CN110114172A - 与增材制造系统一起使用的成像装置和对构建层成像的方法 - Google Patents

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CN110114172A CN201780078430.7A CN201780078430A CN110114172A CN 110114172 A CN110114172 A CN 110114172A CN 201780078430 A CN201780078430 A CN 201780078430A CN 110114172 A CN110114172 A CN 110114172A
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Abstract

提供了一种用于增材制造系统的成像装置。增材制造系统包括材料。该成像装置包括高分辨率成像杆，该高分辨率成像杆包括至少一个检测器阵列，以及位于该至少一个检测器阵列和该材料之间的成像元件。高分辨率成像杆沿着第一方向从材料移位并沿着第二方向延伸。高分辨率成像杆被构造成生成材料内的构建层的图像。

Description

与增材制造系统一起使用的成像装置和对构建层成像的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年10月28日提交的美国临时专利申请No.62/414,495的权益，该临时专利申请通过引用整体并入本文。
技术领域
本公开的领域大体涉及增材制造系统，并且更具体地，涉及与增材制造系统一起使用的成像装置和对构建层成像的方法。
背景技术
增材制造系统和处理用于根据数字模型制作精确的三维部件。这些部件使用增材处理制作，其中连续的材料层一个在另一个之上固化。至少一些已知的增材制造系统使用激光(或类似的能量源)和一系列透镜和反射镜以预定图案将激光引导到粉末材料上。一些已知的增材制造系统包括直接金属激光熔化(DMLM)，选择性激光烧结(SLS)，直接金属激光烧结(DMLS)，选择性激光熔化(SLM)和LaserCusing系统。
在一些已知的增材制造系统中，由于过热和/或热量的变化通过熔池内的聚焦激光传递到金属粉末而降低了层和部件的质量。例如，有时会发生局部过热，特别是在悬垂处，或发生局部加热时，使粉末状构造材料与固化层一起留下。此外，在一些已知的增材制造系统中，由于粉末金属与部件的周围固体材料之间的热传导的变化，层和部件的质量进一步降低。例如，由聚焦激光产生的熔池有时变得太大，导致熔化的金属扩散到周围的粉末金属中，以及熔池更深的渗透到粉末床中，从而将额外的粉末拉入熔池中并且在固化层内导致不期望的轮廓。另外，在一些已知的增材制造系统中，由于熔池变化，层和部件尺寸精度和小特征精度降低，这是因为表面下结构和金属粉末的热导率的可变性。随着熔池尺寸的变化，打印结构的精度会发生变化，尤其是在特征边缘附近。
此外，一些已知的增材制造系统中的层和部件质量通过设置在先前构建的固化层顶部的不均匀和/或错乱的金属粉末层而减少。例如，从不均匀的金属粉末层，聚焦激光形成轮廓固化层。另外，一些已知的增材制造系统中的层和部件质量由于层未对准而降低。
至少一些已知的增材制造系统包括成像装置，以在制作过程中产生熔池和/或固化层的部分图像。成像装置通常包括具有低曝光并跟踪聚焦激光以在熔化处理期间捕获光的静态相机，和/或对固化层成像的静态相机。然而，这些成像装置仅产生熔池和/或固化层的部分的图像，而不参考特定位置。另外，成像装置在观看较大部件上的特征变化时可能受其分辨率的限制。例如，一些已知的成像装置包括1600万像素，但是这些在分辨率上受到限制并且仅在大约一毫米的尺度内在层上捕获特征变化，从而限制装置捕获较小的特征变化。因此，减少了部件质量问题的早期检测。
发明内容
在一个方面，提供了一种用于增材制造系统的成像装置。增材制造系统包括材料。该成像装置包括高分辨率成像杆，该高分辨率成像杆包括至少一个检测器阵列，以及位于该至少一个检测器阵列和该材料之间的成像元件。高分辨率成像杆沿着第一方向从材料移位并沿着第二方向延伸。高分辨率成像杆构造成生成材料内的构建层的图像。
在另一方面，提供了一种增材制造系统。增材制造系统包括用于形成部件的材料和成像装置。该成像装置包括高分辨率成像杆，该高分辨率成像杆包括至少一个检测器阵列，以及位于该至少一个检测器阵列和该材料之间的成像元件。高分辨率成像杆沿着第一方向从材料移位并沿着第二方向延伸。高分辨率成像杆构造成生成材料内的构建层的图像。
在又一方面，提供了一种在增材制造系统内对材料内的构建层成像的方法。该方法包括：定位包括高分辨率成像杆的成像装置，使得成像装置沿着第一方向从材料移位并沿着第二方向延伸，高分辨率成像杆包括至少一个检测器阵列和位于至少一个检测器阵列和材料之间的成像元件；沿着第三方向移动成像装置；以及生成构建层的图像。
