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CN106457393A - 选择性固化设备和方法 - Google Patents

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CN106457393A
CN106457393A CN201580026642.1A CN201580026642A CN106457393A CN 106457393 A CN106457393 A CN 106457393A CN 201580026642 A CN201580026642 A CN 201580026642A CN 106457393 A CN106457393 A CN 106457393A
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Renishaw PLC
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Abstract

本发明涉及一种选择性固化设备，其包括：构建室(117)；可在构建室(117)中降低的构建平台(102)；用于跨越构建平台(102)散布粉末材料以形成粉末床(104)的连续粉末层的刮拭器(109)；用于产生能量束(118)以供固结粉末材料的能量束单元(105)；用于引导能量束(118)并将其聚焦到每一粉末层上的扫描器(106)；以及用于控制扫描器(106)的处理器(131)。处理器(106)经布置以控制扫描器(106)在刮拭器(109)跨越粉末床(104)移动时，跨越粉末床(104)扫描能量束以固结刮拭器(109)的任一侧的粉末材料，且在刮拭器(109)跨越粉末床(104)的两次或多于两次动作期间，跨越粉末层中的至少一者扫描能量束(118)。

Description

选择性固化设备和方法
技术领域
本发明涉及以逐层方式固化粉末层以形成物体的选择性固化设备和方法。本发明尤其(但并非排他地)可应用于选择性激光固化设备，例如选择性激光熔融(SLM)和选择性激光烧结(SLS)设备。
背景技术
选择性激光熔融(SLM)和选择性激光烧结(SLS)设备使用高能量束(例如，激光束)经由材料(例如，金属粉末材料)的逐层固化来产生物体。通过沉积邻近于粉末床的粉末堆和用刮拭器跨越粉末床(从粉末床的一侧到另一侧)散布粉末堆以形成层而在构建室中跨越粉末床形成粉末层。随后跨越粉末层对应于所建构物体的横截面的部分扫描激光束。激光束熔融或烧结粉末以形成固化层。在选择性固化层之后，粉末床减少了新近固化的层的厚度，且将另一粉末层散布在表面上且视需要固化。此类装置的实例揭示于US6042774中。
此类设备的问题在于，构建物体可能花费较长时间，通常为数天，且对于极大物体超过一周。
刮拭器还用于立体光刻中，以加速形成光可固化液体树脂的平面表面，该表面适合于用激光束后续固化。可以以如下方式同时实现刮拭器的位移和激光束的控制：光束跟随刮拭器且打到紧跟在刮拭器之后的区内的树脂层。此类布置的实例揭示于US5582876、US5780070和US5204823中。
3D系统的SmartSweepTM方法提供进一步改善，其中涂覆机刮片(recoater blade)不行进经过树脂桶的整个长度，而是仅扫过正在构建零件的桶的部分。
US8172563揭示一种用于制造三维物体的装置，其中材料应用装置跨越圆形构建平台的最大径向延伸部在径向方向上延伸，且构建平台被旋转(以连续或逐步方式)且被降低以使刮拭器绕构建平台移动以形成材料层。在一个实施例中，提供四个材料应用装置，且在位于所述材料应用装置之间的四个固化区中固化材料。
DE102007040755揭示一种用于产生三维物体的激光烧结装置，其包括用于涂覆层或粉末的十个涂布装置。每一涂布装置可与激光相关联。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种选择性固化设备，其包括：构建室；可在所述构建室中降低的构建平台；用于跨越所述构建平台散布粉末材料以形成粉末床的连续粉末层的刮拭器；用于产生能量束以固结所述粉末材料的能量束单元；用于引导所述能量束并将其聚焦到每一粉末层上的扫描器；以及用于控制所述扫描器的处理器，其中所述处理器经布置以控制所述扫描器在所述刮拭器跨越所述粉末床移动时，跨越所述粉末床扫描所述能量束以固结所述刮拭器的任一侧的粉末材料。
处理器可经布置以控制扫描器在刮拭器跨越粉末床的两次或多于两次动作期间跨越粉末层中的至少一者扫描能量束。两次或多于两次动作可包括刮拭器形成粉末层的动作和一个或多个后续动作。一个或多个后续动作可包括其中刮拭器形成后续粉末层的动作。另外或替代地，一个或多个后续动作可包括其中刮拭器不形成粉末层的返回动作。当在用刮拭器形成粉末层期间刮拭器正移动远离粉末层上的第一区时，第一区可由能量束固结，且当在后续动作期间刮拭器正朝向粉末层上的第二区移动时，第二区可由能量束固结。
