本文中所公开的主题大体上涉及增材制造系统，且更具体地说，涉及用于使用至少一个激光装置制造部件的方法和系统。
背景技术：
至少一些增材制造系统包括堆积颗粒材料以制成部件。此方法促进由昂贵材料在经缩减成本及改进制造效率下产生复杂部件。至少一些已知增材制造系统，例如直接金属激光熔融(dmlm)、选择性激光烧结(sls)、直接金属激光烧结(dmls)和激光切工系统使用聚焦能量来源制造部件，所述聚焦能量来源例如激光装置或电子束发生器、构建平台和颗粒，所述颗粒例如但不限于粉末状金属。聚焦能量来源装置使构建平台上的聚焦能量来源入射到颗粒材料的区域中和周围的颗粒材料熔融，从而产生至少一个熔池。每个熔池在构建过程中冷却和形成下一层的至少一部分。
在如dmlm的系统中，激光束或电子束用于扫描粉末层以在粉末床层中烧结和熔融所要图案。此类系统用于每层的典型扫描时间处于70到100秒的范围内。对于某些零件，构建时间需要数天处理时间。逐层扫描部件所需的时间阻碍完全意识到与增材制造相关联的显著的成本效益。dmlm系统的另一问题是快速且有时不相容的冷却速率，这导致部件的一些部分的温度落到所需最小温度以下。
技术实现要素：
一方面，提供用于包括至少一个激光装置的增材制造系统的控制器。至少一个激光装置被配置成在粉末状材料层中生成至少一个熔池。控制器包括处理装置和连接到处理装置的存储器装置。控制器被配置成生成至少一个控制信号以控制至少一个激光装置跨越粉末状材料层的至少一个扫描路径上的功率输出，所述至少一个扫描路径至少部分地基于生成路径的多个点与至少一个扫描路径的多个点的每个点之间的函数关系而生成。控制器被进一步配置成生成至少一个激光装置的至少一个扫描路径的非均匀能量强度分布，其中所述非均匀能量强度分布促进生成具有至少一个预定特性的至少一个熔池，且所述控制器被配置成将至少一个控制信号传输到至少一个激光装置以发出至少一个激光束，从而生成至少一个熔池。
另一方面，提供增材制造系统。增材制造系统包括至少一个激光装置、致动器系统和控制器。至少一个激光装置被配置成在粉末状金属层中生成至少一个熔池。致动器系统被配置成跨越粉末状材料层移动至少一个激光装置。控制器被配置成生成至少一个控制信号以控制至少一个激光装置跨越粉末状材料层的至少一个扫描路径上的功率输出，所述至少一个扫描路径至少部分地基于生成路径的多个点与至少一个扫描路径的多个点的每个点之间的函数关系而生成。控制器被进一步配置成生成至少一个激光装置的至少一个扫描路径的非均匀能量强度分布，其中所述非均匀能量强度分布促进生成具有至少一个预定特性的至少一个熔池。控制器被进一步配置成将至少一个控制信号传输到至少一个激光装置以发出至少一个激光束，从而生成至少一个熔池。
另一方面，提供以粉末床制造部件的方法。所述方法包括生成至少一个激光装置的至少一个扫描路径，所述至少一个扫描路径至少部分地基于至少一个扫描路径的多个点的每个点与生成路径的多个点之间的函数关系而生成。所述方法进一步包括生成非均匀能量强度分布，所述非均匀能量强度分布促进生成具有至少一个预定特性的至少一个熔池。所述方法还包括跨越粉末床移动至少一个激光装置。所述方法进一步包括控制至少一个激光装置的扫描路径。所述方法还包括控制至少一个激光装置的功率输出。所述方法进一步包括从至少一个激光装置发出至少一个能量束以生成至少一个熔池。
跨越粉末床移动至少一个激光装置包括相对于粉末床移动至少一个激光装置。跨越粉末床移动至少一个激光装置也包括相对于至少一个激光装置移动粉末床。
附图说明
当参考附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，在所有附图中相同的标号表示相同的零件，在附图中：
图1是示范性增材制造系统的示意性透视图；
图2是俯视粉末床时图1中所示出的增材制造系统的示意图；
图3是图1中所示出的增材制造系统的示意图；
图4是用于图1中所示出的增材制造系统的示范性激光器组的示意图
图5是用于操作图1中所示出的增材制造系统的控制器的框图；
图6是通过图1中所示出的增材制造系统的激光器组发出的扫描路径和非均匀能量强度分布的一个实施例的示意图；
图7是通过图1中所示出的增材制造系统的激光器组发出的扫描路径和非均匀能量强度分布的替代实施例的示意图；
图8是通过图1中所示出的增材制造系统的激光器组发出的扫描路径和非均匀能量强度分布的另一替代实施例的示意图；
图9是示出使用图1到3中所示出的增材制造系统制造部件的示范性方法的示范性步骤的流程图。
除非另外指明，否则本文中所提供的附图用来说明本发明的实施例的特征。这些特征被认为适用于包括本发明的一个或多个实施例的广泛多种系统。由此，附图并非意在包括所属领域的技术人员已知的实践本文中所公开的实施例所需的所有常规特征。
具体实施方式
在以下说明书和权利要求书中，将引用若干术语，所述术语应定义为具有以下含义。
除非上下文明确地另外指明，否则单数形式“一”和“所述”包括复数指代物。
“任选”或“视需要”意指随后描述的事件或情形可能发生或可能不发生，且所述描述包括事件发生的情况和事件不发生的情况。
如本文在整个说明书和权利要求书中所使用的近似语言可应用于修饰可以许可的方式变化而不会导致其相关的基本功能改变的任何定量表示。因此，由例如“约”、“大约”和“基本上”的一个或多个术语修饰的值不限于指定的确切值。在至少一些情况下，近似语言可对应于用于测量所述值的仪器的精度。此处以及说明书和权利要求书通篇中，范围限制可组合和/或互换，除非上下文或语言另外指示，否则此类范围得以识别且包括其中包括的所有子范围。
