CN113523309A - 增材制造系统和方法 - Google Patents

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埃里克·M·查普曼
达纳·A·亨肖
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Boeing Co
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Abstract

本申请涉及增材制造系统和方法。一种增材制造系统包括一个或多个处理器，一个或多个处理器被配置为确定在相对于增材制造工具的候选位置处的构建部件的多个区段中的每个区段的一个或多个几何特征。一个或多个几何特征包括从光束源延伸的光束线和与光束线相邻的对应的区段的各自的蒙皮的表面法线之间的入射角。一个或多个处理器被配置为基于一个或多个几何特征来控制增材制造工具，以从相对于构建部件的第一方向引导聚焦的能量光束以形成构建部件的区段中的第一区段并从相对于构建部件的第二方向引导聚焦的能量光束，以形成构建部件的区段中的第二区段。

Description

增材制造系统和方法
技术领域
本公开的实施例总体上涉及三维构建部件的增材制造。
背景技术
增材制造是指制造三维构建部件的任何过程，其中，在计算机控制下沉积连续的基础材料层。沉积的层通过聚焦能量光束(例如激光)(其加热并粘结材料)的施加而选择性地熔合。构建部件的大小和形状可以基于三维计算机模型或另一个电子数据源。增材制造可用于制造具有复杂结构和形状的对象。与常规金属制造技术(例如压铸，挤压等)相比，用于制造金属构建部件的增材制造技术可允许更大的设计自由度并产生更精确和可重复的成品。
用于增材制造构建过程的设置包括选择要构建的构建部件的设计，指定构建部件在构建平台上的位置，以及根据选定的设计和相对于平台的指定位置，生成用于建造构建部件的构建计划。定位可以指的是构建部件相对于构建平台的位置，例如相对于平台的中心和/或边缘，以及规划的构建部件相对于平台的方向，例如围绕构建部件的垂直轴的旋转方向和/或角度方向(例如，倾斜或斜面)。构建计划控制构建过程中增材制造工具的性能。构建计划可以指定由工具执行的一系列动作，且还可以指定参数和设置。对于聚焦的能量源，构建计划可以提供一条路径，沿着该路径瞄准发射的能量光束以及能量光束的参数，例如能量强度，光束宽度或直径等。
通常，在不考虑构建部件相对于聚焦能量源的定位如何影响构建部件的表面和次表面质量(例如构件的表面粗糙度和孔隙率)的情况下确定构建部件的位置和构建计划。在增材制造构建过程之后，例如，可以在制造的构建部件上执行各种精加工任务以使粗糙的表面平滑。研磨粗糙表面和其他修整任务以提高零件的表面质量可能是昂贵，困难，费时和/或劳动密集的，从而降低了制造效率并增加了生产成本。另外，对于具有无法进入的区域的部件，典型的后处理可能无效或不可能，目前的方法可能不足。此外，如果在增材制造过程中充分降低了构建部件的表面质量、次表面质量或尺寸精度，则可能需要报废整个构建部件，这是浪费时间和资源的。
发明内容
在一个或多个实施例中，提供了一种增材制造系统，其包括一个或多个处理器，其被配置为确定在相对于增材制造工具的候选位置处的构建部件的多个区段中的每个区段的一个或多个几何特征。一个或多个几何特征包括从聚焦的能量光束的源延伸的光束线和与光束线相邻的对应的区段的各自的蒙皮的表面法线之间的入射角。一个或多个处理器被配置为基于一个或多个几何特征来控制增材制造工具，以从相对于构建部件的第一方向引导聚焦的能量光束以形成构建部件的区段中的第一区段并从相对于构建部件的第二方向引导聚焦的能量光束，以形成构建部件的区段中的第二区段。
在一个或多个实施例中，提供了一种方法(例如，用于增材制造构件)。该方法包括在增材制造构建部件之前，确定在相对于增材制造工具的候选位置处，构建部件的多个区段中每个区段的一个或多个几何特征。一个或多个几何特征包括从聚焦的能量光束的源延伸的光束线和与光束线相邻的对应的区段的各自的蒙皮的表面法线之间的入射角。该方法还包括基于一个或多个几何特征来控制增材制造工具，以从相对于构建部件的第一方向引导聚焦的能量光束以形成构建部件的区段中的第一区段，以及基于一个或多个几何特征来控制增材制造工具，以从相对于构建部件的第二方向引导聚焦的能量光束以形成构建部件的区段中的第二区段。
在一个或多个实施例中，提供了一种增材制造系统，其包括增材制造工具和一个或多个处理器。增材制造工具包括平台和一个或多个光束发射器，其被配置为从相对于平台的多个不同源位置发射聚焦的能量光束。一个或多个处理器被配置为确定在相对于增材制造工具的候选位置处的构建部件的多个区段中的每个区段的一个或多个几何特征。一个或多个几何特征包括从源位置中的一个对应的源位置延伸的光束线和与光束线相邻的对应的区段的各自的蒙皮的表面法线之间的入射角。一个或多个处理器被配置为基于一个或多个几何特征来控制一个或多个光束发射器，以从相对于平台的第一源位置引导聚焦的能量光束，以形成构建部件的区段中的第一区段并从相对于平台的第二源位置引导聚焦的能量光束，以形成构建部件的区段中的第二区段。
附图说明
当参考附图阅读以下详细描述时，将更好地理解本公开的这些和其他特征，方面和优点，其中在整个附图中，相同的标号表示相同的部件，其中：
图1是根据本公开的实施例的增材制造系统的示意图；
图2示出了根据实施例的在增材制造系统内的增材制造工具的示意图；
图3示出了图2所示的第一试样的特写部分；
图4示出了根据本公开的实施例的在单个试样的构造的第一阶段期间的增材制造工具的示意图；
图5示出了在图4中所示的试样的构造的第二阶段期间的增材制造工具的示意图；
图6示出了在图4和图5所示的试样的构造的第三阶段中的增材制造工具的示意图；
图7示出了根据本公开的另一实施例的增材制造工具的示意图；
图8示出了根据图1所示实施例的增材制造工具的示意图；
图9示出了根据本公开的另一实施例的增材制造工具的示意图；
图10示出了根据本公开的另一实施例的增材制造工具的示意图；
图11示出了根据另一实施例的利用光学部件来改变聚焦的能量光束相对于构建部件的方向的增材制造工具；
图12示出了根据另一实施例的利用光学部件来改变聚焦的能量光束相对于构建部件的方向增材制造工具；以及
图13是根据本公开的实施例的，用于通过在相对于构建部件的多个不同的光束方向上引导聚焦的能量光束来在构建过程期间增材制造构建部件的方法的流程图。
具体实施方式
当结合附图阅读时，将更好地理解前述概述以及某些实施例的以下详细描述。如本文中所使用的，以单数形式陈述并且在单词“一”或“一个”之前的元件或步骤应被理解为不必排除多个元件或步骤。此外，对“一个实施例”的引用无意被解释为排除也包含所述特征的附加实施例的存在。此外，除非有相反的明确说明，否则“包含”或“具有”具有特定特性的一个或多个元件的实施例可以包括不具有该特性的其他元件。
考虑到在增材制造过程之后执行表面处理的成本，时间和劳力，增材制造构建部件的技术有许多优点，这些技术固有地改善了表面质量，近表面质量和几何精度，从而消除或至少加快了构建后表面处理。本公开的实施例提供利用相对于构建部件的多个光束方向来控制增材制造的构建部件的形成的系统(例如，增材制造系统)和方法。构建部件几何形状和光束源的相对位置可能会影响稳定的过程参数窗口，并因此影响所产生结果的质量。
例如，控制增材制造工具以将聚焦的能量光束从第一源位置引导(例如，发射，反射等)朝向平台上的构建部件，以形成构建部件的第一区段或部分，并且控制增材制造工具以将聚焦的能量光束从与第一源位置隔开的第二源位置引导到构建部件，以形成构建部件的第二区段或部分。在实施例中，设置在第一源位置处的第一光束发射器(例如，激光器)发射聚焦的能量光束以形成构建部件的第一区段，并且设置在第二源位置处的第二光束发射器发射聚焦的能量光束以形成构建部件的第二区段。在另一个实施例中，单个光束发射器被配置为在第一和第二源位置之间移动，使得同一光束发射器从相对于构建部件的多个不同位置发射聚焦的能量光束，以形成构建部件的第一和第二区段。在又一个实施例中，代替或除了移动光束发射器之外，相对于光束发射器和其他光学部件移动构建部件。可选地，诸如光学镜，棱镜等的光学组件可用于提供附加的光束源位置，因为光学组件将接收到的光束引导向构建部件。
