CN108290220A - 用于增材制造工艺控制的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于增材制造系统的工艺控制的方法包括：监视在制品的制造期间产生的火花羽流；捕获火花羽流的至少一个图像；从该至少一个图像导出图像数据；馈送图像数据到统计工艺控制模块中；以及如果图像数据超出预定控制界限则生成警示。

Description

用于增材制造工艺控制的系统和方法

技术领域

本发明的实施例主要涉及增材制造，且更具体地涉及用于对增材制造装置的实时统计工艺控制的系统和方法。

背景技术

选择性激光烧结（SLS）是一种使用激光器作为功率源来烧结粉末材料（典型地为金属）的增材制造技术。SLS通常承担使激光器自动地瞄准由3D模型所限定的空间中的点并且使材料粘结在一起来生成固体结构。具体地，SLS包括使用高功率激光器（例如，二氧化碳激光器）来将塑料、金属、陶瓷或玻璃粉末的细小颗粒熔合成具有期望三维形状的质量块。激光器通过扫描由CAD文件、扫描数据等获得的部件的3D数字描述所产生的截面来将粉末材料选择性地熔合在粉末床（bed）的表面上。在扫描了各个截面之后，将粉末床降低一个层厚度并且在顶部施加新的材料层。该工艺然后重复直至部件完成。

现有的SLS系统为开环设计，对于任何工艺中的品质因素例如粉末再涂、再涂形状、粉末均匀性、激光焊接均匀性以及桌台Z轴高度位置精度都没有直接反馈。在许多现有系统中，部件可由10-20微米层生成，意味着一些部件可耗费数天来产生。如果在这种多天的周期时间内在任何地方产生缺陷，则部件可能必须废弃。如将认识到的那样，缺乏足够的品质控制和反馈可导致机器生产能力的浪费，尤其是在缺陷早早地产生在工艺中但未被识别直至数天后当制造完成时的情况，从而导致成品率（yield）低。对于此种低成品率的可能性妨碍在许多应用中采用SLS。

鉴于上述，需要有一种用于对增材制造装置的实时统计工艺控制监视和控制的系统和方法，该增材制造装置能够在早期阶段检测出潜在缺陷。

发明内容

在一个实施例中，提供一种用于增材制造系统的工艺控制的方法。该方法包括以下步骤：监视在制品的制造期间产生的火花羽流（plume）；捕获火花羽流的至少一个图像；从该至少一个图像导出图像数据；馈送图像数据到统计工艺控制模块中；以及如果图像数据超出预定控制界限（或限度）则生成警示。

在另一实施例中，提供一种增材制造系统。该系统包括具有地面（ground）表面的工艺室；具有提升桌台定位在其中的累积室，该提升桌台在累积室内可向上和向下移动；找平装置，其构造成用以横跨工艺室的地面表面、包括横跨提升桌台分布粉末材料；激光源，其构造成用以朝向提升桌台引导激光束；控制单元，其构造成用以响应于输入的制品数据来控制激光源和激光束以在提升桌台上焊接粉末材料的一部分；以及相机，其构造成用以捕获在焊接期间产生的火花羽流的图像。

在又一实施例中，提供一种用于增材制造系统的品质控制方法。该方法包括以下步骤：横跨构建表面分布粉末材料；响应于输入的制品数据，引导激光束至构建表面以烧结粉末材料的一部分；监视在烧结期间产生的火花羽流；捕获来自火花羽流的图像数据；以及将图像数据与预设控制界限相比较。