如本文中所使用，术语“处理器”和“计算机”及相关术语(例如，“处理装置”、“计算装置”和“控制器”)不仅限于在本领域中被称为计算机的那些集成电路，而是广义地指代微控制器、微计算机、可编程逻辑控制器(plc)和专用集成电路以及其它可编程电路，且这些术语在本文中可互换使用。在本文中所描述的实施例中，存储器可包括但不限于例如随机存取存储器(ram)等计算机可读媒体和例如闪存等计算机可读非易失性媒体。或者，也可使用软盘、光盘只读存储器(cd-rom)、磁光盘(mod)和/或数字多功能光盘(dvd)。另外，在本文中所描述的实施例中，额外输入通道可以是但不限于与例如鼠标和键盘等操作者接口相关联的计算机外围设备。或者，也可使用其它计算机外围设备，其可包括例如但不限于扫描仪。此外，在示范性实施例中，额外输出通道可包括但不限于操作者接口监视器。
此外，如本文中所使用，术语“软件”和“固件”是可互换的，且包括存储在存储器中用于由个人计算机、工作站、客户端和服务器执行的任何计算机程序。
如本文中所使用，术语“非暂时性计算机可读媒体”旨在代表在任何技术方法中实现的任何有形的基于计算机的装置，以用于诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块和子模块、或在任何装置中的其它数据的信息的短期和长期存储。因此，本文中所描述的方法可被编码为嵌入包括但不限于存储装置和/或存储器装置的有形的非暂时性计算机可读媒体内的可执行指令。此类指令在由处理器执行时致使处理器执行本文中所描述的方法的至少一部分。此外，如本文中所使用，术语“非暂时性计算机可读媒体”包括所有有形的计算机可读媒体，包括但不限于非暂时性计算机存储装置，包括但不限于易失性和非易失性媒体以及可移动和不可移动的媒体，例如固件、物理和虚拟存储、cd-rom、dvd、和例如网络或因特网的任何其它数字源，以及尚待开发的数字化手段，唯一的例外是暂时性传播的信号。
此外，如本文中所使用，术语“实时”指代相关联的事件的发生时间、预定数据的测量和收集时间、处理数据的时间、以及对事件和环境的系统响应的时间中的至少一个。在本文中所描述的实施例中，这些活动和事件基本上瞬时地发生。
本文中描述了具有多个激光器的增材制造系统的实施例，所述多个激光器沿着由限定函数关系的算法生成的扫描路径生成非均匀能量强度分布。增材制造系统包括扫过与生成路径成一定关系的部件表面以从颗粒材料制造部件的聚焦能量来源。
本文中所描述的系统和方法促进独立地控制单独激光器沿着跨越粉末床中的部件区段分配的扫描路径生成非均匀能量强度分布。具体地说，在一个实施例中，具有至少一个单独可控制的激光器的增材制造系统被描述且用于在增材制造过程中快速和有效地形成部件，所述单独可控制的激光器的扫描路径由与单个生成路径的函数关系控制。控制系统单独地调整每个激光器的输出功率，同时产生生成点的集合，所述生成点的集合包括通过限定与生成曲线的函数关系的算法生成的成员扫描曲线。在一个实施例中，为了形成扫描路径的集合，使与彼此处于函数关系的生成点的集合沿着已经跨越正构建的部件区段分配的生成路径扫过。在另一实施例中，扫描路径直接从与生成路径的函数关系形成。
控制系统在每个激光器沿着相应扫描路径行进时单独地调整所述激光器的输出功率以促进遍及部件的扫描生成唯一扫描属性。非均匀能量强度分布促进对不同热量损耗速率和非均匀激光扫描速度作出反应以生成所要扫描属性的一致性。举例来说，控制系统调整输出功率且在针对激光装置组中的每个单独激光装置限定的扫描路径中产生生成点的集合，从而基于正扫描部件的几何形状有效和动态地更改每个熔池的特性。
在操作中，增材制造系统的控制包括使用来自三维(3d)计算机模型的构建参数以制造部件。增材制造系统的每个激光器加热粉末状金属以形成至少一个熔池。连接到增材制造机的控制器控制每个激光器和/或粉末床的操作以沿着粉末状金属中的预定扫描路径导引每个激光器的输出，且由此导引每个所得熔池。当每个激光器横穿每个预定扫描路径时，每个熔池冷却，从而形成经硬化金属结构。
在一个实施例中，每个激光装置接收独立控制信号，所述独立控制信号被配置成沿着从限定与单个生成路径的函数关系的算法生成的扫描路径引导激光装置。在相同实施例中，每个激光装置还接收独立控制信号以调整输出功率的量。独立控制信号变化以在每个激光器跨越构建平台横穿时，即，基于每个激光装置的绝对位置而控制每个激光器的输出功率，每个激光装置跟随其相应扫描路径。非均匀能量强度分布可经调整以生成扫描属性，例如一致的熔融深度和或大小。举例来说且不限于，非均匀能量强度分布可经调整以包括激光器组末端处的增大功率和激光器组的中心区域中的减小功率以补偿跨越粉末床的热量损耗的差异。非均匀能量强度分布也可通过打开或关闭增材制造系统内的激光装置来调整。
在另一实施例中，功率梯度可施加到每个激光器以补偿激光器在进行转动或产生其它复杂几何形状时速度的差异。另外，在一些实施例中，每个激光器可具有包括功率、光点大小和/或波长不同的各种激光装置的类型以促进生成所要非均匀能量强度分布。
