CN107116790B - 激光粉末床加性制造的多变量统计过程控制 - Google Patents

激光粉末床加性制造的多变量统计过程控制 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于使用多变量统计控制过程来减少加性制造的零件或对象的变化的方法。本发明还涉及能够用来在加性制造装置或设备中实现方法的系统和软件。

Description

激光粉末床加性制造的多变量统计过程控制
技术领域
本发明在用于制作对象的基于激光的加性制造过程的领域中。具体地，本发明涉及用于通过在使用加性制造过程来制作对象中使用多变量统计过程控制而监测工件质量的方法。
技术背景
与减性(subtractive)制造方法形成对照，加性制造(AM)过程通常涉及一个或多个材料的积聚，其用来制作净形或者近净形(NMS)对象。虽然“加性制造”是工业标准术语(ASTM F2792)，但是AM囊括在多种名称下已知的各种制造和原型制作技术，包含自由成型制作、3D印刷、快速原型制作/加工等。AM技术能够根据各种各样的材料来制作复合组件。通常，独立对象能够根据计算机辅助设计(CAD)模型来制作。一种特定类型的AM过程使用能量束、例如电子束或电磁辐射(例如激光束)来烧结或熔融粉末材料，从而创建固体三维对象，其中粉末材料的微粒结合在一起。例如工程塑料、热塑弹性体、金属和陶瓷的不同材料系统被使用。激光烧结或熔融是一种用于功能原型和工具的快速制作的著名AM过程。应用包含复杂加工件、熔模铸造的图案、注射模塑和拉模铸造的金属铸型以及砂型铸造的铸型和型芯的直接制造。用来增强设计周期期间的概念的传递和测试的原型对象的制作是AM过程的其他的常见使用。
选择性激光烧结、直接激光烧结、选择性激光熔融和直接激光熔融是用来表示通过使用激光束烧结或熔融细粉来产生三维(3D)对象的常见工业术语。例如，美国专利号4863538和美国专利号5460758描述常规激光烧结技术。更准确来说，烧结需要在低于粉末材料的熔点的温度下熔合(凝聚)粉末的微粒，而熔融需要完全熔融粉末的微粒，以形成固体均质体。与激光烧结或激光熔融关联的物理过程包含到粉末材料的热传递，并且然后烧结或熔融粉末材料。虽然激光烧结和熔融过程能够应用于宽范围的粉末材料，但是尚未充分理解生产路线(route)的科学和技术方面、例如烧结或熔融速率以及在层制造过程期间的处理参数对微结构演进的影响。这种制作方法伴随有热、质量和动量传递的多种模式以及使过程极为复杂的化学反应。
图1是示范常规激光加性制造系统100的截面图的示意图。设备100通过使用由源、例如激光器120所生成的能量束136烧结或熔融粉末材料(未示出)按照逐层方式来构建对象、例如部件122。将要由能量束所熔融的粉末由贮存器126来供应，并且使用重涂器臂116均匀遍布于构建板114之上，以将粉末保持在水平118处，并且将延伸于粉末水平118上方的多余粉末材料移除到废物容器128。能量束136烧结或熔融在检流计扫描仪132的控制下构建的对象的截面层。降低构建板114，并且另一个粉末层遍布于构建板和所构建的对象之上，后面是由激光器120对粉末的连续熔融/烧结。该过程重复进行，直到部件122由熔融/烧结的粉末材料完全构成。激光器120可由包含处理器和存储器的计算机系统来控制。计算机系统可确定每层的扫描图案或"标记"，并且控制激光器120按照扫描图案来辐照粉末材料。在部件122的制作完成之后，各种后处理规程可应用于部件122。后处理规程包含通过例如吹风或真空处理来移除多余粉末。其他后处理规程包含应力释放过程。另外，热、机械和化学后处理规程能够用来抛光部件122。
