基于粉末床增材制造工件的方法、为该前述方法建立校正参数的方法和用于该后述方法的计算机程序产品与流程

本发明涉及一种基于粉末床增材制造工件的方法，其中工件在粉末床中逐层制造，其中为了制造工件分别将粉末床的最上层通过能量束固化。此外，本发明涉及一种用于建立用于上述方法的轮廓函数的方法。此外，本发明涉及一种用于建立校正函数的校正参数的方法，其涉及应用在首次提到的方法中的增材制造方法的方法参数。此外本发明涉及用于建立轮廓函数的计算机程序产品和用于建立校正函数的校正参数的计算机程序产品。

在de102015205316中描述了一种在粉末床中增材式制造工件的方法。据此，通过用激光束熔化粉末来在粉末床中制备工件。对于某些材料，例如镍基超合金，这可能是有问题的，因为激光的熔池中的高冷却速率会导致部件中的应力并导致形成不希望的金属结构(或组织)。作为对策而建议，通过加热器对粉末床进行预热，使得粉末和已经制成的部件的温度差与熔池相比较低，因此可以降低冷却速率。

根据us2016/0332379a1而提出，例如可以在激光烧结中调节由激光引入的能量的量，方法为至少在待制造的层的局部区域中考虑之前对前一层的固化步骤的持续时间，用于确定对当前层的能量输入。在此确定一校正系数，其考虑了已经制造的部件的先前层中的能量输入有多高。因此应该能够抑制不期望的构件变形。

根据wo2016/049621a1的另一种可行方案是，可以通过外部能源来实现对当前待固化的层的预热。在此，计算待固结层的所需热分布，由此还可以考虑后续仍待制造的层。

在本申请的范畴中，基于粉末床的增材制造方法应理解为这样的方法，其中将用于制造工件的材料在工件形成期间以层的形式添加至工件。在此通过在粉末床中定义工件的轮廓的固化，工件已经处于其最终形状或至少大致处于该形状。

为了能够制造工件，为所选择的增材制造方法加工描述工件的数据(cad模型)。为了建立用于制造设备的指令，所述数据转换成工件的适合于制造方法的数据，从而可以在制造设备中运行适于逐步制造工件的方法步骤。所述数据以这样的方式处理，使得待制造的工件的各个层(切片)的轮廓的几何数据可用，这也称为分层。

增材制造的实例包括选择性激光熔化(也称为slm：selectivelasermelting)和电子束熔化(也称为ebm：electronbeammelting)。这些方法特别适用于加工粉末形式的金属材料，利用该材料可以制造结构部件。

实施增材制造过程的基础是以几何数据集描述工件，例如stl文件(stl代表标准曲面细分语言standardtessellationlanguage)。stl文件包含用于旨在通过增材制造方法进行生产的这一处理作业的三维数据。从stl文件生成制造数据集，例如cli文件(cli代表公共层接口commonlayerinterface)，其包含将工件的几何形状转换成描述轮廓的切片(所谓的分层或切片slices)的、适用于增材制造的处理。数据的转换被称为分层或者说切片。

切片的结果是，要制造的工件的层具有一定的z-高度，例如50μm。这意味着对于例如100mm高的工件，必须定义2000个工件层。这些工件层中的每一个除了它们在z方向上的高度还包括x-y平面中的轮廓信息，其由一个或多个闭合的多边形列组成，工件层的材料位于其中，而外部没有工件材料，也就是说粉末床的层不被处理。

此外，该机器还需要进一步的制造规格，例如：要制造的层的高度，扫描矢量的设置，即粉末床表面上的能量束所描述的路径的方向和长度，以及待制造的工件层向区段的划分，其中适用确定的方法参数。此外，所用能量束的焦点直径和功率被确定。cli文件和制造数据一起确定流程计划，根据该流程计划，stl文件中描述的工件可以在制造设备中逐层地增材式制造。

制定流程计划的基础是各个工件层及其存储的轮廓信息，借助其在工作准备期间定义照射策略(或称为扫描策略)。这主要包括轮廓照射和阴影照射的步骤。在轮廓照射的范畴中，能量束一次或多次经过工件层的轮廓线。在阴影照射(或称为开口hatch)的范畴内，工件层的面通常填充有成组并行引导的照射矢量(belichtungsvektor；亦可称“曝光矢量”)，这些照射矢量组通常形成各个区段的矩形图案。

