CN107037122B - 用于加性制造过程的非接触式声学检查方法 - Google Patents

用于加性制造过程的非接触式声学检查方法 Download PDF

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Abstract

一种用于检查加性制造过程的方法，在加性制造过程中定向能量源(24)用来在大量粉末材料的暴露的构建表面(54)处创建熔池(56)，并且选择地熔合粉末材料以形成加工件(W)。该检查方法包含：使用非接触式方法在构建表面(54)中生成声波；响应于声波而使用非接触式方法来测量构建表面的位移；以及通过分析构建表面(54)的位移来确定过程的加工件(W)的至少一个表面下材料性质。

Description

用于加性制造过程的非接触式声学检查方法
技术领域
本发明一般涉及加性制造，以及更具体来说涉及用于加性制造中的检查和过程控制的设备和方法。
背景技术
加性制造是一种过程，其中材料逐层建立以形成组件。与浇铸过程不同，加性制造仅由机器的位置分辨率(position resolution)来限制，而不由对于如由浇铸所要求的提供拔模角度、避免悬垂等的要求来限制。加性制造也通过诸如“分层制造”、“反向加工”、“直接金属激光熔融”(DMLM)和“3-D印刷”的术语来参考。为了本发明的目的，这类术语被看作是同义词。
现有技术加性制造过程通常要求构建后检查过程、例如计算机化断层扫描(“CT”)，以检验构建的完整性。尽管有效，这个过程要求不合需要的额外时间和成本。
相应地，存在对用于加性制造的实时检查过程的需要。
发明内容
这个需要通过非接触式声学原位检查的方法来解决。
按照本文所述技术的一个方面，提供一种用于检查加性制造过程的方法，在该加性制造过程中定向能量源用来在大量粉末材料的暴露的构建表面处创建熔池，并且选择地熔合粉末材料以形成加工件。该方法包含：使用非接触式方法在构建表面中生成声波；响应于声波而使用非接触式方法来测量构建表面的位移；以及通过分析构建表面的位移来确定加工件的至少一个表面下材料性质。
按照本文所述技术的另一方面，一种制作加工件的方法包含：沉积粉末材料，以便限定构建表面；定向来自定向能量源的构建波束，以便在构建表面中创建熔池，并且按照与加工件的截面层对应的图案选择地熔合粉末材料；使用非接触式方法在构建表面中生成声波；响应于声波而使用非接触式方法测量构建表面的位移；以及通过分析构建表面的位移来确定加工件的至少一个表面下材料性质。
按照本文所述技术的另一方面，提供一种用于检查加性制造过程的设备，在该加性制造过程中定向能量源用来在大量粉末材料的暴露的构建表面处创建熔池，并且选择地熔合粉末材料以形成加工件。该设备包含：非接触式装置，配置成在构建表面中生成声波；以及非接触式装置，配置成响应于声波而测量构建表面的位移。
本发明提供一组技术方案,如下:
1. 一种检查加性制造过程的方法，在所述加性制造过程中定向能量源用来在大量粉末材料的暴露的构建表面处创建熔池，并且选择地熔合所述粉末材料以形成加工件，所述方法包括：
使用非接触式方法在所述构建表面中生成声波；
响应于所述声波而使用非接触式方法来测量所述构建表面的位移；以及
通过分析所述构建表面的所述位移来确定所述加工件的至少一个表面下材料性质。
2. 如技术方案1所述的方法，其中，所述声波由所述定向能量源来生成。
3. 如技术方案1所述的方法，其中，所述声波由所述熔池的创建固有地生成。
4. 如技术方案1所述的方法，其中，与所述定向能量源分离的探测激光器用来生成所述声波。
5. 如技术方案1所述的方法，其中，在所述加性制造过程期间，在一个或多个层完成之后生成所述声波并且测量位移。
6.如技术方案1所述的方法，其中，表面位移使用与所述定向能量源分离的监测激光器来测量。
7. 如技术方案1所述的方法，其中：
单个波束导引设备用来导引来自所述定向能量源的所述构建波束和下列中的至少一个：来自探测激光器的探测波束以及来自监测激光器的监测波束。
8.如技术方案1所述的方法，其中,所述表面下形状包括所述加工件中的至少一个缺陷。
9. 如技术方案1所述的方法，还包括响应于所述加工件的所确定表面下性质而控制至少一个构建过程参数。
10. 如技术方案1所述的方法，还包括：