附图说明

参照附图阅读下文对非限制性实例的描述，本发明将得到更好地理解，在以下图中：

图1为根据本发明一个实施例的选择性激光烧结系统的示意图。

图2为使用激光烧结系统在焊接期间产生的火花羽流的详细视图。

图3为根据本发明的一个实施例例示用于增材制造系统的品质控制方法的流程图。

具体实施方式

在下文将详细地参照本发明的示例性实施例，其实例在附图中例示。只要有可能，贯穿附图使用的相同参考标号表示相同或同样的部件而无需重复性的描述。尽管本发明的示例性实施例相对于SLS进行描述，但本发明的实施例也大体上适用于烧结以及增材制造工艺和系统。此外，本发明的实施例不限于工业应用而是可通常地用于3D打印。除了SLS，具体实施例可适于结合选择性激光熔化（SLM）、直接金属激光熔化（DMLM）和直接金属激光烧结（DMLS）增材技术使用。

如文中所用，用语“基本上”、“通常”和“大约”表示相对于适于达到制品或组件的功能目的的理想期望状态而言在合理地可达到的制造和组装公差内的状况。如文中所用，“电耦合”、“电连接”和“电连通”是指所引用元件直接地或间接地连接，使得电流可从一个元件流动至另一元件。连接可包括直接导电性连接（也即，没有居间电容、感应或有源元件）、感应连接、电容性连接，和/或任何其它适合的电连接。可存在居间构件。

参看图1，例示根据本发明的一个实施例的增材制造系统10。在一个实施例中，增材制造系统10可为本领域中已知类型的SLS增材制造系统。例如，增材制造系统可包括地面表面16位于其内的工艺室12。分派给工艺室12的地面表面16的一方面是填充有呈粉末形式的金属材料20的储存室18而另一方面是累积室22。提升桌台24、26位于各个室18、22中，在其中提升桌台均可在由双箭头的方向表示的z方向上经由提升活塞28移动。在累积室22的面积中定位在工艺室12上方的是扫描装置30，其引导由激光器34生成的激光束32通向提升桌台26。激光器34、扫描装置30以及用于两个提升活塞28的驱动机构36经由未提供有参考标号的控制引线电连接至中央处理和控制单元38。备选地，激光器34、扫描装置30和驱动机构36可经由无线或本领域中已知的其它手段与处理单元38通讯。

为了制造部件或构件例如制品40，首先经由输入单元42三维地（也即，在单独的z方向上分开的切割面（cut）中）输入制品坐标到处理单元38中。在一个实施例中，输入单元42可以是计算机终端。在一个实施例中，切割面在z方向上以0.1mm的距离通过制品40，使得例如对于在z方向上具有10cm结构高度的制品导致1000个切割面。在输入的制品数据由中央处理单元38充分地处理之后，在累积室22中的提升桌台26移动至第一上部位置，使得提升桌台26的支承表面44与地面表面16为基本上平面的。储存室18的提升桌台24移动至下部位置，例如如图1中所示的位置，并且制品40将由其制成的金属种类的细颗粒粉末20被填充到储存室18中。

在一个实施例中，粉末20的颗粒在10pm至100pm之间的范围内，其中实际的颗粒大小取决于制品规格。在不脱离本发明更宽泛方面的情况下，也可采用具有不同规格的粉末。

通过使用找平装置46（在图1中由箭头示意性地表示），由使用提升桌台24提升成高于地面水平16的金属粉末材料20通过在箭头48的方向上移动此种找平装置46而横跨工艺室12的地面表面16分布以分布金属粉末材料的薄层，如高于地面表面16可看到的那样。也连接至中央处理单元38的找平装置46经提升直至高于地面表面16的距离，其对应于待累积的制品40的层。如可看到的那样，薄的粉末涂层然后也可施加成高于提升桌台26。当这种准备性测量（measure）完成时，开动激光器34和扫描装置30以将激光束32引导至支承表面44或引导至定位在支承表面44上的金属粉末材料20以根据坐标熔化对应于制品的最下层的粉末。如在本领域已知的那样，为此目的，激光束32沿着相继的行程（run）n在x方向上移动以熔化金属粉末材料20。

