用于控制照射束的方法、装置和设备

技术领域

本发明总体上涉及用于在加层制造中控制照射束的方法、装置和设备。

背景技术

在添加分层方法中，通过产生一系列固化且互连的工件层来逐层生产工件。这些工艺可以通过原料的类型和/或固化所述原料以生产工件的方式来区分。

例如，粉末床熔融是一种添加分层工艺，通过该添加分层工艺，粉末物(特别是金属和/或陶瓷原料)可以被加工成复杂形状的三维工件。为此，原料粉末层被施加到载体上，并根据待生产的工件的期望几何形状以位置选择性的方式经受例如电子辐射或激光辐射。穿透到粉末层中的辐射导致原料粉末颗粒的加热，因此导致原料粉末颗粒的熔化或烧结。然后，进一步的原料粉末层被依次施加到载体上的已经经受辐射处理的层上，直到工件具有期望的形状和尺寸。选择性电子束熔化、选择性激光熔化或激光烧结可特别用于基于CAD数据来生产原型、工具、替换部件或医疗假体(例如牙科或整形外科假体)。

在整个本公开中，任何关于选择性激光熔化的介绍同样适用于选择性激光烧结、选择性电子束熔化、立体光刻(stereolitography)、MELATO、选择性热烧结或任何其他基于能量束的添加加工方法。因此，任何关于添加层制造的介绍可适用于选择性激光熔化、选择性激光烧结、选择性电子束熔化、立体光刻、MELATO、选择性热烧结和任何其他基于能量束的添加加工方法中的一种或多种。

添加层构造方法的重要参数是所生产的工件的质量。此外，生产效率对于例如保持尽可能短的生产周期而言是至关重要的。例如，已知许多策略用于加速单个工件层的生产。然而，在生产大工件时，已知方案并不总能达到期望的效率和/或质量。

发明内容

因此，本发明的目的特别是提高使用加层制造工艺生产三维工件的质量。本发明的另一目的特别是提高在使用加层制造工艺制备三维工件时的效率，同时避免损害所生产的三维工件的质量。

因此，本文描述了一种用于在用于生产三维工件的加层制造工艺中控制用于照射原料粉末层的照射束的方法，其中，该方法包括：利用层沉积机构将所述原料粉末层沉积在载体的顶部和/或载体顶部的前一材料层的顶部；当照射区域和层沉积机构之间的距离高于阈值距离时，控制照射束对照射区域中的原料粉末层的至少一部分进行照射，并且其中，阈值距离取决于(i)层沉积机构的移动速度，和(ii)原料粉末层上方的气流速度v

发明人已经意识到，特别是由于层沉积机构的移动，粉末床层上方的层流气流可能会受到干扰。由于可能希望在层沉积机构移动时已经对原料粉末层进行照射，因此可能需要限定照射区域，使得特别是在层沉积机构移动期间，可以保持照射区域到原料粉末层的在其上方层流气流被扰乱的多个部分的距离。因此，照射区域中的气流可以不再由于湍流而受到干扰，湍流可能是由于层沉积机构的移动而产生的。因此，在以有效方式制备三维工件的同时，提高了待生产工件的质量，这是因为可以在层沉积机构仍然移动的情况下开始对原料粉末层进行照射。

虽然层沉积机构的移动速度(以及，在一些示例中，层沉积机构的形状，如下面将进一步概述的)可能对在层沉积机构移动期间可能出现的任何湍流有影响，但是在控制照射束时，也会考虑在原料粉末层上方的气流速度。本公开的示例性实施方式尤其是这种情况，因为任何湍流都可能由于气流而被向前携带并远离待照射的原料粉末层。虽然气流本身的速度(特别是对于高于阈值速度的气流速度)可能根据层沉积机构的形状和/或移动速度而引起湍流，但是气流速度越大，任何湍流可以被带走得越快。因此，考虑到生产三维工件的任何操作条件和参数，可能需要找到这些考虑之间的平衡，以优化气流的速度。

