操作用于生产三维工件的设备的方法和用于生产三维工件的设备与流程

本发明涉及一种操作用于通过用电磁辐射或粒子辐射对原料粉末的层进行辐照来生产三维工件的设备的方法和一种辐照系统。此外，本发明涉及一种用于生产三维工件的设备。

背景技术：

1、粉末床熔融是逐层增材工艺，通过该工艺可以将粉状的，特别是金属和/或陶瓷的原料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所需几何形状以位置选择性的方式经受激光辐射。穿透粉末层的激光辐射引起加热，并因此使原料粉末颗粒熔化或烧结。然后，进一步的原料粉末层被连续地施加到载体上的已经经受激光处理的层上，直到工件具有所需的形状和尺寸。基于cad数据，粉末床熔融可用于原型、工具、更换部件、高价值部件或医疗假体(例如，牙科假体或矫形假体)的生产或修复。

2、如ep 3 023 227 b1中所描述的用于通过粉末床熔融来生产三维工件的示例性设备包括容纳粉末施加装置的加工室，该粉末施加装置用于连续地将原料粉末的层施加到载体上。辐照单元被设置用于将激光光束选择性地辐照穿过原料粉末层。

3、当在粉末床熔融设备的载体上构建三维工件时，随着工件的构建高度的增加，从当前辐照层散热可能变得更困难。这可能导致工件内产生热梯度，并因此影响工件的质量。如果工件的几何形状需要相邻层之间的待辐照区域(所谓的暴露区域)的突然变化，则也可能产生可能使工件的整体质量恶化的不希望的效果。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种操作用于通过用电磁辐射或粒子辐射对原料粉末的层进行辐照来生产三维工件的设备的方法，以及一种用于通过用电磁辐射或粒子辐射对原料粉末的层进行辐照来生产三维工件的设备，这使得高质量的工件能够高效的生产。

2、在操作用于通过用电磁辐射或粒子辐射对原料粉末的层进行辐照来生产三维工件的设备的方法中，将原料粉末的层施加到载体上。为了将原料粉末施加到载体的表面上，可以使用粉末施加装置，该粉末施加装置移动越过载体以分布原料粉末。载体和粉末施加装置可以被容纳在加工室内，该加工室可与环境气氛密封。施加到加工室内的载体上的原料粉末优选地为金属粉末，特别是金属合金粉末，但也可以是陶瓷粉末或包含不同材料的粉末。粉末可以具有任何合适的颗粒尺寸或颗粒尺寸分布。然而，优选地加工颗粒尺寸<100μm的粉末。

3、根据待生产的工件的对应层的几何形状，用电磁辐射或粒子辐射对原料粉末的层进行选择性地辐照。用于将电磁辐射或粒子辐射选择性地辐照到载体上的原料粉末上的辐照装置可以包括辐射束源(特别是激光束源)并且另外地可以包括光学单元，该光学单元用于引导和/或处理由辐射束源发射的辐射束。光学单元可以包括光学元件，诸如物镜和扫描仪单元，该扫描仪单元优选地包括衍射光学元件和偏转镜。

4、重复将原料粉末的层施加到载体上并且根据待生产的工件的对应层的几何形状，用电磁辐射或粒子辐射对原料粉末的层进行选择性地辐照的步骤，直到工件达到所需的形状和尺寸。载体可以是刚性固定的。然而，优选地，载体被设计成可在竖直方向上移位，使得当工件在原料粉末的层中构建时，载体可以随着工件的建造高度的增加而在竖直方向上向下移动。

5、对于至少一些层的至少一部分，控制从相应的原料粉末层开始暴露于电磁辐射或粒子辐射直到所述层部分的顶部上的新的原料粉末层开始暴露于电磁辐射或粒子辐射的扫描时间，以使扫描时间不低于特定最小值。特别地，控制暴露时间、等待时间和原料粉末施加时间，使得扫描时间由以下公式限定：

6、扫描时间(ts)＝暴露时间(te)+等待时间(tw)+原料粉末施加时间(tp)

