CN118871233A - 粉末床熔合中的能量束曝光 - Google Patents

Abstract

一种粉末床熔合增材制造方法，包括将粉末床的层曝露于能量束以选择性地熔化每个层的至少一个区域，其中能量束沿着扫描路径行进以使用脉冲曝光来熔化至少一个区域的材料。脉冲曝光的初始脉冲和/或结束脉冲可以具有比初始脉冲和结束脉冲之间的中间脉冲的脉冲持续时间更短的脉冲持续时间。

Description

粉末床熔合中的能量束曝光

技术领域

本发明涉及粉末床熔合中的能量束曝光，特别涉及脉冲曝光。

背景技术

在粉末床熔合中，将粉末层沉积在构建室中的粉末床上，并且跨越粉末层的与正在构造的工件的截面(剖切面)相对应的部分用能量束(比如激光束或电子束)扫描。能量束将粉末熔化以便形成固化层。在层的选择性固化之后，使粉末床降低新固化的层的厚度，并且根据需要在表面上铺展另一层粉末并使其固化。在单次构建中，可以构建不只一个部件，这些部件在粉末床中间隔开。已知利用一个以上的能量束同时熔化粉末层。

通常沿着扫描路径用能量束扫描。能量束沿着扫描路径的扫描可以处于连续模式，在该连续模式下，将能量束的强度增加到足以熔化粉末的强度水平并且沿扫描路径引导的点具有保持处于这个水平的强度(下文称为“连续曝光”)。在替代性脉冲模式下，能量束作为脉冲串发射，其中每个脉冲被引导到沿扫描路径的不同区域(下文称为“脉冲曝光”)。脉冲曝光的脉冲可以与束操控部件的控制同步，这些束操控部件将能量束引导到粉末床，其目的是仅当能量束关闭时移动束操控部件，使得能量束在曝光期间是静止的。实际上，由于束操控部件的惯性，对于粉末床熔合中通常使用的扫描速度来说，这是难以实现的，并且在脉冲期间将发生能量束在粉末床表面上的一些移动。在连续扫描和脉冲扫描两者中，从扫描路径的开始到结束形成连续的固结材料。

雷尼绍(Renishaw)公司的RenAM 500Q机器使得能够使用脉冲曝光以约80微秒(microsecond)的脉冲持续时间扫描粉末床。设备包括四个500W连续波(CW)激光器。激光器是由SPI提供的redPOWER PRISM模块光纤激光器。每个CW激光器的控制器包括A类功率放大器，以用于生成控制信号给激光器的泵浦二极管。方波控制信号在开(单次提高功率水平)和关之间调制CW激光器的输出，以生成激光脉冲，如图1所示。每个激光脉冲的最大激光功率例如由用户预先设置。脉冲的上升时间(从最大激光功率的10％到90％)和下降时间(从最大激光功率的90％到10％)为约8微秒。激光脉冲的最大功率方面的变化需要几毫秒，即几十个脉冲。第一脉冲的到达时间可以变化多达7微秒，而后面的脉冲的到达时间变化较小。从控制信号的开始到脉冲的到达的滞后时间通常为约17微秒。已经观察到，第一激光脉冲可能在激光脉冲的开始时在功率方面表现出尖峰，然后在针对激光脉冲预设的最大激光功率处平稳。

WO 2018/029478 A1披露了激光脉冲的脉冲形状(波形)可以包括多个子形状，其中，子形状中的每一个可以具有不同的持续时间、能量、斜升或斜降。展示了与强度方面的相对快速降低相比具有缓慢增加的强度、具有三个平稳期的波形。激光脉冲的总持续时间可以在200微秒和1000微秒之间变化。

K.A.Mumtaz，N.Hopkinson的“Selective Laser Melting of thin wall partsusing pulse shaping(使用脉冲成形的薄壁零件的选择性激光熔化)”研究了选择性激光熔化中的脉冲成形。该系统使用户能够在单个激光脉冲内将能量分布定制成最接近0.5ms。生成各种斜升和斜降脉冲形状，并将它们用于处理四层Inconel 625。斜升脉冲从1.7ms变化到10ms。斜降脉冲在1ms和10ms之间变化。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种粉末床熔合增材制造方法，该方法包括将粉末床的层曝露于能量束，以选择性地熔化每个层的区域，其中使用脉冲曝光来熔化至少一定比例的区域，该方法进一步包括命令能量束源产生脉冲曝光的至少一个脉冲，优选地是多个脉冲中的每一个脉冲。

命令的步骤可以包括针对至少一个脉冲的功率波形指定高于基准(比如零)功率水平的多个提高功率水平。在本发明中，命令的步骤包括例如在发送到或驱动能量束源的控制信号中指定多个提高功率水平中的每一个。以这样的方式，可以实现预期脉冲形状，其不同于由简单的开/关命令(即，在脉冲期间仅指定一个(“开”)提高功率水平的命令)生成的脉冲。

命令的步骤可以包括针对功率波形指定脉冲形状、脉冲轮廓和/或脉冲形式。功率波形可以是非矩形脉冲形状/轮廓/形式。已经发现，非矩形脉冲形状/轮廓/形式可以引起材料如何固结方面的变化，与使用矩形脉冲产生的零件相比，这可以改善零件。脉冲形状/轮廓/形式可以是三角形的。脉冲形状/轮廓/形式可以在指定的提高功率水平处包括多个功率平稳期。

脉冲曝光的脉冲中的至少一个(优选是多个脉冲中的每一个脉冲)的脉冲持续时间(脉冲的激光功率上升到最大指定提高功率水平以上、然后返回到最大指定提高功率水平的10％以下之间的时间)可以小于200微秒，并且可选地小于150微秒。已经发现，在熔化粉末(尤其是熔化金属粉末)所需的能量束功率下，更长的脉冲持续时间导致材料蒸发。将能量束的功率降低到这个阈值以下将使得粉末即使曝露在能量束下持续更长时间也不被熔化，因为对于这种低能量束功率来说，热量消散得太快以至于粉末的温度不会升高到高于熔化温度。相应地，包括长于200微秒的脉冲持续时间的脉冲曝光是不期望的。

