用压电晶体监控电子束增材制造的操作的制作方法

1.本发明涉及用于监控电子束增材制造系统的构建室的设备、系统以及方法，更具体地，涉及用于监控作为在构建室内使用电子束的结果而存在的材料的设备、系统以及方法。


背景技术：

2.在基于电子束的增材制造过程中，在增材制造过程完成后评估部件的构建质量。评估可能在构建过程发生后的很长时间内发生，这可能导致在形成部件的时间和发现任何构建问题的时间之间错误地创建几个部件。因此，需要对构建质量进行过程中监控。然而，利用红外线照相机(例如，熔池监控)、二次x射线监控、电子发射监控等来监控构建质量的过程可能实施成本高昂和/或可能需要对现有电子束增材制造系统进行修改。


技术实现要素：

3.在第一方面，一种用于电子束增材制造系统的监控系统，电子束增材制造系统包括构建室，构建室具有限定构建室的内部的至少一个壁，该监控系统包括一个或多个测量设备，一个或多个测量设备定位在构建室的内部的至少一个壁上。一个或多个测量设备中的每一个包括压电晶体。监控系统进一步包括分析部件，分析部件通信地联接到一个或多个测量设备。分析部件编程为接收与压电晶体的振荡频率有关的信息。在构建室内形成制品期间，在一个或多个测量设备上的材料的收集引起压电晶体的振荡频率的变化，该变化能够由分析部件检测并能够用于确定制品的潜在构建异常。
4.在第二方面，一种电子束增材制造系统，包括构建室和监控系统，构建室具有限定构建室的内部的至少一个壁。监控系统包括一个或多个测量设备，测量设备定位在构建室的内部的至少一个壁上。一个或多个测量设备中的每一个包括压电晶体。监控系统还包括通信地联接到一个或多个测量设备的分析部件。分析部件编程为接收与压电晶体的振荡频率有关的信息。在构建室内形成制品期间，在一个或多个测量设备上的材料的收集引起压电晶体的振荡频率的变化，该变化能够由分析部件检测并能够用于确定制品的潜在构建异常。
5.在第三方面，一种用于改装增材制造系统以感测潜在构建异常的部件的套件包括一个或多个测量设备。一个或多个测量设备中的每一个包括压电晶体和分析部件，分析部件编程为接收与压电晶体的振荡频率有关的信息。套件还包括指令，该指令用于将一个或多个测量设备联接到增材制造系统的构建室的内壁并且将一个或多个测量设备通信地联接到分析部件，使得当利用增材制造系统形成制品时，在一个或多个测量设备上形成材料收集，所述材料收集引起压电晶体的振荡频率的变化，该变化能够由所述分析部件检测到并且能够用于确定潜在构建异常。
6.在第四方面，一种评估增材制造部件的制造质量的方法，该方法包括：接收与增材制造系统的一个或多个部件有关的制造参数数据；接收来自至少一个电压表的电压数据，
至少一个电压表电联接到定位在增材制造系统的制造室的内壁上的压电晶体；由电压数据确定压电晶体的振荡频率；以及由振荡频率确定增材制造部件上的潜在构建异常。
7.本技术的这些和其他特征和特性，以及结构的相关元件的操作方法和功能以及部件和制造经济性的组合，将在考虑以下描述和参照附图的所附权利要求时变得更加明显，所有这些附图形成本说明书的一部分，其中相同的附图标记表示各附图中的相应部件。然而，应明确理解的是，附图仅用于说明和描述的目的，而不旨在作为本发明的限制的定义。如说明书和权利要求书中所使用的，“一”、“一个”和“所述”的单数形式包括复数引用，除非上下文另有明确规定。
附图说明
8.附图中阐述的实施例在本质上是说明性和示例性的，并且不旨在限制由权利要求限定的主题。当结合以下附图阅读时，可以理解说明性实施例的以下详细描述，其中相同的结构用相同的附图标记表示，并且其中：
9.图1示意性地描绘了根据本文示出和描述的一个或多个实施例的增材制造系统的示意性剖视侧视图，增材制造系统包括一个或多个压电晶体，一个或多个压电晶体联接到一个或多个电压表；
10.图2示意性地描绘了构建室的一部分的详细剖视侧视图，示出了根据本文示出和描述的一个或多个实施例的说明性压电晶体；
11.图3示出了根据本文所示和描述的一个或多个实施例的随着在压电晶体上构建的材料的厚度增加的谐振频率的说明性变化；
12.图4a示意性地描绘根据本文示出和描述的一个或多个实施例的包含在控制单元内的说明性部件的框图；
13.图4b描绘了根据本文示出和描述的一个或多个实施例的包含在控制单元的存储器部件内的说明性模块的框图；
14.图5描绘了根据本文示出和描述的一个或多个实施例的说明性控制网络；
15.图6描绘了根据本文示出和描述的一个或多个实施例的在增材制造系统中针对一个或多个特定增材制造参数建立一个或多个压电晶体的基线频率的说明性方法的流程图；以及
16.图7描绘了根据本文所示和描述的一个或多个实施例的使用一种或多种压电晶体在构建过程期间评估增材制造的部件的构建质量的说明性方法的流程图。
具体实施方式
17.本公开一般涉及在电子束增材制造工艺中监控金属制品的形成以确保金属制品被适当形成的设备、系统、方法和部件的套件。设备、系统、方法以及部件的套件一般结合定位在电子束增材制造系统的构建室内的一个或多个位置处的一个或多个压电晶体。一个或多个压电晶体中的每一个被电联接到一个或多个电压表，一个或多个电压表测量由一个或多个压电晶体产生的电压。具体地，电压表确定由于在一个或多个压电晶体上沉积金属材料引起的一个或多个压电晶体的频率变化而发生的电压变化。这种金属材料的沉积是在电子束增材制造工艺期间在构建室内形成并在构建室内的各种位置(包括在一个或多个压电
晶体上)收集的汽化金属的结果。如本文更详细描述，在图1中描绘了包括一个或多个压电晶体和/或一个或多个电压表的这种特殊配置的增材制造系统。
18.电子束增材制造(也可称为电子束熔化(ebm))是一般用于金属制品的增材制造(例如，3d打印)工艺的类型。ebm利用金属粉末或金属丝形式的原材料，其置于真空下(例如，在真空密封构建室内)。一般来说，原材料经由电子束加热而熔融在一起。
19.本文描述的利用ebm的系统一般从3d计算机辅助设计(cad)模型获得数据，并使用该数据利用铺展原材料的设备(例如粉末分配器)来放置原材料的连续层。利用一个或多个电子控制的电子束将连续的层熔化在一起。如上所述，该工艺在真空密封构建室内的真空下进行，这使得该工艺适合于使用对氧(例如，钛)具有高亲和力的反应性材料来制造部件。在实施例中，相对于其他增材制造工艺，该工艺在较高温度(至多约1000℃)下操作，这可通过固化和固相相变导致相形成的差异。
20.ebm的一个副产品是在应用电子束期间发生的原材料汽化。该汽化的原材料一般分散在整个构建室中，并最终导致原材料在构建室的各种表面上，诸如在构建室的壁上堆积。在一些制造工艺期间，根据构建过程的各种参数，例如电子束的焦点的位置、在其特定区域中形成的制品的形状等，可以在特定位置发生材料的堆积。如果这些原材料的构建发生在诸如压电晶体之类的测量设备上，则它们可以影响压电晶体的频率，如本文更详细地描述。
21.现在参考附图，图1描绘了本公开的实施例，其中示例性增材制造系统100包括与增材制造系统的各种其他部件一起包括的一个或多个测量设备130和一个或多个电压表140。如图1所示，增材制造系统100进一步包括至少一个构建室120、一个或多个电子束(eb)枪(图1描绘了eb枪101)和分析部件150。
22.参照图1，构建室120限定内部122，该内部122经由一个或多个室壁121与外部环境123分离，室壁121具有其内表面124。在一些实施例中，构建室120的内部122可以是真空密封的内部，使得在构建室120内形成的制品116，如一般理解的是，在用于ebm的最佳条件下形成。构建室120能够经由真空系统(未示出)维持真空环境。如一般理解的是，说明性真空系统可以包括但不限于涡轮分子泵、涡旋泵、离子泵以及一个或多个阀。在一些实施例中，真空系统可以通信地联接到分析部件150，使得分析部件150指导真空系统的操作，以在构建室120的内部122中维持真空。在一些实施例中，在整个构建循环中，真空系统可以维持大约1
×
10-5
mbar或更小的基础压力。在另外的实施例中，真空系统可以在熔化过程期间提供约2
×
10-3
mbar的he分压。
23.在其他实施例中，构建室120可设置在提供有环境空气和大气压力的封闭室中。在另一些实施例中，构建室120可设置在露天环境中。
24.一个或多个测量设备130一般定位在一个或多个室壁121的内表面124上的各个位置处，并且定位成使得由ebm形成的汽化金属沉积在一个或多个测量设备130上。例如，图2描绘了电子束151与原材料接触以形成制品116，这导致原材料汽化，如在制品116和测量设备130之间在内表面124上延伸的汽化粒子152的虚线所示。虽然图2描绘了汽化粒子152以直线从制品116移动到测量设备130，但这仅仅是说明性的。即，汽化粒子152可以随机地散射或者可以以另一种方式朝向内表面124的各个部分移动。
25.虽然图1描绘了六个测量设备130在室壁121的内表面124上彼此等距地隔开，但本