通过在构建过程中改变能量光束与要制造的构建部件的几何形状之间的几何关系，相对于在整个构建过程中保持能量光束与构建部件几何形状之间的几何关系固定，可以提高构建部件的几何精度以及表面和近表面质量。在本文所述的一个或多个实施例中，增材制造系统基于构建部件的区段的一个或多个几何特征，确定多个几何位置，例如光束源位置和/或从多个光束源位置中的每一个形成构建部件的哪些区段。如本文中更详细描述的，几何特征可以包括构建部件的区段的入射角，区段相对于平台的上表面的方向等。入射角是从光束发射器(例如，激光路径)延伸到该区段的线与构建部件的该区段的蒙皮或侧面的表面法线正好在要沉积的层之下的角度。用于确定入射角的蒙皮由可能最近沉积的层的边缘限定。该系统和方法可以在平台上的构建部件的候选位置中分析构建部件的设计，以确定构建部件的各个区段或特征的一个或多个几何特征。已知的增材制造系统在构建过程中不基于多个不同的几何位置发射聚焦的能量光束，以基于构建部件的几何特征的分析来形成构建部件的不同区段，以用于提高部件的准确性和质量。已知的增材制造系统没有考虑在光束发射器和刚好在构建部件顶层(例如，要沉积的层或最近沉积的层)下方的蒙皮垂直线之间限定的入射角。如上所述，在构建过程中改善表面质量可以通过消除或至少加快构建后的表面光洁度处理来提高制造效率并降低成本。另一个好处是可以形成具有更光滑表面的构建部件(有或没有后处理)。
在此描述的构建部件是指被设计为以增材制造的虚拟对象以及经由增材制造构建过程产生的物理对象。增材制造工具内构建部件的位置或定位是指构建部件的位置和方向。例如，位置表示增材制造工具的构建平台的特定区域，在该层上逐层构造构建部件。通常，在一个通用的构建过程中会构建多个构建部件，因此这些构建部件沿着构建平台的上表面布置在不同的位置。构建部件的方向通常是指构建部件(将要构建)面向的方向以及构建部件的倾斜或斜面。例如，构建部件可以围绕纵轴定向。定向可以包括构建部件绕纵轴的旋转。定向还可包括纵轴相对于竖直轴线的倾斜或斜面。
给定表面的表面质量可以指的是表面粗糙度，限定给定表面的壁的孔隙率含量，壁的结构和/或组成均匀性等。通常，与较低质量的表面相比，增材制造的构建部件的较高质量的表面具有较少的孔，较小的孔并且较光滑(例如，较不粗糙)。本文所述的一个或多个实施例被构造成生产具有期望的和/或令人满意的表面和次表面质量以及尺寸精度的构建部件，以减少报废率并减少在构建过程之后的后处理过程中的表面精加工量。
图1是根据一个实施例的增材制造系统100的示意图。增材制造(AM)系统100包括增材制造(AM)工具101，控制单元108，输入设备134和显示设备136。控制单元108可以控制AM工具101的操作。输入设备134和/或显示设备136是可选组件。AM工具101包括构建平台(或平板)102、外壳104、光束发射器106和源材料涂覆器117。平台102是AM工具101的平面，并且可以由板、外壳104的下壁等来表示。AM工具101执行增材制造构建过程以形成三维的构建部件116。通过在连续层114中选择性地沉积源材料111并根据构建计划132在指定位置处融合源材料111，从平台102的上表面110构建每个构建部件116。每个层114可以相对较薄，例如不大于0.5mm、不大于0.25mm、不大于0.1mm等。
图1中的AM系统100可用于执行各种增材制造过程。合适的增材制造过程可以包括例如材料挤压(例如，熔丝沉积建模)，大桶光聚合(例如，立体光刻，数字光处理，连续数字光处理，发光二极管等)，粉末床熔合(例如，多喷射熔合，选择性激光烧结等)，材料喷射(例如，材料喷射，纳米颗粒喷射，按需滴落等)，选择性激光熔化和粘合剂喷射。所有这些过程都涉及在构建表面上沉积一层材料，并使用一种能量和/或聚合物粘合剂(基于CAD图案扫描表面)的形式融合材料的选择性部分。
源材料111可以是粉末形式。在非限制性实例中，粉末包括一种或多种金属颗粒，薄片等形式的金属。粉末还可任选地包括与金属材料混合的非金属填充材料。金属材料可以包括各种金属类型，例如铝，不锈钢，铜，镍，钴，钛等，以及各种金属类型的合金。粉末中可能的非金属填充材料可以包括陶瓷，聚合物(例如塑料)，二氧化硅等。沉积但未被融合以形成构建部件116的一部分的粉末限定了包含在外壳104的壁112A、112B内的未使用材料111的粉末床122。在实施例中，在构建过程中，构建部件116被包封在粉末床122内。在替代实施例中，源材料111不含金属。
构建部件116是通过沿构建方向124沿构建轴126聚集表面层114逐渐形成或构造的。在将材料111每次相继添加到构建部件116的顶部时，构建部件116在构建方向124上生长。构建方向124远离平台102延伸。在所示的实施例中，构建轴线126正交于平台102的上表面110的平面。
AM系统100通过在构建部件116的顶部上方散布粉末材料111的薄层或地层来产生构建部件116的新层。例如，AM系统100的源材料涂覆器117沉积材料111的每个层114。源材料涂覆器117包括或表示均匀地散布材料111的薄层的散布器或重涂器设备，注入材料111的注入器等。可以在使用之前将材料111存储在储器中。源材料应用程序117由控制单元108控制。
然后，光束发射器106由控制单元108控制，以朝着顶表面层114中的源材料111发射聚焦的能量光束。高能量光束将能量传递到光束撞击的材料111的指定部分，从而使指定部分熔合(例如，熔化并粘附)构建部件116的固结块。结果是形成了构建部件116的新表面层或一部分。聚焦的能量光束是电磁能。例如，光束发射器106可以是产生高能激光束的激光设备。光束发射器106可以悬挂在粉末床122的顶部上方，例如在平台102的上表面110上方约0.5米(m)处。从光束发射器106发射的聚焦能量光束被瞄准和/或引导到粉末床122的不同位置，以将顶表面层114的不同选择的部分熔合到构建部件116。光束发射器106可以包括扫描头142，其能够将光束引导到指定覆盖区域内的不同位置，而无需相对于AM工具101的其他组件移动(例如，移动)光束发射器106的位置。扫描头的方向和能量光束的参数(例如，定时，能量强度，光束宽等)可以通过控制单元108经由控制信号来控制。根据构建计划132中的指令，该过程连续地重复，直到完全形成构建部件116为止。
AM工具101被配置成使得聚焦的能量光束能够从相对于平台102上的构建部件116的多个不同的源位置朝着构建部件116发射。在图1中，仅示出了一个光束发射器106，并且光束发射器106可相对于构建部件116和平台102移动(例如，可平移)以改变光束源位置。光束发射器106可以机械地连接至致动器140，并且安装至限定轨道的铁轨或机架144。致动器140可以由控制单元108控制以选择性地将光束发射器106定位在沿着轨道的长度的不同位置处。例如，致动器140可以使光束发射器106沿着轨道或机架144朝着外壳104的第一壁112A和/或朝着外壳104的第二壁112B移动。光束发射器106沿轨道或机架144的移动与光束发射器106的扫描头142的操作无关。在实施例中，AM工具101仅具有一个光束发射器106，并且光束发射器106的移动使得能够从不同的光束源位置形成构建部件116的不同区段。在替代实施例中，AM工具101包括一个或多个反射表面，其用作中继部件。一个或多个反射表面可以与光束发射器106间隔开，以将撞击在其上的聚焦能量光束重定向到平台102，以有效地改变能量光束相对于构建部件116的源位置。
