CN111189907A - 用于增材制造的涡电流传感器阵列和涡电流传感器系统 - Google Patents

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Abstract

用于增材制造的涡电流传感器阵列和涡电流传感器系统。一种用于逐层制造铝零件的增材制造装置(10)，所述装置(10)包括涡电流传感器(8)，该涡电流传感器用于对制造层(18)的轮廓和缺陷进行过程中测量，缺陷分辨力至少为0.25mm。优选地，所述涡电流传感器(8)被实现为具有双重使用的传感器线圈(2、2a‑2d)的差模线传感器(8)。优选地，所述线传感器(8)的阵列(1)包括传感器线圈(2、2a‑2d)的之字形布置，该传感器线圈的截面最大为0.15mm2，并且具有初始磁导率至少为5000的芯，特别是坡莫合金芯或金属玻璃线圈芯(3)。

Description

用于增材制造的涡电流传感器阵列和涡电流传感器系统
技术领域
本发明涉及涡电流传感器(eddy current sensor)阵列、涡电流传感器、被设计用于制造铝物体的具有涡电流传感器的增材制造装置以及用于制造铝物体的增材制造方法。
背景技术
增材制造(Additive manufacturing)(AM)涉及通过选择性地沉积或添加层上层材料(无论材料是塑料、金属、混凝土还是聚合物)来合成3D物体的技术。
传统的AM机器和工艺的一个普遍问题涉及与构造过程期间形成的每一层的完整性和坚固性有关的不确定性。另一问题涉及相邻材料层之间的结合方面的完整性和强度，即熔合不良。AM工艺中常见的其它物理缺陷包括孔隙度、在靠近AM零件表面的孔隙处起爆的疲劳裂纹以及已知会对工件的疲劳寿命产生影响的表面粗糙度。
在选择性激光熔化(SLM)、选择性激光烧结(SLS)或电子束熔化(EBM)增材制造的情况下，存在超过50种不同的工艺参数，这些工艺参数会影响成品层的最终质量，从而在理解工艺物理学和开发有效的工艺控制策略方面提出了重大挑战。从广义上讲，这些参数可以被归类到四个类别中的一个中：(1)激光和扫描参数；(2)粉末材料特性；(3)粉末床特性和重涂参数；以及(4)构造环境参数。这些参数可以进一步分类为可以在构造过程期间进行操纵的可控参数以及在构造开始时确定并在整个过程中基本上保持不变的预定义参数。通常遇到的主要问题是存在孔隙/裂纹和粉末移动。孔隙的存在导致零件的结构薄弱，并可能引起长期疲劳问题。孔隙的直径可以基本上小于50μm。
用于确定AM零件的制造质量的已知方法包括破坏性地评估大量零件并查找常见缺陷。还存在用于在结束构造过程之后检测AM零件中的缺陷的非破坏性测试技术(NDT)。
另外，制造过程期间的非破坏性检查方法在本领域中是已知的，例如使用涡电流传感器。这样的过程中或原位的逐层检查是有益的，以便尽早检测到缺陷，以使报废材料的成本最小化和/或允许在实施更改为时已晚之前，在AM构造过程期间实时返工。还有益的是，这种方法在不降低AM生产的效率(例如，生产完整零件的时间、生产零件的成本、能源使用、废物量等)的情况下，提供了全面的缺陷分析。
文献DE 10 2016 201 290 A1公开了用于对AM物体的结构和材料特性进行评定的多种NDT技术。在热系统中，还简要讨论了涡电流传感器。
文献US 2016/0349215公开了基于具有至少一个激励线圈或接收线圈或两者的阵列的用于AM部件的NDT的涡电流系统和方法。
EP 3095539 A1公开了粉末床AM的过程中监测，其中使用可能由第三传感器阵列(粉末状况涡电流阵列)辅助的至少两个检测阵列(一个用于缺陷并且一个用于边缘)同时对轮廓和缺陷进行检测。各个阵列使用差分探头，其中差分探头由多个线圈构成。
EP 2747934 B1公开了基于至少两个涡电流扫描的分析的逐层沉积材料的缺陷表征，其中各个扫描具有多个沉积层的扫描深度。
因此，用于对增材金属印刷机的沉积层进行逐层检查的涡电流系统是众所周知的，并且在现有技术中有文献记载。
然而，针对重量优化结构中通常遇到的小特征尺寸和约1mm的薄壁厚度，这些系统是无法胜任的。这些系统缺乏缺陷分辨力(resolution)以及解决通常在轻型结构中遇到的壁中的小缺陷的能力。另外，除了EP 3095539 A1之外，系统不能用于同时测量轮廓和缺陷。然而，EP 3095539 A1中公开的系统需要至少两个不同的传感器，一个用于轮廓，并且一个用于缺陷。除了存在薄层时的分辨力问题之外，在目标机器上，根据EP 3095539 A1的系统还遭受交叉耦合或大集成尺寸的困扰。