附图说明
当参考附图阅读以下详细描述时，将更好地理解本公开的这些和其他特征，方面和优点，附图中相同的字符在所有附图中表示相同的部分，其中：
图1是示例性增材制造系统的示意图；
图2是包括示例性成像装置的图1所示系统的一部分的示意图；
图3是图2所示的成像装置的示意前视图；
图4是与图1所示的增材制造系统一起使用的替代成像装置的示意前视图；和
图5是示出用于对粉末床中的构建层成像的示例性方法的流程图。
除非另外指出，否则本文提供的附图旨在示出本公开的实施例的特征。相信这些特征适用于包括本公开的一个或多个实施例的各种系统。因此，附图并不意味着包括本领域普通技术人员已知的用于实践本文公开的实施例所需的所有传统特征。
具体实施方式
在以下说明书和权利要求书中，将参考许多术语，其应被限定为具有以下含义。
除非上下文另有明确规定，否则单数形式“一”，“一种”和“该”包括复数指代。
“可选的”或“可选地”表示随后描述的事件或情况可能发生或可能不发生，并且该描述包括事件发生的实例和事件不发生的实例。
在整个说明书和权利要求书中使用的近似语言可以用于修饰任何可以允许变化的定量表示，而不会导致与其相关的基本功能的变化。因此，由一个或多个术语(例如“约”，“大约”和“基本”)修饰的值不限于特定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可以对应于用于测量值的仪器的精度。这里和整个说明书和权利要求中，范围限制可以组合和/或互换。除非上下文或语言另有说明，否则这些范围被识别并包括其中包含的所有子范围。
如这里所使用的，术语“处理器”和“计算机”以及相关术语(例如，“处理装置”，“计算装置”和“控制器”)不限于仅本领域中称为计算机的那些集成电路，而是广泛地指微控制器，微计算机，可编程逻辑控制器(PLC)和专用集成电路以及其他可编程电路，并且这些术语在本文中可互换使用。在本文描述的实施例中，存储器可以包括但不限于计算机可读介质(诸如随机存取存储器(RAM))，计算机可读非易失性介质(诸如闪存)。或者，也可以使用软盘，光盘-只读存储器(CD-ROM)，磁光盘(MOD)和/或数字通用盘(DVD)。而且，在本文描述的实施例中，附加输入通道可以是但不限于与操作员接口(诸如鼠标和键盘)相关联的计算机外围设备。或者，也可以使用其他计算机外围设备，其可以包括例如但不限于扫描仪。此外，在示例性实施例中，附加输出通道可以包括但不限于操作员接口监视器。
此外，如这里所使用的，术语“软件”和“固件”是可互换的，并且包括存储器中的任何计算机程序存储，用于由个人计算机，工作站，客户端和服务器执行。
如本文所使用的，术语“非暂时性计算机可读介质”旨在表示以用于短期和长期存储信息(例如计算机可读指令，数据结构，程序模块和子模块，或任何装置中的其他数据)的任何技术方法实施的任何有形的基于计算机的装置。因此，本文描述的方法可以被编码为体现在有形的，非暂时性的计算机可读介质(包括但不限于存储装置和/或存储器装置)中的可执行指令。当由处理器执行时，这些指令使处理器执行本文描述的方法的至少一部分。此外，如本文所使用的，术语“非暂时性计算机可读介质”包括所有有形的计算机可读介质，包括但不限于非暂时性计算机存储装置，包括但不限于易失性和非易失性介质，以及可移动和不可移动介质，例如固件，物理和虚拟存储器，CD-ROM，DVD和任何其他数字源(诸如网络或互联网)，以及尚未开发的数字手段，唯一的例外是短暂的传播信号。
此外，如这里所使用的，术语“实时”指的是相关事件发生的时间，测量和收集预定数据的时间，处理数据的时间以及系统对事件和环境的响应的时间中的至少一个。在本文描述的实施例中，这些活动和事件基本上是瞬间发生的。
本公开的实施例涉及与增材制造系统一起使用的成像装置，其为较大的增材制造的部件提供更有效和更高分辨率的成像。具体地，在示例性实施例中，成像装置包括高分辨率成像杆，其跨越待固化的材料延伸。高分辨率成像杆被构造为生成材料内的构建层的图像，并且包括至少一个检测器阵列和位于至少一个检测器阵列和材料之间的成像元件。成像装置可以能够在静止时对材料的期望区域成像，或者其可以联接到增材制造系统的再涂覆装置组件。这样，高分辨率成像杆便于对整个材料成像并以十分之一毫米的尺度或更好的分辨率检测该材料中的构建层特征。通过使用高分辨率成像杆，能够检测和解决构建层特征，例如部件的未对准，材料的不均匀性，熔体变化和熔体飞溅。另外，通过成角度的光源构造，也捕获诸如成球形或圆顶形的轮廓。这样，这里描述的成像系统便于捕获比已知的静态低曝光相机更多的信息。这样，与用于验证的部件的电子代表文件进行比较的图像使得能够在增材制造处理期间更早地检测潜在的问题区域，从而使得增材制造的部件的质量提高。另外，早期检测使得在增材制造处理期间有更多时间来校正部件的问题区域。此外，早期的检测结果使得不受欢迎的部分能够在制造处理的早期被丢弃，从而节省了制造时间和材料成本。
