CN110545986A - 能量输入的均匀化 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于向生成式的逐层构造设备提供控制数据的方法，所述方法具有访问数据集的第一步骤(S1)，在所述数据集中，在至少一个层中，至少对于目标物横截面的一个分区域规定，按怎样的时间序列使能量射束以扫描线在所述分区域的各位置上运动，以扫描构造材料。在第二步骤(S2)中，这样修改数据集，使得在数据模型的至少一个层中，对于物体横截面的相应分区域检查，沿一个扫描线扫描构造材料所需的扫描时间是否低于预先规定的最小持续时间tmin，并且在沿该扫描线扫描构造材料期间规定减小能量射束的能量密度和/或在能量射束沿另一个扫描线移动之前，规定一段等待时间，其中低于预先规定的最小持续时间tmin越多，则规定能量射束的能量密度越小，并且在第三步骤(S3)中，在第二步骤中提供经修改的数据集，以生成用生成式的逐层构造设备的控制数据集。

Description

能量输入的均匀化
技术领域
本发明涉及一种用于为生成式的逐层构造设备提供控制数据的方法和装置、一种相应地适配调整的生成式的逐层构造方法、一种相应地适配调整的生成式的逐层构造设备、一种相应地适配调整的计算机程序和一种计算机可读的存储介质，在所述存储介质上存储有计算机程序。
背景技术
通常，生成式的逐层构造设备和相关方法的特征在于，在其中通过使无定形构造材料固化来逐层地制造物体。所述固化例如可以通过利用电磁辐射或粒子辐射(例如激光烧结(SLS)或激光熔融或电子束熔融)引起，或者也可以通过在构造材料中引发交联反应(例如立体光刻法)来实现。原本在原型制作中使用的设备和方法越来越多地用于批量制造，为此术语“增材式制造”已经普遍被使用。
为了在生成式的逐层构造方法中能够以高精度制造物体，重要的是，使每个层内的构造材料尽可能均匀地固化。WO2015/091875A1希望在电子束熔化领域中解决整个问题。该文献尤其是这涉及以相互平行的扫描线(Scanlinie)用电子辐射扫描物体横截面。通过对物体横截面内部的构造材料这种形式的扫描，该物体横截面(电子射束)类似于给表面划阴影线地如在构造材料上移动，因此这种电子束以这种方式对准构造材料在行业用语中也称为“阴影线式扫描”。
在WO2015/091875A1中确认，供应给材料的能量取决于扫描线是长还是短。对于长的扫描线，会出现所供应的能量过少，而对于短的扫描线，会出现所供应的能量过高。为了解决这个问题，WO2015/091875A1提出，沿在阴影线式扫描物体横截面时出现的最长扫描线确定材料的扫描时间，并且对于所有较短的扫描线，在扫描所述扫描线之前或之后***等待时间，使得扫描线的扫描时间和等待时间的总和始终等于用于最长扫描线的扫描时间。
根据WO 2015/091875A1的措施适于在电子辐射熔融期间确保实现较为均匀的熔化特性。但这种方法的缺点在于，由于***等待时间而使制造过程延长，这尤其在“增材式制造”领域中是不利的，因为这里应该尽可能在较短的制造时间内制造更大的件数。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的是，提供一种方法和一种装置，借助于所述方法和装置，可以通过生成式的逐层构造方法、特别是“增材式制造”方法，在短时间内以高质量制造物体。
所述目的通过根据权利要求1的计算机辅助的方法、根据权利要求9的生成式的逐层构造方法、根据权利要求10的装置、根据权利要求12的生成式的逐层构造设备、根据权利要求13的计算机程序和根据权利要求14的计算机可读存储介质来实现。在从属权利要求中要求保护本发明的改进方案。根据本发明的装置尤其是也可以通过下面的或在从属权利要求中给出的根据本发明的方法的特征来改进，反之亦然。此外，结合根据本发明的装置说明的特征也可以用于改进其它根据本发明的装置的改型，即使这并没有明确地说明。
根据本发明的计算机辅助的方法用于向用于制造三维物体的生成式的逐层构造设备提供控制数据的，其中，借助于所述生成式的逐层构造设备通过逐层施加构造材料以及借助于在一个层中向所有与物体在所述层中的横截面相对应的位置处供应辐射能量使构造材料固化来制造所述物体，其方式是，通过能量输入装置利用能量辐射扫描这些位置，使得能量输入装置将至少一个能量射束对准构造材料层的预定位置，使得通过所述能量射束使构造材料固化，所述方法用于生成控制数据集的方法具有访问数据集的第一步骤S1，所述数据集具有在制造期间要选择性固化的一定数量的构造材料层的数据模型，其中，在数据模型的每个层中对与物体横截面对应的应使构造材料固化的位置(只要在该层中设有或存在这样的位置)进行标记，其中在数据集中，在数据模型的至少一个、优选所有的层中至少对于物体横截面的一个分区域规定，按怎样的时间序列使能量射束以优选平行的扫描线在所述分区域的所述位置上运动，以扫描构造材料。
