用于将连续的能量束跳跃式地移位的方法及制造装置与流程

本发明涉及一种用于将连续的能量束沿着由射束位置的序列形成的照射路径移位的方法。此外，本发明涉及一种用于由粉末材料来增材制造构件的装置。

背景技术：

1、特别是金属构件或陶瓷构件的基于激光的增材制造基于通过借助激光照射来使以粉末形式存在的原材料固化。在由粉末材料增材制造构件的过程中，能量束(比如激光束)典型地特别是沿着预定照射路径移位到工作区域内的预定照射位置，以便使布置在工作区域中的粉末材料局部地固化。这特别是在相继布置在工作区域中的粉末材料层中逐层重复，以便最终获得由固化的粉末材料制成的三维构件。

2、增材制造方法也称为用于在粉末床中制造构件的基于粉末床的方法、选择性激光熔化、选择性激光烧结、激光金属熔合(lmf)、直接金属激光熔化(dmlm)、激光净成形制造(lnsm)和激光工程净成形(lens)。因此，在此公开的制造装置被配置成特别是实施上述增材制造方法中的至少一种。

3、在此公开的方案此外可以被使用在(金属)3-d打印的机器中。ep 2 732890a1中公开了一种用于制造三维产品的示例性机器。增材制造的优点通常是简单地制造复杂且能个别设定的构件。在此特别是可以实现定义的内部结构和/或具有优化的力流的结构。

4、能量束与粉末材料的相互作用中包括比如强度/能量、射束直径、扫描速度、在一部分能量束上的一个位置处的停留时间等参数以及比如粉末材料类型的一部分上的晶粒尺寸分布和化学成分等参数。此外，尤其是由相互作用区周围环境产生的热参数被并入在能量输入中。因此，已制造的构件的层的已固化区域和与相互作用区相邻的同一层的已固化区域与未(或尚未)熔合的并且可以位于构件的结构下方或位于同一层中的粉末材料相比更好地消散引入的热量。如果熔融粉末材料过热，液滴可能从熔体中分离/飞溅，因此，所述液滴可能通常不利地影响产品品质和制造过程。

技术实现思路

1、本公开文件的一个方面的任务在于，实现照射方案、特别是实现超出常规扫描装置的限制的照射路径。特别是应该与照射路径的走向无关地避免熔化的粉末过热，，其中，这在引入高能量时也能被确保。此外，一个任务在于，给出一种用于沿着照射路径能灵活地调设连续的能量束的移位的方法以及一种用于由粉末材料来增材制造构件以实施所述方法的装置。

2、所述任务中的至少一个任务通过根据权利要求1所述的方法和根据权利要求14所述的制造装置来解决。进一步方案在从属权利要求中给出。

3、在一个方面中，一种用于将连续的能量束沿着由射束位置的序列形成的照射路径移位的方法，所述照射路径设置用于在制造装置的工作区域内将粉末材料在粉末层中固化，所述方法包括以下步骤：

4、将连续的能量束照射到粉末材料上，以便在增材制造方法的框架内成型构件的层；以及

5、通过将借助偏转装置对能量束的光学偏转和借助扫描装置对能量束的机械偏转叠加而将能量束在工作区域内移位，其中，

6、-机械偏转设计用于将能量束定位在布置在工作区域内的多个照射位置处，其中，所述照射位置基本上跨越工作区域，以及

7、-光学偏转设计用于将能量束围绕偏转装置的射束区域内的所述照射位置中的每个照射位置偏转到射束位置的序列的至少一个射束位置上，

8、其中，光学偏转和机械偏转同时或相继改变，以便借助能量束扫描射束位置的序列。

9、通常，射束区域在此由偏转装置的光学偏转的最大范围来给定。

10、在一个另外的方面中，概述的方法可以还包括以下步骤：

11、控制偏转装置和扫描装置，以使得

12、能量束相继扫描子序列，所述子序列分别包括照射路径的射束位置的序列的至少一个射束位置，其中，能量束通过跳跃式地改变光学偏转而跳过间隔开的子序列之间的区域，从而能量束相继占据空间上彼此间隔开的、特别是热脱耦的子序列。

