选择性地固化粉末层来逐层形成一个或多个物体，其中，气体流沿气体流方向在粉末床上通过。所述方法包括选择多个激光束的扫描顺序，以包括上游点与下游点一起同时暴露，下游点位于由气体流从上游点携带的碎屑流的下游，基于下游点在距上游点的最大分隔距离内来选择用于同时暴露的下游点和上游点。

Description

选择扫描顺序以最小化碎屑对构建质量的影响的选择性激光固化设备和方法

技术领域

本发明涉及选择性激光固化，特别是涉及一种利用多个激光束的改进的选择性激光熔化方法和设备。

背景技术

用于生产物体的增材制造方法或快速原型成型方法包括使用激光束对材料(比如金属粉末材料)进行逐层固化。将粉末层沉积在构建室中的粉末床上，并且在与正在被构建的物体的截面对应的粉末层的部分上扫描激光束。激光束将粉末熔化或烧结以便形成固化层。在层的选择性固化之后，使粉末床降低新固化的层的厚度，并且根据需要在表面上散布另一层粉末并使其固化。在单一构建中，可以构建多于一个物体，这些物体在粉末床中被间隔开。

在熔化或烧结过程中，在构建室内会产生碎屑(例如，冷凝物、未固化的粉末颗粒等)。已知引入气体流通过构建室，以试图在气体流中从室中去除碎屑。例如，由德国慕尼黑EOS GmbH公司生产的M280型机器包括一系列位于粉末床后部的气体出口喷嘴，这些气体出口喷嘴将气体流传递到位于粉末床前部的一系列排气口。以这种方式，在粉末床的表面处形成一平面层的气体流。Renishaw的RenAM 500Q机器(气体流并排形成)提供了类似的布置，该机器使用四个可独立操纵的激光束来熔化粉末床的选定区域。WO 2014/125258 A2、WO 2014/125280 A2、WO 2014/154878 A1和EP 2786858 A1公开了方法，其中激光束的扫描策略是基于通过构建室的气体流方向。至少在WO 2014/125258 A2、WO 2014/125280 A2和WO 2014/154878 A1中，教导了沿与气体流方向相反的方向处理粉末床。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种在选择性激光固化过程中选择多个激光束的扫描顺序的方法，其中，通过在粉末床上重复地沉积粉末层并在所沉积的粉末上扫描所述多个激光束以选择性地固化所述粉末层来逐层形成一个或多个物体，其中，气体流沿气体流方向通过所述粉末床，所述方法包括选择多个激光束的扫描顺序，以包括上游点与下游点一起同时暴露，所述下游点位于由所述气体流从所述上游点携带的碎屑流的下游。

可以基于所述下游点在距所述上游点的最大分隔距离内来选择所述下游点和上游点以同时暴露。

已经发现，在多激光束过程中(比如在RenAM 500Q中执行的过程)，当粉末床上的下游点与上游点同时暴露并且在最大分隔距离内时，固化的下游点的质量基本上不受上游点暴露而产生的气载碎屑的影响。在这些可接受的边界外，粉末床上两个点的同时加工可能会影响固化的下游点的质量。部分地释放处理器以选择扫描策略以包括对某些下游点的同时加工可以允许减少激光束的非使用时间。

最大分隔距离可能是以下因素的函数：正被熔化的材料的类型、激光功率、扫描速度、点距离和暴露时间、激光光斑尺寸、上游区域中正被固化的区域、同时暴露于所述激光束下的上游点的数量、相对于所述气体流方向的阴影角、和/或连接所述下游点和上游点的线与所述气体流方向之间的角度。已经发现，固化的质量受同时暴露于激光束下的下游和上游点的相对位置的影响。令人惊讶地，已经发现，两个点在一起越近，下游点受到上游点的同时加工的影响越小。

最大分隔距离将小于粉末床在气体流方向上的宽度，并且典型地将在几毫米至几百毫米之间。

下游点是在上游点固化产生的碎屑流内或被认为在其内的点。如本文所用，术语“下风点”是沿气体流方向更远的点，无论它是否落在或被认为落在由上风点的固化产生的碎屑内。

下游点可以是在气载碎屑区内的点。气载碎屑区可以是粉末床的区，在该区上，由上游点的固化产生的气载碎屑被认为由气体流携带。可以基于上游点的位置来确定气载碎屑区。

扫描顺序的选择是基于下游点在气载碎屑区的被禁止区域外。所述被禁止区域可以是以下因素的函数：所述上游点在所述粉末床中的位置、正被熔化的材料的类型、激光功率、扫描速度、点距离和暴露时间、激光光斑尺寸、上游区域中要固化的区域、与下游点一起同时暴露在所述激光束下的上游点的数量、所述下游点与上游点之间的距离和/或连接所述下游点和上游点的线与所述气体流方向之间的角度。

