基于构建件的位置和方向仿真优化表面质量的系统和方法与流程

1.本公开的实施例总体上涉及三维构建部件的增材制造。


背景技术：

2.增材制造是指制造三维构建部件的任何过程，其中，在计算机控制下沉积基础材料的连续层。沉积的层通过聚焦能量源(例如激光)(其加热并粘结材料)的施加而选择性地熔合。构建部件的大小和形状可以基于三维计算机模型或另一个电子数据源。增材制造可用于制造具有复杂结构和形状的对象。与常规金属制造技术(例如压铸，挤压等)相比，用于制造金属构建部件的增材制造技术可允许更大的设计自由度并产生更精确和可重复的成品。
3.用于增材制造构建过程的设置包括选择要建造的构建部件的设计，并指定构建部件在增材制造工具的构建平台上的位置。定位可以指的是构建部件相对于构建平台的位置，例如相对于平台的中心和/或边缘的位置，以及规划的构建部件相对于平台的方向，例如围绕构建部件的垂直轴的旋转方向和/或角度方向(例如，倾斜或斜面)。通常，在确定构建部件相对于平台的位置时，考虑很少的因素。一个已知的考虑因素涉及在平台上布置多个构建部件，以增加可以在共同构建过程中打印的构建部件的总数。
4.通常，在不考虑定位将如何影响最终的制造的构建部件的表面和次表面质量(例如表面粗糙度，孔隙率和其他表面质量特性)的情况下确定构建部件的位置。在增材制造过程之后，通常会检查构建部件，并打磨构建部件的粗糙表面以增加平滑度。后处理任务(例如打磨构建部件的粗糙表面)可能是昂贵、困难、费时和/或劳动密集的。用于提高构建部件的表面质量的粗糙表面的打磨和额外的后处理任务降低了制造效率，增加了生产成本。另外，对于具有无法进入的区域的部件，典型的后处理可能无效或不可能，目前的方法可能不足。此外，如果在增材制造过程中构建部件的表面质量，次表面质量或尺寸精度充分降低，则可能需要报废整个构建部件，这是浪费时间和资源的。


技术实现要素：

5.在一个或多个实施例中，提供了一种增材制造系统，包括一个或多个处理器，其被配置为在构建部件相对于平台的候选位置处确定构建部件的多个区段中的每个的一个或多个几何特征。一个或多个处理器被配置为基于一个或多个几何特征为候选位置处的每个区段生成质量得分。一个或多个处理器还被配置为在候选位置处生成构建部件的仿真模型以进行显示。仿真模型包括与每个区段相对应的图形指示符。图形指示符代表相应区段的质量得分。
6.在一个或多个实施例中，提供了一种方法(例如，仿真增材制造的构建部件的表面质量)。该方法包括：确定在构建部件相对于平台的候选位置处的构建部件的多个区段中的每个的一个或多个几何特征。该方法还包括基于一个或多个几何特征为候选位置处的每个区段生成质量得分，并在候选位置处生成构建部件的仿真模型以进行显示。仿真图像包括
与每个区段相对应的图形指示符。图形指示符代表相应区段的质量得分。
7.在一个或多个实施例中，提供了一种增材制造系统，包括一个或多个处理器，其被配置为在构建部件相对于平台的候选位置处确定构建部件的多个区段中的每个的一个或多个几何特征。一个或多个几何特征包括从增材制造工具的电磁能量源延伸出的光束线与相应区段的靠近光束线的相应表皮的表面法线之间的入射角。一个或多个处理器还被配置为基于一个或多个几何特征来确定候选位置处的每个区段的质量得分，使得具有较低入射角的构建部件的区段具有高于具有较大入射角的构建部件的区段的质量得分。一个或多个处理器被配置为将候选位置处的区段的质量得分与构建部件的区段在其他候选位置处的确定质量得分进行比较，以提供构建部件的一个或多个优选位置，从而通过相对于在候选位置处增材制造构建部件而在一个或多个优选位置之一增材制造构建部件以实现构建部件的改进的质量。
附图说明
8.当参考附图阅读以下详细描述时，将更好地理解本公开的这些和其他特征，方面和优点，其中在整个附图中，相同的标号表示相同的部件，其中：
9.图1是根据本公开的实施例的增材制造系统的示意图；
10.图2示出了根据实施例的在增材制造系统内的增材制造工具的示意图；
11.图3示出了图2所示的第一试样的特写部分；
12.图4示出了根据本公开的实施例的在单个试样的构造的第一阶段期间的增材制造工具的示意图；
13.图5示出了在图4中所示的试样的构造的第二阶段期间的增材制造工具的示意图；
14.图6示出了在图4和图5所示的试样的构造的第三阶段中的增材制造工具的示意图；
15.图7示出了根据实施例的包括虚拟构建部件的增材制造工具；
16.图8示出了根据实施例的在候选位置处的构建部件的仿真模型；
17.图9示出了根据实施例的在第二候选位置处的构建部件的仿真模型；
18.图10示出了根据实施例的在增材制造工具的构建平台上的不同位置处布置的多个构建部件的阵列；以及
19.图11是根据本公开的实施例的仿真增材制造的构建部件的表面质量的方法的流程图。
具体实施方式
20.当结合附图阅读时，将更好地理解前述概述以及某些实施例的以下详细描述。如本文中所使用的，以单数形式陈述并且在单词“一”或“一个”之前的元件或步骤应被理解为不必排除多个元件或步骤。此外，对“一个实施例”的引用无意被解释为排除也包含所述特征的附加实施例的存在。此外，除非有相反的明确说明，否则“包含”或“具有”具有特定特性的一个或多个元件的实施例可以包括不具有该特性的其他元件。
21.考虑了在增材制造过程之后执行表面处理的成本、时间和劳力，增材制造构建部件的技术有许多优点，这些技术固有地改善了表面质量，近表面质量和几何精度，从而消除
或至少加快了构建后表面处理。本公开的实施例提供仿真增材制造的构件的表面质量的系统(例如，增材制造系统)和方法。例如，基于与部件设计和增材制造工具内的建议位置有关的输入参数，该系统和方法可以生成虚拟仿真数据模型。虚拟仿真模型(在本文中也称为仿真模型)是构建部件的表示，并且如果构建部件在建议的位置增材制造，则指示构建部件的每个不同区段的投射的表面质量。仿真模型是在增材制造构建部件之前生成的投影。可以根据数学函数和/或历史经验观察来生成仿真模型。可以将仿真模型作为一个或多个图像显示在显示设备上，以供操作员观察。表面质量的仿真允许基于提供的信息在构建部件之前进行调整。例如，操作员或自动化系统可以修改构建部件在增材制造工具的构建平台上的建议位置，以致力于提高构建部件的一个或多个特定表面的表面质量和/或增加构建部件的整体表面质量。本文公开的系统使得能够以高标准的表面质量和尺寸精度构造构建部件。例如，该系统可以生成满足质量要求的建造产品，而无需任何后处理以提高表面质量或仅进行有限的后处理。
22.在此描述的构建部件是指被设计为以增材制造的虚拟对象以及经由增材制造构建过程产生的物理对象。增材制造工具内构建部件的方位或定位是指构建部件的位置和方向。例如，位置表示增材制造工具的构建平台的特定区域，在区域，逐层构造构建部件。通常，在共用的构建过程中会构建多个构建部件，因此这些构建部件沿着构建平台的上表面布置在不同的位置。构建部件的方向通常是指构建部件(将要构造)面向的方向以及构建部件的倾斜或倾斜度。例如，构建部件可以围绕纵轴定向。方向可以包括构建部件绕纵轴的旋转。方向还可包括纵轴相对于竖直轴线的倾斜或倾斜度(lean)。
23.给定表面的表面质量可以指的是表面粗糙度，限定给定表面的壁的孔隙率含量，壁的结构和/或组成均匀性等。通常，与较低质量的表面相比，增材制造的构建部件的较高质量的表面具有较少的孔、较小的孔并且较光滑(例如，较不粗糙)。本文所述的一个或多个实施例被配置为生产具有期望的和/或令人满意的表面和次表面质量以及尺寸精度的构建部件，以减少报废率并减少在构建过程之后的后处理过程中的表面精加工量。
