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CN106660123B - 使用光束的增材制造方法和系统 - Google Patents

使用光束的增材制造方法和系统 Download PDF

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Abstract

本方法包括以下步骤：a)供应建造材料；和b)使用光束(2)熔合所述建造材料；其中，执行步骤a)和b)，以便用熔合的建造材料逐步地生产所述物体。在步骤b)中，光束(2)被投射到建造材料上，以便在建造材料上产生主光斑，根据第一扫描图案在二维中重复扫描该光束，以便在所述建造材料上构建有效光斑(21)，所述有效光斑具有二维能量分布。有效光斑(21)相对于正被生产的物体移位，以通过熔合建造材料逐步地生产物体。

Description

使用光束的增材制造方法和系统
技术领域
本发明涉及通过增材制造生产三维物体。
背景技术
三维物体可以用许多方式制造，例如，通过在模具中成型的方式制造或通过诸如使用切削机从工件去除材料的方式制造。然而，在过去几十年中，所谓的增材制造(AM)已越来越普及。在增材制造中，将材料添加到正被生产的物体中，从而构建三维物体。也就是说，增材制造是以材料添加为基础而不是以材料去除为基础。
一些AM技术涉及能量束的使用，该能量束被施加到建造材料以使建造材料熔合。通过逐步添加熔合的建造材料层，产生三维物体。建造材料包括聚合物、金属、陶瓷和复合材料，并且通常以粉末形式提供。这里，必须对使用电子束的系统和使用光束(通常为激光束)的系统进行区分。
AM技术的一个示例是所谓的粉体熔化成型(PBF)工艺。PBF工艺包括一个或多个热源，该热源用于诱导使粉末层特定区域中的粉末颗粒之间相融合，该特定区域对应于待成型产品的横截面，该PBF工艺还包括用于添加粉末层并使粉末层平滑的装置。这种工艺的一个众所周知的示例是所谓的选择性激光烧结(SLS)工艺，其中激光束将与待成型物体的横截面相对应的区域中的薄层粉末(例如，一层具有厚度约为0.1mm的粉末)进行熔合。
使用反向旋转的平整辊将粉末散布在构建区域上，并将粉末预热到与建造材料的熔点和/或玻璃化温度相接近的温度。预热的目的是降低对激光束的功率要求。一旦材料被分布和预热，就将聚焦激光束投射到建造材料层上，并将激光光斑在所述层的区域上移位，以便逐步熔合该区域中的材料。该区域对应于待成型产品的横截面，由此该区域中建造材料的熔合生成产品薄片。接下来，降低建造区域并在熔合的建造材料和包围该熔合的建造材料的粉末的基础上施加新的建造材料层。通过重复这些步骤，逐片构建产品，直到完成该产品。PBF工艺中使用了至少四种不同的熔合机制，即：固态烧结、化学诱导烧结、液相烧结和完全熔化。在商业使用的工艺中，液相烧结和熔化趋向于主导地位。US-2014/0079916-A1和US-6215093-B1中公开了SLS工艺和系统的示例。
另一种AM技术涉及电磁能束(通常为激光束)的使用，称为光束沉积(BD)工艺。在这种工艺中，通过向建造材料施加能量束，在沉积建造材料的同时对建造材料进行加热。在上述PBF工艺中，建造材料首先将建造材料沉积在层中，然后通过能量束对建造材料进行选择性地加热，而在BD工艺中，材料在其沉积时被加热并熔合。BD工艺包括激光金属沉积(LBMD)工艺，该LBMD工艺通常涉及由一个或多个粉末喷嘴和激光光学器件集成的沉积头。该工艺涉及通过移动沉积头、基底或这两者来控制沉积头和基底之间的相对运动。US-2012/0138258-A1中公开了光束沉积系统的示例。US-2014/0015172-A1和WO-2008/003942-A2中公开了粉末沉积喷嘴的示例。
US-2013-0168902-A1公开了一种粉体熔化成型系统，在该粉体熔化成型系统中，出于质量控制的目的，通过传感器装置检测熔合区域。
US-2012/0266814-A1描述了如何沉积相对宽的涂层，而这必须通过并排重叠一系列复合层来实现。应当解释的是，如果只增加激光束直径，则熔池中心处的温度使得可能出现添加剂材料的高程度蒸发，或者基底可能熔化到过度的深度。此外，周围的基底材料可能被破坏达到过深的深度等。该文献描述了一系统，在该系统中，激光束在包括平面镜和衍射光学元件的光束整形设备中被整形，以便提供不同于传统高斯分布的光束能量分布，从而改进工艺。例如，强度可被布置为在激光光斑的前部处或在激光光斑的边缘处相对更高。
US-2013/0300035-A1公开了一种粉体熔化成型系统，并强调需要控制被照射的建造材料的温度，以便避免几何变形和开裂、并确保完全熔合。它还提到需要缩短生产时间以及需要在选定区域上尽可能有效地扫描光束。它提到了如何才能使用具有平行线的扫描图案以及需要考虑来自先前扫描线的热量，这可通过改变光束功率或速度来实现。该文献提出了一种方法，该方法涉及与建立的光束路径和虚拟光束相关的计算。该文献中公开的发明涉及一种方法，其中可以基于计算来预调整待使用光束的能量沉积。
US-2011/0305590-A1公开了一种光束沉积装置，在其一个实施例中，在制造期间进行激光辐射，以便产生用于固结粉末的相对高强度区域和用于加热基底以减轻基底变形的相对低强度区域。
通常，通过在光束路径之后的区域上扫描激光束来获得层的选定区域或部分的熔合，使得投射到该层上的激光光斑在该层的表面上移位，以便随后加热该区域的不同部分，该区域的不同部分通常是多个平行轨迹，直到整个区域已经被加热并熔合到期望的程度。US-2004/0099996-A1教导了如何在轨迹中施加辐射能量的示例。US-2006/0215246-A1公开了在快速成型系统中通常执行两种类型的激光扫描：光栅扫描和矢量扫描。US-2004/0200816-A1也教导了使用光栅扫描和/或矢量扫描来填充待熔合的区域，例如通过在填充该区域的光栅扫描之前或之后以矢量方式沿着横截面的轮廓熔合粉末。该文献建议使用热像反馈来控制温度，例如通过控制光束功率和/或扫描速度来控制温度。
US-2003/0127436-A1教导了一种通过减少物品每个横截面所需的光栅扫描线的数量来减少物品的构建时间的方式。
US-2003/0028278-A1教导了扫描间具有选定线间距的光栅扫描，扫描线的位置基本上在先前层中扫描线的位置之间的中心。由此，可以减少形成物品所需的扫描次数，而不会降低结构强度。
DE-10112591-A1教导了在增材制造的背景下的一些可选的激光扫描图案。
US-5904890-A教导了根据扫描图案的线的长度来调节激光束和激光光斑沿着扫描图案的线移动的速度，从而实现更均匀的密度分布。
US-2013/0216836-A1教导了在熔合/烧结工艺的环境中使用非线性扫描路径，以减少电磁辐射源束横穿区域的时间。
US-2014/0154088-A1教导了能量束的次生晶粒取向和扫描图案之间的关系。
DE-102009015282-A1教导了基于表格中的函数或数据将不同量的能量施加到正被选择性烧结或熔合的层的不同部分。因此，可以改进产品的机械特性。
US-2011/0168090-A1和US-2011/0168092-A1教导了具有宽喷嘴的激光沉积装置，以便可以沉积相对宽的均匀厚度的涂层。宽喷嘴与宽激光束组合，而宽激光束可以通过光束操纵技术(例如扫描)获得。
US-2010/0036470-A1公开了基于激光的电极制造工艺，并提及了包括激光能量和激光光斑尺寸的参数对工艺的控制。US-2008/0296270-A1公开了使用激光和粉末喷嘴的直接金属沉积，其用控制系统控制包括激光功率和横向速度的工艺参数。激光束功率也称为工艺参数。US-2006/0032840-A1教导了基于反馈控制的激光功率适应。US-2009/0206065-A1教导了通过调节包括激光功率和/或激光光斑尺寸的工艺参数来选择激光粉末加工。US-2002/0065573-A1提及了多个参数，例如激光功率、光束直径、光束的时间和空间分布、相互作用时间和粉末流速。该文献提出了使用二极管激光器，以快速响应并快速微调到该工艺。
