CN108788143B - 增材制造控制系统 - Google Patents

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Abstract

提供了用于在增材制造系统中进行控制的系统和方法。粉末床熔融装置可以包括生成能量束的能量束源和施加所述能量束以使粉末材料熔融来基于对象模型创建3D对象的偏转器。所述系统还可以包括获得与使所述粉末材料熔融有关的信息的表征器。所述表征器可以是测量所述对象的形状的传感器、确定所述对象的基于物理的模型的处理器等。所述系统还可以包括基于所述信息确定与所述对象模型的差异的比较器、和基于所述差异修改对所述粉末材料的能量施加的补偿器。例如，可以在要求更高能量来使粉末材料完全熔融的区域(诸如较厚粉末层的区域)中增加所施加的能量。

Description

增材制造控制系统
相关申请的交叉引用
本申请要求题为“ADDITIVE MANUFACTURING CONTROL SYSTEMS”并在2017年4月28日提交的美国专利申请号15/582,457的权益，其通过引用整体被清楚地并入本文。
技术领域
本公开通常涉及增材制造(Additive Manufacturing)系统，且更具体地涉及增材制造中的控制系统。
背景技术
也被描述为3-D打印系统的增材制造(“AM”)系统可以生产具有几何复杂形状(包括用传统制造工艺难以或不可能创建的某些形状)的结构(被称为构建件(build piece))。AM系统(如粉末床熔融(fusion)(PBF)系统)逐层创建构建件。通过沉积粉末层和将部分粉末暴露于能量束来形成每一层或每一‘片’。能量束被施加到与所述层中构建件的横截面重合的粉末层的熔化区域。熔化的粉末冷却并熔融以形成一片构建件。该过程可以重复以形成下一片构建件，依此类推。每一层都沉积在前一层的顶部。产生的结构是从头开始逐片配置的构建件。
预期构建件符合期望的打印参数，诸如期望的形状、期望的材料密度、期望的机械特性等。然而，构建件经常不完全符合期望的打印参数。在某些情况下，缺乏符合性可以需要后处理技术，诸如砂磨、锉削等来校正构建件的形状，这会增加生产成本。在某些情况下，构建件不能被固定且必须丢弃，这会降低产量并显著增加生产成本。
发明内容
下文中将更全面地描述用于AM中的控制系统的装置和方法的多个方面。
在各个方面中，用于粉末床熔融的装置可以包括：粉末床熔融系统，其包括生成能量束的能量束源和施加能量束以熔融粉末材料来基于对象模型创建三维(3-D)对象的偏转器、获得与粉末材料的熔融有关的信息的表征器、基于该信息确定与对象模型的差异(variation)的比较器、以及基于差异修改对粉末材料的能量施加的补偿器。
在各个方面中，用于粉末床熔融的装置可以包括提供用于打印3-D对象的指令(该指令基于3-D对象的数据模型)的自适应控制器；基于该指令打印3-D对象的粉末床熔融系统；被配置为感测所打印的3-D对象中的至少一部分的形状、将感测到的形状与参考形状进行比较以确定差异参数、以及基于该差异参数更新指令的反馈系统。
在各个方面中，粉末床熔融的方法可以包括生成能量束、施加能量束以熔融粉末材料来基于对象模型创建(3-D)对象、获得与粉末材料的熔融有关的信息、基于该信息确定与对象模型的差异、以及基于信息修改对粉末材料的能量施加。
在各个方面中，粉末床熔融的方法可以包括提供用于打印3-D对象的指令(该指令基于3-D对象的数据模型)、基于该指令打印3-D对象、感测所打印的3-D对象中的至少一部分的形状、将感测到的形状与参考形状进行比较以确定差异参数、以及基于该差异参数更新指令。
根据以下详细描述，其他方面对于本领域技术人员来说将变得容易显而易见，其中通过图示的方式仅示出并描述了多个实施例。如本领域技术人员将认识到的，本文的概念能够具有其它的和不同的实施例，并且在不脱离本公开的情况下，能够在各种其它方面进行修改多个细节。因此，附图和详细描述本质上被认为是说明性的而不是限制性的。
附图说明
现在将在详细描述中通过示例而非限制的方式呈现附图中的各个方面，其中：
图1A-D图示了在不同的操作阶段期间的示例PBF系统。
图2图示了能够导致悬垂(overhang)区域的PBF系统中的示例性下垂变形的侧视图。
图3图示了包括闭环控制的示例性PBF装置。
图4图示了包括前馈控制的示例性PBF装置。