增材制造处理和系统包括，例如但不限于，光聚合，粉末床熔合，粘合剂喷射，材料喷射，片层压，材料挤出，定向能量沉积和混合系统。这些处理和系统包括，例如但不限于，SLA-立体光刻设备，DLP-数字光处理，3SP-扫描，旋转和选择性光固化，CLIP-连续液态界面制造，SLS-选择性激光烧结，DMLS-直接金属激光烧结，SLM-选择性激光熔化，EBM-电子束熔化，SHS-选择性热烧结，MJF-多喷射融合，3D打印，Voxeljet，Polyjet，SCP-平滑曲率打印，MJM-多喷射建模计划，LOM-分层实体制造，SDL-选择性沉积分层，UAM-超声波增材制造，FFF-熔丝制造，FDM-熔融沉积成型，LMD-激光金属沉积，LENS-激光工程净成形，DMD-直接金属沉积，混合系统，以及这些处理和系统的组合。这些处理和系统可以采用，例如但不限于，所有形式的电磁辐射，加热，烧结，熔化，固化，粘合，固结，压制，嵌入和它们的组合。
增材制造处理和系统采用的材料包括，例如但不限于，聚合物，塑料，金属，陶瓷，沙子，玻璃，蜡，纤维，生物物质，复合物和这些材料的混合物。这些材料可以以适合于给定材料和处理或系统的各种形式用于这些处理和系统中，包括例如但不限于液体，固体，粉末，片材，箔，带，丝，颗粒，液体，浆液，线，雾化，糊状物和这些形式的组合。
图1是示例性增材制造系统100的示意图。在示例性实施例中，增材制造系统100是直接金属激光熔化(DMLM)系统。增材制造系统100的纵向或第三轴线103在再涂覆装置124的行进方向上延伸通过增材制造系统100。横向或第二轴线105在基本平行于构建平台104且垂直于第三轴线103的平面中延伸。竖直或第一轴线107在垂直于第三轴线103并垂直于第二轴线105的方向上延伸。第三轴线103，第二轴线105和第一轴线107彼此正交。尽管参考DMLM系统描述了本文的实施例，但是本公开还可以应用于其他类型的增材制造系统，例如基于液体树脂的增材制造系统(例如，立体光刻系统)或选择性激光熔化系统。
在示例性实施例中，增材制造系统100包括增材制造装置102。增材制造装置102包括用于在增材制造处理期间支撑三维部件106的构建平台104，颗粒构建材料110(也称为粉末床111)的贮存器108，以及能量源112。能量源112发射能量束114，用于烧结，固化，硬化或以其他方式固结粉末床111的一部分，以形成多个叠置的构建层116，以形成三维部件106。为简洁起见，在图1中省略了贮存器108的前壁。类似地，为简洁起见，在图1中省略了粉末床111的部分。在示例性实施例中，三维部件106是飞行器部件，但是增材制造系统100可用于制作任何三维部件。构建平台104联接到竖直调节器122，使得构建平台104可以升高和/或降低以调节每个构建层116将被固结在其中的平面。
在示例性实施例中，能量源112是激光装置。更具体地，能量源112是诸如基于钇的固态激光器的激光装置，其构造成发射具有约1070纳米(nm)波长的能量束114。在替代实施例中，能量源112可以是用于烧结，固化，硬化或以其他方式固结构建层116的任何合适的能量源，例如紫外激光器，气体激光器(例如二氧化碳(CO2)激光器)，光源或电子束发生器。在替代实施例中，增材制造系统100包括两个或更多个能量源112，其具有相似或不同的功率，使得增材制造系统100能够如本文所述起作用。此外，在示例性实施例中，颗粒构建材料110是金属粉末。更具体地，颗粒构建材料110是气雾化的金属粉末(例如，钴，铁，铝，钛和/或镍合金)，其平均粒度在约10和100微米之间的尺度内。
增材制造装置102还包括构建材料分配器和分配装置，也称为再涂覆装置124，用于在部件106上提供薄的一层颗粒构建材料110。联接到再涂覆装置124的是成像装置126，其在下面参考图2进一步详细讨论。另外，在示例性实施例中，增材制造装置102包括固结装置128，用于在称为“扫描”的过程中将能量束114移动到粉末床111的选择部分上。在示例性实施例中，固结装置128包括一个或多个振镜130和/或一个或多个电动镜，透镜和/或其他光学装置。
构建平台104，再涂覆装置124，成像装置126，固结装置128和能量源112中的一个或多个通信地联接到控制器132。在示例性实施例中，固结装置128，能量源112，成像装置126和再涂覆装置124通信地联接到控制器132。而且，在示例性实施例中，控制器132通信地联接到计算装置134。
