[发明专利]用于校准激光加性制造过程的新颖方法

说明书

技术领域

本发明在用于制造对象的基于激光的加性制造过程的领域中。特别地，本发明涉及一种在构建过程期间校准激光器和扫描仪延时，特别是激光器扫描开始和停止的过程。该新颖的校准过程将减小操作者变化并使得扫描过程标准化，从而导致复杂几何对象的更精确的制造。

背景技术

与减性(subtractive)制造方法形成对照，加性制造(AM)过程通常涉及一个或多个材料的积聚，其用来制作净形或者近净形(NMS)对象。虽然“加性制造”是工业标准术语(ASTM F2792)，但是AM囊括在多种名称下已知的各种制造和原型制作技术，包含自由成型制作、3D印刷、快速原型制作/加工等。AM技术能够根据各种各样的材料来制作复合组件。通常，独立对象能够根据计算机辅助设计(CAD)模型来制作。一种特定类型的AM过程使用能量束、例如电子束或电磁辐射(例如激光束)来烧结或熔融粉末材料，从而创建固体三维对象，其中粉末材料的微粒结合在一起。例如工程塑料、热塑弹性体、金属和陶瓷的不同材料系统被使用。激光烧结或熔融是一种用于功能原型和工具的快速制作的著名AM过程。应用包含复杂加工件、熔模铸造的图案、注射模塑和拉模铸造的金属铸型以及砂型铸造的铸型和型芯的直接制造。用来增强设计周期期间的概念的传递和测试的原型对象的制作是AM过程的其他的常见使用。

选择性激光烧结、直接激光烧结、选择性激光熔融和直接激光熔融是用来表示通过使用激光束烧结或熔融细粉来产生三维(3D)对象的常见工业术语。例如，美国专利号4863538和美国专利号5460758描述常规激光烧结技术。更准确来说，烧结需要在低于粉末材料的熔点的温度下熔合(凝聚)粉末的微粒，而熔融需要完全熔融粉末的微粒，以形成固体均质体。与激光烧结或激光熔融关联的物理过程包含到粉末材料的热传递，并且然后烧结或熔融粉末材料。虽然激光烧结和熔融过程能够应用于宽范围的粉末材料，但是尚未充分理解生产路线(route)的科学和技术方面、例如烧结或熔融速率以及在层制造过程期间的处理参数对微结构演进的影响。这种制作方法伴随有热、质量和动量传递的多种模式以及使过程极为复杂的化学反应。

图1是示出示范常规激光加性制造系统100的截面图的示意图。设备100通过使用由源、例如激光器120所生成的能量束136烧结或熔融粉末材料(未示出)按照逐层方式来构建对象、例如部件122。将要由能量束所熔融的粉末由贮存器126来供应，并且使用重涂器臂116均匀遍布于构建板114之上，以将粉末保持在水平118处，并且将延伸于粉末水平118上方的多余粉末材料移除到废物容器128。能量束136烧结或熔融在检流计扫描仪132的控制下构建的对象的截面层。降低构建板114，并且另一个粉末层遍布于构建板和所构建的对象之上，后面是由激光器120对粉末的连续熔融/烧结。该过程重复进行，直到部件122由熔融/烧结的粉末材料完全构成。激光器120可由包含处理器和存储器的计算机系统来控制。计算机系统可确定每层的扫描图案，并且控制激光器120按照扫描图案或″标记(mark)″来辐照粉末材料。在部件122的制作完成之后，各种后处理规程可应用于部件122。后处理规程包含通过例如吹风或真空处理来移除多余(access)粉末。其他后处理规程包含应力释放过程。另外，热、机械和化学后处理规程能够用来抛光部件122。

跨粉末材料的激光的扫描或标记例如以光栅扫描方式进行，以创建阴影线扫描(hatch scan)(其形成部件截面的大部分)和/或轮廓扫描(contour scan)(其略述部件截面边缘)，熔融被关断时在其中那个层中不预期对象截面的熔融形成的那个区域中的粉末。这些阴影线扫描沿着相邻的线重复以形成将构建的对象的单个熔融和熔合截面，而轮廓扫描创建部件的离散边界或边缘。一旦正在构建的对象的一个截面的熔融形成完成，设备则在所完成的截面表面上涂敷附加的粉末层。重复该过程直到对象完成。