图5图示了比较器的示例性操作。
图6A-C图示了使用修改后的打印指令对粉末层的示例性能量施加。
图7是图示了用于PBF系统的闭环补偿的示例性方法的流程图。
图8A-C图示了使用修改后的打印指令对粉末层的另一示例性能量施加。
图9是图示了用于PBF系统的前馈补偿的示例性方法的流程图。
图10A-E图示了具有后处理闭环控制的示例性PBF装置。
图11是图示了用于PBF系统的补偿的另一示例性方法的流程图。
具体实施方式
下面关于附图所述的详细描述旨在提供本文公开的概念的各种示例性实施例的描述，并且不旨在表示可以实践本公开的仅有实施例。本公开中所使用的术语“示例性”意为“用作示例、实例或说明”，并且不一定应被解释为相对于本公开中提出的其他实施例是优选的或有利的。为了向本领域的技术人员提供充分地传达了概念范围的全面和完整的公开，详细描述包括具体细节。然而，在没有这些具体细节的情况下可以实践本公开。在某些情况下，众所周知的结构和部件可以以框图形式示出，或被完全省略，以避免模糊整个本公开所提出的各种概念。
本公开针对AM中的控制系统，诸如粉末床熔融(PBF)。当前的PBF系统可以实现在±20μm和±130μm之间的组件几何精度，具有Ra＝25μm的表面粗糙度。PBF可实现的最小壁厚为150μm。另一方面，电子束熔化(EBM)系统可以实现Ra＝40μm和700μm的最小壁厚。当需要光滑表面或亚毫米特征时，这提出了挑战。此外，由于诸如不连续的熔化载体(meltvectors)、“球化”效应、不均匀的粉末分布以及不完全熔化的现象，某些3-D打印的部件的内部特征可能不均匀。这些现象能够限制尺寸精度、速度以及吞吐量。
不均匀性的一个原因是当材料熔化、固结并凝固成固体块时，暴露于能量束的粉末材料的区域能够发生体积收缩。就此而言，熔化区域的高度可以低于粉末床的剩余部分，导致在沉积下一粉末层期间在这些区域的顶部上会沉积较厚的粉末材料层。在各种实施例中，可以确定粉末的额外厚度，并可以增加对粉末材料的能量施加以补偿熔化额外厚度的粉末所需的能量增加。例如，这种方法可以确保每一层都完全融化，并减少3-D构建件中的孔隙度。
在各种实施例中，构建件可以基于对象模型来构建，该对象模型可以指定构建件的期望形状。对象模型还可以包括构建件的其它期望特性，诸如密度、内应力、熔融的完全性等。在打印过程之前、打印过程期间和/或打印过程之后，可以确定与对象模型的差异。例如，实际构建件的收缩可以通过将实际构建件与构建件的对象模型进行比较来确定。收缩能够导致在下一粉末层中沉积的粉末的额外厚度。例如，收缩区域上的粉末层的额外厚度可以基于经确定的收缩来确定。在某些实施例中，通过感测实际构建件的形状(例如，通过光学测量)可以实时确定收缩。在某些实施例中，在打印过程之前可以基于例如基于物理的模型来确定收缩，该基于物理的模型可以通过计算热因数、重力因素等来预测实际构建件的形状。
在各种实施例中，通过补偿环境温度、湿度、材料化学和粒度变化、激光强度、层厚度以及附近的部件几何形状中的差异，可以实现3D打印机精确度和吞吐量改进。
在各种实施例中，3D打印机可以打印标准化测试部件/图案，然后可以扫描该标准化测试部件/图案以用于与对象模型进行比较。可以测量和计算与几何数据的离差和方差。然后在开始打印产品构建件之前，可以对打印机性能的差异进行补偿。
在各种实施例中，可以在每一层打印之前和每一层打印之后执行构建件的光学扫描。可以建立监测系统以在粉末涂覆过程之后扫描粉末床并确定粉末材料的分布。如果存在粉末未覆盖的区域，则可以再次激活涂覆机构以涂覆所述层。在扫描每一层后通过使用监测系统，可以应用改进。如果在能量束的扫描中存在遗漏或发生粉末材料仅部分熔化的区域，则可以激活能量束以重新扫描这些区域。
在各种实施例中，可以使用高分辨率热成像系统来创建用于自校准精确度的闭环反馈回路。高分辨率热成像设备可以在能量束不连续或错位曝光期间监测熔化载体的形成。反馈回路可以补偿熔化载体的漂移和宽度，从而保持几何精确度和打印质量。校准取样片(coupon)可以永久地固定在构建腔室内以保证成像系统的精确度。
