CN1135731A - 多束激光烧结 - Google Patents

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Abstract

一种多光束激光烧结装置，包括一束具有一个在粉末床(68)上的焦点的烧结光束(64)和至少一束离焦激光光束(116)，该离焦光束(116)入射在聚焦光束(64)焦点附近的一个区域上。烧结光束(64)将粉末(84)的温度提高到烧结温度。离焦光束(116)将烧结光束(64)周围材料的温度提高到一个低于烧结温度的水平，由此减小在烧结部位和周围材料之间的温度梯度。来自一束或二束光束的热辐射可以被测量并被用来控制一束或二束光束的功率，而一束或二束光束的功率可以被控制从而将温度维持在一个所要求的水平上。也可以是，采用多个离焦光束来提供要么多个温度梯度台阶，要么独立地控制围绕烧结点的每一个区域的温度。

Description

多束激光烧结
相关申请的互相参考
共有未决的美国专利申请序列号No.(UTCDocket No R-3668)，题为：温度控制的激光烧结”的专利申请与本申请同时递交，该申请包含与本申请现在公开的内容相关的主题。
技术领域
本发明涉及激光烧结，且，更具体地，涉及用于减少卷曲(Curl)的双束激光烧结。
背景技术
在现有技术中众所周知，立体平版印刷术(Sterolithography)能够进行产品模或产品本身的快速原型成型(prototyping)。立体平版印刷方法，如所知的那样，使用一种紫外激光扫描并选择聚合一种单体(即，固化一种液状塑料)，从而从一个预先确定的零件模型逐层，逐线地构筑出一个原型。具体地，激光被聚焦在一个液体树脂池的一部分上从而在激光焦点接触(即，入射到)液体的状态下使液体聚合(或固化)。这种技术使一个零件能够被快速生产出来，否则，如通过铸模方法要花费较长的时间。
同样众所周知，采用一种紫外激光束执行选择性的粉末激光烧结来进行快速原型成型。如所知的那样，烧结是一种采用激光加热将一种粉末状材料的温度提高到其软化点的方法，由此造成在加热区域中的粉末微粒熔合在一起。烧结所需的温度水平取决于被烧结的材料；但是，温度越高，烧结越快。例如，铁粉在1500℃时熔化，但是如果在1000℃的温度下保持足够长的时间，也将烧结。
在烧结过程中，一束处于基本恒定功率水平的激光束被入射到一个粉末床上，激光束沿横跨粉末层的连续直线反复扫描直到整层都被扫描过，零件的一个水平层就被制作出来了。在粉末要烧结的地方，激光被打开，否则激光是关闭的。当一层完成后，烧结床的表面被降低，在前面已烧结的层上又铺上另一层粉末，然后对后一层进行扫描。这个过程重复到零件被制作完成为止。
然而，激光烧结的一个问题是烧结层趋向于卷曲，这是由于处于烧结位置的激光束高强度，小直径焦点与其周围的材料之间存在一个热梯度(温度差)。
解决此问题所采用的一种技术是将整个粉末床加热到低于烧结温度的某个温度，由此减少激光束与周围材料之间的热梯度。这项技术对某些聚合物粉末也许是有效的，当使用金属或陶瓷粉末时，这项技术就不成功得多，因为涉及到较高的烧结和熔化温度，首先，在整个粉末床上维持一个均匀温度是困难的；其次，如果粉末被提高到约为熔化温度的一半温度时，粉末将在几小时左右的时间内自行烧结。如果粉末床的温度低于熔化温度的一半时，这也许就根本不能控制卷曲问题。
这样，就要求设计一种烧结系统，该系统不要求加热整个粉末床，同时仍减少了被烧结材料的卷曲。
发明的公开
本发明的目的包括提供一个烧结系统，该系统减少被烧结材料的卷曲。
根据本发明，一种激光烧结装置包括一束入射到粉末表面上的烧结部位的烧结激光束；至少一束入射到邻近烧结部位的一个离焦区域的离焦激光束；并且该离焦光束在烧结部位和周围的粉末之间提供了一个预先确定的温度梯度。
再根据本发明，离焦光束与烧结光束在粉末表面重叠。仍根据本发明，烧结光束在入射到粉末之前在离焦光束中传播通过一个预先确定的距离。
再根据本发明，烧结光束的偏振方向被设置成与离焦光束的偏振方向正交。再根据本发明，烧结光束和离焦光束都源自相同的光源光束。
