增材制造系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及增材制造系统和方法。公开了包括用于使粉末床成像的二维能量图案化系统的增材制造系统。描述了支持射束组合、射束调向以及图案化和未图案化射束回收和再利用的改进的光学系统。进的光学系统。进的光学系统。

【技术实现步骤摘要】
增材制造系统和方法
[0001]本申请是申请日为2016年10月27日，申请号为201680067983.8，专利技术名称为“增材制造系统和方法”的申请的分案申请。
[0002]相关专利申请的交叉引用
[0003]本公开是要求下列申请的优先权权益的非临时专利申请的一部分：
[0004]2015年10月30日提交的美国专利申请号62/248,758，
[0005]2015年10月30日提交的美国专利申请号62/248,765，
[0006]2015年10月30日提交的美国专利申请号62/248,770，
[0007]2015年10月30日提交的美国专利申请号62/248,776，
[0008]2015年10月30日提交的美国专利申请号62/248,783，
[0009]2015年10月30日提交的美国专利申请号62/248,791，
[0010]2015年10月30日提交的美国专利申请号62/248,799，
[0011]2015年10月30日提交的美国专利申请号62/248,966，
[0012]2015年10月30日提交的美国专利申请号62/248,968，
[0013]2015年10月30日提交的美国专利申请号62/248,969，
[0014]2015年10月30日提交的美国专利申请号62/248,980，
[0015]2015年10月30日提交的美国专利申请号62/248,989，
[0016]2015年10月30日提交的美国专利申请号62/248,780，
[0017]2015年10月30日提交的美国专利申请号62/248,787，
[0018]2015年10月30日提交的美国专利申请号62/248,795，
[0019]2015年10月30日提交的美国专利申请号62/248,821，
[0020]2015年10月30日提交的美国专利申请号62/248,829，
[0021]2015年10月30日提交的美国专利申请号62/248,833，
[0022]2015年10月30日提交的美国专利申请号62/248,835，
[0023]2015年10月30日提交的美国专利申请号62/248,839，
[0024]2015年10月30日提交的美国专利申请号62/248,841，
[0025]2015年10月30日提交的美国专利申请号62/248,847，以及
[0026]2015年10月30日提交的美国专利申请号62/248,848，上述美国专利申请通过引用以其整体并入。


[0027]本公开总体上涉及用于增材制造的系统和方法。在一个实施例中描述了具有二维能量图案化和能量束再利用的粉末床熔融制造。
[0028]背景
[0029]传统的部件加工通常依靠通过钻孔、切割或磨削移除材料来形成零件。相反，增材制造(也被称为3D打印)通常涉及通过材料的顺序的逐层添加来构建零件。从3D计算机模型开始，可以使用增材制造系统来从各种各样的材料中创建复杂的零件。
[0030]一种被称为粉末床熔融(PBF)的增材制造技术使用一种或更多种聚焦能量源(例如激光或电子束)，来通过熔化粉末并将其粘合到下面的层来在薄层粉末中绘制图案。粉末可以是塑料、金属或陶瓷。这种技术是高度精确的，通常可以实现小至150
‑
300微米的特征尺寸。然而，粉末床熔融增材制造机器制造商努力创造能够产生超过1kg/hr的打印材料的机器。由于这种粉末到固体的转换速度很慢，机器尺寸由于打印较大的零件需要时间长度而相对较小。今天最大的机器的可打印零件体积通常小于64L(40cm)3。虽然这些打印机能够打印几乎任意几何形状的零件，但由于机器成本高和粉末转换率低，机器的摊销成本以非常高而告终，导致昂贵的零件。
[0031]不幸的是，通过简单地放大机器来增加零件尺寸或降低制造成本并不是一个可接受的解决方案。作为最低限度，为了熔化给定体积的材料，激光必须提供足够的能量以使其达到熔化温度，并且提供熔化所需的相变能量。如果在这个过程中没有热能耗散，那么随着时间的推移沉积的激光能量(激光功率)与材料生产率之间存在线性缩放。如果粉末床熔融增材制造机器制造商想要提高材料生产率，他们就必须增加激光功率。不幸的是，激光器功率的增加与激光器的成本的增加成比例，并且规模的增大大大增加了当今已经昂贵的机器的成本。
[0032]即使激光成本不是一个因素，缩放激光的功率也会产生其他不利影响。每种粉末化材料都具有最佳的熔化属性，这取决于功率通量。如果功率太低，粉末不会熔化，如果太高，激光会钻入材料(穿孔(key
‑
holing))。增加已经在这些最佳点之一运行的机器的激光功率导致必然需要增加激光面积(光斑尺寸)以保持最佳的功率通量。简单地增加光斑尺寸会降低可打印的分辨率，同时将激光分成多个射束会增加系统的复杂性。
[0033]实际上，目前可用的粉末床增材制造机器可能受限于零件尺寸、零件制造成本、零件细节分辨率和零件制造产量。

