CN116806178A - 粉末床熔合方法及相关设备 - Google Patents

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Abstract

一种确定要由粉末床熔合设备执行的指令的方法，其中，通过用能量束选择性地照射相继形成的粉末层的区以逐层的方式构建物体。该方法包括根据初级曝光参数确定层内要用能量束照射的每个位置的曝光参数，这些曝光参数随位置变化。每个曝光参数从初级曝光参数变化的量至少部分地根据从照射位置导出的物体的几何量来确定。

Description

粉末床熔合方法及相关设备
技术领域
本发明涉及粉末床熔合方法以及用于执行这些方法的设备(比如粉末熔合设备)、构建准备系统(比如构建准备软件)和存储在数据载体上用于控制粉末床熔合设备的指令，在这些方法中，通过用能量束选择性地照射相继形成的粉末层的区域，以逐层的方式构建物体。
背景技术
粉末床熔合设备通过使用比如激光束等高能束将比如金属粉末材料等材料逐层固结来生产物体。通过以下方式在包含于构建套筒中的粉末床上在构建平面中形成粉末层：使构建套筒中的构建平台下降以使粉末床下降，将一堆粉末投放到下降后的粉末床附近，并用重涂器将这堆粉末(从粉末床一侧到另一侧)铺展在粉末床上以形成粉末层。然后通过用束照射这些区域来使与要形成的工件的截面相对应的粉末层的各部分固结。该束将粉末熔化或烧结以形成固结层。在层的选择性固结之后，使粉末床降低新固结的层的厚度，并且根据需要在表面上铺展另一层粉末并使其固结。
物体的表面光洁度可以随着面向下的表面的角度而变化。特别地，由于材料下垂和过多的热量被输入到区域中，所以较低的构建角度可能表现出更显著的影响。在减少这些影响的尝试中，已知识别要固结的层的区域的(悬伸)区，这些区是使用与用于该区域的其他(芯/主体)区的那些曝光参数(主体曝光参数)不同的悬伸曝光参数来固结的。悬伸区典型地与物体的向下定向的表面相关联，这些表面与构建平面成低于阈值角度，比如低于45度。
然而，已经发现，即使在悬伸区内使用悬伸参数，部件的变形和/或失败仍可能在这些悬伸区处发生。此外，阈值角度的使用引入了几何形状从低于阈值过渡到高于阈值的表面光洁度的改变，这可以被认为是缺陷。
US2018/0311757 A1披露了粉末床熔合设备，该粉末床熔合设备包括具有摄像头的传感器，该传感器感测构建件的形状信息，例如尺寸测量值。比较器从存储器获得物体模型，并且可以执行物体模型与形状信息的比较以确定与物体模型的差异。补偿器基于该差异修改打印指令，例如，通过在下一次扫描中增加对较厚粉末区域中的能量施加。在其他实施例中，使用基于物理学的模型来预测构建件的形状。
US2015/0174658 A1披露了一种通过粉末床的部分的连续熔合形成三维物品的方法，该方法包括：检测至少在第二粉末层中的至少两个位置处的局部厚度，以及取决于所检测的第二粉末层的局部厚度改变能量束参数。
DE 102016218951 A1披露了一种用于增材制造的方法和装置，其中用于至少一个第一材料层的曝光的曝光参数取决于所测量的基板的表面拓扑选择性地调整，使得第一层在曝光区域中完全附接到基板。
WO 2019/091621 A1披露了一种用于由粉末增材制造三维部件的方法，其中外壳区的每个第二或第三层不接触激光，但外壳区的其他层的曝光是以与芯区基本上相同的功率来执行的。
WO 2018/182596 A1披露了用于增材制造的能量配量。该方法包括根据与正在制造的物体的每个体素相关联的能量值，改变在多个不同体素位置处的激光束的强度、光斑大小和/或重叠。
DE 102011087374 A1披露了一种通过构建粉末材料的层来生产成型体的方法。激光束在相应层上的照射点处的能量密度根据照射点的限定的直接周围区的传导率被调制。热导率的度量是在限定的周围区中已经固结的体积元素的数量。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种确定要由粉末床熔合设备执行的粉末床熔合指令的方法，其中物体通过用能量束选择性地照射相继形成的粉末层的区以逐层的方式构建，该方法包括确定层内要用能量束照射的每个位置的曝光参数，这些曝光参数随位置变化。
层内要用能量束照射的每个位置的曝光参数可以根据初级曝光参数确定。每个曝光参数从初级曝光参数变化的量可以至少部分地根据从照射位置导出的物体的几何量来确定。
这样，可以提供较小的一组初级曝光参数，并且例如由计算机的处理器使用本发明的方法来确定初级曝光参数应如何随位置变化以避免在所得部件中的缺陷。这可以减少参数开发时间，因为不同的区类型(比如芯区和悬伸区)的多个曝光参数可以不需要凭经验确定。