7、该扫描时间不低于特定最小值。暴露时间被限定为在原料粉末层部分暴露于电磁辐射或粒子辐射期间的时间段。等待时间被限定为在原料粉末层部分不暴露于电磁辐射或粒子辐射而尚未开始在所述层的顶部上施加新的原料粉末层部分期间的时间段。原料粉末施加时间被限定为在所述层部分的顶部上施加新的原料粉末层期间的时间段。

8、因此，为了控制相应的原料粉末层部分的扫描时间，考虑了暴露时间、等待时间和原料粉末施加时间。通常，暴露时间、等待时间和原料粉末施加时间可以采用包括零的任何所需值。根据暴露时间和原料粉末施加时间，可能需要等待时间来获得或不获得所需的扫描时间。因此，提供等待时间可以是可选的。

9、具体地，为了适应于相应的原料粉末层部分的扫描时间，可以改变暴露时间或等待时间或原料粉末施加时间。当然，也可以根据需要改变暴露时间、等待时间和原料粉末施加时间中的一个以上，以适应于扫描时间，例如以对应于最小扫描时间。例如，可以通过降低辐射束的扫描速度、增加辐射图案的矢量的数量(换言之，增加辐射路径的长度)、或者在使用多个辐射束的情况下仅使用几个辐射束来延长暴露时间。例如，可以通过推迟施加新的原料粉末层的开始和/或在施加新的原料粉末层之后推迟暴露的开始来实施或延长等待时间。例如，可以通过减慢粉末施加装置的移动速度、在多个子层中添加新的粉末层、或者在粉末床上做出附加通道而不添加附加粉末来延长原料粉末施加时间，例如用于压缩粉末层和使粉末层均匀。在本发明的意义上，粉末施加装置做出附加通道的时间被理解为原料粉末施加时间的一部分。

10、暴露时间可以是当原料粉末层部分的选择性辐照开始时开始并且当对应工件层部分已经在原料粉末层内产生时结束的单个时间段。等待时间可以是在暴露时间结束后立即开始并且持续到新的原料粉末层的施加开始的单个时间段。然而，也可以设想，暴露时间包括多个暴露时间间隔，在多个暴露时间间隔期间，原料粉末层部分暴露于电磁辐射或粒子辐射。这些暴露时间间隔可以被中断和/或随后有相应的等待时间间隔。

11、根据层部分特定质量参数为所述层部分单独设定扫描时间的特定最小值，即最小扫描时间。换言之，在操作用于生产三维工件的设备的方法中，根据质量参数为各个层部分单独设定最小扫描时间，该质量参数是层部分特定的，因此可以从层部分到层部分而变化。因此，最小扫描时间也可以从层部分到层部分而变化。

12、当然，层部分特定质量参数可以在多个层上，尤其是在所有层上是相等的，并且质量参数可以对于所有层部分(即所有暴露区域)是相等的。由于对加工的各种影响，最小扫描时间可以从层部分到层部分而变化，以实现相等的特定质量参数。

13、相应的层部分可以是在构建场的平面中具有固定的坐标(即具有固定的尺寸和位置)的层的预定部分。还可能的是，根据待生产的工件的形状，尤其是根据当前层中的工件的横截面来确定相应的层部分，因此，相应的层部分的尺寸和位置可以从层部分到层部分而变化。相应的层部分也可以被确定为包括整个层。当然，层可以包括多于一个的相应的层部分，例如，如果多于一个的工件嵌套在一个构建作业中，在这种情况下，应当理解，可以为每个相应的层部分、相应的层部分的组(例如在特定的局部相关部分中)、或者所有相应的层部分(即整个层)设定最小扫描时间。

14、层部分特定质量参数是指示待生产的工件层部分的质量的参数。例如，层部分特定质量参数可以适于指示工件层部分没有材料缺陷、具有所需的尺寸和大小，具有所需的微观结构，具有所需的晶体结构(例如，奥氏体结构、马氏体结构、或取决于原料粉末类型的任何其他晶体结构或材料相)等。最小扫描时间是足够长的扫描时间，以确保工件层部分可以以所需的质量生产。

