CN111168062B - 用于检测增材制造处理中的错误的熔池监测系统和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种监测粉末床增材制造处理的系统和方法，其中使用能量源熔合增材粉末层，并且通过熔池监测系统测量电磁辐射信号以监测打印处理。测量出的辐射信号被分析以识别异常值辐射，并且通过例如使用聚类算法、空间控制图等，评估异常值辐射的空间接近度，来识别异常值群集。当识别出群集时或当群集的大小超出预定群集阈值时，可以提供警报或可以进行处理调整。

Description

用于检测增材制造处理中的错误的熔池监测系统和方法
优先权信息
本申请人要求2018年11月9日提交的标题为“Melt Pool Monitoring System andMethod for Detecting Errors in an Additive Manufacturing Process(用于检测增材制造处理中的错误的熔池监测系统和方法)”的美国临时专利申请序列号62/757,849的优先权，其公开内容通过引用合并于此。
技术领域
本公开大体上涉及增材制造机器，或更具体地，涉及用于增材制造机器的错误检测系统和方法。
背景技术
与减材制造方法相反，增材制造(AM)处理通常涉及一个或多个材料的堆积，以制成净成形或近净成形(NNS)的物体。尽管“增材制造”是行业标准术语(ISO/ASTM52900)，但是AM包含以各种名称已知的各种制造和原型技术，包括自由制造、3D打印、快速原型/制模等。AM技术能够由多个材料制造复杂部件。大体上，可以由计算机辅助设计(CAD)模型制造独立物体。
一种特殊类型的AM处理使用诸如辐照辐射引导装置的能量源，该能量源引导例如电子束或激光束的能量束烧结或熔化粉末材料，生成其中粉末材料的颗粒结合在一起的固体三维物体。AM处理可以使用不同的材料系统或增材粉末，例如工程塑料、热塑性弹性体，金属和/或陶瓷。激光烧结或熔化是用于快速制造功能原型和工具的显著AM处理。应用包括复杂工件的直接制造，用于精密铸造的模型，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。制造原型物体以增强设计周期内的构思的交流和测试是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常用的工业术语，用于指通过使用激光束烧结或熔化细粉末来生产三维(3D)物体。更准确地，烧结需要在低于粉末材料的熔点的温度下熔合(凝聚)粉末颗粒，而熔化则需要使粉末颗粒完全熔化以形成固体均质块。与激光烧结或激光熔化相关的物理处理包括将热传递到粉末材料，然后烧结或熔化粉末材料。尽管激光烧结和熔化处理可以应用于大范围的粉末材料，但是生产路线的科学和技术方面，例如，烧结或熔化速率以及处理参数对层制造处理期间的微结构演变的影响尚未得到很好的理解。这种制造方法伴随着有使处理变得非常复杂的多种模式的热、质量和动量传递以及化学反应。
在直接金属激光烧结(DMLS)或直接金属激光熔化(DMLM)期间，设备通过使用能量束烧结或熔化粉末材料，以逐层方式构建物体。将被能量束熔化的粉末均匀地散布在构建平台上的粉末床上，并且能量束在辐照辐射引导装置的控制下烧结或熔化正在构建的物体的横截面层。降低构建平台并将另一层粉末散布在粉末床和正在构建的物体上，然后连续熔化/烧结粉末。重复该处理，直到零件完全由熔化/烧结的粉末材料堆积。
在零件的制造完成之后，可以将各种后处理工序应用于零件。后处理工序包括例如通过吹扫或抽真空来去除多余粉末。其他后处理工序包括应力消除处理。此外，可以使用热、机械和化学后处理工序来完成零件。
为了监测增材制造处理，某些常规的增材制造机器包括熔池监测系统。这些监测系统典型地包括一个或多个照相机或光传感器，用于检测从由能量束产生的熔池辐照或以其他方式发射出的光。照相机或传感器值可以用于评估构建处理完成后的构建质量。质量评估可以用于调整构建处理，停止构建处理，解决构建处理异常，向机器操作者发出警告，和/或识别由构建导致的可疑或劣质零件。但是，大多数熔池监测系统会在构建完成后进行数据分析，或者另外很复杂并且在识别处理问题上会延迟。此外，这种熔池监测系统通常不能有效地识别出导致成品零件的质量问题、零件报废、材料成本增加、以及过度的机器停产时间的处理故障。
因此，具有改进的错误检测系统的增材制造机器将是有用的。更特别地，用于利用熔池监测系统以在增材制造机器的操作期间快速有效地检测处理问题的系统和方法将是特别有益处的。
发明内容
各方面和优点将部分地在以下描述中阐述，或者可以从描述中显而易见，或者可以通过实践本发明来学习。
