CN109789484A - 用于增材制造中z高度测量和调整的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

在本公开的一些实施例中，提供了一种方法，所述方法包括：通过基于材料沉积的增材制造技术以增材方式制造零件；与以增材方式制造所述零件同时通过非线性数学模型测量沉积的z高度，以确定测量的z高度，其中所测量的z高度是增材制造系统能量源与熔池的顶表面之间的距离；将测量的z高度与目标z高度比较，以识别测量的z高度与目标z高度之间的差；调整运动控制器以将校正后的z高度设置为目标z高度和测量的z高度；且基于所述校正后的z高度沉积增材制造进料。

Description

用于增材制造中Z高度测量和调整的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年9月15日提交的美国临时申请第62/395,032号的权益，该专利申请以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
广义讲，本公开涉及用于增材制造(AM)材料沉积工艺的z高度测量和控制的设备和方法的各种实施例。
更具体讲，本公开涉及这样的系统和方法：其产生非线性数学模型以测量AM沉积的z高度，并且如果所测量的z高度与目标z高度不同，则提供自动调整参数。
背景技术
需要增材制造(AM)进料的精确和准确沉积以实现具有准确几何形状和一致性质(例如，微结构)的AM零件构建。
发明内容
在本公开的一些实施例中，提供了一种方法，所述方法包括：通过基于材料沉积的增材制造技术以增材方式制造零件；与以增材方式制造所述零件同时通过非线性数学模型测量沉积的z高度，以确定测量的z高度，其中所测量的z高度是增材制造系统能量源与熔池的顶表面之间的距离；将测量的z高度与目标z高度比较，以识别测量的z高度与目标z高度之间的差；调整运动控制器以将校正后的z高度设置为目标z高度和测量的z高度；且基于所述校正后的z高度沉积增材制造进料。
在前述实施例中的任一个中，另外和/或替代地，调整运动控制器还包括将信号发送到联接到所述增材制造系统能量源的所述运动控制器以设置所述校正后的z高度。
在前述实施例中的任一个中，另外和/或替代地，所述非线性数学计算为：
其中SD是所述增材制造系统能量源与所述熔池或者与前一层中的沉积材料的表面之间的靶距，其中h是物理图像传感器单元上的图像点a和图像点b之间的距离，其中L1是从透镜中心到所述熔池或者到所述前一层中的沉积材料的表面的距离，其中α是线Aa与能量方向之间的角度，其中β是线Aa与图像传感器表面之间的角度，且其中f为焦距。
在前述实施例中的任一个中，另外和/或替代地，所述z高度是负值。
在前述实施例中的任一个中，另外和/或替代地，所述增材制造系统能量源在朝向所述熔池的竖直方向上被向下调整。
在前述实施例中的任一个中，另外和/或替代地，所述z高度是正值。
在前述实施例中的任一个中，另外和/或替代地，所述增材制造系统能量源在远离所述熔池的竖直方向上被向上调整。
在前述实施例中的任一个中，另外和/或替代地，所述基于材料沉积的增材制造技术是送丝式沉积。
在前述实施例中的任一个中，另外和/或替代地，所述基于材料沉积的增材制造技术是基于可注射的流体化粉末的沉积。
在前述实施例中的任一个中，另外和/或替代地，所述测量的z高度是所述目标z高度。
在前述实施例中的任一个中，另外和/或替代地，测量所述z高度包括：通过成像装置拍摄所述熔池的图像；通过坐标系相对于所述增材制造系统能量源关联并计算所述熔池的位置；将所述测量的z高度与所述目标z高度进行比较；计算所述测量的z高度与所述目标z高度之间的偏差；以及通过所述z高度控制器调整所述能量源相对于所述熔池的顶表面的高度，以在所述测量的Z高度与所述目标z高度之间如果有偏差，则最小化所述偏差。