如将理解的，层沉积机构在移动期间可能会加速和减速。因此，在整个本公开中，针对层沉积机构的移动速度的任何介绍可能涉及层沉积机构在部分行进距离上的平均移动速度(特别是在粉末床上，即原料粉末层上，注意，层沉积机构可以在没有沉积原料粉末(层)的一个或多个部分上移动)、层沉积机构在层沉积机构的完整行进距离上的平均移动速度(其中，完整行进距离可以与层沉积机构的一个或多个行程相关)、以及层沉积机构在具体位置(特别是在粉末床上，即原料粉末层上)的移动速度中的一个或多个。

在一些示例中，当层沉积机构移动越过载体和/或载体顶部的前一材料层时，距离保持在阈值距离以上。这可以确保提高三维工件的生产效率，同时使得所生产的工件具有高质量。

在一些示例中，气流在平行于由载体限定的平面的第一方向上流动，其中，层沉积机构被构造成在垂直于或大致垂直于第一方向的第二方向上移动，其中，第二方向平行于由载体限定的平面，并且其中，阈值距离与第二方向上的v

在一些示例中，气流的速度可以在原料粉末层上方的一个或多个高度处测量。在一些示例中，一个或多个高度可以在原料粉末层上方5mm至50mm之间，使得气流的速度可以在5mm至50mm之间的一个或多个高度处测量。因此，在一些示例中，可以在两个或更多个高度处以逐步的方式(例如以1mm或0.1mm的步长)和/或连续地(特别是在5mm至50mm之间)测量气流。附加地或替代地，可以在气体入口的高度处测量气流的速度。

在一些示例中，可以在构建室中的一个或多个点/位置测量气流的速度，特别是在气体入口和/或气体出口和/或粉末床(即原料粉末层)的气体入口侧边缘/边缘区域和/或粉末床的气体出口侧边缘/边缘区域和/或粉末床上方。在整个本公开中，针对“气流速度”的任何介绍可以指在这些点/位置中的一个点/位置处的测量值，或在这些点/位置中的两个或多个点/位置处的测量值中的一个或多个(特别是任一组合)测量值的平均值。

在一些示例中，照射区域排除原料粉末层上的如下区域，当层沉积机构平行于载体和/或前一材料层移动时，该区域比阈值距离更靠近层沉积机构。因此，在由于层沉积机构的移动而可能仍然存在任何湍流的区域中，可以避免对原料粉末层的照射。

在一些示例中，阈值距离还取决于层沉积机构的形状。如将解释的，层沉积机构的形状尤其可以在层沉积机构不具有空气动力学形状的情况下(或甚至在层沉积机构具有空气动力学形状时)引起任何湍流。应当理解，层沉积机构的移动速度越高，任何湍流可能越明显。此外，如上所述，特别是对于高于阈值速度的气流速度，虽然气流本身的速度可能根据层沉积机构的形状和/或移动速度而引起湍流，但是气流速度越大，任何湍流可以被带走得越快。因此，在控制照射束时，特别是在层沉积机构移动越过载体和/或载体顶部的前一材料层时，可以考虑前述参数。

在一些示例中，阈值距离还取决于气流的气体流动方向。气流的方向可能会影响湍流可能出现的位置和程度。因此，考虑气流的方向使得能够制备具有更高质量的三维工件，同时确保在层沉积机构仍然移动的情况下已经生产出三维工件。

在一些示例中，原料粉末层上方的气流速度v

在一些示例中，排除面积与1/v

在一些示例中，层沉积机构的移动速度能在0m/s至0.5m/s之间调节，特别是连续地和/或以0.01m/s的增量调节。当层沉积机构移动时，例如0.2m/s的速度使得层沉积机构能够有效地制备原料粉末层，同时由于层沉积机构的移动引起的任何湍流可以保持在合理的水平或合理的最小值。

在一些示例中，从垂直于载体和/或载体顶部的前一材料层延伸的平面的横截面角度来看，层沉积机构具有矩形或大致矩形的形状，并且其中，照射区域排除层沉积机构的与层沉积机构在平面中的移动方向相反的一侧上的区域。该示例允许考虑任何潜在的湍流，这些湍流可以特别地或主要地形成在层沉积机构后面，即，在层沉积机构的背离层沉积机构的移动方向的一侧。