图1是示范性增材制造系统100的透视图。图2是俯视粉末床204时增材制造系统100的示意图。在示范性实施例中，增材制造系统100是直接金属激光熔融(dmlm)系统。在替代实施例中，增材制造系统100被配置成用于促进增材制造系统100如本文中所描述而操作的任何增材制造过程。举例来说，在一些实施例中，增材制造系统100用于以下过程中的任一个：选择性激光烧结(sls)、直接金属激光烧结(dmls)、选择性激光熔融(slm)和激光切工。在示范性实施例中，增材制造系统100包括构建平台102、粉末床104、能量来源106、能量束108、至少一个熔池110、构建层112、部件114、再涂布装置116以及包括增材制造系统100的部件的外壳117。增材制造系统100的纵向轴线103沿再涂布装置116的行进方向延伸穿过增材制造系统100。横向轴线105在基本上平行于构建平台102且垂直于纵向轴线103的平面中延伸。竖直轴线107沿垂直于纵向轴线103且垂直于横向轴线105的方向延伸。纵向轴线103、横向轴线105和竖直轴线107与彼此正交。
图3是利用至少一个激光束的增材制造系统100的示意图。在示范性实施例中，增材制造系统100包括聚焦能量来源106、光学元件130、第一扫描装置118、第二扫描装置158、外壳117、光学系统120、再涂布装置116、颗粒递送系统124和控制器126。在替代实施例中，增材制造系统100包括促进增材制造系统100如本文中所描述而操作的任何数量的任何部件。另外，在示范性实施例中，构建平台102限定被配置成固持颗粒128的粉末床104。在替代实施例中，粉末床104被配置成具有氩气气氛。然而，粉末床104可具有使得制造系统100能够如本文中所描述而操作的任何惰性气体气氛。
另外，在示范性实施例中，外壳117提供用于收容例如颗粒递送系统124等增材制造系统100的部件的受控环境。颗粒递送系统124包括施配器160和颗粒供应器162。颗粒递送系统124的至少一部分封闭在外壳117内。具体地说，施配器160和颗粒供应器162安放在外壳117的受控环境内以抑制颗粒128暴露于周围环境。在替代实施例中，颗粒递送系统124安放在增材制造系统100中的任何位置，所述颗粒递送系统124促进增材制造系统100如本文中所描述而操作。在替代实施例中，增材制造系统100包括促进增材制造系统100如本文中所描述而操作的任何外壳117。
另外，在示范性实施例中，颗粒128是在增材制造过程期间熔融和再固化以构建固体部件的粉末构建的材料。在示范性实施例中，颗粒128包括以下各项中的任一个的气体雾化的合金：钴、铁、铝、钛、镍和其组合。在替代实施例中，颗粒128包括促进增材制造系统100如本文中所描述而操作的任何材料。举例来说，在一些实施例中，颗粒128包括但不限于以下各项中的任一个：陶瓷粉末、金属涂布的陶瓷粉末、热固性树脂和热塑性树脂。在其它实施例中，增材制造系统100利用任何数目的颗粒，例如，第一、第二、第三颗粒、第四颗粒等。
在示范性实施例中，施配器160安放在粉末床104上方且被配置成将颗粒128沉积到粉末床104上。具体地说，施配器160连接到颗粒供应器162且被配置成将颗粒128从颗粒供应器162施配到粉末床104上。因此，施配器160促进将颗粒128沉积到粉末床104上。在替代实施例中，增材制造系统100包括促进增材制造系统100如本文中所描述而操作的任何施配器。举例来说，在一些实施例中，颗粒递送系统124包括粉末床和传送机构以将至少颗粒128沉积到表面粉末床104上。
颗粒递送系统124的至少一部分被配置成相对于粉末床104移动。具体地说，颗粒施配器160被配置成相对于粉末床104纵向移动。另外，颗粒施配器160被配置成朝向和远离粉末床104移动。因此，颗粒递送系统124被配置成以任何图案将至少颗粒128沉积在粉末床104上。在替代实施例中，颗粒递送系统124被配置成以促进增材制造系统100如本文中所描述而操作的任何方式移动。
图4是用于增材制造系统100(图1到3中所示出)的示范性激光器组178的示意图。在示范性实施例中，激光器组178包括多个单独激光装置174，其各自可单独控制且其中的每一个提供被配置成在粉末状材料中生成至少一个熔池的高强度热源。在替代实施例中，激光器组178是激光装置阵列。在其它替代实施例中，激光器组178是激光装置的多维阵列。每个激光装置174被配置成发出能量束108，且在示范性实施例中，能量束108是激光束164。多个镜面136由多个致动器138控制且被配置成朝向粉末床104引导激光束164。在示范性实施例中，多个致动器138是电流计控制的电机。激光器组178还包括安放在激光装置174与粉末床104之间的多个透镜134。透镜134被配置成将由相应激光装置174发出的能量束108聚焦在构建层112上以在粉末床104中形成至少一个熔池110。在替代实施例中，每个激光装置174的功率输出和速度可变化以产生每个激光装置174的单个熔池110或跨越所有激光装置174的单个熔池110，或者促进增材制造系统100如本文中所描述而操作的熔池110的任何组合。在示范性实施例中，多个透镜134是f-θ类型。在替代实施例中，激光器组178包括并不使用如本文中所论述的例如透镜134等连接光学件的激光装置。
图5是用于操作增材制造系统100(图1到3中所示出)的控制器126的框图。在示范性实施例中，如图3和图5中所示出，控制器126连接到颗粒递送系统124和能量来源106。此外，在示范性实施例中，控制器126是通常由增材制造系统100的制造商提供来输出控制信号176用以控制增材制造系统100的操作的任何类型的控制器中的一个。控制器126执行操作以至少部分地基于来自操作人员的指令而控制增材制造系统100的操作。控制器126包括例如待通过增材制造系统100制造的部件14的3d模型。由控制器126执行的操作包括控制激光器组178中的每个激光装置174的功率输出以及控制增材制造系统100内的激光器组178的每个激光装置174的扫描速度。
