用于添加式地制造三维物体的方法与流程

本发明涉及一种用于通过借助至少一个能量束依次逐层地选择性照射和固化建造材料层来添加式地制造至少一个三维物体的方法，其中每个建造材料层包括要在待被添加式地制造的三维物体的添加式建造期间被选择性地照射并由此选择性地固化的至少一个区域，所述区域被细分为多个照射子区域。

背景技术：

通常从现有技术已知用于添加式地制造三维物体——例如技术结构件——的相应方法。相应的方法包括借助至少一个能量束依次逐层地选择性照射和固化建造材料层。每个建造材料层包括要在待被添加式地制造的三维物体的添加式建造期间被选择性地照射并由此选择性地固化的至少一个区域。相应的方法可被实施为例如选择性激光熔化过程。

要在待被添加式地制造的三维物体的添加式建造期间选择性地照射并由此选择性地固化的相应建造材料层的至少一个区域典型地被细分为可被分开照射的多个照射子区域。将该区域细分为相应的照射子区域并且依次照射相应的照射子区域典型地在所谓的“照射策略”中预先确定。已知的照射策略典型地实施将相应的区域细分为多个正方形或条带。

由于照射策略代表用于控制要添加式地制造的三维物体的结构特性的一个重要措施，特别是因为相应的照射策略在要添加式地制造的三维物体的添加式建造期间极大地影响建造材料层的热特性，所以存在对进一步细化的照射策略的稳定需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于添加式地制造三维物体的方法，该方法实施允许要添加式地制造的三维物体的进一步改善的结构特性。

此目的通过根据权利要求1所述的用于添加式地制造三维物体的方法来实现。权利要求1的从属权利要求涉及根据权利要求1所述的方法的可能的实施方式。

本文所描述的方法是一种用于通过借助至少一个能量束依次逐层地选择性照射和固化建造材料层来添加式地制造至少一个三维物体的方法(下称“方法”)。相应的建造材料层可以是由建造材料粉末构成的层。相应的建造材料粉末可包括例如金属粉末、陶瓷粉末和聚合物粉末中的至少一者。相应的能量束可以是例如电子束或激光束。该方法因此可被实施为例如选择性电子束熔化过程或选择性激光熔化过程。

该方法可借助用于通过依次逐层地选择性照射和固化能借助至少一个能量束固化的建造材料层来添加式地制造三维物体——例如技术结构件——的设备(下称“设备”)来实施。如上所述，相应的建造材料层可以是由建造材料粉末构成的层。建造材料粉末可包括例如金属粉末、陶瓷粉末和聚合物粉末中的至少一者。相应的能量束例如可以是电子束或激光束。该设备因此可被实施为例如选择性电子束熔化设备或选择性激光熔化设备。

根据该方法，每个建造材料层包括要在待被添加式地制造的三维物体的添加式建造期间被选择性地照射并由此选择性地固化的至少一个区域(下称“照射区域”)。要在三维物体的添加式建造期间被选择性地照射并由此选择性地固化的相应照射区域基于要添加式地制造的三维物体的几何形状——即特别是截面——来限定。因此，每个照射区域限定要添加式地制造的三维物体的几何形状，特别是截面，反之亦然。

通过控制单元——例如控制计算机——来确定要在待被添加式地制造的三维物体的添加式建造期间被选择性地照射并由此选择性地固化的相应照射区域。控制单元基于代表要添加式地制造的三维物体的几何形状——特别是截面——的建造数据如切片数据来确定相应的照射区域(针对每个建造材料层)。相应的控制单元可以是实施该方法的设备的照射单元的功能单元。

根据该方法，将要在待被添加式地制造的三维物体的添加式建造期间被选择性地照射并由此选择性地固化的相应照射区域细分为多个照射子区域。可根据特定次序来分别照射各照射子区域。将相应的照射区域细分为相应的照射子区域并且依次照射相应的照射子区域典型地通过照射策略预先限定。相应的照射策略可由相应的控制单元生成。在生成照射策略时可考虑多样化的用户输入。