在增材制造方法中执行上述流程计划时，反复观测到制造问题，其在最坏情况下导致过程的中断。特别是对于一些构件(在所述构件中制造具有小构件体积的金属丝结构)的情况，会反复发生过热——伴有熔池的增大，因此使得过多的粉末颗粒熔化。在方法流程中，然后观察到形成熔珠，其在硬化后从粉末床中突出并阻碍或甚至防止随后的粉末层的产生，因为用于制造粉末层的粉末滑块粘附到固化的熔珠上，这导致过程中断。

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于粉末床的增材制造工件的方法，利用该方法，熔池的过热概率相对较低。另外，本发明所要解决的技术问题在于，提供一种用于建立轮廓函数的方法，该方法可用于上述方法中。本发明另外所要解决的技术问题在于，提供一种用于生成校正参数的方法，该校正参数可用于上述制造构件的方法中。最后，本发明所要解决的技术问题在于，提供允许根据上述相关方法建立轮廓函数或生成校正参数的计算机程序产品。

所述技术问题根据本发明的基于粉末床增材制造方法这样解决，即在粉末床最上层的固化过程中，考虑已制造工件的位于最上层之下的几何结构。根据本发明，这种考虑实现的是，当向已经制造的工件中的热量排放根据能量束下可用的(或者说可支配的)工件深度减小时，使用校正参数来减少由能量束在粉末床的每单位面积上引入的时间上平均的功率。在此，可用工件深度反映在该位置可用的工件体积，从熔池中排出的热量直接取决于所述工件体积。工件体积越大，从熔池中吸收和排出的热量就越多。当工件体积较小时，由于围绕工件体积的粉末床具有显著较低的导热系数和较低的热容，因此阻碍了散热。

校正参数有利地实现的是，通过能量束的能量输入在待制造的工件层的关键位置(或者说临界位置)减小。能量输入可以用粉末床单位面积引入的时间上的平均功率来描述。由此形成定义校正参数的可能性。这些校正参数可以单独或组合选择，以影响能量输入。

第一个可能性在于，降低能量束的功率。独立于照射策略，引入构件的能量密度由此成比例地减小。另一种可能性在于，提高能量束在粉末床上的进给速度。结果，由于能量束在较短时间内扫过粉末床的特定单位面积，因此粉末床的单位面积引入的功率减小。另一种可能性是，在照射矢量的行程和相邻照射矢量的行程之间保持辐照间歇。所述照射矢量各自定义路径的部段，能量束经过所述路径以固化粉末床，因此在相邻的照射矢量的行程之间的间歇导致时间上平均的功率降低。

根据本发明的一个实施例，在能量束下可用的工件深度由描述工件的几何形状的数据集计算。由于为工件的增材制造所需的作业预备，这些数据无论如何都是存在的。可行的是，作为描述工件几何形状的数据集使用几何形状数据集(例如，实施为stl文件)或制造数据集(例如，实施为cli文件)。

根据本发明的另一个实施例，在能量束下可用的工件深度仅考虑到确定的(或者说指定的)最大深度。业已表明，只有当向已制造部件的热量排放明显受阻时，才会出现熔池过热的临界条件和相关的熔珠形成。然而，自特定工件深度开始，在该特定工件深度以下额外可用的构件体积是多少就不重要了，因为工件体积达到这个深度足以保证充分的散热。因此，在计算中不考虑在该最大深度以下不明显参与散热的工件区域。

有利的是，要考虑的最大深度可以确定为最少0.5mm和最多2mm，优选为1mm。或者，可以指定在已经制造的工件层中要考虑的最大深度，因为由于建立了流程计划，这些工件层具有定义的厚度。据此，可将要考虑的最大深度设定为至少10层且最多40层，优选为20层。

要考虑的最大深度具体取决于所选增材制造方法和要处理的材料的边界条件。例如，在要加工的材料中，热容和热导率起着至关重要的作用。此外，方法参数、特别是默认情况下提供的能量输入，即粉末床单位面积能量束引入的时间上的平均的功率是重要的影响因素。

根据本发明的一个特别的实施例可以这样进行，使得针对每个最上层(即对于每一层，因为过程中每一层当其刚被制造时都是最上层)来说，每个在能量束下可用的工件深度被描述为位置相关地用于所述最上层的要固化的面分量的轮廓函数。因此，粉末床的最上层的待固化的面分量是定义工件位置并位于轮廓函数所描述的轮廓内的面分量。因此，可以在x-y坐标系中以与位置相关的方式来描述面分量。轮廓函数可以有利地以由基点(x，y)的网格形成的表格形式存储。例如，由此可以建立修正的cli文件。

