CN107052583A - 包括成像装置的加性制造系统和操作这类系统的方法 - Google Patents

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Abstract

本公开的发明名称是“包括成像装置的加性制造系统和操作这类系统的方法”。一种加性制造系统(100)包括：保持微粒(114)的表面(112)；以及聚焦能量源(104)，配置成生成至少一个束(132)，其沿表面移动以将微粒加热到熔点，从而创建熔融路径。摄像机(136)配置成在所述至少一个束沿表面移动时生成表面的图像(200，300，302)。摄像机具有视场，并且相关于表面被定位，使得视场包含定义多个光栅(202)的熔融路径的一部分。摄像机生成定义所述多个光栅的熔融路径的至少该部分的时间曝光图像。

Description

包括成像装置的加性制造系统和操作这类系统的方法
技术领域
本文所公开的主题一般涉及加性制造（additive manufacturing）系统，以及更具体来说涉及包括用于在加性制造过程期间对熔融微粒进行成像的成像装置的加性制造系统。
背景技术
至少一些加性制造系统涉及制作净形（net shape）或者近净形组件的金属组件的建造。这些系统以降低成本并且以改进制造效率从昂贵材料来产生复合组件。诸如直接金属激光熔融(DMLM)、选择性激光烧结(SLS)、直接金属激光烧结(DMLS)、选择性激光熔融(SLM)和LaserCusing系统之类的一些已知加性制造系统使用聚焦能量源(例如激光装置或电子束发生器)和微粒(例如粉末金属)来制作组件。
在一些已知的加性制造系统中，因熔池（melt pool）内的聚焦能量源传递给金属粉末的热量的变化和/或过度热量而降低组件质量。例如，一些局部过热特别是在悬垂（overhang）处发生。另外，在一些已知加性制造系统中，因粉末金属与组件的周围固体材料之间的传导热传递的变化而降低特别是在悬垂或向下朝向的表面处的组件表面质量。例如，通过聚焦能量源所产生的熔池有时变得过大，从而使熔融金属蔓延到周围粉末金属中以及熔池更深地渗透到粉末层中，从而将附加粉末拉入熔池中。增加的熔池大小和深度以及熔融金属的流动引起悬垂或向下朝向的表面的不良表面抛光。
另外，在一些已知加性制造系统中，由于因表面下结构和金属粉末的热导率的变化性引起的熔池变化，降低组件的尺寸精度和小特征分辨率。由于熔池大小变化，所以印制结构的精度特别是在特征的边缘变化。
至少一些已知加性制造系统包括成像装置，以便在制作过程期间生成熔池的部分的图像。成像装置包括具有快门的摄像机，所述快门对极短的时间期开启。成像装置在熔融过程期间跟踪聚焦能量源，以捕获光。但是，成像装置仅生成熔池的部分的图像。此外，成像装置在没有参考特定位置的情况下生成熔池的部分的图像。另外，成像装置要求对特定加性制造系统所定制的复杂编程和设备。
发明内容
在一个方面，一种加性制造系统包括：保持微粒的表面；以及聚焦能量源，配置成生成至少一个束，其沿表面移动以将微粒加热到熔点，从而创建熔融路径（melt path）。摄像机配置成在所述至少一个束沿表面移动时生成表面的图像。摄像机具有视场，并且相关于表面被定位，使得视场包含定义多个光栅的熔融路径的一部分。摄像机生成定义所述多个光栅的熔融路径的至少该部分的时间曝光图像。
在另一方面，一种使用加性制造系统来制造部件的方法包括在表面上沉积微粒层。使用聚焦能量源将微粒加热到微粒的熔点。聚焦能量源的束定向在微粒，以及形成熔池，其发射熔池光。移动该束，以生成熔池路径。摄像机被暴露于熔池光，以及采用摄像机来生成熔池路径的至少一部分的时间曝光图像。
在还有的另一方面，提供一种供加性制造系统中使用的成像装置，加性制造系统包括：保持微粒的表面；以及聚焦能量源，配置成生成至少一个束，其沿表面移动以将微粒加热到熔点。成像装置包括摄像机。该摄像机包括：传感器；以及外壳，其定义用于光穿过并且照射传感器的光圈。成像装置还包括触发器，其配置成接收与聚焦能量源的操作特性相关的信号，并且基于该信号来控制光经过光圈的传播，使得摄像机在聚焦能量源的操作期间生成微粒的时间曝光图像。
本公开由此提供以下技术方案：
技术方案1. 一种加性制造系统，包括：
表面，保持微粒；
聚焦能量源，配置成生成至少一个束，所述束沿所述表面移动以将所述微粒加热到熔点，从而创建熔融路径；以及
摄像机，配置成当所述至少一个束沿所述表面移动时生成所述表面的图像，所述摄像机具有视场，所述摄像机相关于所述表面被定位，使得所述视场包含定义多个光栅的所述熔融路径的一部分，其中所述摄像机生成定义所述多个光栅的所述熔融路径的至少所述部分的时间曝光图像。
技术方案2. 按照技术方案1所述的加性制造系统，还包括用于处理所述时间曝光图像的处理器，所述处理器配置成识别所述时间曝光图像内的光强度的差。
技术方案3. 按照技术方案1所述的加性制造系统，还包括快门，可定位在允许光穿过光圈的开启位置与阻止光穿过所述光圈的闭合位置之间，其中所述快门控制所述摄像机的曝光时间。
技术方案4. 按照技术方案3所述的加性制造系统，还包括耦合到所述摄像机的触发器，所述触发器配置成控制所述快门的定位。
技术方案5. 按照技术方案1所述的加性制造系统，还包括壳体，所述壳体定义其中的视口，所述摄像机定位成与所述视口相邻。
技术方案6. 按照技术方案5所述的加性制造系统，其中，所述壳体包括底壁、与所述底壁相对的顶壁以及至少部分在所述底壁与所述顶壁之间延伸的侧壁，所述底壁至少部分定义所述表面。