以此方式，可更快速地形成物体，因为粉末在刮拭器正跨越粉末床移动的时间期间固结。因此，与在刮拭器已完成形成层之后用能量束固结粉末相比，有可能减少构建时间。此外，粉末床的所固结区域不受刮拭器的位置限制，因为位于刮拭器的任一侧的粉末可在刮拭器动作期间固结。具体来说，与在刮拭器的初始动作期间并在另一动作之前完成粉末层的全部扫描相比，在两次或多于两次动作期间跨越至少一个粉末层扫描能量束可减少建置时间。此可允许优化扫描策略而不仅是在刮拭器后方扫描能量束。具体来说，所形成的物体的横截面趋向于覆盖相对于粉末床的总横截面较小的区域，且因此，能量束光点大部分时间将定位于粉末床的小区域中。能量束扫描刮拭器的两侧使得能量束能够在刮拭器移动期间固结这些小区域中的粉末。
处理器可经布置以控制扫描器改变能量束的焦点以针对粉末床的(上)表面的水平变化进行调整，使得具有预设分布的能量光点维持在粉末床的表面上。
在散布粉末层期间，刮拭器的任一侧的粉末床的表面的水平(高度)将有所不同。因此，在一个实施例中，在由刮拭器散布粉末期间，处理器可控制扫描器改变能量束的焦点，以当在刮拭器跨越粉末床移动时能量光点从刮拭器的一侧移动到另一侧时，补偿粉末床的水平变化。
在仅在一个方向上跨越粉末床散布粉末的刮拭器的情况下，可降低构建平台以对刮拭器的返回(非散布)动作提供间隙。因此，处理器可控制扫描器来改变能量束的焦点以补偿刮拭器的向外动作与返回动作之间的粉末床的上表面的水平变化。
处理器可经布置以控制扫描器在移动(例如，降低)构建平台期间跨越粉末床扫描能量束。处理器可经布置以控制扫描器跨越粉末床扫描能量束，使得在降低构建平台期间，能量束对粉末床表面的角度保持大于预设角度，所述预设角度大于在不降低构建平台时能量束对粉末床表面可成的角度。以此方式，与以小于预设角度的角度扫描能量束相比，在降低构建平台期间粉末床表面上的能量束的位置的变化减少。预设角度可由用户设置。预设角度可取决于所需准确度和粉末层的厚度。
可在用刮拭器跨越粉末床散布粉末期间降低或升高构建平台以提供可变厚度的层。用刮拭器扫描激光束、用刮拭器散布层和降低或升高构建平台这三者可同时发生。降低构建平台可贯穿构建持续发生。此可增加构建的速度，因为在降低构建平台的同时散布粉末的延迟可被避免。
能量束可为电子束或激光束。
扫描器可包括用于改变激光束的焦点的可移动光学件。
扫描器可包括用于跨越粉末床扫描激光点的倾斜光学件，其中处理器经布置以控制倾斜光学件对于如下实际情况进行自动补偿：倾斜光学件的单个位置将取决于表面的水平而扫描粉末床的表面上的不同光点。降低粉末床可改变粉末床的表面与扫描器的距离，对于激光束由倾斜光学件以非垂直角度引导到表面的情况，改变粉末床表面的水平将改变表面上的激光点的位置。因此，倾斜光学件的位置如何映射到粉末床的表面上将对于表面的不同水平而有所不同。
所述设备可包括用于在刮拭器跨越粉末床移动时测量刮拭器的位置的位置测量装置，例如位置编码器，且处理器可经布置以从位置测量装置接收信号且基于来自位置测量装置的信号而控制扫描器。举例来说，处理器可经布置以基于来自位置测量装置的信号而调整扫描的时序。如果刮拭器的实际位置不同于预期位置，那么提供关于刮拭器的实际位置的反馈允许处理器调整扫描顺序。
在构建期间，刮拭器能够在垂直于粉末床表面的方向(通常为垂直方向)上移动。在散布层期间，刮拭器能够垂直于粉末床的表面移动以便形成非平面粉末层。替代或另外地，刮拭器能够在粉末床的一侧处垂直于粉末床的表面移动，(例如)越过粉末堆和/或重新定位刮拭器以供后续越过粉末床。
替代或另外地，处理器可经布置以控制构建平台的垂直移动，使得在刮拭器跨越粉末床移动时垂直移动构建平台。可与构建平台的移动一起同步地垂直移动刮拭器，例如，以维持所要(均匀)厚度的粉末层。替代地，垂直移动刮拭器和构建平台可使得形成不均匀粉末层。藉由移动构建平台来动态调整刮拭器的垂直高度可减少或甚至消除每次动作结束时刮拭器静止的时间。在常规系统中，在刮拭器开始下一个粉末散布动作之前，刮拭器必须等待构建平台的高度被调整且等待构建平台被安置。
所述设备可包括用于产生多个激光束的激光单元和用于每一激光束以使得每一激光束可跨越粉末床独立地扫描的专用扫描器。扫描器可经布置以使得可由激光束在刮拭器的两侧同时扫描粉末床。处理器可经布置以控制每一扫描器在刮拭器跨越粉末床移动时跨越粉末床来扫描多个激光束中的对应一者以固结刮拭器的任一侧的粉末材料。
处理器可经布置以基于定义所述或每一能量束在逐层构建物体中固化粉末材料时采用的扫描路径的几何数据而控制刮拭器的移动。举例来说，处理器能够在形成每一层时改变刮拭器的速度和/或垂直高度。
根据本发明的第二方面，提供一种通过选择性固化来形成物体的方法，其中使用能量束以逐层方式来固化粉末层以形成物体，所述方法包括：用刮拭器跨越构建平台重复散布粉末材料以形成粉末床的粉末层，且在刮拭器跨越粉末床移动期间，跨越粉末床扫描能量束以固结刮拭器的任一侧的粉末材料。
所述方法可包括在刮拭器跨越粉末床的两次或多于两次动作期间跨越粉末层中的至少一者扫描能量束。两次或多于两次动作可包括刮拭器形成粉末层的动作和一个或多个后续动作。一个或多个后续动作可包括刮拭器形成后续粉末层的动作。另外或替代地，一个或多个后续动作可包括刮拭器不形成粉末层的返回动作。当在用刮拭器形成粉末层期间刮拭器正移动远离第一区时，粉末层上的该第一区可由能量束固结，且当在后续动作期间刮拭器正朝向第二区移动时，粉末层上的该第二区可由能量束固结。
所述方法可以包括改变能量束的焦点以针对粉末床的(上)表面的水平变化进行调整，使得具有预设分布的能量光点被维持在粉末床的表面上。所述方法可以包括在能量束的光点从刮拭器的一侧移动到另一侧时在由刮拭器散布粉末期间改变能量束的焦点。所述方法可以包括改变能量束的焦点以补偿刮拭器的向外动作与返回动作之间的粉末床的上表面的水平变化。