有利的是，将轮廓函数标准化为1，其中在达到要考虑的最大深度时达到值1。结果，通过使用轮廓函数的值作为校正系数，可以例如基点相关地、容易地考虑轮廓函数的校正值。如果达到已经制造的工件中非临界(不关键)的最大要考虑深度，则该系数为1，也就是说，不需要对能量束的引入能量进行校正。如果校正值达到0，这意味着该位置中的工件尚未在位于其下的层中被制造。但是，在此能量束引入的能量不能设置为0，而是设置为形成新工件层所必需的最小值，该工件层不受先前生成的工件层支持。

备选地，根据本发明的一个特殊实施例还可以规定，为轮廓函数关联校正函数，在该校正函数中与位置相关地存储针对由能量束在粉末床的每单位面积上引入的时间上的平均功率的校正参数。校正函数可以有利地以用于由基点(x，y)形成的网格的表格形式存储。这允许考虑经验值，即能量束引入的能量需如何根据已制造工件体积的函数来减少。如果有足够的经验知识，则可以有利地从具备可能的校正参数的程序库中供给校正参数。例如，可以针对要加工的特定材料、针对特定的特征化的构件几何形状或针对特定的增材制造方法来汇总整理所述校正参数。

本发明的另一实施例规定，关联的校正函数的校正参数根据沿着照射矢量的校正函数的平均值或校正函数的最小值被确定，其中照射矢量是能量束进给的直线元素。因此，在方法的该实施例中，照射矢量被视为最小的要校正的单元。这可以用校正函数的校正系数单独地、或与要照射的轮廓内的区段的其它(特别是平行的)照射矢量一起成组地来校正。

如果使用校正函数的平均值，则校正小于使用最小值来确定校正参数的情况。当使用最小值时，则可以说，考虑了用于相关照射矢量的最坏情况，并且相应地校正更强。例如，可以根据构件的环境来决定应考虑哪个值。特别地，根据本发明的另一实施例，在确定轮廓的边界区域内的校正参数时，还可以考虑距轮廓边缘的距离。在轮廓的边缘区域，通常位于熔池下方的工件体积的减少更为关键，因为在边缘，在与z方向横向的方向上可用的构件体积总是较小。在此，例如，可以使用沿照射矢量的校正函数的最小值，而在边缘区域之外使用平均值。

此外，前述技术问题借助用于建立轮廓函数的方法这样解决，针对粉末床的待加工的层，分别在用于制造的能量束下可用的工件深度作为位置关联地用于层的待固化的面分量的轮廓函数被计算。要制造的各个层是制造过程中的最上面一层，轮廓函数被计算用于所述层。但是，由于描述工件的数据集中已经具备用于此目的的信息，因此也可以预先计算要生成的所有层的轮廓函数。通过该方法，上述优点可以在方法实施中实现，根据该方法可以防止熔池过热。

此外，上述技术问题根据本发明通过用于建立校正函数的校正参数的方法解决，该校正函数可用于上述增材制造方法中。根据本发明规定，通过试样的制造来确定由能量束在粉末床的每单位面积上引入的时间上的平均功率的减小的量(或者说程度、比例)。校正参数可由求得的量导出，并与用于制造的、对于校正有效的边界条件一起存储。在此，检查校正参数的迭代过程是可行的。然后可以将校正参数存储在例如程序库中。如果在待制造的构件中形成与试样或之前制造的工件中类似的结构，则可根据需要调用所述值。

备选地，也可以使用模拟程序计算由能量束在粉末床的每单位面积上引入的时间上的平均功率的减小的量，以便从所述量中导出校正参数，由此来实现解决所述技术问题。这些数据也可以与用于制造的、对于校正有效的边界条件一起存储。这里，通过多次运行模拟程序，也可以进行用于核查已确定的校正参数的迭代过程。模拟程序可应用于试样的制造或结构件的制造。还可行的是，还可以将上述方法(包含试样的制造)与包含模拟的方法相结合。