根据该方法，至少一个照射子区域呈具有至少五条边的多边形形状。换而言之，相应建造材料层的相应照射区域的单个照射子区域、多个照射子区域或全部照射子区域可具有多边形的形状，该多边形具有至少五条边和因此至少五个边与边相交的点，即特别是角部。相应的照射子区域因此可至少形成为五边形。相应的照射子区域的内部角度之和因此为至少540°。

通常可设想的是，在相应的照射区域或建造材料层中，呈具有第一边数(规定第一边数至少为5)的多边形形状的第一照射子区域可与呈具有第二边数(该第二边数不同于第一边数，规定该第二边数至少为5)的照射子区域混合。因此，可在相应的照射区域或建造材料层中使用各自都具有至少五条边的不同形状的多边形照射子区域。通常还可设想的是，在相应的照射区域或建造材料层中，呈具有至少五条边的多边形形状的照射子区域可与呈具有不足五条边的多边形形状的照射子区域混合。因此，在相应的照射区域或建造材料层中可与具有不足五条边的照射子区域相结合地使用各自都具有至少五条边的(不同形状的)多边形照射子区域。如从本段显而易见的，在至少一个相应的照射区域或建造材料层中，呈具有至少五条边的多边形形状的照射子区域可任意地彼此混合和/或与其它形状的照射子区域混合。

也可以的是，即使相应的照射子区域可具有相同的基本形状，即由具有至少五条边的多边形限定的基本形状，相应的照射子区域的面积也可以不同。换而言之，在(共同的)照射区域或不同的照射区域中可使用各自都具有至少五条边的不同尺寸的多边形。作为示例，可使用相同或不同的尺寸和因此相同或不同的面积的五边形、六边形、七边形等。

因此，该方法提出通过使用呈具有至少五条边的多边形形状的特殊多边形照射子区域来利用根据现有技术典型地呈正方形或条形的相应照射子区域的特殊形状。将相应的照射区域细分为相应多边形的相应照射子区域能积极地影响要添加式地制造的三维物体的结构特性，特别是由于相应的照射区域或建造材料层内的热能的改善的分布和耗散。相应的照射区域或建造材料层内的热能的改善的分布和耗散可引起改善的对建造材料层内的热诱导应力的抑制/减小和因此改善的要添加式地制造的三维物体的结构特性。

因此，提供了一种改进的用于添加式地制造三维物体的方法。

可使用具有特定空间延伸和/或取向的多个单独的照射矢量、特别是扫描矢量来照射呈具有至少五条边的多边形形状的相应照射子区域。每个照射矢量限定用于使用能量束照射相应的照射子区域的典型地线形的束或照射路径。由此，相应的照射子区域被填充相应的照射矢量以便以期望方式照射和固化相应的照射子区域。

相应的照射矢量和照射路径可分别平行地排列并且因此可具有平行的布置。平行的照射矢量可具有相对于彼此等距的布置；换而言之，在照射矢量的平行布置中，至少三个单独的照射矢量和照射路径可分别以等距布置排列。

(共同的建造材料层中的)直接相邻地设置的照射子区域的照射矢量和照射路径可相对于彼此偏移或旋转。因此，用于照射第一照射子区域的照射矢量的方向和/或延伸和/或取向可不同于用于照射与第一照射子区域直接相邻地设置的又一照射子区域的照射矢量的方向和/或延伸和/或取向。换而言之，用于照射相邻地设置的照射子区域的相应照射矢量的方向和/或延伸和/或取向可以不同。例如通过使用于照射相邻地设置的照射子区域的相应照射矢量相对于彼此偏移或旋转来协调地改变它们的方向和/或延伸和/或取向能分别积极地影响相应照射区域和建造材料层中的热能的分布和耗散。

由此，可实施建造材料层中的相应照射子区域的特定照射次序。该次序可限定在共同的照射步骤中同时或依次照射具有相同的空间方向和/或延伸和/或取向的照射矢量的照射子区域。相应的次序分别积极地影响相应的照射区域和建造材料层中的热能的分布和耗散。因此，示例性次序可限定，在第一照射步骤中，照射具有包括第一空间方向和/或延伸和/或取向的照射矢量的全部照射子区域，而在随后的又一照射步骤中，照射具有包括又一空间方向和/或延伸和/或取向的照射矢量的全部照射子区域。因此，照射步骤的数量可对应于具有不同空间方向和/或延伸和/或取向的照射矢量的数量。