技术方案7. 按照技术方案6所述的加性制造系统，其中，所述视口通过所述侧壁来定义。
技术方案8. 一种使用加性制造系统来制造部件的方法，所述方法包括：
在表面上沉积微粒的层；
使用聚焦能量源将所述微粒加热到所述微粒的熔点；
将所述聚焦能量源的束定向在所述微粒；
形成所述微粒的熔池，其中所述熔池发射熔池光；
移动所述聚焦能量源的所述束，以生成溶池路径；
将摄像机暴露于所述熔池光；以及
采用所述摄像机来生成所述熔池路径的至少一部分的时间曝光图像。
技术方案9. 按照技术方案8所述的方法，其中，沉积微粒的层包括沉积微粒的第一层，所述方法还包括在所述微粒的所述第一层的至少一部分之上沉积微粒的第二层。
技术方案10. 按照技术方案8所述的方法，其中，移动所述聚焦能量源的束包括沿所述微粒上的行移动所述聚焦能量源的束，所述微粒上的所述行形成多个光栅。
技术方案11. 按照技术方案10所述的方法，还包括在将所述聚焦能量源的所述束定向在所述微粒之前开启所述摄像机的快门，并且在形成所述多个光栅之后闭合所述快门。
技术方案12. 按照技术方案8所述的方法，还包括检查所述时间曝光图像，以确定所述熔池的特性。
技术方案13. 按照技术方案12所述的方法，其中，检查所述时间曝光图像包括确定所述时间曝光图像中的光强度的差。
技术方案14. 按照技术方案12所述的方法，还包括将所述时间曝光图像与所述组件的电子图像进行比较。
技术方案15. 按照技术方案8所述的方法，还包括对于比大致1分钟要长的时间期将摄像机的快门定位在开启位置。
技术方案16. 按照技术方案15所述的方法，其中，将摄像机的快门定位在开启位置包括将所述快门交替地定位在开启和闭合位置，使得所述快门对于比大致1分钟要长的时间期累积地处于所述开启位置。
技术方案17. 一种供加性制造系统中使用的成像装置，所述加性制造系统包括保持微粒的表面以及配置成生成沿所述表面移动以将所述微粒加热到熔点的至少一个束的聚焦能量源，所述成像装置包括：
摄像机，包括：
传感器；
外壳，定义用于光穿过并且照射所述传感器的光圈；以及
触发器，配置成接收与所述聚焦能量源的操作特性相关的信号，并且基于所述信号来控制光经过所述光圈的传播，使得所述摄像机在所述聚焦能量源的操作期间生成所述微粒的时间曝光图像。
技术方案18. 按照技术方案17所述的成像装置，还包括快门，可定位在允许光穿过所述光圈的开启位置与阻止光穿过所述光圈的闭合位置之间，所述触发器配置成对于比大致1分钟要长的时间期将所述快门保持在所述开启位置。
技术方案19. 按照技术方案17所述的成像装置，还包括用于处理所述时间曝光图像的处理器，所述处理器配置成检测所述时间曝光图像中的光强度。
技术方案20. 按照技术方案17所述的成像装置，还包括用于过滤穿过所述光圈的光的过滤器，所述过滤器配置成在所述聚焦能量源的操作期间阻止所述传感器对光的过度曝光。
附图说明
在参照附图阅读以下详细描述时，本公开的这些及其它特征、方面和优点将变得更好理解，在附图中，相似字符表示遍布图的相似部件，其中：
图1是包括示范成像装置的示范加性制造系统的示意图；
图2是在图1所示加性制造系统的操作期间使用图1所示成像装置所生成的示范时间曝光图像的照片；
图3是在包括悬垂特征的组件的形成期间使用图1所示成像装置所生成的示范时间曝光图像的照片；以及
图4是在包括悬垂特征的组件的形成期间使用图1所示成像装置所生成的示范时间曝光图像的照片。
除非另有说明，否则本文所提供的图意在示出本公开的实施例的特征。这些特征被认为可适用于包括本公开的一个或多个实施例的广泛多种系统。因此，所述图并非意在包括本领域的技术人员已知的、实施本文所公开实施例所要求的所有常规特征。
具体实施方式
在以下说明书和权利要求中，将对会定义成具有下列含意的多个术语进行参照。
单数形式“一（a或an）”、“该（the）”和“所述（the）”包括复数引用，除非上下文另加明确说明。
“可选的”或“可选地”表示随后描述的事件或情况可能发生或者可能不发生，以及本描述包括其中发生事件的实例以及其中没有发生事件的实例。
本文所使用的近似语言在本说明书和权利要求中通篇可适用于修饰可准许改变的任何定量表示，而没有引起与其相关的基本功能的变化。相应地，通过诸如“大约”、“大致”和“基本上”之类的一个或多个术语所修改的值并不局限于所指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可对应于用于测量该值的仪器的精确度。在这里并且在整个说明书和权利要求中，范围限制可被组合和/或互换，这类范围被标识，并且包括其中包含的所有子范围，除非上下文或语言另加说明。
如本文所使用的术语“处理器”和“计算机”及相关术语、例如“处理装置”、“计算装置”和“控制器”并不局限于只是本领域称作计算机的那些集成电路，而是广义地表示微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路以及其它可编程电路，并且这些术语在本文中可互换地使用。在本文所述的实施例中，存储器可包括但不限于计算机可读媒体(例如随机存取存储器(RAM))和计算机可读非易失性媒体(例如闪速存储器)。备选地，也可使用软盘、致密盘只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)和/或数字多功能盘(DVD)。另外，在本文所述的实施例中，附加输入通道非限制性地可以是与操作员接口关联的计算机外设，例如鼠标和键盘。备选地，也可使用其它计算机外设，其可包括例如但不限于扫描仪。此外，在示范实施例中，附加输出通道可包括但不限于操作员接口监视器。