在一些示例中，该区域具有三角形或大致三角形的形状，其中，三角形的中直线由层沉积机构的与层沉积机构在所述平面中的移动方向相反的一侧形成。发明人已经意识到，任何潜在的湍流尤其可能出现在这种三角形或大致三角形的区域中，使得在控制照射束时，特别是在确定原料粉末层的哪一部分或哪些部分不进行照射(至少在预定时间段内)时，可以考虑这种现象，所述这些部分在到层沉积机构的阈值距离内。在一些示例中，照射区域的侧部由三角形的斜边限定，其中，三角形被布置在层沉积机构与照射区域之间。

在一些示例中，v

在一些示例中，原料粉末层的照射被控制成在层沉积机构开始形成原料粉末层的区域中开始。正是在这个区域，任何潜在的湍流可能已经(或首先)被气流带走。

在一些示例中，原料粉末层的照射被控制成在与气流的气体入口相对或大致相对的位置开始。这使得能够在与气流方向相反的方向上照射原料粉末层，使得由于照射原料粉末层而产生的任何烟雾不会影响随后在该层的未固化区域中照射原料粉末层。在一些示例中，照射被控制成逆着气流方向继续。

在一些示例中，照射束和/或第二照射束被控制成照射如下区域，层沉积机构在载体和/或载体顶部的前一材料层延伸的平面中朝向该区域移动。可以假设在该区域中没有(或相对较少)湍流出现。在一些示例中，层沉积机构在平面中移动所朝向的区域在照射期间被改变为与层沉积机构相距预定安全距离，这使得能够确保在待照射的该区域中没有(或相对较少)湍流出现。

本文进一步描述计算机程序产品，该计算机程序产品包括程序代码部分，该程序代码部分用于当计算机程序产品在一个或多个计算装置上执行时，执行如本文所述的任何示例性实施方式的方法。在一些示例中，计算机程序产品可以存储在计算机可读记录介质上。

本文进一步描述了一种用于在用于生产三维工件的加层制造工艺中控制用于照射原料粉末层的照射束的装置，其中，该装置包括：一个或多个处理器；和存储器，存储器可操作地联接到该一个或多个处理器，其中，存储器被配置成存储程序代码部分，程序代码部分在被一个或多个处理器执行时，使得当照射区域和层沉积机构之间的距离高于阈值距离时，该装置控制照射束以对照射区域中的原料粉末层的至少一部分进行照射，层沉积机构用于将原料粉末层沉积在载体的顶部和/或载体顶部的前一材料层的顶部，其中，该阈值距离取决于(i)层沉积机构的移动速度，和(ii)原料粉末层上方的气流速度v

本文还描述了一种用于经由加层制造方法生产三维工件的设备，其中，该设备包括：载体，载体被构造成接纳用于生产三维工件的材料；材料供应单元，材料供应单元被构造成向载体和/或载体顶部的一个或多个先前的材料层供应材料；层沉积机构，层沉积机构用于将供应的材料形成为载体顶部的材料层和/或载体顶部的一个或多个先前的材料层；固化装置，固化装置被构造成将供应给载体和/或载体顶部的一个或多个先前的材料层的材料固化以生产三维工件；气体供应单元，气体供应单元被构造成将保护气体供应到材料层的待由固化装置固化的区域；处理室，处理室包括气体供应单元和固化装置；以及根据在整个本公开中概述的任何示例性实施方式的装置。在一些示例中，该设备包括根据在整个本公开中概述的任何示例性实施方式的计算机程序产品。