15、通过为各个层部分单独调节最小扫描时间，可以考虑从层部分到层部分的层部分特定质量参数的变化或均匀性。因此，每个层部分可以以确保所需质量的方式生产。同时，由于可以为每个层部分设定最小扫描时间，以使最小扫描时间足够长，以确保可以以所需的质量而不是更长的时间来生产工件层部分，因此使得能够高效地生产工件。例如，对于各个层部分，层部分特定质量参数指示如果用由待生产的工件层部分的几何形状和辐照装置的操作参数(诸如扫描速度、光斑尺寸和辐照束的功率)产生的预期的扫描时间扫描层部分，则可以实现所需的质量，从而无需延长扫描时间。然而，如果对于各个层部分，层部分特定质量参数指示如果用由待生产的工件层部分的几何形状和辐照装置的操作参数产生的预期的扫描时间扫描层部分，则不能实现所需的质量，则扫描时间可以延长到最小扫描时间。

16、对于待生产的工件的至少一些层的至少一部分，在开始三维工件的生产之前可以确定层部分特定质量参数和/或最小扫描时间。例如，对于受关注的层部分，可以基于指示待生产的工件的整体几何形状和/或受关注的层部分的几何形状的几何形状数据来确定层部分特定质量参数和/或最小扫描时间。此外，为了确定层部分特定质量参数和/或最小扫描时间，可以考虑受关注的层部分沿竖直方向在工件内的位置。此外，可以考虑由受关注的层部分的几何形状和辐射装置的预期的操作参数产生的用于受关注的层部分的预期的扫描时间和/或暴露时间。例如，对于受关注的每个层部分，可以在开始三维工件的生产之前借助于优选的计算机辅助模拟来确定层部分特定质量参数和/或最小扫描时间。

17、替代地或附加地，对于待生产的工件的至少一些层的至少一部分，可以在三维工件的生产期间现场确定层部分特定质量参数。例如，可以借助于合适的传感器设备来监测层部分特定质量参数。

18、在优选的实施例中，层部分特定质量参数指示在预定时间处相应的层部分的温度，使得根据在预定时间处相应的层部分的温度来控制扫描时间。换言之，在预定时间处相应的层部分的温度可以用作控制参数，在开始三维工件的生产之前或在三维工件的生产期间现场确定该控制参数，然后根据所确定的温度来控制扫描时间。在一个实施例中，层部分特定质量参数指示在扫描时间结束时相应的层部分的温度。

19、随着工件的高度增加，在扫描后从工件层部分散热变得越来越困难。因此，在具有大的竖直高度的工件的生产期间，在工件内可能产生热梯度，即，在对层部分进行扫描和将新的原料粉末层施加到所扫描的层部分的顶部上的常规过程期间，工件的上部中的层部分可能不会如所需的那样冷却。

20、在替代的实施例中，层部分特定质量参数指示在施加新的原料粉末层之前相应的层部分的温度。

21、扫描时间的特定最小值可以被设定为使得在扫描时间结束时相应的层部分的温度不超过预定的最大值。延长扫描时间，并且因此延长直到下一个原料粉末层被施加在相应的层部分的顶部的时间使得相应的层部分能够根据需要冷却。因此，在工件的生产期间可以避免在工件内产生热梯度或将热梯度限制到预定的允许范围内。为了确保在扫描时间结束时相应的层部分的温度不超过预定的最大值，特别优选地通过选择合适的等待时间同时保持暴露时间恒定来延长扫描时间直到特定最小值。在等待时间期间，没有进一步的热量被引入到工件中，从而使得先前生产的层部分冷却到所需的温度。然而，还可以想到延长暴露时间或延长暴露时间和等待时间。

