加工用于增材制造工件的粉末状材料的方法和设备技术

一种加工用于增材制造工件(22)的粉末状材料的方法，该方法包括以下步骤：a)提供：

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】加工用于增材制造工件的粉末状材料的方法和设备


[0001]本专利技术涉及一种加工用于增材制造工件的粉末状材料的方法。特别地，本专利技术涉及一种用于预热粉末状材料的方法和一种用于熔化粉末状材料的方法。
[0002]本专利技术还涉及一种用于执行这种处理粉末状材料的方法的设备。

技术介绍

[0003]增材制造工艺(例如3D打印)的特点是，将各体积元素彼此连接以形成具有三维结构的工件，特别是通过分层结构。在此尤其采用如下方法：使用能量束，通过选择性地熔化材料的各个粉末颗粒，在粉末床中逐点逐层地将粉末状材料结合成固体的3D结构。材料的固化可以使用激光束或电子束通过对粉末颗粒的烧结、即仅部分熔化或完全熔化、然后凝固来进行。在下文中，两种变体均在术语“熔化”下理解。
[0004]通过使用电子束(选择性电子束熔化；SEBM)或激光(选择性激光熔化；SLM)选择性熔化来处理粉末状材料、特别是金属粉末，允许快速、精确可操作并且高自动化程度地制成复杂的几何形状和结构。
[0005]然而，复杂的几何形状也对过程控制提出了重大挑战，已知的扫描策略即沿着粉末床横向地引导能量束在某些情况下无法满足这一挑战。
[0006]常见的扫描策略基于沿着平行路径引导能量束。就能量而言，不考虑工件造型中的不对称性，例如拐角或锥度。这会导致热量和/或电荷载流子在工件的某些区域积聚，以及由于工艺条件或材料特性的不希望的变化而导致所产生的工件的质量受到影响。因为无论在激光工艺中还是在电子束工艺中，生产期间的大温度梯度会导致成品工件的变形现象和内应力。另一方面，如果工艺条件或材料特性受到监控，则这会导致频繁的工艺中断。
[0007]在使用电子束(SEBM)进行选择性熔化的情况下，会出现另一个问题：使用电子束处理粉末状材料会因撞击的电子而导致受照射的粉末床在位置和时间上受限的静电充电，因为例如金属粉末颗粒通常被导电性较差的氧化层包围。因此，金属粉末颗粒尽管其在内部能导电，但在电子束撞击时会充电。
[0008]充电可以达到超临界水平，并共同加速停留在电子束撞击区域中的粉末颗粒离开处理区，即在熔化过程发生之前将它们从粉末床分布到电子束设备的其他区域。这会导致材料损失和工艺中断，因为材料在达到足够的烧结程度之前就从粉末床中排出。
[0009]为了避免因粉末排出而造成的干扰情况和材料损失，根据当前的现有技术已知的是，在已经施加一层粉末状材料之后，在预热步骤中通过利用较低的能量特别是较小的电子电流沿着平行路径照射，对该层粉末状材料进行预热，以便与最终产品相比，以更小的粘附力将各个粉末颗粒彼此连接。
[0010]在第二步骤即熔化步骤中，粉末颗粒然后才横向选择性地在分别待生成的3D结构轮廓层中用电子束熔化，从而在各个粉末颗粒之间产生3D结构的对于工件的以后的使用目的而言足够的稳定性。
[0011]同样在熔化步骤中，能量束(无论是使用激光束还是电子束)沿着平行路径被指向
粉末的最上层并产生熔池，熔池然后根据照射图案线形地一起移动。
[0012]已知方法的许多缺点可以归因于不均匀的温度场，而这又取决于扫描策略。