24.在本文公开的一个或多个实施例中，系统分析平台上的指定构建部件的候选位置。候选位置可以通过操作员输入或由系统选择。该系统可以基于部件的几何形状和候选位置来确定构建部件的多个不同区段或部分中的每一个的一个或多个几何特征。系统可以使用每个区段的相应一个或多个几何特征来生成该表面的质量得分。例如，系统利用为构建部件的第一区段确定的几何特征来计算第一区段的质量得分，并且系统利用为构建部件的第二区段确定的几何特征来计算第二区段的质量得分。质量得分表示相应区段的预测精度、表面质量和/或次表面质量。表面质量可以包括区段的表面的预测的粗糙度、孔隙率等。如果根据输入部件的设计、部件相对于平台的位置以及构建参数(例如，功率，速度，光束直径，光束通过分离等)来控制增材制造工具来构建部件，则质量得分是对物理部件的区段质量的推测或估计。出于本文所述的原因，该系统可以至少部分地由于区段相对于发射聚焦的能量束的电磁能量源的不同的方向和位置而针对构建部件的不同区段产生不同的质量得分。本文所述的一个或多个实施例可以仿真构建部件的质量，以使得能够在制造构建部件之前调整一个或多个参数，以相对于在随机或最初建议的位置构建部件能够提高随后构建的构建部件的精度，表面质量和/或次表面质量。
25.系统基于部件设计和不同区段的质量得分来生成仿真模型。例如，根据部件设计，
仿真模型可以包括或代表构建部件的一个或多个虚拟图像。虚像可以是二维的或三维的。仿真模型还可能能够在构建过程中的不同时间仿真构建部件，以显示不同层的构造。可选地，所显示的虚拟图像可以包括叠加在构建部件的区段上的图形指示符。例如，虚拟图像可将第一图形指示符叠加在构建部件的第一区段上，并将第二图形指示符叠加在第二区段上。图形指示符可以是与质量得分相对应的颜色，数字，字母，符号等。系统选择第一图形指示符是因为第一图形指示符代表第一质量得分，并且选择第二图形指示符是因为第二图形指示符代表第二质量得分。在非限制性示例中，如果第一和第二质量得分指示第一区段被推测为具有比第二区段更高的表面质量，则第一图形指示符可以是与良好或高质量相关联的颜色，例如绿色，第二图形指示符可以是质量较差或较低的颜色，例如橙色。通过在显示屏上显示虚拟图像，本文所述的系统可以在增材制造工具中沉积任何粉末层以实际构造构建部件之前，为人员(例如，增材制造工具的操作员)提供沿构建部件的不同区段的预计表面质量的视觉指示。
26.可选地，操作员可以利用系统的输入设备来输入构建部件的第二候选位置，该位置在平台上具有与先前分析的候选位置不同的位置和/或不同的方向。该系统被配置为基于第二候选位置重复分析以生成构建部件的第二虚拟图像。第二虚拟图像包括表示基于在第二候选位置处构建部件的区段的几何特征而确定的质量得分的图形指示符。该过程可以重复任何次数以生成多个虚拟图像，这些图像描述了在相对于增材制造工具的不同位置和/或方向上制造的构建部件的预计质量特征。呈现给操作员的预测性表面质量信息可用于确定增材制造工具的构造包络内的更优选的(例如，优化的)部件位置，而不是仅基于间隔考虑而随机地放置或定位构建部件。一旦操作员选择了期望的位置，系统就可以控制增材制造工具在所选择的位置(例如，位置和方向)逐层构造构建部件。
27.在实施例中，系统可以自动地评估构建部件的许多潜在候选位置(无操作员输入)以确定被预测为具有比被评估的其他候选位置具有更高的质量的一组一个或多个优选位置。然后，系统可以将一个或多个优选位置呈现给操作员，以使操作员能够选择要选择哪个优选位置来构造构建部件。
28.图1是根据实施例的增材制造系统100的示意图。增材制造(am)系统100包括增材制造(am)工具101、控制单元108、输入设备134和显示设备136。am工具101包括构建平台(或板)102、外壳(enclosure)104、电磁能量源106和源材料涂布器117。平台102是am工具101的平面，并且可以由板，外壳104的下壁等来表示。am工具101执行增材制造构建过程以形成三维构建部件116。通过根据构建计划132以连续层114选择性地沉积源材料111并在指定位置处熔合源材料111，从平台102的上表面110构造每个构建部件116。每个层114相对较薄，例如不大于1mm，不大于0.5mm，不大于0.25mm等。
29.图1中的am系统100可用于执行粉末床熔融增材制造技术。合适的增材制造过程可包括，例如，桶式光聚合(例如，立体光刻，数字光处理，连续数字光处理，发光二极管等)，粉末床熔合(例如，粘合剂喷射，选择性激光熔化，等)，材料喷射(例如材料喷射，纳米颗粒喷射，按需滴落等)和多喷射熔合。这些过程中的至少大多数涉及在构建表面上沉积一层材料，并使用能量和/或聚合物粘合剂(基于cad图案扫描表面)的形式熔合材料的选择性部分。其他过程涉及粉末进给或丝进给定向的能量沉积(ded)，其中材料仅沉积在构建部件上，而没有在构建表面上沉积宽层，而是选择性地从该层熔合材料。
30.源材料111可以是粉末形式。在非限制性实例中，粉末包括金属颗粒、薄片等形式的一种或多种金属。粉末还可任选地包括与金属材料混合的非金属填充材料。金属材料可以包括各种金属类型，例如铝，不锈钢，铜，镍，钴，钛等，以及各种金属类型的合金。粉末中可能的非金属填充材料可以包括陶瓷，聚合物(例如塑料)，二氧化硅等。沉积但未被熔合以形成构建部件116的一部分的粉末限定了包含在外壳104的壁112内的未使用材料111的粉末床122。在实施例中，在构建过程中，部件116被包封在粉末床122内。在替代实施例中，源材料111不含金属。
31.构建部件116是通过在构建方向124沿构建轴126聚集层114逐渐形成或构造的。随着每次相继添加材料111到部件116的顶部，部件116在构建方向124上生长。构建方向124远离平台102延伸。在所示的实施例中，构建轴线126正交于平台102的上表面110的平面。
32.am系统100通过在部件116的顶部上方散布粉末材料111的薄层或地层来产生部件116的新层。例如，am系统100的源材料涂布器117沉积材料111的每个层114。源材料涂布器117包括或表示均匀地散布材料111的薄层的散布器或重涂器设备，注入材料111的注入器等。可以在使用之前将材料111存储在储器中。源材料涂布器117由控制单元108控制。
33.然后，电磁能量源106由控制单元108控制以朝着顶表面层114中的源材料111发射聚焦的电磁能，以将材料111的指定部分熔合到构建部件116，从而定义部件116的新层或部分。聚焦的电磁能可以是光束的形式，该光束撞击在粉末的层上，使层的选择部分熔化并粘附到部件116上，以形成其新的顶部。例如，能量源106可以是产生高能量激光束的激光设备。在一个实施例中，电磁能量源106悬挂在粉末床122的顶部上方。例如，电磁能量源106可以设置在平台102的上表面110上方约0.5米(m)处。从能量源106发射的聚焦电磁能可以对准或引导到粉末床122的不同位置，以将顶层114的不同选择的部分熔合到部件116。电磁能量源106可以包括扫描头，其使得能够将光束引导到指定覆盖区域内的不同位置，而无需相对于am工具101的其他部件移动(例如，移位)电磁能量源106的位置。扫描头的方向和能量束的参数(例如，定时，能量强度，光束宽度等)可以由控制单元108经由控制信号来控制。根据构建计划132中的指令，该过程连续地重复，直到完全形成构建部件116为止。