此外，如本文所使用的术语“软件”和“固件”是可互换的，并且包括存储器中供个人计算机、工作站、客户端和服务器运行的任何计算机程序存储。
如本文所使用的术语“非暂态计算机可读媒体”旨在表示按照任何技术方法所实现以用于信息(例如计算机可读指令、数据结构、程序模块和子模块或者任何装置中的其它数据)的短期和长期存储的任何有形的基于计算机的装置。因此，本文所述的方法可编码为包含在有形非暂态计算机可读媒体(非限制性地包括存储装置和/或存储器装置)中的可运行指令。这类指令在由处理器运行时使该处理器执行本文所述方法的至少一部分。此外，如本文所使用的术语“非暂态计算机可读媒体”包括所有有形计算机可读媒体，非限制性地包括非暂态计算机存储装置，非限制性地包括易失性和非易失性媒体、可移除和不可移除媒体，例如固件、物理的虚拟存储装置、CD-ROM、DVD，以及任何其它数字源(例如网络或因特网)，以及有待开发的数字部件，其中唯一例外是暂态传播信号。
此外，如本文所使用的术语“实时”表示关联事件的发生时间、预定数据的测量和收集的时间、处理数据的时间以及对事件和环境的系统响应的时间中的至少一个。在本文所述的实施例中，这些活动和事件基本上同时发生。
如本文所使用的术语“时间曝光图像”和“长曝光图像”表示通过对延长时间期将成像装置的传感器暴露于光所生成的图像。
本文所述的系统和方法涉及加性制造系统、例如直接金属激光熔融(DMLM)系统。本文所述的实施例包括聚焦能量源和成像装置。在聚焦能量源的操作期间，成像装置生成形成熔池的熔融微粒的时间曝光图像。在一些实施例中，在时间曝光图像中捕获基本上整个熔池。时间曝光图像示出在整个熔池所发射的光的强度。在一些实施例中，检查时间曝光图像，以确定加性制造过程中的变化和缺陷。因此，校正加性制造过程中的误差，并且改进过程。在一些实施例中，时间曝光图像在前馈过程中用来改进后续组件的制造。
图1是包括成像装置102的示范加性制造系统100的示意图。在示范实施例中，加性制造系统是直接金属激光熔融(DMLM)系统。加性制造系统100还包括光学上耦合到光学器件106的聚焦能量源104以及用于控制聚焦能量源104的扫描的检流计108。在示范实施例中，聚焦能量源104是激光装置。在备选实施例中，加性制造系统100包括任何聚焦能量源104，其使加性制造系统100能够如本文所述进行操作。例如，在一些实施例中，加性制造系统100具有带有第一功率的第一聚焦能量源104以及带有与第一功率不同的第二功率的第二聚焦能量源104。在其它实施例中，加性制造系统100具有带有基本上相同功率输出的至少两个聚焦能量源104。在其它实施例中，加性制造系统100包括至少一个聚焦能量源104，其是电子束发生器。
在示范实施例中，加性制造系统100还包括壳体110，其定义配置成保持微粒114的表面112。壳体110包括：底壁116，定义表面112；顶壁118，与底壁116相对；以及侧壁120，至少部分在底壁116与顶壁118之间延伸。在备选实施例中，壳体110包括任何壁和表面，其使加性制造系统100能够如本文所述进行操作。在示范实施例中，侧壁120定义其中的视口（viewport）122。在备选实施例中，视口122通过壳体110的任何部分来定义，其使加性制造系统100能够如本文所述进行操作。例如，在一些实施例中，视口122至少部分通过顶壁118来定义。在其它实施例中，壳体110定义多个视口122。
在示范实施例中，成像装置102在壳体110外部定位成与视口122相邻。图像轴126在成像装置102与表面112上的微粒114之间延伸。相应地，在示范实施例中，图像轴126贯穿视口122。成像装置102与表面112间隔沿图像轴126所测量的距离124。具体来说，图像轴126贯穿成像装置102的光圈148。在一些实施例中，距离124处于大约15厘米(cm)(6英寸(in.))与大约152 cm(60 in.)之间。在其它实施例中，距离124处于大约30 cm(12 in.)与大约91mm (36 in.)之间。在示范实施例中，距离124大约为61 cm (24 in.)。在备选实施例中，成像装置102与表面112间隔使成像装置102能够如本文所述进行操作的任何距离124。在示范实施例中，图像轴126与表面112形成角128。在一些实施例中，图像轴126和表面112形成大约70o与大约40o之间的范围中的角128。在其它实施例中，图像轴126和表面112形成大约80o与大约20o之间的范围中的角128。在示范实施例中，图像轴126和表面112形成大致45o的角128。在备选实施例中，角128是使成像装置102能够如本文所述进行操作的任何角。
如本文所使用的术语“视场”表示成像装置102在图像中捕获的对象的程度（extent）。在示范实施例中，成像装置102的视场参考表面112，并且取决于成像装置102相关于表面112的位置和取向。成像装置102的视场通过调整成像装置102的组件(例如光学器件)以及表面112与成像装置102之间的距离来调整。在示范实施例中，成像装置102具有大致250毫米(mm)×250 mm的表面112的视场。在备选实施例中，成像装置102具有使成像装置102能够如本文所述进行操作的任何视场。例如，在一些实施例中，成像装置102设置成与顶壁118相邻，并且具有大致250 mm×280 mm的表面112的视场。在其它实施例中，多个成像装置102用来创建足以覆盖较大表面112而没有实质降低分辨率的视场。