根据本主题的一个实施例，提供了一种监测粉末床增材制造处理的方法。该方法包括辐照在增材制造机器的粉末床上的粉末层，在辐照粉末层的同时，测量来自粉末床的辐射信号，和识别测量出的辐射信号超出预定信号阈值的异常值(outlier)辐射。该方法进一步包括通过评估异常值辐射的空间接近度来识别异常值群集，和响应于识别异常值群集而产生警报。
根据另一个示例性实施例，提供了一种增材制造机器，该增材制造机器包括：用于在粉末床上沉积增材材料的层的粉末沉积设备，用于选择性地熔合增材材料的层的一部分以形成零件的横截面层的辐照装置，和用于在辐照装置正在熔合横截面层的同时，测量来自粉末床的辐射信号的熔池监测系统。控制器被可操作地联接到熔池监测系统，用于识别测量出的辐射信号超出预定信号阈值的异常值辐射，通过评估异常值辐射的空间接近度来识别异常值群集，和响应于识别异常值群集而产生警报。
这些以及其他特征、方面和优点将通过参考以下描述和所附权利要求书变得更加容易理解。结合在本说明书中并且构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与说明书一起，用于解释本发明的原理。
附图说明
在参考附图的说明书中，针对本领域普通技术人员，阐述了本发明包括其最佳模式的完整且能够实现的公开。
图1示出了根据本主题的示例性实施例的增材制造机器的示意图。
图2示出了根据本主题的示例性实施例的图1的示例性增材制造机器的构建平台的特写示意图。
图3是根据本公开的一个实施例的监测粉末床增材制造处理中的处理故障的方法。
图4示出了根据示例性实施例的可用于检测图1的示例性增材制造机器的操作中的处理错误的熔池监测系统的示例性数据输出。
图5示出了根据示例性实施例的表示由可用于检测图1的示例性增材制造机器的操作中的处理错误的熔池监测系统所获得的数据的示例性空间控制图。
在本说明书和附图中重复使用参考字符旨在表示本发明的相同或类似的特征或元件。
具体实施方式
现在将详细地参考本发明的实施例，本发明的实施例的一个或多个实例在附图中示出。提供每个实施例是为了解释本发明，而不是限制本发明。事实上，对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可以在本发明中进行各种修改和变化。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以与另一个实施例一起使用，以产生又一个实施例。因此，本发明旨在覆盖落入所附权利要求书及其等同物的范围内的这些修改和变化。
如本文所使用的，术语“第一”、“第二”和“第三”可以互换使用，以使一个部件区别于另一个部件，并且不旨在表示单个部件的位置或重要性。另外，如本文所使用的，例如“近似”、“基本上”或“大约”的近似性术语指的是在百分之十的误差幅度之内。
本主题大体上针对用于实时监测例如DMLM处理的粉末床增材制造处理的方法。在这方面，在零件的每一层的打印期间，系统控制器可以操作熔池监测系统，并且实施控制算法，以监测熔池特性，例如辐射强度、熔池尺寸，频谱特征等。
熔池监测系统记录的数据流可以被分析用于空间局部极端值。通常，系统控制器可以为每一打印层监测打印处理，包括熔池数据。分析可以包括扫描熔池数据用于极端异常值，并评估那些异常值的空间接近度。如果识别出群集(例如，如果特殊群集超出预定的群集密度或其他阈值)，则控制器可以标记该层用于进一步的分析，停止打印处理，对打印处理进行调整，通知操作者，或进行任何其他的操作调整。
具体地，可以使用一个或多个聚类算法或方法，例如k-均值聚类、k-中值聚类、基于密度的噪声应用空间聚类(DBSCAN)以及点排序识别聚类结构(OPTICS)，来分析数据流，以识别极端操作辐射或错误的群集。如果找到这种群集，则可以向操作者发出警告。可以使用替代的计算和传感器方法来实现该算法和不同的监测系统，同时仍在本主题的范围内。例如，根据还有的其他实施例，空间控制图可用于评估不正常的或作为异常值辐射的电磁辐射的空间接近度。
因此，本文描述的系统和方法可以用于检测打印错误或处理故障，并且相应地通知操作者。可替代地，增材制造机器可以被构造用于进行操作调整，以修正或纠正这种错误或打印问题。以这种方式，可以避免可能另外会导致零件报废、材料浪费、时间浪费以及其他不必要的成本和延迟的处理中断。此外，可以实时检测并立即解决这些问题，从而节省时间和金钱，并有效地提高性能。另外，本方法可以由专用或系统控制器执行，可以减少计算需求，可以需要最少的计算机存储器和处理器资源等。
参考图1，将描述根据示例性实施例的例如DMLS或DMLM系统100的激光粉末床熔合系统。如图所示，系统100包括固定外壳102，固定外壳102提供用于进行增材制造处理的无污染且受控的环境。在这方面，例如，外壳102用于隔离并保护系统100的其他部件。此外，外壳102可以设置有适当的保护气体流，例如氮气、氩气、或另一种适当的气体或混合气体。在这方面，外壳102可以限定进气口104和出气口106，用于接收气流，以产生静态加压体积或动态气流。