开始所述的技术问题最后也由用于建立适于在上述增材制造方法中使用的轮廓函数的计算机程序产品来解决。在此规定，在计算机程序产品中提供了建立程序模块，借助其能够将每个用于待加工的层的、在用于制造的能量束下可用的工件深度作为位置关联地用于层的待固化的面分量的轮廓函数计算。建立程序模块具有用于输入描述要制造的工件几何结构的数据集的第一接口。此外，建立程序模块具有用于输出所述轮廓函数的第二接口。因此，可以向建立程序模块提供用于建立轮廓函数所需的数据，然后输出计算出的轮廓函数。

最后，前述技术问题还通过用于为校正函数建立校正参数的计算机程序产品来解决，其中轮廓函数可用于上述增材制造方法中。前述技术问题这样解决，即提供模拟程序模块，借助其可以计算出由能量束在粉末床的每单位面积上引入的时间上的平均功率的减小的量。为此，模拟程序模块具有第三个接口，用于输入描述要模拟制造的工件的几何形状的数据集，因为该数据集是模拟计算所必需的。此外，模拟程序模块具有用于输出所述量的第四接口。然后，通过考虑在模拟中使用的用于模拟制造的边界条件，可以将所述量存储为校正参数。

下面参照附图描述本发明的其他细节。相同或相应的附图元件都标以相同的附图标记，并且仅当各个附图之间存在区别时才重复解释。在附图中：

图1示出了用于执行根据本发明的方法的实施例的装置，其具有激光熔化设备的截面示意图和根据本发明的计算机程序产品的作为框图的实施例，

图2立体地示出了根据本发明的用于通过测试方法确定校正参数的方法，

图3作为俯视图示出按照本发明的轮廓函数的示意图，

图4示意性三维地示出按照本发明的方法的实施例的、用于根据照射矢量确定校正系数的实施例，和

图5以流程图示出按照本发明的方法的实施例。

图1示意性地示出了用于激光熔化的设备11。该设备具有加工室12，在所述加工室中可以制造粉末床13。为了制造粉末床13的各个层，将刮刀14形式的分配装置移动到粉末供应装置15上，然后移动到粉末床13上，由此在粉末床13中形成一薄层粉末，该层形成粉末床的最上层25。然后，激光器16产生激光束17，激光束17通过具有镜子18的光学偏转装置移动至粉末床13的表面上。粉末在激光束17的入射点处熔化，由此形成工件19。

粉末床13形成在制造平台20上，该制造平台20通过罐形壳体22中的致动器21逐步地每每以粉末层厚度降低。在壳体22和制造平台20中设置电阻加热器形式的加热装置23(备选地也可以是感应线圈)，该加热装置可以预热形成中的工件19和粉末床13的颗粒。为了限制预热所需的能量，具有低导热性的绝缘24位于壳体22的外部。

激光熔化设备11由控制装置crl控制，crl必须首先提供适当的处理数据。为了准备工件19的制造，首先需要在设计程序cad中生成工件的三维几何数据。由此生成的几何数据集stl经由第五接口s5发送到制造准备系统cam。在制造准备系统cam上，一方面安装有计算机程序产品26，其具有建立程序模块con和转换程序模块slc。在转换程序模块中，(通过第一接口s1接收的)设计数据集stl被转换为制造数据集cli。此外，转换程序模块确定方法参数prt，所述方法参数与制造数据记录cli一起通过第一接口s1转发给建立程序模块con。在此其涉及的是标准化的制造参数。

建立程序模块con用于确定校正系数vf，在制造参数prt中要考虑这些校正系数，以便熔池不会过热。这些数据在建立之后经由接口s2传递给用于设备11的控制设备crl，并且必要时通过控制设备crl以设备11的特定数据有利地补充。为此，控制设备crl还需要制造数据集cli，其包含划分为工件层的机器的几何结构。控制装置经由第九接口s9与设备通信。

为了生成校正参数vf，建立程序模块con首先按照本发明计算待制造的工件的以深度信息补充的轮廓函数gcf，其除了待固化的工件层的维度信息还包含其与位置相关的信息：在能量束下可提供的工件深度z是多大(见图2)。所述信息取决于变量x和y，可由表达式gcf(x，y)表示。从轮廓函数中可以空间解析地确定同样依赖于变量x和y的校正参数vf，因此vf也可以被写为函数vf(x，y)。

为了计算校正函数vf，建立程序模块con需要来自程序库lib的数据。这按照图1显示为一个外部程序库lib，并且通过第六接口与建立程序模块con连接(可以双向通信)。