根据本发明的第三方面，提供一种上面存储有指令的数据载体，所述指令供处理器执行以用于控制选择性固化设备，所述选择性固化设备包括：构建室；可在所述构建室中降低的构建平台；用于跨越所述构建平台散布粉末材料以形成粉末床的连续粉末层的刮拭器；用于产生能量束以固结所述粉末材料的能量束单元；以及用于引导所述能量束并将其聚焦到每一粉末层上的扫描器，其中，所述指令在由所述处理器执行时致使所述处理器控制所述扫描器进行本发明的第二方面的方法。
根据本发明的第四方面，提供一种产生用于控制选择性固化设备的指令的方法，所述选择性固化设备包括：构建室；可在所述构建室中降低的构建平台；用于跨越所述构建平台散布粉末材料以形成粉末床的连续粉末层的刮拭器；用于产生能量束以固结所述粉末材料的能量单元；以及用于在所述刮拭器跨越所述粉末床移动时引导所述能量束并将其聚焦到每一粉末层床上以固结所述刮拭器的任一侧的粉末材料的扫描器，所述方法包括：
i)接收定义所述能量束在逐层构建物体中固化粉末材料时所采用的扫描路径的几何数据；
ii)识别待由所述能量束在所述刮拭器的每一动作期间在所述刮拭器的任一侧扫描的所述扫描路径或所述扫描路径的部分。
识别扫描路径可以包括识别粉末层的第一组扫描路径或扫描路径的部分和该粉末层的第二组扫描路径或扫描路径的部分，其中在所述刮拭器跨越所述粉末床的第一次动作期间扫描该第一组扫描路径或扫描路径的部分，和在所述刮拭器跨越所述粉末的第二次动作期间扫描该第二组扫描路径或扫描路径的部分。第一动作可以为其中刮拭器形成粉末层的动作。第二动作可以包括其中刮拭器形成后续粉末层的动作。另外或替代地，第二动作可以包括其中刮拭器不形成粉末层的返回动作。第一组扫描路径或扫描路径的部分可用于当刮拭器在第一次动作期间正移动远离粉末层的第一区时，固结该第一区，且第二组扫描路径或扫描路径的部分可用于当刮拭器在第二次动作期间正移动朝向粉末层的第二区时，固结该第二区。
可基于每一动作期间的预期刮拭器移动而识别要由能量束在刮拭器的每一动作期间在刮拭器的任一侧扫描的扫描路径或扫描路径的部分。替代或另外地，可基于扫描该扫描路径或扫描路径的部分所需的预期时间而确定刮拭器速度或动作之间的时间。
已知以经设置图案设计扫描路径，其中粉末层待固化的区域被划分成待扫描的不同区。举例来说，可使用棋盘格或条纹图案，其中待固化的区域被划分成具有平行边的多个区，每一区由横向于平行边形成的多个平行扫描线形成。棋盘格或条纹图案可有助于确保熔体前沿对于待固化区域的大部分地区在大体上相同的速度下跨越区前进。本发明的方法可包括识别待由能量束在刮拭器的每一动作期间在刮拭器的任一侧扫描的区。所述方法可包括基于刮拭器移动而调度扫描区的次序。举例来说，以最大化在每一刮拭器动作期间能量束固化材料的时间为目标来选择调度。因为在扫描器将能量束引导到刮拭器上的时间期间必须切断能量束，因此可通过限制能量束的光点的方向从刮拭器的一侧切换到刮拭器的另一侧的次数来实现此目标。光点从刮拭器的一侧切换到刮拭器的另一侧的次数可限于单次切换。
已知使用“外壳和核心(hull and core)”策略来扫描区域，其中使用平行扫描路径的经设置图案(例如，扫描栅扫描(有时被称作回纹波花纹)、棋盘格或条纹图案)来形成区域的核心，且使用遵循区域边缘的形状的一个或多个边界扫描路径来形成区域的外壳(外围)。所述方法可包括在刮拭器的动作期间识别何时沿所述或每一边界扫描路径扫描能量束，以使得可在一个连续扫描中完成整个边界扫描路径。将理解，用能量束扫描可以包括，沿扫描路径稳定地移动能量束的光点或用光点照明沿扫描路径间隔开的点。如本文中所使用的连续扫描可包含任一类型的扫描。在沿扫描路径稳定地移动能量束的光点的情况下，连续扫描为其中能量束的光点稳定移动而不被间断的扫描。在对沿扫描路径间隔开的点进行照明的情况下，连续扫描为其中渐进地照明相隔开经设置距离的邻近点一经设置暴露时间(和暴露之间的恒定时间(其可为用户定义的或由扫描器的物理限制定义))而不中断的扫描。
所述方法可以包括基于刮拭器移动而确定扫描路径。举例来说，在扫描该扫描路径的时间期间，可基于刮拭器的预期位置而选择扫描路径的边缘/末端。
识别待由能量束在刮拭器的每一动作期间在刮拭器的任一侧扫描的扫描路径或扫描路径的部分可考虑在刮拭器的一侧或两侧的安全区，在所述安全区中不应发生扫描。可基于在动作期间所确定的刮拭器位置的可能错误、扫描时序的可能错误和由刮拭器推动以形成粉末层的粉末隆起的预期宽度中的至少一者或多者而确定安全区。
根据本发明的第五方面，提供一种上面存储有指令的数据载体，所述指令在由处理器执行时致使处理器进行本发明的第四方面的方法。
根据本发明的第六方面，提供一种选择性固化设备，其包括：构建室；可在所述构建室中降低的构建平台；用于跨越所述构建平台散布粉末材料以形成粉末床的连续粉末层的刮拭器；用于测量所述刮拭器的位置的位置测量装置；用于产生能量束以固结所述粉末材料的能量束单元；用于引导所述光束并将其聚焦到每一粉末层上的扫描器；以及用于控制所述扫描器和/或能量束单元的处理器，其中所述处理器经布置以基于来自所述位置测量装置的信号而控制所述扫描器和/或能量束单元。