该方法可以包括确定曝光参数，使得曝光参数例如在朝向待照射区的周界的方向上逐渐变化。本文所用的“逐渐变化”是指曝光参数的改变发生在要由能量束照射的多个相继位置上，而不是在单个阶跃中改变。通过使用逐渐变化的曝光参数，避免了由曝光参数的阶跃改变引起的缺陷。
曝光参数可以使用将几何量的值与曝光参数的值相关联的连续函数来确定(但是曝光参数可以被量化，使得每个曝光参数的最终值由(多个允许离散值中的)与使用连续函数确定的值最接近的允许离散值给出，例如，曝光时间的改变可以仅允许以2μs为步长)。减少或消除曝光参数中的阶跃改变是期望的，因为它可以减少或消除物体中的缺陷。
物体的几何量可以是从描述要使用粉末床熔合设备构建的物体的几何模型导出的。例如，几何模型可以是CAD模型或STL模型。
几何量可以是包括照射位置的尺寸测量值。尺寸测量值可以根据几何模型来确定(例如，计算)。尺寸测量值可以是距离的测量值，例如在几何模型内的两个点之间的距离。尺寸测量值可以是从照射位置到物体(如几何模型中所定义的)的表面(比如表面上的最近点)的长度、物体(如几何模型中所定义的)的表面上的两个点之间并且穿过照射位置的线段(比如最短线段)的长度(例如，曝光参数可以对于窄截面变化)、物体包括照射位置的区的面积、和/或包括照射位置的物体的体积。从几何模型计算的尺寸测量值可以包括多个距离，每个距离是从照射点到物体的表面上的不同点计算的。
应当理解，术语“照射位置”是指几何模型中对应于构建过程中的预期照射位置的位置。
尺寸测量值可以仅根据包含在物体的几何模型内的信息来确定(例如，计算)。例如，尺寸测量值可以不根据将几何模型中定义的物体与另一几何模型中所定义的物体的另一定义进行比较、物体的测量、模拟由几何模型定义的物体可以如何扭曲或不同于构建或其他模拟的意图的热模型来确定。这样，尺寸测量值的确定不需要超出物体定义的其他输入，该物体定义由定义设计意图的几何模型提供。因此，本发明在确定每个曝光参数从初级曝光参数变化的量时不依赖于测量或模拟的准确度。
尺寸测量值可以根据由几何模型给出的物体的单个定义来确定。距离的测量值可以是在由几何模型给出的物体的单个定义内定义的两个点之间。尺寸测量值可以是从照射位置到如由几何模型给出的物体的单个定义所定义的物体的表面(比如表面上的最近点)的长度、如由几何模型给出的物体的单个定义所定义的物体的表面上的两个点之间并且穿过照射位置的线段(比如最短线段)的长度(例如，曝光参数可以对于窄截面而变化)、如由几何模型给出的物体的单个定义所定义的物体包括照射位置的区的面积、和/或包括照射位置的物体的体积。
确定每个曝光参数从初级曝光参数变化的量可以包括使用函数或映射，比如公式，该公式基于在几何模型中定义的物体的几何特性定义了初级曝光参数与(修改后的)曝光参数之间的关系。函数或映射可以包括初级曝光值的乘数(系数)，其中乘数的值根据所确定的几何量来确定。乘数的值可以部分地根据几何量与几何特性的阈值量的比率(分数)来确定。阈值量可以是这样的值，高于该值时，使用初级曝光参数。
几何量可以是从照射位置到该照射位置上方的物体的(尚待构建的)表面的距离。
替代地或附加地，几何量可以是在层的平面中从照射位置到物体的表面的距离。例如，几何量可以是在层的平面中从照射位置到物体的表面上的最近点的距离。曝光参数是否由于层的平面中从照射位置到物体的表面的距离而从初级曝光参数变化可以基于照射点是否在表面的阈值距离内。如果照射点在阈值距离内，则曝光点变化的量可以至少部分地是照射点距表面上最近点的距离的函数。如果照射点超出阈值距离，则曝光点变化的量可以不是照射点距表面上最近点的距离的函数(例如，曝光点变化的量可以仅是其他几何量(比如照射位置下方的固结材料的厚度)的函数)。阈值距离本身可以是照射位置下方的固结材料的厚度的函数。例如，阈值距离可以随着固结材料的厚度减小而增大。阈值距离可以具有最大值和最小值。
替代地或附加地，几何量可以是在照射位置下方的固结材料的厚度。
距离的测量值可以与阈值距离相关，低于该阈值距离时，曝光参数将例如从初级扫描参数变化。
距离的测量值可以是在照射位置上方或下方的固结层(可能包括部分层)的数量。阈值距离可以是固结层的阈值数量。对于指定的层厚度，可以比如通过经验测试来选择初级曝光参数。因此，基于层的数量而不是距离的绝对测量值来选择何时使曝光参数从初级曝光参数变化，意味着算法适用于为多个不同层厚度确定的初级曝光参数。曝光参数可以通过按距离的测量值与阈值距离的比率缩放初级曝光参数来确定。
阈值厚度可以大于10层、20层、30层、40层或50层。
初级曝光参数可以包括曝光参数的最大值(例如用于物体的芯/主体)和曝光参数的最小值(例如，用在物体的边缘区域)，并且曝光参数可以基于几何量被确定是最大值与最小值之间的值(优选地含最大值和最小值)。当距离的测量值等于或大于阈值距离时，最大值可以用于曝光参数，而当距离的测量值小于阈值距离时，在最大值与最小值之间的值可以用于曝光参数。