在前述实施例中的任一个中，另外和/或替代地，所述成像装置被配置成测量所述能量源的最下面部分与所述熔池的顶表面之间的距离。
在前述实施例中的任一个中，另外和/或替代地，控制所述基于材料沉积的增材制造技术的参数以便调整所述z高度。
在前述实施例中的任一个中，另外和/或替代地，至少部分地基于调整电子束功率参数的值来调整所述z高度。
在前述实施例中的任一个中，另外和/或替代地，至少部分地基于调整所述增材制造进料的进给速度来调整所述z高度。
在前述实施例中的任一个中，另外和/或替代地，所述传感器使得能够自动监测和/或控制所述z高度。
在前述实施例中的任一个中，另外和/或替代地，与以增材方式制造所述零件同时将所述测量的z高度与所述目标z高度进行比较。
在前述实施例中的任一个中，另外和/或替代地，与以增材方式制造所述零件同时，所述运动控制器被调整以提供校正后的z高度，从而降低所述目标z高度与所述校正后的z高度之间的差。
在本公开的一些实施例中，提供了一种方法，其包括：衬底，所述衬底具有被配置成保持以增材方式制造的零件的第一表面；能量源，所述能量源设置成与所述衬底相对且被配置成朝向所述衬底的所述第一表面引导能量束；固定装置，所述固定装置具有联接到所述能量源的外壳的第一端；传感器，所述传感器联接到所述固定装置的第二端，其中所述传感器被配置成对由热增材制造材料发射的特定波长的光进行成像；和运动控制器，所述运动控制器联接到所述能量源且被配置成调整从所述能量源到以增材方式制造的零件的顶表面的竖直距离。
在前述实施例中的任一个中，另外和/或替代地，所述运动控制器包括运动电机和控制器。
附图说明
以上简要概括并且在下文更详细地论述的本发明的实施例可参考附图中所描绘的本发明的说明性实施例来理解。然而，应注意，附图仅说明本发明的典型实施例，且因此不应被视为限制本发明的范围，因为本发明可允许其它同等有效的实施例。
图1描绘了根据本公开的一些实施例的硬件系统的实施例的示意图。
图2A-C描绘了根据本公开的一些实施例针对增材制造(AM)零件构建的各种z高度和所产生的含义的三个不同实例。
图3A和3B描绘了可以采用本公开的一个或多个实施例的两种不同的基于进料的AM技术的两个说明性示意图。
图4描绘了根据本公开的一些实施例的软件系统测量和控制回路的实施例的示意图。
图5描绘了根据本公开的一些实施例可用于图1中描绘的变量和部件设计以便在特定AM构建层处生成z高度测量(例如，测量的z高度)的非线性数学模型的实例。
图6描绘了根据本公开的一些实施例的z高度传感器的实施例。
图7A-7C描绘了根据本公开的一些实施例的用来评估系统的z高度测量装置配置的实施例的示意图和照片。
图8A和8B是图7A-7C中提供的配置的实验结果，示出根据本公开的一些实施例的通过z高度系统和z高度方法的实施例的实验评估获得的z高度数据。
图9描绘了根据本公开的一些实施例测试的原位传感器的实施例的两个不同道次(AM焊道沉积)的连续z高度测量结果的实验数据。
图10A和10B描绘了作为根据本公开的一些实施例测试的原位传感器的实施例的测试的一部分获得的不同z高度图像和处理结果的实例。
为了促进理解，在可能的情况下，已使用相同的参考数字指定图中共同有的相同元件。附图未按比例绘制，并且为了清楚起见，可以被简化。可以设想一个实施例的元件和特征可有益地并入在其它实施例中，无需进一步的叙述。
具体实施方式
本发明将进一步参照附图进行解释，其中在若干个视图中，相同元件符号表示相同结构。所绘图不一定按比例绘制，相反，重点一般放在说明本发明的原理上。另外，某些特点可以放大以描绘出特定组件的细节。
