CN115867404A - 加工用于增材制造工件的粉末状材料的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种加工用于增材制造工件(22)的粉末状材料的方法，该方法包括以下步骤：a)提供：‑用于接纳由待加工的所述粉末状材料构成的粉末床(20)的装置(15)，以及‑射束发生器(12)，其被设计用于将能量束(13)指向所述粉末床(20)的横向不同的位置；b)将所述粉末状材料分层地施加到所述粉末床(20)中；c)用所述能量束(13)照射所述粉末床(20)中的表面(30；30a；30b；30c)，其中，所述表面(30；30a；30b；30c)由被依次照射的二维排列的n个点P1…Pn组成。为了改进步骤c)期间的扫描策略，规定，d)在照射所述表面期间至少一次使得两个彼此相继地被照射的点Pi、Pi+1彼此间隔开，从而在两个维度上至少一个其他要被照射的点P1…Pn分别位于彼此相继的两个被照射点Pi、Pi+1之间。

Description

加工用于增材制造工件的粉末状材料的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种加工用于增材制造工件的粉末状材料的方法。特别地，本发明涉及一种用于预热粉末状材料的方法和一种用于熔化粉末状材料的方法。

本发明还涉及一种用于执行这种处理粉末状材料的方法的设备。

背景技术

增材制造工艺(例如3D打印)的特点是，将各体积元素彼此连接以形成具有三维结构的工件，特别是通过分层结构。在此尤其采用如下方法：使用能量束，通过选择性地熔化材料的各个粉末颗粒，在粉末床中逐点逐层地将粉末状材料结合成固体的3D结构。材料的固化可以使用激光束或电子束通过对粉末颗粒的烧结、即仅部分熔化或完全熔化、然后凝固来进行。在下文中，两种变体均在术语“熔化”下理解。

通过使用电子束(选择性电子束熔化；SEBM)或激光(选择性激光熔化；SLM)选择性熔化来处理粉末状材料、特别是金属粉末，允许快速、精确可操作并且高自动化程度地制成复杂的几何形状和结构。

然而，复杂的几何形状也对过程控制提出了重大挑战，已知的扫描策略即沿着粉末床横向地引导能量束在某些情况下无法满足这一挑战。

常见的扫描策略基于沿着平行路径引导能量束。就能量而言，不考虑工件造型中的不对称性，例如拐角或锥度。这会导致热量和/或电荷载流子在工件的某些区域积聚，以及由于工艺条件或材料特性的不希望的变化而导致所产生的工件的质量受到影响。因为无论在激光工艺中还是在电子束工艺中，生产期间的大温度梯度会导致成品工件的变形现象和内应力。另一方面，如果工艺条件或材料特性受到监控，则这会导致频繁的工艺中断。

在使用电子束(SEBM)进行选择性熔化的情况下，会出现另一个问题：使用电子束处理粉末状材料会因撞击的电子而导致受照射的粉末床在位置和时间上受限的静电充电，因为例如金属粉末颗粒通常被导电性较差的氧化层包围。因此，金属粉末颗粒尽管其在内部能导电，但在电子束撞击时会充电。

充电可以达到超临界水平，并共同加速停留在电子束撞击区域中的粉末颗粒离开处理区，即在熔化过程发生之前将它们从粉末床分布到电子束设备的其他区域。这会导致材料损失和工艺中断，因为材料在达到足够的烧结程度之前就从粉末床中排出。

为了避免因粉末排出而造成的干扰情况和材料损失，根据当前的现有技术已知的是，在已经施加一层粉末状材料之后，在预热步骤中通过利用较低的能量特别是较小的电子电流沿着平行路径照射，对该层粉末状材料进行预热，以便与最终产品相比，以更小的粘附力将各个粉末颗粒彼此连接。

在第二步骤即熔化步骤中，粉末颗粒然后才横向选择性地在分别待生成的3D结构轮廓层中用电子束熔化，从而在各个粉末颗粒之间产生3D结构的对于工件的以后的使用目的而言足够的稳定性。

同样在熔化步骤中，能量束(无论是使用激光束还是电子束)沿着平行路径被指向粉末的最上层并产生熔池，熔池然后根据照射图案线形地一起移动。

已知方法的许多缺点可以归因于不均匀的温度场，而这又取决于扫描策略。

发明内容

因此，本发明的目的是，提出一种加工用于增材制造工件的粉末状材料的方法，该方法在扫描策略方面有所改进。由此也可以优选地减少工件的不均匀性。本发明的目的还在于，提出一种用于处理粉末状材料的相应设备。