在示范实施例中，加性制造系统100还包括计算机控制系统或控制器130。检流计108由控制器130来控制，并且使聚焦能量源104的束132沿表面112上的预定路径偏转。在一些实施例中，检流计108包括二维(2D)扫描检流计、三维(3D)扫描检流计、动态聚焦检流计和/或偏转聚焦能量源104的束132的任何其它检流计系统。在备选实施例中，检流计108使多个束132沿至少一个预定路径偏转。
操作加性制造系统100，以便通过逐层制造过程来制作组件134。组件134从组件134的3D几何结构的电子表示来制作。在一些实施例中，电子表示在计算机辅助设计(CAD)或类似文件中产生。在备选实施例中，电子表示是使加性制造系统100能够如本文所述进行操作的任何电子表示。在示范实施例中，组件134的CAD文件转换成逐层格式，其包括每层的多个构建参数。在示范实施例中，组件134相对于加性制造系统100中使用的坐标系的原点沿预期取向以电子方式被设置。组件134的几何结构切割为预期厚度的层的叠层，使得每层的几何结构是在那个特定层位置经过组件134的截面的轮廓。跨相应层的几何结构来生成“工具路径”或“多个工具路径”。沿所述工具路径或多个工具路径来应用构建参数，以便从用来构成组件134的材料来制作组件134的那一层。步骤对组件134几何结构的各相应层重复进行。一旦过程完成，生成包括全部层的电子计算机构建文件(或者多个文件)。构建文件加载到加性制造系统100的控制器130，以便在每层的制作期间控制系统。
在构建文件加载到控制器130中之后，操作加性制造系统100，以便通过实现逐层制造过程、例如DMLM方法来生成组件134。示范逐层加性制造过程没有使用预先存在产品作为最终组件的前体，该过程而是从可配置形式的原料、例如微粒114来产生组件134。非限制性地例如，钢组件使用钢粉末加性地制造。加性制造系统100实现使用非限制性地例如金属、陶瓷和聚合物等的大范围材料来制作组件。在备选实施例中，DMLM从使加性制造系统100能够如本文所述进行操作的任何材料来制作组件。
如本文所使用的术语“参数”表示用来定义加性制造系统100的操作条件的特性，例如加性制造系统100中的聚焦能量源104的功率输出、聚焦能量源104的向量扫描速度、聚焦能量源104的光栅功率输出、聚焦能量源104的光栅扫描速度、聚焦能量源104的光栅工具路径以及聚焦能量源104的轮廓功率输出。在一些实施例中，参数最初由用户输入控制器130中。参数表示加性制造系统100的给定操作状态。一般来说，在光栅扫描中，束132沿相互间隔开并且平行的一系列基本直线依次扫描。在向量扫描期间，束132一般沿一系列基本直线或向量依次扫描，其中向量相互之间的取向有时改变。一般来说，一个向量的结束点与下一个向量的开始点重合。向量扫描一般用来定义组件的外轮廓，而光栅扫描一般用来“填充”轮廓所包封的空间，其中组件为实体。
在示范实施例中，成像装置102包括摄像机136，其包括透镜138、传感器140、外壳142、过滤器144和快门146。外壳142定义用于光进入外壳142所定义的内部空间150的光圈148。透镜138、过滤器144和快门146设置成与光圈148相邻。透镜138将光定向和聚焦在传感器140上，传感器140设置在内部空间150中。过滤器144过滤光，并且阻止传感器140的过度曝光。在示范实施例中，过滤器144配置成降低聚焦能量源104所发射的强光。在备选实施例中，摄像机136包括使成像装置102能够如本文所述进行操作的任何组件。
在示范实施例中，快门146可定位在开启位置(其允许光穿过光圈148)与闭合位置(其阻止光穿过光圈148)之间。在示范实施例中，快门146配置成对预定时间期保持在开启位置和闭合位置。例如，在一些实施例中，快门146对于比大约1分钟要长的时间期处于开启位置。在其它实施例中，快门146对于比大约10分钟要长的时间期处于开启位置。在示范实施例中，快门146对于大约1分钟与大约10分钟之间的范围中的时间期处于开启位置。在一些实施例中，所述时间期至少部分基于加性制造系统100所形成的组件的构建时间来确定。在备选实施例中，快门146对于使成像装置102能够如本文所述进行操作的任何时间期处于开启位置和闭合位置。例如，在一些实施例中，快门146按照配置成生成时间曝光图像的曝光序列在开启位置与闭合位置之间移动。在一些实施例中，总时间快门146在比大约1分钟要长的曝光序列期间处于开启位置。曝光序列降低来自包含在时间曝光图像中的构建的相邻部分的杂散光量。因此，在一些实施例中，比从快门保持在开启位置的曝光所生成的图像更详细叙述从曝光序列所生成的时间曝光图像。
在示范实施例中，成像装置102包括触发组件152，以控制传感器140对光的曝光。触发组件152促进快门146处于开启位置，使得传感器140暴露于充分光，以生成时间曝光图像。在备选实施例中，触发组件152是使成像装置102能够如本文所述进行操作的任何机构。在示范实施例中，触发组件152接收与聚焦能量源104的操作特性相关的信号。例如，在一些实施例中，触发组件152在层构建开始和完成时接收信号。在一些实施例中，触发组件在聚焦能量源104的操作期间接收基于熔池中的光量的信号。在其它实施例中，触发组件152接收基于输入数据、传感器信息以及使成像装置102能够如本文所述进行操作的任何其它信息的信号。在一些实施例中，基于所接收信号，触发组件152使快门146移动到开启位置或闭合位置，并且对预定时间期或者一直到触发组件152接收另一个信号之前保持在所选位置。