34.可以根据构建计划132控制am工具101以在构建过程中形成一个或多个外部支撑件120，以在结构上支撑构建部件116的悬垂特征。一个或多个外部支撑件120在形成构建部件116的相同构建过程中被附加地形成。例如，构建部件116和外部支撑件120均由在增材制造过程中熔合在一起的一系列堆叠的材料层组成。可选地，外部支撑件120的内部结构(例如，密度，晶格等)和/或材料组成可以与构建部件116不同。例如，外部支撑件120的结构可以比构建部件116的结构更不致密。
35.控制单元108表示硬件电路，其包括一个或多个处理器118(例如，一个或多个微处理器，集成电路，微控制器，现场可编程门阵列等)和/或与之连接，该处理器结合控制单元108执行描述的操作。一个或多个处理器118可基于编程指令来操作。一个或多个处理器118可以包括单个处理器或多个处理器，用于执行本文所述的功能。一个或多个处理器118在本文中以复数形式“处理器”来指代，而不将范围限制为需要多个处理器118。控制单元108还包括有形且非暂时性的计算机可读存储介质(例如，存储器)130。存储器130可以存储指示处理器118的操作的编程指令(即，软件)。例如，存储器130存储与正在制造的构建部件116相关联的构建计划132。
36.存储器130还可以存储构建部件116的部件设计文件138。部件设计文件138可以是描述部件116的物理特征(例如部件116的形状，尺寸和/或组成)的计算机辅助设计(cad)文件或其他数据文件。可以基于部件设计文件138来生成构建计划132。例如，构建计划132可以是指示am工具101的参数，条件，设置和/或操作的数据文件，以便产生物理构建部件116，其是由设计文件138定义的虚拟部件的副本或复制体。由构建计划132指示的一个或多个参数或设置可以包括构建部件116在平台102上的定位，am工具101为了构建部件116而采取的一系列动作(例如，聚焦的能量束的路径)，支撑件120的位置等。在构建计划132中指定的附加参数可以包括聚焦电磁能(例如，功率，光束宽度等)，偏移，层厚度，气体流量参数等的设置。控制单元108(例如，其处理器118)基于构建计划132控制电磁能量源106，源材料涂布器117和/或其他组件的操作以生产构建部件116。
37.控制单元108的处理器118通信地连接到输入设备134和显示设备136。输入设备134可以包括触摸板，触摸屏，键盘，鼠标，物理按钮，操纵杆等。输入设备134使操作员能够向am系统100提供命令。在非限制性示例中，操作员可以使用输入设备134选择平台102上的构建部件116的候选位置和/或修改候选位置。显示设备136包括被配置为显示由控制单元108生成的仿真图像的显示屏。可选地，输入和显示设备134、136可以集成在诸如膝上型计算机，台式计算机，工作站，平板计算机，移动，手持计算设备(例如，智能电话)等的单一设备内。处理器118可以经由有线或无线通信路径可操作地连接到输入设备134和/或显示设备136。
38.在一个实施例中，控制单元108的处理器118被配置为生成构建计划132。例如，处理器118可以访问存储在存储器130中的部件设计文件138。处理器118可以接收用户输入以选择构建部件116在平台102上的期望位置。本文描述的一个或多个实施例可以帮助选择构建部件116的期望位置。处理器118可以基于部件116的设计和部件116的期望位置来生成构建计划132。例如，生成构建计划132以概述am工具101的一系列动作，以将部件116构建为具有指定的设计并且相对于平台102处于期望的位置和方向。可以从远程计算设备接收设计的设计文件138，或者可以通过输入设备134上的操作员输入在本地生成设计文件。在替代实施例中，处理器118不生成构建计划132，而是实施从am工具101远程生成的控制指令。例如，机器指令可以由计算机或处理单元在外部进行处理，并且被传送到am工具101，以由am工具101执行。
39.图2示出了根据实施例的am工具101的示意图。图2示出了在平台102的上表面110上增材制造的第一试样202，第二试样204和第三试样206。试样202、204、206是离散的并且彼此间隔开，但是可以代表单个构建部件(例如，图1中所示的部件116)的不同区段，其随后将在构建过程中结合。本文所使用的术语试样在一般的非限制性意义上表示制造过程中未完成或已完成的增材制造的构建部件和/或结构。在所示的实施例中，试样202、204、206相对于平台102具有相同的尺寸，形状和取向。此外，试样202、204、206使用相同材料和能量源106的相同参数形成。试样202、204、206被包封在粉末床122内。试样202、204、206之间的唯一区别在于，试样202、204、206相对于am工具101(例如，能量源106和平台102)的定位。
40.试样202、204、206的定位可以指试样202、204、206相对于能量源106的位置和方向。更具体地说，定位可以指试样202、204、206的多个不同区段或层中的每一个相对于能量源106的位置和方向。定位的特征在于，试样202、204、206的各个区段相对于能量源106的入
射角，也称为在激光点处相对于部件表面法线的入射角。
41.入射角208是光束线210和线212之间的角，线212垂直于表皮214(例如，表面法线向量)，或者垂直于光束线210和垂直于靠近光束线210与区段的交点的相应区段的侧面。光束线210表示从能量源106发射或将要发射的激光束或其他聚焦的能量束到达相应试样区段的顶部或表面层216以产生表面层216的路径。表面层216是在给定时间在层堆叠的顶部(例如，端部)处最近形成的层。表皮214表示紧接在表面层216下方并且紧邻光束线210的相应试样的一层或多层的侧面或边缘。线或向量212垂直于表皮214。如果表皮214是弯曲的(例如，非平面的)，则线212可以在表面层216正下方的位置处垂直于弯曲的表皮214。构建部件是三维的，因此相同或不同部分的不同表皮区段的线212相对于能量源106可以具有不同的垂直、横向和/或纵向或深度分量。如本文所述，入射角208基于构建部件的给定区段相对于能量源106的定位(例如，位置和方向)。例如，表面法线212受表皮214的方向的影响，而光束线210受区段(例如表皮214)相对于能量源106的位置的影响。
42.图2中的三个试样202、204、206相对于平台102具有相同的尺寸和形状以及相同的方向。在所示的实施例中，第一，第二和第三试样202、204、206是悬垂(overhang)的物体。试样202、204、206各自包括通常面向平台102的相应的下表皮218和与下表皮218相对的上表皮220。上表皮220通常面向上远离平台102。每个试样202、204、206的上表皮218和下表皮220代表倾斜的表皮214，因此法线212垂直于下表皮218和上表皮220靠近表面层216的区域或部分。