根据本发明的第七方面，提供一种选择性固化设备，其包括：构建室；可在所述构建室中降低的构建平台；用于跨越所述构建平台散布粉末材料以形成粉末床的连续粉末层的刮拭器；用于产生能量束以固结所述粉末材料的能量束单元；以及用于引导所述能量束并将其聚焦到每一粉末层上的扫描器，其中所述刮拭器经布置以在垂直于所述粉末床的表面的方向上移动。
刮拭器可经布置以在垂直于表面的方向上移动以形成非平面粉末层。
刮拭器可经布置以在刮拭器已经移动超出粉末床的末端之后在垂直于表面的方向上移动，以越过由刮拭器推动的粉末材料且重新定位刮拭器，以使得刮拭器能够跨越粉末床在反方向上推动粉末材料。
本发明的以上方面的数据载体可为用于为机器提供指令的合适媒体，例如非暂时性数据载体，例如软盘、CD ROM、DVD ROM/RAM(包含-R/-RW和+R/+RW)、HD DVD、蓝光(TM)光盘、存储器(例如，存储棒(TM)、SD卡、紧凑闪存卡等等)、磁盘驱动器(例如，硬盘驱动器)、磁带、任何磁/光存储装置或瞬态数据载体，例如电线或光纤上的信号或无线信号，例如经由有线或无线网络(例如，因特网下载、FTP传送等等)发送的信号。
根据本发明的第七方面，提供一种选择性固化设备，其包括：构建室；可在所述构建室中移动的构建平台；用于跨越所述构建平台散布粉末材料以形成粉末床的连续粉末层的刮拭器；用于产生能量束以固结所述粉末材料的能量束单元；以及用于引导所述能量束并将其聚焦到每一粉末层上的扫描器，其中所述刮拭器经布置以在移动构建平台期间散布粉末材料。
刮拭器可在降低或升高构建平台期间散布粉末材料。以此方式，可形成可变厚度的层。
根据本发明的的第八方面，提供一种通过选择性固化来形成物体的方法，其中使用能量束以逐层方式来固化粉末层以形成物体，所述方法包括：用刮拭器跨越构建平台重复散布粉末材料以形成粉末床的粉末层，且在刮拭器跨越粉末床移动期间移动构建平台。
附图说明
图1为根据本发明的实施例的选择性激光固化设备的示意图；
图2为选择性激光固化设备从另一侧的示意图；
图3为在操作中的设备的示意图，其中刮拭器在向外动作时散布粉末的同时激光束跨越粉末床在刮拭器的一侧扫描；
图4为在操作中的设备的示意图，其中刮拭器在向外动作时散布粉末的同时激光束跨越粉末床在刮拭器的另一侧(相对于图3中所示出)扫描；
图5为在操作中的设备的示意图，其中在刮拭器的返回动作时激光束跨越粉末床扫描；
图6示出待在粉末层中固化的区域的扫描路径，其中区域的核心将使用扫描路径的棋盘格图案来形成；
图7和图8为用于将待固化的区域的区分类成待在刮拭器的向外和返回动作期间扫描的次序的方法的图解表示；
图9示出待在粉末层中固化的区域的扫描路径，其中区域的核心将使用扫描路径的条纹图案来形成；
图10示出待在粉末层中固化的区域的扫描路径，其中区域的核心将使用光栅扫描来形成；且
图11为刮拭器可在两个方向上散布粉末的设备的示意图。
具体实施方式
参看图1到图5，根据本发明的实施例的激光固化设备包括主腔室101，其中具有隔板115、116，隔板115、116界定构建室117和粉末可沉积到上面的表面。提供构建平台102以用于支撑由选择性激光熔融粉末104构建的物体103。在形成物体103的连续层时，平台102可在构建室117内降低。可用的构建体积由构建平台102可降低到构建室117中的程度来界定。
当由分配设备108和细长刮拭器109构建物体103时，形成粉末104的层。举例来说，分配设备108可为如WO2010/007396中所描述的设备。刮拭器109跨越构建平台102在线性方向上移动，且用箭头W说明在向外动作时粉末散布期间的行进方向。
位置测量装置(在此实施例中为位置编码器140)量测刮拭器109的位置且将指示所量测位置的信号发送到计算机130的处理器131。为了清楚起见，位置测量装置在图2中示意性地示出为框，但其将通常包括固定到轨道(该轨道引导刮拭器109的移动)的标尺(未图示)和安装成随刮拭器109移动以检测标尺上的刻度标记的读头。可从所检测到的刻度标记确定刮拭器的位置。
激光模块105产生用于熔融粉末104的激光，该激光视需要由光学扫描器106在计算机130的控制下引导。激光经由窗口107进入腔室101。
光学扫描器106包括用于将激光束引导到粉末床104上的所期望位置的转向光学件(在此实施例中为两个可移动镜面106a、106b)和用于调整激光束的焦距的聚焦光学件(在此实施例中为一对可移动透镜106c、106d)。电动机(未图示)驱动镜面106a和透镜106b、106c的移动，电动机由处理器131控制。
计算机130包括处理器单元131、存储器132、显示器133、用户输入装置134(例如，键盘、触摸屏等)、到激光熔融单元的模块(例如，光学模块106和激光模块105)的数据连接、位置测量装置140和外部数据连接135。命令处理单元进行如现在所描述的方法的计算机程序存储在存储器132上。
处理器经由外部连接135接收用于描述在固化每一粉末层中的粉末区域时所采用的扫描路径的几何数据。为了构建一零件，处理器控制扫描器106根据几何数据中所定义的扫描路径来引导激光束。在此实施例中，为了沿扫描路径执行扫描，同步激光105和扫描器106以沿扫描路径使一系列离散点暴露于激光束。对于每一扫描路径，定义点距离、点暴露时间和光点尺寸。在替代实施例中，可沿扫描路径持续扫描光点。在此类实施例中，可针对每一扫描路径指定激光点的速度，而不定义点距离和暴露时间。