公开不限于此。一个或多个测量设备130可相对于其他测量设备130(如果有的话)定位在任何位置，尤其是期望原材料构建的位置。在一些实施例中，增材制造系统100可包括单个测量设备130。在其他实施例中，增材制造系统可包括多个测量设备130。
26.一个或多个测量设备130中的每一个一般包括经历压电效应的晶体谐振器。因此，谐振器在此被称为压电晶体132。晶体的说明性实例可以包括但不限于天然存在的晶体，诸如石英、绿柱石(alpo4)、蔗糖、罗谢尔盐、黄玉、电气石族矿物以及钛酸铅(pbtio3)；合成晶体，诸如镧系石(la3ga5sio14)、正磷酸镓(gapo4)、铌酸锂(linbo3)，以及钽酸锂(litao3)；合成陶瓷，诸如钛酸钡(batio3)、锆钛酸铅(pb[zr
x
ti
1-x
]o3，也称为pzt)、铌酸钾(knbo3)、钨酸钠(na2wo3)以及氧化锌(zno)；无铅压电陶瓷(lead-free piezoceramics)，iii-v和ii-vi半导体、聚合物等。在一些实施例中，一个或多个测量设备130中的每一个还可以包括水冷却管、保持单元、通过微点馈通的频率感测装置、振荡源、电极以及测量和记录设备(例如，一个或多个电压表140)，其允许施加电压和测量驻波剪切波(standing shear wave)。
[0027]
一般被理解的是，压电效应一般包括在高功率源、传感器、致动器、频率标准、马达等中的应用，并且所施加的电压和机械变形之间的关系。在实施例中，一个或多个测量设备130中的每一个可以被配置成向压电晶体132施加交流电以诱发压电晶体132的振荡，压电晶体132产生驻波剪切波。
[0028]
压电晶体132的振荡频率部分地取决于晶体的厚度。正常操作期间，所有其他影响变量保持不变。因此，厚度的变化直接与频率的变化关联。随着质量沉积在晶体的表面上(例如，在室的内部122中的金属蒸汽的金属)，厚度增加。因此，振荡频率从初始值降低。通过一些简化的假设，可以使用例如sauerbrey方程来量化该频率变化并精确地将其与质量变化相关联，sauerbrey方程在方程(1)中定义为：
[0029][0030]
其中，f0是基模的谐振频率(hz)，δf是归一化频率变化(hz)，δm是质量变化(g)，a是压电活性晶体区域(电极之间的区域，cm2)，ρq是压电材料的密度(例如，石英是2.648g/cm3)，μq是压电材料的剪切模量(例如，at-切割晶体的石英是2.947
×
10
11g·
cm-1
·
s-2
)。
[0031]
可以由一个或多个测量设备130和/或一个或多个电压表140采用的一种示例性测量方法是石英晶体微天平(qcm)。qcm通过测量石英晶体谐振器的频率变化来测量每单位面积的质量变化。由于在声学谐振器的表面处沉积汽化金属而添加或去除小质量，谐振受到干扰。在一些实施例中，测量方法可以是非重量qcm方法。在其他实施例中，测量方法可以是重量qcm方法，其通过使用厚度监控器来开拓sauerbrey方程，并且可以利用镧石(la3ga5si
14
)或正磷酸镓(gapo4)，因其在存在于构建室120的内部122中的高温下振荡的能力。测量晶体上形成的材料的厚度，并确定谐振频率的变化。在一些实施例中，谐振频率的变化可以与在晶体上构建的材料的厚度直接关联。例如，如图3所示，随着晶体表面上材料的厚度t增加，谐振频率的变化减小。
[0032]
再次参考图1，在实施例中，一个或多个电压表140中的每一个一般是电联接到一个或多个测量设备130或与一个或多个测量设备130集成的设备，并且尤其地被配置成测量相关联的测量设备130的压电晶体132的电压变化，其中，转而，如本文所述，用于确定压电晶体132的频率。在一些实施例中，一个或多个电压表140可位于构建室120的内部122中。在
其他实施例中，一个或多个电压表140可位于构建室120的内部122的外部(例如，在外部环境中)，以使一个或多个电压表140不暴露于构建室120的恶劣条件(如图1所示)。在其他实施例中，电压表140可被集成为分析部件150的一部分(例如，作为数据获取(daq)设备)。一个或多个电压表140与相关联的测量设备130的电联接(如图1所示在每个测量设备130和相关联的电压表140之间延伸的虚线所示)允许由测量设备130产生的电信号被传输到一个或多个电压表140以用于分析。
[0033]
构建室120在内部122内一般包括构建封套112，在构建封套112上支撑粉末层118和粉末分配器110。在一些实施例中，构建室120可进一步包括一个或多个原材料料斗106、107，原材料料斗106、107中保持原材料。构建室120可进一步包括其他部件，尤其是有助于ebm的部件，包括如本文所述的非具体描述的部件。
[0034]
构建封套112一般是位于构建室120的内部122中的平台或容器，该平台或容器布置成从一个或多个原材料料斗106、107接收原材料。如本文更详细描述，构建封套112的尺寸或构造不受本公开内容的限制，而是可以大体上成形和定尺寸，以以粉末层118形态保持来自原材料料斗106、107的原材料的量，保持制品116的一个或多个部分和/或未熔融的原材料的量。
[0035]
在一些实施例中，构建封套112可以包括由提升部件(未示出)支撑的可移动构建平台114。可移动构建平台114一般可以是构建封套112中的表面，该表面可通过提升部件在系统竖直方向(例如，在图1的坐标轴的 z/-z方向)上移动以增加和/或减少构建封套112的总体积。例如，在构建封套112内的可移动构建平台114可以通过提升部件在向下方向(例如，朝向图1的坐标轴的
–
z方向)上移动，以便增加构建封套112的体积。可移动构建平台114可以通过提升部件移动(例如，能够被降低)以将每个连续的粉末层118添加到所形成的制品116，如本文更详细地描述。
[0036]
提升部件不受本公开的限制，并且一般可以是能够联接到可移动构建平台114并且在系统竖直方向(例如，在图1所示的坐标轴的 z/-z方向)上能够移动以升高或降低可移动构建平台114的任何设备或系统。在一些实施例中，提升部件可以利用线性致动器型机构来实现可移动构建平台114的移动。适于用作提升部件的设备或系统的说明性示例包括但不限于剪式升降机、机械线性致动器(诸如基于螺杆的致动器)、轮轴致动器(例如齿轮齿条型致动器)、液压致动器、气动致动器、压电致动器、机电致动器，和/或类似物。在一些实施例中，提升部件可以位于构建室120的内部122中。在其他实施例中，提升部件可以仅部分地位于构建室120的内部122中，尤其是在如下实施例中，其中，隔绝提升部件的对构建室120的内部122中的恶劣条件(例如，高热、过量灰尘等)敏感的部分将是被期望的。
[0037]
粉末分配器110一般布置和构造成将作为粉末层118的原材料层铺设和/或铺展在构建封套112中(例如，在构建封套112内的起始板或构建平台114上)。即，粉末分配器110被布置成使得粉末分配器110的移动在由图1中所示的坐标轴的x轴和y轴限定的水平面上。例如，粉末分配器110可以是臂、杆等，其在构建封套112上或上方(例如，从构建封套112的第一端到第二端)在图1的坐标轴的y方向延伸一定距离。在一些实施例中，粉末分配器110的长度可以比构建平台114的宽度更长，使得粉末层118可以分布在构建平台114的每个位置上。在一些实施例中，粉末分配器110可以具有与构建平台114(例如，大体平行于图1的坐标轴的 x/-x轴线)的顶表面平行的中心轴线。一个或多个马达、致动器和/或类似物可联接到
粉末分配器110以影响粉末分配器110的移动。例如，齿轮齿条致动器可联接至粉末分配器110，以使粉末分配器110在构建封套上在图1的坐标轴的 x/-x方向上来回移动。在一些实施例中，粉末分配器110的移动可以是连续的(例如，移动而不停止，而不是改变方向)。在其他实施例中，粉末分配器110的移动可以是间歇的(例如，在一段间隔中移动，同时在间隔之间停止一段时间)。在另一些实施例中，粉末分配器110的移动可以使得在移动周期之间发生多个中断。
[0038]
粉末分配器110进一步可以包括一个或多个齿部(例如，耙指等)，这些齿部从粉末分配器110延伸到来自原材料料斗106、107的原材料中，以在粉末分配器110移动时引起原材料的干扰(例如，分配原材料，铺展粉末层118等)。例如，粉末分配器110可包括从粉末分配器110的底表面延伸的多个耙齿部(例如，大体朝向图1的坐标轴的-z方向延伸)。在一些实施例中，耙齿部可在基本上垂直于构建平台114的平面的方向上延伸(例如，垂直于由图1中描绘的坐标轴的x轴和y轴形成的平面)。在另一实施例中，耙齿部可相对于构建平台114倾斜。倾斜的耙齿部相对于构建平台的法线的角度可以是任意值，并且在一些实施例中，其在约0
°
和约45
°
之间。在一些实施例中，多个耙齿部中的每一个可以是金属箔或金属片。为了使得能够在构建平台114的每个位置上分配粉末，多个耙齿部的总长度可以比构建平台114的宽度更长。耙齿部的形状和尺寸也可以被设计成耙过原材料，以将粉末层118分布在构建平台114上。
[0039]
