CN106984897B - 对准激光加性制造系统的激光器 - Google Patents

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Abstract

提供在重叠区域中将激光加性制造系统的一对校准的激光器对准的方法，在该重叠区域中该对校准的激光器有选择地操作。单独采用该对校准的激光器中的第一校准的激光器，并且然后单独采用该对校准的激光器中的第二校准的激光器在该对校准的激光器的重叠区域中形成测试结构的相应的第一和第二多层。该测试结构的形成创建与该重叠区域相对应的测试结构的外表面。测量在该测试结构的外表面中的第一多层和第二多层之间创建一个或多个步的一个或多个尺寸。通过将一个或多个步的一个或多个尺寸作为一个或多个对准校正应用于该对校准的激光器至少一个来将该激光器对准。

Description

对准激光加性制造系统的激光器
背景技术
本公开一般涉及加性制造，并且更具体地说，涉及将多个激光的金属加性制造系统中的所校准的激光器对准的方法。
加性制造(AM)包括通过材料的连续分层而不是材料的去除来产生对象的各种各样的过程。因此，加性制造能够在不采用任何种类的工具，模具或固定装置的情况下并且采用很少的废料或不采用废料来创建复杂的几何形状。代替从材料的实心坯加工组件，实心坯中的许多被切掉和丢弃，加性制造中使用的仅有材料是使对象成形要求的材料。
加性制造技术通常包括采用待形成的对象的3维计算机辅助设计(CAD)文件，以电子方式将该对象切成层(比如，其厚度在18～102微米)并且创建具有每个层的2维图像的文件。然后，可将该文件下载到制备软件系统中，该系统解释文件，使得能够通过不同种类的加性制造系统而根据该对象。在加性制造的3D打印的快速的原形制作(RP)以及直接数字制造(DDM)形式中，有选择地分配材料层，以便创建该对象。
在金属粉末加性制造技术中，例如有选择的激光熔融(SLM)和直接金属激光熔融(DMLM)，相继地将多个金属粉末层熔融在一起，以便形成该对象。更具体地说，采用涂敷器均匀地分布于金属粉末床上之后，将细金属粉末层相继地熔融。该金属粉末床能够在垂直轴线中移动。该方法在处理室中发生，该处理室具有惰性气体例如氩或氮的精确控制的气氛。一旦创建每个层，则能够通过有选择地将该金属粉末熔融来将对象几何形状的每个2维层面熔合。该熔融可通过高功率的激光器例如100瓦的镱激光器而执行，以便完全地将该金属粉末焊接(熔融)，从而形成固体金属。该激光器采用扫描反射镜在X-Y方向上移动并且具有足以将该金属粉末焊接(熔融)以便形成固体金属的强度。该金属粉末床下降用于每个后继2维层，并且该过程反复进行，直至完全地形成该对象。
为了较快地形成某些较大的对象，一些金属加性制造系统采用一起工作而形成对象的一对高功率激光器。通常，对每个激光器进行个别校准，从而已知的偏移校正可应用于每个激光器，允许已知的每个激光器的操作场的精确位置。在这些类型的机器中，如图1的示意性俯视图所示，每个激光器具有场10，12，在其上，其能够在构建平台上的金属粉末上创建熔池。该场(field)指示任何特定激光器能够工作在其上的整个区域；在任何给定时间，该激光器工作在场的仅仅一小部分内。区域10，12中的重叠区域14指示激光器区域10，12交叉或重叠的区域，即，两个激光器能够在那个区域中创建熔池。待创建的对象的外表面落入该重叠区域，为了创建光滑的外表面，必须在该重叠区域内将激光器对准。这就是说，激光器不能仅单独地校准，而是必须如此地对准，从而它们一起地工作，以便在该重叠区域中创建对准的熔池。如图2的放大的示意性侧视图所示的那样，重叠区域14中通过未对准的激光器16和18而创建的层创建对象22的外表面20，其是非光滑或崎岖不平的。
如图3的俯视图所示，用于识别和纠正非对准的激光器的一个方法采用精调扫描测试，该测试在具有一对垂直等级(gradation)26，28的制造台的位置中采用箔(foil)24，在该刻度26，28上具有细的刻度线。以低的功率应用这些激光到每个等级并且测量X和Y不对准的量。所要求的任何一个或多个对准校正将应用于激光器之一的光学系统中，以便使该对激光器对准。然而，该技术经常无法对不对准进行充分地校正，以在重叠区域，创建具有可接受的外表面光滑性的对象。该技术因许多原因而是不准确的。首先，常规的对准测试以较低功率应用激光器，而不是以激光器将采用的典型的较高的操作功率应用激光器。第二，该常规的对准测试发生于2维空间中，而不考虑实际熔池的3维性质。第三，该常规的对准测试采用垂直等级对的相对不十分精确的刻度线，使精确的对准校正非常难以实现。最后，该常规的对准测试也没有考虑用于创建对象的材料，以及材料对该熔池的影响。为了解决该对准不精确的原因，常规的激光加性制造系统还可在其控制软件中实施对准校正随机化，但是该方法通常是无效的，因为其仅仅对不对准进行标记，这与实际对其进行校正刚好相反。对准校正随机化通过下列在激光器重叠区域(其中多个激光器能够在任何给定的层上的相同部分上进行工作的区域)内工作：在重叠区域的内每个激光器开始和停止的地方进行随机化，防止每个激光器的个别的离散的开始和停止点沿部分的垂直(Z)轴线的可视化。
发明内容
本公开的第一方面提供用于在重叠区域中将激光加性制造系统中的一对校准的激光器对准的方法，其中该对校准的激光器有选择地操作，该方法包括：单独使用该对校准的激光器中的第一校准的激光器，在该对校准的激光器的重叠区域中第一形成测试结构的第一多层；单独采用该对校准的激光器中的第二校准的激光器在该对校准的激光器的重叠区域中第二形成测试结构的第二多层，该第一和第二形成创建与该重叠区域相对应的测试结构的外表面；测量在该测试结构的外表面中的该第一多层和第二多层之间创建的偏移步(offset step)的尺寸；通过将偏移步的尺寸作为对准校正应用于该对校准的激光器至少一个来将该对校准的激光器对准。