通过分析所述构建表面的所述位移来识别所述加工件的缺陷；以及
通过使用所述定向能量源来在所述缺陷之上创建熔池，准许先前熔合材料流入并且填充所述缺陷，来修复所述缺陷。
11. 如技术方案1所述的方法，还包括响应于所述加工件的所确定表面下性质、结合来自至少一个其他过程传感器的数据来控制至少一个构建过程参数。
12. 一种制作加工件的方法,包括:
沉积粉末材料，以便限定构建表面；
定向来自定向能量源的构建波束，以便在所述构建表面中创建熔池，并且按照与所述加工件的截面层对应的图案选择地熔合所述粉末材料；
使用非接触式方法在所述构建表面中生成声波；
响应于所述声波而使用非接触式方法测量所述构建表面的位移；以及
通过分析所述构建表面的所述位移来确定所述加工件的至少一个表面下材料性质。
13. 如技术方案12所述的方法,还包括以循环方式重复沉积和熔合的步骤以便以逐层方式建立所述加工件。
14. 如技术方案12所述的方法,其中,所述声波由定向能量源生成。
15. 如技术方案12所述的方法,其中, 所述声波在所述熔池的形成期间固有地生成。
16. 如技术方案12所述的方法, 其中，与所述定向能量源分离的探测激光器用来生成所述声波。
17.如技术方案12所述的方法，其中，在所述加性制造过程期间，在一个或多个层完成之后生成所述声波并且测量位移。
18.如技术方案12所述的方法，其中，表面位移使用与所述定向能量源分离的监测激光器来测量。
19. 如技术方案12所述的方法，其中：
单个波束导引设备用来导引来自所述定向能量源的所述构建波束和下列中的至少一个：来自探测激光器的探测波束以及来自监测激光器的监测波束。
20.如技术方案1所述的方法，还包括将所述至少一个表面下材料性质与已知良好的加工件的模型表示相比较。
附图说明
通过参照结合附图进行的下面的描述，可最好地理解本发明，附图包括：
图1是示范加性制造设备的示意截面图；
图2是图1的一部分的放大视图；
图3是备选加性制造设备的示意截面图；
图4是示出表示检查数据的单元矩阵的示意图表；以及
图5是示出表示加工件的模型的单元矩阵的示意图表。
具体实施方式
参照附图，其中相同参考数字在各个视图中通篇表示相同元件，图1示意图示用于执行加性制造方法的设备10。基本组件是工作台12、粉末供应装置14、刮板或重涂器(recoater)16、溢出容器18、由构建室22所包围的构建平台20、定向能量源24和波束导引设备26，全部由外壳28包围。下面将更详细描述这些组件的每个。
工作台12是限定平面工作表面30的刚性结构。工作表面30与虚拟工作平面是共面的并且限定虚拟工作平面。在所图示示例中，它包含：构建开口32，与构建室22进行通信，并且暴露构建平台20；供应开口34，与粉末供应装置14进行通信；以及溢出开口36，与溢出容器18进行通信。
重涂器16是刚性的横向延长结构，其位于工作表面30上。它连接到致动器38，其可操作以选择地沿工作表面30移动重涂器16。以诸如气动或液压缸、滚珠丝杠或线性电致动器等的装置可用于此目的的理解在图1中示意描绘致动器38。
粉末供应装置14包括在供应开口34下面并且与其进行通信的供应容器40以及升降机42。升降机42是板状结构，其在供应容器40内是可垂直滑动的。它连接到致动器44，其可操作以选择地向上或向下移动升降机42。以诸如气动或液压缸、滚珠丝杠或线性电致动器等的装置可用于此目的的理解在图1中示意描绘致动器44。当升降机42降低时，预期组成(例如金属、陶瓷和/或有机粉末)的粉末“P”的供应可装载到供应容器40中。当升降机42升高时，它将粉末P暴露在工作表面30上方。
构建平台20是板状结构，其在构建开口32下面是可垂直滑动的。它连接到致动器46，其可操作以选择地向上或向下移动构建平台20。以诸如气动或液压缸、滚珠丝杠或线性电致动器等的装置可用于此目的的理解在图1中示意描绘致动器46。当构建平台20在构建过程期间降低到构建室22中时，构建室22和构建平台20共同包围和支承大量粉末P连同被构建的任何组件。这种大量粉末通常称作“粉末层”，以及这种特定类别的加性制造过程可称作“粉末层过程”。
溢出容器18在溢出开口36下面并且与其通信，并且用作过量粉末P的贮存器。
