用于评估和制造增材制造组件的系统和工艺的制作方法
【专利摘要】一种确定一组增材制造参数的示例性方法包括：a)确定组件的至少一个表面的标称参数，b)确定所述标称参数中的至少一个二阶变化，c)至少部分地基于所述标称参数和所述二阶变化，预测实际所得尺寸，以及d)响应于所述预测的实际所得尺寸，调整至少一个增材制造工艺参数。
【专利说明】
用于评估和制造増材制造组件的系统和工艺
技术领域
[0001]本公开大体上涉及增材制造工艺，且更明确地说，涉及用于在增材制造组件的至少一个表面上实现所要的表面粗糙度的工艺。
[0002]背景
[0003]增材制造是用来通过施加连续材料层来产生组件的工艺，其中将每一层施加到前一材料层。使用增材制造所产生的最终组件的表面具有某一粗糙度，称为表面粗糙度。表面粗糙度归因于增材测量工艺期间连续层的累积施加而产生的固有阶梯式表面配置而出现。
[0004]在一些组件中，例如飞机组件或具有低容差的其它组件中，某些表面粗糙度是不能接受的，且输出粗糙度的变化同样也是不能接受的。现有的增材制造工艺是在假定在每一层处应用所要的层深度的情况下设计。当层深度或其它制造参数归因于工艺变化而变化时，表面粗糙度改变，甚至在最终组件满足尺寸容差时也是如此。因此，预期输出具有所要的一组限制的零件的增材制造参数可能输出在那些限制之外的零件。
[0005]发明概述
[0006]—种确定一组增材制造参数的示例性方法包括:a)确定组件的至少一个表面的标称参数，b)确定所述标称参数中的至少一个二阶变化，c)至少部分地基于所述标称参数和所述二阶变化，预测实际所得尺寸，以及d)响应于所述预测的实际所得尺寸，调整至少一个增材制造工艺参数。
[0007]在上述示例性方法的另一实例中，所述标称参数为至少一个表面的表面粗糙度。
[0008]上述示例性方法中的任一者的另一实例包括:再次反复a)到d)，直到预测的实际表面粗糙度在可接受的实际表面粗糙度的范围内为止；以及存储在a)到d)的最后一次反复中所确定的一组增材制造参数。
[0009]上述示例性方法中的任一者的另一实例包括根据a)到d)的最后一次反复中所确定的所述增材制造参数组来对至少一个组件进行增材制造。
[0010]上述示例性方法中的任一者的另一实例包括确定至少一个表面的标称表面粗糙度，包括对至少一个表面上的表面点与中线之间的差的绝对值求积分。
[0011]上述示例性方法中的任一者的另一实例包括确定至少一个二阶变化，包括确定至少两个变化。
[0012]上述示例性方法中的任一者的另一实例包括至少部分地基于所述标称参数和所述二阶变化来预测实际所得尺寸，包括确定至少一个二阶变化对标称参数的预期影响。
[0013]上述示例性方法中的任一者的另一实例包括确定至少一个第二变化对标称参数的预期影响，包括将至少一个二阶变化的概率分布应用于所述标称参数。
[0014]上述示例性方法中的任一者的另一实例包括确定至少一个第二变化对标称参数的预期影响，包括将至少一个二阶变化的机械分布应用于所述标称参数。
[0015]上述示例性方法中的任一者的另一实例包括确定至少一个第二变化对标称参数的预期影响，包括将至少一个二阶变化的以数学方式确定的物理分布应用于所述标称参数。
[0016]在一个示例性实施方案中，一种增材制造机器包括增材制造腔室，以及可操作来控制所述增材制造腔室的控制器。所述控制器包括处理器和非暂时性存储器。所述非暂时性存储器包括可操作来反复地将一组所要输出组件参数转换成一组制造参数。调整所述制造业参数来补偿至少一个二阶变化。
[0017]在上述增材制造机器的另一示例性实施方案中，所述指令可操作来致使控制器反复地执行一种方法，所述方法包括a)确定组件的至少一个表面的标称参数，b)确定所述标称参数中的至少一个二阶变化，c)至少部分地基于所述标称参数和所述二阶变化来预测实际所得尺寸，以及d)响应于所述预测的实际参数来调整至少一个增材制造工艺参数。
