构建材料的激光熔化制造技术

根据范例，一种装置可以包括加热灯，用于照明并加热构建材料的层的区域，其中，所述构建材料可以是金属和塑料粉末之一。所述装置还可以包括：激光源，用于生成激光束；以及控制器，用于控制所述加热灯将构建材料的所述层的所述区域中的所述构建材料加热至所述构建材料开始熔化的温度以下大约100℃至大约400℃之间的温度，并用于控制所述激光源输出激光束来熔化构建材料的所述层的所加热的区域的部分中的所述构建材料。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】构建材料的激光熔化
技术介绍
在使用选择性激光熔化(“SLM”)工艺的三维(“3D”)打印中，高功率激光束用于通过将细的粉末颗粒彼此熔化到一起并熔化为粉末颗粒的周围部分而创建三维部件或物体。即，通过施加的激光束的能量，每一个相继的小区域中的粉末的温度升高至粉末的熔化温度。SLM工艺是其中通过增加粉末的熔化和熔融层构建3D物体的增加制造工艺，其与依赖于去除材料以创建3D物体的其它物体生成工艺相反。附图说明在以下图中通过范例而非限制示例了本公开的特征，图中相似的数字指示相似的元件，其中：图1示出了用于通过SLM来生成、构建、或打印三维物体的范例装置的简化视图；图2示出了用于通过SLM来生成、构建、或打印三维物体的另一范例装置的简化视图；图3和图4分别示出了用于构建材料的选择性激光熔化的范例方法的流程图；以及图5示出了表示基于时间的指示的区域的温度的范例图表。具体实施方式为简化和示例目的，通过主要参照其范例描述了本公开。在以下描述中，阐述了许多具体细节以提供对本公开的彻底理解。然而，显然的是，可以不限于这些具体细节来实践本公开。在其它实例中，没有详细描述一些方法和结构，以不会不必要地使本公开难以理解。如于此使用的，术语“一”以及“一个”意图表示至少一个特定元件，术语“包括”意指包括但不限于，术语“包含”意指包含但不限于，并且术语“基于”意指至少部分基于。选择性激光熔化(SLM)是用于金属和一些高温塑料物体的3D打印的工艺。SLM典型地依赖于利用强激光束对保持在或接近室温的金属(或塑料)粉末床的小区域的辐照，使得形成局域熔化的斑，该熔化斑具有稍微超过激光束横截面的面积和典型地在20微米与100微米之间的深度。随着激光束被操纵至每一个新位置，激光束留下先前熔化的材料的新固化的斑。与随后的粉末层的沉积组合的激光束的光栅化运动可以有助于扩展的3D固体物体的形成。光栅化激光束的典型速度可以是数米/秒的量级。在SLM工艺中，激光束几乎瞬时将小的辐照区从环境室温加热至粉末的熔点以上。高斯状的激光束能量分布，与至周围环境和邻近粉末颗粒的巨大热损失组合，引起加热不均匀。此加热问题还可以由待熔化的粉末的粒状性质放大，导致粉末中的激光辐照区内的局部热和冷的斑，随着激光板移开以及辐照区开始固化，这可以导致热应力出现。SLM工艺的大的温度梯度和相关联的热应力通常要求支持结构的广阔网络附接至打印部件以去除热并防止应力引起的翘曲。支持结构的放置是零件艺术和零件科学(partartandpartscience)。决定合适的结构支持配置、密度、和放置对操作者呈现挑战性。不充分的支持可以在打印期间导致部件故障。此外，必须在打印之后从该部件和基底盘去除支持结构，这是对于SLM工艺的显著后处理成本的主要贡献。随着激光束从熔化区过渡至待熔化区域中，保持连续和平滑打印过程所需的激光能量的量迅速增大。通过投递比熔化固体粉末需要的辐照能量高得多的辐照能量能够适应这个，投递高得多的辐照能量反过来可以引起已经熔化的材料的显著过热，达熔点以上2000℃。增大激光辐照能量可以导致熔化粉末和来自粉末尺寸分配部的下端的空降粉末残余物和粉末颗粒的汽化的另外的有害效果。典型的目标粉末颗粒尺寸跨数微米与数十微米之间的范围。然而，由于颗粒加工和后加工处理的性质，诸如以滤网过滤，金属粉末颗粒可以具有尺寸上限，但可以不具有尺寸下限，并且它们中的一些落入最小目标尺寸以下的亚微米范围中。因为颗粒加热取决于它们的尺寸，所以小的颗粒，可以结束被加热至它们熔化并蒸发而形成能够干扰激光束辐照的“烟”的点。由高加热过程产生的烟还可以由迅速加热的小颗粒从粉末的表面以及从能够变为空降的其它粉末残余物的环境上升放大。另外，熔点以上1000℃-2000℃的温度处的金属蒸气压能够从源生成显著的蒸发速率。另外，熔化池以上的蒸汽烟流(vaporplume)内的冷凝仍是“烟”的另一源。于此公开的是用于实施SLM的装置和方法，该SLM可以不遭受以上提到的SLM工艺的许多缺点。而是，于此公开的装置和方法可以将构建材料的层的区域照明并加热至构建材料的熔化温度以下但是相当接近该熔化温度的温度。特别是，于此公开的装置可以包括加热灯，该加热灯将光施加到待以激光束辐照的构建材料的区域上。构建材料的区域相对大于构建材料的待以激光束辐照的部分，使得可以减小被辐照的构建材料与相邻构建材料之间的温度差，并且从而，可以减小这些构建材料之间的热应力。根据范例，于此公开的装置和方法可以以连续波或脉冲且相对短的持续时间施加光。