在操作中，增材制造系统100通过逐层制造处理制作三维部件106。更具体地，三维部件106由存储在计算装置134上的三维部件106的三维几何形状的电子代表制作。例如，电子代表在计算机辅助设计(CAD)或类似的电子文件中生成。在替代实施例中，电子代表是使得增材制造系统100能够如本文所述操作的任何电子代表。在示例性实施例中，代表三维部件106的CAD文件例如由计算装置134转换为包括每个构建层116的多个构建参数的逐层格式。三维部件106相对于在增材制造系统100中使用的坐标系的原点以期望的取向布置。另外，三维部件106的几何形状被切成具有所需厚度的二维构建层116的堆叠，使得每个构建层116的几何形状是在该特定构建层116位置处通过三维部件106的横截面的外形。在每个相应的构建层116内生成阴影图案，使得沿着阴影图案施加构建参数，以从颗粒构建材料110制作三维部件106的构建层116。对每个相应的构建层116重复这些步骤。一旦处理完成，就生成包括所有构建层116的电子代表的电子计算机构建文件(或多个文件)。
在生成构建文件之后，通过实施逐层制造处理计划来操作增材制造系统100以制造三维部件106。示例性的逐层制造处理不使用预先存在的物品作为最终部件的前体，而是该处理以可构造的形式从原材料生成三维部件106，例如粉末状颗粒构建材料110。例如但不限于，钢合金材料可以使用钢合金粉末来增材制造。增材制造系统100使得能够使用多种材料(例如，金属，陶瓷和聚合物)制作部件106。
如本文所用，术语“参数”是指用于定义增材制造系统100的操作条件的特征，例如能量源112的能量输出，能量源112的矢量扫描速度，能量源112的光栅功能量输出，能量源112的光栅扫描速度，能量源112的光栅工具路径，以及增材制造系统100内的能量源112的轮廓能量输出。在一些实施例中，参数最初由用户输入到计算装置134中。参数表示增材制造系统100的给定操作状态。通常，在光栅扫描期间，能量束114沿着一系列基本上直的阴影线顺序扫描，这些阴影线彼此间隔开并且彼此平行。在矢量扫描期间，能量束114通常沿着一系列基本上直的阴影线或矢量顺序扫描，其中矢量相对于彼此的取向有时是变化的。通常，一个矢量的结束点与下一个矢量的起始点重合。矢量扫描通常用于限定部件106的外轮廓，而光栅扫描通常用于“填充”由轮廓包围的空间，其中三维部件106是实心的。
在增材制造系统100的操作期间，再涂覆装置124定位在构建平台104附近。再涂覆装置124跨越粉末床111沿着第二方向延伸并且在再涂覆处理期间沿着第三方向平移。随着再涂覆装置124沿着第三轴线103移动，再涂覆装置124在构建平台104上沉积并分配一层颗粒构建材料110，从而形成构建层116。在形成构建层116之后，能量源112引导能量束114通过固结装置128以将能量束114引导到构建层116的选择部分上。例如，固结装置128的振镜130将能量束114引导到构建层116的选择部分上，形成三维部件106的新部分。对于每个构建层116，构建平台104通过竖直调节器122沿着第一方向向下移动粉末床111，使得再涂覆装置124可以进行另一次跨越经过部件106以沉积和分配颗粒构建材料110的另一个构建层116，并且便于形成三维部件106的另一部分。然后对多个构建层116重复该处理以形成三维部件106。与再涂覆装置124沿着粉末床111的第三轴线103移动相关联地，成像装置126用于记录和/或存储每个构建层116和所得部件106表面的可见波长数据图像。然后将生成的图像与电子计算机构建文件进行比较以验证制造处理。下面参考图2更详细地讨论成像装置126。
在示例性实施例中，构建平台104，能量源112，再涂覆装置124，成像装置126和固结装置128由控制器132可操作地控制。控制器132是通常由增材制造系统100的制造商提供的任何控制器，以控制其操作。控制器132可操作地联接到计算装置134。在替代实施例中，控制器132是包括至少一个处理器和至少一个存储器装置的计算机系统。
计算装置134包括至少一个存储器装置144和联接到存储器装置144的至少一个处理器146。在一些实施例中，处理器146包括一个或多个处理单元，例如但不限于多核构造。在示例性实施例中，处理器146包括现场可编程门阵列(FPGA)。或者，处理器146是允许计算装置134如本文所述操作的任何类型的处理器。在一些实施例中，可执行指令存储在存储器装置144中。计算装置134可构造为通过处理器146执行在此描述的一个或多个操作。例如，通过将操作编码为一个或多个可执行指令并在存储器装置144中提供可执行指令，对处理器146编程。在示例性实施例中，存储器装置144是能够存储和检索诸如可执行指令或其他数据之类的信息的一个或多个装置。在一些实施例中，存储器装置144包括一个或多个计算机可读介质，例如但不限于，随机存取存储器(RAM)，动态RAM，静态RAM，固态盘，硬盘，只读存储器(ROM)，可擦除可编程ROM，电可擦除可编程ROM或非易失性RAM存储器。上述存储器类型仅是示例性的，因此不限制可用于存储计算机程序的存储器类型。