[0018]在上文所述的增材制造机器的另一示例性实施方案中，标称参数为表面粗糙度。
[0019]在上文所述的增材制造机器的另一示例性实施方案中，所述非暂时性存储器存储二阶变化的概率分布、二阶变化的机械分布以及二阶变化的以数学方式确定的基于物理学的分布中的至少一者。
[0020]在上文所述的增材制造机器的另一示例性实施方案中，所述控制器包括通信链路，其可操作来在反复过程期间，检索二阶变化的概率分布、二阶变化的机械分布以及二阶变化的以数学方式确定的基于物理学的分布中的一者。
[0021]—种反复地确定一组增材制造参数的示例性方法包括:在增材制造工艺中，至少部分地基于标称参数和二阶变化来预测实际所得尺寸。响应于所述预测的实际所得尺寸来调整至少一个增材制造工艺参数。
[0022]上述示例性方法的另一实例包括:在增材制造工艺中，至少部分地基于标称参数和二阶变化来预测实际所得尺寸。反复地进行响应于预测的实际所得尺寸来调整至少一个增材制造工艺参数，直到预期的实际输出组件在设计容差内为止。
[0023]在上述示例性方法中的任一者的另一实例中，预期的实际输出组件的确定包括增材制造工艺中的至少一个二阶变化的所估计影响。
[0024]在上述示例性方法中的任一者的另一实例中，实际所得尺寸为表面粗糙度。
[0025]可从以下的说明书和图式最好地理解本发明的这些和其它特征，以下是简要描述。
[0026]附图简述
[0027]图1示意性地说明增材制造组件的实例所要轮廓。
[0028]图2示意性地说明图1的所要轮廓的增材制造输出轮廓。
[0029]图3说明用于为组件设计增材制造参数的过程的流程图。
[0030]图4示意性地说明能够执行图3的过程的至少一部分的增材制造机器。
[0031]实施方案详述
[0032]图1示意性地说明增材制造组件的示例性所要轮廓10。轮廓10包括多个表面20、30、40、50，其中的每一者是在增材制造工艺期间产生。增材制造利用材料层的连续施加，以基础层开始，并累积到所要的零件形状。每一后续层具有不同的形状，从而导致产生具有所要轮廓10的零件的堆叠层配置。
[0033]归因于层的连续的堆叠，成角度的且弯曲的表面，例如所说明的成角度表面20和所说明的弯曲表面30，在最终组件中包括阶梯式表面配置。阶梯式配置在成角度表面20或弯曲表面30上给予表面粗糙度。虽然所要轮廓10包括光滑表面20、30、40、50，但归因于增材制造工艺的可接受的粗糙度可落在容差内，即使在容差严格的组件上也是如此。
[0034]图2示意性地说明来自经配置以制造图1中所说明的组件轮廓10的增材制造工艺的标称输出组件的标称轮廓100。标称输出组件是预期的输出组件，假定增材制造工艺的预期参数无变化。在成角度表面120或弯曲表面130中的每一者上，归因于不连续层的存在，产生阶梯式特征。每一层的特定悬垂随着成角度表面120或弯曲表面130的所要角度或曲率而变化，从而导致所有表面120、130、140、150上的变化的表面粗糙度。标称实例中的每一层具有相同的层高度160，其中预期层高度160由增材制造工艺的输入参数决定。
[0035]给定表面120、130、140、150的表面粗糙度可表述为Ra =丨(| Sp-Mi | )，其中Ra为表面的平均表面粗糙度，I Sp-M11为所述表面与界定平均表面的中线之间的距离的绝对值，且在整个所述表面上取得积分。表面点是标称轮廓的外表面上的点，且中线是所要轮廓的表面线。作为实例，关于成角度表面120，中线122沿所要表面延伸，且表面点124是标称输出组件100在沿中线122的给定点处的最外点。表面点124与中线122之间的差是中线122与垂直于中线122的表面点124之间的长度。
[0036]虽然下文使用表面粗糙度的Ra表示法来论述，但受益于本公开的本领域中的技术人员应了解，可使用替代表述、表示法或计算来表述表面粗糙度，且仍用于本文所述的工艺和系统中。另外，本领域的技术人员可修改以下工艺，来利用表面粗糙度的任何替代表述。
