用于增材制造中的排放羽流监控的方法与流程

本发明大体涉及增材制造，更加具体地，涉及用于在增材制造中监控排放羽流的装置及方法。

背景技术：

增材制造是一种逐层构建材料以形成部件的处理。增材制造还通过术语，诸如“分层制造”、“反向加工”、“直接金属激光熔化”(dmlm)和“3d打印”来指代。这种术语当作出于本发明的目的的同义词。

一种类型的增材制造机器称之为“粉末床”机器并且包括构建室，构建室包围通过辐射能量射束被选择性地熔融以形成工件的大量粉末。构建室包围在壳体中，壳体一般包括用于其中保护气体流的设置。保护气体用于将热量传送离开粉末床的表面，以阻止汽化的粉末在工件的表面上冷凝，并且控制不期望的化学反应，诸如氧化。

操作时，辐射能量射束与粉末的相互作用导致粉末的汽化，产生羽流，羽流源自于熔池的附近并且向下游行进，夹带在保护气体流中。紧接在能量射束所产生的熔池的附近，羽流的成分主要是汽化粉末。在下游部位，蒸气冷却并冷凝，使得羽流包含气体和金属颗粒(冷凝物)的混合物。

冷凝物的存在会对构建处理具有不利效果，例如，能量射束的阻挡，或者射束强度的减少。该效果会防止迅速射束扫描或使用多个射束。

伴随现有技术增材制造机器和处理的问题是，排放羽流的轨迹未被追踪或知晓。

技术实现要素：

该问题通过使用一个以上传感器以在增材制造处理中提供对排放羽流轨迹的实时了解的方法来解决。

根据文中描述的技术的一个方面，提供了一种监控增材制造处理的方法，其中，在通过一个以上能量射束与粉末相互作用产生的一个以上羽流存在时，一个以上能量射束用于选择性地熔融粉末，以形成工件。该方法包括使用至少一个传感器来产生表示羽流中的一个以上的轨迹的至少一个信号。

根据文中描述的技术的另一方面，一种制作工件的方法包括：将粉末状材料沉积在安置于壳体中的构建室中，同时使用与壳体流体连通地联接的气体流动装置，以在粉末上提供气体流；在气体流存在时，引导一个以上能量射束，以与工件的横截面层对应的形式选择性地熔融粉末状材料，其中，一个以上能量射束与粉末状材料的相互作用产生夹带在气体流中的一个以上羽流；使用至少一个传感器来产生表示羽流中的一个以上的轨迹的至少一个信号；以及，响应于至少一个信号来控制增材制造处理的至少一个方面。

附图说明

通过参考以下结合附图的描述可以最好地了解本发明，其中：

图1是其中包括构建室的示范性增材制造机器的示意性部分截面正视图；

图2是图1的机器的示意性部分截面侧视图；

图3是图1的机器的示意性部分截面俯视图；

图4是增材制造构建室的示意性立体视图，示出使用两个能量射束的构建处理；以及

图5是增材制造构建室的示意性立体视图，示出使用两个能量射束、照明源和传感器的构建处理，传感器定位在构建室周围以检测射束所产生的羽流。

具体实施方式

参考附图，其中，等同附图标记在各个视图中标示相同元件，图1示意性映射图示适合于实行增材制造方法的增材制造机器10。机器10的基本部件包括台子12、粉末供应部14、重涂覆机16、溢流容器18、构建室22所围绕的构建平台20以及至少一个射束产生器24，全部被壳体26围绕。下面将更加详细地描述这些部件中的每一个。

台子12是限定平面工作表面28的刚性结构。工作表面28与虚拟工作平面共面并且限定虚拟工作平面。在图示示例中，它包括与构建室22连通并且露出构建平台20的构建开口30，与粉末供应部14连通的供应开口32，以及与溢流容器18连通的溢流开口34。

重涂覆机16是位于工作表面28上的刚性横向伸长结构。它连接到致动器36，致动器36能够操作以沿着工作表面28选择性地移动重涂覆机16。在图1中示意性地描绘了致动器36，其中知道的诸如气动或液压缸、滚珠丝杠或线性电动致动器之类的设备可以被用于该目的。

粉末供应部14包含在供应开口32下方并与供应开口32连通的供应容器38，以及升降器40。升降器40是能够在供应容器38内竖向滑动的板状结构。它连接到致动器42，致动器42能够操作以选择性地上下移动升降器40。在图1中示意性地描绘了致动器42，其中知道的诸如气动或液压缸、滚珠丝杠或线性电动致动器之类的设备可以被用于该目的。当升降器40降低时，可以将期望成分的粉末44(例如，金属、聚合、陶瓷和/或有机粉末)的供应装载到供应容器38中。当升降器40升高时，它将粉末露出在工作表面28上面。可以使用其他类型的粉末供应；例如，粉末可以通过顶置设备(未示出)下落到构建室22中。

