CN116348223A - 操作辐照系统的方法、辐照系统和具有偏振控制的用于生产三维工件的设备 - Google Patents

操作辐照系统的方法、辐照系统和具有偏振控制的用于生产三维工件的设备 Download PDF

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Abstract

在操作用于用激光辐射辐照原材料粉末的多个层以生产三维工件(110)的辐照系统(10)的方法中，用线偏振激光辐射选择性地辐照施加到承载件(102)上的原材料粉末层(11)的至少一部分。根据线偏振激光辐射在原材料上的入射平面的取向来控制线偏振激光辐射的偏振平面的取向。

Description

操作辐照系统的方法、辐照系统和具有偏振控制的用于生产 三维工件的设备
技术领域
本发明涉及一种操作辐照系统的方法，该辐照系统用于用激光辐射辐照原材料粉末的多个层以生产三维工件。此外，本发明涉及这种辐照系统。最后，本发明涉及一种用于生产三维工件的设备。
背景技术
粉末床熔融是一种分层增材工艺，通过该工艺可以将粉状、特别是金属和/或陶瓷原材料加工成复杂形状的三维工件。为此，将原材料粉末层施加到承载件上，并根据要生产的工件的期望几何形状以位点选择的方式进行激光辐照。穿入粉末层中的激光辐射引起原材料粉末颗粒的加热并因此引起熔化或烧结。然后，将进一步的原材料粉末层依次施加到承载件上的已经经过激光处理的层上，直到工件具有所需的形状和尺寸。基于CAD数据，粉末床熔融可用于生产或修复原型件、工具、替换部件、高价值部件或医疗假体，例如牙科或整形外科假体。
如WO 2019/141381 A1中所述的用于通过粉末床熔融生产三维工件的示例性设备包括：被构造为接收多层原材料的承载件，和被构造为将激光辐射选择性地辐照到承载件上的原材料上以生产工件的辐照单元。辐照单元设置有空间光调制器，该空间光调制器被配置为将激光束分成至少两个子束。为了向空间光调制器提供线偏振激光束，在空间光调制器的上游提供执行激光束的线偏振的偏振装置。
在粉末床熔融设备的承载件上构建三维工件时，对撞击到原材料粉末上的激光辐射的吸收导致原材料粉末熔化和/或烧结，从而产生熔化的原材料的熔池。此外，原材料的蒸发导致形成蒸气毛细管，激光束通过该蒸气毛细管进入原材料的更深区域。
发明内容
本发明的目的是提供一种操作辐照系统的方法和这种辐照系统，该辐照系统用于利用激光辐射辐照原材料粉末的多个层以生产三维工件，该方法和辐照系统允许高效生产高质量工件。此外，本发明涉及一种用于生产三维工件的设备，该设备配备有允许高效生产高质量工件的辐照系统。
在操作用于利用激光辐射辐照原材料粉末层以生产三维工件的辐照系统的方法中，用线偏振激光辐射选择性地辐照施加到承载件上的原材料粉末层的至少一部分。原材料粉末层可以通过粉末施加装置施加到承载件的表面上，该粉末施加装置移动穿过承载件以分配原材料粉末。承载件可以是刚性固定的承载件。然而，优选地，承载件被设计为可在竖直方向上移位，使得当从原材料粉末分层构建工件时，随着工件的构造高度的增加，承载件可以沿竖直方向向下移动。此外，承载件可以设置有冷却装置和/或加热装置，其被配置为冷却和/或热承载件。
承载件和粉末施加装置可以容纳在处理室中，该处理室对于周围大气环境是可密封的。通过经由气体入口将气流引入处理室内，可以在处理室内建立惰性气体环境。在被引导通过处理室并穿过施加在承载件上的原材料粉末层之后，气流可以从处理室经由气体出口排出。施加在处理室内的承载件上的原材料粉末优选是金属粉末，特别是金属合金粉末，但也可以是陶瓷粉末或含有不同材料的粉末。该粉末可以具有任何合适的颗粒尺寸或颗粒尺寸分布。然而，优选地，处理颗粒尺寸小于100μm的粉末。
