選擇性激光固化設(shè)備和方法
【專利說明】選擇性激光固化設(shè)備和方法
[0001]本發(fā)明涉及選擇性激光固化，并且確切地說涉及其中使用多個(gè)激光束來固化層的選擇性激光熔化過程和設(shè)備，層的單獨(dú)區(qū)域由不同激光束固化。
【背景技術(shù)】
[0002]用于生產(chǎn)物體的增量制造或快速成形方法包括使用激光束進(jìn)行的材料(例如，金屬粉末材料)的逐層固化。粉末層沉積在構(gòu)造腔室中的粉末床上并且激光束掃描越過對(duì)應(yīng)于正被構(gòu)造的物體的橫截面的粉末層的部分。激光束熔化或燒結(jié)粉末以形成固化層。在層的選擇性固化之后，粉末床減少掉新固化層的厚度并且另一粉末層在表面上擴(kuò)散且視需要固化。在單次構(gòu)建中，可構(gòu)建一個(gè)以上物體，該物體在粉末床中間隔開。
[0003]從DE102005014483 A1已知使用四個(gè)激光束，每一激光束固化粉末床的不同象限中的粉末。此布置可增加構(gòu)建速度，因?yàn)槲矬w的不同部分或位于不同象限中的不同物體可以通過不同激光束同時(shí)構(gòu)建。然而，如果對(duì)于激光中的任一束，待固化區(qū)域在象限中的一個(gè)中比其它象限中更大，那么在構(gòu)建期間可能對(duì)激光利用不足。對(duì)于此層，在用于包括待固化的最大區(qū)域的象限的激光完成該區(qū)域的固化的同時(shí)，其它象限的激光將關(guān)閉。因此，通過具有待固化的最大區(qū)域的象限的激光所花費(fèi)的時(shí)間而設(shè)定的構(gòu)建速度存在限制。由于激光模塊是設(shè)備的極昂貴部分，因此由于增加激光的數(shù)目而顯著增加設(shè)備的成本但同時(shí)在構(gòu)建的較長持續(xù)時(shí)間中不使用激光中的一些激光是不合意的。
[0004]US2013/0112672 A1公開了一種用于在增量制造過程中產(chǎn)生多個(gè)激光束以用于熔化材料層的增量制造組合件。每一激光束單獨(dú)地且獨(dú)立地被引導(dǎo)到工作空間內(nèi)的不同區(qū)。每一區(qū)包括鄰近區(qū)內(nèi)的重疊區(qū)域。激光束中的每一束的重疊擴(kuò)展提供在使該區(qū)分離的邊界處的粉末金屬的一致熔化。重疊部分和由鄰近區(qū)中的鄰近光束提供的熔化防止完成零件內(nèi)的不合需要的不完全熔化或可能的結(jié)合線。換句話說，每一激光束能夠被引導(dǎo)到重疊區(qū)以使得在零件的形成期間制造的零件將包含金屬粉末的完全熔化和覆蓋。類似于DE102005014483 A1，通過具有待固化粉末的最大區(qū)域的激光固化此區(qū)域所花費(fèi)的時(shí)間而設(shè)定的構(gòu)建的速度存在限制。在此時(shí)間期間，其它激光將利用不足。
[0005]JP2009006509公開了一種以多個(gè)激光束制造三維物品的方法。每一光束可跨越構(gòu)建區(qū)域的整個(gè)粉末床由專用模塊掃描，其中粉末床中待固化的粉末的區(qū)域被指派給激光以使得將由用于每一層的每一激光所掃描的區(qū)域是相等的。JP2002144437和JP2000263650公開了相似的布置。US5536467公開了用于產(chǎn)生三維物體的設(shè)備，其中使用多個(gè)激光束來固化光固化樹脂。每一激光束可被引導(dǎo)到層的預(yù)定區(qū)以固化那些區(qū)。