图1A-D图示了在不同的操作阶段期间的示例性PBF系统100的相应的侧视图。如上所述，图1A-D中图示的具体实施例是采用本公开的原理的PBF系统的很多合适示例中的一个示例。还应该注意的是，图1A-D和本公开中的其它附图的元件不一定按比例绘制，但为了更好地图示本文描述的概念，可以绘制得更大或更小。PBF系统100可以包括可以沉积每一层金属粉末的沉积器101、可以生成能量束的能量束源103、可以施加能量束以熔融(fuse)粉末材料的偏转器105、以及可以支撑一个或多个构建件(诸如构建件109)的构建板107。PBF系统100还可以包括放置在粉末床容器内的构建底板111。粉末床容器的壁112通常限定粉末床容器的边界，该粉末床容器从侧面夹在壁112之间并邻接下方的一部分构建底板111。构建底板111可以逐渐降低构建板107，使得沉积器101可以沉积下一层。整个机构可以存在于可以围住其它组件的腔室113中，从而保护设备、能够进行大气和温度调节并减轻污染风险。沉积器101可以包括容纳粉末117(诸如金属粉末)的漏斗115，和可以使每一层沉积粉末的顶部平整的调平器119。
具体参照图1A，该图示出了在一片构建件109已经熔融之后但在下一层粉末已经沉积之前的PBF系统100。实际上，图1A图示了PBF系统100已经沉积并熔融多个层(例如150层)中的片以形成(例如150个片形成的)构建件109的当前状态所处的时刻。已经沉积的多个层已经创建了粉末床121，该粉末床包括沉积但未熔融的粉末。
图1B示出了处于以下阶段处的PBF系统100：其中构建底板111可以通过粉末层厚度123来降低。构建底板111的降低导致构建件109和粉末床121通过粉末层厚度123下降，使得构建件和粉末床的顶部比粉末床容器壁112的顶部降低了等于粉末层厚度的量。以这种方式，例如，在构建件109和粉末床121的顶部上可以创建具有与粉末层厚度123相等的一致厚度的空间。
图1C示出了处于以下阶段处的PBF系统100：其中沉积器101被放置以将粉末117沉积在构建件109和粉末床121的顶部表面上被创建的并由粉末床容器壁112界定的空间中。在该示例中，沉积器101在限定空间上逐渐移动，同时从漏斗115中释放粉末117。调平器119可以使释放的粉末平整，以形成具有基本上等于粉末层厚度123(见图1B)的厚度的粉末层125。因此，PBF系统中的粉末可以由粉末材料支撑结构支撑，该粉末材料支撑结构可以包括例如构建板107、构建底板111、构建件109、壁112等。应该注意的是，图示的粉末层125的厚度(即粉末层厚度123(图1B))大于涉及上面参考图1A讨论的150个先前沉积层的示例所使用的实际厚度。
图1D示出了处于以下阶段处的PBF系统100：其中在粉末层125(图1C)沉积之后，能量束源103生成能量束127且偏转器105施加能量束以使构建件109中的下一片熔融。在各种示例性实施例中，能量束源103可以是电子束源，在这种情况下能量束127构成电子束。偏转器105可以包括可以生成电场或磁场的偏转板，该电场或磁场选择性地偏转电子束以促使电子束扫过指定待熔融的区域。在各种实施例中，能量束源103可以是激光，在这种情况下能量束127是激光束。偏转器105可以包括光学系统，该光学系统使用反射和/或折射来操作激光束以扫描所选择的待熔融区域。
在各种实施例中，偏转器105可以包括一个或多个平衡环和致动器，该一个或多个平衡环和致动器可以旋转和/或平移能量束源以将能量束放在适当位置。在各种实施例中，能量束源103和/或偏转器105可以调制能量束，例如当偏转器扫描时接通和断开能量束，使得能量束仅施加在粉末层的适当区域中。例如，在各种实施例中，能量束可以由数字信号处理器(DSP)调制。
图2图示了能够导致悬垂区域的PBF系统中的示例性下垂(sagging)变形的侧视图。图2示出了构建板201和粉末床203。在粉末床203中是构建件205。为了进行比较，用虚线图示对象模型207。在一个实施例中，对象模型207包括来自在CAD中创建的用作AM处理器的输入以渲染构建件的数据模型的数据。对象模型207示出了构建件的期望形状。在大多数位置中，即在没有变形的位置中，构建件205与对象模型207重叠。因此，在悬垂边界210右侧的区域中，表征构建件205的实线与在对象模型207中定义的虚线重叠。然而，悬垂区域209中发生下垂变形。在该示例中，悬垂区域209由彼此顶部熔融的多个片构成。在这种情况下，随着悬垂区域209从构建件205的主体中延伸，变形更严重。