脉冲持续时间可以大于1微秒，优选地大于5微秒，并且可选地大于10微秒。

用于生成能量束的能量束源可以具有10微秒或更少、优选地5微秒或更少的响应时间(控制信号方面的变化和输出能量束方面的与所需功率对应的变化之间的时间)。控制功率波形的形状可以包括在最大提高功率水平的10％和90％之间指定一个或多个提高功率水平。该方法可以包括将一个或多个提高功率水平指定为具有小于15微秒、可选地小于10微秒、并且进一步可选地小于5微秒的持续时间。该方法可以包括控制功率波形的形状、以多个步骤增加或减少。步骤中的至少一个可以具有小于15微秒、可选地小于10微秒、并且进一步可选地小于5微秒的持续时间。步骤中的至少一个可以具有大于1微秒、并且进一步可选地大于2微秒的持续时间。

该方法可以包括指定脉冲形状，以控制熔化和/或重新固化的材料的冷却速率。在粉末床熔合中，金属材料通常在几十微秒内固化，因此，在能量束的强度下降到足以将材料的温度保持在熔点以上的强度以下之后，熔化的材料迅速重新固化。已经发现，将能量束脉冲的下降时间延长到大于8微秒不受控制的下降时间(在Renishaw的RenAM 500Q机器中实现)可以改善固化的材料的材料性质。(Renishaw的RenAM 500Q机器中的下降时间是不受控制的/未指定的，因为下降时间不是由控制信号(这些控制信号是具有竖直上升和下降时间的方波脉冲)定义的，而是由激光对这些控制信号的非理想响应产生的)。该方法包括控制脉冲曝光的脉冲的功率波形的形状，使得下降时间长于上升时间。该方法包括控制脉冲曝光的脉冲的功率波形的形状，使得至少一个脉冲的下降时间大于10微秒，优选地大于20微秒，最优选地约30微秒。下降时间可以小于100微秒，优选地小于50微秒，最优选地小于40微秒。至少一个脉冲的下降时间可以在10微秒和100微秒之间、在10微秒和50微秒之间、在10微秒和40微秒之间、在20微秒和100微秒之间、在20微秒和50微秒之间、或者在20微秒和40微秒之间。最大提高功率可能在200W和1000W之间。下降时间的平均梯度可以在2MW/s和20MW/s之间，优选地在4MW/s和20MW/s之间，更优选地在6MW/s和20MW/s之间。延长脉冲的下降时间可能影响熔化的材料的固化期间的冷却速率，进而改变所得到的微结构。下降时间应该具有熔化的材料固化所需的时间的量级，例如几十微秒，以便通过延长的下降时间改变冷却速率，但是避免材料在升高温度下的不必要保持。较低的冷却速率可以减少某些材料(比如钢，例如工具钢(如H13工具钢)、W360或镍基超合金)中的固化开裂。

该方法可以包括控制波形的形状，使得至少一个脉冲的上升时间大于10微秒，优选地大于20微秒，最优选地大约30微秒。上升时间可以小于100微秒，优选地小于50微秒，最优选地小于40微秒。至少一个脉冲的上升时间可以在10微秒和100微秒之间、在10微秒和50微秒之间、在10微秒和40微秒之间、在20微秒和100微秒之间、在20微秒和50微秒之间、或者在20微秒和40微秒之间。所设置的最大功率可以在200W和1000W之间。上升时间的平均梯度可以在2MW/s和20MW/s之间，优选地在4MW/s和20MW/s之间，更优选地在6MW/s和20MW/s之间。比RenAM 500Q机器的不受控制的上升时间更慢的上升时间可能引起更宽的熔池和/或引起具有更低的深宽比的熔池。期望形成宽的浅熔池，以用于获得快速的冷却速率和定向晶粒形成。在WO 2020/249932 A1和PCT/GB2021/051193中披露了这种定向晶粒形成方法的进一步细节，其披露内容通过援引整体并入本文。

该方法可以包括控制功率波形的形状，以组合如上定义的至少一个脉冲的上升时间和下降时间。

该方法可以包括控制功率波形的形状，使得脉冲中的至少一个包括多个最大值。最大值中的多个最大值可以高于针对脉冲的设置的最大提高功率水平的90％。最大值中的多个最大值可以具有的功率高于熔化粉末所需的功率。在每对最大值之间是脉冲的中间局部最小值。中间局部最小值中的至少一个可以高于针对脉冲的设置的最大提高功率水平的10％，优选地高于90％。中间局部最小值中的至少一个可以具有的功率高于熔化粉末所需的功率。中间局部最小值和相邻最大值之间的时间可以在1微秒至50微秒之间、在5微秒至50微秒之间、在10微秒至50微秒之间、在1微秒至40微秒之间、在5微秒至40微秒之间、在10微秒至40微秒之间、在1微秒至30微秒之间、在5微秒至30微秒之间、在10微秒至30微秒之间、在1微秒至20微秒之间、在5微秒至20微秒之间、在10微秒至20微秒之间、在1微秒至17微秒之间、在5微秒至17微秒之间或者在10微秒至17微秒之间。曝光期间的脉冲的功率的振荡可以搅动熔池，以提高晶粒尺寸均匀性和/或提高脉冲的穿透深度。

根据本发明的第二方面，提供了一种粉末床熔合增材制造方法，该方法包括将粉末床的层曝露于能量束，以选择性地熔化每个层的区域，其中使用脉冲曝光来熔化至少一定比例的区域，脉冲曝光的至少一个脉冲(优选多个脉冲中的每一个脉冲)具有小于20微秒的脉冲持续时间。

比RenAM 500Q机器中使用的80微秒脉冲更短的脉冲持续时间可以产生更精细的微结构和/或更高的构建速率。

本发明的第二方面可以与本发明的第一方面的脉冲成形结合地使用。

根据本发明的第三方面，提供了一种粉末床熔合增材制造方法，该方法包括将粉末床的层曝露于能量束，以选择性地熔化每个层的至少一个区域，其中能量束沿着扫描路径行进，以使用脉冲曝光来熔化至少一个区域的材料，脉冲曝光的初始脉冲和/或结束脉冲具有比初始脉冲和结束脉冲之间的中间脉冲的脉冲持续时间更短的脉冲持续时间。