43.三个试样202、204、206相对于能量源106具有不同的位置，其由不同的入射角208指示。例如，第一试样202在垂直于各个下表皮218的线212a和第一光束线210a之间限定第一入射角208a。第一试样202在垂直于各个上表皮220的线212b和第二光束线210b之间限定第二入射角208b。第二试样204在垂直于各个下表皮218的线212c和第三光束线210c之间限定第三入射角208c。第二试样204在垂直于各个上表皮220的线212d和第四光束线210d之间限定第四入射角208d。第三试样206在垂直于各个下表皮218的线212e和第五光束线210e之间限定第五入射角208e。第三试样206在垂直于各个上表皮220的线212f和第六光束线210f之间限定第六入射角208f。在所示的实施例中，第一，第三和第六入射角208a，208c，208f是钝角的(例如，大于90度)。由于下面提供的原因，与钝角入射角相关的表皮214在本文中被称为外表皮。第二和第五入射角208b，208e是锐角(例如，小于90度)。与锐角入射角相关的表皮214在本文中被称为内表皮。第四入射角208d是直角(例如90度)。与直角入射角相关的表皮214代表外表皮和内表皮之间的拐点或转折点。
44.试样202、204、206的表皮214相对于平台102的方向代表另一个几何特征，其可任选地用于在构建过程之前仿真和预测部件质量。每个表皮214相对于平台102的方向可以指的是在表皮214的表面法线和在其上构造有试样202、204、206的平台102的上表面110之间限定的倾斜角。通常，下表皮218的表面法线面向下朝向平台，而上表皮220的表面法线面向上远离平台。第一，第二和第三试样202、204、206的下表皮218均相对于图2中的平台102具有相同的方向，并且试样202、204、206的上表皮202也相对于图2中的平台102具有相同的方向。
45.实验测试表明，光束线210和垂直于表皮214的线212之间的入射角208可显着影响构建部件的形成，例如表面质量，近表面质量，孔隙率，和尺寸精度。例如，在类似于图2所示
的实验设置中，已确定，即使所有测试参数都相同，外表皮(其中，入射角208大于指定的阈值角)与内表皮(其中，入射角208小于指定的阈值角)相比具有明显较差的性能(例如，表面和近表面质量，孔隙率和尺寸精度)。指定的阈值角可以是从70度到110度定义的角度，例如70度，80度，90度，100度等。更具体地，阈值角可以是80度与100度之间的角度。在非限制性实施例中，指定的阈值角为90度。当指定的阈值角为90度时，钝角的入射角归为外表皮，锐角的入射角归为内表皮。图2所示的外表皮包括第一试样202的下表皮218，第二试样204的下表皮218和第三试样206的上表皮220。图2所示的内表皮包括第一试样202的上表皮220和第三试样206的下表皮218。这些结果表明，一些下表皮表面218可以是内表皮(例如，第三试样206的下表皮218)，而其他下表皮表面218可以是外表皮(例如，第一和第二试样202、204的下表皮218)，它们相对于内表皮具有下降的性能。类似地，一些上表皮表面220可以是内表皮(例如，第一试样202的上表皮220)，而其他上表皮表面220可以是外表皮(例如，第三试样206的上表皮220)。
46.如s.kleszczynski,a.ladewig,k.friedberger,j.zur jacobsm
ü
hlen,d.merhof,g.witt(2015)的“position dependency of surface roughness in parts from laser beam melting systems”，第26届国际固体无定型加工(sff)研讨会，美国，第360
‑
370页(通过引用将其全部内容并入本文)所建议的，这种现象的可能解释是，由于激光束相对于近端部分几何形状的入射角不同，聚焦光束能量的局部吸收不同。例如，当沿着或接近外表皮表面形成表面层216(例如，其限定入射角208大于90度)时，聚焦光束的一些能量可能被吸收到粉末床122内的下层粉末中，这影响熔池。
47.图3示出了图2所示的第一试样202的特写部分。激光束226接近试样202的下表皮218照射在表面层216上。如图2所示，由于激光束226和垂直于下表皮218的线212a之间的入射角208a大于90度，所以下表皮218被分类为外表皮。高能激光束226熔化源材料，形成熔池228。熔池228的形状可能至少沿着靠近外表皮的区域中不能准确地适应部件尺寸。例如，图3中的熔池228穿透深度231，该深度超过试样202的期望的下表皮边缘232，使得光束226的能量吹出到粉末床122中。当材料冷却并固化时，粉末吸收的能量可导致沿着下表皮表面218形成额外的不希望的材料，在本文中称为熔体延伸部分230。熔体延伸部分230可增加表面粗糙度(例如，降低表面质量)，增加孔隙率和尺寸误差。尺寸误差是指相对于由期望的下表皮边缘232限定的厚度/横向宽度，下表皮218的厚度或横向宽度增加。注意，至少在构造过程期间的当前时间，包括表面层216的最顶层(多个)可以是尺寸精确的。激光穿透会导致最顶层下方的先前形成的层生长。例如，在图3中，熔池228使熔体延伸部分230沿着表面层216下方两层的层234生长。当形成附加材料层时，熔体延伸部分230在增材构建过程中聚集。
48.继续参考图2，在第一试样202的上表皮220处的入射角208b与在第一试样202的下表皮218处的入射角208a完全不同。入射角208b是锐角，指示第一试样202的上表皮220代表内表皮。相对于外表皮，内表皮可与改善的质量特性有关，例如表面质量，近表面质量，孔隙率和尺寸精度。质量的变化可归因于在新沉积的表面层216下面的构建部件的几何形状。例如，来自激光束236的沿着图2所示的光束线210b定向的能量可以被第一试样202的部分固化或固结的下面的材料吸收，从而导致较少的能量被定向超过上表皮220边界并进入粉末床122(与下表皮218相比)。由于光束236相对于试样202的几何形状的角度，由激光束236形
成的熔池238可能不会穿透上表皮220的边界。例如，熔池238至少部分地向试样202的横向中心向内延伸。本质上，试样202的部分固化底层材料用于吸收光束236的能量，多于用于吸收光束226的能量。结果，沿着上表皮220的粉末床122的加热少于沿着下表皮218的粉末床122的加热量，因此沿着上表皮表面220形成的熔体延伸和其他不均匀性更少，从而相对于下表皮218改善了表面质量和近表面质量，尺寸精度和孔隙率。
49.如图2所示，在第二试样204的上表皮220处的入射角208d为直角，这表示光束线210d与正好位于正在沉积或最近沉积的材料层之下的上表皮220的角度共线。第二试样204的上表皮220可在内表皮和外表皮之间的反转区域或转折区域内。例如，转折区域可以代表在内表皮和外表皮之间的角度范围。本文公开的系统可以以与内表皮和外表皮不同的方式处理转折区域的表皮。转折区域可以在以拐点为中心的范围内，例如但不限于90度。例如，转折区域可以在70度和110度之间，80度和100度之间，等。
50.在增材制造过程中，其中材料层根据指定的构建部件几何形状连续沉积在叠层中，构建部件的给定表皮相对于光束发射器的入射角可以随时间变化。例如，图4至图6示出了根据实施例的随着时间的流逝，am工具101在单个试样240的构造中的三个不同阶段。这些阶段是按时间顺序排列的，因此图4所示的阶段位于图5和图6所示的阶段之前，而图5所示的阶段位于图6所示的阶段之前。图4
‑
图6示出了用平台102构建的部件的效果，该平台随着沉积另外的材料层而逐渐下降(例如，远离能量源106移动)。能量源106在构建过程的三个所示阶段中的每个阶段处布置在相同位置，使得能量源106不移动。代表图4
‑