曝光参数可以从以下组中选择：能量束参数，比如能量束功率、和/或曝光时间；扫描参数，比如点间距、扫描速度、光斑大小/焦点位置和/或光斑形状；扫描路径参数，比如扫描间距(相邻扫描路径之间的距离)、和/或扫描路径长度；以及曝光相邻点/区之间的时间。相邻点/区可以是相邻曝光点或包括多个扫描路径和/或曝光点的相邻区，比如正方形或条带。应当理解，本文中使用的术语“曝光参数”不包括扫描路径的属性，比如扫描路径的位置或形状，但是扫描路径的位置或形状的确定可能受到曝光参数的影响(例如，通过一组扫描路径之间的扫描间距的变化)。
最小功率可以在最大功率的四分之一到四分之三之间。最小曝光时间可以在最大曝光时间的一半到八分之七之间。最小点间距可以在最大点间距的一半到八分之七之间。最小扫描间距可以在最大扫描间距的十分之六到十分之九之间。在一些实施例中，一些束参数可以不变化(即，具有相同的最大值和最小值)。
该方法可以包括在物体的构建开始之前确定用于每个曝光参数的量。每个曝光参数的量可以独立于扫描方向、可能甚至独立于能量束的扫描路径来确定。换句话说，每个曝光参数的量可以独立于在构建过程中层的照射行进的顺序。这可以是有利的，因为在顺序扫描时其他因素可能是重要的，比如气流方向(如在WO 2014/125258、WO 2014/125280和WO2019/211587中所披露的，其披露内容通过引用以其整体并入本文中)或擦拭器位置(如在WO 2015/140547中所披露的，其披露内容通过引用以其整体并入本文中)。因此，当结合如本文所披露的曝光参数的确定使用这样的原理来安排曝光时，曝光参数的确定独立于扫描的顺序可能是有用的。
增材制造设备可以包括多个扫描器，每个扫描器能够独立于其他扫描器扫描能量束。扫描器中的一个或多个可以用于根据所确定的曝光参数照射层中的区。因此，曝光相邻点/区之间的时间可以应用于通过能量束中的任何一个对相邻点/区的曝光。因此，扫描器可能需要被控制，使得实现曝光之间所需的定时，例如使用扫描器的确定性控制，如WO2017/085469中所描述的，其该文件通过引用以其整体并入本文中。
该方法可以包括确定用于能量束的扫描路径，例如，能量束可以作为连续扫描或作为一系列离散曝光沿扫描路径行进，并且曝光参数被确定为随着能量束沿扫描路径行进而变化(例如，能量束功率、扫描速度、曝光时间、点间距、曝光相邻点/区之间的时间、光斑大小/焦点位置和/或光斑形状可以随着能量束沿扫描路径行进而变化)。特别地，随着能量束朝向或远离物体的周界移动变化扫描参数可能是有利的。
替代地，该方法可以包括根据从位置测量的物体的几何量来确定要用于待照射区的不同部分的曝光参数，并且扫描路径被确定为遵循相等曝光参数的等值线(例如，曝光参数然后扫描路径确定方案)。这可能是有利的，因为能量束沿这样的扫描路径行进的速度可以不受增材制造设备的扫描器改变扫描参数的动态能力的限制。此外，可以无缝地改变遵循等值线的扫描路径的扫描间距。
该方法可以包括基于热量(例如在构建过程中测量的固结材料或粉末床的温度和/或由热模型确定的固结材料或粉末床(例如在照射位置处)的预测温度)来确定每个位置的曝光参数。
该方法可以包括将粉末床熔合指令输出到例如粉末床熔合设备。
粉末可以是金属粉末，比如钢(例如，马氏体时效钢、316级钢或工具钢)、铝或铝合金、钛或钛合金(例如，Ti-6AL-4V)、镍超合金(例如，Hastelloy、Rene 41或CM247)或钴铬合金。
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，这些指令在被处理器执行时致使处理器执行本发明第一方面的方法。
根据本发明的第三方面，提供了一种粉末床熔合方法，其中，物体通过用能量束选择性地照射相继形成的粉末层的区域以逐层的方式构建，该方法包括用能量束根据一组曝光参数来照射层，该组中的曝光参数随着照射位置而变化。
每个位置的每个曝光参数可以根据初级曝光参数确定，其中每个曝光参数从初级曝光参数变化的量至少部分地根据从照射位置导出的物体的几何量来确定。该组中的曝光参数可以随着照射位置下面的固结材料的厚度改变而逐渐变化。
照射能量可以随着在不同的照射位置下面的固结材料的厚度的减小而逐渐减小。
根据本发明的第四方面，提供了一种粉末床熔合设备，包括：照射装置，用于将能量束引导到工作平面的选定区；层形成装置，用于在工作平面中形成粉末层；以及控制器，被布置为控制照射装置以将能量束引导到相继形成的粉末层上以熔化和/或烧结粉末材料，从而以逐层的方式构建物体，其中，照射装置被控制为执行本发明的第三方面的方法。