应该注意的是，虽然熔融没有直接发生在散的粉末上，但在区域(其中一个层中的粉末在下面层中的片的边缘附近熔融)中也可以出现(诸如变形、较高的残余应力等的)某些问题。例如，当在下面的片的边缘附近熔融粉末时能够导致意外的高温，这是因为下面的熔融材料较少，无法将热量传导掉。在下面的片形成尖锐边缘的地方，这些问题会特别严重。
图3图示了包括闭环控制的示例性PBF装置300。图3示出了构建板301、粉末床303、以及构建件305。能量施加系统309可以施加能量来使沉积粉末层中的粉末材料熔融。为了图示，粉末沉积器没有在此图中示出。能量施加系统309可以包括能量施加器310，该能量施加器310可以包括能量束源311和偏转器313。能量施加系统还可以包括处理器314和计算机存储器315(诸如随机存取存储器(RAM)、计算机存储盘(例如硬盘驱动器、固态驱动器)等)。存储器315可以存储对象模型316和打印指令317。打印指令317可以包括用于在打印过程中的每一粉末层的指令，且该指令可以控制能量束源311和偏转器313如何扫描每一粉末层。例如，打印指令317可以控制打印参数，诸如扫描速率、束功率、束熔融的位置等。打印指令317可以由处理器314基于对象模型316来确定。换句话说，处理器314可以通过确定扫描速率、束功率、束熔融的位置等来生成打印指令317，以基于对象模型316形成构建件305的每一片。能量施加器310可以从存储器315中接收打印指令317并可以施加能量束以熔融粉末材料来基于打印指令创建构建件305。
PBF装置300可以包括表征器319，该表征器319获得与粉末材料的熔融有关的信息。在该示例中，表征器319可以是传感器321，该传感器321能够感测关于构建件305的形状的信息。例如，传感器321可以包括光学传感器，诸如照相机。传感器321可以感测构建件305的形状信息323(例如尺寸测量值)并且可以将形状信息发送到比较器325。例如，在通过能量施加系统309使构建件305的每一片熔融之后，传感器321可以在粉末材料的下一层沉积之前感测构建件的形状，并将感测到的形状作为形状信息323发送到比较器325。
比较器325可以从存储器315中获得对象模型316，并可以执行对象模型和形状信息323的比较以确定与对象模型的差异。例如，与对象模型316相比，构建件305的某些部分是下垂的。比较器325可以将差异信息发送到补偿器327。补偿器327可以基于该差异来修改打印指令317。例如，基于该差异，补偿器327可以确定将比剩余层更厚的下一粉末层的区域。补偿器327可以修改打印指令317以在下一次扫描中增加对较厚粉末区域中的能量施加，以便确保较厚区域中的粉末材料被适当地熔融。例如，补偿器327可以修改打印指令317以增加较厚区域中的束功率和/或降低较厚区域中的扫描速率，以将更多能量施加到这些区域。
在各种实施例中，表征器319可以包括感测熔融后的粉末材料的边缘信息的边缘传感器。例如，熔融问题经常发生在所述片的边缘处或所述片的边缘附近。在这些情况下，边缘传感器可以提供关于所述片的边缘形状的有利信息。在各种实施例中，边缘传感器可以感测熔融后的粉末材料的边缘的信息，诸如形状、位置、高度等。
在各种实施例中，表征器可以包括感测热信息的热传感器，例如热电偶、红外传感器等。在各种实施例中，表征器可以包括光学传感器，诸如照相机。
图4图示了包括前馈控制的示例性PBF装置400。图4示出了构建板401、粉末床403、以及构建件405。能量施加系统409可以施加能量以使沉积粉末层中的粉末材料熔融。为了图示，粉末沉积器没有在此图中示出。能量施加系统409可以包括能量施加器410，该能量施加器410可以包括能量束源411和偏转器413。能量施加系统还可以包括处理器414和计算机存储器415(诸如RAM、计算机存储盘等)。存储器415可以存储对象模型416和打印指令417。打印指令417可以包括用于在打印过程中每一粉末层的指令，且该指令可以控制能量束源411和偏转器413如何扫描每一粉末层。例如，打印指令417可以控制打印参数，诸如扫描速率、束功率、束熔融的位置等。
