選擇性激光固化設備及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及選擇性激光固化，并且具體涉及改進的選擇性激光熔化過程和設備，其中，基于氣流的方向來選擇構建物體或物體部分的順序。
【背景技術】
[0002]用于制造物體的增材制造或快速成型方法包括使用激光束逐層固化諸如金屬粉末材料的材料。粉末層沉積在構建室的粉末床上，并且激光束掃描橫越對應于正在構造的物體的橫截面的一部分粉末層。激光束熔化或燒結粉末以形成固化層。在選擇性固化層之后，粉末床降低新近經固化層的厚度，并且另外的粉末層被散布在表面上并在需要時固化。在單次構建中，可以構建不止一個物體，該物體在粉末床中隔開。
[0003]在熔化或燒結過程中，在構建室內產生殘渣(例如，冷凝物、粉末的未固化顆粒等)。已知，引入氣流通過構建室以試圖通過氣流去除室內的殘渣。例如，由德國慕尼黑EOS股份有限公司制造的機器型號M280包括位于粉末床后部的一系列氣體出口噴嘴，這一系列氣體出口噴嘴將氣流傳遞到位于粉末床前面的一系列排氣孔。通過這種方式，在粉末床的表面形成氣流的平面層。Renishaw的AM250和AM125機器提供類似的布置，其中在粉末床的任一側面上的小孔提供在粉末床上穿過的大體上平面的氣流。已經發現，殘渣可以從物體的一個節段吹到該物體的另一個節段或另一物體的另一個節段。這可導致通過熔化過程生成的固化金屬層的非均勻性和增加的孔隙度。具體地，吹過粉末床的殘渣可導致表面粗糙度增加，使得相鄰層之間形成氣孔。構建中的非均勻性可導致物體不符合預期的設計并損壞設備。具體地，刮板通常用于在粉末床上散布各個粉末層。從粉末床上伸出的固化結構可碰到刮板并將刮板損壞。損壞的刮板可導致粉末層具有隆起的粉末。因此，構建中的非均勻性不僅關系到正在形成的層，而且關系到此后形成的粉末層。
【發明內容】
[0004]根據本發明的第一方面，提供一種選擇性激光固化設備，所述設備包括:粉末床，粉末層可以沉積在所述粉末床上；氣流單元，其用于使氣體沿氣流方向在粉末床上穿過；激光掃描單元，其用于在粉末層上方掃描激光束，以選擇性固化粉末層的至少一部分從而形成一個或多個物體；以及處理單元，其基于氣流方向選擇激光束的掃描次序。
[0005]掃描次序可以經選擇使得通過掃描產生的殘渣被帶走遠離有待被掃描的粉末層的區域。因此，這些粉末區沒有被殘渣擾亂和污染，從而確保當固化這些區域時，固化層被構建成預期的均勻高度。例如，處理單元可以選擇在掃描另一個區域之前掃描一個區域，因為所述一個區域在氣流方向上位于另一個區域的順風方向。在形成逆風區域中所產生的殘渣可能被吹到已經形成的順風區域上，但是這種殘渣可以由刮板去除，并且如果所述殘渣沒有被去除，則在形成下個一橫截面時，所述殘渣被將要被熔化的下一個粉末層覆蓋。因此，以這個順序掃描區域不太可能在構建中導致非均勻性。
[0006]—個或多個物體可通過在至少一個粉末層中固化單獨島狀物而形成，處理單元經布置以基于島狀物在至少一個粉末層中的相對位置和氣流方向選擇形成島狀物的順序。
[0007]可以選擇形成島狀物的順序，以使得通過形成島狀物而產生的殘渣被帶走遠離還未形成島狀物的粉末層的區域。因此，這些粉末區域沒有被殘渣擾亂和污染，從而確保當固化這些區域時，固化層被構建成期望的均勻高度。例如，處理單元可選擇在形成另一個島狀物的至少一部分之前形成一個島狀物的至少一部分，因為所述一個島狀物的至少一部分在氣流方向上位于另一個島狀物的至少一部分的順風方向。在形成逆風島狀物時所產生的殘渣可被吹到已經形成的順風島狀物上，但是此殘渣將被下一粉末層覆蓋，并且所述殘渣很可能在形成下一橫截面時再熔化。因此，以這個順序構建島狀物不太可能在構建時導致非均勻性。