定向能量源24可包括任何已知装置，其可操作以生成适当功率和其他操作特性的波束，以便在构建过程期间熔融和熔合金属粉末，下面更详细描述。例如，定向能量源24可以是激光器。其他定向能量源、例如电子束枪是激光器的适当备选方案。
波束导引设备26可包含一个或多个反射镜、棱镜、磁场和/或透镜，并且提供有适当致动器，以及被布置,使得来自定向能量源24的波束“B”能够聚焦成预期光点大小并且导引到与工作表面30一致的平面中的预期位置。为了方便的描述的目的，这个平面可称作X-Y平面，以及与X-Y平面垂直的方向表示为Z方向(X、Y和Z是三个相互垂直的方向)。波束B在本文中可称作“构建波束”。
外壳28用来隔离和保护设备10的其他组件。它可提供有例如氮、氩或其他气体或者气体混合物的适当屏蔽气体“G”的流(flow)。气体G可作为静态加压体积或者作为动态流来提供。外壳28可分别提供有入口和出口端口48、50用于此目的。
使用上述设备的加工件W的基本构建过程如下。将构建平台20移动到初始高位置。构建平台20降低低于工作表面30所选层增量。层增量影响加性制造过程的速度和加工件W的分辨率。作为示例，层增量可以为大约10至50微米(0.0003至0.002英寸)。粉末“P”然后沉积在例如构建平台20之上，供应容器40的升降机42可升高以经过供应开口34来推送粉末，从而将它暴露在工作表面30上方。重涂器16跨工作表面移动，以便在构建平台20之上水平地散布升高的粉末P。当重涂器16从左到右通过时，任何过量粉末P经过溢出开口36落入溢出容器18中。随后，重涂器16可移回到起始位置。弄平的粉末P可称作“构建层”52，并且其暴露的上表面可称作“构建表面”54(参见图2)。
定向能量源24用来熔融被构建的加工件W的二维截面或层。定向能量源24发射波束“B”，以及波束导引设备26用来按照适当图案在暴露的粉末表面之上导引构建波束B的焦点“S”。包围焦点S的粉末P的暴露层的小部分(在本文中称作“熔池”56(在图2中最好地看到))通过构建波束B加热到允许它烧结、熔融和/或流动并且因此固结的温度。作为示例，熔池56可以是大约100微米(0.004英寸)宽。这个步骤可称作熔合粉末P。
构建平台20垂直向下移动层增量，以及按照类似厚度来施加另一层粉末P。定向能量源24再次发射构建波束B，以及波束导引设备26用来按照适当图案在暴露的粉末表面之上导引构建波束B的焦点S。粉末P的暴露层通过构建波束B加热到允许它熔融、流动并且在顶层内并且与先前凝固的下层固结的温度。
重复移动构建平台20、施加粉末P并且然后定向能量熔融粉末P的这个循环，直到整个加工件W完成。
图2更详细示出在上述类型的粉末层中构成的加工件W。示范加工件W包含通过水平壁62所互连的一对间隔开的垂直壁58、60。空腔64存在于垂直壁58、60之间，并且填充有粉末P；附加粉末P存在于垂直壁58、60与构建室22的侧壁之间。加工件W示为具有设置在其中的示范缺陷66(具体来说是空隙)。能够使用这种方法来检测的缺陷类型的非限制性示例包含气孔、裂缝和密度变化。这个特定缺陷66位于构建表面54下面，并且因而通过表面检查方法将不会是可检测的。
非接触式声学检查过程可结合到上述构建过程中。一般来说，检查过程包含使用非接触式方法在构建表面54中生成声波，并且使用非接触式方法来监测返回信号。一般来说，这种类型的检查过程可称作“激光超声检查”。
可使用在构建层52中生成声波的任何非接触式部件。例如，构建波束B在生成熔池56中的动作固有地生成从熔池56辐射出的声波。可监测来自这个声波的返回信号。
提供用于监测返回信号的部件。在图1和图2所示的示例中，低功率连续波(“CW”)或脉动监测激光器68或者其他适当装置被定位,以便能够将监测波束M定向在构建表面54处。监测波束M可经过与构建波束B相同的波束导引设备26来定向。构建表面54的偏移(deflection)(通过在构建表面54处的返回信号的到达所引起)又引起构建表面54上方的气体“G”的折射率中的变化，其最终影响监测波束M的通路。监测波束通路中的变化能够由光电检测器70来感测。这种类型的声学检测通常称作气体耦合激光声学检测或“GCLAD”。许多其他类型的干涉计是已知的，并且能够替代监测激光器68和光电二极管70。在这个示例中，监测波束M的返回信号经过分束器72定向到光电检测器70；用来聚焦和/或定向监测波束M的特定硬件对于本发明不是关键的。
