本發(fā)明涉及通過增材制造生產(chǎn)三維物體。

背景技術(shù)：

三維物體可以用許多方式制造，例如，通過在模具中成型的方式制造或通過諸如使用切削機從工件去除材料的方式制造。然而，在過去幾十年中，所謂的增材制造(AM)已越來越普及。在增材制造中，將材料添加到正被生產(chǎn)的物體中，從而構(gòu)建三維物體。也就是說，增材制造是以材料添加為基礎(chǔ)而不是以材料去除為基礎(chǔ)。

一些AM技術(shù)涉及能量束的使用，該能量束被施加到建造材料以使建造材料熔合。通過逐步添加熔合的建造材料層，產(chǎn)生三維物體。建造材料包括聚合物、金屬、陶瓷和復(fù)合材料，并且通常以粉末形式提供。這里，必須對使用電子束的系統(tǒng)和使用光束(通常為激光束)的系統(tǒng)進行區(qū)分。

AM技術(shù)的一個示例是所謂的粉體熔化成型(PBF)工藝。PBF工藝包括一個或多個熱源，該熱源用于誘導(dǎo)使粉末層特定區(qū)域中的粉末顆粒之間相融合，該特定區(qū)域?qū)?yīng)于待成型產(chǎn)品的橫截面，該PBF工藝還包括用于添加粉末層并使粉末層平滑的裝置。這種工藝的一個眾所周知的示例是所謂的選擇性激光燒結(jié)(SLS)工藝，其中激光束將與待成型物體的橫截面相對應(yīng)的區(qū)域中的薄層粉末(例如，一層具有厚度約為0.1mm的粉末)進行熔合。

使用反向旋轉(zhuǎn)的平整輥將粉末散布在構(gòu)建區(qū)域上，并將粉末預(yù)熱到與建造材料的熔點和/或玻璃化溫度相接近的溫度。預(yù)熱的目的是降低對激光束的功率要求。一旦材料被分布和預(yù)熱，就將聚焦激光束投射到建造材料層上，并將激光光斑在所述層的區(qū)域上移位，以便逐步熔合該區(qū)域中的材料。該區(qū)域?qū)?yīng)于待成型產(chǎn)品的橫截面，由此該區(qū)域中建造材料的熔合生成產(chǎn)品薄片。接下來，降低建造區(qū)域并在熔合的建造材料和包圍該熔合的建造材料的粉末的基礎(chǔ)上施加新的建造材料層。通過重復(fù)這些步驟，逐片構(gòu)建產(chǎn)品，直到完成該產(chǎn)品。PBF工藝中使用了至少四種不同的熔合機制，即：固態(tài)燒結(jié)、化學誘導(dǎo)燒結(jié)、液相燒結(jié)和完全熔化。在商業(yè)使用的工藝中，液相燒結(jié)和熔化趨向于主導(dǎo)地位。US-2014/0079916-A1和US-6215093-B1中公開了SLS工藝和系統(tǒng)的示例。

另一種AM技術(shù)涉及電磁能束(通常為激光束)的使用，稱為光束沉積(BD)工藝。在這種工藝中，通過向建造材料施加能量束，在沉積建造材料的同時對建造材料進行加熱。在上述PBF工藝中，建造材料首先將建造材料沉積在層中，然后通過能量束對建造材料進行選擇性地加熱，而在BD工藝中，材料在其沉積時被加熱并熔合。BD工藝包括激光金屬沉積(LBMD)工藝，該LBMD工藝通常涉及由一個或多個粉末噴嘴和激光光學器件集成的沉積頭。該工藝涉及通過移動沉積頭、基底或這兩者來控制沉積頭和基底之間的相對運動。US-2012/0138258-A1中公開了光束沉積系統(tǒng)的示例。US-2014/0015172-A1和WO-2008/003942-A2中公開了粉末沉積噴嘴的示例。

US-2013-0168902-A1公開了一種粉體熔化成型系統(tǒng)，在該粉體熔化成型系統(tǒng)中，出于質(zhì)量控制的目的，通過傳感器裝置檢測熔合區(qū)域。

US-2012/0266814-A1描述了如何沉積相對寬的涂層，而這必須通過并排重疊一系列復(fù)合層來實現(xiàn)。應(yīng)當解釋的是，如果只增加激光束直徑，則熔池中心處的溫度使得可能出現(xiàn)添加劑材料的高程度蒸發(fā)，或者基底可能熔化到過度的深度。此外，周圍的基底材料可能被破壞達到過深的深度等。該文獻描述了一系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，激光束在包括平面鏡和衍射光學元件的光束整形設(shè)備中被整形，以便提供不同于傳統(tǒng)高斯分布的光束能量分布，從而改進工藝。例如，強度可被布置為在激光光斑的前部處或在激光光斑的邊緣處相對更高。

US-2013/0300035-A1公開了一種粉體熔化成型系統(tǒng)，并強調(diào)需要控制被照射的建造材料的溫度，以便避免幾何變形和開裂、并確保完全熔合。它還提到需要縮短生產(chǎn)時間以及需要在選定區(qū)域上盡可能有效地掃描光束。它提到了如何才能使用具有平行線的掃描圖案以及需要考慮來自先前掃描線的熱量，這可通過改變光束功率或速度來實現(xiàn)。該文獻提出了一種方法，該方法涉及與建立的光束路徑和虛擬光束相關(guān)的計算。該文獻中公開的發(fā)明涉及一種方法，其中可以基于計算來預(yù)調(diào)整待使用光束的能量沉積。

US-2011/0305590-A1公開了一種光束沉積裝置，在其一個實施例中，在制造期間進行激光輻射，以便產(chǎn)生用于固結(jié)粉末的相對高強度區(qū)域和用于加熱基底以減輕基底變形的相對低強度區(qū)域。

通常，通過在光束路徑之后的區(qū)域上掃描激光束來獲得層的選定區(qū)域或部分的熔合，使得投射到該層上的激光光斑在該層的表面上移位，以便隨后加熱該區(qū)域的不同部分，該區(qū)域的不同部分通常是多個平行軌跡，直到整個區(qū)域已經(jīng)被加熱并熔合到期望的程度。US-2004/0099996-A1教導(dǎo)了如何在軌跡中施加輻射能量的示例。US-2006/0215246-A1公開了在快速成型系統(tǒng)中通常執(zhí)行兩種類型的激光掃描：光柵掃描和矢量掃描。US-2004/0200816-A1也教導(dǎo)了使用光柵掃描和/或矢量掃描來填充待熔合的區(qū)域，例如通過在填充該區(qū)域的光柵掃描之前或之后以矢量方式沿著橫截面的輪廓熔合粉末。該文獻建議使用熱像反饋來控制溫度，例如通過控制光束功率和/或掃描速度來控制溫度。

US-2003/0127436-A1教導(dǎo)了一種通過減少物品每個橫截面所需的光柵掃描線的數(shù)量來減少物品的構(gòu)建時間的方式。

US-2003/0028278-A1教導(dǎo)了掃描間具有選定線間距的光柵掃描，掃描線的位置基本上在先前層中掃描線的位置之間的中心。由此，可以減少形成物品所需的掃描次數(shù)，而不會降低結(jié)構(gòu)強度。

DE-10112591-A1教導(dǎo)了在增材制造的背景下的一些可選的激光掃描圖案。

US-5904890-A教導(dǎo)了根據(jù)掃描圖案的線的長度來調(diào)節(jié)激光束和激光光斑沿著掃描圖案的線移動的速度，從而實現(xiàn)更均勻的密度分布。

US-2013/0216836-A1教導(dǎo)了在熔合/燒結(jié)工藝的環(huán)境中使用非線性掃描路徑，以減少電磁輻射源束橫穿區(qū)域的時間。

US-2014/0154088-A1教導(dǎo)了能量束的次生晶粒取向和掃描圖案之間的關(guān)系。

DE-102009015282-A1教導(dǎo)了基于表格中的函數(shù)或數(shù)據(jù)將不同量的能量施加到正被選擇性燒結(jié)或熔合的層的不同部分。因此，可以改進產(chǎn)品的機械特性。

US-2011/0168090-A1和US-2011/0168092-A1教導(dǎo)了具有寬噴嘴的激光沉積裝置，以便可以沉積相對寬的均勻厚度的涂層。寬噴嘴與寬激光束組合，而寬激光束可以通過光束操縱技術(shù)(例如掃描)獲得。

US-2010/0036470-A1公開了基于激光的電極制造工藝，并提及了包括激光能量和激光光斑尺寸的參數(shù)對工藝的控制。US-2008/0296270-A1公開了使用激光和粉末噴嘴的直接金屬沉積，其用控制系統(tǒng)控制包括激光功率和橫向速度的工藝參數(shù)。激光束功率也稱為工藝參數(shù)。US-2006/0032840-A1教導(dǎo)了基于反饋控制的激光功率適應(yīng)。US-2009/0206065-A1教導(dǎo)了通過調(diào)節(jié)包括激光功率和/或激光光斑尺寸的工藝參數(shù)來選擇激光粉末加工。US-2002/0065573-A1提及了多個參數(shù)，例如激光功率、光束直徑、光束的時間和空間分布、相互作用時間和粉末流速。該文獻提出了使用二極管激光器，以快速響應(yīng)并快速微調(diào)到該工藝。

