用于生產具有定制微觀結構的工件的裝置和方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及用于通過用電磁或粒子福射照射原材料粉末層來生產具有定制微觀 結構的=維工件的裝置和方法。
【背景技術】
[0002] 選擇性激光烙化或激光燒結為加層工藝，粉狀的特別是金屬和/或陶瓷的原材料 可通過該加層工藝加工成復雜形狀的=維工件。為此，原材料粉末被施加于載架上并根據(jù) 待生產的工件的期望幾何形狀W選區(qū)方式經(jīng)受激光福射。穿透至粉末層中的激光福射引起 原材料粉末顆粒的加熱W及由此引起其烙化或燒結。另外的原材料粉末層隨后被相繼施加 于載架上已經(jīng)經(jīng)受激光處理的層，直到工件已經(jīng)具備期望形狀和尺寸。選擇性激光烙化或 激光燒結可特別用于基于CAD數(shù)據(jù)生產原型、工具、替代部件或醫(yī)學假體（諸如，牙齒或整 形假體）。
[0003]用于通過選擇性激光烙化由粉狀原材料生產模制體的裝置例如在EP1793979A1 中被描述?，F(xiàn)有技術的裝置包括處理室，該處理室被維持在保護氣體氣氛下并容納用于待 制造的成形體的多個載架。粉末層制備系統(tǒng)包括粉末存儲保持器，該粉末存儲保持器可通 過主軸驅動橫向于載架往復移動。處理室由豎向隔離壁被分隔為多個處理室隔間。照射設 備包括激光，其經(jīng)由光纖波導為光束偏轉設備提供激光福射。由光束偏轉設備偏轉的激光 束通過F-theta透鏡聚焦于在特定載架上最后制備的粉末層上。如果在各個處理室隔間中 使用的粉末材料不同，則用于每個隔間的激光福射的福射強度可單獨調節(jié)，W便考慮粉末 的不同材料性能。W相應的方式，照射波長也可W改變，并且可選地，光譜可調激光或不同 發(fā)射波長的多個激光可用于照射不同的處理室隔間中的粉末層。
[0004]EP2335848A1公開了通過用激光福射照射原材料粉末的粉末層來生產工件的裝 置，該裝置包括光學照射設備W及分光單元和/或光禪合單元，該光學照射設備被配備有 用于引導并聚焦第一激光束的光路的光學部件。分光單元和/或光禪合單元被設計為將第 一激光束分裂為至少兩個激光子光束和/或將第二激光束禪合到第一激光束的光路中。為 了將第一激光束分裂為至少兩個激光子光束，分光單元和/或光禪合單元或者分光單元和 /或光禪合單元中的分光單元可包括例如布置在第一激光束的光路中并能夠通過分裂第一 激光束而產生第一激光束的第一射束輪廓（橫截面輪廓）的衍射光學元件。對于每個激光 子光束的射束輪廓和由所有激光子光束形成的第一激光束的整體射束輪廓，可W想到多種 構造。
[0005] 例如，通過衍射光學元件生產的每個激光子光束可具有高斯強度分布的圓形射束 輪廓。在運種射束輪廓中，光束的最高強度在圓形激光子射束輪廓的中屯、處并根據(jù)高斯分 布向外降低。還可W想到每個激光子光束具有環(huán)形射束輪廓（所謂的多納圈射束輪廓）。
[0006] 金屬工件的熱性能和機械性能通常主要取決于工件的微觀結構。例如，單晶金屬 材料，特別是不誘鋼或者儀、鉆或鐵基超合金，即使在高溫下也顯示優(yōu)異的機械、化學和熱 性能。運些材料因此通常用于制造經(jīng)受高機械載荷和熱載荷的部件，諸如例如滿輪葉片或 發(fā)動機部件。

【發(fā)明內容】

[0007] 因此，本發(fā)明旨在提供一種裝置和方法，其允許定制通過用電磁或粒子福射照射 原材料粉末層生產的=維工件的微觀結構。
[0008] 該目的通過如權利要求1所限定的裝置W及具有權利要求8的特征的方法而被實 現(xiàn)。
[0009] -種用于生產=維工件的裝置包括載架和用于將原材料粉末施加于載架上的粉 末施加設備。原則上，載架可為剛性固定載架。然而，優(yōu)選地，載架被設計為能沿豎向方向 移位，使得隨著工件由原材料粉末成層建造而具有增加的構造高度，載架可沿豎向方向向 下移動。原材料粉末優(yōu)選為金屬粉末，特別是金屬合金粉末，但是也可W是陶瓷粉末或者包 含不同材料的粉末。粉末可W具有任何合適的粒度或者粒度分布。然而，優(yōu)選的是處理粒 度<lOOym的粉末。
