用于添加式地制造三维物体的设备的制作方法

本发明涉及一种用于通过依次逐层地选择性地照射和固化可借助能量束固化的粉末状建造材料层来添加式地制造三维物体的设备。

背景技术：

用于添加式制造三维物体——例如技术部件——的相应设备已广为人知，并且可以实施为例如选择性激光烧结设备、选择性激光熔化设备或选择性电子束熔化设备。

已知的是，被添加式地制造的三维物体的结构上的——即，尤其是机械方面的——特性受在添加式制造过程期间通过能量束选择性地照射的粉末状建造材料层的被选择性地固化的各部分的冷却行为的影响显著。粉末状建造材料层的被选择性地固化的各部分的冷却行为对被添加式地制造的三维物体的结构特性的影响显著是因为冷却行为基本上决定了被添加式地制造的三维物体的微观结构。作为示例，冷却行为可以影响构成被添加式地制造的三维物体内(微)裂纹形成的基础的内应力的建立，(微)裂纹可损害被添加式地建造的三维物体的结构特性。

技术实现要素：

鉴于以上所述，本发明的目的在于，提供这样一种用于添加式地制造三维物体的设备：其允许可靠且尤其可高度集成地确定在添加式制造过程期间已被能量束选择性地照射的粉末状建造材料层的冷却行为。

该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设备来实现。从属于权利要求1的权利要求涉及根据权利要求1所述的设备的可选实施例。

本文所描述的设备为一种用于通过依次逐层地选择性地照射和固化由可借助能量束固化的粉末状建造材料(“建造材料”)构成的层来添加式地制造三维物体——例如技术部件——的设备。相应的建造材料可以包括金属粉末、陶瓷粉末或聚合物粉末中的至少一者。相应的能量束可以为激光束或电子束。相应的设备可以为例如选择性激光烧结设备、选择性激光熔化设备或选择性电子束熔化设备。

所述设备包括可在其运行期间操作的数个功能装置。每个功能装置可包括数个功能单元。示例性的功能装置为建造材料施加装置和照射装置，建造材料施加装置例如为覆层装置，其配置为例如在设备的过程室的建造平面中施加待被选择性地照射和固化的建造材料层，照射装置配置为利用至少一个能量束来选择性地照射和固化建造材料层的各部分。

本文所描述的设备包括照射装置，其配置为产生至少第一和第二能量束，其中第二能量束以限定的空间和/或时间偏差跟随第一能量束的路径/轨迹。照射装置因此配置为利用至少第一和第二能量束来选择性地照射建造材料层。因此，照射装置配置为以使第二能量束以限定的空间和/或时间偏差(直接)跟随第一能量束的路径/轨迹的方式控制第一和第二能量束的运动。

照射装置可配置为产生与第二能量束相比具有不同射束特性——尤其是射束功率更高、射束尺寸更小等——的第一能量束。

第一能量束可具有在利用第一能量束选择性地照射建造材料时足以熔解——即，尤其是熔化——建造材料的射束功率。故而，由第一能量束输入到建造材料层的被选择性地照射的部分的能量足以熔解——尤其是熔化——建造材料层的被选择性地照射的部分。因此，第一能量束用于熔解建造材料。

第二能量束可具有在利用第二能量束选择性地照射建造材料时不足以熔解——即，尤其是熔化——建造材料的射束功率。因此，由第二能量束输入到建造材料层的被选择性地照射的部分的能量不足以选择性地熔解——即，尤其是熔化——建造材料层的被选择性地照射的部分。然而，由第二能量束输入到建造材料层的被选择性地照射的部分的能量足以使建造材料层的被第一能量束选择性地照射之后的部分回火。故而，第二能量束用于使建造材料层的被选择性地照射的部分回火。回火允许控制温度，并且由此控制建造材料层的被第一能量束选择性地照射之后的部分的冷却行为。

从下面对所述设备的可选实施例的描述将清楚看到，照射装置可包括数个功能单元，例如，配置为产生至少一个能量束——即，尤其是至少第一和第二能量束——的至少一个射束产生单元和配置为将能量束偏转至建造材料层的不同位置的至少一个射束偏转单元(扫描单元)。