附图构成本说明书的一部分且包括本发明的说明性实施例且说明其多个目标和特点。另外，附图不一定按比例绘制，某些特点可以放大以描绘特定组件的细节。另外，图中所示的任何测量值、规格及其类似方面希望具有说明性，而非限制性。因此，本文所公开的具体结构和功能细节不应理解为具限制性，而仅仅作为一个代表性基础用于传授所属领域的技术人员以不同方式利用本发明。
在已经公开的那些效益和改良中，根据以下描述，结合附图将明显易知本发明的其他目标和优点。本文中公开了本发明的详细实施例；然而应了解，所公开的实施例仅仅是说明本发明可以多种形式实施。另外，每个实例结合旨在说明而非限制的本发明各种实施例给出。
在通篇说明书和权利要求书中，除非上下文另有明确规定，否则以下术语采取本文明确相关的含义。如本文所用，表述“在一个实施例中”和“在一些实施例中”不一定指同一个或同一些实施例，虽然其可指同一个或同一些实施例。此外，如本文所用，表述“在另一个实施例中”和“在一些其他实施例中”不一定指不同的实施例，虽然其可指不同的实施例。因此，如下文所述，可以容易地将本发明的各种实施例组合，而不偏离本公开的范围或精神。
在一些实施例中，为了实现具有准确几何形状和一致质量的复杂增材制造(AM)零件的大批量生产，可靠的工艺监测和控制是关键的。AM是一种逐层构建工艺，在实现可行的商业案例方面构建时间作为关键变量。基于材料沉积的AM工艺，例如型电子束增材制造和型系统，通过使用诸如电子束或激光之类的高能量源熔化沉积的填料或送粉来构建零件。图3A和3B描绘了可采用本公开的系统和方法的两种不同的示例性类型的增材制造机器。图3A描绘了基于焊丝的AM沉积技术(即用电子束填丝)的示例性实施例，其可通过型AM机器获得，而图3B描绘了基于可注射的流体化粉末的AM机器(即用激光束送粉)的示例性实施例，其可通过型AM机器获得。
Z高度是被构建的零件的顶表面(即熔池的顶表面)和AM系统能量源之间的距离。由于流体机械学导致熔融金属池中的力矩和/或畸变使得在AM零件构建期间不修改AM设备以改变z高度下难以在AM零件构建期间一致地实现目标z高度。控制z高度是实现产品质量的重要因素。
因此，在本公开的一些实施例中，提供了用于控制z高度的方法。在一些实施例中，所述方法包括通过基于材料沉积的增材制造技术以增材方式制造零件；与以增材方式制造所述零件同时，通过非线性数学模型测量沉积的z高度，以确定测量的z高度，其中所测量的z高度是增材制造系统能量源与熔池的顶表面之间的距离；将测量的z高度与目标z高度比较，以识别测量的z高度与目标z高度之间的差；调整运动控制器以将校正后的z高度设置为目标z高度和测量的z高度；且基于校正后的z高度沉积增材制造进料。
在一些实施例中，通过非线性数学计算测量沉积的z高度还包括：根据以下等式计算Z：
其中，SD为能量源与熔池或者与前一层(对象点A)中的沉积材料的表面之间的靶距，其中，h为物理图像传感器单元上的图像点a(对象点A的图像)和b(对象点B的图像)之间的距离，L1为从透镜中心到对象点A的距离，其中，α为线Aa和能量方向之间的角度，β为线Aa和图像传感器表面之间的角度，f为焦距，使得在z高度为负值“Z-”时，对象在A之上(调整/控制，使得电机向下移动电子束)，在z高度为正值“Z+”时，对象在A之下(调整/控制，使得电机向下移动电子束)。
在一些实施例中，与目标z高度比较包括：评估计算的Z是Z-还是Z+。
在一些实施例中，测量z高度包括：通过成像装置拍摄熔池的图像；通过坐标系关联并计算熔池相对于增材制造系统能量源的位置；将测量的z高度与目标z高度进行比较；计算测量的z高度与目标z高度之间的偏差；并且通过z高度控制器调整能量源相对于熔池的顶表面的高度，以在测量的Z高度与目标z高度之间如果有偏差，则最小化该偏差。
本公开的各种实施例包括用于增材制造沉积工艺的z高度测量和控制(例如，调整)的系统和方法。这些实施例包括硬件系统(例如，举几个例子，包括传感器、固定装置、AM机器的部件)、以及软件系统/相关过程(例如包括测量模块和反馈控制模块)。