在使用时，由处理器131接收几何数据。处理器131分析在几何数据中所定义的扫描路径，以确定应在刮拭器109的一侧扫描哪些扫描路径或扫描路径的哪些部分以及应在刮拭器109的另一侧扫描哪些扫描路径或扫描路径的哪些部分。在此实施例中，其中刮拭器仅在一个方向上散布粉末，处理器131还可确定：在刮拭器109的向外动作(其中由刮拭器109散布粉末)时，由激光束扫描哪些扫描路径或扫描路径的哪些部分；以及在刮拭器109的返回动作(其中不由刮拭器109散布粉末)时，由激光束扫描哪些扫描路径或扫描路径的哪些部分。
一旦处理器131已经确定针对每一粉末层的扫描调度，处理器131即控制扫描器106根据扫描路径和扫描调度来扫描每一粉末层。图3示出在向外动作时跨越粉末床104散布粉末层104a的刮拭器109。激光束首先在刮拭器109前方扫描，从而固化先前所形成粉末层的区域，在此粉末层由下一粉末层覆盖之前完成待在此粉末层中进行的任何固化。为了在刮拭器109的向外动作时在刮拭器前方固化粉末，扫描器106聚焦激光束以在下平面PL上维持所期望的激光点大小，下平面PL与在刮拭器109前方的粉末床的顶部表面一致。由处理器131选择扫描的调度以使得扫描发生在绕刮拭器109的禁用区150的外部。维持在禁用区150外部进行扫描确保了刮拭器109不会由于接近由激光束产生的熔体池而损坏，且确保由刮拭器109跨越粉末床104推动的粉末隆起104b不被激光束熔融。
在刮拭器109的向外动作期间，激光束从在刮拭器前方扫描移动到在刮拭器109后方扫描。在扫描器106要将激光点引导到禁用区150中的时段期间，处理器131切断激光。当再接通激光时，扫描器聚焦激光束以在上平面PU上维持所期望的激光点大小，上平面PU对应于粉末床104的在刮拭器109后方的较高表面。此示出于图4中。扫描器106沿针对此配置调度的扫描路径来引导激光束。
在刮拭器109已经移动到超出粉末床104的位置之后，可以继续扫描粉末床。举例来说，固化粉末层中的所期望区域所需的时间可多于在向外和返回动作时刮拭器越过粉末床所花费的时间。因此，当刮拭器109被暂停在粉末床104的一侧处时(在向外与返回动作之间或当由定量单元108分配粉末时)可发生扫描。当对延伸超出粉末床104很大一部分的扫描路径进行扫描时，此可为有用的。
可由处理器131基于待在层和/或扫描路径中固化的区域的大小而动态地控制刮拭器109的移动。举例来说，可改变刮拭器109在动作之间静止的时间，或可改变刮拭器109粉末床上移动时刮拭器109的速度。
在返回动作之前，构建平台102被降低以在粉末床104的顶部与刮拭器109之间提供间隙。通常构建平台102被降低的距离相当于待由刮拭器109散布的下一粉末层的厚度。
图5示出在返回动作时在R方向上移动的刮拭器109。扫描器106由处理器131控制，以沿经调度要在此时被扫描的扫描路径且在刮拭器109前方和后方两者上来扫描激光束。在返回动作期间，考虑构建平台102的降低，扫描器聚焦激光束以在下平面PL上维持所期望的激光点大小。正如向外动作的情况，当激光束从在刮拭器109前方扫描移动到在刮拭器109后方或反之时，在扫描器106要将激光点引导到禁用区150中的时段期间切断激光。
在图6到图8中说明可如何调度扫描路径的扫描的实例。图6示出用于固化粉末层中的区域的扫描路径。使用“外壳和核心”策略，其中使用一个构建样式/参数来扫描区域的核心201，且使用不同构建样式/参数来形成外壳。
在图6中，扫描路径的棋盘格图案用于形成核心，其中核心201的区域被划分成多个正方形区203，每一正方形区203包括多个平行扫描路径204(在图6中，为了清楚起见，仅对正方形区203中的一些示出平行扫描路径204)。对于每一正方形区203，垂直于邻近正方形区203的扫描路径204扫描平行扫描路径204。相同长度的平行扫描路径204有助于确保，对于每一正方形区203，经由用激光扫描路径204产生的熔体前沿以大体上相同的速度前进，以使得跨越区域的核心201获得所固化材料的大体上相同的性质。对于邻近正方形区203，旋转用以形成平行扫描路径204的角度以有助于避免形成跨越核心201的削弱线(分层(stratification))。在图6中，棋盘格图案被示出为与刮拭器方向平行。然而，将理解，可使用棋盘格图案的其它方向，且可在层之间改变棋盘格图案的方向。
在此实施例中，外壳由两个边界扫描路径205、206形成。然而，可使用一个或多个边界扫描路径。
关于核心扫描路径所指定的例如激光点大小、点距离、点暴露时间和激光功率等参数可不同于关于边界扫描路径205、206所指定的参数。
参看图7，处理器131基于构建样式(需要不同构建参数的扫描)而分类扫描路径。通常，与棋盘格扫描相比，在外壳和核心策略中对于边界扫描使用不同构建参数。因此，对于图6中所示出的扫描路径，存在扫描路径所分类成的两个构建样式。扫描路径204、205、206随后被分组以形成待按扫描次序放置的区。扫描路径204、205、206一起分组到区中的范围将取决于扫描路径的性质。在图6中，棋盘格的每一正方形203被识别为待排序的区，且每一单独的边界扫描205、206被识别为待排序的区。分组到区中的扫描路径的数目将取决于处理速度和扫描路径排序的解析的平衡。在图6中，棋盘格图案的正方形203被示出为相对于粉末床104相当大，但通常正方形较小。通过较小正方形，多样的正方形的扫描路径可一起分组到待分类的区中以实现所期望的均衡。