图6中的构建部件的试样240具有菱形形状，该形状具有平行的线性上表皮242和下表皮244表面。
51.基于上表皮242上的部件几何形状相对于能量源106的入射角246随时间变化。如上所述，相关的入射角246限定在来自能量源106的光束线248和垂直于上表皮242的接近试样240的当前表面层252的部分的线250之间。在图4中，入射角246是钝角(例如，大于90度)，其指示上表皮242具有外表皮分类。在上表皮242上或附近形成的试样240的区段的质量和/或精度可能降低，这需要在制造后进行额外的打磨加工步骤以增加光滑度和/或提供适当的尺寸对准。
52.图5示出了在图4所示的阶段之后平台102已经移动，并且已经形成了试样240的附加部分254。附加部分254从先前的表面层252延伸到当前的表面层256。在示出的阶段中，基于上表皮242的入射角246是直角，这表明上表皮242处于外表皮和内表皮分类之间的反转或转折点。由于入射角246的差异，预期在表面层256处的上表皮242处或附近形成的试样240的区段比在先前表面层252处的上表皮242具有更好的质量和/或精度。
53.图6示出了相对于图5所示的平台102已经移动更远地远离固定能量源106，并且在图5所示的阶段之后形成了试样240的附加部分260。附加部分260从先前的表面层256延伸到当前的表面层262。在示出的阶段中，基于上表皮242的入射角246是锐角(例如，小于90度)，其指示上表皮242具有内表皮分类。由于入射角246的差异，预期在表面层262处的上表皮242处或附近形成的试样240的区段比在先前表面层256，252处的上表皮242具有更好的质量和/或精度。图4
‑
图6示出，随着菱形试样240变得更高并且表面层的位置相对于能量源106改变，上表皮242可以从外表皮过渡到内表皮，反之亦然。因此，对构建部件的几何结构的多层和设计进行评估，以确定入射角对构建部件的影响。可选地，评估沿着表皮表面的构建部件几何结构的每一层，以分类为外表皮，内表皮或转折点。
54.图7示出了根据实施例的包括虚拟构建部件302的增材制造工具101。虚拟构建部件302位于构建平台102上的候选位置304处。虚拟构建部件302表示am系统100的控制系统108的处理器118的内部功能，以在实际增材制造构建部件之前预测构建部件的一个或多个区段的表面质量。可选地，图7所示的虚拟构建部件302是出于描述的目的，并且实际上并未显示给操作员。备选地，虚拟构建部件302或类似表示被显示在显示设备136(图1所示)上，以向操作员指示处理器118的操作状态以预测部件质量。
55.虚拟构建部件302的大小和形状基于部件设计文件138(如图1所示)。处理器118可以访问例如存储器130中的部件设计文件138，以确定构建部件302的设计。在所示的示例中，构建部件302具有围绕中心纵轴308定向的中空锥形形状。构建部件302的设计可以基于坐标系，例如具有三个正交轴的球/极坐标系或笛卡尔坐标系。例如，构建部件302的每个点在坐标系中可以具有对应的位置坐标。
56.构建部件302的候选位置304可以由操作员使用输入设备134选择，或者由处理器118选择作为要评估的多个候选位置之一。候选位置304是指构建部件302相对于am工具101(例如，用于平台102和电磁能量源106)的位置和方向。在图7中，候选位置304相对于电磁能量源106偏移，使得构建部件302不居中在能量源106下方。处理器118可以知道能量源106和平台102的位置。候选位置304可以指定构建平台102上的特定离散位置以及构建部件302相对于平台102的特定离散方向。例如，候选位置304可以指示使构建部件302的中心在平台102上的位置(x，y，z)处，并且使构建部件302定向为使得纵轴308正交于平台102的上表面110。方向还可以指定构建部件302相对于am工具101绕纵轴308的旋转角度。例如，如果被建模的构建部件包括突起，则旋转角度表征突起关于纵轴308的方向。am工具101可以定义代表构建体积的工具坐标系。工具坐标系可以是球/极和/或笛卡尔坐标系。可以在工具坐标系中定义构建部件的候选位置。在实施例中，处理器118可以通过将构建部件302的位置坐标映射到工具坐标系中来确定候选位置304。例如，处理器118可以利用传递函数来将构建部件302的位置坐标从构建部件的坐标系转换为工具坐标系。
57.在确定(例如，接收，访问，选择等)候选位置304后，处理器118被配置为确定和分析候选位置304中的虚拟构建部件302的几何特征，以在实际生产构建部件之前仿真构建部件的各个区段的质量。构建部件302可以虚拟地划分(例如，细分)成多个区段。这些区段可以具有任何尺寸和形状。每个区段的高度可以与一层的厚度一样短，从而可以逐层检查构建部件。可选地，每个区段高度可以代表多层材料。在实施例中，区段具有的厚度或深度尺寸使得区段包括比可见表面更多的材料。例如，每个区段可以具有指定的深度，例如0.5cm，1.0cm等。可替代地，这些区段可以没有厚度或深度尺寸，并且仅代表构建部件的表面。在所示的实施例中，区段是具有代表多层的高度的三角形。例如，处理器118确定构建部件302的第一区段312和构建部件302的第二区段332的一个或多个几何特征。在图7中，沿着构建部件302的右侧示出了第一区段312，并且沿着构建部件302的左侧示出了第二区段332。三角形的第一区段312由具有已知位置坐标的三个角323、324和325限定。第一区段312的表面310被限定在三个角323、324、325之间。第二区段332的表面336被限定在三个角333、334、335之间。
58.区段的几何特征包括相对于电磁能量源106的入射角。例如，第一区段312限定相对于能量源106的入射角318。入射角318限定在从能量源106延伸的光束线320和垂直于区
段312的侧表面310(例如，表皮)的线319之间。入射角318大于指定的阈值(例如90度)，因此第一区段312的表面310被分类为外表皮表面。第二区段332限定相对于能量源106的入射角321，该入射角限定在从能量源106延伸的光束线326和垂直于区段332的表面336(例如，表皮)的线322之间。入射角321小于指定的阈值(例如90度)，因此第二区段332的表面336被分类为内表皮表面。处理器118可以确定构建部件的每个分割区段的各自的入射角。
59.区段的几何特征可选地还包括相应表面相对于构建平台102的上表面110的角度，其指示相应区段相对于水平的倾斜或倾斜度。该角度可以基于表面的切线或平面。切线可以由处理器118基于沿着表面的点的位置坐标来确定，例如第一区段312的角323、324、325的坐标。
60.在实施例中，如果构建部件被构造在候选位置处，则处理器118使用确定的区段(例如，区段312和332)的几何特征来预测区段的质量。区段的质量可以指相对于构建计划的表面质量，次表面质量和/或区段的精度水平。处理器可以产生候选位置304处的每个区段的质量得分。参考入射角的几何特征，具有大于指定阈值角的入射角(相对于能量源)的表面与小于指定阈值角的入射角具有不同的质量得分。例如，尽管并非必须，但与具有低于指定阈值的入射角的表面相比，高于指定阈值角的入射角通常可能与较差的质量相关联。因此，预期外表皮表面相对于内表皮表面具有降低的精度，表面质量和/或次表面质量。例如，可以预期外表皮表面比内表皮表面具有更大的孔隙率和/或粗糙度。分配给区段的质量得分表示针对每个区段预测的质量水平。在简单的实施例中，质量得分可以是二进制的，使得处理器118将具有内表皮表面的区段分配为具有良好或令人满意的质量，而将具有外表皮表面的区段分配为具有劣化或不令人满意的质量。在一个或多个其他实施例中，质量得分的分配可以更加动态。例如，处理器118可以基于入射角的差异在两个不同的表面之间进行区分，即使两个表面都被分类为内表皮或外表皮。相对于能量源106具有40