在一个或多个替代实施例中，AM工具101具有多个光束发射器106。在第一替代实施例中，多个光束发射器106中的每个被固定在不同的固定位置(例如，不可平移)，并且控制单元108有选择地控制光束发射器106以提供来自不同源位置的聚焦能量光束。例如，在第一替代实施例中，AM工具101可缺少致动器140和轨道或机架144。在第二替代实施例中，类似于图1中所示的光束发射器106，多个光束发射器106中的至少一个相对于AM工具101的其他组件是可平移的。例如，AM工具101可以包括至少一个可平移的光束发射器106和至少一个不可平移的光束发射器106，或者可以包括多个可平移的光束发射器106，而没有任何不可平移的光束发射器106。
可以控制AM工具101以在构建过程中形成一个或多个外部的支撑件120，以在结构上支撑构建部件116的悬垂特征。一个或多个外部的支撑件120在形成构建部件116的相同构建过程中被增材地形成。例如，构建部件116和外部的支撑件120均由在增材制造过程中融合在一起的一系列堆叠的材料层组成。可选地，外部的支撑件120的内部结构(例如，密度，晶格等)和/或材料组成可以与构建部件116不同。例如，外部的支撑件120的结构可以比构建部件116的结构更不致密。
控制单元108表示硬件电路，其包括一个或多个处理器118(例如，一个或多个微处理器，集成电路，微控制器，现场可编程门阵列等)和/或与之连接，该处理器执行结合控制单元108描述的操作。一个或多个处理器118可基于编程指令来操作。可以包括单个处理器或多个处理器的一个或多个处理器118在本文中以复数形式“处理器”来指代，而不将范围限制为需要多个处理器118。控制单元108还包括有形且非暂时性的计算机可读存储介质(例如，存储器)130。存储器130可以存储指示处理器118的操作的编程指令(即，软件)。例如，存储器130存储与正在制造的构建部件116相关联的构建计划132。
存储器130还可以存储构建部件116的部件设计138文件。部件设计138文件可以是描述构建部件116的物理特性，例如构建部件116的形状，尺寸和/或组成的计算机辅助设计(CAD)文件或另一个数据文件。可以基于部件设计138文件来生成构建计划132。构建计划132可以是指示AM工具101的参数，条件，设置和/或操作的数据文件，以便产生物理构建部件116，其是由部件设计138文件定义的虚拟部件的副本或匹配项。以构建计划132为特征的一个或多个参数或设置可以包括构建部件116在平台102上的定位，AM工具101为构建部件116而采取的一系列动作，支撑件120的位置等。如在构建计划132中指定的，AM工具101采取的一系列动作可以包括促动器140在何时何地移动光束发射器106(如果光束发射器是可平移的)和/或平台102(如果平台是可平移的)，指定的扫描路径，每个发射器106的扫描头142将沿着该扫描路径引导来自每个相应光束源位置的聚焦能量光束，聚焦的能量光束的参数(例如，定时，能量强度，光束宽度等)等。在构建计划132中指定的附加参数可以包括诸如偏移量，层厚度，气流参数等的设置。控制单元108(例如，其处理器118)根据构建计划132，控制一个或多个光束发射器106，源材料涂覆器117和/或其他组件的操作，以根据提议的设计在平台102上的选定位置中生成构建部件116。
控制单元108的处理器118可以通信地连接到输入设备134和显示设备136。输入设备134可以包括触摸板，触摸屏，键盘，鼠标，物理按钮，操纵杆等。输入设备134使操作员能够向AM系统100提供命令。在非限制性示例中，操作员可以使用输入设备134来选择部件设计138文件，选择构建部件116在平台102上的候选位置，以启动构建过程，和/或选择或调整AM工具101的其他设置和参数。显示设备136包括配置为显示图形用户界面的显示屏。可选地，输入和显示设备134、136可以在诸如膝上型计算机、台式计算机、工作站、平板计算机、移动电话、手持计算设备(例如，智能电话)等上集成。处理器118可以经由有线或无线通信路径可操作地连接到输入设备134和/或显示设备136。
在一个实施例中，控制单元108的处理器118被配置为生成构建计划132。例如，处理器118可以访问存储在存储器130中的部件设计138文件。可以从远程计算设备接收或通过操作员在输入设备134上的本地输入生成部件设计138文件。处理器118可以接收选择构建部件116在平台102上的候选位置的用户输入。处理器118可以基于构建部件116的设计和构建部件116的所选位置来生成构建计划132。在替代实施例中，处理器118不生成构建计划132，而是实施AM工具101生成的远程控制指令。例如，机器指令可以由计算机或处理单元在外部进行处理，并且被传送到AM工具101，以由AM工具101执行。
图2示出了根据实施例的AM工具101的示意图。图2示出了在平台102的上表面110上增材制造的第一试样202、第二试样204和第三试样206。试样202、204、206是离散的并且彼此间隔开，但是可以代表单个构建部件(例如，图1中所示的构建部件116)的不同区段，其随后将在构建过程中结合。在所示的实施例中，试样202、204、206相对于平台102具有相同的尺寸，形状和取向。此外，试样202、204、206使用光束发射器106的相同材料和相同参数形成。试样202、204、206被包封在粉末床122内。试样202、204、206之间的唯一区别在于，试样202、204、206相对于AM工具101(例如，光束发射器106和平台102)的定位。
试样202、204、206的定位可以指试样202、204、206相对于光束发射器106的位置和方向。更具体地说，定位可以指试样202、204、206的多个不同区段或层中的每一个相对于光束发射器106的位置和方向。定位的特征在于，试样202、204、206的各个区段相对于光束发射器106的入射角，也称为在激光点处相对于部件表面法线的入射角。
入射角208是光束线210和线212之间的角度，线212代表在光束线210与表面之间的相交处的各试样区段的表面的表面法线。光束线210表示从光束发射器106发射或将要发射的激光束或其他聚焦的能量光束到达相应试样区段的顶部或表面层216以产生表面层216的路径。表面层216是在给定时间在层堆叠的顶部(例如，端部)处最近形成的层。表面法线是从在能量光束的冲击点处与区段的表面相切的平面正交延伸的向量。表面法线从该冲击点向外延伸。如果在冲击点处的表面是水平的，则与该表面相切的平面是垂直的，并且表面法线从冲击点平行于水平方向延伸。蒙皮214可以表示紧接在表面层216下方并且紧邻光束线210的相应试样的一层或多层的侧面或边缘。如果蒙皮214是弯曲的(例如，非平面的)，则线212可以在表面层216正下方的位置处垂直于弯曲的蒙皮214的切线。构建部件是三维的，因此相同或不同部分的不同蒙皮区段的线212相对于光束发射器106可以具有不同的垂直、横向和/或纵向或深度分量。如本文所述，入射角208基于构建部件的给定区段相对于光束发射器106的定位(例如，位置和方向)。例如，表面法线212受蒙皮214的方向的影响，而光束线210受区段(例如蒙皮214)相对于光束发射器106的位置的影响。
图2中的三个试样202、204、206相对于平台102具有相同的尺寸和形状以及相同的方向。在所示的实施例中，第一，第二和第三试样202、204、206是伸出的物体。试样202、204、206各自包括通常面向平台102的相应的下蒙皮218和与下蒙皮218相对的上蒙皮220。上蒙皮220通常面向对上远离平台102。每个试样202、204、206的上蒙皮218和下蒙皮220代表倾斜的蒙皮214，因此法线212垂直于下蒙皮218和上蒙皮220靠近表面层216的区域或部分。