在示范性实施例中，控制器126包括存储器装置148和连接到存储器装置148的处理器150。处理器150可包括一个或多个处理单元，例如但不限于多核配置。处理器150是准许控制器126如本文中所描述而操作的任何类型的处理器。在一些实施例中，可执行指令存储于存储器装置148中。控制器126被配置成通过编程处理器150来执行本文中所描述的一个或多个操作。举例来说，可通过将操作编码为一个或多个可执行指令且提供存储器装置148中的可执行指令来编程处理器150。在示范性实施例中，存储器装置148是实现例如可执行指令或其它数据等信息的存储和检索的一个或多个装置。存储器装置148可包括一个或多个计算机可读媒体，例如但不限于随机存取存储器(ram)、动态ram、静态ram、固态磁盘、硬盘、只读存储器(rom)、可擦除可编程rom、电可擦除可编程rom或非易失性ram存储器。关于可用于计算机程序的存储的存储器类型，以上存储器类型仅是示范性的，且因此并不是限制性的。
存储器装置148可被配置成存储包括但不限于与部件114相关联的构建参数的任何类型的数据。在一些实施例中，处理器150基于数据的年限而去除或“清除”来自存储器装置148的数据。举例来说，处理器150可改写与后续时间或事件相关联的先前记录和存储的数据。另外，或另一选择为，处理器150可去除超过预定时间间隔的数据。另外，存储器装置148包括但不限于足够数据、算法和命令以促进监视通过增材制造系统100制造的部件114的构建参数和几何条件。
在一些实施例中，控制器126包括连接到处理器150的呈现接口152。呈现接口152将例如增材制造系统100的操作条件等信息呈现给用户184。在一个实施例中，呈现接口152包括连接到例如阴极射线管(crt)、液晶显示器(lcd)、有机led(oled)显示器或“电子墨水”显示器等显示装置(未示出)的显示适配器(未示出)。在一些实施例中，呈现接口152包括一个或多个显示装置。另外，或另一选择为，呈现接口152包括音频输出装置(未示出)，例如但不限于音频适配器或扬声器(未示出)。
在一些实施例中，控制器126包括用户输入接口154。在示范性实施例中，用户输入接口154连接到处理器150和存储器装置148且接收来自用户184的输入。用户输入接口154可包括例如但不限于键盘、指示装置、鼠标、手写笔、触敏面板和/或音频输入接口，所述触敏面板例如但不限于触摸垫或触摸屏，所述音频输入接口例如但不限于麦克风。例如触摸屏等单个部件可充当呈现接口152和用户输入接口154两者的显示装置。
在示范性实施例中，通信接口156连接到处理器150且被配置成与例如激光器组178的激光装置174等一个或多个其它装置通信连接，且在作为输入通道执行的同时执行关于此类装置的输入和输出操作。举例来说，通信接口156可包括但不限于有线网络适配器、无线网络适配器、移动电信适配器、串行通信适配器或并行通信适配器。通信接口156可从一个或多个远程装置接收数据信号或将数据信号传输到一个或多个远程装置。举例来说，在一些实施例中，控制器126的通信接口156可将数据信号传输到致动器138/从致动器138接收数据信号。
呈现接口152和通信接口156都能够提供适合于供本文中所描述的方法使用的信息，例如将信息提供到用户184或处理器150。因此，呈现接口152和通信接口156可被称为输出装置。类似地，用户输入接口154和通信接口156能够接收适合于供本文中所描述的方法使用的信息，且可被称为输入装置。
在示范性实施例中，存储器装置被配置成存储至少函数关系算法166。函数关系算法166由用户184通过用户输入接口154输入到存储器装置148以供处理器150使用。函数关系算法166可包括例如但不限于生成路径168的多个生成路径点170与多个扫描路径点182之间的函数关系。函数关系算法166可以是例如但不限于限定生成路径点170的集合与多个扫描路径点182之间的函数关系的算法，所述函数关系是代数、几何、材料和热量关系中的至少一个。处理器150被配置成使用函数关系算法166生成激光器组178的每个激光装置174的至少一个扫描路径180。
参考图1，在示范性实施例中，能量来源106被配置成加热颗粒128。聚焦能量来源106光学连接到光学元件130和第一扫描装置118。光学元件130和第一扫描装置118被配置成促进控制能量来源106的扫描。在示范性实施例中，能量来源106是例如基于钇的固态激光器等激光装置，所述基于钇的固态激光器被配置成发出具有约1070纳米(nm)波长的激光束164。在替代实施例中，增材制造系统100包括促进增材制造系统100如本文中所描述而操作的任何能量来源106。举例来说，在一些实施例中，增材制造系统100包括具有第一功率的第一能量来源106和具有不同于第一功率的第二功率的第二能量来源106。在其它实施例中，增材制造系统100包括具有基本上相同功率输出的至少两个能量来源106。在其它实施例中，增材制造系统100包括至少一个能量来源106，所述至少一个能量来源106是电子束发生器。在一些实施例中，增材制造系统100包括二极管光纤激光器阵列(未示出)，所述二极管光纤激光器阵列包括多个二极管激光器和多个光纤。在此类实施例中，二极管光纤阵列同时从光纤朝向粉末床104引导激光束以加热颗粒128。