本公开的第二方面提供用于在重叠区域中将激光加性制造系统中的一对校准的激光器对准的方法，其中该对校准的激光器有选择地操作，该方法包括：单独采用该对校准的激光器中的第一校准的激光器在该对校准的激光器的重叠区域中第一形成测试结构的第一多层；单独采用该对校准的激光器中的第二校准的激光器在该对校准的激光器的重叠区域中第二形成测试结构的第二多层，该第一次和第二形成创建与该重叠区域相对应的测试结构的外表面，其中，第一和第二形成包括采用用于第一和第二校准的激光器中的每个的激光功率，其与每个校准的激光器进行操作，从而采用激光加性制造系统而创建对象的激光功率基本相等；测量在该测试结构的外表面中的该第一多层和第二多层之间创建的偏移步的尺寸；通过将偏移步的尺寸作为对准校正应用于该对校准的激光器所选择的一个来将该对校准的激光器对准。
本公开的第三方面提供一种用于在重叠区域中将激光加性制造系统中的一对校准的激光器对准的方法，其中该对校准的激光器有选择地操作，该方法包括：单独采用该对校准的激光器中的第一校准的激光器在该对校准的激光器的重叠区域中第一形成测试结构的第一多层；单独采用该对校准的激光器中的第二校准的激光器在该对校准的激光器的重叠区域中第二形成测试结构的第二多层，该第一和第二形成创建与该重叠区域相对应的测试结构的外表面，其中，第一和第二形成包括采用用于第一和第二校准的激光器中的每个的激光功率，其与每个校准的激光器进行操作，从而采用激光加性制造系统而创建对象的激光功率基本相等；测量在该测试结构的外表面中的该第一多层和第二多层之间创建的X方向偏移步的X方向尺寸；在该测试结构的外表面中测量在位于该第一多层和第二多层之间创建的Y方向偏移步的Y方向尺寸；通过将偏移步的X方向尺寸作为第一对准校正应用于该对校准的激光器中的所选择的一个，并且将偏移步的Y方向尺寸作为第二对准校正应用于该对校准的激光器中的所选择的一个，从而将该对校准的激光器对准。
本公开的说明性的方面用于解决在这里描述的问题和/或没有讨论的其它的问题。
本发明提供一组技术方案，如下所述：
1.一种用于在重叠区域中将激光加性制造系统的一对校准的激光器对准的方法，在所述重叠区域中所述一对校准的激光器有选择地操作，所述方法包括：
单独使用所述一对校准的激光器中的第一校准的激光器在所述一对校准的激光器的所述重叠区域中第一形成测试结构的第一多层；
单独使用所述一对校准的激光器中的第二校准的激光器在所述一对校准的激光器的所述重叠区域中第二形成所述测试结构的第二多层，所述第一和第二形成创建与所述重叠区域对应的所述测试结构的外表面；
测量在所述测试结构的所述外表面中的所述第一多层和所述第二多层之间创建的偏移步的尺寸；以及
通过将所述偏移步的所述尺寸作为对准校正应用于所述一对校准的激光器中的至少一个来将所述一对校准的激光器对准。
2.如技术方案1所述的方法，其中，测量包含使用坐标测量机器对所述测试结构的所述外表面进行扫描。
3.如技术方案2所述的方法，其中，所述坐标测量机器包含配置成对所述测试结构的所述外表面进行扫描的激光器。
4.如技术方案1所述的方法，其中，所述第一和第二形成包含采用所述第一和第二校准的激光器中的每个的激光功率，其与每个校准的激光器进行操作以使用所述激光加性制造系统来创建对象的激光功率基本相等。
5.如技术方案1所述的方法，其中，测量和对准包含：
测量在所述测试结构的所述外表面中的所述第一多层和所述第二多层之间创建的X方向偏移步的X方向尺寸；
测量在所述测试结构的所述外表面中的所述第一多层和所述第二多层之间创建的Y方向偏移步的Y方向尺寸；
通过将所述X方向偏移步的所述X方向尺寸作为第一对准校正应用于所述一对校准的激光器中的一个并且将所述Y方向偏移步的所述Y方向尺寸作为第二对准校正应用于所述一对校准的激光器中的一个来将所述一对校准的激光器对准。
6.如技术方案1所述的方法，还包括针对与所述激光加性制造系统的多个重叠区域对应的多个测试结构的每个而重复进行所述第一形成，所述第二形成，测量和对准。
7.如技术方案1所述的方法，其中，将所述偏移步的所述尺寸作为所述对准校正应用包含将所述偏移步的所述尺寸作为所述对准校正应用于所述一对校准的激光器中所选择的激光器。
8.如技术方案1所述的方法，其中，所述第一和第二形成包含在可从所述激光加性制造系统去除的构件上形成所述测试结构。
9.一种用于在重叠区域中将激光加性制造系统中的一对校准的激光器对准的方法，在所述重叠区域中所述一对校准的激光器有选择地操作，所述方法包括：
单独使用所述一对校准的激光器中的第一校准的激光器在所述一对校准的激光器的所述重叠区域中第一形成测试结构的第一多层；
单独使用所述一对校准的激光器中的第二校准的激光器在所述一对校准的激光器的所述重叠区域中第二形成测试结构的第二多层，所述第一和第二形成创建与所述重叠区域对应的所述测试结构的外表面，其中，所述第一和第二形成包含采用所述第一和第二校准的激光器中的每个的激光功率，其与每个校准的激光器进行操作以使用所述激光加性制造系统来创建对象的激光功率基本相等；
测量在所述测试结构的所述外表面中的所述第一多层和所述第二多层之间创建的偏移步的尺寸；
通过将所述偏移步的所述尺寸作为对准校正应用于所述一对校准的激光器中的所选择的激光器来将所述一对校准的激光器对准。
10.如技术方案9所述的方法，其中，测量包含使用坐标测量机器对所述测试结构的所述外表面进行扫描。
11.如技术方案10所述的方法，其中，所述坐标测量机器包含配置成对所述测试结构的所述外表面进行扫描的激光。
12.如技术方案9所述的方法，其中，测量和对准包含：
测量在所述测试结构的所述外表面中的所述第一多层和所述第二多层之间创建的X方向偏移步的X方向尺寸；
测量在所述测试结构的所述外表面中的所述第一多层和所述第二多层之间创建的Y方向偏移步的Y方向尺寸；以及
通过将所述X方向偏移步的所述X方向尺寸作为第一对准校正应用于所述一对校准的激光器中所选择的激光器并且通过将所述Y方向偏移步的所述Y方向尺寸作为第二对准校正应用于所述一对校准的激光器的所选择的激光器来将所述一对校准激光器对准。
13.如技术方案9所述的方法，还包括针对与所述激光加性制造系统的多个重叠区域相对应的多个测试结构的每个而重复进行所述第一形成，所述第二形成，测量和对准。
