粉末床熔合方法及相关设备与流程

本发明涉及粉末床熔合方法以及用于执行这些方法的设备(比如粉末熔合设备)、构建准备系统(比如构建准备软件)和存储在数据载体上用于控制粉末床熔合设备的指令，在这些方法中，通过用能量束选择性地照射相继形成的粉末层的区域，以逐层的方式构建物体。

背景技术：

1、粉末床熔合设备通过使用比如激光束等高能束将比如金属粉末材料等材料逐层固结来生产物体。通过以下方式在包含于构建套筒中的粉末床上在构建平面中形成粉末层：使构建套筒中的构建平台下降以使粉末床下降，将一堆粉末投放到下降后的粉末床附近，并用重涂器将这堆粉末(从粉末床一侧到另一侧)铺展在粉末床上以形成粉末层。然后通过用束照射这些区域来使与要形成的工件的截面相对应的粉末层的各部分固结。该束将粉末熔化或烧结以形成固结层。在层的选择性固结之后，使粉末床降低新固结的层的厚度，并且根据需要在表面上铺展另一层粉末并使其固结。

2、物体的表面光洁度可以随着面向下的表面的角度而变化。特别地，由于材料下垂和过多的热量被输入到区域中，所以较低的构建角度可能表现出更显著的影响。在减少这些影响的尝试中，已知识别要固结的层的区域的(悬伸)区，这些区是使用与用于该区域的其他(芯/主体)区的那些曝光参数(主体曝光参数)不同的悬伸曝光参数来固结的。悬伸区典型地与物体的向下定向的表面相关联，这些表面与构建平面成低于阈值角度，比如低于45度。

3、然而，已经发现，即使在悬伸区内使用悬伸参数，部件的变形和/或失败仍可能在这些悬伸区处发生。此外，阈值角度的使用引入了几何形状从低于阈值过渡到高于阈值的表面光洁度的改变，这可以被认为是缺陷。

4、us2018/0311757 a1披露了粉末床熔合设备，该粉末床熔合设备包括具有摄像头的传感器，该传感器感测构建件的形状信息，例如尺寸测量值。比较器从存储器获得物体模型，并且可以执行物体模型与形状信息的比较以确定与物体模型的差异。补偿器基于该差异修改打印指令，例如，通过在下一次扫描中增加对较厚粉末区域中的能量施加。在其他实施例中，使用基于物理学的模型来预测构建件的形状。

5、us2015/0174658 a1披露了一种通过粉末床的部分的连续熔合形成三维物品的方法，该方法包括：检测至少在第二粉末层中的至少两个位置处的局部厚度，以及取决于所检测的第二粉末层的局部厚度改变能量束参数。

6、de 102016218951 a1披露了一种用于增材制造的方法和装置，其中用于至少一个第一材料层的曝光的曝光参数取决于所测量的基板的表面拓扑选择性地调整，使得第一层在曝光区域中完全附接到基板。

7、wo 2019/091621 a1披露了一种用于由粉末增材制造三维部件的方法，其中外壳区的每个第二或第三层不接触激光，但外壳区的其他层的曝光是以与芯区基本上相同的功率来执行的。

8、wo 2018/182596 a1披露了用于增材制造的能量配量。该方法包括根据与正在制造的物体的每个体素相关联的能量值，改变在多个不同体素位置处的激光束的强度、光斑大小和/或重叠。

9、de 102011087374 a1披露了一种通过构建粉末材料的层来生产成型体的方法。激光束在相应层上的照射点处的能量密度根据照射点的限定的直接周围区的传导率被调制。热导率的度量是在限定的周围区中已经固结的体积元素的数量。

技术实现思路

1、根据本发明的第一方面，提供了一种确定要由粉末床熔合设备执行的粉末床熔合指令的方法，其中物体通过用能量束选择性地照射相继形成的粉末层的区以逐层的方式构建，该方法包括确定层内要用能量束照射的每个位置的曝光参数，这些曝光参数随位置变化。

