CN108283008A - 用于监测基于粉末床地增材制造构件的过程的方法和相关设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于监测基于粉末床地增材制造构件的过程的方法以及一种适用于执行所述方法的设备。在此规定，使用图像传感器(31)，粉末床的表面(21)在所述图像传感器上成像。在此规定，表面(21)被一个或多个光源(34a至34g)照射，其中，从斜上方实现照射。因此缺陷、如通过刮板(19)产生的沟槽在图像传感器(31)上生成强烈阴影的图像并且可以有利地被可靠地评估，以便及时为了质量确保目的中断过程。以这种方式有利地降低了构件的废品率。

Description

用于监测基于粉末床地增材制造构件的过程的方法和相关 设备
用于监测基于粉末床地增材制造构件的过程的方法和适用于这种方法的设备。
本发明涉及一种用于监测在粉末床中基于粉末床地增材制造构件的过程的方法。此外，本发明还涉及一种用于基于粉末床地增材制造构件的设备，其具有用于粉末床的容纳装置，所述容纳装置安置在处理室内。
用于制造构件的增材制造方法通常是已知的。在此也包括基于粉末床的增材制造方法。在此，构件逐层地由粉末床制造，其中，在粉末床中分别布置具有固定厚度的粉末层，并且随后通过能量源熔融或烧结粉末，以便在粉末床中产生待制造的构件的一层。能量源为此优选产生激光束或电子束。作为基于激光的方法例如可以称为选择性激光熔融(SLM)和选择性激光烧结(SLS)。作为基于电子束的方法例如可以称为电子束熔融(EBM)。
粉末床的层优选被整平。这意味着，刮板以其刮边在粉末床的表面上推拉并且由此整平表面并且调节形成表面的定义水平面。在刮平时，较大的粉末小团块可能导致形成线条缺陷。线条缺陷则在粉末床的表面内构成沟槽。此外，这种小团块也可以存在于粉末床中并且在此突出于粉末床的表面或者在其紧邻粉末床表面的周围产生凹穴。在粉末床内的小团块例如如此实现，即当粉末层熔化时被熔化的粉末颗粒的污点远离激光束地被甩入粉末床内。
所述的缺陷、尤其线条缺陷可能在通过激光或电子束的构件制造步骤中导致在所形成的构件层内的缺陷，该缺陷在方法的进一步流程中无法再被补偿并且由此可能导致待产生的构件的残次品。由此产生较高的成本、尤其当构件已几乎被制成时。
通常应用用于监测表面的光学方法，但因为粉末床的散射表面，在检查所产生的粉末床方面不能得到可靠的结果。通常还已知用于检查陶瓷的热屏蔽板的光学方法，这在EP 2 006 804 A1中描述。
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种用于监测基于粉末床的增材制造的过程的方法，通过所述方法可以可靠地识别在粉末床表面内的缺陷。此外，本发明所要解决的技术问题还在于，提供一种用于基于粉末床地增材制造构件的设备，通过所述设备可以可靠地实施对粉末床的表面的监测。
第一技术问题按照本发明通过本文开头所述类型的方法由此解决，即使用图像传感器，当所述粉末床的表面通过至少一个光源从至少一个方向从斜上方被照射时，所述粉末床的表面通过光学器件成像在所述图像传感器上。随即通过图像传感器生成表面的数字图像，其中，在表面内的缺陷通过投影能被较好地识别，因为光源从斜上方照射粉末床的表面。以此表示，照射的光线相对于粉末床的表面的角度不等于90°。优选地，照射角度小于45°，更优选地照射角度小于30°。
根据所谓的三维形状恢复法可以有利地对所产生的图像进行分析评估，其在前述的EP 2 006 804 A1中详细描述。该方法是算法的例子，通过所述算法可以为了监测粉末床的表面而对在图像传感器上描绘或者说成像的图像进行评估。评估结果可以有利地在方法流程中用于产生决定是否中断所述方法的标准，以便采取保证质量的措施。这例如可以包括，通过重复地刮抹或者说整平粉末床表面改进粉末床的不足够的表面。如果例如通过刮抹将团块运送到粉末床的边缘，则该团块随后不会再在粉末床的表面内产生影响。如果由于团块在粉末床表面内的污染过大，则可以例如从用于粉末的容纳装置中完全地或部分地清除粉末床并且通过未受污染的粉末重新建立粉末床。无论如何，当建立了粉末床的完好的表面时，待制造的构件的质量不会在接下来的制造步骤中受影响。由此可以有利地在很大程度上避免由于粉末床表面的低质量造成构件的废品。所述方法有利地是如此可靠的，使得至少能可靠地识别出粉末床表面内的以其尺寸可能损害待制造构件的质量的缺陷。粉末床的表面内的无法通过按照本发明的监测方法识别出的较小的缺陷通常是轻微的，以至不会影响构件的质量。
