[发明专利]增材制造设备和方法

说明书

一种增材制造设备，其包括扫描仪(110)，该扫描仪(110)用于将激光束(118)导引到可流动材料(104)的层上以选择性地固化该材料，从而以逐层方式形成物体(103)。该扫描仪包括：光学组件(106a、106b)，其可在第一致动器(121a、121b)的控制下操作以在第一维度中遍及第一角范围来反射该激光束(118)；和该光学组件或另一光学组件(106c)，其可在第二致动器(120a、120b)的控制下操作以在该第一维度中遍及第二角范围来反射该激光束(118)，其中该第二致动器(120a、120b)相比于该第一致动器(121a、121b)提供较快动态响应，但较小的该激光束(118)移动范围。

技术领域

本发明涉及一种扫描仪和用于在增材制造设备中导引能量束的方法，在增材制造设备中以逐层方式固化材料层以形成物体。本发明尤其(但非排他地)应用于选择性激光固化设备，例如，选择性激光熔融(SLM)和选择性激光烧结(SLS)设备。

背景技术

选择性激光熔融(SLM)和选择性激光烧结(SLS)设备使用高能量束(例如，激光束)通过材料(例如，金属粉末材料)的逐层固化来产生物体。通过沉积邻近于粉末床的粉末堆和使用刮片跨粉末床(从粉末床的一侧到另一侧)散布粉末堆以形成层而在构建腔室中跨粉末床形成粉末层。随后跨对应于经建构物体的横截面的粉末层的区域而扫描激光束。激光束熔化或烧结粉末以形成固化层。在选择性固化层之后，粉末床减少了新近固化的层的厚度，且将另一粉末层散布在表面上且视需要固化。此装置的实例在US6042774中予以公开。如US8172562中所描述，可通过刮片相对于构建平台的旋转运动而形成层。

用以扫描激光束的策略可影响在建造期间产生的热负载和材料的所得经固化行的准确度。在建造期间所产生的过度的不受限制的热负载致使所建造零件变形和/或卷曲。

通常，沿着扫描路径跨粉末扫描激光束。扫描路径的布置将通过扫描策略来界定。

US5155324描述一种扫描策略，其包括扫描零件横截面的轮廓(边界)，接着扫描零件横截面的内部(核心)。扫描该零件的边界可改善该零件的表面的分辨率、清晰度和平滑化。

US5155324和US2008/0241392 A1描述扫描多个平行扫描路径(阴影)中的区域。(在本文中被称作“曲折扫描”)。在各层之间旋转扫描路径的方向，以使在建造期间所产生的张力均匀化。US2008/0241392 A1将这个概念延伸到一连串平行条带中的扫描，其中每个条带由垂直于条带的纵向方向延行的多个平行扫描路径(阴影)构成。(在本文中被称作“条带扫描”)。US2008/0241392 A1还公开覆盖待固化区域的部分区(通常为方块)的条带，其中邻近部分区的阴影彼此呈90度。(在本文中被称作“棋盘扫描”)。

US2005/0142024公开一种包括连续地辐射层的个别区域的用于减少热负载的扫描策略，该等区域彼此相隔大于或至少等于个别区域的平均直径的距离。以一连串平行扫描路径(阴影)来辐射每个个别区域。

已知，使用连续激光操作模式，其中在使反射镜移动以沿着扫描路径导引激光光点的同时维持激光开启；或使用脉冲式激光操作模式，其中在反射镜沿着扫描路径导引激光光点到达不同位置时，激光以脉冲方式开启和关闭。

由激光所产生的熔体池取决于材料的属性以及围绕正熔融的体积块的材料的状态(粉末或经固化)和温度。激光操作模式可影响相邻材料的状态和温度。举例来说，以连续模式沿着扫描路径对激光光点的扫描会形成大型熔体池，其在该激光光点后被拖拽，得到较大、不太明细的固化线。对于一些材料(例如工具钢和航空器级超合金)来说，以连续激光操作的模式跨层拖动熔体池可能是困难的。可通过使用激光束以脉冲式操作模式来缓解这些问题。具体地说，将脉冲之间的时间/曝光点之间的距离设置得足够长以允许在形成邻近熔体池可产生更精确的固化线(该等固化线可尤其有益于边界扫描)之前冷却先前形成的熔体池。