所述方法的特征在于，在第二步骤中，这样修改数据集，使得在数据模型的至少一个、优选所有层中，对于物体横截面的相应分区域查验，沿一个扫描线扫描构造材料所需的扫描时间是否低于预先规定的最小持续时间tmin，并且如果这对于一个扫描线确定存在这种情况，则在沿该扫描线扫描构造材料期间规定能量射束减小的能量密度和/或在沿该扫描线扫描之后，在能量射束沿另一个扫描线移动之前，规定一段等待时间，其中这样规定能量射束的所述减小的能量密度，使得低于预先规定的最小持续时间越多，规定能量射束的能量密度越小，并且在第三步骤S3中，提供在第二步骤中所修改的数据集用于生成用于所述生成式的逐层构造设备的控制数据集。
本发明所涉及的生成式的逐层构造设备和方法尤其是这样的装置和方法，在其中作为电磁辐射或粒子辐射将能量选择性地施加到构造材料层上，以便由此加热构造材料。为此，能量输入装置可以例如具有激光器或电子辐射源。这里，借助于通过辐射引入的能量使构造材料部分地或完全地熔化，因此构造材料的组成部分(例如粉末颗粒)相互连接。这样，在构造材料冷却之后，构造材料作为固体存在。由于表面熔化(烧结)和完全熔化(熔融)之间的过渡不是明确的，因此术语“烧结”和“熔化”在本申请中可同义地使用，并且在烧结和熔化之间不进行区分。
作为根据本发明的生成式逐层构造方法中的构造材料，可以使用不同的材料，优选使用粉末或膏状物或凝胶，尤其是使用金属粉末，但也可以使用塑料粉末、陶瓷粉末或砂，这里，也可以使用经填充或混合的粉末。
术语“射束”应表达的是，不仅包括命中构造材料时具有小横截面的射线，而且同样也包括例如具有线形横截面的射线，或者甚至包括同时输入到构造材料的较大区域中(即面式地输入)的辐射。在任何情况下，但尤其是当能量输入面式进行时，针对相应的能量射束规定的能量密度始终是指在命中上的平均的能量密度。此外，只要在时间上相继地扫描相邻的扫描线，能量输入装置是否能够将一个或多个能量射束相继或同时地对准构造材料，对于本发明无关紧要。但本发明特别是可以有利地应用于仅存在一个能量射束的情况。
这里要指出的是，利用根据本发明的生成式的逐层构造设备，不仅可以制造一个物体，而且可以同时制造多个物体。如果在本申请中在一处提及制造一个物体，则可以理解的是，相应的描述能够以同样的方式应用于同时制造多个物体的生成式逐层构造方法和装置。此外这里要指出的是，在本申请中，术语“一定数量”始终应理解为“一个或多个”的意思。
这里，将一系列指令视为控制数据集(通常也称为控制命令集)，这些指令用于依次施加构造材料层并且利用能量辐射照射相应层的与要制造的物体的横截面相应对应的区域，以使构造材料固化。
具体而言，控制数据集基于所述一个或所述多个要制造的物体的基于计算机的模型，优选是CAD体模型。控制数据集在制造期间对于每个构造材料层确定应通过辐射输入实现构造材料固化的位置。此外，控制数据集通常还规定层施加的厚度并且此外通常还包含制造特定的信息，例如关于物体在生成式的逐层构造设备中的位置和定向或者关于在命中构造材料时能量射束的直径的信息。通常，控制数据集包含所有控制能量输入装置所需的数据，由此，主要是确定能量辐射的能量密度以及必要时确定射束在构造材料上的移动速度。
控制数据集因此可以看作是为了控制在生成式的逐层构造设备中的制造过程而规定的所有控制数据的总和，但所述控制数据集也可以包括所述总和的至少一部分。与单个层相关的控制数据这里也称为层数据集。就是说，层数据集是这样的数据集，所述数据集包含在制造过程期间要在物体横截面的位置处固化的构造材料层的数据模型。这种层数据集通常通过将要制造的物体的CAD体模型分解成多个层(在行业用语中称为“切片”)来获得。但是也可以设想，以其他方式由物体的基于计算机的CAD模型中提取在一个层内要借助于一个或多个射束固化的物体横截面的二维表达。在层数据集中还可以、当不是必须包含关于物体横截面制造的其他信息，例如层厚、命中构造材料的射束的直径等。
在提及访问数据集时，则这是指，从存储器中读出数据集，但或者也是指经由网络获取与数据集对应的数据。这里，不是强制性地必须共同地(即同时)读入多个要在制造期间选择性固化的构造材料层的数据模型。在对不同层的数据模型的访问过程之间也可以存在较大的时间间隔，例如，在物体的制造过程期间分别在需要时才读取一个构造材料层(一个层数据集)的数据模型，并且此时在制造过程期间将用于该构造材料层的经修改的数据集集成到控制数据集中。
根据第二步骤所修改的数据集不必单独地提供用于一个生成式的逐层构造过程。相反，也可以首先收集多个经修改的数据集，并且接着以其整体提供，以便集成到控制数据集中。
通过根据本发明的措施实现了，将进入构造材料层的能量输入设计得更为均匀，而不必强制地***等待时间，所述等待时间不利地延长了制造过程，因为在所述时间序列中扫描下一个扫描线之前，每次都要等待一定的持续时间(等待时间)。根据本发明，尤其是在低于预先规定的用于扫描一个扫描线的最小持续时间时才降低用于扫描的能量射束的能量密度。发明人已经获得这样的经验，即，如果高于扫描线的确定长度或高于用于扫描一个扫描线的确定最小持续时间，在该扫描线中引入材料中的能量对在扫描相邻扫描线时的熔化特性的影响可以忽略。如果仅在低于用于扫描一个扫描线的最小持续时间时***等待时间，则这会缩短制造时间，因为只需要在具有短扫描线的区域中***等待时间。尤其是在能量射束具有降低的能量密度时也可以完全放弃等待时间。根据本发明，“降低的能量密度”始终是指这样能量密度(单位面积的能量)，与沿扫描长度移动所需的持续时间(扫描时间tA)大于或等于预先规定的最短持续时间的能量射束相比，所述能量密度具有更小的值。例如，可以设定，对于大于最小持续时间的扫描时间，能量密度始终至少等于确定的标准能量密度EN。