14.如技术方案9所述的方法，其中，将所述偏移步的所述尺寸作为所述对准校正应用包含将所述偏移步的所述尺寸作为所述对准校正应用于所述一对校准的激光器中所选择的激光器。
15.如技术方案9所述的方法，其中，所述第一和第二形成包含在可从所述激光加性制造系统去除的构件上形成所述测试结构。
16.一种用于在重叠区域中将激光加性制造系统中的一对校准的激光器对准的方法，在所述重叠区域中所述一对校准的激光器有选择地操作，所述方法包括：
单独使用所述一对校准的激光器中的第一校准的激光器在所述一对校准的激光器的所述重叠区域中第一形成测试结构的第一多层；
单独使用所述一对校准的激光器中的第二校准的激光器在所述一对校准的激光器的所述重叠区域中第二形成测试结构的第二多层，所述第一和第二形成创建与所述重叠区域对应的所述测试结构的外表面，其中，所述第一和第二形成包含采用所述第一和第二校准的激光器中的每个的激光功率，其与每个校准的激光器进行操作以使用所述激光加性制造系统工作来创建对象的激光功率基本相等；
测量在所述测试结构的所述外表面中的所述第一多层和所述第二多层之间创建的X方向偏移步的X方向尺寸；
测量在所述测试结构的所述外表面中的所述第一多层和所述第二多层之间创建的Y方向偏移步的Y方向尺寸；
通过将所述X方向偏移步的所述X方向尺寸作为第一对准校正应用于所述一对校准的激光器中所选择的激光器并且通过将所述Y方向偏移步的所述Y方向尺寸作为第二对准校正应用于所述一对校准的激光器的所选择的激光器来将所述一对校准激光器对准。
17.如技术方案16所述的方法，其中，所述X方向和所述Y方向尺寸的测量包含使用坐标测量机器对所述测试结构的所述外表面进行扫描。
18.如技术方案17所述的方法，其中，所述坐标测量机器包括配置成对所述测试结构的所述外表面进行扫描的激光。
19.如技术方案16所述的方法，还包括针对与所述激光加性制造系统的多个重叠区域相对应的多个测试结构的每个而重复进行所述第一形成，所述第二形成，测量和对准。
20.涉及技术方案16所述的方法，其中，所述第一和第二形成包含在可从所述激光加性制造系统去除的构件上形成所述测试结构。
本发明提供另一组技术方案，如下所述：
1.一种用于在重叠区域(182)中将激光加性制造系统(100)的一对校准的激光器(134，136)对准的方法，在所述重叠区域中所述一对校准的激光器(134，136)有选择地操作，所述方法包括：
单独使用所述一对校准的激光器(134，136)中的第一校准的激光器(134)在所述一对校准的激光器(134，136)的所述重叠区域(182)中第一形成测试结构(180)的第一多层(184)；
单独使用所述一对校准的激光器(134，136)中的第二校准的激光器(136)在所述一对校准的激光器(134，136)的所述重叠区域(182)中第二形成所述测试结构(180)的第二多层(190)，所述第一和第二形成创建与所述重叠区域(182)对应的所述测试结构(180)的外表面(192)；
测量在所述测试结构(180)的所述外表面(192)中的所述第一多层(184)和所述第二多层(136)之间创建的偏移步(200，202)的尺寸；以及
通过将所述偏移步(200，202)的所述尺寸作为对准校正(111)应用于所述一对校准的激光器(134，136)中的至少一个来将所述一对校准的激光器(134，136)对准。
2.如技术方案1所述的方法，其中，测量包含使用坐标测量机器对所述测试结构(180)的所述外表面(192)进行扫描。
3.如技术方案2所述的方法，其中，所述坐标测量机器包含配置成对所述测试结构(180)的所述外表面(192)进行扫描的激光器(134，136)。
4.如技术方案1所述的方法，其中，所述第一和第二形成包含采用所述第一和第二校准的激光器(134，136)中的每个的激光(138)功率，其与每个校准的激光器进行操作以使用所述激光加性制造系统(100)来创建对象(22，102)的激光(138)功率基本相等。
5.如技术方案1所述的方法，其中，测量和对准包含：
测量在所述测试结构(180)的所述外表面(192)中的所述第一多层(184)和所述第二多层(136)之间创建的X方向偏移步(200，202)的X方向尺寸；
测量在所述测试结构(180)的所述外表面(192)中的所述第一多层和所述第二多层之间创建的Y方向偏移步(200，202)的Y方向尺寸；
通过将所述X方向偏移步(200，202)的所述X方向尺寸作为第一对准校正(111)应用于所述一对校准的激光器(134，136)中的一个并且将所述Y方向偏移步(200，202)的所述Y方向尺寸作为第二对准校正(111)应用于所述一对校准的激光器(134，136)中的一个来将所述一对校准的激光器(134，136)对准。
6.如技术方案1所述的方法，还包括针对与所述激光加性制造系统(100)的多个重叠区域对应的多个测试结构(180)的每个而重复进行所述第一形成，所述第二形成，测量和对准。
7.如技术方案1所述的方法，其中，将所述偏移步(200，202)的所述尺寸作为所述对准校正(111)应用包含将所述偏移步(200，202)的所述尺寸作为所述对准校正(111)应用于所述一对校准的激光器(134，136)中所选择的激光器。
8.如技术方案1所述的方法，其中，所述第一和第二形成包含在可从所述激光加性制造系统(100)去除的构件(198)上形成所述测试结构(180)。
9.一种用于在重叠区域(182)中将激光加性制造系统(100)中的一对校准的激光器(134，136)对准的方法，在所述重叠区域中所述一对校准的激光器(134，136)有选择地操作，所述方法包括：
单独使用所述一对校准的激光器(134，136)中的第一校准的激光器(134)在所述一对校准的激光器的所述重叠区域(182)中第一形成测试结构(180)的第一多层(184)；
单独使用所述一对校准的激光器(134，136)中的第二校准的激光器(136)在所述一对校准的激光器的所述重叠区域(182)中第二形成所述测试结构(180)的第二多层(190)，所述第一和第二形成创建与所述重叠区域对应的所述测试结构(180)的外表面(192)，其中，所述第一和第二形成包含采用所述第一和第二校准的激光器(134，136)中的每个的激光(138)功率，其与每个校准的激光器(134，136)进行操作以使用所述激光加性制造系统(100)来创建对象(22，102)的激光(138)功率基本相等；