在示例性实施例中，存储器装置144被构造为存储构建参数，包括但不限于实时和历史构建参数值，或任何其他类型的数据。在示例性实施例中，存储器装置144存储由成像装置126生成的图像。在替代实施例中，存储器装置144存储使增材制造系统100能够如本文所述操作的任何数据。在一些实施例中，处理器146基于数据的年龄从存储器装置144移除或“清除”数据。例如，处理器146重写与后续时间或事件相关联的先前记录和存储的数据。另外或替代地，处理器146移除超过预定时间间隔的数据。另外，存储器装置144包括但不限于足够的数据，算法和命令，以便于监测和测量由增材制造系统100制作的三维部件106的构建参数和几何条件。
计算装置134还包括联接到处理器146的呈现接口148。呈现接口148向用户呈现诸如由成像装置126生成的图像的信息。在一个实施例中，呈现接口148包括联接到显示装置(未示出)的显示适配器(未示出)，例如阴极射线管(CRT)，液晶显示器(LCD)，有机LED(OLED)显示器，或“电子墨水”显示器。在一些实施例中，呈现界面148包括一个或多个显示装置。另外或替代地，呈现接口148包括音频输出装置(未示出)，例如但不限于音频适配器或扬声器(未示出)。
在示例性实施例中，计算装置134包括用户输入接口150。在示例性实施例中，用户输入接口150联接到处理器146并接收来自用户的输入。在一些实施例中，用户输入接口150包括，例如但不限于，键盘，定点装置，鼠标，触控笔，触摸感应面板(例如但不限于触摸板或触摸屏)，和/或音频输入接口(例如但不限于麦克风)。在进一步的实施例中，单个部件(例如触摸屏)用作呈现接口148的显示装置和用户输入接口150。
通信接口152联接到处理器146，并且被构造为与一个或多个其他装置(例如控制器132)通信联接，并且在作为输入通道执行时执行关于这些装置的输入和输出操作。例如，在一些实施例中，通信接口152包括但不限于有线网络适配器，无线网络适配器，移动电信适配器，串行通信适配器或并行通信适配器。通信接口152从一个或多个远程装置接收数据信号或将数据信号发送到一个或多个远程装置。
呈现接口148和通信接口152都能够提供适合与本文描述的方法一起使用的信息，诸如向用户或处理器146提供信息。因此，呈现接口148和通信接口152被称为输出装置。类似地，用户输入接口150和通信接口152能够接收适合与本文描述的方法一起使用的信息，并且被称为输入装置。
图2是包括成像装置126的增材制造系统100的一部分的示意图。图3是成像装置126(图2中所示)的示意性前视图。参考图2和3，在示例性实施例中，成像装置126包括高分辨率成像杆200和光源202。高分辨率成像杆200和光源202都联接到再涂覆装置124。类似于再涂覆装置124，高分辨率成像杆200和光源202联接成与控制器132(图1中所示)通信。另外，高分辨率成像杆200和光源202沿着第一方向(即，在平行于第一轴线107的方向上)从粉末床111移位。高分辨率成像杆200和光源202沿着第二方向(即，在平行于第二轴线105的方向上)延伸，并且被构造为沿着第三方向(即，在平行于第三轴线103的方向上)与再涂覆装置124一起移动。
高分辨率成像杆200包括至少一个检测器阵列204和位于检测器阵列204和粉末床111内的颗粒构建材料110之间的成像元件206。在示例性实施例中，检测器阵列204包括线性检测器阵列，其包括2000像素或更多像素的像素阵列，使得粉末床111以大约十分之一毫米的尺度或更小的空间成像分辨率成像。例如，检测器阵列204以大约50微米的尺度或更好的尺度设置图像分辨率。在替代实施例中，检测器阵列204包括任何类型的检测器，便于如本文所述的增材制造系统100的操作。
在示例性实施例中，成像元件206位于检测器阵列204的一端、在检测器阵列204和粉末床111之间，以使得能够在粉末床111，构建层116和部件106上提供清晰的成像点，并且使检测器阵列204能够定位成与粉末床111紧密靠近。在示例性实施例中，成像元件206包括与检测器阵列204的所有元件共用的单个透镜，以便于用该单个透镜对粉末床111的宽度成像。在示例性实施例中，检测器阵列204是单个阵列。在替代实施例中，检测器阵列204包括与本文所述的增材制造系统100的操作一样多的阵列。
在示例性实施例中，光源202发射可见光208，以便于使高分辨率成像杆200生成每个构建层116和其中包含的特征的空间成像分辨率。光源202包括多个发光二极管(LED)灯。LED灯的第一部分212定位成相对于第一方向从上方照亮粉末床111和构建层116。在示例性实施例中，第一部分212的LED灯被定位成将可见光208相对于构建层116以大致直角引导到构建层116或部件106上。另外，LED灯的第二部分214相对于构建层116的表面以锐角定位，并且被构造为将可见光引导到构建层116或部件106上，以便于突出构建层116或部件106的不均匀特征。