WO-2014/071135-A1教導(dǎo)了在增材制造的背景下，適當?shù)卣{(diào)制激光束脈沖的概念，以準確且精確地控制施加到粉末材料的熱量，特別是為了實現(xiàn)更精細地控制由該方法所生產(chǎn)的最終物體的特性。

US-2006/0119012-A1教導(dǎo)了一種使用激光燒結(jié)來生產(chǎn)部件的方法，其中可熔粉末暴露在多個受控能量水平的激光掃描中并持續(xù)一段時間以熔化并致密化粉末。

CN-1648802-A公開了使用高能量束來連續(xù)燒結(jié)或熔化并沉積材料。該文獻似乎教導(dǎo)了使用電子束的快速掃描。通過一個或多個掃描幀，成型區(qū)域中的材料的溫度同步升高到燒結(jié)溫度或再熔合溫度，以在同步冷卻之前沉積到成型區(qū)域上。這被認為降低了熱應(yīng)力并提高了成型精度和質(zhì)量。

US-2010/0007062-A1公開了通過用高能量束在預(yù)熱區(qū)域上沿著預(yù)定路徑進行掃描，來均勻地預(yù)熱粉末材料。

DE-10208150-B4教導(dǎo)了通過使掃描粉末層相應(yīng)部分的激光束在其一般運動方向上沿著軌跡來回振蕩，從而多次加熱相同部分，由此可降低正被生產(chǎn)的物體的表面的粗糙度。該文獻還教導(dǎo)了，為了設(shè)置或改變軌跡的寬度，該軌跡的橫向方向上的運動可被添加到該軌跡的縱向方向上的運動。包括激光光斑沿著軌跡來回運動的方法也可用于正被熔合的層的其它部分，而不僅僅用于限定物體表面的部分。在該來回運動期間，激光光斑的速度、尺寸或功率可被修改。該文獻表明激光可以產(chǎn)生移動的利薩如圖形。

US-2003/0075529-A1公開了在光束沉積工藝的背景下，使用可調(diào)聚焦光學器件來控制光束幾何形狀?？梢钥刂浦T如路寬和強度分布的參數(shù)。可以使用振動或振蕩元件，從而可以通過調(diào)節(jié)振蕩的振幅來確定路寬。

US-2001/0002287-A1教導(dǎo)了使用光束整形光學器件來產(chǎn)生非對稱激光束，該非對稱激光束包括前部的激光束強度高于后部的激光束強度的激光束，該激光束在再凝固期間在沉積材料上施加熱梯度。

US-2012/0267345-A1教導(dǎo)了在增材制造的背景下，在工藝期間如何使用諸如可變形反射鏡的可變形反射裝置來調(diào)節(jié)激光束的橫截面形狀，以控制能量分布。

不僅激光束可用于增材制造，電子束也可用于增材制造。然而，在電子束的情況下，電子束的橫截面不能以與激光束相同的方式來使用光學器件成形，而必須采取不同的方法。WO-2004/056509-A1特別教導(dǎo)了使用電子束來產(chǎn)生三維物體，并建議使用干涉項以便在焦點周圍的區(qū)域中提供更有利的熱量分布，或者提供加寬的軌跡。在電子束的背景下使用與主運動方向垂直的方向的分量的運動可尤其有利，以便提供比電子束的焦點寬的某種類型的有效熱點，也就是說，與當能量束是激光束時可以通過使用適當?shù)墓鈱W器件所獲得的相類似。掃描電子束以產(chǎn)生更多或更少的復(fù)雜圖形是本領(lǐng)域眾所周知的，參見：例如幾十年來這個概念如何在陰極射線管中實現(xiàn)。本領(lǐng)域中眾所周知的是使用磁場來控制電子束的方向，而不需要部件的物理移位。

如在例如US-2002/0145213-A1中所解釋的，選擇性激光燒結(jié)通常基于逐點(spot)方法或逐點(point)方法。US-2002/0145213-A1提出了一種不同的技術(shù)，該技術(shù)以根據(jù)相應(yīng)的CAD設(shè)計創(chuàng)建的粘合粉末的可轉(zhuǎn)移粉末調(diào)色劑圖像和至少一種改性劑粉末的可轉(zhuǎn)移粉末調(diào)色劑圖像為基礎(chǔ)。物體的構(gòu)建是逐個區(qū)域地而不是逐點地進行。

US-2008/0038396-A1教導(dǎo)了通過使用電磁輻射固化建造材料來生產(chǎn)三維物體。能量輸入經(jīng)由包括預(yù)定數(shù)量像素的成像單元。

US-2003/0052105-A1提出了一種用于激光燒結(jié)的像素方法，包括例如數(shù)字微鏡器件的使用。

US-2002/0051853-A1公開了逐層地制造物體，使用單個激光束來描繪正成形物體的特征，然后使用一系列等間隔的激光束來快速填充無特征區(qū)域，從而加速工藝。

WO-2014/016402-A1公開了一種包括電流計頭的裝置，當所述電流計頭位于預(yù)定位置時，該電流計頭能夠控制激光束朝向燒結(jié)場的最大燒結(jié)區(qū)的每個點。該裝置還包括限制裝置以及移動裝置，限制裝置能夠?qū)⒓す馐霓D(zhuǎn)向限制于位于所述最大燒結(jié)區(qū)內(nèi)的有效燒結(jié)區(qū)，移動裝置用于在與所述燒結(jié)場的平面平行的平面中移動所述電流計頭，允許所述電流計頭定位在至少兩個不同的位置，以及定位在與所述電流計頭的每個位置相關(guān)聯(lián)的有效燒結(jié)區(qū)。

CN-103567441-A公開了一種用于激光燒結(jié)的方法，其中在工藝期間改變激光光斑的尺寸以加速該工藝。

CN-203227820-U公開了一種方法，其中在工藝期間修改激光光斑的尺寸，以使尺寸與正被制造的部件的寬度相適應(yīng)。

US-5753171-A教導(dǎo)了使用可變聚焦裝置，由此可以在層的凝固期間改變光束的焦點，使得層的不同部分受到具有不同光束直徑的熱處理。

WO-2014/006094-A1公開了一種方法，其包括：獲取待熔合的二維截面的幾何輪廓的步驟；從該截面的幾何輪廓確定參考路徑的步驟，所述參考路徑具有與所述幾何輪廓的形狀相關(guān)的形狀；基于所述參考路徑確定一組路徑的步驟；以及控制激光束使得該激光束根據(jù)移動策略沿著一組預(yù)定路徑移動的步驟，該移動策略限定了沿路徑移動的順序，及對于每條路徑限定了開始移動的點。該方法旨在提高生產(chǎn)率。

US-2013/0270750-A1承認了不能簡單地通過增加功率和/或掃描速度來增加工藝速度：增加的功率可最終產(chǎn)生汽化，而增加的掃描速度減少了停留時間，該停留時間可最終會太短。該文獻提出了以同時使用兩個激光束為基礎(chǔ)的方法。

US-2005/0186538-A1教導(dǎo)了當高能量束的能量以多個步驟耦合到材料中時，可以減少生產(chǎn)時間。在第一步驟中，將能量耦合到材料層中的特定位置中，直到該層的在所述位置處的相應(yīng)部分已被加熱到剛好低于其熔點的溫度。在能量耦合的最后步驟中，高能量束接著將所述部分加熱到熔點以上，從而將材料熔合到其下面的層。通過這種方式，形成所制造的產(chǎn)品。

WO-2013/079581-A1公開了考慮到直接限定的周圍區(qū)域的排熱能力，如何根據(jù)粉末層上的相應(yīng)照射位置來改變每單位時間的能量輸入。能量輸入通過設(shè)置照射參數(shù)(例如照射部位處的照射能量密度和/或照射部位的照射持續(xù)時間)來自動適當調(diào)節(jié)。

DE-10320085-A1涉及激光燒結(jié)或激光熔合工藝，并且討論了在生產(chǎn)物體期間通過調(diào)節(jié)特征來調(diào)節(jié)激光加熱，該特征諸如功率密度、掃描速度、軌跡寬度、軌跡之間的距離、激光束直徑和光束功率。

US-2004/0094728-A1公開了一種系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，掃描器可以在平臺上方移動，物體正在該平臺上成型，以便允許生產(chǎn)高質(zhì)量的大的物體。