根据本发明的第五方面，提供了一种其上存储有指令的数据载体，这些指令在由粉末床熔合设备的控制器执行时致使控制器控制粉末床熔合设备执行本发明的第三方面的方法。
数据载体可以是用于向机器提供指令的合适介质，比如非暂态数据载体，例如软盘、CD ROM、DVD ROM/RAM(包括-R/-RW和+R/+RW)、HDDVD、Blu Ray(TM)光盘、存储器(比如Memory Stick(TM)、SD卡、紧凑型闪存卡等)、磁盘驱动器(比如硬盘驱动器)、磁带、任何磁性/光学存储器；或暂态数据载体，比如在导线或光纤上的信号或无线信号，例如在有线或无线网络上发送(比如互联网下载、FTP传输等)的信号。
附图说明
图1是根据本发明的实施例的粉末床熔合增材制造设备的示意图；
图2是图示了在本发明的这个实施例中使用的各种曝光参数的示意图；
图3是图示了计算用于根据初级能量束参数确定能量束参数的缩放因子的图；
图4图示了沿曝光参数的等值线定位扫描路径以及扫描路径之间的扫描间距的变化；
图5a和图5b示出了根据示例1的部件的几何模型确定的部件几何形状和部件在构建板上的布置的图像；
图6a和图6b是示出了用于示例1的部件的曝光参数的表格；
图7是示出了示例1的部件的构建结果的表格。
图8a、图8b和图8c示出了在示例2中测试的不同扫描策略；
图9a和图9b是示出了用于示例2的部件的曝光参数的表格；
图10是示出了示例2的部件的构建结果的表格。
图11a和图11b是示出了用于示例3的部件的曝光参数的表格；
图12是示出了示例3的部件的构建结果的表格。
图13a和图13b是示出了用于示例4的部件的曝光参数的表格；
图14是示出了示例4的部件的构建结果的表格。
图15是示出了根据示例5的部件的角度、厚度和长度的表格；
图16是示出了用于示例5的部件的曝光参数的表格；
图17是示例5的部件的图片；以及
图18是图示了根据本发明的实施例的确定曝光参数的方法的流程图。
具体实施方式
参考图1，根据本发明的实施例的粉末床熔合增材制造设备包括构建室101，该构建室可与外部环境密封开，使得可以在其中维持惰性气氛(在本实施例中为氩气，但可以使用其他惰性气体，比如氮气或氦气)。在构建室101内的是加工板115和构建套筒116。构建平台102可在构建套筒116中降低以限定构建容积117。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(物体)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。
在通过层形成装置，在此实施例中，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加工板115限定的上表面上，并通过擦拭器(未示出)铺展在粉末床上。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。在另一个实施例中，粉末层可以通过非接触式重涂器形成在工作平面190中。构建方向BD垂直于工作平面190。
多个激光模块105a、105c产生用于熔化粉末104的激光束118a、118c，这些激光束118a、118c按需要由对应光学模块(扫描器)106a、106c引导。激光束118a、118c穿过共用激光窗口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(比如用于改变对应激光束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190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。
入口和出口(未示出)被布置用于产生跨过形成在构建平台102上的粉末床的气体流。入口和出口被布置为产生具有从入口到出口的流动方向的层流。气体通过气体再循环回路(未示出)从出口再循环到入口。
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108和擦拭器)通信。如下所述，控制器140基于存储在存储器162中的软件来控制这些模块。
控制器140使用确定性控制来控制多个激光器106a、106c和扫描器105a、105c，其中命令信号指定执行时间(而不是简单地排队)，如WO 2017/085469中所描述的，该文件通过引用并入本文。这样，可以实现对由每个激光束118a、118c照射粉末之间的定时的精确控制。
使用时，计算机170接收描述要使用粉末床熔合增材制造设备构建的三维物体的几何模型，比如STL文件。计算机170基于限定的层厚度将几何模型划切成多个切片，以在粉末床熔合增材制造设备中构建为层。