再根据本发明，提供了检测装置用来检测在离焦区域附近的一个检测点上的粉末温度。再根据本发明，检测装置包括用来检测在烧结位置周围的多个检测点上的粉末温度的装置。再根据本发明，提供了激光控制装置，该装置响应从检测装置来的检测信号，控制离焦激光束的功率。再根据本发明，检测装置检测从粉末辐射出来的热辐射。
通过减少被烧结零件的卷曲，本发明相对于以前的烧结技术表现出显著的改进。并且，本发明还免除了将整个粉末床加热到一个高的温度以减少卷曲的需要。本发明提供二束光束：一束用来烧结粉末的紧密聚焦的光束和一束用来加热紧密聚焦的烧结光束周围的区域的较宽松地聚焦的光束。这样，本发明减小了在烧结光束及其周围材料之间的温度梯度，  由此大大减小了卷曲效果。
而且，本发明提供了对较大光束和烧结光束热辐射及因此其温度的检测，由此可以对二束光束的功率以及相关的温度梯度进行精确的温度控制。并且通过采用二束具有不同偏振或来自两不同光源的光束，本发明避免了光束之间的相干干涉以及与其相关的合成强度的较大变化。再进一步，本发明减小了粉末在被烧结时“滚成球形”(或结块)的倾向。
通过下面对如附图中说明的示例性实施例所作的详细描述，本发明的上述和其他目的、特征和优点将会更加明显。
附图的简要说明
图1为根据本发明的一个双束激光烧结系统的一个概略性方框图。
图2为根据本发明用于检测有关一束较大和一束较小光束的辐射的光学元件的放大的概略性方框图，同时还表示出用于分出所发出的辐射的另一种实施例。
图3为根据本发明的另一实施例的一个双束激光烧结系统的概略性示意图，该系统所提供的光只在一个方向上偏振。
图4为根据本发明的另一个实施例的一个双束激光烧结系统的概略性示意图，该系统具有二个独立的激光器，每个发出一束激光束。
图5为根据本发明的又一个实施例的概略性方框图，该实施例提供了一第二光束，二束聚焦光束相互不在对方中传播。
图6为根据本发明的又一个实施例的概略性方框图，该实施例提供了一个双束烧结系统。
图7为根据本发明的一个烧结粉末表面上，两束光的横截面放大图，其中包括：说明(a)，具有一束与较大光束同心的较小光束；说明(b)，示出较小光束不与较大光束同心；说明(c)，具有一束呈椭圆形的位于邻近较大光束中心的位置的较小光束。
图8为根据本发明的一个用于探测烧结床温度的光学检测器上的图象的横截面图。
图9为根据本发明入射到一个烧结床上的一束烧结光束和多束离焦光束的横截面图。
图10为根据本发明入射到一个烧结床上的一束烧结光束和多束同心离焦光束的横截面图。
图11为根据本发明的一束烧结光束以及一束焦点低于烧结床表面的离焦光束的一示意图。
图12为根据本发明的一束烧结光束以及一束焦点位于烧结床表面上的离焦光束的一示意图。
图13为根据本发明的一个待被烧结的矩形零件的透视图。
图14为图13中零件侧视图，其中说明(a)表示图13中根据本发明进行烧结的零件的情况；说明(b)表示图13中用现有技术烧结的零件的情况。
图15为表示图13、14中的零件在采用现有技术烧结和根据本发明进行烧结时，上表面上的弯曲量的曲线图。
实现本发明的最佳方式
参考图1，一个激光器10发出一束准直输出光束12，该光束具有垂直和水平偏振分量。准直光束12入射到一个偏振分束器16上，该分束器允许沿水平轴偏振的光通过，如箭头18所示，并且将沿垂直于轴18(如垂直于纸面)的一轴偏振的光反射出去，如圆点20所示。因此，分束器16反射沿轴20偏振的光束22并使沿轴18偏振的光束24通过。
通过的光束24入射到快门26上，该快门由来自一个烧结控制电路30(在后面讨论)的线路28上的信号来控制。快门26具有两种状态：开启和关闭，当处于开启状态时，光通过而不会减弱，当处于关闭状态进，光完全被阻断。来自烧结控制电路的线路28上的信号为开启/关闭信号。
快门提供了一束输出光32到光学调制器34上。调制器34响应来自功率控制电路38(后面讨论)的线路36上的一个信号对沿着轴18偏振的光的功率进行调制，并提供一束调制光束40。光40入射到一个分色分束器42上，该分束器使具有激光波长的光44通过(或透过)。