2、层内要用能量束照射的每个位置的曝光参数可以根据初级曝光参数确定。每个曝光参数从初级曝光参数变化的量可以至少部分地根据从照射位置导出的物体的几何量来确定。

3、这样，可以提供较小的一组初级曝光参数，并且例如由计算机的处理器使用本发明的方法来确定初级曝光参数应如何随位置变化以避免在所得部件中的缺陷。这可以减少参数开发时间，因为不同的区类型(比如芯区和悬伸区)的多个曝光参数可以不需要凭经验确定。

4、该方法可以包括确定曝光参数，使得曝光参数例如在朝向待照射区的周界的方向上逐渐变化。本文所用的“逐渐变化”是指曝光参数的改变发生在要由能量束照射的多个相继位置上，而不是在单个阶跃中改变。通过使用逐渐变化的曝光参数，避免了由曝光参数的阶跃改变引起的缺陷。

5、曝光参数可以使用将几何量的值与曝光参数的值相关联的连续函数来确定(但是曝光参数可以被量化，使得每个曝光参数的最终值由(多个允许离散值中的)与使用连续函数确定的值最接近的允许离散值给出，例如，曝光时间的改变可以仅允许以2μs为步长)。减少或消除曝光参数中的阶跃改变是期望的，因为它可以减少或消除物体中的缺陷。

6、物体的几何量可以是从描述要使用粉末床熔合设备构建的物体的几何模型导出的。例如，几何模型可以是cad模型或stl模型。

7、几何量可以是包括照射位置的尺寸测量值。尺寸测量值可以根据几何模型来确定(例如，计算)。尺寸测量值可以是距离的测量值，例如在几何模型内的两个点之间的距离。尺寸测量值可以是从照射位置到物体(如几何模型中所定义的)的表面(比如表面上的最近点)的长度、物体(如几何模型中所定义的)的表面上的两个点之间并且穿过照射位置的线段(比如最短线段)的长度(例如，曝光参数可以对于窄截面变化)、物体包括照射位置的区的面积、和/或包括照射位置的物体的体积。从几何模型计算的尺寸测量值可以包括多个距离，每个距离是从照射点到物体的表面上的不同点计算的。

8、应当理解，术语“照射位置”是指几何模型中对应于构建过程中的预期照射位置的位置。

9、尺寸测量值可以仅根据包含在物体的几何模型内的信息来确定(例如，计算)。例如，尺寸测量值可以不根据将几何模型中定义的物体与另一几何模型中所定义的物体的另一定义进行比较、物体的测量、模拟由几何模型定义的物体可以如何扭曲或不同于构建或其他模拟的意图的热模型来确定。这样，尺寸测量值的确定不需要超出物体定义的其他输入，该物体定义由定义设计意图的几何模型提供。因此，本发明在确定每个曝光参数从初级曝光参数变化的量时不依赖于测量或模拟的准确度。

10、尺寸测量值可以根据由几何模型给出的物体的单个定义来确定。距离的测量值可以是在由几何模型给出的物体的单个定义内定义的两个点之间。尺寸测量值可以是从照射位置到如由几何模型给出的物体的单个定义所定义的物体的表面(比如表面上的最近点)的长度、如由几何模型给出的物体的单个定义所定义的物体的表面上的两个点之间并且穿过照射位置的线段(比如最短线段)的长度(例如，曝光参数可以对于窄截面而变化)、如由几何模型给出的物体的单个定义所定义的物体包括照射位置的区的面积、和/或包括照射位置的物体的体积。

11、确定每个曝光参数从初级曝光参数变化的量可以包括使用函数或映射，比如公式，该公式基于在几何模型中定义的物体的几何特性定义了初级曝光参数与(修改后的)曝光参数之间的关系。函数或映射可以包括初级曝光值的乘数(系数)，其中乘数的值根据所确定的几何量来确定。乘数的值可以部分地根据几何量与几何特性的阈值量的比率(分数)来确定。阈值量可以是这样的值，高于该值时，使用初级曝光参数。

