用于增材制造的系统和方法与流程

用于增材制造的系统和方法
1.本技术是申请日为2019年2月21日、申请号为2019800270590，以及发明名称为“用于增材制造的系统和方法”的中国发明专利申请的分案申请。
2.相关申请的交叉引用
3.本技术要求于2018年2月21日提交的第62/633,496号美国临时专利申请、于2018年3月15日提交的第62/643,457号美国临时专利申请、以及于2018年2月21日提交的第62/633,487号美国临时专利申请的优先权。


背景技术：

4.通过添加材料和施加能量的组合，零件的增材制造或者顺序组装或构建具有多种形式，并且当前存在于许多具体的实施方式和实施例中。可以通过使用涉及虚拟地形成任何形状的三维零件的多种不同工艺中的任意工艺来进行增材制造。这些各种的共同点是分别使用紫外线、高功率激光或电子束逐层地对液体、粉末状或颗粒状原料进行烧结、固化或熔化。不幸的是，用于确定以该方式制造的所得零件的质量的既定工艺受到限制。常规的质量保证测试通常涉及零件的破坏。虽然破坏性测试是验证零件质量的一种公认方式，但由于其允许仔细检查零件的各种内部部分，因此出于明显的原因这种测试不能应用于生产零件(production part)。因此，需要一种无损验证通过增材制造来生产的零件的完整性的方式。


技术实现要素：

5.本公开描述了涉及可以以多个传感器设备来共同地监测增材制造过程的方式的各种实施例。
6.通过在增材制造系统的中心区域的周围布置多个光电探测器(其可以采用光电二极管、光电晶体管或光电电阻器的形式)，光电探测器可以被配置成共同地监测增材制造系统的构建平面。尽管许多不同的传感器配置是可能的，但是本公开描述了包括两个或更多个径向分布的传感器设备的传感器组件。包括多个传感器设备可以允许冗余，并允许获得更高水平的准确性。可以应用各种控制方法来补偿传感器组件与构建平面的加热部分之间的距离或角度中的任何变化。
7.所描述的其它实施例包括使用同轴和离轴光学传感器来监测多能量源增材制造机器。特别地，提到了各种配置和方法，其描述了可以精确地监测由多个能量源施加的能量的方式。
8.公开了一种增材制造系统，该增材制造系统包括：构建平面，其具有第一区域和至少部分地与所述第一区域重叠的第二区域；第一能量源组件，包括：第一能量源，其被配置成沿着所述构建平面的所述第一区域内的第一路径来引导能量；和第一光学传感器，其具有第一传感器视场，并且被配置成遵循所述第一路径并且监测从所述构建平面辐射的能量；第二能量源组件，包括：第二能量源，其被配置成沿着所述构建平面的所述第二区域内的第二路径来引导能量；和第二光学传感器，其具有第二传感器视场，并且被配置成遵循所
述第二路径并且监测从所述构建平面辐射的能量；和处理器，其被配置成响应于所述第一路径和所述第二路径之间的距离下降到阈值距离以下来调整所述第一光学传感器和所述第二光学传感器的输出。
9.一种增材制造方法，包括：沿着遍历位于构建平面上的粉末层的第一路径扫描第一能量源；利用第一光学传感器来监测从所述粉末层辐射的第一能量的量，所述第一光学传感器具有包括所述第一路径的至少一部分的第一传感器视场；沿着遍历所述粉末层的第二路径扫描第二能量源；利用第二光学传感器来监测从所述粉末层辐射的第二能量的量，所述第二光学传感器具有包括所述第二路径的至少一部分的第二传感器视场；以及根据所述第一传感器视场和所述第二传感器视场之间的距离来调整所述第一光学传感器和所述第二光学传感器的输出。
10.公开了一种增材制造方法，该增材制造方法包括以下步骤：沿着遍历位于构建平面上的粉末层的第一路径扫描第一能量源；利用第一光学传感器来监测从所述粉末层辐射的第一能量的量，所述第一光学传感器具有第一传感器视场，所述第一传感器视场包括所述第一路径的至少一部分；沿着遍历所述粉末层的第二路径扫描第二能量源；利用第二光学传感器来监测从所述粉末层辐射的第二能量的量，所述第二光学传感器具有第二传感器视场，所述第二传感器视场包括所述第二路径的至少一部分；以及根据扫描的所述第一能量源和扫描的所述第二能量源之间的距离来调整所述第一光学传感器和所述第二光学传感器的输出。
11.通过以下结合附图的详细描述，本发明的其它方面和优点将变得明了，所述附图以示例的方式示出了所描述的实施例的原理。
附图说明
12.通过以下详细描述并结合附图，将容易理解本公开，其中，相同的附图标记表示相同的结构元件，并且在附图中：
13.图1显示了多传感器处理感测系统，其中多个传感器从相同的光路接收信息；
14.图2显示了用于增材制造系统的传感器组件的透视图，所述传感器组件包括分布在支撑环周围的多个传感器设备；
15.图3显示了示例性增材制造系统的透视图；
16.图4a显示了增材制造系统如何能够包括足够大的单个构建平面来支持多个能量源和相关联的传感器组件；
17.图4b显示了增材制造系统的侧视图；
18.图5a至图5c分别显示了构建平面的俯视图并且被阴影化以显示由以与图2所示的配置相似的配置进行布置的传感器组件中的三个传感器所记录的信号读数的变化；
19.图5d至图5g分别显示了轮廓图(contour graph)，所述轮廓图示出了从构建平面发射的光的强度；
20.图6显示了包括直接朝向构建平面定向的传感器设备的可替代的增材制造系统的俯视图；
21.图7a显示了具有椭圆形挡板的示例性传感器设备；
22.图7b显示了椭圆形挡板如何能够阻挡源自构建平面外部的光；
23.图7c显示了被遮盖物(mask)覆盖的传感器设备光学器件的前视图，其中该遮盖物覆盖了通向光学器件的入射孔的一部分；
24.图8a和图8b显示了两个光电二极管的传感器读数如何基于光电二极管与光源之间的角度而变化；
25.图9显示了高级别过程控制流程图；
26.图10显示了其中可以处理由诸如非成像光电探测器的光学传感器所记录的数据以表征增材制造过程的过程；
27.图11a至图11d显示了指示多次扫描将如何有助于在单独的网格区域处引入的功率的可视化描绘；
28.图12a至图12f显示了如何动态地创建网格以表征和控制增材制造操作；