可以针对每一层、基于以下来因素选择所述扫描顺序：上游点和下游点的相对位置、上游和下游阴影线(向量)或阴影线段的相对位置、上游和下游条带或条带段的相对位置和/或要固化的上游岛和下游岛或岛段的相对位置。可以将最大分隔距离应用于定义该扫描的这些扫描元素中的一个或每个，使得扫描顺序的同时暴露点(包括沿气体流方向位于上游点的下游的下游点)在空间上被布置为在最大分隔距离内。

将暴露点分组为较大的扫描元素，比如阴影线或阴影线段、条带或条带段或岛或岛段，并考虑这些较大扫描元素的相对空间布置可以简化和/或加快选择扫描顺序的过程。

通常，对于每个粉末层，要固化的区域可以包括多个单独的岛，而不是单个大区域。激光束的扫描顺序的选择可以包括基于岛沿气体流方向的相对位置来确定可以同时扫描哪些岛。如果岛沿气体流方向在彼此的最大分隔距离内，则由岛限定的暴露点可以同时暴露于激光束下。

粉末层的区域的选择性固化可以通过将要扫描的区域划分成多个条带或条带段来进行(所谓的“条带扫描”)。激光扫描器使激光光斑在条带或条带段上快速地移动(例如扫描或步进)，以形成多个平行的阴影线。对于每个条带，典型地沿条带形成方向扫描阴影线。然而，对于同一层内的不同条带，该条带形成方向可以是不同的(即，垂直的)。这些条带可以在要固化区域的整个宽度上延伸，或者可以分成较小的条段，比如方格图案中的正方形。这种扫描策略可以确保大多数阴影线具有相等的长度(即，长度等于条带的宽度)。激光束的扫描顺序的选择可以包括基于条带或条带段沿气体流方向的相对位置来确定可以同时扫描哪些条带或条带段。如果条带或条带段沿气体流方向在彼此的最大分隔距离内，则可以将由条带或条带段限定的暴露点同时暴露于激光束下。

在粉末层的区域的选择性固化的另一种方法中，激光扫描器沿着在要固化的区域的整个宽度上延伸的阴影线来移动激光光斑(所谓的“曲折扫描”)。在曲折扫描中，阴影线的长度主要由对应于要固化的区域的岛的几何形状确定。

对于条带扫描或曲折扫描，激光束的扫描顺序的选择可以包括基于阴影线或阴影线段沿气体流方向的相对位置来确定可以同时扫描哪些阴影线或阴影线段。如果阴影线或阴影线段沿气体流方向在彼此的最大分隔距离内，则由阴影线或阴影线段限定的暴露点可以同时暴露于激光束下。

扫描顺序可以包括：用于固化要固化的区域的核心的核心扫描，核心扫描包括例如条带或曲折扫描策略的多条阴影线；以及用于固化所述区域的边界的边界扫描，边界扫描的路径沿所述区域的周界延伸。所述方法可以包括选择所述边界扫描的点以与所述核心扫描的点同时暴露，使得被选择用于同时暴露的下游和上游点是在最大分隔距离内。

所述方法可以是计算机实施的方法。

根据本发明的第二方面，提供了一种其上存储有指令的数据载体，其中当被处理器执行时，所述指令使所述处理器执行本发明第一方面的方法。

本发明的上述方面的数据载体可以是用于向机器提供指令的适合的介质，例如非瞬态数据载体，例如软盘、CD ROM、DVD ROM/RAM(包括-R/-RW和+R/+RW)、HD DVD、蓝光(TM)盘、存储器(例如记忆棒(TM)、SD卡、小型闪存卡等)、磁盘驱动器(例如，硬盘驱动器)、磁带、任何磁/光存储器、或者瞬态数据载体(例如，有线或光纤上的信号或无线信号)、例如通过有线或无线网络发送的信号(例如，互联网下载、FTP传输等)。

根据本发明的第三方面，提供一种包括处理器的设备，所述理器被布置为执行本发明的第一方面的方法。

根据本发明的第四方面，提供了一种选择性激光固化设备，包括：粉末床，能够在所述粉末床上沉积粉末层；气体流单元，用于使气体流沿着气体流方向在所述粉末床上通过；至少一个激光扫描器，用于在所述粉末层上独立地扫描多个激光束中的每个激光束；以及处理器，布置为控制所述至少一个激光扫描器按扫描顺序将所述粉末床上的点暴露于所述激光束下，以选择性地固化所述粉末层的所述点以形成一个或多个物体。可以根据本发明的第一方面的方法来确定扫描顺序。

根据本发明的第五方面，提供了一种选择性激光固化方法，其包括：形成粉末床的多个粉末层，按扫描顺序在所述粉末层上扫描多个激光束中的每个激光束，以固化每个粉末层的选定区域以形成一个或多个物体，同时使气体流沿气体流方向在所述粉末床上通过。可以根据本发明的第一方面的方法来确定扫描顺序。