粉末床在概念上被划分成三个或多于三个部分，在此实施例中为部分A、B和C。处理器131随后确定特定类型的扫描路径的每一区203、205、206是否属于部分A、B、C或部分A、B和C的组合。在图6中，存在分别完全落入部分A、B或C的区203a、203b和203c，和横跨两个部分A和B或B和C的区203d、203e。边界扫描路径205和206二者横跨所有三个部分A、B和C。
随后基于每一区所落入的部分A、B和C而将所述区分类成扫描次序。图8示意性地说明在刮拭器109跨越床来回移动时粉末床104的不同部分变得可供用于扫描的次序，其中时间的方向由箭头T说明。时间线用于说明部分A、B和C的可用性出于对区的扫描进行排序的目的而如何发展，而不必须表示每一组部分A、B和C可供用于扫描的时间。在一个实施例中，处理器131有可能动态地改变刮拭器109的速度以确保有充足时间可供用于扫描落入部分A、B和C的特定集合的区。标记为“向外”的被括住的时段表示在向外动作时刮拭器109跨越粉末床104移动的时段，且标记为“返回”的被括住的时段表示在返回动作时刮拭器109跨越粉末床104移动的时段。在每一向外动作时，在先前向外动作时散布的下层中和在当前向外动作时散布的层两者中固化粉末材料。虚线表示扫描在这些层之间的过渡。向外动作与返回动作之间的时段E表示刮拭器109位于粉末床104的一侧的时间，在此时间期间整个粉末床104可供用于扫描。返回动作与向外动作之间的时段D表示刮拭器109位于粉末床104的另一侧的时间，在此时间期间分配粉末以用于散布下一层，且同样，整个粉末床104可供用于扫描。
为了确定层的区被扫描的次序，每一区的扫描被分配到时间段，在该时间段中该区所落入的部分或部分A、B、C的组合可供用于扫描。按由箭头S1和随后S2指示的次序填充时间段。因此，落入部分A的第一区203将被分配到第一时间段，直到所述时间段满了或不再有落入部分A的区待分配为止，随后落入部分A、B或A和B的区将被分配到第二时间段，且随后落入部分C的区将被分配到第10时段。分配在箭头S2的方向上继续，直到所有区已被分配用于扫描的时段为止，分配的最终时段为第三时间段。在需要刮拭器移动的延迟来完成层的扫描的情况下，可通过调度此延迟来扩展第三(和/或可能第8)时间段。可优先将区分配到其中多于一个部分A、B、C可供用于扫描的时间段。举例来说，对于分配到这些时间段来说，跨越部分的区可优先于完全处于一个部分内的区。举例来说，在图6中，将边界扫描205、206分配到第3时段和/或第8时段可优先于将区204分配到这些时段。
在第8时间段期间，降低构建平台。在此实施例中，分配到第8时间段的扫描在降低构建平台102期间继续。经分配以在降低构建平台102期间被扫描的区可以是能够用与粉末床104的表面成大于预设角度的角度(所述预设角度大于在扫描粉末床104的其它区时激光束与表面所成的角度)的激光束来扫描的区。预设角度可由用户设置。
一旦区203、205和206已被分配到某些时间段，此信息可并入到用于在构建期间驱动扫描器106的指令中。
关于图6描述的扫描路径仅出于说明性目的，且许多其它扫描路径的设计和用于调度待扫描区的方法都是可能的。举例来说，在图9中，待固化的区域被划分成平行条纹区303而非正方形区，每一条纹区303的平行扫描路径303横向于条纹的纵向方向延伸。取决于条纹区303的方向，条纹区303可延伸到所有三个部分A、B和C中。为了避免所有扫描都被分配到第3时间段和第8时间段(其中粉末床104的所有部分可供用于扫描)，条纹区303可被划分成落入较少数目个部分A、B和C的较小子区，使得可跨越时间段中的其它时间段扩展扫描这些较小子区。可沿一条或多条线划分每一条纹区303，从而避免划分条纹区303的扫描路径304。举例来说，可沿平行于扫描路径304的虚线307、308将条纹区304划分成较小区。此将有助于确保熔体前沿的前进对于子区中的每一者都基本上相同，就如同在对于较大条纹区303的情况下一样。随后使用参看图7和图8所描述的算法来调度这些子区的扫描。
图10示出一实施例，其中核心的扫描路径形成扫描栅扫描403，该扫描栅扫描403延伸超过核心的全部宽度。正如图8中所示出的实施例的情况，为了避免整个扫描栅扫描被分配到其中所有部分A、B和C都可供用于扫描的时间段，扫描栅扫描403被划分成可在其它时间段期间被扫描的子区。对于扫描栅扫描403，分裂光栅扫描的任何一个扫描路径404都是可接受的，这是因为不同于棋盘格图案和条纹图案，扫描栅扫描403不尝试维持每一扫描路径404的恒定长度。因此，可沿部分A、B和C的边界线将光栅扫描403划分成子区。随后使用参看图7和8描述的算法来调度这些子区的扫描。
将理解，如果待固化的区域仅属于部分A、B和C中的一些而非所有，那么可不必出于调度的目的来划分条纹图案或扫描栅扫描。
图11示出根据本发明的另一实施例的刮拭器单元。在此实施例中，刮拭器布置509经布置以在跨越粉末床504行进的两个方向上散布粉末。刮拭器单元509包括以固定距离分开安装的两个刮拭器509a和509b。粉末被分配到刮拭器509a与509b之间的间隙中，其中在刮拭器单元509跨越粉末床504从左到右移动时，刮拭器509a将粉末散布到层中，且在刮拭器单元509跨越粉末床504从右到左移动时，刮拭器509b将粉末散布到层中。对于跨越粉末床的两个移动方向，跨越粉末床404在刮拭器单元509前方和在刮拭器单元509后方扫描激光。如先前藉由图1到图6中所示出的实施例所描述，当在刮拭器单元509前方扫描时，扫描器106聚焦激光束以在下平面PL上维持所期望激光点大小，下平面PL对应于在刮拭器509前方的粉末床504的下表面，且当在刮拭器单元509后方扫描时，扫描器106聚焦激光束以在上平面PU上维持所期望的激光点大小，上平面PU对应于在刮拭器509后方的粉末床504的较高表面。
