由粉末层增材制造物体的方法与流程

1.本发明涉及由粉末层增材制造物体的方法以及适用于实施该方法的装置。


背景技术：

2.增材制造是指通过熔化彼此叠加的粉末层来制造物体。这些粉末层对应于待制造的物体的各个截面。
3.为了熔化粉末层，能量源以光斑的形式将能量束投射到该粉末层的表面上，在所述光斑处发生这种熔化。然后控制能量束以扫描表面，从而将这种熔化扩散到粉末层的整个表面上。
4.通常，能量束沿纵向方向并且以向外方向和返回方向交替地扫描表面的各个区域。
5.此外，提出了控制能量源，使得光斑不是以沿纵向方向的完全直线的平移移动在表面上行进，而是以包括沿纵向方向的平移和振荡移动的移动在表面上行进。振荡移动特别地沿横向方向以较高的频率和较低的振幅振荡，以扩大熔池。振荡移动通常是通过以摆锤的方式将能量束定向到一定角度范围而获得的。
6.此外，希望对光斑的尺寸进行精细控制，以避免施加至每单位面积的粉末层的能量的量过度波动。光斑的尺寸取决于能量源与表面之间的能量束所覆盖的距离并且其本身根据能量束相对于表面的倾角而变化。因此，振荡移动有助于光斑的尺寸以较高的频率变化。为了说明这一点，图1描绘了投射到垂直于纵向方向的平面的表面上的能量束的路径。在图1中，横向方向是水平的。能量束的路径能够围绕平行于纵向方向的轴线进行移动并且穿过固定点p。使用的标记如下：
7.·
s是能量束投射到表面上的光斑的中心。
8.·
r是点p与点s之间的最小距离。
9.·
α是能量束振荡的半角。
10.·
l是点p与以α角度倾斜的能量束所覆盖的表面s之间的距离。
11.·
a是点s沿横向方向在平面上的振荡的二分之一振幅。
12.在振荡过程中，点p与点s之间的能量束所覆盖的距离变化了距离差d，得到：
[0013][0014]
距离差d的值非常小。例如，对于r＝700mm和a＝0.3mm，得到d＝0.06μm的值。
[0015]
为了在扫描的过程中保持完全恒定的光斑尺寸，那么聚焦装置必须考虑振荡，从而必须考虑这种非常小的距离差d。


技术实现要素：

[0016]
本发明的一个目的是能够在物体的增材制造过程中对能量束施加至粉末层的每单位面积的能量的量进行精细控制，同时获得扩大的熔池，但不会过早磨损发射能量束的能量源。
[0017]
为此，本发明的一方面提出了一种由粉末层增材制造物体的方法，所述方法包括以下步骤：
[0018]-将能量束以光斑的形式投射到粉末层的表面上，以熔化粉末，
[0019]-用能量束扫描表面，使得光斑在表面上以包括沿纵向扫描方向的平移和沿振荡方向具有至少一个分量的振荡移动的移动行进，
[0020]-根据沿纵向扫描方向的平移而不考虑沿振荡方向的振荡移动的分量来调整扫描过程中能量束的聚焦。
[0021]
根据振荡调整能量束的聚焦的聚焦装置使得可以获得理论上随时间保持不变的光斑尺寸。然而，发明人发现，以这种方式配置的聚焦装置由于振荡振荡的较高的频率及其较低的振幅而变得非常快地磨损。
[0022]
因此，在不考虑沿振荡方向的振荡移动的分量的情况下，调整扫描过程中能量束的聚焦，如根据第一方面的方法，可以避免这种过早磨损。然而，根据沿纵向方向的平移调整能量束的聚焦确实可以限制由平移移动引起的光斑尺寸的显著波动。因此，利用根据第一方面的方法的每单位面积施加的能量的量以可接受的比例变化。
[0023]
根据第一方面的方法可以进一步包括以下可选特征，单独考虑可选特征或者在可选特征的组合在技术上可行的情况下彼此组合考虑可选特征。
[0024]
优选地，振荡移动包括沿垂直于纵向扫描方向的横向扫描方向的横向分量，并且在不考虑振荡移动的横向分量的情况下调整能量束的聚焦。
[0025]
优选地，振荡移动的横向分量以至少1khz的频率振荡。
[0026]
优选地，振荡移动的横向分量以介于100微米至2毫米之间的振幅振荡。
[0027]
优选地，振荡移动包括沿纵向扫描方向的纵向分量，并且在不考虑振荡移动的纵向分量的情况下调整能量束的聚焦。
[0028]
优选地，振荡移动的横向分量以至少1khz的频率振荡。