°
的确定入射角的第一区段可比具有70
°
的确定入射角的第二区段具有更高的质量。例如，尽管两个区段的入射角均小于90
°
，但预期具有较小角度的第一区段的熔池变化减小(例如，表面上形成熔体延伸部分的风险较小)，因此预期具有比第二区段更高的质量。
61.在实施例中，处理器118可以将一个或多个几何特征作为变量输入到一个或多个函数中以确定质量得分。可选地，一个或多个函数可以包括可能影响表面质量的其他输入变量，例如粉末或其他原料的类型，构建参数(例如功率，速度，光束直径，光束通过分离)，设置(诸如在am工具101中重涂覆器臂移动的方向、通过am工具101的气流方向)等。一个或多个函数可以基于仿真或预测数据建模。在实施例中，函数可以从测试不同变量对表面质量的影响的历史、实验数据中得出。例如，可以执行各种实验，其中增材制造多个测试试样，其中测试试样之间的唯一区别是测试试样相对于增材工具的光束发射器的位置。例如，实验中的不同试样可具有绕轴线的不同旋转角度，相对于平台的不同倾斜角和/或平台上的不同位置。通过观察和记录不同试样的最终表面质量，次表面质量和/或几何精度，可以收集将质量与位置(定位)相关的数据并将其存储在数据库中，例如查找表，数学模型等。可以基于该实验数据来导出一个或多个函数。
62.质量得分可以是一个或多个函数的输出。如本文所述，如果根据仿真的构建参数和设置在候选位置304处增材制造构建部件，则表面质量得分广义地代表预测的部件质量的定量或定性度量。表面质量得分可以是定义的尺度内的定量值，例如从1到10(其中10代
表最佳表面质量)，从1到100等的范围。可替代地，该范围本质上可以是定性的，例如包括一些定义的分类。如上所述，在非限制性示例中，分类可以是二进制的，包括对于内表皮表面的“令人满意”和对于外表皮表面的“不令人满意”。在另一个示例中，定性分类可以包括其他类别，例如“优质”，“良好”，“足够质量”，“不良质量”和“很差质量”。每个区段的质量得分可以包括多个子得分，例如针对粗糙度，孔隙率，几何精度等的不同得分。基于各种原因(例如，构建部件的预期用途)，一个或多个子因素可能比其他因素更为重要，因此子得分的生成可以允许对较高权重的子因素进行选择性优化。在确定了区段的质量得分之后，处理器118可以将质量得分存储在存储器130中，使得质量得分与候选位置304相关或相关联。如上所述，区段可以代表各种形状和尺寸，包括沉积在构建部件上的材料的各个层。可以选择区段大小，以使单个区段内部的任何内表皮/外表皮过渡或表面质量得分变化都低于增材制造过程的分辨率。
63.相对于通过另一个过程选择构建部件的位置，利用质量得分来确定构建部件的位置，以改善由am工具101(如图1所示)增材制造的构建部件的质量。在一个或多个实施例中，处理器118可以计算与候选位置304相关联的整体位置得分。整体位置得分是基于候选位置304上的构建部件302的不同区段的一组多个质量得分的度量。例如，处理器118可以聚合区段的各个质量得分以计算整体位置得分。在非限制性示例中，整体位置得分可以是各个质量得分的总和，各个质量得分的平均值，或与候选位置304相关联的一组质量得分的其他统计表示。可选地，处理器118可以将某些区段的质量得分权重大于其他区段。例如，随后将要加工的表面比必须保持沉积状态的表面没有那么关键。因此，处理器118可以将更大的权重施加于限定必须保持沉积状态的表面的区段的得分。可以通过对得分应用权重修正来调整权重。处理器118可以将整体位置得分存储在存储器130或另一存储设备中。
64.处理器118可以被配置为生成候选位置304处的构建部件302的仿真模型。图8示出了根据实施例的在候选位置304处的构建部件302的仿真模型400。仿真模型400可以被显示为构建部件302的一个或多个图像，其中一个或多个图形指示符402被叠加或层叠在构建部件302的不同区段上。仿真模型400可以显示在输出(例如，显示器)设备136上，以使am系统100的操作员能够可视化在仿真模型400上提供的信息。仿真模型400可以包括指示符403，其表示电磁能量源或光束发射器相对于构建部件302的总体位置。仿真模型400包括叠加在第一区段312的表面310上的第一图形指示符402a和叠加在第二区段332的表面336上的第二图形指示符402b。图形指示符402表示(例如基于)图形指示符402所位于的区段的质量得分。例如，第一区段312上的第一图形指示符402a代表为第一区段312生成的质量得分，且第二区段332上的第二图形指示符402b代表为第二区段332生成的质量得分。
65.显示在仿真模型400上的图形指示符402可以是颜色，数字，字母，单词，形状，符号等。在所示的实施例中，图形指示符402是从1到5的整数。整数表示不同的质量得分，相对于其他类别，其中5表示具有最高预测质量的类别，而1代表具有最差预测质量的类别。例如，第一图形指示符402a是数字“1”，而第二图形指示符402b是数字“4”，这表示在构建部件302的候选位置304中，第二区段332的表面336具有比第一区段312的表面310更好的预期质量。在另一个实施例中，图形指示符402可以被颜色编码，使得高质量得分是绿色，低质量得分是红色，等。
66.仿真模型显示在显示设备136上，以供am系统100的操作员查看。仿真模型400可以
显示为二维或三维。在所显示的仿真模型400是三维的示例中，仿真模型400可以旋转以查看仿真模型400的不同选择的部分。例如，操作员可以利用输入设备134来旋转仿真模型400以查看先前被遮挡的表面。通过查看仿真模型400，操作员可以看到在候选位置304中的构建部件302的不同表面的预测质量。例如，仿真模型400提供被预测为具有劣或不令人满意的表面质量的区域。基于从仿真模型400接收到的信息，操作员可以决定调整构建部件相对于am工具的位置，以提高沉积时构建部件的质量。可以将仿真模型结合到虚拟现实平台和/或增强现实平台中。
67.响应于观看仿真图像，操作员可以利用输入设备134来修改构建部件302相对于平台102的位置。例如，操作员可以输入或选择第二候选位置。与(第一)候选位置304相比，第二候选位置在平台102上可以具有不同的位置，不同的旋转方向和/或不同的倾斜角。图9示出了根据实施例的在第二候选位置452处的构建部件302的仿真模型450。如指示符403所标识的，在第二候选位置452处的构建部件302朝向电磁能量源的位置倾斜。例如，与图8所示的候选位置304中的构建部件302不同，在第二候选位置452处的构建部件302的纵轴308与平台102的上表面110不正交。可以生成仿真模型450并将其显示在输出设备136上。
68.在实施例中，在确定(例如，接收，选择，计算等)第二候选位置时，处理器118可以重复上述过程，以确定构建部件302的各个区段的第二组质量得分。可以基于几何特征(包括相对于能量源的入射角)确定质量得分。处理器118可以确定在第二候选位置处的构建部件302的整体位置得分。可以基于所确定的质量得分来生成第二仿真模型450。第二仿真模型450可以与第一仿真模型400同时显示，或者可替代地，与其连续显示，以使操作员能够比较两个仿真模型。处理器118可以将第二候选位置、第二组质量得分、第二候选位置的整体位置得分和第二仿真模型的细节存储在存储器130和/或另一个存储设备中。