本发明的目的是通过一种加工用于增材制造工件的粉末状材料的方法来实现的，该方法包括以下步骤：

a)提供

-用于接纳由待加工的粉末状材料构成的粉末床的装置，以及

-射束发生器，其被设计用于将能量束指向粉末床的横向不同的位置；

b)将粉末状材料分层地施加到粉末床中；

c)用能量束照射粉末床中的面，其中，该面由被依次照射的二维排列的n个点P1…Pn组成；

其特征在于，

d)在照射该面期间至少一次使得两个彼此相继地被照射的点Pi、Pi+1彼此间隔开，从而在两个维度上至少一个另外的待照射点P1…Pn相应地位于彼此相继的两个被照射点Pi、Pi+1之间。

发明人已经认识到，在已知的粉末加工过程中，能量束通常沿着相互平行的路径被指向粉末表面上(参见图2a)。发明人还认识到，能量输入因此强烈地集中在刚刚处理过的点周围。通过照射粉末表面上的一个点，能量虽然通过热传导也传递到相邻区域。然而，许多过程是在真空和负压下进行的，因此散热主要局限于粉末。相反，在线形照射的情况下，额外的能量被引入已经被加热的区域中，因此产生局部的热点，因为熔池中的热传导在那里具有更大的影响。为了避免诸如粉末排出和不受控制的熔化之类的影响，因此在已知方法中经常使用无能量输入或非常低能量输入的时间段进行处理，从而延长了工艺时间。

根据本发明的方法解决了所描述的不均匀温度分布的问题，其方式为，逐点分布地引入能量，从而避免热量和电荷的局部累积。为此，依次照射一个面内的待照射的各点，使得在待照射点的网格上不直接相邻的点依次被照射至少一次，优选多于20次。该面的点在其网格内不会逐行和逐列地直接在彼此相继地被照射。取而代之的是，网格的点最初在两个维度上都被忽略，然后在稍后的照射扫描过程中被照射。

两个彼此依次地被照射的点的所述距离，被视为与以前的扫描策略相比绝对最低的下限，根据该距离，至少一个另外的待照射点P1…Pn应至少一次在两个维度上相应地位于两个彼此依次地被照射的点Pi、Pi+1之间。当然，该面内两个彼此依次地被照射的点之间的距离被选择得越大，该方法的优点于是尤其就越好。

因此，步骤d)优选地至少多于10次、优选多于20次、优选多于50次地包括：在两个彼此依次地被照射的点Pi、Pi+1之间，至少1个、优选至少5个、优选至少10个、优选至少20个点相应地位于由位于待照射面中的全部点形成的网格的两个维度上。在网格的两个维度上，中间也可以存在不同数量的起初被忽略的待照射点，例如在x方向上至少5个点，在y方向上至少10个点。

通过这种方式，可以使被照射面受热更均匀。这是因为，引入的热能由于来回跳跃的点状分布的照射而有更多的时间分布到相应被照射点的周围，而没有因直接相邻的照射所致的局部过量的能量输入。

根据本发明，点或点状被认为是如下位置，即该位置被能量束照射，而能量束未因偏转线圈、坐标台移动或类似机构而主动移动。

在粉末床的待照射面中，确定有限数量的可能点。待照射点的分布的优选边界条件例如是，该面的每个点至少照射一次，或每个点恰好照射一次。

优选规定，两个相继照射的点Pi、Pi+1之间的距离的至少10％、优选至少30％、更优选至少60％，与随后相继照射的点Pi+1、Pi+2之间的距离不同。

如果三个彼此依次地被照射的点Pi、Pi+1和Pi+2中的每两个之间的距离彼此不同，则在照射步骤中引入不规则性，这额外地防止了在待照射面内形成局部集中的能量过剩。不同的距离可以仅在一个维度上，但也可以在两个维度上，与先前的距离不同。然而最重要的是，后续距离的量值可以与先前距离相差超过10％，优选地超过30％，再优选地超过60％。