外壳102大体上可以包含AM系统100的一些或全部部件。根据示例性实施例，AM系统100大体上包括定位在外壳102内的工作台110、粉末供应部112、刮刀或重涂覆器机构114、溢流容器或储存器116、以及构建平台118。另外，能量源120产生能量束122，并且射束调向设备124引导能量束122，以促进如下面更详细描述的AM处理。这些部件中的每个部件将在下面更详细地描述。
根据所示的实施例，工作台110是限定平坦的构建表面130的刚性结构。另外，平坦的构建表面130限定可以通过其进入构建室134的构建开口132。更具体地，根据图示的实施例，构建室134至少部分地由竖直壁136和构建平台118限定。另外，构建表面130限定供应开口140和储存器开口144，增材粉末142可以通过供应开口140从粉末供应部112供应，多余的增材粉末142可以通过储存器开口144进入溢流储存器116。收集的增材粉末在重新使用之前可以可选地被处理，以滤出松散凝聚颗粒。
粉末供应部112大体上包括增材粉末供应容器150，增材粉末供应容器150大体上包含足以用于一个特定零件或多个零件的一些或全部增材制造处理的一定量的增材粉末142。另外，粉末供应部112包括供应平台152，供应平台152是能够在粉末供应容器150内沿竖直方向移动的板状结构。更具体地，供应致动器154竖直地支撑供应平台152，并且在增材制造处理期间，选择性地使供应平台152上下移动。
AM系统100进一步包括重涂覆器机构114，重涂覆器机构114是邻近构建表面130的刚性横向伸长结构。例如，重涂覆器机构114可以是硬刮刀、软刮板或滚筒。重涂覆器机构114可操作地联接至重涂覆器致动器160，重涂覆器致动器160能够操作以选择性地沿着构建表面130移动重涂覆器机构114。另外，平台致动器164可操作地联接至构建平台118，并且大体上可操作用于使构建平台118在构建处理期间沿着竖直方向移动。尽管致动器154、160和164被示出为液压致动器，但是应当理解的是，根据替代实施例，可以使用任何其他类型和构造的致动器，诸如气动致动器、液压致动器、滚珠螺杆线性电动致动器或任何其他合适的竖直支撑装置。其他构造是可能的并在本主题的范围内。
能量源120可以包括能够操作以产生具有适当功率和其他操作特性的射束以在构建处理期间熔化并熔合金属粉末的任何已知装置。例如，能量源120可以是激光或任何其他合适的辐照辐射引导装置或辐照装置。例如电子束枪的其他定向能量源是激光的合适替代品。
根据示例性实施例，射束调向设备124包括与合适的致动器可操作地联接并且被布置成引导并聚焦能量束122的一个或多个反射镜、棱镜、透镜和/或电磁体。在这方面，例如，射束调向设备124可以是振镜扫描仪，其在激光熔化和烧结处理期间，跨越构建表面130，移动或扫描由能量源120发射出的激光束122的焦点。在这方面，能量束122可以被聚焦到期望的光斑尺寸，并且被调向到与构建表面130一致的平面中的期望位置。粉末床熔合技术中的振镜扫描仪典型地具有固定位置，但是包含在其中的可移动反射镜/透镜允许激光束的各种特性被控制和调整。应当理解的是，可以使用其他类型的能量源120，能量源120可以使用并替代射束调向设备124。例如，如果能量源120是用于引导电子束的电子控制单元，则射束调向设备124可以是例如偏转线圈。
在增材制造处理之前，可以降低供应重涂覆器160，以将期望成分的粉末142(例如，金属、陶瓷和/或有机粉末)供应到供应容器150中。另外，平台致动器164可将构建平台118移动到初始高位置，例如，使其与构建表面130基本齐平或共面。然后，将构建平台118以选定的层增量降低至构建表面130下方。层增量影响增材制造处理的速度以及正在制造的部件或零件170的分辨率。作为示例，层增量可以为大约10至100微米(0.0004至0.004英寸)。
然后，增材粉末在通过能量源120熔合之前沉积在构建平台118上。具体地，供应致动器154可以升高供应平台152，以推动粉末通过供应开口140，使其暴露在构建表面130上方。然后，重涂覆器机构114可以通过重涂覆器致动器160跨越构建表面130移动，以将升高的增材粉末142水平地散布在构建平台118上(例如，以选定的层增量或厚度)。当重涂覆器机构114从左到右经过时，任何多余的增材粉末142都通过储存器开口144掉落到溢流储存器116中(如图1所示)。随后，重涂覆器机构114可以移回到起始位置。