图1描绘了根据本公开的一些实施例的硬件系统的示例性实施例的示意图。图1说明硬件系统的实施例，其中z高度传感器通过固定装置安装(固定)到AM能量源。图1示出了AM能量源、z高度传感器、沉积材料(例如，其中原料被进给到AM机器中)和AM建构(例如在衬底/平台上被构建的零件)的相对定位的实施例。在一些实施例中，硬件系统包括z高度测量传感器20(例如，成像装置和/或相机)和臂(例如，固定装置14)，所述臂被配置成相对于AM机器的能量源12的外壳在预定的固定位置将传感器20附接到能量源12的外壳。在一些实施例中，硬件系统设置成与衬底28(例如，平台)上正在构建的AM零件30相对(例如在上方)。在一些实施例中，硬件系统还包括联接到能量源12(例如，联接到能量源的外壳)的运动控制器以调整能量源与AM零件30的顶表面之间的竖直距离。在一些实施例中，运动控制器包括运动电机42和控制器16。
在一些实施例中，传感器20配置有：成像装置(例如，数字CCD千兆以太网相机)、光学透镜系统以及被配置成保持相机和透镜系统的固定装置。如本文中所描述，成像装置(相机)和透镜系统基于非线性数学模型配置，使得成像装置和光学透镜部件的几何位置、角度和定向在固定装置内部被准确地布置和/或对准。
传感器20被配置成对由热材料(即，AM构建上的AM沉积)发射的特定波长的光进行成像，使得产生能量源的设备也被考虑到高度测量系统中，所述能量源被配置成将进料26沉积到AM零件30上。因此，本公开的一个或多个实施例利用熔池，而不是另外的光源，以便利用通过三角测量的尺寸测量。更具体地，本公开的一个或多个实施例利用几何三角测量的原理，以便测量沉积材料相对于能量源20的所需z高度。
软件系统包括测量模块和反馈控制模块。在一些实施例中，测量模块包括例如图像采集、图像处理和分析及Z高度计算之类的功能。反馈控制模块被配置成在Z轴定位电机(例如，运动电机)的闭环反馈控制中利用测量的Z高度(例如，通过非线性数学模型确定)以实现能量源(例如，电子束或激光束)、沉积材料(例如，送丝材料或送粉材料)和零件表面(AM零件构建的表面)之间的所要交点。
在一些实施例中，热熔池是电子束能量源或激光能量源产生的。在任一种情况下，由热熔池发射的可见光被成像并且用于通过三角测量的原理计算z高度。在本公开的一个或多个实施例中，三角化尺寸测量利用来自AM机器的固有能量源作为测量方案的一部分。在一些实施例中，代替利用三角尺寸测量中的固有能量源，相机/传感器被配置成对由热熔池发射的红外光成像以用于三角测量方案的目的。在本公开的一个或多个实施例中，图像处理方法被配置成克服固有光源和/或熔池的不规则分布(即，根据并行AM构建是固有不规则的)。
在本公开的一个或多个实施例中，准确的z高度测量和控制在AM沉积过程期间产生改进的材料高度控制(例如，自动监测、自动调整和/或自动AM控制)。
图2描绘了用本公开的一个或多个实施例监测和控制的情况。举例来说，图2A展示了测量的z高度太高，其中沉积材料和能量束在AM零件构建之上相交(例如，使AM沉积物滴落到AM零件构建的表面上)。在此实施例中，从本发明的实施例获得的测量的z高度将不同于目标z高度。因此，本文中描述的系统和方法将并入由电机致动的z高度的变化。举例来说，本文中所描述的系统和方法将降低能量源12以实现目标z高度。参考图2B，所测量的z高度在目标z高度的预定/可接受范围内，使得系统和方法监测z高度且确认不需要调整(例如，z高度没有任何变化)。参考图2C，测量的z高度太低，使得电子束和沉积材料在熔融金属池中拖曳并且可能导致不良构建质量或不稳定过程。在此实施例中，从本发明的实施例获得的测量的z高度将不同于目标z高度，使得系统和方法将并入由电机致动的z高度的变化。举例来说，本文中所描述的系统和方法将升高能量源12以实现目标z高度。