[0006]在所有這些布置中，用于掃描激光束的固定光學(xué)模塊必須間隔開以使得對(duì)于將能夠引導(dǎo)對(duì)應(yīng)激光束到粉末床中的任何位置的每一模塊而言，每一光模塊必須基于其位置而被不同地配置。這可能需要光學(xué)模塊的次最佳布置和/或不利用光學(xué)模塊的全范圍，該模塊跨越該范圍提供可接受性能。
[0007]DE19953000公開了一種用于通過粉末層的選擇性燒結(jié)快速產(chǎn)生本體的裝置。該裝置使用可一起遞送以用于燒結(jié)粉末的兩個(gè)激光束，第一激光束被帶到小焦點(diǎn)而第二激光束被帶到大焦點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種選擇性激光固化設(shè)備，其包括:粉末床，粉末層可沉積到其上;至少一個(gè)激光模塊，其用于產(chǎn)生多個(gè)激光束，所述激光束用于固化沉積到所述粉末床上的粉末材料;激光掃描器，其用于單獨(dú)地導(dǎo)引(steer)每一激光束以固化每一粉末層中的單獨(dú)區(qū)域;用于每一激光束的掃描區(qū)，其由所述粉末床上的位置界定，所述激光束可由所述激光掃描器導(dǎo)引到所述粉末床，所述激光掃描器被布置而使得每一掃描區(qū)小于所述粉末床的總面積且所述掃描區(qū)中的至少兩個(gè)重疊；以及處理單元，其用于針對(duì)所述粉末層中的至少一層選擇哪一激光束用以掃描位于區(qū)內(nèi)的所述粉末層的區(qū)域，在所述區(qū)中所述掃描區(qū)重疊。
[0009]通過重疊激光束的掃描區(qū)，可使用不同激光束構(gòu)建同一區(qū)域。以此方式，在選擇哪一激光束使用時(shí)存在靈活性，從而允許處理單元基于指定準(zhǔn)則選擇激光束。舉例來說，可基于每一激光束用于固化粉末層中的區(qū)域的總時(shí)間長度來選擇激光束?？蛇x擇激光束以減少或消除每一激光束用于固化粉末層中的區(qū)域的總時(shí)間長度的任何差異。以此方式，減少或甚至消除激光束的非使用周期。激光束的選擇可為相互矛盾的因素之間的平衡，例如減少針對(duì)固化粉末層中在氣流方向上游的區(qū)域而平衡的激光束的非使用周期，如我們的共同待審的美國專利申請(qǐng)案No:61/791，636中所描述。
[0010]掃描器的性能往往針對(duì)激光束的不同位置而變化。舉例來說，如果掃描器包括可旋轉(zhuǎn)鏡，那么所述鏡的準(zhǔn)確性可取決于角度而變化。此外，在光點(diǎn)移動(dòng)遠(yuǎn)離其中激光束垂直于粉末床的位置時(shí)，所述光點(diǎn)將變得更橢圓。由于用于單獨(dú)地導(dǎo)引每一激光束的光學(xué)器件必須物理上間隔開，因此其上針對(duì)每一激光束實(shí)現(xiàn)特定性能的掃描區(qū)可能不符合用于其它激光束的對(duì)應(yīng)掃描區(qū)。通過布置掃描器以使得每一掃描區(qū)小于粉末床的總面積，可利用區(qū)域，其不與用于其它激光束的對(duì)應(yīng)區(qū)域重疊且其中掃描器可引導(dǎo)具有特定性能的激光束，同時(shí)針對(duì)落在重疊區(qū)域內(nèi)的粉末床的掃描區(qū)域保持靈活性。
[0011]—個(gè)掃描區(qū)的超過10%、20%、30%、40%或50%可與另一掃描區(qū)重疊。激光掃描器可被布置以使得每一掃描區(qū)與另一掃描區(qū)且優(yōu)選全部鄰近掃描區(qū)重疊。激光掃描器可被布置以使得每一掃描區(qū)與每隔一個(gè)的掃描區(qū)重疊。
[0012]每一掃描區(qū)可為弧或圓。舉例來說，粉末床可具有矩形形狀且激光模塊可被布置以產(chǎn)生各自具有弧形掃描區(qū)的四個(gè)激光束，每一弧形掃描區(qū)的圓中心大體上位于矩形的所述粉末床的不同拐角處，所述弧的半徑使得所述掃描區(qū)重疊。