WO-2014/071135-A1教导了在增材制造的背景下，适当地调制激光束脉冲的概念，以准确且精确地控制施加到粉末材料的热量，特别是为了实现更精细地控制由该方法所生产的最终物体的特性。
US-2006/0119012-A1教导了一种使用激光烧结来生产部件的方法，其中可熔粉末暴露在多个受控能量水平的激光扫描中并持续一段时间以熔化并致密化粉末。
CN-1648802-A公开了使用高能量束来连续烧结或熔化并沉积材料。该文献似乎教导了使用电子束的快速扫描。通过一个或多个扫描帧，成型区域中的材料的温度同步升高到烧结温度或再熔合温度，以在同步冷却之前沉积到成型区域上。这被认为降低了热应力并提高了成型精度和质量。
US-2010/0007062-A1公开了通过用高能量束在预热区域上沿着预定路径进行扫描，来均匀地预热粉末材料。
DE-10208150-B4教导了通过使扫描粉末层相应部分的激光束在其一般运动方向上沿着轨迹来回振荡，从而多次加热相同部分，由此可降低正被生产的物体的表面的粗糙度。该文献还教导了，为了设置或改变轨迹的宽度，该轨迹的横向方向上的运动可被添加到该轨迹的纵向方向上的运动。包括激光光斑沿着轨迹来回运动的方法也可用于正被熔合的层的其它部分，而不仅仅用于限定物体表面的部分。在该来回运动期间，激光光斑的速度、尺寸或功率可被修改。该文献表明激光可以产生移动的利萨如图形。
US-2003/0075529-A1公开了在光束沉积工艺的背景下，使用可调聚焦光学器件来控制光束几何形状。可以控制诸如路宽和强度分布的参数。可以使用振动或振荡元件，从而可以通过调节振荡的振幅来确定路宽。
US-2001/0002287-A1教导了使用光束整形光学器件来产生非对称激光束，该非对称激光束包括前部的激光束强度高于后部的激光束强度的激光束，该激光束在再凝固期间在沉积材料上施加热梯度。
US-2012/0267345-A1教导了在增材制造的背景下，在工艺期间如何使用诸如可变形反射镜的可变形反射装置来调节激光束的横截面形状，以控制能量分布。
不仅激光束可用于增材制造，电子束也可用于增材制造。然而，在电子束的情况下，电子束的横截面不能以与激光束相同的方式来使用光学器件成形，而必须采取不同的方法。WO-2004/056509-A1特别教导了使用电子束来产生三维物体，并建议使用干涉项以便在焦点周围的区域中提供更有利的热量分布，或者提供加宽的轨迹。在电子束的背景下使用与主运动方向垂直的方向的分量的运动可尤其有利，以便提供比电子束的焦点宽的某种类型的有效热点，也就是说，与当能量束是激光束时可以通过使用适当的光学器件所获得的相类似。扫描电子束以产生更多或更少的复杂图形是本领域众所周知的，参见：例如几十年来这个概念如何在阴极射线管中实现。本领域中众所周知的是使用磁场来控制电子束的方向，而不需要部件的物理移位。
如在例如US-2002/0145213-A1中所解释的，选择性激光烧结通常基于逐点(spot)方法或逐点(point)方法。US-2002/0145213-A1提出了一种不同的技术，该技术以根据相应的CAD设计创建的粘合粉末的可转移粉末调色剂图像和至少一种改性剂粉末的可转移粉末调色剂图像为基础。物体的构建是逐个区域地而不是逐点地进行。
US-2008/0038396-A1教导了通过使用电磁辐射固化建造材料来生产三维物体。能量输入经由包括预定数量像素的成像单元。
US-2003/0052105-A1提出了一种用于激光烧结的像素方法，包括例如数字微镜器件的使用。
US-2002/0051853-A1公开了逐层地制造物体，使用单个激光束来描绘正成形物体的特征，然后使用一系列等间隔的激光束来快速填充无特征区域，从而加速工艺。
WO-2014/016402-A1公开了一种包括电流计头的装置，当所述电流计头位于预定位置时，该电流计头能够控制激光束朝向烧结场的最大烧结区的每个点。该装置还包括限制装置以及移动装置，限制装置能够将激光束的转向限制于位于所述最大烧结区内的有效烧结区，移动装置用于在与所述烧结场的平面平行的平面中移动所述电流计头，允许所述电流计头定位在至少两个不同的位置，以及定位在与所述电流计头的每个位置相关联的有效烧结区。
CN-103567441-A公开了一种用于激光烧结的方法，其中在工艺期间改变激光光斑的尺寸以加速该工艺。
CN-203227820-U公开了一种方法，其中在工艺期间修改激光光斑的尺寸，以使尺寸与正被制造的部件的宽度相适应。
US-5753171-A教导了使用可变聚焦装置，由此可以在层的凝固期间改变光束的焦点，使得层的不同部分受到具有不同光束直径的热处理。
WO-2014/006094-A1公开了一种方法，其包括：获取待熔合的二维截面的几何轮廓的步骤；从该截面的几何轮廓确定参考路径的步骤，所述参考路径具有与所述几何轮廓的形状相关的形状；基于所述参考路径确定一组路径的步骤；以及控制激光束使得该激光束根据移动策略沿着一组预定路径移动的步骤，该移动策略限定了沿路径移动的顺序，及对于每条路径限定了开始移动的点。该方法旨在提高生产率。
US-2013/0270750-A1承认了不能简单地通过增加功率和/或扫描速度来增加工艺速度：增加的功率可最终产生汽化，而增加的扫描速度减少了停留时间，该停留时间可最终会太短。该文献提出了以同时使用两个激光束为基础的方法。
US-2005/0186538-A1教导了当高能量束的能量以多个步骤耦合到材料中时，可以减少生产时间。在第一步骤中，将能量耦合到材料层中的特定位置中，直到该层的在所述位置处的相应部分已被加热到刚好低于其熔点的温度。在能量耦合的最后步骤中，高能量束接着将所述部分加热到熔点以上，从而将材料熔合到其下面的层。通过这种方式，形成所制造的产品。
WO-2013/079581-A1公开了考虑到直接限定的周围区域的排热能力，如何根据粉末层上的相应照射位置来改变每单位时间的能量输入。能量输入通过设置照射参数(例如照射部位处的照射能量密度和/或照射部位的照射持续时间)来自动适当调节。
DE-10320085-A1涉及激光烧结或激光熔合工艺，并且讨论了在生产物体期间通过调节特征来调节激光加热，该特征诸如功率密度、扫描速度、轨迹宽度、轨迹之间的距离、激光束直径和光束功率。
US-2004/0094728-A1公开了一种系统，在该系统中，扫描器可以在平台上方移动，物体正在该平台上成型，以便允许生产高质量的大的物体。
WO-2014/037281-A2公开了一种用于对工件表面尤其是曲轴进行激光淬火的方法和系统。钢的激光淬火是公知的概念，但是由于存在很多热敏区域，而这些热敏区域在被激光束加热时可能遭受损坏，因此一些工件是有问题的。例如，在曲轴的情况下，当存在多个热敏部分如邻近油润滑孔的区域时会存在问题。WO-2014/037281-A2教导了如何通过使用具有二维能量分布的有效激光光斑来克服这种问题和类似问题，该二维能量分布可被动态适节以避免多个热敏子区域过热。
发明内容
本发明的第一方面涉及一种用于生产物体的方法，所述方法包括以下步骤：
a)供应建造材料；以及
b)使用光束熔合所述建造材料；
其中，执行步骤a)和b)，以便用熔合的建造材料逐步地生产所述物体；
其中，在步骤b)中，所述光束被投射到所述建造材料上，以便在所述建造材料上产生主光斑，根据第一扫描图案在二维上重复扫描所述光束，以便在所述建造材料上够建有效光斑，所述有效光斑具有二维能量分布，
以及其中，所述有效光斑相对于正被生产的物体移位，以通过熔合所述建造材料逐步地生产所述物体。
建造材料可以是适合增材制造的任何建造材料，该增材制造通过光束(诸如激光束)所施加的热量熔合而获得。在本发明的多个实施例中，建造材料以粉末形式提供。在本发明的多个实施例中，建造材料从包括以下材料的组中选择：金属、聚合物、陶瓷和复合材料、及上述材料的混合物或组合。
术语熔合(熔化等)不应被狭义地解释，而应包含适合于用其制造物体而提供的建造材料的任何变化。在本文中，概念“熔合”包含熔合机制，诸如固态烧结、化学诱导结合、液相烧结和完全熔化。