22、为了调节扫描时间并且特别是确定合适的等待时间，可以考虑该加工的其他参数，例如从层部分接收的辐射功率的总值或相对值或平均值、同时使用的辐照束的数量、层部分内的暴露区域、层部分内的辐照束的路径的长度、层部分的暴露持续时间、加工室的一个或多个特定点处的温度、载体的温度、构建区域的一个或多个特定点处的温度、层部分的平均温度、从构建区域发射的辐射值、从层部分发射的辐射值、包含辐射束的焦点的区域发射的辐射值、构建区域的热膨胀值、供给到层部分的加工气体的温度、从层部分抽出的加工气体的温度或加工气体的成分、加工气体的温度、量和速度、或加热器或冷却器的功率(例如在加工室中或靠近载体或在载体内的加热器或冷却器的功率)，仅举一些示例。

23、当然，除了调节最小扫描时间之外，还可以调节上述参数和其他参数，并且对于扫描时间的调节，特别是合适的等待时间的确定可以考虑调节。

24、影响层部分特定质量参数的另一选择是扫描策略的选择。特别是当粉末床熔融设备包括多于一个的辐照束和/或层包括多于一个的相应的层部分时，例如当多个工件嵌套在构建作业中时，在同时地、分组同时地或一个接一个地对多于一个的层部分进行辐照之间可能存在差异。在优选的实施例中，同时辐照的层部分的最大数量等于可用辐照束的数量，换言之，当辐照束开始对第一层部分进行辐照时，该辐照束将不会开始对另一层部分进行辐照，直到要暴露于辐照的所有区域都被辐照。因此，在多个工件的情况下，优选的实施例首先对属于一个工件的所有区域进行辐照，然后再对第二工件进行辐照。为了选择扫描策略，还可以考虑层部分的数量、尺寸和位置。在优选的实施例中，可以确定层部分的辐照顺序以避免或至少限制层部分之间和/或层内部的温度梯度。在替代的实施例中，层部分的辐照顺序可以确定为在对邻近的层部分进行辐照之前让第一辐照层部分冷却一点。

25、粉末床熔融设备可以被设计成对粉末床的一部分进行同时辐照并且将新的原料粉末施加到粉末床的另一部分。由于该方法仅确定层部分的最小扫描时间，因此可以使用该方法。

26、可以设定扫描时间的特定最小值，使得相应的层部分在扫描时间结束时具有所需的晶体结构。这可以通过适当地控制相应的层部分的冷却速率来实现。例如，可以设定最小扫描时间，使得在扫描时间期间，即直到新的原材料粉末层被施加在相应的层部分的顶部上，在层部分实现从奥氏体晶体结构到马氏体晶体结构的转变。这例如可以通过确保在扫描时间结束时相应的层部分的温度不超过与结构转变有关的值(例如对于大多数马氏体时效钢为200℃)来实现。与所述方法一起使用的最优选的但不是限制性的材料是具有马氏体结构转变的钢，例如，1.2709、17-4ph或m789，在扫描时间结束时的优选的温度值低于转变温度。

27、其他合金和材料也包括晶体结构的转变，因此在扫描时间结束时的优选的温度值可以位于基于不发生转变的材料特性的预定范围内。因此，温度值不仅可以被限制为最大值，还可以被限制为最小值。因此，还可以确定附加的最大扫描时间。典型的温度限制以材料为基础，并且位于100℃至800℃的范围内。在优选的实施例中，在扫描时间中的预定时间处，例如在扫描时间结束时，层部分的特定点的测量温度或层部分上的平均温度位于小于60℃的范围内，例如在介于150℃至210℃之间的范围内，特别优选的在小于30℃的范围内，例如在175℃至205℃的范围内。应当注意，例如当粉末床熔融设备包括加热器时，最小扫描时间也可以确保层部分的加热。