69.本文所述的系统允许手动地优化构建部件相对于am工具的位置。例如，基于第一和第二仿真模型提供的信息之间的比较(例如，整体位置得分)，操作员可以利用输入设备134选择一个或多个其他候选位置。在每个另外的候选位置处，处理器118被配置为重复分析以生成新的仿真模型和/或新的整体位置得分。仿真模型使操作员能够理解构建部件302的定位与构建部件302的区段的预测质量之间的投影(预计，projected)关系。如果操作员希望某个构建部件的特定表面区域具有一定的质量阈值水平，则操作员可以调整构建部件302的位置，直到达到生成的仿真模型指示沿该特定表面区域的预测质量满足阈值的候选位置为止。类似地，操作员可以继续修改候选位置，直到发现候选位置导致整体位置得分大于期望得分阈值为止。
70.本文所述的系统可以提供构建部件相对于am工具的位置的自动优化。例如，处理器118可以基于对多个候选位置的分析而生成构建部件的推荐位置，而无需利用操作员的输入。处理器118可以对候选位置的初始集合执行分析以确定初始集合中的每个候选位置的仿真模型和/或整体位置得分。然后，处理器118可以从初始集合中选择比其他候选位置具有更好的结果(例如，更高的整体位置得分)的一个或多个优选候选位置。可选地，处理器118可以基于初始分析的结果生成另外的候选位置，并且至少一些优选的候选位置可以由处理器118生成。处理器118可以选择最佳优选候选位置作为在实际构建过程中使用的推荐位置。可替代地，处理器118可以向操作员呈现优选的候选位置，例如前三个候选位置，以使操作员能够决定为构建过程选择哪个优选的候选位置。
71.操作员可以参与自动候选位置确定过程。例如，操作员可以指定构建部件的需要更高质量的特定区段和/或不需要任何质量优化的特定区段。可以通过调整与构建部件的不同部分关联的权重来表示操作员输入。例如，可以增加与需要更高质量的区段相关联的权重，并且可以减少与不需要质量优化的区段相关联的权重。操作员还可以使用输入设备来指定所需的位置/方向范围。例如，操作员可能希望避免大的熔化区域(以防止部件中残留应力的积累)和/或可能希望特定的表面位于特定的位置和/或方向窗口内。处理器118可以基于这些操作员输入的约束或参数来分析在不同候选位置处的构建部件的预测质量。
72.在实施例中，处理器118可以基于已经被分析和存储的候选位置的整体位置得分来选择推荐位置。例如，处理器118可以选择与所存储的与特定构建部件302相关联的整体位置得分中的最高整体位置得分相关联的候选位置作为推荐位置。在另一个实施例中，处理器118可以用作求解器算法，以根据本文公开的评分系统从本质上“求解”提供最大可能表面质量的构建部件302的位置。例如，处理器118可以通过改变不同的变量来执行多个计算以集中于单个候选位置(被预测为比平台上的构建部件的至少一些其他潜在位置上提供改善的表面质量)上。在非限制性示例中，处理器118可以一次迭代地改变一个变量以建立不同的候选位置的大的集合，且然后可以针对该集合中的每个候选位置系统地生成各自的整体位置得分。在另一个非限制性示例中，处理器118可以基于所学习的趋势(例如朝向能量源301倾斜的表面将预期比远离能量源301倾斜的表面具有更好的表面质量的趋势)“智能地”选择要测试的候选位置。
73.在示出的实施例中，系统预测在第二候选位置452处构建的构建部件将比在图7和图8中在第一候选位置304处构建的构建部件产生更好的总体构建部件质量。例如，总体上，覆盖或叠加在仿真模型450中的构建部件302的不同区段上的图形指示符402具有比仿真模型400的聚合图形指示符402更高的得分或数量。使构建部件302朝向能量源倾斜预计通过使表面在构建部件的整个周界上更均匀而改善表面的整体表面质量。例如，倾斜构建部件302减小了从能量源延伸到区段的表面的线的一些入射角。例如，第一区段312上的图形指示符402a在仿真模型450中是“2”，这表示对仿真模型400中所示的“1”的改进。增加的质量得分可以至少部分地归因于第一区段312的表皮或表面310与从能量源延伸的线之间的入射角减小。尽管可以改善总体质量得分，但倾斜构建部件可能导致某些区段的入射角增加，这可能会降低这些区段的单独质量得分。例如，第二区段332的质量得分图形指示符402b已经从仿真模型400中的“4”减小到仿真模型450中的“3”，这可以部分地基于增加的入射角。
74.可选地，除了或代替调整构建部件302的方向，不同的候选位置可以使构建部件302在平台102上具有不同位置。例如，处理器118可以推荐比另一个候选位置更靠近能量源的候选位置。使构建部件更靠近能量源可以由于撞击到构建部件上的来自能量源的能量束的入射角改变而改善了构建部件的各个区段的质量。
75.操作员可以利用输入设备134选择或确认构建部件302的最终位置。最终位置可以是由处理器118生成的优选位置，或也可以是操作员基于仿真模型，整体位置得分和/或系统向操作员提供的其他信息而选择的位置。一旦确定了位置，则处理器118可以基于构建部件的最终位置来生成构建计划132(如图1所示)。然后，可以控制am工具101以根据构建计划132增材制造物理构建部件，使得构建部件以与最终定位匹配的位置和方向来构建。
76.系统100还可以被用来计划在单个增材制造构件过程中要在同一平台上同时制造
的多个构建部件的定位。图10示出了根据实施例的布置在am工具101的构建平台102上的不同位置处的多个构建部件的阵列500。构建部件包括在第一位置503处的第一部件502，在第二位置505处的第二部件504，在第三位置507处的第三部件506和在第四位置509处的第四部件508。在实施例中，位置503、505、507、509可以是固定的(例如，设置)，并且处理器118通过修改构建部件502、504、506、508的倾斜和旋转以定义不同的候选位置，来对构建部件502、504、506、508的各种候选位置执行质量分析。处理器118可以基于该分析确定每个构建部件502、504、506、508的一个或多个优选候选位置。例如，优选的候选位置可以涉及构建部件502、504、506、508朝着能量源106的位置倾斜，类似于图9中所示的部件302的倾斜。
77.处理器118可以被配置为确定构建部件502、504、506、508中的任何一个是否不能满足最小质量阈值。最小质量阈值可以基于标准或使用要求来指定，或者可以通过操作员的输入来选择。例如，处理器118可以将多个构建部件502、504、506、508的每个优选候选位置的总体质量得分与最小质量阈值进行比较。在非限制性示例中，第三构建部件506可以是阵列500中不能满足最小质量阈值的唯一构建部件。例如，第三构建部件506的候选位置中没有一个导致总体质量得分达到或超过最小质量阈值。结果，处理器118可以向操作员提供通知：第三构建部件506不应被构建在设定位置507处。可以经由输出设备106提供该通知，例如显示的消息。作为响应，处理器118可以确定构建部件506在平台102上的另一位置以进行评估，和/或操作员可以决定启动构建过程以仅构建第一，第二和第四部件502、504、508。