[0013]替代地，每一掃描區(qū)大體上是矩形。舉例來說，所述粉末床可具有矩形形狀且所述激光模塊可被布置以產(chǎn)生各自具有矩形掃描區(qū)的四個(gè)激光束，每一掃描區(qū)與所述粉末床的不同拐角對(duì)準(zhǔn)。
[0014]所述處理單元可被布置以基于指示當(dāng)掃描所述區(qū)域時(shí)所述激光束相對(duì)于所述粉末層的角度的參數(shù)而選擇激光束，其用以掃描區(qū)內(nèi)的所述粉末層的區(qū)域，在所述區(qū)中所述掃描區(qū)重疊。
[0015]用以掃描位于區(qū)內(nèi)的物體的區(qū)域的激光束的選擇可在構(gòu)建所述物體之前進(jìn)行，在所述區(qū)中所述激光束的掃描區(qū)重疊。所述處理單元可被布置以基于所述激光束的選擇而確定每一激光束掃描每一粉末層的時(shí)間長度，所述激光束在用于待構(gòu)建的一個(gè)或多個(gè)物體的規(guī)劃位置的每一粉末層中的掃描區(qū)域中使用，且基于所確定的時(shí)間長度來改變所述粉末床中的所述一個(gè)或多個(gè)物體的規(guī)劃位置。舉例來說，所述物體可被重新定位以減少或消除所述激光掃描每一層中的區(qū)域的時(shí)間長度的差異。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種在選擇性激光固化過程中選擇多個(gè)激光束中的哪一束用以掃描粉末層的區(qū)域的方法，其中一個(gè)或多個(gè)物體是通過在粉末床上重復(fù)沉積粉末層且在沉積的粉末上掃描多個(gè)激光束以選擇性固化所述粉末層的至少一部分而逐層形成的，其中每一激光束被單獨(dú)地導(dǎo)引以固化每一粉末層中的單獨(dú)區(qū)域，用于每一激光束的掃描區(qū)由所述激光束可導(dǎo)引到的所述粉末床上的位置界定，每一掃描區(qū)小于所述粉末床的總面積且用于所述激光束中的至少兩束的所述掃描區(qū)重疊，所述方法包括針對(duì)所述粉末層中的至少一層選擇哪一激光束用以掃描位于區(qū)內(nèi)的所述粉末層的區(qū)域，在所述區(qū)中所述激光束的所述掃描區(qū)重疊。
[0017]所述方法可為計(jì)算機(jī)實(shí)施的方法。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種其上存儲(chǔ)有指令的數(shù)據(jù)載體，所述指令在由處理器執(zhí)行時(shí)致使所述處理器進(jìn)行本發(fā)明的第二方面的方法。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供一種選擇性激光固化設(shè)備，其包括:粉末床，粉末層可沉積到其上;至少一個(gè)激光模塊，其用于產(chǎn)生多個(gè)激光束，所述激光束用于固化沉積到所述粉末床上的粉末材料;激光掃描器，其用于單獨(dú)地導(dǎo)引每一激光束以固化每一粉末層中的單獨(dú)區(qū)域；以及處理單元，其用于基于正被構(gòu)建的一個(gè)或多個(gè)物體的掃描如何在所述多個(gè)激光束之間劃分而選擇所述一個(gè)或多個(gè)物體的所述粉末床中的位置。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的第五方面，提供一種在選擇性激光固化過程中選擇多個(gè)激光束中的哪一束用以掃描物體的區(qū)域的方法，其中一個(gè)或多個(gè)