WO-2014/037281-A2公開了一種用于對工件表面尤其是曲軸進行激光淬火的方法和系統(tǒng)。鋼的激光淬火是公知的概念，但是由于存在很多熱敏區(qū)域，而這些熱敏區(qū)域在被激光束加熱時可能遭受損壞，因此一些工件是有問題的。例如，在曲軸的情況下，當存在多個熱敏部分如鄰近油潤滑孔的區(qū)域時會存在問題。WO-2014/037281-A2教導(dǎo)了如何通過使用具有二維能量分布的有效激光光斑來克服這種問題和類似問題，該二維能量分布可被動態(tài)適節(jié)以避免多個熱敏子區(qū)域過熱。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的第一方面涉及一種用于生產(chǎn)物體的方法，所述方法包括以下步驟：

a)供應(yīng)建造材料；以及

b)使用光束熔合所述建造材料；

其中，執(zhí)行步驟a)和b)，以便用熔合的建造材料逐步地生產(chǎn)所述物體；

其中，在步驟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產(chǎn)生主光斑，根據(jù)第一掃描圖案在二維上重復(fù)掃描所述光束，以便在所述建造材料上夠建有效光斑，所述有效光斑具有二維能量分布，

以及其中，所述有效光斑相對于正被生產(chǎn)的物體移位，以通過熔合所述建造材料逐步地生產(chǎn)所述物體。

建造材料可以是適合增材制造的任何建造材料，該增材制造通過光束(諸如激光束)所施加的熱量熔合而獲得。在本發(fā)明的多個實施例中，建造材料以粉末形式提供。在本發(fā)明的多個實施例中，建造材料從包括以下材料的組中選擇：金屬、聚合物、陶瓷和復(fù)合材料、及上述材料的混合物或組合。

術(shù)語熔合(熔化等)不應(yīng)被狹義地解釋，而應(yīng)包含適合于用其制造物體而提供的建造材料的任何變化。在本文中，概念“熔合”包含熔合機制，諸如固態(tài)燒結(jié)、化學誘導(dǎo)結(jié)合、液相燒結(jié)和完全熔化。

光束是電磁輻射束，例如激光束?？梢允褂美缭赪O-2014/037281-A2中描述的任何技術(shù)來創(chuàng)建和調(diào)整有效激光光斑，該專利通過引用并入本文。盡管WO-2014/037281-A2關(guān)注于先前生產(chǎn)的工件的激光淬火，該工件諸如是曲軸并以熱敏子區(qū)域為特征，熱敏子區(qū)域諸如是鄰近油潤滑孔的區(qū)域，然而已發(fā)現(xiàn)其中公開的關(guān)于激光束掃描的原理還可以應(yīng)用于增材制造的區(qū)域，其中這些原理可以用于在速度和/或質(zhì)量方面增強建造材料的熔合方式。

在本發(fā)明的一些實施例中，該方法作為粉體熔化成型法實現(xiàn)，例如作為SLS(選擇性激光燒結(jié))方法實現(xiàn)。在本發(fā)明的其它實施例中，該方法作為光束沉積法實現(xiàn)，例如作為激光束沉積法實現(xiàn)。

可以根據(jù)第二掃描圖案執(zhí)行有效光斑相對于正被生產(chǎn)的物體的移位。也就是說，根據(jù)第一掃描圖案掃描真實/主光斑以產(chǎn)生有效光斑，該有效光斑可根據(jù)第二掃描圖案移位，該真實/主光斑即光束在任何給定時刻產(chǎn)生的光斑。因此，兩種類型的移動被組合或疊加：主光斑根據(jù)第一掃描圖案的移動，以及有效光斑根據(jù)第二掃描圖案的移動。

術(shù)語“二維能量分布”是指能量束所施加的能量在有效光斑上分布的方式，例如，在光束沿第一掃描圖案的一次掃描期間。

由于有效光斑可以具有相當大的尺寸，例如超過主光斑尺寸(面積)的4倍、10倍、15倍、20倍或25倍，因此本發(fā)明允許相當快速地熔合相當大的區(qū)域。因此，與如果通過例如跟隨由多個彼此靠近布置的平行線組成的掃描圖案在整個區(qū)域上簡單地移動主光斑來執(zhí)行加熱相比，可以更快速地完成加熱建造材料的某個范圍或區(qū)域以實現(xiàn)熔合。具有相當大面積的有效光斑的使用允許高生產(chǎn)率，同時還允許將建造材料的每一部分加熱相當長的時間，從而允許不太積極的加熱，而不影響生產(chǎn)率。主光斑的面積可以明顯小于有效光斑的面積。例如，在本發(fā)明的一些實施例中，至少在一部分工藝期間，主光斑具有小于4mm²的尺寸，諸如小于3mm²的尺寸。工藝期間可以修改主光斑的尺寸，以便在質(zhì)量和生產(chǎn)率方面優(yōu)化物體每個特定部分成型的方式。

另一方面，根據(jù)第一掃描圖案在二維上重復(fù)地掃描主光斑而產(chǎn)生有效光斑，使用該有效光斑能夠構(gòu)建具有選定二維能量分布的有效光斑，該有效光斑基本上獨立于所使用的特定光學器件(透鏡、反射鏡等)，并且該有效光斑可被調(diào)整和調(diào)節(jié)，以從不同的點出發(fā)提高或優(yōu)化建造材料的熔合以及物體的生產(chǎn)，該不同的點包括質(zhì)量和以kg或單位每小時計的生產(chǎn)速度。例如，熱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，從而提高熔合開始的速度，而后部可以用于維持足夠時間的熔合以達到期望的深度和/或質(zhì)量，從而在不放棄熔合質(zhì)量的情況下，優(yōu)化了有效光斑可相對于正被生產(chǎn)的物體移位的速度。此外，根據(jù)有效光斑多側(cè)處的建造材料或物體的特性，可以關(guān)于有效光斑的這些側(cè)而調(diào)整二維能量分布，例如以便在建造材料已具有相對高溫的區(qū)域中施加較少的熱量，該高溫例如由最近已進行的加熱獲得，該加熱例如在有效光斑的與當前被加熱區(qū)域鄰近的區(qū)域相對應(yīng)的先前掃描期間進行。此外，可以根據(jù)正被成型的物體的形狀來調(diào)整有效光斑，例如，當需要熔合正被生產(chǎn)的物體的特定區(qū)域中的建造材料時，可以使有效光斑在諸如橫向方向(即與有效光斑沿著第二掃描圖案移位的方向垂直的方向)的方向上更薄(即，更窄)或更寬，例如以與正被生產(chǎn)的物體在該區(qū)域中的部分的寬度相對應(yīng)。例如，在本發(fā)明的一些實施例中，在沿軌跡掃描有效光斑的同時，可動態(tài)調(diào)節(jié)有效光斑的寬度，以匹配正被生產(chǎn)的物體在沿掃描有效光斑掃描軌跡的不同位置處的相應(yīng)部分的相應(yīng)尺寸(諸如寬度)。實際上，不僅可動態(tài)調(diào)節(jié)有效光斑的一般寬度或平均寬度，而且可動態(tài)調(diào)節(jié)有效光斑的形狀，諸如有效光斑的寬度沿著有效光斑的長度變化的方式，例如以在每個時刻與正被成型的物體的相應(yīng)部分的形狀相對應(yīng)。例如，可以調(diào)整二維能量分布，使得有效光斑在建造材料上的投影具有與正被成型物體形狀相適應(yīng)的形狀，例如以采用與正被成型的物體的變窄部分相對應(yīng)的楔形或類似形狀等。

每當需要時可調(diào)節(jié)有效光斑和/或二維能量分布的形狀，從而使工藝適于正被生產(chǎn)的特定物體，并在任何給定時刻適于正被產(chǎn)生的物體的特定部分。在本發(fā)明的一些實施例中，考慮到周圍區(qū)域的排熱能力，二維能量分布可以作為粉末層上的相應(yīng)照射位置的函數(shù)而變化。在本發(fā)明的一些實施例中，考慮到產(chǎn)品的不同區(qū)域中產(chǎn)品的期望特性，例如對孔隙率和/或硬度的不同要求，可例如根據(jù)到產(chǎn)品表面的距離改變二維能量分布。這可用于加速需要較小硬度的區(qū)域的燒結(jié)，從而提高生產(chǎn)率。

另外，使用通過主光斑在二維上的掃描而創(chuàng)建的有效光斑，增加了例如系統(tǒng)與待生產(chǎn)的不同物體相適應(yīng)方面的靈活性。例如，可以減少或消除對替換或調(diào)節(jié)所用光學器件的需要。至少部分地，可以通過僅調(diào)整用于控制有效光斑的二維能量分布的軟件，更頻繁地執(zhí)行調(diào)整。

詞語“第一掃描圖案”不意味著主光斑在創(chuàng)建有效光斑時必須總是跟隨同一掃描圖案，而僅是旨在將主光斑的用于創(chuàng)建有效光斑的掃描圖案與有效光斑相對于正被生產(chǎn)的物體被移位或掃描的圖案區(qū)別開來；有效光斑跟隨的掃描圖案有時被稱為第二掃描圖案。

在本發(fā)明的許多實施例中，主光斑根據(jù)第一掃描圖案移位的速度或平均速度基本上高于有效光斑相對于物體移位的速度。在主光斑沿第一掃描圖案的每次掃描期間，主光斑沿第一掃描圖案的高速度減小了有效光斑內(nèi)的溫度波動。