此外，在示范性实施例中，光学元件130促进将束164聚焦在粉末床104上。在示范性实施例中，光学元件130包括设置在能量来源106与第一扫描装置118之间的束准直器132，以及设置在第一扫描装置118与粉末床104之间的多个透镜134。在替代实施例中，增材制造系统100包括促进增材制造系统100如本文中所描述而操作的任何光学元件。
在操作期间，在示范性实施例中，第一扫描装置118被配置成跨越粉末床104的选择性部分引导束164以形成固体部件114。在示范性实施例中，第一扫描装置118是电流计扫描装置，所述电流计扫描装置包括可操作地连接到电流计控制的电机138的镜面136，电流计控制的电机138可被概括的称为致动器。电机138被配置成响应于从控制器126接收的信号移动，具体而言旋转镜面136且由此使束164朝向和跨越粉末床104的选择性部分偏转。在一些实施例中，镜面136包括具有对应于束164的波长的反射光谱的反射涂层。在替代实施例中，增材制造系统100包括促进增材制造系统100如本文中所描述而操作的任何扫描装置。举例来说，在一些实施例中，第一扫描装置118包括两个镜面和两个电流计控制的电机，每个电机可操作地连接到镜面中的一个。在其它实施例中，第一扫描装置118包括但不限于以下各项中的任一个：二维(2d)扫描电流计、三维(3d)扫描电流计和动态聚焦电流计。
另外，在示范性实施例中，光学系统120被配置成促进监视由束164形成的至少一个熔池110。具体地说，光学系统120被配置成检测由每个熔池110生成的电磁辐射且将关于每个熔池110的信息传输到控制器126。更具体地说，光学系统120被配置成接收由每个熔池110生成的em辐射，且响应于接收到所述em辐射而生成电信号。光学系统120以通信方式连接到控制器126，且被配置成将电信号传输到控制器126。在替代实施例中，增材制造系统100包括促进增材制造系统100如本文中所描述而操作的任何光学系统120。举例来说，在一些实施例中，光学系统120包括但不限于以下各项中的任一个：光电倍增管、光电二极管、红外相机、电荷连接装置(ccd)相机、cmos相机、高温计或高速可见光相机。在其它实施例中，光学系统120被配置成检测红外线光谱内的em辐射和可见光谱内的em辐射。在一些实施例中，光学系统120包括分束器(未示出)，所述分束器被配置成使em辐射分隔且使其从每个熔池110偏转到对应光学检测器。
虽然光学系统120被描述为包括用于由每个熔池110生成的em辐射的“光学”检测器，但应注意，术语“光学”的使用不与术语“可见”等效。相反地，光学系统120被配置成捕获em辐射的宽光谱范围。举例来说，在一些实施例中，光学系统120对具有以下光谱内的波长的光敏感：紫外线光谱(约200到400nm)、可见光谱(约400到700nm)、近红外光谱(约700到1,200nm)和红外线光谱(约1,200到10,000nm)。此外，由于由每个熔池110发出的em辐射的类型取决于每个熔池110的温度，因此光学系统120能够监视和测量每个熔池110的大小和温度。
另外，在示范性实施例中，光学系统120包括被配置成引导由每个熔池110生成的em辐射的第二扫描装置158。在示范性实施例中，第二扫描装置158是电流计扫描装置，所述电流计扫描装置包括可操作地连接到第一电流计控制的电机142的第一镜面140，以及可操作地连接到第二电流计控制的电机146的第二镜面144。第一电流计控制的电机142和第二电流计控制的电机146均可被概括的称为致动器。第一电机142和第二电机146被配置成响应于从控制器126接收的信号分别移动，具体而言旋转第一镜面140和第二镜面144以使em辐射从每个熔池110偏转到光学系统120。在一些实施例中，第一镜面140和第二镜面144中的一个或两个包括反射涂层，所述反射涂层具有对应于光学系统120被配置成检测的em辐射的反射光谱。在替代实施例中，增材制造系统100包括促进增材制造系统100如本文中所描述而操作的任何扫描装置。
增材制造系统100操作以通过逐层制造过程来制造部件114。部件114根据部件114的3d几何形状的电子表示构造。在一些实施例中，电子表示产生于计算机辅助设计(cad)或类似文件中。在替代实施例中，电子表示是促进增材制造系统100如本文中所描述而操作的任何电子表示。在示范性实施例中，部件114的cad文件转化成包括每个构建层112的多个构建参数的逐层格式。在示范性实施例中，相对于增材制造系统100中所使用的坐标系的原点在所要取向上以电子方式布置部件114。将部件114的几何形状切分成具有所要厚度的构建层112的堆叠，使得每个构建层112的几何形状是在所述特定构建层112位置处穿过部件114的横截面的轮廓。
在示范性实施例中，一旦已经生成部件114的构建层112，就跨越每个构建层112应用至少一个生成路径168。每个生成路径168可以是曲线、直线或具有促进增材制造系统100如本文中所描述而操作的任何几何形状。在彼此处于固定相对位置中的多个生成路径点170沿着生成路径168扫过以限定生成路径点路径(gppp)172。gppp172可通过限制生成路径点170中的至少一个来限定，使得所述至少一个生成路径点170位于生成路径168上，而多个生成路径点170中的剩余生成路径点沿着生成路径168扫过。多个生成路径点170可在沿着生成路径168扫过时旋转以限定gppp172，且多个生成路径点170可相对于生成路径168维持恒定取向。在替代实施例中，每个扫描路径直接根据与生成路径的函数关系生成而无需生成路径点。一旦针对每个构建层112完成所述过程，就生成电子计算机构建一个或多个文件，所述电子计算机构建文件包括构建层112、生成路径168、生成点170和gppp172中的全部。包括构建层112、生成路径168、生成点170和gppp172中的全部的文件接着载入到增材制造系统100的控制器126中。