当然，对于这种逐点间隔开的照射，可设想用于选择点的各种算法。这些算法可以但不一定必须考虑待照射面的形状。

然而优选地规定，在步骤c)中随机地、伪随机地或准随机地选择下一个待照射点Pi+1。

通过随机、伪随机或准随机地从该面内所有待照射点中选择待依次待照射的点(以下也简称随机照射)，自动地获得至少一些彼此相继的点的上述间隔。对粉末表面的逐点照射(其中通过随机分量选择下一个点)因而能够更均匀地分配能量输入，而无需为此必须事先遵循具体的分配计划。

照射起始点可以是在粉末床的待照射面内的任意一点。对下一个待照射点的决定则包括一个随机分量。这种随机选择可以是经典意义上的随机，但借助于随机数生成器或类似函数，它也可以只是伪随机或准随机的。

因此，待照射点的选择和顺序的基础也可以是已知的准随机或伪随机序列之一，例如：Mersenne Twister、置换同余发生器(permutierter Kongruenzgenerator)、乘以进位、Fibonacci生成器、算术随机数生成器、良好等距分布的长周期线性、Xorshift、块密码或流密码、密码哈希函数、van der Corput序列、加法递归、Halton序列、Hammersley集、Sobol序列、Faure序列、Niederreiter序列泊松盘采样和/或类似的确定性低差异序列。

准随机的点序列还具有以下优点：彼此依次地被照射的点的密度分布在这里更均匀，并且这比随机或伪随机序列发展得更均匀。

优选地规定，步骤c)是加热步骤的一部分，在该加热步骤中，由能量束引入粉末床的能量输入不足以完全熔化粉末状材料。

如已经解释的那样，仅导致对于完全的熔化过程而言并不足够的温度升高的加热步骤，在现有技术中是已知的。由于这种加热步骤通常在大面积上使用，而不是特定地局部使用，因此根据本发明的间隔照射策略以特别的方式适用于此。

在本发明的一个实施方式中，把使用能量束的间隔照射应用在预热步骤中。这导致预热步骤中的均匀热场和(在SEBM的情况下)电场。尤其是在使用电子束预热时，这显著提高了工艺稳定性。通过利用间隔照射的预热，防止了电荷累积，从而降低静电粉末排出的趋势。

加热步骤可以是预加热步骤、中间加热步骤和/或后加热步骤。

预热步骤被理解为是指如下任何工艺步骤，即在该步骤中，仍然是粉末状的材料通过较低的能量输入(在某一点较短的照射时间或较少的射束能量)为实际的熔化过程准备较高的能量输入，特别地，通过预热步骤的能量输入，粉末状材料尚未固化成最终的工件。

必要时可能需要的是，在预热步骤之后并且在部分表面已经熔化之后，由于熔化步骤所需的时间，在表面的其他部分熔化之前，必须再次重新加热粉末床的温度。这被理解为中间加热步骤。

后加热步骤被理解为如下任何工艺步骤，即在该步骤中，实际工件在固化后必要时还通过将能量引入层的某些部分面或整个面而受到受控的温度调节。

优选规定，加热步骤包括两阶段加热过程。

加热步骤可以是多步过程。在第一阶段，使用能量束大面积地引入能量，以达到或保持所需的构造温度。在第二阶段，进行特定几何形状的烧结，以便在随后的熔化区域中进行局部更高强度的烧结，并且将悬垂物或结构机械地支撑在松散的粉末上。特别是在大面积的情况下，多级加热过程可以防止由于局部冷却引起的温度波动。第二阶段可以紧跟在第一阶段之后，与熔化并行进行和/或在熔化之后在施加新的粉末层之前进行。特别地，区域预热步骤可以通过随机照射来进行，或通过沿路径的经典网格扫描来进行。

通过仅仅局部的预热，特别是仅局部增强的烧结，可以实现更高程度的粉末回收，并便于成品工件的拆包或自由喷射。

优选地规定，步骤c)产生熔池，其中，优选不引导所产生的熔池。

在本发明的另一个实施方式中，间隔的照射用于熔化粉末状材料。熔化过程中的受控热场通过避免温度峰值来防止局部的合金变化。通过改变组织结构，可以改善或根据需要来控制材料特性。组织结构主要决定工件的材料特性，并影响特性值，比如硬度、强度和弹性模量。较小的封闭熔池可以具有较高的凝固速率，因此具有不同的相特征和/或更精细的组织结构。