测量在所述测试结构(180)的所述外表面(192)中的所述第一多层(184)和所述第二多层(136)之间创建的偏移步(200，202)的尺寸；
通过将所述偏移步(200，202)的所述尺寸作为对准校正(111)应用于所述一对校准的激光器(134，136)中的所选择的激光器来将所述一对校准的激光器(134，136)对准。
10.如技术方案9所述的方法，其中，测量包含使用坐标测量机器对所述测试结构(180)的所述外表面(192)进行扫描。
11.如技术方案10所述的方法，其中，所述坐标测量机器包含配置成对所述测试结构(180)的所述外表面(192)进行扫描的激光(138)。
12.如技术方案9所述的方法，其中，测量和对准包含：
测量在所述测试结构(180)的所述外表面(192)中的所述第一多层(184)和所述第二多层(136)之间创建的X方向偏移步(200，202)的X方向尺寸；
测量在所述测试结构(180)的所述外表面(192)中的所述第一多层(184)和所述第二多层(136)之间创建的Y方向偏移步(200，202)的Y方向尺寸；以及
通过将所述X方向偏移步(200，202)的所述X方向尺寸作为第一对准校正(111)应用于所述一对校准的激光器(134，136)中所选择的激光器并且通过将所述Y方向偏移步(200，202)的所述Y方向尺寸作为第二对准校正(111)应用于所述一对校准的激光器(134，136)的所选择的激光器来将所述一对校准激光器(134，136)对准。
13.如技术方案9所述的方法，还包括针对与所述激光加性制造系统(100)的多个重叠区域相对应的多个测试结构(180)的每个而重复进行所述第一形成，所述第二形成，测量和对准。
14.如技术方案9所述的方法，其中，将所述偏移步(200，202)的所述尺寸作为所述对准校正(111)应用包含将所述偏移步(200，202)的所述尺寸作为所述对准校正(111)应用于所述一对校准的激光器(134，136)中所选择的激光器。
15.如技术方案9所述的方法，其中，所述第一和第二形成包含在可从所述激光加性制造系统(100)去除的构件(198)上形成所述测试结构(180)。
16.一种用于在重叠区域(182)中将激光加性制造系统(100)中的一对校准的激光器(134，136)对准的方法，在所述重叠区域中所述一对校准的激光器(134，136)有选择地操作，所述方法包括：
单独使用所述一对校准的激光器(134，136)中的第一校准的激光器(134)在所述一对校准的激光器(134，136)的所述重叠区域(182)中第一形成测试结构的第一多层(184)；
单独使用所述一对校准的激光器(134，136)中的第二校准的激光器(136)在所述一对校准的激光器(134，136)的所述重叠区域(182)中第二形成所述测试结构(180)的第二多层(190)，所述第一和第二形成创建与所述重叠区域(182)对应的所述测试结构(180)的外表面(192)，其中，所述第一和第二形成包含采用所述第一和第二校准的激光器(134，136)中的每个的激光(138)功率，其与每个校准的激光器(134，136)进行操作以使用所述激光加性制造系统(100)来创建对象(22，102)的激光(138)功率基本相等；
测量在所述测试结构(180)的所述外表面(20，192)中的所述第一多层(184)和所述第二多层(136)之间创建的X方向偏移步(200，202)的X方向尺寸；
测量在所述测试结构(180)的所述外表面(192)中的所述第一多层(184)和所述第二多层(136)之间创建的Y方向偏移步(200，202)的Y方向尺寸；
通过将所述X方向偏移步(200，202)的所述X方向尺寸作为第一对准校正(111)应用于所述一对校准的激光器(134，136)中所选择的激光器并且通过将所述Y方向偏移步(200，202)的所述Y方向尺寸作为第二对准校正(111)应用于所述一对校准的激光器(134，136)的所选择的激光器来将所述一对校准激光器(134，136)对准。
17.如技术方案16所述的方法，其中，所述X方向和所述Y方向尺寸的测量包含使用坐标测量机器对所述测试结构(180)的所述外表面(192)进行扫描。
18.如技术方案17所述的方法，其中，所述坐标测量机器包括配置成对所述测试结构(180)的所述外表面(192)进行扫描的激光(138)。
19.如技术方案16所述的方法，还包括针对与所述激光加性制造系统(100)的多个重叠区域相对应的多个测试结构(180)的每个而重复进行所述第一形成，所述第二形成，测量和对准。
20.涉及技术方案16所述的方法，其中，所述第一和第二形成包含在可从所述激光加性制造系统(100)去除的构件(198)上形成所述测试结构(180)。
附图说明
从结合描绘本公开的各种实施例进行的本公开的下面详细描述，本公开的这些和其它特征将更易于理解，其中：
图1示出来自激光加性制造系统的一对激光器的场和其重叠区域的示意性俯视图；
图2示出通过一对未对准的激光器而形成的对象的层的放大示意侧视图；
图3示出用于一对激光器的常规对准测试的对准测试箔；
图4示出按照本公开的实施例而形成的一个或多个对准校正能应用的说明性激光加性制造系统的方框图；
图5示出本公开的实施例的方法的流程图；
图6～8示出按照本公开的方法的实施例而形成的测试结构的透视图；
图9示出通过按照本公开的实施例而对准的一对激光器而形成的对象的层的放大示意侧视图；
图10示出按照本公开的方法的实施例而形成的多个测试结构的透视图；
应注意到，本公开的附图不是按照比例的。附图意图仅仅描绘本公开的典型方面，并且因此不应当认为对本公开的保护范围的限定。在附图中，相似的编号表示附图之间的相似部件。
具体实施方式
