预热用于增材制造的构建板的制作方法

1.本发明涉及一种用于预热用于增材制造、尤其粉末床增材制造的构建板的方法。本发明还涉及一种利用经预热的构建板制造产品的方法和一种设备。


背景技术：

2.根据本发明的方法可以应用于能量束增材制造、例如选择性激光烧结工艺(selectivelasersintering，sls)/选择性激光熔化工艺(selectivelasermelting，slm)、电子束熔化工艺(electronbeammelting，ebm)和类似的增材制造技术。
3.对于使用基于粉末床的增材制造技术加工脆性合金，可能有必要将构建板(也称为基板)预热至所加工的合金的熔点大小的温度。这可以通过在沉积第一层粉末之前用散焦射束重复扫描基板的顶表面来实现。预热过程的目标温度可以预先指定，但达到和保持目标温度所需的射束功率却很难预先确定。该射束功率不仅取决于基板材料和射束效率，而且对基板的表面发射率和对易受氧化和金属蒸发的环境(构建室)非常敏感。此外，基板还会将热传导到周围的粉末床中。尽管金属粉末表现出小的热导率，但由于温度水平升高，在基板的边界和边缘可以观察到明显的温度下降。这种不均匀性是不可取的，因为在基板的边缘区域中构建的部件与在板中心构建的部件相比具有了不同的预热温度。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是改进能量束增材制造中的构建板的预热。
5.为了解决该技术问题，提出一种用于预热用于增材制造的构建板的方法。预热通过至少一束发射功率的能量束来进行。该方法包括控制能量束的功率在构建板的尺寸上的功率分布，包括：
[0006]-确定指示基板的中心区域中的温度的中心温度，
[0007]-确定指示基板的边缘区域中的温度的边缘温度，
[0008]-基于基板的目标温度确定射束的功率，以及
[0009]-基于基板中的温度分布确定对尺寸的功率的分配，
[0010]
其中，基于作为关于温度分布的设定值的目标温度差来控制功率分布，并且
[0011]
其中，第一控制器被配置为控制功率并且第二控制器被配置为控制功率分布。
[0012]
目标温度是构建板在预热过程后所具有的温度的设定值。对构建板尺寸的功率分配会导致构建板中的温度分布。温度分布是温度在构建板上分布的均匀程度的量度。对象的增材制造通常在粉末床中逐层地进行，其中，通过选择性地熔化和/或烧结粉末床将对象构建在经预热的构建板上。本发明可以在不需要用户交互的情况下自动且快速地预热基板。此外，本发明还可以实现均匀的预热温度，从而更好地控制在板的边界区域中构建部件的微观结构。视材料而定地，可以首先在基板的边界区域中构建部件，从而提高高温增材制造工艺的整体生产率。
[0013]
可以通过每个区域的一个或多个热电偶来测量中心温度和边缘温度。当多个边缘
被类似地加热时，可以针对一个边缘确定边缘温度。还可以确定多个温度，以便更准确地测量温度分布。
[0014]
温度分布是中心温度和边缘温度之间的差值。该差值提供了构建板内剩余温度差的度量，并且可以有效地进行计算和处理。已证明有利的是，使用边缘温度和中心温度之间的温度差，因为该温度差是足够精确的控制变量，以便在构建板内实现可接受的均匀的温度分布。
[0015]
在该方法的另一种实施方式中，射束功率被限制为，使得基板的熔化温度在局部不被超过。这可以通过应用与构建板和/或材料和/或温度相关的每区域的最大功率值来实现。在该方法的另一种实施方式中，射束功率被限制为，使得基板的熔化温度在局部不被超过，方式为，应用限制函数来控制功率分布和/或射束功率。作为避免损坏基板的第一措施，基板的熔化温度作为控制器输入的温度设定值不能被超过。然而，根据控制器的动态特性，由于在定义的时间跨度内在一个位置施加了过多的功率，可能会局部地超过熔化温度。由于对基板的负面影响，这应该被避免。为了防止局部地超过构建板的熔化温度，可以实施限制函数。已经表明，除了设定值的限制之外，最好还可以实施限制函数。可以直接利用功率分布的控制函数来实施限制函数。
[0016]
为了避免局部融化，可以通过f
lim
＝min(p，p
limit
)形式的限制函数来限制射束功率，其中，p
limit
是在不局部熔化基板表面的情况下允许的最大射束功率，并且可以是基板温度、射束直径和扫描速度的函数。
[0017]
根据本发明，第一控制器被配置为控制功率并且第二控制器被配置为控制功率分布。这种功率控制和分布控制的分离允许基于对功率和功率分布的个性化需求进行严格的控制设计。第一控制器可以是用于实现温度的自动升高的第一控制回路的一部分，并且相应地，第二控制器可以是用于实现均匀的温度分布的第二控制回路。在该方法的另一种实施方式中，第一控制器与第二控制器分离。这可以在软件中实现，也可以通过对实际的控制硬件产品的设置来实现。
[0018]
根据本发明，控制功率分布是基于作为温度分布的设定值的目标温度差。可以为该差提供设定值，在理想情况下，构建板具有均匀的温度分布，中心的温度与边缘的温度相同。作为设定点，目标温度差可以选择为具有负值(中心的温度大于边缘的温度)、零值(中心和边缘的温度相等)和正值(边缘的温度大于中心的温度)。视射束源而定地，有构建板上的功率分布的不同选项可用。如果例如在基于激光的粉末床增材制造中，射束功率动力学与偏转动力学相当，则射束功率可以根据其在板上的位置进行调整。
[0019]
相反地，如果功率动力学远低于偏转动力学，则达到非均匀热沉积的另一种方法是调整热策略。通过局部地增加扫描间距(hatch-distance)或降低扫描速度，可以实现特定于区域的热输入的增加，同时保持射束功率恒定。因此，关于功率的内部控制器的输出可以是用于分布射束功率的预定义的加热策略的比例因子(例如范围：0至1)。对于比例因子为零，射束功率将均匀地分布。比例因子为一将导致如下加热策略：在板中心的热输入为零，而向边界的热输入增加。确切的热分布函数可能取决于基板的几何形状和材料特性，并且可以使用模拟或经验值预先确定。
[0020]
在本发明的另一种实施方式中，基于基板的目标温度和中心温度之间的差值确定用于射束的功率。替换地，可以使用中心温度和边缘温度的平均温度。在闭环系统中，基板