29.图13显示了闭环控制示例，其显示了用于建立和维持增材制造操作的反馈控制的反馈控制回路；
30.图14a显示了包括单个构建平面的增材制造系统，对所述单个构建平面的尺寸进行设置，以从多个能量源接收能量；
31.图14b至图14e显示了用于图14a中所描绘的增材制造设备的激光和传感器视场的各种接近度(proximity)；
32.图15a显示了这样的曲线图：其示出了根据图14b中描绘的配置由两个不同的传感器视场监测的热量分布；
33.图15b显示了这样的曲线图：其示出了根据图14c中描绘的配置由两个不同的传感器视场监测的热量分布；
34.图15c显示了这样的曲线图：其示出了发生重叠的传感器视场，其中两个能量源均在两个传感器视场内；以及
35.图15d显示了这样的曲线图：其示出了完全重叠的传感器视场。
具体实施方式
36.在该部分中描述了根据本技术的方法和装置的代表性应用。提供这些示例仅是为了增加上下文并帮助理解所描述的实施例。因此，对于本领域的技术人员将明了的是，可以在没有一些或所有这些具体细节的情况下来实践所描述的实施例。在其它情况下，并没有详细描述公知的处理步骤，以避免不必要地使所描述的实施例模糊。其它应用也是可能的，因此以下示例不应被视为限制性的。
37.在下面的详细描述中，参考了附图，这些附图形成了描述的一部分，并且在附图中以示出的方式显示了根据所描述的实施例的特定实施例。尽管足够详细地描述了这些实施例以使本领域技术人员能够实践所描述的实施例，但是应当理解，这些示例不是限制性的；因此，在不脱离所描述的实施例的精神和范围的情况下，可以使用其它实施例，并且可以对这些实施例进行改变。
38.被配置成从固定位置监测增材制造、焊接或切割操作的传感器设备(其可以采用光电探测器的形式)，由于多种原因(包括改变激光扫描图案、零件几何形状(geometry)、零件位置、不一致的传感器性能和传感器供电中断(outage))，可能错过在操作期间发生的某些热发射(heat emission)。当生产在一个方向上暴露的加热材料的表面积大于在另一个
方向上暴露的加热材料的表面积的复杂零件时，该零件的几何形状可能对单个传感器的操作有害。这种类型的几何形状可能导致过度表示或不足以表示由单个传感器检测到的热量的强度读数。此外，当单个传感器配置仅停止运行一秒或更长时间时，温度漂移(temperature excursion)可能会被完全错过，这导致在制造商不知情的情况下零件的一部分超出规格。当生产零件需要维持严格的创建标准以进行零件认证时，单个传感器的短暂供电中断将导致零件不合格。
39.由于上述原因，从位于不同位置中的多个传感器设备来收集传感器数据可以有助于提高准确性。为了在不引入额外的误差源的情况下结合多个传感器设备，这些传感器可以围绕构建平面的中心区域径向地分布。以这种方式布置传感器可以减少不同传感器设备与能量源在快速跨越构建平面进行扫描时由能量源发出的能量束的各个位置之间的距离的变化的量。发射能量束的能量源可以采用多种形式，包括激光器、电子束或等离子弧。
40.在一些实施例中，可以通过根据距离和夹角(angle off)动态地调整传感器的增益来解决由从传感器设备到接收热量的构建平面上的位置的距离和/或角度的差异所引起的传感器读数的变化。可替代地，或者除了改变增益之外，还可以基于传感器与发出热量的位置之间的估计距离来自动地提高(boost)或降低传感器读数。在一些实施例中，可以使用光电倍增管，其中预期由构建平面所发射的热量的强度低于传统感光体的灵敏度。通常，感光体可以包括诸如光电二极管、高温计、光电晶体管和光敏电阻的器件。
41.下面参考图1至图9来讨论这些实施例和其它实施例。然而，本领域技术人员将容易理解的是，本文针对这些附图所给出的详细描述仅用于说明目的，并且不应被解释为限制性的。
42.图1显示了多传感器处理感测系统，其中一些传感器从相同的光路接收信息。准确地检查将以何种方式来获取数据是有益的。如图1所示，在该特定实例中，强能量源100被认为是激光器，尽管能量源100也可以采用电子束或其它强能量源的形式。由能量源100发射的光束101源自激光头，并跨过部分反射的光学器件102。该光学器件102被设计为在激光器操作的特定波长处是基本完全透射的，而在其它光学波长处是反射的。通常，激光器波长为红外的或近红外的，或者通常为1000nm或更长的波长。激光器可以包括扫描头103，该扫描头103由x和y定位检流计(galvanometer)以及聚焦透镜(例如f-theta透镜)组成。因此，光束101在给定位置105处聚焦并撞击工件104，从而在工件104上产生融化区域。加热区域导致光学辐射106以大立体角各向同性地且均匀地被发射。该光辐射106中的一些将通过扫描头103返回，并被部分反射光学器件102反射。
43.然后，该反射光束107跨过一系列的分析仪器。分束器108将光束的一部分发送到光电二极管109。也可以用诸如高温计、光敏电阻或光电晶体管的其它传感器器件来代替光电二极管109，而光电二极管仅用于示例性的目的。光电二极管109能够以足够高的速度和记录速率来感测频率的范围，以检测在沉积过程期间可能发生的异常，即，突然偏离平均值或平均强度水平。然后，反射光束107的其余部分到达另一个分束器110，并且该光束的一部分由高温计111收集。高温计111可以在某个时间间隔上积分该信号，以便为由此收集的光分配温度。应该针对通过分束产生的各种光学衰减对信号进行校正，以及对工件104上的融化区域105的偏远位置(其导致了光发射106，其中有一部分107被收集)进行校正。最后，反射光束107的其余部分被反光镜112引导到高速光学成像传感器113中，该传感器113可以是
摄像头，或者是其它种类的线性或区域ccd阵列或其它成像阵列。该光学成像传感器113捕获与融化区域的尺寸相关联的一维或二维图像。通过使用分辨率相对较低的传感器113，可以将传感器113配置成以极高的帧率记录数据，以使传感器113能够检测到在构建过程期间发生的非常短暂的温度漂移。