辐照系统可以包括发射至少一个线偏振激光束的激光束源。特别地，辐照系统的激光束源可以发射波长为532nm的线偏振激光，即“绿色”激光。然而，还可以想到的是，辐照系统的激光束源发射至少一个随机偏振(即，非偏振)激光束，该激光束通过合适的偏振装置(例如，偏振器或偏振分束器立方体)转换成线偏振激光束。如果使用一个或多个分束器立方体将激光束分成具有不同偏振的两个或更多个部分光束，则可以仅使用一个部分光束作为辐照光束，同时阻挡其他部分光束。可替换地，一个或多个部分光束可以被引导到一个或更多个增材制造设备中的不同辐照系统。附加地或可替换地，可以修改一个或多个部分光束，特别是可以改变其偏振。附加地或可替换地，多个光束可以被修改以获得相同的偏振，并且可以在共同引导到辐照系统之前被组合。
辐照系统可以用单个激光束辐照原材料粉末层。然而，也可以设想，辐照系统将两个或更多个激光束辐照到原材料粉末层上。在辐照系统用两个或更多个激光束辐照原材料粉末层的情况下，至少一个激光束可以是线偏振激光束，并且至少一个另外的激光束可以为随机偏振激光束、径向偏振激光束和/或方位角偏振激光束。通过辐照系统辐照到原材料粉末层上的多个激光束可以由激光束源的合适的子单元发射。
辐照系统还可以包括至少一个光学单元，该光学单元用于分裂、引导和/或处理由激光束源发射的至少一个激光束。光学单元可以包括光学元件，例如物镜和扫描器单元，扫描器单元优选地包括衍射光学元件和偏转镜。
在操作辐照系统的方法中，根据线偏振激光辐射在原材料上的入射平面的取向来控制线偏振激光辐射的偏振平面的取向。此处使用的术语“偏振平面”是指由入射激光束的传播矢量和电磁激光波的电场矢量限定的平面，因此与电磁激光波的电场的振动平面重合。本文中使用的术语“入射平面”是指由入射激光束的传播矢量和与被入射激光束撞击的原材料表面相垂直延伸的表面法线限定的平面。
线偏振激光辐射的偏振平面相对于线偏振激光辐射在原材料上的入射平面的取向对原材料吸收激光能量具有强烈的影响。因此，通过根据线偏振激光辐射在原材料上的入射平面来控制偏振平面的取向，可以控制原材料对线偏振激光的能量的吸收。
通过考虑并积极控制原材料对激光能量的吸收，可以实现在生产三维工件时改进的工艺稳定性。此外，通过以可控的方式增加激光能量的吸收，可以提高工艺生产率。因此，可以以特别有效的方式生产高质量的工件。此外，目前难以通过激光或烧结/熔化处理的诸如Cu和Cu合金之类的材料，可以通过用线偏振激光辐射辐照相应的原材料粉末，同时根据线偏振激光辐射在原材料上的入射平面的取向来控制线偏振激光辐射的偏振平面的取向而变得可处理。
在操作辐照系统的方法的优选实施例中，根据线偏振激光辐射在原材料上的入射平面的取向来控制线偏振激光辐射的偏振平面的取向，使得偏振平面基本上平行于入射平面取向。换句话说，相对于线偏振激光辐射在原材料上的入射平面的取向来控制线偏振激光辐射的偏振平面的取向，使得达到p-pol状态。
在p-pol状态中，原材料对线偏振激光辐射的能量的吸收通常高于在s-pol状态原材料对线偏振激光辐射的能量的吸收，其中偏振平面垂直于入射平面延伸。此外，p-pol状态下的线偏振激光辐射的吸收通常也高于随机偏振激光辐射的吸收。因此，通过相对于入射平面的取向控制偏振平面的取向，使得达到p-pol状态，可以以可控的方式增加对激光能量的吸收。
优选地，根据线偏振激光辐射在毛细管的内壁表面上的入射平面的取向来控制线偏振激光辐射的偏振平面的取向，毛细管从原材料粉末层的表面延伸到原材料粉末层的体积中并且由于线偏振激光辐射与原材料的相互作用形成。毛细管可以是蒸气毛细管，蒸气毛细管是由于通过吸收撞击到原材料层上的激光束的能量而加热的原材料的蒸发而形成的。毛细管的尺寸和形状可以取决于各种参数(例如入射激光束的功率、焦点直径和焦点形状)，激光束的扫描速度和扫描方向和/或被引导穿过原材料粉末层的气流的至少一个参数，以在处理室内建立受控的大气环境，并去除在辐照原材料粉末时产生的颗粒杂质(例如飞溅颗粒、烟雾颗粒或煤烟颗粒)。
辐照到原材料粉末层上的激光束进入毛细管并撞击到毛细管的内壁表面上，该内壁表面具有与原材料粉末层的上表面不同的取向。例如，被激光束撞击的毛细管的内壁的表面可以相对于原材料粉末层的上表面以大约45的至90的的角度、优选地以大约60°至80°的角度延伸，该原材料粉末层的上表面通常基本平行于承载件的表面(原材料粉末层施加到该表面上)取向。通过在控制线偏振激光辐射的偏振平面的取向时考虑由于激光束与原材料的相互作用而形成的毛细管的内壁表面上的线偏振激光辐射的入射平面的取向，可以对原材料吸收激光能量进行特别可靠和精确的控制。