在現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)中，熔池或池，即發(fā)生熔合的區(qū)域或范圍，基本上對應(yīng)于光束投射在建造材料上的主光斑。也就是說，在現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)中，所謂的熔池，即建造材料正被熔合的地方，通常具有與一個主光斑的尺寸大致對應(yīng)的尺寸，并且該池根據(jù)主光斑的移位而移位，例如沿著待熔合區(qū)域的周界移位、沿著填充建造材料將被熔合的區(qū)域的光柵掃描線移位，或沿著在光束沉積工藝中沉積建造材料的線移位。與此不同，根據(jù)本發(fā)明，池更確切地對應(yīng)于有效光斑或有效光斑的大部分。例如，在本發(fā)明的許多實施例中，該池具有與有效光斑的寬度大致對應(yīng)的寬度(在與有效光斑移位的方向垂直的方向上)，并且該池通常根據(jù)有效光斑的移位而移位。也就是說，該池不是根據(jù)主光斑跟隨第一掃描圖案的移位而移位，而是根據(jù)有效光斑諸如跟隨第二掃描圖案的移位而移位。

當然，本發(fā)明不排除以常規(guī)方式操作主光斑以執(zhí)行部分熔合工藝的可能性。例如，可以使主光斑移位，以執(zhí)行與待熔合區(qū)域的輪廓或外形相對應(yīng)地熔合，或者執(zhí)行與正被生產(chǎn)的物體的某些細節(jié)相對應(yīng)地熔合，而上述有效光斑可以用于執(zhí)行其它部分或區(qū)域的熔合，該其他部分或區(qū)域例如是待熔合區(qū)域的內(nèi)部或主要部分。根據(jù)諸如生產(chǎn)力、需要仔細定制待熔合區(qū)域的輪廓或正被生產(chǎn)的物體的某個部分的問題，技術(shù)人員某種程度上將選擇有效光斑而不是主光斑用于產(chǎn)生池。例如，可以使用主光斑來勾勒待熔合的區(qū)域，并且熔合該區(qū)域與建造材料不被熔合的區(qū)域之間的邊界，而使用有效光斑來熔合被勾勒區(qū)域內(nèi)的建造材料。在本發(fā)明的一些實施例中，在工藝期間，可以修改第一掃描圖案以減小有效光斑的尺寸，直到其與主光斑相對應(yīng)才結(jié)束，反之亦然。

也就是說，不必使用有效光斑來執(zhí)行生產(chǎn)物體時必須發(fā)生的所有熔合。然而，使用上述有效光斑執(zhí)行建造材料的熔合的至少一部分。例如，可以優(yōu)選的是，生產(chǎn)物體時，在光束施加到建造材料的時間的至少50％、70％、80％或90％期間，施加光束以便建立本發(fā)明的有效光斑。

在本發(fā)明的一些實施例中，在有效光斑相對于正被產(chǎn)生的物體移位期間，有效光斑的二維能量分布被動態(tài)調(diào)整。因此，可以使有效光斑適應(yīng)于當前正被生產(chǎn)的物體的區(qū)域或范圍。詞語動態(tài)調(diào)整旨在表示這樣的事實：調(diào)整可以在有效光斑的移位期間即“在工藝中”動態(tài)地執(zhí)行，而不用中斷該工藝以例如在不同光學器件之間切換，以及不用在不同光束之間切換?？梢允褂貌煌氖侄蝸韺崿F(xiàn)這種動態(tài)調(diào)整，其中一些手段在下文提及。例如，在本發(fā)明的一些實施例中，掃描系統(tǒng)可以被操作以實現(xiàn)動態(tài)調(diào)整(例如，通過調(diào)節(jié)電流鏡或其他掃描裝置的操作，以便修改第一掃描圖案、和/或主光斑沿該掃描圖案的速度、或主光斑沿該掃描圖案的一個或多個段或部分的速度)，和/或，可以調(diào)節(jié)光束功率和/或主光斑的尺寸。開環(huán)控制或閉環(huán)控制可用于控制動態(tài)調(diào)整。動態(tài)調(diào)整可以影響能量在有效激光光斑的給定區(qū)域內(nèi)分布的方式，和/或影響有效激光光斑的實際形狀，并且通?？捎绊懗氐某叽绾?或形狀。例如，工藝期間可以動態(tài)調(diào)節(jié)有效光斑的長度(例如，沿著有效光斑的移動方向)和/或有效光斑的寬度(例如，垂直于有效光斑的移動方向)，和/或可以在有效光斑內(nèi)建立與不期望熔合建造材料的區(qū)域?qū)?yīng)的“孔”(即未施加能量或僅施加很少能量的區(qū)域)。可以由二維能量分布確定池的尺寸和形狀。

在本發(fā)明的一些實施例中，在有效光斑沿軌跡移位期間，動態(tài)調(diào)整有效光斑的二維能量分布，例如，以使有效光斑的寬度適于正被生產(chǎn)物體的一部分的相應(yīng)尺寸。

在本發(fā)明的一些實施例中，例如，在有效光斑沿軌跡掃描期間，發(fā)生一次或連續(xù)發(fā)生多次動態(tài)調(diào)整，該軌跡諸如為第二掃描圖案或第二掃描圖案的一部分，該第二掃描圖案的一部分例如為第二掃描圖案的直線部分或彎曲部分。例如，在有效光斑沿所述軌跡掃描期間，可以一次或連續(xù)多次調(diào)節(jié)有效光斑的寬度，該軌跡例如為第二掃描圖案的直線部分或彎曲部分。

在本發(fā)明的一些實施例中，通過調(diào)節(jié)光束的功率，諸如通過選擇性地打開和關(guān)閉光束，來執(zhí)行有效光斑的二維能量分布的調(diào)整。這包括光束在其光源處的中斷以及其他選擇、以及這些方式的組合，該其他選擇諸如通過干擾光束的路徑(例如使用快門)來中斷光束。例如，當使用諸如光纖激光器等激光器時，可以非?？焖俚卮蜷_和關(guān)閉激光束，由此可以在跟隨掃描圖案的同時通過打開和關(guān)閉激光束來獲得期望的能量分布。因此，可以在掃描圖案的某些線或線的部分內(nèi)通過打開激光束來實現(xiàn)加熱。例如，可以采用像素化方法，根據(jù)該方法，在第一掃描圖案的不同部分或不同段內(nèi)，二維能量分布由激光器的開/關(guān)狀態(tài)確定。

在本發(fā)明的一些實施例中，通過調(diào)整第一掃描圖案執(zhí)行有效光斑的二維能量分布的調(diào)整。

在本發(fā)明的一些實施例中，通過調(diào)節(jié)主光斑沿第一掃描圖案的至少一部分移動的速度執(zhí)行有效光斑的二維能量分布的調(diào)整。

也就是說，二維能量分布可以通過例如調(diào)節(jié)光束的功率、和/或調(diào)整掃描圖案、和/或調(diào)節(jié)光束沿掃描圖案移動的速度而調(diào)整，其中例如通過在不同的功率狀態(tài)之間(諸如在開和關(guān)之間)切換來調(diào)節(jié)光束的功率，其中調(diào)整掃描圖案例如添加或者省略段、或修改段的方向和/或長度、或?qū)D案完全改變成另一個，其中沿掃描圖案移動諸如沿掃描圖案的一段或多段移動。在用于調(diào)整二維能量分布的不同裝置之間進行的選擇可以基于下述情況做出，該情況諸如設(shè)備在光束功率狀態(tài)之間快速改變的能力，和/或可以基于掃描器修改待跟隨圖案的能力做出、和/或基于主光斑沿掃描圖案移動的速度做出。

在本發(fā)明的一些實施例中，在主光斑沿第一掃描圖案移位期間，和/或在有效光斑相對于正被生產(chǎn)的物體移位期間，動態(tài)調(diào)整光束的焦點。例如，可以在工藝期間動態(tài)地修改光束沿著光軸的焦點，以便例如在主光斑沿第一掃描圖案移位的同時，和/或在有效激光光斑相對于正被生產(chǎn)的物體移位的同時，改變或維持主光斑的尺寸。例如，在主光斑在正被生產(chǎn)的物體的表面上移動的同時，可以調(diào)整光焦點以保持主光斑的尺寸恒定(例如，以補償掃描器與主光斑在正被生產(chǎn)物體上的位置之間的變化的距離)。

在本發(fā)明的一些實施例中，在主光斑沿第一掃描圖案移位期間，和/或在有效光斑相對于正被生產(chǎn)的物體移位期間，動態(tài)調(diào)節(jié)主光斑的尺寸，以便修改有效光斑的二維能量分布和/或尺寸。

在本發(fā)明的一些實施例中，在該方法的至少一個階段中，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(當期望快速達到某個溫度時，可以優(yōu)選該布置，由此提供足夠的能量輸入，以例如在某段時間內(nèi)將材料保持在所期望的溫度)；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(當期望在使材料達到一定溫度之前先預(yù)熱材料一段時間時，可以優(yōu)選這種布置，該一定溫度例如是建造材料發(fā)生熔合的溫度)。在本發(fā)明的一些實施例中，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間部分。在本發(fā)明的一些實施例中，有效光斑的特征為基本上均勻的能量分布，在整個有效光斑上具有基本恒定的能量密度。