44.除了上述各种传感器之外，可以应用一个或多个传感器来进行独立于激光扫描参考系的测量。该测量可用于关联和校准目的。例如在图1中，固定的高温计114独立地测量温度，并因此对由高温计111进行的测量提供校准。适当地选择固定的欧拉(eulerian)高温计114的视场115，从而使该视场与工件104上存在的并且由聚焦激光束101在扫描头103对激光束101进行位移和聚焦的特定位置处形成的熔融区105的特征尺寸相匹配。
45.除了上述传感器以外，可以添加其它传感器以增强由增材制造传感器系统进行的测量。设备116可以是在工件104的顶表面上分配粉末层的机构的一部分。设备116可以包括接触传感器118，该接触传感器118被配置成对粉末铺展的任何干扰进行测量，所述干扰例如可能是导致粉末施加不均匀的振动或颠簸。在一些实施例中，对设备116的振动的感测可以用于准确地预测粉末层的变化。所描绘的感测系统还可以包括声学传感器120。可以沿着构建平台的一侧布置声学传感器120，使得在构建工件104时，声学传感器120可以被配置成侦听构建工件104内部的细微裂纹的形成。可以校准声学传感器120以确定工件104内的细微裂纹的各种特征。细微裂纹可能是由很多方面所引起的，尤其是由于不适当的冷却速率所引起的。图1还显示了具有视场124的光电二极管122，该光电二极管122可以被配置成检测工件104的顶表面的基本上任何部分的温度变化。在一些实施例中，高温计114可以被配置成向光电二极管122提供校准信息，从而允许光电二极管122准确地区分工件104顶表面上的任何点的温度。
46.图2显示了用于增材制造系统的传感器组件200，该传感器组件200包括围绕支撑环204分布的多个传感器设备202。在一些实施例中，支撑环204可以具有大约180mm的直径。然而，该尺寸可以变化以适应特定的增材制造系统的尺寸和/或形状。每个传感器设备202可以采用感光器(photoreceptor)的形式，该感光器被配置成监测在增材制造操作期间所辐射的热量的强度。传感器设备202可以包括用于接收操作指令和/或发送传感器读数的输入端口206和输出端口208。支撑环204可以包括用于将支撑环204固定到各种制造元件的多个孔口210。将支撑环204固定在适当的位置可防止传感器设备202在增材制造操作期间移动。在一些实施例中，可以以适应每个传感器设备202的重新定向的方式将传感器设备202安装至支撑环204，使得可以对每个传感器设备202的视场进行微调，从而使得每个传感器设备202的视场对准并且基本上重叠。在一些实施例中，每个传感器设备202可以包括被配置成限制视场的可调光学器件212。可调光学器件212可有助于将热辐射限制到构建平面的特定区域，以及有助于使每个传感器设备202的视场保持对准。在一些实施例中，传感器设备202的每个视场可以聚焦在构建平面上的相同点上，以有助于对准视场。在一些实施例中，一个或多个传感器设备202可以被配置成监测多个频率范围。因为传感器202不与能量源共享同一的光学器件，所以可以优化由传感器设备202监测的频率范围，以监测在大约1250nm至1800nm之间变化的红外范围内的频率。这可能特别有用，因为与能量源共享光学器件可能会将收集到的频率主要限制为可见光谱。
47.在图2中仅描绘了三个传感器设备202，然而更多或更少数量的传感器也是可能
的。例如，可以将两个传感器定位在支撑环204的相对侧上。类似地，可以以较小的径向间隔布置更多数量的传感器设备202。在一些实施例中，可以配合使用(collocate)被配置成监测光的不同频率范围的两个传感器。通过比较从配合使用的传感器收集的两个或更多个不同波长的光所收集的传感器数据，可以确定构建平面的加热区域的绝对温度，因为该比较允许忽略发射率的变化。在一些实施例中，传感器设备202可以包括允许传感器的更近的空间定位的单个壳体内的两个分离的传感器。在一些实施例中，可以仅存在一组监测不同频率范围的配合使用的传感器。这种类型的配置可以允许由配合使用的传感器所识别的温度来用于校准其它传感器。
48.支撑环204的形状也可以变化。例如，在具有三个传感器配置的情况下，支撑环204可以是三角形，并且在一些实施例中采用等边三角形的形式以将每个传感器设备202精确地分布为与相邻的传感器设备202成120度。类似地，支撑环204也可以采用适合于支撑四个传感器配置的正方形的形式，或采用支撑传感器设备202的基本上规则的径向分布的任何其它多边形或对称形状。在一些实施例中，支撑环可以采用具有传感器底座的凹形支撑表面的形式，这种形式将允许传感器设备202围绕凹形支撑表面的外围放置和/或分布在凹形表面上。以这种方式，可以以稍微不同的高度放置传感器设备202，同时保持距离构建平面的中心部分的固定位置。
49.图3显示了示例性的增材制造系统300。可以将能量源302发出的能量通过部分反光镜306和可转向光学器件308引导到构建平面304。部分反光镜306可以被配置成在基本上不使能量衰减的情况下允许能量源302发出的能量束307跨过反光镜306。可转向光学器件308可以被配置成快速地操纵由能量源302发射的能量束跨过构建平面304以产生工件310。传感器组件200的传感器设备202可以被定位和定向，使得所有传感器设备202基本上共享视场312，视场312可以以位置314为中心。从入射到工件310的能量束辐射的热量可以由传感器设备202和传感器318检测到，传感器318通过可转向光学器件308、部分反光镜306和反光镜316来接收辐射的热量。应当注意，传感器设备202和/或传感器318可以根据期望监测的类型和细节来监测在构建平面304上执行的任何增材制造过程。在一些实施例中，当遇到传感器读数发生较大偏差时，可以使用两个最接近的传感器值的平均值。在某些情况下，可以在零件生产期间或之后来调查来自单个传感器的大瞬态，因为这可能指示仅一个传感器可以观察到的热瞬态。在发射分布(emission profile)是已知的情况下，当那些传感器最有可能表征输入到工件中的能量的量时，分析可以依赖于单个传感器或少部分的传感器。