因此，如本文中所解释的，并且如图1所示，重涂覆器机构114、重涂覆器致动器160、供应平台152和供应致动器154大体上可以操作，以连续沉积增材粉末142或其他增材材料的层，从而促进打印处理。这样，这些部件在本文中可以统称为粉末沉积设备、系统或组件。拉平的增材粉末142可以被称为“构建层”172(参见图2)，并且其露出的上表面可以被称为构建表面130。当构建平台118在构建处理期间被降低到构建室134中时，构建室134和构建平台118共同围绕并支撑大量增材粉末142以及正在构建的任何部件170。该大量粉末通常被称为“粉末床”，并且该特定种类的增材制造处理可以被称为“粉末床处理”。
在增材制造处理期间，定向能量源120用于熔化正在构建的部件170的二维横截面或层。更具体地，从能量源120发射出能量束122，并且射束调向设备124用于以合适的模式在露出的粉末表面上对能量束122的焦点174进行调向。本文中被称为“焊池”或“熔池”或“热影响区”176(最佳在图2中可见)的围绕焦点174的增材粉末142的一小部分露出层通过能量束122被加热到允许其烧结或熔化、流动和固结的温度。作为实例，熔池176可以近似具有100微米(0.004英寸)的宽度。该步骤可以被称为熔合增材粉末142。
构建平台118以层增量竖直向下移动，并且以相似的厚度施加另一层增材粉末142。定向能量源120再次发射能量束122，并且射束调向设备124用于以合适的模式在露出的粉末表面上对能量束122的焦点174进行调向。增材粉末142的露出层通过能量束122被加热到允许其同时在顶层内以及下部在先固化层内烧结或熔化、流动和固结的温度。重复移动构建平台118、施加增材粉末142、然后定向能量束122熔化增材粉末142的这个循环，直到完成整个部件170。
如以上简要说明的，当能量源120和射束调向设备124将例如激光束或电子束的能量束122引导到粉末床或构建表面130上时，增材粉末142被加热，并且开始熔化成熔池176，增材粉末142可以在熔池176中熔合以形成最终部件170。值得注意的是，加热的材料以可见光和不可见光的形式发射电磁能。定向能量束的一部分被反射回到振镜扫描仪或射束调向设备124中，并且一部分通常在外壳102内的所有其他方向上散射。通常来说，监测发射和/或反射的电磁能可用于改进处理监测和控制。下面根据示例性实施例描述例如使用熔池监测系统200来检测处理故障或构建错误的用于监测增材制造处理的示例性系统。
仍然参考图1，将描述根据本主题的示例性实施例的熔池监测系统200，熔池监测系统200可以与系统100一起使用，用于监测熔池176和大体的制造处理。熔池监测系统200包括一个或多个例如光传感器的电磁能传感器，电磁能传感器用于测量从熔池176发射或由熔池176反射的可见或不可见电磁能的量。在这方面，“电磁能”，“辐射”等在本文中可以用来指的是光或辐射强度、光电二极管电压响应、高温计电压或电流响应、光辐射几何尺寸、频谱响应、辐射面积或波长、传感器噪声响应、或任何其他合适的可测量电磁能数量或质量中的一个或多个。
根据所示的实施例，熔池监测系统200包括两个同轴光传感器202和一个固定离轴光传感器204。下面将根据示例性实施例描述这些传感器202、204中的每个传感器。然而，应当理解的是，熔池监测系统200可以包括用于检测熔池176或大体处理的电磁能和其他性质的传感器的任何其他合适的类型、数量和构造。
如本文所使用的，“射束线”或“同轴”熔池传感器202指的是大体上沿着能量束122的路径定位的传感器。这些传感器可以监测沿着射束路径返回的发射和/或反射光。具体地，当能量束122形成熔池176时，来自熔池176的一部分发射和反射电磁能沿着相同路径返回到能量源120。同轴传感器202可以包括沿着射束线定位的分束器206，其可以包括用于将一部分电磁能重引导朝向射束线感测元件208的涂层。在这方面，例如，感测元件208可以是被构造用于测量例如红外(IR)、紫外(UV)、可见光等的任何频谱中的电磁能的光电二极管、高温计、光学照相机、红外(IR)照相机、光电倍增管，或频谱仪或其他频谱传感器。同轴传感器202可以测量滤波后的反射射束的任何合适参数，例如强度、频率、波长等。
另外，如本文中所使用的，“固定”或“离轴”熔池传感器204指的是大体上相对于熔池176具有固定位置并且用于测量指定视场内的能量束122和熔池176产生的电磁能的传感器。另外，固定熔池传感器204可以包括任何合适的装置，例如光电二极管或红外(IR)照相机。离轴熔池传感器204可以以类似于同轴熔池传感器202的方式操作，但是不位于射束线上，并且包括大体上被构造用于监测来自熔池176的散射电磁能的感测元件208。