如上所指示，本公开提供用于将激光的金属粉末加性制造系统中的激光器对准的方法。该方法以激光器的全工作功率或近全工作功率并且在3维中而生成测试结构，因此使得测试结构更精确地表示通过激光器而创建的实际熔池。该测试结构形成于两个激光器的重叠区域并且其包括2多/组层，每个专门由激光器中的一个而形成。由于每个激光器形成测试结构的相应多个层，两多个层之间的X方向和/或Y方向上的偏移步的尺寸指示未对准的值。可测量一个或多个偏移步的一个或多个尺寸，以便精确地确定未对准，并且可将该一个或多个偏移步的一个或多个尺寸作为对准校正而应用于该系统，以便将该激光器对准。
图4示出用于形成对象102的说明性的计算机化的激光的金属粉末加性制造系统100的示意性/方框图，图中仅仅示出该对象102的上表面。在本示例中，系统100布置于直接金属激光熔融(DMLM)。可理解，本公开的一般教导等同地应用于金属粉末激光加性制造的其它形式，例如，选择的激光熔融(SLM)。对象102作为圆形元件而示出；但是，可理解，该加性制造过程可容易适合于制造很多种部件。
系统100一般包括激光的金属粉末加性制造控制系统104(“控制系统”)与AM打印机106。如将描述的那样，控制系统104执行代码108，以便采用多个激光器134，136来生成对象102。示出控制系统104在计算机110上作为计算机程序代码而实现。达到这种程度，示出计算机110，其包括存储器112，处理器114，输入/输出(I/O)接口116以及总线118。另外，示出该计算机110，其与外部I/O装置/资源120和存储系统122进行通信。一般来说，处理器114执行存储于存储器112和/或存储系统112中的计算机程序代码108。在执行计算机程序代码108时，处理器114能来往于存储器112，存储系统122，I/O装置120和/或AM打印机106来读取和/或写入数据。总线118提供计算机110中的每个部件之间的通信，并且I/O装置120包括能使用户与计算机110交互的任何装置(例如，键盘，指示装置，显示器等)。计算机110仅仅表示硬件和软件的各种可能组合。例如，处理器114可包括单个处理单元，或跨位于一个或多个位置中(例如客户端和服务器上)的一个或多个处理单元而分布。类似地，存储器112和/或存储系统122可驻留于一个或多个物理位置。存储器112和/或存储系统122能包括非暂时的计算机可读存储媒介的各种类型的组合，该存储媒介包括磁媒体，光媒体，随即存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)等。计算机110可包括各种类型的计算装置，例如，工业控制器，网络服务器，桌面计算机，便携式电脑，手持装置，等等。
如上所述，系统100并且特别是控制系统104执行代码108，以便生成对象102。代码108除了别的以外，还能包括用于操作AM打印机106的计算机可执行的指令组108S以及定义通过AM打印机106而以物理方式生成的对象102的计算机可执行的指令组108O。如在这里描述的那样，加性制造过程始于非暂时的计算机可读取的存储媒介(例如，存储器112，存储系统122等)存储代码108。用于对AM打印机106进行操作的计算机可执行的指令组108S可包括任何目前已知的或稍后研发的软件代码，其能对AM打印机106进行操作。另外，计算机可执行的指令组108S可采用一个或多个对准校正111，其能在X和/或Y方向上(参照图6)校正激光器134，136的位置，以便确保激光器134，136对准。
定义对象102的计算机可执行的指令组108O可包括对象的精确定义的3D模型，并且能从任何的多种众所周知的计算机辅助设计(CAD)软件系统，例如，
Figure BSA0000143354710000131
DesignCAD 3DMax等生成。在这点上，代码108O能包括任何当前已知的或稍后研发的文件格式。另外，表示对象102的代码108O可在不同的格式之间转换。例如，代码108O可包括：标准镶嵌语言(STL)文件，该文件针对3D系统的立体印刷CAD程序而创建；或加性制造文件(AMF)，其为美国机械工程师协会(ASME)的标准，该标准为基于可扩展的标记语言(XML)格式，其设计成允许任何CAD软件描述在任何AM打印机上制造的任何3维对象的形状和成分。表示对象102的代码108O还可根据需要，转换为数据信号组，并且作为数据信号组而进行传送和接收，并转换为代码，进行存储，等等。在任何的情况下，代码108O可为系统100的输入，并且可来自部件设计者，知识产权(IP)提供商，设计公司，系统100的操作员或用户，或其它的来源。在任何的情况下，控制系统104执行代码108S和108O，将对象102分为一系列薄层面，其采用AM打印机106以连续材料层的组装的。
AM打印机106可包括处理室130，该处理室130密封，以便提供对象102打印的受到控制的环境。在其上构建对象102的金属粉末床或平台132定位于处理室130内。多个激光器134，136配置成将金属粉末床132上的金属粉末层熔融，以便生成对象102。虽然在这里描述一对激光器134，136，但是应强调，本公开的教导可应用于采用多于一对激光器134，136的系统。如针对图1而描述的那样，每个激光器134，136具有场，在该场中，该激光器能单独地将金属粉末熔融；并且在其中两个激光器134，136能将金属粉末熔融的重叠区域。在这点上，每个激光器134，136可分别生成激光束138，138’，其如由代码108所定义地那样将每个层面的颗粒熔合。示出激光器134，其采用激光束138创建对象102的层，而示出激光器136，其处于休眠中，但是其具有虚的激光束138’。以任何当前的已知或稍后研发的方式对每个激光器134，136进行校准。这就是说，每个激光器134，136具有相对于平台132的激光束的预计位置，该位置与其实际位置相互关联，以便提供个别的位置校正(未示出)，从而确保其个别的精确性。