50.图4a显示了增材制造系统如何能够包括足够大的单个构建平面304来支持多个能量源302和相关联的传感器组件200。与每个传感器组件200的传感器设备202相关联的光学器件可以使每个传感器的视场成形为防止来自相邻视场312辐射的热量被该传感器组件200的传感器设备202检测到。在一些实施例中，与每个传感器设备202相关联的视场312可以通过间隙而彼此间隔开，该间隙也有助于防止错误的传感器组件200感测到来自相邻能量源302的热量。在一些实施例中，其中一个或多个能量源302发射的能量的行进路径是已知的，并且相邻视场312之间存在重叠，相邻传感器视场中的重叠覆盖可以通过时间来解决冲突。例如，当一个能量源在重叠区域内操作时，其它能量源的操作可以停止，以防止检测到多个能量源。在一些实施例中，来自有重叠覆盖区312的两个或更多个不同传感器组件的传感器可以用于改善针对覆盖区312的重叠部分进行扫描的能量源的操作的特性。在一些
实施例中，单个传感器组件200可以与多个能量源302相关联。在这种配置中，可以使用不同的解决冲突方法。
51.图4b显示了增材制造系统400的侧视图。图4b显示了从构建平面304的区域404发射的能量402如何能够到达传感器设备202和传感器318两者。然而，由于传感器设备202-1比传感器设备202-2更近并且几乎正好在区域404上方，传感器设备202-1的传感器读数可能比传感器设备202-2更强。可以以多种方式来解决这种变化，这将在下面描述。
52.图5a至图5c分别显示了包括多个工件502的构建平面的俯视图。每个构建平面被阴影化以显示由传感器组件200中的三个传感器设备202所记录的信号读数的变化，其中传感器组件200以与图2所示的配置类似的配置进行布置。图5a可对应于传感器设备202-1，图5b可以对应于传感器设备202-2，而图5c可对应于传感器设备202-3。如图所示，从构建平面的右侧发射的传感器读数在图5c中基本上更高于图5a和图5b。这可以指示出制造过程中的潜在问题，并且可能是由于传感器设备202-3比其它传感器设备更靠近构建平面的右侧，或者是由于构建平面的右侧被传感器设备202-1和202-2部分遮盖造成的。在这种情况下，可能需要对在构建平面的右侧构建的零件做进一步分析。
53.图5d至图5g显示了由三个收集强度信息的光电探测器所记录的另一制造操作的三维示意图。所描绘的传感器读数是在整个构建平面上构建36个不同零件时收集的。图5d可以对应于传感器设备202-1，图5e可以对应于传感器设备202-2，而图5f可以对应于传感器设备202-3。图5d至图5f示出了传感器的不同位置如何导致构建平面中靠近传感器的部分的传感器读数略微升高。图5g显示了来自传感器设备202-1、202-2和202-3的读数一起被平均化。平均化的响应在整个构建平面上产生了基本上均匀的传感器响应，以解决位置变化的问题。在一些实施例中，出于实时分析的目的，在来自一个传感器的读数与来自其它扬声器(speaker)的读数基本上不同的情况下，可以丢弃边界范围之外的读数。可能涉及事后分析。
54.图6显示了可替代的增材制造设备600的俯视图，该增材制造设备600包括直接朝向构建平面定向的传感器设备202。这导致视场602-1、602-2和602-3以各种不同方向从构建平面304延伸出。然而，通过向每个传感器设备202添加椭圆形挡板，可以将传感器设备202的视场主要地限制到构建平面304。虚线604显示了椭圆形挡板如何将宽视场602缩小到仅在构建平面304的外侧延伸的区域。以这种方式，传感器设备202可以以垂直于构建平面304的角度定向，而不轻易地检测到与构建平面304相距较大距离的热信号。图6还显示了另外的传感器设备606，其位于距离轴线更远的位置并且可以收集不同类型的数据。例如，传感器设备606可以是高速成像设备，当传感器设备606跨越构建平面304进行扫描时，该传感器设备跟随并追踪由能量源发出的光束的位置。
55.图7a显示了具有椭圆形挡板704的示例性传感器设备202。椭圆形挡板704可以被配置成阻挡光被接收到光学器件702中以及传感器设备202内的成像或非成像传感器中。图7b显示了椭圆形挡板704如何能够阻挡来自构建平面外部的光，同时允许光进入源自构建平面的光学器件702。在一些实施例中，可以增加椭圆形挡板704的长度以减少光从增材制造系统的构建室的壁反射出来。虽然增加挡板的长度将减少接收的光的量，但增长的挡板有助于将接收到的光限制为直接源自构建平面的读数，从而提高了传感器读数的准确性。
56.图7c显示了被遮盖物706覆盖的光学器件702的前视图，该遮盖物覆盖了通向光学
器件702的入射孔的一部分。孔口708的尺寸和位置可以设置成匹配对应的构建平面，使得仅源自构建平面的光能够进入光学器件702。在一些实施例中，遮盖物706可以是卡接在光学器件702的光接收端上或以其它方式耦合到光学器件702的光接收端的单独件。在其它实施例中，遮盖物706可以由多个材料带706-1至706-4制成，多个材料带共同限定了孔708。材料带706-1至706-4的形状被描绘为矩形，但是也可以具有其它形状。类似地，孔口708也可以具有与构建平面的与特定能量源相关联的区域相对应的任何其它形状。在一些实施例中，遮盖物706可以与前述椭圆形挡板配置结合使用。例如，遮盖物706可以被固定到延伸出光学器件702端部的管的端部，并且遮盖物706可以被放置在管的远端上。
57.图8a和图8b显示了两个光电二极管的传感器读数如何能够基于传感器设备与发射光的位置之间的角度而变化。在零度处，传感器直接指向光源的传感器读数要比光源偏离传感器65度的传感器读数高得多。图8b显示了信号强度和角度之间的关系如何通常是抛物线形的，从而使来自偏离轴高达30度至45度的光的信号强度仅稍微降低。
[0058][0059]
表1
[0060]