根据本主题的示例性实施例，熔池监测系统200可以进一步包括一个或多个过滤器210，用于在电磁能到达各个传感器202、204的感测元件208之前对其进行过滤。例如，过滤器210可以去除能量束122的波长，使得传感器202、204仅监测反射的电磁能。替代地，过滤器210可以被构造用于去除其他不想要的波长，用于熔池176或大体处理的改进监测。
熔池监测系统200进一步包括控制器220，控制器220可操作地联接到同轴光传感器202和/或离轴光传感器204，用于接收与检测到的电磁能相对应的信号。控制器220可以是用于熔池监测系统200的专用控制器，或者可以是用于操作AM系统100的系统控制器。控制器220可以包括一个或多个存储设备以及一个或多个微处理器，例如能够操作以执行与增材制造处理或处理监测相关联的编程指令或微控制代码的通用或专用微处理器。存储器可以代表诸如DRAM的随机存取存储器，或者诸如ROM或FLASH的只读存储器。在一个实施例中，处理器执行存储在存储器中的编程指令。存储器可以是与处理器分开的部件，或者可以包含在处理器内的板上。可替代地，控制器220可以在不使用微处理器的情况下，例如使用离散模拟和/或数字逻辑电路(例如，开关、放大器、积分器、比较器、触发器、与门等)的组合来被构造，以执行控制功能，而不依赖于软件。
应当理解的是，为了解释本主题的各方面，本文仅示出和描述了AM系统100和熔池监测系统200。然而，本主题的范围不限于这种示例性实施例，而是被设想为包括包含变化和修改的实施例。例如，熔池监测系统200可以包括不同的构造和传感器类型，AM系统100可以包括替代或附加特征，并且根据替代实施例可以应用其他变化。另外，可以使用其他合适形式和/或类型的粉末供应部112，例如沿着构建表面130移动同时以预定的流量沉积增材粉末的粉末容器。此外，例如，基于所产生的能量束122的类型，可以使用任何合适构造的射束调向设备124。其他构造是可能的并且在本主题的范围内。
现在已经根据本主题的示例性实施例描述了AM系统100和熔池监测系统200的结构和构造，将根据本主题的示例性实施例描述用于监测增材制造处理的示例性方法300。方法300可以用于使用熔池监测系统200来监测AM系统100的操作，或者可以用于使用任何其他合适的传感器系统来监测任何其他合适的增材制造机器。在这方面，例如，控制器220可以被构造用于实施方法300的一些或全部步骤。此外，应当理解的是，本文中仅讨论示例性方法300以描述本主题的示例性方面，而并非旨在限制。
现在参考图3，方法300包括，在步骤310，在增材制造机器的粉末床上辐照粉末层。在这方面，例如，能量源120可以将能量束122引导到粉末床的构建层172(例如构建表面130)上的焦点174。以这种方式，增材粉末142或其他材料可以被选择性地熔化、烧结、或者以其他方式被熔合，以形成部件170的一部分。如上所说明的，辐照增材粉末的处理可以发射出可用于监测增材制造处理的电磁辐射和其他烧结/熔化副产物。
步骤320大体上包括在辐照粉末层的同时，测量来自粉末床的辐射信号。在这方面，例如，当粉末床例如如上所述被选择性地熔合时，熔池监测系统200大体上可以监测来自粉末床的电磁辐射。因此，在打印处理期间，熔池监测系统200大体上可以获得任何合适格式的指示熔池辐射的数据，该数据可以进一步被评估或分析，以监测打印处理并进行与期望处理调整有关的确定。
例如，简要地参考图4，示出了用于部件的层的示例性打印处理以及由熔池监测系统200测量和/或记录的电磁辐射信号的时间序列表示。该数据序列在本文中可以被称为“测量的辐射”、“原始辐射数据”等，并且可以由参考数字250标识。在这方面，例如，当能量束122沿着命令工具路径(例如，已由图4中的参考数字252标识)移动时，同轴光传感器202可以跟踪焦点174，同时测量电磁辐射250。
对于正常处理，测量出的电磁辐射信号250中的随机变化是正常的并且是预期的。但是，当测量出的辐射250超出控制上限(例如，在图4中标识为UCL)或下降到控制下限(例如，在图4中由LCL标识)以下时，这些测量出的辐射可以被视为是不正常的或“异常值辐射”，并由参考数字254标识。因此，方法300可以进一步包括，在步骤330，识别其中测量出的辐射信号超出预定信号阈值(或者另外落在预定边界之外)的异常值辐射。例如，如图所示，预定信号阈值可以被识别为控制上限和控制下限(UCL和LCL)，其大体上可以是正态分布的近似三个标准差。替代地，预定信号阈值可以是以任何其他合适方式确定的任何其他合适限值。