因此，可以通过控制能量输入来避免孔隙、表面不平整以及工件特性中的偏差。另一个优点是随机的照射图案的几何独立性。大截面和小截面可利用随机照射均匀地覆盖，并且避免了由截面变化引起的不均匀性。

优选地规定，所产生的熔池不被引导。

在逐点统计的熔化情况下，产生了不受引导的熔池，即熔体中心没有横向移动。这使得更容易控制熔池的流体动力学，因为缺乏横向运动会避免材料沿熔体轨道传输。

可以在熔化过程之前或与其叠加利用能量束的单级或多级加热过程。例如，后者可以通过在逐点熔化和更广泛的预热之间快速切换来完成。

在另一实施方式中，可能存在用于选择下一个点的附加条件，例如，不许照射先前被照射点周围的特定半径。扫描控制算法还可以考虑在待照射点处的能量输入强度或预给定能量输入应该发生的频率。这样，例如可以在待照射面的边缘处产生更强的照射或根据能量模型等产生不均匀的照射。

如果两个彼此依次地被照射的点彼此靠得太近，则所产生的两个熔池彼此结合，并且在熔池之间发生质量传递。这会对工件性能造成不利影响，例如合金变化、不规则性以及较粗糙的组织结构。因此，可以规定在两个彼此依次地被照射的点之间的在位置上的最小间隔。两个相继照射的点Pi、Pi+1优选地彼此间隔开，使得在两个维度上，至少两个另外的待照射点P1…Pi-1、Pi+2…Pn相应地位于两个相继照射的点Pi、Pi+1之间。

因此也可以规定被照射点周围的最小时间间隔。根据环境参数和射束参数，熔池需要几毫秒才能完全凝固或至少部分地凝固。在此时间期间，不应照射在位置上的最小距离内的任何点。也就是说，待照射点(其在照射顺序中是后继者和/或甚至更晚的后继者)受附加条件的约束，根据该附加条件，它们不得落在先前者的最小距离内等。最小时间间隔规定了要应用此附加条件的后继者数量。

此外，可以规定相距下一个点的在位置上的最大间距。射束的较小跳跃距离导致更均匀的熔池以及更均匀的表面结构。位置上的最大间距可以通过叠加功能来实现，或通过将待照射面细分为子区域或单元来实现。然后，这些子面或单元可以完全地或以一定的百分比被照射，使得在另一个子区域或单元被照射之前首先使用根据本发明的方法照射所述子区域或单元之一中的待照射点。

在根据本发明的方法的优选实施方式中，随机函数与能量相关函数叠加。

通过基础的与能量相关的模型，通过考虑局部事件以及已经被照射点的位置(也在先前的粉末层中)以及它们的残余能量，尤其可以考虑能量和/或温度。这样可以根据需要来控制能量输入，并更好地调整整个工件的组织结构。此外，可以通过与能量相关的统计照射，在工件内可变地调整组织结构。

为了实现基于需求的对能量输入的控制，创建待制造工件的模型，以便能够取决于位置和时间地查询能量状态。借助该模型，识别要向其供应能量的区域。然后在这些特定的区域中，用能量射束随机地引入精确协调的能量量。

特别地，能量模型包括关于电场、热场、工件的几何形状、安装空间的几何形状和/或粉末床的材料组成、气体空间以及工艺室中的压力的数据。在活性层中，可以考虑先前点的位置、在考虑到预期的热传递情况下它们彼此之间的距离、以及粉末状材料的层厚度。前一层的能量效应也可以考虑在内，并且可以将从前一层熔化的区域到新粉末层的热传递考虑进去。

除了熔化点的位置之外，还可以调整射束参数，特别是可以改变停止时间、透镜电流和/或射束强度。参数也可以按点可变设置，例如使用斜坡。

通过经调整的能量输入和基于需求的控制，可以有针对性地利用热量和材料的叠加效应。可以避免温度峰值和因蒸发造成的大量材料损失，并且可以保留原始化学成分。

优选规定，下一个待照射点随机地、伪随机地或准随机地以及根据能量输入、特别是能量平衡或热平衡来选择。

待照射点的顺序和/或对应的射束参数可以在构造开始之前就已经计算和确定，或者可以在构造期间确定，特别是在每个新的待照射的粉末层之前、或者在当前点被照射期间逐点确定。由此还可以一同考虑所测量的实时数据。