78.在另一个实施例中，除了构建部件502、504、506、508的旋转和倾斜之外，处理器118还可确定构建部件502、504、506、508在平台102上的位置。例如，处理器118可以将构建部件502、504、506、508以极性阵列布置在平台102上，其中构建部件502、504、506、508围绕能量源106并且朝着能量源106倾斜。
79.图11是根据本公开的实施例的仿真增材制造的构建部件的表面质量的方法600的流程图。方法600被配置为在增材制造构建部件之前预测构建部件的各个区段的表面质量。预测的表面质量可以使得能够在实际的增材构建过程期间选择性地定位构建部件，以相对于在制造工具内的构建部件的不同位置处将实现的表面质量来改善所制造的构建部件的表面质量。方法600可以全部或至少部分地由图1所示的am系统100的控制单元108的一个或多个处理器118执行。可选地，可以在一个或多个步骤中提供一些操作员输入。可选地，方法600可以包括比图11所示的更多的步骤，比图11所示的更少的步骤，图11中未示出的不同步骤，和/或与图11所示的步骤不同的布置或顺序。
80.方法600从602开始，在该步骤中，在构建部件相对于平台的候选位置处确定构建部件的多个区段中的每个的一个或多个几何特征。一个或多个几何特征包括从增材制造工具的电磁能量源延伸的光束线与靠近光束线的相应区段的相应表皮的表面法线之间的入射角。
81.在604处，基于一个或多个几何特征来确定在候选位置处的构建部件的每个区段的质量得分。具有较低入射角的构建部件的区段可能比具有较大入射角的构建部件的区段具有更高的质量得分。在606处，生成候选位置处的构建部件的仿真模型。仿真图像包括与每个区段相对应的图形指示符。图形指示符代表相应区段的质量得分。在608处，仿真模型被显示在显示设备上，以供操作员查看。在610处，聚合在候选位置处的构建部件的区段的质量得分，以计算候选位置的整体位置得分。
82.在612处，在构建部件相对于平台的其他候选位置处至少重复一次先前的步骤(例如，602、604、606、608和610)。在多个周期之后，该方法可以具有包括构建部件的多个候选位置的区段质量得分，仿真模型以及整体位置得分的数据。在614处，基于不同候选位置处的数据来确定构建部件相对于平台的至少一个优选位置。相对于在诸如初始候选位置的非优选候选位置处增材制造构建部件，可以确定优选位置以实现改进的构建部件质量。在616，控制增材制造工具以在平台上的优选位置之一上增材制造构建部件。构建部件可以基于总体质量得分或另一度量来自动选择在其中增材制造构建部件的优选位置。替代地，操作员可以从作为选择提供给操作员的多个优选位置中选择构建部件增材制造的优选位置。
83.本文描述的一个或多个实施例在实际形成物理构建部件之前使用有关构建部件在增材制造工具的构建包络内的形状和构建部件的位置的信息来预测构建部件的各个区段的表面质量。例如，本文描述的实施例可以仿真部件表面粗糙度，以用于选择机器构建外壳内的最佳或优选部件方向和位置。生成的仿真数据可用于布局优化算法或求解器算法中，以提供构建部件在机器构建外壳中的建议的位置。
84.尽管各种空间和方向性术语，例如顶部，底部，下部，中间，侧向，水平，垂直，前部等被用来描述本公开的实施例，但是应当理解，这些术语仅相对于附图中所示的方向使用。方向可以颠倒，旋转或以其他方式改变，使得上部是下部，反之亦然，水平变为垂直，等。
85.本文中的实施例的图示出了一个或多个控制或处理单元，诸如图1中所示的控制单元108。应当理解，控制或处理单元代表电路，电路或其一部分，其被实现为具有执行本文所述操作的相关指令(例如，存储在有形且非暂时性的计算机可读存储介质(例如计算机硬盘驱动器，rom，ram等)上的软件)的硬件。硬件可包括硬连线以执行本文所述功能的状态机电路。硬件可以包括电子电路，其包括和/或连接到一个或多个基于逻辑的设备，例如微处理器，处理器，控制器等。可选地，控制单元108或其一个或多个处理器118表示诸如现场可编程门阵列(fpga)，专用集成电路(asic)，微处理器，量子计算设备等中的一个或多个处理电路。各种实施例中的电路被配置为执行一种或多种算法以执行本文描述的功能。一个或多个算法包括本文公开的实施例的各方面，无论是否在流程图或方法中明确标识。
86.如本文所使用，术语“控制单元”等包括任何基于处理器或基于微处理器的系统，包括使用微控制器，精简指令集计算机(risc)，专用集成电路(asic)，逻辑电路和任何其他能够执行本文所述功能的电路或处理器(包括硬件，软件或其组合)的系统。这仅是示例性的，因此无意以任何方式限制这些术语的定义和/或含义。图1所示的控制单元108被配置为执行存储在一个或多个存储元件(诸如一个或多个存储器)中的一组指令，以便处理数据。指令集包括各种命令，这些命令指示作为处理机的控制单元108(例如，其处理器118)执行特定操作，例如本文所述主题的各种实施例的方法和过程。在实施例中，指令集是软件程序的形式。处理机对输入数据的处理是响应于用户命令，响应于先前处理的结果或响应于另一处理机做出的请求。如本文所使用的，术语“软件”包括存储在存储器中以供计算机执行的任何计算机程序，包括但不限于ram存储器，rom存储器，eprom存储器，eeprom存储器和非易失性ram(nvram)存储器。
87.如本文所使用的，“配置为”执行任务或操作的结构，限制或元素特别地以与任务或操作相对应的方式在结构上形成，构造或调整。为了清楚和避免疑问，仅能够被修改以执行任务或操作的对象未“配置为”执行本文所使用的任务或操作。
88.应当理解，以上描述意在说明而不是限制。例如，上述实施例(和/或其方面)可以彼此组合使用。另外，在不脱离本发明范围的情况下，可以做出许多修改以使特定情况或材料适应本公开的各个实施例的教导。尽管，本文描述的材料的尺寸和类型旨在限定本公开的各种实施例的参数，但是这些实施例绝不是限制性的，而是示例性实施例。在回顾以上描述之后，许多其他实施例对于本领域传统技术人员将是显而易见的。因此，应当参考所附权利要求书以及这些权利要求书所赋予的等效物的全部范围，来确定本公开的各种实施例的范围。在所附权利要求中，术语“包括”和“其中”被用作相应术语“包含”和“其中”的普通英语等效词。此外，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅用作标签，并不旨在对其对象施加数字要求。此外，除非并且直到这样的权利要求限制明确地使用短语“用于
……
的手段”，后接没有进一步结构的功能声明，否则以下权利要求书的限制不是以“功能加功能”的形式编写的，也不旨在根据《美国法典》第35卷第112(f)节的规定进行解释。
89.该书面描述使用示例来公开本公开的各种实施例，包括最佳模式，并且还使本领域的任何技术人员能够实践本公开的各种实施例，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何合并的方法。本公开的各种实施例的可专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域普通技术人员想到的其他示例。如果这些示例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构元素，或者如果这些示例包括与权利要求的字面语言没有实质性差异的等效结构元素，则此类其他示例意图在权利要求的范围内。