值得注意的是，因为测量出的辐射信号250典型地以时间序列格式表示(例如，如图4所示)，所以当测量出的辐射信号250内的异常值辐射254在部件170内的横截面层或三维区内被定位成彼此靠近时，常常并不明显。虽然周期性变化可能不是一个严重的问题，并且可能根本不需要干预，但是聚集的或空间上接近的异常值辐射可以表示打印问题。例如，如图4所示，许多异常值辐射254虽然在时间序列图上间隔开，但是实际上全部在打印部分中的单个热点256处产生。期望的是，诊断出此类问题并采取修正措施。在这方面，本主题大体上针对分析和评估异常值辐射254的空间接近度，以例如确定何时已经发生了处理故障或错误，并启动修正措施。
步骤340包括通过评估测量出的辐射信号内的异常值辐射的空间接近度来识别异常值群集。在这方面，步骤340大体上针对识别何时在构建区域内的特定区或部分处产生异常值辐射，或何时异常值辐射与构建区域内的特定区或部分相关联。例如，空间接近度可以被限定在二维或三维空间中，并且可以结合粉末床内的增材粉末142以及部件170两者。根据示例性实施例，空间接近度可以是在围绕焦点174的特定体积内识别出的异常值辐射254的密度。密度或空间接近度可以被限定在两维中(例如，在单个构建层内)，或者可以被限定在三维中(例如，通过多个构建层)。
异常值辐射254的空间接近度可以任何合适的方式确定。例如，控制器220可以被构造用于进行聚类方法或使用聚类算法来分析测量出的辐射信号250。在这方面，可以使用一个或多个聚类算法或方法，例如k-均值聚类、k-中值聚类、基于密度的噪声应用空间聚类(DBSCAN)以及点排序识别聚类结构(OPTICS)，来分析测量出的辐射信号250的数据流，以识别极端操作辐射或错误的群集。其他聚类算法或统计方法是可能的，并且在本主题的范围内。
根据替代实施例，空间控制图可用于识别指示增材打印处理中的热点、处理故障或其他问题的异常值辐射254的群集。例如，图5示出了示例性打印处理的空间控制图。在这方面，常规时间序列数据在控制图(例如，Shewhart图、EWMA图等)中相关处理或质量度量绘制为时间的函数，以直观地识别度量的时间漂移或变化。空间控制图着重于与数据关联的物理位置，而不是时间顺序。
对于空间控制图的一种方法是利用方差图、半方差图或类似统计图，该方差图、半方差图或类似统计图根据移动平均图或类似图形中的位置之间的距离，比较在不同位置处的值之间的差异的方差、标准差或协方差。阈值限制外的方差图、半方差图或类似统计将是极端值的空间群集的指标。替代地，可以将空间加权函数与例如主成分分析、偏最小二乘回归的多变量投影方法结合使用，以使得能够使用多变量统计测量(例如，Hotelling’s T2或Q统计量)来识别空间群集。
在空间控制图的另一个实施例中，熔池监测系统数据可以被视为多变量图像，其中2维是与划分成“像素空间”的每个数据层相关联的x和y坐标，每个“像素空间”具有相应的测量出的熔池特性(电磁辐射强度，熔池尺寸等)，使用投影方法(即主成分分析或偏最小二乘)有效地展开的多变量数据集，提取出并且然后重组成空间阵列的相关得分变量，和空间阵列的“像素空间”内的极端值，以识别与处理异常相关联的空间群集。
方法300进一步包括，在步骤350，响应于识别异常值群集而产生警报。因而，当在步骤340中识别出异常值辐射254的群集时，控制器220可以被构造用于当识别出群集时或当群集的大小超出某个群集阈值时，产生警报，进行处理改变，或进行某些其他控制动作。例如，警报可以是提供给增材制造机器的操作者的音频或视觉指示。例如，警报或指示可以被显示在监测器上，供操作者查看(例如，作为基于时间的图、控制图、3D指示或补偿的辐射信号的表示等)。替代地，警报可以是电子邮件、文本消息或其他电子消息。
替代地，警报反而可以是对于机器控制的电子信号，该电子信号将停止或调整打印处理的构建参数。在这方面，控制器220可以被编程为当群集被识别或超出特定阈值时，自动对增材制造机器进行处理调整。例如，控制器220可以被构造用于调节能量源120的入射角，能量束122的强度，扫描速率，工具路径，或将影响截面层或部件170本身的打印的任何其他处理调整。
为了说明和讨论的目的，图3描绘了具有以特定顺序进行的步骤的示例性控制方法。使用本文提供的公开内容，本领域普通技术人员将理解的是，可以在不背离本公开内容的范围的情况下以各种方式来改编、重新布置、扩展、省略或修改本文讨论的任何方法的步骤。此外，尽管使用AM系统100和熔池监测系统200为例说明了方法的各方面，但是应当理解的是，这些方法可以应用于监测任何合适的增材制造机器的操作。
本发明的进一步方面由以下条项的主题提供：
1.一种监测粉末床增材制造处理的方法，包括辐照在增材制造机器的粉末床上的粉末层，在辐照所述粉末层的同时，测量来自所述粉末床的辐射信号，识别测量出的所述辐射信号超出预定信号阈值的异常值辐射，通过评估所述异常值辐射的空间接近度来识别异常值群集，和响应于识别所述异常值群集而产生警报。
2.根据前述任一条项所述的方法，其中所述辐射信号包括来自所述粉末床中的熔池的电磁能辐射。