应当理解的是，虽然本文描述的粉末分配器110一般在图1描绘的坐标轴的x方向上延伸一定距离，并且在图1所示的坐标轴的 x/-y方向上移动以铺展粉末层118，如上所述，但是这仅仅是一个说明性示例。还考虑了其他配置。例如，粉末分配器110可以围绕轴线旋转以铺展粉末层118，可以围绕一个或多个接合部等连接以铺展粉末层118，和/或类似物，而不脱离本公开的范围。
[0040]
在一些实施例中，粉末分配器110的横截面可以一般为三角形。然而，应当理解的是，横截面可以是任何形状，包括但不限于圆形、椭圆形、方形、矩形、多边形等。为了在系统竖直方向(例如，沿图1的坐标轴的 z/-z轴)给粉末分配器110提供特定的机械强度，可以设置粉末分配器110的高度。即，在一些实施例中，粉末分配器110可以在系统竖直方向上具有特定可控挠曲。粉末分配器110的高度也可以考虑粉末分配器110推动原材料的量来选择。如果粉末分配器110的高度太小，则粉末分配器110相对于更高功率粉末分配器110只能向前推动较小的量。然而，如果粉末分配器110的高度太高，则粉末分配器110可能使从粉末堆捕获的粉末复杂化(例如，粉末分配器110的高度越高，通过粉末分配器110移动到粉末堆中并使预定量的粉末从进入粉末堆的行进方向上的第一侧到构建平台114的方向上的第二侧落在粉末分配器110上，可能需要更大的力以便从粉末堆捕获预定量的粉末)。
[0041]
在一些实施例中，粉末分配器110和电压表140中的每一个可以通信地联接到分析部件150，如图1中粉末分配器110和分析部件150之间的虚线以及图1中电压表140和分析部件150之间的虚线所示。如本文所使用的，术语“通信地联接”一般指以便于通信的方式的任何链路。因此，“通信地联接”包括无线和有线通信，包括现已知或稍后开发的那些无线和有线通信。例如，当粉末分配器110通信地联接到分析部件150时，分析部件150可以传输一个或多个信号、数据和/或类似物，以使得粉末分配器110移动、改变方向、改变速度和/或类似物。更具体地说，由分析部件150传输到粉末分配器110的“反向”信号可以使粉末分配器110
反转其移动的方向(例如，将图1的坐标轴的 x方向上的移动反转到图1的坐标轴的-x方向上的移动)。
[0042]
原材料料斗106、107中的每一个一般可以是容纳一定量的原材料并包含从其中分配原材料的开口的容器。虽然图1描绘了两个原材料料斗106、107，但本公开不限于此。即，可以在不脱离本公开的范围的情况下利用任何数量的原材料料斗。此外，虽然将原材料料斗106、107描绘为位于构建室120的内部122中，但本公开不限于此。即，在各种其他实施例中，原材料料斗106、107可位于构建室120的外部或部分位于构建室120外部。然而，应当理解的是，如果原材料料斗位于构建室120外部或部分位于构建室120外部，则供应原材料的原材料料斗的一个或多个出口在未分配原材料时可选择性地密封，以保持构建室120内的真空。
[0043]
原材料料斗106、107的形状和尺寸不受本发明的限制。即，原材料料斗106、107一般可以具有任何形状和/或尺寸，而不脱离本公开的范围。在一些实施例中，原材料料斗106、107中的每一个可以成形和/或定尺寸以符合构建室120的尺寸，使得原材料料斗106、107可以安装在构建室120的内部。在一些实施例中，原材料料斗106、107可被成形和定尺寸为使得原材料料斗106、107的总体积足以保持制造制品116所需的原材料量，该原材料量包括足够量的材料以形成每个连续的粉末层118和构成未熔融原材料的附加材料。
[0044]
原材料料斗106、107一般可具有用于排出位于原材料料斗106、107中的原材料的出口，使得原材料可通过粉末分配器110铺展，如本文所述。在一些实施例中，诸如在图1所示的实施例中，原材料可以在重力的作用下自由地流出原材料料斗106、107，从而形成用于粉末分配器110铺展的原材料层或堆。在其他实施例中，原材料料斗106、107的出口可经由选择性关闭机构选择性地关闭，以便在特定时间仅分配位于相应原材料料斗106、107内的原材料的一部分。选择性关闭机构可以通信地联接到分析部件150，使得传输到分析部件150/从分析部件150传输的数据和/或信号可以用于选择性地打开和关闭原材料料斗106、107的出口(图1中未示出)。
[0045]
包含在原材料料斗106、107中并用于形成制品116的原材料不受本公开内容的限制，并且一般可以是用于现已知或以后开发的ebm的任何原材料。原材料的说明性实例包括但不限于纯金属，诸如钛、铝、钨等；以及金属合金，例如钛合金、铝合金、不锈钢、钴铬合金、钴铬钨合金、镍合金和/或类似物。原材料的具体示例包括但不限于ti6al4v钛合金、ti6al4v eli钛合金、二级钛合金和astm f75钴铬合金(所有这些均可从瑞典的默恩达尔的arcam ab公司获得)。原材料的另一个具体示例是可从特殊金属公司(西弗吉尼亚州的亨廷顿公司(huntington wv))购得的合金718。
[0046]
在实施例中，与混合物相反，原材料是预合金化的。这可以允许ebm与选择性激光熔化(slm)分类，其中如选择性激光烧结(sls)和直接金属激光烧结(dmls)的其他技术在制造后需要热处理。与选择性激光熔化(slm)和dmls相比，ebm因其更高的能量密度和扫描方法，具有基本优越的构建速率。
[0047]
仍参照图1，eb枪101一般是发射电子束(例如带电粒子束)的设备，诸如电子枪、线性加速器等。eb枪101产生束151，该束151可用于当作为粉末层118铺展在构建平台114上时熔化或熔融原材料。
[0048]
在一些实施例中，eb枪101包括电子发射器102、至少一个聚焦线圈104以及至少一
个偏转线圈105。在一些实施例中，eb枪101可进一步包括至少一个像散线圈103(例如，散光像差补偿器)。在其他实施例中，eb枪101可以包括电源(未示出)，该电源可以电连接到至少一个枪控制单元160、电子发射器102、至少一个像散线圈103、至少一个聚焦线圈104和/或至少一个偏转线圈105。在一些实施例中，eb枪101的各种部件布置成使得至少一个像散线圈103、至少一个聚焦线圈104和至少一个偏转线圈105相对于电子发射器102定位，使得由电子发射器102发射的电子穿过由线圈103、104、105中的每一个限定的孔隙。在图1所示的实施例中，至少一个像散线圈103可定位成相对于至少一个聚焦线圈104和至少一个偏转线圈105最靠近电子发射器102，聚焦线圈104可定位成相对于至少一个偏转线圈105更靠近电子发射器102，并且至少一个偏转线圈105可定位成离电子发射器102最远。然而，这仅仅是说明性的，并且各种线圈相对于电子发射器102的其他位置被设想并包括在本公开的范围内。
[0049]
电子发射器102一般是包含经由枪控制单元160电联接到电源的灯丝/阴极和/或阳极的电子束发射部件。作为电源产生的电流施加的结果，电子发射器102一般在朝向线圈103、104、105的中心限定的空间的方向上将电子发射到自由空间中。即，由电子发射器102发射的电子一般指向由图1中的束151指示的方向。在一些实施例中，为了确保从中定向发射电子，电子发射器102可以形成为适合于这种电子发射的特定形状。例如，电子发射器102可以形成在环中，作为具有特定曲率半径的末端，作为一个或多个彼此间隔开的腿部，和/或类似物。电子发射器102可以由用于发射电子的特定材料构成，诸如钨(w)、六硼化镧(lab6)等。在一些实施例中，可以通过蚀刻工艺形成电子发射器102。可以由能量束科学公司(energy beam sciences,inc.)(康涅狄格州的东格兰比(east granby,ct))提供说明性电子发射器。在一个示例性实施例中，电子发射器102可以产生具有约60千伏(kv)的加速电压和在约0千瓦(kw)至约10kw范围内的束功率的可聚焦电子束。应当理解的是，电子发射器102的各种特征仅仅是说明性的，其他特征也在考虑内。
[0050]
至少一个聚焦线圈104一般是具有多个匝/绕组并且电联接到电源(例如，电源)的导电材料的线圈。至少一个聚焦线圈104相对于电子发射器102定位，使得由电子发射器发射的电子穿过至少一个聚焦线圈104的中心(例如，由至少一个聚焦线圈104的多个匝/绕组限定的孔隙)。即，至少一个聚焦线圈104横向于由图1所示的束151限定的轴线定向。至少一个聚焦线圈104相对于电子发射器102的布置和位置和/或多个匝/绕组的形状和尺寸可以使得当电流施加在至少一个聚焦线圈104上时，在匝/绕组限定的孔隙中产生磁场。磁场用作由电子发射器102发射的电子的透镜，将电子会聚成具有单个焦点的电子束。这样，施加在至少一个聚焦线圈104上的电流的修改会改变磁场，而磁场转而改变了电子束的焦点。在一些实施例中，可将至少一个聚焦线圈104称为“聚焦透镜”(例如，聚焦电磁透镜)。
[0051]