优选规定，待照射的两点Pi、Pi+1之间的路程被曝光(belichtet)。

为了接近计算的要用射束照射的点，射束需要一定的时间来历经点之间的路程。这个时间取决于所使用的射束技术。电子束可以以1°/μs的量级偏转，由于偏转镜的惯性，激光器需要更长的时间。在根据本发明的方法中，还可以对待照射点之间的路径进行曝光。通常情况下，连续接通的能量束优于脉冲能量束，因为会出现静态。

可以预给定点之间的时间，这样，可以根据必须历经的路径长度将该时间保持尽可能短，或可以选择其组合。然而，路径段上每个点被照射的时间明显少于射束保持于其上的随机确定的点。因此，停止点处的能量输入明显更大。因此在这里也仅仅说是曝光路程，以便在语言上强调在所述面的待有意地照射的点与仅被短暂扫过的中间空间之间的区别。

点之间的路径长度可以保持尽可能短，在特定时间限制内可自由选择，和/或具有特定几何形状，特别是圆弧。可以为每个点额外地独立选择路径段和/或时间，例如在最短路程和弯曲路线之间交替。为了避免由于多个交叉路径而在最上面的粉末层的待照射面的中心积聚能量，可以调整点之间的路程，使得在横截面的边缘区域中也引入相同量的能量。

优选地，能量束是电子束。

在本发明的一个优选实施方式中，粉末状材料在真空或负压情况下被处理，并且是一种没有辅助气体的工艺。优选地，没有额外的气体例如氦气被引入到处理空间中。由于在根据本发明的方法中产生的均匀的热场和电场，没有必要通过引入气体来确保过程的额外稳定性。因此，可以避免与处理腔中的辅助气体相关的缺点，例如射束扩展、设备以及操作过程中的额外成本和额外的污染。

在根据本发明的方法中的加速电压优选为90kV至150kV，特别是100kV或更大，优选120kV或更大。

射束功率优选为至少100W且至多100kW。

粉末状材料优选包含钛、铜、镍、铝和/或其合金，特别是Ti-6Al-4V，一种包含钛、6％重量的铝和4％重量的钒的合金。

粉末状材料优选具有10μm至150μm的平均粒度D50。

关于用电子束设备处理粉末状材料的设备，根据本发明的设备包括用于接纳由待处理的粉末状材料制成的粉末床的装置，以及被设计用于将能量束指向粉末床的横向不同的位置的射束发生器，其中，该设备被设计用于执行根据本发明的方法。

使用根据本发明的方法以及根据本发明的设备制造的工件尤其可以应用在航空航天工业中，例如作为直升飞机中的涡轮叶片、叶轮和传动支架；应用在汽车工业中，作为涡轮增压器轮以及轮辐；应用在医疗技术中，作为骨科植入物和假体；作为热交换器以及应用在工具和模具制造。

附图说明

下面参考附图更详细地解释本发明的实施例。在这些附图中：

图1是具有粉末容器的根据本发明的设备的示意图；

图2是不同照射策略的示意图；

图3是创建随机点序列的示意图；

图4是使用随机照射的预热步骤的示意图；

图5是使用随机照射的熔化步骤的示意图；

图6是使用随机照射的多级预热的示意图；

图7是在确定区域中有意增加或减少能量输入的随机照射的示意图；

图8是将待照射面细分为更小的单元的照射的示意图；

图9是照射的示意图，其中根据图8的单元被进一步细分为子单元。

具体实施方式

图1示出了具有处理腔11的电子束设备10，在处理腔中设置有用于产生电子束13的电子束发生器12。

在本实施例中，具有可选的偏转装置14例如磁光单元的电子束发生器12布置在具有升降板和接纳框架的升降台15上方，该接纳框架用作空间受限的粉末容器，它接纳待处理的粉末状材料构成的粉末床20。

在接纳框架上方布置了具有可通过升降台移动的刮板(未示出)的粉末施加装置16。粉末施加装置16具有用于粉末状材料的容器(未示出)，材料可以从该容器通过位移运动分别作为最上面的松散层21平面地施加在粉末床21上。