一旦制品40的最下层形成，则提升桌台26向下移动距离Δz，使得此种第一层的上表面再次大约处于处理室12的地面表面16的水平。此后，找平装置46经再次促动以施加限定量的粉末层到下方的制品40的层上。然后，激光束32根据制品坐标经再次导引逐个行程地横跨粉末以便熔化粉末20。不仅金属粉末材料将被熔化，而且下方的层的表面也被熔化，因为每个相邻的行程n（也即，沿着行程n+1移动的激光束）也扫掠横跨行程n。这里，激光束32将扫掠横跨其之前行程n的直径的至少三分之一以便熔化相邻行程的硬化的金属。在这种情况下，行程n的一部分以及下方的层被熔化，使得熔化区域形成在激光束32下面。然后，熔化的粉末20连同之前行程n中的金属一起硬化成均质层。此种工艺重复，直至整个制品40构建而成。

如上文所提及，增材制造、尤其是采用选择性激光烧结的增材制造是一种耗费时间的工艺，其可能需要数天来完成单个部件或制品。如果部件制成为带有缺陷，则该部件将经常地被废弃。在许多情形中，缺陷可能在制造工艺中早早地产生，但由于此类现有系统仅是采用对制造工艺的开环控制，故此类缺陷典型地直到部件完成才被识别出。因此，如果部件由于缺陷而不得不废弃则在产生缺陷和完成制品之间在机器上的时间被浪费；时间可更好地用来对于新的部件重新开始制造工艺。在现有的选择性激光烧结系统中使用的此种开环控制促成低成品率并且限制采用选择性激光烧结的应用。

为了缓解这些问题，本发明的增材制造系统10的实施例采用闭环反馈系统50，其具有聚焦在提升桌台26的支承表面44上的高速、高分辨率相机52。相机52电连接至处理和控制单元38并且构造成用以监视当激光束32将粉末20焊接至制品40的在先层时产生的实时火花羽流。如文中所用，“实时”是指某事发生所处期间的实际时间，例如，相机52在火花羽流产生的时间期间、在焊接工艺期间对其监视和记录。尽管相机52例示为处于工艺室12内部，但在其它实施例中相机可定位在工艺室外。在一个实施例中，高速、高分辨率相机52提供最小1080p的分辨率（最小600帧/秒）。在一个实施例中，相机52具有超过600帧/秒的取样速率或当量。相机52可具有构造成用以覆盖最小面积280mm×280mm的动态范围焦距，以便火花羽流始终是可测量的。

羽流由在焊接工艺发生时气体的快速膨胀产生。羽流是若干工艺中品质因素的指示器，例如粉末再涂、再涂形状、粉末均匀性、激光焊接均匀性以及提升桌台高度位置精度。图2为在激光器32焊接粉末材料20时产生的火花羽流60的详细视图，其中参考标号62表示火花路径而线64表示可见火花的末端。如在其中所示，火花羽流60包括宽度w、高度h、面积A和角度ϕ。通过使用相机52实时地监视火花烟流，可诊断和分析羽流形状、高度、宽度、面积、定向以及光强度。具体地，由相机52捕获的图像数据可馈送到存储在处理和控制单元38中的统计工艺控制模型中，以在某些情况异常时警示工艺工程师以便可采取动作（或措施，action）。在一个实施例中，该动作可为校正动作来校正问题源以便可继续制品的制造。在其它的实施例中，该动作可用以停止循环以便可移除制品和启动新的循环。

在一个实施例中，统计工艺控制模块包括软件，其构造成用以从由相机捕获的馈送视频导出图像数据。具体地，软件构造成用以从馈送视频计算火花羽流60的参数，例如大小、角度宽度、体积和高度。此外，软件构造成用以比较原始图像数据与用户可输入到系统中的规格并且具有以标准SPC软件包可处理的通用格式实时地输出数据的能力。