三个试样202、204、206相对于光束发射器106具有不同的位置，其由不同的入射角208指示。例如，第一试样202在垂直于各个下蒙皮218的线212A和第一光束线210A之间限定第一入射角208A。第一试样202在垂直于各个上蒙皮220的线212B和第二光束线210B之间限定第二入射角208B。第二试样204在垂直于各个下蒙皮218的线212C和第三光束线210C之间限定第三入射角208C。第二试样204在垂直于各个上蒙皮220的线212D和第四光束线210D之间限定第四入射角208D。第三试样206在垂直于各个下蒙皮218的线212E和第五光束线210E之间限定第五入射角208E。第三试样206在垂直于各个上蒙皮220的线212F和第六光束线210F之间限定第六入射角208F。在所示的实施例中，第一、第三和第六入射角208A、208C、208F是钝角的(例如，大于90度)。由于下面提供的原因，与钝角入射角相关的蒙皮214在本文中被称为外蒙皮。第二和第五入射角208B，208E是锐角(例如，小于90度)。与锐角入射角相关的蒙皮214在本文中被称为内蒙皮。第四入射角208D是直角(例如90度)。与直角入射角相关的蒙皮214代表外蒙皮和内蒙皮之间的拐点或转折区。
试样202、204、206的蒙皮214相对于平台102的方向表示另一种几何特征，其可任选地用于确定在构建过程中聚焦的能量光束的一个或多个源位置。每个蒙皮214相对于平台102的方向可以指的是在蒙皮214(或从弯曲蒙皮214延伸的切线)与平台102的上表面110之(在其上构造了试样202、204、206)间限定的倾斜角。第一，第二和第三试样202、204、206的下蒙皮218均相对于图2中的平台102具有相同的方向，并且试样202、204、206的上蒙皮202也相对于图2中的平台102具有相同的方向。
实验测试表明，光束线210和垂直于蒙皮214的线212之间的入射角208可显着影响构建部件的形成，例如表面质量、近表面质量、孔隙率、和尺寸精度。例如，在类似于图2所示的实验设备中，即使所有测试参数都相同，入射角208大于90度的外蒙皮的特性(例如，表面和近表面质量，孔隙率和尺寸精度)也比入射角208小于90度的内蒙皮要差得多。图2所示的外蒙皮包括第一试样202的下蒙皮218，第二试样204的下蒙皮218和第三试样206的上蒙皮220。图2所示的内蒙皮包括第一试样202的上蒙皮220和第三试样206的下蒙皮218。这些结果表明，一些下蒙皮表面218可以是内蒙皮(例如，第三试样206的下蒙皮218)，而其他下蒙皮表面218可以是外蒙皮(例如，第一和第二试样202、204的下蒙皮218)，它们相对于内蒙皮具有下降的性能。类似地，一些上蒙皮表面220可以是内蒙皮(例如，第一试样202的上蒙皮220)，而其他上蒙皮表面220可以是外蒙皮(例如，第三试样206的上蒙皮220)。
如S.克莱斯钦斯基，A.拉德维希，K.弗里德贝热，J.祖尔贾科姆，D.梅尔霍夫和G.威特(2015)的“激光束熔化系统部件表面粗糙度的位置相关性”，第26届国际固体无定型加工(SFF)研讨会，美国，第360-370页(通过引用将其全部内容并入本文)，建议的，这种现象的可能解释是，由于激光束相对于近端部分几何形状的入射角不同，聚焦光束能量的局部吸收不同。例如，当沿着或接近外蒙皮表面形成表面层216(例如，其限定入射角208大于90度)时，聚焦光束的一些能量可能被吸收到粉末床122内的下面的粉末中，这影响熔池。
图3示出了图2所示的第一试样202的特写部分。激光束226接近试样202的下蒙皮218照射在表面层216上。如图2所示，由于激光束226和垂直于下蒙皮218的线212A之间的入射角208A大于90度，所以下蒙皮218被分类为外蒙皮。高能激光束226熔化源材料，形成熔池228。熔池228的形状可能至少在靠近外蒙皮的区域中不能准确地适应部件尺寸。例如，图3中的熔池228穿透深度231，该深度超过试样202的期望的下蒙皮边缘232，使得光束226的能量吹出到粉末床122中。当材料冷却并固化时，粉末吸收的能量可导致沿着下蒙皮表面218形成额外的不希望的材料，在本文中称为熔体延伸部分230。熔体延伸部分230可增加表面粗糙度(例如，降低表面质量)，增加孔隙率和尺寸误差。尺寸误差是指相对于由期望的下蒙皮边缘232限定的厚度/横向宽度，下蒙皮218的厚度或横向宽度增加。注意，至少在构造过程期间的当前时间，包括表面层216的最顶层(多个)可以是尺寸精确的。激光穿透会导致最顶层下方的先前形成的层生长。例如，在图3中，熔池228使熔体延伸部分230沿着表面层216下方两层的层234生长。当形成附加材料层时，熔体延伸部分230在增材构建过程中聚集。
继续参考图2，在第一试样202的上蒙皮220处的入射角208B与在第一试样202的下蒙皮218处的入射角208A完全不同。入射角208B是锐角，指示第一试样202的上蒙皮220代表内蒙皮。相对于外蒙皮，内蒙皮与改善的质量特性有关，例如表面质量、近表面质量、孔隙率和尺寸精度。质量的变化可归因于在新沉积的表面层216下面的构建部件的几何形状。例如，来自激光束236的沿着图2所示的光束线210B定向的能量可以被第一试样202的部分固化或固结的下面的材料吸收，从而导致较少的能量被定向超过上蒙皮220边界并进入粉末床122(与下蒙皮218相比)。由于光束236相对于试样202的几何形状的角度，由激光束236形成的熔池238可能不会穿透上蒙皮220的边界。例如，熔池238至少部分地向试样202的横向中心向内延伸。本质上，试样202的部分固化底层材料用于吸收光束236的能量，多于用于吸收光束226的能量。结果，沿着上蒙皮220的粉末床122的加热少于沿着下蒙皮218的粉末床122的加热量，因此沿着上蒙皮表面220形成的熔体延伸和其他不均匀性更少，从而相对于下蒙皮218改善了表面质量和近表面质量、尺寸精度和孔隙率。
如图2所示，在第二试样204的上蒙皮220处的入射角208D为直角，这表示光束线210D与上蒙皮220的角度共线，而上蒙皮220正好位于要沉积或最近沉积的材料层之下。第二试样204的上蒙皮220表示在内蒙皮和外蒙皮之间的临界点或拐点区。例如，弯曲区域可以代表在内蒙皮和外蒙皮之间的角度范围。本文公开的系统可以以与内蒙皮和外蒙皮不同的方式对待弯曲区域的蒙皮。弯曲区域可以在以拐点为中心的范围内，例如但不限于90度。例如，弯曲区域可以在70度和110度之间、80度和100度之间等。
在增材制造过程中，其中材料层根据指定的构建部件几何形状连续沉积在堆栈中，构建部件的给定蒙皮相对于光束发射器的入射角可以随时间变化。例如，图4-图6示出了根据实施例的随着时间的流逝，AM工具101在单个试样240的构造中的三个不同阶段。这些阶段是按时间顺序排列的，因此图4所示的阶段位于图5和6所示的阶段之前，而图5所示的阶段位于图6所示的阶段之前。图4-图6示出了用平台102构建的部件的效果，该平台随着沉积另外的材料层而逐渐下降(例如，从光束发射器106移开)。光束发射器106在构建过程的三个所示阶段中的每个阶段处布置在相同位置，使得光束发射器106不移动。代表图4-6中的构建部件的试样240具有菱形形状，该形状具有平行的线性上蒙皮242和下蒙皮244表面。
基于上蒙皮242上的部件几何形状的入射角246相对于光束发射器106随时间变化。如上所述，相关的入射角246限定在来自光束发射器106的光束线248和垂直于上蒙皮242的靠近试样240的当前表面层252的部分的线250之间。在图4中，入射角246是钝角(例如，大于90度)，其指示上蒙皮242具有外蒙皮分类。在蒙皮242上或附近形成的试样240的区段的质量和/或精度可能降低，这需要在制造后进行额外的精加工步骤以增加光滑度和/或提供适当的尺寸对准。