13、通常，在一个另外的方面中，概述的方法可以还包括步骤：将能量束跳跃式地移位到多个离散的射束位置处。

14、在一个另外的方面中，一种用于由在工作区域中被提供的粉末材料来增材制造构件的制造装置包括：

15、-射束产生装置，所述射束产生装置设置用于产生用于照射粉末材料的连续的能量射束，

16、-扫描装置，所述扫描装置设置用于机械偏转以将能量束定位在多个照射位置处，其中，所述照射位置基本上跨越工作区域，

17、-偏转装置，所述偏转装置设置用于光学偏转以将能量束围绕射束区域内的所述照射位置中的每个照射位置偏转到射束位置的序列的至少一个射束位置上，以及

18、-控制装置，所述控制装置与扫描装置和偏转装置作用连接并且设置用于控制偏转装置和扫描装置，以使得光学偏转和机械偏转同时或相继改变，以便通过连续的能量束扫描由射束位置的序列形成的照射路径，其中，照射路径设置用于在工作区域内将粉末材料在粉末层中固化。

19、在概述的制造装置中，控制装置在一个另外的方面中可以此外设置用于控制偏转装置和扫描装置，以使得能量束相继扫描子序列，所述子序列分别包括照射路径的射束位置的序列的至少一个射束位置，其中，能量束通过跳跃式地改变光学偏转而跳过间隔开的子序列之间的区域，从而能量束相继占据空间上彼此间隔开的、特别是热脱耦的子序列。

20、在所述方法的一些进一步方案中，下述中的至少一个：

21、-沿着所述照射路径的子序列的数量，

22、-所述子序列之一中的射束位置的数量，以及

23、-相继占据的子序列之间的空间间距

24、可以通过考虑/确保借助能量束引入到所述子序列中的能量的流散、特别是对照射持续时间或借助能量束引入到所述子序列中的能量的限制来确定。

25、在所述方法的一些进一步方案中，偏转装置和扫描装置可以被控制为使得照射路径的彼此相邻的射束位置在时间上不被相继占据。

26、在所述方法和/或制造装置的一些进一步方案中，偏转装置可以在设置用于能量束的通过区域中包括光学的、特别是透明的材料，所述材料具有被调设用于引起光学偏转的光学特性。偏转装置可以特别是包括晶体，在所述晶体内，形成具有声学波长的声波或者调设折射率或折射率梯度以引起光学偏转。

27、在一些进一步方案中，所述方法可以包括以下进一步的步骤：

28、-在光学材料中激发具有声学波长的声波，以用于形成声光衍射光栅，

29、-将能量束照射到通过区域上，

30、-在声光衍射光栅处将能量束的大部分、特别是至少80％、优选至少90％在一阶衍射的衍射角下衍射，

31、-将被衍射的能量束引导到所述射束位置中的第一射束位置，以及

32、-通过改变声学波长来改变能量束的光学偏转，特别是进行声学波长的离散改变以跳跃式地改变声光偏转，从而使得间隔开的子序列之间的区域、特别是照射路径的在空间上位于所述子序列之间的至少一个射束位置被能量束跳过。

33、在一些进一步方案中，所述方法可以包括以下进一步的步骤：

34、-在光学材料中激发具有至少两个声学波长的声波、特别是驻波，以用于形成声光衍射光栅，

35、-将能量束照射到通过区域上，

36、-在声光衍射光栅处将能量束的大部分、特别是至少80％、优选至少90％在一阶衍射的衍射角下衍射，

37、-将被衍射的能量束引导到所述射束位置中的至少一个第一射束位置和所述射束位置中的第二射束位置，以及

38、-优选地通过特别是连续地或以离散的步长改变所述声学波长中的至少一个声学波长来改变能量束的光学偏转。

39、这是有利的，因为在偏转装置的偏转方向上的两个射束位置可以同时被暴露，而两个射束位置之间的区域不会暴露于激光束。此外，可以通过改变声学波长中的一个来改变两个射束位置之间的距离。附加地，可以通过设置两个声学波的振幅来设置射束位置中的第一射束位置与第二射束位置之间的被衍射的能量束的强度分布。具有两个以上的声学波长的声学波也是可以考虑的，从而被衍射的能量束可以同时被引导到两个以上的位置。因此，能量束的两个或更多个位置可以成型重叠和/或间隔开的射束位置线。