确保可重复性和一致性是先前在激光AM中未解决的挑战，因为，出于原型制作的目的，AM已常规地用作制作零件的手段。然而，随着AM从原型制作零件移向大量生产零件，所以存在对于从构建至构建和从机器至机器的可重复性和重现性使得可以在一致的基础上生产相同的零件的更大需要。这必须在不牺牲正在生产的零件的总体质量的情况下完成，这将要求对最终零件的某个检查或审查。迄今，AM过程在一致的基础上生产质量零件的方面具有困难。在多于一个场合下，这已被授予AM过程的艾基利斯之踵的弱点的称号。解决该问题的关键步骤是，开发监测并校正AM制作过程期间的误差的方法，使得存在用来执行后过程质量检查的降低的需要。
在任何制造过程中，存在诸如，但不限于时间、温度和/或速度的变量，并且，这些变量将影响任何具体的工件的总体质量。在激光AM过程的情况下，零件的制作能够受到要求仔细监测构建过程的许多参数的影响，使得制造过程导致最终产品具有有限的缺损和/或要求有限的后制作处理。已在现有技术中描述对激光AM过程中的过程变量进行监测的许多途径。例如，美国专利6995334涉及如下的方法：对通过激光器而在基底上创建的熔池的大小进行实时监测，其中，由成像装置完成监测，并且，对激光器的功率进行实时调整，以匹配控制的功率。美国申请20090206065涉及如下的反馈方法：通过监测熔融区且实时地调整激光功率、激光光斑大小或扫描速度，以维持恒定的熔融区，从而对选择性的激光粉末处理装置进行监测和控制。最后，美国专利5427733涉及如下的方法：在通过激光器接触时，监测金属粉末的温度，并且，响应于温度读出而调整激光器，以提供恒定的激光输出功率。然而，大部分的现有技术的方法限于激光AM过程中的一个具体的变量（例如，激光功率或温度）。尤其是在多个过程中的变量影响最终产品时，检查单个过程变量仅提供有限的价值。例如，在美国专利5427733中，金属粉末的温度是所监测的过程变量，并且，进行对激光功率的调整，以便在烧结过程的热影响区中维持恒定的温度。为了完成这个，通过沿着激光束路径测量辐射发射并使辐射发射与具体的温度相关，从而对温度进行监测。除了温度之外，随着激光器围绕构建表面扫描而改变的光学路径还将另一变量引入到系统。在熔融状况下（与烧结状况相反），通过在熔池上方存在等离子体羽流(plume)而使这进一步复杂，这可能进一步影响信号。因此，监测单个变量虽然在某些方面中是有用的，但在基于激光的AM过程的现实涉及多个过程中的变量时，监测单个变量提供有限的价值。
回顾通过其制作零件的过程将提供过程内的可变性的更稳健的图片，并且提供用于校正在制造过程期间的过程参数的可变性的更好的手段。最后，这将引起后制造或后过程质量检查中的减少。执行该功能的一种方法是通过统计过程控制（SPC）和控制图表。SPC是通过其能够在过程中通过使用统计方法而对具体的过程，例如但不限于制造过程的质量进行监测并控制的手段。通过SPC而对制造过程的具体的特征或输出进行监测，以确保整个过程以稳定的可重复的方式操作。在任何过程内，无论过程是在制造还是任何其他过程，都固有地存在变化，只要这些变化满足某些稳定性准则，例如属于在统计上可接受的范围内，这些变化就是可接受的。如果能够基于先前的经验和观察而在例如在统计上可接受的上限和下限范围的某些稳定性准则内预测过程将如何变化，则过程通常被理解为稳定的且在控制之下。如果例如过程期间的变化超过在统计上确定的上限和下限中的任一个，则过程被视为不稳定的。
确定过程中的在统计上可接受的变化的一种方法是通过使用控制图表（也被称为休哈特图表或过程-行为图表）。控制图表绘制具体的过程随着时间的改变和变化。图表针对过程的平均值、控制上限以及控制下限而显示中值或中心线。通过观察并绘制随着时间的过程，从而能够将变化与从先前的过程收集到的历史数据相比，并且，取决于个别的点是否属于关于中值的在统计上可接受的范围内且满足其他稳定性准则（例如，遵循西方电子规则），这些变化被认为在统计上是稳定的或不受控制的。将过程变化与平均线、上限线以及下限线比较，技术人员能够关于总体过程变化是受控的还是不受控制的而得出结论。一个常用的类型的控制图表是个别的并且移动范围（I-MR）图表（参见，例如，图2）。这种类型的控制图表能够对连续数据进行监测，其中，在各时间点处，采集一个数据点。I-MR图表由两个图表组成，这两个图表一起对过程平均值和过程变化进行监测。“I”图表对过程期间的个别的数据点中的趋势和位移进行监测。“MR”图表用来对在过程期间观察到的数据的移动范围中的短期变化进行监测。