与在扫描路径的这些区域中发起或结束连续曝光相比，在扫描路径的开始和/或结束时使用脉冲可以改善这些区域中材料的穿透。

应当理解的是，如本文所使用的“扫描路径”是指这样的路径，能量束沿着该路径被扫描以从路径的起点到终点形成连续的固结材料。扫描路径开始于固结材料开始之处(在能量束沿着扫描路径行进的方向上)并结束于固结材料结束之处(在能量束沿着扫描路径行进的方向上)。当固结材料的连续性方面存在中断时，形成两条或更多条扫描路径。初始脉冲是用于形成包括扫描路径的开始处的固结材料的固结材料的脉冲，并且结束脉冲是用于形成包括扫描路径的结束处的固结材料的固结材料的脉冲。

扫描路径可以是直的扫描路径。扫描路径可以是多个平行扫描路径中的一个。扫描路径可以是多条填充线中的一条填充线，其中每条填充线构成单独的扫描路径。能量束可以被关闭或者在功率方面降低，使得当将能量束从第一扫描路径(例如，填充线)的终点引导到另一第二扫描路径(例如，另一填充线)的起点时，没有材料被固结。

初始脉冲可以沿着扫描路径的至少200μm固结材料。初始脉冲可以沿着扫描路径的小于1mm、优选小于500μm固结材料。结束脉冲可以沿着扫描路径的小于1mm、优选小于500μm固结材料。结束脉冲可以沿着扫描路径的小于500μm固结材料。

中间脉冲的脉冲持续时间可以具有这样的长度，其类似于在连续模式下的扫描。中间脉冲的脉冲持续时间可以大于80微秒，更优选地大于100微秒，甚至更优选地大于150微秒，还更优选地大于200微秒。

更短的脉冲持续时间可以小于200微秒、小于100微秒、小于80微秒、小于50微秒、小于30微秒或小于20微秒。

对于全部初始脉冲和/或结束脉冲，更短的脉冲持续时间可以是恒定的。替代性地，对于初始脉冲和/或结束脉冲中的不同脉冲，更短的脉冲持续时间可以变化。第一脉冲和/或最后一个脉冲的较短脉冲持续时间可以分别短于其他初始脉冲或结束脉冲的持续时间。对于初始脉冲，更短的脉冲持续时间可以从第一初始脉冲到中间脉冲逐渐增加。对于结束脉冲，更短的脉冲持续时间可以从中间脉冲到最后的结束脉冲逐渐减小。

脉冲之间的时间可以是恒定的。替代性地，脉冲之间的时间可以变化。第一脉冲和第二脉冲之间的时间或者倒数第二个脉冲和最后一个脉冲之间的时间可以比脉冲曝光的其他脉冲对之间的时间长。脉冲之间的时间可以从第一初始脉冲到中间脉冲逐渐减少。脉冲之间的时间可以从中间脉冲到最后的结束脉冲逐渐增加。

脉冲之间的点距可以是恒定的。替代性地，脉冲之间的点距可以变化。第一脉冲和第二脉冲之间的点距或者倒数第二个脉冲和最后一个脉冲之间的点距可以比脉冲曝光的其他脉冲对之间的点距短。脉冲之间的点距可以从第一初始脉冲到中间脉冲逐渐增加。脉冲之间的点距可以从中间脉冲到最后的结束脉冲逐渐减小。

该方法可以包括使脉冲与将能量束引导到粉末床的至少一个束操控部件的控制同步。

使脉冲与至少一个束操控部件的控制同步可以包括：与至少一个束操控部件在脉冲期间的移动速度相比，在脉冲之间相对快速地移动至少一个束操控部件(比如反射镜)。使脉冲与至少一个束操控部件的控制同步可以包括：与目标在脉冲期间的移动速度相比，在脉冲之间相对快速地移动束操控部件(比如反射镜)的粉末床上的目标。如本文所使用的术语“束操控部件的粉末床上的目标”是指粉末床上的如果生成能量束则能量束被引导或会被引导到的位置。

根据本发明的第四方面，提供了一种激光器，该激光器包括增益介质、用于泵浦增益介质的泵、以及用于控制泵的控制器。

控制器可以被布置为对泵进行控制，使得激光器的响应时间小于17微秒。响应时间可以小于10微秒，优选地小于5微秒。响应时间可能为约3微秒。响应时间是要求功率方面的变化的控制信号和从激光器输出的激光束的功率方面的变化之间的时间。如本文所使用的术语“控制信号”是指由激光器的功率放大器接收的信号。

这种响应时间对于比如粉末床熔合的应用是需要的，其中脉冲曝光具有几十微秒的持续时间。

控制器可以被布置为对泵进行控制，使得响应于对应的控制信号，可以在一毫秒内、优选地在500微秒内、更优选地在200微秒内，输出多个稳定的非零激光束功率。术语“稳定”激光束功率是指激光器在这个功率下平稳持续一段时间，而不是在零功率和非零功率之间上升或下降时激光束瞬间跃迁经过的功率。多个稳定非零激光束功率可出现在单个脉冲内或跨越多个脉冲出现。稳定非零激光束功率的时间段可以是至少1微秒，并且可选地至少3微秒。

控制器可以包括电源电路，该电源电路被布置为向位于电源电路和泵之间的惯性负载生成脉宽调制信号。脉宽调制信号由电源电路响应于控制信号而生成。惯性负载将数字脉宽调制信号转换成用于驱动泵(比如一个或多个激光二极管)的更平滑的波形(驱动信号)。在没有惯性负载的情况下，激光二极管将以脉宽调制信号发出脉冲。惯性负载可以包括电感器。惯性负载可以包括电容器。惯性负载可以包括电感器和电容器。电感器和电容器可以串联提供。惯性负载可以是电子滤波器，比如二阶滤波器。电感器起作用以使电流平滑化，并且电容器的加入形成了电子滤波器。

电源电路可以包括用于生成脉宽调制信号的开关功率放大器(D类放大器)。D类功率放大器比A类功率放大器更有效，这在高功率激光器(200W或以上)的情况下当高电功率被施加到泵时可以产生显著的优势。激光器可能能够生成具有高于200W、优选地高于300W、更优选地高于400W的功率的激光束。