光44入射到一个10∶1扩束器46上。扩束器46包含一对曲面反射镜48，50。光束穿过反射镜48到达反射镜50，反射镜50给反射镜48提供了一发散光束52。反射镜48将发散光束46会聚成一束准直光束54，该光束54在一个聚焦光学元件(曲面反射镜)56上被反射。反射镜56提供了一束聚焦光束58给扫描反射镜60，62。反射镜60，62反射聚焦激光58并提供一束方向上被控制的聚焦(或烧结)光束64，该光束聚焦在烧结粉末床68上并对粉末进行烧结。
如已知的那样，扫描反射镜60，62引导烧结光束64沿粉末庆68上的线条进行扫描并对所要求的部位进行烧结。响应来自烧结控制电路30的线路70，72上的驱动信号，扫描反射镜60，62分别由电流计的(Galvanometric)驱动器66，67来驱动，例如，通用扫描公司(General Scanning Inc.)的G325DT型驱动器。驱动器66，67还分别提供给烧结控制电路30在线路74，76上的位置反馈信号。线路70，72，74，76集合在一起被表示成线路78，与烧结控制电路30相连接。
再有，如已知的那样，烧结过程发生在一个腔80中，该腔80中具有一种预先确定的气体或为真空。在腔80中是一个容器82，该容器容纳要在预定的位置上烧结的粉末84，从而产生一个预先确定形状的零件85。容器82具有一个可移动的底部，该底部包括一个设定容器82深度的活塞88。当粉末层被烧结后，活塞88下降且一个滚子90将更多的粉末84滚辗到整个粉末床68上以供烧结。活塞88是由马达92来控制的，而马达92是由来自烧结控制电路30的在线路94上的电信号来控制的。
烧结光束64入射到粉末床68上的点96处。来自激光束的热量使粉末颗粒84熔化(或烧结)，这是因为温度被来自烧结光束64(如前面讨论的那样)的能量提高了。
烧结控制电路30分别提供在线路28上的输出信号来驱动快门26，在线路94上的输出信号来驱动马达92，而该马达则驱动活塞88，以及在线路70，72上的输出信号来驱动扫描反射镜60，62。烧结控制电路30确定烧结光束64在粉末床68上的位置并且控制烧结光束64在粉末床68上的扫描。再有，烧结控制电路30在适当的时候开启和关闭快门26来烧结一次扫描中的预先确定的各个部分从而产生一个设定的零件。
烧结控制电路30也许可以是一台数字计算机，它具有对要被生产的零件的逐层、逐次扫描的设计，并且确定何时由快门26开启和关闭激光束。就烧结控制电路30而言可以采用许多种不同的技术，所采用的控制电路的种类不会影响本发明。烧结控制电路30在本领域是众所周知的，正如在与本申请同时递交的题为“温度控制的激光烧结”的共有未决的美国专利申请序列号(UTC Docket No.R-3668)的专利申请中所讨论的那样。
来自偏振分束器16的反射的准直光22只沿着轴20偏振，该光束入射到一个转向反射镜(或平镜)100上。反射镜100提供给快门104一个反射光束102，与前面所讨论的快门26类似，该快门104响应来自烧结控制电路30的线路104上的信号，使入射光102通过或被组断。快门104提供给光学调制器108一束输出光106，与前面讨论的调制器34类似，该调制器108响应来自功率控制电路38(后面讨论)的线路110上的信号，对输入光106的功率进行调制。
调制器108提供一束输出光束110给聚焦反射镜112，该反射镜提供一束聚焦光束14，该光束通过反射镜56上的一个孔到达扫描镜60，62，而扫描镜提供一束离焦光束116。光束116具有一个高于烧结床68的焦点118，这样，该光束在烧结床68上的直径大于烧结光束64的直径。
我们发现采用第二束离焦光束116，在烧结光束64和周围材料之间的温度梯度被降低了，由此减少卷曲效应。并且，我们发现这还减小了粉末被烧结时熔化材料“滚成球形”或“结块”的倾向。
我们还发现，为达到最佳性能，在高强度烧结光束64轰击表面之前，离焦光束116应早于紧密的烧结光束64开启以对所在区域进行初步的加热。然而，它们可以同时被关闭。这样，控制两个快门26，104的烧结控制电路30应被设计成能提供这种开启时间上的差别。
