操作辐照系统的方法、辐照系统和具有偏振控制的用于生产三维工件的设备技术方案

在操作用于用激光辐射辐照原材料粉末的多个层以生产三维工件(110)的辐照系统(10)的方法中，用线偏振激光辐射选择性地辐照施加到承载件(102)上的原材料粉末层(11)的至少一部分。根据线偏振激光辐射在原材料上的入射平面的取向来控制线偏振激光辐射的偏振平面的取向。向。向。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】操作辐照系统的方法、辐照系统和具有偏振控制的用于生产三维工件的设备


[0001]本专利技术涉及一种操作辐照系统的方法，该辐照系统用于用激光辐射辐照原材料粉末的多个层以生产三维工件。此外，本专利技术涉及这种辐照系统。最后，本专利技术涉及一种用于生产三维工件的设备。

技术介绍

[0002]粉末床熔融是一种分层增材工艺，通过该工艺可以将粉状、特别是金属和/或陶瓷原材料加工成复杂形状的三维工件。为此，将原材料粉末层施加到承载件上，并根据要生产的工件的期望几何形状以位点选择的方式进行激光辐照。穿入粉末层中的激光辐射引起原材料粉末颗粒的加热并因此引起熔化或烧结。然后，将进一步的原材料粉末层依次施加到承载件上的已经经过激光处理的层上，直到工件具有所需的形状和尺寸。基于CAD数据，粉末床熔融可用于生产或修复原型件、工具、替换部件、高价值部件或医疗假体，例如牙科或整形外科假体。
[0003]如WO 2019/141381 A1中所述的用于通过粉末床熔融生产三维工件的示例性设备包括：被构造为接收多层原材料的承载件，和被构造为将激光辐射选择性地辐照到承载件上的原材料上以生产工件的辐照单元。辐照单元设置有空间光调制器，该空间光调制器被配置为将激光束分成至少两个子束。为了向空间光调制器提供线偏振激光束，在空间光调制器的上游提供执行激光束的线偏振的偏振装置。
[0004]在粉末床熔融设备的承载件上构建三维工件时，对撞击到原材料粉末上的激光辐射的吸收导致原材料粉末熔化和/或烧结，从而产生熔化的原材料的熔池。此外，原材料的蒸发导致形成蒸气毛细管，激光束通过该蒸气毛细管进入原材料的更深区域。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种操作辐照系统的方法和这种辐照系统，该辐照系统用于利用激光辐射辐照原材料粉末的多个层以生产三维工件，该方法和辐照系统允许高效生产高质量工件。此外，本专利技术涉及一种用于生产三维工件的设备，该设备配备有允许高效生产高质量工件的辐照系统。
[0006]在操作用于利用激光辐射辐照原材料粉末层以生产三维工件的辐照系统的方法中，用线偏振激光辐射选择性地辐照施加到承载件上的原材料粉末层的至少一部分。原材料粉末层可以通过粉末施加装置施加到承载件的表面上，该粉末施加装置移动穿过承载件以分配原材料粉末。承载件可以是刚性固定的承载件。然而，优选地，承载件被设计为可在竖直方向上移位，使得当从原材料粉末分层构建工件时，随着工件的构造高度的增加，承载件可以沿竖直方向向下移动。此外，承载件可以设置有冷却装置和/或加热装置，其被配置为冷却和/或热承载件。
[0007]承载件和粉末施加装置可以容纳在处理室中，该处理室对于周围大气环境是可密
封的。通过经由气体入口将气流引入处理室内，可以在处理室内建立惰性气体环境。在被引导通过处理室并穿过施加在承载件上的原材料粉末层之后，气流可以从处理室经由气体出口排出。施加在处理室内的承载件上的原材料粉末优选是金属粉末，特别是金属合金粉末，但也可以是陶瓷粉末或含有不同材料的粉末。该粉末可以具有任何合适的颗粒尺寸或颗粒尺寸分布。然而，优选地，处理颗粒尺寸小于100μm的粉末。