光束是电磁辐射束，例如激光束。可以使用例如在WO-2014/037281-A2中描述的任何技术来创建和调整有效激光光斑，该专利通过引用并入本文。尽管WO-2014/037281-A2关注于先前生产的工件的激光淬火，该工件诸如是曲轴并以热敏子区域为特征，热敏子区域诸如是邻近油润滑孔的区域，然而已发现其中公开的关于激光束扫描的原理还可以应用于增材制造的区域，其中这些原理可以用于在速度和/或质量方面增强建造材料的熔合方式。
在本发明的一些实施例中，该方法作为粉体熔化成型法实现，例如作为SLS(选择性激光烧结)方法实现。在本发明的其它实施例中，该方法作为光束沉积法实现，例如作为激光束沉积法实现。
可以根据第二扫描图案执行有效光斑相对于正被生产的物体的移位。也就是说，根据第一扫描图案扫描真实/主光斑以产生有效光斑，该有效光斑可根据第二扫描图案移位，该真实/主光斑即光束在任何给定时刻产生的光斑。因此，两种类型的移动被组合或叠加：主光斑根据第一扫描图案的移动，以及有效光斑根据第二扫描图案的移动。
术语“二维能量分布”是指能量束所施加的能量在有效光斑上分布的方式，例如，在光束沿第一扫描图案的一次扫描期间。
由于有效光斑可以具有相当大的尺寸，例如超过主光斑尺寸(面积)的4倍、10倍、15倍、20倍或25倍，因此本发明允许相当快速地熔合相当大的区域。因此，与如果通过例如跟随由多个彼此靠近布置的平行线组成的扫描图案在整个区域上简单地移动主光斑来执行加热相比，可以更快速地完成加热建造材料的某个范围或区域以实现熔合。具有相当大面积的有效光斑的使用允许高生产率，同时还允许将建造材料的每一部分加热相当长的时间，从而允许不太积极的加热，而不影响生产率。主光斑的面积可以明显小于有效光斑的面积。例如，在本发明的一些实施例中，至少在一部分工艺期间，主光斑具有小于4mm2的尺寸，诸如小于3mm2的尺寸。工艺期间可以修改主光斑的尺寸，以便在质量和生产率方面优化物体每个特定部分成型的方式。
另一方面，根据第一扫描图案在二维上重复地扫描主光斑而产生有效光斑，使用该有效光斑能够构建具有选定二维能量分布的有效光斑，该有效光斑基本上独立于所使用的特定光学器件(透镜、反射镜等)，并且该有效光斑可被调整和调节，以从不同的点出发提高或优化建造材料的熔合以及物体的生产，该不同的点包括质量和以kg或单位每小时计的生产速度。例如，热量可以分布成使得有效光斑的前部具有比后部更高的能量密度，从而提高熔合开始的速度，而后部可以用于维持足够时间的熔合以达到期望的深度和/或质量，从而在不放弃熔合质量的情况下，优化了有效光斑可相对于正被生产的物体移位的速度。此外，根据有效光斑多侧处的建造材料或物体的特性，可以关于有效光斑的这些侧而调整二维能量分布，例如以便在建造材料已具有相对高温的区域中施加较少的热量，该高温例如由最近已进行的加热获得，该加热例如在有效光斑的与当前被加热区域邻近的区域相对应的先前扫描期间进行。此外，可以根据正被成型的物体的形状来调整有效光斑，例如，当需要熔合正被生产的物体的特定区域中的建造材料时，可以使有效光斑在诸如横向方向(即与有效光斑沿着第二扫描图案移位的方向垂直的方向)的方向上更薄(即，更窄)或更宽，例如以与正被生产的物体在该区域中的部分的宽度相对应。例如，在本发明的一些实施例中，在沿轨迹扫描有效光斑的同时，可动态调节有效光斑的宽度，以匹配正被生产的物体在沿扫描有效光斑扫描轨迹的不同位置处的相应部分的相应尺寸(诸如宽度)。实际上，不仅可动态调节有效光斑的一般宽度或平均宽度，而且可动态调节有效光斑的形状，诸如有效光斑的宽度沿着有效光斑的长度变化的方式，例如以在每个时刻与正被成型的物体的相应部分的形状相对应。例如，可以调整二维能量分布，使得有效光斑在建造材料上的投影具有与正被成型物体形状相适应的形状，例如以采用与正被成型的物体的变窄部分相对应的楔形或类似形状等。
每当需要时可调节有效光斑和/或二维能量分布的形状，从而使工艺适于正被生产的特定物体，并在任何给定时刻适于正被产生的物体的特定部分。在本发明的一些实施例中，考虑到周围区域的排热能力，二维能量分布可以作为粉末层上的相应照射位置的函数而变化。在本发明的一些实施例中，考虑到产品的不同区域中产品的期望特性，例如对孔隙率和/或硬度的不同要求，可例如根据到产品表面的距离改变二维能量分布。这可用于加速需要较小硬度的区域的烧结，从而提高生产率。
另外，使用通过主光斑在二维上的扫描而创建的有效光斑，增加了例如系统与待生产的不同物体相适应方面的灵活性。例如，可以减少或消除对替换或调节所用光学器件的需要。至少部分地，可以通过仅调整用于控制有效光斑的二维能量分布的软件，更频繁地执行调整。
词语“第一扫描图案”不意味着主光斑在创建有效光斑时必须总是跟随同一扫描图案，而仅是旨在将主光斑的用于创建有效光斑的扫描图案与有效光斑相对于正被生产的物体被移位或扫描的图案区别开来；有效光斑跟随的扫描图案有时被称为第二扫描图案。
在本发明的许多实施例中，主光斑根据第一扫描图案移位的速度或平均速度基本上高于有效光斑相对于物体移位的速度。在主光斑沿第一扫描图案的每次扫描期间，主光斑沿第一扫描图案的高速度减小了有效光斑内的温度波动。
在现有技术的系统中，熔池或池，即发生熔合的区域或范围，基本上对应于光束投射在建造材料上的主光斑。也就是说，在现有技术的系统中，所谓的熔池，即建造材料正被熔合的地方，通常具有与一个主光斑的尺寸大致对应的尺寸，并且该池根据主光斑的移位而移位，例如沿着待熔合区域的周界移位、沿着填充建造材料将被熔合的区域的光栅扫描线移位，或沿着在光束沉积工艺中沉积建造材料的线移位。与此不同，根据本发明，池更确切地对应于有效光斑或有效光斑的大部分。例如，在本发明的许多实施例中，该池具有与有效光斑的宽度大致对应的宽度(在与有效光斑移位的方向垂直的方向上)，并且该池通常根据有效光斑的移位而移位。也就是说，该池不是根据主光斑跟随第一扫描图案的移位而移位，而是根据有效光斑诸如跟随第二扫描图案的移位而移位。
当然，本发明不排除以常规方式操作主光斑以执行部分熔合工艺的可能性。例如，可以使主光斑移位，以执行与待熔合区域的轮廓或外形相对应地熔合，或者执行与正被生产的物体的某些细节相对应地熔合，而上述有效光斑可以用于执行其它部分或区域的熔合，该其他部分或区域例如是待熔合区域的内部或主要部分。根据诸如生产力、需要仔细定制待熔合区域的轮廓或正被生产的物体的某个部分的问题，技术人员某种程度上将选择有效光斑而不是主光斑用于产生池。例如，可以使用主光斑来勾勒待熔合的区域，并且熔合该区域与建造材料不被熔合的区域之间的边界，而使用有效光斑来熔合被勾勒区域内的建造材料。在本发明的一些实施例中，在工艺期间，可以修改第一扫描图案以减小有效光斑的尺寸，直到其与主光斑相对应才结束，反之亦然。
也就是说，不必使用有效光斑来执行生产物体时必须发生的所有熔合。然而，使用上述有效光斑执行建造材料的熔合的至少一部分。例如，可以优选的是，生产物体时，在光束施加到建造材料的时间的至少50％、70％、80％或90％期间，施加光束以便建立本发明的有效光斑。
在本发明的一些实施例中，在有效光斑相对于正被产生的物体移位期间，有效光斑的二维能量分布被动态调整。因此，可以使有效光斑适应于当前正被生产的物体的区域或范围。词语动态调整旨在表示这样的事实：调整可以在有效光斑的移位期间即“在工艺中”动态地执行，而不用中断该工艺以例如在不同光学器件之间切换，以及不用在不同光束之间切换。可以使用不同的手段来实现这种动态调整，其中一些手段在下文提及。例如，在本发明的一些实施例中，扫描系统可以被操作以实现动态调整(例如，通过调节电流镜或其他扫描装置的操作，以便修改第一扫描图案、和/或主光斑沿该扫描图案的速度、或主光斑沿该扫描图案的一个或多个段或部分的速度)，和/或，可以调节光束功率和/或主光斑的尺寸。开环控制或闭环控制可用于控制动态调整。动态调整可以影响能量在有效激光光斑的给定区域内分布的方式，和/或影响有效激光光斑的实际形状，并且通常可影响池的尺寸和/或形状。例如，工艺期间可以动态调节有效光斑的长度(例如，沿着有效光斑的移动方向)和/或有效光斑的宽度(例如，垂直于有效光斑的移动方向)，和/或可以在有效光斑内建立与不期望熔合建造材料的区域对应的“孔”(即未施加能量或仅施加很少能量的区域)。可以由二维能量分布确定池的尺寸和形状。
