预热用于增材制造的构建板制造技术

总结地说，本发明专利技术涉及一种利用至少一个发射功率(P)的能量束(50)来预热用于增材制造的构建板(10)的方法，其中，该方法包括控制功率(P)在构建板(10)的尺寸(X，Y)上的功率分布(P

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】预热用于增材制造的构建板


[0001]本专利技术涉及一种用于预热用于增材制造、尤其粉末床增材制造的构建板的方法。本专利技术还涉及一种利用经预热的构建板制造产品的方法和一种设备。

技术介绍

[0002]根据本专利技术的方法可以应用于能量束增材制造、例如选择性激光烧结工艺(selectivelasersintering，SLS)/选择性激光熔化工艺(selectivelasermelting，SLM)、电子束熔化工艺(electronbeammelting，EBM)和类似的增材制造技术。
[0003]对于使用基于粉末床的增材制造技术加工脆性合金，可能有必要将构建板(也称为基板)预热至所加工的合金的熔点大小的温度。这可以通过在沉积第一层粉末之前用散焦射束重复扫描基板的顶表面来实现。预热过程的目标温度可以预先指定，但达到和保持目标温度所需的射束功率却很难预先确定。该射束功率不仅取决于基板材料和射束效率，而且对基板的表面发射率和对易受氧化和金属蒸发的环境(构建室)非常敏感。此外，基板还会将热传导到周围的粉末床中。尽管金属粉末表现出小的热导率，但由于温度水平升高，在基板的边界和边缘可以观察到明显的温度下降。这种不均匀性是不可取的，因为在基板的边缘区域中构建的部件与在板中心构建的部件相比具有了不同的预热温度。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题是改进能量束增材制造中的构建板的预热。
[0005]为了解决该技术问题，提出一种用于预热用于增材制造的构建板的方法。预热通过至少一束发射功率的能量束来进行。该方法包括控制能量束的功率在构建板的尺寸上的功率分布，包括：
[0006]‑
确定指示基板的中心区域中的温度的中心温度，
[0007]‑
确定指示基板的边缘区域中的温度的边缘温度，
[0008]‑
基于基板的目标温度确定射束的功率，以及
[0009]‑
基于基板中的温度分布确定对尺寸的功率的分配，
[0010]其中，基于作为关于温度分布的设定值的目标温度差来控制功率分布，并且
[0011]其中，第一控制器被配置为控制功率并且第二控制器被配置为控制功率分布。
[0012]目标温度是构建板在预热过程后所具有的温度的设定值。对构建板尺寸的功率分配会导致构建板中的温度分布。温度分布是温度在构建板上分布的均匀程度的量度。对象的增材制造通常在粉末床中逐层地进行，其中，通过选择性地熔化和/或烧结粉末床将对象构建在经预热的构建板上。本专利技术可以在不需要用户交互的情况下自动且快速地预热基板。此外，本专利技术还可以实现均匀的预热温度，从而更好地控制在板的边界区域中构建部件的微观结构。视材料而定地，可以首先在基板的边界区域中构建部件，从而提高高温增材制造工艺的整体生产率。
[0013]可以通过每个区域的一个或多个热电偶来测量中心温度和边缘温度。当多个边缘
被类似地加热时，可以针对一个边缘确定边缘温度。还可以确定多个温度，以便更准确地测量温度分布。
[0014]温度分布是中心温度和边缘温度之间的差值。该差值提供了构建板内剩余温度差的度量，并且可以有效地进行计算和处理。已证明有利的是，使用边缘温度和中心温度之间的温度差，因为该温度差是足够精确的控制变量，以便在构建板内实现可接受的均匀的温度分布。
[0015]在该方法的另一种实施方式中，射束功率被限制为，使得基板的熔化温度在局部不被超过。这可以通过应用与构建板和/或材料和/或温度相关的每区域的最大功率值来实现。在该方法的另一种实施方式中，射束功率被限制为，使得基板的熔化温度在局部不被超过，方式为，应用限制函数来控制功率分布和/或射束功率。作为避免损坏基板的第一措施，基板的熔化温度作为控制器输入的温度设定值不能被超过。然而，根据控制器的动态特性，由于在定义的时间跨度内在一个位置施加了过多的功率，可能会局部地超过熔化温度。由于对基板的负面影响，这应该被避免。为了防止局部地超过构建板的熔化温度，可以实施限制函数。已经表明，除了设定值的限制之外，最好还可以实施限制函数。可以直接利用功率分布的控制函数来实施限制函数。