上面的表1显示了如何调整各种传感器的增益，以解决由于能量源与特定传感器之间的距离或角度所导致的信号强度的任何变化。在一些实施例中，可以基于每个传感器设备与从能量源接收能量的构建平面的区域之间的距离和/或朝向来动态地调整传感器增益。这样，多个传感器设备中的每个传感器的传感器读数可以保持一致，从而提高了增材制造过程的实时监测性能。可以以许多不同的方式来确定能量源的位置。例如，来自可转向光学器件的遥测数据可用于追踪能量源经过构建平面时的位置。在某些情况下，可以通过将三角测量方法(triangulation method)应用于由传感器设备收集的多组强度数据来确定
或确认能量源的位置。还可以使用高速成像设备来追踪能量源在整个构建平面上扫描时的该能量源的位置。
[0061]
示例性过程控制类型
[0062]
可以将以下三种类型的过程控制应用于本文所述的过程。第一，过程干预、或基于一个或多个超出指定范围的关键过程特征所引起的过程的中止或中断，第二，层间过程控制、或增材制造过程中各层之间的过程参数的更改，其是基于在前一层进行的测量、根据该测量计算出的质量或特征度量，以及决定这些特征是否在指定范围内并且如果不在指定范围内则如何对过程参数(例如能量源功率和行进速度)进行调整以使一个或多个零件质量度量返回到其指定范围内的判决算法。可以应用的第三种类型的过程控制是层内或扫描级别的过程控制，其中可以更改功率、行进速度或其它过程参数，以使某些质量度量或功能将仍然保持在指定范围内。
[0063]
过程控制的第三种形式是最快的，并且需要最快的控制回路。可以将过程控制的第一形式视为仅具有一个结果的开环控制，即，当观察到条件偏离标称值(nominal)太远时，过程将停止。第二种形式是实时控制的较慢形式，并且仅基于逐层来调整参数。
[0064]
图9显示了利用先前讨论的过程特征的高级别过程控制流程图。该示出显示了层内扫描或通过扫描控制进行扫描情况的处理流程。在这种控制中，进行一次扫描，进行多次计算，并且如果需要，在下一次扫描之前进行调整。因此，可以设想为在一毫秒或可能更短的时间内进行更改的快速控制回路。在800，使用一个或多个欧拉传感器进行热测量。在一些实施例中，该热测量被接收为电压数据。在901，可以校正热测量以反映真实温度。在902，提取特征并且该特征可以包括但不限于诸如能量密度、峰值温度等特征。这些特征对于材料和沉积的增材制造累积具有冶金意义。
[0065]
然后在903，观察这些特征是否在指定范围内，已知该指定范围对应于标称过程行为，并且对于产生可接受的零件是已知的。如果回答为是，则在904，过程以相同的过程变量/过程参数继续到下一次扫描。应注意，在增材制造零件的单独层内可能有数百次或数千次扫描，每个零件可能有数千个这样的层。如果在903提出的查询结果为否，则在905，处理流程转到906的判决步骤。在906，可以应用基于所观察到的偏差的大小和方向做出判决的一些方法。该判决逻辑可以是降阶过程模型，或其可以是查找表或数据库，也可以是某种启发式方案(heuristic scheme)，例如神经网络，或者可以是确定哪个过程变量或过程参数要改变，改变多少以及在哪个方向进行改变(增加或减少)的任何其它算法系统。例如，过程变量或过程参数中的变化可以采用能量源热输出功率、行进速度和扫描图案(scan pattern)的变化的形式，这可以改变引入零件的一层或多层的能量的量。
[0066]
然后在907，基于之前扫描所提供的数据，利用这些新的过程参数来进行下一次扫描，并且重复该过程直到完成该层并最终完成该零件。通常，功率增加和能量源行进速度降低会导致向零件添加更多的热量。通过添加更多的热量，固化速率实际上降低了。因此，为了解决固化发生得太快的情况，可以将额外的热量添加到系统中。相反，如果材料的固化发生得太慢，则可以减少传递到零件的能量的量，从而提高固化发生的速率。通常来讲，材料的固化速率非常重要，因为冷却速率过高会降低成品零件的质量。调整传递到特定层或区域的热量的另一种方法是调整扫描图案。例如，与使用相同设置但具有更宽扫描图案的其它激光器相比，将扫描路径紧密地组合在一起的扫描图案会向零件传递相对更多的热量。
[0067]
图10显示了可以处理由诸如非成像光电探测器的光学传感器所记录的数据以表征增材制造构建过程的过程。在1002，接收原始传感器数据，该数据可以包括彼此关联的构建平面强度数据和能量源驱动信号。在1004，通过比较驱动信号和构建平面强度数据，可以识别各个扫描并将其定位在构建平面内。通常，能量源驱动信号将至少提供从其中可以确定扫描跨越其延伸的区域的开始和结束位置。在1006，可以将与每次扫描的强度或功率相关联的原始传感器数据归入(bin)到对应的x网格和y网格区域中。在一些实施例中，可以通过关联特定网格区域中的每次扫描的停留时间，将原始强度或功率数据转换成能量单位。每个网格区域可具有与监测构建平面的光学传感器的一个或多个像素相对应的尺寸。应该注意的是，可以使用诸如极坐标的不同坐标系来存储网格坐标，并且存储的坐标不应限于笛卡尔坐标。在一些实施例中，可以分开归入不同的扫描类型，以便可以仅对特定的扫描类型执行分析。例如，如果扫描的类型最有可能包含不需要的变量，则操作者可能希望专注于轮廓扫描。在1008，可以对在每个网格区域处输入的能量进行求和，以便可以利用式(1)来确定在每个网格区域处接收的能量总量。
[0068][0069]
可以在将新的粉末层添加到构建平面之前就执行这种求和，或者可替代地，可以延迟求和，直到已经沉积了预定数量的粉末层为止。例如，可仅在增材制造过程中沉积并融合了五层或十层不同粉末层的部分后才执行求和。在一些实施例中，烧结的粉末层可以使零件的厚度增加约40微米；然而，该厚度将根据所使用的粉末的类型和粉末层的厚度而变化。
[0070]
在1010，确定检测到的并与每个网格区域相关联的样本的标准偏差。这可以有助于识别功率读数变化幅度较小或较大的网格区域。标准偏差中的变化可以指示传感器性能出现问题和/或缺失一次或多次扫描或功率水平远远超出正常操作参数的情况。可以利用式(2)确定标准偏差。
[0071][0072]