开关功率放大器可以包括两个开关晶体管。每个开关晶体管可以是GaN晶体管。每个开关晶体管可以是高电子迁移率晶体管。常规MOSFET晶体管具有约100KHz的开关频率(每10微秒开关一次)，太慢而不能实现本发明的激光器所需的响应时间。GaN晶体管/高电子迁移率晶体管可以实现更高的开关频率。例如，GaN晶体管可以以2.5MHz(每400纳秒切换一次)驱动。相应地，GaN晶体管/高电子迁移率晶体管的使用使得能够使用开关功率放大器，同时仍然实现激光器所需的响应时间。GaN晶体管/高电子迁移率晶体管也适用于高压、高温和高效率应用。

激光器可以包括多个控制器，每个控制器被布置为向至少一个激光二极管生成驱动信号，以使至少一个激光二极管泵浦增益介质。每个控制器可以被布置为向两个或更多个激光二极管生成驱动信号。以这样的方式，通过改变每个控制器的脉宽调制和/或通过激活/停用控制器中的一些或全部，可以改变通过激光器获得的功率。

增益介质可以是掺杂光纤。光纤可以掺杂有钕。激光器可以是NG:YAG光纤激光器。激光器可以是连续波激光器。

根据本发明的第五方面，提供了一种粉末床熔合设备，该粉末床熔合设备包括用于生成能量束并将能量束引导到粉末床的能量束照射装置，该能量束照射装置包括能量束源和控制器，该控制器被布置为控制能量束源实行根据本发明的第一方面、第二方面和第三方面中任一方面的方法。

能量束照射装置可以包括能量束源(比如激光器)和用于将能量束引导到粉末床上所选择的位置的至少一个束操控部件。能量束源可以是根据本发明的第四方面的激光器。

根据本发明的第六方面，提供了一种数据载体，包括存储在其上的指令，当由粉末床熔合设备的控制器运行时这些指令，该粉末床熔合设备包括用于生成能量束并将能量束引导到粉末床的能量束照射装置，该能量束照射装置包括能量束源，控制器被布置为控制能量束源实行根据本发明的第一方面、第二方面和第三方面中任一方面的方法。

数据载体可以是用于向机器提供指令的合适介质，比如非暂态数据载体，例如软盘、CD ROM、DVD ROM/RAM(包括-R/-RW和+R/+RW)、HDDVD、Blu Ray(TM)光盘、存储器(比如记忆棒(TM)、SD卡、紧凑型闪存卡等)、磁盘驱动器(比如硬盘驱动器)、磁带、任何磁性/光学存储器；或暂态数据载体，比如在导线或光纤上的信号或无线信号，例如在有线或无线网络上发送(比如互联网下载、FTP传输等)的信号。

附图说明

图1示出了由Renishaw的RenAM 500Q粉末床熔合设备中使用的激光器生成的控制信号和作为结果的激光脉冲；

图2是根据本发明的实施例的粉末床熔合设备的示意图；

图3是图1中示出的粉末床熔合设备的光学扫描仪的检流计系统的立体图；

图4是根据本发明的实施例的扫描参数的示意图；

图5是根据本发明的实施例的用于在粉末床熔合设备中使用的激光器的示意图；

图6是激光器的电源电路和泵浦二极管的电路图；

图7A至图7H示出了根据本发明的实施例的脉冲曝光的脉冲的功率波形；图8A示出了使用初始爆破脉冲构建的样本的区域的显微镜图像；图8B示出了使用矩形脉冲构建的样本的区域的显微镜图像；以及图8C示出了使用渐进冷却脉冲构建的样本的区域的显微镜图像；

图9A至图9D是使用渐进冷却脉冲形成的样本的扫描电子显微镜(SEM)；

图10A是使用矩形脉冲构建的立方体的表面的图像，以及图10B是使用渐进冷却脉冲构建的立方体的表面的对应图像。

图11A示出了使用具有(1)5μs步长、(2)10μs步长、(3)15μs步长、(4)具有修正功率的10μs步长、以及(5)具有修正功率的15μs步长的不同渐进冷却脉冲以H13工具钢构建的立方体的截面图像；以及图11B是所得到的密度测量的表格；

图12A至图12D是将裸基板曝露于矩形脉冲(图12A)、曝露于三角形脉冲(图12B)、曝露于初始爆破脉冲(图12C)、以及曝露于具有5μs步长的渐进冷却脉冲(图12D)的图像。

图13A至图13D是将裸基板曝露于包括多个以下项的脉冲曝光的图像：(i)矩形脉冲(图13A)，(ii)具有5μs步长的渐进冷却脉冲(图13B)；(iii)初始爆破脉冲(图13C)，以及(iv)三角形脉冲(图13D)；

图14是在使用矩形脉冲和渐进冷却脉冲形成的样本上进行的硬度测量的曲线图；

图15是示出了用于使用短矩形脉冲构建多个样本的参数以及这些样本的密度测量的表格；

图16A至图16C示出了根据本发明的实施例的混合脉冲曝光的功率波形；图17是示出了用于示例3中使用的不同渐进冷却脉冲的功率的表格；以及图18A和图18B示出了使用矩形脉冲(图18A)和初始爆破脉冲(图18B)以IN718构建的立方体的截面图像。

具体实施方式

参考图2和图3，根据本发明的实施例的粉末床熔合设备包括构建室101，该构建室中具有：加工板115，该加工板中具有孔；以及从该孔向下延伸的构建套筒116。构建平台102在构建套筒116中可降低，使得构建套筒116和构建平台102一起限定构建容积117。当通过粉末的选择性激光熔化来构建工件时，构建平台102支撑构建基板102a、粉末床104和工件(物体)103。随着工件103的连续层形成，平台102在驱动机构(未示出)的控制下在构建容积117内降低。

在通过分配设备108和涂铺器109构建工件103时，形成粉末层104。例如，分配设备108可以是如WO 2010/007396中所描述的设备。分配设备108将粉末分配到由加工板115限定的上表面115a上，并且通过涂铺器109跨越粉末床铺展。涂铺器109的下边缘的位置限定工作平面110，在该工作平面处粉末被固结。

多个激光模块105a、105b生成用于熔化粉末104的激光束118a、118b，并且每个模块105a、105b被布置为将激光束递送到对应的光学扫描仪106a、106b。光学扫描器106a、106b将激光束118a、118b操控到粉末床104的选定区域，以便构建物体。激光束118a、118b穿过共用激光窗口107进入。