在成像装置102的操作期间，快门146定位在开启位置，使得允许光穿过光圈148并且照射传感器140。光激活传感器140，并且转换成电子信号。在示范实施例中，传感器140包括通过光激活的多个像素(未示出)。在备选实施例中，传感器140是使成像装置102能够如本文所述进行操作的任何传感器。在示范实施例中，快门146从开启位置移动到闭合位置，以及在快门146处于开启位置的同时基于传感器140的曝光来生成图像。在备选实施例中，快门146在暴露于光的同时在开启位置与闭合位置之间移动。基于传感器140的累积曝光和/或基于数字合计不同曝光来生成时间曝光图像。在示范实施例中将图像传送给耦合到摄像机136的处理器154。在一些实施例中，处理器154配置成识别图像中的光强度的差。
在示范实施例中，快门146在聚焦能量源104生成束132之前移动到开启位置。快门146保持在开启位置，使得传感器140在束132沿焊池移动时通过从焊池所发射的光来激活。当快门146移动到闭合位置时，生成焊池的时间曝光图像。在备选实施例中，快门146在使加性制造系统100如本文所述进行操作的任何时间移动到开启位置和闭合位置。例如，在一些实施例中，快门146在聚焦能量源104的激活之后移动到开启位置，并且在聚焦能量源104的停用之前移动到闭合位置。
在示范实施例中，控制器130是通常由加性制造系统100的制造商所提供以控制加性制造系统100的操作的任何控制器。在一些实施例中，控制器130是计算机系统，其包括至少一个处理器(未示出)和至少一个存储器装置(未示出)。在一些实施例中，控制器130包括例如将要通过加性制造系统100所制作的组件134的3D模型。在一些实施例中，控制器130至少部分基于来自人类操作员的指令来运行操作，以控制加性制造系统100的操作。由控制器130所运行的操作包括控制聚焦能量源104的功率输出，并且调整检流计108以控制加性制造系统100中的聚焦能量源104的扫描速度。
在示范实施例中，计算装置156耦合到成像装置102和聚焦能量源104。计算装置156包括存储器装置158以及耦合到存储器装置158的处理器154。在一些实施例中，处理器154包括一个或多个处理单元(非限制性地例如多核配置)。在示范实施例中，处理器154包括现场可编程门阵列(FPGA)。备选地，处理器154是准许计算装置156如本文所述进行操作的任何类型的处理器。在一些实施例中，可运行指令存储在存储器装置158中。计算装置156由编程处理器154可配置成执行本文所述的一个或多个操作。例如，通过将操作编码为一个或多个可运行指令，并且在存储器装置158中提供可运行指令，来对处理器154编程。在示范实施例中，存储器装置158是实现诸如可运行指令或其它数据之类的信息的存储和检索的一个或多个装置。在一些实施例中，存储器装置158包括一个或多个计算机可读媒体，非限制性地例如随机存取存储器(RAM)、动态RAM、静态RAM、固态硬盘、硬盘、只读存储器(ROM)、可擦可编程ROM、电可擦可编程ROM或者非易失性RAM存储器。上述存储器类型只是示范性的，并且因而并不是限制可用于存储计算机程序的存储器的类型。
在一些实施例中，存储器装置158配置成存储构建参数，非限制性地包括实时和历史构建参数值或者任何其它类型的数据。在示范实施例中，存储器装置158存储成像装置102所生成的图像。在备选实施例中，存储器装置158存储使加性制造系统100能够如本文所述进行操作的任何数据。在一些实施例中，处理器154基于数据的使用时间从存储器装置158中删除或“清除”数据。例如，处理器154改写与后续时间或事件关联的、先前所记录和存储的数据。作为补充或替代，处理器154删除超过预定时间间隔的数据。另外，存储器装置158非限制性地包括充分数据、算法和命令，以促进加性制造系统100所制作的组件134的几何条件和构建参数的测量和监视。
在一些实施例中，计算装置156包括耦合到处理器154的呈现接口160。呈现接口160向用户呈现信息、例如成像装置102所生成的图像。在一个实施例中，呈现接口160包括显示适配器(未示出)，其可耦合到显示装置(未示出)，例如阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)、有机LED(OLED)显示器或“电子墨水”显示器。在一些实施例中，呈现接口160包括一个或多个显示装置。作为补充或替代，呈现接口160包括音频输出装置(未示出)，非限制性地例如音频适配器或喇叭(未示出)。
在一些实施例中，计算装置156包括用户输入接口162。在示范实施例中，用户输入接口162耦合到处理器154，并且接收来自用户的输入。在一些实施例中，用户输入接口162非限制性地包括例如键盘、指针装置、鼠标、触控笔、触敏面板(非限制性地例如触摸垫或触摸屏)和/或音频输入接口(非限制性地例如话筒)。在其它实施例中，单个组件、例如触摸屏用作呈现接口160和用户输入接口162的显示装置。