通过在偏转装置14中偏转电子束或通过移动升降台，可以使电子束相对于粉末床20相对运动。

此外，底板17位于粉末床20中，工件22逐层形成在该底板上。

控制单元23通过一个或多个信号传输线连接到电子束设备10的基本组件，特别是连接到电子束发生器12和磁光单元14，以便控制整个生产过程。

根据本发明的其他设备包括在真空中、在大气中、在过压中的并且具有辅助气体的激光束设备。

图2示出了用于照射粉末床20中的粉末状材料的不同策略。

图2a示出了根据当前现有技术的照射策略。在此，在照射面30内直线地进行扫描。也就是说，在熔化步骤中，射束并因此熔池沿着图2a中描绘的平行路径31被引导。材料沿着路径输送，并且能量被非常密集地引入。由于在位置上居中的能量输入导致的热量累积，无论在预热步骤中还是在熔化步骤中都造成了缺点，例如粉末的排出和由此产生的工艺中断以及由于不均匀的能量输入所致的工件缺陷。

图2b、2c、2d、2e示出了根据本发明的照射策略。

图2b示出随机分布的点照射。下一个待照射点的位置是随机选择的，可以位于先前定义的照射面上的任意点。能量束指向预给定的点一段时间，然后跳到下一个待照射点。

在其他实施方式中，可以存在用于选择下一个点的附加条件，例如在点序列的下一步骤中不许照射围绕先前被照射过的点的一定半径(最小距离)，在该面边缘处的更强的照射基于能量模型等。

图2c、2d和2e中示出了本发明的实施方式，在这些实施方式中，如图2b所示，随机分布的点被照射确定的时间，并且各点之间的路程也被照射。

在图2c中，为此选择了在要照射的两点之间的最短路程。为此，以确定射束参数照射一个点一定时间，然后将射束转向下一个待照射点。这可以在技术上尽可能的最短时间内进行，即在几微秒内的、在预定时间内的时间段中进行或以确定速度进行。能量输入因速度和照射时间的不同而不同，但待照射点处的能量输入明显更高。

在图2d所示的实施方式中，选择弯曲路径而不是最短路径。这开启了除了停止点的位置之外影响照射面内的能量分布的可能性，并且布设在受较少照射的区域、特别是边缘区域的路径。

图2e概述了一个实施例，其中，各点之间的路径可自由选择，并且仅由时间和/或速度来预给定。路径也可以随机选择，或基于能量模型来选择。

图3示出了根据本发明的实施方式的用于创建随机化的点序列的示意图。

待照射面30通过离散化算法转化为点集P1-P9。点集P1-P9包括要熔化以熔化整个面30的所有点。在图3中，点集P1-P9由圆形面表示。该点集P1-P9被转换为点序列A。通过置换(Permutation)，从该点序列A生成点序列B。

A＝{P1,P2,P3,P4,P5,P6,P7,P8,P9}

B＝{P5,P3,P9,P6,P8,P1,P2,P7,P4}。

点序列B中的点的顺序表示要依次熔化的点的顺序。这样得到每个点的时间点如下表所示：

特别地，可以按如下方式实现将第一个点序列A随机置换为第二个点序列B：

1.通过随机数生成器，创建一个介于0和1之间的随机数X∈[0,1]；

2.这个随机数X乘以第一个序列中的元素个数，并向上取整；

3.第一个序列中的在被乘数位置的点被附加到第二个序列上，并从第一个序列中删除；

4.重复步骤1.-3.，直到第一序列是空的。

特别有利地，根据本发明的扫描策略可以用于在预热步骤中引导能量束。

图4示意性地示出了加热面30a，在该加热面内，借助例如通过能量束的能量输入将粉末床加热。加热面30a可以是任何形状和尺寸，在本实施方式中它是方形的并且完全位于一个能量束的偏转场40内。在加热面30a内，能量束被引导经过限定数量的停止点P1至Pn，停止点的顺序是随机选择的。能量束在时间点t移动到如此确定的第一个停止点P1，并在该停止点停留规定的停止时间Δt1。然后能量束以更高的速度、优选以最大速度偏转到位置P2，并且在那里保持规定的停止时间Δt2。在加热运行中，该过程至少应用于所有停止点P1至Pn一次。

通常，停止点P1至Pn以具有网格间距42的规则网格41被放置到加热面30a中，以使加热面被完全填充。集合{P1,P2,…,Pn}中的停止点Pi与其直接邻居之间的网格间距可以任意设定。网格间距优选在聚焦射束的直径范围内，在正态分布的射束强度情况下处于标准偏差的0.5到2之间。