在该示例中，打印指令417可以由处理器414基于对象模型416和基于物理模型418来确定。特别地，处理器414可以包括表征器419，该表征器419可以获得与粉末材料的熔融有关的信息。更特别地，表征器419可以从存储器415中接收打印指令417并可以通过将物理建模应用到打印指令来确定构建件405的基于物理的模型418。例如，表征器419可以执行存储在存储器415中的软件，该软件可以使用物理建模基于打印指令417来预测构建件的形状。构建件的预测形状是基于物理的模型418，其被存储在存储器415中。在该示例中，图4图示了基于物理的模型418的形状包括在构建件的边缘区域处的下垂。可以已经通过基于流体动力学建模对加热后的粉末材料的行为进行建模、基于热力学建模确定束加热的有效性、基于物理力学建模确定由于粉末材料的沉积而产生的力来确定下垂。
因此，根据基于物理的模型418，如果使用当前存储在存储器415中的打印指令417来打印构建件，则构建件将具有下垂部分。然而，打印指令417可以在打印过程之前被修改以消除或减少下垂。特别地，处理器414的比较器425可以从存储器415中接收对象模型416和基于物理的模型418，并可以执行对象模型和基于物理的模型的比较以确定与对象模型的差异。以这种方式，比较器425可以确定与对象模型416相比，基于物理的模型418的某些部分是下垂的。比较器425可以将差异信息发送到处理器414的补偿器427。补偿器427可以基于该差异来修改打印指令417。例如，基于该差异，补偿器427可以确定应该在根据基于物理的模型418的将下垂的区域中施加更少的能量。补偿器427可以修改打印指令417以减少这些区域中能量的施加，以便防止或减少下垂。例如，补偿器427可以修改打印指令417，以通过减小这些区域中的束功率和/或增加这些区域中的扫描速率将更少的能量施加到将下垂的区域。以这种方式，例如，在打印操作之前基于基于物理的模型可以修改打印指令417。
在各种实施例中，可以执行上述过程的多次迭代。例如，修改后的打印指令417可以被反馈到表征器419中，表征器可以确定更新后的基于物理的模型，比较器425可以将更新后的基于物理的模型与对象模型416进行比较并将更新后的差异发送到补偿器427，并且补偿器可以更新修改后的打印指令。例如，迭代可以继续直到变化小于阈值容差为止。此时，修改后的打印指令417可以用于打印。
能量施加器410可以从存储器415中接收修改后的打印指令417，并可以基于修改后的打印指令施加能量束以熔融粉末材料来创建构建件405。在前馈控制的这个示例中，构建件405具有正确的形状，这是因为在打印之前打印指令被修改。
因此，在利用基于物理的模型的各种实施例中，可以在打印过程之前创建一组打印指令。表征器可以在打印过程开始之前基于原始的打印指令组来确定基于物理的模型。比较器可以将基于物理的模型与对象模型进行比较，以确定模型之间的差异。补偿器可以修改打印指令以补偿差异，使得根据对象模型将打印实际的构建件。此外，在各种实施例中，修改打印指令的过程可以是迭代过程，其中可以生成第一修改后的打印指令组，可以基于第一修改后的打印指令组来更新基于物理的模型，更新后的基于物理的模型可以与对象模型进行比较，如果任何差异大于阈值容差，则可以确定第二修改后的打印指令组，并可以重复该过程直到没有差异大于阈值容差为止。
图5图示了比较器500的示例性操作。比较器500可以从存储器502中接收对象模型501。比较器500还可以从构建信息源504(诸如存储器、传感器等)中接收构建信息503。例如，构建信息503可以是由传感器获得的构建件的信息，诸如来自图3的传感器321的形状信息。例如，构建信息503可以是基于物理的模型(诸如图4的基于物理的模型418)的信息。比较器500可以执行比较操作505以确定对象模型501和构建信息503之间的差异。在此示例中，比较操作505确定差异507和差异509。差异507是构建件的缺少部分的空间，也就是，不包括一部分构建件的空间，虽然该空间应该包括一部分构建件。差异509是包括额外的构建件部分的空间，也就是包括部分构建件的空间，即使该空间不应该包括部分构建件。可以将差异507和509发送到补偿器511以确定对打印指令的修改。
在各种实施例中，差异可以包括尺寸、形状(例如变形)、熔融的完整性、位置等。在各种实施例中，表征器可以感测粉末层的区域中的粉末材料在预定时间内在能量束被施加到该区域中的粉末材料之后是否完全熔融，且如果在预定时间之后粉末材料熔融不完全，则补偿器可以修改打印指令以将额外的能量施加到该区域中的粉末材料。例如，修改后的打印指令可以包括能量的额外施加，例如，在已经扫描所述片之后，能量束可以返回到不完全熔融的区域。