在示范实施例中，通信接口164耦合到处理装置154，并且配置成耦合成与一个或多个其它装置、例如成像装置102进行通信，以及执行相对这类装置的输入和输出操作，同时表现为输入通道。例如，在一些实施例中，通信接口164非限制性地包括有线网络适配器、无线网络适配器、移动电信适配器、串行通信适配器或并行通信适配器。通信接口164从一个或多个远程装置接收数据信号或向一个或多个远程装置传送数据信号。例如，在备选实施例中，计算装置156的通信接口164与控制器130进行通信。
呈现接口160和通信接口164均能够例如向用户或处理器154提供适合与本文所述方法配合使用的信息。相应地，呈现接口160和通信接口164称作输出装置。类似地，用户输入接口162和通信接口164能够接收适合与本文所述方法配合使用的信息，并且称作输入装置。
图2是在加性制造系统100的操作期间使用成像装置102所生成的时间曝光图像200的照片。时间曝光图像200示出包括多个光栅202的熔池。如本文所使用的术语“光栅”表示沿熔融路径的一系列平行线。如图2所示，光栅202是交替光，即，更强和暗、即不太强。束132的传播方向生成具有较高强度和较小强度的交替光栅202。具体来说，时间曝光图像200示出在朝成像装置102的方向沿束132的路径具有更大强度以及在背离成像装置102的方向沿束132的路径具有较小强度的光栅202。在一些实施例中，时间曝光图像200指示熔池的特性、例如熔池所发射的光的强度。例如，在所示实施例中，时间曝光图像200包括高强度部分204，其指示熔池中的缺陷。相应地，时间曝光图像200促进操作员在后续组件的形成期间进行校正缺陷的判断。
图3和图4是在包括悬垂特征304的组件的形成期间使用成像装置102所生成的时间曝光图像300、302的照片。时间曝光图像300示出熔池具有至少部分折叠的相邻悬垂特征304。时间曝光图像302示出悬垂特征304在后续层的形成期间至少部分已经填充。检查和比较时间曝光图像300、302的操作员将确定对后续组件中用于形成悬垂特征304的制造过程的任何必要校正。
参照图1-4，使用加性制造系统100来制造部件的示范方法包括在表面112上沉积微粒114的第一层。成像装置102的快门146移动到开启位置并且保持在开启位置。在一些实施例中，快门146保持在开启位置超过1分钟。在示范实施例中，快门146对于大约1分钟与大约10分钟之间的范围中的时间期保持在开启位置。在备选实施例中，快门146对于使成像装置102能够如本文所述进行操作的任何时间期保持在开启位置。
在示范实施例中，束132定向到表面112上的微粒114的第一层，以及微粒114被加热到熔点。微粒114至少部分熔融以形成熔池，其发射光。在一些实施例中，控制器130控制加性制造系统100将束132从聚焦能量源104定向到微粒114。控制器130按照组件134的构建文件所定义的预定路径来控制检流计108的移动，以便跨表面112上的微粒114扫描束132，以形成熔融路径。摄像机136相关于表面112被定位，使得摄像机136的视场包含定义光栅202的熔融路径的一部分。在示范实施例中，来自熔池的光穿过光圈148并且照射传感器140，同时快门146保持在开启位置。快门146移动到闭合位置，并且摄像机136生成熔池的时间曝光图像200、300和304。在一些实施例中，摄像机生成定义光栅202的熔融路径的至少部分的时间曝光图像200、300和304。在一些实施例中，微粒114的第二层沉积在表面112上，并且微粒114的第二层通过束132来加热。在其它实施例中，摄像机136生成组件的多个时间曝光图像200、300和304。在示范实施例中，检查时间曝光图像200、300和304，以确定熔池的特性。在一些实施例中，将时间曝光图像200、300和304与组件的电子图像进行比较，以确定时间曝光图像与电子图像之间的变化。
上述系统和方法涉及加性制造系统、例如直接金属激光熔融(DMLM)系统。上述实施例包括聚焦能量源和成像装置。在聚焦能量源的操作期间，成像装置生成形成熔池的熔融微粒的时间曝光图像。在一些实施例中，在时间曝光图像中捕获基本上整个熔池。时间曝光图像示出在整个熔池的光的强度。在一些实施例中，检查时间曝光图像，以确定加性制造过程中的变化和缺陷。因此，校正加性制造过程中的误差，并且改进过程。在一些实施例中，时间曝光图像在前馈过程中用来改进后续组件的制造。
本文所述的方法和系统的示范技术效果包括下列至少一个：(a) 在组件的形成期间对单个层中的基本上全部熔池进行成像；(b) 确定来自熔池的不同点的光的强度；(c)将熔池的图像与位置相关；(d) 减少对熔池进行成像所需的时间和资源；(e) 增加成像装置与不同加性制造系统的兼容性；(f) 检测加性制造过程期间的缺陷；(g) 减少产品开发循环时间；(h) 增加对准确几何结构的机器控制；以及(i) 提供关于熔池的视觉反馈。
一些实施例涉及一个或多个电子或计算装置的使用。这类装置通常包括处理器或控制器，例如通用中央处理器(CPU)、图形处理单元(GPU)、微控制器、现场可编程门阵列(FPGA)、简化指令集计算机(RISC)处理器、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑电路(PLC)和/或能够运行本文所述功能的任何其它电路或处理器。在一些实施例中，本文所述的方法编码为包含在非限制性地包括存储装置和/或存储器装置的计算机可读媒体中的可运行指令。这类指令在由处理器运行时使该处理器执行本文所述方法的至少一部分。上述示例只是示范性的，且因而并非旨在以任何方式限制术语“处理器”的定义和/或含意。