激光束在原材料粉末层上的扫描方向的改变通常导致线偏振激光辐射在原材料上的入射平面的取向的改变。因此在根据线偏振激光辐射在原材料上的入射平面的取向来控制线偏振激光辐射的偏振平面的取向时，线偏振激光辐射的偏振平面的取向优选地根据线偏振激光辐射在原材料粉末层上的扫描方向来更新。
为了更新线偏振激光辐射的偏振平面的取向，可以旋转偏振装置，例如波片，特别是半波片。替代地，可以旋转准直器，该准直器在从辐射束源发射的激光的光路中布置在偏振装置的下游。此外，可以采用至少一个偏转镜，特别是一对偏转镜，用以根据需要偏转线偏振激光辐射束。此外，为了偏转线偏振激光束，可以采用两对偏转镜，一对用于实现偏振平面的旋转，另一对用于实现光束偏转。在优选实施例中，使用具有金属涂层(例如铝、银、金等)的镜子。
可以基于对扫描图案的分析来更新线偏振激光辐射的偏振平面的取向，根据该扫描图案，线偏振激光辐射束被引导穿过原材料粉末层。通过分析扫描图案，可以确定激光束在原材料粉末层上的扫描方向的变化。因此，线偏振激光辐射的偏振平面的取向可以根据需要进行更新，并且与扫描器单元的操作同步，扫描器单元使激光束扫描过原材料粉末层。对扫描图案的分析可以在开始生产三维工件之前进行和/或在生产三维工件期间原位进行。
原材料对线偏振激光辐射的能量的吸收强烈地取决于激光束在原材料上的入射角。在p-pol状态下，至少对于大约10至至80°之间的入射角，吸收随着入射角的增加而增加。本文使用的术语“入射角”是指入射激光束的传播矢量与垂直于被入射激光束撞击的原材料表面延伸的表面法线之间的角度。
为了选择性地辐照原材料粉末层，即，为了使激光束扫描过原材料粉末层，激光束相对于垂直于原材料粉末层的上表面延伸的表面法线偏转。因此，入射角取决于入射激光束相对于垂直于原材料粉末层的上表面延伸的表面法线的偏转角度，并因此取决于扫描器单元的操作状态。此外，入射角取决于被入射激光束撞击的原材料表面的取向。
除了线偏振激光束的入射角之外，许多其他工艺参数可能影响原材料对激光能量的吸收。这些参数可以包括线偏振激光辐射束的功率、焦点直径和焦点形状。此外，激光束被引导穿过原材料粉末层所根据的扫描图案、扫描速度、(前或后)扫描模式和扫描方向可以对原材料吸收激光能量产生影响。此外，被引导通过处理室并穿过原材料粉末层的表面的气流，特别是气流的体积流量和流速以及气体的类型可能会影响吸收。
因此，在操作辐照系统的方法的优选实施例中，根据线偏振激光辐射束在原材料上的入射角来控制线偏振激光辐射束的功率、焦点直径和焦点形状中的至少一个，和/或线偏振激光辐射束被引导穿过原材料粉末层所根据的扫描图案、扫描速度、扫描模式、和扫描方向中的至少一个，和/或被引导穿过原材料粉末层的气流的至少一个参数。
通过将线偏振激光束的入射角与一个或更多个影响原材料对激光能量的吸收的其他工艺参数相关联，一方面可以实现对吸收的特别可靠的控制，并且可以避免原材料的过热。另一方面，可以提高程序效率。例如，由激光功率的降低和/或扫描速度的增加引起的吸收的减少可以通过在适当的入射角处增加的吸收来补偿。此外，对于特定的原材料，可以通过适当地控制入射角以受控的方式增加施加到原材料的能量，例如，以便允许对这些材料进行处理。
可以根据如下扫描策略在原材料粉末层上扫描线偏振激光辐射束，在该扫描策略中，在扫描指向与第一矢量方向不同的第二矢量方向的至少一个扫描矢量之前，依次扫描指向第一矢量方向的多个扫描矢量。指向第一矢量方向v1的扫描矢量可以在方向+v1上“向前”扫描，在方向-v1上“向后”扫描，而不改变线偏振激光辐射的偏振平面的取向。类似地，指向第二矢量方向v2的扫描矢量可以在方向+v2上“向前”扫描，在方向-v2上“向后”扫描，而不改变线偏振激光辐射的偏振平面的取向。因此，只有在改变矢量方向，即矢量的延伸方向的情况下，才需要改变线偏振激光辐射的偏振平面的取向。利用这种扫描策略，可以减少线偏振激光辐射的偏振平面的取向的“更新次数”。因此，可以简化更新过程。