根据本发明的有利的设计方案规定，所述图像传感器竖向地布置在所述粉末床的上方，其中，所述光学器件的光学轴线垂直于所述粉末床的表面。这具有的优点是，表面的成像很大程度上没有失真并且在整个图像面上可以产生较大的图像锐度，这有利地影响缺陷的识别。
根据本发明的另外的设计方案规定，选择所述图像传感器的分辨率，使得在所产生的粉末床的图像的一个像素内描绘出所使用的粉末的多个颗粒、优选10个、更优选50个颗粒，其中，通常使用的粉末的间隙用于存在于粉末中的10至50μm的颗粒大小(在此颗粒大小的质量加权平均值在20至30μm之间)。换句话说，为了执行监测方法可以有利地使用相对廉价的图像传感器，因为分辨率可以很大程度地低于在图像传感器上成像的平均颗粒尺寸。这是因为在粉末床的表面内的缺陷必须大于颗粒。甚至有利的是，以上述方式选择图像传感器的分辨率，因为无缺陷的粉末床的表面的组织结构以这种方式不会被错误地判定为表面内的缺陷。如果图像传感器的分辨率正确地选择，则不需要图像处理措施以排除将粉末床的组织结构识别为缺陷的错误识别。
根据本发明的另外的设计方案规定，所述图像传感器的像素阵列相对于用于整平粉末床的刮板的运动方向的定向围绕光学器件的光学轴线旋转30°至60°之间的角。因为刮板在粉末床表面上的运动方向是产生前述沟槽的原因，所以沟槽通常准确地沿刮板的运动方向定向。如果像素阵列相对于沟槽的定向扭转，则有利地提高了沟槽到达图像传感器的像点上的可能性，由此可以更轻松地识别出如在视觉上通过沟槽产生的细线。特别有利的是，图像传感器的扭转角选择为45°。
根据本发明的又一种其它设计方案规定，如此布置所述光源，使得照射方向偏离用于整平粉末床的刮板的运动方向。在此，照射方向意味着沿垂直于粉末床表面的观察方向，换句话说是在粉末床表面上的垂直投影内可测量的照射方向分量。如果光源的照射方向从刮板的运动方向偏离，则所产生的沟槽以其准确地沿刮板的运动方向的延伸量也可以通过较强的投影有利地更容易被探测到，因为其在图像传感器上的阴影图被更清楚地显示。有利的是，所述光源的照射方向相对于所述刮板的运动方向以80°至100°之间的角度、尤其以90°的角度布置。以这种方式有利地使基于前述效果的投影最大化。
根据本发明的另外的设计方案规定，通过多个光源以多个照射方向进行照射。这些多个照射方向沿垂直于粉末床表面的观察方向观察是不同的。这意味着，每个光源都产生不同的缺陷阴影图像。光源可以例如依次被激活，使得不同的阴影图像可以单独地被评估，并且在第二步骤中结合由此获得的信息，从而通过对所产生的图像信息的整体评估有利地提高在粉末床表面内识别缺陷的可靠性。
根据本发明的另外的设计方案规定，所述光源或多个光源以一种波长光谱发射光线，该波长光谱与被加热的粉末床的热辐射的光谱和处于制造过程中的构件的热辐射的光谱不同。由此有利的是，即使由于在粉末床内的热学情况发生热量的强烈过程反射也可以可靠地识别出缺陷的投影，因为该投影没有被构件和粉末床的温度辐射所超越。
所述光源尤其可以发射单色光，或者多个光源尤其可以分别发射具有相应不同波长的单色光，其中，该波长如前所述处于热辐射的光谱以外。热辐射指的是最大1500℃的黑体辐射的波长，由此熔化的粉末的光线自身可以可靠地与检查光线相区分。
按照本发明另外的措施是，所述图像传感器对于被加热的粉末床的热辐射的光谱和处于制造过程中的构件的热辐射的光谱是不敏感的。由此可以避免热辐射的光线被图像传感器探测到。另外的可行性是，在所述光学器件中设有用于被加热的粉末床的热辐射的光谱和处于制造过程中的构件的热辐射的光谱的滤波器。这意味着，热辐射通过滤波器被滤除并且在图像传感器上只有测量光线到达。