在各种实施例中，例如，构建信息可以包括熔融后的粉末材料在正在下垂的一个所述层中的位置的传感器信息。在这种情况下，当下一层粉末沉积时，下垂区域上的粉末层将比粉末层的其他区域更厚。补偿器可以增加施加到在前一层的下垂区域上沉积的粉末材料区域的能量，以确保较厚层的粉末将完全熔融。以这种方式，例如，可以用熔融后的粉末填充下垂区域以将高度建立到期望的水平。
在各种实施例中，例如，构建信息可以包括基于物理的模型信息，该基于物理的模型信息可以在发生下垂之前预测下垂区域。在这种情况下，可以修改打印指令以预防或减少下垂。例如，补偿器可以降低施加到如果施加更高的能量则会下垂的粉末材料区域的能量。以这种方式，例如，在发生下垂之前可以执行下垂的补偿。
在各种实施例中，基于物理的模型可以表征(例如由于蒸发)熔融后的粉末材料的损耗。在各种实施例中，基于物理的模型可以表征熔融后的粉末材料的熔化池黏度。
在各种实施例中，可以修改打印指令以仅补偿差异，该差异是构建件的额外部分，诸如上面的差异509。例如，如果一部分构建件向上凸起进入意味着不包括构建件的空间内，则可以修改打印指令以在形成下一片时在凸起部分上熔融更少的粉末。
在各种实施例中，可以修改打印指令以仅补偿差异，该差异是构建件的缺少部分，诸如上面的差异507。例如，如果出现下垂且正在使用实时补偿，则可能无法校正已经下垂到意味着不包括构建件的空间内的部分构建件。在这种情况下，可以修改打印指令以在形成下一片时在下垂区域上的空间中熔融更多粉末，如下面的图6的示例中所示。以这种方式，例如，可以校正构建件的缺少部分，但是保持下面的下垂部分。下垂部分可以在打印过程之后通过例如锉削、砂磨等去除。
图6A-C图示了使用修改后的打印指令的粉末层的能量的示例性施加。如图6A所示，PBF装置600包括构建板601，在构建板601上构建件603形成在粉末床605中。粉末床605包括具有期望的粉末层厚度609的粉末层607。一部分粉末层607具有较厚的粉末层厚度611，该较厚的粉末层厚度611在构建件603的下垂部分上，并因此比期望的粉末层厚度609更厚。PBF装置600还包括能量束源613和偏转器615。已经生成修改后的打印指令617来补偿构建件603的下垂部分上的粉末层607的增加厚度。在该示例中，修改后的打印指令617修改能量束源613的束功率。
图6B图示了使用修改后的束功率将具有较厚的粉末层厚度611的一部分粉末层607中的粉末熔融。特别地，为了将具有较厚的粉末层厚度611的部分粉末层607熔融，修改后的打印指令617命令能量束源613增加束功率以当在粉末层的较厚部分上扫描时实现更高功率能量束619。以这种方式，例如，可以将更多的能量施加到具有较厚的粉末层厚度611的部分粉末层607，使得粉末可以完全熔融。
图6C图示了将具有期望粉末层厚度609的一部分粉末层607中的粉末熔融。在这种情况下，修改后的打印指令617可以命令能量束源613降低束功率，以实现较低的功率能量束621，该较低的功率能量束621可以是用于使具有期望的粉末层厚度609的粉末完全熔融的束功率。
图7是图示了用于PBF系统的闭环补偿的示例性方法的流程图。PBF系统可以生成(701)能量束并且可以施加(702)能量束来熔融粉末材料以创建具有对象模型的三维(3-D)对象。PBF系统可以获得(703)与粉末材料的熔融有关的信息。例如，信息可以包括构建件的形状的传感器信息(例如，变形、下垂等)、熔融的完全性等。PBF系统可以基于信息确定(704)与对象模型的差异。例如，如果信息指示在特定区域中下垂，则系统可以确定下垂的量。PBF系统可以基于该信息修改(705)对粉末材料的能量施加。例如，系统可以基于下垂量的信息来增加能量束的束功率以完全熔融较厚粉末的区域。在各种实施例中，修改能量的施加可以包括修改打印指令。在各种实施例中，修改能量的施加可以包括基于来自一个或多个传感器的反馈来实时修改束功率、扫描速率等。例如，温度传感器可以感测所述束位置处的温度，该温度对于熔化粉末来说太低，并且可以基于感测到的温度来增加束功率。在各种实施例中，修改能量的施加可以通过修改用于下一层的打印指令来完成，例如，当检测到前一层中下垂时，可以增加束功率用于将在前一层的下垂部分上的下一层中的粉末熔融。