在操作辐照系统的方法的实施例中，可以用线偏振激光辐射选择性地辐照原材料粉末层的第一部分，并且可以用随机激光辐射、径向偏振激光辐射和/或方位角偏振激光辐射来选择性地辐照原材料粉末层的第二部分。第二部分可以是原材料粉末层的一部分，其旨在根据如下的扫描策略被辐照，该扫描策略需要频繁和/或快速更新线偏振激光辐射的偏振平面的取向。例如，第二部分可以是原材料粉末层的一部分，其旨在根据包括高密度短扫描矢量和/或指向多个方向的扫描矢量的扫描图案被辐照，和/或旨在以高扫描速度被辐照。
特别地，原材料粉末层的第一部分可以是通过选择性地辐照原材料粉末层而产生的工件层的填充(hatch)部分。原材料粉末层的第二部分可以是通过选择性地辐照原材料粉末层而产生的工件层的轮廓部分。因此，如上所述用线偏振激光辐射辐照原材料粉末层的优点可以在通常形成工件层的大部分区域的填充部分中实现。同时，可以避免在轮廓部分中更新偏振平面的取向时可能出现的困难。
在操作辐照系统的方法的另一个实施例中，可以根据如下扫描策略使多个线偏振激光辐射束扫描过原材料粉末层的重叠部分，在该扫描策略中，根据相同的扫描模式扫描所有扫描矢量。本文中使用的术语“重叠部分”定义了原材料粉末层的可以用一个以上激光束辐照的部分。例如，在原材料粉末层的重叠部分中，根据后扫描模式扫描所有扫描矢量，或者根据前扫描模式扫描所有扫描矢量。因此，在重叠部分中，原材料对激光辐射的吸收不受扫描模式的影响，因此可以被更可靠地控制。
一种用于用激光辐射辐照原材料粉末层以生产三维工件的辐照系统被配置为用线偏振激光辐射选择性地辐照施加到承载件上的原材料粉末层的至少一部分。辐照系统包括控制装置，所述控制装置被配置为根据线偏振激光辐射在原材料上的入射平面的取向来控制线偏振激光辐射的偏振平面的取向。
辐照系统的控制装置可以被配置为根据线偏振激光辐射在原材料上的入射平面的取向来控制线偏振激光辐射的偏振平面的取向，使得偏振平面基本上平行于入射平面定向。因此，可以实现p-pol状态。
控制装置还可以被配置为根据线偏振激光辐射在毛细管的内壁表面上的入射平面的取向来控制线偏振激光辐射的偏振平面的取向，该毛细管从原材料粉末层的表面延伸到原材料粉末层的体积中且由于线偏振激光辐射与原材料的相互作用而形成。
此外，控制装置在根据线偏振激光辐射在原材料上的入射平面的取向来控制线偏振激光辐射的偏振平面的取向时，可以被配置为根据线偏振激光辐射扫描过原材料粉末层的扫描方向来更新线偏振激光辐射的偏振平面的取向。
具体地，控制装置可以被配置为基于对线偏振激光辐射束被引导穿过原材料粉末层所根据的扫描图案的分析来更新线偏振激光辐射的偏振平面的取向，根据扫描图案。对扫描图案的分析可以在开始生产三维工件之前进行和/或在生产三维工件期间原位进行。
控制装置还可以被配置为根据线偏振激光辐射束在原材料上的入射角控制线偏振激光辐射束的功率、焦点直径和焦点形状中的至少一个，和/或线偏振激光辐射束被引导穿过原材料粉末层所根据的扫描图案、扫描速度、扫描方向和扫描模式中的至少一个，和/或被引导穿过原材料粉末层的气流的至少一个参数。
可替换地或附加地，控制装置可以被配置为控制扫描器单元，使得线偏振激光辐射束根据如下的扫描策略扫描过原材料粉末层，在该扫描策略中，在扫描指向不同于第一矢量方向的第二矢量方向的至少一个扫描矢量之前，连续扫描指向第一矢量方向的多个扫描矢量。
此外，所述控制装置可以被配置为控制辐照系统，使得用线偏振激光辐射选择性地辐照原材料粉末层的第一部分，并且用随机激光辐射、径向偏振激光辐射和/或方位角偏振激光辐射选择性地辐照原材料粉末层的第二部分。
原材料粉末层的第一部分可以是通过选择性地辐照原材料粉末层而产生的工件层的填充部分。原材料粉末层的第二部分可以是通过选择性地辐照原材料粉末层而产生的工件层的轮廓部分。
控制装置还可以被配置为控制扫描器单元，使得多个线偏振激光辐射束根据如下的扫描策略被扫描过原材料粉末层的重叠部分，在该扫描策略中，所有扫描矢量根据同一扫描模式扫描。
