CN111168997A - 增材制造处理中检测错误并补偿热耗散的方法 - Google Patents

Abstract

提供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的层，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。该方法包括例如通过估计零件的相邻部分的打印之间的热滞后，或通过使用零件和粉末床的热模型确定热阻，来确定零件和粉末床的导热性能。该方法可以包括至少部分地基于这些导热性能来获得预测的辐射信号，并且与测量到的辐射信号进行比较。当测量到的辐射信号与预测的辐射信号之间的差异超出预定错误阈值时，可以提供警报或可以进行处理调整。

Description

增材制造处理中检测错误并补偿热耗散的方法

优先权信息

本申请人要求2018年11月9日提交的标题为“Method for Detecting Errors andCompensating for Thermal Dissipation in an Additive Manufacturing Process(增材制造处理中检测错误并补偿热耗散的方法)”的美国临时专利申请序列号62/757,859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在构建处理完成后评估构建的质量。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和相关的控制方法在检测处理错误时，并未考虑在区内熔合粉末之前，该区的初始温度。因此，如果能量源的工具路径在短时间内，例如，在热能有时间耗散之前，多次加热零件或粉末床内的单个区，则即使没有问题，也可能触发处理故障。另外，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。该方法包括在增材制造机器的粉末床上沉积增材材料的层，并且选择性地将来自能量源的能量引导到增材材料的层上，以熔合增材材料的层的一部分。该方法进一步包括至少部分地基于从能量源引导的能量以及零件和粉末床的导热性能来获得预测的辐射信号，使用熔池监测系统测量来自粉末床的辐射信号，确定测量到的辐射信号与预测的辐射信号之间的差异，和如果差异超出预定错误阈值，则生成警报。

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将增材材料的层沉积到增材制造机器的粉末床上的粉末沉积系统，用于选择性地将能量引导到增材材料的层上以熔合增材材料的层的一部分的能量源，和用于测量从粉末床发射出的电磁能量的熔池监测系统。控制器可操作地联接到熔池监测系统，并且被构造用于获得零件和粉末床的导热性能，其中导热性能包括热滞后特性或热阻特性中的一个或多个。控制器还被构造用于至少部分地基于从能量源引导的能量以及零件和粉末床的导热性能来获得预测的辐射信号，使用熔池监测系统测量来自粉末床的辐射信号，确定测量到的辐射信号与预测的辐射信号之间的差异，和如果差异超出预定的错误阈值，则生成警报。

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在考虑零件和粉末床的热特性的同时监测粉末床增材制造的方法。

图4是根据本公开的一个实施例的包括用于生产层的示例性工具路径的增材制造的零件的该横截面层的示意图。

图5是根据本公开的一个实施例的包括用于生产层的示例性工具路径的增材制造的零件的那些相邻横截面层的示意图。

图6示出了根据本主题的示例性实施例的被划分为多个体素以促进热传递模型的制定的零件和粉末床的区。

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。

本主题大体上涉及用于实时监测例如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。具体地，本主题针对在识别处理问题时，考虑或补偿零件和粉末床的导热性能。

可以分析由熔池监测系统记录的数据流，并且可以修改或补偿测量到的数据流，以结合或考虑零件和粉末床的导热性能。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。该分析可以包括扫描熔池数据，基于给定区的能量输入和导热性能预测辐射信号，测量实际辐射信号，以及确定测量到的辐射与预测的辐射之间的差异是否超出某个预定阈值。如果超出该阈值，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。

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，可以降低重涂覆器致动器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沉积增材材料的层。另外，步骤320可以包括选择性地将来自能量源的能量引导到增材材料的层上以熔合增材材料的层一部分。在这方面，例如，能量源120可以将能量束122引导穿过构建层172以形成部件170的单个横截面层。如上具体所述，逐层重复该处理，直到在粉末床内完全形成或打印部件170。如上所说明的，辐照增材粉末的该处理可以发射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。

值得注意的是，现在简要地参考图4和图5，常规的增材制造机器典型地沿着预定工具路径，例如命令工具路径250，移动能量源的焦点。命令工具路径250通常限定用于沿着几个相邻且平行的“通道(pass)”移动激光焦点穿过待打印区，并且在需要时选择性地以功率水平激励激光，以烧结或熔化增材粉末142。通常，大多数处理监测算法会监测焦点或熔池处的绝对温度或电磁辐射，以便检测打印问题或处理故障。

