控制辐照系统的方法、辐照系统、计算机程序产品和用于生产三维工件的设备与流程

本发明涉及控制辐照系统的方法，该辐照系统用于利用辐射束对原材料粉末层进行辐照以生产三维工件。此外，本发明涉及这种类型的辐照系统以及计算机程序产品，该计算机程序产品包括程序部分，该程序部分用于在一个或多个计算设备上执行计算机程序产品时执行控制辐照系统的方法。最后，本发明涉及用于生产三维工件的设备。

背景技术：

1、在增材制造方法中，通过产生一系列固化和互连的工件层来逐层生产工件。这些工艺可以通过原材料的类型和/或固化所述原材料以生产工件的方式来进行区分。

2、例如，粉末床熔融(fusion)是一种增材制造工艺，通过粉末床熔融可以将粉状的、特别是金属和/或陶瓷的原材料加工成具有复杂形状的三维工件。为此，原材料粉末层被施加到承载器上并且根据待生产的工件的期望的几何形状以选择位置的方式经受激光辐射。穿透粉末层的激光辐射引起对原材料粉末颗粒的加热并因此将该原材料粉末颗粒熔化或烧结。然后，其他原材料粉末层相继被施加到承载器上的已经经受激光处理的层上，直至工件具有期望的形状和尺寸。粉末床熔融可用于基于cad数据来生产或修复原型(prototype)、工具、替换零件、高价值部件或医学假体(诸如，例如牙科假体或矫形假体)。

3、在如ep 2 786 858 b1所述的用于通过粉末床熔融生产三维工件的示例性方法和设备中，向处理室供应保护性气流，该保护性气流被引导通过处理室，用于在处理室内建立期望的气氛并用于从处理室中排出杂质。对辐照装置的操作进行控制，使得由辐照装置的至少一个辐射源发射的辐射束根据包括多个扫描矢量的辐射图案被引导越过原材料粉末层。根据流经处理室的气流的流动方向对扫描矢量进行定向。

4、扫描矢量的起点容易形成孔隙或缺陷。这种孔隙或缺陷可能会影响所生产工件的质量，特别是在孔隙或缺陷布置在悬垂(overhang)区域(也称为下表皮(downskin)区域)中的情况下。悬垂区域被理解为通过对位于未固化粉末上方而不是位于先前固化的工件层上方的粉末层进行辐照而生产的工件层的区域。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供对利用辐射束辐照原材料粉末层以生产三维工件的辐照系统进行控制的方法、这种类型的辐照系统、以及使得能够生产高质量工件的计算机程序产品。此外，本发明涉及用于生产三维工件的设备，该设备使得能够生产高质量的工件。

2、在独立权利要求中对本发明进行阐述。在从属权利要求中对本发明的优选实施例进行概述。

3、描述了一种对辐照系统进行控制的方法，该辐照系统用于利用辐射束对原材料粉末层进行辐照以生产三维工件。在该方法中，针对至少一个待被辐照的原材料粉末层，定义包括多个辐照部段的扫描图案。在多个辐照部段中的每个辐照部段内，定义多个扫描矢量，根据该多个扫描矢量，辐射束扫描横跨原材料粉末层。辐射束可以是电磁辐射束或粒子辐射束，该电磁辐射束或粒子辐射束根据待生产工件的相应层的几何形状以位置选择的方式被引导横跨原材料粉末层。

4、辐照系统可以包括辐射束源，特别是激光束源，其中，激光束源可以被配置成发射连续激光束、调制激光束或脉冲激光束。此外，辐照系统可以包括至少一个光学单元，该至少一个光学单元用于分离、引导和/或处理由辐射束源发射的至少一个辐射束。光学单元可以包括诸如物镜的光学元件和扫描器单元，扫描器单元优选地包括衍射光学元件和偏转镜。辐照系统可以利用单个辐射束对原材料粉末层进行辐照。然而，也可以设想，辐照系统将两个或更多个辐射束辐照到原材料粉末层上。

5、原材料粉末层可以借助于粉末施加装置施加到承载器的表面上，该粉末施加装置横跨承载器移动以散布原材料粉末。承载器可以是刚性固定的承载器。然而，优选地，承载器被设计成能沿竖直方向移位，使得随着工件的构造高度的增加(因为工件是由原材料粉末分层构建而成的)，承载器能够沿竖直方向向下移动。承载器和粉末施加装置可以被容纳在可相对于周围大气密封的处理室内。保护性气流可以被引导通过处理室，用于在处理室内建立所需的气氛，并用于从处理室中排出杂质。被施加到处理室内的承载器上的原材料粉末优选地为金属粉末，特别是金属合金粉末，但也可以是陶瓷粉末或含有不同材料的粉末。粉末可以具有任何合适的粒径或粒径分布。然而，优选地，粉末是粒径小于100微米的处理粉末。