根据本发明的第六方面，提供了一种选择性激光固化设备，包括：粉末床，能够在所述粉末床上沉积粉末层；气体流单元，用于使气体流沿着气体流方向在所述粉末床上通过；至少一个激光扫描器，用于在所述粉末层上独立地扫描多个激光束中的每个激光束；以及处理器，布置为控制所述至少一个激光扫描器按扫描顺序将所述粉末床上的点暴露于所述激光束下，以选择性地固化所述粉末层的所述点以形成一个或多个物体。所述扫描顺序可以使得优选地所有与相应的上游点同时暴露的下游点在空间上被布置成在所述相应上游点的最大分隔距离内，所述相应上游点产生由所述气体流携带到所述下游点上的碎屑。

根据本发明的第七方面，提供了一种选择性激光固化方法，其包括：形成粉末床的多个粉末层，按扫描顺序在所述粉末层上扫描多个激光束中的每个激光束，以固化每个粉末层的选定区域以形成一个或多个物体，同时使气体流沿气体流方向在所述粉末床上通过。所述扫描顺序可以使得优选地所有与相应的上游点同时暴露的下游点在空间上被布置成在所述相应上游点的最大分隔距离内，所述相应上游点产生由所述气体流携带到所述下游点上的碎屑。

附图说明

现在将参考附图仅作为示例来描述本发明的实施例，附图中：-

图1是根据本发明的一个实施例的激光固化设备的示意图；

图2是从上方观察的激光固化设备的示意图；

图3是示出了根据本发明实施例的方法的步骤的流程图；

图4是根据本发明实施例的在粉末层中要固化区域的平面图，图示了可以和不可以与上游区域中的一些上游区域同时固化的下游区域；

图5图示了测试圆柱体和棒的第一实验性构建的布局以及测试圆柱体和棒的测得的机械特性；

图6示出了在75x放大率下拍摄的第一实验性构建的一些测试圆柱体的表面的光学显微图像；

图7示出了第一实验性构建的下游、上游和独立测试棒的断裂表面的扫描电子显微镜图像；

图8图示了测试圆柱体的第二实验性构建的布局；

图9示出了第二实验性构建的测试圆柱体的测得的机械特性；

图10a是按数字顺序的第二实验性构建的测试圆柱体的照片，并且图10b示出了测试圆柱体的测得的平均表面光洁度Ra和Rz；

图11示出了第二实验性构建的选定测试圆柱体的断裂表面的扫描电子显微镜图像；

图12图示了测试圆柱体的第三实验性构建的布局；

图13示出了第三实验性构建的测试圆柱体的测得的机械特性；

图14图示了测试圆柱体的第四实验性构建的布局；

图15是示出了第四实验性构建的测试圆柱体的测得的平均表面光洁度Ra和Rz的曲线图；

图16是第四实验性设计的构建布局的平面图，示出了每个组的最上风测试圆柱体与最下风测试圆柱体之间的距离；

图17a是第四实验性构建的测试圆柱体的平均Ra相对于位置的散点图，并且图17b是第四实验性构建的测试圆柱体的平均Rz相对于位置的散点图；

图18a示出了第四实验性构建的测试圆柱体的测得的机械特性，图18b是断裂伸长率相对于样品号的图，并且图18c是断裂伸长率相对于列数的图；

图19a示出了根据第四实验性构建设计的用不同材料构建的测试圆柱体的断裂伸长率相对于样品号的测量值，并且图19b是示出了用各材料构建的测试圆柱体的延展性随下风距离的损失的图；

图20a示出了用每种材料构建的测试圆柱体的抗拉强度相对于样品号的测量值，并且图20b是示出了用各材料构建的测试圆柱体的极限抗拉强度(UTS)随下风距离的损失的图；

图21a示出了针对30μm和60μm的层厚度根据第四实验性构建设计构建的测试圆柱体的断裂伸长率相对于样品号的变化，并且图21b示出了这些测试圆柱体的延展性随下风距离的损失；

图22示出了根据图8和12所示的布局构建的测试圆柱体的测得的机械特性，其中，通过所有四个激光同时扫描那个测试圆柱体的条带来构建每个测试圆柱体；

图23a是第五实验性设计的构建布局的平面图，其中，每个下游测试圆柱体仅与一个上游测试圆柱体一起被构建，图23b是示出了根据第四实验性设计使用3个上游激光构建的测试圆柱体和根据第五实验性设计用1个上游激光构建的测试圆柱体的延展性随下风距离的损失的差异的图，并且图23c是示出了根据第四实验性设计用3个上游激光构建的测试圆柱体和根据第五实验性设计用1个上游激光构建的测试圆柱体的UTS随下风距离的损失的图；

图24a是根据第六实验性设计的构建布局的立体图，图24b是示出了根据第六实验性设计构建的测试圆柱体的延展性随下风距离的损失的差异的图，并且图24b是示出了根据第六实验性设计构建的测试圆柱体的UTS随下风距离的损失的图；