图4描绘了根据本公开的一些实施例的反馈控制模块的示例性实施例。图4说明z高度测量值，且还提供软件系统包括z高度测量模块44和反馈控制模块16。测量模块44(即z高度测量)包括例如图像采集、图像处理和分析及z高度计算之类的功能。z高度计算模块由非线性数学模型开发，所述非线性数学模型结合多个几何和光学透镜参数以提供在预定义范围、精确度和分辨率内的测量。
如图4中所示，反馈控制模块16被配置成使用作为闭环反馈实时测量的z高度来控制z轴位置(即，如果需要调整)，以实现与能量源的目标z高度(或在预定阈值内)或能量束与沉积材料之间的交点一致的实际/测量高度。即，实际z高度(测量的z高度)与设置的z高度(目标z高度)相比较，并且如果两个值(1)不相同或者(2)相差在预定阈值或范围之外的量，则能量源(例如，电子束枪或激光头)相对于AM零件构建被运动电机向上或向下移动/调整，来弥补测量的z高度与目标z高度之间的差距/差。
在一些示例性实施例中，目标z高度设置为11英寸。在一些示例性实施例中，目标z高度设置为10.5英寸。在一些示例性实施例中，目标z高度设置为10英寸。在一些示例性实施例中，目标z高度设置为11.5英寸。在一些示例性实施例中，目标z高度设置为12英寸。
在一些示范性实施例中，所述预定阈值或范围在目标z高度的0.125英寸内。在一些示范性实施例中，所述预定阈值或范围在目标z高度的0.120英寸内。在一些示范性实施例中，所述预定阈值或范围在目标z高度的0.115英寸内。在一些示范性实施例中，所述预定阈值或范围在目标z高度的0.110英寸内。
在一些示范性实施例中，所述预定阈值或范围在目标z高度的0.130英寸内。在一些示范性实施例中，所述预定阈值或范围在目标z高度的0.135英寸内。在一些示范性实施例中，所述预定阈值或范围在目标z高度的0.140英寸内。在一些示范性实施例中，所述预定阈值或范围在目标z高度的0.145英寸内。
参考图5，与根据本公开的系统(例如，与AM机器一起使用的传感器)的一个或多个实施例使用的设计参数结合，提供非线性方程。非线性方程式为：
其中，SD为能量源与熔池或者与前一层中的沉积材料的表面(对象点A)之间的靶距，h为物理图像传感器单元上的图像点a(对象点A的图像)和b(对象点B的图像)之间的距离，L1为从透镜中心到对象点A的距离，α为线Aa和能量方向之间的角度，β为线Aa和图像传感器表面之间的角度，f为焦距，使得在z高度为Z-时，对象在A之上，在z高度为Z+时，对象在A之下。
作为非限制性实例，在零件表面上的能量源与熔池之间的z高度改变时，图像中熔池的位置也改变。基于熔池的图像位置，可获得参数h，且接着可基于以上非线性数学方程式计算z高度。
实例：z高度传感器的实施例
参考图6，安装固定装置保持相机和光学透镜部件。相机和光学透镜部件的几何位置、角度和定向是根据为z高度测量开发的非线性数学模型可调整的且被准确地定位的。在此实施例中，相机是带C安装透镜适配器的数字CCD相机，使得光学透镜部件可以定位在CCD传感器单元前方期望的距离和角度处。用于光学透镜系统的固定装置保持不同光学透镜部件，光学透镜部件可包括以下中的一个或多个：双凸光学透镜、窄带光学滤光器、中性密度滤光器、光学保护滤光器和针孔。
如图6所示，外壳覆盖/保持上述部件。在一些实施例中，传感器配置有冷却系统(例如，液体(像水)和/或气体)。在一些实施例中，冷却系统集成到外壳中，以在AM构建过程期间由于高温环境而冷却相机电子器件。