以上详细描述了用于增强制作加性制造组件的构建参数的示范实施例。设备、系统和方法并不局限于本文所述的具体实施例，而是可单独且独立于本文所述的其它操作或组件来使用方法的操作和系统的组件。例如，本文所述的系统、方法和设备可具有其它行业或消费者应用，且并不局限于采用如本文所述组件的实施。相反，一个或多个实施例可结合其它行业来实现和利用。
虽然本发明的各个实施例的具体特征可在一些图中示出而在其它图中未示出，但是这只是为了方便起见。按照本发明的原理，图的任何特征可与任何其它图的任何特征结合被引用或被要求权利。
本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且使本领域的技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法。本发明可取得专利的范畴由权利要求来定义，并且可包括本领域的技术人员想到的其它示例。如果这类其它示例具有不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或如果它们包括与权利要求的字面语言有非本质差别的等同结构元件，则它们旨在位于权利要求的范畴之内。
部件列表
DMLM系统 ....................................................... 100
成像装置 ....................................................... 102
激光装置 ....................................................... 104
光学器件 ....................................................... 106
检流计 ......................................................... 108
表面 ........................................................... 110
微粒 ........................................................... 112
壳体 ........................................................... 114
底壁 ........................................................... 116
顶壁 ........................................................... 118
侧壁 ........................................................... 120
视口 ........................................................... 122
距离 ........................................................... 124
图像轴 ......................................................... 126
角 ............................................................. 128
控制器 ......................................................... 130
束 ............................................................. 132
组件 ........................................................... 134
摄像机 ......................................................... 136
透镜 ........................................................... 138
传感器 ......................................................... 140
外壳 ........................................................... 142
过滤系统 ....................................................... 144
快门 ........................................................... 146
光圈 ........................................................... 148
内部空间 ....................................................... 150
触发组件 ....................................................... 152