的目标温度与中心温度之间的差值用作用于闭环控制器的输入的控制差值。这在附图中作为示例示出。
[0021]
所述技术问题还通过一种用于在粉末床中逐层地制造对象的方法来解决，其中，该对象构建在通过根据前述实施方式之一的方法预热的构建板上。
[0022]
在另一种实施方式中，该方法包括基于待处理的材料确定基板的目标温度。确定的步骤可以包括根据要通过因子分解方法(factoringmethod)处理的材料来查找构建板的理想温度。尤其对于高脆性材料，仔细选择用于所使用的材料的基板温度是有利的。可以提供针对不同材料的目标温度的查找表，从而可以通过选择材料来自动地选择目标温度。
[0023]
所述技术问题还通过一种增材制造设备来解决，该增材制造设备至少包括能量束源、具有构建板的粉末床和控制单元，该控制单元设计和/或编程用于执行用于预热构建板的方法。
[0024]
在另一种实施方式中，增材制造设备包括用于确定边缘温度的边缘热传感器和用于确定中心温度的中心热传感器。热传感器可以是附接到相应位置的热电偶。热电偶的优点是可靠且应用广泛。加热功率和功率分布的变化也可以依靠于空间分辨的温度测量(热成像)。
[0025]
在另一种实施方式中，增材制造设备包括提供中心温度和边缘温度的温度测量系统。该系统可以基于热成像或其他非接触式原理。
[0026]
设置射束功率和分布的另外的方法也可以基于基板的热模拟以及不同的功率设置和材料。其中两种或多种方法的组合也是可能的，并且可以通过对热分布的更详细的了解来改善方法的热均匀性。本发明的优点是可以避免手动调整预热功率并且因此避免工艺参数的相应的操作员依赖性。
附图说明
[0027]
在下图中，通过图中所示的实施例更详细地描述和阐述本发明。
具体实施方式
[0028]
附图示出可用于实现本发明的一种实施方式的示例性控制电路的示意图。构建板10也称为基板，显示为具有尺寸x和y。中心热电偶tcc提供构建板10的中心的中心温度tc并且边缘热电偶tce提供构建板10的边缘的边缘温度te。应当注意，边缘温度te也可以在构建板10的角落之一中测量。构建板10承受能量束50，以便预热构建板10并且稍后逐层地构建对象。
[0029]
第一控制器c1被提供有关于目标温度t
set
的设定值，从中减去中心温度tc。该差值生成用于第一控制器c1的输入。基于中心温度tc和边缘温度te之间的差值将温度分布δt提供给第二控制器c2。在这种情况下，还提供目标温度差δt
set
以生成目标温度差δt
set
与当前温度分布δt之间的控制差作为第二控制器c2的输入。
[0030]
第一控制器c1产生达到温度t
set
所需的功率p作为输出。该功率p可以直接馈送到用于能量束源5的控制单元cu中。这将导致在中心的根据设定值的局部温度，但不是均匀的温度分布。因此，第二控制器c2输出比例因子a，指示了功率p在构建板10的尺寸x和y上应如何分布。可以直接向控制单元cu馈送功率p和比例因子a，以便实现均匀的温度分布。为了进
一步改善预热，功率p和比例因子a承受包括限制函数f
lim
的另外的分布函数f(p，a，f
lim
)的处理。分布函数f(p，a，f
lim
)用于计算功率分布(p
xy
)，该功率分布可以实现为xy坐标中的位置信息和待被射束50引入到相应位置中的功率。为了防止构建板10由于过大的功率p而局部地熔化，将限制函数f
lim
应用于功率p以生成输出功率分布p
xy
。作为对射束控制单元的输入，输出功率分布p
xy
提供控制增材制造设备以实现经预热的构建板10的全部必要信息。
[0031]
总结地说，本发明涉及一种利用至少一个发射功率p的能量束50来预热用于增材制造的构建板10的方法，其中，该方法包括控制功率p在构建板10的尺寸x、y上的功率分布p
xy
，包括：
[0032]-基于基板10的目标温度t
set
确定射束50的功率p，并且
[0033]-基于基板10中的温度分布δt确定对尺寸x、y的功率p的分配。本发明还涉及一种用于制造对象的方法和一种增材制造设备。
[0034]
附图标记列表
[0035]
cu
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
射束控制单元
[0036]
c1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一控制器
[0037]
c2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二控制器
[0038]5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
能量束源
[0039]
10
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
构建板
[0040]
x
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
构建板的x尺寸
[0041]yꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
构建板的y尺寸
[0042]
50
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
能量束
[0043]
tce
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
热电偶边缘
[0044]
tcc
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
热电偶中心
[0045]
p
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
功率
[0046]aꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
比例因子
[0047]
p
xy
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
功率分布
[0048]
f(p，a，f
lim
)分布函数
[0049]flim
限制函数