在1012，可以通过将功率读数除以网格区域的总面积来确定在每个网格区域处接收到的总能量密度。在一些实施例中，网格区域可以具有长度为大约250微米的正方形几何形状。可以利用式(3)来确定每个网格区域的能量密度。
[0073][0074]
在1014，当构建一个以上的零件时，可以将不同的网格区域与不同的零件相关联。在一些实施例中，系统可以包括存储的零件边界，该零件边界可以用于使用网格区域的坐标和与每个零件相关联的边界来快速地将每个网格区域及其相关联的能量密度与其相应的零件相关联。
[0075]
在1016，可以确定零件的每一层的面积。在层中包括空隙(void)或有助于定义内部空腔的情况下，该层的大部分可能不会接收任何能量。因此，可以通过仅对被识别为从能量源接收一定量能量的网格区域进行求和来计算受影响区域。在1018，可以将与该零件相关联的层的该部分内的网格区域所接收的功率的总量相加并除以受影响的面积，以确定该
零件的层的能量密度。可以使利用式(4)和(5)来计算面积和能量密度。
[0076][0077][0078]
在1020，可以将每一层的能量密度一起求和，以获得指示由零件所接收的能量总量的度量。然后可以将零件的总能量密度与构建平面上其它相似零件的能量密度进行比较。在1022，将来自每个零件的总能量相加。这允许在不同的构建之间进行高级别的比较。构建比较可以有助于识别系统差异，例如粉末中的变化和总功率输出中的变化。最终在1024，可以将求和后的能量值与其它层、零件或构建平面进行比较以确定其它层、零件或构建平面的质量。
[0079]
应当理解的是，图10中示出的具体步骤提供了根据本发明的另一实施例的表征增材制造构建过程的特定方法。根据可替代的实施例，也可以执行其它步骤顺序。例如，本发明的可替代实施例可以以不同顺序执行以上概述的步骤。此外，在图10中示出的各个步骤可以包括多个子步骤，这些子步骤可以按照适合于各个步骤的各种顺序来执行。此外，根据特定应用，可以添加或删除附加步骤。本领域普通技术人员将认识到许多变型、修改和替代。
[0080]
图11a至图11d显示了指示多次扫描将如何有助于在单独的网格区域处引入的功率的可视化描绘。图11a描绘了由多个网格区域1102组成的网格图案，该多个网格区域1102分布在由增材制造系统构建的零件的一部分上。在一些实施例中，每个单独的网格区域可以具有100微米至500微米之间的尺寸；然而，可以理解的是，稍小的或更大的网格区域也是可能的。图11a还描绘了在整个网格区域1102上对角地延伸的第一能量扫描图案1104。可以通过激光或扫描整个网格区域1102的其它强热能源来施加第一能量扫描图案1104。应当注意，尽管能量扫描被描绘为具有均匀的能量密度，但是在一些实施例中，可以代替地使用高斯分布来对扫描的能量密度进行建模，以在每次能量扫描期间对热量的传播进行建模。高斯分布可以用于更精确地对每次扫描中的热量分布进行建模，因为热量在能量源(例如激光或电子束)与构建平面上的粉末层之间的入射点处高度集中，然后朝扫描边缘逐渐减弱。通过更精确地对光束进行建模，在能量扫描1104的边缘上的网格区域1102被分配了实质上更少且更精确量的能量，而在能量扫描1104的中心部分内的网格区域被分配了成比例地更大量的能量。
[0081]
图11b显示了在网格区域1102中的每一个中如何通过表示接收到的能量的量的单一灰阶颜色来表示在零件上引入的能量，其中较深的灰色阴影对应于更大量的能量。应当注意，在一些实施例中，可以减小网格区域1102的尺寸以获得更高分辨率的数据。可替代地，可以增加网格区域1102的尺寸以减少存储和处理能力的使用。
[0082]
图11c显示了与第一能量扫描图案的能量扫描的至少一部分重叠的第二能量扫描图案1106。如结合附图8在文中讨论的，在第一能量扫描图案和第二能量扫描图案重叠的地方，以较暗的阴影显示了网格区域，以示出来自两次扫描的能量如何增加了在重叠扫描图案上接收到的能量的量。显然，该方法不限于两次重叠扫描，并且可以包括将被加在一起以完全表示在每个网格区域接收到的能量的许多其它附加扫描。
[0083]
图12a至图12f显示了如何动态地创建网格以表征和控制增材制造操作。图12a显示了位于构建平面1204的一部分上的圆柱形工件1202的俯视图。工件1202被显示为其经历增材制造操作时的状态。图12b显示了如何将圆柱形工件1202划分为多个轨道1206，能量源沿着这些轨道可以熔化分布在圆柱形工件1202的上表面上的粉末。在一些实施例中，能量源可如所描绘的使方向1206交替变化，而在其它实施例中，能量源可始终沿着一个方向移动。此外，轨道1206的方向可在层与层之间变化，以进一步使用于构建工件1202的扫描的方向随机化。
[0084]
图12c显示了随着形成工件1202的一部分时的用于能量源的示例性扫描图案。如箭头1208所指示的，示例性能量源在整个工件1202上的移动方向是对角线式的。能量源的单个扫描1210可以沿轨道1206在垂直于能量源的移动方向的方向上定向并且在整个轨道1206上完全地延伸。可以在连续的单独扫描1210之间短暂地关断能量源。在一些实施例中，当能量源遍历(traverse)轨道1206中的每一个时，能量源的占空比可以为大约90％。通过采用这种类型的扫描策略，当能量源遍历工件1202时，能量源可覆盖轨道1206的宽度。在一些实施例中，扫描带(swath)1210可以具有大约5mm的宽度。这可以大大减少形成工件1202所需的轨道的数量，因为在一些实施例中，由能量源产生的熔化池的宽度可以在大约80微米的数量级上。
[0085]