例如，参看图3，用于增材制造装置的统计工艺控制的方法100可包括根据上述工艺制造制品。在步骤110，可由相机52实时地捕获在焊接工艺期间产生的火花羽流的图像。在一个实施例中，图像可以预设时间间隔周期性地捕获。在步骤112，可将捕获的图像馈送回至处理和控制单元38，在其中从图像导出图像数据。在一个实施例中，图像数据可包括各种羽流特性，例如羽流形状、羽流高度、宽度、面积、定向以及光强度。在步骤114，将图像数据馈送到统计工艺控制模块中并予以分析来确定是否有异常情况。例如，在一个实施例中，图像数据可绘制在具有预定控制界限的一个或多个曲线图（graph）上。在一个实施例中，控制界限可相对于制品40由其制造的特定粉末材料和/或所制造的具体制品来调整。其它因素可限定预设控制界限而不脱离本发明更为宽泛的方面。

落在控制界限内的数据表示事情都如预期那样操作。控制界限内的任何变动（或偏差，variation）很可能归因于常见原因，也即预期作为制造工艺的一部分的自然变动。如果数据落在控制界限外，则这表示可确定的原因很可能是产品变动源，并且工艺内的某些事情应将改变以在缺陷出现之前解决问题。

在步骤116，如果确定火花羽流的所捕获图像数据落在控制界限外，则可生成警示。警示可采用可听的或其它物理警报、视觉警示等形式。在一个实施例中，处理和控制单元38可远程地警示指定的工艺工程师或技术人员，举例而言，例如生成文本信息、电子邮件等。响应于警示，操作人员或技术人员可评估制造循环是否需要干预，并且如果是这样的话，则可在步骤118采取校正动作。如上文所述，校正动作可包括暂停系统10的操作来校准、替换或调节系统构件以便可恢复在相同构件上的制造。在其它实施例中，校正动作可包括废弃制品并启动新的制造循环。

因此，本发明的系统和方法提供对火花羽流图像数据的闭环反馈，其可用来识别系统操作中的异常以便在缺陷出现之前或至少在整个制造循环已运行之前解决。因此，可避免因简单的制造失误而造成机器生产能力的浪费。此外，文中提供的统计工艺控制能够捕获制造工艺中的趋向以便系统可具有预测性品质。

除了上述，由本发明提供的闭环反馈可使更多增材制造应用成为可能，在其中它们当前可能由于成品率低而成本高昂。

尽管上文所述本发明的实施例涉及视觉地监视在焊接期间产生的火花羽流作为品质控制的形式，但在这点上本发明并不如此受限。具体地，设想到的是可采用其它传感器技术来提供对制造工艺的闭环控制。

此外，尽管上文所述本发明的实施例公开了处在固定位置中的相机的使用，但设想到的是相机或感测装置（在其中测量或感测除了视觉外的特性）可以是可动的，以便它可与激光束32同步。具体地，在一个实施例中，相机可构造成用以提供对激光路径的主动跟踪以便跟随火花羽流。在其它实施例中，激光路径可编程到处理和控制单元中并且馈送至相机以便相机的编程路径跟踪激光的编程路径。通过提供动态相机，可实现对羽流的较好聚焦，并且可消除或减少人工因素（artifact）。

在一个实施例中，提供了一种用于增材制造系统的工艺控制的方法。该方法包括以下步骤：监视在制品的制造期间产生的火花羽流；捕获火花羽流的至少一个图像；从该至少一个图像导出图像数据；馈送图像数据到统计工艺控制模块中；以及如果图像数据超出预定控制界限则生成警示。在一个实施例中，监视火花羽流的步骤实时地发生。在一个实施例中，图像数据包括下列中的至少一项：羽流形状、羽流高度、羽流宽度、羽流面积、羽流定向以及光强度。在一个实施例中，该方法还可包括响应于警示采取校正动作的步骤。在一个实施例中，校正动作可包括中止系统的操作和校准、调节或替换系统的构件，以及恢复操作。在一个实施例中，校正动作包括从系统移除构件和启动新的循环。在一个实施例中，增材制造系统为选择性激光烧结增材制造系统。在一个实施例中，监视火花羽流和捕获火花羽流的至少一个图像的步骤由高速、高分辨率相机执行。