构建平台20是能够在构建开口30下面竖向滑动的板状结构。它连接到致动器46，该致动器46能够操作以选择性地上下移动构建平台20。在图1中示意性地描绘了致动器46，其中知道的诸如气动或液压缸、滚珠丝杠或线性电动致动器之类的设备可以被用于该目的。当在构建处理期间构建平台20降低到构建室22中时，构建室22和构建平台20共同围绕并支撑大量粉末44以及在被构建的任何部件。该大量粉末大体称之为“粉末床”，并且该特定类别的增材制造处理可以称之为“粉末床处理”。

溢流容器18在溢流开口34下方并与溢流开口34连通，并且用作过量的粉末44的存放处。

装置10包含至少一个射束产生器24，射束产生器24能够操作以产生能量射束并视所需引导能量射束。如下面将更加详细地说明的，可以提供并同时使用多个射束产生器24，以便增加装置10的生产速度。在图示示例中，示出了两个射束产生器24。

每一个射束产生器24包括引导能量源48和射束转向装置50引导能量源48可以包含能够操作以产生具有适合的能量和其它操作特性的射束的任何设备，以在构建处理期间熔化并熔融粉末44，在下面更加详细地描述。例如，引导能量源48可以是激光器。其他引导能量源(诸如电子束枪)是激光器的适合的替代品。

射束转向装置50可以包括一个以上反射镜、棱镜、和/或透镜，并且设置有合适的致动器，并且布置成使得来自引导能量源48的射束可以聚焦到期望光斑大小并且转向到与工作表面28重合的平面中的期望位置。出于方便描述的目的，该平面可以称之为xy平面，垂直于xy平面的方向标示为z方向(x，y和z是三个互相垂直的方向)。射束在文中可以称之为“构建射束”。

在图示示例中，射束产生器24中的一个能够操作以产生第一构建射束54，而射束产生器24中的另一个能够操作以产生第二构建射束56。

使用上述装置的用于工件25的示范性基本构建处理如下。构建平台20移动到初始高位置。构建平台20以选定的层增量降低到工作表面28下面。层增量影响增材制造处理的速度和工件25的分辨率。作为示例，层增量可以是大约10到50微米(0.0003到0.002英寸)。然后将粉末44沉积在构建平台20上，例如，可以升高供应容器38的升降器40，以推动粉末通过供应开口32，将其露出在工作表面28上面。重涂覆机16移动越过工作表面，以在构建平台20上水平地展开升高的粉末44。在重涂覆机16从左向右经过时，任何过量的粉末44通过溢流开口34下落到溢流容器18中。随后，重涂覆机16可以移动回到起始位置。调平的粉末44可以称之为“构建层”，并且其露出的上表面可以称之为“构建表面”，标明为45。

射束产生器24中的一个以上用于熔化被构建的工件25的二维横截面或层。在射束产生器24内，引导能量源48发出射束，并且射束转向装置用于以适当形式在露出的粉末表面上使射束转向。围绕焦斑的粉末44的露出层的小部分(文中称之为“熔池”)通过构建射束加热到允许其烧结或熔化、流动和固结的温度。该步骤可以称之为“熔融”粉末44。例如，熔池可以在100微米(0.004英寸)宽的量级上。在使用两个射束产生器24的图示示例中，第一构建射束54产生第一熔池58，第二构建射束56产生第二熔池60。

构建平台20以层增量竖向向下移动，粉末44的另一层以相似厚度施加。射束产生器24再次发出构建射束54，56，并且射束转向装置50用于以适当形式在露出的粉末表面上使构建射束54，56的焦斑转向。粉末44的露出层通过构建射束54，56加热到允许其如上所述地熔融并且在顶层内以及与先前固化的下层均固结的温度。

重复移动构建平台20、施加粉末44，然后引导能量熔融粉末44的循环，直到整个部件完成为止。

机器10及其操作作为“粉末床机器”的代表性示例。将了解，这里描述的原理适用于粉末床机器的其他配置。

壳体26用来隔离和保护机器10的其他部件。在上述构建处理期间，壳体26设置有适当的保护气体流，保护气体流在其他功能中将氧气从构建环境中排除。为了提供该流，机器10可以联接到气体流动装置62，如图2中看到的。示范性气体流动装置62以串联流体流动连通关系包括可变速度风扇64、过滤器66、与壳体26连通的入口管道68以及与壳体26连通的返回管道70。气体流动装置62的全部部件与合适的管道相互连接，并且与壳体26组合限定气体流动回路。