预热步骤期间的射束参数以这样的方式选择，使得能量束局部加热粉末床，优选地对其进行烧结，而不将材料转化为熔融相。优选地，在预热步骤期间散焦地使用能量束。如果能量束是电子束，则束电流优选为20～100mA，每个停止点的停止时间为1～100μs，这取决于粉末状材料、射束直径和加速电压。在另一个实施方式中，射束电流为300mA，并且停止时间Δt1至Δtn在0.1和10μs之间变化，其中，通常使用散焦射束进行加热。

增材制造工件的加热面、点停止时间和射束参数可以逐层改变。

图5示出了对要用能量束熔化的面30c的随机的点照射的实施方式，该面优选完全位于一个能量束的偏转场40中。该熔化面30c例如可以从要增材制造的3D工件的切割数据中获取。在熔化面30c中，能量束被引导经过定义数量的停止点P1至Pn，使得粉末床在这些点处至少短时间被局部熔化。在停止点之间，能量束以高速、优选地以最大速度偏转。优选地，能量束在熔化步骤期间被聚焦。可以给停止点分配在熔化面30c内的任何位置，优选地它们在网格41上。为了熔化面30c的完全熔化，网格41例如被规则地设计，并且具有恒定的网格宽度42，其在正态分布的射束强度情况下为0.5至2个标准偏差。

在熔化步骤的一个实施方式中，停止点P1至Pn的位置以随机预给定的顺序被控制恰好一次，其中，能量束在各个停止点处停留定义的停止时间Δt1至Δtn。电子束的束电流优选在5mA和50mA之间，同时具有1到100μs的可变停止时间。

在根据本发明的另一实施方式中，停止点P1至Pn的位置以随机预给定顺序被控制至少一次，优选地以比进行一次时更低的射束流和停止时间，其中，射束流和/或停止时间随着重复次数的增加而减少。

增材制造工件的熔化面、点停止时间和射束参数可以逐层改变。

图6示出了具有随机点照射的多级预热的实施方式。

预热过程例如包括两个预热步骤，它们直接彼此相继地执行。在第一预热步骤中，如图6a所示，第一加热面30a被加热，而在第二预热步骤中，如图6b所示，第二加热面30b被加热。第二加热面30b有益地完全位于第一加热面30a中。

在一个实施方式中，第一加热面30a跨越一个能量束的整个偏转场40。第二加热面30b考虑到待增材制造的工件的3D几何形状，并且优选地比有源层的待熔化的工件横截面30c大规定的距离。

通过能量束引入能量，该能量束在第一加热面内被引导经过停止点P11至P1n，并且在第二加热面内被引导经过停止点P21至P2m，其中，这些停止点的顺序是随机预给定的。

在一个实施方式中，第一加热面30a优选地在射束严重散焦情况下以高功率输入进行预热，并且第二加热面30b优选地在射束弱散焦情况下以较低功率输入进行预热。

在本发明的其他实施方式中，至少两个预热步骤与至少一个不主要用于预热的工艺步骤交替。

图7示出了利用随机的点照射进行预热并控制以获得均匀能量场的示例。由于能量耗散到较冷的外部区域，以整面地恒定的射束参数和均匀的网格对面30的照射得到加热面内的不均匀的温度场。加热面的中心区域和近边缘区域之间的温差通常为几十到几百K。

图7a示出了根据本发明的实施方式，其中，确定停止点位置的网格41的网格间距42被设计为间接地与温度梯度成比例。停止点以随机顺序来控制。网格41的密度通过每单位面积的停止点数量来决定局部的功率输入，并因此决定温度场。

图7b中绘出了另一实施方式，其中，局部的功率输入由射束参数预给定。网格41具有恒定的网格宽度42。相比于高温区域中的停止点，较低温度区域中的停止点具有至少以下变化之一：(a)更高的射束功率，(b)更长的停止时间，(c)更高的重复次数。

在另一实施方式中，上述实施方式可以通过能量模型来叠加，使得区域总停留时间导致对温度场的额外控制。

在另一实施方式中，图7a和7b中所示的照射顺序能够以调整后的射束参数应用在熔化步骤中。

逐层重复上述步骤，直到完成3D结构。

图8示出了根据本发明的另一实施例，其将熔化面30细分为单元3。如图8所示，细分可以由相同类型的六边形组成。然而，熔化面也可以分为其他彼此不同的几何形状(例如正方形、圆形等)，它们的大小也可以彼此不同。

