选择性激光固化设备制造技术

本发明专利技术描述选择性激光固化设备(2)，其包括粉末床(6；200；300)，粉末层(400；500)可以沉积在所述粉末床上；以及气流单元(30)，用于使气流沿着预定义的气流方向(G)在所述粉末床上穿过。提供激光扫描单元(20)，用于在所述粉末层(400；500)上扫描激光束(22)以选择性地固化所述粉末层(400；500)的至少部分以形成所需图案(402；502)。所述所需图案(402；502)由多个条纹或条纹区段(S1‑S12)形成，所述条纹或条纹区段通过在条纹形成方向(L)上沿着所述条纹或条纹区段(S1‑S12)推进所述激光束(22)而形成。所述条纹形成方向(L)经布置使得其始终至少部分地与所述预定义的气流方向(G)相反。本发明专利技术还描述一种相应方法。

Selective laser curing equipment

The present invention describes a selective laser curing device (2), which includes a powder bed (6; 200; 300), the powder layer (400; 500) can be deposited on the powder bed, and the air flow unit (30), which is used to make the air flow through the predefined air direction (G) on the powder bed. A laser scanning unit (20) is provided for scanning the laser beam (22) on the powder layer (400; 500) to selectively solidify at least part of the powder layer (400; 500) to form the desired pattern (402; 502). The required pattern (402; 502) is formed by a plurality of stripes or stripe segments (S1 S12), which are formed by advancing the laser beams (22) along the stripes or stripe regions (S1 S12) on the stripe forming direction (L). The stripe forming direction (L) is arranged so that it is always at least partially in opposition to the predefined airflow direction (G). The invention also describes a corresponding method.