[0008]辐照系统可以包括发射至少一个线偏振激光束的激光束源。特别地，辐照系统的激光束源可以发射波长为532nm的线偏振激光，即“绿色”激光。然而，还可以想到的是，辐照系统的激光束源发射至少一个随机偏振(即，非偏振)激光束，该激光束通过合适的偏振装置(例如，偏振器或偏振分束器立方体)转换成线偏振激光束。如果使用一个或多个分束器立方体将激光束分成具有不同偏振的两个或更多个部分光束，则可以仅使用一个部分光束作为辐照光束，同时阻挡其他部分光束。可替换地，一个或多个部分光束可以被引导到一个或更多个增材制造设备中的不同辐照系统。附加地或可替换地，可以修改一个或多个部分光束，特别是可以改变其偏振。附加地或可替换地，多个光束可以被修改以获得相同的偏振，并且可以在共同引导到辐照系统之前被组合。
[0009]辐照系统可以用单个激光束辐照原材料粉末层。然而，也可以设想，辐照系统将两个或更多个激光束辐照到原材料粉末层上。在辐照系统用两个或更多个激光束辐照原材料粉末层的情况下，至少一个激光束可以是线偏振激光束，并且至少一个另外的激光束可以为随机偏振激光束、径向偏振激光束和/或方位角偏振激光束。通过辐照系统辐照到原材料粉末层上的多个激光束可以由激光束源的合适的子单元发射。
[0010]辐照系统还可以包括至少一个光学单元，该光学单元用于分裂、引导和/或处理由激光束源发射的至少一个激光束。光学单元可以包括光学元件，例如物镜和扫描器单元，扫描器单元优选地包括衍射光学元件和偏转镜。
[0011]在操作辐照系统的方法中，根据线偏振激光辐射在原材料上的入射平面的取向来控制线偏振激光辐射的偏振平面的取向。此处使用的术语“偏振平面”是指由入射激光束的传播矢量和电磁激光波的电场矢量限定的平面，因此与电磁激光波的电场的振动平面重合。本文中使用的术语“入射平面”是指由入射激光束的传播矢量和与被入射激光束撞击的原材料表面相垂直延伸的表面法线限定的平面。
[0012]线偏振激光辐射的偏振平面相对于线偏振激光辐射在原材料上的入射平面的取向对原材料吸收激光能量具有强烈的影响。因此，通过根据线偏振激光辐射在原材料上的入射平面来控制偏振平面的取向，可以控制原材料对线偏振激光的能量的吸收。
[0013]通过考虑并积极控制原材料对激光能量的吸收，可以实现在生产三维工件时改进的工艺稳定性。此外，通过以可控的方式增加激光能量的吸收，可以提高工艺生产率。因此，可以以特别有效的方式生产高质量的工件。此外，目前难以通过激光或烧结/熔化处理的诸如Cu和Cu合金之类的材料，可以通过用线偏振激光辐射辐照相应的原材料粉末，同时根据线偏振激光辐射在原材料上的入射平面的取向来控制线偏振激光辐射的偏振平面的取向而变得可处理。
[0014]在操作辐照系统的方法的优选实施例中，根据线偏振激光辐射在原材料上的入射平面的取向来控制线偏振激光辐射的偏振平面的取向，使得偏振平面基本上平行于入射平面取向。换句话说，相对于线偏振激光辐射在原材料上的入射平面的取向来控制线偏振激
光辐射的偏振平面的取向，使得达到p
‑
pol状态。
[0015]在p
‑
pol状态中，原材料对线偏振激光辐射的能量的吸收通常高于在s
‑
pol状态原材料对线偏振激光辐射的能量的吸收，其中偏振平面垂直于入射平面延伸。此外，p
‑
pol状态下的线偏振激光辐射的吸收通常也高于随机偏振激光辐射的吸收。因此，通过相对于入射平面的取向控制偏振平面的取向，使得达到p
‑
pol状态，可以以可控的方式增加对激光能量的吸收。
