用能量射束照射材料的方法和装置制造方法及图纸

描述了一种用至少一个能量射束(AL)照射材料(13)的方法和为此可使用的照射装置(20)，其尤其是用于局部地熔融材料(13)，其中，能量射束(AL)的照射面(AF)在材料(13)上运动。在此生成至少一个第一能量射束(EL1)和第二能量射束(EL2)，第二能量射束(EL2)相对于第一能量射束(EL1)运动并且第一能量射束(EL1)和第二能量射束(EL2)在共同的光路(SA)中耦入能量射束运动单元(23)，使它们共同作为组合能量射束(AL)在材料(13)上运动。还描述了用于对制造产品进行增材制造的方法以及设备(1)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用能量射束照射材料的方法和装置
本专利技术涉及一种尤其是在增材制造过程中用至少一个能量射束照射材料的方法，其中，能量射束的照射面在材料上运动，以及用于使用这种照射方法对制造产品进行增材制造的方法。本专利技术还涉及用至少一个能量射束照射材料的照射装置以及用于对制造产品进行增材制造的设备，该设备包括这种照射装置。
技术介绍
在许多工艺中都需要借助能量射束、例如激光束等照射材料、尤其是局部熔融材料的方法。对此典型的示例是借助能量射束的焊接或激光焊接。另一大的应用领域在于增材制造。在制造原型和各种制造产品时以及在批量制造中增材制造工艺越来越重要。通常“增材制造工艺”可理解为一般基于3D数字结构数据通过堆放材料(“构建材料”)构建制造产品(下面也称为“构件”)的这种制造工艺。在此构建大多是指、但是不强制一定是逐层地进行。增材制造的同义词通常也使用术语“3D打印”，借助增材制造工艺制造模型、图案和原型常常称为“快速原型”并且模具的制造也称为“快速制模”。该工艺中的核心点是构建材料的选择性固化，其中，在多个制造工艺中可借助用辐射能量，例如电磁辐射、尤其光和/或热辐射照射，但是必要时也可借助粒子辐射，例如电子辐射进行固化。使用照射工作的方法的示例是“选择性的激光烧结”或“选择性的激光熔融”。在此使得大多粉末状的构建材料的薄层反复地叠置施加并且在每层中都通过空间受限地照射在制造之后应属于待制造的制造产品的部位选择性地固化，即借助通过在该部位处辐射局部引入的能量部分地或完全地熔化构建材料的粉末颗粒。在冷却之后，粉末颗粒此后彼此连接成固体。优选在本专利技术中大多根据合适的照射策略进行选择性的照射、尤其能量射束在构造区上的照射面的运动。对此该运动可以是先前生成的能量射束或能量束例如在普通“扫描”过程中的偏转，例如通过检流镜采用激光射束或在电子或粒子射束中通过电磁偏转。必要时，也可(至少部分地)通过射束输出单元或照射装置、尤其能量射束源本身进行运动，该能量射束源例如呈二极管排、尤其激光二极管排的形式。通常在固化工艺期间照射较大的二维区域、即构造区上的较大的面。不管如何生成能量射束以及在其位于构建区上的照射点具体如何移动，证明有利的是首先将待照射的区域根据选出的图案虚拟地“划分”成例如虚拟的“条纹”、菱形图案、棋盘图案等。然后以能量射束大多以所谓的“阴影线”的形式(通常以及下面也称为“填充部”)扫过该图案的各个面、即例如条纹或区。在条纹图案中从宏观上看构造材料沿着平行的条纹依次被固化并且具体来说从微观来看在此能量射束在构建区上的照射面沿着彼此紧挨的阴影线运动，阴影线横向于相应的照射条纹在照射条纹的边界中伸延。在实际应用中或在至今已知的用于增材制造的机器或装置中通常使用具有基本上旋转对称(即圆对称)的强度分布的能量射束、例如激光射束。这种旋转对称的强度分布通常类似于高斯分布曲线。在高斯形状的强度分布中强度在能量射束的中间最高并且根据高斯函数或高斯分布曲线沿所有方向沿径向向外横向于能量射束的传播方向或当前的光路方向(下面也简称“射束方向”或“射束轴线”)变弱。该强度分布无需其他措施就可从至今使用的能量射束源、例如普通的激光器中获得。但是最新的认识或研究表明，能量射束、尤其激光射束的强度分布的精确形状可完全具有对整个制造工艺不显著的影响，尤其例如对比能量消耗和/或制造产品的品质，例如其微结构。在具有高斯强度分布的激光射束和非旋转对称的强度分布、即椭圆形强度分布的激光射束之间的比较例如在TienT.等人的论文“在金属增材制造工艺中调制激光强度轮廓椭圆率以进行微结构控制”(材料学报)2017年128期，第197-206页中进行了描述。其中也显示出，不仅强度分布本身，而且其关于能量射束的当前运动方向或其在构造区上的照射面的定向(下面不限于一般情况也称为“扫描方向”)都会对制造工艺有影响。