涂敷器140可创建原材料142的薄层，其散布为空白画布(blank canvas)，根据该画布，将创建最终对象的每个连续层面。AM打印机106的各种部件可运动，以便容纳每个新层的添加，例如，在形成每层后，金属粉末床132可下降和/或室130和/或涂敷器140可上升。该过程可采用以细粒的金属粉末的形式的不同的原材料，该原材料库存可保持在室144中，其可由涂敷器140访问。在当前的场合，对象102可由包括纯金属或合金的“金属”制成。在一个示例中，该金属可具体地包括任何非反应性金属粉末，即，非爆炸或非传导粉末，例如，但是不限于：钴-铬-钼(CoCrMo)合金，不锈钢，奥氏体镍-铬基合金，例如，镍-铬-钼-铌合金(NiCrMoNb)(例如，Inconel625，或Inconel718)，镍-铬-铁-钼合金(NiCrFeMo)(例如，Haynes International公司的哈司特镍合金
Figure BSA0000143354710000141
X)，或镍-铬-钴-钼合金(NiCrCoMo)(比如，Haynes International公司的Haynes 282)，等等。
处理室130填充有惰性气体，例如，氩或氮，并且对其进行控制，以便使氧最小或消除氧。控制系统104配置成控制位于处理室130内的来自惰性气体154的源的气体混合物160的流量。在此情况中，控制系统104可控制泵150和/或流量阀系统152的惰性气体，以控制气体混合物160的含量。流量阀系统152可包括一个或多个计算机可控制的阀，流量传感器，温度传感器，压力传感器，等等，其能够精确地控制特定气体的流量。泵150可带有或不带有阀系统152来提供。在省略泵150的情况下，惰性气体可在引入到处理室130中之前，简单地进入管道或歧管。惰性气体154的源可采用在其中包含材料的任何常规源的形式，例如，罐，储存器或其它源。可提供用来测量气体混合物160所要求的传感器(未示出)。可采用过滤器170以常规方式对气体混合物160进行过滤。
在操作中，在处理室130内提供金属粉末床132，控制系统104控制位于处理室130内的来自惰性气体154源的气体混合物160的流量。控制系统104还控制AM打印机106，并且特别是控制涂敷器140与激光器134，136，以便相继地熔融位于金属粉末床132上的金属粉末层，从而生成对象102。
参照图5～10，现在描述在重叠区域182(图6)中将激光加性制造系统100中的一对校准的激光器134，136对准的方法的实施例，在该区域中该对校准的激光器134，136有选择地操作。按照本公开的实施例，对象102作为测试结构180专有地形成于重叠区域182内，从而该测试结构180可用于确定校准的激光器134，136的不对准。测试结构180可由上述的材料的任意制作，并且理想地通过等效于正常对象102形成的操作参数而形成。
结合图6的透视图首先参照图5的流程图，本方法的实施例可包括，S10，单独采用一对校准的激光器134，136中的第一校准的激光器134在该对校准的激光器134，136的重叠区域182中，形成(局部完成的)测试结构180的第一多层184。第二校准的激光器136在本过程期间是不启动的。图6以幻影(phantom)示出校准的激光器134的激光束138和预计的重叠区域182。在一个实施例中，采用与校准的激光器134进行操作从而采用激光加性制造系统100创建对象102的激光功率基本相等的激光功率，对校准的激光器134进行操作。所采用的实际的激光器功率可根据多个因素而改变，例如但是不限于，所采用的金属粉末(比如，Inconel将不同于CoCr)，以及正在形成的对象102。在任何情况下，对于谋求校准的激光器134，136的对准的材料和/或对象，校准的激光器134和AM打印机106以尽可能接近的正常工作条件而进行操作。
参照图5和图7，在步骤S12中，单独采用一对校准的激光器134，136中的第二校准的激光器136在一对校准的激光器134，136的重叠区域182(在图7中隐藏，参照图6)中形成测试结构180的第二多层190。这就是说，第二多层190形成于第一多层184的顶上，以便形成测试结构180。在该过程期间，第一校准的激光器134是不启动的。如图7所示，形成步骤S10和S12创建与重叠区域182(图6)相对应的测试结构180的外表面192。在图7中通过幻影示出校准的激光器136的激光束138’。采用与校准的激光器136进行操作从而采用激光加性制造系统100创建对象102的激光功率基本相等的激光器功率，对第二校准的激光器136进行操作。这就是说，在形成多层184的期间，第二校准的激光器136以与第一校准的激光器134相同的条件而进行操作。如上所述，所采用的实际的激光器功率可根据多个因素而改变。
如图6～9所示，在一个实施例中，形成步骤可包括在构件198上形成测试结构180，该构件198可从激光加性制造系统100上去除。构件198可包括能够提供测试结构180的基础的任何结构，例如，金属板。
参照图5和图8，在步骤S14中，测量在测试结构180的外表面192中的第一多层184和第二多层190之间创建的偏移步200和/或202的尺寸(Dx和/或Dy)。如图示，校准的激光器134，136可能在X方向和Y方向上没有对准。但是应强调的是，校准的激光器134，136可仅仅在1个方向上，X或Y，没有对准，或可以被对准。可采用任何当前已知的或稍后研发的测量系统210而进行测量。在一个实施例中，测量系统210可包括坐标测量装置，其用来对测试结构180的外表面192进行扫描。在另一实施例中，该坐标测量装置可包括配置成对测试结构180的外表面192进行扫描以便获得一个或多个尺寸的激光器。虽然图8示出好像光源那样的扫描，但是测量系统210可采用包含机械探头等的任何测量技术。可在任何所需的单元，例如，测微计，毫米计等中来测量尺寸Dx，Dy。在校准的激光器134，136在X和Y两个方向上均没有对准，或不知道未对准，并且用户想通过测量系统210以确定未对准的存在的情况下，测量系统210可测量X方向偏移步202的X方向尺寸Dx，其创建在测试结构180的外表面192中的第一多层184和第二多层190之间。并且，测量系统210可测量Y方向偏移步202的Y方向尺寸Dy，其创建在测试结构180的外表面192中的第一多层184和第二多层190之间。备选地，在已知未对准方向，或关注仅仅一个未对准方向的情况下，测量系统210可简单地测量一个尺寸Dx或Dy。