每个光学扫描仪106a、106b包括呈可移动操控光学器件121形式(比如安装在检流计124a、124b上的两个反射镜141a、141b(参见图3))、用于跨越工作平面110在垂直的方向(X和Y)上操控激光束118的操控部件以及聚焦光学器件120(比如，用于改变激光束118的焦点的两个可移动透镜)。光学扫描器被控制为使得激光束118的焦点位置在激光束118跨越工作平面110移动时保持在相同的平面110中。角位置传感器125a、125b被集成到每个检流计124a、124b中以用于测量相应反射镜121a、121b的角位置。

在一种扫描方案中，反射镜141a、141b的移动与由激光器105生成的激光束脉冲同步，以使用脉冲曝光来曝光粉末床104。角位置传感器125a、125b可以用于向激光器105提供反馈，以确保反射镜141a和141b的移动与激光器105的发射之间的适当同步。图4示出了用于定义脉冲曝光的扫描参数。图4展示了包括用于形成固结层(该固结层被用于形成固结层的边缘的边界扫描部21和22包围)的核心的光栅扫描部的扫描路径。光栅扫描部的扫描路径(填充线)24之间的距离由填充距离25限定，并且边界扫描部和光栅扫描部的扫描路径之间的距离由边界偏移26和27限定。扫描路径中的一个或多个或全部可以使用脉冲曝光来形成。脉冲曝光由每次曝光的点距23和曝光时间(脉冲持续时间)来限定。系统还可以实施跳跃延迟，该跳跃延迟限定了在激光发射之前在点之间移动之后允许反射镜稳定的时间。跳跃延迟可以根据点距而变化。如果曝光期间的反射镜移动被认为是可接受的，或者使用补偿这种反射镜移动的扫描系统(例如，如WO 2016/156824中所披露的，其以其全部内容结合在本文中)，可以消除跳跃延迟的使用。

参考图5和图6，激光器105包括利用固件201编程的主激光器控制器200(比如可编程集成电路)，以及多个激光二极管控制器201a、201b，每个激光二极管控制器用于控制不同组的激光二极管202a、202b来泵浦增益介质203，比如掺钕光纤。在这个实施例中，每组激光二极管202a、202b由两个激光二极管组成。为了简单起见，仅示出了两个激光二极管控制器201a、201b，但是通常提供多于两个的激光二极管控制器201a、201b。在这个实施例中，提供了六个激光二极管控制器201a、201b。相应地，总共十二个激光二极管可以用于泵浦掺杂光纤203。

主控制器200经由通信接口204与激光二极管控制器201a、201b通信。在这个实施例中，通信接口204是串行外设接口(SPI)同步总线。由主激光控制器200发送的呈控制信号(数据包)形式的指令可以被寻址到各个激光二极管控制器201a、201b，或者被广播到全部激光二极管控制器201a、201b。相应地，激光二极管控制器201a、201b可以由主控制器200单独地或作为群组进行控制。发送到每个激光二极管控制器201a、201b的指令限定了由这个激光二极管控制器201a、201b控制的一组激光二极管202a、202b的所需输出。每个激光二极管控制器201a、201b也通过发射(FIRE)和启用(ENABLE)通信线路而连接到主控制器200。用户经由用户界面UI而与主控制器交互，以设置控制和读取状态。

每个激光二极管控制器201a、201b包括电源电路210a、210b，该电源电路向惯性负载211生成脉宽调制信号。在这个实施例中，惯性负载包括电感器211a和至少一个电容器211b，该电感器和该至少一个电容器串联连接以形成二阶滤波器。惯性负载211将数字脉宽调制信号转换成用于驱动激光二极管的更平滑(或“平均”)的波形(驱动信号)+V_LD。

电源电路210a、210b包括可编程器件(在这个实施例中为现场可编程门阵列209)以及开关放大器212。

可编程器件209处理从主控制器200接收的控制信号(指令)，并生成对应于GaN晶体管的期望开关状态的低电压输出信号和低电流输出信号(下文描述)。

开关放大器212包括跨越高压电源两端连接的半H桥214。半H桥214包括两个GaN晶体管。开关放大器212进一步包括GaN驱动器213，该驱动器连接到半H桥214的GaN晶体管的栅极。GaN驱动器213接收来自可编程器件209的输出信号，并将这些输出信号转换为适合于驱动半H桥214的GaN晶体管的对应的更高电压和更高电流的开关信号。

可编程器件209控制晶体管的开关，以生成脉宽调制信号，使得来自一组激光二极管202的输出对应于如编码在所接收的控制信号中的所需输出，如下面更详细描述的。递送到激光二极管的驱动电流跨越电阻器215进行监测。

当设置启用(ENABLE)参数并且该启用(ENABLE)信号为高时，激光二极管控制器201a、201b被启用以驱动电流进入激光二极管。电流量将取决于该发射(FIRE)信号的状态以及GAN-LO参数和GAN-HI参数的值。当发射(FIRE)为低时，电流需求通过GAN-LO参数设置。当发射(FIRE)为高时，电流需求通过GAN-HI参数设置。

主控制器200驱动该发射(FIRE)信号，并根据需要来设置激光二极管控制器201a、201b的GAN-HI参数和GAN-LO参数，以命令电源电路210a、210b根据所需的脉冲形状生成驱动信号。主控制器200可以预编程有脉冲序列和/或脉冲形状的库，使得用户/粉末床熔合设备可以根据需要从库中选择脉冲序列和/或脉冲形状。然而，附加地或可替代地，主控制器200可以被编程为基于编码在所接收的命令中的(一个或多个)脉冲序列和/或(一个或多个)脉冲形状的各方面来生成脉冲序列和/或脉冲形状。以这样的方式，可以控制激光器来生成超出库中所包含的脉冲序列和/或脉冲形状的脉冲序列和/或脉冲形状。

激光器的响应时间(控制信号方面的变化和输出激光束方面的与所需功率对应的变化之间的时间)通常为5微秒或更短。

图7A至图7E展示了利用激光器可获得的脉冲形状。

在图7A中，脉冲形状基本上是矩形脉冲，其上升到脉冲的最大功率、保持处于最大功率持续设置的持续时间(通常长于5微秒)、然后在5微秒内下降到最小基准功率。利用根据本发明的激光器，功率的上升和下降可以在用于生成这种脉冲的控制信号的5微秒内实现。当在粉末床熔合中使用这种脉冲进行脉冲曝光时，与现有技术的系统相比，可以减少激光器的发射和激光束正在生成之间的任何延迟，从而允许激光器与扫描仪的更接近和/或改进的同步，因为必须为激光器的发射时间方面的可变性提供较小的余地。