备选或附加的是，被加热的粉末床在没有光源照射的情况下被图像传感器拍摄，以便消除粉末床的热辐射的部分。在此有利地规定，在所述粉末床的表面通过至少一个光源被照射之前，所述粉末床的表面通过所述光学器件在所述图像传感器上成像，并且之后当所述粉末床的表面通过至少一个光源从至少一个方向从斜上方被照射时，所述粉末床的表面通过光学器件在所述图像传感器上再次成像。由两次成像建立一副图像，并且之后在评估时，从被照射的表面的图像中减去没有照射的表面的图像。接下来，保留了具有光源照射部分的图像，用于判断在粉末床表面内可能存在的缺陷的投影。
根据本发明的特别的设计方案，在评估图像时也可以注意在粉末床的当前待制造的构件层所处的区域内是否存在可识别的沟槽。只有当在粉末床的当前待制造的构件层所处的区域内存在可识别的沟槽时才中断过程，因为只有这时才威胁到构件的制造结果。如果沟槽处于当前层的粉末不会被熔化的局部区域内，则可以在接下来的施加粉末步骤中通过刮板检查，是否补偿了表面的错误或者其是否移动到了粉末床的威胁到构件制造的区域内。通过激光束在粉末床内熔化的区域可以有利地通过用于制造构件的过程控制装置的评估而被容易地确定，因为这本来就是必须已知的。
根据本发明的特别的设计方案规定，还针对不平整度检查处于形成过程中的构件的表面。在此可以应用与用于粉末床相同的算法。但是还需要另外的光学检查步骤，其在施加新的粉末层之前实施。通过该监测步骤确定可以在构件层的当前制造的表面内确定之前未发现的缺陷，从而可以确定该缺陷是否必导致构件的废弃并且可以节省用于构件的进一步的制造费用，否则其只有在结束时才能作为废品被筛选出。
此外本发明所要解决的技术问题通过本文开头所述类型的设备解决，在所述设备中设有图像传感器，以此可以实施前述方法。此外，设有光源，由此可以实施所述的方法。与按照本发明的设备的运行相关的优点之前已经详细地阐述。
以下结合附图阐述本发明的其它细节。相同的或相应的附图元素分别标以相同的附图标记，并且只多次阐述在各个附图之间存在的差别。在附图中：
图1示出按照本发明的设备的实施例的剖面示意图，
图2示出实施按照本发明的方法的实施例，
图3和4示出在实施根据图2的方法时针对不同照射方向的粉末床表面的俯视图，并且
图5示出通过在根据图2的方法中的分析确定的图像的示意图。
在图1中示出一种用于选择性地实施激光熔化的设备11。所述设备具有处理室12，在处理室中设有用于粉末床14的容纳装置13。所述容纳装置13由结构平台15构成，在结构平台上可以制造构件16。结构平台15可以通过气缸17下降，其中，容纳装置13的侧壁用于在侧面保持粉末床14。
粉末床14通过刮板19被层式地整平，其中，所述刮板19首先在粉末存储器20上并且随后在粉末床14的表面21上导引。结构平台15逐步地下降，由此通过刮板19总是可以产生粉末床14的新的层，其中，刮板19在导轨22上运动。为了使刮板在此可以从粉末存储器20中一同带走粉末，底板23通过另外的气缸24高度可移动地支承。导轨22在此规定了刮板19的运动方向25。
在处理室12的壁中设有窗户26，激光束可以通过窗户进入，该激光束通过布置在处理室12外侧的激光器28产生。通过转向镜29，所述激光可以在粉末床14的表面21上移动，由此可以熔化表面21的区域，由该区域分层地制造所述构件16。
此外，在处理室12的外侧设有监测装置30，该监测装置具有图像传感器31和光学器件32。监测装置30如此安置在粉末床14的表面21的上方，使得光学器件32的光学轴线33准确地垂直于表面21。为了可以借助图像传感器31拍摄描绘所述表面21的图像，还在处理室12内安置有例如LED前照灯形式的光源34，光源可以照亮粉末床14的表面21。
