CN110192102A - 用于穿孔和过熔的光学检测的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本公开的一些方面提供了一种检测连续构建处理中的缺陷的方法。该方法包括将粉末层施加到构建表面。该方法包括熔融粉末层的至少一部分以形成部件的一部分。该方法包括检测由熔融产生的电磁辐射的特定频带。在一个方面中，电磁辐射的特定频带是紫外(UV)辐射。

Description

用于穿孔和过熔的光学检测的方法和设备
技术领域
本公开一般涉及使用激光粉末床处理的增材制造。更具体地，本公开涉及检测激光粉末床处理中的穿孔(keyholing)和过熔(overmelts)。
背景技术
与减材制造方法对比，AM处理通常涉及一种或多种材料的堆积，以制作净成形或近净成形(NNS)物体。虽然“增材制造”是行业标准术语(ASTMF2792)，但是AM涵盖了各种名称下已知的各种制造和原型技术，包括自由式建造、3D打印，快速原型/制模等。AM技术能够从各种材料建造复杂部件。通常，独立式物体可以从计算机辅助设计(CAD)模型被建造。特定类型的AM处理使用能量束来烧结或熔化粉末材料，创建其中粉末材料的颗粒结合在一起的固体三维物体，能量束例如是电子束或诸如激光束的电磁辐射。不同的材料系统，例如工程塑料、热塑性弹性体、金属和陶瓷在使用。激光烧结或熔化是值得注意的用于功能原型和工具的快速建造的AM处理。应用包括复杂工件的直接制造，用于熔模铸造的图案，用于注塑和压铸的金属模具，以及用于砂型铸造的模具和型芯。在设计周期期间，建造原型物体以增强构思的沟通和测试是AM处理的其他常见用法。
选择性激光烧结、直接激光烧结、选择性激光熔化和直接激光熔化是通用行业术语，用于指的是通过使用激光束烧结或熔化精细粉末来生产三维(3D)物体。例如，美国专利号4,863,538和美国专利号5,460,758描述了常规的激光烧结技术。更准确地说，烧结需要在低于粉末材料的熔点的温度下熔融(凝结)粉末颗粒，而熔化需要完全熔化粉末颗粒以形成固体均匀物质。与激光烧结或激光熔化相关的物理处理包括向粉末材料传递热量，然后烧结或熔化粉末材料。虽然激光烧结和熔化处理可应用于广泛的粉末材料，但是生产流程的科学和技术方面，例如，烧结率或熔化率、以及层制造处理过程中处理参数对微观结构演变的影响还没有被很好地理解。这种建造方法伴随有热量、质量和动量传递的多种模式，以及使处理变得非常复杂的化学反应。
图1是示出用于直接金属激光烧结(DMLS)或直接金属激光熔化(DMLM)的示例性常规系统100的横截面视图的示意图。装置100通过使用由诸如激光器120的源所产生的能量束136烧结或熔化粉末材料(未示出)，以逐层的方式，构建例如部件122的物体。将要通过能量束熔化的粉末由储存器126供应，并使用在方向134上行进的重涂覆器臂116均匀地铺展在构建板114上，以将粉末保持在水平118并且将延伸超出粉末水平118的多余粉末材料去除到废物容器128。能量束136在振镜扫描器132的控制下烧结或熔化正在构建的物体的横截面层。构建板114被降低，并将另一层粉末铺展在构建板和正在构建的物体之上，随后通过激光器120连续熔化/烧结粉末。重复该处理，直到部件122完全从熔化/烧结的粉末材料被构建起来。激光器120可以通过包括处理器和存储器的计算机系统来被控制。计算机系统可以确定每一层的扫描图案，并且控制激光器120根据扫描图案照射粉末材料。在完成部件122的建造之后，可以对部件122应用各种后处理程序。后处理程序包括通过例如吹扫或抽真空来去除多余粉末。其他后处理程序包括应力释放处理。另外，能够使用热后处理程序和化学后处理程序来完成部件122。
装置100通过执行控制程序的计算机来被控制。例如，装置100包括处理器(例如，微处理器)，处理器执行固件、操作系统或提供装置100与操作员之间的接口的其他软件。计算机接收要形成的物体的三维模型作为输入。例如，使用计算机辅助设计(CAD)程序生成三维模型。计算机分析模型并且为模型中的每个物体提出工具路径。操作员可以定义或调整扫描图案的各种参数，例如功率、速度和间距，但通常不直接编程工具路径。
穿孔是在激光焊接中使用的导致深穿透焊接的处理。当使用蒸发金属的高功率密度激光器来形成深通道时，会发生穿孔。相反，传导焊接仅仅熔化金属，使得来自焊接的热量均匀地分布在金属的顶层上。