图25a是第七实验性设计的构建布局的平面图，图25b是根据第七实验性设计的构建布局的立体图，图25c示出了第七实验性构建的测试圆柱体的测得的机械特性；图25d示出了断裂伸长率相对于X和Y距离的量度，并且图25e示出了断裂伸长率相对于锥角的量度。

具体实施方式

参考图1和图2，根据本发明的实施例的增材制造设备包括构建室101，构建室可以与外部环境密封隔离开，使得可以在其中维持惰性气氛。在构建室101内的是分隔件115、116，这些分隔件限定了构建套筒117。构建平台102可以在构建套筒117中降低。当通过选择性激光熔化粉末来构建工件时，构建平台102支撑粉末床104和工件103。随着工件103的相继层的形成，平台102在驱动器(未示出)的控制下在构建套筒117内降低。

当通过分配设备和擦拭器(未示出)构建工件103时，形成粉末层104。例如，分配设备可以是如在WO 2010/007396中描述的设备。分配设备将粉末分配到由分隔件115限定的上表面上，并通过擦拭器散布在粉末床上。擦拭器的下边缘的位置限定了工作平面190，粉末在该工作平面处固结。

多个激光模块105a、105b、105c和105d生成用于熔化粉末104的激光束118a、118b、118c、118d，这些激光束118a、118b、118c、188d按需要由相应的光学模块106a、106b、106c、106d引导。激光束118a、118b、118c、118d通过共用激光窗口107进入。每个光学模块包括用于使激光束118沿垂直方向在整个工作平面上转向的转向光学器件121(比如安装在检流计上的两个反射镜)以及聚焦光学器件120(比如用于改变激光束118的焦点的两个可移动透镜)。扫描器被控制成使得当激光束118在工作平面上移动时，激光束118的焦点位置保持在工作平面中。代替使用动态聚焦元件将激光束的焦点位置维持在平面中，可以使用f-θ透镜。

入口112和出口110被布置成用于产生跨过形成在构建平台102上的粉末床的气体流。入口112和出口110被布置成产生具有从入口至出口的流动方向的层流，如箭头191所示。气体通过气体再循环环路111从出口110再循环至入口112。泵113在入口112和出口110处维持期望的气体压力。在再循环环路111中设置过滤器114，以过滤掉气体中已经在流中被截留的冷凝物。应当理解，不只一个入口112可以设置在构建室101中。此外，不是在构建室101的外部延伸，再循环环路111可以被包含在构建室101内。

控制器140(包括处理器161和存储器162)与增材制造设备的模块(即，激光模块105a、105b、105c、105d、光学模块106a、106b、106c、106d、构建平台102、分配设备和擦拭器)通信。如下所述，控制器140基于存储在存储器162中的软件来控制模块。

参考图3，计算机140通过例如外部数据连接135接收201比如STL文件形式的要构建物体的几何数据。处理单元161接收202关于物体在构建平台102上的位置的信息。此位置信息可能已经在STL中被定义，或者用户可以使用用户输入装置136选择每个物体应该位于构建平台102上的位置。对于每一层，处理单元140识别层中要固化的区域，并确定203同时暴露在激光束下的点。下面参考图4描述如何完成此操作的示例。在步骤204中，控制器140根据选定的扫描顺序来控制选择性固化设备构建工件。

图4示出了要在粉末层104a中固化的多个岛300至308。在确定扫描顺序的第一示例中，确定岛301和302在气体流方向191上距最远上游的岛300的相对位置。在图4中，岛301距岛300的距离小于最大分隔距离L，而岛302距岛300的距离大于最大分隔距离L。因此，确定了岛301可以与岛300同时固化，而岛302将必须在不同的时间固化。然后，处理器将一个或多个激光束分配给岛300和301的同时固化。如果决定不同时固化岛300和301，则岛301与302之间的相对距离可以使得这些岛可以同时固化。

在不考虑这些岛在垂直于气体流方向191的方向上的间距的情况下基于岛在气体流方向上的相对位置来确定扫描顺序可能会不适当地限制激光束的分配，因为在垂直于气体流方向191的方向上与上风岛间隔足够距离的岛可以不受到上风岛固化的影响。在图4所示的第二示例中，还考虑了岛305、306、307在垂直于气体流方向191的方向上与上风岛304的相对位置。

阴影区域309表示气载碎屑区，在该区上，在岛304的固化期间产生的气载碎屑预计由气体流191携带。岛305和306落在区309内(因此是下游岛)，而岛307落在区域309外(因此是下风而并非下游岛)。下游岛305距上游岛304小于最大分隔距离，因此，即使下游岛位于区309内也可以与岛304同时固化。下游岛306位于区309内，并且距上游岛304比最大分隔距离远，因此不能与岛304同时固化。岛307距上游岛304比最大分隔距离远，但落在区309之外，因此可以与上风岛304同时固化。