[0029]
优选地，振荡移动的纵向分量以介于100微米至2毫米之间的振幅振荡。
[0030]
优选地，路径包括沿纵向扫描方向彼此偏移的连续环路。
[0031]
优选地，利用在投射能量束之前计算的预计算的聚焦参数值来调整能量束的聚焦，每个预计算的聚焦参数值与表面上的光斑的位置相关联。
[0032]
本发明的第二方面还提出了一种由粉末层增材制造物体的装置，所述装置包括能量源，所述能量源配置为：
[0033]-将能量束以光斑的形式投射到粉末层的表面上，以熔化粉末，
[0034]-控制用能量束扫描表面，使得光斑在表面上以包括沿纵向扫描方向的平移和沿振荡方向具有至少一个分量的振荡移动的移动行进，
[0035]-根据沿纵向扫描方向的平移而不考虑沿振荡方向的振荡移动的分量来调整扫描过程中能量束的聚焦。
附图说明
[0036]
本发明的其他特征、目的和优点将通过以下描述变得明显，以下描述仅是说明性的和非限制性的并且应结合所附附图进行阅读，其中：
[0037]
图1(已经讨论过)图示地描绘了投射到表面上的振荡能量束在横向方向上的行
进。
[0038]
图2是根据一个实施方案的增材制造装置的示意图。
[0039]
图3是根据一个实施方案的增材制造方法的步骤的流程图。
[0040]
图4描绘了在关于图3的方法的实施期间，由能量束投射到表面上得到的光斑所遵循的路径。
[0041]
在所有的附图中，相似的元件具有相同的附图标记。
具体实施方式
[0042]
增材制造装置
[0043]
参考图2，增材制造装置包括能量源1和支撑件140。
[0044]
支撑件140具有沿两个方向延伸的自由表面(其通常是平坦的)：纵向方向和垂直于纵向方向的横向方向。在下文中，纵向方向将按照惯例表示为x，横向方向表示为y。
[0045]
所述支撑件140的自由表面旨在充当粉末层150或彼此堆叠的多个粉末层150的支撑表面140。
[0046]
一般而言，能量源1设计成朝向支撑件140投射能量束。当粉末层150沉积在支撑件140上时，该能量束以光斑的形式投射到粉末层150的上表面上。
[0047]
能量源1特别地包括生成装置110，所述生成装置110配置为生成能量束。例如，生成装置110是激光源；于是生成的能量束是包含光子的激光束，或者换句话说是光束。或者，生成装置110是设计成生成电子束的电子束熔融(electron beam melting，ebm)类型。在下文中，将考虑激光束的非极限性情况。
[0048]
能量源1进一步包括设计成调整光束的聚焦的聚焦装置。因此，该聚焦装置能够改变能量束投射到沉积在支撑件140上的粉末层150的上表面上的光斑的尺寸。
[0049]
例如，聚焦装置包括聚焦元件1102和聚焦透镜1101，所述聚焦透镜1101能够平行于透镜的光轴相对于聚焦元件平移移动。聚焦透镜1101位于能量束的生成装置110的下游。在下文中，术语“上游”和“下游”隐含指能量束沿着从生成装置110延伸至支撑件140的光路的传播方向。
[0050]
聚焦装置包括用于相对于聚焦元件1102移动聚焦透镜1101的致动器。
[0051]
能量源1进一步包括扫描装置130，所述扫描装置130设计成将能量束定向为使得该能量束投射的光斑能够沿纵向方向和横向方向在粉末层150的表面上相对于支撑件140移动。
[0052]
扫描装置130位于聚焦装置的下游。
[0053]
例如，扫描装置130包括第一扫描镜131和第二扫描镜132，所述第一扫描镜131能够相对于支撑件140围绕第一旋转轴线133旋转地移动，所述第二扫描镜132能够相对于支撑件140围绕第二旋转轴线134旋转地移动，所述第二旋转轴线134与第一旋转轴线133不同。两个扫描镜131、132中的一个位于另一个扫描镜的下游，使得来自生成装置110的能量束在朝向支撑件140重新定向之前依次被两个扫描镜反射。
[0054]