所述设备还包括配置为探测从建造材料层的被第一能量束选择性地照射的所述部分或一部分发射或反射的(电磁)辐射的探测装置。探测装置可包括配置为探测从建造材料层的被第一能量束选择性地照射的所述部分或一部分发射或反射的(电磁)辐射的至少一个探测元件。探测装置可以是传感器装置，例如光学或热图像传感器装置，例如光学或热图像摄像机、光电二极管等，探测元件可以为传感器元件，例如光学或热图像传感器元件，例如光学或热图像摄像机元件、光电二极管元件等。

所述设备还包括配置为在建造材料层的被第一能量束选择性地照射的相应部分的冷却行为方面对所探测到的从建造材料层的被第一能量束选择性地照射的部分发射的辐射进行评估的评估装置。评估基于以下认识：从建造材料层的被第一能量束选择性地照射的部分发射的辐射是对温度的直接或间接测量，并且由此是对建造材料层的被第一能量束选择性地照射的相应部分的冷却行为的直接或间接测量。评估装置可包括至少一个评估算法,其配置为在建造材料层的被第一能量束选择性地照射的相应部分的冷却行为方面对所探测到的从建造材料层的被第一能量束选择性地照射的部分发射的辐射进行评估。评估装置可实施为硬件和/或软件。

通过探测从建造材料层的被第一能量束选择性地照射的所述部分或一部分发射或反射的辐射和在建造材料层的被第一能量束选择性地照射的相应部分的冷却行为方面对所探测到的从建造材料层的被第一能量束选择性地照射的部分发射的辐射进行评估，提供了这样一种用于添加式地制造三维物体的设备：其允许可靠且尤其可高度集成地确定在添加式制造过程期间已被能量束选择性地照射的建造材料层的被选择性地固化的各部分的冷却行为。

上文提到，照射装置可包括允许产生至少第一和第二能量束的数个功能单元。根据一实施例，照射装置可包括配置为产生第一能量束的第一射束产生单元和配置为产生第二能量束的第二射束产生单元。根据另一实施例，照射装置可包括仅一个射束产生单元和相关联的射束分离单元，射束产生单元配置为产生一能量束(该能量束分离开以产生第一和第二能量束),所述射束分离单元配置为使由射束产生单元产生的能量束分离开以产生第一和第二能量束。照射装置还可包括配置为将能量束偏转至建造材料层的不同位置的至少一个射束偏转单元。射束偏转单元可包括尤其被活动地支承的数个射束偏转元件，例如偏转镜。可能的是，照射装置包括至少第一和第二射束偏转单元，其中第一射束偏转单元被分配给第一能量束以将第一能量束偏转至建造材料层的不同位置，而第二射束偏转单元被分配给第二能量束以将第二能量束偏转至建造材料层的不同位置。

无论在何种情况下，照射装置均可包括配置为沿着光路引导第一和/或第二能量束的至少一个射束引导单元。射束引导单元可包括构建光路的数个光学元件，例如光纤、透镜、反射镜等。射束引导单元典型地设置在射束产生单元与射束偏转单元之间，以沿着从相应的射束产生单元延伸到相应的射束偏转单元的光路引导能量束。

尤其是，照射装置可包括配置为——尤其在配置成产生第二能量束的射束产生单元与配置成将至少第二能量束偏转至建造材料层的不同位置的射束偏转单元之间——引导至少第二能量束的射束引导单元。

探测装置可被分配给配置为引导至少第二能量束的射束引导单元。尤其是，探测装置可以相对于配置为偏转至少第二能量束的射束偏转单元以同光轴布置(on-axisarrangement)的方式进行布置。探测装置的相应的同光轴布置允许同时在构造方面和功能方面实现探测装置的高度集成布置。探测装置的相应的同光轴布置还允许获得相应的建造材料层的被探测部分的高动态和高分辨率的探测信息，例如高动态和高分辨率的探测图像。探测装置的相应的同光轴布置还允许获得相应的探测信息的坐标值等。

射束引导单元可包括配置为将从建造材料层的被第一能量束选择性地照射的部分发射的辐射引导至探测装置的至少一个光学元件，例如半反射镜元件。因此，同一光路可既用于能量束又用于从建造材料层的被第一能量束选择性地照射的部分发射的辐射。通过由相应的射束引导单元构造的光路的从建造材料层的被第一能量束选择性地照射的部分发射的辐射的延伸方向至少部分为通过该光路的能量束的延伸方向的反方向。