对于距上风岛304比最大分隔距离大的岛306、307而言，是否岛306、307落在区309内以及因此被禁止与上风岛304同时固化，可以用以下因素的函数定义：在气体流方向上距上风岛304的岛距离、以及连接上风和下风岛304和306、307的位置的质心或其他几何量度的线与气体流191方向之间的夹角θ₁、θ₂。

第三示例是针对在粉末层中具有大于最大分隔距离的范围的区域/岛，但也可以应用于许多较小的岛，比如300到307。在此示例中，为了确定可以使用激光束同时与上风点或区域310、314固化的下游点或区域311至313、315至317，确定了窗口，该窗口限定了区域，在该区域内下游点或区域不能同时与上游点或区域310、314固化。在图4中，虚线319表示气载碎屑区，在该气载碎屑区上，由点或区域310、314的固化产生的气载碎屑被气体流191携带。虚线318表示那个区319中的边界线，超出该边界线，下游点将受到碎屑的不利影响。在此示例310、314中，可以将此区的范围定义为距暴露点/区域的距离和角度的函数。

在所示的示例中，点311落在气载碎屑区319内(因此是下游点)，但是在上游暴露点310的最大分隔距离内，使得下游点311可以与点310一起同时固化。然而，点313(其也落在气载碎屑区319内，因此是下游点)比最大分隔距离远，因此不能被选择用于与暴露点310一起同时固化。暴露点312也比最大分隔距离远，但在气载碎屑区319外(因此，即便该暴露点是暴露点310的下风点，也不是暴露点310的下游点)，因此可以与点310的暴露同时暴露。

选择过程可以以较低的分辨率、例如以一系列条段314、315、316和317的分辨率来执行确定，而不是考虑在逐点基础上选择要同时固化的点。每个条段314、315、316和317包括多条平行的阴影线，其中，沿着每条阴影线将多个点暴露于激光束之一下。可以将一个激光束分配给每个条段314、315、316和317的扫描。处理器基于条段314、315、316和317的相对位置来选择条段314的点与另一个条段315、316、217的点是否可以同时固化。在图4中，基于上风条段314的最上风点310来确定被禁止区/窗口。如果下风条段315、316、317的最下风点311、312、313满足同时固化的指定条件，则可以选择下风条段315、316、317来与上风条段314同时固化。

在所示的示例中，条段315的最下风点311落在气载碎屑区319内，但是在上风(也是上游)条段314的最上风点310的最大分隔距离内，使得下游条段315的暴露可以被选择为与条段314一起同时固化。条段317的最下风点313落在气载碎屑区319内，距点310比最大分隔距离远，因此整个条段317被认为被禁止与条段314同时固化(即使条段317的一部分在最大分隔距离内)。条段316的最下风暴露点312也比最大分隔距离远，但在气载碎屑区319外，因此可以被选择为与上风条段314同时固化。

该方法可以包括迭代过程，在该过程中基于上述选择标准来选择暴露点、区域或岛进行同时固化。迭代过程可以首先考虑在粉末床工作表面上最远上风处的暴露点、区域或岛，然后在下风方向上迭代经过暴露点、区域或岛，选择要一起固化的点，直到所有暴露点已经被分配了暴露时间。对每一层都执行此迭代过程。

处理器可以确定对暴露点进行扫描的顺序，使得扫描在与气体流大致相反的方向上固化暴露点。

将理解的是，可以基于其他扫描元素(比如阴影线、阴影线段或条段组，例如方格图案的正方形组)的相对位置来选择要一起固化的暴露点。

示例1

图5示出了由Inconel 625制成的RenAM 500 Q选择性激光熔化机上进行的第一实验性构建的构建布局和所得构建体。气体流方向是从右到左。可以看出，两组四个测试圆柱体和两组四个测试棒被构建得紧挨在一起，但在气体流方向上处于不同的位置。通过同时暴露来构建测试圆柱体1、2、3，圆柱体7和8也一样。测试圆柱体4、5和6在与那个组中其他试验圆柱体不同的时间单独被构建。对于测试棒，每个组中的中心测试棒同时固化，而外部测试棒则在与那个组中的其他测试棒不同的时间单独被构建。从在断裂测试下测得的物理特性中可以看出，测试圆柱体和棒的物理特性之间的差异非常小。图6和图7中示出的图像进一步支持这一点，这些图像示出了下游、上游和独立测试圆柱体和测试棒之间的差异非常小。

示例2

图8示出了由Inconel 625制成的RenAM 500 Q选择性激光熔化机上构建的第二实验性构建的测试圆柱体的构建布局。层厚度为60μm。示出了气体流方向。在此示例中，测试圆柱体散布在整个构建空间中，每组1、2、3和4中的四个测试圆柱体均使用不同的激光束被同时固化。圆柱体1、5、9和13都使用激光1固化，圆柱体3、6、10和14都使用激光2固化，圆柱体3、7、11和15都使用激光3固化，以及圆柱体4、8、12和16都使用激光4固化。