处理器 ......................................................... 154
计算装置 ....................................................... 156
存储器装置 ..................................................... 158
呈现接口 ....................................................... 160
用户输入接口 ................................................... 162
通信接口 ....................................................... 164
时间推移（lapse）图像 ............................................ 200
光栅 ........................................................... 202
高强度部分 ..................................................... 204
时间推移图像.................................................... 300
时间推移图像 ................................................... 302
悬垂特征 ....................................................... 304

Claims (10)

1.一种加性制造系统(100)，包括：
表面（112），保持微粒(114)；
聚焦能量源(104)，配置成生成至少一个束(132)，所述束(132)沿所述表面移动以将所述微粒加热到熔点，从而创建熔融路径；以及
摄像机(136)，配置成当所述至少一个束沿所述表面移动时生成所述表面的图像(200，300，302)，所述摄像机具有视场，所述摄像机相关于所述表面被定位，使得所述视场包含定义多个光栅(202)的所述熔融路径的一部分，其中所述摄像机生成定义所述多个光栅的所述熔融路径的至少所述部分的时间曝光图像。
2.按照权利要求1所述的加性制造系统(100)，还包括用于处理所述时间曝光图像(200，300，302)的处理器(154)，所述处理器配置成识别所述时间曝光图像内的光强度的差。
3.按照权利要求1所述的加性制造系统(100)，还包括快门(146)，可定位在允许光穿过光圈(148)的开启位置与阻止光穿过所述光圈的闭合位置之间，其中所述快门控制所述摄像机(136)的曝光时间。
4.按照权利要求3所述的加性制造系统(100)，还包括耦合到所述摄像机(136)的触发器(152)，所述触发器配置成控制所述快门(146)的定位。
5.一种使用加性制造系统(100)来制造部件(134)的方法，所述方法包括：
在表面(112)上沉积微粒(114)的层；
使用聚焦能量源(104)将所述微粒加热到所述微粒的熔点；
将所述聚焦能量源的束(132)定向在所述微粒；
形成所述微粒的熔池，其中所述熔池发射熔池光；
移动所述聚焦能量源的所述束，以生成溶池路径；
将摄像机(136)暴露于所述熔池光；以及
采用所述摄像机来生成所述熔池路径的至少一部分的时间曝光图像(200，300，302)。
6.按照权利要求5所述的方法，其中，移动所述聚焦能量源(104)的束(132)包括沿所述微粒(114)上的行移动所述聚焦能量源的束，所述微粒上的所述行形成多个光栅(202)。
7.按照权利要求5所述的方法，还包括对于比大致1分钟要长的时间期将摄像机(136)的快门(146)定位在开启位置。
8.一种供加性制造系统(100)中使用的成像装置(102)，所述加性制造系统(100)包括保持微粒（114）的表面（112）以及配置成生成沿所述表面移动以将所述微粒加热到熔点的至少一个束(132)的聚焦能量源(104)，所述成像装置包括：
摄像机(136)，包括：
传感器(140)；
外壳(142)，定义用于光穿过并且照射所述传感器的光圈(148)；以及
触发器(152)，配置成接收与所述聚焦能量源的操作特性相关的信号，并且基于所述信号来控制光经过所述光圈的传播，使得所述摄像机在所述聚焦能量源的操作期间生成所述微粒的时间曝光图像(200，300，302)。
9.按照权利要求8所述的成像装置(102)，还包括快门(146)，可定位在允许光穿过所述光圈(148)的开启位置与阻止光穿过所述光圈的闭合位置之间，所述触发器配置成对于比大致1分钟要长的时间期将所述快门保持在所述开启位置。
10.按照权利要求8所述的成像装置，还包括用于处理所述时间曝光图像(200，300，302)的处理器(154)，所述处理器配置成检测所述时间曝光图像中的光强度。
CN201610945112.3A 2015-11-02 2016-11-02 包括成像装置的增材制造系统和操作这类系统的方法 Active CN107052583B (zh)

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