一种用于生产三维工件的设备配备有上述辐照系统。
附图说明
将参照附图更详细地描述本发明的优选实施例，在附图中：
图1示出了通过用激光辐射辐照多个原材料粉末层来生产三维工件的设备；
图2为图1的设备中使用的辐照系统；
图3图示了线偏振激光辐射束与原材料的相互作用；
图4示出了原材料对激光辐射的吸收与激光辐射的偏振状态和激光束在原材料上的入射角的依赖关系。
具体实施方式
图1示出了通过分层增材工艺生产三维工件的设备100。设备100包括承载件102和用于将原材料粉末施加到承载件102上的粉末施加装置104。承载件102和粉末施加装置104被容纳在处理室106内，该处理室对于周围大气环境是可密封的。承载件102可沿竖直方向移位到构建的筒体108中，使得承载件102可以随着工件110的结构高度的增加而向下移动，因为工件是由承载件12上的原材料粉末分层构建的。承载件102可以包括加热器和/或冷却器。
设备100还包括辐照系统10，该辐照系统用于将激光辐射选择性地辐照到施加在承载件102上的原材料粉末层11上。在图1所示的设备100的实施例中，辐照系统10包括两个激光束源12a、12b，每个激光束源被配置为发射激光束14a、14b。用于引导和处理由激光束源12a、12b发射的激光束14a、14b的光学单元16a、16b与激光束源12a、12b中的每一个相关联。然而，也可以设想，辐照系统10仅配备有一个激光束源和一个光学单元，并且因此仅发射单个激光束。提供控制装置18，以控制辐照系统10和设备100的其他部件(例如，粉末施加装置104)的操作。
通过经由处理气体入口112向处理室106供应保护气体，在处理室106内建立受控的气体环境，优选惰性气体环境。在被引导通过处理室106并穿过施加在承载件102上的原材料粉末层11之后，气体经由处理气体出口114从处理室106排出。保护气体从处理气体入口112穿过处理室106流到气体处理气体出口114的流动方向由箭头F指示。处理气体可以从处理气体出口114再循环到处理气体入口112，因此可以被冷却或加热。
在用于生产三维工件的设备100的操作期间，通过粉末施加装置104将原材料粉末层11施加到承载件102上。为了施加原材料粉末层11，粉末施加装置104在控制单元18的控制下横穿承载件102移动。然后，再次在控制单元18的控制下，根据待生产的工件110相应层的几何形状，通过辐照装置10用激光辐射选择性地辐照原材料粉末层11。对将原材料粉末层11施加到承载件102上以及根据待生产的工件110的相应层的几何形状用激光辐射选择性地辐照原材料粉末层11的步骤进行重复，直到工件110达到期望的形状和尺寸。
通过辐照系统10辐照在原材料粉末层11上的激光束14a、14b中的至少一个是线偏振激光辐射束。激光束源12a和光学单元16a的更详细说明如图2所示。激光束源12a发射线偏振激光，例如波长为450nm的激光，即“蓝色”激光，或波长为532nm的激光光线，即“绿色”激光，或波长在1000nm至1090nm范围内或波长在1530nm至1610nm范围内的激光，例如“红外”激光。偏振装置20用于偏振平面的旋转，并且例如可以设计为呈可旋转安装的波片，特别是半波片的形式。线偏振激光束14a通过扫描器单元22扫描过原材料粉末层11。
通过激光束14a撞击到原材料粉末层11上而引入到原材料粉末中的激光能量导致原材料粉末熔化和/或烧结。具体而言，在激光束14a撞击到原材料粉末上的区域中产生熔化的原材料的熔池。此外，由于通过吸收撞击到原材料上的激光束14a的能量而加热的原材料的蒸发，形成了蒸气毛细管24，如图3所示。
激光束14a穿入毛细管24并撞击到毛细管24的内壁表面26上，该内壁表面26具有与原材料粉末层11的上表面28不同的取向。在图3所示的示例性实施例中，被激光束撞击的毛细管的内壁的表面26相对于基本上平行于承载件102的表面定向的原材料粉末层11的上表面28以大约75°至80°的角度γ延伸。