这里还应该强调的是，根据本发明，降低能量射束的能量密度，并且例如热量输入并不会仅由于能量射束沿扫描线更快的运动而减少。发明人已经确认，在能量射束较快运动时，虽然理论上进入构造材料中热量输入应减少，但能量射束的较快运动使得能量射束在较短的时间之后再次达到之前不久固化的位置相邻的要固化的位置。就是说，通过能量射束的较快运动不能确保构造材料的更均匀的熔化。
优选在第二步骤S2中检查，对于两个并排扫描线，是否不同程度地低于所述预先规定的最小持续时间，并且如果是这种情况，则检查，所述两个扫描线中的哪一个在时间上更晚地被扫描，
对于在时间上要首先扫描的扫描线，规定减小的第一能量密度E1，而对于在时间上要较晚扫描的扫描线，规定减小的第二能量密度E2，
其中，减小的第一和第二能量密度E1和E2规定为，使得对于在时间上较晚要扫描的扫描线的扫描时间tA2小于在时间上首先要扫描的扫描线的扫描时间tΑl的情况，在减小的第一和第二能量密度之间的差的数值|E1-E2|小于在时间上较晚要扫描的扫描线的描线时间tA2大于在时间上首先要扫描的扫描线的描线时间tΑ1的情况。
发明人已经确认，当考虑到是增加还减少扫描所述扫描线所需的持续时间时，则可以实现更均匀地固化构造材料。如果下一个扫描线的扫描持续时间相对于前面的相邻扫描线增加确定的量，则与用于下一个扫描线所需的持续时间相对于相邻的扫描线减少了相同的量的情况下能量密度的降低相比，能量射束的能量密度以更大的程度提高。对于所实现的对均匀性的积极作用，发明人给出了这样的解释，即，在减少扫描持续时间情况下可以充分利用已经存储在已固化的区域中的能量，相反，在增大扫描持续时间时，必须将更多的材料加热到较高的温度。要指出的是，通常，尤其是在扫描速度保持恒定时，增加的扫描持续时间等同于增大扫描线长度。
如果空间上相邻的扫描线在时间上也相继地被扫描，而与所使用的能量射束的数量无关，则可以特别有利地应用本发明。
更为优选地，所提供的数据集在一层中具有横截面的多个分区域，这些分区域位于在前一个层中的未固化的材料的上方或位于在下一个层中的不需要固化的材料的下方。
发明人已得到这样的经验，在待固化的物体横截面中，特别是在底面区域中，即在物体制造期间位于保持未固化的构造材料上方的区域中，以及在顶面区域中，即在直接在物体制造之后由保持未固化的构造材料覆盖物体的横截面区域中，调整能量输入以实现良好的表面质量是困难的。原因在于，位于其下面的层或位于其上面的层中的未固化的构造材料具有不同导热率。方向表述“下面”或“上面”这里涉及垂直于层平面的方向。在这种情况下假设，位于下面的层在时间上在位于其上面的层之前施加，并且因此设置在位于其上面的层之下。
通过特别是在底面区域和顶面区域中应用本发明，尤其是在这些难以处理的区域中可以确保良好的质量。
在执行根据本发明的方法的另一个优选实施方式中，对于一个扫描线确定低于最小持续时间的情况，在沿该扫描线扫描构造材料之前或之后***等待时间，所述等待时间最多、优选恰好等于在最小持续时间和用于扫描该扫描线的持续时间之间的差。
通过使相应的等待时间与扫描线的扫描时间相适配，对于物体横截面的这样的区域仍然可以实现构造材料非常均匀的固化，在所述区域中，由于延伸尺寸小，范围扫描线-扫描持续时间小于最小持续时间。
在根据本发明的方法的另一个优选实施方式中，给所述至少一个分区域分配n个照射区域，
其中n是自然数，一个照射区域是部分覆盖一个所述分区域的长方形或正方形的面单元，
在一个照射区域中，在利用能量辐射扫描构造材料时，使能量射束沿优选平行的扫描线中在分区域中的构造材料上移动。
通过将物体横截面的分区域或将整个物体横截面除了轮廓线以外分成多个照射区域，可以确保更均匀的固化，这是因为，尤其是对于大面积的物体横截面，通过逐个照射区域地使构造材料固化，可以避免已固化位置的邻近区域中的构造材料发生过度冷却。这些照射区域优选是长方形或正方形的面单元，这些面单元特别优选地具有相同的尺寸，使得可以以简单的方式实现镶木地板木条状地覆盖物体横截面(的分区域)。表述“部分覆盖”这里是指，照射区域不是完全覆盖物体横截面的分区域(或整个物体横截面)。在照射区域内，扫描线优选地基本上彼此平行地延伸，虽然并不是强制性地必须如此。
通过分配照射区域，在一个照射区域内可以用具有相同长度的扫描线扫描构造材料，其方式例如是，使扫描线全都平行于长方形照射区域的一个侧边定向。对于这个区段的延伸尺寸小于所得到的恒定扫描线长度的情况，当然要用较短的扫描线扫描这个区段，以使该区段中的构造材料固化。通过根据本发明的方法仍确保了在该区段中有均匀的能量输入，其方式例如是，将用于扫描扫描线的最小持续时间设置为与用于在该照射区域中沿平行于照射区域的一个侧边分布并且在该侧边的整个长度上延伸的扫描线进行扫描的持续时间相等。