评估装置可配置为产生描述/指示建造材料层的被第一能量束选择性地照射的部分的冷却行为的评估信息，所述评估信息是根据所探测到的从建造材料层的被第一能量束选择性地照射的部分发射的辐射而评估出来的。评估信息可描述/指示与建造材料层的被第一能量束选择性地照射的部分的冷却行为直接或间接相关的各种化学和/或物理参数。相应的参数的示例为气氛、辐射功率、温度等的组合。评估信息可借助设备的各种功能装置之间的通信链路来传递给这些功能装置。评估信息可被传递给设备的用户界面装置——例如屏幕，并由此输出给用户。

所述设备包括被分配给设备的各种功能装置并且配置为控制设备的各种功能装置的运行的控制装置。作为示例，控制装置可配置为控制照射装置的运行。尤其是，控制装置可配置为基于由评估装置确定的评估信息来控制照射装置的运行。因此，通过基于相应的评估信息来控制照射装置的运行，可以以如下方式控制第一和/或第二能量束：即，使得能够实现建造材料层的被第一能量束选择性地照射的部分的期望的冷却行为以及因此待被添加式地建造的物体内的期望的微观结构。控制照射装置的运行且由此控制冷却行为可以以控制回路的方式来实施，以允许实时控制冷却行为和其它影响被添加式地制造的物体的质量的因素。

探测装置可以配置为附加地探测从建造材料层的当前被第一能量束选择性地照射的部分发射的辐射。如此一来，不仅能够探测建造材料层的被第一能量束选择性地照射的部分的冷却行为，而且还能够探测建造材料层的当前被第一能量束选择性地照射的部分的熔解行为。当然，设备也可以包括配置为探测从建造材料层的当前被第一能量束选择性地照射的部分发射的辐射的至少一个另外的探测装置。

无论在何种情况下，所述或另外的评估装置可以配置为在建造材料层的当前被第一能量束选择性地照射的部分的熔解行为方面对所探测到的从建造材料层的当前被第一能量束选择性地照射的部分发射的辐射进行评估。所述(另外的)评估装置可包括至少一个评估算法，其配置为在建造材料层的当前被第一能量束选择性地照射的部分的熔解行为方面对所探测到的从建造材料层的当前被第一能量束选择性地照射的部分发射的辐射进行评估。评估装置可实施为硬件和/或软件。

本发明还涉及一种用于如上说明的设备的评估装置。该评估装置配置为在建造材料层的被第一能量束选择性地照射的部分的冷却行为方面至少对所探测到的从建造材料层的被第一能量束选择性地照射的部分发射的辐射进行评估，所述第一能量束由设备的照射装置产生。关于设备的阐述以类似方式适用于评估装置。

此外，本发明还涉及一种用于通过依次逐层地选择性地照射和固化由可借助能量束固化的建造材料构成的层来添加式地制造三维物体的方法。所述方法包括如下步骤：产生至少两个能量束，其中，第二能量束以限定的空间和/或时间偏差跟随第一能量束的路径；探测从建造材料层的被第一能量束选择性地照射的部分发射的辐射；以及在建造材料层的被第一能量束选择性地照射的部分的冷却行为方面对所探测到的从建造材料层的被第一能量束选择性地照射的部分发射的辐射进行评估。所述方法可以实施为例如选择性激光烧结方法、选择性激光熔化方法或选择性电子束熔化方法。关于设备的阐述以类似方式适用于该方法。

附图说明

参考附图描述本发明的示例性实施例，其中，单幅图1示出了根据示例性实施例的用于添加式制造三维物体的设备的截面的原理图。

具体实施方式

单幅图1示出了用于通过依次逐层地选择性地照射和随之固化层2来添加式地制造三维物体(例如技术部件)的设备1的截面的原理图，层2由可借助能量束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。设备1可以为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数个功能装置。每个功能装置可包括数个功能单元。设备1包括控制装置23，控制装置23被分配给设备1的各个功能装置并且配置为控制这些功能装置的运行。