在图3所示的示例性实施例中，激光束14a在前扫描模式中沿箭头S所示的扫描方向扫描过原材料粉末层11。激光束14a在原材料上(即在毛细管24的内壁的表面26上)的入射平面由入射激光束14a的传播矢量P和垂直于被入射激光束14a撞击的原材料表面26延伸的表面法线N限定。入射角α定义在入射激光束14a的传播矢量P和表面法线N之间。
在辐照系统10的操作期间，控制装置18根据线偏振激光束14a在原材料上的入射平面的取向来控制线偏振激光束14a的偏振平面的取向。具体地，控制装置18根据线偏振激光束14a在毛细管24的内壁表面26上的入射平面的取向来控制线偏振激光束14a的偏振平面的取向。
从图4中可以明显看出，线偏振激光辐射的偏振平面相对于线偏振激光辐射在原材料上的入射平面的取向对原材料吸收激光能量有很大影响。在由与线偏振激光辐射在原材料上的入射平面的取向平行的线偏振激光束14a的偏振平面的取向所限定的p-pol状态中，原材料对激光能量的吸收高于在s-pol状态中原材料对激光能的吸收，s-pol状态由与线偏振激光辐射在原材料上的入射平面的取向垂直的线偏振激光束14a的偏振平面的取向限定。在p-pol状态下，原材料对激光能量的吸收也高于随机偏振激光束的能量的吸收。因此，控制装置18根据线偏振激光束14a在原材料上的入射平面的取向来控制线偏振激光束14a的偏振平面的取向，使得偏振平面基本上平行于入射平面定向，即，使得达到p-pol状态。
激光束14a穿过原材料粉末层11扫描的扫描方向S的改变导致线偏振激光束14a在原材料上的入射平面的取向的改变。因此，控制装置18在根据线偏振激光束14a在原材料上的入射平面的取向来控制线偏振激光束14a的偏振平面的取向时，根据线偏振激光束14a穿过原材料粉末层11的扫描方向S来更新线偏振激光束14a的偏振平面的取向。
在图2的示例性布置中，通过适当地旋转偏振装置20来实现线偏振激光束14a的偏振平面的取向的更新。控制装置18基于对扫描图案的分析来执行线偏振激光束14a的偏振平面的取向的更新，根据该扫描图案，线偏振激光束14a被引导穿过原材料粉末层11。对扫描图案的分析可以在开始三维工件110的生产之前进行和/或在三维工件110生产期间原位进行。
为了简化线偏振激光束14a的偏振平面的取向的更新，根据如下扫描策略使线偏振激光14a扫描过原材料粉末层11，在该扫描策略中，在指向不同于第一方向的第二方向的至少一个扫描矢量被扫描之前，指向第一方向的多个扫描矢量被连续扫描。这种扫描策略减少了扫描方向S的变化次数，并因此减少了偏振装置20的旋转次数，该旋转必须被执行以更新线偏振激光束14a的偏振平面的取向。
图4进一步图示了原材料对线偏振激光辐射的能量的吸收在很大程度上取决于激光束14a在原材料上的入射角α。入射角α转而取决于入射激光束14a相对于垂直于原材料粉末层11的上表面28延伸的表面法线的偏转角，从而取决于扫描器单元22的操作状态。此外，入射角α取决于被入射激光束14a撞击的原材料表面26的取向。在p-pol状态下并且至少对于在大约10°到80°之间的入射角α，吸收随着入射角α的增加而增加。吸收、入射角和偏振之间的关系也可能是与材料相关的和与温度相关的。
为了能够特别可靠地控制原材料对激光能量的吸收，控制装置18在控制辐照系统10的操作时，除了线偏振激光束14a的入射角α之外，也考虑可能影响原材料对激光能量的吸收的许多其他工艺参数。具体地，控制装置18根据线偏振激光束14a在原材料上的入射角α控制线偏振激光束14a的功率、焦点直径和焦点形状中的至少一个，和/或线偏振激光束14a被引导穿过原材料粉末层11所根据的扫描图案、扫描速度、扫描模式和扫描方向S中的至少一个，和/或被引导穿过原材料粉末层11的气流的至少一个参数。
激光束源12b和光学单元16b可以具有与激光束源12a和光学单元16b相同的设计，使得激光束14b也是线偏振激光束14b。在这种情况下，控制装置18控制辐照系统10的操作，使得线偏振激光束14a、14b根据如下扫描策略扫描过原材料粉末层11的重叠部分，在该扫描策略中，所有扫描矢量根据同一扫描模式被扫描。特别地，在原材料粉末层11的重叠部分中，根据后扫描模式或根据前扫描模式扫描所有扫描矢量，以消除扫描模式对原材料吸收激光能量的影响。