在一些实施例中，传感器配置有气体吹扫系统(例如氮)，气体吹扫系统集成到外壳中并被配置成允许加压气体通过光学针孔逸出，因此减少、防止和/或消除材料沉积过程蒸气污染或损坏光学透镜部件。在一些实施例中，选择针孔大小以允许足够的气流保护光学器件，同时不允许过多气体进入腔室并且损害真空的质量。在一些实施例中，针孔被配置成使得光学系统能够在没有过度干扰的情况下使光源(来自入射激光器或电子枪的光)聚集和对其进行成像。
实例：实验室规模的z高度传感器的评估
实验室规模的z高度传感器是基于本文详述的系统和方法配置的，并且用图7A-7C所示的设置评估的。在AM零件30上在代表性冷AM零件构建上从左到右通过10个位置测量计算出的z高度和零件高度(例如，没有活动AM/没有材料沉积正在进行中)。如图7B和7C中所描绘，评估的AM零件构建具有尺寸确定的表面，使得在发生AM沉积时z高度将变化。利用激光点发生器来替换能量源。
零件表面上的激光光斑46的图像在图8A中示出，被描绘为二进制图像(图像被逐像素地转换为黑色和白色)。图8B中描绘了横跨10个不同位置的零件高度的测量，表明相比通过控制、常规测量技术、卡尺获得的测量值通过图像传感器(相机)的实施例获得的z高度测量值非常好。测量准确度为0.5mm或更好，这不受任何机制或理论约束，被认为足以用于基于AM的沉积应用。
实例：计算目标z高度：
在一些实施例中，使用基于粉末床的系统，因此生成AM零件的3D CAD模型，以计算方式切成每层的2D轮廓，此时，可针对每个构建层计算目标高度。
当增材构建在层上并入层以形成AM零件时，使用针对沉积层高度的标准值，可计算个别AM层或焊道的构建高度。应注意，增材制造操作(例如，能量源与进料相交的时间)的变化可影响温度，且因此可影响熔融金属池的宽度和深度(例如，可能超过一个AM建构穿透层)。
实例：识别熔池：
熔融金属池的x坐标被配置成能量源(例如，电子束枪)与零件之间的相对位置(即，金属池的x坐标将从电子束的位置直线向下)。
在此实施例中，传感器/成像装置(例如，相机)附接到基于送丝的AM机器的电子束枪，使得成像装置相对于电子束枪处于固定位置且两者在AM期间同时移动。通过来自电子束枪的位置确定电子束位置，使得电子束的中心被认为是在x轴熔池的中心。
实例：识别熔池的y坐标(yD)：
为了确定熔池的质量中心的y坐标，基于圆的半径和相对于x坐标的位置，计算熔池中拟合的圆的中心的y坐标。
从成像装置/传感器获得的灰度原始图像被转换成二进制图像。将全局阈值应用于所有图像，使得全局阈值将范围从0-255的像素如果低于阈值则渲染到0，并且如果高于全局阈值则渲染到1。应注意，熔池(白色)和周围背景(黑色)以鲜明的对比可见/可区分。
为了获得熔池的高度或y坐标，将圆拟合到二进制图像中的粒子，使得二进制图像中粒子的边缘界定拟合圆。二进制图像中可能存在少数几个粒子到许多粒子。可以通过计算二进制图像中的每个粒子的面积(例如，并且移除太小而不可能是与熔池混合的送丝的大小)来下选择到对应于熔池的单个候选粒子。
在候选粒子中可能存在少数几个圆到许多圆，然后这些圆基于位于感兴趣区域外部的圆形位置加以比较和拒绝(例如，相对于x轴和x坐标(对应于电子束的位置))。例如，如果候选圆的质量中心的x坐标在区域外(即，相对于电子束和AM构建方向)，那么整个圆可以作为候选被移除。
一旦针对熔池的中心识别最佳候选者，还可以通过使用拟合圆的直径来完成进一步的下选择。具有最大直径的候选拟合圆应是最佳候选。其余的圆将是熔池图像，并且拟合圆的质量中心的y坐标是对z高度测量进行三角度测量所需的变量。
很多次，进料与能量源(例如，电子束或激光)之间的相交将阴影从进料投射到熔池上，因此熔池的前缘的图像不是圆形可容易地拟合的形状，在这种情况下，熔池的y坐标不能被确定。在这种情况下，有几个步骤决定y坐标：
1.对二进制图像进行重新采样，使得接着将在二进制图像中仅对所选的像素列进行分析。所选像素列的起始索引将为(x-半径)，而所选像素列的结束索引将为(x+半径)。X是以上实例中识别的x坐标(例如，[0075]-[0076]段，半径为以上所识别的半径(直径除以2)(例如，在[0063]段中。