3.根据前述任一条项所述的方法，其中所述电磁能辐射包括光强度、光电二极管电压响应、高温计电压或电流响应、光辐射几何尺寸、频谱响应和传感器噪声响应中的至少一个。
4.根据前述任一条项所述的方法，其中测量所述辐射信号使用熔池监测系统。
5.根据前述任一条项所述的方法，其中所述熔池监测系统包括光电二极管、高温计、光电倍增管、红外照相机、光学照相机、频谱仪和频谱传感器中的至少一个。
6.根据前述任一条项所述的方法，其中所述熔池监测系统包括至少一个同轴传感器。
7.根据前述任一条项所述的方法，其特征在于，其中识别所述异常值群集包括：使用从k-均值聚类、k-中值聚类、基于密度的噪声应用空间聚类(DBSCAN)以及点排序识别聚类结构(OPTICS)中选择出的聚类分析方法，来分析测量出的所述辐射信号。
8.根据前述任一条项所述的方法，进一步包括：(a)沉积粉末层；(b)选择性地熔合所述粉末层的一部分；和(c)重复步骤(a)和(b)，以逐层构建零件，其中，相对于所述零件的至少两个相邻层，进行测量辐射信号、识别异常值辐射、和识别异常值群集的步骤。
9.根据前述任一条项所述的方法，其中实时地进行测量辐射信号、识别异常值辐射、和识别异常值群集的步骤。
10.根据前述任一条项所述的方法，其中产生所述警报包括：当识别出的所述异常值群集的群集大小超出群集阈值时，产生所述警报。
11.根据前述任一条项所述的方法，其中所述警报是提供给所述增材制造机器的操作者的音频或视觉指示。
12.一种增材制造机器，包括：粉末沉积设备，所述粉末沉积设备用于在粉末床上沉积增材材料层；辐照装置，所述辐照装置用于选择性地熔合所述增材材料层的一部分，以形成零件的横截面层；熔池监测系统，所述熔池监测系统用于在所述辐照装置正在熔合所述横截面层的同时，测量来自所述粉末床的辐射信号；和控制器，所述控制器可操作地联接到所述熔池监测系统，所述控制器被构造用于：识别测量出的所述辐射信号超出预定信号阈值的异常值辐射；通过评估所述异常值辐射的空间接近度来识别异常值群集；和响应于识别所述异常值群集而产生警报。
13.根据前述任一条项所述的增材制造机器，其中所述辐射信号包括来自所述粉末床中的熔池的电磁能辐射。
14.根据前述任一条项所述的增材制造机器，其中所述电磁能辐射包括光强度、光电二极管电压响应、高温计电压或电流响应、光辐射几何尺寸、频谱响应和传感器噪声响应中的至少一个。
15.根据前述任一条项所述的增材制造机器，其中所述熔池监测系统包括：光电二极管、高温计、光电倍增管、红外照相机、光学照相机、频谱仪和频谱传感器中的至少一个。
16.根据前述任一条项所述的增材制造机器，其中所述熔池监测系统包括至少一个同轴传感器。
17.根据前述任一条项所述的增材制造机器，其中识别所述异常值群集包括：使用从k-均值聚类、k-中值聚类、基于密度的噪声应用空间聚类(DBSCAN)以及点排序识别聚类结构(OPTICS)中选择出的聚类分析方法，来分析测量出的所述辐射信号。
18.根据前述任一条项所述的增材制造机器，其中所述增材制造机器被构造用于：(a)沉积粉末层；(b)选择性地熔合所述粉末层的一部分；和(c)重复步骤(a)和(b)，以逐层构建零件，其中相对于所述零件的至少两个相邻层，进行测量辐射信号、识别异常值辐射、和识别异常值群集的步骤。
19.根据前述任一条项所述的增材制造机器，其中实时地进行测量辐射信号、识别异常值辐射、和识别异常值群集的步骤。
20.根据前述任一条项所述的增材制造机器，其中产生所述警报包括：当识别出的所述异常值群集的群集大小超出群集阈值时，产生所述警报，并且其中所述警报是提供给所述增材制造机器的操作者的音频或视觉指示。
本书面描述使用示例性实施例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使任何本领域技术人员能够实践本发明，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。本发明的可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实例。如果这些其他实例包括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，则这些其他实例意图在权利要求的范围内。

Claims (19)

1.一种监测粉末床增材制造处理的方法，其特征在于，所述方法包括：
辐照在增材制造机器的粉末床上的粉末层；
在辐照所述粉末层的同时，测量来自所述粉末床的辐射信号；
识别测量出的所述辐射信号超出预定信号阈值的异常值辐射；
通过评估所述异常值辐射的空间接近度来识别异常值群集；和
响应于识别所述异常值群集而产生警报；