然而，如果打印粉末层内的相邻点或区之间没有足够的时间延迟，则在一个或多个相邻通道期间(例如，参见图4)，零件的相邻层之间(例如，参见图5)，或以其他方式在粉末床内热耦合的区内，即使不存在此类故障，测量到的温度或电磁辐射也可能高得足以指示处理故障。类似地，如果零件和粉末床具有大的热阻(例如，使得热能缓慢耗散)，则零件和粉末床内的热能可能会影响后续通道的熔池测量。方法300大体上针对当识别打印错误或处理故障时，例如通过考虑零件和/或粉末床内的热滞后或热阻，来补偿部件和粉末床的导热性能。

步骤330包括确定零件和粉末床的导热性能。以这种方式，通过确定零件和粉末床的导热性能，可以做出关于测量到的辐射信号是否指示打印错误或其他处理问题的明智决定。如本文所用，“导热性能”大体上可以用来指的是正在被打印的零件、其中包含零件的粉末床的任何热质量特性，大体的增材制造系统或环境、围绕粉末床或净化气体流的环境的热性能等。尽管下面为了说明本主题的各方面而描述了示例性的导热性能，但是本发明不限于这种性能。

根据一个实施例，导热性能可以是热滞后特性，该热滞后特性旨在指的是加热零件或粉末床内的热邻近点或区之间的滞后时间量。替代地，热滞后特性可以是零件或粉末床内的特定点或区用于耗散由能量源或其他热源所施加的热能的能力的任何其他量度。在这方面，例如，热滞后特性可以是能量源已经被引导在第一点(例如，由图4中的点252所标识)处时与能量源已经被引导在第二点(例如，由图4中的点254所标识)处时之间的时间滞后，第二点254与第一点252相邻。尽管第一点252和第二点254被示出为处于命令工具路径250上的相邻通道中，但是应当理解的是，也可以如下面更详细地描述的，在其他更远通道上的点之间，或者在这些通道内的其他点之间，确定热滞后特性。

因此，时间滞后可以是自能量源120已经在增材材料的层、零件、粉末床等内的特定区或空间中引导能量起的时间量的一般量度。尽管热滞后特性在本文中被称为“时间滞后”，但是应该理解的是，该热滞后特性不需要具体以时间尺度被测量，而是可以以任何其他合适的方式被量化。例如，当能量源再次通过相同区或点时，“时间滞后”可以被测量为来自先前激励或加热已耗散区的初始热能量的百分比。

如本文中所使用的，如果位于彼此的预定距离内，则出于确定时间滞后的目的，可以将两个点视为在“特定区”内。例如，特定区或称为“相邻”点的区可以在二维或三维空间中被限定，并且可以结合粉末床内的增材粉末142以及位于其中的部件170。因此，热滞后特性可以是自能量源120已经在围绕其当前位置的特定体积内引导焦点174起的时间量。换句话说，用于确定热滞后特性的“区”可以指的是零件和粉末床内与能量源的焦点相距指定距离内的所有位置。换句话说，如果第二点254在二维空间内(例如，单个构建层172内)或三维空间内(例如，多个构建层172内)位于与第一点252相距指定距离内，则第二点254可以与第一点252“相邻”。

根据还有的其他实施例，可以使用与能量源的焦点相关联的历史时间数据来确定热滞后特性。在这方面，例如，相对于部件的横截面层上的两个相邻点的热滞后特性可以被计算为第一点252熔合时的第一时间戳与第二点254熔合时的第二时间戳之间的时间差。因此，能量源120沿着命令工具路径250将焦点174从第一点252移动到第二点254所花费的时间量可以是热滞后特性。值得注意的是，该热滞后特性可以用于估计自能量束122的最后通过以来已经从该区耗散的热能量的量。因此，例如，热滞后特性可以被计算为后续时间戳与在先时间戳之间的时间差，后续时间戳与在能量源的焦点处测量到的辐射数据相关联，在先时间戳与后续时间戳处的焦点的指定距离内的区处测量到的辐射数据相关联。

类似地，热滞后特性可以是第一增材层中的第一区(例如，由图5的层n中的区256所标识)的熔合与后续增材层中的第一区正上方的第二区(例如，由图5的层n+1中的区258所标识)的熔合之间的时间量。应当理解的是，热滞后特性可以以任何其他合适的方式确定，并且可以包括与打印零件或粉末床内的热能量的耗散有关的任何其他合适的信息。无论电磁辐射是在各个点(例如，图4中的点252、254)处被测量，还是在各个区(例如，图5中的区256、258)中被测量，目标大体上可以是在有时被称为“热影响地带”的材料中获取材料初始温度的替代品。热影响地带的大小、形状和分辨率可以取决于应用而变化。