计算机可以包括接口，该接口被布置为提供用户输入，以用于选择构建物体的材料。计算机基于由用户识别的材料来确定曝光参数。例如，计算机170可以包括存储器172，该存储器中存储有适合于所识别材料的初级(主体)曝光参数的数据库。确定每个层的熔化区域的激光曝光图案以及用于曝光图案中的不同位置的曝光参数，以形成物体的相应的截面(切片)。基于这些确定，计算机170产生粉末床熔合指令，这些指令被发送到控制器140(比如通过网络连接171)，以致使增材制造设备根据粉末床熔合指令执行构建。
参考图2，根据第一实施例，基于从照射位置导出的物体的几何量(在本实施例中为该位置下面的固结材料的厚度)来确定要用激光束照射的每个位置的曝光参数。这可能导致曝光参数随位置而变化。
曝光参数可以包括通过控制能量束源/激光器105a、105c实现的能量束源/激光器参数，比如激光束功率和曝光时间；通过控制扫描器106a、106c以及指定能量束/激光束如何沿扫描路径行进而实现的扫描参数，比如扫描速度、点间距(PD)、曝光相邻点/区之间的时间、光斑大小/焦点位置和光斑形状；以及指定一组扫描路径的属性的扫描路径参数，比如扫描路径之间的距离(扫描间距(HD))和一组扫描路径的最大长度或最小长度。在本实施例中，扫描路径被双向扫描，然而，应当理解，扫描路径可以在单个方向上被扫描。所有层的扫描方向可以是相同的，或者这些方向可以在层之间旋转(例如旋转设定的角度)，使得连续层的扫描路径不平行。
在接收到用户对材料的选择时，计算机170从数据库中检索初级曝光参数组。对于可以在层上逐渐变化的每个曝光参数(可变曝光参数)，在数据库中提供最大值Emax和最小值Emin。对于在应用特定参数组时保持不变的曝光参数(固定曝光参数)，提供曝光参数的单个值，或者将Emax和Emin设定为相同的值。在确定沿扫描路径的照射位置的可变曝光参数的逐渐变化之前确定扫描路径的系统中，扫描路径参数是固定的。在确定可变曝光参数随位置的逐渐变化之后或与确定可变曝光参数随位置的逐渐变化迭代地确定扫描路径的系统中，扫描路径参数可以是可变的。
在本实施例中，基于照射位置下面的固结材料的厚度来确定可变曝光参数的变化。根据以下等式来确定某个位置处的曝光参数Edyn：-
其中，Nx是在照射位置下面的固结材料的层数(在构建方向BD上测量)，Nc是预设的阈值层数，低于该阈值层数时，曝光参数从曝光参数的最大值Emax变化，以及阶是正实数，并且典型地是整数。在本实施例中，阶具有从1至5的值，优选地是3。当Nx等于或大于Nc时，Edyn等于Emax。当Nx等于0时，Edyn等于Emin。在Nx的这些值之间，Edyn是在Emax与Emin之间的值，并且如果照射位置下面的固结材料的厚度逐渐变化，则Edyn将逐渐变化。典型地，要增材制造的物体将被设计为在构建方向BD上不具有厚度的阶跃改变。
Nx可以通过以下确定：
其中，Tx是在位置x处的照射位置下面的固结材料的厚度，以及t是层厚度。如果在确定层之前根据物体的几何模型计算Tx，则Nx可以具有非整数值。Nc典型地大于10，优选地大于30，最优选第大于40。
应当理解，在其他实施例中，可以使用Nx和Nc的其他函数。对于函数的至少一部分，曝光参数随着Nx的改变而逐渐变化，典型地能量密度随着Nx减小而减小。
图3示出了物体的楔形悬伸区段，其中标记为t*Nc的虚线指示构建方向BD上的厚度从大于临界厚度t*Nc过渡到小于临界厚度t*Nc的位置。这种计算可变曝光参数的方法可以产生曝光参数不变化的非动态区w1和曝光参数变化的动态区w2。动态区w2的大小将随着楔形悬伸区段的角度θ而变化。与现有技术中当悬伸区与构建平面的角度低于阈值角度时进行曝光参数的阶跃改变的方法不同，本发明动态地改变对于所有角度悬伸的曝光参数，仅改变曝光参数在其上变化的动态区的长度w2。另外，曝光参数的改变是通过(1)确定的逐渐改变，而不是曝光参数的阶跃改变。第三区(未示出)可以提供低角度悬伸，比如与水平方向成小于20度的角度的悬伸，其中跳过对每一个偶数层的曝光。在第三区中，奇数层接触具有曝光参数的激光束，该激光束产生比用于第二动态区w2的能量密度更高的能量密度。这种能量密度的增加可以补偿由于下方未熔化的偶数层导致的这个第三区中要熔化的粉末厚度的增加。第三区可以由Nx的阈值限定，比如Nx低于5。对于偶数层，对于具有低于阈值的Nx值的照射点停止曝光。对于奇数层，将具有较高能量密度的曝光用于具有低于阈值的Nx值的照射点。
在第一实施例中，扫描路径参数是固定曝光参数，并且对于每个层，扫描路径是基于固定扫描路径参数来确定的。一旦确定了扫描路径，就确定沿扫描路径的每个照射位置的曝光参数。可变曝光参数可以是激光功率、曝光时间和点间距。