结合图2可以更准确地阐述用于监测粉末床的表面21的方法。在图2中可看到多个光源34a至34g，用于阐述不同的照射方法。在根据图1的设备中，不必一次布置所有光源，但是在实施监测方法时，多个光源的布置可以实现照射的变化。例如可以使用光源34a、34e、34f和34g，用于从四个相互垂直的照射方向35实现对表面21的照射。以这种方式尤其可以确定在表面21内的缺陷位置，该缺陷位置不具有沟槽的形式，而是具有例如凹穴或粉末团的形式。此外存在光源34b、34c、34d，它们相对于刮板19的运动方向25从侧面照射到粉末床的表面21上。光源34c在此具有相对于运动方向25呈90°的照射方向，其中，该角度沿从上方的观察方向、即准确地沿光学轴线33的方向测量。该角度在图2中的表面21中标记为角α。此外可以看到图2的倾角β，该角度说明照射以哪种角度从斜上方进行。两个角度表示出光源34c的照射方向35。对于光源34b和34d，分别形成105°和75°的角α(在图2中未示出)。通过借助光源34b和34d和有时也借助光源34c的交替照射，可以在表面21上产生缺陷部位的变化的投影，由此通过叠加所产生的图像提高了识别缺陷部位的可靠性。取代依次地激活光源34a至34g，还可以使这些光源或至少其中的一部分光源发射不同波长的单色光并且同时运行。在图像传感器上的信号可以随后根据不同的波长彼此分开地研究，即使它们同时到达图像传感器31上。
此外在图2中可看到，图像传感器31在其定向方面准确地沿光学轴线33相对于粉末床的表面21扭转45°。由此可以改进对缺陷位置的探测，这接下来在图5中详细阐述。
设有同样处于光学轴线33中的滤波器38，由此可以使由于通过光源34a至34g的照射从表面21发出的光信号与热辐射相分离地被评估。由此，热辐射的光谱在测量时可以不予考虑，由于在过程中产生的热量使得这种热辐射可能是显著的并且可能比由于通过光源34a至34g的照射产生的测量信号更亮。所述措施可以实现对测量信号的更可靠的评估。
在图3和4中可看到，粉末床的表面是如何通过来自不同照射方向35的光源34b和34d照射的。在图3和4中示出一个沟槽36，在通过刮板19(参见图2)使粉末团移动经过粉末床时，会出现这种沟槽。此外，还示出一个凹穴37，在粉末团被从粉末床中拉出时会出现这种凹穴。这示例性地表示表面21的点状的缺陷。最后还示出一个粉末团38，该粉末团同样是点状的缺陷并且从粉末床的表面21上凸出。最后可看到在制造中的构件16的轮廓，该轮廓在现实中在制造粉末床的新一层时是不可见的，因为构件被该层完全遮盖。
图3和4中的阴影表明了被照亮的表面的亮度。粉末床在其表面21上显示出漫射分布的光强度，而较重的阴影部分表示出凹穴37、沟槽36和粉末团38的投影。而所述缺陷的其它区域几乎被垂直地照射并且因此没有表现出阴影。将图3和4相对比，则可看到，由于不同的照射方式35导致投影的变化，这在判断不同的缺陷部位的三维延伸时起到辅助作用。
在图5中示出，如何能从由根据图2的图像传感器31拍摄的图像中进行评估，该评估例如可以在显示屏的输出装置上显示。可看到缺陷36’、37’和38’，其中示出图像传感器的各个像素。这在图5中示例性地过大地示出，用于表明这种效果。由于根据图2所描述的图像传感器31相对于粉末床表面21的45°扭转，例如由沟槽36引起数量更多的通过投影或者直接照射的像素，由此使图像传感器更敏感地针对在沟槽内的区域的阴影和照射做出响应。
此外，在图5中逐渐示出构件16的轮廓，其中，该轮廓由在处理过程中可供使用的构件数据(CAD模型)计算得出。据此可以决定，粉末团38(也就是图5中的38’)是否具有损害构件结果的大小并且因此是否应通过刮板19对表面21尝试重新整平。此外，根据对图5的结果的评估明确的是，沟槽36和凹穴37位于构件16以外，这通过对其图像36’和37’的判断可立即明确。

Claims (15)

1.一种用于监测在粉末床(14)中基于粉末床地增材制造构件(16)的过程的方法，其特征在于，
-使用图像传感器(31)，当所述粉末床(14)的表面(21)被至少一个光源(34)由至少一个方向从斜上方照射时，所述粉末床(14)的表面(21)通过光学器件(32)在所述图像传感器上成像，并且
-为了监测所述粉末床(14)的表面(21)，对在所述图像传感器上成像的图像进行评估。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述图像传感器(31)竖直地布置在所述粉末床的上方，其中，所述光学器件(32)的光学轴线垂直于所述粉末床(14)的表面(21)。
3.按照前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述图像传感器(31)的分辨率选择为，使得所使用的粉末的多个颗粒、优选10个、更优选50个颗粒在所产生的粉末床图像的像素中成像。