40、一般而言，使用aod的射束移位的优点在于，由于折射率的周期性改变在时间上彼此合并，而基本上不形成衍射转变行为，因此开始位置与结束位置之间的区域不会由于以离散的步长改变声学波长而暴露于激光束。相应地，能量输入被限制在开始位置和结束位置；这相应于声光偏转的跳跃式改变。

41、在所述方法的一些进一步方案中，照射路径的空间上不彼此相邻的射束位置可以在时间上被相继占据。附加地或替换地，间隔开的子序列可以在工作区域中将能量束的至少一个直径或能量束的直径的至少50％或能量束的直径的至少1.5倍至2倍彼此间隔开地布置。此外附加地或替换地，可以跳过所述工作区域的以下区域，这些区域选自包括工作区域的尚未照射的区域、工作区域的不被照射的区域和工作区域的已照射区域的区域的组。

42、在所述方法的一些进一步方案中，扫描装置被控制为使得机械偏转将能量束定位在照射位置，而偏转装置可以被控制使使得能量束相继占据子序列的射束位置，该子序列完全覆盖相应的照射位置的射束区域、特别是射束区域的预定的射束形状。

43、在所述方法的一些进一步方案中，扫描装置被控制为使得机械偏转将能量束连续定位在照射位置序列，而偏转装置可以被控制为使得能量束相继占据子序列的射束位置，该子序列部分地或完全覆盖相应的照射位置的射束区域、特别是射束区域的预定的射束形状。

44、在所述方法的一些进一步方案中，偏转装置可以被控制为使得在多个照射位置中的一个照射位置处的能量束移位到射束区域内的多个射束位置以在制造构件期间形成射束区域的射束分布，并且能量束跳跃式地移位到多个离散的射束位置。在这种情况下，能量束可以特别是跳过射束区域中空间上彼此相邻的射束位置、特别是仅在时间上相继占据射束区域中空间上不彼此相邻的射束位置。

45、在一些进一步方案中，所述方法可以还包括以下步骤：

46、射入能量束，其方式是，扫描装置被控制为使得能量束根据扫描路径沿着照射位置的子序列定位，并且偏转装置同时被控制为使得能量束在射束位置的二维布置中的射束位置之间、特别是在横向于扫描路径布置的射束位置之间来回跳跃。

47、在所述方法的一些进一步方案中，照射路径可以包括至少一个照射区，在所述照射区中，照射位置的多个子序列以并排的、至少部分地平行地延伸的特别是相同长度的扫描向量的形式定义，其中，所述方法可以还包括以下步骤：

48、射入能量束，其方式是，扫描装置被控制为使得照射位置沿着所述扫描向量中的第一扫描向量移位，并且偏转装置同时被控制为使得能量束在所述扫描向量中的第一扫描向量和所述扫描向量中的至少一个另外的扫描向量之间来回跳跃。

49、在一些进一步方案中，所述方法可以还包括以下步骤：

50、射入能量束，其方式是，扫描装置被控制为使得照射位置根据扫描方向沿着照射位置的子序列移位，并且偏转装置同时被控制为使得能量束在沿着所述子序列布置的射束位置之间沿着所述扫描方向以及反向于所述扫描方向跳跃。

51、在所述方法的一些进一步方案中，照射路径可以具有至少两个照射区，在所述照射区中，分别将照射位置的多个子序列以并排的、至少部分地平行地延伸的相同长度的扫描向量的形式定义，其中，在用于使能量束移位的方法中，扫描装置被控制为使得能量束沿着所述扫描向量中的第一扫描向量定位在所述照射区中的第一照射区中，并且偏转装置同时被控制为使得能量束在所述照射区中的第一照射区中的所述扫描向量中的第一扫描向量和所述照射区中的另一个照射区的所述扫描向量中的至少一个另外的扫描向量之间来回跳跃。

52、在所述方法的一些进一步方案中，照射路径可以具有至少一个照射区或细长结构，在所述照射区或细长结构中，照射位置的多个子序列以并排的、至少部分地平行地延伸的相同长度或不同长度的扫描向量的形式定义，其中，