在替代实施例中，一旦已经生成部件114的构建层112，就跨越每个构建层112应用至少一个生成路径168。每个生成路径168可以是曲线、直线或具有促进增材制造系统100如本文中所描述而操作的任何几何形状。使用函数关系166，对应于每个单独激光装置174的多个扫描路径180从生成路径168生成且跨越每个构建层112应用。一旦针对每个构建层112完成所述过程，就生成电子计算机构建一个或多个文件，所述电子计算机构建文件包括构建层112、生成路径168和扫描路径180中的全部。包括构建层112、生成路径168和扫描路径180中的全部的文件接着载入到增材制造系统100的控制器126中。在另一实施例中，预先计算一系列连续扫描路径180与编码为一系列并发扫描路径180的相同扫描几何形状。在替代实施例中，构建层112和扫描路径180以使得增材制造系统100能够如本文中所描述而起作用的任何合适方式生成。
在示范性实施例中，在将构建文件和函数关系算法166载入到控制器126中之后，操作增材制造系统100通过实施例如dmlm方法等逐层制造过程产生部件114。沿着至少一个生成路径168施加构建参数以由用于构造部件114的材料制造部件114的构建层112。在示范性实施例中，控制器126可生成非均匀输出强度分布186且同时调节或控制到每个单独激光装置174的信号176以控制每个激光装置174的功率输出。每个激光装置174的功率输出部分地基于每个激光装置174在跨越粉末床104移动时的绝对位置，每个激光装置174跟随其相应扫描路径。针对部件114的每个相应构建层112重复所述步骤。示范性逐层增材制造过程并不使用预先存在制品作为最终部件114的前体，相反地，所述过程由呈例如颗粒128等可配置形式的原料产生部件114。举例来说但不限于，钢部件114是使用钢粉末增材制造的。增材制造系统100促进使用例如但不限于金属、陶瓷和聚合物的广泛范围的材料制造部件114。在替代实施例中，dmlm从促进增材制造系统100如本文中所描述而操作的任何材料制造部件114。
如本文中所使用，术语“参数”指代用于限定增材制造系统100的操作条件的特性，例如能量来源106的功率输出、扫描路径180之间的间距以及增材制造系统100内的能量来源106的扫描速度。在示范性实施例中，用户经由用户输入接口154将若干参数输入到控制器126中。在另一实施例中，参数由控制器126从文件中读取。在替代实施例中，参数可输入到增材制造系统100的任何部分或从所述部分读取，从而促进增材制造系统100如本文中所描述而操作。
图6是通过激光器组178(图4中所示出)发出的非均匀能量强度分布400的示意图。在示范性实施例中，激光器组178包括各自跟随扫描路径的12个单独激光装置174(图3中所示出)，且具体地说，线性布置的激光装置扫描路径402、404、406、408、410、412、414、416、418、420、422和424。在一些实施例中，激光器组178包括使得激光器组178能够如本文中所描述而起作用的任何数目的激光装置174和对应扫描路径。另外，在一些实施例中，图6中所示出的激光装置扫描路径402、404、406、408、410、412、414、416、418、420、422和424表示激光器组178中邻近激光装置174的扫描路径的所选子组。即，例如以持续线性布置围绕激光装置跟随的扫描路径402、404、406、408、410、412、414、416、418、420、422和424布置一个或多个额外激光装置174。
在示范性实施例中，控制器126(图3、5中所示出)同时调节到每个单独激光装置174的信号176以部分地基于每个激光装置174在跨越粉末床104移动时的绝对位置而控制非均匀输出强度分布400，每个激光装置174跟随其相应扫描路径402、404、406、408、410、412、414、416、418、420、422和424。如上文所描述，多个扫描路径点182和扫描路径402到424由多个生成扫描路径点170和生成扫描路径168使用输入到控制器126的函数关系算法166而生成。在示范性实施例中，所有生成路径点170位于生成扫描路径168上。
扫描路径402到424各自由函数关系算法166所生成的唯一曲率限定。在示范性实施例中，跟随扫描路径402到424的激光装置174由控制器126驱动来沿着其相应扫描路径输出越来越多的能量，所述能量的范围是从跟随扫描路径402的激光装置174的最低能量输出到跟随扫描路径424的激光装置174的最高能量输出。跟随扫描路径402到424的激光装置174具有越来越大的功率输出以促进减小粉末床104上的粉末的过度加热以及生成熔池特性，例如关于下层部件114或扫描路径180的几何形状的大体上平坦深度分布。在示范性实施例中，多个扫描路径点182沿着其相应扫描路径402到424的间距表示每个激光装置174沿着其相应扫描路径移动的速度。激光装置174的行进速率越快，功率输出必须越高以维持所有激光装置174之间的相等相对加热速率。另外，跟随扫描路径402到422的激光装置174可具有沿着其相应扫描路径402到424单独减小或增大的功率输出以促进生成或修改下层部件114的至少一个物理特性，例如所要晶粒结构、表面光洁度和硬度等等。在替代实施例中，非均匀能量强度分布400可具有促进增材制造系统如本文中所描述而操作的任何能量强度分布和任何数目的扫描路径。