在根据本发明的方法的前面描述的更为优选的实施方式的一个变型中，对于针对一个扫描线确定低于最小持续时间的情况，在沿该扫描线扫描构造材料之前或之后规定等待时间，并且在所述等待时间期间，规定通过能量射束沿至少一个另外的扫描线扫描构造材料。
虽然在沿扫描线扫描构造材料之前或之后***等待时间，也可以利用所述等待时间，扫描在另一个要固化的位置处的构造材料，其方式例如是，在所述等待时间期间，沿尤其是物体横截面的另一个分区域中的另一个扫描线扫描构造材料。由此，尽管***了等待时间，但是仍可以保持用于制造物体所需的持续时间较短。
在另一个变型中，将最小持续时间设置成等于照射区域沿平行于扫描线的方向的延伸尺寸w与能量射束在照射区域中沿扫描线的平均移动速度v的商，从而能够根据以下事实识别出低于最小持续时间，即，扫描线的长度h小于照射区域沿平行于扫描线的方向的延伸尺寸w。
由此可以以简单的方式预先规定所述最小持续时间，因为可以确定在照射区域中能量射束沿扫描线的平均运动速度，并且因此，尤其是在运动速度恒定情况下，以简单的方式由照射区域平行于扫描线的几何尺寸得出最小持续时间。
特别是可以根据以下公式来确定能量射束的沿扫描线所减小的能量密度(Ereduc)：
Ereduc＝E0-(l-f(h)×h/w)×a×E0，
其中E0是能量射束的在分区域的在沿扫描线扫描时不低于最小持续时间的位置处的平均能量密度，
h是在分区域中的扫描线的长度，
f(h)是描述能量密度随着扫描线长度减小而单调减小的函数，
w是照射区域沿扫描线方向的尺寸，并且
a描述能量射束的能量密度最大应减少的数值。
利用所给出的公式，可以以简单的方式在利用生成式的逐层构造设备进行的物体制造过程之前就已经计算出在沿扫描线扫描时在构造材料的一个位置处优选要输入的能量。这里还要指出的是，“单调减少”是指，能量密度在任何情况下都不会随着扫描线长度的减小保持恒定。函数f(h)和参数a可以事先通过预测试确定。尤其是在“增材式制造”方法中，有限数量的预测试的花费是值得的，因为特别是在以批量方式制造大量物体时可以通过根据本发明的措施减少制造时间。
根据本发明的生成式的逐层构造方法用于制造至少一个三维物体，在所述生成式的逐层构造方法中，通过逐层施加构造材料和通过在一个层中向所有与物体在该层中的横截面对应的位置供应辐射能量来使构造材料固化来制造所述物体，其方式是，通过能量输入装置用能量辐射扫描所述位置，使得能量输入装置将至少一个能量射束对准构造材料层的预定位置，使得通过所述能量射束使得构造材料发生固化，所述生成式的逐层构造方法包含根据本发明的用于提供控制数据的方法。
借助于根据本发明的生成式的逐层构造方法，可以在很短的制造时间内实现均匀固化的物体。
根据本发明的装置用于计算机辅助地向用于制造三维物体的生成式的逐层构造设备提供控制数据为，其中，借助于所述生成式的逐层构造设备通过逐层施加构造材料和通过在一个层中向所有与物体在该层中的横截面对应的位置供应辐射能量来使构造材料固化来制造所述物体，其方式是，通过能量输入装置用能量辐射扫描所述位置，使得能量输入装置将至少一个能量射束对准构造材料层的预定位置，使得通过所述能量射束使得构造材料发生固化，其中所述装置具有：提供装置，所述提供装置访问具有在制造期间要选择性待固化的一定数量的构造材料层的数据模型的数据集，在数据模型的每个层中对与物体横截面对应的应进行构造材料的固化的位置进行标记(只要在该层中设有或存在这样的位置)，
在数据集中，在数据模型的至少一个、优选所有的层中至少对于物体横截面的一个分区域规定按怎样的时间序列使能量射束以优选平行的扫描线在所述分区域的所述位置上运动，以扫描构造材料。
所述装置的特征在于具有：数据集修改单元，所述数据集修改单元设置成，使得所述数据集修改单元这样修改所述数据集，使得在数据模型的至少一个、优选所有层中，对于物体横截面的相应分区域查验，沿一个扫描线扫描构造材料所需的扫描时间是否低于预先规定的最小持续时间，并且如果这对于一个扫描线确定存在这种情况，则在沿该扫描线扫描构造材料期间规定能量射束减小的能量密度和/或在沿该扫描线扫描之后，在能量射束沿另一个扫描线移动之前，规定一段等待时间，和
控制数据集提供单元，所述控制数据集提供单元设置成，用于提供由数据集修改单元修改的数据集，以生成用于生成式的逐层构造设备的控制数据集。
提供用于生成控制数据集的在第二步骤中修改的数据集也可以表现为，使得控制数据集提供单元本身将经修改的数据集集成到用于生成式的逐层构造设备的控制数据集中。但所述提供也包括将数据集传送给数据处理装置，所述数据处理装置将数据集集成到控制数据集中，或者将其直接传送给生成式的逐层构造设备。尤其是在生成式的逐层构造设备中的制造过程期间，动态地向所述生成式的逐层构造设备提供数据集，用于尚待制造物体横截面。