图5示出了平台102已经移动，并且在图4所示的阶段之后已经形成了试样240的附加部分254。附加部分254从先前的表面层252延伸到当前的表面层256。在示出的阶段中，基于上蒙皮242的入射角246是直角，这表明上蒙皮242处于外蒙皮和内蒙皮分类之间的倾斜或拐点。由于入射角246的差异，预期在表面层256处的上蒙皮242处或附近形成的试样240的区段比在先前表面层252处的上蒙皮242具有更好的质量和/或精度。
图6示出了平台102的移动距离比图5所示的固定光束发射器106更远，并且在图5所示的阶段之后形成了试样240的附加部分260。附加部分260从先前的表面层256延伸到当前的表面层262。在示出的阶段中，基于上蒙皮242的入射角246是锐角(例如，小于90度)，其指示上蒙皮242具有内蒙皮分类。由于入射角246的差异，预期在表面层262处的上蒙皮242处或附近形成的试样240的区段比在先前表面层256，252处的上蒙皮242具有更好的质量和/或精度。图4-图6示出，随着菱形试样240变得更高并且表面层的位置相对于光束发射器106改变，上蒙皮242可以从表示外蒙皮过渡到内蒙皮，反之亦然。因此，对构建部件的几何结构和设计的多层进行评估，以确定入射角对构建部件的影响。可选地，评估沿着蒙皮表面的构建部件几何结构的每一层，以分类为外蒙皮、内蒙皮或拐点。
图7示出了根据本公开的第二实施例的增材制造(AM)工具101的示意图。AM工具101处于在平台102上增材制造构建部件302的过程中。在所示实施例中，构建部件302具有非对称形状。根据考虑了构建部件相对于光束源的几何形状的本文所述的系统和方法来形成构建部件302，以确定在构建过程中构建部件302相对于一个或多个光束发射器的多个相对位置。
在所示的实施例中，AM工具101包括第一光束发射器106A和第二光束发射器106B。光束发射器106A、106B彼此间隔开。第一光束发射器106A设置在第一源位置314处，且第二光束发射器106B设置在第二源位置316处。例如，光束发射器106A、106B位于外壳104的相应的第一和第二壁112A、112B附近。光束发射器106A、106B可设置在三维AM工具101的相对侧或角处或附近。例如，第一光束发射器106A可以位于外壳104的一个角处或附近，而第二光束发射器106B可以位于外壳104的对角处或附近。在实施例中，光束发射器106A、106B的覆盖区域重叠。光束发射器的覆盖区域是指光束发射器的各个扫描头可以将聚焦的能量光束引导到任何位置的区域。覆盖区域基于光束发射器的位置以及扫描头和其他光束控制元件的功能。可选地，第一光束发射器106A的覆盖区域可以基本上与第二光束发射器106B的覆盖区域重叠，使得重叠部分代表每个覆盖区域的至少大部分。在所示的实施例中，第一和第二光束发射器106A、106B相对于平台102是不可平移的，使得光束发射器106A、106B被固定地固定在相应的源位置314、316处。可替代地，光束发射器106A、106B中的至少一个相对于平台102是可控制地平移的。可选地，平台102可以是可平移的。例如，类似于图4-图6中描述的移动平台102，可以控制平台102以使其移动远离光束发射器106A、106B。
在一个或多个实施例中，控制单元108(在图1中示出)的处理器118被配置为分析构建部件302的几何形状(例如，几何设计)以及在平台102上选择构建部件302的位置，以确定构建部件302各个区段的几何特征。可以在处理器118访问的部件设计138文件中提供几何形状和/或位置。可选地，操作员可以使用用户输入设备134来选择位置。尽管图7示出了构建部件302至少部分地形成在平台102上，但是本文所述的分析过程可以在开始增材制造构建过程之前由处理器118执行。
处理器118被配置为基于构建部件302相对于AM工具101的几何形状和所选位置来确定构建部件302的多个区段或部分中的每个的一个或多个几何特征，以确定哪个源位置314、316用于在构建过程中形成指定的区段。分析的目的是选择期望提供改进的(或至少令人满意的)质量和构建部件的所得区段的准确性的光束源位置。一个或多个几何特征包括发射聚焦的能量光束的光束源位置和垂直于蒙皮(正好位于区段的表面层之下(在指定的层数之内))的线的入射角。本文描述的系统被配置为基于入射角选择光束源位置，相对于仅使用单个光束源位置或不考虑入射角而使用多个光束源位置，其预期这将提供改进的质量和准确性。
可以基于构建部件302的几何形状，通过一个或多个处理器118将构建部件划分为不同的构成区段。在所示的实施例中，构建部件302被划分为多个轮廓区段304、306、308、310和填充区段312，其在图7中由虚线区段。第一区段304包括垂直定向的蒙皮。第二区段306形成在第一区段304的顶部上并且包括上蒙皮。第三区段308限定了与第二区段306相交的下蒙皮。第四区段310在第三区段308下方限定了上蒙皮，使得第三区段308形成在第四区段310的顶部。填充区段312横向地设置在第一和第四区段304、310之间以及在第二和第三区段306、308之间。填充区段312可以填充有散装材料，其具有与沉积以形成轮廓区段304、306、308、310的材料不同的性质。可选地，填充区段312的机械结构，例如网格结构，可以与轮廓区段304、306、308、310的机械结构不同，而不管填充区段和轮廓区段的材料性能是否相同。注意，轮廓区段304、306、308、310限定了构建部件302的不同外表面。尽管外表面在图7中是线性的，但是构建部件302可以具有弯曲的蒙皮/表面。
在实施例中，处理器118可以分析在构建部件的每个区段和每个潜在的光束源位置之间限定的入射角，以选择利用哪个光束源位置向区段发射聚焦的能量光束，以在区段上形成一层或多层。例如，处理器118可以计算第一光束源位置314和第一区段304之间的入射角以及第二光束源位置316和第一区段304之间的入射角。处理器118可以至少部分地基于入射角的比较来选择使用哪个光束源位置314、316来形成第一区段304。在实施例中，因为已经确定了内蒙皮以提供期望的表面和近表面质量，孔隙率和尺寸精度，所以处理器118可以选择与小于90度的入射角相关联的光束源位置作为在构建过程中使用的位置。在实施例中，如果基于第一和第二源位置314、316的两个入射角均小于90度，使得两个蒙皮表面都将被分类为内蒙皮，则处理器118可以选择具有最小入射角的光束源位置。较小的入射角可能导致较少的能量从表面层被引导到周围的粉末床中，从而相对于从其他光束源位置发射激光束，提高了表面质量。
处理器118可以被配置为除了入射角之外还考虑次要因素，以确定用于形成对应区段的光束源位置(例如，无需仅基于入射角来选择源位置)。次要因素可包括不同光束发射器106A、106B的各自效率，光束发射器106A、106B的各自工作量和/或能力，任何居间气体云或其他潜在干扰的存在等。例如，当在具有相似入射角的多个源位置之间进行选择时，次要因素可以用作决胜局。例如，如果与第一光束发射器106A相关联的入射角是60度，并且与第二光束发射器106B相关联的入射角是45度，则即使入射角大于第二光束发射器106B的入射角，如果次要因素有利于第一光束发射器106A，则可以选择第一光束发射器106A以形成给定的区段。
在示出的实施例中，作为分析的结果，处理器118可以在第一源位置314处选择第一光束发射器106A以形成构建部件302的第一区段304。例如，基于第一源位置314的入射角318是锐角，因此第一区段的垂直定向的蒙皮代表了内蒙皮。尽管未示出，但是基于第二源位置316的入射角将是钝角，指示第一区段的蒙皮将代表外蒙皮。因此，选择第一光束发射器106A以朝着第一区段304发射聚焦的能量光束，相对于通过从第二光束发射器106B发射能量光束形成第一区段304，预期这将改善表面和近表面的质量、孔隙率、尺寸精度等。基于入射角分析，处理器118可以选择第一光束发射器106A以形成构建部件302的第二区段306，并且选择第二光束发射器106B在第二源位置316以形成构建部件302的第三和第四区段308、310。可选地，用于形成填充区段312的光束源位置可以基于入射角以外的考虑，例如上述次要因素。在实施例中，基于发射器106A、106B的可用性和在构建过程的不同阶段的其他因素，可以使用光束发射器106A、106B中的一个或两个来形成填充区段312。