使用的气体的成分可以与用作常规焊接操作的保护气体的成分相似。例如，可以使用气体，诸如氮气、氩气或其混合物。可以使用任何方便的气体源。例如，如果气体是氮气，则常规的氮气产生器72可以连接到气体流动装置62。替代地，可以使用一个以上加压缸74来供应气体。

一旦气体流动装置62和机器10开始利用气体吹扫，风扇64用于使气体以大致闭合的回路通过气体流动回路再循环，从而维持上述正压力，其中视所需增添附加的增添组成气体。增加风扇速度会增加气体流动回路中气体的速度和流速；反之，减小风扇速度会减小气体流动回路中气体的速度和流速。作为再循环的替代，气体流动装置62可以在全损耗模式下操作；例如，代替气体流动通过返回管道70并回到风扇64，气体可以在通过构建室22之后简单地通向大气。在图示示例中，热的大量气体提供热传递功能，然而，可选的热交换器(未示出)可以包含在气体流动装置62中。

入口管道68定位在壳体26的底部附近。在操作期间，它提供流或者气体流(参见箭头76)。如图1所示，入口管道68具有伸长形状(例如，矩形)并且跨越构建室22的宽度排出气体。出于参考目的，构建室22的宽度可以认为是平行于“x”方向。如图3所示，最接近于上入口管道68的构建室22的边缘称之为“前边缘”78，相对的平行边缘称之为“尾边缘”80。出于参考目的，构建室的长度(即，从前边缘78到尾边缘80的距离)可以认为是平行于“y”方向。

气体流76具有两个功能。首先，它用于使热传递生效并且将热量从构建室22内的最上侧的构建层的表面运送走。其次，在构建处理期间，粉末44中的一些被汽化。该蒸气可以冷却并且冷凝在工件25的表面上，转而导致不期望的表面粗糙度或“重铸”层。气体流76的部分用于将蒸气和/或冷凝物运送走。

操作时，构建射束54，56与粉末44的相互作用导致粉末44的加热和汽化。如图4所示，这相应地产生第一“羽流”82和第二“羽流”84，第一“羽流”82和第二“羽流”84源自于熔池58，60的附近并且向下游行进，夹带在气体流76中。紧接在熔池58，60的附近，相应地，羽流82，84的成分主要是汽化粉末。在下游部位，蒸气可以冷却并冷凝，使得羽流82，84包含气体和金属颗粒的混合物。

为了监控下面描述的监控技术，期望量化羽流82，84的行为。特别地，期望生成“羽流映射图”，描述在任何给定时间内在3d空间中每个羽流82，84的部位和尺寸，以及羽流82，84随时间的演化。该处理还可以描述为确定羽流82，84的轨迹。出于方便描述的目的，羽流82将使用为示例，其中了解，相同方法可以被用于羽流84或用于任何附加羽流，其中使用多个能量射束。

用于生成羽流82的映射图的一个可能方法涉及到感测羽流82。能够将羽流82与气体流76区分开的任何可视化技术可以被用于该目的。

例如，可以提供照明源，以照明羽流82，配合有传感器，以检测从羽流82散射或反射的光。合适的照明源的非限制性示例包括：以低输出瓦特操作的激光器(诸如射束产生器24)；一个以上附加的专用低功率激光或其他能量射束(图5中以85示意性地示出)，辅助发光二极管(“led”)，或者适当波长(如，红外或可见)的室光。可以使用后向散射和前向散射感测技术，并且可以组合来自多个传感器的多个图像以产生3d羽流映射图。

在图5中示出的示例中，照明源86(示意性地示出)设置在壳体26内的固定部位处。传感器88设置在壳体26内，具有构建表面45的清晰视野。每个传感器88对前向散射光90或后向散射光92敏感。替代地或者附加于照明源86，可以使用低能量的能量射束85来提供从羽流82散射的光源。文中使用的术语“低能量”指代足以产出可检测的散射光信号但不导致粉末44的显著熔化或熔融的射束强度。如果使用低能量能量射束85，则它可以以固定形式跨越构造表面45扫描，或者它可以以追踪羽流82的预测部位的方法扫描。

传感器88是一种类型的并且配置成使得它们可以检测前向散射或后向散射的光90,92并且响应地产生表示羽流82的位置的信号。例如，它们可以是成像传感器，或者可以提供以x-y阵列布置的多个更简单的传感器，以便提供位置参考。来自传感器88的信号的形式指示羽流82的部位。