附图说明

现在将参照附图仅以示例的方式进一步描述本发明的这些和其他方面，其中，相同的附图标记指代相同的部件，并且其中：

图1示出了根据本文所述的一些示例性实施方式的用于使用加层制造工艺生产三维工件的设备的横截面示意图；

图2a和图2b分别示出了根据本文所述的一些示例性实施方式的在加层制造工艺期间使用的层沉积机构的横截面侧视图和俯视图；

图3示出了根据本文所述的一些示例性实施方式的方法的流程图；

图4示出了根据本文所述的一些示例性实施方式的装置的框图；以及

图5示出了根据本文所述的一些示例性实施方式的设备的框图。

具体实施方式

发明人已经意识到，当层沉积机构移动时，粉末床上方的层流气流可能会受到干扰。

如果原料粉末层的照射要在层沉积机构仍在移动时开始，则可能需要保持到层沉积机构有足够大的距离，以在已经平静的气流区域中开始照射。如果构建平台的区域中的气流已经再次达到所需状态，则可以在涂覆过程中开始照射。

由于湍流由气流携带，因此在一些示例中，湍流区域形成在层沉积机构后面的理想化三角形中。如将理解的，除其他情况外，湍流区域的形状在一些示例中基于层沉积机构的形状，层沉积机构可以采用各种形状。

在本示例中，层沉积机构后面的三角形的延伸可能受层沉积机构的移动速度(在一些示例中约为0.2m/s)、一些示例中的层沉积机构的形状(由于湍流的产生)和气流的速度(在一些示例中，例如在粉末床上方30mm的高度，约为1.5m/s)的影响。在一些示例中，粉末床的典型宽度介于150mm至1000mm之间。

距层沉积机构的不再出现湍流的距离(“平静距离”)可以设置为平行于层沉积机构的距离，在一些示例中，该距离通过三角形的最长延伸量(在气流的越位边缘)来计算，而在一些示例中，该距离通过可选偏移量(附加安全距离)来计算。替代地，可以有平行于斜边的边界(沿着斜边或除了偏移之外)，即，在一些示例中，在气流的上游侧的照射可以比在下游侧的照射更早开始。

照射可以特别在粉末床的边缘开始，在粉末床的边缘，层沉积机构已经开始移动越过粉末床，优选地另外与气体入口相对，因此照射过程可以逆着气流进行。一旦层沉积机构已经在越位边缘覆盖了至少平静距离，就可以开始照射。

此外，层沉积机构“前面”的照射可以同时发生(借助于相同的照射源和/或第二照射源)。在一些示例中，可以仅保持到层沉积机构的小的安全距离，使得在层沉积机构前面的该区域中可以假定平静的(层流)气流。

特别地，本发明涉及用于使用加层制造工艺来生产三维工件的方法、装置和设备，以及其中所使用的层沉积机构。

本文描述的示例使得能够在加层制造工艺中，特别是在选择性激光熔化机器中提高生产率。根据本公开的示例使得能够在涂覆(用粉末材料)期间已经可以开始照射，或者至少在层沉积机构已经离开构建平台的区域之后，构建平台的区域中的气流已经再次达到期望的状态，因此可以立即开始下一层的照射，而没有任何质量损失。

在一些示例中，层沉积机构以及层沉积机构的(机械)层沉积机构悬架或附接件以如下这样的方式设计，即，在构建平台上方引导的气流受到尽可能小的影响。在一些示例中，层沉积机构悬架被设计成网格结构，特别是蜂窝结构或层状结构，或者被设计成单独的窄网，窄网在垂直于气流方向的截平面上的横截面积与由层沉积机构悬架或层沉积机构的外部轮廓限定的截平面上的面积相比相对较小。在一些示例中，层沉积机构本身是空气动力学形状的，并且在一些示例中，层沉积机构可以具有柔和的锥形侧表面，以在气流通过该柔和的锥形侧表面时使湍流最小化。

图1示出了用于使用加层制造工艺来生产三维工件102的设备100的示意性横截面图。

在该示例中，设备100包括联接到偏转单元(扫描仪)106的照射单元104(例如，激光或粒子束发生器)，使得照射束108可以被导向粉末层110或粉末床。通过以这种方式控制照射束108，可以适当地生产工件102，其中，粉末材料111不会在某些区域被照射束108固化。