利用高密度激光配置时的穿孔，对于需要无缺陷的精度水平的增材制造处理，可能是特别有问题的。随着穿孔可以看到的问题之一是气泡可以形成在焊接通道中。当金属蒸汽硬化时，它们在气泡周围硬化，从而在金属部件中留下孔或结构瑕疵。另外，使用密度太高的激光器会导致构建表面的未熔化部分或粉末部分熔化。这是不希望的，因为它在部件的表面下方形成通道，这可以被认为是结构瑕疵。与穿孔相似，当高密度激光器在预定粉末层之下熔化粉末时，会发生过熔。
来自穿孔和过熔的结构瑕疵往往不能被操作者看到，因为它们要么太小，但是仍然重要，或者它们要么在操作者看不见的内表面上。为了检测瑕疵，通常使用计算机层析成像(CT)扫描来揭露处理和制造部件中的任何缺陷。如果发现缺陷，则部件可以被报废。这导致大量时间和资源损失，因为缺陷一直未被发现，直到部件完成处理。
因此，当在部件完成处理之前发生穿孔模式或者过熔时，很难检测增材制造处理中的穿孔模式和过熔。
发明内容
在实施例中，本发明涉及检测连续构建处理中的缺陷的方法。该方法将粉末层施加到构建表面。该方法熔融粉末层的至少一部分。该方法检测由熔融产生的电磁辐射的特定频带。
在另一个方面中，本发明涉及用于检测连续构建处理中的缺陷的设备，该设备包括用于接收粉末层的构建表面。该设备包括用于熔融粉末层的至少一部分的激光器。该设备包括用于检测由熔融产生的特定电磁带的光检测器。
附图说明
图1是显示用于增材制造的常规设备的实例的示意图。
图2示出了显示根据本公开的一方面的用于施行DMLS或DMLM的示例性系统的横截面视图的示意图。
图3概念性地示出了根据本公开的一方面的用于检测穿孔和过熔的处理。
图4示出了已经形成过熔的部件的图。
图5示出了根据本公开的一个方面的用于检测构建处理何时可能是穿孔的系统的图。
具体实施方式
下面结合附图阐述的详细描述旨在作为各种配置的描述，而并不旨在表示本文中所描述的构思可以被实践的仅有配置。详细描述包括用于提供对各种构思的透彻理解的目的的具体细节。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践这些构思。
本发明改进了上述增材制造(AM)处理中的技术。通常，独立式物体可以从计算机辅助设计(CAD)模型被建造。特定类型的AM处理使用能量束来烧结或熔化粉末材料，创建其中粉末材料的颗粒结合在一起的固体三维物体，能量束例如是电子束或诸如激光束的电磁辐射。不同的材料系统，例如工程塑料、热塑性弹性体、金属和陶瓷在使用。激光烧结或熔化是值得注意的用于功能原型和工具的快速建造的AM处理。应用包括复杂工件的直接制造，用于熔模铸造的图案，用于注塑和压铸的金属模具，以及用于砂型铸造的模具和型芯。在设计周期期间，建造原型物体以增强构思的沟通和测试是AM处理的其他常见用法。
在上述熔化或烧结处理期间，通常希望的是避免穿孔焊接(keyhole welding)和皮下过熔(downskin overmelts)，这可以导致制造部件中的使其变得不可用的缺陷。传导模式和穿孔模式是可以在熔融期间被实现的两种模式。在传导模式中，激光器熔化粉末床的至少一部分。然而，在穿孔模式中，激光器使粉末超出其熔点并变成等离子体蒸汽。等离子体蒸汽发射诸如UV光的辐射，该辐射可以被光电传感器检测到。
图2示出了显示根据本公开的一方面的用于施行DMLS或DMLM的示例性系统200的横截面视图的示意图。如图所示，系统200与系统100的不同之处在于，系统200合并了光电传感器235。
如图所示，系统200包括部件240和未熔融粉末245。在该图中，系统200处于制造部件240的处理中。然而，部件240已经形成过熔区域220。例如，过熔区域220可以是粉末245中的通道或突起。由于激光器120使得焊池比预期更深地穿透，因此形成过熔区域220。换句话说，激光器已经进入的深度足以将未熔融的粉末245熔融在粉末床的期望保持未熔融的区域中，从而导致部件240中的缺陷。对于观察者而言，这种缺陷可能未被检测到，例如，因为过熔区域220被遮挡而不能看到，但最终可能使得该部件不可用。
由于粉末转变成等离子体蒸汽，因此UV光225从过熔区域220被发射。UV光225可以具有10nm(30PHz)至400nm(750THz)的波长。光电传感器235被构造成检测诸如UV光的辐射的特定频带并且警告操作者部件240中可能存在的缺陷。因此，操作者可以迅速了解缺陷，停止构建处理，并且开始构建新的部件。这显著地减少了由于在部件已经被处理很久以后报废部件所造成的浪费和损失时间。
