選擇性激光熔融系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】
【背景技術(shù)】
[0001]本發(fā)明所描述的主題總體涉及增材制造領(lǐng)域。具體地說，所述主題涉及增材制造環(huán)境中的激光束轉(zhuǎn)向控制。
[0002]增材制造是指一類制造方法，其特征在于以下事實(shí):完成零件是通過逐層構(gòu)造多個(gè)薄的材料片形成。增材制造可涉及將液體或粉末材料應(yīng)用到工序，然后進(jìn)行燒結(jié)、固化、熔融和/或切割的某種組合以形成層。重復(fù)所述過程多達(dá)數(shù)千次，從而構(gòu)造所期望的完成部件或制品。
[0003]已知各種類型的增材制造。實(shí)例包括立體光刻(從固化的感光液體層來增材制造物體)、電子束熔融(使用粉末作為原料并且使用電子束選擇性地將粉末熔融)、激光增材制造(使用粉末作為原料并且使用激光選擇性地將粉末熔融)、以及激光物體制造(將薄的實(shí)體材料片應(yīng)用在工序上并且使用激光來切割不需要的部分)。
[0004]在增材制造中，常規(guī)設(shè)備利用檢流計(jì)型掃描器來以X-Y線性取向熔融粉末層。這種線性路徑被分解成較小的區(qū)段，稱為光柵。這導(dǎo)致掃描路徑的不連續(xù)性，并且產(chǎn)生小但顯著的其間具有未熔融粉末的區(qū)域，所述區(qū)域操作為完成零件中的應(yīng)力集中源。已經(jīng)嘗試了連續(xù)的參數(shù)掃描路徑，但這通常需要激光的大量且高精度的多軸運(yùn)動(dòng)，并且在常規(guī)增材制造設(shè)備中，仍然必須利用笛卡爾坐標(biāo)來控制所述路徑。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]一種增材制造設(shè)備包括激光束發(fā)生器、與激光束發(fā)生器間隔開的構(gòu)建表面、以及沿激光束發(fā)生器與構(gòu)建表面之間的束行進(jìn)路徑設(shè)置的相鄰的第一光學(xué)元件和第二光學(xué)元件。第一光學(xué)元件可圍繞束轉(zhuǎn)向軸旋轉(zhuǎn)，并且第二光學(xué)元件可獨(dú)立于第一光學(xué)元件圍繞束轉(zhuǎn)向軸旋轉(zhuǎn)。
[0006]一種操作增材制造設(shè)備的方法包括將原材料提供到沿X-Y平面設(shè)置的構(gòu)建表面。在與構(gòu)建位置間隔開的束起始位置處產(chǎn)生激光束。激光束被引導(dǎo)穿過第一光學(xué)元件和沿束起始位置與構(gòu)建位置之間的束行進(jìn)路徑設(shè)置的相鄰的第二光學(xué)元件。第一光學(xué)元件可圍繞束轉(zhuǎn)向軸旋轉(zhuǎn)，并且第二光學(xué)元件可獨(dú)立于第一光學(xué)元件圍繞束轉(zhuǎn)向軸旋轉(zhuǎn)。激光束從第二光學(xué)元件被引導(dǎo)到構(gòu)建表面。
[0007]附圖簡述
[0008]圖1示意性地描繪增材制造設(shè)備。
[0009]圖2示出用于示例性激光粉末沉積機(jī)的束轉(zhuǎn)向組件。
[0010]圖3A是呈第一配置的束轉(zhuǎn)向組件的截面圖。
[0011]圖3B是呈第二配置的束轉(zhuǎn)向組件的截面圖。
[0012]圖3C是呈第三配置的束轉(zhuǎn)向組件的截面圖。
[0013]圖4示出相對于束轉(zhuǎn)向軸的示例性掃描路徑。
[0014]圖5示出用于操作增材制造設(shè)備的方法的步驟。
【具體實(shí)施方式】
[0015]粉末床沉積設(shè)備可包括束轉(zhuǎn)向組件，所述束轉(zhuǎn)向組件包括至少一個(gè)光學(xué)元件，所述至少一個(gè)光學(xué)元件具有垂直于X-Y平面的一個(gè)表面和相對于X-Y平面傾斜的另一個(gè)表面。在某些實(shí)施例中，束轉(zhuǎn)向組件可包括Risley棱鏡，所述棱鏡具有各自可圍繞束轉(zhuǎn)向軸旋轉(zhuǎn)的第一楔形棱鏡和第二楔形棱鏡。束轉(zhuǎn)向軸可垂直于工作表面或構(gòu)建表面。