用于积极地影响要添加式地制造的三维物体的结构特性的另一措施是(共同的)建造材料层内的照射子区域的(侧向/横向)重叠。因此，建造材料层内的至少两个照射子区域特别是在相应的照射子区域的边界区域中可至少部分地重叠。

用于积极地影响要添加式地制造的三维物体的结构特性并且积极地影响不同的建造材料层之间的热能的分布和耗散的另一措施是不同的建造材料层的、特别是在竖向上直接相邻地设置的建造材料层的照射子区域的侧向或旋转偏移。因此，至少两个不同的建造材料层的、特别是在竖向上直接相邻地设置的建造材料层的照射子区域相对于彼此侧向地偏移或旋转。

根据该方法的一个优选实施例，所述至少一个照射子区域呈六边形形状。换而言之，相应建造材料层的相应照射区域的单个照射子区域、多个照射子区域或全部照射子区域可具有多边形的形状，该多边形具有六条边和因此至少六个边与边相交的点，即特别是角部。因此，优选地使用呈六边形形状的照射子区域(六边形的照射子区域)，因为六边形(至少正六边形)可用来不留间隙地细化二维空间，诸如建造材料层的照射区域。

尽管正六边形典型地由于它们可以用于不留间隙地细化诸如建造材料层的二维空间而是优选的，但是也可设想总体上不规则的六边形。因此，所述至少一个照射子区域通常可具有正六边形/规则六边形(所述正六边形/规则六边形即所有边的边长均相等的六边形)或不规则的六边形(即至少两条边的边长不同的六边形)的形状。

根据又一优选实施例，各自都呈六边形形状的三个直接相邻地设置的照射子区域构成单位孔格。由于每个六边形的照射子区域均具有六条边，所以相应单位孔格的三个六边形的照射子区域中的每一个在两条边处与另一直接相邻地设置的六边形的照射子区域重合或直接接触。因此，相应的单位孔格的两个六边形的照射子区域彼此对齐地布置，其中两个六边形的子区域的中心点通过直线连接，并且单位孔格的第三照射子区域与两个照射子区域侧向偏移地布置。在任意情况下，相应的单位孔格的三个照射子区域的中心点之间的直连接线典型地形成一(等边)三角形。构成相应的单位孔格提高了不留间隙地细化诸如建造材料层的照射区域的二维空间的效率。

如上所述，可使用多个具有给定方向和/或延伸和/或取向的单独的照射矢量、特别是扫描矢量照射呈具有至少五条边的多边形形状的相应照射子区域。当然，这也适用于六边形的照射子区域。此外，在此情况下，相应的照射子区域被填充相应的照射矢量以便固化相应的照射子区域。相应的照射矢量和因此照射路径可具有平行的布置。平行的照射矢量可具有相对于彼此的等距布置。

参照由各自都呈六边形形状的三个直接相邻地设置的照射子区域构成的单位孔格的上述优选实施例，(共同的建造材料层中的)直接相邻地设置的六边形的照射子区域的平行的照射矢量可相对于彼此偏移或旋转。直接相邻地设置的六边形的照射子区域的平行的照射矢量可相对于彼此旋转60°。因此，用于照射特定单位孔格的第一六边形的照射子区域的空间延伸和/或照射矢量可不同于用于照射单位孔格的第二六边形的照射子区域的照射矢量的空间延伸和/或取向，第二六边形的照射子区域与单位孔格的第一六边形的照射子区域直接相邻地设置，并且用于照射特定单位孔格的第一六边形的照射子区域的空间延伸和/或照射矢量可不同于用于照射单位孔格的第三六边形的照射子区域的空间延伸和/或照射矢量，第三六边形的照射子区域与单位孔格的第一和/或第二六边形的照射子区域直接相邻地设置。换而言之，用于照射相应的单位孔格的相邻地设置的六边形的照射子区域的相应照射矢量的空间延伸和/或取向可以不同。例如通过使用于照射单位孔格的相邻地设置的照射子区域的相应照射矢量相对于彼此偏移或旋转来协调地改变它们的空间延伸和/或取向来分别积极地影响相应照射区域和建造材料层中的热能的分布和耗散。