图8A-C图示了使用修改后的打印指令的粉末层的能量的另一示例性施加。如图8A所示，PBF装置800包括构建板801，在构建板801上构建件803形成在粉末床805中。粉末床805包括粉末层807。一部分粉末层807在悬垂区域809中。PBF装置800还包括能量束源813和偏转器815。
在该示例中，已经执行(诸如以上参考图4所述的)前馈过程来确定修改后的打印指令817，以补偿当将悬垂区域809中的粉末层807熔融时将发生的下垂。在该示例中，修改后的打印指令817修改偏转器815的束扫描速率。
图8B图示了使用修改后的束扫描速率将在悬垂区域809的一部分粉末层807中的粉末熔融。特别地，为了在不导致下垂的情况下将在悬垂区域809中的部分粉末层807熔融，修改后的打印指令817命令偏转器815增加束扫描速率以当在悬垂区域809中扫描时实现较快扫描的能量束819。以这种方式，例如，可以将更少的能量施加到悬垂区域809中的部分粉末层807，使得熔融后的粉不会有下垂。
图8C图示了将悬垂区域809外部的一部分粉末层807中的粉末熔融。在这种情况下，修改后的打印指令817可以命令偏转器815减少束扫描速率，以实现较慢扫描的能量束821，该较慢扫描的能量束821可以是用于使未在悬垂区域中的粉末进行熔融的束扫描速率。
图9是图示了用于PBF系统的前馈补偿的示例性方法的流程图。PBF系统可以获得(901)与粉末材料的熔融有关的信息。例如，该信息可以包括预测构建件的形状(例如，变形、下垂等)、熔融的完全性等基于物理的模型。PBF系统可以基于信息确定(902)与对象模型的差异。例如，如果该信息预测在特定区域中下垂，则系统可以确定下垂的量。PBF系统可以基于该信息修改(903)对粉末材料的能量施加。例如，系统可以基于预测的下垂量的信息来增加能量束的扫描速率以防止下垂。在各种实施例中，修改能量的施加可以包括修改打印指令。PBF系统可以生成(904)能量束并且可以施加(905)能量束来熔融粉末材料以创建具有对象模型的三维(3-D)对象。
图10A-E图示了具有后处理闭环控制的示例性PBF装置1000。图10A示出了完成打印运行之后的PBF装置1000。PBF装置1000包括构建板1001。粉末床1003和第一完成的构建件1005在构建板1001上。PBF装置还包括能量施加系统1007，该能量施加系统1007包括具有能量束源1011和偏转器1013的能量束施加器1009、包括对象模型1017的存储器1015、打印指令1019、比较器1021以及补偿器1023。PBF装置1000还包括对象扫描器1025。
在该示例中，第一完成的构建件1005是基于对象模型1017打印的第一构建件。如图10A所示，打印指令1019从存储器1015中获得对象模型1017，并且打印指令基于对象模型。然而，与对象模型1017相比，第一完成的构建件1005具有不正确的形状的部分。因此，PBF装置1000执行补偿程序，如图10B-E所示。
图10B图示了PBF装置1000的对象扫描程序。特别地，通过对象扫描器1025来扫描第一完成的构建件1005，以获得第一完成的构建件的形状的尺寸信息。尺寸信息作为扫描信息1027发送到比较器1021。此外，比较器1021从存储器1015中接收对象模型1017。比较器1021执行图10C示出的比较操作，以确定对象模型1017和扫描信息1027之间的差异。
图10C图示了比较器1021的操作。比较器1021从存储器1015中接收对象模型1017并从对象扫描器1025中接收扫描信息。比较器1021执行比较操作1029以确定对象模型1017和扫描信息1027之间的差异1031并将该差异发送到补偿器1023。
图10D图示了补偿器1023的操作。补偿器1023从存储器1015中接收对象模型1017并从比较器1021中接收差异1031。补偿器1023执行补偿操作1033以确定补偿后的对象模型1035。从补偿后的对象模型1035中生成的打印指令将会致使打印与对象模型1017匹配的构建件。换句话说，补偿后的对象模型1035补偿了当打印第一完成的构建件1005时发生的误差。补偿器1023发送补偿后的对象模型1035以存储在存储器1015中。
图10E图示了使用补偿后的对象模型1035进行打印得到的第二完成的构建件1037。当打印第二完成的构建件1037时，打印指令1019基于补偿后的对象模型1035。以这种方式，例如，第二完成的构建件1037的形状可以与对象模型1017的形状匹配。实际上，一旦已经确定了补偿后的对象模型1035，每个随后的构建件可以与对象模型1017的形状匹配。