这样的实施例具有将扫描路径的确定与可变曝光参数的确定解耦的优点。然而，它限制了可用于改变输入到层的一部分中的照射能量的自由度。例如，激光器106a、106c可能不能在较低的激光功率下稳定地工作，并因此，将激光功率降低到低于特定的最小值以便实现较低的照射能量可能是不可实现的。为了实现所期望的结果，可能需要改变其他曝光参数，比如扫描间距。
在第二实施例中，在扫描路径之前确定层上的可变曝光参数或与恒定厚度Nx相关联并因此将根据(1)具有相同曝光参数的至少照射位置的等值线。然后可以基于所确定的曝光参数/等值线来确定扫描路径。这样的实施例可以允许扫描路径参数(比如扫描间距)的变化。为了避免对于变化的扫描路径参数的扫描路径中的不连续性，可能期望扫描路径与恒定曝光参数的等值线重合。这样，相邻扫描路径之间的扫描间距可以变化，同时避免扫描路径中的不连续性。
图4示出了应用于楔形物体200的这种方法的说明性示例。可以看出，对于其中照射位置下面的固结材料的厚度高于阈值厚度Nc的非动态区w1，扫描路径是等距离的(相等的扫描间距)并且曝光参数是相同的。对于其中照射位置下面的固结材料的厚度低于阈值厚度Nc的动态区w1，扫描路径之间的扫描间距随着楔体变得更薄而减小，并且在这个区的扫描路径之间存在曝光参数的相应改变，但沿每个扫描路径的曝光参数保持相同。对于这个示例，扫描路径被示为笔直的，然而对于不同形状的物体，扫描路径可以具有不同的弯曲形状。
WO 2014/006094披露了基于层内要熔合区的几何轮廓的扫描路径。本发明与此不同之处在于，扫描路径不一定遵循区的轮廓，而是扫描路径的位置由相同曝光参数的线限定，在本实施例中，这些曝光参数由下面的固结材料的厚度限定。
示例1
具有图5a所示几何形状的十八个部件在构建板上以如图5b所示的布置构建。这些部件与工作平面190形成20°的斜度并具有2mm的厚度。层厚度是30μm。用于构建部件的参数在图6a中示出，对于所有部件都是动态激光功率和扫描间距(HD)参数(在100μm的最大HD与如图6a所示的最小HD之间)，并且对于一些部件是动态点间距参数。束尺寸是固定的，尽管一些部件用固定的67μm束直径构建，而另一些部件用固定的89μm束直径。曝光时间固定在80μs。激光束沿扫描路径单向地行进。
等式(1)用于确定物体的曝光参数的动态改变。使用12和20的Nc值以及1和5的阶。
如从图7中可以看出，所有部件最终都失败，但是那些使用12作为Nc值确定动态参数的部件比使用20的那些部件更早地失败。具有较低能量密度的主体参数还看起来产生了更好的结果。
主体曝光参数从以下初始曝光参数改变：-
功率＝200W；束距离＝67μm；曝光时间＝50μs；点间距＝65μm；扫描间距＝65μm；产生2.37J/mm2的能量密度。
改变到以下新的主体曝光参数：-
功率＝195W；束距离＝67μm；曝光时间＝80μs；点间距＝80μm；
扫描间距＝100μm；产生1.95J/mm2的能量密度。
示例2
具有图5a所示几何形状的十六个部件在构建板上以与图5b所示的类似布置构建。层厚度是30μm并且使用新的主体曝光参数。功率、扫描间距和点间距的曝光参数都根据等式(1)动态变化。使用的阶是5，并且对于不同的部件使用10、25和30的Nc值。使用各种扫描策略，如图8a、图8b和图8c所图示。图9a和图9b的表格示出了用于每个部件的曝光参数和Nc值以及扫描路径策略。最小能量密度是1.56J/mm2。
图10中的表格图示了部件失败的顺序。扫描路径策略1和2的失败晚于其他扫描策略，扫描路径策略2产生稍好的结果。使用较高Nc值的部件较晚出现失败。
示例3
十八个部件的几何形状与图5a所示的几何形状类似，但在构建板上相对于构建平面以不同角度构建。这些部件以与图5b中所示布置的类似布置构建。层厚度是30μm并且使用新的主体曝光参数。功率、扫描间距和点间距的曝光参数都根据等式(1)动态变化。不同的部件使用3、5和10的阶以及在40到56之间的Nc值。使用扫描策略1和2。图11a和图11b的表格示出了用于每个部件的曝光参数、Nc值和扫描路径策略。
图12示出了在构建过程中部件失败的顺序。扫描路径策略2(双向扫描)看起来产生了更好的结果。用阶3和阶5两者实现了成功构建。
示例4
十八个部件的几何形状与图5a所示的几何形状类似。这些部件以与图5b中所示布置的类似布置构建。层厚度是30μm并且使用新的主体曝光参数。功率、扫描间距、点间距和曝光距离的曝光参数根据等式(1)对于不同的部件以不同的组合动态变化。不同的部件使用3、5和10的阶以及在40到56之间的Nc值。曝光时间的变化是根据等式(1)以2μs的步长进行的，而不是作为平滑函数进行的。使用扫描策略1和2。图13a和图13b的表格示出了用于每个部件的曝光参数、Nc值和扫描路径策略。