由此，可实施建造材料层中的特别是不同单位孔格的相应的六边形的照射子区域的特定照射次序。该次序可限定具有相同空间延伸和/或取向的照射矢量的六边形的照射子区域被同时或依次照射。相应的次序分别积极地影响相应的照射区域和建造材料层中的热能的分布和耗散。因此，示例性次序可限定，在第一照射步骤中，同时或依次照射具有包括第一空间延伸和/或取向的照射矢量的全部六边形的照射子区域，而在随后的照射步骤中，同时或依次照射具有包括第二空间延伸和/或取向的照射矢量的全部六边形的照射子区域。因此，照射步骤的数量可取决于照射矢量的不同空间延伸和/或取向的数量或者说取决于具有不同空间延伸和/或取向的照射矢量的数量。因此，在共同的照射步骤中可同时或依次照射不同的单位孔格的具有相应的空间延伸和/或取向的照射矢量的六边形的子区域。

本发明还涉及一种用于通过借助至少一个能量束依次逐层地选择性照射和固化建造材料层来添加式地制造三维物体的设备的照射单元。该照射单元适合于实施如上所述的方法。该照射单元可包括：至少一个能量束产生单元，例如电子源或激光源，其适合于产生能量束；以及至少一个能量束转向单元，例如磁性或光学元件的布置结构，特别是反射镜、透镜等，其适合于将能量束转向/移动至建造材料层的要被选择性地照射和固化的特定照射区域。照射单元可包括用于实施所述方法的控制单元或与该控制单元通信。因此，与所述方法有关的所有注释也适用于照射单元。

此外，本发明涉及一种用于通过借助至少一个能量束依次逐层地选择性照射和固化建造材料层来添加式地制造三维物体的设备，该设备包括至少一个如上所述的照射单元。因此，该设备适合于实施所述方法。因此，与所述方法有关的所有注释也适用于该设备。

该设备包括可在其运行期间操作的多个功能单元。第一示例性功能单元可以是建造材料施加单元，其适合于在设备的建造平面中施加建造材料以便形成要借助至少一个能量束选择性地照射和固化的建造材料层。另一示例性功能单元可以是照射单元，其适合于使用至少一个能量束——例如电子束或激光束——依次选择性地照射和固化施加在建造平面中的建造材料层。

本发明还涉及一种非暂时性计算机可读存储介质，其存储代表至少一个照射区域的代码，所述照射区域要在通过计算机化的添加式制造设备、特别是根据如上所述的权利要求的设备执行所述代码时在要添加式地制造的三维物体的添加式建造期间被选择性地照射并由此选择性地固化，所述代码包括：代表被细分为多个照射子区域的至少一个照射区域的代码，所述照射子区域可被分别照射，其中至少一个照射子区域呈具有至少五条边的多边形形状。

附图说明

参考附图描述本发明的示例性实施例，其中：

图1示出根据一个示例性实施例的用于添加式地制造三维物体的设备的原理图；以及

图2-4各自都示出根据一个示例性实施例的照射区域的俯视图。

具体实施方式

图1示出了根据一个示例性实施例的用于通过依次逐层地选择性照射和随之固化由能借助至少一个能量束4——例如激光束——固化的粉末状建造材料3——例如金属粉末——构成的层来添加式地制造三维物体2——例如技术结构件——的设备1的原理图。设备1可以是例如选择性激光熔化设备。

设备1包括可在其运行期间操作的多个功能单元。每个功能装置可包括多个功能单元。功能装置和设备1的操作分别由中央控制装置(未示出)控制。

第一示例性功能装置是建造材料施加装置5，例如再涂覆装置，其适合于在设备1的建造平面bp中依次施加由要在设备1的运行期间被依次选择性地照射和固化的建造材料3构成的层。如通过水平双箭头所示，建造材料施加装置5包括被可移动地支承的建造材料施加元件6，例如再涂覆元件，特别是再涂覆刮板。