特别是，可以施加光以在相对短的时间段内升高该区域中的构建材料的温度，在该时间段期间，可以以激光束辐照该区域的部分。在这方面，可以立刻关断光或在关断激光束之后某短的时间处关断光。通过在此时间段期间施加光，构建材料的温度可以受到更好的控制并且可以防止构建材料不期望地烧结或熔化。通过于此公开的装置和方法的实施，可以减少激光束将构建材料的温度升高至它们的熔点所必须的能量。此外，通过使熔化的和未熔化的构建材料的区域之间的热差相对小，可以减小热冲击、热断裂、以及变形的问题。此外，使将加热的周围构建材料的温度升高至熔点温度所必须的能量较少，与要求激光基本上在每一个新的SLM位置升高构建材料的温度相比，激光可以通过SLM工艺以较快的速度进行。首先参照图1，示出了用于通过SLM生成、构建、或打印三维物体的范例装置的简化视图。应当理解，图1中描绘的装置100可以包括附加元件，并且可以去除和/或修改于此描述的一些元件，而不脱离于此公开的装置100的范围。装置100可以包括控制器102、加热灯104、激光源106、以及计算机可读介质110。控制器102可以是计算设备、基于半导体的微处理器、中央处理单元(CPU)、专用集成电路(ASIC)、和/或其它硬件设备。计算机可读介质110可以包括控制器102可以执行的指令122和124(其也可以称为机器可读指令)。更具体地，控制器102可以取来、解码、并执行控制加热灯104的指令122和控制激光源106的指令124。如于此讨论的，控制器102可以控制加热灯104将光130施加到构建材料的层132的区域134上。光130辐照其上的构建材料的层132的区域134示于图1中，并且可以显著小于构建材料的层132的区域。控制器102可以控制加热灯104将区域134加热至层132中的构建材料开始熔化的温度以下大约100℃至大约400℃之间的温度。根据范例，构建材料是金属粉末和塑料粉末之一，并且示例的区域134中的构建材料被加热至的温度可以取决于金属粉末或塑料粉末的类型。构建材料的温度可以上升至构建材料开始熔化的温度以下大约100℃至大约400℃之间，因为此温度差可以消除或减少与SLM工艺相关联的大部分热梯度温度。控制器102可以控制激光源106将激光束140输出到构建材料的层132的区域134的部分142上。激光束140辐照到的构建材料的层132的部分142可以达到熔化温度并且在从部分142去除激光束140时可以熔融到一起。如所示，区域134可以大于部分142，例如，区域134可以大小大于部分142，以消除部分142中的构建材料与区域134之外的构建材料之间的潜在温度梯度问题。另外，控制器102可以本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种装置，包括：加热灯，用于照明并加热构建材料的层的区域，其中，所述构建材料是金属和塑料粉末之一；激光源，用于生成激光束；以及控制器，用于控制所述加热灯将构建材料的所述层的所述区域中的所述构建材料加热至所述构建材料开始熔化的温度以下大约100℃至大约400℃之间的温度，并用于控制所述激光源输出激光束来熔化构建材料的所述层的所加热的区域的部分中的所述构建材料。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种装置，包括：加热灯，用于照明并加热构建材料的层的区域，其中，所述构建材料是金属和塑料粉末之一；激光源，用于生成激光束；以及控制器，用于控制所述加热灯将构建材料的所述层的所述区域中的所述构建材料加热至所述构建材料开始熔化的温度以下大约100℃至大约400℃之间的温度，并用于控制所述激光源输出激光束来熔化构建材料的所述层的所加热的区域的部分中的所述构建材料。2.如权利要求1所述的装置，其中，所述加热灯是氙灯，并且其中，所述控制器用于启用所述氙灯来以脉冲输出光。3.如权利要求1所述的装置，其中，所述加热灯是氙灯，并且其中，所述控制器用于启用所述氙灯来以连续波输出光。4.如权利要求1所述的装置，其中，所述加热灯是卤素灯，并且其中，所述控制器用于启用所述加热灯来以连续波输出光。5.如权利要求1所述的装置，其中，所述控制器用于在紧接所述激光源的启用之前启用所述加热灯来加热构建材料的所述层的所述区域，并用于在紧接所述激光源的禁用之后禁用所述加热灯。6.如权利要求1所述的装置，还包括：温度传感器，用于检测所述构建材料的温度；并且其中，所述控制器用于基于所检测的温度来调整所述加热灯的照明水平和从所述激光源输出的所述激光束的能量水平至少之一。7.如权利要求1所述的装置，其中，所述控制器用于控制所述加热灯仅加热构建材料的所述层的所述区域。8.一种方法，包括：施加构建材料的层；启用加热灯以将构建材料的所述层的区域加热至所述构建材料的熔化温度以下大约100℃至大约400℃之间的温度；以及启用激光源以施加激光束来熔化构建材料的所述层的所加热的区域的部分...

【专利技术属性】
技术研发人员：K·瑙卡，T·安东尼，
申请(专利权)人：惠普发展公司有限责任合伙企业，
类型：发明
国别省市：美国,US