尽管在图7中仅示出了从轮廓区段304、306、308、310中的每一个延伸的一条法线，但是已经认识到，入射角甚至可以沿着线性区段逐层变化，如图4-图6中所示。在实施例中，当确定如何将构建部件302划分成不同的区段以及如何将这些区段分配给不同的光束源位置(例如，位置314和316)时，处理器118可以逐层评估构建部件302的几何形状。
在指定将使用哪个光束源位置314、316来形成构建部件302的各个区段304、306、308、310、312中的每一个之后，处理器118可以控制AM工具101以增材制造构建部件302。例如，处理器118可以生成或至少更新构建计划132以合并相关联的光束源位置和部分区段。构建计划132指定要由AM工具101执行以形成构建部件302的操作。构建计划132可以为第一光束发射器106A提供第一组扫描路径，且为第二光束发射器106B提供第二组扫描路径。第一组扫描路径概述了用于第一发射器106A的扫描头以将聚焦的能量光束(例如，光束320)对准区段306的路径。第二组扫描路径概述了用于第二发射器106B的扫描头以将聚焦的能量光束(例如，光束322)对准区段308的路径。处理器118可以根据构建计划132控制AM工具101的组件以产生构建部件302。处理器118可以生成被传送到不同的组件(例如，光束发射器106A、106B、涂覆器设备117等)来控制AM工具101的控制信号。
尽管在图7中示出了两个光束发射器106A、106B，但是AM工具101可以可选地包括设置在AM工具101的不同指定位置的三个或更多的发射器。例如，工具101可以具有排列在距平台102相同高度处来形成等边三角形的的三个发射器106。在另一个示例中，工具101可以具有布置在外壳104的四个角的每一个或沿着四个侧面的每一个的四个发射器106。可以执行上述分析以确定三个或更多发射器106中的哪一个被最好地定位为发射光束以形成构建部件的各个不同区段。
图8示出了图1所示的根据本公开的第一实施例的增材制造(AM)工具101的示意图。在图8中，AM工具101包括一个光束发射器106，其可相对于AM工具101的其他组件(例如平台102)平移。光如图1所示，光束发射器106安装在轨道或机架144上，并由致动器140移动。致动器140可以是电动设备，其由控制单元108(在图1中示出)的处理器118所控制。致动器140可以使光束发射器106沿着由轨道或机架144限定的轨道滚动或滑动。致动器140可以将光束发射器106选择性地定位在第一源位置314和第二源位置316处。
在所示的实施例中，光束发射器106可用于形成图7所示的构建部件302的多个不同区段。例如，处理器118可控制致动器140以将光束发射器106定位在第一源位置314以向第二区段306的表面层216发射聚焦的能量光束320以形成区段306。然后，处理器118可以控制致动器140将光束发射器106沿着轨道或机架144移动到第二源位置316以向第三区段308发射聚焦的能量光束。在构建过程中，可控制致动器140以在两个源位置314、316之间来回移动光束发射器106。可选地，光束发射器106可以是AM工具101的唯一光束发射器106。在实施例中，沿轨道或机架144的轨道可以是线性的，使得光束发射器106沿直线运动。替代地，轨道可以是弯曲的和/或可旋转的。
可选地，尽管仅描述了两个源位置314、316，但是致动器140可以被配置为将光束发射器106沿着轨道的长度移动到至少三个离散的位置。例如，致动器140可以包括步进电动机或齿轮组件，其允许致动器140沿轨道或机架144停止在各个设定位置。在非限制性示例中，致动器140可能能够以足够高的空间频率选择性地定位光束发射器106，以使得能够将发射器106定位在沿着轨道的长度的大约任何位置处。根据一个或多个实施例，处理器118可以被配置为确定或选择在构建过程中光束发射器106将被移动到的光束源位置。处理器118可以基于一个或多个几何特征，例如入射角，选择光束源位置。在非限制性示例中，处理器118可以相对于三个或更多不同的预期(例如，可用)源位置中的每一个确定构建部件302的各个几何区段的入射角。处理器118可以至少部分地基于入射角的比较来选择使用哪个预期源位置来形成每个几何区段。例如，图8所示的两个源位置314、316可以是由处理器118从三个或更多预期源位置中选择的位置。
图9示出了根据本公开的第三实施例的增材制造(AM)工具101的示意图。在图9中，类似于图7所示的实施例，AM工具101包括第一和第二光束发射器106A、106B。与图7不同，第一光束发射器106A在构建平台102上方居中。第一光束发射器106A可以相对于AM工具101的其他部件将其固定在固定位置，使得第一光束发射器106A不能移动。第二光束发射器106B可相对于平台102、第一光束发射器106A和AM工具101的其他部件平移。第二光束发射器106B安装至弯曲轨道502，并且可沿弯曲轨道502的长度移动。弯曲轨道502可限定闭合形状，例如圆形、椭圆、椭圆形、具有弯曲角的矩形等。轨道502可以是环形或圆环形的，尽管在图9的透视图中轨道502看起来是椭圆形的。弯曲轨道502可以围绕第一光束发射器106A。
在实施例中，第二光束发射器106B可以由致动器沿着轨道502的长度移动到各个位置，从轨道502的长度向着平台102上的构建部件发射聚焦的能量光束。例如，处理器118可以在构建过程中控制第二光束发射器106B沿轨道502在第一源位置504和第二源位置506之间移动，以便改变撞击在构建部件上的能量光束的源。同时地或相继地，处理器118可以在固定的中央位置508(其代表第三源位置)处控制第一光束发射器106A向构建部件发射聚焦的能量光束。第一光束发射器106A可以朝着构建部件的与第二光束发射器106B瞄准的区段不同的区段发射光束。
图10示出了根据本公开的第四实施例的增材制造(AM)工具101的示意图。图10所示的实施例与图1和图8所示的实施例相似，除了AM工具101在两个分开的轨道或台架144A，144B上包括两个光束发射器106A、106B。轨道144A、144B沿着平台102上方的外壳104的相对侧设置。第一光束发射器106A可选择性地定位在沿着第一线性轨道或机架144A的长度的两个或更多个位置处，并且第二光束发射器106B可选择性地定位在沿着第二线性轨道或机架144B的长度上的两个或更多个位置处。单独的致动器(未示出)可以由处理器118控制以将光束发射器106A、106B移动到不同的位置。
在替代实施例中，轨道144A、144B中的至少一个相对于平台102是能移动的。例如，轨道144A可沿从图10所示的轨道144A的位置向图10中的轨道144B的位置延伸的另一轨道移动。另一轨道可垂直于轨道144B的长度延伸。在又一个实施例中，AM工具101仅包括单个轨道144A和光束发射器106A(例如，缺少轨道144B和光束发射器106B)，并且轨道144A如上所述是能移动的，以使得能够将光束发射器106A定位在图10所示的光束发射器106B的位置。
图11和图12示出了根据另外的实施例的AM工具101，其中，利用光学组件来改变聚焦的能量光束相对于构建部件的方向。在图11和图12中，单个光束源800被用来产生聚焦的能量光束。在图11中，光束源800可操作地耦合到选择器设备802，其可以包括或代表透明棱镜，具有一个或多个反射表面的块等。选择器设备802可以是可旋转的，以改变选择器设备802相对于光束源800的方向。图11中的AM工具101还包括两个扫描头804、806。扫描头804、806彼此间隔开并且安装在平台102上方。扫描头804、806被配置为将聚焦的能量光束808朝向平台102重定向。每个扫描头804、806可包括一个或多个反射表面，例如镜子。