[0016]圖1是增材制造過程的示意圖。過程10包括制造室12，所述制造室12包含通過增材制造生產(chǎn)實(shí)體自由成形物體的裝置。實(shí)施例包括通過以下方法制造物體的設(shè)備:直接激光燒結(jié)(DLS)制造、直接激光熔融(DLM)制造、選擇性激光燒結(jié)(SLS)制造、選擇性激光熔融(SLM)制造、激光工程化凈成形(LENS)制造、電子束熔融(EBM)制造、直接金屬沉積(DMD)制造以及本領(lǐng)域中已知的其他方法。
[0017]通過制造控制系統(tǒng)14和束轉(zhuǎn)向控制器16來控制制造?？刂破?4、16可以是單獨(dú)的或整合的，并且可彼此通信并且與裝置20通信?？刂葡到y(tǒng)14、16可以允許對制造室12中的增材制造過程進(jìn)行全自動(dòng)、半自動(dòng)或手動(dòng)控制。制造室12可具備生產(chǎn)具有結(jié)構(gòu)完整性、尺寸精確性和所需的表面光潔度的無缺陷實(shí)體自由成形物體所需的環(huán)境。在某些實(shí)施例中，可能需要保護(hù)性分壓或真空氣氛。這可受制造控制系統(tǒng)14或單獨(dú)的環(huán)境控制器(未示出)的控制。
[0018]圖1中示出設(shè)備10的非限制性的示例性實(shí)施例，其中示出選擇性激光燒結(jié)(SLS)裝置20容納在制造室12中。SLS裝置20包括粉末儲(chǔ)存室22、構(gòu)建平臺24、能量束發(fā)生器26、反射鏡28和束轉(zhuǎn)向設(shè)備30。在SLS裝置20的操作期間，粉末32通過活塞34被向上饋送并且通過輥或再涂覆器葉片38散布在構(gòu)建表面36上。在粉末32被散布到構(gòu)建表面36上之后，能量束發(fā)生器26被激活來沿束路徑40引導(dǎo)激光束或電子束39。在此，束39沿路徑40從發(fā)生器26朝向反射鏡28被引導(dǎo)并且進(jìn)入束轉(zhuǎn)向設(shè)備30。如下文更詳細(xì)地解釋，束轉(zhuǎn)向設(shè)備30包括適于接收入射束39并且使其在構(gòu)建表面36上轉(zhuǎn)向的至少一個(gè)可連續(xù)旋轉(zhuǎn)的光學(xué)元件。束39的轉(zhuǎn)向使粉末32的選擇性區(qū)域燒結(jié)，從而根據(jù)存儲(chǔ)在STL內(nèi)存文件中的物體44的計(jì)算機(jī)模型來形成實(shí)體物體44的單個(gè)構(gòu)建層42，并且從而將燒結(jié)的區(qū)域附著到底層平臺(或前面的構(gòu)建層)。輥或再涂覆器38返回到起始位置，活塞34前進(jìn)以暴露另一層粉末并且構(gòu)建平臺24向下移動(dòng)一個(gè)層厚度，并且針對每個(gè)連續(xù)的構(gòu)建表面36重復(fù)所述過程直到實(shí)體自由成形物體44完成。SLS裝置20僅是實(shí)體自由成形制造設(shè)備的一個(gè)實(shí)例，并且不意圖使本發(fā)明限于本領(lǐng)域中已知的任何單個(gè)機(jī)器。
[0019]在某些實(shí)施例中，可省略反射鏡28。在某些其他實(shí)施例中，束發(fā)生器26和任選的反射鏡28可結(jié)合到束轉(zhuǎn)向設(shè)備30中。在圖1的實(shí)例中，形成每個(gè)構(gòu)建層42并且將其附著在沿X-Y平面設(shè)置的構(gòu)建位置處，所述構(gòu)建位置與激光束發(fā)生器26間隔開。束轉(zhuǎn)向組件30的中心軸和/或束轉(zhuǎn)向軸沿束行進(jìn)路徑40設(shè)置，以便沿路徑40引導(dǎo)束39并且使其穿過束轉(zhuǎn)向組件30。束轉(zhuǎn)向組件30 (圖2中所示)的可連續(xù)旋轉(zhuǎn)的光學(xué)元件可被控制來在每個(gè)相繼的構(gòu)建表面36上以連續(xù)參數(shù)或其他非線性掃描路徑使束39選擇性地轉(zhuǎn)向。隨后的圖中示出束轉(zhuǎn)向組件30的實(shí)例。