作为变体实施方案，扫描装置130包括单个扫描镜，所述单个扫描镜能够相对于支撑件140围绕第一旋转轴线133和第二旋转轴线134旋转地移动。在这种情况下，所述单个扫描镜定位成使得来自生成装置110的能量束在朝向支撑件140重新定向之前被该扫描镜反
射。
[0055]
扫描装置130还包括至少一个致动器(每个扫描镜使用一个致动器)。各个致动器的目的是围绕至少一个旋转轴线并且在扫描角度的范围内旋转地移动扫描镜。
[0056]
例如，扫描角度的范围适于使得光斑覆盖粉末层150的整个表面，或者至少覆盖其大部分。
[0057]
对于扫描装置的给定配置，从生成装置110发出的能量束的中心轴线在特定点截取支撑件140的表面。因此，该点的坐标(x，y)与扫描镜131、132的角位置之间存在数学关系。
[0058]
特别地，扫描装置130配置为引起投射到粉末层150的表面上的光斑的复合移动。该复合移动包括沿纵向扫描方向、以向外方向和与向外方向相反的返回方向彼此交替的平移，纵向扫描方向的选择与支撑件140的纵向方向和横向方向无关。
[0059]
复合移动还包括光斑在沉积在支撑件140上的粉末层150的表面上沿至少一个振荡方向的振荡移动。
[0060]
例如，激光源110和扫描装置130布置成使得表面熔化的速率(也就是说，每单位时间内激光光斑所覆盖的粉末层150的面积)大于1000cm2/min，例如大于2000cm2/min，例如大于4000cm2/min，例如小于15000cm2/min，例如小于10000cm2/min，例如为6000cm2/min的量级。
[0061]
例如，扫描装置130配置为使得光斑的行进速率介于0.5至10m/s之间，例如，介于1至5m/s之间，例如，等于1或2m/s。
[0062]
能量源1还包括配置为控制聚焦装置和扫描装置130的控制单元(控制单元未示出)。该控制单元特别地配置为控制这些不同装置的相应致动器。
[0063]
控制单元可以包括存储器或连接至存储器，所述存储器存储有针对支撑件140的自由表面的平面中的各种坐标对(x，y)计算的预计算的聚焦参数值的表格。因此，当光斑以支撑件的表面的坐标(x，y)的点为中心时，控制单元配置为利用预计算的值的表格中与该坐标对相关联的聚焦参数值来控制聚焦装置。
[0064]
增材制造方法
[0065]
参考图3，使用上述装置的增材制造方法包括以下步骤。
[0066]
将至少一个粉末层150沉积在支撑件140上，如图1所示。粉末层150具有沿支撑件的纵向方向和支撑件的横向方向延伸的自由表面。
[0067]
例如，粉末颗粒的颗粒尺寸介于10至100μm之间，例如，介于20至60μm之间，例如，等于40μm。
[0068]
例如，粉末层150或每个粉末层150的材料具有介于0.5至10j/mm2之间的通量，例如，介于1至5j/mm2之间的通量，例如，等于2j/mm2。
[0069]
粉末层150或每个粉末层150的材料可以包含钛和/或铝和/或铬镍铁合金和/或不锈钢和/或马氏体时效钢。粉末层150或每个粉末层150的材料可以由钛和/或铝和/或铬镍铁合金和/或不锈钢和/或马氏体时效钢组成。
[0070]
启动生成装置110以发射能量束。该能量束在以光斑的形式投射到粉末层150的自由表面之前穿过聚焦装置和扫描装置130(步骤200)。因此，粉末层150在该光斑的区域处加热，以至熔化其颗粒。
[0071]
扫描装置130对能量束定向，使得光斑在表面上沿纵向扫描方向平移移动(步骤202)。
[0072]
在步骤202期间，扫描装置130使能量束振荡，使得该平移通过振荡移动进行调制；因此，该光斑按照前面提及的复合移动进行移动。
[0073]
振荡移动可以以多种方式实施。
[0074]
在第一实施方案中，振荡移动仅沿横向扫描方向执行，该横向扫描方向垂直于纵向扫描方向。因此，光斑所遵循的路径是之字形路径。
[0075]
在第二实施方案中，振荡移动包括沿横向扫描方向的横向振荡分量以及沿纵向扫描方向的纵向振荡分量，横向扫描方向垂直于纵向扫描方向。换句话说，这种振荡移动使得光斑不仅沿横向扫描方向而且沿纵向扫描方向在粉末层150的表面上振荡。