图7是通过激光器组178(图4中所示出)发出的替代非均匀能量强度分布500的示意图。在示范性实施例中，激光器组178包括各自跟随扫描路径的12个单独激光装置174(图3中所示出)，且具体地说，线性布置的激光装置扫描路径502、504、506、508、510、512、514、516、518、520、522和524。在一些实施例中，激光器组178包括使得激光器组178能够如本文中所描述而起作用的任何数目的激光装置174和对应扫描路径。另外，在一些实施例中，图7中所示出的激光装置扫描路径502、504、506、508、510、512、514、516、518、520、522和524表示激光器组178中邻近激光装置174的扫描路径的所选子集。即，例如以持续线性布置围绕激光装置跟随的扫描路径502、504、506、508、510、512、514、516、518、520、522和524布置一个或多个额外激光装置174。
在示范性实施例中，控制器126(图3、5中所示出)同时调节或控制到每个单独激光装置174的信号176以部分地基于每个激光装置174在跨越粉末床104移动时的绝对位置而控制非均匀输出强度分布500，每个激光装置174跟随其相应扫描路径502、504、506、508、510、512、514、516、518、520、522和524。如上文所描述，多个扫描路径点182和扫描路径502到524由多个生成扫描路径点170和生成扫描路径168使用输入到控制器126的函数关系算法166而生成。在示范性实施例中，由函数关系算法166生成的扫描路径502到524共用曲率方向且被配置为邻近嵌套的曲线。跟随扫描路径502到524的激光装置174由控制器126驱动来沿着其相应扫描路径输出越来越多的能量，所述能量的范围是从跟随扫描路径502的激光装置174的最低能量输出到跟随扫描路径524的激光装置174的最高能量输出。跟随扫描路径502到524的激光装置174具有越来越大的功率输出以促进减小粉末床204上的粉末的过度加热以及生成熔池特性，例如关于下层部件114或扫描路径180的几何形状的大体上平坦深度分布。
在示范性实施例中，多个扫描路径点182沿着其相应扫描路径502到524的间距表示每个激光装置174沿着其相应扫描路径移动的速度-激光装置174行进的速率越快，功率输出必须越高以维持所有激光装置174之间的相等相对加热速率。另外，跟随扫描路径502到524的激光装置174可具有沿着其相应扫描路径502到524单独减小或增大的功率输出以促进生成或修改下层部件114的至少一个物理特性，例如所要晶粒结构、表面光洁度和硬度等等。在替代实施例中，非均匀能量强度分布500可具有促进增材制造系统如本文中所描述而操作的任何能量强度分布和任何数目的扫描路径。
图8是通过激光器组178(图4中所示出)发出的另一替代非均匀能量强度分布600的示意图。在示范性实施例中，激光器组178包括各自跟随扫描路径的12个单独激光装置174(图3中所示出)，且具体地说，线性布置的激光装置扫描路径602、604、606、608、610、612、614、616、618、620、622和624。在一些实施例中，激光器组178包括使得激光器组178能够如本文中所描述而起作用的任何数目的激光装置174和对应扫描路径。另外，在一些实施例中，图8中所示出的激光装置扫描路径602、604、606、608、610、612、614、616、618、620、622和624表示激光器组178中邻近激光装置174的扫描路径的所选子集。即，例如以持续线性布置围绕激光装置跟随的扫描路径602、604、606、608、610、612、614、616、618、620、622和624布置一个或多个额外激光装置174。
在示范性实施例中，控制器126(图3、5中所示出)同时调节或控制到每个单独激光装置174的信号176以部分地基于每个激光装置174在跨越粉末床104移动时的绝对位置而控制非均匀输出强度分布600，每个激光装置174跟随其相应扫描路径602、604、606、608、610、612、614、616、618、620、622和624。如上文所描述，多个扫描路径点182和扫描路径602到624由多个生成扫描路径点170和生成扫描路径168使用输入到控制器126的函数关系算法166而生成。在示范性实施例中，生成路径点170的仅一部分位于生成扫描路径168上。由函数关系算法166生成的扫描路径602到624是在横向维度103中彼此邻近嵌套的基本上相同的曲线。跟随扫描路径602到624的激光装置174由控制器126驱动来沿着其相应扫描路径输出越来越多的能量，所述能量的范围是从跟随扫描路径602的激光装置174的最低能量输出到跟随扫描路径624的激光装置174的最高能量输出。跟随扫描路径602到624的激光装置174具有越来越大的功率输出以促进减小粉末床204上的粉末的过度加热以及生成熔池特性，例如关于下层部件114或扫描路径180的几何形状的大体上平坦深度分布。
在示范性实施例中，多个扫描路径点182沿着其相应扫描路径602到624的间距表示每个激光装置174沿着其相应扫描路径移动的速度-激光装置174行进的速率越快，功率输出必须越高以维持所有激光装置174之间的相等相对加热速率。另外，跟随扫描路径602到624的激光装置174可具有沿着其相应扫描路径602到624单独减小或增大的功率输出以促进生成或修改下层部件114的至少一个物理特性，例如所要晶粒结构、表面光洁度和硬度等等。在替代实施例中，非均匀能量强度分布600可具有促进增材制造系统如本文中所描述而操作的任何能量强度分布和任何数目的扫描路径。