在本发明的一些实施例中，在有效光斑沿轨迹移位期间，动态调整有效光斑的二维能量分布，例如，以使有效光斑的宽度适于正被生产物体的一部分的相应尺寸。
在本发明的一些实施例中，例如，在有效光斑沿轨迹扫描期间，发生一次或连续发生多次动态调整，该轨迹诸如为第二扫描图案或第二扫描图案的一部分，该第二扫描图案的一部分例如为第二扫描图案的直线部分或弯曲部分。例如，在有效光斑沿所述轨迹扫描期间，可以一次或连续多次调节有效光斑的宽度，该轨迹例如为第二扫描图案的直线部分或弯曲部分。
在本发明的一些实施例中，通过调节光束的功率，诸如通过选择性地打开和关闭光束，来执行有效光斑的二维能量分布的调整。这包括光束在其光源处的中断以及其他选择、以及这些方式的组合，该其他选择诸如通过干扰光束的路径(例如使用快门)来中断光束。例如，当使用诸如光纤激光器等激光器时，可以非常快速地打开和关闭激光束，由此可以在跟随扫描图案的同时通过打开和关闭激光束来获得期望的能量分布。因此，可以在扫描图案的某些线或线的部分内通过打开激光束来实现加热。例如，可以采用像素化方法，根据该方法，在第一扫描图案的不同部分或不同段内，二维能量分布由激光器的开/关状态确定。
在本发明的一些实施例中，通过调整第一扫描图案执行有效光斑的二维能量分布的调整。
在本发明的一些实施例中，通过调节主光斑沿第一扫描图案的至少一部分移动的速度执行有效光斑的二维能量分布的调整。
也就是说，二维能量分布可以通过例如调节光束的功率、和/或调整扫描图案、和/或调节光束沿扫描图案移动的速度而调整，其中例如通过在不同的功率状态之间(诸如在开和关之间)切换来调节光束的功率，其中调整扫描图案例如添加或者省略段、或修改段的方向和/或长度、或将图案完全改变成另一个，其中沿扫描图案移动诸如沿扫描图案的一段或多段移动。在用于调整二维能量分布的不同装置之间进行的选择可以基于下述情况做出，该情况诸如设备在光束功率状态之间快速改变的能力，和/或可以基于扫描器修改待跟随图案的能力做出、和/或基于主光斑沿扫描图案移动的速度做出。
在本发明的一些实施例中，在主光斑沿第一扫描图案移位期间，和/或在有效光斑相对于正被生产的物体移位期间，动态调整光束的焦点。例如，可以在工艺期间动态地修改光束沿着光轴的焦点，以便例如在主光斑沿第一扫描图案移位的同时，和/或在有效激光光斑相对于正被生产的物体移位的同时，改变或维持主光斑的尺寸。例如，在主光斑在正被生产的物体的表面上移动的同时，可以调整光焦点以保持主光斑的尺寸恒定(例如，以补偿扫描器与主光斑在正被生产物体上的位置之间的变化的距离)。
在本发明的一些实施例中，在主光斑沿第一扫描图案移位期间，和/或在有效光斑相对于正被生产的物体移位期间，动态调节主光斑的尺寸，以便修改有效光斑的二维能量分布和/或尺寸。
在本发明的一些实施例中，在该方法的至少一个阶段中，有效光斑包括具有比有效光斑的后部更高能量密度的前部(当期望快速达到某个温度时，可以优选该布置，由此提供足够的能量输入，以例如在某段时间内将材料保持在所期望的温度)；或者有效光斑包括具有比有效光斑的后部更低能量密度的前部(当期望在使材料达到一定温度之前先预热材料一段时间时，可以优选这种布置，该一定温度例如是建造材料发生熔合的温度)。在本发明的一些实施例中，有效光斑包括具有比有效光斑的前部和后部更高能量密度的中间部分。在本发明的一些实施例中，有效光斑的特征为基本上均匀的能量分布，在整个有效光斑上具有基本恒定的能量密度。
如上所述，可以在执行该方法的同时动态调整二维能量分布，例如使得与正被生产的物体的不同部分有关的二维能量分布不同，以及，不仅可以在有效光斑跟随的轨迹的开始和/或结束处执行该调整，而且还可以在轨迹内执行该调整。例如，考虑到正被成型的物体中的孔或开口等，可以根据每个时刻正被成型的物体的部分的形状动态地调整二维能量分布，该部分的形状例如作为待成型的部分的宽度的函数。
在本发明的一些实施例中，主光斑沿第一扫描图案的平均速度基本高于有效光斑相对于正被生产的物体移位的平均速度。例如，主光斑沿第一扫描图案的平均速度可以优选地比有效光斑相对于正被生产的物体移位的平均速度高至少十倍，更优选地高至少100倍。在主光斑沿第一扫描图案的一次扫描期间，主光斑的高速度降低了有效光斑内的温度波动。
在本发明的一些实施例中，根据所述第一扫描图案扫描光束，以便光束以大于10Hz、25Hz、50Hz、75Hz、100Hz、150Hz、200Hz或300Hz的频率(即，每秒重复扫描图案)重复所述第一扫描图案。高重复率可以是适当的，以在每个扫描周期之间即在光束沿第一扫描图案的每次扫描之间，减少或防止有效光斑加热的区域中的非期望的温度波动。在本发明的一些实施例中，第一扫描图案保持恒定，且在本发明的其他实施例中，在光束沿扫描图案的一些扫描或所有扫描之间修改第一扫描图案。
在本发明的一些实施例中，有效光斑的尺寸(即面积)超过主光斑尺寸的4倍、10倍、15倍、20倍或25倍，有效光斑的尺寸诸如有效光斑在工艺期间的平均尺寸、或有效光斑在工艺的至少一个时刻内的尺寸，该至少一个时刻内的尺寸诸如有效光斑在工艺期间的最大尺寸。例如，在本发明的一些实施例中，具有尺寸大约为3mm2的主光斑可用于产生具有尺寸超过10mm2的有效光斑，诸如尺寸超过50mm2或100mm2的有效光斑。工艺期间可以动态地修改有效光斑的尺寸，但是通常可优选大的平均尺寸以提高生产率，大的最大尺寸可以在工艺的至少一部分期间用于提高生产率，例如，当产生/熔合正被生产的物体的大的内部区域时。
在本发明的一些具体实施例中，在多个周期中重复执行步骤a)和b)，其中每个周期包括：
-执行步骤a)，供应作为层的建造材料；
-执行步骤b)，从而熔合所述层的区域中的建造材料，所述区域对应于正被生产的物体的横截面。
由此，使用该方法，该物体逐片地生长，每片具有与层的熔合部分的厚度相对应的厚度。例如，该实施例可以包含本发明作为粉末熔化成型工艺的实施，例如作为SLS工艺实施。建造材料可例如放置在平台上，每当执行完步骤b)后，该平台向下移动与熔合区域的厚度相对应的距离。建造材料可以是粉末形式，使用例如反向旋转的粉末平整辊将建造材料分布在具有预定厚度的层中。
在本发明的一些实施例中，步骤a)和b)同时执行，使得建造材料随着其被供应而被有效光斑熔合，从而提供正被生产的物体的连续逐步生长。该选择包含光束沉积工艺。例如，建造材料可以以粉末形式供应并被光束加热从而熔合，形成熔池。正被生产的物体或基底(物体在该基底上被生产)可以相对于激光束移动，同时建造材料继续被输送，由此熔合的建造材料的后部被形成、冷却并固化。
该方法可以在计算机的控制下执行，输入数据包括定义待生产物体的结构的数据，例如与待生产物体的结构相关的CAD数据。
在本发明的一些实施例中，第一扫描图案是包括多条线的多边形扫描图案。例如，第一扫描图案可以是诸如三角形、正方形或矩形、五边形、六边形、七边形、八边形等的多边形。该多边形不需要是完美的多边形，例如，在一些实施例中，构成多边形的线可以或多或少地弯曲，并且多边形的线会合的边缘可以是圆的等。
在本发明的一些实施例中，第一扫描图案包括多条线，诸如多条直线或多条曲线，在本发明的一些实施例中，这些线基本上彼此平行布置。在本发明的一些实施例中，这些线有两条、三条、四条或更多条。
在本发明的一些实施例中，第一扫描图案包括至少三个段，并且执行所述能量束的扫描，使得所述光束或光斑跟随所述三个段的至少一个段比该光束跟随所述三个段的至少另一个段更频繁。这种布置的优点在于，提高了灵活性以及当期望时扫描图案可用于提供足够对称或基本对称的能量分布的方式。例如，当光束在三个段的两个段之间移动时，所述三个段中的另一个可以用作光束跟随的路径或桥，使得可以使用扫描图案的用于转移的段(诸如中间段)，在该第一扫描图案的不同部分(例如结束和开始)之间执行由所述光束投射的光斑的转移，由此通常可以执行转移而不关闭光束，且当需要二维能量分布的对称性时不扭曲这种对称性。