图12d至图12e显示了如何沿着每个轨道1206动态地生成网格区域1212，并且如何设置网格区域1212的大小以适应每个单独扫描1210的宽度。系统可以通过参考途中通往能量源的能量源驱动信号来预测后续扫描的精确位置。在一些实施例中，网格1212的宽度可以与单独扫描1210的长度匹配或者在单独扫描1210的长度的10％或20％以内。再次，可以通过参考能量源驱动信号来预测单独扫描1210的扫描长度。在一些实施例中，网格区域1212的形状可以是正方形或矩形。随着能量源沿轨道1206继续，可以针对网格区域1212中的每一个来确定热能密度。在一些实施例中，网格区域1212-1内的热能密度读数可用于调整下一个网格区域(在该情况下为网格区域1212-2)内的能量源的输出。例如，如果由网格区域1212-1内的单独扫描1210生成的热能密度读数实质上高于所预期的读数，则可以减小能量源的功率输出，可以增加跨越单独扫描1210的能量源扫描的速度和/或可以在网格区域1212-2内增加单独扫描1210之间的间隔。可以将这些调整作为闭合回路控制系统的一部分。图12e清楚地显示了在每个网格区域1212内仅显示了五个单独的扫描1210，以这种方式描绘的示例仅用于示例性目的，并且网格区域1212内的单独的扫描的实际数量可以实质上更多或在某些情况下更少。例如，在由能量源生成的熔化区为大约80微米宽的情况下，可能需要进行大约60次单独扫描1210，以使5mm的正方形网格区域1212内的所有粉末落入熔化区内。
[0086]
图12f显示了一旦能量源完成遍历轨道1206的图案时的工件1202的边缘区域。在一些实施例中，在大部分粉末已经被熔化并重新固化之后，能量源可继续向工件1202添加能量。例如，轮廓扫描1214可以沿工件1202的外围1216进行跟踪，以向工件1202施加表面处理。应当理解的是，所描绘的轮廓扫描1214比单独扫描1210实质上更短。出于这个原因，网格区域1218可以比网格区域1212实质上更窄。还应该注意的是，网格区域1218的形状不是纯粹矩形的，因为在这种情况下，网格区域1218的形状遵循工件1202的外围的轮廓。可能导致扫描长度差异的另一种情况可以是工件包括厚度变化的壁。厚度可变的壁将导致扫描长
度在单个网格区域内变化。在这样的情况下，可以通过增加网格区域的长度同时使宽度变窄以适应各个扫描的长度的变化，来使每个网格区域的面积保持一致。
[0087]
图13显示了闭合回路控制示例，该示例显示了用于建立和维持增材制造操作的反馈控制的反馈控制回路1300。在框1302，将用于能量源将要遍历的下一个网格区域的基准热能密度输入到控制回路中。可以从建模和仿真程序和/或从先前运行的试验/测试运行中确认该基准热能密度读数。在一些实施例中，可以由能量密度偏差块1304来调整该基准热能密度数据，该能量密度偏差块1304包括在先前的层期间记录的针对各种网格区域的能量密度读数。能量密度偏差块1304可以包括在先前的层接收过多或过少能量的情况下对基准能量密度块进行调整。例如，在光学传感器读数指示了在工件的一个区域中的热能密度低于标称值的情况下，针对与具有低于标称热能密度读数的网格区域重叠的网格区域，能量密度偏差值可以增加基准能量密度值。以此方式，能量源能够使在先前一层或多层期间没有完全熔化的其它粉末熔化。
[0088]
图13还显示了来自框1302和框1304的输入如何共同地创建由控制器1306所接收的能量密度控制信号。控制器1306被配置成接收能量密度控制信号并生成热源输入参数，热源输入参数被配置成在当前网格区域内生成期望的热能密度。输入参数可以包括功率、扫描速度、扫描间距、扫描方向和扫描持续时间。然后，能量源1308接收输入参数，并且能量源1308采用输入参数的任意变化，以用于当前网格区域。一旦光学传感器测量了构成当前网格区域的能量源1308的扫描，则在框1310，计算针对当前网格区域的热能密度并将该热能密度与能量密度控制信号进行比较。如果两个值相同，则不会基于光学传感器数据来更改能量密度控制信号。然而，如果两个值不同，则增加差值或者从能量密度控制信号中减去差值，以用于下一个网格区域中进行的扫描。
[0089]
具有同轴传感器配置的多激光系统：
[0090]
图14a显示了包括位于单个构建平面1402上方的多个能量源组件1400的增材制造系统。每个能量源组件可以包括：被配置成向构建平面1402施加能量的能量源1404以及与在图3中描述和描绘的同轴(on-axis)传感器318类似的同轴光学传感器1406。特别地，光学传感器1406的传感器的视场可以在1cm至5cm之间。在一些实施例中，扫描光学器件1408可以被相关联的光学传感器1406和能量源1404共享。在一些实施例中，能量源1404可以被定位在构建平面上方足够高的位置，该构建平面被配置成允许能量源1404的覆盖区域的一部分重叠至允许至少两个能量源1404能够跨越整个构建平面1402施加能量的程度。
[0091]
图14a还显示了能量源1404同时发射激光束1410和1412以形成零件1414的实施例。通过以这种方式向相同零件施加能量，可以一次向零件1414施加更大量的能量。在一些实施例中，这种能量源的组合可以有助于获得更高的熔化池峰值温度，这对于具有高的比热和/或熔体温度的某些金属合金粉末可能是有用的。组合能量源的输入还可以有助于获得更快的扫描速度和/或有助于对大于平均扫描角度的位置进行热量输入标准化。例如，由于零件1414位于能量源1404-1和1404-2之间，因此激光束1410和1412之间的入射角可以大致相同并且在相反的方向上定向，从而允许由于扫描角度而引起的任何能量偏差都能被标准化。在一些实施例中，可以将一个或多个离轴光学传感器1416附接到光学器件1408的外围。离轴光学传感器1416可以被配置成，在确定能量源1404在足够接近的范围内工作以导致通过同轴传感器1406检测到异常读数的情况下帮助确定被施加到构建平面的总能量的
量。例如，离轴传感器1416-1可以覆盖这样的区域：包括零件1414但不包括由激光束1418和1420遍历的构建平面1402的区域。以这种方式，可以收集以紧密的接近度(proximity)操作的激光器的附加信息，从而可以更准确地确定两个或更多个激光器共享的区域中的总热量输出。特别地，在离轴传感器1416-1之一处输出的总能量可以用作由重叠的多个同轴传感器记录的辐射能量的总量的上限(cap)。以此方式，可以至少部分地避免重叠传感器记录太多施加的能量的趋势。例如，可以将重叠的同轴传感器的组合平均传感器读数的快速增加与离轴传感器的平均传感器读数进行比较。离轴传感器的传感器读数缺少增加可能表明重叠的同轴传感器数据至少部分地对辐射热能进行了两次计数的问题。