如从图14中可以看出，大部分部件被成功地构建。与示例3相比，实现了上表层区域和下表层区域的质量的显著改善。根据部件的光学分析，部件17被认为是最高质量的。对于部件17，曝光时间、扫描间距和点间距都是固定的，仅根据等式(1)动态地改变功率。然而，如从本示例中的其他成功构建可以看出，可以动态地变化这些其他曝光参数而不导致构建失败。
示例5
十六个部件的几何形状与图5a所示的几何形状相似，但与工作平面成不同的角度、具有不同的厚度和不同的长度，如图15所示。层厚度是30μm并且使用新的主体曝光参数。对于所有部件，激光功率根据等式(1)动态地变化，并且对于部件4、8和16，曝光时间动态地变化。使用阶3。对于不同的部件，使用在14与56之间的Nc值。图16的表格示出了用于每个部件的角度、厚度、曝光参数和Nc值。
参考图17，样品5和8由于体能量密度高而失败。其余部件成功地构建。部件13和14的曝光参数是使用较低的Nc值来计算的，它们在较高层表现出粉末燃烧的迹象。在没有粉末燃烧和材料损耗的情况下构建了25°至40°的壁。通过使用较低的主体功率打印厚度为0.5mm的15°壁和20°壁，解决了粉末燃烧的问题。消除粉末燃烧解决了材料损耗的问题。
本发明的第三实施例除了考虑了垂直距离/厚度Nx之外，还考虑了从几何模型中定义的照射点到物体表面上最近点的水平距离。在本实施例中，基于到表面上最近点的距离对如使用等式(1)所确定的曝光参数Edyn进行进一步调整，以确定曝光参数的最终值EdynR。在本实施例中，在距物体表面距离dedge内的照射点的最终曝光参数EdynR由下式确定：
EdynR＝kEdyn (2)
其中，折减因子k的值根据由几何模型确定的照射点与物体表面上最近点之间的距离来确定。在本实施例中，k由下式给出：
其中，dmax、dmin、kmax和kmin是例如基于被加工的材料而预设定的常数，以及d是到如在几何模型中所定义的物体表面上最近点的距离。
对于距物体表面超过距离dedge的照射点，EdynR＝Edyn(4)。
dedge由下式给出：
因此，照射点距表面的阈值距离dedge取决于距离/厚度/照射点下面的材料的层数Nc，在该阈值距离内应用等式(2)。换句话说，在考虑水平方向上物体表面附近的照射点来调整曝光参数之前，照射点下面的固结材料的量越厚，照射点可能在水平方向上越靠近物体表面。dmin设定距物体表面的水平距离，在该水平距离内，无论照射点下面的固结材料的厚度如何，曝光参数都将从初级曝光参数修改。换句话说，当照射接近物体表面时，将从Edyn下调曝光参数，下调曝光参数的距离由dmin给出。dmax设定距物体表面的水平距离，超过该水平距离时，无论照射点下面的固结材料的厚度如何，曝光参数等于Edyn。
典型地，kmax等于1，并且kmin小于1。dmax和dmin可以基于比如固定点间距或固定扫描间距的固定曝光参数来设定。
例如，dmin可以被设定为等于固定点间距或固定扫描间距。dmax可以基于扫描长度，比如最小扫描长度、条带宽度或棋盘扫描图案的正方形的宽度。例如，dmax可以被设定为等于或小于最小扫描长度、条带宽度或棋盘扫描图案的正方形的宽度。
本发明的上述实施例在图18的流程图中图示。在步骤201中，由运行构建准备软件的处理单元(比如计算机)接收物体的几何模型。几何模型可以是定义物体表面的CAD模型、STL模型等。在步骤202中，对于由几何模型定义的物体中对应于构建过程中的照射位置的每个点，确定由几何模型中物体的定义给出的一个或多个相关尺寸测量值。在第一实施例和第二实施例中，尺寸测量值是在照射点下面的固结材料的厚度Nc。第三实施例附加需要在层平面中距物体表面上最近点的距离d。
在步骤203中，对于几何模型中对应于构建过程中的照射位置的每个点，根据初级曝光参数的缩放来确定曝光参数。缩放是根据一个或多个相关尺寸测量值来确定的。在第一实施例和第二实施例中，缩放由等式(1)给出。在第三实施例中，缩放由等式(1)至(5)给出。在步骤204中，生成包括在203中确定的曝光参数的用于构建的指令，并且将这些指令发送到粉末床熔合增材制造设备。然后由粉末床熔合增材制造设备根据指令使用在203中确定的曝光参数执行构建。典型地，在构建过程中，曝光参数将与步骤203中确定的那些参数保持不改变。
应当理解，在不脱离如本文所限定的本发明的情况下，可以对上述实施例进行修改和改变。例如，在确定可变曝光参数的曝光参数时，可以考虑物体的其他几何特性。另外，用于确定曝光参数的等式可以是不同的，例如，等式可以包括基于厚度的测量值的不同阶数的多个项和/或使用物体的不同几何测量值的组合来确定曝光参数。
可以使用其他可变曝光参数，比如相邻曝光点/区的曝光之间的时间。

Claims (17)