由于基于激光的AM限于原型制作零件，因而存在对大量生产零件所要求的过程中的生产分析的尚未完全领会。减少用来检查所生产的每个物品的需要将允许快速而高效地大量生产零件。相反，通过SPC而监测过程中的变量将实现统计采样，以作为执行使用基于激光的AM生产的零件的质量检查的一种方法。基于激光的AM过程包含各种过程变量，包含但不限于激光功率或驱动信号、构建板上的X和Y定位位置、激光扫描速度、激光扫描方向、来自熔池和/或等离子体（PD或高温计）的同轴光学信号、熔池大小、来自熔池和/或等离子体的离轴光学信号、激光相对于构建表面的入射角、激光相对于正在构建的零件的入射角、气流速度和/或给定层/位置的下方的正在构建的零件的传导性质。
监测单个变量虽然在某种水平上是有用的，但未考虑到进入加性制造零件的多个过程变量之间的多层面的相互关系。尽管认识到且理解到这些过程变量影响最终的构建质量，目前不存在关于激光加性制造的有意义的过程控制系统。在现有技术描述用来监测过程的过程控制机构的意义上，限于在基于反馈的机构中监测单个变量且调整过程。然而，监测单个变量具有有限的价值，因为，最经常的多个因素影响例如常见的传感器响应。例如，同轴光电二极管响应是至少以下的变量的函数：激光功率、激光扫描速度、激光扫描方向、粉末层厚度、相对于正在构建的零件的激光入射角以及气流速度。例如，尽管在着眼于单个过程变量时被充分计及，在扫描策略（例如，影线、后轮廓(post-contour)等）的任何给定的部分中，对于同轴光电二极管响应是不稳定的且不受统计控制,这是常见的。因此，当在制作过程期间检查单个变量时，存在差异。
本发明通过基于多个关键过程而对构建质量和变化进行监测并确定，从而克服也被称为单变量SPC的检查单个变量的分析。远离单变量SPC而移到多变量SPC允许进一步提高的效率和更高的质量构建。多变量统计过程控制途径考虑若干相关的变量之间的均值或关系。
发明内容
本发明涉及如下的方法：通过对在AM过程期间获得的关键过程变量进行监测，并且，基于多变量统计过程控制（SPC）分析而在统计上确定构建过程是否满足稳定性准则，其包含属于在统计上可接受的范围内，从而对基于激光的AM过程的质量进行控制。如果过程满足稳定性准则，其包含属于在统计上可接受的范围内，则过程被认为是稳定的，然而，如果过程超出在统计上可接受的范围，则过程不受控制，并且，要求使过程停止且调整多个变量，从而使过程回到在统计上可接受的范围中。多变量SPC利用来自同轴电磁传感器、离轴电磁传感器、声学传感器、激光检流计驱动信号、激光功率/驱动传感器的组合的信号的过程中的监测。在另一实施例中，本发明还涉及包括用于执行多变量SPC过程的软件和加性制造设备的系统。系统允许加性制造设备回顾多个过程变量，并且，将变量和与标准偏差的在统计上可接受的范围比较，并且警告和提供操作员这样的数据:一个或更多个过程变量如果被要求，则要求调整，使得过程回落到诸如在统计上正常或可接受的范围的稳定性准则内。
本发明提供一组技术方案,如下:
1．一种通过激光加性制造而制造零件的方法，包括：
（a）照射粉末床中的粉末层以形成熔合区域；
（b）通过使重涂器臂从所述粉末床的第一侧在所述粉末床之上经过，从而在所述粉末床之上提供随后的粉末层；
（c）重复步骤（a）和（b），以在所述粉末床中形成所述零件；