传感器88可以用以在构建处理行进时实时地产生羽流映射图。传感器88所提供的信息在改进机器10的性能和效率上有用。

例如，羽流映射图可以用于开始建立用于机器10的恰当处理能力。一旦开始机器设置，将使用标称的一组操作参数执行测试构建。传感器88将用于生成如上所述的羽流映射图。然后，羽流映射图将被分析，与预定的性能极限比较，和/或，与指定轨迹比较，以此确认羽流轨迹符合可接受的性能要求和/或遵守预测行为。可以储存在开始机器运行期间产生的羽流映射图，用于将来参考。

如果羽流映射图指示不令人满意的行为，则可以对一个以上处理参数进行变动，以操纵羽流行为。可以在后续构建中再次使用传感器88来确定变动的有效性。可以执行一系列迭代，直到羽流性能符合操作要求为止。一旦该一组迭代完成，就可以使用优化的一组操作参数以开环形式执行后续构建。

建立初始处理能力时，通过对羽流82建模可以对表征羽流82有用。这可以例如使用市场上可得的计算流体动力学(“cfd”)软件包来进行。对软件的输入包括但不限于保护气体流76的空气动力学和热学特性以及羽流产生和演化过程的空气动力学和热学特性。输入可以考虑因素，诸如：空气流速、能量射束波长、强度或聚焦、固结或未固结的粉末材料成分和物理特性、熔池尺寸和热学特性、熔融处理的类型(如，加热、熔化或烧结)以及羽流的成分(如，气体和/或金属合金)。然后cfd软件能够产生羽流映射图作为输出。

可以将传感器88所产出的羽流映射图与建模的羽流映射图比较。

一旦如上所述地建立初始机器能力，储存的羽流映射图就可以用作用于趋势监控处理的基线。大体声明，监控处理包括使用传感器88监控羽流82，然后视必要性调整一个以上处理参数。文中使用的“处理参数”可以指代机器10和/或气体流动装置62的任何可控方面。

监控方法可以包括为羽流行为建立一个以上预定极限，诸如与基线轨迹的最大准许偏差。这些可以称之为“羽流轨迹极限”。

监控方法可以包括，响应于超过一个以上羽流轨迹极限而采取离散动作，诸如向本地或远程操作员提供可见或可听警报。

监控方法可以包括，响应于超过一个以上羽流轨迹极限而停止构建处理。这是离散动作的另一示例。

监控方法可以包括使用方法诸如下述的一个以上处理参数的实时控制：统计处理控制、前馈控制、使用比例、比例积分或比例-积分-微分控制逻辑的反馈控制、神经网络控制算法、或者模糊逻辑控制算法。

监控方法可以包括，监控机器10和/或气体流动装置62的状况或“健康性”。可以在若干构建循环期间测量和储存羽流轨迹测量值并且在这些循环之间进行比较。例如，改变轨迹可以指示过滤器66的阻塞或入口管道68的一部分中的堵塞。改正动作可以采取机器维护或修复的形式，或者在后续构建中修改处理参数以补偿机器退化。

包括机器10和气体流动装置62的上述装置的操作可以例如通过在体现在一个以上设备(诸如可编程逻辑控制器(“plc”)或微型计算机(未示出))中的一个以上处理器上运行的软件来控制。这种处理器可以联接到传感器并且例如经过有线或无线连接来操作部件。可以使用相同的处理器或各处理器来取回和分析传感器数据，用于统计分析，以及用于反馈控制。

文中描述的方法具有优于现有技术的若干优势。特别地，它提供对增材制造处理中排放羽流的详细了解。该详细了解将实现避免射束/羽流相互作用、优化构建速度和/或监控机器未来行为与记录的对于趋势及例外的基线的构建策略。

前述描述了用于增材制造处理中的排放羽流监控的装置及方法。本说明书中公开的全部特征(包括任何随附的权利要求书、摘要和附图)和/或这样公开的任何方法或处理的所有步骤可以以任何组合来组合，除了这些特征和/或步骤中的至少一些特征和/或步骤的组合是互斥的情况以外。

除非另有明确声明，否则，本说明书中公开的每个特征(包括任何随附的权利要求书、摘要和附图)可以更替为服务于相同、等效或相似目的的替代特征。因而，除非另有明确声明，否则，所公开的每个特征仅是一通用系列等效或相似特征的一个示例。

本发明不受限于前述实施例的细节。本发明扩展到本说明书中公开的特征中的任何新颖的特征或任何新颖的组合(包括任何随附的潜在新颖点、摘要和附图)，或者，扩展到这样公开的任何方法或处理的步骤中的任何新颖的步骤或任何新颖的组合。