在图5的步骤S16中，通过将偏移步的尺寸(Dx和/或Dy)作为对准校正111(图4)应用于所述一对校准的激光器134，136的至少一个来将所述一对校准的激光器134，136对准。通过控制系统104以常规方式采用一个或多个对准校正111，以控制AM打印机106，并且特别是校准的激光器134，136。例如，使用0.1毫米的X方向未对准(Dx)，以在X方向上以去除未对准的这种方式将校准的激光器134，136调整0.1mm。按照该方式，如图9所示，在对象102的形成期间，通过校准的激光器134而形成的一个或多个层220，以及之后通过校准的激光器136而形成的一个或多个层222在重叠区域182内对准，从而导致对象102的光滑的外表面224。在一个实施例中，可采用一个或多个对准校正111而调节两个校准的激光器134，136；但是，理想地，调节一对校准的激光器134，136中的所选择的一个。应强调，可提供使该对校准的激光器对准的一个或多个对准校正。例如，根据应用的二个校正，X方向偏移步200的X方向尺寸Dx可作为第一对准校正111(图4)应用于针对给定重叠区域182的一对校准的激光器134，136中的所选择的一个，并且Y方向偏移步202的Y方向尺寸Dy可作为第二对准校正111(图4)应用于针对该相同的重叠区域182的一对校准的激光器134，136中的所选择的一个。
在一些激光加性制造系统100中，可即跨过金属粉末床142(图4)而存在多于一个的重叠区域182(图6)。在图5和图10所示的备选实施例中，可针对与激光加性制造系统100中的多个重叠区域182A-E(分别在测试结构180A-E下)相对应的多个测试结构180A-E(在图中为5个，但是可为更多或更少)中的每个而重复进行步骤S10～S16。这就是说，每个重叠区域182A-E可具有对应的一个或多个对准校正111(图4)，例如，X方向和/或Y方向。在一个实施例中，谋求跨测试结构180A-E的小于预定阈值的标准偏差，例如30微米，以便确保采用系统100而创建的所有对象的精确性。如果无法获得位于预定的阈值内的标准偏差，则向用户表明可要求对准以外的其它的校准过程。
本公开的这个方法提供下述技术，该技术用于将激光加性制造系统100中的多个校准的激光器隔离开，以便测量彼此相对X和Y方向的未对准，使得该多个激光器能用于在不存在多个激光器的任何指示的情况下，无缝地构建单个大型对象。因此，本公开允许例如采用二个或多个激光器而构建较大的较复杂的基于激光的加性对象。虽然本公开的教导已应用于一对校准的激光器134，136，但是要强调的是，教导能够扩展到具有多于二个激光器的系统。
前述的附图示出根据本公开的几个实施例关联的一些处理。在这点上，每个附图或附图内的流程图内的每个方框表示与所描述的方法的实施例关联的过程。还应注意到，在一些备选实现中，附图或方框中提到的动作可按照脱离附图中提到的顺序而发生，例如根据所涉及的动作，实际上可基本同时发生或以相反的顺序而运行。而且，本领域的技术人员会认识到，可添加描述该处理的方框。
在这里所采用的术语仅仅用于描述特定实施方式的目的，并且其不意图对本公开进行限定。如在这里使用的，单数形式“一”，“一个”和“该”意图也包括复数形式，除非上下文另有明确指出。还理解到，在本说明书中使用的术语“包括”和/或“包括(comprising)”指定所述的特征，整数，步骤，操作，元件和/或组件的存在，但不排除一个或多个其它的特征，整数，步骤，操作，元件，组件和/或其组的存在或添加。
下面的权利要求中的对应结构，材料，动作，所有部件或步骤加功能元件的等同物意图包括用于与如具体要求保护的其它要求保护的元件相组合地执行功能的任何结构，材料，或动作。已提出本公开的描述用于说明和描述的目的，但是，其并不意图是彻底的或对以所公开的形式的公开进行限制。对于本领域的技术人员来说，在不脱离本公开的范围和精神的情况下，许多修改和变化将是显然的。本实施例被选择和描述，以便对本公开和实际应用的原理进行最佳说明，并且为了使本领域的其他的技术人员能够理解具有如适合预期的特定使用的各种实施方式的公开。
部件列表：
10.场
12.场
14.重叠区域
16.未对准激光器
18.未对准激光器
20.外表面
22.对象
24.箔
26.垂直等级
28.垂直等级
100.系统
102.对象
104.控制系统
106.AM打印机
108.代码
110.计算机
111.对准校正
112.存储器
114.处理器
116.输入/输出I/O接口
118.总线
120.I/O装置
122.存储系统
130.处理室
132.粉末床
134.校准的激光器
136.校准的激光器
.138.激光束
140.涂敷器
142.原材料
144.室
150.泵
152.流量阀系统
154.惰性气体
160.气体混合物
170.过滤器
180.测试结构
182.区域
184.多个层
190.第二多层
192.外表面
198.构件
200.步
202.步
210.测量系统
220.层
222.层
224.光滑外表面
108O.计算机可运行指令
108S.计算机可运行的指令
138’.幻影激光束

Claims (20)

1.一种用于在重叠区域中将激光加性制造系统的一对校准的激光器对准的方法，在所述重叠区域中所述一对校准的激光器有选择地操作，所述方法包括：
单独使用所述一对校准的激光器中的第一校准的激光器在所述一对校准的激光器的所述重叠区域中第一形成测试结构的第一多层；
单独使用所述一对校准的激光器中的第二校准的激光器在所述一对校准的激光器的所述重叠区域中所述第一多层上第二形成所述测试结构的第二多层，所述第一和第二形成创建所述测试结构的顶部表面以及与所述重叠区域对应的所述测试结构的外表面，所述外表面垂直于所述顶部表面；
测量在所述测试结构的所述外表面中的所述第一多层和所述第二多层之间创建的偏移步的尺寸；以及
通过将所述偏移步的所述尺寸作为对准校正应用于所述一对校准的激光器中的至少一个来将所述一对校准的激光器对准。