示例性的功能装置为建造材料施加装置5和照射装置8，建造材料施加装置5例如为覆层装置，其配置为在设备1的过程室7的建造平面e中施加待被选择性地照射和固化的由建造材料3构成的层2，照射装置8配置为利用至少一个能量束4来选择性地照射和固化由建造材料3构成的层2的各部分。

照射装置8配置为产生至少第一能量束4和第二能量束9，其中第二能量束9以限定的偏差δ跟随第一能量束4的路径/轨迹。照射装置8因此配置为利用至少第一和第二能量束4、9来选择性地照射由建造材料3构成的层2。因此，照射装置8配置为以使第二能量束9以限定的空间偏差δ(直接)跟随第一能量束4的路径/轨迹(由箭头10指示)的方式控制第一和第二能量束4、9的运动。

照射装置8配置为产生与第二能量束9相比具有不同射束特性的第一能量束4。第一能量束4具有在利用第一能量束4选择性地照射建造材料3时足以熔解——即，尤其是熔化——建造材料3的射束功率。故而，由第一能量束4输入到由建造材料3构成的层2的被选择性地照射的部分的能量足以熔解——尤其是熔化——建造材料3。因此，第一能量束4用于熔解建造材料3。

第二能量束9具有在利用第二能量束9选择性地照射建造材料3时不足以熔解——即，尤其是熔化——建造材料3的射束功率。因此，由第二能量束9输入到由建造材料3构成的层2的被选择性地照射的部分的能量不足以熔解——即，尤其是熔化——建造材料3。然而，由第二能量束9输入到由建造材料3构成的层2的被选择性地照射的部分的能量足以使由建造材料3构成的层2的被第一能量束4选择性地照射之后的所述部分回火。故而，第二能量束9用于使建造材料3回火。回火允许控制温度，并且由此控制相应的由建造材料3构成的层2的被第一能量束4选择性地照射之后的部分的冷却行为。

设备1还包括探测装置11，探测装置11配置为探测从由建造材料3构成的层2的被第一能量束4选择性地照射的部分发射或反射的(电磁)辐射12。探测装置11包括至少一个探测元件13，探测元件13配置为探测从由建造材料3构成的层2的被第一能量束4选择性地照射的部分发射或反射的(电磁)辐射。探测装置11可以是传感器装置，例如光学或热图像传感器装置，例如光学或热图像摄像机、光电二极管等，探测元件13可以为传感器元件，例如光学或热图像传感器元件，例如光学或热图像摄像机元件、光电二极管等。

设备1还包括评估装置14，评估装置14配置为在由建造材料3构成的层2的被第一能量束4选择性地照射的相应部分的冷却行为方面对所探测到的辐射12进行评估。评估基于以下认识：从由建造材料3构成的层2的被第一能量束4选择性地照射的部分发射的辐射12是对温度的直接或间接测量，并且由此是对由建造材料3构成的层2的被第一能量束4选择性地照射的相应部分的冷却行为的直接或间接测量。评估装置14可包括配置为对所探测到的辐射12进行评估的至少一个评估算法。

评估装置14配置成产生描述/指示由建造材料3构成的层2的被第一能量束4选择性地照射的部分的冷却行为的评估信息，所述评估信息是根据所探测到的从由建造材料3构成的层2的被第一能量束4选择性地照射的部分发射的辐射12而评估出来的。评估信息可描述/指示与由建造材料3构成的层2的被第一能量束4选择性地照射的部分的冷却行为直接或间接相关的各种化学和/或物理参数。评估信息可借助设备1的各种功能装置之间的通信链路来传递给这些功能装置。评估信息可被传递给设备1的用户界面装置22——例如屏幕，并由此输出给用户。

控制装置23可配置为基于由评估装置14确定的评估信息来控制照射装置8的运行。因此，通过基于相应的评估信息来控制照射装置8的运行，可以以如下方式控制第一和/或第二能量束4、9：即，使得能够实现由建造材料3构成的层2的被第一能量束4选择性地照射的部分的期望的冷却行为，并由此实现待被添加式地建造的三维物体内的期望的微观结构。控制照射装置8的运行且由此控制冷却行为可以以控制回路的方式来实施，以允许实时控制冷却行为和其它影响被添加式地制造的物体的质量的因素。