图9是示出制造部件114(图1到3中所示出)的示范性方法700的流程图。方法700包括使用算法生成至少一个激光装置174的至少一个扫描路径180，所述算法限定至少一个扫描路径180的多个点182的每个点182与生成路径172的多个点170之间的函数关系166(步骤702)。
一旦已经生成至少一个扫描路径180，就完成生成至少一个激光装置174的至少一个扫描路径180的非均匀能量强度分布186，其中所述非均匀能量强度分布186促进生成具有至少一个预定特性的至少一个熔池110(步骤704)。
另外，一旦已经生成非均匀能量强度分布186，就完成跨越粉末床104移动激光器组178，所述激光器组178包括至少一个激光装置174(步骤706)。此外，一旦已经跨越粉末床104移动激光器组178，就完成独立地控制至少一个激光装置174的扫描路径180(步骤708)。一旦已经控制至少一个激光装置174的扫描路径180，就完成独立地控制至少一个激光装置174的功率输出(步骤710)。此外，一旦至少一个激光装置174的功率输出被独立地控制，就完成从至少一个激光装置174发出至少一个能量束108以生成至少一个熔池110(步骤712)。
具有本文中所描述的控制器和至少一个激光装置的组的增材制造系统的实施例使得能够根据所构造部件的属性而生成激光器组的每个独立激光装置的功能上相关的扫描路径以及独立地控制每个独立激光装置。使用限定单独可控制的激光装置的函数关系的算法生成扫描路径促进快速而有效的扫描路径生成，而不将扫描路径限制为特定类型的路径，例如光栅、向量或直线等等。为了进行比较，一般来说，在光栅扫描期间，依序沿着隔开且彼此平行的一系列基本上直线扫描能量束。在向量扫描期间，大体上依序沿着一系列基本上直线或向量扫描能量束，其中所述向量的取向相对于彼此有时变化。一般来说，一个向量的终点与下一向量的起点一致。向量扫描大体上用于限定部件的外部轮廓，而光栅扫描大体上用于“填充”由轮廓封闭的空间，其中部件是固体。由与共同的生成点集合的函数关系生成的扫描路径通过以下方式避免光栅和向量扫描的局限性：允许激光装置产生如促进更加快速地构造部件一样线性和弧形的路径。
此外，控制单独激光装置的功率输出促进跨越功能上相关的扫描路径调整非均匀输出强度分布以形成优选的熔池特性，例如一致的熔融深度。单独激光装置的单独控制考虑到在激光装置组的边缘处用于处理材料的激光装置相较于位于激光装置组的中心区域中的激光装置之间加热的变化，其中热量损耗可基本上不同，或其中激光装置在激光装置组的边缘处可比激光装置移动地更慢。由此，激光装置组可生成用于同时构建特定几何形状以及填充较大区域的优化熔池分布。优选的浅、宽的熔池可通过调整激光装置组中每个激光装置的能量输出而形成。此促进减小部件的制造时间，从而促进减小制造成本。
本文中所描述的方法和系统的示范性技术效果包括以下各项中的至少一个：(a)使用限定函数关系的算法以生成至少一个激光装置的扫描路径；(b)减小存储至少一个激光装置的至少一个扫描路径所需的存储器的量；(c)通过改变激光器组中的每个激光装置的功率输出而生成激光装置非均匀能量强度分布；(d)减小部件的构建时间；以及e)减小制造部件的成本。
上文详细地描述包括控制器和至少一个激光装置的增材制造系统的示范性实施例。设备、系统和方法不限于本文中所描述的特定实施例，相反，系统的方法和部件的操作可独立地且与本文中所描述的其它操作或部件分开地使用。举例来说，本文中所描述的系统、方法和设备可具有且不限于与如本文中所描述的部件一起实践的其它工业或消费者应用。相反地，一个或多个实施例可结合其它工业一起实施和利用。
尽管可能在一些附图中示出本技术的各种实施例的特定特征，而在其它附图中未示出，但这仅是为方便起见。根据本发明的原理，附图的任何特征可结合任何其它附图的任何特征被引用或要求保护。
一些实施例涉及使用一个或多个电子装置或计算装置。此类装置通常包括处理器、处理装置或控制器，例如通用中央处理单元(cpu)、图形处理单元(gpu)、微控制器、精简指令集计算机(risc)处理器、专用集成电路(asic)、可编程逻辑电路(plc)、现场可编程门阵列(fpga)、数字信号处理(dsp)装置和/或能够执行本文中所描述的功能的任何其它电路或处理装置。本文中所描述的方法可被编码为在包括但不限于存储装置和/或存储器装置的计算机可读媒体中体现的可执行指令。此类指令当由处理装置执行时使处理装置执行本文中所描述的方法的至少一部分。以上实例仅为示范性的，且因此不希望以任何方式限制术语处理器和处理装置的定义和/或含义。
本书面描述用实例来公开包括最佳模式的本发明的实施例，且还使所属领域的技术人员能够实践本发明的实施例，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何所并入的方法。本文中所描述的实施例的可获专利的范围由权利要求书界定，且可包括本领域的技术人员构想出的其它实例。如果此类其它实例具有并非不同于权利要求书的字面语言的结构要素，或如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质差异的等效结构要素，那么它们既定在权利要求书的范围内。