在本发明的一些实施例中，第一扫描图案包括在第一方向上接连分布的至少三条基本平行的直线或曲线，所述线通常在第二方向上延伸，其中所述至少三条线包括在所述第一方向上接连布置的第一条线、至少一条中间线和最后一条线，其中执行所述光束的扫描，使得所述光束或光斑跟随所述中间线比所述光束跟随所述第一条线和/或所述最后一条线更频繁。也就是说，例如，平均而言，光束可以跟随所述中间线两倍于其跟随所述第一条线和所述最后一条线，例如，每当光束从第一条线向最后一条线移动时，该光束可以沿着中间线行进，反之亦然。也就是说，当光线在第一条线和最后一条线之间移动时，一条或多条中间线可以作为投射光斑所跟随的某种桥。
已经发现这种布置是实用且容易实现的，并已经发现通常可以通过调节扫描速度并且基本上不调节光束功率，来获得适当的能量分布。还可以在扫描期间修改光束的功率以便调整能量分布，但是功率的快速切换不总是可能的或有利的，在扫描周期的主要部分期间具有处于低功率水平或关闭的光束(例如激光束)可能意味着设备能力的次佳使用，当设备如激光设备用于增材制造时，这可能是严重的缺点。因此，通常期望在光束完全处于开启状态下操作，以充分利用可用功率。
通常期望使用以这种方式布置的三条或更多条线，即在与线延伸的方向不同的方向(诸如与线延伸的方向垂直的方向)上接连布置，以便使有效光斑不仅在沿着线的方向上而且在其他方向上明显延伸，以便使有效光斑足以将足够宽的区域加热到足够高的温度，并在足够的时间内将温度保持在期望的水平，同时允许有效光斑以相当高的速度行进，从而允许高生产率。因此，有效光斑在二维上的明显延伸通常是有利的。
在本发明的一些实施例中，第一扫描图案包括在第一方向上接连分布的至少三条基本平行的线或段，该第一方向诸如有效光斑在工艺期间行进的方向，这些线在第二方向上延伸，该第二方向诸如垂直于第一方向的方向。在本发明的一些实施例中，所述至少三条线包括在所述第一方向上接连布置的第一条线、至少一条中间线和最后一条线，并且执行光束的扫描，使得按照光斑在跟随所述第一条线之后跟随所述中间线、所述最后一条线、所述中间线和所述第一条线的顺序沿所述线来扫描投射的光斑。
以上描述并不意味着扫描必须从第一条线开始，而是仅仅表明光束跟踪或跟随扫描图案的上述线的序列。此外，不排除在跟随上文所示的一些线或所有线之间(例如之前或之后)，光束可以跟随其它线，诸如连接第一条线、最后一条线和中间线的线，和/或附加的中间线。
也就是说，在这些实施例中，光束在沿第一条线移动之后，在再次沿第一条线移动之前总是跟随所述中间线两次。尽管更直接的方法可能是，执行扫描使得光束及其投射的光斑在所述最后一条线之后直接返回到所述第一条线，但是已经发现根据本发明的这些实施例所跟随的序列适合于实现关于在所述第一方向上延伸的对称轴的对称能量分布。
在本发明的一些实施例中，扫描图案包括多条所述中间线。线的数量可以由操作者或工艺设计者或设备设计者根据例如光束所投射的主光斑的尺寸和有效光斑诸如在第一方向上所期望的延伸来选择。例如，当统计第一条线、最后一条线和中间线时，一些实施例中最少数量的线可以是三条线，但是在许多实际的实现方式中，可以使用更多数量的线，例如四、五、六、十或更多条线。在本发明的一些实施例中，当有效光斑沿着建造材料待熔合的表面区域行进时，修改线的数量以修改能量分布。
在本发明的一些实施例中，主光斑以比沿所述第一条线和最后一条线更高的速度沿所述至少一条中间线移位。这通常是优选的，以便至少在该工艺的一部分或大部分期间，在所述第一方向上实现适当的能量分布。光束沿着中间线移动时或者至少沿着这些中间线的一条线或一些线移动时的较高速度补偿了以下事实：光束沿所述中间线的移动两倍于光束沿着第一条线和最后一条线的移动。例如，在本发明的一些实施例中，主光斑沿中间线的速度可以是主光斑沿第一条线和/或最后一条线的的速度的大约两倍。对于不同的中间线，速度可以不同。可以根据第一方向上的期望能量分布来选择每条线的速度。现在，在有效光斑沿着建造材料待熔合的区域行进的同时，可以动态地修改有效光斑沿扫描图案的不同线或不同段移位的速度，例如以调整能量分布从而优化工艺发生的方式，例如以便提高产品的质量。
在本发明的一些实施例中，扫描图案还包括在所述第一方向延伸的、位于第一条线末端、最后一条线末端以及中间线末端之间的线，由此当主光斑在所述第一条线、所述中间线和所述最后一条线移动时，主光斑跟随在所述第一方向上延伸的所述线。在本发明的一些实施例中，至少在工艺的一部分期间，主光斑以比沿所述第一条线和所述最后一条线更高的速度沿着在第一方向上延伸的所述线移位。
在本发明的一些实施例中，在不打开和关闭光束的情况下，和/或在保持光束的功率基本恒定的同时，光束沿着所述第一扫描图案移位。这使得在不考虑设备(诸如激光设备)能力的情况下，可以高速地执行扫描以在不同功率电平之间(诸如在开和关之间)切换，以及，这使得使用可不允许在功率电平之间非常快速切换的设备成为可能。此外，它还提供了可用输出功率的有效使用，即设备在功率方面的能力的有效使用。
电子束用于增材制造在本领域中是已知的。本发明使用诸如激光束的光束代替电子束。由于如成本、可靠性和可用性的问题，优选诸如激光束的光束。例如，基于诸如反射镜的电子控制反射装置，可获得合适的扫描系统。在本发明的一些实施例中，至少在工艺的一部分期间，激光束的功率高于1kW，诸如高于3kW、高于4kW、高于5kW或高于6kW。传统上，当主激光光斑被光栅扫描以填充待熔合的建造材料的区域时，通常使用具有大约400W的功率的激光器。利用本方法，基于更大的有效激光光斑的产生，可以使用更高的功率，从而可以提高生产率。
在本发明的一些实施例中，可以根据WO-2014/037281-A2的教导，例如根据与其图9-11相关的教导，实现第一扫描图案。
本发明的另一方面涉及一种通过增材制造生产物体的系统，所述系统包括：
用于供应建造材料的装置，以及
用于产生诸如激光束的光束的装置，该光束用于选择性地熔合建造材料，以便用熔合的建造材料逐步生产物体。该系统包括用于至少在二维上扫描光束的扫描器。该系统布置成执行上述方法，例如被编程以执行上述方法。
例如，该系统可以包括工作台、粉末分配器、产生光束的装置、用于控制光束横穿粉末层的装置、以及计算机，其中，三维物体/产品在工作台上构建，粉末分配器布置成在工作台上放置薄层粉末以形成粉末层，产生光束的装置用于向粉末释放能量从而使粉末发生熔合，用于控制光束横穿粉末层的装置用于通过所述粉末层的部分的熔合形成三维产品的横截面，计算机存储与三维产品的连续横截面有关的信息，该横截面构建三维产品。计算机控制用于引导光束横穿粉末层以形成三维物体的横截面的装置，并且，通过根据粉末分配器连续释放的粉末层而连续形成的横截面的连续熔合，形成物体。
在本发明的一些实施例中，用于供应建造材料的装置包括粉末喷头，粉末喷头包括限定开口的框架，扫描器布置成与所述框架相对应，以便通过所述开口在二维上扫描光束，粉末喷头布置成用于对应于所述开口而分配粉末形式的建造材料，使得该建造材料可以随着其被分布而被光束选择性地熔合。这种布置是实用的，并允许建造材料可受控的沉积和熔合。可以引入抽吸装置以除去未熔化的粉末。
附图说明
为了完成描述并且为了更好地理解本发明，提供了一组附图。这些附图为说明书的组成部分，并示出了本发明的实施例，这些实施例不应被解释为限制本发明的范围，而仅仅是可以如何实施本发明的示例。该组附图包括以下附图：
图1是根据本发明一个可能实施例的系统的示意性立体图，该系统适于粉体熔化成型。
图2示意性地示出了二维能量分布的示例。
图3A是根据本发明另一可能实施例的系统的一部分的示意性立体图。
图3B是根据图3A实施例的系统的粉末喷头的俯视图。
图4A-4C示意性地示出了根据本发明三个不同实施例的三个不同的粉末喷头。
图4D和4E示出了粉末喷头如何与扫描器相关联，这两个部件被允许相对于正被生产的物体共同移动。