28、即使当材料不包括结构转变时，也发现控制最小扫描时间以达到层部分中的预定温度值范围提高了工件的质量。

29、层部分特定质量参数可以指示相应的层的至少一部分和相邻的层的至少一部分之间的暴露区域的突然变化。然后，基于待生产的工件的几何形状数据可以容易地确定层部分特定质量参数。在相邻的层的至少部分中的暴露区域和暴露时间的突然变化可能在待生产的工件中导致不希望的效果，例如水平线的产生。因此，优选的是避免从层部分到层部分的暴露区域/暴露时间的突然变化。

30、替代地或附加地，当使用多于一种的材料时，层部分特定质量参数可以指示从层部分接收的辐射功率的突然变化、层厚度的变化或原料粉末材料的比例的变化。当层中存在多于一个的相应的层部分时，从完整的层或层部分的组的视角来看，特定部分的变化可以彼此抵消。当对层部分进行分组以进行确定时，必须考虑这一点。

31、扫描时间的特定最小值可以被设定为使得相邻的层的至少部分之间的扫描时间的差不超过预定的最大值。为了确保扫描时间的差不超过预定的最大值，特别优选的是通过选择合适的暴露时间同时保持等待时间恒定来延长扫描时间直到特定最小值。暴露时间的连续增加和暴露时间的连续减少而不是暴露时间的突然变化避免了不希望的效果，例如在工件中产生水平线。

32、基本上，在本文描述的操作用于生产三维工件的设备的方法中仅需要使用一个层部分特定质量参数。然而，也可以想到根据多于一个的层部分特定质量参数来控制扫描时间。例如，可以控制扫描时间，使得在扫描时间结束时相应的层部分的温度不超过预定的最大值，并且使得相邻的层的至少部分之间的扫描时间的差不超过预定的最大值。

33、用于通过用电磁辐射或粒子辐射对原料粉末的层进行辐照来生产三维工件的设备包括用于将原料粉末的层施加到载体上的粉末施加装置。设备还包括辐照装置，该辐照装置用于根据待生产的工件的对应层的几何形状，用电磁辐射或粒子辐射对原料粉末的层进行选择性地辐照。此外，设备包括控制装置，该控制装置适于控制粉末施加装置和辐照装置，以施加原料粉末的层并且用电磁辐射或粒子辐射对原料粉末的层进行辐照，直到工件达到所需的形状和尺寸。对于至少一些层的至少一部分，该控制装置适于控制暴露时间、等待时间和原料粉末施加时间(暴露时间被限定为在所述层部分暴露于电磁辐射或粒子辐射期间的时间段，等待时间被限定为在所述层部分不暴露于电磁辐射或粒子辐射并且没有在所述层部分的顶部上施加新的原料粉末层期间的时间段，原料粉末施加时间被限定为在所述层部分的顶部上施加新的原料粉末层期间的时间段)，使得从相应的原料粉末层部分开始暴露于电磁辐射或粒子辐射直到施加在所述层部分的顶部上的新的原料粉末层开始暴露于电磁辐射或粒子辐射的扫描时间由以下公式限定：

34、扫描时间(ts)＝暴露时间(te)+等待时间(tw)+原料粉末施加时间(tp)

35、该扫描时间不低于根据层部分特定质量参数为所述层部分单独设定的特定最小值。

36、控制装置可以适于根据层部分特定质量参数和/或最小扫描时间来控制扫描时间，层部分特定质量参数和/或最小扫描时间是在开始三维工件的生产之前和/或在三维工件的生产期间现场确定的。

37、层部分特定质量参数可以指示在扫描时间结束时相应的层部分的温度，使得控制装置可以适于根据在预定时间处相应的层部分的温度来控制扫描时间。控制装置可以适于设定扫描时间的特定最小值，使得在扫描时间结束时相应的层部分的温度不超过预定的最大值。替代地或附加地，控制装置可以适于设定扫描时间的特定最小值，使得在扫描时间结束时相应的层部分具有所需的晶体结构。

38、层部分特定质量参数可以指示相应的层的至少一部分和相邻的层的至少一部分之间的暴露区域的突然变化。控制装置可以适于设定扫描时间的特定最小值，使得相邻的层部分之间的扫描时间的差不超过预定的最大值。