[0076]
这两个分量的组合使得可以定义二维振荡移动，从而限定光斑路径，所述光斑路径包括沿纵向扫描方向彼此偏移的连续图案，这些图案的形状取决于这两个分量的特定参数，特别是其频率、振幅和相移。
[0077]
例如，当振荡的两个分量以相同的频率振荡时，振荡移动可以是圆形的或椭圆形的。通过将这种圆形或椭圆形的移动与由扫描装置130执行的上述平移进行组合，可以设法使光斑在粉末层150的表面上遵循包括沿纵向方向彼此偏移的连续环路的路径，如图4所示。在图4中，虚线的箭头表示扫描装置沿纵向方向的上述平移移动。
[0078]
在变体实施方案中，振荡移动可以具有其他形状，例如，数字八或无穷符号的形状(即，横写的数字八)。于是，光斑遵循包括比简单的环路更复杂的连续图案的路径。
[0079]
当振荡移动具有横向分量时，该横向分量优选以至少1khz的频率振荡。当能量束是激光束时，该频率通常介于1khz至10khz之间，或者，当能量束是电子束时，该频率通常介于1khz至100khz之间。此外，振荡移动的横向分量可以以介于100微米至2毫米之间的振幅振荡。
[0080]
类似地，当振荡移动具有纵向分量时，该纵向分量优选以至少1khz的频率振荡。当能量束是激光束时，该频率通常介于1khz至10khz之间，或者，当能量束是电子束时，该频率通常介于1khz至100khz之间。此外，振荡移动的横向分量可以以介于100微米至2毫米之间的振幅振荡。
[0081]
在扫描过程中，要求聚焦装置调整能量束的聚焦。为了进行这样的调整，聚焦透镜1101相对于聚焦元件1102平移移动，这具有相对于粉末层150的表面移动由能量源1形成的光学系统的图像焦平面的效果。
[0082]
由聚焦装置执行的聚焦调整考虑到由扫描装置130(其沿纵向方向平移移动光斑)执行的扫描。因此，由扫描引起的光斑尺寸的波动受该调整的限制。
[0083]
更具体地，通过聚焦调整的能量束焦距根据扫描装置的扫描镜的角度位置而变化。
[0084]
如前所述，对于扫描装置130的给定配置，由能量源1投射的能量束的中心轴线在坐标(x，y)的特定点处截取支撑件140的表面。因此，该点的坐标(x，y)与扫描镜的角位置之间存在数学关系。通过考虑沉积在基底上的粉末层150的平均厚度，可以预先计算聚焦装置在扫描过程中用于改变能量束的聚焦的参数值，并且将这些参数值存储在控制单元所使用的存储器中。因此，控制单元不需要为了指示聚焦装置而执行计算。
[0085]
相反，由聚焦装置执行的聚焦调整不考虑由扫描装置130产生的振荡。更具体地，能量束焦距与由振荡引起的能量束角位置无关。
[0086]
换句话说，聚焦装置配置为表现得好像不存在能量束的振荡一样。
[0087]
沿横向扫描方向在表面的多个相邻区域上重复上述步骤。沿纵向扫描方向、但是以向外方向和返回方向彼此交替地扫描这些区域，以使粉末层150的表面的二维扫描的过程加速。
[0088]
上述方法可以是其他变体实施方案的主题。
[0089]
第一，能量束可以由本文所述的振荡装置120以外的其他类型的振荡装置振荡，并且可以通过前述的聚焦装置以外的其它类型的聚焦装置聚焦。上述方法可以应用于任何类型的能量源，这些能量源能够改变以光斑的形式投射到表面上的能量束的聚焦，并且能够在该表面上以包括平移和振荡移动的复合移动移动该光斑，无论所述能量源的内部结构(尤其是能够产生该复合移动的不同分量的结构)如何。
[0090]
第二，在本文所述的方法的实施方案(其为优选的实施方案)中，不考虑振荡移动的分量来调整能量束的聚焦。这提供了避免过早磨损能量源(特别是聚焦装置)的优点。作为变体实施方案，当振荡移动具有两个分量(一个横向，一个纵向)时，可以设想能量束的聚焦仅取决于振荡移动的两个分量中的一个分量。当然，这导致更大的能量源磨损，但是对能量束的聚焦的控制更精确。
[0091]
第三，尽管为了避免繁重的计算负担，预计算的聚焦参数值是非常有利的，但是在扫描过程中仍然可以动态计算这些值。