图5示意性地示出了由包括多条平行线的扫描图案产生的有效光斑。
图6A和6B示出了包括多条平行线的一种可能的扫描图案。
图7A和7B示出了根据本发明实施例的用于产生有效光斑的扫描图案。
图8A和8B示出了根据本发明另一实施例的用于产生有效光斑的扫描图案。
图9A-9C示出了根据本发明其它实施例的扫描图案。
图10示意性地示出了根据本发明一个可能实施例的有效光斑。
图11A-11D示意性地示出了根据本发明实施例的有效光斑的不同的二维能量分布。
图12A-12G示意性地示出了根据本发明实施例、在有效光斑沿轨迹扫描期间如何动态地调整有效光斑的二维能量分布。
具体实施方式
图1示意性地示出了根据本发明一个可能实施例的SLS系统，用于用以粉末形式供应的建造材料制造物体，该建造材料诸如为金属粉末。该系统包括激光设备1和扫描器3，该激光设备用于产生激光束2，该扫描器包括用于使激光束2在水平(X-Y)平面中进行二维扫描的两个反射镜或类似物。在本发明的一些实施例中，用于产生激光束的设备可以是适于产生具有相对高功率量(诸如1kW或更大)的激光束的设备。适当装置的一个示例是IPG光电(Photonics)公司的额定功率为6kW的YLS-6000-CT-Y13型镱激光系统。
该系统还包括用于分配建造材料的装置，该装置包括具有顶表面101的台状装置，该顶表面具有两个开口102，通过这两个开口，建造材料从两个进料盒103进料。顶表面101的中心具有与平台104对应布置的附加开口，平台104可在垂直方向上移动，即在与系统的Z轴平行的方向上移动。粉末从进料盒103供应并被沉积在平台104的顶部上。使用反向旋转的粉末平整辊105将粉末分布在具有均匀厚度的层106中。
激光束被投射到平台104顶部上的建造材料的层106上，以使选定范围或区域11内的建造材料熔合，该选定范围或区域11对应于正被生产的物体的横截面。一旦该区域11中的建造材料已被熔合，则使平台降低与每层建造材料的厚度相对应的距离，使用辊105施加新的建造材料层106，然后重复该过程，这次重复是根据待生产物体的与新层相对应的横截面。
传统上，通过在待熔合的区域11上扫描激光束进行熔合，例如通过使投射的激光光斑跟随延伸穿过待熔合区域的多条平行线扫描，直到整个选定区域被熔合。根据本发明的本实施例，跟随第一扫描图案(示出为一组平行于图1中Y轴延伸的线)以相对高的速度反复扫描激光束(以及光束投射在建造材料上的主激光光斑)，从而产生如图1中方形所示的有效激光光斑21。这是使用扫描器3实现的。该有效激光光斑21根据第二扫描图案例如平行于多条平行线移位。在图1中，例如，箭头指示有效激光光斑21如何平行于系统的X轴移位。图1示出了如何在有效激光光斑21平行于X轴的先前扫描期间熔合待熔合区域11的一部分11A，而另一部分11B仍在等待熔合。在该区域被熔合之后，平台104将被降低，然后粉末式的新的建造材料层将被施加。
有效激光光斑21的根据第二扫描图案的移位同样可以通过扫描器3实现，和/或由扫描器或相关设备例如沿着轨迹(图1中未示出)移位而实现，该轨迹诸如为平行于X轴和/或Y轴延伸的轨迹。
在该实施例的许多变型中，提供例如IR光源或其它加热装置的预加热装置，用于将粉末层预热到例如与建造材料的熔点和/或玻璃化温度相接近的温度，从而降低激光束为实现建造材料熔合而必须施加的功率。在实施例的其它变型中，或者除了预热装置之外，还可以通过有效激光光斑21的前部执行预热。
在本发明的一些实施例中，系统可包括装置5，该装置用于动态调节主光斑的尺寸(例如，为了修改有效激光光斑21的二维能量分布和/或尺寸)和/或激光束沿着光轴的焦点。这能够使得在主激光光斑沿着第一扫描图案移位的同时和/或在有效激光光斑21相对于正被生产的物体移位的同时，控制(诸如改变或维持)主激光光斑的尺寸。例如，当主光斑在正被生产的物体表面上移动时，可以调节光学焦点以保持主光斑的尺寸恒定(例如，以补偿扫描器与主激光光斑在正被生产的物体上的位置之间的变化距离)。例如，在本发明的一些实施例中，用于动态调节激光束焦点的装置可包括可从施肯拉公司(SCANLAB AG)(www.scanlab.de)获得的聚焦单元。
图2示意性地示出了有效激光光斑21如何表征二维能量分布，其中在主激光光斑遍及第一扫描图案的一次扫描期间，有效激光光斑的一些部分比其他部分被施加了更多的能量。这里，箭头指示有效激光光斑怎样沿着金属粉末层行进，由此该层表征了熔合部分11A和尚未熔合的部分11B。这里，与对应于有效激光光斑21的后部相比，对应于有效激光光斑21的前部被施加更多的能量。
图3A和3B示出了根据本发明替代实施例的系统的一部分，在该系统中，供应建造材料的同时使用激光束和扫描器3对建造材料加热。如图3A所示，该系统包括具有加工头200的装置，该加工头200包括与扫描器3集成的粉末供应头201，该粉末供应头201包括大致矩形的框架202，在该框架中布置有多个喷嘴203，这些喷嘴通过图3B所示的通道205接收通常为粉末形式的建造材料。因此，粉末形式的建造材料204通过喷嘴203喷射，形成与由框架202限定的开口相对应的相对薄的粉末膜或粉末层。如上所述且如图3A和3B示意性所示，扫描器3通过该开口投射激光束2，并扫描该激光束以产生有效激光光斑21。在本发明的一些实施例中，粉末供应头201和扫描器3被布置成一起移动，例如形成可相对于正被生产的物体移位的同一个装置的一部分，以便材料被选择性地施加并熔合到该物体上，与该物体被生产时所增长的区域相对应。在图3A和3B中，扫描图案被示意性地示出为“数字8”形状的图案，即，具有三条平行线，该三条平行线由其端部处的两条线互连。
图4A、4B和4C示出了用于粉末供应头的一些不同的设计选择，这些不同的设计选择对应于本发明的三个不同实施例。图4A示出了根据图3A和3B的实施例的粉末供应头。图4B和4C示出了一些可选的设计。在所有这些情况下，均具有限定开口或通道的框架202，激光束可以通过该开口或通道投射到通过喷嘴203喷射的粉末上。大致来说，该方法与在本领域中已知的一些所谓的同轴激光和粉末喷嘴一致，但是其中心开口足够大以允许激光束2沿着第一扫描图案在二维空间中扫描。在本发明的一些实施例中，加工头以及扫描器3可被移位以便相对于正被生产的物体移动有效激光光斑，该加工头包括具有框架202和喷嘴203的粉末供应头201。也就是说，在本发明的这些实施例中，扫描器可用于产生具有二维能量分布的有效激光光斑，而扫描器3和具有粉末供应头201的加工头200的移位提供了有效激光光斑和池的移位。在本发明的其它实施例中，加工头200可以是固定的，且正被生产的物体可以相对于加工头移动。
图4A、4B和4C的粉末供应头201均包括多个喷嘴，该喷嘴设置成提供大致二维的建造材料流，即与在其它两个方向上的延伸相比相对薄的流。可以使用一个较宽的喷嘴代替多个喷嘴。在本发明的一些实施例中，用于喷涂粉末的装置可基于US-2011/0168090-A1和US-2011/0168092-A1的教导来实施。
如图4B示意性所示，粉末供应头还可包括抽吸装置206，用于回收未被激光束熔合的粉末。
图4D和4E示意性地示出了根据本发明一个可能实施例的加工头200如何能包括与粉末供应头201相邻放置的扫描器3，在这种情况下，扫描器在粉末供应头上方，以便将激光束通过框架中的开口向下投射到正被生产的物体4上。在通过喷嘴提供建造材料的同时，建造材料被激光束选择性地熔合。加工头200通过联动装置301连接到致动器300。在本发明的该实施例中，移位是基于并联机械手概念的。然而，可以使用移动加工头的任何其它合适装置。在本发明的一些实施例中，正被生产的物体相对于加工头移位。此外，可以使用这两种方法的组合。
已经发现提供包括超过两条线的扫描图案通常是实用的，这些线在有效激光光斑的行进方向(即，有效激光光斑与正被构建的物体之间的相对运动的方向)上彼此接连布置，诸如图5中示意性示出的，其中有效激光光斑21由多条平行线产生，该多条平行线在与有效激光光斑相对于正被构建的物体移位的方向相垂直的方向上(该方向在图5中用箭头指示)延伸。这些线可以具有相同或不同的长度，且后续的线之间的间隔是可用于控制二维能量分布的参数之一。