优选地，根据本发明的生成式的逐层构造设备可以具有最小持续时间接收单元，所述最小持续时间接收单元设置成，经由网络或用户输入从存储器中接收最小持续时间。由于存在所述最小持续时间接收单元，可以以简单的方式预先规定或改变用于扫描扫描线的最小持续时间。
根据本发明的生成式的逐层构造设备用于制造三维物体，其中，在所述生成式的逐层构造设备中，通过逐层施加构造材料和通过在一个层中向所有与物体在该层中的横截面对应的位置供应辐射能量来使构造材料固化来制造所述物体，其方式是，通过能量输入装置用能量辐射扫描所述位置，使得能量输入装置将至少一个能量射束对准构造材料层的预定位置，使得通过所述能量射束使得构造材料发生固化，所述生成式的逐层构造设备具有根据本发明的用于计算机辅助地提供控制数据的装置。
根据本发明的计算机程序具有程序代码结构，用于当借助于数据处理器、尤其是与生成式的逐层构造设备配合作用的数据处理器执行所述计算机程序时，执行根据本发明的用于计算机辅助地提供控制数据的方法的所有步骤。
“配合作用”在这里是指，数据处理器集成到生成式的逐层构造设备中或者可以与所述生成式的逐层构造设备交换数据。借助于软件实施根据本发明的用于提供控制数据的方法以及相关装置使得可以实现能简单地在不同地点(例如在物体设计方案的作者处，但或者也在生成式的逐层构造设备的经营者处)安装不同电子数据处理***上。
在根据本发明的计算机可读存储介质上存储有根据本发明的计算机程序。所述存储介质尤其也可以是存在于生成式的逐层构造设备中或能量输入装置中的存储器。
附图说明
本发明的其它特征和优点可以由参考附图对实施例的说明中得出。
图1示出根据本发明的一个实施形式的用于生成式地制造三维物体的示例性设备的部分用剖视图显示的示意图，
图2示意性示出能量射束的要规定的能量密度E与用于直线的扫描线的扫描时间tA之间的关系，
图3示出用于说明本发明的一个特殊实施方式的示意性图表，
图4示出示例性的物体横截面的示意性俯视图，以说明本发明的一个特殊的实施方式，
图5示出根据本发明的用于提供控制数据的方法的流程，
图6示出根据本发明的用于提供控制数据的装置的示意性结构。
具体实施方式
为了说明本发明，首先应在下面以激光烧结或熔融装置为例参照图1来说明根据本发明的生成式的逐层构造设备。
为了构造物体2，激光烧结或激光熔融装置1包括具有腔壁4的处理腔或构造腔3。在所述处理腔3中设置具有容器壁6的向上敞开的构造容器5。通过构造容器5的上部开口限定工作平面7，所述工作平面7的位于开口之内的区域可以用于构造物体2，该区域称为构造区8。
在所述容器5中设置能沿竖直方向V运动的支座10，在所述支座上安装基板11，所述基板向下封闭所述容器5并由此构成容器的底部。基板11可以是与支座10分开构成的板件，所述板件固定在支座10上，或者所述基板可以与支座10一体地构成。根据所使用的构造材料和处理工艺，还可以在基板11上安装构造平台12作为构造底座，在所述构造平台上构造所述物体2。但所述物体2也可以在基板11本身上构造，此时所述基板用作构造底座。在图1中，要在容器5中在构造平台12上形成的物体2在工作平面7下方以中间状态示出，这个状态具有多个已固化的层，这些层被保持为固化的构造材料13包围。
激光烧结或熔融装置1此外还包含用于构造材料15的存放容器14，所述构造材料在该实施例中是能通过电磁辐射固化的粉末，还具有能沿水平方向H运动的涂布机16，用于在构造区8的内部施加构造材料15。可选地可以在处理腔3中设置加热装置，例如辐射加热装置17，所述辐射加热装置用于加热已施加的构造材料。作为辐射加热装置17例如可以设置红外辐射器。
所述示例性的生成式逐层构造设备1此外还包含具有激光器21的照射装置20，所述激光器产生激光射束22，所述激光射束通过转向装置23发生转向并通过聚焦装置24经由在处理腔3的上侧安装在腔壁4中的入射窗25聚焦到工作平面7上。
此外，所述激光烧结装置1包含控制单元29，通过所述控制单元能够以协调的方式控制装置1的各个部件，以便执行构造过程。备选地，控制单元也可以部分或完整地安装在所述装置之外。控制单元可以包含CPU，其运行通过计算机程序(软件)控制。所述计算机程序可以与所述装置分开地存储在存储介质上，从所述存储介质出发可以(例如通过网络)将所述计算机程序装载到所述装置中，特别是装置到所述控制单元中。
在运行中，通过控制装置29使支座10逐层降低，操控涂布机16以施加新的粉末层，并且操控转向装置23以及必要时还有激光器21和/或聚焦装置24，以利用激光器通过用激光扫描与相应物体对应的位置而在这些位置处使相应的层固化。
对于激光烧结或激光熔化，所述照射装置例如可以包括一个或多个气体或固体激光器，或者包括任意其他形式的激光器，如例如激光二极管、特别是VCSEL(垂直空腔表面发射激光器)或VECSEL(垂直外腔表面发射激光器)，或者包括一排所述激光器。因此，在图1中示出的激光烧结或熔融装置的具体结构对于本发明仅是示例性的，并且当然也可以对其进行修改，尤其是当使用与所示不同的照射装置时。为了清楚地表明，在构造材料上的辐射命中面的形状不必近似点状的，而是可以是面式的，下面也经常将术语“射束”与“辐射”同义地使用。