备选地，构建波束B能够相对于用来熔合粉末P的功率级调制到降低的功率级，并且定向到构建表面54以生成声波。例如，构建波束B的功率级在层的构建期间在高与低等级之间能够被交替。备选地，能够熔合粉末P的完成层，并且然后在施加粉末P的下一层增量之前，能够在构建表面54之上以降低的功率级来重新扫描构建波束B，以生成声波。
备选地，如图3所示，探测波束PB(由单独探测激光器74或者其他适当辐射能量装置所生成)可具体用于那个目的。如图4所示，探测波束PB可选地可经过与构建波束B相同的波束导引设备26来定向。
包含检查装置(例如探测激光器74、监测激光器68和/或光电检测器70)的设备10的操作可通过运行于图1中通过控制器75一般表示的一个或多个计算机中体现的一个或多个处理器上的软件来控制。相同控制器75可用来检索和分析传感器数据，用于统计分析、统计过程控制和用于反馈控制。
上述方法生成与从构建表面54到表面下结构并且返回的声波的往返行程时间有关的信息，在已知所述的材料的声速的情况下,这能够用来确定一个或多个表面下材料性质，例如在构建表面54下面的材料的厚度和/或密度。
在检查过程期间，其中引起声波的表面位置(例如探测波束焦点)确定构建表面54上的密度测量和/或厚度的X-Y位置。监测波束M的焦点位置不是关键的；换句话说，声波传播通路无需与构建表面54直接垂直。在监测波束焦点与探测波束PB(或其他源)的焦点间隔开的情况下，适当计算能够用来基于声返回数据来确定实际厚度。例如，可采用探测波束PB和监测波束M的不同相对位置来对已知组成和厚度的板进行测量。
探测波束PB能够在构建表面54之上按照X-Y或光栅图案来扫描，以建立与加工件W有关的信息。例如，图4示出表示为单元76的网格的构建表面54的小部分。每个单元76填充有表示测量材料厚度的影线图案(hatch pattern)，其中更密的影线图案指示更大的材料厚度。存在与垂直壁58中的一个对应的第一组78单元、与水平壁62对应的第二组80单元以及与第二垂直壁60对应的第三组82单元。第四组84单元对应于缺陷66的位置。
图4中看到的影线图案只是为了描述的目的。在使用中，任何类型的便利表示可用来呈现厚度数据，例如变化图案、颜色或亮度等级。数据还能够通过数字或文本数据来表示。此外，单元76的大小、类型和布置可变化，以适合特定应用。
这种检查方法生成与在表面下面的材料的厚度有关的信息。材料厚度中的不同变化能够是缺陷66的存在的指示。但是，组件还可包含离散厚度变化。在示例加工件W中，在垂直壁58、60与水平壁62之间的过渡处存在离散厚度变化。取决于加工件W和缺陷的几何结构，检查方法可以不能够将这类有意特征与缺陷加以区分。
因此，对于最佳结果，实时测量数据可与已知良好组件的模型相比较。例如，模型能够包含与每层内的每个X-Y位置的预计材料厚度有关的信息。图5图示表示为单元86的网格的构建表面54的小部分。每个单元86填充有表示测量材料厚度的影线图案，其中更密的影线图案指示更大的材料厚度。存在与垂直壁58中的一个对应的第一组88单元、与水平壁62对应的第二组90单元以及与第二垂直壁60对应的第三组92单元。图5与图4的比较清楚地示出，图4所示的第四组84单元76是非预计的并且最可能是缺陷。
上述检查方法可在加性制造过程中为了各种目的而实现。例如，在每个构建层52的熔合期间，或者紧接每个构建层52完成之后，或者在若干构建层52已完成之后，能够进行检查。这允许每层或每组层已经正确构建并且没有缺陷的确认。
如果发现加工件具有缺陷，则能够放弃构建过程。备选地，如果发现缺陷，则设备10能够用来通过将构建波束B定向到加工件W在缺陷之上，创建重新熔合材料的熔池，并且准许它流入并且填充缺陷，来修复缺陷。
上述检查过程可用来提供实时反馈，其能够用来修改加性构建过程。例如，如果检查过程确定构建正创建缺陷，则诸如激光器功率、扫描速度、气流等的一个或多个过程参数可变化，以便将性能恢复到标称或者消除缺陷源。
上述检查过程还可用作统计过程控制的计划的部分。具体来说，检查过程能够用来识别过程中的变化源。过程参数然后能够在后续构建中变更，以减少或消除变化源。
来自声学检查设备的数据可与一个或多个其他过程传感器(例如光电二极管、高温计、声传感器、拍摄装置或分光计)结合使用。来自过程传感器的信息可用作过程的统计过程控制或反馈控制的附加数据源，如上所述。通用传感器94在图1中示意示出。