在另一实施例中，提供一种具有提高功率水平方面的步进式降低的脉冲形状。脉冲包括到第一(优选更高的)提高功率的初始上升。到第一提高功率的上升时间可以小于15微秒，优选地小于10微秒，更优选地小于5微秒。第一提高功率在为5微秒或更长的第一时间段内在功率方面保持为平稳期，然后降低到小于第一提高功率的一个或多个第二提高功率，该功率在该第二提高功率或每个第二提高功率下平稳。该第二提高功率或每个第二提高功率可以在为5微秒或更长的(第二)时间段内在功率方面保持为平稳期。在第一提高功率与该第二提高功率或与第二提高功率中的一个之间、以及在第二提高功率对之间的下降时间可以小于15微秒，优选地小于10微秒，更优选地小于5微秒。最后，激光脉冲返回到基准功率(低于第一提高功率的10％或为零功率的功率)。

图7B示出了具有功率方面的步进式降低、具有第一提高功率平稳期301和单个第二提高功率平稳期302(初始爆破脉冲)的脉冲形状的示例。在图7B中，第一提高功率平稳期301具有比第二提高功率平稳期302更长的持续时间，尽管可以理解的是，第一提高功率平稳期301和第二提高功率平稳期302的持续时间可以相同，或者第二提高功率平稳期302的持续时间可以比第一提高功率平稳期301的持续时间更长。在这个实施例中，第一提高功率平稳期301在280W下持续60微秒，并且单个第二提高功率平稳期302在240W下持续20微秒。第一提高功率平稳期301和第二提高功率平稳期302两者的功率将足以熔化激光光斑大小的粉末，在这个实施例中为60微米至80微米的1/e²光斑大小的粉末。

图7C是具有功率方面的步进式降低的、具有第一提高功率平稳期401和处于不断降低的功率的多个第二提高功率平稳期402的脉冲形状的另一个示例(渐进冷却脉冲)。在图7C中，第一提高功率平稳期401具有比第二提高功率平稳期402更长的持续时间，尽管可以理解的是，第一提高功率平稳期401和第二提高功率平稳期402的持续时间可以相同，或者第二提高功率平稳期402中的至少一个的持续时间可以比第一提高功率平稳期401的持续时间更长。在这个实施例中，第一提高功率平稳期401在200W下持续80微秒，并且每个第二个提高功率平稳期402在针对每个步长降低大约相同量(在这个示例中降低33.3/33.4W)的功率下持续5微秒。然而，将理解的是，对于第二平稳期402，可以使用功率方面的其他大小的步长和其他持续时间。另外，所有第二平稳期402不必具有相同的持续时间。这个示例与图7B的示例的不同之处在于，第二平稳期402中的至少一些(如果不是全部的话)在粉末床处提供不足的能量密度来熔化激光光斑大小的粉末，在这个实施例中在粉末床的平面处熔化60微米至120微米的1/e²光斑大小的粉末。

图7D是具有功率方面步进式减小(其类似于图7B中示出的功率方面步进式减小)、但是带有具有相同持续时间(在这个实施例中为40微秒)的第一平稳期501和第二平稳期502的脉冲形状的另一个示例。

在图7E中示出的另一实施例中，脉冲形状包括具有三角形形状(三角形脉冲)的至少一部分。在这个实施例中，脉冲包括：第一上升部分601，该第一上升部分例如在小于5微秒内从基准功率上升到第一提高功率(在这个示例中为200W)；第二上升部分602，其中功率与第一上升部分相比相对渐进地上升到第二峰值提高功率(在这个示例中为280W)；第一下降部分603，其中功率降低到第三提高功率(在这个示例中，与第一提高功率相同)；以及第二下降部分604，其中与第一下降部分相比，功率相对快速地下降(比如在小于5微秒内)到基准水平。对于给定的激光光斑大小，第一提高功率和第二提高功率可以在粉末床处提供足以熔化粉末的能量密度。在这个实施例中，激光束在粉末床的平面处具有60微米至120微米的1/e²光斑大小。

参考图7F和图7H，在另一实施例中，提供了被配置为搅动熔池的脉冲形状(搅动脉冲)。在这样的实施例中，脉冲形状包括在粉末床处提供足以熔化粉末的能量密度的功率之间振荡的多个峰值(最大值)。脉冲可以被视为具有(叠加的)脉冲波的矩形或三角形脉冲(具有在20微秒和200微秒之间、更优选地在20微秒和100微秒之间、并且通常为约80微秒的脉冲持续时间)，脉冲波上叠加有更短持续时间的脉冲。在这个实施例中，功率最初上升701、801到第一提高功率。然后，功率可以被保持处于第一提高功率(图7F中的平稳期)然后降低到第二提高功率702，或者功率可以立即降低到第二提高功率802(图7H)。然后，功率可以被保持处于第二提高功率(图7F中的平稳期702)然后增加到第三提高功率703，或者功率可以立即增加到第三提高功率803(图7H)。第三功率703、803可以与第一提高功率701、801相同或不同。在图7F中示出的示例中，功率保持处于第三提高功率(平稳期706)，然后被降低到基准功率/零功率。在图7H中，功率立即降低到基准功率/零功率。相应地，图7F展示了包括在第一提高功率和第二提高功率之间振荡的矩形叠加脉冲波的雉堞形(castellation)脉冲形状。图7H展示了包括在第一提高功率和第二提高功率之间振荡的三角形叠加脉冲波的脉冲形状。应当理解的是，可以使用其他形状的叠加脉冲波，比如在第一提高功率和第二提高功率之间振荡的锯齿或正弦脉冲波。另外，(对于任何不同形状的脉冲波中的任何一个)到第一提高功率的最初上升和到基准功率/零功率的下降可以是渐进的(可能以步进的方式)(比如在长于5微秒的时段内(如图7H所示))、或者是快速的(比如在小于5微秒的时段内(如图7F所示))。将理解的是，脉冲的叠加脉冲波可以包括两个以上的峰值。

