增材制造设备和方法
【专利说明】
【发明内容】
[0001]本发明涉及一种增材制造设备和方法。本发明特别(但非唯一的)应用于跨越粉末床扫描多个激光。
【背景技术】
[0002]用于产生物体的增材制造或快速原型方法包括使用高能量束(例如激光束或电子束)进行材料(例如金属粉末材料)的逐层固化。粉末层沉积在构建室中的粉末床上并且跨越该粉末层的与正被构造的物体的截面相对应的部分扫描激光束。激光束熔化或烧结粉末以形成固化层。在层的选择性固化之后，粉末床减少掉新固化层的厚度并且另一粉末层在表面上散布且视需要被固化。
[0003]在熔化或烧结过程期间，在构建室内产生残渣(例如，冷凝物、粉末的未固化颗粒等)。已知的是，引入气流穿过构建室以尝试通过气流从室去除残渣。例如，由德国慕尼黑的E0S股份有限公司(EOS GmbH)生产的M280机器模型包括位于构建室中处于粉末床后方的一系列出气口喷嘴，其将气流传递到位于构建室中处于粉末床的前方的一系列排气孔。以此方式，在粉末床的表面处形成气流的平面层。在瑞尼斯豪(Renishaw)的AM250和AM125机器中提供类似布置，其中在构建室中在粉末床两侧的孔提供跨越粉末床的实质上平面的气流。
[0004]从DE102005014483A1已知使用四个激光束来扫描粉末床，每个激光束在粉末床的不同象限中固化粉末。此布置可增加构建速度，因为物体的不同部分或位于不同象限中的不同物体可以用不同激光束同时构建。
[0005]US2013/0112672公开了一种增材制造组合件，其中主能量束被分成多个次级激光束。该次级束由可单独地移动的能量引导元件引导到工作区的单独区域中。可以设置运送组合件以用于输送能量传输装置，该运送组合件包括可在第一方向上移动的第一托架以及在第二方向上在第一托架上移动的第二托架。能量传输装置中的每一个发射单独的激光束，该激光束可独立地且单独地移动以用于在该部分的单独部分上引导能量。
【发明内容】
[0006]
[0007]根据本发明的第一方面，提供一种用于通过材料的分层固结来构建物体的增材制造设备，所述设备包括包含工作区域的构建室、用于在层中固结沉积在工作区域中的材料的多个高能量束以及用于控制所述高能量束到所述工作区域中的材料上的传输的光学单元，所述光学单元包括多个可独立地控制的光学元件，每个光学元件用于控制高能量束中的至少一束到所述工作区域中的材料上的传输，所述光学单元可在所述构建室中移动。
[0008]每个光学元件可以被布置以在不同的方向上将至少一个激光束导引到所述工作区域中的材料上，所述不同的方向不同于光学单元被布置以在其中移动的方向。所述不同的方向可以垂直于所述光学单元被布置以在其中移动的方向。所述光学单元可以被布置以沿着线性轴线在任一方向上移动。每个光学元件可以被布置以仅在垂直于线性轴线的方向上导引至少一个激光束。
[0009]所述增材制造设备可以包括用于控制所述光学单元和所述光学元件的移动的控制单元，使得在材料的固结期间所述激光束的移动通过所述光学单元和所述光学元件的同时移动来实现。
[0010]每个光学元件可以被布置而仅仅在一维方向上导引至少一个激光束。
[0011]每个光学元件可以被布置使得，与通过移动所述光学单元可以跨越工作表面移动至少一个激光束的光点相比，光学元件的移动可以更快地跨越所述工作表面移动所述光点。
[0012]多个光学元件可以被布置以引导激光束，使得对于所述光学单元的位置，可以通过用所述光学元件导引激光束来扫描工作区域的整个宽度。
[0013]每个光学元件可以被安装以绕旋转轴线旋转，所述旋转轴相对于彼此以及光学单元固定，其中对于所述光学单元的位置，可以通过借助所述光学元件的旋转导引激光束来扫描工作区域的整个宽度。
[0014]所述光学单元可以包括至少一个激光器，其用于产生激光束中的至少一束，所述激光器可随光学单元移动。
[0015]每个光学元件的扫描区域可以由其上可以通过光学元件的独立移动来引导激光束的区域界定，所述光学元件被布置在光学单元中，使得对于所述光学单元的位置，所述光学元件中的至少两个的所述扫描区域重叠。