6、扫描图案可以是条纹(stripe)图案，其中，每个辐照部段限定出条纹图案的条纹。然而，也可以设想，扫描图案是棋盘(chess)图案或任何其他合适的扫描图案，该扫描图案包括多个辐照部段，该多个辐照部段中布置有扫描矢量块。辐照部段可以彼此相邻地布置或者可以彼此重叠。辐照部段内的扫描矢量通常是，但不一定，基本上彼此平行地延伸。在辐照部段内，扫描矢量可以是单向的，即，在辐照部段内，所有扫描矢量可以指向相同的方向。然而，也可以设想，在辐照部段内，相邻的扫描矢量指向相反的方向。在扫描图案是条纹图案的情况下，条纹内的扫描矢量可以基本上垂直于条纹的纵向轴线延伸。然而，也可以设想扫描矢量相对于条纹的纵向轴线的其他取向。

7、在优选实施例中，可以针对多个辐照部段中的至少一部分、优选地针对多个辐照部段中的每个辐照部段，确定辐照部段是否包含下表皮区域。“下表皮区域”被理解为辐照部段的位于未固化粉末上方而不是位于先前固化的工件层区域上方的区域。因此，在下表皮区域中，至少一个扫描矢量在其长度的至少一部分上延伸横跨未固化的松散粉末。下表皮区域旨在形成待生产的工件层的悬垂区域。

8、针对多个辐照部段中的每个辐照部段，可以根据辐照部段是否包含下表皮区域的确定来定义辐照部段内的扫描矢量被依次扫描所遵循的扫描顺序方向。扫描顺序方向可以基本上垂直于辐照部段内的扫描矢量延伸。例如，在扫描图案是具有基本上彼此平行且基本上垂直于条纹的纵向轴线布置的扫描矢量的条纹图案的情况下，扫描顺序方向可以基本上垂直于扫描矢量并因此基本上平行于条纹的纵向轴线延伸。可以针对至少一个待生产的工件层、优选地针对每个待生产的工件层执行上面定义的方法步骤。

9、在替代实施例中，可以首先确定工件的包含悬垂区域或下表皮区域的区域，或者其中存在零件生长方向的区域。然后，可以将辐照部段的位置与所述确定的结果进行比较。

10、在本文描述的方法中，在定义扫描顺序方向时，考虑辐照部段中下表皮区域的存在。这使得能够解决质量问题，例如在形成工件的悬垂区域时可能出现的孔隙或翘曲的形成。在制造包括悬垂部分和特别低角度的悬垂部分(诸如悬垂角度相对于水平面小于40°、小于30°或小于20°的悬垂部分)的工件中，特别是在悬垂部分应该在没有支撑结构支撑的情况下形成的情况下，在针对所述辐照部段定义扫描顺序方向时，考虑辐照部段中下表皮区域的存在特别有利。

11、可以根据预先(即，在设定待生产的工件层(切片(slicing))和扫描图案(画影线(hatching))时)确定辐照部段是否包含下表皮区域来定义扫描顺序方向。这可以例如通过使用合适的模拟和/或切片/画影线工具来实现。然而，也可以设想，在不考虑待生产的工件层的辐照部段中存在下表皮区域的情况下，定义初步扫描顺序方向，然后进行重新定义(即，如果需要的话，对扫描顺序方向进行重定向)。

12、针对至少一个包含下表皮区域的辐照部段，将扫描顺序方向定义为从上固体(on-solid)区域指向下表皮区域的方向。这尤其可以应用于包含下表皮区域的所有辐照部段。针对包含下表皮区域和上固体区域两者的辐照部段，定义扫描顺序方向的矢量可以包括位于上固体区域中的起点以及位于下表皮区域中的终点。在辐照部段由下表皮区域组成(即，不包含上固体区域)的情况下，定义扫描顺序方向的矢量的起点可以被布置得比所述矢量的终点更靠近上固体区域。