这样的扫描图案可以通过以下步骤而产生：在与有效激光光斑行进方向相垂直的方向上重复地扫描主激光光斑，在每个扫描步骤之间将激光束移动微小距离，从而跟随两条、三条或更多平行线。一旦主激光光斑完成了扫描图案，它将返回到其初始位置并再次执行扫描图案。优选地，出现这种情况所使用的频率是高的，以避免有效激光光斑21内的不期望的温度波动。
当激光束朝着要跟随的新线移位，和/或在完成扫描图案的最后一条线与返回到扫描图案的第一条线之间移位时，可以关闭激光束。然而，打开和关闭激光束需要时间，从而可能减慢扫描频率。而且，激光束关闭期间的时间是在激光用于加热和熔合的有效使用方面所损失的时间。
图6A和6B示出了一种可能的扫描图案，其包括扫描图案的三条主线a-c(图示为实线)、以及阴影线，该阴影线示出了激光光斑在所述主线之间所跟随的路径。在图6B中，箭头示意性示出了主激光光斑在表面上行进的路线。
现在，该扫描图案涉及热量分布不对称的问题。如果在图案的末尾处，当完成最后一条线c(即，从图6B中的线c的箭头的头部)时，激光束垂直返回到线a时，同样出现该问题。
利用根据图7A和7B的扫描图案可以获得关于与有效激光光斑移动方向平行的轴更对称的能量分布，该扫描图案同样包括三条平行线a-c，这三条平行线由有效激光光斑在三条平行线之间移动时所跟随的线d互连。如图7B所示，从第一条线a开始的激光束行进如下：a-d1-b-d2-c-d3-b-d4。
也就是说，主激光光斑沿中间线b行进的次数是其行进通过第一条线和最后一条线的两倍：主激光光斑每沿着第一条线a和最后一条线c行进一次，其沿着中间线b行进两次。因此，可获得关于与有效激光光斑行进方向平行的轴完全对称的扫描图案。
沿该轴的能量分布可被设置，例如通过调节线a-c之间的距离和激光束沿着线行进的速度来设置。通过调节速度和/或扫描图案，可以动态地调整能量分布，而不需要打开和关闭激光束，或者基本上不改变激光束的功率。例如，如果能量基本上等效地分布在整个有效激光光斑中，则激光束可以以比沿第一条线a和最后一条线c更高的速度沿中间线b行进。例如，主激光光斑沿线b的速度可以是主激光光斑沿线a和c的速度的两倍。在本发明的一些实施例中，有效激光光斑沿线d1-d4的速度也可以基本上高于有效激光光斑沿线a和c的速度。
因此，可以通过调整线的分布，例如第一条、最后一条和中间线a-c的分布，并且通过调节激光光斑沿扫描图案的不同段a-d(包括d1-d4)的速度来实现能量分布的修改。当有效激光光斑相对于正被生产的物体移位时，可以动态地修改段的分布和段的速度，以便调整二维能量分布。此外，可以通过在有效激光光斑的行进期间添加或删除段来调整扫描图案。
相同的原理可以应用于其它扫描图案，例如图8A和8B的包括附加中间线b的扫描图案。这里，主激光光斑跟随的路径是：a-d1-b-d2-b-d3-c-d4-b-d5-b-d6。
图9A-9C示出了一些替代的扫描图案。例如，第一扫描图案可以是多边形，例如图9A的三角形、图9B的矩形和图9C的八边形。
图10示意性示出了根据本发明一个可能实施例的有效光斑21。有效光斑具有大致矩形的构造，该构造具有高度和宽度。图顶部的箭头示出了有效光斑21被移位的方向。
通过跟随包括五条平行线的扫描图案，扫描由光束投射的主光斑2A而获得有效光斑21，该五条平行线由有效光斑21内的多行箭头所示。在本实施例中，有效光斑的前部21A为建造材料提供一定的预热，并提供后部21C以减慢冷却过程。材料的实际熔合发生在有效光斑21的中心部分21B中，即前部21A和后部21C之间。该中心部分21B对应于池。也就是说，如上所述，与在现有技术系统中通常的情况不同，在该实施例中，池具有二维结构，其尺寸基本上大于主光斑的尺寸，并且池不与主光斑2A一起沿着第一扫描图案行进，而是与有效光斑21一起行进。例如，考虑到待生产物体在进行加热的区域中的结构，在有效光斑沿着有效光斑21所跟随的轨迹移动期间，可以动态调节有效光斑21和/或池21B的尺寸和/或形状。
图11A-11D示意性示出了根据本发明实施例的有效光斑的不同二维能量分布。例如，图11A示出了一有效光斑，该有效光斑表征了在与有效光斑的行进方向相垂直的方向上横跨有效光斑的三条带状物。这三条带状物代表具有高能量密度的区域。第一条带状物可旨在提供待熔合材料的预热，第二条带状物可旨在提供实际熔合，第三条带状物可旨在熔合材料的后处理，例如，以消除应力。图11B-11D中示意性示出了其它能量分布。二维能量分布可被动态地调整，该调整例如添加或去除具有高能量密度的条纹等。例如，图11D示出了二维能量分布朝向有效光斑两侧具有增强的能量密度。这通常是优选的，以便提供沿轨迹基本上恒定的温度，尽管例如远离轨迹的热耗散可能比轨迹的边缘处的热耗散更高。
反馈，例如基于热成像的反馈，可以用于触发二维能量分布的动态调整，例如以便实现和维持正被处理区域内的期望温度分布。
图12A-12G示出了当有效光斑在建造材料的层106上沿着轨迹(图12A中用箭头示意性示出的方向)移位时，有效光斑21的二维能量分布如何调整的示例。图12A示出了有效光斑21如何先被施加到建造材料106然后开始加热建造材料，而在图12B中，二维能量分布已被修改，从而有效光斑的长度沿着轨迹增加(在图12A中的箭头的方向上)，表征为具有高能量密度的前部，以便当前部到达建造材料时为建造材料提供快速增加的温度。
在图12C中，有效光斑21与其后部沿着轨迹移动，并可以在有效光斑21后方观察建造材料的熔合部分11A。
在图12D中，有效光斑已经到达正被生产的物体的一部分，其中物体的该部分的宽度开始减小，即，轨迹待熔合处的部分逐渐变窄。这里，二维能量分布被动态地调整为使其自身每个时刻均适应于物体正被生产的部分的尺寸。如图12D和12E所示，二维能量分布被调整使得有效光斑逐渐变得更窄，此外，有效光斑的边缘还具有与被熔合部分的形状相对应的轮廓。也就是说，这里，有效光斑在建造材料上的投影基本上是楔形的。
在图12F中，有效光斑21已经到达正被构建的物体具有恒定宽度部分的位置。这里，二维能量分布被相应地调整。这里，有效光斑在建造材料106上的投影变为大致矩形。在图12G中，可以看到有效光斑沿着轨迹进一步移动。因此，可以看出熔合的材料11A的形状如何与有效光斑的二维能量分布随有效光斑21沿轨迹移动而动态调整的方式相对应。然而，本发明显然不限于有效光斑及其二维能量分布的这种动态调整。
在本文中，术语“包括”及其派生词(诸如“包括”等)不应当理解为排除，也就是说，这些术语不应被解释为排除所描述的和所定义的可以包括另外的元件、步骤等的可能性。
另一方面，本发明显然不限于本文所述的具体实施例，而是在本发明在权利要求书中限定的一般范围内，还包括本领域任何技术人员可以考虑到的任何变化(例如关于材料、尺寸、部件、构造等的选择)。

Claims (31)

1.一种用于生产物体的方法，所述方法包括以下步骤：
a)供应建造材料；以及
b)使用光束(2)熔合所述建造材料；
其中，执行步骤a)和b)，以便用熔合的建造材料逐步地生产所述物体；
其中，在步骤b)中，所述光束(2)被投射到所述建造材料上，以便在所述建造材料上产生主光斑(2A)，根据第一扫描图案在二维上重复扫描所述光束以便在所述建造材料上构建有效光斑(21)，所述有效光斑具有二维能量分布，
其中，所述有效光斑(21)相对于正被生产的物体移位，以通过熔合所述建造材料逐步地生产所述物体，以及