12、几何量可以是从照射位置到该照射位置上方的物体的(尚待构建的)表面的距离。

13、替代地或附加地，几何量可以是在层的平面中从照射位置到物体的表面的距离。例如，几何量可以是在层的平面中从照射位置到物体的表面上的最近点的距离。曝光参数是否由于层的平面中从照射位置到物体的表面的距离而从初级曝光参数变化可以基于照射点是否在表面的阈值距离内。如果照射点在阈值距离内，则曝光点变化的量可以至少部分地是照射点距表面上最近点的距离的函数。如果照射点超出阈值距离，则曝光点变化的量可以不是照射点距表面上最近点的距离的函数(例如，曝光点变化的量可以仅是其他几何量(比如照射位置下方的固结材料的厚度)的函数)。阈值距离本身可以是照射位置下方的固结材料的厚度的函数。例如，阈值距离可以随着固结材料的厚度减小而增大。阈值距离可以具有最大值和最小值。

14、替代地或附加地，几何量可以是在照射位置下方的固结材料的厚度。

15、距离的测量值可以与阈值距离相关，低于该阈值距离时，曝光参数将例如从初级扫描参数变化。

16、距离的测量值可以是在照射位置上方或下方的固结层(可能包括部分层)的数量。阈值距离可以是固结层的阈值数量。对于指定的层厚度，可以比如通过经验测试来选择初级曝光参数。因此，基于层的数量而不是距离的绝对测量值来选择何时使曝光参数从初级曝光参数变化，意味着算法适用于为多个不同层厚度确定的初级曝光参数。曝光参数可以通过按距离的测量值与阈值距离的比率缩放初级曝光参数来确定。

17、阈值厚度可以大于10层、20层、30层、40层或50层。

18、初级曝光参数可以包括曝光参数的最大值(例如用于物体的芯/主体)和曝光参数的最小值(例如，用在物体的边缘区域)，并且曝光参数可以基于几何量被确定是最大值与最小值之间的值(优选地含最大值和最小值)。当距离的测量值等于或大于阈值距离时，最大值可以用于曝光参数，而当距离的测量值小于阈值距离时，在最大值与最小值之间的值可以用于曝光参数。

19、曝光参数可以从以下组中选择：能量束参数，比如能量束功率、和/或曝光时间；扫描参数，比如点间距、扫描速度、光斑大小/焦点位置和/或光斑形状；扫描路径参数，比如扫描间距(相邻扫描路径之间的距离)、和/或扫描路径长度；以及曝光相邻点/区之间的时间。相邻点/区可以是相邻曝光点或包括多个扫描路径和/或曝光点的相邻区，比如正方形或条带。应当理解，本文中使用的术语“曝光参数”不包括扫描路径的属性，比如扫描路径的位置或形状，但是扫描路径的位置或形状的确定可能受到曝光参数的影响(例如，通过一组扫描路径之间的扫描间距的变化)。

20、最小功率可以在最大功率的四分之一到四分之三之间。最小曝光时间可以在最大曝光时间的一半到八分之七之间。最小点间距可以在最大点间距的一半到八分之七之间。最小扫描间距可以在最大扫描间距的十分之六到十分之九之间。在一些实施例中，一些束参数可以不变化(即，具有相同的最大值和最小值)。

21、该方法可以包括在物体的构建开始之前确定用于每个曝光参数的量。每个曝光参数的量可以独立于扫描方向、可能甚至独立于能量束的扫描路径来确定。换句话说，每个曝光参数的量可以独立于在构建过程中层的照射行进的顺序。这可以是有利的，因为在顺序扫描时其他因素可能是重要的，比如气流方向(如在wo 2014/125258、wo 2014/125280和wo2019/211587中所披露的，其披露内容通过引用以其整体并入本文中)或擦拭器位置(如在wo 2015/140547中所披露的，其披露内容通过引用以其整体并入本文中)。因此，当结合如本文所披露的曝光参数的确定使用这样的原理来安排曝光时，曝光参数的确定独立于扫描的顺序可能是有用的。