[0016]优选地，根据线偏振激光辐射在毛细管的内壁表面上的入射平面的取向来控制线偏振激光辐射的偏振平面的取向，毛细管从原材料粉末层的表面延伸到原材料粉末层的体积中并且由于线偏振激光辐射与原材料本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种操作辐照系统(10)的方法，所述辐照系统用于用激光辐射辐照原材料粉末的多个层以生产三维工件(110)，其中用线偏振激光辐射选择性地辐照施加到承载件(102)上的原材料粉末层(11)的至少一部分，并且其中，根据所述线偏振激光辐射在原材料上的入射平面的取向来控制所述线偏振激光辐射的偏振平面的取向。2.根据权利要求1所述的方法，其中，根据所述线偏振激光辐射在原材料上的入射平面的取向来控制所述线偏振激光辐射的偏振平面的取向，使得所述偏振平面基本上平行于所述入射平面定向。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，根据所述线偏振激光辐射在毛细管(24)的内壁表面(26)上的入射平面的取向来控制所述线偏振激光辐射的偏振平面的取向，所述毛细管从所述原材料粉末层(11)的表面(28)延伸到所述原材料粉末层(11)的体积中，并且由于所述线偏振激光辐射与原材料的相互作用而形成。4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，在根据所述线偏振激光辐射在原材料上的入射平面的取向来控制所述线偏振激光辐射的偏振平面的取向时，所述线偏振激光辐射的偏振平面的取向根据所述线偏振激光辐射扫描过所述原材料粉末层(11)的扫描方向(S)而更新。5.根据权利要求4所述的方法，其中，基于对扫描图案的分析来更新所述线偏振激光辐射的偏振平面的取向，根据所述扫描图案将线偏振激光辐射束(14a，14b)引导穿过所述原材料粉末层(11)，其中，对所述扫描图案的分析在开始生产所述三维工件(110)之前进行和/或在生产所述三维工件(110)期间原位进行。6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，根据线偏振激光辐射束(14a，14b)在原材料上的入射角(α)来控制所述线偏振激光辐射束(14a，14b)的功率、焦点直径和焦点形状中的至少一个，和/或将所述线偏振激光辐射束(14a，14b)引导穿过所述原材料粉末层(11)所根据的扫描图案、扫描速度、扫描方向(S)和扫描模式中的至少一个，和/或被引导穿过所述原材料粉末层(11)的气体流的至少一个参数。7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，线偏振激光辐射束(14a，14b)根据如下扫描策略扫描过所述原材料粉末层(11)，在所述扫描策略中，在扫描指向与第一矢量方向不同的第二矢量方向的至少一个扫描矢量之前，连续扫描指向所述第一矢量方向的多个扫描矢量。8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，用线偏振激光辐射选择性地辐照所述原材料粉末层(11)的第一部分，并且用随机激光辐射、径向偏振激光辐射和/或方位角偏振激光辐射选择性地辐照所述原材料粉末层(11)的第二部分。9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述原材料粉末层(11)的所述第一部分是通过选择性地辐照所述原材料粉末层(11)而产生的工件层的填充部分，和/或，其中所述原材料粉末层(11)的所述第二部分是通过选择性地辐照所述原材料粉末层(11)而产生的工件层的轮廓部分。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中，多个线偏振激光辐射束(14a，14b)根据如下策略扫描过所述原材料粉末层(11)的重叠部分，在所述扫描策略中，根据同一扫描模式扫描所有扫描矢量。11.一种用于用激光辐射辐照多个原材料粉末层以生产三维工件(110)的辐照系统(10)，其中，所述辐照系统(10)被配置为用线偏振激光辐射选择性地辐照施加到承载件(102)上的原材料粉末层(11)的至少一部分，并且其中所述辐照系统(10)...

【专利技术属性】
技术研发人员：克里斯多夫，
申请(专利权)人：SLM方案集团股份公司，
类型：发明
国别省市：