所有下文所作出的陈述不仅适用于激光烧结或熔融装置，而且也适用于其它类型的以辐射形式向构造材料中输入热能的生成式逐层构造设备。
在上面举例说明的生成式的逐层构造设备中，制造过程这样地进行，即，由控制单元29来处理控制数据集(通常也称为控制命令集)。下面参考图2至6距离说明根据本发明的处理方式。
如在图6中所示，根据本发明的用于为生成式的逐层构造设备提供控制数据的装置100包括提供装置101、数据集修改单元102和控制数据集提供单元103。参照图5来说明用于提供控制数据的装置100的功能原理。图2至4这里用于进一步解释。
在图6中示出的向生成式的逐层构造设备提供控制数据的装置100中，提供装置101首先访问数据集，所述数据集具有在制造期间要选择性固化的一定数量的构造材料层的数据模型。在图5中所示的方法流程中，这是步骤S1。
如果提供装置101访问的数据集不包含关于能量射束以优选平行的扫描线物体横截面的至少一个分区域的要固化的位置上移动的时间序列的信息，则可以在执行根据本发明的方法之前给数据集添加所述信息，例如，通过本发明的装置100本身进行添加。
在图5中所示的步骤S2中，通过数据集修改单元102首先检查，在物体横截面的至少一个分区域中是否低于用于扫描扫描线的预先规定的最小持续时间。如果确定存在这种低于最小持续时间的情况，则数据集修改单元102减小用于扫描相应扫描线的能量射束的规定能量密度，但或者也可以在扫描相应的扫描线之前或之后规定等待时间，从而用于相应扫描线的扫描时间和等待时间相加优选等于所述最小持续时间。当然也可以既减小能量射束的能量密度，也***等待时间。
图2示意性示出能量射束的要规定的能量密度E与用于扫描线的扫描时间tA之间的关系。可以看出，只要扫描时间tA低于预先规定的最小持续时间tmin，则能量密度仍然相对较低。一旦扫描时间tA大于或等于所述预先规定的最小持续时间tmin，则与此相对，对于能量射束，图2示出恒定的标准能量密度EN。
需要强调的是，如果扫描时间低于最小持续时间tmin，只要能量密度E单调地随扫描时间tΑ减少并且小于标准能量密度E，在图2中所示的在能量射束的能量密度E与扫描时间tA之间的线性关系也可以是非线性关系。同样地，对于扫描时间tΑ大于最小持续时间tmin的值，能量密度不是必须具有标准能量密度EN的值，而是可以具有高于标准能量密度EN值的任意其它值。
虽然在图2中的示意图看上去对于一个扫描线允许有任意短的扫描时间，而实际上将通常给定最小扫描时间tL，在这个最小扫描时间之下没有规定扫描线，因为由于仪器的边界条件不能低于确定的最小扫描时间。因此，曲线的左侧区域用虚线示出。最小扫描时间tL例如取决于转向装置23的最大速度。
可以例如通过减小激光源或电子束源的功率来实现能量射束的所述能量密度，但或者也可以通过以其他方式操控辐射能量源，例如对于脉冲激光器中通过改变激光脉冲宽度来实现能量射束的所述能量密度。
在图5中所示的步骤S3中，最终通过数据集提供单元103提供在步骤S2中修改的数据集，用于生成控制数据集。
下面说明上面所述处理方式的变型方案。
在本发明的一个优选变型方案中区分，在时间上后面的扫描线比前面的扫描线更少还是更多的扫描时间。为此，对于两个扫描时间分别低于预先规定的最小持续时间的相邻扫描线，数据集修改单元102确定在数据集中这两个扫描线中的哪一个在时间上较晚被扫描。对此的原因在于，发明人已经确认，与时间上在后的扫描线具有较小扫描时间的情况相比，在用于时间上较晚的扫描线的扫描时间的较长时，能量密度相对于在时间上在前的扫描线的变化应更大。这个处理方式在图3中示意性示出。
在图3中的图表中，在横坐标上示出在到时间上在后的扫描线的过渡部中扫描时间的变化dtA，其中有dtA＝tΑ(后面的扫描线)-tΑ(前面的扫描线)。纵坐标示出在到时间上在后的扫描线的过渡部中能量密度的变化dE，其中有dE＝E(后面的扫描线)-E(后面的扫描线)。可以看出，对于扫描时间增加(坐标系的纵轴的右侧)的情况，dE和dtA之间的示例性示出的线性关系不同于用于扫描时间减少的情况(坐标系的纵轴的左侧)的线性关系。根据在这个笛卡尔坐标系的第一和第三象限中的不同斜率可以看出，对于增加的扫描时间，能量密度比对于减小的扫描时间以更强的程度变化。同样，这种线性关系仅是示例性的。
图4示出一个优选的变型方案，其中给要固化的物体横截面的至少一个分区域分配多个照射区域。图4示意性示出示例性长方形物体横截面41。所述物体横截面不是通过利用在物体横截面的整个宽度上延伸的扫描线移动经过而固化，而是给该物体横截面41分配条形(长方形)的照射区域42。在每个照射区域42中，通过使相邻的扫描线43移动经过扫描物体横截面41内部要固化的构造材料，此时，两个相邻的扫描线这里例如分别以相反的方向移动。在该实施例中，给定了沿一个扫描线43扫描所需的持续时间作为用于扫描该扫描线的最小持续时间，该扫描线完全位于物体横截面之内。但根据扫描线43a、43b、43c、43d、43e和43f可以看出，如果照射区域延伸超出物体横截面41的边缘，在减小扫描线长度并且(在例如射束沿扫描线的扫描速度或移动速度v恒定的情况下)减少扫描时间。因此，为了使射束的能量密度与减少的扫描时间相适配，分别给扫描线43a至43f分别规定一个降低的能量密度。现在假设，以相同的标准能量密度E通过全部扫描线43，则例如给扫描线43a规定能量密度0.9×EN，给扫描线43b规定能量密度0.85×EN，给扫描线43c规定能量密度0.8×EN，给扫描线43d规定能量密度0.75×EN，给扫描线43e规定能量密度0.7×EN，以及给扫描线43f规定能量密度0.65×EN。