在该示例中，该设备包括载体112，在该载体上生产三维工件102。载体112可以通过提升机构114在处理室116内竖直移动，如本示例所示。

在该示例中，设备100包括大致金字塔形或梯形的层沉积机构118。在本公开的所有示例中，层沉积机构也可以仅具有一个倾斜的侧表面(例如，面向气体入口或气体出口的侧表面)，而其他侧表面垂直于载体平面。

在该示例中，设备100的层沉积机构118具有下侧部119a和与下侧部平行的相对侧部119b，粉末材料在侧部119a上施加到载体和/或具有比侧部119b更大的面积的粉末床上。粉末铺展装置118b(即，铺展元件或刮刀元件，例如涂布机唇部、刷子、辊子或推动器)附接到层沉积机构118的下侧部。

在该示例中，层沉积机构118具有柔和的锥形侧表面119c和119d。特别地，在侧表面119c和侧部119b之间的过渡部和在侧部119b和侧表面119d之间的过渡部是凸形的，使得气流可以被引导越过层沉积机构118，而不会在气流中引起湍流(或者仅引起很小的湍流)。

在该示例中，层沉积机构118在两个区域中联接到层沉积机构悬架120a和120b。在一些示例中，层沉积机构仅在一个区域中联接到层沉积机构悬架。在该示例中，设备100还包括导轨和/或驱动器122a和122b，通过导轨和/或驱动器，层沉积机构118连同层沉积机构悬架120a和120b可以在载体112上移动，或者在该示例中，在粉末层110上移动。

在该示例中，设备100还包括气体入口124和气体出口126，由此可以在设备100中产生气流125，当层沉积机构118不位于载体112上方时，该气流125在载体112或最上面的粉末层110上方形成气流，特别是层流气流。气体入口124和气体出口126之间的轴线128以虚线示出。在该示例中，该设备还包括气体入口130，以在气体入口130和气体出口126之间产生第二气流132。

层沉积机构118的与气体入口喷嘴(即，气体入口124)相对的一个或多个表面119c用作气体传导表面，因此优选地形成为与轴线128成0°至90°(在本示例中约为45°)的角度。

表面119c侧和/或另一侧119d上的层沉积机构悬架120a至少部分地形成为气体可流动结构，特别是网格结构和/或层状结构。

在该示例中，层沉积机构悬架120a、120b的气体可流动结构至少部分地具有流向横截面，特别是椭圆形或泪珠形横截面。

在该示例中，层沉积机构118的与气体流出口(即气体出口126)相对的表面119d也用作气体引导表面，并且优选地与轴线128成0°至90°(在本示例中约为45°)的角度。特别地，该角度可以与表面119c相对于轴线128的角度相同。替代地，层沉积机构118也可以沿着流出口的方向继续，特别是直到包含流出口的壁(即气体出口126)，并且至少部分地覆盖气体出口126。

在该示例中，从侧部119c到层沉积机构118的上表面/侧部119b的过渡部和/或从侧部119d到层沉积机构118的上表面/侧部119b的过渡部是凸形的，以使得气流能够接触表面并避免湍流。

在一些示例中，层沉积机构118的前侧部和/或后侧部也是成角度的。替代地，层沉积机构118的前部和/或后部可以被构造成在移动越过粉末层110期间成角度，并且可以在一个或两个停放位置(在粉末层的相对侧上)被移动到直立位置以恰好邻接处理室的壁。在一些示例中，该机构联接到粉末斜槽的开口。

层沉积机构悬架120a、120b的导流部段可以设计成使得气流根据移动方向不同地偏转，为此，这些部段特别可以设计成可调节的。根据移动方向，导流部段可以在所产生的相对流动方向的方向上对准，以尽可能少地影响气流。

图2a示出了根据本文所述的一些示例性实施方式的在加层制造工艺期间使用的层沉积机构118的示意图的横截面侧视图200。

可以看出，当层沉积机构118沿移动方向204移动时，可以在照射束108固化原料粉末的照射区域203和层沉积机构118之间保持距离202(如上所述称为“平静距离”)。因此，可以确保照射束108不会照射太靠近可能发生湍流的层沉积机构118的原料粉末。在该示例中，距离202基于层沉积机构118的形状、层沉积机构118的移动速度和气流在原料粉末层上的速度来确定。