至少一个偏转线圈105一般是具有多个匝/绕组并且电联接到电源(例如，电源)的导电材料的线圈。至少一个偏转线圈105相对于电子发射器102和/或至少一个聚焦线圈104定位，使得由电子发射器102发射并由至少一个聚焦线圈104聚焦成束的电子穿过至少一个偏转线圈105的中心(例如，由至少一个偏转线圈105的多个匝/绕组限定的孔隙)。即，至少一个偏转线圈105横向于由图1所示的束151限定的轴线定向。至少一个偏转线圈105相对于电子发射器102和/或至少一个聚焦线圈104和/或多个匝/绕组的形状和尺寸的布置和位置，可以使得当电流施加在至少一个偏转线圈105上时，在匝/绕组限定的孔隙中产生磁场
和/或电场。磁场和/或电场用于引导由电子发射器102发射并由至少一个聚焦线圈104聚焦的电子束，使得电子束基于磁场和/或电场的特性被引导到特定位置。这样，施加在至少一个偏转线圈105上的电流的修改会改变磁场和/或电场，这转而改变了电子束的行进路径。在一些实施例中，至少一个偏转线圈105可被称为“偏转透镜”(例如，偏转电磁透镜)。
[0052]
至少一个像散线圈103一般是具有多个匝/绕组并且电联接到电源(例如，电源)的导电材料的线圈。至少一个像散线圈103相对于电子发射器102定位，使得由电子发射器102发射的电子穿过至少一个像散线圈103的中心(例如，由至少一个像散线圈103的多个匝/绕组限定的孔隙)。即，至少一个像散线圈103横向于由图1所示的束151限定的轴线定向。至少一个像散线圈103相对于电子发射器102的布置和位置和/或多个匝/绕组的形状和尺寸可以使得当电流施加在至少一个像散线圈103上时，在匝/绕组限定的孔隙中产生磁场。磁场用于校正电子发射器102发射的电子中存在的任何聚焦缺陷，使得电子会聚在径向均匀的束中。这样，施加在至少一个像散线圈103上的电流的修改会改变磁场，这转而改变了电子束畸变。在一些实施例中，可将至少一个像散线圈103称为“像散透镜”(例如，像散电磁透镜)。
[0053]
虽然图1的实施例仅描绘了三个线圈(例如，至少一个像散线圈103、至少一个聚焦线圈104以及至少一个偏转线圈105)，但是应当理解的是，这仅仅是说明性的。在不脱离本公开的范围的情况下，可以在eb枪101内包括较少的或附加的线圈。在一个特定实施例中，eb枪101可以包括在其中的六个线圈，其中，六个线圈中的至少一个是聚焦线圈，并且六个线圈中的至少一个是偏转线圈。
[0054]
电源一般是向eb枪101的部件(例如，电子发射器102、至少一个像散线圈103、至少一个聚焦线圈104和/或至少一个偏转线圈105)提供电力的任何部件。电源可以具有多个功率输出，多个功率输出中的每一个联接到eb枪101的部件中的一个。这样，电源可以彼此独立地调制提供给eb枪101的每个部件的电力。即，可以将第一电压、频率和/或类似物提供给eb枪101的第一部件，并且可以将第二电压、频率和/或类似物提供给eb枪101的第二部件。提供给eb枪101的各种部件的电力的控制可以通过枪控制单元160来实现，其中，枪控制单元160电联接到电源和/或eb枪101的每个部件(例如，电子发射器102、至少一个像散线圈103、至少一个聚焦线圈104和/或至少一个偏转线圈105)。即，枪控制单元160控制提供给eb枪101的每个部件的电，以确保特定电压、特定频率和/或类似物被提供给eb枪101的每个部件，以确保对eb枪101发射的电子束的特性的特定控制。
[0055]
在一些实施例中，电源是特斯拉变压器，因其产生非常高功率(例如，大约几十兆瓦)的多兆伏脉冲。在实施例中，脉冲重复率可以大约是电源频率的两倍，并且可以仅由单个火花隙开关的去离子时间限制。当通过电源施加高压脉冲，将电子发射器102的阴极驱动到大的负电势时，阴极面上的电场变得如此大以致于发生电子发射。电子可以垂直于阴极的表面释放，并且通过阴极的电场经各种线圈103、104、105产生的磁场和/或电场加速通过eb枪101的枪管的抽空区域。
[0056]
应当理解的是，eb枪101可以包括本文中未具体描述的其他部件。在非限制性示例中，eb枪101还可以包括一个或多个聚焦透镜、一个或多个像散透镜、一个或多个偏转透镜、一个或多个泵(例如，涡轮泵)、一个或多个闸阀、一个或多个孔和/或类似物。在一些实施例中，eb枪101可包括多个柱(例如，布置在下柱上方的上柱)。这样的柱可以包括其之间的压
差(例如，大约10-4
mbar的压差)。
[0057]
仍然参照图1，当通过利用束151熔融每个连续的粉末层118而形成制品116时，构建室120中的压力可以在约1
×
10-3
mbar至约1
×
10-6
mbar的范围内。在一些实施例中，eb枪101可以通信地联接到分析部件150，如图1在eb枪101和分析部件150之间的虚线所示。eb枪101与分析部件150的通信联接可提供在eb枪101与分析部件150之间传输信号和/或数据的能力，诸如来自分析部件150的控制信号，其引导eb枪101的操作。即，分析部件150可以向eb枪101传输一个或多个信号，该一个或多个信号引导eb枪101的操作。
[0058]
分析部件150一般是通信地联接到增材制造系统100的一个或多个部件(例如，粉末分配器110、一个或多个电压表140和/或eb枪101)的设备，并且具体地布置和配置成向增材制造系统100的一个或多个部件传输和/或从增材制造系统100的一个或多个部件接收信号和/或数据。关于分析部件150的附加细节本文参照图4a-4b讨论。
[0059]
转至图4a，示出了图1描绘的分析部件150的各种内部部件。尤其是，图4a描绘了用于分析从图1的一个或多个电压表140接收的数据和/或利用图1中描绘的增材制造系统100的各种部件的控制进行辅助的各种系统部件。
[0060]
如图4a所示，分析部件150可以包括一个或多个处理设备402、非暂时性存储器部件404、网络接口硬件408、设备接口硬件410、数据存储部件406和/或电压表接口硬件412。本地接口400，诸如总线等，可以互连各种部件。
[0061]
一个或多个处理设备402，诸如计算机处理单元(cpu)，可以是分析部件150的中央处理单元，执行计算和逻辑操作以执行程序。一个或多个处理设备402，单独地或与其他部件结合,为说明性处理设备、计算设备、处理器或其组合。一个或多个处理设备402可以包括被配置为接收和执行指令(例如从数据存储部件406和/或存储器部件404)的任何处理部件。
[0062]
存储器部件404可以被配置为易失性和/或非易失性计算机可读介质，并且因此可以包括随机存取存储器(包括sram、dram和/或其他类型的随机存取存储器)、只读存储器(rom)、闪存、寄存器、光盘、数字多功能光盘(dvd)和/或其他类型的存储部件。存储器部件404可以包括在其上的一个或多个编程指令，当由一个或多个处理设备402执行时，所述编程指令使得一个或多个处理设备402完成各种处理，诸如本文关于图6和7描述的处理。
[0063]
仍参照图4a，存储在存储器部件404上的编程指令可以实施为多个软件逻辑模块，其中，每个逻辑模块提供用于完成一个或多个任务的编程指令。根据各种实施例，图4b描绘了图4a的存储器部件404的各种模块。
[0064]
如图4b所示，存储器部件404包括多个逻辑模块。图4b中所示的每个逻辑模块作为示例，以计算机程序、固件或硬件实施。存储器部件404中存在的逻辑模块的说明性示例包括但不限于，设备通信逻辑450、数据接收逻辑452、数据分析逻辑454、频率计算逻辑456和/或签名确定逻辑458。本文中未具体描述的其他逻辑模块也被考虑并且包括在本公开的范围内。
[0065]
参照图1、4a以及4b，设备通信逻辑450包括用于在增材制造系统100的一个或多个部件与分析部件150的一个或多个部件之间产生通信连接的一个或多个编程指令。例如，设备通信逻辑450可包括用于引导粉末分配器110与分析部件150之间的通信、引导一个或多个电压表140与分析部件150之间的通信、引导eb枪101与分析部件150之间的通信和/或类
似物的一个或多个编程指令。在另一示例中，设备通信逻辑450可以包含用于与数据接收逻辑452的编程指令协同工作以建立与一个或多个电压表140的连接的编程指令。
[0066]
仍参照图1、4a以及4b，数据接收逻辑452包括用于从一个或多个电压表140接收数据的一个或多个编程指令。即，数据接收逻辑452可导致电压表接口硬件412与一个或多个电压表140之间的连接，使得由一个或多个电压表140传输的数据(例如，与电压变化有关的数据)被分析部件150接收。此外，由一个或多个电压表140传输的数据可以被存储(例如，在数据存储部件406内)。
[0067]
参照图1、4a以及4b，数据分析逻辑454包括用于分析从一个或多个电压表140接收的数据的一个或多个编程指令。即，数据分析逻辑454包含用于分析与从电压表140接收到的电信号有关的数据的编程，该数据对应于检测到的一个或多个测量设备130的频率变化，该频率变化由在一个或多个测量设备130上的汽化粒子的收集产生，如本文所述。数据分析逻辑454还可以包括用于在制品116形成时连续分析数据的编程指令(例如，在增材制造系统100的操作期间接收数据时实时分析数据)。