另外，根据替代实施例，并且为了简化计算，代替使用各个数据点，我们可以查看给定区中所有点的平均值。在这方面，例如，包括在焦点的指定距离内的所有点的区可以表示为所有这些点的平均辐射。替代地，可以将特定区划分为体素(例如，如下所述)，并且可以对每个体素测量电磁辐射。然后可以对这些体素的电磁辐射求平均，以确定该区的代表性电磁辐射。其他平均和近似方法是可能的，并且在本主题的范围内。

此外，当在接近焦点的多个位置处或在给定区(例如，区256、258)内获得电磁辐射时，可以通过对时间差应用加权函数来近似对焦点辐射的增加的精度或分辨率。例如，如图5所示，第一层260(直接围绕焦点)的权重可以重于第二层262(围绕第一层260)的权重，第二层262的权重可以重于第三层(未示出)的权重等等。因此，该点离焦点越远，热滞后特性对修改测量到的电磁辐射的影响就越小。

根据其他示例性实施例，导热性能可以是热阻特性，其大体上指的是零件或粉末床的特定区内的热或热能耗散的能力。具体地，例如，热阻特性可以包括增材材料的层内的特定区的热能量传递速率。在这方面，热能量传递速率可以表示零件或粉末床保持和/或传递热能量的能力的任何量度。根据示例性实施例，如下所述，可以从热传递模型中确定该热能量传递速率。

例如，如图6所示，零件和粉末床可以被划分为多个体素，这些体素填充围绕能量源的焦点的三维空间(例如，被标识为体素T)。可以确定或估计多个体素中的每个体素的热阻，并且将其分配给每个体素或与之关联。然后，可以通过对多个体素中的每个体素的热阻求和来建立热传递模型。在这方面，可以以类似于电路中的电阻的方式对热阻求和。具体地，根据示例性实施例，热传递模型可以包括以下内容：

其中：

R_T＝与从能量源的焦点流走的热量相关联的热阻；

R_Li,n＝体素的热阻；

m＝距离激光焦点的距离增加的其热阻基本上彼此串联的体素的索引层；和

n＝在给定层内距离激光焦点的距离大致相等的其热阻基本上彼此并联作用的各个体素的索引。

如图6所示，多个体素包括立方体素，其中T表示能量源120的焦点174被引导处的体素。每个体素L1直接包围体素T(例如，类似于图5中的第一层260)，体素L2表示体素的下一个相邻层(例如，类似于图5中的第二层162)，体素L3包围体素L2等。值得注意的是，使用这种表示，可以并联(例如，如果在相同层内)或串联(例如，如果在相邻层内)地对体素的热阻求和。尽管示出了立方体素，但是应当理解的是，根据替代实施例，可以使用体素的任何其他合适的尺寸、形状或构造。例如，体素可以在球坐标中确定，也可以是多边形、四边形或任何其他合适的网格形状，取决于所需的精度等可以具有任何合适的大小和尺寸。另外，可以使用网格生成算法来生成多个体素。

尽管本文描述了确定或估计零件和粉末床的导热性能的方法，但是应当理解的是，可以以任何其他合适的方式确定这些性能及其对打印处理的影响。例如，可以使用零件模型或CAD文件的有限元分析来确定导热性能。另外，可以从命令工具路径确定导热性能，命令工具路径典型地是零件模型的导数。根据还有的其他实施例，可以使用经验数据来近似未来构建的导热性能，可以基于能量源的投影位置、轨迹和功率水平等进行实时估计。

应当理解的是，例如，为了简化计算要求，可以对上述热传递模型进行各种简化和变化。例如，可以以任何合适的方式估计或近似每个体素的热阻，以使得运算在计算上实时可行。在这方面，例如，可以通过以下方式简化几何形状：仅从激光焦点向下直视，并且忽略左、右、前或后的体素；仅考虑到距离激光焦点的某些预定距离的热传递(例如，远离四或五个体素层，例如，因为体素的影响随着距离热源的距离而减小)；和/或取决于距离激光焦点(热源)的距离而将加权函数或因子应用于体素，如上所述。