[0008]對于其中第一島狀物整體位于第二島狀物的順風方向的島狀物，處理單元可經布置以選擇在形成第二島狀物之前完全形成第一島狀物。然而，如果第一島狀物至少部分圍繞第二島狀物定位，從而第一島狀物的部分在第二島狀物的順風方向而第一島狀物的其他部分在第二島狀物的逆風方向，則處理單元可經布置以選擇在形成第一島狀物的順風部分和逆風部分中間，形成第二島狀物的至少一部分。
[0009]通過投射在固化每個區域時所形成的殘渣散落區并確定待固化的一個或多個其他區域是否落入所述殘渣散落區，處理單元可確定區域應當被掃描的順序；處理單元選擇在固化已從該區域投射殘渣散落區的區域之前，固化落入該殘渣散落區內的一個或多個其他區域。殘渣散落區可以從在垂直于氣流方向的方向上的區域的最外邊緣，被投射成在氣流方向上延伸的一對并行線。當氣流是層式氣流時(雷諾數小于2000)，此類殘渣散落區可為適合的。然而，考慮到氣流中的輕微湍流，將殘渣散落區投射成與氣流方向成輕微角度的分叉線也可以是可取的，輕微湍流可導致殘渣沉積到在垂直于氣流方向的方向中的區域的最外邊緣之外。可使用更復雜的殘渣可沉積在其上的區域的模型，從而需求殘渣散落區的更復雜投射。例如，靠近粉末床邊緣定位的待固化區域可能經受更多湍流，因為這些區域比定位在粉末床中心的區域更接近構建室的側壁。
[0010]所述設備可包括供用戶識別待形成的一個或多個物體的界面。用戶可以選擇將要構建一個或多個物體的構建平臺上的位置。另選地，處理單元可經布置以在構建平臺上為一個或多個物體選擇位置。處理器可基于已選定位置的物體的殘渣散落區為一個或多個物體選擇位置。
[0011]激光掃描單元可經布置以在粉末層上方掃描激光束，以選擇性固化粉末層的至少一部分，從而形成所需的圖案，所需的圖案由多個條紋或條紋段形成，每個條紋或條紋段通過在條紋形成方向上沿條紋或條紋段推進激光束來形成。如果激光掃描單元以這種方式布置，則條紋形成方向則可以并不總是與預定氣流方向至少部分相反。
[0012]根據本發明的第二方面，提供在選擇性激光固化過程中選擇激光束掃描次序的方法，在該選擇性激光固化過程中通過重復以下步驟來逐層形成一個或多個物體:在粉末床上沉積粉末層，以及在經沉積的粉末上方掃描激光束以選擇性固化粉末層的至少一部分，其中氣流在氣流方向上在粉末床上穿過；所述方法包括基于氣流方向選擇激光束的掃描次序。
[0013]所述方法可以為計算機執行的方法。
[0014]根據本發明的第三方面，提供具有儲存在其上的指令的數據載體，當處理器執行所述指令時，指令使處理器執行本發明的第二方面的方法。
[0015]根據本發明的第四方面，提供用于在選擇性激光固化過程中選擇激光束掃描次序的設備，在該選擇性激光固化過程中通過重復以下步驟來逐層形成一個或多個物體:在粉末床上沉積粉末層，以及在經沉積的粉末上方掃描激光束以選擇性固化粉末層的至少一部分，其中氣流在氣流方向上在粉末床上穿過；所述設備包括處理單元、顯示器和用戶輸入裝置，該處理單元經布置以進行以下各項:(I)接收關于一個或多個物體的數據，該數據包括物體在構建平臺上的位置，(2)促使顯示器顯示待固化區域的圖像，并且(3)從用戶輸入裝置接收有關區域待掃描順序的用戶輸入，其中從每個區域投射殘渣散落區。
[0016]根據本發明的第五方面，提供用于在選擇性激光固化過程中選擇激光束掃描次序的數據載體，在該選擇性激光固化過程中中通過重復以下步驟來逐層形成一個或多個物體:在粉末床上沉積粉末層，以及在已沉積的粉末上方掃描激光束以選擇性固化粉末層的至少一部分，其中氣流在氣流方向上在粉末床上穿過；所述數據載體具有在其上的指令，當處理器執行所述指令時，該指令使處理器進行以下各項:(I)接收關于一個或多個物體的數據，該數據包括物體在構建平臺上的位置，(2)促使顯示器顯示待固化區域的圖像，并且
(3)從用戶輸入裝置接收有關區域待掃描順序的用戶輸入，其中從每個區域投射殘渣散落區。
[0017]殘渣散落區可以為粉末層的區域，預測在粉末的固化期間所生成的殘渣由