另一示例性功能装置为照射装置7，其适合于使用至少一个能量束4依次选择性地照射和固化施加在建造平面bp中的由建造材料3构成的相应层。照射装置7包括控制单元8，其适合于生成和/或实施特定照射策略。

设备1适合于实施用于通过借助至少一个能量束4依次逐层地选择性照射和固化建造材料层来添加式地制造三维物体2的方法。

根据该方法，每个建造材料层包括要在待被添加式地制造的三维物体2的添加式建造期间被选择性地照射并由此选择性地固化的至少一个照射区域ia。基于要添加式地制造的三维物体2的几何形状、特别是截面来限定相应的照射区域ia。因此，每个照射区域ia限定要添加式地制造的三维物体2的几何形状，特别是截面，反之亦然。

可通过照射单元7的控制单元8或设备1的另一控制单元(未示出)来确定相应的照射区域ia。控制单元8基于代表要添加式地制造的三维物体2的几何形状——特别是截面——的建造数据如切片数据来确定相应的照射区域ia(针对每个建造材料层)。

如从图2-4显而易见的，其中图2-4均示出根据一个示例性实施例的设备1的建造平面bp内的照射区域ia的俯视图，相应的照射区域ia被细分为多个照射子区域isa。可根据特定次序来分别照射各照射子区域isa。将相应的照射区域ia细分为相应的照射子区域isa并且依次照射相应的照射子区域isa典型地通过照射策略预先确定。

如从图2、3显而易见的，其中图3是图2的细节iii的放大视图，照射子区域isa均具有六边形形状。换而言之，照射子区域isa各自都呈具有六条边的多边形形状。

如从图2、3显而易见的，三个直接相邻地设置的六边形的照射子区域isa构成单位孔格uc。图3示出相应单位孔格uc的详图。由于每个六边形的照射子区域isa具有六条边，所以相应单位孔格uc的三个六边形的照射子区域isa中的每一个在两条边处与另一直接相邻地设置的六边形的照射子区域isa重合或直接接触(参见图3)。因此，相应的单位孔格uc的两个六边形的照射子区域isa彼此对齐地布置，其中两个六边形的子区域isa的中心点cp通过直线连接，并且单位孔格uc的第三照射子区域isa与两个照射子区域isa侧向偏移地布置。在任意情况下，相应的单位孔格uc的三个照射子区域的中心点cp之间的直连接线形成一(等边)三角形(参见图3)。

可使用具有给定方向和/或延伸和/或取向的多个单独的照射矢量iv、特别是扫描矢量照射相应的照射子区域isa。如从图2、3显而易见的，相应的照射子区域isa被填充相应的照射矢量iv以便固化相应的照射子区域isa。每个照射矢量iv限定用于使用能量束照射相应的照射子区域isa的典型地线形的束或照射路径。如从图2、3还显而易见的，相应的照射矢量iv可具有相对于彼此平行等距的布置。

参照如图2、3所示的由三个直接相邻地设置的六边形的照射子区域isa构成的单位孔格uc的优选实施例，直接相邻地设置的六边形的照射子区域isa的平行照射矢量iv可相对于彼此偏移或旋转。根据图2、3的示例性实施例，直接相邻地设置的六边形的照射子区域isa的平行照射矢量iv可相对于彼此旋转60°。因此，用于照射特定单位孔格uc的第一六边形照射子区域isa的照射矢量iv1的空间延伸和/或取向不同于用于照射单位孔格uc的第二六边形的照射子区域isa的照射矢量iv2的空间延伸和/或取向，第二六边形的照射子区域isa与单位孔格uc的第一六边形的照射子区域isa直接相邻地设置，并且照射矢量iv1的空间延伸和/或取向不同于用于照射单位孔格uc的第三六边形的照射子区域isa的照射矢量iv3的空间延伸和/或取向，第三六边形的照射子区域isa与单位孔格uc的第一和/或第二六边形的照射子区域isa直接相邻地设置。换而言之，用于照射单位孔格uc的相邻地设置的六边形的照射子区域isa的相应照射矢量iv1-iv3的空间延伸和/或取向可以不同。例如通过使照射单位孔格uc的相邻地设置的照射子区域isa的相应照射矢量iv1-iv3相对于彼此偏移或旋转来协调地改变它们的空间延伸和/或取向，从而分别积极地影响相应照射区域ia和建造材料层中的热能的分布和耗散。