在图4中还可以看出，在扫描持续时间(以及通常还有扫描线长度)发生强烈变化很大的位置，能量密度也发生强烈变化。尤其是在物体横截面41的扫描线43d和43f直接并排设置的右上角处可以观察到这种情况，并且给扫描线43d规定0.75×EN的能量密度，而给扫描线43f规定0.65×EN的能量密度。
为了简化在制造物体之前对要输入的能量密度的确定，适宜的是，建立用于要输入的能量密度的公式。作为对于这种公式的示例，这里给出以下公式：
Ereduc＝E0-(l-f(h)×h/w)×a×E0，
其中E0是能量射束的在分区域的在沿扫描线扫描时不低于最小持续时间的位置处的平均能量密度，
h是在分区域中的扫描线的长度，
f(h)是描述能量密度随着扫描线长度减小而单调减小的函数，
w是照射区域沿扫描线方向的尺寸，以及
a描述能量射束的能量密度最大应减少的数值。函数f(h)例如可以是线性函数。
最后，还要指出的是，根据本发明的用于给生成式的逐层构造设备提供控制数据的装置100不仅可以仅通过软件组件来实现，而且也可以仅通过硬件组件来实现或者由硬件和软件的混合形式来实现。在本申请中所提到的接口尤其不必强制性地构造成硬件组件，例如如果经由软件模块输入或从其输出的数据可以由已经在相同的装置上实现的其它组件接收或者只需通过软件传输给另一个组件，所述接口也可以作为软件模块来实现。所述接口同样也可以由硬件及软件组件构成，例如标准硬件接口，通过软件针对具体使用目的对所述标准硬件接口进行专门配置。此外，也可以在一个共同的接口中、例如一个输入-输出接口中组合多个几个接口。

Claims (14)

1.计算机辅助的用于向用于制造三维物体的生成式的逐层构造设备提供控制数据的方法，
借助于所述生成式的逐层构造设备通过逐层施加构造材料和通过借助于在一个层中向所有与物体在所述层中的横截面相对应的位置处供应辐射能量使构造材料固化来制造所述物体，其方式是，通过能量输入装置利用能量辐射扫描这些位置，使得能量输入装置将至少一个能量射束对准构造材料层的预定位置，使得通过所述能量射束使构造材料固化，
所述方法为了生成控制数据集而具有访问数据集的第一步骤(S1)，所述数据集具有在制造期间要选择性固化的一定数量的构造材料层的数据模型，
在数据模型的每个层中对与物体横截面对应的应进行构造材料的固化的位置进行标记，
其中在数据集中，在数据模型的至少一个、优选所有的层中至少对于物体横截面的一个分区域规定按怎样的时间序列使能量射束以优选平行的扫描线在所述分区域的所述位置上运动，以扫描构造材料，
其特征在于，在第二步骤(S2)中，这样修改数据集，使得在数据模型的至少一个、优选所有层中，对于物体横截面的相应分区域检查，沿一个扫描线扫描构造材料所需的扫描时间是否低于预先规定的最小持续时间tmin，并且如果对于一个扫描线确定存在这种情况，则在沿该扫描线扫描构造材料期间规定能量射束减小的能量密度和/或在沿该扫描线扫描之后，在能量射束沿另一个扫描线移动之前，规定一段等待时间，
其中这样规定能量射束的所述减小的能量密度，使得低于预先规定的最小持续时间tmin越多，则规定能量射束的能量密度越小，
并且
在第三步骤(S3)中，提供在第二步骤中修改的数据集，用于生成用于所述生成式的逐层构造设备的控制数据集。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在第二步骤(S2)中检查，对于两个并排设置的扫描线是否不同程度地低于所述预先规定的最小持续时间tmin，并且如果是这种情况，则检查，所述两个扫描线中的哪一个在时间上更晚地被扫描，
对于在时间上要首先扫描的扫描线，规定减小的第一能量密度E1，而对于在时间上较晚要扫描的扫描线，规定减小的第二能量密度E2，
其中，减小的第一和第二能量密度E1和E2规定为，使得对于在时间上较晚要扫描的扫描线的扫描时间tA2小于在时间上首先要扫描的扫描线的扫描时间tΑl的情况，在第一和第二减小的能量密度之间的差的数值|E1-E2|与在时间上较晚要扫描的扫描线的扫描时间tA2大于在时间上首先要扫描的扫描线的描线时间tΑ1的情况相比更小。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所提供的数据集在一层中具有横截面的多个分区域，这些分区域位于在前一个层中的未固化的材料的上方或者位于在下一个层中的不需要固化的材料的下方。
4.根据前述权利要求之一所述的方法，其中，对于针对一个扫描线确定了低于最小持续时间tmin的情况，在沿该扫描线扫描构造材料之前或之后***等待时间，所述等待时间最多、优选恰好等于在最小持续时间tmin和用于扫描该扫描线的持续时间之间的差。