如上所述，可以在執(zhí)行該方法的同時動態(tài)調(diào)整二維能量分布，例如使得與正被生產(chǎn)的物體的不同部分有關(guān)的二維能量分布不同，以及，不僅可以在有效光斑跟隨的軌跡的開始和/或結(jié)束處執(zhí)行該調(diào)整，而且還可以在軌跡內(nèi)執(zhí)行該調(diào)整。例如，考慮到正被成型的物體中的孔或開口等，可以根據(jù)每個時刻正被成型的物體的部分的形狀動態(tài)地調(diào)整二維能量分布，該部分的形狀例如作為待成型的部分的寬度的函數(shù)。

在本發(fā)明的一些實施例中，主光斑沿第一掃描圖案的平均速度基本高于有效光斑相對于正被生產(chǎn)的物體移位的平均速度。例如，主光斑沿第一掃描圖案的平均速度可以優(yōu)選地比有效光斑相對于正被生產(chǎn)的物體移位的平均速度高至少十倍，更優(yōu)選地高至少100倍。在主光斑沿第一掃描圖案的一次掃描期間，主光斑的高速度降低了有效光斑內(nèi)的溫度波動。

在本發(fā)明的一些實施例中，根據(jù)所述第一掃描圖案掃描光束，以便光束以大于10Hz、25Hz、50Hz、75Hz、100Hz、150Hz、200Hz或300Hz的頻率(即，每秒重復(fù)掃描圖案)重復(fù)所述第一掃描圖案。高重復(fù)率可以是適當?shù)模栽诿總€掃描周期之間即在光束沿第一掃描圖案的每次掃描之間，減少或防止有效光斑加熱的區(qū)域中的非期望的溫度波動。在本發(fā)明的一些實施例中，第一掃描圖案保持恒定，且在本發(fā)明的其他實施例中，在光束沿掃描圖案的一些掃描或所有掃描之間修改第一掃描圖案。

在本發(fā)明的一些實施例中，有效光斑的尺寸(即面積)超過主光斑尺寸的4倍、10倍、15倍、20倍或25倍，有效光斑的尺寸諸如有效光斑在工藝期間的平均尺寸、或有效光斑在工藝的至少一個時刻內(nèi)的尺寸，該至少一個時刻內(nèi)的尺寸諸如有效光斑在工藝期間的最大尺寸。例如，在本發(fā)明的一些實施例中，具有尺寸大約為3mm²的主光斑可用于產(chǎn)生具有尺寸超過10mm²的有效光斑，諸如尺寸超過50mm²或100mm²的有效光斑。工藝期間可以動態(tài)地修改有效光斑的尺寸，但是通?？蓛?yōu)選大的平均尺寸以提高生產(chǎn)率，大的最大尺寸可以在工藝的至少一部分期間用于提高生產(chǎn)率，例如，當產(chǎn)生/熔合正被生產(chǎn)的物體的大的內(nèi)部區(qū)域時。

在本發(fā)明的一些具體實施例中，在多個周期中重復(fù)執(zhí)行步驟a)和b)，其中每個周期包括：

-執(zhí)行步驟a)，供應(yīng)作為層的建造材料；

-執(zhí)行步驟b)，從而熔合所述層的區(qū)域中的建造材料，所述區(qū)域?qū)?yīng)于正被生產(chǎn)的物體的橫截面。

由此，使用該方法，該物體逐片地生長，每片具有與層的熔合部分的厚度相對應(yīng)的厚度。例如，該實施例可以包含本發(fā)明作為粉末熔化成型工藝的實施，例如作為SLS工藝實施。建造材料可例如放置在平臺上，每當執(zhí)行完步驟b)后，該平臺向下移動與熔合區(qū)域的厚度相對應(yīng)的距離。建造材料可以是粉末形式，使用例如反向旋轉(zhuǎn)的粉末平整輥將建造材料分布在具有預(yù)定厚度的層中。

在本發(fā)明的一些實施例中，步驟a)和b)同時執(zhí)行，使得建造材料隨著其被供應(yīng)而被有效光斑熔合，從而提供正被生產(chǎn)的物體的連續(xù)逐步生長。該選擇包含光束沉積工藝。例如，建造材料可以以粉末形式供應(yīng)并被光束加熱從而熔合，形成熔池。正被生產(chǎn)的物體或基底(物體在該基底上被生產(chǎn))可以相對于激光束移動，同時建造材料繼續(xù)被輸送，由此熔合的建造材料的后部被形成、冷卻并固化。

該方法可以在計算機的控制下執(zhí)行，輸入數(shù)據(jù)包括定義待生產(chǎn)物體的結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，例如與待生產(chǎn)物體的結(jié)構(gòu)相關(guān)的CAD數(shù)據(jù)。

在本發(fā)明的一些實施例中，第一掃描圖案是包括多條線的多邊形掃描圖案。例如，第一掃描圖案可以是諸如三角形、正方形或矩形、五邊形、六邊形、七邊形、八邊形等的多邊形。該多邊形不需要是完美的多邊形，例如，在一些實施例中，構(gòu)成多邊形的線可以或多或少地彎曲，并且多邊形的線會合的邊緣可以是圓的等。

在本發(fā)明的一些實施例中，第一掃描圖案包括多條線，諸如多條直線或多條曲線，在本發(fā)明的一些實施例中，這些線基本上彼此平行布置。在本發(fā)明的一些實施例中，這些線有兩條、三條、四條或更多條。

在本發(fā)明的一些實施例中，第一掃描圖案包括至少三個段，并且執(zhí)行所述能量束的掃描，使得所述光束或光斑跟隨所述三個段的至少一個段比該光束跟隨所述三個段的至少另一個段更頻繁。這種布置的優(yōu)點在于，提高了靈活性以及當期望時掃描圖案可用于提供足夠?qū)ΨQ或基本對稱的能量分布的方式。例如，當光束在三個段的兩個段之間移動時，所述三個段中的另一個可以用作光束跟隨的路徑或橋，使得可以使用掃描圖案的用于轉(zhuǎn)移的段(諸如中間段)，在該第一掃描圖案的不同部分(例如結(jié)束和開始)之間執(zhí)行由所述光束投射的光斑的轉(zhuǎn)移，由此通常可以執(zhí)行轉(zhuǎn)移而不關(guān)閉光束，且當需要二維能量分布的對稱性時不扭曲這種對稱性。

在本發(fā)明的一些實施例中，第一掃描圖案包括在第一方向上接連分布的至少三條基本平行的直線或曲線，所述線通常在第二方向上延伸，其中所述至少三條線包括在所述第一方向上接連布置的第一條線、至少一條中間線和最后一條線，其中執(zhí)行所述光束的掃描，使得所述光束或光斑跟隨所述中間線比所述光束跟隨所述第一條線和/或所述最后一條線更頻繁。也就是說，例如，平均而言，光束可以跟隨所述中間線兩倍于其跟隨所述第一條線和所述最后一條線，例如，每當光束從第一條線向最后一條線移動時，該光束可以沿著中間線行進，反之亦然。也就是說，當光線在第一條線和最后一條線之間移動時，一條或多條中間線可以作為投射光斑所跟隨的某種橋。

已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這種布置是實用且容易實現(xiàn)的，并已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通常可以通過調(diào)節(jié)掃描速度并且基本上不調(diào)節(jié)光束功率，來獲得適當?shù)哪芰糠植?。還可以在掃描期間修改光束的功率以便調(diào)整能量分布，但是功率的快速切換不總是可能的或有利的，在掃描周期的主要部分期間具有處于低功率水平或關(guān)閉的光束(例如激光束)可能意味著設(shè)備能力的次佳使用，當設(shè)備如激光設(shè)備用于增材制造時，這可能是嚴重的缺點。因此，通常期望在光束完全處于開啟狀態(tài)下操作，以充分利用可用功率。

通常期望使用以這種方式布置的三條或更多條線，即在與線延伸的方向不同的方向(諸如與線延伸的方向垂直的方向)上接連布置，以便使有效光斑不僅在沿著線的方向上而且在其他方向上明顯延伸，以便使有效光斑足以將足夠?qū)挼膮^(qū)域加熱到足夠高的溫度，并在足夠的時間內(nèi)將溫度保持在期望的水平，同時允許有效光斑以相當高的速度行進，從而允許高生產(chǎn)率。因此，有效光斑在二維上的明顯延伸通常是有利的。

在本發(fā)明的一些實施例中，第一掃描圖案包括在第一方向上接連分布的至少三條基本平行的線或段，該第一方向諸如有效光斑在工藝期間行進的方向，這些線在第二方向上延伸，該第二方向諸如垂直于第一方向的方向。在本發(fā)明的一些實施例中，所述至少三條線包括在所述第一方向上接連布置的第一條線、至少一條中間線和最后一條線，并且執(zhí)行光束的掃描，使得按照光斑在跟隨所述第一條線之后跟隨所述中間線、所述最后一條線、所述中間線和所述第一條線的順序沿所述線來掃描投射的光斑。