（d）当进行步骤（a）–（c）时，记录两个或更多个过程参数的信号，所述过程参数包括激光功率、激光功率驱动信号、聚焦于构建表面上的激光的x/y位置、激光扫描速度、激光扫描方向、来自熔池的同轴电磁发射、来自等离子体的同轴电磁发射、熔池大小、来自熔池的离轴电磁发射、来自等离子体的离轴电磁发射、激光相对于构建表面的入射角、激光相对于工件的入射角、气流速度、粉末床温度、粉末层厚度或给定层/位置的下方的工件的热传导性质；
（e）针对所记录的过程参数，将两个或更多个所述所记录的信号变换成缩减的变量信号；
（f）确定所述缩减的变量信号是否处于所述过程的控制极限内；以及
（g）在所述缩减的变量信号超过所述控制极限时，生成警报信号。
2．如技术方案1所述的方法，其中，所述加性制造过程为DMLS。
3．如技术方案1所述的方法，其中，通过主分量分析而变换所述缩减的变量集。
4．如技术方案1所述的方法，其中，根据西方电子规则而确定所述缩减的变量集处于控制极限内。
5．如技术方案1所述的方法，其中，基于至少一个多变量控制图表而确定所述缩减的变量集处于控制极限内。
6．如技术方案5所述的方法，其中，所述至少一个多变量控制图表是至少两个过程变量的组合。
7．如技术方案6所述的方法，其中，所述至少一个多变量控制图表。
8．如技术方案5所述的方法，其中，针对作为所述零件中的层的总数的子集的一组层而执行步骤（d）。
9．一种用于激光粉末床加性制造过程的多变量统计过程控制的方法，包括当根据过程变量而构建工件时计算缩减的变量集和使指示所述过程是否依然处于统计控制内的信号返回，其中，所述操作员响应于所述信号而操纵受控制的过程变量的一个或更多个设定点。
10．如技术方案9所述的方法，其中，所述受控制的过程变量包含平均激光功率、光斑尺寸、扫描速度、扫描间距、扫描策略、重涂器速度、重涂器压力、重涂器剂量、粉末层厚度、粉末床温度、氧水平、压力、气流速度、系统压力或环境温度。
11．一种软件程序，实现如权利要求1所述的多变量统计过程控制。
12．如技术方案11所述的软件程序，进一步包括被集成至DMLM机器中。
附图发明
图1是常规的激光加性制造设备的示意图。
激光加性制造过程用图表示熔池以及激光器在制造过程期间移动的路径和速度。
图2是示出用于监测单个变量的在统计上可接受的范围和不可接受的范围的I-MR控制图表。
图3是验证在逐层的基础上对过程变量进行监测的能力的示出基于激光的AM过程的过程参数的示范性的控制图表，并且，提供来自所有的层的具体的层的子集是否满足稳定性控制准则。
具体实施方式
下面的详细描述阐述如下的方法：使用多变量统计过程控制来针对具体的构建而评价加性制造构建过程是否满足稳定性准则，包含属于在统计上可接受的范围内。描述应当明确地使本领域技术人员能够使用方法，并且，描述阐述若干实施例、适应、变化、备选方案以及方法的应用，包含目前被认为是其最佳模式的内容。虽然所描述的方法被描述为对一个具体的类型的激光加性制造过程执行或使用一些可能的过程变量，但预期该方法广泛地可应用于其他加性制造过程或能够包含影响构建过程的其他过程变量。
在一个实施例中，方法涉及通过激光加性制造而制造零件或对象，包括如下的步骤：（a）照射粉末床中的粉末层，以形成熔合区域；（b）通过使重涂器臂从粉末床的第一侧在粉末床之上经过，从而在粉末床之上提供随后的粉末层；（c）重复步骤（a）和（b），从而在粉末床中形成零件；（d）当进行步骤（a）–（c）时，记录两个或更多个过程参数的信号，过程参数包括激光功率、激光功率驱动信号、聚焦于构建表面上的激光的x/y位置、激光扫描速度、激光扫描方向、来自熔池的同轴电磁发射、来自等离子体的同轴电磁发射、熔池大小、来自熔池的离轴电磁发射、来自等离子体的离轴电磁发射、激光相对于构建表面的入射角、激光相对于零件的入射角、气流速度、粉末床温度、粉末层厚度或给定层/位置的下方的零件的热传导性质；（e）针对所记录的过程参数，将两个或更多个所记录的信号变换成缩减的变量信号；（f）确定缩减的变量信号是否处于过程的控制极限内；以及（g）在缩减的变量信号超过控制极限时，生成警报信号。