分别基于一个光学检测模块120所检测到的发射热辐射，功率控制电路38控制调制器34，108来调节烧结光束64和离焦光束116的功率。具体地，在光束64，116加热粉末的区域，粉末发射出热红外辐射。该辐射通过扫描镜成像并入射到反射56上，如反向行进的箭头122所示。该辐射从反射镜56反射回来，如箭头124所示。通过10∶1望远镜(反向传输)，该辐射124的尺寸减小并汇合成一束较小的光束，如箭头126所示。该辐射126入射镜到分色分束器上，该分束器反射具有辐射126的波长的光并提供一束反射光束128到检测模块120上。
检测模块120在线路122，124上提供电输出信号给功率控制电路38。功率控制电路38将光束64，116各自的功率控制到一个预先确定的参考阈值，从而提供一个基本恒定的烧结温度，以及在烧结光束64与离焦光束116之间和在离焦光束与周围材料之间的基本恒定的温度梯度。功率控制电路38(细节未示出)实际上与前面所提到的共有未决的专利申请(图3)中所描述的功率控制电路是类似的；然而，本发明的电路具有二个控制环路，而不是一个，一个用于各输出光束。如果需要，可以采用其它的控制技术。
应该可以理解，二束入射到粉末床68上的光束64，116具有正交的偏振态。这样做是为了防止光束间的相干干涉，由于二束光束64，116之间有非常小的光程差(例如，小到1/4波长)，这种干涉也会造成离焦光束中功率的明显变化(高达3∶1)。这种情况的产生是由于两束光束的场辐叠加而不是强度叠加。
现在参考图2，给出了检测模块120的一个详细图，图中表示出来自烧结光束64的热辐射130和来自离焦光束116的热辐射132。检测模块120包括一个聚焦透镜136，该透镜将来自烧结光束64的辐射130和来自离焦光束116的辐射132都会聚到一个具有可反射的外表面的光阑140上。光阑140上的孔142允许粉末表面烧结光束64所在位置的辐射成象在一个检测器144上。检测器144在线路122上提供一个表征从烧结光束64的区域发出的辐射的功率水平的电输出信号。
来自离焦光束116的热发射132从光阑140的表面反射回来作为光束146入射到一个聚焦透镜148上。透镜148提供一个聚焦光束149，该光束在第二检测器152上提供了一个聚焦光周围区域的图象150。检测器152在线路124上提供了一个电输出信号，表征来自离焦光束116的区域的辐射的功率水平。
图2还表示出另一个实施例，该实施例通过在扫描镜60，62和聚焦镜56之间放置分色分束器42来分出辐射。取代采用分色分束器42来反射热辐射，如需要，也可采用一个具有一个孔的刮板(Scrapper)反射镜，该镜所在的区域能使光束58，114通过。
现在参考图3，取代采用能提供一束具有两个偏振方向的输出光束的激光器，可以采用激光器200，该激光器提供一束在单一方向上偏振的输出光束202，如箭头204所示。光束202入射到常规的分束器206上。分束器206反射光202的一部分作为光102，光202的剩余部分通过分束器206作为光210。被反射的光208的量取决于分束器的基底及镀层，这在本领域是众所周知的。
光210入射到一对反射镜212，214上并提供反射光束24，该光束具有一个以圆点218表征的偏振方向(垂直于纸面)，该偏振方向已经从入射光210的偏振方向旋转了90°。
光束24，102入射到与前面所述的图1中虚线框220中相同的其它光学元件和控制器上。
现在参考图4，避免相干干涉问题的另一种方法就是简单地使用二个独立的激光光源230，232。这样，取代从单一激光光源10(图1)或200(图3)来导出光束24，102，它们由两个独立激光器230，232来提供给框220(图1)中元件。常用两个独立(不同步)的激光器230，232防止了相干干涉的可能性。在这种情况下，不需要有正交的偏振态或将光束24，102偏振化，除非也许是光学调制器或其它光学元件有这样的要求。
现在参考图5，取代中间有孔以使光束114通过的聚焦光学件56(图1，2)，可以采用一个更大的聚焦光学件250来反射和聚焦两个光束54，110。光束54从反射镜250反射成为一束聚焦光束252。光束252从扫描镜62反射成为光束254，并从另一个扫描镜60反射后成烧结光束64，该光束入射到粉末床68上的焦点96处。