[0037]在标称实例中，在产生物理组件之前，可以数学方式确定任何给定表面120、130、140、150的粗糙度。任何给定表面120、130、140、150的标称表面粗糙度在本文称为一阶估计，因为其在确定预期表面粗糙度时考虑每一层的预期层高度160，且不考虑任何潜在变化。
[0038]在实际操作中，增材制造技术包括图2中所说明的标称估计中未考虑的额外变化。此类额外变化可包括但不限于增材制造工艺期间的粉末扰动、粉末微粒大小变化、零件在增材制造工艺期间的定向、电源变化、束流剖面、烧结表面相对于先前和后续烧结表面的定向等。额外变化称为二阶变化。
[0039]由于二阶变化，在一些情况下，设计用来产生标称实例的增材制造工艺的参数可能产生具有在容许容差之外的表面粗糙度的组件。现有系统通过产生物理样品零件、手动检查所产生的样品零件的表面粗糙度，并调整增材制造参数来补偿因二阶变化而产生的凭经验测得的表面粗糙度。一旦确定，就使用经修改的参数来产生所述组件的第二反复，且手动检查所述第二反复，来确定所产生的组件的表面粗糙度是否在标称轮廓100的容差内。反复地进行此过程，直到确定用于产生与所要组件匹配的实际输出组件的一组足够的增材制造参数为止。由于物理组件的反复产生，造成大量不可接受的组件，从而产生废组件，且浪费时间和材料。
[0040]继续参考图2的标称组件，图3说明示范过程200的流程图，过程200用于设计能够产生在标称组件100的容差内的实际组件而不要求产生大量的物理原型组件的增材制造参数。
[0041]最初，过程200在“确定标称表面粗糙度”步骤210中，确定标称组件的至少一个表面120、130、140、150的表面粗糙度。如上文所述计算至少一个表面120、130、140、150的标称表面粗糙度(Ra)，并在预期表面粗糙度的计算中并入有预期标称层高度160。一旦已计算标称表面粗糙度，过程200就确定任何相关的二阶变化，并在“估计二阶变化的影响”步骤220中，估计那些二阶变化对预期表面粗糙度具有的影响。
[0042]可以多种方式来确定给定二阶变化的所估计影响。在一个实例中，将所述影响表示为变化的概率分布。为了确定二阶变化的影响，在所述表面120、130、140、150或正估计的表面120、130、140、150上以概率方式应用概率分布。在粉末大小变化的一个特定实例中，执行估计步骤的处理器将包括数据存储元件，其存储告知处理器正用于产生增材制造零件的特定粉末内的微粒以10%在小尺寸范围内、80%在中等尺寸范围内，且10%在大尺寸范围内分布的信息。
[0043]估计二阶变化的影响的步骤220将概率分布应用于标称层高度160，并基于所述概率分布来确定每一层的估计层高度160。这产生所述层上的变化，其中大约10%的层在小尺寸定量范围内，80%在中等尺寸变化范围内，且10%在大尺寸变化范围内。10%、80%、10%的分布本质上纯粹为示例性的，且为了便于阐释才选择了所述值。受益于本公开的本领域技术人员应了解，概率分布可具有显著不同数目的值，以及显著不同的值。不管概率分布内的特定值如何，用于应用概率分布的一般过程是相同的。
[0044]在另一实例中，使用机械分布来估计二阶变化。在机械分布中，将正考虑的特定二阶变化的样品分布存储在估计二阶变化的影响的系统内。样品分布代表来自至少一个经验样品的变化测量结果。以与概率分布类似的方式，将机械分布应用于标称组件100。在一些实例中，机械分布是多个经验样品分布的数学组合。作为实例，数学组合可为平均值或经加权平均值。
[0045]在又一实例中，使用基于物理学的分布来估计二阶变化。通过以数学方式应用物理力学以确定预期变异分布来确定基于物理学的分布。所述变化的数学模型可在过程200之前存储在系统中，或在过程200的操作期间由处理器或其它控制器确定。