从图9可以看出，在断裂测试下确定的测试圆柱体1、5、9和13的物理特性与其他测试圆柱体2-4、6-8、10-12和14-16明显不同。其他测试圆柱体2-4、6-8、10-12和14-16的物理特性的变化相对较小。图10a和图10b示出了，与其他测试圆柱体相比，测试圆柱体1、5、9和13的表面光洁度较差。图11示出了与“良好”测试圆柱体8相比在部件9和13中可见的多孔性。样品9和13包括样品8中不存在的毫米尺寸的光滑区域(用虚线圈出)。此特征比熔化过程产生的飞溅颗粒的尺寸(典型地最多几百微米的尺寸)大得多，表明无法产生完全致密的部件。平均伸长率为56％，变异系数(CoV)为16％。

示例3

图12示出了由Inconel 625制成的RenAM 500 Q选择性激光熔化机上进行的第三实验性构建的构建布局和所得构建体。层厚度为60μm。示出了气体流方向。在此示例中，测试圆柱体散布在构建体积中，每个组1、2、3和4中的四个测试圆柱体都使用不同的激光同时固化。圆柱体1、2、3和4都使用激光1固化，圆柱体5、6、7和8都使用激光2固化，圆柱体9、10、11和12都使用激光3固化，圆柱体13、14、15和16都使用激光4固化。

从图13可以看出，在断裂测试下，测得的圆柱体的物理特性只有很小的变化。平均伸长率为61％，变异系数为1.3％。

示例4

使用图8和图12中所示的4×4阵列的测试圆柱体执行了进一步的测试圆柱体构建，但是其中，依次使用所有四个激光形成每个测试圆柱体。使用条扫描策略来形成测试圆柱体的截面，其中，通过不同的激光同时扫描同一测试圆柱体的不同条。

图22示出了此实验中所构建的测试圆柱体的应力与应变曲线。可以看出，在断裂测试下，测得的圆柱体的物理特性只有很小的变化。平均伸长率为61％，变异系数为1.3％。结果与示例2的结果相比有利。

这些结果表明，用于同时处理粉末床的上游激光点与下游激光点之间的距离是影响部件的所得机械特性的因素，因为在示例4中使用四个紧挨在一起的激光扫描点可提供与示例3相同的性能，而如示例2一样，使用所有四个相对间隔开较远的激光扫描点会导致机械特性变差。

示例5

图14和图16示出了由Inconel 718制成的RenAM 500 Q选择性激光熔化机上执行的第四实验性构建的构建布局。层厚度为60μm。气体流方向由箭头示出。在此示例中，由四个测试圆柱体构成的组1至7在构建体积中被构建，对于每个组，最远下风的测试圆柱体与该组中的其余测试圆柱体间隔的距离不同。已经发现，与该组中的其他测试圆柱体相比，最下游的测试圆柱体距该组中的其余测试圆柱体越远，物理特性的变化就越大。从图15的曲线图中可以看出，最下游的测试圆柱体距该组中的其他测试圆柱体越远，其表面粗糙度就越大。对于测试圆柱体25、21和17，表面粗糙度稳定增加，但是测试圆柱体17与13之间的表面粗糙度突然增加。这表明最大分隔距离应该是在测试圆柱体13和16之间的距离与测试圆柱体25和28之间的距离之间。

图16示出了测试圆柱体的相对位置(中心对中心)，并且图17a和图17b绘制了根据相应测试圆柱体位置而变的Ra和Rz。这表明，在RenAM500 Q上对英高镍合金(Inconel)进行加工时，最大分隔距离应该是在60mm与120mm之间。

参考图18a至图18c，测试圆柱体的延展性与示例2的延展性相似。下游样品的延展性降低并且其断裂伸长率随着下游样品与上游样品之间距离的增加而更多变。与上游样品的间距较小的下游测试圆柱体往往具有改善的抗拉性能，并且所得的机械特性变得越来越一致。

参考图18a，由三个上风激光束形成的下游测试圆柱体比除样品18之外的其余测试圆柱体弱。如图18b和图18c所示，每行试样有一个较弱的下游样本，尽管当下风距离减小时该效果较不明显。

示例6

在进一步的实验中，用不同的材料(Inconel 718、Inconel 625、Ti6Al4V(Ti64)和马氏体时效钢)在图14和16所示的布局中构建另外的测试圆柱体。图19a和图19b示出了所有材料的下游样品的延展性损失。然而，如图19b所示，延展性随下风距离的变化在材料之间有所变化。如图20a和图20b所示，也看到极限抗拉强度(UTS)降低。一个例外是Ti6Al4V，由于应力与应变曲线的形状在趋向断裂之前在低应变处达到峰值，因此在降低UTS之前需要严重的延展性损失。

据信，机械特性与材料之间下风距离之间的关系的变化是由于其飞溅物产生和拉伸行为的不同性质引起。然而，很明显，上游样品与下游样品之间的距离越大，对材料特性的影响就越大。如果将激光保持在60mm左右的范围内，则冲击较小，但是在较大的激光点间隔下，劣化会明显增加。