在替代实施例中(未图示)，设备可以包括多个激光束(由单独的激光器产生或通过分裂一个或多个激光束来产生)，每一激光束由单独扫描光学件引导到粉末床以使得可在刮拭器的两侧同时扫描粉末床。
此外，刮拭器可经布置以在构建期间垂直移动，使得可仅从构建平台的一侧分配粉末，其中刮拭器在构建平台的另一侧处被升高且移动越过在散布层之后剩余的粉末堆，使得刮拭器可在另一方向上将粉末堆推回以散布另一粉末层。此外，刮拭器可在散布层期间垂直移动以形成非平面层。举例来说，较高激光功率可用于在非平面层的较深粉末区中固化粉末，其中是否形成较厚粉末区可基于物体的几何形状和物体的所需公差。
将理解，在不脱离如本文中所界定的本发明的范围的情况下可对上文所描述的实施例做出更改和修改。举例来说，可在刮拭器的向外动作和返回动作中的仅一者时扫描粉末床。扫描器可经布置以(例如)使用fθ透镜仅将扫描器的焦点维持在下平面PL中，扫描器引导激光束以扫描在此平面中具有表面的粉末床的部分(例如，在向外动作时在刮拭器前方，和在返回动作时在刮拭器前方和后方)。
可在用刮拭器跨越粉末床散布粉末期间降低或升高构建平台以提供可变厚度的层。用刮拭器扫描激光束、用刮拭器散布层和降低或升高构建平台所有三者可同时发生。降低构建平台可贯穿构建持续发生。此可增加构建的速度，因为在降低构建平台的同时散布粉末的延迟可被避免。

Claims (33)

1.一种选择性固化设备，包括：构建室；可在所述构建室中降低的构建平台；用于跨越所述构建平台散布粉末材料以形成粉末床的连续粉末层的刮拭器；用于产生能量束以固结所述粉末材料的能量束单元；用于引导所述能量束并将其聚焦到每一粉末层上的扫描器；以及用于控制所述扫描器的处理器，其中所述处理器经布置以控制所述扫描器在所述刮拭器跨越所述粉末床移动时，跨越所述粉末床扫描所述能量束以固结所述刮拭器的任一侧的粉末材料，且在所述刮拭器跨越所述粉末床的两次或多于两次动作期间，跨越所述粉末层中的至少一者扫描所述能量束。
2.根据权利要求1所述的选择性固化设备，其中，所述两次或多于两次动作包括所述刮拭器形成所述粉末层的动作和一个或多个后续动作。
3.根据权利要求2所述的选择性固化设备，其中，所述一个或多个后续动作包括所述刮拭器形成后续粉末层的动作。
4.根据权利要求2或权利要求3所述的选择性固化设备，其中，所述一个或多个后续动作包括所述刮拭器不形成粉末层的返回动作。
5.根据权利要求2到4中任一项所述的选择性固化设备，其中，所述处理器经布置以控制所述扫描器跨越所述粉末床来扫描所述能量束，使得在用所述刮拭器形成所述粉末层期间当所述刮拭器正移动远离所述粉末层上的第一区时，所述第一区由所述能量束固结，且在所述后续动作的期间当所述刮拭器正朝向所述粉末层上的第二区移动时，所述第二区由所述能量束固结。
6.根据权利要求1到5中任一项所述的选择性激光固化设备，其中，所述处理器经布置以控制所述扫描器改变所述能量束的焦点，以针对所述粉末床的表面的水平变化进行调整，使得具有预设分布的能量光点被维持在所述粉末床的所述表面上。
7.根据权利要求6所述的选择性激光固化设备，其中，所述处理器经布置以控制所述扫描器改变所述能量束的所述焦点，以当能量光点随着所述刮拭器跨越所述粉末床移动而从所述刮拭器的一侧移动到另一侧时，补偿所述粉末床的水平变化。
8.根据权利要求6到权利要求7所述的选择性激光固化设备，其中，所述处理器经布置以控制所述扫描器改变所述能量束的所述焦点，以补偿所述刮拭器的向外动作与返回动作之间的所述粉末床的上表面的水平变化。
9.根据权利要求6到8中任一项所述的选择性激光固化设备，其中，所述能量束包括激光束，且所述扫描器包括用于改变所述激光束的所述焦点的可移动光学件。
10.根据权利要求9所述的选择性激光固化设备，其中，所述扫描器包括用于跨越所述粉末床扫描所述激光点的倾斜光学件，其中所述处理器经布置以控制所述倾斜光学件对于如下实际情况进行自动补偿：所述倾斜光学件的单个位置将取决于所述表面的所述水平而扫描所述粉末床的所述表面上的不同光点。
11.根据前述权利要求中任一项所述的选择性激光固化设备，进一步包括位置测量装置，其用于在所述刮拭器跨越所述粉末床移动时测量所述刮拭器的位置，且所述处理器经布置以从所述位置测量装置接收信号且基于来自所述位置测量装置的所述信号而控制所述扫描器。
12.一种通过选择性固化来形成物体的方法，其中，使用能量束以逐层方式来固化粉末层以形成物体，所述方法包括：用刮拭器跨越构建平台重复散布粉末材料以形成粉末床的粉末层，且在所述刮拭器跨越所述粉末床移动期间，跨越所述粉末床扫描所述能量束以固结所述刮拭器的任一侧的所述粉末材料，且在所述刮拭器跨越所述粉末床的两次或多于两次动作期间，跨越所述粉末层中的至少一者扫描所述能量束。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述两次或多于两次动作包括所述刮拭器形成所述粉末层的动作和一个或多个后续动作。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述一个或多个后续动作包括所述刮拭器形成后续粉末层的动作。