在示例性实施例中，LED灯的第二部分214定位成邻近LED灯的第一部分212并且跨越粉末床111沿着第二方向延伸。LED灯的第二部分214相对于第三方向相对于粉末床111成锐角。此外，在示例性实施例中，控制器132便于打开和关闭任何数量的LED灯，以便于突出某些构建层特征。在替代实施例中，光源202被定位在有利于如本文所述的增材制造系统100的操作的任何其他取向上。
在操作中，成像装置126便于在构建处理期间对构建层(例如构建层116)进行成像。然后将来自成像装置126的图像与三维部件106的电子构建代表进行比较，以确定是否存在与所需三维几何形状的任何偏差。更具体地，在增材制造系统100的操作期间，能量束114(图1中示出)被引导到粉末床111的选择部分上，形成三维部件106的新构建层，例如构建层116。当再涂覆装置124沿着粉末床111移动以为了下一构建层而沉积另一层颗粒构建材料110(图1中所示)时，成像装置126也沿着粉末床111经过，以在最近的构建层被颗粒构建材料110覆盖之前生成最近的构建层(构建层116)的空间成像分辨率。
在再涂覆装置124的操作期间，成像装置126生成构建层116的连续图像。更具体地，成像装置126便于生成在至少十分之一毫米的尺度内示出构建层116的特征变化的图像并将图像传输到计算装置134。在一些实施例中，使用快速采样以便为生成具有减小的文件大小的计算装置134的图像。例如，快速采样将排除仅粉末床111的图像，使得构建层116聚焦在图像内。层特征变化包括例如与层未对准，构建材料的不均匀性，由于热变化导致的每层内的熔体变化，和/或粉末床111内的熔体飞溅有关的图像。另外，成角度的LED灯还对构建层116内的任何轮廓(例如球形和/或圆顶形)成像。这些特征变化降低了构建层116的质量以及三维部件106的整体质量。因此，在制造处理中较早地检测特征变化提供了在增材制造处理期间进行校正的时间和/或如果不能校正部件则节省制造时间和材料。
此外，成像装置126还便于在能量束114被引导到粉末床111上之前对沉积的颗粒构建材料110的层成像。在增材制造系统100的操作期间，再涂覆装置124沿着粉末床111移动以为了下一构建层而沉积另一层颗粒构建材料110。随着再涂覆装置124移回到原始位置，成像装置126生成最近的一层颗粒构建材料110的连续图像。更具体地，成像装置126将成角度的可见光210引向粉末床111，同时再涂覆装置124移回到原始位置，使得任何特征(例如粉末床111的不均匀性和轮廓)通过光源202突出。成像装置126捕获这些图像，以便检测粉末床111的特征。如果检测到粉末床111的轮廓，则再涂覆装置124将沿着粉末床111进行另一次经过以使该层粉末状颗粒构建材料110均匀。
图4是与增材制造系统100(图1中所示)一起使用的替代成像装置300的示意性前视图。在示例性实施例中，成像装置300包括高分辨率成像杆302和光源304。高分辨率成像杆302和光源304都联接到再涂覆装置124。类似于再涂覆装置124，高分辨率成像杆302和光源304联接成与控制器132(图1中所示)通信。另外，高分辨率成像杆302和光源304沿着第一方向从粉末床111移位。高分辨率成像杆302和光源304沿着第二方向延伸，并构造成沿着第三方向与再涂覆装置124一起移动。
高分辨率成像杆302包括至少一个检测器阵列306和位于检测器阵列306和粉末床111内的颗粒构建材料110之间的成像元件308。在示例性实施例中，检测器阵列306包括线性检测器阵列，该线性检测器阵列包括至少2000个像素的像素阵列，使得粉末床111以大约十分之一毫米的尺度或更小的尺度的空间成像分辨率成像。例如，检测器阵列306以大约50微米的尺度或更好的尺度设置图像分辨率。在示例性实施例中，检测器阵列306包括多个线性检测器阵列。或者，检测器阵列306具有使得能够实现如本文所述的成像装置300的操作的任何构造。
在示例性实施例中，成像元件308位于检测器阵列306的一端、在检测器阵列306和粉末床111之间，以使得能够在粉末床111，构建层116和部件106上提供清晰的成像点，并且使得检测器阵列306能够定位成紧密靠近粉末床111。成像元件308包括微透镜阵列，微透镜阵列包括大小约为毫米的多个小透镜，以便于降低成像元件308的整体高度。成像元件308的透镜阵列位于粉末床111和光源304的LED灯之间，使得诸如可见光310和/或312的窄光线被投射到粉末床111上并定位在高分辨率成像杆302的成像区域中。在其他替代实施例中，成像元件308可以以便于如本文所述的增材制造系统100的操作的任何方式构造。