在操作中，光束源800向选择器设备802发射能量光束808。选择器设备802将光束808重定向到第一扫描头804或第二扫描头806。例如，选择器设备802可以将光束808指向第一扫描头804，以便第一扫描头804将光束808重定向到构建部件812的上蒙皮区段810。选择器设备802可以将随后的光束814引向第二扫描头806，以使第二扫描头806将光束814重新定向到构建部件812的下蒙皮区段816。通过改变光束的方向，与光束808、814相关的入射角819、820是锐角，指示构建部件812的上蒙皮和下蒙皮表面都分类为内蒙皮。
在图12中，光束源800直接耦合到扫描头822。AM工具101还包括与光束源800和扫描头822间隔开的反射器826。例如，反射器826可以沿着与扫描头822相对的构造外壳或外壳的相对侧，端部或拐角设置。反射器826定向为将光束反射向平台102。扫描头822能够选择性地将第一能量光束824直接引向构建部件812的下蒙皮区段816。扫描头822可以选择性地将第二能量光束828引向反射器826，其将光束828重新引向构建部件812的上蒙皮区段810。类似于图11所示的实施例，构建部件812的上蒙皮和下蒙皮表面都在图12中归类为内蒙皮。
图13是方法700的流程图，用于通过在构建过程期间通过将来自多个不同光束取向的聚焦能量光束相对于构建部件进行定向以提高构建部件的性能(例如表面和近表面质量、孔隙率和尺寸精度)来增材制造构建部件。方法700可以全部或至少部分地由图1所示的AM系统100的控制单元108的一个或多个处理器118执行。可选地，可以在一个或多个步骤中提供一些操作员输入。可选地，方法700可以包括比图13所示的更多的步骤，比图13所示的更少的步骤，图13中未示出的不同步骤，和/或与图13所示的不同的步骤排列或顺序。
方法700从702开始，在该步骤处，在增材制造该构建部件之前，在该构建部件相对于增材制造工具的候选位置处确定构建部件的多个区段中的每一个的一个或多个几何特征。一个或多个几何特征包括从增材制造工具的电磁能量源延伸的光束线与对应区段的各自的蒙皮的接近光束线的表面法线之间的入射角。
在704处，控制增材制造工具以将聚焦的能量光束从相对于构建部件的第一方向引导以形成构建部件的区段中的第一区段。从第一方向引导聚焦的能量光束是基于第一区段的一个或多个几何特征。例如，从第一方向引导聚焦的能量光束可以是响应于确定由从第一方向向第一区段延伸的光束线限定的入射角是锐角。此外，将聚焦的能量光束从第一方向引导到第一区段可以是响应于确定由从第一方向向第一区段延伸的光束线限定的入射角小于由从第二方向向第一区段延伸的光束线限定的入射角。
在706处，控制增材制造工具以将聚焦的能量光束从相对于构建部件的第二方向引导以形成构建部件的区段中的第二区段。从第二方向引导聚焦的能量光束是基于第二区段的一个或多个几何特征。例如，从第二方向引导聚焦的能量光束可以是响应于确定由从第二方向向第二区段延伸的光束线限定的入射角是锐角。此外，将聚焦的能量光束从第二方向引导到第二区段可以是响应于确定由从第二方向向第二区段延伸的光束线限定的入射角小于由从第一方向向第二区段延伸的光束线限定的入射角。
AM工具包括一个或多个光束发射器和一个或多个致动器，其被控制以使一个或多个光束发射器在不同的源位置之间移动。在实施例中，致动器中的一个将一个光束发射器移动到第一源位置，并且在第一源位置的光束发射器发射聚焦的能量光束以形成构建部件的第一区段。控制致动器以将(相同)光束发射器移动到第二源位置，以使光束发射器发射聚焦的能量光束以形成构建部件的第二区段。备选地，多个光束发射器中的第一光束发射器设置在第一源位置处，并且被控制为朝着构建部件的第一区段发射聚焦的能量光束以形成第一区段。多光束发射器的第二光束发射器设置在第二源位置处，并被控制为朝着构建部件的第二区段发射聚焦的能量光束以形成第二区段。分别基于第一和第二区段的一个或多个几何特征来确定第一和第二源位置。
尽管各种空间和方向性术语，例如顶部、底部、下部、中间、侧向、水平、垂直、前部等被用来描述本公开的实施例，但是应当理解，这些术语仅相对于附图中所示的方向使用。方向可以颠倒，旋转或以其他方式改变，使得上部是下部，反之亦然，水平变为垂直等。
本文中的实施例的图示出了一个或多个控制或处理单元，诸如图1中所示的控制单元108。应当理解，控制或处理单元代表电路，电路或其一部分，其被实现为具有执行本文所述操作的相关指令(例如，存储在有形且非暂时性的计算机可读存储介质(例如计算机硬盘驱动器、ROM、RAM等)上的软件)的硬件。硬件可包括硬连线以执行本文所述功能的状态机电路。硬件可以包括电子电路，其包括和/或连接到一个或多个基于逻辑的设备，例如微处理器，处理器，控制器等。可选地，控制单元108或其一个或多个处理器118表示诸如现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、微处理器、量子计算设备等中的一个或多个处理电路。各种实施例中的电路被配置为执行一种或多种算法以执行本文描述的功能。一个或多个算法包括本文公开的实施例的各方面，无论是否在流程图或方法中明确标识。
如本文所使用，术语“控制单元”等包括任何基于处理器或基于微处理器的系统，包括使用微控制器、精简指令集计算机(RISC)、专用集成电路(ASIC)、逻辑电路和任何其他能够执行本文所述功能的电路或处理器(包括硬件、软件或其组合)的系统。这仅是示例性的，因此无意以任何方式限制这些术语的定义和/或含义。图1所示的控制单元108被配置为执行存储在一个或多个存储元件(诸如一个或多个存储器)中的一组指令，以便处理数据。指令集包括各种命令，这些命令指示作为处理机的控制单元108(例如，其处理器118)执行特定操作，例如本文所述主题的各种实施例的方法和过程。在实施例中，指令集是软件程序的形式。处理机对输入数据的处理是响应于用户命令，响应于先前处理的结果或响应于另一处理机做出的请求。如本文所使用的，术语“软件”包括存储在存储器中以供计算机执行的任何计算机程序，包括但不限于RAM存储器、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器和非易失性RAM(NVRAM)存储器。
如本文所使用的，“配置为”执行任务或操作的结构，限制或元素特别地以与任务或操作相对应的方式在结构上形成、构造或调整。为了清楚和避免疑问，仅能够被修改以执行任务或操作的对象未“配置为”执行本文所使用的任务或操作。
应当理解，以上描述意在说明而不是限制。例如，上述实施例(和/或其方面)可以彼此组合使用。另外，在不脱离本发明范围的情况下，可以做出许多修改以使特定情况或材料适应本公开的各个实施例的教导。尽管，本文描述的材料的尺寸和类型旨在限定本公开的各种实施例的参数，但是这些实施例绝不是限制性的，而是示例性实施例。在回顾以上描述之后，许多其他实施例对于本领域传统技术人员将是显而易见的。因此，应当参考所附技术方案以及这些技术方案所赋予的等效物的全部范围，来确定本公开的各种实施例的范围。在所附技术方案中，术语“包括”和“其中”被用作相应术语“包含”和“其中”的普通英语等效词。此外，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅用作标签，并不旨在对其对象施加数字要求。此外，除非并且直到这样的技术方案限制明确地使用短语“用于……的手段”，后接没有进一步结构的功能声明，否则以下技术方案的限制不是以“功能加功能”的形式编写的，也不旨在根据《美国法典》第35卷第112(f)节的规定进行解释。