光束110入射到反射镜250上，其入射的部位与光束54入射到反射镜250上的部位是不同的。光束110从反射镜250反射后成为聚焦光束260。光束260从扫描镜62反射成为光束262，并从另一个扫描镜60反射后成为离焦光束116，该光束116的焦点位于烧结光束64的左边。然而，在粉末床68上，离焦光束116仍然是与烧结光束64同心的。
图5还提供了一个扫描镜60，62如何将光束引导到粉末床68上并在其上越过的近视图。
在离焦光束入射时与聚焦光束有一个角度的地方，如图5中所示，当扫描镜60，62旋转时，两束光束64，116将不再同心，因为粉末床不在焦点上。就小的扫描角而言，这种反应不大。然而，对大角度而言，这种反应可以是显著的。为了避免这种反应，反射镜250可以向左移动，与扫描镜60的旋转相一致，由此保持沿介于镜250与粉末床68之间的光路的距离是基本恒定的。
现在参考图6，给出了提供一种双光束烧结系统的另一个实施例，该实施例具有一个激光器300，该激光器提供一个线性偏振的源光束301，其方向既不水平也不垂直，比如沿45°方向。在框302以外的光学元件与前面结合图1讨论过的那些元件是一样的。
光束301入射到偏振分束器16上，该分束器提供沿轴20偏振的光束22和沿轴18偏振的光束24，与图1中讨论的情况类似。来自调制器108的输出光束110入射到一个聚焦透镜303上，该透镜提供一束聚焦光束304给一个转向镜(或平镜)306。透镜303用于移动沿轴20偏振的光的焦点，由此为离焦光束116创造条件。
反射镜306提供了一束反射光308给另一个偏振分束器310，与分束器16类似，其取向与分束器16的方向相同。来自调制器的光束40也入射到分束器310上。分束器310将光束308反射后成为312，光束40通过它后成为光束314。b光束312，314共同值送到一个分色分束器316，该分束器可通过波长为激光波长的光。光束312，314入射到一个扩束器318上，该扩束器将会聚光束312，314分别转换成发散光束320，322，由此扩大了光束。发散光束320，322射到一个聚焦光学元件324上，该元件324分别提供聚焦光束114，58(图1)。光束114、58入射到扫描镜60，62上，由此提供烧结光束64和离焦光束116，如前面讨论的那样。
当采用图6的方案时，为了改变两束光束64，116之间的功率比，在框330中的光学元件可以绕入射光束301和出射光束312，314的共同光轴332旋转。这样的一个旋转可以是手动的，或者是采用一个控制系统束自动控制的，如前面结合图1所讨论的那样。
现在参考图7的说明(a)，烧结光束64(图1)的一个图形焦点352具有一个大约0.012英寸的直径并且进行烧结。并且离焦光束116(图1)的一个，图形横截面350具有一个大约0.12英寸的直径(比如，与聚焦光束成10∶1的比例)并且提供烧结区域周围区域内的加热，由此减小聚焦光束和周围材料之间的热梯度。对于10∶1光束直径比，聚焦光束64相对于离焦光束116的功率比也应设在大约10∶1。然而，如果需要，其它焦点和横截面直径可以被使用，其它固定的或可变动的光束功率比可以被使用。
设计光束直径和功率比应考虑的因素在下面的例子中说明。如果聚焦光束的功率是10瓦并且光束的横截面是1平方毫米，该聚焦光束的强度为10瓦/mm2。同样，如果离焦光束的功率是100瓦并且光束的横截面是10毫米，该离焦光束的强度是1瓦/mm2，为聚焦光束的1/10。然而，因为离焦光束的大小是聚焦光束的10倍，对烧结床上一个给定的粉末斑来讲，当光束扫描经过该斑时，该斑暴露在离焦光束强度下的时间要长10倍。这样，就这个例子而言，来自离焦光束的热量将大约和来自聚焦光束的一样。
现在参考图7说明(b)，在粉末床68(图1)上的烧结光束64的横截面352可以与离焦光束116的横截面210是不同心的，这样，离焦光束116或多或少被暴露在移动扫描的方向或与移动扫描方向相反的方向上，如果需要，可以提供额外的引导加热和尾随加热。