22、增材制造设备可以包括多个扫描器，每个扫描器能够独立于其他扫描器扫描能量束。扫描器中的一个或多个可以用于根据所确定的曝光参数照射层中的区。因此，曝光相邻点/区之间的时间可以应用于通过能量束中的任何一个对相邻点/区的曝光。因此，扫描器可能需要被控制，使得实现曝光之间所需的定时，例如使用扫描器的确定性控制，如wo2017/085469中所描述的，其该文件通过引用以其整体并入本文中。

23、该方法可以包括确定用于能量束的扫描路径，例如，能量束可以作为连续扫描或作为一系列离散曝光沿扫描路径行进，并且曝光参数被确定为随着能量束沿扫描路径行进而变化(例如，能量束功率、扫描速度、曝光时间、点间距、曝光相邻点/区之间的时间、光斑大小/焦点位置和/或光斑形状可以随着能量束沿扫描路径行进而变化)。特别地，随着能量束朝向或远离物体的周界移动变化扫描参数可能是有利的。

24、替代地，该方法可以包括根据从位置测量的物体的几何量来确定要用于待照射区的不同部分的曝光参数，并且扫描路径被确定为遵循相等曝光参数的等值线(例如，曝光参数然后扫描路径确定方案)。这可能是有利的，因为能量束沿这样的扫描路径行进的速度可以不受增材制造设备的扫描器改变扫描参数的动态能力的限制。此外，可以无缝地改变遵循等值线的扫描路径的扫描间距。

25、该方法可以包括基于热量(例如在构建过程中测量的固结材料或粉末床的温度和/或由热模型确定的固结材料或粉末床(例如在照射位置处)的预测温度)来确定每个位置的曝光参数。

26、该方法可以包括将粉末床熔合指令输出到例如粉末床熔合设备。

27、粉末可以是金属粉末，比如钢(例如，马氏体时效钢、316级钢或工具钢)、铝或铝合金、钛或钛合金(例如，ti-6al-4v)、镍超合金(例如，hastelloy、rene 41或cm247)或钴铬合金。

28、根据本发明的第二方面，提供了一种其上存储有指令的数据载体，这些指令在被处理器执行时致使处理器执行本发明第一方面的方法。

29、根据本发明的第三方面，提供了一种粉末床熔合方法，其中，物体通过用能量束选择性地照射相继形成的粉末层的区域以逐层的方式构建，该方法包括用能量束根据一组曝光参数来照射层，该组中的曝光参数随着照射位置而变化。

30、每个位置的每个曝光参数可以根据初级曝光参数确定，其中每个曝光参数从初级曝光参数变化的量至少部分地根据从照射位置导出的物体的几何量来确定。该组中的曝光参数可以随着照射位置下面的固结材料的厚度改变而逐渐变化。

31、照射能量可以随着在不同的照射位置下面的固结材料的厚度的减小而逐渐减小。

32、根据本发明的第四方面，提供了一种粉末床熔合设备，包括：照射装置，用于将能量束引导到工作平面的选定区；层形成装置，用于在工作平面中形成粉末层；以及控制器，被布置为控制照射装置以将能量束引导到相继形成的粉末层上以熔化和/或烧结粉末材料，从而以逐层的方式构建物体，其中，照射装置被控制为执行本发明的第三方面的方法。

33、根据本发明的第五方面，提供了一种其上存储有指令的数据载体，这些指令在由粉末床熔合设备的控制器执行时致使控制器控制粉末床熔合设备执行本发明的第三方面的方法。

34、数据载体可以是用于向机器提供指令的合适介质，比如非暂态数据载体，例如软盘、cd rom、dvd rom/ram(包括-r/-rw和+r/+rw)、hddvd、blu ray(tm)光盘、存储器(比如memory stick(tm)、sd卡、紧凑型闪存卡等)、磁盘驱动器(比如硬盘驱动器)、磁带、任何磁性/光学存储器；或暂态数据载体，比如在导线或光纤上的信号或无线信号，例如在有线或无线网络上发送(比如互联网下载、ftp传输等)的信号。