示例7

用Inconel 178和TiAl4V在图14和16所示的构建布局中构建了两组测试圆柱体，其中第一测试圆柱体构建体使用的层厚度为30μm，第二测试圆柱体构建体使用的层厚度为60μm。据信，改变层厚度会影响产生的飞溅物和冷凝物的量。较厚的层需要每层较高的能量输入，从而产生较大的熔池，这可能会产生更多飞溅物。较高的激光功率会产生强度更大的激光点，因此会产生更剧烈的蒸气羽流和更多的冷凝物。因此，可以预计，对于较厚的层，下游样品将受到更严重的影响。为了弥补这一点，功率更大的激光束可能会更有效地切穿气载颗粒材料。

对于经过热处理的Inconel-718和TiAl4V，两个不同层厚度(30μm和60μm)的结果如图21a和图21b所示是相似的。可以看到与结合前面的示例所讨论的相同的机械特性距离相关降低的一般模式。

示例8

在此实验中，使用了两个激光成行地构建成对的测试圆柱体，使得一个测试圆柱体在另一个测试圆柱体的下游，测试圆柱体之间的距离在各行之间不同。图23a示出了构建布局。

与前面的测试相比，此实验中的下游样品表面更光滑，相比使用三个上游激光时的表面粗糙度为20μm，在最坏的情况下，使用单个上游激光时的表面粗糙度为6μm。在最远下风的样品中仍存在明显的劣化。

仅使用一个上游激光的下游样品的抗拉特性也非常接近基线条件(图23c)。最远下风的那些试样的延展性仍然受到影响(图23b)。

与前面的示例相比，对下游样品的影响的这种减少可以归因于来自单个上游激光的更少的过程发射。然而，影响仍然很明显。结论是，也应避免处理单个激光的长距离下风。然而，在这些条件下，最大允许距离已经增加到100mm左右。

示例9

在第六实验性设计中，在图24a所示的布局中构建了测试圆柱体。在每一层中，首先建立组1中的测试圆柱体，然后是组2，然后是组3，最后是组4。在每层中同时加工每个组中的测试圆柱体。以这种方式，在每一层中，组1和组2中的最上风圆柱体在组3和组4中的下风圆柱体之前被构建。进行此实验，以确定对下风测试圆柱体的机械特性的影响是否由于在上风测试圆柱体的加工过程中所产生的碎屑落在床上而引起。这些测试和较早的测试的结果在图24b和图24c中示出，其中下风测试圆柱体地同时由1个和3个下风激光束形成的。如可以看出的，根据第六实验性设计构建的上风和下风测试圆柱体的机械特性之间的差异非常小。因此，认为，碎屑落到床上对在多激光系统中构建的部件的机械特性影响很小或没有影响，并且在气体流中夹带的颗粒对下风部件的部件质量影响更大。

示例10

在第七实验性设计中，使用TiAl4V在图25a和图25b中所示的布局中构建了测试圆柱体，按以下顺序同时构建了由四个测试圆柱体构成的组：测试圆柱体1、2、3和4，测试圆柱体13、14、15和16，测试圆柱体17、18、19和20，测试圆柱体5、6、7和8，测试圆柱体21、22、23和24以及测试圆柱体9、10、11和12。对于不同的组，在上风测试圆柱体与下风测试圆柱体之间存在不同的下风距离(40m，110mm，180mm)，并且对于每个下风距离，下风圆柱体之间沿垂直于气体流方向存在不同的间距(15mm，30mm，20mm)。图25c示出了测试圆柱体的各种机械特性的测量结果。图25d示出了关于该组中的相应上游测试圆柱体的断裂伸长率的断裂伸长率相对于下游测试圆柱体的X和Y位移量的百分比测量。图26e示出了相同的测量相对于X位移量以及在气体流方向与连接该组中的每个下游测试圆柱体和相应上游测试圆柱体的线之间的角度(称为锥角)。每个图中用于零位移和零角度的值是针对那个X位移量获得的最差值。

如可以看出的，当锥角增大时，测试圆柱体的断裂伸长率得到改善。根据此数据，对于TiAl4V，可以确定：+/-10度的锥角可以提供气载碎屑区的合理近似。根据结合其他示例公开的先前数据，在气载碎屑区内的下游点/区域的最大分隔距离为60mm，可以用于确定可以同时熔化的下游点/区域。其他锥角和其他最大分隔距离可以与其他材料一起使用。

根据以上示例，可以确定下游部分相对于上游部分沿气体流方向的位置对部件的固化有影响。

应当理解的是，可以在不脱离本文所定义的本发明的范围的情况下对本发明进行变更和改变。例如，认为，不同的气体流方案可能影响下风点的同时加工的最大允许距离。因此，可以为不同的机器设定不同的最大允许距离。

Claims (12)