可以如何简化热阻模型的热导率的实例包括：将体素视为全部粉末或全部固体材料，例如，取决于体素大多数是粉末还是固体，使用单个热导率/热阻率值；用一组二进制值代替热导率，例如，对于固体材料为10，对于粉末为1。可以通过以下方式进一步简化阻元：计算从激光焦点(T)直线向下移动任意一些距离的“固体”体素的数量；仅计算从激光焦点到直线向下的体素层中的最近粉末的距离；计算到达构建板的最短距离，例如体素的数量，或者计算其上激光聚焦仅穿过固化体素的层以下的某个距离；和/或估计移动远离激光焦点的一个或多个体素层的固体分数(或粉末分数)(例如，固体的L1体素的分数，固体的L2体素的分数)，或当你进一步移动远离激光焦点时，查看固体分数的某些函数(例如，固体的L1体素的分数+0.5x固体的L2体素的分数+0.25x固体的L3体素的分数，其中0.5和0.25的值是任意的，并且可以由衰减函数或根据经验得出的某种常数替换)。

另外，零件模型、CAD文件、热传递模型或其他数学或理论模型可以任何合适的方式制定，以促进增材制造处理的统计处理控制。例如，模型训练处理可以用于创建模型，该模型是可以用于响应于各种系统输入或参数来预测系统特性或行为的工具。通常，该模型旨在响应于例如热阻和能量源功率输入的系统输入来帮助确定什么是系统的正常响应，例如增材制造处理的正常热辐射信号。

根据示例性实施例，模型训练可以包括获得多个代表性处理构建的处理数据。例如，处理数据可以包括多个代表性处理构件的导热性能，例如热滞后特性、热阻特性、熔池或粉末床温度，或任何其他相关的热能量数据。模型训练可以进一步包括选择处理数据的子集，例如已知与特定输出参数具有强相关性或产生可再现或可重复结果的系统参数。然后可以基于处理数据的子集来训练模型，例如，以便获得准确且可靠的热传递模型。

一般来说，热模型或任何其他合适的系统模型可以通过从一个或多个构建的选择层读取熔池辐射数据，即“训练数据集”，而被开发或制定。首先，例如经由诸如用于主成分分析的NIPALS的算法，找到“简化数据集”。这会将一组y输出变量(在这种情况下，光电二极管电压、熔池面积等)以及一组x输入变量(变量列表的选择，例如激光功率，激光功率驱动信号，激光聚焦在构建表面上的x/y位置，激光扫描速度，激光扫描方向，来自熔池的同轴电磁辐射，来自等离子体的同轴电磁辐射，来自熔池的离轴电磁辐射，来自等离子体的离轴电磁辐射，激光相对于构件表面的入射角，激光相对于工件的入射角，气体流动速度，粉末床温度，粉末层厚度，或工件的导热性能等)转换为某个统计限定的简化变量集。

一般而言，这些变量集可以被称为矢量Y和X。模型适合形式为Y＝f(X)的Y和X之间。该模型训练处理的输出包括模型常数以及一个或多个“正态变化”的统计量度。举一个简单的例子，假设模型具有熟悉的线性形式，Y＝mX+b。在这里，斜率m和截距b将是模型生成的模型常数。另外，假设对于来自Y＝mX+b模型的预测Y与测量到的Y之间的差异，发现其具有正态分布，标准差为“s”。这个或类似统计将是其他模型训练输出。这些模型常数将被摄入控制软件中。

因此，一般模型训练处理可以包括：1)生成并存储模型训练输出；2)选择训练简化数据集以减少计算需求；3)阐述生成简化变量集和模型的一些不同方法(例如，例如主成分分析的单块方法，例如偏最小二乘回归的多块方法，基于神经网络的建模，随机森林建模等；以及4)，将概念扩展到基于直接零件质量的“y”变量，例如材料密度、拉伸强度、表面光洁度等(与间接质量指标y的例如熔池辐射/光电二极管电压相对)。

在已经以上述方式训练了系统模型之后，可以基于系统输入来确定正常系统操作参数。例如，如果系统模型是如本文所述的包括导热性能的热传递模型，则用户可以输入命令工具路径和激光功率曲线，并且热传递模型可以产生预期的熔池辐射特征或温度曲线。然后可以在实际打印处理中(例如，使用熔池监测系统200)监测来自熔池的实际辐射，并且可以通过将模型预测到的系统输出与实际输出进行比较来识别打印错误或问题。步骤340至370针对进行这种比较、识别问题并采取校正措施的一种示例性方法。