[0046]在又一实例中，组合上文所述的分布中的两个或多个，且利用组合分布来估计二阶变化的影响。或者，可个别地估计且用数学方式组合所使用的每一二阶变化的影响。取决于正考虑的特定变化，利用特定类型的二阶变化分布。受益于本公开的本领域技术人员可为给定二阶变化确定合适的分布类型。
[OO47 ] —旦已确定二阶变化的所估计影响，就如所使用的特定分布模型所指示，将影响应用于标称组件100，且调整模型组件的层。经调整的层基于如通过应用二阶变化而修改的标称组件100来创建所估计的实际模型。
[0048]一旦已计算所估计的实际模型，过程200就预测所估计的实际模型的至少一个表面120、130、140、150的实际表面粗糙度。过程200在“预测实际表面粗糙度”步骤230中，对经调整的模型执行表面粗糙度分析。以与标称粗糙相同的方式来确定所估计的实际模型的表面粗糙度，不同之处在于从所估计的实际模型而不是标称模型来确定表面粗糙度。
[0049]接着将所估计的实际模型的至少一个表面120、130、140、150的表面粗糙度与所要的表面粗糙度进行比较。如果所估计的实际表面粗糙度在可接受的表面粗糙度范围之外，那么在“调整参数来补偿”步骤240中调整初始增材制造模型参数。以与构造和分析物理原型的现有系统中所进行的调整相同的方式来调整增材制造工艺的初始参数。
[0050]一旦调整初始参数，过程200就再次反复，直到预期实际组件的表面粗糙度在所要组件的容差内为止。在所述反复完成后，即刻输出最终增材制造参数。增材制造参数可存储在数据库中，用来产生所要的组件，或用于任何其它所要目的。[0051 ]在一些实例中，在调整参数来补偿步骤240中自动调整初始参数。在一些替代实例中，操作者手动检查预测的实际表面粗糙度，并在调整参数来补偿步骤240中手动调整初始参数。
[0052]在一些实例中，整个过程200是自动化的，且在增材制造机器处执行。在此类实例中，输入所要的组件模型(图1中说明)，以及包括表面粗糙度容差在内的任何容差。增材制造机器包括处理器，其执行上文所述的过程200，且基于所要的组件以及反复过程来确定实际输出参数。增材制造机器接着使用所述反复过程所确定的参数来产生组件。
[0053]虽然上文关于表面粗糙度进行了描述，但受益于本公开的本领域技术人员应了解，所述过程可适于调整一或多个其它输出参数，而不限于表面粗糙度。
[0054]继续参考图1到3，图4示意性地说明增材制造机器300。示例性增材制造机器300包括制造业腔室310，其具有平台320，在所述平台320增材制造零件330。控制器340连接到所述腔室，并根据任何已知的增材制造控制系统来控制增材制造工艺。
[0055]包括在控制器340内的是处理器342，其接收并解译输入参数，以定义正增材制造的零件330的形状。在一些实例中，控制器340可包括用户接口装置，例如键盘和检视屏幕。在替代实例中，控制器340可包括用于与用户的输入装置通信的无线或有线通信设备。
[0056]控制器340中还包括存储器344。在一些实例中，控制器340接收待制造组件的所要输出轮廓，包括所要容差。处理器将所要的输出轮廓转换成用于产生所述组件的一组初始参数。处理器342和存储器340联合操作，以执行图3中所说明且上文所述的过程，且从而确定产生在所要容差内的实际组件所需的一组最终参数。
[0057]在此实例中，存储器344存储任何所需的二阶变化分布，或包括使处理器342能够从外部数据库检索所述分布的子例程。
[0058]以此方式，图4的增材制造机器300接收一组所要输出尺寸和容差，并反复地确定产生满足所要的输出尺寸和容差的组件所需的一组参数，而不需要或利用多个浪费原型的产生。
[0059]更应了解，上文所述的概念中的任何一者可单独使用，或结合其它上文所述概念中的任一者或全部来使用。尽管已公开了本发明的实施方案，但本领域的普通技术工人将认识到，某些修改将属于本发明的范围内。为此，应学习所附权利要求书来确定本发明的真实范围和内容。