1.一种在选择性激光固化过程中选择多个激光束的扫描顺序的方法，其中，通过在粉末床上重复地沉积粉末层并在所沉积的粉末上扫描所述多个激光束以选择性地固化所述粉末层来逐层形成一个或多个物体，其中，气体流沿气体流方向通过所述粉末床，其特征在于：

所述方法包括选择多个激光束的扫描顺序，以包括上游点与下游点一起同时暴露，所述下游点位于由所述气体流从所述上游点携带的碎屑流的下游，基于所述下游点在距所述上游点的最大分隔距离内来选择用于同时暴露的所述下游点和上游点，

其中，所述下游点是在气载碎屑区内的点，在所述气载碎屑区上，由所述上游点的固化产生的气载碎屑被认为由所述气体流携带。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述最大分隔距离是基于以下因素：正被熔化的材料的类型、激光功率、扫描速度、点距离和暴露时间、激光光斑尺寸、上游区域中正被固化的区域、同时暴露于所述激光束下的上游点的数量、或连接所述下游点和上游点的线与所述气体流方向之间的角度。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述扫描顺序的选择是基于所述下游点在气载碎屑区的被禁止区域外。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述被禁止区域是基于以下因素：所述上游点在所述粉末床中的位置、正被熔化的材料的类型、激光功率、扫描速度、点距离和暴露时间、激光光斑尺寸、上游区域中要固化的区域、与下游点一起同时暴露在所述激光束下的上游点的数量、所述下游点与上游点之间的距离或连接所述下游点和上游点的线与所述气体流方向之间的角度。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，针对每一层、基于以下因素选择所述扫描顺序：要暴露于所述激光束下的点的相对位置、要暴露于所述激光束下的阴影线或阴影线段的相对位置、要暴露于所述激光束下的条带或条带段的相对位置或要暴露于所述激光束下的岛或岛段的相对位置。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述扫描顺序包括：用于固化要固化的区域的核心的核心扫描，所述核心扫描包括多条阴影线；以及用于固化所述区域的边界的边界扫描，所述边界扫描的路径沿所述区域的周界延伸，并且所述方法包括选择所述边界扫描的点以与所述核心扫描的点同时暴露，使得被选择用于同时暴露的所述下游点和上游点是在所述最大分隔距离内。

7.一种具有存储在其上的指令的数据载体，其特征在于，所述指令在被处理器执行时使所述处理器执行如权利要求1至6中任一项所述的方法。

8.一种包括处理器的设备，其特征在于，所述处理器被布置为执行如权利要求1至6中任一项所述的方法。

9.一种选择性激光固化设备，包括：粉末床，能够在所述粉末床上沉积粉末层；气体流单元，用于使气体流沿着气体流方向在所述粉末床上通过；至少一个激光扫描器，用于在所述粉末层上独立地扫描多个激光束中的每个激光束；以及处理器，布置为控制所述至少一个激光扫描器按扫描顺序将所述粉末床上的点暴露于所述激光束下，以选择性地固化所述粉末层的所述点以形成一个或多个物体，其特征在于，根据如权利要求1至6中任一项所述的方法已经确定了所述扫描顺序。

10.一种选择性激光固化方法，包括：形成粉末床的多个粉末层，按扫描顺序在所述粉末层上扫描多个激光束中的每个激光束，以固化每个粉末层的选定区域以形成一个或多个物体，同时使气体流沿气体流方向在所述粉末床上通过，其特征在于，根据如权利要求1至6中任一项所述的方法已经确定了所述扫描顺序。

11.一种选择性激光固化设备，包括：粉末床，能够在所述粉末床上沉积粉末层；气体流单元，用于使气体流沿着气体流方向在所述粉末床上通过；至少一个激光扫描器，用于在所述粉末层上独立地扫描多个激光束中的每个激光束；以及处理器，布置为控制所述至少一个激光扫描器按扫描顺序将所述粉末床上的点暴露于所述激光束下，以选择性地固化所述粉末层的所述点以形成一个或多个物体，其特征在于：

所述扫描顺序使得所有与相应上游点同时暴露的下游点在空间上被布置成在所述相应上游点的最大分隔距离内，所述相应上游点产生由所述气体流携带到所述下游点上的碎屑，

其中，所述下游点是在气载碎屑区内的点，在所述气载碎屑区上，由所述上游点的固化产生的气载碎屑被认为由所述气体流携带。

12.一种选择性激光固化方法，包括：形成粉末床的多个粉末层，按扫描顺序在所述粉末层上扫描多个激光束中的每个激光束，以固化每个粉末层的选定区域以形成一个或多个物体，同时使气体流沿气体流方向在所述粉末床上通过，其特征在于：

所述扫描顺序使得所有与相应上游点同时暴露的下游点在空间上被布置为在所述相应上游点的最大分隔距离内，所述相应上游点产生由所述气体流携带到所述下游点上的碎屑，

其中，所述下游点是在气载碎屑区内的点，在所述气载碎屑区上，由所述上游点的固化产生的气载碎屑被认为由所述气体流携带。

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