本文所述过程具有优于现有技术的若干优点。具体来说，它允许以高准确性映射加性结构中的悬垂层的厚度以及与标称的变化的检测。这具有消除诸如现有技术中当前使用的CT扫描的构建后质量控制过程的可能性。
前面描述了用于加性制造过程的非接触式声学检查的设备和方法。本说明书(包含任何所附权利要求书、摘要和附图)中公开的所有特征和/或如此公开的任何方法或过程的所有步骤可组合在任何组合中，除了其中这类特征和/或步骤的至少一些是互斥的组合之外。
本说明书(包含任何所附权利要求书、摘要和附图)中公开的每个特征可通过服务相同、等效或类似目的的备选特征来替代，除非另有明确规定。因此，除非另有明确规定，否则所公开的每个特征只是等效或类似特征的一般系列的一个示例。
本发明并不局限于前面(一个或多个)实施例的细节。本发明扩展本说明书(包含任何所附潜在新颖点、摘要和附图)中公开的特征的任何新颖特征或者任何新颖组合或者扩展到如此公开的任何方法或过程的步骤的任何新颖步骤或者任何新颖组合。
部件列表
10 设备
12 工作台
14 粉末供应装置
16 重涂器
18 溢出容器
20 构建平台
22 构建室
24 定向能量源
26 波束导引设备
28 外壳
30 工作表面
32 构建开口
34 供应开口
36 溢出开口
38 致动器
40 供应容器
42 升降机
44 致动器
46 致动器
48 入口端口
50 出口端口
52 构建层
54 构建表面
56 熔池
58 垂直壁
60 垂直壁
62 水平壁
64 空腔
66 缺陷
68 监测激光器
70 光电检测器
72 分束器
74 探测激光器
75 控制器
76 单元
78 第一组
80 第二组
82 第三组
84 第四组
86 单元
88 第一组
90 第二组
92 第三组
94 传感器

Claims (10)

1.一种检查加性制造过程的方法，在所述加性制造过程中定向能量源(24)用来在大量粉末材料的暴露的构建表面(54)处创建熔池(56)，并且选择地熔合所述粉末材料以形成加工件(W)，所述方法包括：
使用非接触式方法在所述构建表面(54)中生成声波；
响应于所述声波而使用非接触式方法来测量所述构建表面(54)的位移；以及
通过分析所述构建表面(54)的所述位移来确定所述加工件(W)的至少一个表面下材料性质。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述声波由所述定向能量源(24)来生成。
3.如权利要求1所述的方法，其中与所述定向能量源(24)分离的探测激光器(74)用来生成所述声波。
4.如权利要求1所述的方法，其中在所述加性制造过程期间，在一个或多个构建层(52)完成之后生成所述声波并且测量位移。
5.如权利要求1所述的方法，其中表面位移使用与所述定向能量源(24)分离的监测激光器(68)来测量。
6.如权利要求1所述的方法，其中：
单个波束导引设备用来导引来自所述定向能量源(24)的构建波束和下列中的至少一个：来自探测激光器(74)的探测波束(PB);以及来自监测激光器(68)的监测波束(M)。
7.如权利要求1所述的方法，还包括响应于所述加工件(W)的所确定表面下性质而控制至少一个构建过程参数。
8.如权利要求1所述的方法，还包括：
通过分析所述构建表面(54)的所述位移来识别所述加工件(W)的缺陷；以及
通过使用用来在所述缺陷之上创建熔池(56)的所述定向能量源(24)，准许先前熔合材料流入并且填充所述缺陷，来修复所述缺陷。
9.如权利要求1所述的方法，还包括响应于所述加工件(W)的所确定表面下性质与来自至少一个其它过程传感器的数据的结合来控制至少一个构建过程参数。
10.一种用于检查加性制造过程的设备，在所述加性制造过程中定向能量源(24)用来在大量粉末材料的暴露的构建表面(54)处创建熔池(56)，并且选择地熔合所述粉末材料以形成加工件(W)，所述设备包括：
非接触式装置，所述非接触式装置配置成在所述构建表面(54)中生成声波；以及
非接触式装置，所述非接触式装置配置成响应于所述声波而测量所述构建表面(54)的位移。
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