13、在任何情况下，被定义为从上固体区域指向下表皮区域的方向的扫描顺序方向确保了下表皮区域的辐照开始时尽可能靠近上固体区域，而不是在松散粉末上。因此，下表皮区域内的每个扫描矢量紧邻或至少靠近先前辐照的扫描矢量并因此紧邻或至少靠近辐照部段的先前固化的区域被辐照。因此，可以改进被构建在上固体区域中的工件层区域与被构建在下表皮区域中的工件层区域之间的连接以及被构建在下表皮区域中的工件层区域的整体质量。

14、针对不包含下表皮区域(即，由上固体区域组成)的辐照部段，可以将扫描顺序方向定义为从上固体区域指向另一个辐照部段(例如相邻的辐照部段)的下表皮区域的方向。然而，也可以设想，针对不包含下表皮区域的辐照部段，根据被引导越过原材料粉末层的气流的流动方向来定义扫描顺序方向。具体地，扫描顺序方向可以被定义为包括与被引导越过原材料粉末层的气流的流动方向相反地定向的分量。因此，可以减少或避免颗粒杂质的干扰效应，这些颗粒杂质会吸收辐射能量和/或屏蔽加工区中的辐射束，在该加工区中，辐射束撞击在原材料粉末上。

15、针对包含下表皮区域的辐照部段，可以将扫描顺序方向定义为使得扫描顺序方向与零件生长方向之间的角度≤90°。在本技术的上下文中，术语“零件生长方向”定义了部件边界在两层之间移动的方向。这可以针对完整的工件层来定义，即零件生长方向对应于重心移动的方向，或者针对工件的区域/边界来定义。在这种情况下，可能有多于一个的零件生长方向。例如，零件生长方向可以基本上垂直于辐照部段的上固体区域与下表皮区域之间的边界延伸。扫描顺序方向与零件生长方向之间的角度≤90°确保了定义扫描顺序方向的矢量具有沿与零件生长方向相同的方向延伸的分量，并因此确保了扫描顺序方向从上固体区域指向下表皮区域的方向。

16、可以预先(即，在切片和画影线过程中)执行扫描顺序的设定，使得扫描顺序方向与零件生长方向之间的角度≤90°。然而，也可以设想，在第一步骤中定义初步扫描顺序方向，在第二步骤中检查是否存在包含下表皮区域(对于该下表皮区域，初步扫描顺序方向与零件生长方向之间的角度＞90°)的辐照部段，并且最终对扫描顺序方向进行重定向，以满足扫描顺序方向与零件生长方向之间的角度≤90°的标准。

17、可替代地或附加地，该方法可以包括以下步骤：针对辐照部段的下表皮区域内的第一边缘扫描矢量，确定第一边缘扫描矢量的与上固体区域接触或位于上固体区域上的终点的数量。此外，针对下表皮区域内的第二边缘扫描矢量，可以确定第二边缘扫描矢量的与上固体区域接触或位于上固体区域上的终点的数量。在本技术的上下文中，术语“边缘扫描矢量”定义了位于辐照部段的下表皮区域的边缘处(即，与下表皮区域的边界相邻)的扫描矢量。

18、扫描顺序方向可以被定义为使得第一边缘扫描矢量或第二边缘扫描矢量中具有与上固体区域接触或位于上固体区域上的更多终点的一个被定义为起始扫描矢量，和/或使得第一边缘扫描矢量和第二边缘扫描矢量中具有与上固体区域接触或位于上固体区域上的更少终点的一个被定义为最终扫描矢量。

19、如果针对辐照部段的下表皮区域内的第一边缘扫描矢量和第二边缘扫描矢量确定第一边缘扫描矢量和第二边缘扫描矢量均不具有与上固体区域接触的终点(即，第一边缘扫描矢量和第二边缘扫描矢量中的每一个在下表皮区域内起始和终止)，则该方法还可以包括以下步骤：针对第一边缘扫描矢量确定在第一边缘扫描矢量的终点附近的上固体扫描矢量点的数量。此外，针对第二边缘扫描矢量，可以确定在第二边缘扫描矢量的终点附近的上固体扫描矢量点的数量。在本技术的上下文中，术语“上固体扫描矢量点”定义了矢量上的位于例如相邻辐照部段的上固体区域内的点。