53、为了将能量束移位，偏转装置被控制为使得能量束沿着照射区或细长结构中的所述扫描向量中的第一扫描向量定位。

54、例如这允许使用动态响应低的扫描装置，而这不会导致制造装置的生产率受到明显限制。

55、在所述方法的进一步方案中，为了将能量束移位，偏转装置可以被控制为使得能量束在所述扫描向量中的第一扫描向量与至少一个另外的扫描向量之间来回跳跃，并且能量束沿着所述至少一个另外的扫描向量定位。

56、例如在给定扫描速度下以射束直径连续扫描的情况下，这使得能量束的使用成为可能，所述能量束的能量输入高于通常针对粉末材料类型(晶粒尺寸分布情况、粉末材料的化学成分)预定的极限值(例如激光束的功率)。例如这可以允许激光束由于来回跳跃而沿着两个热脱耦的扫描向量引导，因此在粉末床中同时形成两个熔体轨迹并且激光束可以与仅形成一个熔体轨迹的情况相比以上述极限值的功率的两倍操作。在本示例中，制造装置的生产率加倍。

57、在制造装置的一些进一步方案中，偏转装置可以设置用于将能量束跳跃式地移位到多个离散的射束位置。

58、在制造装置的一些进一步方案中，控制装置可以设置用于根据在此公开的方法来控制扫描装置和偏转装置。

59、在制造装置的一些进一步方案中，扫描装置可以包括至少一个扫描器，特别是检流计扫描器、压电扫描器、多边形扫描器、mems扫描器和/或可相对于工作区域移位的工作头。附加地或替换地，偏转装置可以包括至少一个电光偏转器和/或声光偏转器、优选地两个不平行地、特别是彼此垂直地定向的电光或声光偏转器。

60、此外，偏转装置可以包括具有光学材料、例如晶体的至少一个声光偏转器和用于在光学材料中产生声波的激发器，和/或射束产生装置可以设计为连续波激光器。

61、在所述方法的一些进一步方案中，偏转装置可以在设置用于能量束的通过区域中包括光学材料、特别是透明材料，所述材料具有可以被调设用于引起光学偏转的光学特性。

62、在一些进一步方案中，所述方法可以还包括：

63、-在光学材料中激发具有声学波长的声波，以用于形成声光衍射光栅，

64、-将能量束照射到通过区域上，

65、-在声光衍射光栅处将能量束的大部分、特别是至少80％、优选至少90％在一阶衍射的衍射角下衍射，

66、-将被衍射的能量束引导到所述射束位置(17)中的第一射束位置，以及

67、-通过改变声学波长来改变能量束的光学偏转。在这种情况下，改变声学波长可以改变一阶衍射的衍射角，从而被衍射的能量束被引导到射束位置中的第二射束位置。声学波长特别是可以关于波长改变而增量地改变，从而能量束将能量相继引入到照射路径的射束位置处，在过渡时间期间在两个射束位置处同时引入能量，其中两个声学波长存在于通过区域中。此外，在这种情况下的波长改变可以引起衍射角的改变，从而照射路径的空间上彼此相邻的射束位置或空间上间隔开、特别是热脱耦的射束位置由能量束在时间上相继扫描。

68、在一些进一步方案中，偏转装置可以被控制为使得在扫描射束位置的序列时跳过至少一个射束位置，并且在随后的时间扫描被跳过的射束位置。

69、在一些进一步方案中，所述方法可以还包括：

70、-给光学材料施加电压以调设折射率或折射率梯度，

71、-将能量束照射到通过区域上，

72、-基于设定的折射率或折射率梯度使能量束偏转，

73、-将偏转的能量束引导到射束位置中的第一射束位置，以及

74、-通过改变施加的电压来改变能量束的光学偏转。

75、在此，光学偏转理解为通过偏转装置光学地引起的偏转。光学偏转的实例是射束路径中光学介质的光学参数的改变，这引起射束路径的改变。光学偏转不同于机械偏转，机械偏转理解为借助扫描装置机械地引起的偏转。机械偏转的实例是激光束的机械地控制的反射偏转。