技术实现思路

[0013]因此，本专利技术的目的是，提出一种加工用于增材制造工件的粉末状材料的方法，该方法在扫描策略方面有所改进。由此也可以优选地减少工件的不均匀性。本专利技术的目的还在于，提出一种用于处理粉末状材料的相应设备。
[0014]本专利技术的目的是通过一种加工用于增材制造工件的粉末状材料的方法来实现的，该方法包括以下步骤：
[0015]a)提供
[0016]‑
用于接纳由待加工的粉末状材料构成的粉末床的装置，以及
[0017]‑
射束发生器，其被设计用于将能量束指向粉末床的横向不同的位置；
[0018]b)将粉末状材料分层地施加到粉末床中；
[0019]c)用能量束照射粉末床中的面，其中，该面由被依次照射的二维排列的n个点P1
…
Pn组成；
[0020]其特征在于，
[0021]d)在照射该面期间至少一次使得两个彼此相继地被照射的点Pi、Pi+1彼此间隔开，从而在两个维度上至少一个另外的待照射点P1
…
Pn相应地位于彼此相继的两个被照射点Pi、Pi+1之间。
[0022]专利技术人已经认识到，在已知的粉末加工过程中，能量束通常沿着相互平行的路径被指向粉末表面上(参见图2a)。专利技术人还认识到，能量输入因此强烈地集中在刚刚处理过的点周围。通过照射粉末表面上的一个点，能量虽然通过热传导也传递到相邻区域。然而，许多过程是在真空和负压下进行的，因此散热主要局限于粉末。相反，在线形照射的情况下，额外的能量被引入已经被加热的区域中，因此产生局部的热点，因为熔池中的热传导在那里具有更大的影响。为了避免诸如粉末排出和不受控制的熔化之类的影响，因此在已知方法中经常使用无能量输入或非常低能量输入的时间段进行处理，从而延长了工艺时间。
[0023]根据本专利技术的方法解决了所描述的不均匀温度分布的问题，其方式为，逐点分布地引入能量，从而避免热量和电荷的局部累积。为此，依次照射一个面内的待照射的各点，使得在待照射点的网格上不直接相邻的点依次被照射至少一次，优选多于20次。该面的点在其网格内不会逐行和逐列地直接在彼此相继地被照射。取而代之的是，网格的点最初在两个维度上都被忽略，然后在稍后的照射扫描过程中被照射。
[0024]两个彼此依次地被照射的点的所述距离，被视为与以前的扫描策略相比绝对最低的下限，根据该距离，至少一个另外的待照射点P1
…
Pn应至少一次在两个维度上相应地位于两个彼此依次地被照射的点Pi、Pi+1之间。当然，该面内两个彼此依次地被照射的点之间的距离被选择得越大，该方法的优点于是尤其就越好。
[0025]因此，步骤d)优选地至少多于10次、优选多于20次、优选多于50次地包括：在两个彼此依次地被照射的点Pi、Pi+1之间，至少1个、优选至少5个、优选至少10个、优选至少20个点相应地位于由位于待照射面中的全部点形成的网格的两个维度上。在网格的两个维度上，中间也可以存在不同数量的起初被忽略的待照射点，例如在x方向上至少5个点，在y方
向上至少10个点。
[0026]通过这种方式，可以使被照射面受热更均匀。这是因为，引入的热能由于来回跳跃的点状分布的照射而有更多的时间分布到相应被照射点的周围，而没有因直接相邻的照射所致的局部过量的能量输入。
[0027]根据本专利技术，点或点状被认为是如下位置，即该位置被能量束照射，而能量束未因偏转线圈、坐标台移动或类似机构而主动移动。
[0028]在粉末床的待照射面中，确定有限数量的可能点。待照射点的分布的优选边界条件例如是，该面的每个点至少照射一次，或每个点恰好照射一次。
[0029]优选规定，两个相继照射的点Pi、Pi+1之间的距离的至少10％、优选至少30％、更优选至少60％，与随后相继照射的点Pi+1、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】1.一种加工用于增材制造工件(22)的粉末状材料的方法，该方法包括以下步骤：a)提供
‑
用于接纳由待加工的所述粉末状材料构成的粉末床(20)的装置(15)，以及
‑
射束发生器(12)，其被设计用于将能量束(13)指向所述粉末床(20)的横向不同的位置；b)将所述粉末状材料分层地施加到所述粉末床(20)中；c)用所述能量束(13)照射所述粉末床(20)中的面(30；30a；30b；30c)，其中，所述面(30；30a；30b；30c)由被依次照射的二维排列的n个点P1
…
Pn组成；其特征在于，在照射所述面(30；30a；30b；30c)期间至少一次使得两个彼此相继地被照射的点Pi、Pi+1彼此间隔开，从而在两个维度上至少一个另外的要被照射的点P1
…
Pn相应地位于彼此相继的两个被照射点Pi、Pi+1之间。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，两个相继照射的点Pi、Pi+1之间的距离的至少10％、优选至少30％与随后相继照射的点Pi+1、Pi+2之间的距离不同。3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤c)中随机地、伪随机地或准随机地选择下一个待照射点Pi+1。4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，步骤c)是加热步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：托尔斯滕，
申请(专利权)人：波宾股份有限及两合公司，
类型：发明
国别省市：