20、扫描顺序方向可以被定义为使得第一边缘扫描矢量和第二边缘扫描矢量中在其终点附近具有更多上固体扫描矢量点的一个被定义为起始扫描矢量，和/或使得第一边缘扫描矢量和第二边缘扫描矢量中在其终点附近具有更少上固体扫描矢量点的一个被定义为最终扫描矢量。例如，可以围绕第一边缘扫描矢量和第二边缘扫描矢量的终点定义具有特定半径(例如0.25毫米)的区域，并且可以确定在所述区域中布置了多少个上固体扫描矢量点。然而，当然也可以设想，定义具有任何合适形状(但是在第一边缘扫描矢量或第二边缘扫描矢量的终点周围具有合适的尺寸)的非圆形区域，并且分析这些区域内的上固体扫描矢量点的数量。

21、可以预先(即，在切片和画影线过程中)执行根据第一边缘扫描矢量和第二边缘扫描矢量的与上固体区域接触的终点的数量和/或根据第一边缘扫描矢量和第二边缘扫描矢量的终点附近的上固体扫描矢量点的数量来设定扫描顺序。然而，也可以设想，在第一步骤中定义初步扫描顺序方向，检查是否存在包含下表皮区域(对于该下表皮区域，不满足上述终点数量标准和/或上述上固体扫描矢量点数量标准)的辐照部段，并且最终对扫描顺序方向进行重定向以满足所述标准。

22、根据第一边缘扫描矢量和第二边缘扫描矢量的与上固体区域接触的终点的数量和/或根据在第一边缘扫描矢量和第二边缘扫描矢量的终点附近的上固体扫描矢量点的数量来定义扫描顺序方向特别适用于仅由下表皮区域组成(即，不包括上固体区域)的辐照部段。然而，也可以设想，使用这些标准来设定针对包括下表皮区域和上固体区域的辐照部段的扫描顺序方向。

23、下表皮区域也可以包括多个下表皮矢量块。每个下表皮矢量块可以包含一个起始矢量和一个终止矢量以及扫描顺序方向。例如，下表皮区域可以具有多个下表皮条纹，其中，每个条纹定义了包含起始矢量和终止矢量的下表皮矢量块。可以针对每个下表皮矢量块确定扫描顺序方向。可以通过使用从块到块(固体到粉末方向)的顺序以及根据如上所述针对每个块确定的扫描顺序方向来执行扫描。

24、如果针对还包括上固体区域的辐照部段的下表皮区域内的第一边缘扫描矢量和第二边缘扫描矢量确定第一边缘扫描矢量和第二边缘扫描矢量均不具有与上固体区域接触的终点，则可以在上固体区域中将辐照部段分割成第一局部辐照部段和第二局部辐照部段。因此，第一局部辐照部段和第二局部辐照部段中的每一个都包括由未分割的辐照部段的上固体区域的一部分限定的上固体区域、以及由未分割的辐照部段的下表皮区域的一部分限定的下表皮区域。

25、针对第一局部辐照部段，可以定义从第一局部辐照部段的上固体区域指向第一局部辐照部段的下表皮区域的方向的第一扫描顺序方向。针对第二局部辐照部段，可以定义从第二局部辐照部段的上固体区域指向第二局部辐照部段的下表皮区域的方向的第二扫描顺序方向。第一扫描顺序方向和第二扫描顺序方向可以指向相反的方向。

26、扫描矢量可以是单向定向的，以从上固体区域指向下表皮区域的方向。因此，不仅可以定义辐照部段水平上的扫描顺序方向，还可以定义扫描矢量的取向，以遵循“从固体到粉末”的规则，从而进一步提高悬垂工件区的质量。

27、此外，还可以设想，针对至少一个待被辐照的原材料粉末层，原材料粉末层内的辐照部段被依次辐照所遵循的辐照顺序方向被定义为从第一辐照部段指向第二辐照部段的方向，其中，第二辐照部段的下表皮区域覆盖率大于第一辐照部段的下表皮区域覆盖率。在本技术的上下文中，表述“下表皮区域覆盖率”表示被下表皮区域覆盖的辐照部段的百分比。在该方法的实施例中，辐照部段被依次辐照所遵循的辐照顺序方向还被定义为以遵循“从固体到粉末”的规则，从而进一步提高悬垂工件区的质量。

28、用于利用辐射束对原材料粉末层进行辐照以生产三维工件的辐照系统包括控制单元。控制单元可以仅与辐照系统相关联。然而，也可以设想，控制单元形成用于控制用于生产三维工件的配备有辐照系统的设备的操作的整体控制系统的一部分。控制单元被配置成针对至少一个待被辐照的原材料粉末层定义包括多个辐照部段的扫描图案，其中，在多个辐照部段中的每个辐照部段内，定义多个扫描矢量，根据该多个扫描矢量，使辐射束扫描横跨原材料粉末层。