步骤340包括至少部分地基于从能量源引导的能量以及零件和粉末床的导热性能来获得预测的辐射信号。在这方面，可以例如基于激光输入、热滞后特性、热阻特性等，以上述方式使用热传递模型或其他系统模型来预测熔池辐射信号。这些预测的辐射信号通常表示没有打印错误或其他处理问题的“正常处理”。

步骤350大体上包括使用熔池监测系统测量来自粉末床的辐射信号。在这方面，例如，熔池监测系统200大体上可以监测在粉末床如上所述正被选择性地熔合时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大体上可以获得以任何合适格式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作出与期望处理调整有关的确定。具体地，例如，当能量束122沿着命令工具路径移动时，同轴光传感器202可以跟踪焦点174，同时测量电磁辐射。

步骤360包括确定测量到的辐射信号和预测的辐射信号之间的差异超出预定错误阈值。预定错误阈值可以由制造商设置，由操作者控制，由零件模型设置，或以任何其他合适的方式确定。应当理解的是，测量到的辐射信号和预测的辐射信号之间的“差异”不必是一个信号与另一个信号的简单数学减法。相反，根据示例性实施例，该差异旨在表示关于测量到的辐射信号和预测的辐射信号之间的关系的某种统计量度，并且可以使用任何适当的统计方法、分析、算法等来确定这种差异。

方法300进一步包括，在步骤350，响应于确定差异超出预定错误阈值而产生警报。因而，当差异超出预定错误阈值时，控制器220可以被构造用于产生警报，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可以被编程为当差异超出预定错误阈值时，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，所述方法包括：在增材制造机器的粉末床上沉积增材材料的层；选择性地将来自能量源的能量引导到所述增材材料的层上，以熔合所述增材材料的层的一部分；至少部分地基于从所述能量源引导的所述能量以及零件和所述粉末床的导热性能来获得预测的辐射信号；使用熔池监测系统测量来自所述粉末床的辐射信号；确定测量到的辐射信号与预测的辐射信号之间的差异；和如果所述差异超出预定错误阈值，则生成警报。

2.根据前述任一条项所述的方法，其中所述导热性能包括热滞后特性或热阻特性中的一个或多个。

3.根据前述任一条项所述的方法，其中所述热滞后特性是所述能量源已经被引导在第一点处时与所述能量源已经被引导在第二点处时之间的时间滞后，所述第二点与所述第一点相邻。

4.根据前述任一条项所述的方法，其中如果所述第二点在三维空间内位于距离所述第一点的指定距离内，则所述第二点与所述第一点相邻。

5.根据前述任一条项所述的方法，其中所述热滞后特性被计算为后续时间戳与在先时间戳之间的时间差，所述后续时间戳与所述能量源的焦点处测量到的辐射数据相关联，所述在先时间戳与所述后续时间戳处的所述焦点的指定距离内的区处测量到的辐射数据相关联。

6.根据前述任一条项所述的方法，其中所述热滞后特性是第一增材层中的第一区的熔合与后续增材层中的所述第一区正上方的第二区的熔合之间的时间量。

7.根据前述任一条项所述的方法，其中所述热阻特性包括在所述零件和所述粉末床中在三维空间内距离焦点指定距离内的特定区的热能量传递速率。

8.根据前述任一条项所述的方法，其中所述热能量传递速率是通过以下方式获得：将所述零件和所述粉末床划分为多个体素，所述多个体素填充与所述能量源的焦点相邻的三维空间；估计所述多个体素中的每个体素的热阻；和通过对所述多个体素中的每个体素的热阻求和，来建立热传递模型。

9.根据前述任一条项所述的方法，其中所述热传递模型包括：

其中：R_T＝与从所述能量源的焦点流走的热量相关联的热阻；R_Li,n＝体素的热阻；m＝距离所述激光焦点的距离增加的其热阻基本上彼此串联的的所述体素的索引层；和n＝在给定层内距离所述激光焦点的距离大致相等的其热阻基本上彼此并联作用的各个体素的索引。

10.根据前述任一条项所述的方法，其中所述多个体素是立方体素。

11.根据前述任一条项所述的方法，其中网格生成算法用于生成所述多个体素。

12.根据前述任一条项所述的方法，其中使用零件或增材构建模型的有限元分析来确定所述导热性能。

13.根据前述任一条项所述的方法，所述导热性能根据热传递模型被限定，所述热传递模型通过以下方式被开发：获得多个代表性处理构建的处理数据，所述处理数据包括所述多个代表性处理构建的导热性能；选择所述处理数据的子集；根据所述处理数据的所述子集训练所述热传递模型；和获得后续构建处理的模型预测。