图2b示出了根据本文所述的一些示例性实施方式的在加层制造工艺期间使用的层沉积机构118的示意图的俯视图210。

原料粉末层和层沉积机构118上方的气流212通过箭头表示。

可以看出，在该示例中，在照射区域203和层沉积机构118之间形成(假设的)三角形214，由此在三角形214的区域中可能出现湍流，使得该区域应被排除在照射束108的照射之外。该区域随着层沉积机构118的移动而改变。

在该示例中，在三角形214区域和照射区域203之间提供偏移(图2b中的虚线)，这可以允许在层沉积机构118和照射区域203之间提供另外的安全距离，以确保在照射区域203中不发生湍流(或仅发生低于阈值的湍流)。在平行于层沉积机构118来限定距离202的示例中，偏移可以被限定为平行于层沉积机构118的边缘的偏移216，该偏移与层沉积机构118的移动方向相反。在照射区域203的边缘由三角形214的斜边限定的示例中，偏移可以被限定为平行于三角形214的斜边对准的偏移218。在该示例中，偏移216和/或偏移218介于10mm至50mm之间。偏移216和/或偏移218可以是可变的(如上所述，例如以逐步的方式(以1mm或0.1mm的步长)和/或以连续方式可变)。

在该示例中，照射在粉末床的边缘开始，在该边缘，层沉积机构已经开始其移动(并且优选另外地，与气体入口相对，因此可以提供逆着气流的照射)。在该示例中，一旦层沉积机构已经在越位边缘覆盖了至少距离202，就可以开始照射。

图3示出了根据本文所述的一些示例性实施方式的方法300的流程图。

在该示例中，方法300包括在步骤S302，利用层沉积机构将原料粉末层沉积在载体的顶部和/或载体顶部的前一材料层的顶部。在步骤S304，方法300包括当照射区域和层沉积机构之间的距离高于阈值距离时，控制照射束对照射区域中的原料粉末层的至少一部分进行照射，其中，阈值距离取决于(i)层沉积机构的移动速度，和(ii)原料粉末层上方的气流速度v

图4示出了根据本文所述的一些示例实施方式，在用于生产三维工件的加层制造工艺中，用于控制用于照射原料粉末层的照射束的装置400的框图。

在该示例中，该装置400包括：一个或多个处理器402；和存储器404，存储器可操作地联接到该一个或多个处理器，其中，存储器被配置成存储程序代码部分，程序代码部分在被一个或多个处理器执行时，使得当照射区域和层沉积机构之间的距离高于阈值距离时，该装置控制照射束以对照射区域中的原料粉末层的至少一部分进行照射，层沉积机构用于将原料粉末层沉积在载体顶部和/或载体顶部的前一材料层的顶部，其中，该阈值距离取决于(i)层沉积机构的移动速度，和(ii)原料粉末层上方的气流速度v

图5示出了根据本文所述的一些示例性实施方式的用于经由加层制造方法生产三维工件的设备500的框图。

在该示例中，设备500包括载体112，该载体被构造成接纳用于生产三维工件的材料；材料供应单元502，该材料供应单元被构造成为载体和/或载体顶部的一个或多个先前的材料层供应材料；层沉积机构118，该层沉积机构用于将供应的材料形成载体顶部的材料层和/或载体顶部的一个或多个先前的材料层；固化装置104，该固化装置被构造成将被供应给载体和/或载体顶部的一个或多个先前的材料层的材料固化，以生产三维工件；气体供应单元504，该气体供应单元被构造成将保护气体供应到材料层的待由固化装置固化的区域；处理室506，该处理室包括该气体供应单元和该固化装置；以及根据本文概述的示例(特别是图4)的装置400。载体112、材料供应单元502和层沉积机构118也可以布置在处理室506内。

毫无疑问，技术人员会想到许多其他有效的替代方案。应当理解，本发明不限于所描述的实施例和示例性实施方式，并且包括对本领域技术人员来说显而易见且在所附权利要求的范围内的修改。