[0016]所述设备可以包括控制单元，其用于选择使用所述光学元件中的哪一个来形成物体的区域，所述物体的区域位于其中所述扫描区域重叠的区内。
[0017]每个光学元件可以可移除地安装在所述光学单元上，使得所述光学元件可以与光学元件中的另一个分离，从所述光学单元移除。
[0018]每个光学元件可以使用运动学支撑(kinematic mount)可移除地安装在所述光学单元上。
[0019]可移动的所述光学单元可以与气流装置相连接，所述气流装置用于产生跨越所述工作区域的气流，所述光学单元和所述气流装置可作为单一单元移动。
[0020]所述光学单元可以被连接到用于跨越所述工作区域散布材料的撒布器(wiper)，所述光学单元和所述撒布器可作为单一单元移动。
[0021]所述光学单元可以包括所述光学元件的二维阵列。
[0022]根据本发明的第二方面，提供一种用于增材制造机器的光学单元，在所述增材制造机器中通过材料的分层固结来构建物体，设备包括包含工作区域的构建室，所述光学单元包括多个可独立地控制的光学元件，所述光学单元可安装在增材制造设备的所述构建室中以便可相对于所述工作区域在构建室内移动，每个光学元件被布置用于控制多个高能量束中的至少一束到所述工作区域中的材料上的传输。
[0023]根据本发明的第三方面，提供一种用于增材制造机器的光学单元，在所述增材制造机器中通过材料的分层固结来构建物体，设备包括包含工作区域的构建室，所述光学单元包括安装在所述光学单元内以便绕仅一个轴线旋转的光学元件，所述光学单元可安装在增材制造设备的所述构建室中以便可在线性方向上相对于所述工作区域在所述构建室内移动，所述光学元件被布置用于将高能量束导引到所述工作区域中的材料上。
[0024]应理解，本文中所使用的术语“扫描”不限于在表面上连续移动(run)高能量束的光点，还包含一系列分开的离散曝光(或跳跃(hops))。例如，光学器件可以引导高能量束以向所述束曝光第一位置，所述束随后被断开，且当高能量束被接通回时，光学器件被重定向以将能量束引导到与第一位置间隔开的第二位置。高能量束是具有足够能量以固结材料的束。
[0025]优选地，所述设备是选择性激光固化(例如熔化(SLM)或烧结(SLS))设备，其中跨越构建室中的工作区域连续地沉积粉末层，且跨越每个粉末层的与正被构造的物体的截面相对应的部分扫描激光束以固结粉末的部分。
【附图说明】
[0026]图1到图3示出根据本发明的实施例的增材制造设备，其包括用于将多个激光束引导到粉末床上的光学单元；
[0027]图4是根据本发明的方法使用多个激光束正形成的物体的平面视图；
[0028]图5是根据本发明的另一方法使用多个激光束正形成的物体的平面视图；
[0029]图6示意性地示出可以通过图1到图3中示出的设备的一个实施例的激光束扫描的区域；
[0030]图7a到7c示出根据本发明的一个实施例的组合的光学扫描单元和气流装置；
[0031]图8是图7a到图7c中示出的单元的平面视图；
[0032]图9是扫描单元的示意图，其包括用于跨越增材制造设备的工作区域扫描激光束的水平地偏移的光学组合件的阵列；
[0033]图10是扫描单元的示意图，其包括用于跨越增材制造设备的工作区域扫描激光束的竖直地偏移的光学组合件的阵列；
[0034]图11是根据本发明的另一实施例的光学单元的示意图；
[0035]图12示出根据本发明的一个实施例的镜子;以及
[0036]图13示出根据本发明的另一实施例的增材制造设备。
【具体实施方式】
[0037]参考图1到图3，根据本发明的实施例的激光固化设备包括构建室101，其中具有界定构建体积116的分区114、115以及粉末可以沉积到其上的表面。构建平台102界定工作区域，其中通过选择性激光熔化粉末104来构建物体103。当形成物体103的连续层时，平台102可以使用机构117在构建体积116内降低。可用的构建体积116由构建平台102可以降低的范围界定。
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