图11是图示了用于PBF系统的补偿的另一示例性方法的流程图。PBF系统可以提供(1101)用于打印3-D对象的打印指令，并且可以基于该打印指令来打印(1102)3-D对象。例如，该系统可以打印第一构建件，诸如图10A中的第一完成的构建件1005。PBF系统可以感测(1103)打印的3-D对象中的至少一部分的形状。例如，可以通过对象扫描器(诸如对象扫描器1025)来扫描第一构建件。PBF系统可以将打印的3-D对象的形状与参考形状(诸如对象模型1017)进行比较(1104)以确定差异参数，诸如形状的尺寸差异。PBF系统可以基于该差异参数更新(1105)打印指令。例如，打印指令可以基于可以由差异参数确定的补偿后的对象模型(诸如补偿后的对象模型1035)来更新。
提供之前的描述是为了使本领域的任何技术人员能够实践本文描述的各个方面。在整个本公开中提出的对这些示例性实施例的各种修改将对本领域技术人员是容易显而易见的。因此，权利要求不旨在限于整个公开中提出的示例性实施例，而是要符合与语言权利要求一致的全部范围。整个本公开中所描述的示例性实施例的元件的所有结构和功能等同物均旨在由权利要求所包含，所述整个本公开中所描述的示例性实施例的元件对于本领域的普通技术人员来说是已知的或后来已知的。此外，本文所公开的任何内容都不旨在专用于公众，不管该公开在权利要求中是否被明确叙述。权利要求要素不得根据35U.S.C.§112(f)或适用的司法权中的类似法律的规定来解释，除非使用短语“用于...的方法”明确叙述了该要素，或者在方法权利要求的情况下，使用短语“用于...的步骤”来叙述该要素。

Claims (10)

1.一种用于粉末床熔融的装置，包括：
沉积器，其被配置为沉积粉末材料；
能量施加器，其被配置为施加能量，所述能量施加器包括能量束源，所述能量束源被配置为生成能量束，其中所述能量施加器施加所述能量束以使所述粉末材料熔融来在构建件的第一层中创建熔融后的粉末；
表征器，其被配置为获得指示了在所述能量束被施加以熔融所述粉末材料之后所述熔融后的粉末是否没有完全熔融的信息；以及
补偿器，其被配置为如果所述信息指示了所述能量束被施加以熔融所述粉末材料之后所述熔融后的粉末没有完全熔融，则由所述能量施加器来修改施加的能量。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述补偿器还被配置为通过调节所述能量束的功率来修改施加的能量。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述补偿器还被配置为通过调节所述能量束的扫描速率来修改施加的能量。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述表征器还包括感测热信息的热传感器，并且所述信息包括所述热信息。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述能量施加器还被配置为施加所述能量束以对在包括所述第一层的多个层的每个层中的粉末材料进行熔融。
6.根据权利要求5所述的装置，其中所述信息包括熔融后的粉末材料在所述第一层中的位置，并且所述补偿器还被配置为通过增加施加到所述粉末材料的能量来修改施加的能量，所述粉末材料直接沉积在所述多个层中的第二层中的位置上。
7.根据权利要求5所述的装置，其中所述表征器还被配置为感测在所述多个层的一个层中的区域中的粉末材料在预定时间内在所述能量束被施加到所述区域中的粉末材料之后是否完全熔融，并且所述补偿器被配置为如果所述粉末材料在所述预定时间之后没有完全熔融，则通过将额外的能量施加到所述区域中的粉末材料来修改施加的能量。
8.根据权利要求1所述的装置，其中所述表征器包括光学传感器，并且所述信息包括从所述光学传感器中获得的光学信息。
9.根据权利要求1所述的装置，其中所述信息包括粉末材料层的厚度，且所述厚度大于期望的厚度。
10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述补偿器还被配置为增加对大于期望的厚度的层的区域施加的能量。
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