【技术实现步骤摘要】
选择性激光固化设备本申请是分案申请，其原案申请是申请号为PCT/GB2014/050417、申请日为2014年2月13日的PCT申请并且于2015年10月10日进入中国国家阶段，申请号为201480020782.3，名称为“选择性激光固化设备和方法”。
本专利技术涉及选择性激光固化且具体而言涉及一种改进的选择性激光熔化过程和设备，其中相对于气流方向控制跨越粉末床的激光移动的方向。
技术介绍
用于生产组件的增量制造或快速原型方法包括使用激光束进行的材料(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激光束扫描过对应于所构造组件的截面的粉末层的部分。激光束熔化或烧结粉末以形成固化层。如下文参考图2更详细地说明，通常使用系列条纹在粉末层中熔化或烧结所需图案。具体而言，已知沿着多个条纹依次来回推进所谓的影线(hatchline)以在粉末层中构造所需图案。在层的选择性固化之后，粉末床减少新固化层的厚度并且另一粉末层在表面上扩散且视需要固化。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)。已知通过构建室引入气流以尝试从室中清除气流中的残渣。例如，由德国慕尼黑EOS股份有限公司生产的机器的M270模型将气流从构建室的顶部朝向粉末床传送且各种排气孔收集气体用于再循环。M270机器中的气流因此为紊流的且不具有轮廓分明的流向。由EOS生产的机器的较新M280模型包括位于粉末床后部的系列气体出口喷嘴，所述气体出口喷嘴将气流传送到位于粉末床前部的系列排气孔。以此方式，在粉末床的表面处形成气流的平面层。然而，本专利技术人已发现此平面气流布置以产生由熔化过程产生的固化金属层的高表面粗糙度和非均匀性。
技术实现思路
根据本专利技术的第一方面，提供选择性激光固化设备，其包括：粉末床，粉末层可以沉积在所述粉末床上；气流单元，用于使气流沿着预定义的气流方向在粉末床上方穿过；以及激光扫描单元，用于在粉末层上扫描激光束以选择性地固化粉末层的至少部分以形成所需图案，所述所需图案由多个条纹或条纹区段形成，每一条纹或条纹区段通过在条纹形成方向上沿着所述条纹或条纹区段推进激光束形成，其特征在于，所述条纹形成方向始终至少部分地与该预定义的气流方向相反。本专利技术因此涉及选择性激光固化设备，例如，选择性激光烧结(sintering)或选择性激光熔化设备，其中粉末层沉积在粉末床上。激光扫描单元将激光束引导到粉末层的表面上以固化(例如，熔化或烧结)粉末层的经选定部分以形成所需图案(例如，对应于所构造的3D对象的截面的图案)。此选择性固化通过将待由激光束扫描的区域分成多个条纹或条纹区段来执行。每一条纹或条纹区段通过在条纹形成方向上沿着条纹或条纹区段推进激光束而形成。如下文所说明，在优选实施例中，激光扫描单元跨越每一条纹或条纹区段快速移动(例如，扫描或步进)激光点以形成在条纹形成方向上沿着条纹或条纹区段推进的影线(hatchline)。在扫描条纹时气流单元在粉末床上方提供气流(例如，平面气流)。本专利技术人已发现在使用可商购的选择性激光熔化机器(例如，EOSM280)时出现的多个问题。具体而言，已发现在激光固化(例如，熔化)过程期间所喷出的残渣(例如，冷凝物、粉末颗粒等)可以沉积在仍有待固化的粉末层的区域上。这已发现会产生额外的表面粗糙度以及另外形成缺陷(例如，孔、夹杂物等)的不均匀厚度的层的形成。尽管先前已提出改变气体在粉末床上流动的方式，但是本专利技术人已发现，相对于气流方向的条纹形成方向对所形成的层的质量具有显著效果。具体而言，本专利技术人已发现，如果预定义的气流方向始终至少部分地与条纹形成方向相反，那么出现改进的粉末层形成。换句话说，所述设备可以通过确保始终存在如此的描述气流方向的向量的分量而被改进，即，与定义条纹形成方向的向量相反的向量的分量。重要的是，应注意，本领域的技术人员先前未认识到相对于气流方向控制条纹形成方向的益处。如下文所解释，现有技术通常使用其中相反的条纹形成方向用于相邻条纹的条纹图案；这是为了最小化在粉末层上扫描激光束所花费的时间。对于其中没有控制气流的机器，气流方向相对于条纹形成方向的变化是随机的并且仅仅引起整个粉末层的材料均匀性的普遍降低。对于其中沿着某一预定义方向(例如，按照在EOSM280机器中提供的平面流)提供气流的机器，条纹形成方向的交替方向导致经固化材料的相邻条纹具有不同物理特性(例如，不同的密度和表面粗糙度)。这些变化是可见的并且在由多个这样的层构造的三维对象内产生缺点。通过确保预定义的气流方向始终至少部分地与条纹形成方向相反，本专利技术使得通过激光固化制造的组件的质量和均匀性得到改进。确保在存在“顺风”时不发生条纹或条纹区段形成意味着较少的经喷出残渣(冷凝物、粉末颗粒等)沉积在熔化或仍有待熔化的粉末上。残渣因此被携载离开熔体前沿(即，目前在熔化状态下的条纹的部分)并且避免否则在熔体前沿处所看到的残渣累积。防止或减少熔体前沿处的残渣累积以及在尚未固化的粉末层区域的顶部上的残渣沉积不仅改进层厚度和处理均匀性，而且还可以改进固化过程的总体效率。具体而言，防止残渣的此积聚确保在激光束到达待固化的粉末层之前不存在通过残渣的激光束的大量衰减(由此确保有效固化)并且还防止先前已沉积的残渣重新熔化并再次从表面喷出。本专利技术的特征在于，条纹形成方向始终至少部分地与预定义的气流方向相反。换句话说，始终存在处于与气流方向向量相反的方向上的条纹形成方向向量的分量。条纹形成方向可以与气流方向完全相反(反平行的)或在条纹形成方向与气流方向之间可以存在(例如，小于80°，更优选地小于70°或更优选地小于60°的)倾斜角。应注意，此倾斜角的符号仍须进行选择以确保条纹形成方向始终至少部分地与预定义的气流方向相反。提供与气流方向完全相反(反平行的)的条纹形成方向可提供最佳性能，但是当由多个层构造对象时保持单个条纹形成方向可能不是一直需要的，如下文更详细地描述。便利地，条纹形成方向以至少10°的角对向气流方向的法线。更优选地，所述角为至少15°、20°、25°、30°、35°、40°或45°。在优选实施例中，条纹形成方向以超过30°的角对向气流方向的法线。这确保用于形成条纹的任何影线没有变为平行于或基本上平行于气流的方向。除相对于预定义的气流方向控制条纹形成方向之外，已发现，形成多个条纹或条纹区段的顺序可以影响固化层的均匀性和粗糙度(例如，密度)。如果在粉末床上方的气流源自粉末床的第一侧(例如，如果气体出口设置在粉末床的第一侧处)，那么优选的是多个条纹或条纹区段按照其与粉末床的第一侧的接近度的相反顺序而形成。按此顺序形成条纹或条纹区段确保在熔体前沿处产生的残渣(例如，冷凝物或喷出颗粒)由气流携载到已固化的粉末层的区域，而不是沉积在仍有待固化的材料上。这样确保仅新鲜粉末层(即，其上沉积最少残渣的粉末层)进行后续固化。这同样有助于改进层厚度均匀性并且减少表面粗糙度，从而减少缺陷。气流单元使气体沿着预定义的气流方向在粉末床上穿过。气流可以沿着线性气流方向或者气流可以沿着非线性(例如，弯曲的)气流方向。气流方向可以根据粉末床上的位置的函数变化。优选地，气流方向在粉末床上方是均一的(例如，可以产生平面气体层)。气流单元可以包括至少一个气体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种选择性激光固化设备，其包括；粉末床，粉末层可以沉积在所述粉末床上，气流单元，用于使气流沿着预定义的气流方向在所述粉末床上穿过，以及激光扫描单元，用于在所述粉末层上扫描激光束以选择性地固化所述粉末层的至少部分以形成所需图案，所述所需图案由多个条纹或条纹区段形成，每一条纹或条纹区段通过在条纹形成方向上沿着所述条纹或条纹区段推进所述激光束而形成，其特征在于，所述条纹形成方向始终至少部分地与所述预定义的气流方向相反。

【技术特征摘要】
2013.02.14 GB 1302602.6;2013.03.05 GB 1303920.1;201.一种选择性激光固化设备，其包括；粉末床，粉末层可以沉积在所述粉末床上，气流单元，用于使气流沿着预定义的气流方向在所述粉末床上穿过，以及激光扫描单元，用于在所述粉末层上扫描激光束以选择性地固化所述粉末层的至少部分以形成所需图案，所述所需图案由多个条纹或条纹区段形成，每一条纹或条纹区段通过在条纹形成方向上沿着所述条纹或条纹区段推进所述激光束而形成，其特征在于，所述条纹形成方向始终至少部分地与所述预定义的气流方向相反。2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述条纹形成方向以超过30°的角对向所述气流方向的法线。3.根据前述任一权利要求所述的设备，其中，在所述粉末床上方的所述气流源自所述粉末床的第一侧，并且所述多个条纹按照其与所述粉末床的所述第一侧的接近度的相反顺序形成。4.根据前述任一权利要求所述的设备，其中，所述气...

【专利技术属性】
技术研发人员：马克·弗兰克·迪姆特，拉尔夫·马库斯·迈尔，托马斯·赫斯，
申请(专利权)人：瑞尼斯豪公司，
类型：发明
国别省市：英国,GB