以上描述并不意味著掃描必須從第一條線開始，而是僅僅表明光束跟蹤或跟隨掃描圖案的上述線的序列。此外，不排除在跟隨上文所示的一些線或所有線之間(例如之前或之后)，光束可以跟隨其它線，諸如連接第一條線、最后一條線和中間線的線，和/或附加的中間線。

也就是說，在這些實施例中，光束在沿第一條線移動之后，在再次沿第一條線移動之前總是跟隨所述中間線兩次。盡管更直接的方法可能是，執(zhí)行掃描使得光束及其投射的光斑在所述最后一條線之后直接返回到所述第一條線，但是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的這些實施例所跟隨的序列適合于實現(xiàn)關(guān)于在所述第一方向上延伸的對稱軸的對稱能量分布。

在本發(fā)明的一些實施例中，掃描圖案包括多條所述中間線。線的數(shù)量可以由操作者或工藝設(shè)計者或設(shè)備設(shè)計者根據(jù)例如光束所投射的主光斑的尺寸和有效光斑諸如在第一方向上所期望的延伸來選擇。例如，當統(tǒng)計第一條線、最后一條線和中間線時，一些實施例中最少數(shù)量的線可以是三條線，但是在許多實際的實現(xiàn)方式中，可以使用更多數(shù)量的線，例如四、五、六、十或更多條線。在本發(fā)明的一些實施例中，當有效光斑沿著建造材料待熔合的表面區(qū)域行進時，修改線的數(shù)量以修改能量分布。

在本發(fā)明的一些實施例中，主光斑以比沿所述第一條線和最后一條線更高的速度沿所述至少一條中間線移位。這通常是優(yōu)選的，以便至少在該工藝的一部分或大部分期間，在所述第一方向上實現(xiàn)適當?shù)哪芰糠植?。光束沿著中間線移動時或者至少沿著這些中間線的一條線或一些線移動時的較高速度補償了以下事實：光束沿所述中間線的移動兩倍于光束沿著第一條線和最后一條線的移動。例如，在本發(fā)明的一些實施例中，主光斑沿中間線的速度可以是主光斑沿第一條線和/或最后一條線的的速度的大約兩倍。對于不同的中間線，速度可以不同?？梢愿鶕?jù)第一方向上的期望能量分布來選擇每條線的速度。現(xiàn)在，在有效光斑沿著建造材料待熔合的區(qū)域行進的同時，可以動態(tài)地修改有效光斑沿掃描圖案的不同線或不同段移位的速度，例如以調(diào)整能量分布從而優(yōu)化工藝發(fā)生的方式，例如以便提高產(chǎn)品的質(zhì)量。

在本發(fā)明的一些實施例中，掃描圖案還包括在所述第一方向延伸的、位于第一條線末端、最后一條線末端以及中間線末端之間的線，由此當主光斑在所述第一條線、所述中間線和所述最后一條線移動時，主光斑跟隨在所述第一方向上延伸的所述線。在本發(fā)明的一些實施例中，至少在工藝的一部分期間，主光斑以比沿所述第一條線和所述最后一條線更高的速度沿著在第一方向上延伸的所述線移位。

在本發(fā)明的一些實施例中，在不打開和關(guān)閉光束的情況下，和/或在保持光束的功率基本恒定的同時，光束沿著所述第一掃描圖案移位。這使得在不考慮設(shè)備(諸如激光設(shè)備)能力的情況下，可以高速地執(zhí)行掃描以在不同功率電平之間(諸如在開和關(guān)之間)切換，以及，這使得使用可不允許在功率電平之間非?？焖偾袚Q的設(shè)備成為可能。此外，它還提供了可用輸出功率的有效使用，即設(shè)備在功率方面的能力的有效使用。

電子束用于增材制造在本領(lǐng)域中是已知的。本發(fā)明使用諸如激光束的光束代替電子束。由于如成本、可靠性和可用性的問題，優(yōu)選諸如激光束的光束。例如，基于諸如反射鏡的電子控制反射裝置，可獲得合適的掃描系統(tǒng)。在本發(fā)明的一些實施例中，至少在工藝的一部分期間，激光束的功率高于1kW，諸如高于3kW、高于4kW、高于5kW或高于6kW。傳統(tǒng)上，當主激光光斑被光柵掃描以填充待熔合的建造材料的區(qū)域時，通常使用具有大約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產(chǎn)生，可以使用更高的功率，從而可以提高生產(chǎn)率。

在本發(fā)明的一些實施例中，可以根據(jù)WO-2014/037281-A2的教導(dǎo)，例如根據(jù)與其圖9-11相關(guān)的教導(dǎo)，實現(xiàn)第一掃描圖案。

本發(fā)明的另一方面涉及一種通過增材制造生產(chǎn)物體的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：

用于供應(yīng)建造材料的裝置，以及

用于產(chǎn)生諸如激光束的光束的裝置，該光束用于選擇性地熔合建造材料，以便用熔合的建造材料逐步生產(chǎn)物體。該系統(tǒng)包括用于至少在二維上掃描光束的掃描器。該系統(tǒng)布置成執(zhí)行上述方法，例如被編程以執(zhí)行上述方法。

例如，該系統(tǒng)可以包括工作臺、粉末分配器、產(chǎn)生光束的裝置、用于控制光束橫穿粉末層的裝置、以及計算機，其中，三維物體/產(chǎn)品在工作臺上構(gòu)建，粉末分配器布置成在工作臺上放置薄層粉末以形成粉末層，產(chǎn)生光束的裝置用于向粉末釋放能量從而使粉末發(fā)生熔合，用于控制光束橫穿粉末層的裝置用于通過所述粉末層的部分的熔合形成三維產(chǎn)品的橫截面，計算機存儲與三維產(chǎn)品的連續(xù)橫截面有關(guān)的信息，該橫截面構(gòu)建三維產(chǎn)品。計算機控制用于引導(dǎo)光束橫穿粉末層以形成三維物體的橫截面的裝置，并且，通過根據(jù)粉末分配器連續(xù)釋放的粉末層而連續(xù)形成的橫截面的連續(xù)熔合，形成物體。

在本發(fā)明的一些實施例中，用于供應(yīng)建造材料的裝置包括粉末噴頭，粉末噴頭包括限定開口的框架，掃描器布置成與所述框架相對應(yīng)，以便通過所述開口在二維上掃描光束，粉末噴頭布置成用于對應(yīng)于所述開口而分配粉末形式的建造材料，使得該建造材料可以隨著其被分布而被光束選擇性地熔合。這種布置是實用的，并允許建造材料可受控的沉積和熔合?？梢砸氤槲b置以除去未熔化的粉末。

附圖說明

為了完成描述并且為了更好地理解本發(fā)明，提供了一組附圖。這些附圖為說明書的組成部分，并示出了本發(fā)明的實施例，這些實施例不應(yīng)被解釋為限制本發(fā)明的范圍，而僅僅是可以如何實施本發(fā)明的示例。該組附圖包括以下附圖：

圖1是根據(jù)本發(fā)明一個可能實施例的系統(tǒng)的示意性立體圖，該系統(tǒng)適于粉體熔化成型。

圖2示意性地示出了二維能量分布的示例。

圖3A是根據(jù)本發(fā)明另一可能實施例的系統(tǒng)的一部分的示意性立體圖。

圖3B是根據(jù)圖3A實施例的系統(tǒng)的粉末噴頭的俯視圖。

圖4A-4C示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明三個不同實施例的三個不同的粉末噴頭。

圖4D和4E示出了粉末噴頭如何與掃描器相關(guān)聯(lián)，這兩個部件被允許相對于正被生產(chǎn)的物體共同移動。

圖5示意性地示出了由包括多條平行線的掃描圖案產(chǎn)生的有效光斑。

圖6A和6B示出了包括多條平行線的一種可能的掃描圖案。

圖7A和7B示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的用于產(chǎn)生有效光斑的掃描圖案。

圖8A和8B示出了根據(jù)本發(fā)明另一實施例的用于產(chǎn)生有效光斑的掃描圖案。

圖9A-9C示出了根據(jù)本發(fā)明其它實施例的掃描圖案。

圖10示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明一個可能實施例的有效光斑。

圖11A-11D示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的有效光斑的不同的二維能量分布。

圖12A-12G示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明實施例、在有效光斑沿軌跡掃描期間如何動態(tài)地調(diào)整有效光斑的二維能量分布。

具體實施方式

圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明一個可能實施例的SLS系統(tǒng)，用于用以粉末形式供應(yīng)的建造材料制造物體，該建造材料諸如為金屬粉末。該系統(tǒng)包括激光設(shè)備1和掃描器3，該激光設(shè)備用于產(chǎn)生激光束2，該掃描器包括用于使激光束2在水平(X-Y)平面中進行二維掃描的兩個反射鏡或類似物。在本發(fā)明的一些實施例中，用于產(chǎn)生激光束的設(shè)備可以是適于產(chǎn)生具有相對高功率量(諸如1kW或更大)的激光束的設(shè)備。適當裝置的一個示例是IPG光電(Photonics)公司的額定功率為6kW的YLS-6000-CT-Y13型鐿激光系統(tǒng)。