[0010] 該裝置進一步包括照射設備，用于將電磁或粒子福射選擇性地照射到施加于載架 上的原材料粉末上。因此，施加于載架上的原材料粉末可W根據(jù)待生產的工件的期望幾何 形狀W選區(qū)方式經(jīng)受電磁或粒子福射。照射設備優(yōu)選適于將福射照射到原材料粉末上，運 引起所述原材料粉末顆粒的選區(qū)烙化。
[0011] 最后，該裝置包括控制單元，該控制單元適于根據(jù)原材料粉末的結晶行為控制粉 末施加設備和照射設備的操作，W便定制通過加層構造（additivelayerconstruction) 方法由所述原材料粉末制成的工件的微觀結構。因此，該裝置可用于制造具有期望微觀結 構的工件。通過定制工件的微觀結構，可W制造具有特定機械性能、熱性能、電性能或化學 性能的工件。例如，可W獲得具有大致單晶或定向/枝狀凝固并由此特別在高溫時顯示高 的機械阻力、化學阻力和熱阻力的微觀結構。
[0012] 在本申請的上下文中，"大致單晶或定向/枝狀凝固微觀結構"可為實際上為單晶 的微觀結構，即，不包括任何晶界。然而，用語"大致單晶或定向/枝狀凝固微觀結構"應該 也涵蓋在具有優(yōu)選定向的晶粒之間具有晶界的微觀結構，即其中晶界沿優(yōu)選方向彼此大致 平行地延伸的微觀結構。運種微觀結構典型地通過金屬烙體的定向凝固而獲得。
[0013] 烙體（特別是金屬烙體）的結晶行為例如可由所謂的V-G圖描述，其中典型地W 雙對數(shù)尺度繪制凝固或晶體生長速度V與溫度梯度G。如本領域眾所周知的且例如在由 J.化化nt在《材料科學與工程》1984年第65卷第75-83頁中發(fā)表的名稱為"枝晶與共晶 的穩(wěn)態(tài)柱狀及等軸生長"的文獻中描述的，對于任何期望的材料，可測量并計算V-G圖。在 V-G圖內，V-G組合的不同區(qū)域與凝固的烙體的不同微觀結構性能關聯(lián)。例如，高的凝固或 晶體生長速度和低的溫度梯度導致多晶麵狀微觀結構的發(fā)展，而低的凝固或晶體生長速度 與由于高的溫度梯度引起的烙體的（局部）過冷卻組合導致枝晶和單晶的形成。
[0014] 用于生產=維工件的裝置的控制單元于是適于W如下方式控制粉末施加設備和 照射設備的操作：根據(jù)原材料粉末的類型，在通過用電磁或粒子福射照射粉末產生的烙體 中出現(xiàn)的凝固或晶體生長速度和溫度梯度的適當組合被獲得，W便產生期望的微觀結構， 即或者為多晶麵狀微觀結構，或者為包括大致枝晶和/或單晶的定向凝固微觀結構。
[0015] 照射設備可包括至少一個福射源（特別是激光源）W及引導和/或處理由該福射 源發(fā)射的福射束的至少一個光學單元。福射源可包括發(fā)射大約1070至lOSOnm波長的激光 的二極管累浦的滲鏡光纖激光器。光學單元可包括諸如物鏡（特別是f-theta鏡頭）和掃 描器單元之類的光學元件，掃描器單元優(yōu)選包括衍射光學元件和偏轉鏡。例如，照射設備可 為如EP2335848A1中描述的照射設備。
[0016] 用于生產=維工件的裝置的控制單元優(yōu)選適于控制福射源和光學單元中的至少 一個，W根據(jù)原材料粉末的結晶行為調節(jié)福射源和/或光學單元的至少一個操作參數(shù)，W 便定制通過加層構造方法由原材料粉末制成的工件的微觀結構。換言之，控制單元可適于 W如下方式控制福射源和/或光學單元的操作：根據(jù)原材料粉末的類型，在通過用電磁或 粒子福射照射粉末產生的烙體中出現(xiàn)的凝固或晶體生長速度和溫度梯度的適當組合被獲 得，W便產生期望的微觀結構。
[0017] 例如，可通過控制單元控制的福射源和/或光學單元的操作參數(shù)可包括：照射到 施加于載架上的原材料粉末上的福射束的射束尺寸（特別是射束直徑）W及照射到施加于 載架上的原材料粉末上的福射束的射束輪廓。例如，福射束