其中，在所述有效光斑(21)相对于正被生产的物体移位期间，动态调整所述有效光斑(21)的二维能量分布。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述有效光斑(21)沿着轨迹移位期间，动态调整所述有效光斑(21)的二维能量分布，以使所述有效光斑(21)的宽度适于正被生产的物体的一部分的相应尺寸。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，通过调节所述光束(2)的功率，来执行所述有效光斑(21)的二维能量分布的调整。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，通过选择性地打开和关闭所述光束，来执行所述有效光斑(21)的二维能量分布的调整。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，通过调整所述第一扫描图案执行所述有效光斑(21)的二维能量分布的调整。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，通过调节所述主光斑(2A)沿所述第一扫描图案的至少一部分移动的速度，执行所述有效光斑(21)的二维能量分布的调整。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在所述主光斑(2A)沿所述第一扫描图案移位期间，和/或在所述有效光斑(21)相对于正被生产的物体移位期间，动态调节所述光束的焦点和/或主光斑的尺寸。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在所述方法的至少一个阶段中，
所述有效光斑(21)包括具有比所述有效光斑的后部更高能量密度的前部；或
所述有效光斑(21)包括具有比所述有效光斑的后部更低能量密度的前部；或
所述有效光斑(21)包括具有比所述有效光斑的前部(21A)和后部(21C)更高能量密度的中间部分(21B)；或
所述有效光斑的特征为在整个有效光斑上具有基本恒定的能量密度。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述主光斑(2A)沿所述第一扫描图案的平均速度基本高于所述有效光斑(21)相对于正被生产的物体移位的平均速度。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其中，根据所述第一扫描图案扫描所述光束，以便光束以大于10Hz的频率重复所述第一扫描图案。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，根据所述第一扫描图案扫描所述光束，以便光束以大于25Hz的频率重复所述第一扫描图案。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，根据所述第一扫描图案扫描所述光束，以便光束以大于100Hz的频率重复所述第一扫描图案。
13.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述有效光斑(21)的尺寸超过所述主光斑尺寸的4倍。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述有效光斑(21)的尺寸超过所述主光斑尺寸的10倍。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述有效光斑(21)的尺寸超过所述主光斑尺寸的25倍。
16.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在多个周期中重复地执行步骤a)和b)，其中每个周期包括：
-执行步骤a)，供应作为层(106)的所述建造材料；
-执行步骤b)，从而熔合所述层的区域(11)中的建造材料，所述区域对应于正被生产的物体的横截面。
17.根据权利要求1或2所述的方法，其中，步骤a)和b)同时执行，使得所述建造材料随着其被供应而被所述有效光斑熔合，从而提供正被生产的物体的连续逐步生长。
18.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述第一扫描图案包括多条线。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述多条线是基本平行的线。
20.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述第一扫描图案是多边形。
21.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述第一扫描图案包括至少三个段(a，b，c)，以及其中，执行所述光束(2)的扫描，使得所述光束跟随所述三个段的至少一个段(b)比所述光束跟随所述三个段的至少另一个段(a，c)更频繁。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述第一扫描图案包括在第一方向上接连分布的至少三条基本平行的线(a，b，c)，所述线在第二方向上延伸，
其中，所述至少三条线包括在所述第一方向上接连布置的第一条线(a)、至少一条中间线(b)和最后一条线(c)，
其中，执行所述光束(2)的扫描，使得所述光束跟随所述中间线(b)比所述光束跟随所述第一条线(a)和/或所述最后一条线(c)更频繁。
23.根据权利要求21所述的方法，其中，所述第一扫描图案包括在第一方向上接连分布的至少三条基本平行的线(a，b，c)，所述线在第二方向上延伸，
其中，所述至少三条线包括在所述第一方向上接连布置的第一条线(a)、至少一条中间线(b)和最后一条线(c)，
以及其中，执行所述光束(2)的扫描，使得按照所述光束在跟随所述第一条线之后跟随所述中间线(b)、所述最后一条线(c)、所述中间线(b)和所述第一条线(a)的顺序沿所述线来扫描所述光束。
24.根据权利要求22和23中任一项所述的方法，
其中，所述第一扫描图案包括多条所述中间线(b)；和/或
所述光束(2)以比沿所述第一条线(a)和所述最后一条线(b)更高的速度沿所述至少一条中间线(b)移位；和/或
所述第一扫描图案还包括在所述第一方向上延伸的、位于所述第一条线末端、所述最后一条线末端和所述中间线末端之间的线(d1-d6)，由此当所述光束(2)在所述第一条线(a)、所述中间线(b)、所述最后一条线(c)之间移动时，所述光束跟随在所述第一方向上延伸的所述线(d1-d6)，其中，替代地，所述光束以比沿所述第一条线(a)和所述最后一条线(c)更高的速度沿在所述第一方向上延伸的所述线(d1-d6)移位。
25.根据权利要求21所述的方法，其中，在保持所述光束的功率基本恒定的同时，所述光束沿着所述第一扫描图案移位。
26.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述光束产生与所述有效光斑(21)对应的熔池，所述熔池根据所述有效光斑(21)相对于正被生产的物体的移位而移位。
27.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述光束(2)是激光束。
28.根据权利要求27所述的方法，其中，所述激光束的功率高于1kW。
29.根据权利要求28所述的方法，其中，所述激光束的功率高于5kW。
30.一种通过增材制造生产物体的系统，所述系统包括：
用于供应建造材料的装置，以及
用于产生光束(2)的装置，所述光束用于选择性地熔合所述建造材料，以便用熔合的建造材料逐步地生产所述物体；
其中，所述系统包括用于至少在二维上扫描能量束的扫描器(3)；
其中，所述系统布置成执行权利要求1-29中任一项的方法。
31.根据权利要求30所述的系统，其中，所述用于供应建造材料的装置包括粉末喷头(201)，所述粉末喷头(201)包括限定开口的框架(202)，所述扫描器(3)布置成与所述框架(202)相对应，以便通过所述开口在二维上扫描所述光束(2)，所述粉末喷头(201)布置成用于对应于所述开口而分配粉末形式的建造材料，使得所述建造材料能随着其被分布而被所述光束(2)选择性地熔合。
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