4.按照前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述图像传感器(31)的像素阵列相对于用于整平粉末床(14)的刮板(19)的运动方向(25)的定向围绕光学器件(32)的光学轴线扭转30°至60°之间的角。
5.按照前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述光源(34)布置为，使得照射方向(35)沿垂直于粉末床(14)的表面(21)的观察方向观察偏离用于整平粉末床(14)的刮板(19)的运动方向(25)。
6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于，所述光源(34)的照射方向(35)相对于所述刮板(19)的运动方向(25)呈80°至100°的角。
7.按照前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，通过多个光源(34)以多个照射方向(35)进行照射，这些照射方向(35)沿垂直于粉末床(14)的表面的观察方向观察是不同的。
8.按照前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述光源(34)或者多个光源(34a、34b、34c、34d、34e、34f、34g)发射处于波长光谱中的光线，所述波长光谱与被加热的粉末床(14)的热辐射的光谱和处于制造过程中的构件(16)的热辐射的光谱不同。
9.按照权利要求8所述的方法，其特征在于，所述光源(34)发射单色光，或者多个光源(34)发射分别具有不同波长的单色光。
10.按照权利要求8或9所述的方法，其特征在于，
-所述图像传感器(31)对于被加热的粉末床(14)的热辐射的光谱和处于制造过程中的构件(16)的热辐射的光谱是不敏感的，或者
-在所述光学器件(32)中设有用于被加热的粉末床(14)的热辐射的光谱和处于制造过程中的构件(16)的热辐射的光谱的滤波器(38)。
11.按照权利要求8或9所述的方法，其特征在于，
-在所述粉末床(14)的表面(21)被至少一个光源(34)照射之前，所述粉末床(14)的表面(21)通过所述光学器件(32)在所述图像传感器上成像，
-之后当所述粉末床(14)的表面(21)被至少一个光源(34)由至少一个方向从斜上方照射时，所述粉末床(14)的表面(21)通过光学器件(32)在所述图像传感器上成像，并且
-之后在评估时，从被照射的表面(21)的图像中减去没有照射的表面(21)的图像。
12.按照前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，针对沟槽(36)的存在性检查所述粉末床(14)，并且如果在所述粉末床中识别出沟槽(36)，则中断过程。
13.按照权利要求12所述的方法，其特征在于，只有当识别出的沟槽(36)位于粉末床(14)的当前待制造的构件(16)层所在的区域内时，才中断过程。
14.按照前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，还针对不平整度检查处于制造过程中的构件的表面。
15.一种用于基于粉末床地增材制造构件的设备，具有用于粉末床(14)的容纳装置(13)，所述容纳装置(13)布置在处理室(12)内，其特征在于，设有光学的监测装置(30)，所述监测装置具有图像传感器(31)和朝向容纳装置(13)指向的光学器件(32)，并且至少一个光源(34)在所述处理室(12)内倾斜地布置在所述容纳装置的上方，通过所述至少一个光源能够直接照射所述容纳装置。
CN201680040197.9A 2015-07-09 2016-07-04 用于监测基于粉末床地增材制造构件的过程的方法和相关设备 Pending CN108283008A (zh)

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