[0016]为了避免局部融化，可以通过f
LIM
＝min(P，P
limit
)形式的限制函数来限制射束功率，其中，P
limit
是在不局部熔化基板表面的情况下允许的最大射束功率，并且可以是基板温度、射束直径和扫描速度的函数。
[0017]根据本专利技术，第一控制器被配置为控制功率并且第二控制器被配置为控制功率分布。这种功率控制和分布控制的分离允许基于对功率和功率分布的个性化需求进行严格的控制设计。第一控制器可以是用于实现温度的自动升高的第一控制回路的一部分，并且相应地，第二控制器可以是用于实现均匀的温度分布的第二控制回路。在该方法的另一种实施方式中，第一控制器与第二控制器分离。这可以在软件中实现，也可以通过对实际的控制硬件产品的设置来实现。
[0018]根据本专利技术，控制功率分布是基于作为温度分布的设定值的目标温度差。可以为该差提供设定值，在理想情况下，构建板具有均匀的温度分布，中心的温度与边缘的温度相同。作为设定点，目标温度差可以选择为具有负值(中心的温度大于边缘的温度)、零值(中心和边缘的温度相等)和正值(边缘的温度大于中心的温度)。视射束源而定地，有构建板上的功率分布的不同选项可用。如果例如在基于激光的粉末床增材制造中，射束功率动力学与偏转动力学相当，则射束功率可以根据其在板上的位置进行调整。
[0019]相反地，如果功率动力学远低于偏转动力学，则达到非均匀热沉积的另一种方法是调整热策略。通过局部地增加扫描间距(hatch
‑
distance)或降低扫描速度，可以实现特定于区域的热输入的增加，同时保持射束功率恒定。因此，关于功率的内部控制器的输出可以是用于分布射束功率的预定义的加热策略的比例因子(例如范围：0至1)。对于比例因子为零，射束功率将均匀地分布。比例因子为一将导致如下加热策略：在板中心的热输入为零，而向边界的热输入增加。确切的热分布函数可能取决于基板的几何形状和材料特性，并且可以使用模拟或经验值预先确定。
[0020]在本专利技术的另一种实施方式中，基于基板的目标温度和中心温度之间的差值确定用于射束的功率。替换地，可以使用中心温度和边缘温度的平均温度。在闭环系统中，基板
的目标温度与中心温度之间的差值用作用于闭环控制器的输入的控制差值。这在附图中作为示例示出。
[0021]所述技术问题还通过一种用于在粉末床中逐层地制造对象的方法来解决，其中，该对象构建在通过根据前述实施方式之一的方法预热的构建板上。
[0022]在另一种实施方式中，该方法包括基于待处理的材料确定基板的目标温度。确定的步骤可以包括根据要通过因子分解方法(factoringmethod)处理的材料来查找构建板的理想温度。尤其对于高脆性材料，仔细选择用于所使用的材料的基板温度是有利的。可以提供针对本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于预热用于增材制造的构建板(10)的方法，所述预热利用发射功率(P)的至少一个能量束(50)进行，其中，所述方法包括控制所述功率(P)在所述构建板(10)的尺寸(X，Y)上的功率分布(P
XY
)，包括：
‑
确定指示在基板(10)的中心区域中的温度的中心温度(T
C
)，
‑
确定指示在所述基板(10)的边缘区域中的温度的边缘温度(T
E
)，
‑
基于所述基板(10)的目标温度(T
SET
)确定所述射束(50)的功率(P)，
‑
基于所述中心温度(T
C
)和所述边缘温度(T
E
)之间的差值确定温度分布(ΔT)，并且
‑
基于所述基板(10)中的温度分布(ΔT)确定对所述尺寸(X，Y)的功率(P)的分配，其中，基于作为关于所述温度分布(ΔT)的设定值的目标温度差(ΔT
SET
)来控制所述功率分布(P
XY
)，并且其中，第一控制器(C1)被配置为控制所述功率(P)并且第二控制器(C2)被配置为控制所述功率分布(P
XY
)。2.根据权利要求1所述的方法，包括限制射束功率(P)的步骤，使得所述基板(10)的熔化温度在局部不被超过。3.根据上述权利要求中任一项所述的方...

【专利技术属性】
技术研发人员：J德伦德尔，F海因里希斯多夫，R罗格维诺夫，
申请(专利权)人：西门子股份公司，
类型：发明
国别省市：