該系統(tǒng)還包括用于分配建造材料的裝置，該裝置包括具有頂表面101的臺狀裝置，該頂表面具有兩個開口102，通過這兩個開口，建造材料從兩個進料盒103進料。頂表面101的中心具有與平臺104對應(yīng)布置的附加開口，平臺104可在垂直方向上移動，即在與系統(tǒng)的Z軸平行的方向上移動。粉末從進料盒103供應(yīng)并被沉積在平臺104的頂部上。使用反向旋轉(zhuǎn)的粉末平整輥105將粉末分布在具有均勻厚度的層106中。

激光束被投射到平臺104頂部上的建造材料的層106上，以使選定范圍或區(qū)域11內(nèi)的建造材料熔合，該選定范圍或區(qū)域11對應(yīng)于正被生產(chǎn)的物體的橫截面。一旦該區(qū)域11中的建造材料已被熔合，則使平臺降低與每層建造材料的厚度相對應(yīng)的距離，使用輥105施加新的建造材料層106，然后重復(fù)該過程，這次重復(fù)是根據(jù)待生產(chǎn)物體的與新層相對應(yīng)的橫截面。

傳統(tǒng)上，通過在待熔合的區(qū)域11上掃描激光束進行熔合，例如通過使投射的激光光斑跟隨延伸穿過待熔合區(qū)域的多條平行線掃描，直到整個選定區(qū)域被熔合。根據(jù)本發(fā)明的本實施例，跟隨第一掃描圖案(示出為一組平行于圖1中Y軸延伸的線)以相對高的速度反復(fù)掃描激光束(以及光束投射在建造材料上的主激光光斑)，從而產(chǎn)生如圖1中方形所示的有效激光光斑21。這是使用掃描器3實現(xiàn)的。該有效激光光斑21根據(jù)第二掃描圖案例如平行于多條平行線移位。在圖1中，例如，箭頭指示有效激光光斑21如何平行于系統(tǒng)的X軸移位。圖1示出了如何在有效激光光斑21平行于X軸的先前掃描期間熔合待熔合區(qū)域11的一部分11A，而另一部分11B仍在等待熔合。在該區(qū)域被熔合之后，平臺104將被降低，然后粉末式的新的建造材料層將被施加。

有效激光光斑21的根據(jù)第二掃描圖案的移位同樣可以通過掃描器3實現(xiàn)，和/或由掃描器或相關(guān)設(shè)備例如沿著軌跡(圖1中未示出)移位而實現(xiàn)，該軌跡諸如為平行于X軸和/或Y軸延伸的軌跡。

在該實施例的許多變型中，提供例如IR光源或其它加熱裝置的預(yù)加熱裝置，用于將粉末層預(yù)熱到例如與建造材料的熔點和/或玻璃化溫度相接近的溫度，從而降低激光束為實現(xiàn)建造材料熔合而必須施加的功率。在實施例的其它變型中，或者除了預(yù)熱裝置之外，還可以通過有效激光光斑21的前部執(zhí)行預(yù)熱。

在本發(fā)明的一些實施例中，系統(tǒng)可包括裝置5，該裝置用于動態(tài)調(diào)節(jié)主光斑的尺寸(例如，為了修改有效激光光斑21的二維能量分布和/或尺寸)和/或激光束沿著光軸的焦點。這能夠使得在主激光光斑沿著第一掃描圖案移位的同時和/或在有效激光光斑21相對于正被生產(chǎn)的物體移位的同時，控制(諸如改變或維持)主激光光斑的尺寸。例如，當主光斑在正被生產(chǎn)的物體表面上移動時，可以調(diào)節(jié)光學焦點以保持主光斑的尺寸恒定(例如，以補償掃描器與主激光光斑在正被生產(chǎn)的物體上的位置之間的變化距離)。例如，在本發(fā)明的一些實施例中，用于動態(tài)調(diào)節(jié)激光束焦點的裝置可包括可從施肯拉公司(SCANLAB AG)(www.scanlab.de)獲得的聚焦單元。

圖2示意性地示出了有效激光光斑21如何表征二維能量分布，其中在主激光光斑遍及第一掃描圖案的一次掃描期間，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。這里，箭頭指示有效激光光斑怎樣沿著金屬粉末層行進，由此該層表征了熔合部分11A和尚未熔合的部分11B。這里，與對應(yīng)于有效激光光斑21的后部相比，對應(yīng)于有效激光光斑21的前部被施加更多的能量。

圖3A和3B示出了根據(jù)本發(fā)明替代實施例的系統(tǒng)的一部分，在該系統(tǒng)中，供應(yīng)建造材料的同時使用激光束和掃描器3對建造材料加熱。如圖3A所示，該系統(tǒng)包括具有加工頭200的裝置，該加工頭200包括與掃描器3集成的粉末供應(yīng)頭201，該粉末供應(yīng)頭201包括大致矩形的框架202，在該框架中布置有多個噴嘴203，這些噴嘴通過圖3B所示的通道205接收通常為粉末形式的建造材料。因此，粉末形式的建造材料204通過噴嘴203噴射，形成與由框架202限定的開口相對應(yīng)的相對薄的粉末膜或粉末層。如上所述且如圖3A和3B示意性所示，掃描器3通過該開口投射激光束2，并掃描該激光束以產(chǎn)生有效激光光斑21。在本發(fā)明的一些實施例中，粉末供應(yīng)頭201和掃描器3被布置成一起移動，例如形成可相對于正被生產(chǎn)的物體移位的同一個裝置的一部分，以便材料被選擇性地施加并熔合到該物體上，與該物體被生產(chǎn)時所增長的區(qū)域相對應(yīng)。在圖3A和3B中，掃描圖案被示意性地示出為“數(shù)字8”形狀的圖案，即，具有三條平行線，該三條平行線由其端部處的兩條線互連。

圖4A、4B和4C示出了用于粉末供應(yīng)頭的一些不同的設(shè)計選擇，這些不同的設(shè)計選擇對應(yīng)于本發(fā)明的三個不同實施例。圖4A示出了根據(jù)圖3A和3B的實施例的粉末供應(yīng)頭。圖4B和4C示出了一些可選的設(shè)計。在所有這些情況下，均具有限定開口或通道的框架202，激光束可以通過該開口或通道投射到通過噴嘴203噴射的粉末上。大致來說，該方法與在本領(lǐng)域中已知的一些所謂的同軸激光和粉末噴嘴一致，但是其中心開口足夠大以允許激光束2沿著第一掃描圖案在二維空間中掃描。在本發(fā)明的一些實施例中，加工頭以及掃描器3可被移位以便相對于正被生產(chǎn)的物體移動有效激光光斑，該加工頭包括具有框架202和噴嘴203的粉末供應(yīng)頭201。也就是說，在本發(fā)明的這些實施例中，掃描器可用于產(chǎn)生具有二維能量分布的有效激光光斑，而掃描器3和具有粉末供應(yīng)頭201的加工頭200的移位提供了有效激光光斑和池的移位。在本發(fā)明的其它實施例中，加工頭200可以是固定的，且正被生產(chǎn)的物體可以相對于加工頭移動。

圖4A、4B和4C的粉末供應(yīng)頭201均包括多個噴嘴，該噴嘴設(shè)置成提供大致二維的建造材料流，即與在其它兩個方向上的延伸相比相對薄的流?？梢允褂靡粋€較寬的噴嘴代替多個噴嘴。在本發(fā)明的一些實施例中，用于噴涂粉末的裝置可基于US-2011/0168090-A1和US-2011/0168092-A1的教導(dǎo)來實施。

如圖4B示意性所示，粉末供應(yīng)頭還可包括抽吸裝置206，用于回收未被激光束熔合的粉末。

圖4D和4E示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明一個可能實施例的加工頭200如何能包括與粉末供應(yīng)頭201相鄰放置的掃描器3，在這種情況下，掃描器在粉末供應(yīng)頭上方，以便將激光束通過框架中的開口向下投射到正被生產(chǎn)的物體4上。在通過噴嘴提供建造材料的同時，建造材料被激光束選擇性地熔合。加工頭200通過聯(lián)動裝置301連接到致動器300。在本發(fā)明的該實施例中，移位是基于并聯(lián)機械手概念的。然而，可以使用移動加工頭的任何其它合適裝置。在本發(fā)明的一些實施例中，正被生產(chǎn)的物體相對于加工頭移位。此外，可以使用這兩種方法的組合。

已經(jīng)發(fā)現(xiàn)提供包括超過兩條線的掃描圖案通常是實用的，這些線在有效激光光斑的行進方向(即，有效激光光斑與正被構(gòu)建的物體之間的相對運動的方向)上彼此接連布置，諸如圖5中示意性示出的，其中有效激光光斑21由多條平行線產(chǎn)生，該多條平行線在與有效激光光斑相對于正被構(gòu)建的物體移位的方向相垂直的方向上(該方向在圖5中用箭頭指示)延伸。這些線可以具有相同或不同的長度，且后續(xù)的線之間的間隔是可用于控制二維能量分布的參數(shù)之一。