在一个实施例中，提供一种增材制造系统。该系统包括具有地面表面的工艺室；具有提升桌台定位在其中的累积室，该提升桌台在累积室内可向上和向下移动；找平装置，其构造成用以横跨工艺室的地面表面、包括横跨提升桌台分布粉末材料；激光源，其构造成用以朝向提升桌台引导激光束；控制单元，其构造成用以响应于输入的制品数据来控制激光源和激光束以在提升桌台上焊接粉末材料的一部分；以及相机，其构造成用以捕获在焊接期间产生的火花羽流的图像。在一个实施例中，控制单元构造成用以接收由相机捕获的图像、从图像导出图像数据以及分析图像数据。在一个实施例中，分析图像数据包括将图像数据输入到统计工艺控制模块中。在一个实施例中，分析图像数据包括将图像数据与预定控制界限相比较。在一个实施例中，控制单元构造成用以如果图像数据超出预定控制界限则生成警示。在一个实施例中，图像数据包括下列中的至少一项：羽流形状、羽流高度、羽流宽度、羽流面积、羽流定向以及光强度。在一个实施例中，相机为高速、高分辨率相机。在一个实施例中，相机构造成用以实时地捕获火花羽流的图像。在一个实施例中，粉末材料为金属粉末。

在一个实施例中，提供一种用于增材制造系统的品质控制方法。该方法包括以下步骤：横跨构建表面分布粉末材料；响应于输入的制品数据，引导激光束至构建表面以烧结粉末材料的一部分；监视在烧结期间产生的火花羽流；捕获来自火花羽流的图像数据；以及将图像数据与预设控制界限相比较。在一个实施例中，捕获图像数据的步骤包括利用相机捕获火花羽流的至少一个图像，以及从该至少一个图像导出图像数据。在一个实施例中，该方法还可包括下述步骤：馈送图像数据到统计工艺控制模块中，以及如果图像数据超出预设控制界限则生成警示。在一个实施例中，图像数据包括下列中的至少一项：羽流形状、羽流高度、羽流宽度、羽流面积、羽流定向以及光强度。

应当理解，上述描述意图为例示性的，而非限制性的。例如，上述实施例（和/或其方面）可彼此相结合地使用。此外，在不脱离本发明的范围的情况下可作出许多修正以使具体情势或材料适应本发明的教导。

尽管文中所述材料的尺寸和类型旨在限定本发明的参数，但它们绝非限制性的而是示例性的实施例。许多其它的实施例对于本领域技术人员而言当审阅上文描述后将是清楚的。因此，本发明的范围将应参照所附权利要求来确定，连同此类权利要求所赋予的等同方案的全部范围。在所附权利要求中，用语“包括”和“在其中”用作相应用语“包含”和“其中”的易懂的同等表述。此外，在所附权利要求中，用语例如“第一”、“第二”、“第三”、“上”、“下”、“底”、“顶”等仅是用作标记，而不是意图对它们的对象施加数字或位置要求。另外，对所附权利要求的限制未采用功能+装置的格式书写而且并非意图根据美国法典第35卷第122节第六章来解释，除非此类权利要求限制清楚地采用措词“用于……的装置”，其中“……”表示对进一步结构的功能虚体（void）的陈述。

本书面描述使用实例来公开本发明的若干实施例（包括最佳方式），并且还使得本领域普通技术人员能够实施本发明的实施例，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何所并入的方法。本发明可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域普通技术人员想到的其它实例。如果此类其它实例具有与权利要求的字面语言并无不同的结构元件或者如果此类其它实例包括与权利要求的字面语言并无实质差异的同等结构元件，则认为它们处在权利要求的范围内。

如文中所用，以单数形式记载并且冠以用词“一”或“一个”的元件或步骤应理解为不排除复数个所述元件或步骤，但明确地宣称此种排除除外。此外，对本发明的“一个实施例”的提及并非意图解释为排除也结合所述特征的附加实施例的存在。此外，除非明确相反地宣称，“包括”、“包含”或“具有”一个或多个具有具体特性的元件的实施例可包括不具有该特性的附加的此类元件。