5.根据前述权利要求之一所述的方法，其中，给所述至少一个分区域分配n个照射区域，其中n是自然数，一个照射区域是部分覆盖一个所述分区域的长方形或正方形的面单元，在一个照射区域中，在利用能量辐射扫描构造材料时，使能量射束沿优选平行的扫描线在分区域中的构造材料上移动。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，对于针对一个扫描线确定低于最小持续时间tmin的情况，在沿该扫描线扫描构造材料之前或之后规定一段等待时间，并且在所述等待时间期间，规定通过能量射束沿至少一个另外的扫描线对构造材料进行扫描。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其中，将最小持续时间tmin设置成等于照射区域沿平行于扫描线的方向的延伸尺寸(w)与能量射束在照射区域中沿扫描线的平均移动速度(v)的商，从而能够根据以下事实识别出低于最小持续时间tmin，即，扫描线的长度(h)小于照射区域沿平行于扫描线的方向的延伸尺寸(w)。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，可以根据以下公式来确定能量射束的沿扫描线所减小的能量密度(Ereduc)：
Ereduc＝E0-(l-f(h)×h/w)×a×E0，
其中E0是能量射束的在分区域的在沿扫描线扫描时不低于最小持续时间tmin的位置处的平均能量密度，
h是扫描线在分区域中的长度，
f(h)是描述能量密度随着扫描线长度减小而单调减小的函数，
w是照射区域沿扫描线方向的尺寸，并且
a描述能量射束的能量密度最大应减少的数值。
9.用于制造至少一个三维物体的生成式的逐层构造方法，其中，在所述生成式的逐层构造方法中，通过逐层施加构造材料和通过借助于在一个层中向所有与物体在所述层中的横截面相对应的位置处供应辐射能量来使构造材料固化来制造所述物体，其方式是，通过能量输入装置用能量辐射扫描所述位置，使得能量输入装置将至少一个能量射束对准构造材料层的预定位置，使得通过所述能量射束使得构造材料发生固化，其中所述生成式的逐层构造方法包含根据权利要求1至8之一所述的方法。
10.用于计算机辅助地向用于制造三维物体的生成式的逐层构造设备提供控制数据的装置，其中，借助于所述生成式的逐层构造设备通过逐层施加构造材料和通过借助于在一个层中向所有与物体在该层中的横截面对应的位置供应辐射能量来使构造材料固化来制造所述物体，其方式是，通过能量输入装置用能量辐射扫描所述位置，使得能量输入装置将至少一个能量射束对准构造材料层的预定位置，使得通过所述能量射束使得构造材料发生固化，其中所述装置具有：
提供装置(101)，所述提供装置访问具有在制造期间要选择性待固化的一定数量的构造材料层的数据模型的数据集，在数据模型的每个层中对与物体横截面对应的应进行构造材料的固化的位置进行标记，
在数据集中，在数据模型的至少一个、优选所有的层中至少对于物体横截面的一个分区域规定按怎样的时间序列使能量射束以优选平行的扫描线在所述分区域的所述位置上运动，以扫描构造材料，
其特征在于，具有数据集修改单元(102)，所述数据集修改单元设置成，使得所述数据集修改单元这样修改所述数据集，使得在数据模型的至少一个、优选所有层中，对于物体横截面的相应分区域检查，沿一个扫描线扫描构造材料所需的扫描时间是否低于预先规定的最小持续时间tmin，并且如果对于一个扫描线确定存在这种情况，则在沿该扫描线扫描构造材料期间规定能量射束减小的能量密度和/或在沿该扫描线扫描之后，在能量射束沿另一个扫描线移动之前，规定一段等待时间，
和
控制数据集提供单元(103)，所述控制数据集提供单元设置成，用于提供由数据集修改单元(102)修改的数据集，以生成用于生成式的逐层构造设备的控制数据集。
11.根据权利要求10所述的装置，所述装置具有最小持续时间接收单元，所述最小持续时间接收单元设置成，经由网络或用户输入从存储器中接收最小持续时间tmin。
12.用于制造至少一个三维物体的生成式的逐层构造设备，在所述生成式的逐层构造设备中，通过逐层施加构造材料和通过借助于在一个层中向所有与物体在该层中的横截面对应的位置供应辐射能量来使构造材料固化来制造所述物体，其方式是，通过能量输入装置用能量辐射扫描所述位置，使得能量输入装置将至少一个能量射束对准构造材料层的预定位置，使得通过所述能量射束使得构造材料发生固化，其中，所述生成式的逐层构造设备具有根据权利要求10至11之一所述的装置。
13.计算机程序，具有程序代码结构，用于当借助于数据处理器、尤其是与生成式的逐层构造设备配合作用的数据处理器执行所述计算机程序时，执行根据权利要求1至8之一所述的方法的所有步骤。
14.计算机可读的存储介质，在所述存储介质上存储有根据权利要求13所述的计算机程序。
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