[0092]
图14b至图14e显示了用于图14a中所示的增材制造设备的激光和传感器视场的各种接近度。图14b显示了这样的情况：与同轴传感器1406相关联的传感器视场1422和1424正在将能量施加到相同零件，但是距离不够近以致于没有重叠的传感器视场。在该实施例中，两个传感器都将感测到很少的公共热能辐射，从而几乎不会或者不会出现高估施加到构建平面上的能量的量的问题。通常，通过升高接收能量的零件的整体背景温度，第一能量源将贡献由接近于第一能量源的第二能量源所获取的同轴传感器读数。在一些实施例中，处理器可以被配置成减小由传感器1406收集的传感器读数的幅度，以有助于避免与第一能量源和第二能量源相关联的传感器读数被标记为潜在地超出比独立操作时略高的参数的情况。
[0093]
图14c和图14d显示了传感器视场1422和1424在不同程度上重叠的配置。图14c显示了传感器视场1422和1424之间的轻微重叠。在这种配置中，存在由每个能量源辐射的能量的一部分将被多次计数的风险。当能量被计数两次时，这会错误地使施加在构建平面上的粉末的能量的量增加，从而在表征对构建平面所做的更改方面降低了传感器测量值的准确性。在图14d中，这种问题变得更加严重，其中激光束1410和1412足够接近以使传感器视场1422和1424能够检测从激光束1410和1412辐射的大部分能量。当激光束1410和1412在很近的距离内行进而不是彼此快速通过时，可以进行近似以有助于更精确地确定由于激光束1412和1410入射到构建平面上的粉末而导致的辐射能量的量。一种简单的近似是根据传感器视场1422和1424的重叠区域的量来减少传感器读数。
[0094]
图14e显示了激光1410和1412几乎重叠或完全重叠的配置。当需要大量能量时，可以期望这样的配置。在这种情况下，由传感器1406之一收集的读数可以被忽略而视为冗余，因为两个传感器视场最终都覆盖了构建平面的基本相同的部分。
[0095]
图15a显示了这样的曲线图：其示出了针对图14b中描绘的配置的传感器视场1422和1424内的热量分布。特别地，传感器视场1422和1424在本质上可以近似为高斯分布，因为在每个传感器视场内辐射的能量的量在直接从激光束接收能量的区域处最大，并且在施加激光束的能量的点周围的区域中逐渐减小。尽管激光束随时间的行进方向和其它因素倾向于影响热量分布的确切形状，但是高斯分布比假设辐射能在传感器视场1422和1424上是静态的要精确得多。图15a还显示了如何将背景能量重叠的增加限制到传感器视场1422和1424之间的区域1426，该区域1426落在传感器视场1422和1424的外部。在这种情况下，同轴传感器1406的传感器读数可能根本不需要进行调整，因为任何变化仅相当于粉末床1402的环境温度略有升高。
[0096]
图15b显示了这样的曲线图：其示出了根据图14c中描绘的配置通过两个不同的传感器视场监测的热量分布。特别地，图15b显示了传感器视场1422和1424之间的轻微重叠，
其可能导致与传感器视场相关联的传感器两次共同地监测一些辐射能量。在一些实施例中，可以使用高斯能量分布来估计所重复的辐射能量的量，然后相应地减少每个传感器记录的能量的量。可替代地，当传感器1406采用cmos、ccd或光电二极管阵列类型的传感器的形式时，来自与重叠区域相对应的一部分的传感器中的传感器可以被忽略，以提供由临近激光器1410和1412施加到构建平面的能量的量的更准确的整体图。例如，光学传感器1406可以采用4
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4光电二极管阵列的形式，以允许当来自与光学器件1408相关联的驱动信号数据指示激光器1410和1412紧密的接近度时，将光电二极管阵列的一侧上的光电二极管关断。在一些实施例中，在激光器1410和1412之间的相互作用更短暂的情况下，例如当激光器在相反方向上移动时激光器的近距离通过时，可以基于使用实时激光功率、扫描速度和行进方向参数的建模，用外推数据(extrapolated data)来替换传感器数据。
[0097]
类似的方法可以用于图15c所描绘的配置。然而，应当理解的是，取决于传感器视场重叠了多少，较大的重叠量可能更依赖于对单个光电二极管的精确度。例如，在任意时刻传感器视场都包括两个激光器时，如图15c所描绘的，可以计算重叠百分比的确定，并且当观察到诸如例如75％重叠的阈值时，可以忽略来自传感器之一的读数。在图15d中，可以选择提供最一致数据的传感器或与熔化池的入射角最小的传感器，而可以忽略来自第二传感器的数据。应当注意的是，在一些实施例中，三个或更多个激光器可以对同一零件进行操作，并且可以以类似的方式解决传感器读数的冲突。
[0098]
可以单独使用或以任何组合使用各个方面、实施例、所描述的实施例的实现方式或特征。所描述的实施例的各个方面可以通过软件、硬件或硬件和软件的组合来实现。所描述的实施例还可以被实施为用于控制制造操作的计算机可读介质上的计算机可读代码，或者可以被实施为用于控制生产线的计算机可读介质上的计算机可读代码。该计算机可读介质是可以存储之后可以由计算机系统读取的数据的任何数据存储设备。计算机可读介质的示例包括只读存储器、随机存取存储器、cd-rom、hdd、dvd、磁带和光学数据存储设备。计算机可读介质还可以分布在网络耦合的计算机系统上，从而以分布式方式存储和执行计算机可读代码。
[0099]
出于解释的目的，前述描述使用特定术语来提供对所描述的实施例的透彻理解。然而，本领域技术人员将了解的是，不需要特定细节即可实施所描述的实施例。因此，出于说明和描述的目的，给出了特定实施例的前述描述。它们并不旨在穷举或将所描述的实施例限制为所公开的精确形式。对于本领域的普通技术人员将了解的是，鉴于以上教导，许多修改和变化是可能的。