在第一步骤中，熔化面30被细分成单元3。每个单元都完全充满了在这个过程中被照射的点。这些单元被照射的顺序，如同待照射点的顺序一样，可以是随机的、伪随机的、准随机的或依照特定顺序。一旦第一个单元C1的每个点P1.n都被照射，射束跳到下一个单元Cn，并在那里照射所有待照射点。

在另一个实施方式中，可以设计该过程，使得仅照射一个单元中的一定比例的点，射束跳到一个或多个其他单元，然后返回到第一个单元，并照射剩余的点。

重复此过程，直到所有单元中的所有点都已被照射。

图9示出了根据本发明的特别适用于预热粉末层的方法。

整个加热面30a被分成单元F1-Fn。然后将这些单元F1-Fn分成子单元。每个单元都完全充满点Fn.n.1-Fn.n.n，这些点在过程中被照射。在预热和/或后加热时，射束随机地或按一定顺序照射点Fn.n.1-Fn.n.n。在子单元Fn.n.n的所有点都被照射后，射束跳到下一个子单元Fn.n.n+1。在这种情况下，可以依次控制单元F1-n的所有子单元，或者首先控制所有第n个子单元。在此，单元和/或子单元的顺序可以随机地或根据顺序进行。

附图标记清单

P,P1,P2…Pn 待照射的点

10 电子束设备

11 处理腔

12 电子束发生器

13 电子束

14 磁光单元

15 升降台

16 粉末施加装置

17 底板

20 粉末床

21 最上面的粉末层

22 工件

23 控制单元

24 信号传输线

30 照射面

30a 加热面

30b 轮廓调整的加热面

30c 熔化面

31 线性路径

32 待照射两点之间的路径

40 偏转场

41 网格

42 网格间距

50 待以恒定功率输入照射的点

51 待以可变功率输入照射的点

Claims (10)

1.一种加工用于增材制造工件(22)的粉末状材料的方法，该方法包括以下步骤：

a)提供

-用于接纳由待加工的所述粉末状材料构成的粉末床(20)的装置(15)，以及

-射束发生器(12)，其被设计用于将能量束(13)指向所述粉末床(20)的横向不同的位置；

b)将所述粉末状材料分层地施加到所述粉末床(20)中；

c)用所述能量束(13)照射所述粉末床(20)中的面(30；30a；30b；30c)，其中，所述面(30；30a；30b；30c)由被依次照射的二维排列的n个点P1…Pn组成；

其特征在于，

在照射所述面(30；30a；30b；30c)期间至少一次使得两个彼此相继地被照射的点Pi、Pi+1彼此间隔开，从而在两个维度上至少一个另外的要被照射的点P1…Pn相应地位于彼此相继的两个被照射点Pi、Pi+1之间。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，两个相继照射的点Pi、Pi+1之间的距离的至少10％、优选至少30％与随后相继照射的点Pi+1、Pi+2之间的距离不同。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤c)中随机地、伪随机地或准随机地选择下一个待照射点Pi+1。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，步骤c)是加热步骤的一部分，在该加热步骤中，由所述能量束引入所述粉末床的能量输入不足以完全熔化所述粉末状材料。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述加热步骤包括两阶段的加热过程。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤c)产生熔池，其中，优选不引导所产生的所述熔池。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，随机地、伪随机地或准随机地以及根据所述能量输入、特别是能量平衡或热平衡来选择下一个待照射点。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，

a)待照射的点P1…Pn的顺序在构建工件(22)之前确定，或者

b)待照射点P1…Pn的顺序在工件(22)的构建期间逐层确定，或者

c)下一个待照射点P1…Pn的计算是在当前点Pi被照射期间或已经被照射之后进行的。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，使得待照射的两个点Pi、Pi+1之间的路径曝光。

10.一种加工用于增材制造工件(22)的粉末状材料的设备，具有：

a)用于接纳由待加工的所述粉末状材料构成的粉末床(20)的装置(15)；以及

b)射束发生器(12)，其被设计用于将能量束(13)指向所述粉末床(20)的横向不同的位置；

其特征在于，

c)所述设备被设计用于执行根据权利要求1至9中任一项的方法。

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