[0068]
仍参照图1、4a以及4b，频率计算逻辑456可以包括编程指令，用于根据从一个或多个电压表接收的电压数据确定一个或多个测量设备130的振荡频率，以及一个或多个测量设备130的初始频率的频率变化(如果有)(因此指示材料在一个或多个测量设备130上的沉积)。频率计算逻辑456还可以包括用于在制品116形成时确定频率的编程指令(例如，在增材制造系统100的操作期间接收到时实时确定频率和/或频率变化)。
[0069]
仍参照图1，4a和4b，签名确定逻辑458可以包括编程指令，用于确定被形成的制品116(或其一部分)的哪些特征和/或增材制造系统100的各种部件的参数(例如，eb枪101和/或其部件的参数)指示由频率计算逻辑456的编程指令确定的频率变化，由频率计算逻辑456的编程指令确定的频率是否对应于特定参数(例如，正确的参数、不正确的参数、期望的参数、意外的参数和/或类似物)和/或类似物。例如，签名确定逻辑458可以包括用于从数据库检索关联性数据的编程指令，确定关联性数据是否对应于由频率计算逻辑456确定的频率(或频率变化)，并且如果关联性数据不对应于频率(或频率变化)，则确定为什么关联性数据不对应的一个或多个原因。
[0070]
再次参照图4a，网络接口硬件408可以包括任何有线或无线网络硬件，诸如调制解调器、lan端口、无线保真(wi-fi)卡、wimax卡、长期演进(lte)卡、移动通信硬件和/或用于与其他网络和/或设备通信的其他硬件。例如，网络接口硬件408可用于促进经由诸如本地网络、互联网和/等类似物的网络在外部存储设备、用户计算设备、服务器计算设备、外部控制设备和/等类似物之间的通信，如本文参照图5描述。
[0071]
参照图1和4a，设备接口硬件410可以在本地接口400和图1的增材制造系统100的一个或多个部件，尤其是eb枪101和/或粉末分配器110之间传送信息。在一些实施例中，设备接口硬件410可以向eb枪101传输或从eb枪101接收信号和/或数据，向枪控制单元160传输控制信号以实现对eb枪101和/或其部件(例如，eb枪101的线圈103、104、105、eb枪101的电源、eb枪101的电子发射器102和/或类似物)的控制。在一些实施例中，设备接口硬件410可以向粉末分配器110传输或从粉末分配器110接收信号和/或数据。
[0072]
再次参照图4a，一般可以是存储介质的数据存储部件406可以包含用于存储被接收和/或生成的数据的一个或多个数据存储库。数据存储部件406可以是任何物理存储介
质，包括但不限于硬盘驱动器、存储器、移动存储器和/或类似物。虽然数据存储部件406被描述为本地设备，但是应当理解的是，数据存储部件406可以是远程存储设备，诸如服务器计算设备、基于云的存储设备等。可以包含在数据存储部件406中的说明性数据包括但不限于qcm数据422、机器学习(ml)数据424和/或其他数据426。还参照图1，qcm数据422一般可以是这样的数据，该数据作为一个或多个测量设备130的振荡频率的变化的测量、由于材料沉积在一个或多个测量设备130上引起的质量变化的计算和/或基于计算的质量对沉积在一个或多个测量设备上的材料量的计算的结果而生成和/或接收。在一些实施例中，可以通过分析部件150、通过一个或多个电压表140和分析部件的组合、或者通过一个或多个测量设备130、一个或多个电压表140和分析部件150的组合来生成qcm数据422。在一些实施例中，qcm数据422(或其一部分和/或前体)可由一个或多个电压表140和/或一个或多个测量设备130传输。
[0073]
仍参照图1和4a，ml数据424可以是作为一个或多个机器学习过程的结果而生成的数据，所述一个或多个机器学习过程被用作确定沉积在一个或多个测量设备130上的材料的量和制品116的相应特征的结果或目的，或者被用作确定沉积在一个或多个测量设备130上的材料的量和增材制造系统100的各种部件的相应参数(例如，eb枪101和/或其部件的参数)的结果或目的，因为确定制品116的一个或多个特性和/或增材制造系统100的各种部件的参数的手段应当基于一个或多个测量设备130上的材料的某些沉积，和/或类似物。例如，可以使用机器学习，基于在特定时间点沉积在一个或多个测量设备130中的每一个上的材料的量、在一段时间内沉积在一个或多个测量设备130中的每一个上的材料的量的变化和/或类似物来评估特定制品116是否被适当地形成。这样，在一些实施例中，允许形成训练模型的数据可以存储为ml数据424的一部分。
[0074]
参照图1和4a，电压表接口硬件412可以在本地接口400和一个或多个电压表140之间传送信息。在一些实施例中，电压表接口硬件412可以向一个或多个电压表140中的每一个传输或从一个或多个电压表140中的每一个接收信号和/或数据。
[0075]
应当理解的是，图4a中所示的部件仅是说明性的，并非旨在限制本公开的范围。更具体地说，虽然图4a中的部件被图示在分析部件150内，但是这是非限制性示例。在一些实施例中，一个或多个部件可以位于分析部件150的外部。
[0076]
现在参考图5，描绘了说明性控制网络500。如图5所示，控制网络500可以包括广域网(wan)，诸如因特网、局域网、移动通信网络、公共服务电话网(pstn)、个域网(pan)、城域网(man)、虚拟专用网(vpn)和/或另一网络。控制网络500一般可以被配置成以电子方式连接一个或多个系统和/或设备，诸如计算设备、服务器、电子设备、增材制造系统和/或前述中任一项的部件。说明性的系统和/或设备可以包括但不限于用户计算设备502、数据库服务器504、电子设备506和/或图1的增材制造系统100的分析部件150。
[0077]
仍参照图5，用户计算设备502一般可用作用户与连接到控制网络500的其他部件之间的接口。因此，用户计算设备502可用于执行一个或多个面向用户的功能，诸如从用户接收一个或多个输入或向用户提供信息。因此，用户计算设备502可至少包括显示器和/或输入硬件。在连接到控制网络500的任何其他设备(例如，数据库服务器504、电子设备506和/或分析部件150)需要监督、更新和/或校正的情况下，用户计算设备502可以被配置为提供期望的监督、更新和/或校正。用户计算设备502还可用于输入这样的数据，该数据可用于
确定用在增材制造的材料的类型、增材制造系统100(或其部件)的各种参数、用于使用增材制造系统100形成制品的期望策略(例如eb枪移动策略)和/或类似物。即，用户可以经由用户计算设备502输入信息以控制增材制造过程的各种参数。在一些实施例中，用户计算设备502可基于从本文描述的各种过程作出的确定，向用户提供与制品制造中的任何检测到的异常有关的信息。例如，用户计算设备502可以经由用户接口向用户提供一个或多个错误消息、一个或多个详细描述、用于进一步行动的一个或多个选项和/或类似物。
[0078]
数据库服务器504一般是用于确定如本文所述的材料沉积和制品形成之间的关联性的目的的数据储存库。即，数据库服务器504可以包含用于存储与从一个或多个电压表(图1)接收的信息、任何生成的计算、机器学习相关信息和/或类似物有关的数据的一个或多个存储设备。在一些实施例中，数据库服务器504可以在其中包含反映存储在数据存储部件406(图4a)中的信息的信息，或者可以用作数据存储部件406(图4a)的可选例，例如异地数据储存库。数据库服务器504可以由联接到控制网络500的一个或多个其他设备和/或系统访问，并且可以根据需要提供数据。
[0079]
电子设备506一般可以是包含硬件的任何设备，该硬件可操作以用作用户与控制网络500的其他部件之间的接口。因此，电子设备506可用于执行一个或多个面向用户的功能，诸如从一个或多个外部部件接收数据，向用户显示信息，接收一个或多个用户输入，传输对应于一个或多个用户输入的信号，和/或类似物。虽然图5描绘了作为智能电话的电子设备506，但是应当理解的是，这是非限制性示例。即，电子设备506可以是任何移动电话、平板电脑计算设备、个人计算设备(例如，个人计算机)，和/或类似物。在一些实施例中，如本文所述，电子设备506可以具有与用户计算设备502类似的功能。
[0080]
应当理解的是，虽然用户计算设备502被描述为个人计算机，数据库服务器504被描述为服务器，并且电子设备506被描述为移动设备，但是这些是非限制性示例。在一些实施例中，计算设备的任何类型(例如，移动计算设备、个人计算机、服务器、基于云的设备网络等)或专用电子设备可用于这些部件中的任何部件。另外，虽然在图5中将这些计算设备中的每一个示出为单个硬件，但这也仅仅是示例。用户计算设备502、数据库服务器504和电子设备506中的每一个可以表示多个计算机、服务器、数据库、部件和/或类似物。
[0081]
虽然图5描绘了经由控制网络500彼此通信地联接的各种系统和/或部件，但这仅仅是说明性的。在一些实施例中，各种部件可以经由直接连接彼此通信地联接。在一些实施例中，可以将各种部件集成到单个设备中。