现在参考图7的说明(c)，烧结光束64的横截面352可以是在离焦光束116的横截面350中的一个椭圆形状，这是由于紧密聚焦的光束入射到粉末床68上时具有一个角度。同样，除聚焦光束以外，离焦光束116的横截面也可以是呈轻微的椭圆形。
现在参考图2和图8，取代使用一个单个检测器152来感知在离焦光束位置的粉末的温度，可以采用多个传感器来检测辐射发射图象的各部分。例如，如果圆360表示检测器152上的图象150(图2)，每个围绕聚焦光束的区域362-368(或每个1/4圆周)的温度可以由感知各1/4圆周的独立检测器来测量。这使控制离焦光束116功率的功率控制电路可根据更具体和方向性的信息来调节功率。例如，仅当四个1/4圆周中的三个指示温度低时，离焦光束116的功率也许需要增加。这能避免由于仅在一个区域存在一个很低的温度而增加整个光束的温度，而造成另一区域被加热到烧结点，仅维持一个1/4圆周高于温度阈值。同样，如果需要，围绕烧结光束64的被检测区域可多可少，可以使用适合数目的检测器。
现在参考图9，为使对图8中所讨论的围绕烧结光束64的区域的温度进行更精确的控制，可以采用多个离焦光束370-376来加热烧结床68上围绕烧结光束64的区域。这允许对由检测器(多个)152探测的各个区域的温度进行更直接的控制。应该可以理解，如果采用这样的一个配置，且仅有一个激光源，光束不应叠加，以避免产生前面所讨论过的干涉条纹。然而，如果需要二束或多束光的叠加，叠加的光束要么来自独立的激光光源，要么是正交偏振的，以避免产生与前面讨论过的内容类似的干涉条纹。
参考图10，取代采用烧结光束64和一束单一的离焦光束116，如果需要可以采用多束同心(或不同心)的离焦光束。这样一种配置提供了多个温度梯度台阶，在粉末床上介于烧结光束64和材料之间提供了一种更平缓的温度变化。应该可以理解，如果采用这样一种配置，叠加光束应该要么来自独立的激光源，被不同地偏振，要么是可以避免相互重叠的环形光束，从而避免产生与前面讨论过的情况类似的干涉条纹。
参考图11，如果需要，采用环形光束避免相干干涉也可以应用于图1和图3的双光束方案。在这样情况下，离焦光束116的焦点118低于烧结床68。这就避免了光束需要二种偏振态或需要二台激光器。
参考图1和图12，应该可以理解，离焦光束116的焦点118也许可能在烧结床68上，就象烧结光束64一样。这一点的是通过在光束分别到达聚焦光学元件56，112之前，采用10∶1的望远镜46将烧结光束的准直部分44的直径增加到离焦光束准直部分110的直径的十倍而达到的。这样的扩束，使得烧结光束64具有焦斑直径d比离焦光束116的焦斑直径小十倍。这样一个结果是基于已知的关系式：d＝2λf/D；其中D是聚焦光学件的入射光束直径，f是聚焦光学件的焦距，d是聚焦斑的直径，并且λ是光的波长。这样，当较大的光束116被称为“离焦”光束时，它也许实际上是聚焦在与烧结光束64相同的点上，应该可以理解，这里所用的术语离焦不是必定表示较大光束116不聚焦在粉末床68的表面上，它只不过是用来表示较大光束116的一个称号。
现在参考图13，14，15，我们发现采用本发明的双光束烧结方法大大减少了由于在烧结光束64和周围材料之间的温度梯度而产生的卷曲。尤其是，当烧结一个铁一青铜粉末预混合的矩形平板400时，该平板具有大约1.5cm的长度1，大约1cm的宽度w，及大约1mm的高度h，采用现有的单光束技术，该零件将在沿Z轴的方向产生一个卷曲，如图中虚线402所示。当沿Y轴观察时，这种效应被显示在图14中。图13中采用本发明烧结的零件被示出在图14的说明(a)中，而采用常规的现有技术烧结的零件被示出在图14的说明(b)中。采用双光束方法与采用常规的单光束烧结方法相比，就相同的零件而言，在沿Z轴方向减少卷曲0.4mm，如图15中的图所示。在该说明中忽略了表面的轻微粗糙度和缺陷。
矩形平板400(图13)的产生是采用本发明的双光束烧结方法通过沿长度1(1.5cm)方向的大约40次相邻扫描进行处理的，且有二层厚。每层通常约0.01英寸厚；然而，第一层通常较厚，因为它是在原始的粉末上完成的。如果需要其它扫描宽度和深度也可采用。同样，典型地，如果许多层被烧结，零件的上表面将趋向于平整，这是由于每层新的粉末散布在整个零件(比如，充满由卷曲造成的低谷)上的方式造成的，由此使一个零件具有一个半平的顶，一个卷曲的底，且中间区域比两端厚。