在一个实施例中，本发明涉及用于激光AM过程的多变量统计过程控制（SPC）的方法，其中，方法包括：当根据过程变量构建工件时，计算缩减的变量集；以及使指示过程是否依然处于统计控制内的信号返回。然后，对所返回的信号的评价能够用来允许在统计控制下继续过程或开始使过程中断或停止，以响应于信号而对受控制的过程变量的一个或更多个设定点进行调整。受控制的过程变量包含过程控制参数的任何组合。在一个实施例中，受控制的过程变量包含平均激光功率、光斑大小、扫描速度、扫描间距、扫描策略、重涂器速度、重涂器压力、重涂器剂量(dosing)、粉末层厚度、粉末床温度、氧水平、压力、气流速度、系统压力或环境温度。
在另一方面中，本发明涉及减少对象的激光AM构建质量中的变化的方法，该方法包括基于返回信号而对在构建对象期间从多变量SPC获得的过程变量进行监测和调整。如果需要，则对过程变量的调整包含对受控制的过程变量的一个或更多个设定点进行操纵，使得操纵使不稳定或不受控制的激光AM构建过程回到在统计上可接受的范围中。多变量SPC基于将过程变量转换成变量的缩减集，使得能够针对与规范或标准的差异(variance)而对制造过程进行监测。与标准或规范的任何差异将允许操作员调整一个或更多个过程变量或设定点，使得构建过程满足稳定性准则，包含属于在统计上可接受的范围内。
在另一方面中，本发明涉及包括加性制造设备的系统和执行多变量SPC过程的系统。系统允许加性制造设备回顾多个过程变量，并且，比较变量与满足的稳定性准则，包含属于与规范的偏差的在统计上可接受的范围内，并且，如果要求，则将一个或更多个过程变量调整为属于在统计上正常或可接受的范围内。
在另一实施例中，本发明涉及用于降低激光AM对象中的可变性的系统，该系统包括激光AM组件和对影响零件的制造的过程变量进行监测、存储且计算的分析组件，其中，分析组件确定加性制造组件是否在生产处于在统计上可接受的控制内的对象，其中，如果过程超出在统计上确定的规范或标准，则它给操作员提供信号，其中，操作员能够操纵从缩减的变量集收集的一个或更多个设定点，以对过程进行调整，从而使AM过程满足稳定性准则，包含属于在统计上可接受的变化内。
方法可应用于具有能够影响最终的构建产品的各种过程变量的任何激光AM过程。例如，由本发明囊括任何AM过程,其利用光栅扫描或随机扫描方法来制造构建对象,其中各种过程变量可能影响最终产品。例如，将激光用于粉末床制造上的激光AM过程例如，但不限于选择性的激光熔融（SLM）、直接金属激光烧结（DMLS）、直接金属激光熔融（DMLM）、选择性的激光烧结（SLS）或任何基于粉末床的激光加性制造过程。
过程变量可以包含在加性制造的过程中涉及的各种元素。术语过程变量、过程值或过程参数是指在构建过程期间遭受改变的过程的动态特征的同义术语。这些参数可以包含，但不限于激光功率、激光功率驱动信号、聚焦于构建表面上的激光的x/y位置、激光扫描速度、激光扫描方向、来自熔池的同轴电磁发射、来自等离子体的同轴电磁发射、熔池大小、来自熔池的离轴电磁发射、来自等离子体的离轴电磁发射、激光相对于构建表面的入射角、激光相对于正在构建的零件的入射角、气流速度、粉末床温度、粉末层厚度或给定层或位置的下方的正在构建的零件的热传导性质。
为了执行多变量SPC，参数的组合压缩或变换成缩减的变量集。虽然在本领域中已知执行多变量SPC的其他形式（例如，偏最小二乘法（PLS）），但在本申请中描述的一个常见的形式涉及主分量分析（PCA）。PCA是使用正交变换来将可能相关的变量的一组观察转换成被称为主分量的线性地不相关的变量的一组值的统计程序。主分量的数量小于或等于原始变量的数量。该变换以这样的方式定义，以致于第一主分量具有最大的可能的差异（即，计及尽可能多的数据的可变性），并且，各随后分量转而具有在它与前导分量正交的约束之下可能的最高的差异。