【主权项】
1.一种确定一组增材制造参数的方法，其包括: a)确定组件的至少一个表面的标称参数； b)确定所述标称参数中的至少一个二阶变化； c)至少部分地基于所述标称参数和所述二阶变化来预测实际所得尺寸；以及 d)响应于所述预测的实际所得尺寸来调整至少一个增材制造工艺参数。2.如权利要求1所述的方法，其中所述标称参数为至少一个表面的表面粗糙度。3.如权利要求2所述的方法，其还包括再次反复a)到d)，直到所述预测的实际表面粗糙度在可接受的实际表面粗糙度的范围内为止；以及存储在a)到d)的最后一次反复中所确定的一组增材制造参数。4.如权利要求3所述的方法，其还包括根据在a)到d)的所述最后一次反复中所确定的所述增材制造参数组来增材制造至少一个组件。5.如权利要求2所述的方法，其中确定至少一个表面的标称表面粗糙度包括对至少一个表面上的表面点与中线之间的差的绝对值求积分。6.如权利要求2所述的方法，其中确定至少一个二阶变化包括确定至少两个变化。7.如权利要求1所述的方法，其中至少部分地基于所述标称参数和所述二阶变化来预测实际所得尺寸包括确定至少一个二阶变化对所述标称参数的预期影响。8.如权利要求7所述的方法，其中确定所述至少一个第二变化对所述标称参数的预期影响包括将所述至少一个二阶变化的概率分布应用于所述标称参数。9.如权利要求7所述的方法，其中确定所述至少一个第二变化对所述标称参数的预期影响包括将所述至少一个二阶变化的机械分布应用于所述标称参数。10.如权利要求7所述的方法，其中确定所述至少一个第二变化对所述标称参数的预期影响包括将所述至少一个二阶变化的以数学方式确定的物理学分布应用于所述标称参数。11.一种增材制造机器，其包括: 增材制造腔室；以及 控制器，其可操作来控制所述增材制造腔室，其中所述控制器包括处理器和非暂时性存储器，所述非暂时性存储器包括可操作来反复地将一组所要输出组件参数转换成一组制造参数的指令，调整所述制造参数来补偿至少一个二阶变化。12.如权利要求11所述的增材制造机器，其中所述指令可操作来致使所述控制器反复地执行一种方法，所述方法包括: a)确定组件的至少一个表面的标称参数； b)确定所述标称参数中的至少一个二阶变化； c)至少部分地基于所述标称参数和所述二阶变化来预测实际所得尺寸；以及 d)响应于所述预测的实际参数来调整至少一个增材制造工艺参数。13.如权利要求12所述的增材制造机器，其中所述标称参数为表面粗糙度。14.如权利要求12所述的增材制造机器，其中所述非暂时性存储器存储二阶变化的概率分布、二阶变化的机械分布以及二阶变化的以数学方式确定的基于物理学的分布中的至少一者。15.如权利要求12所述的增材制造机器，其中所述控制器包括通信链路，其可操作来在反复过程期间检索二阶变化的概率分布、二阶变化的机械分布以及二阶变化的以数学方式确定的基于物理学的分布中的一者。16.—种反复地确定一组增材制造参数的方法，其包括: 至少部分地基于增材制造工艺中的标称参数和二阶变化来预测实际所得尺寸，以及响应于所述预测的实际所得尺寸来调整至少一个增材制造工艺参数。17.如权利要求16所述的方法，其中反复地进行至少部分地基于所述增材制造工艺中的标称参数和二阶变化来预测实际所得尺寸，以及响应于所述预测的实际所得尺寸来调整至少一个增材制造工艺参数，直到预期的实际输出组件在设计容差内为止。18.如权利要求17所述的方法，其中所述预期的实际输出组件的确定包括所述增材制造工艺中的至少一个二阶变化的所估计影响。19.如权利要求16所述的方法，其中所述实际所得尺寸为表面粗糙度。
【文档编号】G06F19/00GK105825039SQ201510830777
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2015年11月25日
【发明人】J.P.小里佐, A.Z.多赫蒂, J.R.博伊尔
【申请人】联合工艺公司