为了获得用于生成校正参数vf的数据，还可以使用在第二计算机程序产品27中实施的模拟程序模块sim。它通过第三接口s3接收制造数据集cli和制造参数prt，其中利用这些数据可以模拟工件的增材制造。备选地，可以使用模拟程序计算工件或试样的典型的局部结构。这些模拟计算的结果可以通过第七接口s7存储在程序库lib中。

备选的方案在于，测试结构tst借助设备11或其他设备被制造，以确定熔池是否过热。通过这种方式也可以试出校正参数。这些结果也可以使用第八接口s8存储在程序库lib中。备选地，也可以经由第四接口s4将测试结构tst的测试结果或模拟程序模块sim中的模拟计算转发给建立程序模块con，以便由此确定校正参数vf。

图2示出了试样28的可能结构，试样连同包围该试样28的粉末床13的一部分被示出。其具有一个楔形的结构，其中，由此在最上层形成边缘29，在该边缘下在粉末床13中不存在试样28的材料。这会导致熔池过热(未显示)，从而导致比由方法流程规定的材料的更多的材料固化。因此，至此制造的试样28的实际构件几何结构与理论几何结构(由虚线边缘表示)存在偏差。因此，更多的材料被固化，使得边缘29从粉末床13的表面突出。虚线所示的楔形区域由于构件的直至与粉末床13的过渡部位的有限深度z而被评估为在熔池的可能的过热方面是危险的或临界的。

为了克服这个问题，从试样28(如也从按照图1待制造的工件19)计算以下轮廓函数gcf(x，y)：

其中，z＝试样28在粉末床的表面30下的实际深度

zm＝试样28的要考虑的最大深度。

所述计算求解可以基于设计数据集stl或者基于制造数据集cli完成。通常，可用的构件深度z的数值被表格式地存储用于特定数量的位于网格中的基点(x；y)，并根据上述计算方法可以处于0和1之间。通过计算规则因此形成轮廓函数gcf的标准化，其中将要考虑的试样28的最大深度等于1。

根据图3示出了由轮廓函数gcf(x，y)描述的特定轮廓，其中，该轮廓也可以由几个子区域组成。其中z<zm的区域在图3中以阴影显示，并由点划线限定。其可以位于要制造的工件层32的外轮廓31上，或者位于其内部。此外，在图3中，要制造的工件层的各个边缘区域33都由双点划线表示，在确定校正系数时在所述边缘区域中可以考虑额外地适用于边缘区域的边界条件。

根据图4示出工件的待照射的表面的局部34。在该局部中存在区段35，其应该被多个照射矢量36照射。所述照射矢量36各自具有一定的长度，并在区段35中以一定的距离(hatch)h彼此平行延伸。为了确定工件位于照射矢量36下的深度z，要么确定平均值z1，要么确定最小值z2。其对于相关的照射矢量36作为基值被存储在基于相关坐标(x；y)的轮廓函数gcf中。从图4可以清楚地看出，所述值对于每个照射矢量36发生改变，因为位于段35下的构件体积由线框模型37表示。

根据图5，将根据本发明的增材制造工件的方法示出为流程图。如参考图1所述，该方法从为要制造的工件建立几何数据集stl开始。几何数据集stl在随后的步骤中以自身已知的方式转换为制造数据集cli，其以分层方式描述要制造的工件。此制造数据集cli可用于制造具有标准化制造参数的工件，其中可进行测试tst，其中工件在增材制造设备中制造。备选地，也可以通过模拟计算cal核查所述制造。在这两种情况下，确定形状偏差dev是否由熔池过热引起。在此应注意的是，形状偏差可能有其他原因，因此，特别必须在关键区域(或称为危险区域)中必须查找推断出熔池过热的形状偏差。如前所述，关键区域被发现于这样的位置中，在所述位置中，在相关层制造过程中在能量束下仅具有很小的工件体积。

如果形状偏差dev小于最大许用公差tmax，则可以开始工件的制造prd。制造此构件所需的数据可以存储为校正数据，并用于建立以后的制造数据集cli。

如果形状偏差dev大于许用公差tmax，则必须建立修正的轮廓函数gcf(x，y)，从该函数中根据当前已制造的工件的深度信息z确定校正函数vf(x，y)的校正参数。所述校正参数然后在另一试验tst或另一模拟计算cal中被考虑，其中再次确定形状偏差dev。重复这些迭代，直到形状偏差小于最大许用公差tmax。