15.根据权利要求13或权利要求14所述的方法，其中，所述一个或多个后续动作包括所述刮拭器不形成粉末层的返回动作。
16.根据权利要求13到15中任一项所述的方法，其中，在用所述刮拭器形成所述粉末层期间当所述刮拭器正移动远离所述粉末层上的第一区时，所述第一区由所述能量束固结，且在所述后续动作期间当所述刮拭器正朝向所述粉末层上的第二区移动时，所述第二区由所述能量束固结。
17.根据权利要求12到16中任一项所述的方法，进一步包括改变所述能量束的焦点以针对所述粉末床的表面的水平变化进行调整，使得具有预设分布的能量光点被维持在所述粉末床的所述表面上。
18.根据权利要求17所述的方法，包括在由所述刮拭器散布粉末期间在所述能量束的所述光点从所述刮拭器的一侧移动到另一侧时改变所述能量束的所述焦点。
19.根据权利要求17或权利要求18所述的方法，包括改变所述能量束的所述焦点以补偿所述刮拭器的向外动作与返回动作之间的所述粉末床的上表面的水平变化。
20.一种上面存储有指令的数据载体，所述指令供处理器执行以用于控制选择性固化设备，所述选择性固化设备包括：构建室；可在所述构建室中降低的构建平台；用于跨越所述构建平台散布粉末材料以形成粉末床的连续粉末层的刮拭器；用于产生能量束以供固结所述粉末材料的能量束单元；以及用于引导所述能量束并将其聚焦到每一粉末层上的扫描器，其中，所述指令在由所述处理器执行时致使所述处理器进行根据权利要求12到19中任一项所述的方法。
21.一种产生用于控制选择性固化设备的指令的方法，所述选择性固化设备包括：构建室；可在所述构建室中降低的构建平台；用于跨越所述构建平台散布粉末材料以形成粉末床的连续粉末层的刮拭器；用于产生能量束以供固结所述粉末材料的能量单元；以及用于在所述刮拭器跨越所述粉末床移动时引导所述能量束并将其聚焦到每一粉末层床上以固结所述刮拭器的任一侧的粉末材料的扫描器，所述方法包括：
i)接收定义所述能量束在逐层构建物体中固化粉末材料时采用的扫描路径的几何数据；
ii)识别在所述刮拭器的每一动作期间待由所述能量束在所述刮拭器的任一侧扫描的所述扫描路径或所述扫描路径的部分，其中识别所述扫描路径包括识别第一组扫描路径或扫描路径的部分和识别第二组扫描路径或扫描路径的部分，该第一组扫描路径或扫描路径的部分用于在所述刮拭器跨越所述粉末床的第一次动作期间扫描粉末层，该第二组扫描路径或扫描路径的部分用于在所述刮拭器跨越所述粉末床的第二次动作期间扫描所述粉末层。
22.如权利要求21所述的方法，其中，所述第一动作为其中所述刮拭器形成所述粉末层的动作。
23.如权利要求21或权利要求22所述的方法，其中，所述第二动作包括其中所述刮拭器形成后续粉末层的动作。
24.根据权利要求21到23中任一项所述的方法，其中，所述第二动作包括其中所述刮拭器不形成粉末层的返回动作。
25.根据权利要求21到24中任一项所述的方法，其中，所述第一组扫描路径或扫描路径的部分用于当所述刮拭器在所述第一次动作期间正移动远离所述粉末层的第一区时固结所述第一区，且所述第二组扫描路径或扫描路径的部分用于当所述刮拭器在所述第二次动作期间正移动朝向所述粉末层上的第二区时固结所述第二区。
26.根据权利要求21到25中任一项所述的方法，其中，基于每一动作期间的预期刮拭器移动，识别待由所述激光束在所述刮拭器的每一动作期间在所述刮拭器的任一侧扫描的所述扫描路径或所述扫描路径的部分。
27.根据权利要求21到26中任一项所述的方法，其中，所述扫描路径包括用于固化粉末层的区域的扫描路径的图案，扫描路径的所述图案将所述区域划分成待扫描的不同区，所述方法包括识别在所述刮拭器的一个或多个动作期间在所述刮拭器的哪一侧扫描每一区。
28.根据权利要求27所述的方法，包括基于所述刮拭器的移动而调度扫描所述区的次序。
29.根据权利要求21到28中任一项所述的方法，其中，使用平行扫描路径的经设置图案来形成所述区域的核心，且使用一个或多个边界扫描路径来形成所述区域的外壳，每一边界扫描路径都遵循所述区域的边缘的形状，所述方法包括在所述刮拭器的动作期间识别何时沿所述或每一边界扫描路径扫描所述能量束以使得可在一个连续扫描中完成整个边界扫描路径。
30.根据权利要求21到29中任一项所述的方法，包括基于刮拭器移动而确定扫描路径。
31.根据权利要求21到30中任一项所述的方法，其中，识别待由所述能量束在所述刮拭器的每一动作期间在所述刮拭器的任一侧扫描的所述扫描路径或所述扫描路径的部分包括考虑在所述刮拭器的一侧或两侧的安全区，在所述安全区中扫描不应发生。
32.一种上面存储有指令的数据载体，所述指令在由处理器执行时致使所述处理器进行根据权利要求21到31中任一项所述的方法。
33.一种选择性固化设备，包括：构建室；可在所述构建室中降低的构建平台；用于跨越所述构建平台散布粉末材料以形成粉末床的连续粉末层的刮拭器；用于测量所述刮拭器的位置的位置测量装置；用于产生能量束以供固结所述粉末材料的能量束单元；用于引导所述能量束并将其聚焦到每一粉末层上的扫描器；以及用于控制所述扫描器和/或能量束单元的处理器，其中所述处理器经布置以基于来自所述位置测量装置的信号而控制所述扫描器和/或能量束单元。
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