在系统的一些方面中，对于UV辐射，光电传感器可以连续地监控粉末床。然而，在不脱离本发明的范围的情况下，本领域普通技术人员将理解，其他辐射频带可以表示存在结构缺陷，并且光电传感器可以相应地被校准以识别这种频带。例如，在热塑性系统中，可见光的某些频带可以指示燃烧模式，这可以指示部件中的缺陷。
在系统的一些方面中，光电传感器可以是能够检测光的特定频带的固态半导体或光电倍增管，光诸如是UV光。光电传感器可以包括用于聚光的聚焦光学器件和/或用于过滤入射光的滤光光学器件。这种滤光光学器件可包括带通滤波器、陷波滤波器、短波滤波器和/或长通滤波器。例如，滤光光学器件可以允许具有10nm(30PHz)至400nm(750THz)波长的UV光通过。
在理想的DMLS或DMLM构建环境中，不存在UV光。因此，任何量的UV光的检测将触发光电传感器警告操作者制造处理中的缺陷。如图2所示，光电传感器在离轴参考系(offaxis reference frame)被定位成安装在构建室中。结果，光电传感器能够一直监控构建室，特别是在激光器工作时。然而，在不脱离本发明的范围的情况下，本领域普通技术人员将理解，光电传感器可以与激光器一起被定位(同轴)，只要它被适当地调整用于这种定位。
图3是概念性地示出用于检测穿孔和过熔的处理300的流程图。处理300可以由诸如系统200的AM系统施行。处理300可以在系统200已经接收到构建部件的指令之后开始。
如图所示，处理300(在305处)将粉末层施加到粉末床。例如，重涂覆器116在粉末床112中施加粉末层。在310处，处理包括熔融粉末层的至少一部分。熔融可以通过激光器120烧结或熔化粉末来完成。处理300包括(在315处)检测任何UV光的存在。例如，光电传感器235检测由熔融处理产生的光。如果光电传感器235检测到UV光，则在方框315中，光电传感器235可以产生信号。例如，光电传感器235可以确定检测到的UV光是否满足阈值(例如，1mW/cm2)。这种存在可以指示部件中的缺陷或者系统处于穿孔模式而不是传导模式。
当光电传感器235(在315处)检测到UV光存在时，处理300包括(在320处)产生警报。可以将这种警报发送给系统的操作者，使得操作者能够确定是继续处理部件还是废弃部件，从而减少循环时间。产生警报还可以包括暂停例如层之间的构建处理。如果操作者确定结束构建处理，则处理300结束。当光电传感器235(在315处)未检测到UV光时，处理包括(在325处)确定是否要将另一层添加到构建表面。当系统200(在325处)确定要添加另一粉末层时，处理300返回到305并且系统200将另一粉末层添加到构建表面。当系统200(在325处)确定不要将另一粉末层添加到构建表面时，处理300结束。此时，诸如部件240的部件，可能已经被构建而没有缺陷。
图4示出了已经形成过熔的部件的图400。图400包括光电传感器430和部件405，部件405可以使用上述AM处理之一制造。虽然未示出，但是部件405在侧面上被诸如粉末245的粉末包围，并且被定位在诸如构建表面114的构建表面上。
如图所示，部件405包括弓形部415，皮下过熔420，UV辐射425和激光束410。皮下过熔420可以具有确定的尺寸450。在系统的一些方面中，可以校准光电传感器430以映射过熔420的尺寸和形状。例如，从检测到的UV光产生的某些信号强度可以输入到公式中，该公式将过熔的诸如尺寸(高度和宽度)的特征输出给操作者。
为了收集准确的值，对于不同的材料，光电传感器430可以被校准，这取决于过熔的特性产生不同的强度。光电传感器430可以包括存储器，存储器具有预配置数据，预配置数据通过在特定材料中引起过熔、记录过熔的至少一个特性(例如，深度)、记录检测到的UV光的强度、以及将强度与过熔的特性相关联来获得。可以在系统中使用的材料包括但不限于钴铬合金(CoCr)，铬镍铁合金(Inconel)718，铬镍铁合金l625和/或用于激光焊接的任何其他合适的材料。
系统还能够检测穿孔。穿孔是有问题的，因为随着汽化金属在气泡之上硬化，它可能会导致夹杂物，气泡可能由于穿孔(而不是传导焊接)而形成。在严重缺陷导致部件被报废之前，检测穿孔的能力可以实现系统的重新校准。