该书面描述使用示例来公开本公开的各种实施例，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公开的各种实施例，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何合并的方法。本公开的各种实施例的可专利范围由技术方案限定，并且可以包括本领域普通技术人员想到的其他示例。如果这些示例具有与技术方案的字面语言没有不同的结构元素，或者如果这些示例包括与技术方案的字面语言没有实质性差异的等效结构元素，则此类其他示例意图在技术方案的范围内。

Claims (21)

1.一种增材制造系统，包括：
一个或多个处理器，被配置为确定在相对于增材制造工具的候选位置处的构建部件的多个区段中的每个区段的一个或多个几何特征，所述一个或多个几何特征包括从聚焦的能量光束的源延伸的光束线和与所述光束线相邻的对应的区段的各自的蒙皮的表面法线之间的入射角，
其中，所述一个或多个处理器被配置为基于所述一个或多个几何特征来控制所述增材制造工具，以从相对于所述构建部件的第一方向引导聚焦的能量光束以形成所述构建部件的区段中的第一区段，并从相对于所述构建部件的第二方向引导聚焦的能量光束以形成所述构建部件的区段中的第二区段。
2.根据权利要求1所述的增材制造系统，其中，所述一个或多个处理器被配置为基于所述一个或多个几何特征来生成构建计划，其中，所述构建计划指定要由所述增材制造工具进行以形成所述构建部件的操作。
3.根据权利要求1所述的增材制造系统，其中，响应于确定由从所述第一方向朝向所述构建部件的所述第一区段延伸的光束线限定的入射角小于由从所述第二方向朝向所述构建部件的所述第一区段延伸的光束线限定的入射角，所述一个或多个处理器控制所述增材制造工具以从所述第一方向引导所述聚焦的能量光束以形成所述第一区段。
4.根据权利要求1所述的增材制造系统，其中，响应于确定由从所述第一方向朝向所述构建部件的所述第一区段延伸的光束线限定的入射角是锐角，所述一个或多个处理器控制所述增材制造工具以从所述第一方向引导所述聚焦的能量光束以形成所述构建部件的所述第一区段。
5.根据权利要求1所述的增材制造系统，其中，响应于确定由从所述第二方向朝向所述构建部件的所述第二区段延伸的光束线限定的入射角是锐角，所述一个或多个处理器控制所述增材制造工具以从所述第二方向引导所述聚焦的能量光束以形成所述构建部件的所述第二区段。
6.根据权利要求1所述的增材制造系统，其中，所述一个或多个处理器被配置为控制所述增材制造工具以将所述聚焦的能量光束从第一源位置引导到所述构建部件的所述第一区段并将所述聚焦的能量光束从第二源位置引导到所述构建部件的所述第二区段，所述第一源位置和所述第二源位置相对于所述增材制造工具彼此隔开。
7.根据权利要求6所述的增材制造系统，其中，所述第一源位置和所述第二源位置设置在所述增材制造工具的相对角或相对侧。
8.根据权利要求1所述的增材制造系统，其中，所述一个或多个处理器被配置为通过控制第一光束发射器从所述第一方向向所述第一区段发射所述聚焦的能量光束，控制所述增材制造工具形成所述构建部件的所述第一区段，以及
其中，所述一个或多个处理器被配置为通过控制第二光束发射器从所述第二方向向所述第二区段发射所述聚焦的能量光束，控制所述增材制造工具形成所述构建部件的所述第二区段。
9.根据权利要求8所述的增材制造系统，其中，沿着所述增材制造工具的所述第一光束发射器的覆盖区域与所述第二光束发射器的覆盖区域重叠。
10.根据权利要求1所述的增材制造系统，其中，所述增材制造工具包括光束发射器和致动器，其中，所述致动器被配置为使所述光束发射器相对于所述构建部件在第一源位置和第二源位置之间移动，以及
其中，所述一个或多个处理器被配置为控制所述致动器以将所述光束发射器定位在所述第一源位置以发射所述聚焦的能量光束以形成所述构建部件的所述第一区段，并将所述光束发射器定位在所述第二源位置以发射所述聚焦的能量光束以形成所述构建部件的所述第二区段。
11.根据权利要求10所述的增材制造系统，其中，所述光束发射器能沿着轨道移动，并且所述轨道相对于所述增材制造工具的平台是能移动的。
12.根据权利要求10所述的增材制造系统，其中，所述光束发射器能沿着轨道移动，并且所述轨道是线性的。
13.根据权利要求10所述的增材制造系统，其中，所述光束发射器能沿着轨道移动，并且所述轨道是弯曲的。
14.根据权利要求10所述的增材制造系统，其中，所述光束发射器是第一光束发射器，并且所述增材制造工具还包括第二光束发射器，其中，所述一个或多个处理器被配置为控制所述第二光束发射器从与所述第一源位置和所述第二源位置间隔开的第三源位置发射聚焦的能量光束，以形成所述构建部件的第三区段。
15.一种增材制造方法，包括：
在增材制造构建部件之前，确定在相对于增材制造工具的候选位置处，构建部件的多个区段中每个区段的一个或多个几何特征，所述一个或多个几何特征包括从聚焦的能量光束的源延伸的光束线和与所述光束线相邻的对应的区段的各自的蒙皮的表面法线之间的入射角；
基于所述一个或多个几何特征来控制所述增材制造工具，以从相对于所述构建部件的第一方向引导聚焦的能量光束以形成所述构建部件的区段中的第一区段；以及
基于所述一个或多个几何特征来控制所述增材制造工具，以从相对于所述构建部件的第二方向引导聚焦的能量光束以形成所述构建部件的区段中的第二区段。
16.根据权利要求15所述的增材制造方法，其中，响应于确定由从所述第一方向朝向所述第一区段延伸的光束线限定的入射角是锐角，控制所述增材制造工具以从所述第一方向引导所述聚焦的能量光束。
17.根据权利要求15所述的增材制造方法，其中，响应于确定由从所述第二方向朝向所述第二区段延伸的光束线限定的入射角是锐角，控制所述增材制造工具以从相对于所述构建部件的所述第二方向引导所述聚焦的能量光束。
18.根据权利要求15所述的增材制造方法，其中，响应于确定由从所述第一方向朝向所述第一区段延伸的光束线限定的入射角小于由从所述第二方向朝向所述第一区段延伸的光束线限定的入射角，控制所述增材制造工具以从所述第一方向引导所述聚焦的能量光束。
19.根据权利要求15所述的增材制造方法，其中，所述增材制造工具包括光束发射器和致动器，并且所述方法还包括控制所述致动器以使所述光束发射器在第一源位置和第二源位置之间移动，以使位于所述第一源位置的所述光束发射器发射所述聚焦的能量光束，以形成所述构建部件的所述第一区段，并且位于所述第二源位置的所述光束发射器发射所述聚焦的能量光束，以形成所述第二区段。
20.根据权利要求15所述的增材制造方法，其中，对所述增材制造工具进行控制以从所述第一方向引导聚焦的能量光束包括控制设置在第一源位置的第一光束发射器向所述第一区段发射聚焦的能量光束，以及对所述增材制造工具进行控制以从所述第二方向引导聚焦的能量光束包括控制布置在第二源位置的第二光束发射器向所述第二区段发射聚焦的能量光束。
21.一种增材制造系统，包括：
增材制造工具，包括平台和一个或多个光束发射器，所述一个或多个光束发射器配置为从相对于所述平台的多个不同的源位置发出聚焦的能量光束；以及
一个或多个处理器，被配置为确定在相对于增材制造工具的候选位置处的构建部件的多个区段中每个区段的一个或多个几何特征，所述一个或多个几何特征包括从所述源位置中的一个对应的源位置延伸的光束线和与所述光束线相邻的对应的区段的各自的蒙皮的表面法线之间的入射角，
其中，所述一个或多个处理器被配置为基于所述一个或多个几何特征来控制所述一个或多个光束发射器，以从相对于所述平台的第一源位置引导所述聚焦的能量光束，以形成所述构建部件的所述区段中的第一区段，并从相对于所述平台的第二源位置引导所述聚焦的能量光束，以形成所述构建部件的所述区段中的第二区段。
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