2.在重新采样的二进制图像中，识别对应于熔池的粒子的界定矩形的底部的y坐标(yB)。
3.计算熔池图像的y坐标(yB半径)。yB在步骤2中识别，半径(直径除以2)(例如，在[0083]段中识别。
4.所计算的y坐标是对z高度测量进行三角测量所需的变量。
实例：用原位AM评估z高度传感器
执行在线试验运行以测试在增材制造过程期间原位z高度测量传感器的实施例。z高度传感器安装到Sciaky系统上。因此，通过z高度传感器以20f/s(帧/秒)的帧速率连续地捕获熔池的图像。对于在矩形块零件的构建过程的两个不同道次中的z高度测量，利用本发明方法的实施例(例如，采用概述的方法和对应算法)实时处理图像。图9描绘了对于所测试的原位传感器，两个不同道次(AM焊道沉积)的连续z高度测量结果。图9提供两个道次的所有图像(即，帧#1–帧400)的实验数据。
来自图像帧#1到#200(道次1)的z高度测量结果指示一个道次的z高度相对较高，其中距提取的熔池的距离远离电子束枪上的参考点。在这种情况下，将送丝在不期望高的高度下熔融并滴到熔池的表面上。不受特定机制或理论束缚，这被认为导致不稳定的构建过程和/或所得AM零件的不良构建质量(即，不一致的微结构和/或特征)。
相比之下，来自图像帧#201到#400(道次2)的测量结果指示可接受的z高度，其中送丝正好在熔池的表面处熔融。不受特定机制和/或理论束缚，认为该过程(即，具有可接受z高度)更稳定，且因此预期AM零件中的构建质量更好(即，更一致的微结构和/或特征)。
图10A和10B描绘了不同z高度图像和原位传感器测试的处理结果。来自道次1(10A)和道次2(10B)的实例图像并排显示，并且所产生的熔池确定由对应图像中的散列圆所描绘。图10A显示了过高的z高度的所确定的熔池，而图10B对比显示处于可接受高度(即，不太高或不太低)的z高度的所确定的熔池。
附图标记：
AM机器10
能量源(电子束)12
固定装置14
控制器16
电子束18
Z高度传感器20
传感器内的光学元件22
Z高度24
进料(送丝-Sciaky，或粉末递送喷嘴-Optomec)26
衬底28
正被构建的AM零件(现有沉积)30
AM零件(最终)32
熔融合金坑34
再固化的合金(在单个沉积路径中)36
交点电子束和进料38
进料装置40
运动电机(移动/调整能量源和z高度传感器)42
z高度测量模块44
激光光斑46

Claims (20)

1.一种方法，所述方法包括：
通过基于材料沉积的增材制造技术以增材方式制造零件；
与以增材方式制造所述零件同时，通过非线性数学模型测量沉积的z高度，以确定测量的z高度，其中所述测量的z高度是增材制造系统能量源与熔池的顶表面之间的距离；
将所述测量的z高度与目标z高度进行比较以识别所述测量的z高度与所述目标z高度之间的差；
调整运动控制器以将校正后的z高度设置为所述目标z高度和所述测量的z高度；以及
基于所述校正后的z高度沉积增材制造进料。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，调整运动控制器还包括将信号发送到联接到所述增材制造系统能量源的所述运动控制器以设置所述校正后的z高度。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述非线性数学计算为：
其中SD是所述增材制造系统能量源与所述熔池或者与前一层中的沉积材料的表面之间的靶距，
其中h是物理图像传感器单元上的图像点a和图像点b之间的距离，
其中L1是从透镜中心到所述熔池或者到所述前一层中的沉积材料的表面的距离，
其中α是线Aa与能量方向之间的角度，