通过探测从由建造材料3构成的层2的被第一能量束4选择性地照射的部分发射或反射的辐射12，以及在由建造材料3构成的层2的被第一能量束4选择性地照射的相应部分的冷却行为方面对所探测到的辐射12进行评估，设备1允许可靠且尤其可高度集成地确定在添加式制造过程期间已被选择性地照射的由建造材料3构成的层2的相应的被选择性地固化的部分的冷却行为。

根据附图1中给出的示例性实施例，照射装置8包括配置为产生第一能量束4的第一射束产生单元15和配置为产生第二能量束9的第二射束产生单元16。然而，照射装置8也可包括仅一个射束产生单元和相关联的射束分离单元(未示出)，所述射束产生单元配置为产生一能量束(该能量束分离开以产生第一和第二能量束)，所述射束分离单元配置为使由射束产生单元产生的能量束分离开以产生第一和第二能量束4、9。

根据附图1中给出的示例性实施例，照射装置8包括第一射束偏转单元17和第二射束偏转单元18，其中，第一射束偏转单元17被分配给第一能量束4以将第一能量束4偏转至由建造材料3构成的层2的不同位置，并且第二射束偏转单元18被分配给第二能量束9以将第二能量束9偏转至由建造材料3构成的层2的不同位置。每个射束偏转单元17、18包括尤其被活动地支承的数个射束偏转元件(未示出)，例如偏转镜。

照射装置8还包括两个射束引导单元19、20，其中，第一射束引导单元19配置为沿着从第一射束产生单元15延伸到第一射束偏转单元17的光路引导第一能量束4，并且第二射束引导单元20配置为沿着从第二射束产生单元16延伸到第二射束偏转单元18的光路引导第二能量束9。

如附图1中可见，探测装置11被分配给第二射束引导单元20。尤其是，探测装置11相对于第二射束偏转单元18以同光轴布置的方式进行布置。探测装置11的相应的同光轴布置允许同时在构造方面和功能方面实现探测装置11的高度集成布置。探测装置11的相应的同光轴布置还允许获得相应的由建造材料3构成的层2的被探测部分的高动态和高分辨率的探测信息，例如高动态和高分辨率的探测图像。探测装置11的相应的同光轴布置还允许获得相应的探测信息的坐标值等。

第二射束引导单元18可包括配置为将从由建造材料3构成的层2的被第一能量束4选择性地照射的部分发射的辐射12引导至探测装置11的至少一个光学元件21，例如半反射镜元件。因此，同一光路可既用于能量束9又用于从由建造材料3构成的层2的被第一能量束4选择性地照射的部分发射的辐射12。通过由第二射束引导单元18构造的光路的从由建造材料3构成的层2的部分发射的辐射12的延伸方向至少部分为通过该光路的能量束9的延伸方向的反方向。

探测装置11或另外的探测装置(未示出)可以配置为附加地探测从由建造材料3构成的层2的当前被第一能量束4选择性地照射的部分发射的辐射。如此一来，不仅能够探测由建造材料3构成的层2的已被第一能量束4选择性地照射的部分的冷却行为，而且还能够探测由建造材料3构成的层2的当前被第一能量束4选择性地照射的部分的熔解行为。

无论在何种情况下，评估装置14或另外的评估装置可以配置为在由建造材料3构成的层2的当前被第一能量束4选择性地照射的部分的熔解行为方面对所探测到的从由建造材料3构成的层2的当前被第一能量束4选择性地照射的部分发射的辐射进行评估。所述(另外的)评估装置14可包括至少一个评估算法，该评估算法配置为在由建造材料3构成的层2的当前被第一能量束4选择性地照射的部分的熔解行为方面对所探测到的从由建造材料3构成的层2的当前被第一能量束4选择性地照射的部分发射的辐射进行评估。

设备1配置为实施用于通过依次逐层地选择性地照射和固化由可借助能量束4固化的建造材料3构成的层2来添加式地制造三维物体的方法。所述方法包括如下步骤：产生至少两个能量束4、9，其中，第二能量束9以限定的偏差跟随第一能量束4的路径；探测从由建造材料3构成的层2的被第一能量束4选择性地照射的部分发射的辐射12；以及在由建造材料3构成的层2的被第一能量束4选择性地照射的部分的冷却行为方面对所探测到的从由建造材料3构成的层2的被第一能量束4选择性地照射的部分发射的辐射12进行评估。