我们还发现多光束烧结减小了粉末在烧结时的“滚成球形”或“结块”的趋势。
取代采用两个调制器34，108，一个单调制器(未示出)也可置于光束12的光路中。在这种情况下，两束光束64，116之间的功率比将由光学结构预先确定。并且，取代采用二个快门26，106，一个单快门(未示出)也可置于光束12的光路中，如果需要，可以同时开启和关闭二束光。
应该可以理解，本发明可以与任何将光束定位在粉末表面的技术一起使用。比如，取代采用可变倾角(pitch)扫描镜60、62(图1)，一种X-Y绘图仪式的配置也可被采用来确定坐标并扫描激光束。在这种情况下，定向的光学元件被设置在一个可滑动的框架上，该框架被安装在一个导轨上，这与前面所提到的共有未决的专利申请中的图10，11中讨论的情况类似。在这种情况下，聚焦镜56，112(对于图1的结构)，或者反射镜250(对于图5的结构)，或者光学元件318，324(对于图6的结构)，被设置在该设备的可滑动部分上。同样，在这种情况下，检测光学元件122(图2)可以安装在可滑动的框架上，正如前面所提到的共有未决的专利申请中所讨论的那样。
同样，取代移动反射镜，烧结平台本身可以沿一个或多个水平方向移动。而且，如不使用功率控制电路38，本发明也将工作得同样地好。
再有，尽管本发明已经被表示通过采用将热辐射向后通过扫描镜成像到一个光学检测器来检测热辐射，但应该可以理解，任何测量一束或二束在粉末床68上温度的技术都是可以接受的。
本发明可以用于任何种类的烧结材料，比如，塑料，蜡，金属，陶瓷等等。同样，可以使用二种或多种材料粉末组分，比如，金属-青铜。并且，取代使用用于烧结光束64和离焦光束116的会聚光束，一来准直光束也可用于能够达到合适的功率水平和光束直径的光束中的一束或二束。
尽管调制器34，108，快门26，104，以及激光光源被表示成独立的元件，应该可以理解，这些元件中的某些或全部可以容纳在一个单个的激光组件中，该组件为每一种偏振态提供功率水平控制和光束快速通/断控制，比如，Synrad生产的受激CO2气体激光器Duo-Lase57-2RF-。对于二个独立激光器230，232(图4)的情况，快门和/或调制器可以被结合在各自的激光器230，232中。
同样，应该可以理解，二束光束的功率可以由一个单调制器或者二个由相同驱动信号控制的调制器同时调制。然而，在这种情况下，两光束64，116之间的功率比是固定的。同样，调制器(多个)和或快门(多个)可以设置在系统的任何地方，光束被调制和开关来提供所要求的烧结。
而且，取代精确检测在一束给定的光束入射到粉末床68上的那个点的温度，检测器可以检测在一束光束的焦点的要么前面、后面的点，要么侧面的点的温度来帮助预测或确定激光束的合适功率，从而提供所要求的烧结或温度梯度补偿。并且，如果需要，可以仅检测光束64，116中的一束光束加热所产生的温度。
而且，在图1中，聚焦镜56，112可以由转向平镜(turining flats)来取代，而聚焦透镜(末示出)可以分别设置在光束54，110的光路中，从而提供会聚光束64，116。进一步，在图5中，聚焦镜250可以由一个聚焦透镜(未示出)来取代，该透镜提供聚焦光束252，260到扫描镜60，62上。在这种情况下，光可直接通过透镜(不象图5中那样改变方向)并且扫描镜60，62将会在反射镜250的右边。
进一步，尽管本发明已被描述成基于热辐射检测来测量温度，应该可以理解，取代或者除了检测热辐射以外，其它与温度有关的参数也可以被检测，比如，一种等离子体(在能量衰减期间辐射发射的覆盖气体的激光受激原子态)或一种羽烟(由于加热或开花(florescene)，从发出辉光的粉末表面发射出的汽化的或颗粒状的材料)。比如，烧结光束可以使用离子体或羽烟来检测，而离焦光束用热辐射来检测。
尽管已相对示范性实施例对本发明进行了描述和说明，应该可以理解，对本领域的熟练技术人员而言，在不偏离本发明的精神和范围的前提下，可以进行前面所述的及其它各种改变、省略和添加。