2.如权利要求1所述的方法，其中，测量包含使用坐标测量机器对所述测试结构的所述外表面进行扫描。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述坐标测量机器包含配置成对所述测试结构的所述外表面进行扫描的激光器。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一和第二形成包含采用所述第一和第二校准的激光器中的每个的激光功率，其与每个校准的激光器进行操作以使用所述激光加性制造系统来创建对象的激光功率基本相等。
5.如权利要求1所述的方法，其中，测量和对准包含：
测量在所述测试结构的所述外表面中的所述第一多层和所述第二多层之间创建的X方向偏移步的X方向尺寸；
测量在所述测试结构的所述外表面中的所述第一多层和所述第二多层之间创建的Y方向偏移步的Y方向尺寸；
通过将所述X方向偏移步的所述X方向尺寸作为第一对准校正应用于所述一对校准的激光器中的一个并且将所述Y方向偏移步的所述Y方向尺寸作为第二对准校正应用于所述一对校准的激光器中的一个来将所述一对校准的激光器对准。
6.如权利要求1所述的方法，还包括针对与所述激光加性制造系统的多个重叠区域对应的多个测试结构的每个而重复进行所述第一形成，所述第二形成，测量和对准。
7.如权利要求1所述的方法，其中，将所述偏移步的所述尺寸作为所述对准校正应用包含将所述偏移步的所述尺寸作为所述对准校正应用于所述一对校准的激光器中所选择的激光器。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一和第二形成包含在能够从所述激光加性制造系统去除的构件上形成所述测试结构。
9.一种用于在重叠区域中将激光加性制造系统中的一对校准的激光器对准的方法，在所述重叠区域中所述一对校准的激光器有选择地操作，所述方法包括：
单独使用所述一对校准的激光器中的第一校准的激光器在所述一对校准的激光器的所述重叠区域中第一形成测试结构的第一多层；
单独使用所述一对校准的激光器中的第二校准的激光器在所述一对校准的激光器的所述重叠区域中所述第一多层上第二形成测试结构的第二多层，所述第一和第二形成创建所述测试结构的顶部表面以及与所述重叠区域对应的所述测试结构的外表面，其中所述外表面垂直于所述顶部表面，以及其中所述第一和第二形成包含采用所述第一和第二校准的激光器中的每个的激光功率，其与每个校准的激光器进行操作以使用所述激光加性制造系统来创建对象的激光功率基本相等；
测量在所述测试结构的所述外表面中的所述第一多层和所述第二多层之间创建的偏移步的尺寸；
通过将所述偏移步的所述尺寸作为对准校正应用于所述一对校准的激光器中的所选择的激光器来将所述一对校准的激光器对准。
10.如权利要求9所述的方法，其中，测量包含使用坐标测量机器对所述测试结构的所述外表面进行扫描。
11.如权利要求10所述的方法，其中，所述坐标测量机器包含配置成对所述测试结构的所述外表面进行扫描的激光。
12.如权利要求9所述的方法，其中，测量和对准包含：
测量在所述测试结构的所述外表面中的所述第一多层和所述第二多层之间创建的X方向偏移步的X方向尺寸；
测量在所述测试结构的所述外表面中的所述第一多层和所述第二多层之间创建的Y方向偏移步的Y方向尺寸；以及
通过将所述X方向偏移步的所述X方向尺寸作为第一对准校正应用于所述一对校准的激光器中所选择的激光器并且通过将所述Y方向偏移步的所述Y方向尺寸作为第二对准校正应用于所述一对校准的激光器的所选择的激光器来将所述一对校准激光器对准。
13.如权利要求9所述的方法，还包括针对与所述激光加性制造系统的多个重叠区域相对应的多个测试结构的每个而重复进行所述第一形成，所述第二形成，测量和对准。
14.如权利要求9所述的方法，其中，将所述偏移步的所述尺寸作为所述对准校正应用包含将所述偏移步的所述尺寸作为所述对准校正应用于所述一对校准的激光器中所选择的激光器。
15.如权利要求9所述的方法，其中，所述第一和第二形成包含在能够从所述激光加性制造系统去除的构件上形成所述测试结构。
16.一种用于在重叠区域中将激光加性制造系统中的一对校准的激光器对准的方法，在所述重叠区域中所述一对校准的激光器有选择地操作，所述方法包括：
单独使用所述一对校准的激光器中的第一校准的激光器在所述一对校准的激光器的所述重叠区域中第一形成测试结构的第一多层；
单独使用所述一对校准的激光器中的第二校准的激光器在所述一对校准的激光器的所述重叠区域中所述第一多层上第二形成测试结构的第二多层，所述第一和第二形成创建所述测试结构的顶部表面以及与所述重叠区域对应的所述测试结构的外表面，其中所述外表面在Z方向维度上垂直于所述顶部表面，以及其中所述第一和第二形成包含采用所述第一和第二校准的激光器中的每个的激光功率，其与每个校准的激光器进行操作以使用所述激光加性制造系统工作来创建对象的激光功率基本相等；
测量在所述测试结构的所述外表面中的所述第一多层和所述第二多层之间创建的X方向偏移步的X方向尺寸；
测量在所述测试结构的所述外表面中的所述第一多层和所述第二多层之间创建的Y方向偏移步的Y方向尺寸；
通过将所述X方向偏移步的所述X方向尺寸作为第一对准校正应用于所述一对校准的激光器中所选择的激光器并且通过将所述Y方向偏移步的所述Y方向尺寸作为第二对准校正应用于所述一对校准的激光器的所选择的激光器来将所述一对校准激光器对准。
17.如权利要求16所述的方法，其中，所述X方向和所述Y方向尺寸的测量包含使用坐标测量机器对所述测试结构的所述外表面进行扫描。
18.如权利要求17所述的方法，其中，所述坐标测量机器包括配置成对所述测试结构的所述外表面进行扫描的激光。
19.如权利要求16所述的方法，还包括针对与所述激光加性制造系统的多个重叠区域相对应的多个测试结构的每个而重复进行所述第一形成，所述第二形成，测量和对准。
20.如权利要求16所述的方法，其中，所述第一和第二形成包含在能够从所述激光加性制造系统去除的构件上形成所述测试结构。
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