29、此外，控制单元可以被配置成针对多个辐照部段的至少一部分、优选地针对多个辐照部段中的每个辐照部段，确定辐照部段是否包含下表皮区域，并且针对多个辐照部段中的每个辐照部段，根据辐照部段是否包含下表皮区域的确定，定义辐照部段内的扫描矢量被依次扫描所遵循的扫描顺序方向。

30、针对包含下表皮区域的辐照部段，控制单元被配置成将扫描顺序方向定义为从上固体区域指向下表皮区域的方向。

31、针对不包含下表皮区域的辐照部段，控制单元可以被配置成根据被引导越过原材料粉末层的气流的流动方向来定义扫描顺序方向。特别地，扫描顺序方向可以被定义为包括与被引导越过原材料粉末层的气流的流动方向相反地定向的分量。

32、针对包含下表皮区域的辐照部段，控制单元可以被配置成定义扫描顺序方向，使得扫描顺序方向与零件生长方向之间的角度≤90°。

33、控制单元还可以被配置成针对辐照部段的下表皮区域内的第一边缘扫描矢量，确定第一边缘扫描矢量的与上固体区域接触或位于上固体区域上的终点的数量，并且针对下表皮区域内的第二边缘扫描矢量，确定第二边缘扫描矢量的与上固体区域接触或位于上固体区域上的终点的数量。控制单元还可以被配置成定义扫描顺序方向，使得第一边缘扫描矢量和第二边缘扫描矢量中具有与上固体区域接触或位于上固体区域上的更多终点的一个被定义为起始扫描矢量，和/或使得第一边缘扫描矢量和第二边缘扫描矢量中具有与上固体区域接触或位于上固体区域上的更少终点的一个被定义为最终扫描矢量。

34、如果针对辐照部段的下表皮区域内的第一边缘扫描矢量和第二边缘扫描矢量确定第一边缘扫描矢量和第二边缘扫描矢量均不具有与上固体区域接触的终点，则控制单元还可以被配置成针对第一边缘扫描矢量确定在第一边缘扫描矢量的终点附近的上固体扫描矢量点的数量，并且针对第二边缘扫描矢量确定在第二边缘扫描矢量的终点附近的上固体扫描矢量点的数量。控制单元还可以被配置成定义扫描顺序方向，使得第一边缘扫描矢量和第二边缘扫描矢量中在其终点附近具有更多上固体扫描矢量点的一个被定义为起始扫描矢量，和/或使得第一边缘扫描矢量和第二边缘扫描矢量中在其终点附近具有更少上固体扫描矢量点的一个被定义为最终扫描矢量。

35、如果针对还包括上固体区域的辐照部段的下表皮区域内的第一边缘扫描矢量和第二边缘扫描矢量确定第一边缘扫描矢量和第二边缘扫描矢量均不具有与上固体区域接触的终点，则控制单元还可以被配置成在上固体区域中将辐照部段分割成第一局部辐照部段和第二局部辐照部段。控制单元还可以被配置成，针对第一局部辐照部段定义从第一局部辐照部段的上固体区域指向第一局部辐照部段的下表皮区域的方向的第一扫描顺序方向，并且针对第二局部辐照部段定义从第二局部辐照部段的上固体区域指向第二局部辐照部段的下表皮区域的方向的第二扫描顺序方向。第一扫描顺序方向和第二扫描顺序方向可以指向相反的方向。

36、扫描矢量可以是单向定向的，以从上固体区域指向下表皮区域的方向。

37、针对至少一个待被辐照的原材料粉末层，控制单元可以被配置成将原材料粉末层内的辐照部段被依次扫描所遵循的辐照顺序方向定义为从第一辐照部段指向第二辐照部段的方向，其中，第二辐照部段的下表皮区域覆盖率大于第一辐照部段的下表皮区域覆盖率。

38、计算机程序产品包括程序部分，该程序部分用于在一个或多个计算设备上执行计算机程序产品时执行根据贯穿本公开描述的任何一个或多个示例性实施方式所概述的方法。

39、通过利用辐射束对原材料粉末层进行辐照来生产三维工件的设备包括上述辐照系统和/或其上存储有上述计算机程序产品的计算机可读记录介质。