所产生的向量是不相关的正交基集。主分量是正交的，因为，主分量为对称的协方差矩阵的特征向量。PCA对原始变量的相对标度敏感。PCA寻求获得在基于激光的AM过程中发现且定义变量的“缩减集”的过程变量或参数之间的线性的关系。一旦确定变量的缩减集，就可以将单变量的统计方法应用于确定过程的稳定性，例如从在统计上可接受的范围的变化。变量的缩减集的创建基于前面提到的参数的组合，使得它能够明显地描述基于激光的AM过程中的变化。可以在生成缩减的变量中使用从激光功率、激光功率驱动信号、聚焦于构建表面上的激光的x/y位置、激光扫描速度、激光扫描方向、来自熔池的同轴电磁发射、来自等离子体的同轴电磁发射、熔池大小、来自熔池的离轴电磁发射、来自等离子体的离轴电磁发射、激光相对于构建表面的入射角、激光相对于正在构建的零件的入射角、气流速度、粉末床温度、粉末层厚度或给定层或位置的下方的正在构建的零件的热传导性质选择的过程参数的任何组合。
缩减的变量集对对象的构建是关键的。在一个实施例中，变量的缩减集用来构造考虑各种过程控制的控制图表。在一个实施例中，过程控制图表是考虑变量的缩减集的多变量过程控制图表。变量的缩减集包含过程变量中的一个、两个、三个、四个、五个或更多个的任何组合，过程变量包含但不限于激光功率/驱动信号、构建板上的x/y位置、激光扫描速度、激光扫描方向、来自熔池和/或等离子体（PD或高温计）的同轴光学信号、熔池大小、来自熔池和/或等离子体的离轴光学信号、激光相对于构建表面的入射角、激光相对于正在构建的零件的入射角、气流速度、给定层/位置的下方的正在构建的零件的传导性质。在另一实施例中，多变量控制图表可以用来确定构建整个零件、零件的区段或零件的一个或多个层的过程是否满足稳定性准则。例如，在图3中，控制图表能够对零件的某些层进行监测，以确保在具体的层处反映的部分属于某些在统计上可接受的范围内。
过程控制图表或多变量控制图表的分析将允许激光AM过程是否属于在统计上正常的控制范围内的分析。如果过程被认为是“不受控制的”，则操作员可以干预而使构建暂停，或可以标记零件，以便在深度检查中进一步检查。在另一实施例中，在分析多变量控制图表时，可以由操作员调整与在统计上可接受的控制范围的偏差，操作员将调整过程变量，使得过程变量属于可接受的范围内。在另一实施例中，如果在从系统发信号通知过程是不受控制的或不稳定的时，则操作员可以响应于信号而操纵受控制的过程变量的一个或更多个设定点。这些控制过程变量包含平均激光功率、光斑大小、扫描速度、扫描间距、扫描策略、重涂器速度、重涂器压力、重涂器剂量、粉末层厚度、粉末床温度、氧水平、压力、气流速度、系统压力或环境温度。
本领域技术人员将领会，各种方法可应用于确定缩减的变量集是否满足稳定性准则，包含缩减集是否属于在统计上可接受的范围内还是超出在统计上可接受的范围。在一个实施例中，缩减的变量集是否满足稳定性准则的确定包含西方电子规则的应用。例如，为了对统计意义进行测验，确定在缩减的变量集控制图表中观察到的任何点是否超出3个与平均值或均值的标准偏差。这指示点的绘制是不自然的，并且，应当进一步研究具体的过程步骤。
本领域技术人员还将领会，能够对进一步使该分析自动化的计算机软件进行编程。在另一实施例中，能够将上述的校准方法及其软件合并于基于激光的加性制造机器中。例如，用于校准的过程和软件能够集成至激光加性制造机器的标准操作程序中。
示例
该示例涉及利用多变量统计过程控制的基于激光的AM过程。在DMLM机器中零件的制造期间，对各种参数或过程变量进行监测，包含但不限于激光功率、激光功率驱动信号、聚焦于构建表面上的激光的x/y位置、激光扫描速度、激光扫描方向、来自熔池的同轴电磁发射、来自等离子体的同轴电磁发射、熔池大小、来自熔池的离轴电磁发射、来自等离子体的离轴电磁发射、激光相对于构建表面的入射角、激光相对于正在构建的零件的入射角、气流速度、粉末床温度、粉末层厚度以及给定层/位置的下方的正在构建的零件的热传导性质。