[0082]
可以想到的是，本文描述的增材制造系统100的某些部件可以单独提供作为部件的套件，该套件可以用于改装不具有压电晶体测量设备130的增材制造系统。例如，在一个实施例中，用于改装增材制造系统以感测构建异常的部件的套件可以包括至少一个压电晶体测量设备和至少一个电压表，所述压电晶体测量设备和电压表被封装在一起或集成到如本文所述的单个部件中。另外，用于改装增材制造系统的部件的套件还可以包括用于将至少一个压电晶体测量设备和/或至少一个电压表与现有控制部件(例如，现有分析设备)和/或联接到控制网络500的一个或多个部件接合的接口硬件。在一些实施例中，部件的套件还可以包括安装在增材制造系统的现有计算设备中的一个或多个编程指令或其他软件模块，用于操作至少一个压电晶体测量设备和/或至少一个电压表和/或用于从中检索信息。可选地，软件可以作为通信地联接到现有计算部件的附加硬件部件(例如，附加存储器模块)的
一部分来提供。该套件进一步包括用于将所述至少一个压电晶体测量设备和/或所述至少一个电压表固定到如本文所述的增材制造系统的现有部件的说明。
[0083]
如上所述，部件的套件可用于将现有的增材制造系统改装和转换为具有制品形成监控能力的增材制造系统。如上文所述，部件的套件的各种部件可安装在构建室内或附近，从而将现有的增材制造系统转换为具有制品形成监控系统的增材制造系统。
[0084]
图1-3、4a-4b以及5中描绘的各种实施例，现应该大体上理解了。即，图1-2中描绘的实施例包括构建室120以及部件中的一个或多个测量设备130和一个或多个电压表140。在图4a-4b描绘的实施例中，分析部件150可以包括各种内部部件，各种内部部件为分析部件150提供功能以确定频率变化，确定沉积在一个或多个测量设备130上的材料量，确定制品116的相应特性和/或增材制造系统100的参数。此外，图1-2和4a-4b的各种部件的外部控制可以使用图5的实施例中所描绘的一个或多个部件来完成。
[0085]
在操作中，增材制造系统100被激活并编程以开始形成制品116。随着制品116被形成并且汽化材料被形成并沉积在构建室120的室壁121的内表面124和一个或多个测量设备130上，通过观察电压变化，确定相应的频率变化以及确定引起频率变化的材料的厚度和/或质量来测量沉积在一个或多个测量设备130上的材料量。将该变化与应该基于历史或基线数据、特定参数或设置、正在形成的制品116的特定区域或特征、在形成期间经过的特定时间段和/或类似物而沉积的预期量的材料进行比较。确定是否存在异常，并且可以作为结果采取一个或多个动作，诸如传输错误消息，调整构建参数，停止构建过程，从用户接收输入，确定其他校正动作和/或类似物。结果，任何与制品116的形成有关的问题都可以在形成时而不是在形成之后被检测和潜在地校正，从而避免延迟、多个不正确形成的制品等。
[0086]
参照图1，在制品116的形成期间，在放置每个添加的粉末层118之后，可以相对于eb枪101(例如，在图1描绘的坐标轴的
–
z方向上)连续地降低构建平台114。这意味着构建平台114开始于初始位置，在该初始位置，特定厚度的第一粉末层118铺设在构建平台上。在一些实施例中，第一粉末层118可以比其他施加的层更厚，以避免第一层熔透到构建平台114上。随后，与铺设第二粉末层118以形成制品116的新横截面相关地降低构建平台114。在示例性实施例中，制品116可以通过连续熔融构建平台114上从原材料料斗106、107供应的原材料的层(例如，粉末层118的层的连续熔融)来形成。每一层对应于制品116的连续横截面。这种熔融可以基于从制品116的模型生成的指令特殊地完成。在一些实施例中，可以经由cad(计算机辅助设计)工具生成模型。
[0087]
在实施例中，eb枪101产生电子束151，当接触位于构建平台114上的原材料时，电子束151将原材料熔化或熔融在一起以在构建平台114上形成粉末层118的第一层，这导致汽化的材料被释放并沉积在构建室120内。在一些实施例中，分析部件150可用于通过将一个或多个信号和/或数据传输到eb枪101以调整其线圈103、104、105、调整其电子发射器102和/或类似物，来校准、控制和管理从eb枪101发射的电子束151。在示例性实施例中，eb枪101产生具有约60千伏(kv)的加速电压和在约0千瓦(kw)至约3千瓦范围内的束功率的可聚焦电子束。当通过利用电子束151熔融每个连续的粉末层118来构建制品116时，构建室120的内部122中的压力可以在约10-3
毫巴(mbar)至约10-6
mbar的范围内。
[0088]
在实施例中，可以在构建平台114上提供特定量的原材料。从一个或多个原材料料斗106、107在构建平台114上提供特定量的原材料，其中原材料通过原材料料斗106、107上
的相应出口排出，从而在构建平台114上形成原材料堆。应当理解的是，本文描述的供应用于形成粉末层118的原材料的原材料料斗106、107的使用和布置仅仅是说明性的。即，供应和提供原材料的其他布置，例如具有位于构建室120外部的移动底板等等的粉末容器，也被设想并包括在本公开的范围内。
[0089]
在实施例中，可以在构建平台114上提供来自原材料的层。然后，通过将粉末分配器110在第一方向上(例如，在沿由图1所示的坐标轴的x轴和y轴形成的平面的方向上)移动特定距离到原材料堆中，可以由粉末分配器110收集来自原材料的层，由此允许特定量的原材料落到粉末分配器110的顶部上。然后粉末分配器110在第二方向上(例如，在沿由图1所示的坐标轴的x轴和y轴形成的平面的另一方向上)移动。在一些实施例中，第二方向可以与第一方向相反。粉末分配器110在第二方向上的移动可以从原材料堆移除已经掉落在粉末分配器110的顶部上的特定量的原材料。
[0090]
在粉末分配器110之前(例如，邻近粉末分配器110的前端)从原材料堆(或者由任何其他合适的机构提供)移除的特定量的原材料可以借助于粉末分配器110在构建封套112和/或构建平台114上移动，由此将特定量的原材料分布在构建平台114上。
[0091]
从eb枪101发射的电子束151可以被引导到构建平台114上，从而使得粉末层118在特定位置熔融以根据经由计算机辅助设计工具生成的模型形成制品116的第一横截面。电子束151的移动由eb枪101(如本文所述，包括其部件)控制，使得电子束151基于由分析部件150或另一设备提供的指令被引导到构建平台114上。电子束151与原材料的接触导致某些材料的汽化，其基于原材料的特性、形成的制品116的部分、各种部件的参数和/或类似物以特定方式分散在构建室120中，如本文所述。
[0092]
在完成第一粉末层118之后(例如，在用于制造制品116的第一层的原材料熔融之后)，在第一粉末层118上设置第二粉末层118。第二粉末层118可以按照与前一层相同的方式分布，如本文所述。然而，在一些实施例中，在相同的增材制造机中可以存在用于分配原材料的替代方法。例如，第一层可以借助于第一粉末分配器提供，第二层可以借助于第二粉末分配器提供。
[0093]
在第二粉末层118分布在第一粉末层118上之后，电子束151被引导在构建平台114上，使得第二粉末层118在选定位置熔融以形成制品116的第二横截面。第二层中的熔融部分可以结合到所述第一层的熔融部分。第一层和第二层中的熔融部分可以通过不仅熔化最上层中的材料而且还重熔最上层正下方的层的厚度的至少一部分而熔化在一起。如上所述，电子束151与材料的接触导致一些材料的汽化，然后分散在整个构建室120中。重复该过程直到制品116完全形成或接收信号以停止形成。
[0094]
由于在一个或多个测量设备130中的每一个中使用的压电晶体132具有基线谐振频率，因此可能需要在增材制造系统100不执行形成时和/或在形成工艺开始时确定基线是什么。此外，可能需要在典型形成过程期间在特定时间建立在一个或多个测量设备130中使用的压电晶体132的预期谐振频率，其可用作确定是否检测到与典型形成过程的偏差的基础。因此，图6示意性地描绘了针对一个或多个特定增材制造参数建立一个或多个压电晶体132的这种基线频率的说明性方法的框图。
[0095]
参照图1和6，在框602处指向增材制造系统100的操作。即，一个或多个信号被传输到增材制造系统100的一个或多个部件以开始制品的增材形成。这种信号可以例如由分析
部件150和/或一个或多个其他控制设备或部件传输。例如，一个或多个信号可以被传输到eb枪101的一个或多个部件(例如，枪控制单元160、电子发射器102、线圈103、104、105)、粉末分配器110、控制构建平台114的移动的一个或多个部件、控制来自原材料料斗106、107的原材料流的一个或多个部件，和/或类似物。这些信号可能导致形成制品116的过程开始。在一些实施例中，一个或多个信号可导致增材制造系统100的各种部件调整某些参数以确保制品116的适当形成。例如，可以调节粉末分配器的方向、速度和/或高度以确保原材料的每层的特定特性。在另一示例中，可以在eb枪(包括其部件)处调节各种设置，以确保电子束151在接触原材料时具有特定特性和目标。可以在框604处接收与被调整的各种构建参数有关的构建参数数据。在一些实施例中，构建参数数据可以由分析部件150接收。构建参数数据一般包含与增材制造系统100的各种部件的参数有关的信息、与所形成的制品116的类型有关的信息(例如，形状、尺寸、结构特征和/或类似物)和/或类似物，使得作为这些参数的结果在一个或多个测量设备130上形成的汽化材料的特性可以与其相关联，如本文更详细地描述。