例如目前在实际中在对金属进行激光烧结或激光熔融的过程中大多用所谓的“深层焊接工艺”(“锁眼模式焊接”)工作。焊接工艺在形成也称为“锁眼”的蒸气毛细时定义为深层焊接工艺。入射的能量射束、尤其激光射束在此产生由熔融的材料或金属构成的熔浴。如果材料的熔浴表面通过进一步持续的照射达到其沸点温度，产生的金属蒸气侧向地并且向下将熔体压离并且由此产生蒸气毛细。锁眼的直径通常小于能量射束或激光射束的直径。该深层焊接工艺的优点是高的深度效果。即相比于射束直径形成更深的熔浴，因为没有发生这种蒸发。下面将没有蒸发的焊接工艺或熔融工艺称为“导热焊接”(也称为“conductionmodewelding传导模式焊接”或“conductionlaserwelding传导激光焊接”)。但是深层焊接工艺相比于导热焊接工艺也具有多处缺点，例如较高的能量和材料消耗。哪种焊接工艺更为合适可取决于不同的工艺条件或边界条件并且也可在制造工艺期间改变，例如根据待制造构件内的部位。将焊接工艺作为导热焊接还是作为深层焊接工艺进行，又取决于不同的参数。主要参数也可为强度分布的形状。根据当前的照射策略，特定的强度分布是有利的，其中，这在制造工艺期间也可改变，尤其是根据在待制造的构件内的部位使用何种照射策略进行工作并且例如当前对构建材料的照射是否邻近已经固定的区域并且如果是的话，该固定区域相对于当前待固化的区域位于何处。因为在照射期间会出现部分非常快速的方向改变并且通常始终关于当前的运动方向、即扫描方向定义特定的强度分布，通常必须改变在构造区或材料上的理想强度分布的取向或方向。这要求照射装置对强度分布改变作出快速反应。另一点是，如下面还将描述地，在特定的焊接工艺中有时期望在强度分布内根据精确定义的模型有相对大的空间强度差异。
技术实现思路
本专利技术的目的是，提供一种尤其针对增材制造工艺用于照射材料的合适的方法和合适的装置以及用于对制造产品进行增材制造的相应方法和装置，其针对这些问题。这一方面通过根据权利要求1的用于照射材料的方法(下面也称为“照射方法”)和根据权利要求10的照射装置实现，并且另一方面通过根据权利要求9的用于对制造产品进行增材制造的方法(下面也称为“制造方法”)以及根据权利要求15的用于增材制造的设备实现。在根据本专利技术的照射方法中生成至少一个第一能量射束和第二能量射束。这例如可通过两个分开的能量射束源、例如两个激光器进行。但是原则上也可首先通过一个能量射束源生成能量射束并且然后例如在射束分配器中等进行分配。根据本专利技术使第二能量射束相对于第一能量射束运动，将第一能量射束以及相对其运动的第二能量射束在共同的光路中耦入能量射束运动单元中，使得它们共同地作为组合能量射束运动，例如在增材制造过程中在具有构建材料的构造区上运动。对此使得能量射束从汇聚的部位开始例如并行地或同轴地沿着同一光路运行，其中，第一能量射束和第二能量射束的强度分布在垂直于组合能量射束的射束轴线伸延的剖切平面中(即后面还将定义的虚拟的射束轴线或相应的光路)的每个当前相对位置，在通过相关能量射束运动单元的路径上例如在第一扫描反射镜上使用扫描仪时从进入能量射束运动单元的耦入部位直至照射面都没有明显改变。例本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用至少一个能量射束(AL)照射材料(13)的方法，尤其是用于局部地熔融所述材料(13)，其中，所述能量射束(AL)的照射面(AF)在所述材料(13)上运动，其中，/n-至少生成一个第一能量射束(EL1)和一个第二能量射束(EL2)，/n-所述第二能量射束(EL2)相对于所述第一能量射束(EL1)运动，并且/n-所述第一能量射束(EL1)和第二能量射束(EL2)在共同的光路(SA)中耦入能量射束运动单元(23)中，使得它们共同地作为组合能量射束(AL)在所述材料(13)上运动。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20181112 DE 102018128266.41.一种用至少一个能量射束(AL)照射材料(13)的方法，尤其是用于局部地熔融所述材料(13)，其中，所述能量射束(AL)的照射面(AF)在所述材料(13)上运动，其中，
-至少生成一个第一能量射束(EL1)和一个第二能量射束(EL2)，
-所述第二能量射束(EL2)相对于所述第一能量射束(EL1)运动，并且
-所述第一能量射束(EL1)和第二能量射束(EL2)在共同的光路(SA)中耦入能量射束运动单元(23)中，使得它们共同地作为组合能量射束(AL)在所述材料(13)上运动。