14.一种增材制造机器，包括：粉末沉积系统，所述粉末沉积系统用于将增材材料的层沉积到所述增材制造机器的粉末床上；能量源，所述能量源用于选择性地将能量引导到所述增材材料的层上，以熔合所述增材材料的层的一部分；熔池监测系统，所述熔池监测系统用于测量从所述粉末床发射出的电磁能量；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：获得零件和所述粉末床的导热性能，其中所述导热性能包括热滞后特性或热阻特性中的一个或多个；至少部分地基于从所述能量源引导的所述能量以及所述零件和所述粉末床的导热性能来获得预测的辐射信号；使用所述熔池监测系统测量来自所述粉末床的辐射信号；确定测量到的辐射信号与预测的辐射信号之间的差异；和如果所述差异超出预定错误阈值，则生成警报。

15.根据前述任一条项所述的增材制造机器，其中所述热滞后特性是所述能量源已经被引导在第一点处时与所述能量源已经被引导在第二点处时之间的时间滞后，所述第二点与所述第一点相邻。

16.根据前述任一条项所述的增材制造机器，其中如果所述第二点在三维空间内位于距离所述第一点的指定距离内，则所述第二点与所述第一点相邻。

17.根据前述任一条项所述的增材制造机器，其中所述热滞后特性被计算为后续时间戳与在先时间戳之间的时间差，所述后续时间戳与所述能量源的焦点处测量到的辐射数据相关联，所述在先时间戳与所述后续时间戳处的所述焦点的指定距离内的区处测量到的辐射数据相关联。

18.根据前述任一条项所述的增材制造机器，其中所述热滞后特性是第一增材层中的第一点的熔合与后续增材层中的所述第一点正上方的第二点的熔合之间的时间量。

19.根据前述任一条项所述的增材制造机器，其中所述热阻特性包括所述增材材料的层内的特定区的热能量传递速率。

20.根据前述任一条项所述的增材制造机器，其中所述热能量传递速率通过以下方式获得：将所述零件和所述粉末床划分为多个体素，所述多个体素填充围绕所述能量源的焦点的三维空间；估计所述多个体素中的每个体素的热阻；和通过对所述多个体素中的每个体素的热阻求和，来建立热传递模型。

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 (10)

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：

在增材制造机器的粉末床上沉积增材材料的层；

选择性地将来自能量源的能量引导到所述增材材料的层上，以熔合所述增材材料的层的一部分；

至少部分地基于从所述能量源引导的所述能量以及零件和所述粉末床的导热性能来获得预测的辐射信号；

使用熔池监测系统测量来自所述粉末床的辐射信号；

确定测量到的辐射信号与所述预测的辐射信号之间的差异；和

如果所述差异超出预定错误阈值，则生成警报。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述导热性能包括热滞后特性或热阻特性中的一个或多个。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，其中所述热滞后特性是所述能量源已经被引导在第一点处时与所述能量源已经被引导在第二点处时之间的时间滞后，所述第二点与所述第一点相邻。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，其中如果所述第二点在三维空间内位于距离所述第一点的指定距离内，则所述第二点与所述第一点相邻。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，其中所述热滞后特性被计算为后续时间戳与在先时间戳之间的时间差，所述后续时间戳与所述能量源的焦点处测量到的辐射数据相关联，所述在先时间戳与所述后续时间戳处的所述焦点的指定距离内的区处测量到的辐射数据相关联。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，其中所述热滞后特性是第一增材层中的第一区的熔合与后续增材层中的所述第一区正上方的第二区的熔合之间的时间量。

7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，其中所述热阻特性包括在所述零件和所述粉末床中在三维空间内距离焦点指定距离内的特定区的热能量传递速率。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，其中所述热能量传递速率是通过以下方式获得：

将所述零件和所述粉末床划分为多个体素，所述多个体素填充与所述能量源的焦点相邻的三维空间；

估计所述多个体素中的每个体素的热阻；和

通过对所述多个体素中的每个体素的热阻求和，来建立热传递模型。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，其中所述热传递模型包括：

其中：

R_T＝与从所述能量源的焦点流走的热量相关联的热阻；

R_Li,n＝体素的热阻；

m＝距离所述激光焦点的距离增加的其热阻基本上彼此串联的所述体素的索引层；和

n＝在给定层内距离所述激光焦点的距离大致相等的其热阻基本上彼此并联作用的各个体素的索引。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，其中所述多个体素是立方体素。

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