[0096]
随着构建过程行进(例如，当原材料被铺展、电子束151被施加等等)，由电压表140中的每一个获得的各种电压读数被传输，使得与电压读数有关的电压数据在框606处被分析部件150接收。如前所述，电压数据表示在一段时间内由一个或多个测量设备130中的每一个输出的连续量的电压，该连续量的电压随着材料沉积在一个或多个测量设备130上而改变，从而引起在一个或多个测量设备130中的每一个内压电晶体132的振荡频率的变化。
[0097]
在框608处，基于已接收的电压数据确定一个或多个测量设备130中的每一个中压电晶体132的振荡频率。更具体地，根据框608确定一段时间内的频率变化。这种确定可以通过现在已知或以后开发的确定频率和/或频率变化的任何手段来完成。例如，上述方程(1)可用于确定频率变化。
[0098]
在框610处，确定的频率(和/或频率变化)与构建参数关联，并在框612处存储在数据库中。即，构建或更新数据库，其中数据库包含与各种关联性有关的信息。例如，如果构建室120具有用于特定构建的一组参数x，并且所接收的电压数据指示测量设备a具有第一频率变化，并且测量设备b具有第二频率变化，则可以将参数x、测量设备a的第一频率变化(以及与测量设备a的位置有关的信息)、测量设备b的第二频率变化(以及与测量设备b的位置有关的信息)关联在一起并存储在数据库中供将来参考。作为这种关联的结果，如果要使用构建室120(及其部件)的特定存储参数(参数x)构建特定制品，则期望测量设备a和b的振荡频率的变化对于参数x总是相同的。仍参照图4a，在一些实施例中，数据库可以是存储在数据存储部件406中的qcm数据422。仍参照图5，在一些实施例中，数据库可以存储在数据库服务器504上。
[0099]
再次参照图1和6，由于测量设备130在整个构建过程中进行测量，因此关于框604-612的过程可以在整个构建过程中连续完成(从而允许计算随时间的频率变化)。因此，在框614处确定是否要完成附加移动(例如，构建过程是继续还是结束)。如果过程未结束且构建恢复(或未停止)，则过程可返回到框604-612以重复数据过程的收集和关联，从而为整个构建过程记录电压和振荡变化的完整数据集。一旦构建过程结束，根据图6的过程也可以结束。
[0100]
上述关于图6所描述的过程可建立在构建过程的时间上的预期频率变化的基线，
其可在未来构建期间被参考以确定是否检测到偏差、该偏差是否在统计学上是显著的、和/或该偏差是否指示错误形成的制品116。因此，图7描述了确定具有已知频率变化的制品的形成过程是否偏离那些已知频率变化的说明性方法，由此潜在地指示一个或多个构建问题和/或潜在地在多个制品形成有相同构建问题之前赶紧地(on the fly)解决一个或多个构建问题。
[0101]
参照图1和7，在框702处指向增材制造系统100的操作。即，一个或多个信号被传输到增材制造系统100的一个或多个部件以开始制品的增材形成。这种信号可以例如由分析部件150和/或一个或多个其他控制设备或部件传输。例如，一个或多个信号可以被传输到eb枪101的一个或多个部件(例如，枪控制单元160、电子发射器102、线圈103、104、105)、粉末分配器110、控制构建平台114的移动的一个或多个部件、控制来自原材料料斗106、107的原材料流的一个或多个部件，和/或类似物。这些信号可能导致形成制品116的过程开始。在一些实施例中，一个或多个信号可导致增材制造系统100的各种部件调整某些参数以确保制品116的适当形成。例如，可以调节粉末分配器的方向、速度和/或高度以确保原材料的每层的特定特性。在另一示例中，可以在eb枪(包括其部件)处调节各种设置，以确保电子束151在接触原材料时具有特定特性和目标。可以在框704处接收与被调整的各种构建参数有关的构建参数数据。在一些实施例中，构建参数数据可以由分析部件150接收。构建参数数据一般包含与增材制造系统100的各种部件的参数有关的信息、与所形成的制品116的类型有关的信息(例如，形状、尺寸、结构特征和/或类似物)和/或类似物，使得作为这些参数的结果在一个或多个测量设备130上形成的汽化材料的特性可以与其相关联，如本文更详细地描述。
[0102]
随着构建过程行进(例如，当原材料被铺展、电子束151被施加等)，由电压表140中的每一个获得的各种电压读数被传输，使得与电压读数有关的电压数据在框706处被分析部件150接收。如前所述，电压数据表示在一段时间内由一个或多个测量设备130中的每一个输出的连续量的电压，该连续量的电压随着材料沉积在一个或多个测量设备130上而改变，从而引起在一个或多个测量设备130中的每一个内压电晶体132的振荡频率的变化。
[0103]
在框708处，基于已接收的电压数据确定一个或多个测量设备130中的每一个中的压电晶体132的振荡频率。更具体地，根据框708确定一段时间内的频率变化。这种确定可以通过现在已知或以后开发的确定频率和/或频率变化的任何手段来完成。例如，上述方程(1)可用于确定频率变化。
[0104]
在框710处，访问数据库，使得可以从数据库中检索关联性数据。即，也参照图4a和5，在一些实施例中可以从存储在数据存储部件406中的qcm数据422和/或ml数据424和/或在一些实施例中从数据库服务器504检索数据。数据一般是先前作为本文中关于图6描述的过程的一部分而存储的数据。然而，该数据也可以是从先前作为本文中关于图6描述的过程的一部分而存储的数据导出的数据。更具体地，数据可以是根据作为本文中关于图6描述的过程的一部分而存储的数据来训练模型而生成的数据。
[0105]
再次参照图1和7，在框712处，使用检索到的数据来确定是否存在正确关联性。即，在框712处，确定从数据库检索到的数据是否对应于在框708处计算的频率(或频率变化)。如果确定的频率(或频率变化)确实对应于所检索的关联性数据(例如，其为正确关联性)，则过程移动到框714。如果确定的频率(或频率变化)不对应于所检索的关联性数据(例如，
其不是正确关联性)，则过程移动到框716。在一些实施例中，根据框712的这种确定可以包括确定确定的频率(或频率变化)是否与一个或多个测量设备130中的每一个的关联性数据完全相同。如果不是精确匹配，则该确定可以是：其不是正确关联性。在其他实施例中，根据框712的这种确定可以包括确定确定的频率(或频率变化)是否在预定误差范围内，该误差范围作为一个或多个测量设备130中的每一个的关联性数据。即，如果确定的频率(或频率变化)不在关联性数据的特定范围内，则所述确定可以是：其不是正确关联性。在一些实施例中可以基于指示误差的可接受范围是什么的多个数据点来计算预定误差范围。在一些实施例中，预定误差范围可以由用户设置为被认为是可接受的接近的特定范围。
[0106]
由于测量设备130在整个构建过程中进行测量，因此关于框704-712的过程可以在整个构建过程中连续完成(从而允许计算随时间的频率变化)。因此，在框714处确定是否要完成附加移动(例如，构建过程是继续还是结束)。如果过程未结束且构建恢复(或未停止)，则过程可返回到框704-712以重复数据过程的收集和比较。一旦构建过程结束，根据图7的过程也可以结束。
[0107]
如果在框712处已经确定不存在正确关联性，则在框716处，可以进行关于不正确关联性的原因的确定。例如，可以检索来自一个或多个传感器的信息，以确定可用于潜在地确定不正确关联性的原因的进一步信息。在另一示例中，与一个或多个测量设备130中的哪一个具有不同于预期的计算频率(或频率变化)有关的信息，以及具有不同于预期的频率的一个或多个测量设备130的位置可用于确定在特定位置处已经发生了材料的过量堆积(或材料的缺乏堆积)，这可能由于构建室120内的某些问题而发生。这种确定可以作为机器学习部件的利用学习模型的操作的结果来完成，该学习模型被训练以识别当来自一个或多个测量设备130的数据不是预期的时所产生的某些异常。应当理解，根据框716的过程是可选的。即，在一些实施例中，可以不确定导致不正确关联性的原因。相反，过程可以直接从框712行进到框718。
[0108]