其中β是线Aa与图像传感器表面之间的角度，并且
其中f为焦距。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述z高度是负值。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述增材制造系统能量源在朝向所述熔池的竖直方向上被向下调整。
6.根据权利要求3所述的方法，其中，所述z高度是正值。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述增材制造系统能量源在远离所述熔池的竖直方向上被向上调整。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述基于材料沉积的增材制造技术是送丝式沉积。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述基于材料沉积的增材制造技术是基于可注射的流体化粉末的沉积。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述测量的z高度是所述目标z高度。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，测量所述z高度包括：
通过成像装置拍摄所述熔池的图像；
通过设计的非线性数学模型相对于所述增材制造系统能量源关联并计算所述熔池的位置；
将所述测量的z高度与所述目标z高度进行比较；
计算所述测量的z高度与所述目标z高度之间的偏差；以及
通过所述z高度控制器调整所述能量源相对于所述熔池的顶表面的高度，以在所述测量的Z高度与所述目标z高度之间如果有偏差，则最小化所述偏差。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述成像装置被配置成测量所述能量源的最下面部分与所述熔池的顶表面之间的距离。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，控制所述基于材料沉积的增材制造技术的参数以便调整所述z高度。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，至少部分地基于调整电子束功率参数的值来调整所述z高度。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，至少部分地基于调整所述增材制造进料的进给速度来调整所述z高度。
16.根据权利要求10所述的方法，其中，所述传感器使得能够自动监测和/或控制所述z高度。
17.根据权利要求1所述的方法，其中，与以增材方式制造所述零件同时，将所述测量的z高度与所述目标z高度进行比较。
18.根据权利要求1所述的方法，其中，与以增材方式制造所述零件同时，所述运动控制器被调整以提供校正后的z高度，从而减小所述目标z高度与所述校正后的z高度之间的差。
19.一种设备，所述设备包括：
衬底，所述衬底具有被配置成保持以增材方式制造的零件的第一表面；
能量源，所述能量源设置成与所述衬底相对并且被配置成朝向所述衬底的所述第一表面引导能量束；
固定装置，所述固定装置具有联接到所述能量源的外壳的第一端；
传感器，所述传感器联接到所述固定装置的第二端，其中所述传感器被配置成对由热增材制造材料发射的特定波长的光进行成像；和
运动控制器，所述运动控制器联接到所述能量源并且被配置成调整从所述能量源到以增材方式制造的零件的顶表面的竖直距离。
20.根据权利要求19所述的设备，其中，所述运动控制器包括运动电机42和控制器。
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