在示例性实施例中，光源304发射可见光310，以便于使高分辨率成像杆302生成每个构建层116和其中包含的特征的空间成像分辨率。光源304包括多个发光二极管(LED)灯。LED灯的第一部分314定位成相对于第一方向从上方照射粉末床111和构建层116。在示例性实施例中，第一部分314的LED灯被定位成以相对于构建层116的大致直角将可见光310引导到构建层116或部件106。另外，包括第一阵列318和第二阵列320的LED灯的第二部分316相对于构建层116的表面以锐角定位，并且被构造为将可见光312从成像装置300的相对端引导到构建层116和部件106，便于突出构建层116和部件106的不均匀特征。
在示例性实施例中，LED灯的第二部分316的第一阵列318和第二阵列320定位成邻近LED灯的第一部分314。第一阵列318定位成邻近第一部分314、靠近高分辨率成像杆302的端部，第二阵列320定位成邻近第一部分314、靠近高分辨率成像杆302的与第一阵列318相对的端部。LED灯的第二部分316以相对于第二方向的锐角相对于粉末床111成角度。此外，在示例性实施例中，控制器132便于打开和关闭任何数量的LED灯，以便于突出某些构建层特征。在替代实施例中，光源304以任何取向定位，便于如本文所述的增材制造系统100的操作。
图5是示出用于使粉末床111中的构建层116成像的示例性方法500的流程图。参照图1和图5，方法500包括在502处定位成像装置(例如成像装置126)，其包括高分辨率成像杆(例如高分辨率成像杆200)，使得成像装置在第一方向上从粉末床(例如粉末床111)移位，并沿着第二方向延伸。方法500还包括在504处沿着第三方向移动成像装置。方法500还包括在506处利用高分辨率成像装置生成构建层(例如构建层116)的图像。
上述实施例提供了与增材制造系统一起使用的有效成像系统，用于大型制造部件的更高分辨率成像。具体地，在示例性实施例中，成像装置包括高分辨率成像杆，其跨越待固结的材料延伸。高分辨率成像杆被构造为生成材料内的构建层的图像，并且包括至少一个检测器阵列和位于至少一个检测器阵列和材料之间的成像元件。成像装置可以能够在静止时对材料的期望区域成像，或者其可以联接到增材制造系统的再涂覆装置组件。这样，高分辨率成像杆便于对整个材料成像并以十分之一毫米尺度或更好尺度的分辨率检测该材料中的构建层特征。通过使用高分辨率成像杆，能够检测和解决构建层特征，例如部件的未对准，材料的不均匀性，熔体变化和熔体飞溅。另外，通过成角度的光源构造，也捕获诸如球形或圆顶形的轮廓。这样，这里描述的成像系统便于捕获比已知的静态低曝光相机更多的信息。这样，与用于验证的部件的电子代表文件进行比较的图像使得能够在增材制造处理期间更早地检测潜在的问题区域，从而使得增材制造的部件的质量提高。另外，早期检测使得在增材制造处理期间有更多时间来校正部件的问题区域。此外，早期的检测结果使得不受欢迎的部件能够在制造处理的早期被丢弃，从而节省了制造时间和材料成本。
本文描述的系统和方法的示例性技术效果包括以下中的至少一个：(a)通过沿着粉末床移动成像装置，在形成部件期间对基本上所有待固结的材料和构建层成像；(b)使用高分辨率成像装置增加部件的构建层的成像分辨率；(c)增加由成像系统捕获的构建层特征，以识别潜在的问题区域；(d)通过在制造处理中早期识别问题特征来减少产品缺陷；和(e)缩短产品开发周期时间。
以上详细描述了用于增材制造系统的成像系统的系统和方法的示例性实施例。方法和系统不限于本文描述的特定实施例，而是系统的部件和/或方法的步骤可以独立地并且与本文描述的其他部件和/或步骤分开使用。例如，该方法还可以与其他成像系统结合使用，并且不限于仅使用如本文所述的增材制造系统来实践。相反，可以结合许多其他应用来实施和利用示例性实施例。
尽管本公开的各种实施例的具体特征可能在一些附图中示出而在其他附图中未示出，但这仅是为了方便。根据本公开的实施例的原理，可以结合任何其他附图的任何特征来参考和/或要求保护的附图的任何特征。
一些实施例涉及使用一个或多个电子或计算装置。这样的装置通常包括处理器，处理装置或控制器(诸如通用中央处理单元(CPU))，图形处理单元(GPU)，微控制器，精简指令集计算机(RISC)处理器，特定应用集成电路(ASIC)，可编程逻辑电路(PLC)，现场可编程门阵列(FPGA)，数字信号处理(DSP)装置和/或能够执行本文所述功能的任何其他电路或处理装置。本文描述的方法可以被编码为体现在计算机可读介质中的可执行指令，包括但不限于存储装置和/或存储器装置。当由处理装置执行时，这些指令使处理装置执行本文描述的方法的至少一部分。以上示例仅是示例性的，因此并不旨在以任何方式限制术语处理器和处理装置的定义和/或含义。