在框718处，将关于不正确关联性和/或不正确关联性的确定原因的信号和/或消息传输到外部设备。例如，还参照图5，可以向用户计算设备502和/或电子设备506传输信号和/或消息，以便向用户显示错误消息和/或向用户提供用于校正错误、忽略错误、改变一个或多个构建参数、停止构建过程和/或类似物的一个或多个选项。因此，在框720处，确定是否已经接收到命令。如果没有接收到命令(或者如果系统没有设置为接收来自用户的命令，而是仅提供错误警报)，则过程可以返回到框714。如果接收到命令，则处理继续到框722。即，如果用户选择用户计算设备502和/或电子设备506的用户接口的选项以校正错误、改变一个或多个构建参数、停止构建过程等，则过程可以行进到框722。
[0109]
在框722处，可以根据所接收的命令来完成一个或多个步骤。即，如果用户选择用于校正错误的选项，则一个或多个指令可被传输到增材制造系统100的可导致错误校正的各种部件。例如，如果数据指示如本文所述的原材料顶层的特定区域未充分熔融，则错误校正指令可包括用于将电子束151返回到特定区域和/或引导粉末分配器110将附加粉末分配到特定区域以填充未充分熔融区域并校正错误的指令。如果用户选择改变一个或多个构建参数的选项，则一个或多个指令可被传输到增材制造系统100的导致构建参数变化(例如，eb枪101等的各种部件的设置变化)的各种部件。如果用户选择停止构建过程的选项，则一个或多个指令可以被传输到增材制造系统100的要关闭的各个部件。在一些实施例中，过程
可以返回到框704，尤其是在接收到指令或校正错误或改变参数的情况下，如图7中的方向箭头(a)所示。否则，如果接收到停止过程的指令，则过程可以结束，如图7中的方向箭头(b)所示。
[0110]
现在应当理解的是，本文描述的部件的设备、系统、方法以及套件提供了增材制造系统，其包括在电子束增材制造过程中监控金属制品的形成以确保金属制品被适当形成的部件。部件的设备、系统、方法和套件一般结合一个或多个测量部件，每个测量部件包括压电晶体并且定位在电子束增材制造系统的构建室内的一个或多个位置处。所述一个或多个压电晶体中的每一个被电联接到测量由所述一个或多个压电晶体产生的电压以及电压随时间的变化的一个或多个电压表。具体地，电压表确定电压变化，该电压变化是由于在一个或多个压电晶体上沉积金属材料引起的一个或多个压电晶体的频率变化而发生的。这种金属材料的沉积是在电子束增材制造工艺期间在构建室内形成并在构建室内的各种位置(包括一个或多个压电晶体)收集的汽化金属的结果。
[0111]
虽然本文已经示出和描述了特定实施例，但是应当理解的是，可以在不脱离所要求保护的主题的精神和范围的情况下进行各种其他改变和修改。此外，尽管在此描述了所要求保护的主题的各个方面，但这些方面不需要组合使用。因此，所附权利要求书意在涵盖在所要求保护的主题范围内的所有这些变化和修改。
[0112]
本发明的其他方面由以下条项的主题提供：
[0113]
1.一种用于电子束增材制造系统的监控系统，所述电子束增材制造系统包括构建室，所述构建室具有至少一个壁，所述壁限定所述构建室的内部，所述监控系统包括：一个或多个测量设备，所述一个或多个测量设备定位在所述构建室的所述内部的所述至少一个壁上，所述一个或多个测量设备中的每一个包括压电晶体；和分析部件，所述分析部件通信地联接到所述一个或多个测量设备，所述分析部件编程为接收与所述压电晶体的振荡频率有关的信息，其中，在所述构建室内形成制品期间，在所述一个或多个测量设备上的材料的收集引起所述压电晶体的振荡频率的变化，所述变化能够由所述分析部件检测并能够用于确定所述制品的潜在构建异常。
[0114]
2.根据任何条项的监控系统，进一步包括至少一个电压表，所述至少一个电压表电联接到所述一个或多个测量设备中的每一个的压电晶体，所述至少一个电压表通信地联接到所述分析部件，使得与所感测的压电晶体的电压有关的数据从所述至少一个电压表传输到所述分析部件。
[0115]
3.根据任何条项的监控系统，其中，所述一个或多个测量设备中的每一个包括所述至少一个电压表中的一个。
[0116]
4.根据任何条项的监控系统，其中，所述至少一个电压表集成在所述分析部件中，作为数据获取(daq)设备。
[0117]
5.根据任何条项的监控系统，其中，所述压电晶体是天然存在的晶体、合成晶体、合成陶瓷、无铅压电陶瓷、半导体或聚合物。
[0118]
6.根据任何条项的监控系统，其中，所述分析部件编程为由所述振荡频率的变化确定所述一个或多个测量设备上的材料的量。
[0119]
7.根据任何条项的监控系统，其中，所述一个或多个测量设备使用重量石英晶体微天平测量方法。
[0120]
8.一种电子束增材制造系统，所述电子束增材制造系统包括：构建室，所述构建室包括限定所述构建室的内部的至少一个壁；以及监控系统，所述监控系统包括：一个或多个测量设备，所述一个或多个测量设备定位在所述构建室的所述内部的所述至少一个壁上，所述一个或多个测量设备中的每一个包括压电晶体；和分析部件，所述分析部件通信地联接到所述一个或多个测量设备，所述分析部件编程为接收与所述压电晶体的振荡频率有关的信息，其中，在所述构建室内形成制品期间，在所述一个或多个测量设备上的材料的收集引起所述压电晶体的振荡频率的变化，所述变化能够由所述分析部件检测并能够用于确定所述制品的潜在构建异常。
[0121]
9.根据任何条项的电子束增材制造系统，其中，所述构建室包括构建封套，所述构建封套具有可移动构建平台，所述可移动构建平台在形成期间支撑其上的所述制品。
[0122]
10.根据任何条项的电子束增材制造系统，进一步包括粉末分配器，所述粉末分配器通信地联接到所述分析部件，所述粉末分配器布置成分配用于形成所述制品的原材料。
[0123]
11.根据任何条项的电子束增材制造系统，进一步包括至少一个电子束枪，所述至少一个电子束枪包括一个或多个聚焦线圈和一个或多个偏转线圈，所述一个或多个聚焦线圈和所述一个或多个偏转线圈中的每一个接收调节所述线圈内的电磁场的可变电流，所述电磁场改变由所述电子束发射的电子束的一个或多个性质。
[0124]
12.根据任何条项的电子束增材制造系统，其中，所述监控系统还包括至少一个电压表，所述至少一个电压表电联接到所述一个或多个测量设备中的每一个的压电晶体，所述至少一个电压表通信地联接到所述分析部件，使得与所感测的压电晶体的电压有关的数据从所述至少一个电压表传输到所述分析部件。
[0125]
13.根据任何条项的电子束增材制造系统，其中，所述一个或多个测量设备中的每一个包括所述至少一个电压表中的一个。
[0126]
14.根据任何条项的电子束增材制造系统，其中，所述至少一个电压表集成在所述分析部件中，作为数据获取(daq)设备。
[0127]
15.根据任何条项的电子束增材制造系统，其中，所述压电晶体是天然存在的晶体、合成晶体、合成陶瓷、无铅压电陶瓷、半导体或聚合物。
[0128]
16.根据任何条项的电子束增材制造系统，其中，所述分析部件编程为由所述振荡频率的变化确定所述一个或多个测量设备上的材料的量。
[0129]
17.根据任何条项的电子束增材制造系统，其中，使用sauerbrey方程确定所述一个或多个测量设备上的所述材料的量。
[0130]
18.根据任何条项的电子束增材制造系统，其中，所述一个或多个测量设备使用重量石英晶体微天平测量方法。
[0131]
19.一种用于改装增材制造系统以感测潜在构建异常的部件的套件，所述部件的套件包括：一个或多个测量设备，所述一个或多个测量设备中的每一个包括压电晶体；分析部件，所述分析部件编程为接收与压电晶体的振荡频率有关的信息；以及指令，所述指令用于将所述一个或多个测量设备联接到所述增材制造系统的构建室的内壁并且将所述一个或多个测量设备通信地联接到所述分析部件，以使得当使用所述增材制造系统形成制品时，在所述一个或多个测量设备上形成材料收集，该材料收集引起所述压电晶体的振荡频率的变化，所述变化由所述分析部件检测并且能够用于确定潜在构建异常。
[0132]
20.根据任何条项的部件套件，进一步包括至少一个电压表；和指令，指令用于将所述至少一个电压表电联接到所述一个或多个测量设备中的每一个的压电晶体并且将所述至少一个电压表通信地联接到所述分析部件，以使得与所感测的压电晶体的电压有关的数据从所述至少一个电压表传输到所述分析部件。
[0133]
21.一种评估增材制造部件的制造质量的方法，所述方法包括：接收与增材制造系统的一个或多个部件有关的构建参数数据；接收来自至少一个电压表的电压数据，所述至少一个电压表电联接到压电晶体，所述压电晶体定位在所述增材制造系统的构建室的内壁上；由所述电压数据确定所述压电晶体的振荡频率；以及由振荡频率确定增材制造部件上的潜在构建异常。
[0134]
22.根据任何条项的方法，其中，确定所述潜在构建异常包括从数据库检索关联性数据；和确定振荡频率和关联性数据之间不存在正确关联性。
[0135]
23.根据任何条项的方法，其中，确定所述潜在构建异常还包括确定不正确关联性的原因。
[0136]
24.根据任何条项的方法，其中，确定潜在构建异常进一步包括向外部设备传输关于不正确关联性的信号或消息。
[0137]
25.根据任何条项的方法，其中，来自数据库的关联性数据是由建立压电晶体的基线频率的方法产生的。
[0138]
26.根据任何条项的方法，进一步包括确定增材制造系统的一个或多个部件的附加移动。