图5示出了用于检测构建处理何时可能是穿孔的系统500的图。穿孔与过熔的略微不同之处在于，穿孔形成在熔化区域中而不是形成在粉末中。系统500包括光电传感器530、警报器535、光束510和部件505。部件505包括穿孔520和等离子体蒸汽525。
如图所示，可以是激光束的光束510已经将粉末的温度不仅提高至熔点，而且提高至激光已经使部件505的熔化区域中的至少一些材料汽化的温度。结果，产生等离子体蒸气525，等离子体蒸气525发射UV光。光电传感器530检测UV光并且产生警报535。如上所述，警报可以向操作者通知缺陷。警报535还可以被构造成向操作者警告缺陷的至少一个特性，例如尺寸。操作者可以基于警报确定是否停止构建处理。在另一方面中，系统500可以基于警报或缺陷的特性确定是否停止构建处理。
本书面描述使用实例来公开本发明，包括优选的实施例，并且还使任何本领域技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统，以及施行任何结合的方法。本发明的专利范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他实例具有与权利要求的字面语言相同的结构元件，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，则这些其他实例意指在权利要求书的范围内。来自所描述的各种实施例的各方面，以及每个这种方面的其他已知等同物可以由本领域普通技术人员混合和匹配，以根据本申请的原理构建另外的实施例和技术。

Claims (16)

1.一种检测连续构建处理中的缺陷的方法，其特征在于，所述方法包括：
将粉末层施加到粉末床；
熔融所述粉末层的至少一部分，以形成部件的一部分；和
检测由所述熔融产生的电磁辐射的特定频带。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中电磁辐射的所述特定频带是紫外辐射。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括，一旦检测到电磁辐射的所述特定频带，就产生警报。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，进一步包括，响应于产生所述警报而停止构建处理。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述检测进一步包括确定已经发生过熔或穿孔操作。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，其中所述检测进一步包括检测由所述熔融形成的所述过熔或穿孔的特性。
7.一种用于检测连续构建处理中的缺陷的设备，其特征在于，所述设备包括：
用于接收粉末层的构建表面；
用于熔融所述粉末层的至少一部分的激光器；和
用于检测由所述熔融产生的辐射的特定频带的光电检测器。
8.如权利要求7所述的设备，其特征在于，其中所述特定频带是紫外(UV)辐射。
9.如权利要求7所述的设备，其特征在于，其中，所述光电检测器包括固态半导体。
10.如权利要求7所述的设备，其特征在于，其中所述光电检测器包括光电倍增管。
11.如权利要求7所述的设备，其特征在于，其中所述光电检测器包括调整到辐射的所述特定频带的带通滤光器、陷波滤光器，短波滤光器和长通滤光器中的一个。
12.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，其中所述光电检测器被构造成，一旦检测到辐射的所述特定频带，就产生警报。
13.如权利要求12所述的设备，其特征在于，其中，所述设备被构造成响应于所述警报而停止所述连续构建处理。
14.如权利要求7所述的设备，其特征在于，其中，所述光电检测器进一步用于检测过熔或穿孔操作。
15.如权利要求14所述的设备，其特征在于，其中所述光电检测器进一步用于检测由所述过熔或穿孔操作形成的所述过熔或穿孔的特性。
16.如权利要求7所述的设备，其特征在于，其中所述光电传感器被安装在离轴坐标系上。
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