Claims (31)

1、一种激光烧结装置，包括：
入射到一种粉末表面的一个烧结部位的一束烧结激光束；
入射到一个邻近所述的烧结部位的离焦区域的至少一束离焦激光束；及
所述的离焦光束在所述的烧结部位和周围的粉末之间提供了一预先确定的温度梯度。
2、如权利要求1的装置，还包括检测所述的粉末在邻近所述的烧结部位的检测点上的温度的检测装置。
3、如权利要求2的装置，还包括响应来自所述的检测装置的检测信号，从而控制所述的烧结激光束的功率的激光控制装置。
4、如权利要求3的装置，其中所述的激光控制装置包括控制所述的激光光束功率，从而将所述的温度维持在一个基本恒定的水平的控制装置。
5、如权利要求1的装置，还包括检测所述的粉末在邻近所述的离焦区域的一个检测点上的温度的检测装置。
6、如权利要求5的装置，其中所述的检测装置包括检测所述粉末在围绕所述的烧结部位的多个检测点上的温度的检测装置。
7、如权利要求6的装置，还包括一个响应来自所述的检测装置的一个检测信号，从而控制所述的离焦激光束的功率的激光控制装置。
8、如权利要求1的装置，其中所述的检测装置检测来自所述粉末的辐射热发射。
9、如权利要求8的装置，还包括将所述的辐射热发射引导到所述检测装置的光学装置。
10、如权利要求4的装置，还包括：
将所述的激光束扫描经过所述粉末的扫描装置；及
引导所述的热辐射发射通过所述扫描装置到所述检测装置的光学装置。
11、如权利要求1的装置，其中所述的激光控制装置包括响应所述检测装置，用于提供一个表征所述烧结光束所要求的功率的功率控制信号的信号处理装置。
12、如权利要求11的装置，其中所述的激光控制装置包括响应所述的功率控制信号，用来控制所述的烧结光束功率的调制器装置。
13、如权利要求1的装置，其中所述的激光控制装置包括响应所述的检测装置，用于提供一个表征所述离焦光束所要求功率的功率控制信号的信号处理装置。
14、如权利要求13的装置，其中所述的激光控制装置包括响应所述的功率控制信号，用于控制所述的离焦光束的功率的调制器装置。
15、如权利要求1的装置，其中所述的离焦光束在所述的粉末表面与所述的烧结光束重叠。
16、如权利要求1的装置，其中所述的离焦光束在所述的粉末表面不与所述的烧结光束重叠。
17、如权利要求1的装置，其中所述的烧结光束在入射到所述的粉末之前，在所述的离焦光束中传播经过一段预先确定的距离。
18、如权利要求1的装置，其中所述的烧结光束在入射到所述的粉末之前在所述的离焦光束之外传播经过一段预先确定的距离。
19、如权利要求1的装置，其中所述的烧结光束是在与所述离焦光束的偏振正交的方向上被偏振的。
20、如权利要求1的装置，其中所述的烧结光束和所述的离焦光束都是不偏振的。
21、如权利要求1的装置，其中所述的烧结光束和所述的离焦光束都源自于同一个光源光束。
22、如权利要求1的装置，其中所述的离焦光束是一束会聚光束。
23、如权利要求1的装置，其中所述的烧结激光束是一束会聚光束。
24、如权利要求1的装置，其中所述的粉末包括铁粉。
25、如权利要求1的装置，还包括多束所述的离焦光束。
26、如权利要求25的装置，其中所述的各离焦光束的功率水平是被单独控制的。
27、一种激光烧结方法，包括以下步骤：
将一束烧结激光束引导到粉末表面的一个烧结部位，且
将至少一束离焦激光束引导到邻近所述的烧结部位的一个离焦区域，所述离焦光束在所述的烧结部位和周围粉末之间提供了一个预先确定的温度梯度。
28、如权利要求27的方法，还包括在邻近所述的烧结部位的一个检测点上检测所述的粉末的温度的步骤。
29、如权利要求28的方法，还包括响应在所述的检测点上所述粉末的所述温度，调节所述烧结光束的功率的步骤。
30、如权利要求27的方法，还包括在邻近所述的离焦区域的一个检测点上检测所述粉末温度的步骤。
31、如权利要求27的方法，还包括响应在所述的检测点上所述粉末的所述温度，调节所述的离焦激光的功率的步骤。
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