2.尤其根据权利要求1所述的用至少一个能量射束(AL)照射材料(13)、尤其是用于局部地熔融材料(13)的方法，其中，生成至少一个第一能量射束(EL1)和一个第二能量射束(EL2)并且至少部分地叠加作为组合能量射束(AL)协调地以预设的扫描速度在所述材料(13)上运动，其中，所述第二能量射束(EL2)相对于所述第一能量射束(EL1)以预设的相对速度运动，所述相对速度远远大于所述扫描速度，优选至少大2倍、更为优选地至少大5倍、还更为优选地至少大10倍、还更为优选地至少大50倍、特别优选至少大100倍。


3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，对所述第二能量射束(EL2)根据其与所述第一能量射束(EL1)的相对位置和/或根据所述组合能量射束(AL)的照射面(AF)的当前运动方向(S)调制强度。


4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第一能量射束(EL1)和所述第二能量射束(EL2)具有不同的强度分布(SP1，SP2)，
其中，优选所述第一能量射束(EL1)具有关于射束轴线(S1)基本旋转对称的强度分布(SP1)、特别优选具有高帽强度分布，
和/或
其中，优选所述第二能量射束(EL2)具有关于射束轴线(S2)基本旋转对称的强度分布(SP2)、特别优选具有高斯强度分布。


5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第二能量射束(EL2)在共同的光路(SA)中耦入能量射束运动单元(23)中时具有比第一能量射束(EL1)较小的最大射束扩展。


6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第二能量射束(EL2)相对于所述第一能量射束(EL1)的相对运动和/或所述第二能量射束(EL2)的强度调制周期性地、优选均匀地进行。


7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第二能量射束(EL2)优选沿着圆形轨道(K)、沿着所述第一能量射束(EL1)的强度分布(SP1)的边缘(R)运动。


8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第二能量射束(EL2)相对于所述第一能量射束(EL1)的相对运动和/或所述第二能量射束(EL2)的强度调制如下地进行，在所述材料(13)上运动的组合能量射束(AL)在垂直于所述组合能量射束(AL)的射束轴线(SA)伸延的剖切平面(x、y)中在所述材料(13)的照射面(AF)处具有总强度分布(GIV)，所述总强度分布在一时间段上积分
-在沿着所述剖切平面(x、y)中的至少一条割线(SK)的中间区域中具有至少一个局部最小值(MIZ)，以及
-具有沿着所述总强度分布(GIV)的边缘(R)环绕的强度变化曲线(IPK)，所述强度变化曲线在至少一个部位处具有最大值(MAX)并且在所述强度变化曲线(IPK)上与所述最大值(MAX)相对的区域中具有局部最小值(MIN)。


9.一种用于对制造产品(2)进行增材制造的方法，其中，选择性地固化构建材料(13)并且为此在构造区(8)上利用根据权利要求1至8中任一项所述的方法用至少一个组合能量射束(AL)照射所述构建材料(13)。


10.一种用至少一...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·维特，P·霍尔费尔德，
申请(专利权)人：EOS有限公司电镀光纤系统，
类型：发明
国别省市：德国;DE