技术实现思路

[0034]本申请提供了以下内容：
[0035]1)一种用于增材制造的射束组合系统，包括：
[0036]第一激光器，所述第一激光器以第一波长发射光束；
[0037]第二激光器，所述第二激光器以不同于所述第一波长的第二波长发射光束；
[0038]射束成形光学器件，其形成单射束，所述射束成形光学器件包括至少一个波长滤波器以在公共射束中使所述第一波长的光通过并且反射所述第二波长的光；和
[0039]光图案化单元，其用于接收所述公共射束并形成二维图案化射束。
[0040]2)根据1)所述的射束组合系统，其中，所述射束成形光学器件还包括透射光学器件。
[0041]3)根据1)所述的射束组合系统，其中，所述射束成形光学器件还包括反射光学器件和衍射光学器件中的至少一个。
[0042]4)根据1)所述的射束组合系统，其中，所述射束成形光学器件还包括三个以上的激光器，并且组合至少三个波长的光。
[0043]5)一种增材制造系统，包括：
[0044]高能量光子源，以产生射束；
[0045]反射图案化单元，其用于接收所述射束并反射二维图案化射束；和
[0046]图像中继器，其用于接收所述二维图案化射束并将其作为二维图像聚焦在粉末床上。
[0047]6)根据5)所述的增材制造系统，其中，所述反射图案化单元是光学寻址的。
[0048]7)根据5)所述的增材制造系统，其中，所述高能量光子源还包括多个半导体激光器。
[0049]8)根据5)所述的增材制造系统，其中，所述反射光图案化单元还包括高透射层、扭曲向列(TN)液晶层和光电导体层。
[0050]9)根据5)所述的增材制造系统，其中所述反射图案化单元被冷却。
[0051本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于增材制造的射束组合系统，包括：第一激光器，所述第一激光器被配置为以第一波长发射第一光束；第二激光器，所述第二激光器被配置为以不同于所述第一波长的第二波长发射第二光束；射束成形光学器件，所述射束成形光学器件被配置为接收所述第一光束和所述第二光束并形成单射束，所述射束成形光学器件包括至少一个波长滤波器以在公共射束中使所述第一波长的光通过并且反射所述第二波长的光；和光图案化单元，所述光图案化单元被配置为接收所述公共射束并形成二维图案化射束。2.根据权利要求1所述的射束组合系统，其中，所述射束成形光学器件还包括透射光学器件。3.根据权利要求1所述的射束组合系统，其中，所述射束成形光学器件还包括反射光学器件。4.根据权利要求1所述的射束组合系统，其中，所述射束成形光学器件还包括衍射光学器件。5.根据权利要求1所述的射束组合系统，其中，所述射束成形光学器件还包括具有至少三种波长的三个以上的激光器，所述至少三种波长彼此不同，并且其中所述射束成形光学器件被配置为组合所述至少三种波长的光。6.一种增材制造方法，包括：发射两个或更多个光束，所述两个或更多个光束中的每一个被偏振；将所述两个或更多个光束中的每一个分离成两个分离射束，每个分离射束分别对应于多数偏振态或少数偏振态；在空间上堆叠所述两个或更多个光束中的每一个的对应于所述多数偏振态的第一相应分离射束以提供对应于所述多数偏振态的第一光束；在空间上堆叠所述两个或更多个光束中的每一个的对应于所述少数偏振态的第二相应分离射束以提供对应于所述少数偏振态的第二光束；在所述第一光束上施加多数偏振图案以提供第一图案化光束；在所述第二光束上施加少数偏振图案以提供第二图案化光束；组合所述第一图案化光束和所述第二图案化光束以提供单光束；和将所述单光束导向粉末床。7.一种光学系统，包括：至少一个光源，所述光源被配置为发射两个或更多个光束，所述两个或更多个光束中的每一个被偏振；偏振器，所述偏振器被配置为执行包括以下操作的操作：将所述两个或更多个光束中的每一个分离成两个分离射束，每个分离射束分别对应于多数偏振态或少数偏振态；在空间上堆叠所述两个或更多个光束中的每一个的对应于所述多数偏振态的第一相应分离射束以提供对应于所述多数偏振态的第一光束；和在空间上堆叠所述两个或更多个光束中的每一个的对应于所述少数偏振态的第二相
应分离射束以提供对应于所述少数偏振态的第二光束；空间偏振阀，所述空间偏振阀被配置为执行包括以下操作的操作：在所述第一光束上施加多数偏振图案以提供第一图案化光束；和在所述第二光束上施加少数偏振图案以提供第二图案化光束；一组光学器件，所述一组光学器件被配置为执行包括以下操作的操作：组合所述第一图案化光束和所述第二图案化光束以提供单光束；和将所述单光束导向一个位置。8.根据权利要求7所述的光学系统，其中，所述一组光学器件包括波长选择反射镜、衍射元件、或射束均质器或其组合。9.根据权利要求7所述的光学系统，其中，所述一组光学器件包括反射光学元件，所述反射光学元件对波长依赖折射效应不敏感并且被配置为引导单光束。10...

【专利技术属性】
技术研发人员：詹姆斯，
申请(专利权)人：速尔特技术有限公司，
类型：发明
国别省市：