示例1

在被修改为利用根据本发明的激光器代替PRISM激光器的RenAM 500E粉末床熔合机中以H13工具钢构建10mm x 10mm x 11.75mm立方体。使用不同的脉冲曝光来形成立方体，脉冲曝光包括(i)初始爆破脉冲(图7B)、(ii)矩形脉冲(图7A)和(iii)渐进冷却脉冲(图7C)。构建参数是：激光光斑大小80μm、点距65μm、填充距离80μm、层厚度40μm。图8A、图8B和图8C示出了不同放大倍数下的立方体的截面。图8A示出了初始爆破脉冲的图像，图8B示出了矩形脉冲的对应图像，并且图8C示出了渐进冷却脉冲的对应图像。

与使用渐进冷却脉冲形成的样本相比，初始爆破样本和矩形样本导致更多数量的裂纹。另外，如从图像中可以看出，与矩形脉冲和初始爆破脉冲相比，渐进冷却脉冲导致较小的裂纹。这些较小裂纹中的大多数具有光滑的表面，这意味着这些裂纹不是由固化开裂引起的。

图9A至图9D中示出的使用渐进冷却脉冲形成的立方体的SEM图像进一步支持了具有光滑表面的这些较小裂纹的存在。观察到非常少的裂纹，并且大多数裂纹小于20μm。

示例2

图10A是使用矩形脉冲构建的立方体的表面的图像，并且图10B是使用渐进冷却脉冲构建的立方体的对应图像。最高的z平面位于图像的右部(页面的顶部)处。如从图像中可以看出，对于渐进冷却脉冲，熔池深度清晰可见，而对于使用矩形脉冲构建的立方体，没有清晰可见的对应特征。

示例3

图11A示出了利用改进的RenAM 500E粉末床熔合机、使用具有(1)5μs步长、(2)10μs步长、(3)15μs步长、(4)具有修正功率的10μs步长、以及(5)具有修正功率的15μs步长(如图17所示)的不同渐进冷却脉冲以H13工具钢构建的10mm x 10mm x 11.75mm立方体T1至T4的截面图像。使用65μm的点距、80μm的填充距离、以及40μm的层厚度。对于每个脉冲使用相同数量的步长。随着步长持续时间延长，修正功率降低了步长的功率以抵消供应给粉末的增加的功率密度。构建参数是：激光光斑大小为80μm、点距65μm、填充距离80μm、层厚度40μm。

如从图11B中可以看出，具有5μs步长的渐进冷却脉冲实现了最高的密度，尽管通过10μs步长实现的密度也是可接受的。15μs步长没有产生立方体的良好密度，并且也没有产生具有修正功率的脉冲。这表明步长小于15μs(或功率方面的连续(非步进式)下降)是优选的，其中10μs和5μs的步长提供改进的结果。步长持续时间和功率之间似乎未显示出明显的相关性，因为对于15μs步长，与目标能量密度一致的功率的修正并未产生良好密度部分。

示例4

为了探索由不同脉冲曝光形成的熔池形状，裸金属基板上的点被曝光于脉冲形状中的不同脉冲形状。图12A是由矩形脉冲形成的熔池特征的图像，图12B是由三角形脉冲形成的熔池特征的图像，图12C是由初始爆破脉冲形成的熔池特征的图像，并且图12D是由具有5μs步长的渐进冷却脉冲形成的熔池特征的图像。如可以看出，每个脉冲形状创建独特的熔池特征，并且预计这对轨迹形状和气体携带冷凝物的创建具有影响。由矩形脉冲和初始爆破脉冲形成的熔池看起来更混乱，其中物质从曝露的位置喷出，而三角形脉冲和渐进冷却脉冲创建更加均匀的熔池形状。矩形脉冲的熔池小于渐进冷却脉冲的熔池。

示例5

利用不同脉冲曝光在裸金属基板上形成金属轨迹。轨迹包括多条填充线和边界扫描部。图13A至图13D是这些扫描部的图像。图13A示出了矩形脉冲的填充线的结束和开始以及边界扫描部，图13B示出了渐进冷却脉冲的填充线的结束和开始以及边界扫描部，图13C示出了初始爆破脉冲的填充线的结束和开始以及边界扫描部，并且图13D示出了三角形脉冲的填充线的结束和开始以及边界扫描部。对于不同形状的脉冲，熔体轨迹形状、大小和噪声水平(成球)不同(如从示例4的熔池特征中所预期的)。从图像来看，与矩形脉冲相比，对于渐进冷却脉冲，边界轨迹的熔化看起来更加一致。对于渐进冷却脉冲和矩形脉冲，没有观察到开始和结束填充线缺陷。

示例6

在改进的RenAM 500E粉末床熔合机中使用矩形脉冲和渐进冷却脉冲以未筛分的H13工具钢构建样本。测量样本的硬度。使用渐进冷却脉冲构建的样本具有比使用矩形脉冲构建的样本的平均硬度大5％的平均硬度，如图15所示。

示例7

使用具有10μs的总脉冲持续时间的矩形脉冲、利用改进的RenAM 500E粉末床熔合机以钛合金Ti-6Al-4V构建五个样本。在激光脉冲之间提供10μs间隙。在图15的表格中提供了用于构建每个样本的脉冲曝光的参数。这些参数是以瓦特(Watt)为单位的功率(P)、以μm为单位的点距(PD)、以μs为单位的曝光时间/脉冲持续时间(EXP)和以μm为单位的填充距离(HD)。层厚度(LT)为60μm。通过设置被称为跳跃延迟(JD)的变量来设置脉冲之间的延迟，并且曝光时间加上跳跃延迟被设置为20μs。

2D能量密度(2DED)、速度(PD/EXP+JD)以及构建速率已经根据其他参数进行确定。如从表中可以看出，对于10μs脉冲曝光，实现了比99.9％理论密度大的密度。这种更短的脉冲对于提供更精细的填充线可能是有用的。另外，与更长的脉冲持续时间相比，更短的脉冲可能导致更高的冷却速率，并且相应地，由于跨越熔池生成的更陡的热梯度而引起不同的微结构。这种更精细的微结构可以改善零件的性质，特别是铝和铝合金。这种短脉冲可以有利地用于如WO 2016/079496中描述的分布式点扫描方法。