根据过程变量而通过PCA来将所监测和记录的过程变量中的每个的参数计算成缩减的变量集。通过对过程中的缩减的变量集是否属于过程的控制极限内进行分析，从而利用缩减的变量集来监测零件的制造。允许属于在统计上正常的范围内的过程继续激光AM过程。对超出在统计上正常的范围的那些过程进行标记，并且，操作员将确定过程是否要求停止或与在统计上可接受的范围的偏差是否将导致零件不满足可接受的质量控制参数。
在上文中详细地描述方法和系统的示范性的实施例。方法不限于本文中所描述的具体的实施例。例如，本文中所描述的方法可以具有其他工业和/或消费者应用，并且，不限于处于激光加性制造过程的实践或所概述的具体地列举的过程变量。而是，方法能够应用于其他任何加性制造过程，其中，涉及各种过程变量，并且，变量的组合将对最终产品的构建质量是关键的。
虽然已根据各种具体的实施例而描述本发明的各种实施例，但本领域技术人员将领会且认识到，能够处于在权利要求的精神和范围内的修改来实践本发明。

Claims (11)

1.一种通过激光加性制造而制造零件的方法，包括：
（a）照射粉末床中的粉末层以形成熔合区域；
（b）通过使重涂器臂从所述粉末床的第一侧在所述粉末床之上经过，从而在所述粉末床之上提供随后的粉末层；
（c）重复步骤（a）和（b），以在所述粉末床中形成所述零件；
（d）当进行步骤（a）–（c）时，记录两个或更多个过程参数的信号，所述过程参数包括激光功率、激光功率驱动信号、聚焦于构建表面上的激光的x/y位置、激光扫描速度、激光扫描方向、来自熔池的同轴电磁发射、来自等离子体的同轴电磁发射、熔池大小、来自熔池的离轴电磁发射、来自等离子体的离轴电磁发射、激光相对于构建表面的入射角、激光相对于工件的入射角、气流速度、粉末床温度、粉末层厚度或给定层/位置的下方的工件的热传导性质；
（e）针对所记录的过程参数，将两个或更多个所述所记录的信号变换成缩减的变量信号；
（f）确定所述缩减的变量信号是否处于所述过程的控制极限内；以及
（g）在所述缩减的变量信号超过所述控制极限时，生成警报信号。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述加性制造过程为直接金属激光烧结DMLS。
3.如权利要求1所述的方法，其中，通过主分量分析而变换所述缩减的变量信号。
4.如权利要求1所述的方法，其中，根据西方电子规则而确定所述缩减的变量信号处于控制极限内。
5.如权利要求1所述的方法，其中，基于至少一个多变量控制图表而确定所述缩减的变量信号处于控制极限内。
6.如权利要求5所述的方法，其中，所述至少一个多变量控制图表是至少两个过程变量的组合。
7.如权利要求5所述的方法，其中，针对作为所述零件中的层的总数的子集的一组层而执行步骤（d）。
8.一种用于激光粉末床加性制造过程的多变量统计过程控制的方法，包括当根据两个或更多个过程变量而构建工件时计算缩减的变量集和使指示所述过程是否依然处于统计控制内的信号返回，其中，操作员响应于所述信号而操纵受控制的过程变量的一个或更多个设定点。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述受控制的过程变量包含平均激光功率、光斑尺寸、扫描速度、扫描间距、扫描策略、重涂器速度、重涂器压力、重涂器剂量、粉末层厚度、粉末床温度、氧水平、压力、气流速度、系统压力或环境温度。
10.一种计算机可读介质，其上存储有指令，所述指令在由计算装置执行时，促使所述计算装置执行如权利要求8-9中任一项所述的多变量统计过程控制的方法。
11.如权利要求10所述的计算机可读介质，其进一步被集成至直接金属激光熔融DMLM机器中。
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