该书面描述使用示例来公开本公开的实施例，包括最佳模式，并且还使本领域的任何技术人员能够实践本公开的实施例，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。这里描述的实施例的可专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差别的等效结构元件，则这些其他示例意图在权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种用于增材制造系统的成像装置，所述增材制造系统包括材料，其特征在于，所述成像装置包括：
高分辨率成像杆，所述高分辨率成像杆沿着第一方向从所述材料移位并沿着第二方向延伸，其中所述高分辨率成像杆被构造成生成所述材料内的构建层的图像，所述高分辨率成像杆包括：
至少一个检测器阵列；和
成像元件，所述成像元件位于所述至少一个检测器阵列和所述材料之间。
2.根据权利要求1所述的成像装置，其特征在于，其中所述高分辨率成像杆被构造成生成分辨率小于或等于50微米的所述图像。
3.根据权利要求1所述的成像装置，其特征在于，其中所述高分辨率成像杆联接到再涂覆装置并且被构造成沿着第三方向移动。
4.根据权利要求1所述的成像装置，其特征在于，其中所述高分辨率成像杆被构造成在再涂覆部件之前生成所述部件的图像。
5.根据权利要求1所述的成像装置，其特征在于，其中所述高分辨率成像杆包括至少一个线性检测器阵列。
6.根据权利要求1所述的成像装置，其特征在于，其中所述成像元件进一步包括微透镜阵列和单透镜中的至少一个。
7.根据权利要求1所述的成像装置，其特征在于，进一步包括联接到所述高分辨率成像杆的光源。
8.根据权利要求7所述的成像装置，其特征在于，其中所述光源包括多个LED灯，所述多个LED灯包括相对于所述构建层以第一角度定位的第一部分LED灯和相对于所述构建层以第二角度定位的第二部分LED灯，所述多个LED灯被构造成突出所述构建层的轮廓形状特征。
9.一种增材制造系统，其特征在于，包括：
材料，所述材料用于形成部件；和
成像装置，所述成像装置包括：
高分辨率成像杆，所述高分辨率成像杆沿着第一方向从所述材料移位并沿着第二方向延伸，其中所述高分辨率成像杆被构造成生成所述材料内的构建层的图像，所述高分辨率成像杆包括：
至少一个检测器阵列；和
成像元件，所述成像元件位于所述至少一个检测器阵列和所述材料之间。
10.根据权利要求9所述的增材制造系统，其特征在于，其中所述高分辨率成像杆被构造成生成分辨率小于或等于50微米的所述图像。
11.根据权利要求9所述的增材制造系统，其特征在于，其中所述高分辨率成像杆联接到再涂覆装置并且被构造成沿着第三方向移动。
12.根据权利要求9所述的增材制造系统，其特征在于，其中所述高分辨率成像杆构造成在再涂覆部件之前生成所述部件的图像。
13.根据权利要求9所述的增材制造系统，其特征在于，其中所述高分辨率成像杆包括至少一个线性检测器阵列。
14.根据权利要求9所述的增材制造系统，其特征在于，其中所述成像元件进一步包括微透镜阵列和单透镜中的至少一个。
15.根据权利要求9所述的增材制造系统，其特征在于，进一步包括联接到所述高分辨率成像杆的光源。
16.根据权利要求15所述的增材制造系统，其特征在于，其中所述光源包括多个LED灯，所述多个LED灯包括相对于所述构建层以第一角度定位的第一部分LED灯和相对于所述构建层以第二角度定位的第二部分LED灯，所述多个LED灯被构造成突出所述构建层的轮廓形状特征。
17.一种在增材制造系统内对材料的构建层成像的方法，其特征在于，所述方法包括：
定位包括高分辨率成像杆的成像装置，使得所述成像装置沿着第一方向从所述材料移位并沿着第二方向延伸，所述高分辨率成像杆包括至少一个检测器阵列和成像元件，所述成像元件位于所述至少一个检测器阵列和所述材料之间；
沿着第三方向移动所述成像装置；和
生成所述构建层的图像。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，其中生成图像包括通过快速采样处理生成所述图像。
19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，进一步包括使用联接到所述高分辨率成像杆的光源照亮所述构建层和所述材料。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，其中所述光源包括多个LED灯，所述多个LED灯包括相对于所述构建层以第一角度定位的第一部分LED灯和相对于所述构建层以第二角度定位的第二部分LED灯，所述多个LED灯被构造成突出所述构建层的轮廓形状特征。
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