示例8

使用如图7A所示的矩形脉冲和如图7B所示的初始爆破脉冲在改进的RenAM 500E粉末床熔合机中以IN718构建样本。如从图18A和18B可以看出，矩形脉冲导致外延晶粒，而在使用初始爆破脉冲熔化的材料中观察到较少的外延晶粒，例如晶粒具有减小的长宽纵横比(晶粒均匀性)。这可能是由于使用初始爆破脉冲生成的更混乱的熔池(如图12C所示)。

在图16A至图16C中展示的本发明的另一个实施例中，脉冲曝光包括“混合脉冲曝光”，其中使用脉冲曝光的初始脉冲和/或结束脉冲901、1001、1101；902、1002、1102(其具有比初始脉冲和结束脉冲之间的至少一个中间脉冲903、1003、1103的脉冲持续时间更短的脉冲持续时间)照射扫描路径。通常，开始脉冲和/或结束脉冲901、1001、1101；902、1002、1102具有小于200μs、更通常地小于100μs的脉冲持续时间，中间脉冲903、1003、1103具有大于200μs的脉冲持续时间(连续曝光)并且将取决于扫描路径的长度和扫描速度。开始脉冲和/或结束脉冲901、1001、1101；902、1002、1102可以类似于参考图7A至图7H描述的脉冲。在这个实施例中，开始脉冲和/或结束脉冲901、1001、1101；902、1002、1102中的全部具有相同脉冲持续时间。然而，将理解的是，开始脉冲和/或结束脉冲901、1001、1101；902、1002、1102可以变化。

图16A展示了混合脉冲曝光，其中脉冲具有初始爆破脉冲形状。图16B展示了混合脉冲曝光，其中脉冲具有三角形脉冲形状。图16C展示了混合脉冲曝光，其中脉冲具有渐进冷却脉冲形状。图16C中示出的步长的长度只是示意性的，并且第一平稳期可以比随后的较低功率步长具有更长的持续时间。

据信，使用这种混合曝光可以减少使用常规连续模式扫描在填充线的开始和结束处观察到的缺陷，同时受益于利用以连续模式进行扫描可实现的更快的加工(因为激光器开启持续更长时间)。

混合曝光可以用于图4中展示的扫描路径(填充线)24。

应当理解，在不脱离如本文所定义的本发明的范围的情况下，可以对所描述的实施例进行改变和修改。例如，可以使用其他脉冲形状。另外，零件的构建可以包括对于一些区域使用脉冲曝光来固结材料，并对于其他区域以连续模式进行扫描来固结材料。

Claims (19)

1.一种粉末床熔合增材制造方法，包括将粉末床的层曝露于能量束，以选择性地熔化每个层的至少一个区域，其中所述能量束沿着扫描路径行进，以使用脉冲曝光来熔化所述至少一个区域的材料，其中，所述脉冲曝光的初始脉冲和/或结束脉冲具有比所述初始脉冲和结束脉冲之间的中间脉冲的脉冲持续时间更短的脉冲持续时间。

2.根据权利要求1所述的粉末床熔合增材制造方法，其中，所述中间脉冲的脉冲持续时间大于80微秒，更优选地大于100微秒，甚至更优选地大于150微秒，还更优选地大于200微秒。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的粉末床熔合增材制造方法，其中，所述更短的脉冲持续时间小于200微秒、小于100微秒、小于80微秒、小于50微秒、小于30微秒或小于20微秒。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的粉末床熔合增材制造方法，其中，对于全部初始脉冲和/或结束脉冲，所述更短的脉冲持续时间恒定。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的粉末床熔合增材制造方法，其中，对于所述初始脉冲和/或结束脉冲中的不同脉冲，所述更短的脉冲持续时间变化。

6.根据权利要求5所述的粉末床熔合增材制造方法，其中，对于所述初始脉冲，所述更短的脉冲持续时间从第一初始脉冲到所述中间脉冲逐渐增加。

7.根据权利要求5或权利要求6所述的粉末床熔合增材制造方法，其中，对于所述结束脉冲，所述更短的脉冲持续时间从所述中间脉冲到所述最后的结束脉冲逐渐减小。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的粉末床熔合增材制造方法，其中，所述脉冲之间的时间恒定。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的粉末床熔合增材制造方法，其中，所述脉冲之间的时间变化。

10.根据权利要求9所述的粉末床熔合增材制造方法，其中，脉冲之间的所述时间从第一初始脉冲到所述中间脉冲逐渐减少。

11.根据权利要求9或权利要求10所述的粉末床熔合增材制造方法，其中，脉冲之间的所述时间从所述中间脉冲到最后的结束脉冲逐渐增加。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的粉末床熔合增材制造方法，其中，所述脉冲之间的点距恒定。

13.根据权利要求1至11中任一项所述的粉末床熔合增材制造方法，其中，所述脉冲之间的点距变化。

14.根据权利要求13所述的粉末床熔合增材制造方法，其中，脉冲之间的所述点距从第一初始脉冲到所述中间脉冲逐渐增加。

15.根据权利要求13或权利要求14所述的粉末床熔合增材制造方法，其中，脉冲之间的所述点距从所述中间脉冲到最后的结束脉冲逐渐减小。

16.根据权利要求1至15中任一项所述的粉末床熔合增材制造方法，包括使所述脉冲与将所述能量束引导到所述粉末床的至少一个束操控部件的控制同步。

17.根据权利要求16所述的粉末床熔合增材制造方法，其中，使所述脉冲与所述至少一个束操控部件的控制同步包括与所述至少一个束操控部件在脉冲期间的移动速度相比，在脉冲之间相对快速地移动所述至少一个束操控部件。

18.一种粉末床熔合设备，包括用于生成能量束并将所述能量束引导到粉末床的能量束照射装置，所述能量束照射装置包括能量束源和控制器，所述控制器被布置为控制所述能量束源实行权利要求1至17中任一项所述的方法。

19.一种数据载体，包括存储在其上的指令，当由粉末床熔合设备的控制器运行所述指令时，所述粉末床熔合设备包括用于生成能量束并将所述能量束引导到粉末床的能量束照射装置，所述能量束照射装置包括能量束源，所述控制器被布置为控制所述能量束源实行根据权利要求1至17中任一项所述的方法。