然而，也可以想到，激光束源12b和光学单元16b被配置为发射随机激光束14b、径向偏振激光束14b和/或方位角偏振激光束14b。在这种情况下，可以用线偏振激光辐射选择性地辐照原材料粉末层11的第一部分，并且可以用随机激光辐射、径向偏振激光辐射和/或方位角偏振激光辐射选择性地辐照原材料粉末层11的第二部分。具体地，原材料粉末层11的第一部分可以是通过选择性地辐照原材料粉末层11而产生的工件层的填充部分，并且原材料粉末层11的第二部分可以是通过选择性地辐照原材料粉末层11而产生的工件层的轮廓部分。

Claims (17)

1.一种操作辐照系统(10)的方法，所述辐照系统用于用激光辐射辐照原材料粉末的多个层以生产三维工件(110)，其中用线偏振激光辐射选择性地辐照施加到承载件(102)上的原材料粉末层(11)的至少一部分，并且其中，根据所述线偏振激光辐射在原材料上的入射平面的取向来控制所述线偏振激光辐射的偏振平面的取向。
2.根据权利要求1所述的方法，
其中，根据所述线偏振激光辐射在原材料上的入射平面的取向来控制所述线偏振激光辐射的偏振平面的取向，使得所述偏振平面基本上平行于所述入射平面定向。
3.根据权利要求1或2所述的方法，
其中，根据所述线偏振激光辐射在毛细管(24)的内壁表面(26)上的入射平面的取向来控制所述线偏振激光辐射的偏振平面的取向，所述毛细管从所述原材料粉末层(11)的表面(28)延伸到所述原材料粉末层(11)的体积中，并且由于所述线偏振激光辐射与原材料的相互作用而形成。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，
其中，在根据所述线偏振激光辐射在原材料上的入射平面的取向来控制所述线偏振激光辐射的偏振平面的取向时，所述线偏振激光辐射的偏振平面的取向根据所述线偏振激光辐射扫描过所述原材料粉末层(11)的扫描方向(S)而更新。
5.根据权利要求4所述的方法，
其中，基于对扫描图案的分析来更新所述线偏振激光辐射的偏振平面的取向，根据所述扫描图案将线偏振激光辐射束(14a，14b)引导穿过所述原材料粉末层(11)，其中，对所述扫描图案的分析在开始生产所述三维工件(110)之前进行和/或在生产所述三维工件(110)期间原位进行。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，
其中，根据线偏振激光辐射束(14a，14b)在原材料上的入射角(α)来控制所述线偏振激光辐射束(14a，14b)的功率、焦点直径和焦点形状中的至少一个，和/或将所述线偏振激光辐射束(14a，14b)引导穿过所述原材料粉末层(11)所根据的扫描图案、扫描速度、扫描方向(S)和扫描模式中的至少一个，和/或被引导穿过所述原材料粉末层(11)的气体流的至少一个参数。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，
其中，线偏振激光辐射束(14a，14b)根据如下扫描策略扫描过所述原材料粉末层(11)，在所述扫描策略中，在扫描指向与第一矢量方向不同的第二矢量方向的至少一个扫描矢量之前，连续扫描指向所述第一矢量方向的多个扫描矢量。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，
其中，用线偏振激光辐射选择性地辐照所述原材料粉末层(11)的第一部分，并且用随机激光辐射、径向偏振激光辐射和/或方位角偏振激光辐射选择性地辐照所述原材料粉末层(11)的第二部分。
9.根据权利要求8所述的方法，
其中，所述原材料粉末层(11)的所述第一部分是通过选择性地辐照所述原材料粉末层(11)而产生的工件层的填充部分，和/或，其中所述原材料粉末层(11)的所述第二部分是通过选择性地辐照所述原材料粉末层(11)而产生的工件层的轮廓部分。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，