1.一种确定要由粉末床熔合设备执行的指令的方法，其中，通过用能量束选择性地照射相继形成的粉末层的区以逐层的方式构建物体，所述方法包括：根据初级曝光参数确定层内要用该能量束照射的每个位置的曝光参数，所述曝光参数随位置变化，并且每个曝光参数从所述初级曝光参数变化的量至少部分地根据从所述照射位置导出的所述物体的几何量来确定。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，从描述要使用所述粉末床熔合设备构建的物体的几何模型导出所述物体的几何量。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述物体的几何量是在所述几何模型中所定义的从所述照射位置到所述物体的表面的距离。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括：确定所述曝光参数，使得所述曝光参数在多个照射位置上逐渐变化。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述几何量是包括所述照射位置的尺寸测量值。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述尺寸测量值是：
i)从所述照射位置到所述物体的表面的长度；或
ii)所述物体的表面上两点之间并穿过所述照射位置的线段的长度；或
iii)所述物体的包括所述照射位置的区的面积；或
iv)包括所述照射位置的所述物体的体积；或
v)从所述照射位置到所述照射位置上面的所述物体的表面的距离；或
vi)在所述层的平面中从所述照射位置到所述物体的表面的距离；或
v)在所述照射位置下面的固结材料的厚度的测量值，其中，厚度的测量值能够是在所述照射位置下面的固结材料相对于阈值厚度的厚度，或者厚度的测量值能够是在所述照射位置下面的固结层的数量，其中，所述阈值厚度能够是固结层的阈值数量。
7.根据权利要求6中任一项所述的方法，其中，所述曝光参数是通过将所述初级曝光参数按所述照射位置下面的固结材料的厚度与所述阈值厚度的比率进行缩放来确定的。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述初级曝光参数包括所述曝光参数的最大值和所述曝光参数的最小值，并且基于所述几何量将所述曝光参数确定为所述最大值与所述最小值之间的值。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括：确定所述能量束的扫描路径，并且所述曝光参数被确定为随着所述能量束沿所述扫描路径行进而变化。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，包括：根据从所述位置测量的物体的几何量来确定要用于待照射区的不同部分的曝光参数，并且扫描路径被确定为遵循相等曝光参数的等值线。
11.一种数据载体，所述数据载体上存储有指令，所述指令在由处理器执行时致使所述处理器执行如权利要求1至10中任一项所述的方法。
12.一种粉末床熔合方法，其中，通过用能量束选择性地照射相继形成的粉末层的区域以逐层的方式构建物体，所述方法包括：用所述能量束根据一组曝光参数来照射层，所述组中的曝光参数随照射位置而变化，并且根据初级曝光参数确定每个位置的每个曝光参数，其中，至少部分根据从所述照射位置导出的所述物体的几何量确定每个曝光参数从所述初级曝光参数变化的量。
13.一种粉末床熔合方法，其中，通过用能量束选择性地照射相继形成的粉末层的区以逐层的方式构建物体，所述方法包括：用所述能量束根据一组曝光参数来照射层，其中，所述组中的曝光参数随着所述照射位置下面的固结材料的厚度改变而逐渐变化。
14.一种粉末床熔合方法，其中，通过用能量束选择性地照射相继形成的粉末层的区以逐层的方式构建物体，所述方法包括：用所述能量束照射层，使得由所述能量束传递到所述粉末的所述区内的不同位置的照射能量随着所述不同的照射位置下面的固结材料的厚度的变化而逐渐变化。
15.根据权利要求14所述的粉末床熔合方法，其中，所述照射能量随着在所述不同的照射位置下面的固结材料的厚度的减小而逐渐减小。
16.一种粉末床熔合设备，包括：照射装置，用于将能量束引导到工作平面的选定区；层形成装置，用于在所述工作平面中形成粉末层；以及控制器，布置成控制所述照射装置以将所述能量束引导到相继形成的粉末层上以熔化和/或烧结粉末材料，从而以逐层的方式构建物体，其中，所述照射装置被控制以执行根据权利要求12至15中任一项所述的方法。
17.一种数据载体，所述数据载体上存储有指令，所述指令在由粉末床熔合设备的控制器执行时致使所述控制器控制所述粉末床熔合设备执行根据权利要求12至15中任一项所述的方法。
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