由此，可实施建造材料层中的特别是不同单位孔格uc的相应的六边形的照射子区域isa的特定照射次序。该次序可限定具有相同空间延伸和/或取向的照射矢量iv的六边形的照射子区域isa被同时或依次照射。相应的次序分别积极地影响相应的照射区域ia和建造材料层中的热能的分布和耗散。因此，示例性次序可限定，在第一照射步骤中，同时或依次照射具有包括第一空间延伸和/或取向的照射矢量iv1的所有六边形的照射子区域isa，在随后的第二照射步骤中，同时或依次照射具有包括第二空间延伸和/或取向的照射矢量iv2的全部六边形的照射子区域isa，并且在随后的第三照射步骤中，同时或依次照射具有包括第三空间延伸和/或取向的照射矢量iv3的全部六边形的照射子区域isa。因此，在共同的照射步骤中可同时或依次照射不同的单位孔格uc(参见图2)的具有相应的空间延伸和/或取向的照射矢量iv的六边形的子区域isa。

图4示出根据另一示例性实施例的设备1的建造平面bp内的照射区域ia的俯视图。如从图4显而易见的，可实施具有与六边形形状不同的形状——例如五边形形状——的照射子区域isa并且将其与例如六边形的照射子区域isa组合。

图4用于说明，根据该方法，至少一个照射子区域isa呈具有至少五条边的多边形形状。换而言之，相应的照射区域ia的单个照射子区域isa、多个照射子区域isa或全部照射子区域isa可呈具有至少五条边的多边形的形状。

如从图4还显而易见的，在相应的照射区域或建造材料层中，呈具有第一边数(规定该第一边数至少为5)的多边形形状的第一照射子区域isa可与呈具有不同于第一边数的第二边数(规定该第二边数至少为5)的照射子区域isa混合。因此，可在相应的照射区域ia或建造材料层中使用各自都具有至少五条边的不同形状的多边形照射子区域isa。

如从图4还显而易见的，在相应的照射区域ia或建造材料层中，呈具有至少五条边的多边形形状的照射子区域isa可与呈具有不足五条边的多边形形状的照射子区域isa混合。因此，在相应的照射区域ia或建造材料层中可与具有不足五条边的照射子区域isa相结合地使用各自都具有至少五条边的(不同形状的)多边形照射子区域isa。

如从图4还显而易见的，在至少一个相应的照射区域或建造材料层中，呈具有至少五条边的多边形形状的照射子区域isa可任意地彼此混合和/或与其它形状的照射子区域混合。

如从图4还显而易见的，也可以的是，即使相应的照射子区域isa可具有相同的基本形状，即由具有至少五条边的多边形限定的基本形状，相应的照射子区域isa的面积也可以不同。作为相应的示例，图4示出用于(共同的)照射区域ia中的不同尺寸的六边形的多边形。

尽管图中未示出，建造材料层内的至少两个照射子区域isa特别是在相应的照射子区域isa的边界区域中可至少部分地重叠。这样，可积极地影响要添加式地制造的三维物体2的结构特性。

用于积极地影响要添加式地制造的三维物体2的结构特性的另一措施是不同的建造材料层的、特别是在竖向上直接相邻地设置的建造材料层的照射子区域的侧向或旋转偏移/错位。因此，至少两个不同的建造材料层的、特别是在竖向上直接相邻地设置的建造材料层的照射子区域isa相对于彼此侧向地偏移或旋转。

结合图2-4的实施例阐述的特征可任意地彼此组合。