其中，多个线偏振激光辐射束(14a，14b)根据如下策略扫描过所述原材料粉末层(11)的重叠部分，在所述扫描策略中，根据同一扫描模式扫描所有扫描矢量。
11.一种用于用激光辐射辐照多个原材料粉末层以生产三维工件(110)的辐照系统(10)，其中，所述辐照系统(10)被配置为用线偏振激光辐射选择性地辐照施加到承载件(102)上的原材料粉末层(11)的至少一部分，并且其中所述辐照系统(10)包括控制装置(18)，所述控制装置被配置为根据所述线偏振激光辐射在原材料上的入射平面的取向来控制所述线偏振激光辐射的偏振平面的取向。
12.根据权利要求11所述的辐照系统(10)，
其中，所述控制装置(18)被配置为：
-根据所述线偏振激光辐射在原材料上的入射平面的取向来控制所述线偏振激光辐射的偏振平面的取向，使得所述偏振平面基本上平行于所述入射平面定向；和/或
-根据所述线偏振激光辐射在毛细管(24)的内壁表面(26)上的入射平面的取向来控制所述线偏振激光辐射的偏振平面的取向，所述毛细管从所述原材料粉末层(11)的表面(28)延伸到所述原材料粉末层(11)的体积中且由于所述线偏振激光辐射与原材料的相互作用而形成。
13.根据权利要求11或12所述的辐照系统(10)，
其中所述控制装置(18)在根据所述线偏振激光辐射在原材料上的入射平面的取向来控制所述线偏振激光辐射的偏振平面的取向时，被配置为根据所述线偏振激光辐射扫描过所述原材料粉末层(11)的扫描方向来更新所述线偏振激光辐射的偏振平面的取向。
14.根据权利要求13所述的辐照系统(10)，其中，
其中所述控制装置(18)被配置为基于对将线偏振激光辐射束(14a，14b)引导横穿所述原材料粉末层(11)所根据的扫描图案的分析来更新所述线偏振激光辐射的偏振平面的取向，其中，对所述扫描图案的分析在开始生产所述三维工件(110)之前进行和/或在生产所述三维工件(110)期间原位进行。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的辐照系统(10)，
其中，所述控制装置(18)被配置为：
-根据线偏振激光辐射束(14a，14b)在原材料上的入射角(α)来控制所述线偏振激光辐射束(14a，14b)的功率、焦点直径和焦点形状中的至少一个，和/或将所述线偏振激光辐射束(14a，14b)引导穿过所述原材料粉末层(11)所根据的扫描图案、扫描速度、扫描方向、和扫描模式中的至少一个，和/或引导穿过所述原材料粉末层(11)的气体流的至少一个参数；和/或
-控制扫描器单元(22)，使得线偏振激光辐射束(14a，14b)根据如下扫描策略扫描过所述原材料粉末层(11)，在所述扫描策略中，在扫描指向不同于第一矢量方向的第二矢量方向的至少一个扫描矢量之前，连续扫描指向所述第一矢量方向的多个扫描矢量；和/或
-控制所述辐射系统(10)，使得用线偏振激光辐射选择性地辐照所述原材料粉末层(11)的第一部分，并且用随机激光辐射、径向偏振激光辐射和/或方位角偏振激光辐射选择性地辐照所述原材料粉末层(11)的第二部分，所述原材料粉末层(11)的所述第一部分特别是通过选择性地辐照所述原材料粉末层(11)而产生的工件层的填充部分，和/或，所述原材料粉末层(11)的所述第二部分特别是通过选择性地辐照所述原材料粉末层(11)而产生的工件层的轮廓部分。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的辐照系统(10)，
其中，所述控制装置(18)被配置为控制扫描器单元(22)，使得多个线偏振激光辐射束(14a，14b)根据如下扫描策略扫描过所述原材料粉末层(11)的重叠部分，在所述扫描策略中，根据同一扫描模式扫描所有扫描矢量。
17.一种用于生产三维工件(110)的设备(100)，该设备配备有根据权利要求11至16中任一项所述的辐照系统。
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