由于在上述发明中可作出某些变化而不脱离文中所涉及发明的实质和范围，故认为上文所述或附图中所示的全部主题应解释为仅是例示文中的发明原理而不得理解为限制本发明。

Claims (21)

1.一种用于增材制造系统的工艺控制的方法，包括以下步骤：

监视在制品的制造期间产生的火花羽流；

捕获所述火花羽流的至少一个图像；

从所述至少一个图像导出图像数据；

馈送所述图像数据到统计工艺控制模块中；以及

如果所述图像数据超过预定控制界限则生成警示。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

监视所述火花羽流的步骤实时地发生。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：

所述图像数据包括下列中的至少一项：羽流形状、羽流高度、羽流宽度、羽流面积、羽流定向以及光强度。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

响应于所述警示，采取校正动作。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：

所述校正动作包括中止所述系统的操作和校准、调节或替换所述系统的构件，以及恢复操作。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：

所述校正动作包括从所述系统移除所述制品以及启动新的制造循环。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述增材制造系统为选择性激光烧结增材制造系统。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

监视所述火花羽流和捕获所述火花羽流的至少一个图像的步骤由高速、高分辨率相机执行。

9.一种增材制造系统，包括：

具有地面表面的工艺室；

具有提升桌台定位在其中的累积室，所述提升桌台在所述累积室内能向上和向下移动；

找平装置，所述找平装置构造成用以横跨所述工艺室的地面表面、包括横跨所述提升桌台分布粉末材料；

激光源，所述激光源构造成用以引导激光束朝向所述提升桌台；

控制单元，所述控制单元构造成用以响应于输入的制品数据控制所述激光源和激光束以在所述提升桌台上焊接所述粉末材料的一部分；以及

相机，所述相机构造成用以捕获在焊接期间产生的火花羽流的图像。

10.根据权利要求9所述的增材制造系统，其特征在于：

所述控制单元构造成用以接收由所述相机捕获的图像、从所述图像导出图像数据以及分析所述图像数据。

11.根据权利要求10所述的增材制造系统，其特征在于：

分析所述图像数据包括将所述图像数据输入到统计工艺控制模块中。

12.根据权利要求11所述的增材制造系统，其特征在于：

分析所述图像数据包括将所述图像数据与预定控制界限相比较。

13.根据权利要求12所述的增材制造系统，其特征在于：

所述控制单元构造成用以如果所述图像数据超出所述预定控制界限则生成警示。

14.根据权利要求10所述的增材制造系统，其特征在于：

所述图像数据包括下列中的至少一项：羽流形状、羽流高度、羽流宽度、羽流面积、羽流定向以及光强度。

15.根据权利要求9所述的增材制造系统，其特征在于：

所述相机为高速、高分辨率相机。

16.根据权利要求15所述的增材制造系统，其特征在于：

所述相机构造成用以实时地捕获所述火花羽流的图像。

17.根据权利要求9所述的增材制造系统，其特征在于：

所述粉末材料为金属粉末。

18.一种用于增材制造系统的品质控制方法，包括以下步骤：

横跨构建表面分布粉末材料；

响应于输入的制品数据，将激光束引导至所述构建表面以烧结所述粉末材料的一部分；

监视在烧结期间产生的火花羽流；

从所述火花羽流捕获图像数据；以及

将所述图像数据与预设控制界限相比较。

19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于：

捕获图像数据的步骤包括利用相机捕获所述火花羽流的至少一个图像，以及从所述至少一个图像导出所述图像数据。

20. 根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

馈送所述图像数据到统计工艺控制模块中；以及

如果所述图像数据超出所述预设控制界限则生成警示。

21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于：

所述图像数据包括下列中的至少一项：羽流形状、羽流高度、羽流宽度、羽流面积、羽流定向以及光强度。