[0020]圖2示出束轉(zhuǎn)向組件30，其具有第一光學(xué)元件46和相鄰于所述第一光學(xué)元件46設(shè)置的第二光學(xué)元件48。每個(gè)光學(xué)元件可圍繞束轉(zhuǎn)向軸50連續(xù)旋轉(zhuǎn)并且保持在外殼或殼體52中。光學(xué)元件46、48的相對和絕對旋轉(zhuǎn)速度被控制來形成用于選擇性地熔融粉末32(圖1中所示)的連續(xù)參數(shù)或其他非線性掃描路徑。
[0021]常規(guī)增材制造設(shè)備利用檢流計(jì)型掃描器來熔融在線性或X-Y取向上的粉末層。這種線性路徑被分解成較小的區(qū)段，稱為光柵。這導(dǎo)致掃描路徑的不連續(xù)性，并且產(chǎn)生小但顯著的其間具有未熔融粉末的區(qū)域(具體地，在表面正下方)，所述區(qū)域操作為完成零件中的應(yīng)力集中源。已經(jīng)嘗試了使用常規(guī)光柵移動(dòng)的連續(xù)參數(shù)掃描路徑，但這仍然需要將非線性路徑分解成激光設(shè)備、透鏡和/或反射鏡的極小X-Y移動(dòng)。這是因?yàn)槌Ｒ?guī)的增材制造設(shè)備需要利用笛卡爾坐標(biāo)控制轉(zhuǎn)向設(shè)備，即使是在嘗試使束以非線性方式轉(zhuǎn)向時(shí)。
[0022]此處，光學(xué)元件46、48被支撐到外殼52并且可例如通過包括相應(yīng)轉(zhuǎn)子54、56和定子58的專用有刷或無刷電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)。取決于具體配置，轉(zhuǎn)子54、56可由任何合適類型的軸承(未示出)來支撐。
[0023]在某些實(shí)施例中，光學(xué)元件46、48形成Risley棱鏡。在這些實(shí)施例的某些中，第二楔形棱鏡可大于第一楔形棱鏡。可以這樣做以確保整個(gè)束以各種偏轉(zhuǎn)角穿過兩個(gè)光學(xué)元件46、48。美國馬薩諸塞州斯菲爾德市的Optra公司制造了用于激光制導(dǎo)系統(tǒng)、障礙回避、光學(xué)通信和激光加工的若干基于Risley棱鏡的緊湊設(shè)備。此類設(shè)備已知還未在先前的增材制造設(shè)備或過程中成功適用或?qū)嵤?br>[0024]圖3A-3C各自示出基于第一光學(xué)元件46和第二光學(xué)元件48的瞬時(shí)定位的束轉(zhuǎn)向角。第一光學(xué)元件46和第二光學(xué)元件48可彼此相位偏移，從而將入射束62轉(zhuǎn)變成出射束或轉(zhuǎn)向束64。
[0025]在這個(gè)實(shí)例中，第一光學(xué)元件46是楔形棱鏡，其包括第一束輸入表面66和第一束輸出表面68，每個(gè)表面均與束轉(zhuǎn)向軸50相交。第一束輸入表面66相對于第一束輸出表面68傾斜，所述第一束輸出表面68可垂直于X-Y平面設(shè)置。類似地，第二光學(xué)元件48包括第二束輸入表面72和第二束輸出表面74，每個(gè)表面也與束轉(zhuǎn)向軸50相交。第一束輸入表面66可適于通過(例如，沿圖1中所示的束路徑40從激光束發(fā)生器26和/或反射鏡28)面向入射激光束來接收入射束62。同時(shí)，第二束輸出表面74可面向同樣在圖1中示出的構(gòu)建位置24。
[0026]第一束輸入表面66和第一束輸出表面68占據(jù)相應(yīng)的第一束輸