這樣的掃描圖案可以通過以下步驟而產(chǎn)生：在與有效激光光斑行進方向相垂直的方向上重復(fù)地掃描主激光光斑，在每個掃描步驟之間將激光束移動微小距離，從而跟隨兩條、三條或更多平行線。一旦主激光光斑完成了掃描圖案，它將返回到其初始位置并再次執(zhí)行掃描圖案。優(yōu)選地，出現(xiàn)這種情況所使用的頻率是高的，以避免有效激光光斑21內(nèi)的不期望的溫度波動。

當激光束朝著要跟隨的新線移位，和/或在完成掃描圖案的最后一條線與返回到掃描圖案的第一條線之間移位時，可以關(guān)閉激光束。然而，打開和關(guān)閉激光束需要時間，從而可能減慢掃描頻率。而且，激光束關(guān)閉期間的時間是在激光用于加熱和熔合的有效使用方面所損失的時間。

圖6A和6B示出了一種可能的掃描圖案，其包括掃描圖案的三條主線a-c(圖示為實線)、以及陰影線，該陰影線示出了激光光斑在所述主線之間所跟隨的路徑。在圖6B中，箭頭示意性示出了主激光光斑在表面上行進的路線。

現(xiàn)在，該掃描圖案涉及熱量分布不對稱的問題。如果在圖案的末尾處，當完成最后一條線c(即，從圖6B中的線c的箭頭的頭部)時，激光束垂直返回到線a時，同樣出現(xiàn)該問題。

利用根據(jù)圖7A和7B的掃描圖案可以獲得關(guān)于與有效激光光斑移動方向平行的軸更對稱的能量分布，該掃描圖案同樣包括三條平行線a-c，這三條平行線由有效激光光斑在三條平行線之間移動時所跟隨的線d互連。如圖7B所示，從第一條線a開始的激光束行進如下：a-d1-b-d2-c-d3-b-d4。

也就是說，主激光光斑沿中間線b行進的次數(shù)是其行進通過第一條線和最后一條線的兩倍：主激光光斑每沿著第一條線a和最后一條線c行進一次，其沿著中間線b行進兩次。因此，可獲得關(guān)于與有效激光光斑行進方向平行的軸完全對稱的掃描圖案。

沿該軸的能量分布可被設(shè)置，例如通過調(diào)節(jié)線a-c之間的距離和激光束沿著線行進的速度來設(shè)置。通過調(diào)節(jié)速度和/或掃描圖案，可以動態(tài)地調(diào)整能量分布，而不需要打開和關(guān)閉激光束，或者基本上不改變激光束的功率。例如，如果能量基本上等效地分布在整個有效激光光斑中，則激光束可以以比沿第一條線a和最后一條線c更高的速度沿中間線b行進。例如，主激光光斑沿線b的速度可以是主激光光斑沿線a和c的速度的兩倍。在本發(fā)明的一些實施例中，有效激光光斑沿線d1-d4的速度也可以基本上高于有效激光光斑沿線a和c的速度。

因此，可以通過調(diào)整線的分布，例如第一條、最后一條和中間線a-c的分布，并且通過調(diào)節(jié)激光光斑沿掃描圖案的不同段a-d(包括d1-d4)的速度來實現(xiàn)能量分布的修改。當有效激光光斑相對于正被生產(chǎn)的物體移位時，可以動態(tài)地修改段的分布和段的速度，以便調(diào)整二維能量分布。此外，可以通過在有效激光光斑的行進期間添加或刪除段來調(diào)整掃描圖案。

相同的原理可以應(yīng)用于其它掃描圖案，例如圖8A和8B的包括附加中間線b的掃描圖案。這里，主激光光斑跟隨的路徑是：a-d1-b-d2-b-d3-c-d4-b-d5-b-d6。

圖9A-9C示出了一些替代的掃描圖案。例如，第一掃描圖案可以是多邊形，例如圖9A的三角形、圖9B的矩形和圖9C的八邊形。

圖10示意性示出了根據(jù)本發(fā)明一個可能實施例的有效光斑21。有效光斑具有大致矩形的構(gòu)造，該構(gòu)造具有高度和寬度。圖頂部的箭頭示出了有效光斑21被移位的方向。

通過跟隨包括五條平行線的掃描圖案，掃描由光束投射的主光斑2A而獲得有效光斑21，該五條平行線由有效光斑21內(nèi)的多行箭頭所示。在本實施例中，有效光斑的前部21A為建造材料提供一定的預(yù)熱，并提供后部21C以減慢冷卻過程。材料的實際熔合發(fā)生在有效光斑21的中心部分21B中，即前部21A和后部21C之間。該中心部分21B對應(yīng)于池。也就是說，如上所述，與在現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)中通常的情況不同，在該實施例中，池具有二維結(jié)構(gòu)，其尺寸基本上大于主光斑的尺寸，并且池不與主光斑2A一起沿著第一掃描圖案行進，而是與有效光斑21一起行進。例如，考慮到待生產(chǎn)物體在進行加熱的區(qū)域中的結(jié)構(gòu)，在有效光斑沿著有效光斑21所跟隨的軌跡移動期間，可以動態(tài)調(diào)節(jié)有效光斑21和/或池21B的尺寸和/或形狀。

圖11A-11D示意性示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的有效光斑的不同二維能量分布。例如，圖11A示出了一有效光斑，該有效光斑表征了在與有效光斑的行進方向相垂直的方向上橫跨有效光斑的三條帶狀物。這三條帶狀物代表具有高能量密度的區(qū)域。第一條帶狀物可旨在提供待熔合材料的預(yù)熱，第二條帶狀物可旨在提供實際熔合，第三條帶狀物可旨在熔合材料的后處理，例如，以消除應(yīng)力。圖11B-11D中示意性示出了其它能量分布。二維能量分布可被動態(tài)地調(diào)整，該調(diào)整例如添加或去除具有高能量密度的條紋等。例如，圖11F示出了二維能量分布朝向有效光斑兩側(cè)具有增強的能量密度。這通常是優(yōu)選的，以便提供沿軌跡基本上恒定的溫度，盡管例如遠離軌跡的熱耗散可能比軌跡的邊緣處的熱耗散更高。

反饋，例如基于熱成像的反饋，可以用于觸發(fā)二維能量分布的動態(tài)調(diào)整，例如以便實現(xiàn)和維持正被處理區(qū)域內(nèi)的期望溫度分布。

圖12A-12G示出了當有效光斑在建造材料的層106上沿著軌跡(圖12A中用箭頭示意性示出的方向)移位時，有效光斑21的二維能量分布如何調(diào)整的示例。圖12A示出了有效光斑21如何先被施加到建造材料106然后開始加熱建造材料，而在圖12B中，二維能量分布已被修改，從而有效光斑的長度沿著軌跡增加(在圖12A中的箭頭的方向上)，表征為具有高能量密度的前部，以便當前部到達建造材料時為建造材料提供快速增加的溫度。

在圖12C中，有效光斑21與其后部沿著軌跡移動，并可以在有效光斑21后方觀察建造材料的熔合部分11A。

在圖12D中，有效光斑已經(jīng)到達正被生產(chǎn)的物體的一部分，其中物體的該部分的寬度開始減小，即，軌跡待熔合處的部分逐漸變窄。這里，二維能量分布被動態(tài)地調(diào)整為使其自身每個時刻均適應(yīng)于物體正被生產(chǎn)的部分的尺寸。如圖12D和12E所示，二維能量分布被調(diào)整使得有效光斑逐漸變得更窄，此外，有效光斑的邊緣還具有與被熔合部分的形狀相對應(yīng)的輪廓。也就是說，這里，有效光斑在建造材料上的投影基本上是楔形的。

在圖12E中，有效光斑21已經(jīng)到達正被構(gòu)建的物體具有恒定寬度部分的位置。這里，二維能量分布被相應(yīng)地調(diào)整。這里，有效光斑在建造材料106上的投影變?yōu)榇笾戮匦?。在圖12G中，可以看到有效光斑沿著軌跡進一步移動。因此，可以看出熔合的材料11A的形狀如何與有效光斑的二維能量分布隨有效光斑21沿軌跡移動而動態(tài)調(diào)整的方式相對應(yīng)。然而，本發(fā)明顯然不限于有效光斑及其二維能量分布的這種動態(tài)調(diào)整。

在本文中，術(shù)語“包括”及其派生詞(諸如“包括”等)不應(yīng)當理解為排除，也就是說，這些術(shù)語不應(yīng)被解釋為排除所描述的和所定義的可以包括另外的元件、步驟等的可能性。

另一方面，本發(fā)明顯然不限于本文所述的具體實施例，而是在本發(fā)明在權(quán)利要求書中限定的一般范圍內(nèi)，還包括本領(lǐng)域任何技術(shù)人員可以考慮到的任何變化(例如關(guān)于材料、尺寸、部件、構(gòu)造等的選擇)。