其中，识别所述异常值群集包括：
使用聚类分析方法来分析所述异常值辐射；
其中，产生所述警报包括：
当识别出的所述异常值群集的群集大小超出群集阈值时，产生所述警报。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述辐射信号包括来自所述粉末床中的熔池的电磁能辐射。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，其中所述电磁能辐射包括光强度、光电二极管电压响应、高温计电压或电流响应、光辐射几何尺寸、频谱响应和传感器噪声响应中的至少一个。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中测量所述辐射信号使用熔池监测系统。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，其中所述熔池监测系统包括光电二极管、高温计、光电倍增管、红外照相机、光学照相机、频谱仪和频谱传感器中的至少一个。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，其中所述熔池监测系统包括至少一个同轴传感器。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中
聚类分析方法是从k-均值聚类、k-中值聚类、基于密度的噪声应用空间聚类(DBSCAN)以及点排序识别聚类结构(OPTICS)中选择出的。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：
(a)沉积粉末层；
(b)选择性地熔合所述粉末层的一部分；和
(c)重复步骤(a)和(b)，以逐层构建零件，其中相对于所述零件的至少两个相邻层，进行测量辐射信号、识别异常值辐射和识别异常值群集的步骤。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中实时地进行测量辐射信号、识别离异常值辐射和识别异常值群集的步骤。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述警报是提供给所述增材制造机器的操作者的音频或视觉指示。
11.一种增材制造机器，其特征在于，包括：
粉末沉积设备，所述粉末沉积设备用于在粉末床上沉积增材材料层；
辐照装置，所述辐照装置用于选择性地熔合所述增材材料层的一部分，以形成零件的横截面层；
熔池监测系统，所述熔池监测系统用于在所述辐照装置正在熔合所述横截面层的同时，测量来自所述粉末床的辐射信号；和
控制器，所述控制器可操作地联接到所述熔池监测系统，所述控制器被构造用于：
识别测量出的所述辐射信号超出预定信号阈值的异常值辐射；
通过评估所述异常值辐射的空间接近度来识别异常值群集；和
响应于识别所述异常值群集而产生警报；
其中，识别所述异常值群集包括：
使用聚类分析方法来分析所述异常值辐射；
其中，产生所述警报包括：
当识别出的所述异常值群集的群集大小超出群集阈值时，产生所述警报。
12.根据权利要求11所述的增材制造机器，其特征在于，其中所述辐射信号包括来自所述粉末床中的熔池的电磁能辐射。
13.根据权利要求12所述的增材制造机器，其特征在于，其中所述电磁能辐射包括光强度、光电二极管电压响应、高温计电压或电流响应、光辐射几何尺寸、频谱响应和传感器噪声响应中的至少一个。
14.根据权利要求11所述的增材制造机器，其特征在于，其中所述熔池监测系统包括：
光电二极管、高温计、光电倍增管、红外照相机、光学照相机、频谱仪和频谱传感器中的至少一个。
15.根据权利要求11所述的增材制造机器，其特征在于，其中所述熔池监测系统包括至少一个同轴传感器。
16.根据权利要求11所述的增材制造机器，其特征在于，其中聚类分析方法是从k-均值聚类、k-中值聚类、基于密度的噪声应用空间聚类(DBSCAN)以及点排序识别聚类结构(OPTICS)中选择出的。
17.根据权利要求11所述的增材制造机器，其特征在于，其中所述增材制造机器被构造用于：
(a)沉积粉末层；
(b)选择性地熔合所述粉末层的一部分；和
(c)重复步骤(a)和(b)，以逐层构建零件，其中相对于所述零件的至少两个相邻层，进行测量辐射信号、识别异常值辐射和识别异常值群集的步骤。
18.根据权利要求11所述的增材制造机器，其特征在于，其中实时地进行测量辐射信号、识别异常值辐射和识别异常值群集的步骤。
19.根据权利要求12所述的增材制造机器，其特征在于，其中所述警报是提供给所述增材制造机器的操作者的音频或视觉指示。
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