此外，最先进的系统通常仅适用于钛基粉末合金TiAl6V4。由于钛具有18e-5ohm-cm的较高电阻率，所以与铝基合金(电阻率4.8e-6ohm-cm)相比，由高架(overhead)传感器感应的涡电流不会那么强烈地衰减。对于相同的穿透深度，钛的涡电流载波频率可以高出30倍。图1示出了材料电导率对频率和穿透深度的影响。
因为钛的载波频率高得多，所以不仅传感器的结构是相对容易的，而且信号滤波也很容易，因为相比于缺陷的预期频率，载波频率高得多。缺陷的频率范围由扫描速度、缺陷的期望最小尺寸以及传感器区域的宽度确定。较小缺陷在给定深度处产生的信号越多，相比于钛，铝衰减得越多。
由于衰减的差异，与铝基材料相比，钛沉积材料在高频下的场穿透要高得多。另外，对于钛来说，载波与信号之间的差异高得多。这导致更简单的低通滤波/较低的信号生成工作。
因此，需要一种AM制造装置，该AM制造装置用于制造轻型铝零件，其中对零件进行过程中检查。
发明内容
因此，本发明的目的是提供用于薄壁铝物体的过程中检查的传感器和AM制造装置。
本发明涉及一种增材层制造装置，其被设计用于逐层地制造铝物体，诸如飞机制造中使用的重量优化的铝AM零件，更普遍地讲是指薄壁铝物体，即其中一个维度比其它两个维度小的三维铝结构。所述装置包括用于将铝粉末沉积到层或粉末床上的沉积设备以及用于将所沉积的粉末固结的加热设备(例如激光束或电子束)。
所述装置还包括涡电流传感器，所述涡电流传感器被设计用于在单程(singlepass)中对所述铝零件的铝层的轮廓/形貌和缺陷(诸如孔隙或粉末移动)进行过程中测量。所述涡电流传感器在1mm的薄铝壁中的缺陷分辨力为0.25mm或更精细，优选地，缺陷分辨力为0.15mm。换句话说，所述装置有利地具有使得能够在逐层生产工件期间以良好的缺陷分辨力对铝层进行原位或实时检查的涡电流传感器。所述涡电流传感器不仅可以检查缺陷，而且可以检查或监测轮廓，例如在添加各层之后、在添加每隔一层之后或在添加一组连续层之后。因此，例如在后续铝层被构造在各个铝层上之前，对该各个铝层进行检查。这样的逐层检查是有益的，以便尽早检测到缺陷，以使报废材料的成本最小化和/或允许在铝物体的AM构造过程期间实时返工。
优选地，所述涡电流传感器被实现为相对于层床可移动的涡电流线传感器，特别是由此传感器对所述层床的整个宽度进行覆盖。因此，所述线传感器可以在所述层床或者更精确地说在制造层上方沿一个方向移动，并且可以在该层上的单个测量移动中对该层进行全面检查。在具有可相对于层床移动的重涂机的装置中，优选将所述涡电流传感器附接到所述重涂机或者更精确地说附接到使所述重涂机移动的驱动机构上，从而允许同时进行测量和重涂。
可选地，所述装置的控制器被设计成使得单程的测量结果通过第二涡电流测量行程而被精化，例如，测量分辨力得到改善(缺陷和/或轮廓的更精细的分辨力)，和/或在第一行程中检测到的缺陷进一步通过第二行程表征，例如，缺陷的类型或种类。特别地，在所述涡电流传感器(和重涂机)的驱动机构的返回运动期间执行第二行程。在仅具有一个粉末床的AM装置中，无论如何都需要在重涂前向运动之后进行返回运动，因此第二检查行程并不意味着制造方面的任何延迟。可选地，以相比于第一行程具有相对于运动方向的横向偏移和/或以改变的传感器测量参数来完成第二测量行程。
在优选实施方式中，所述涡电流传感器具有毫米范围内的测量深度或穿透深度，并且所述测量深度和/或所述测量分辨力是可变的，可变测量深度允许灵活地适应于不同的制造或测量条件。
在一些实施方式中，所述装置包括温度传感器，所述温度传感器被设计用于以与涡电流测量并行的方式对层的局部温度进行过程中测量，特别是其中，所述涡电流传感器和所述温度传感器被集成在可在所述层床上方移动的公共传感器头中。
优选地，所述装置被设计成使得测量的温度被用于，使用铝物体/层的存储在所述装置的存储部中的热膨胀模型，基于测量的温度来对测量的轮廓进行校正。因为由于固结过程而使得在AM铝制造期间局部温度是相对较高的，因此考虑测量轮廓中的温度会改善测量结果。
可选地，所述装置包括反馈回路，所述反馈回路被设计成，基于由所述涡电流传感器提供的测量数据来实时地适应增材制造和/或涡电流测量。作为另一选项，所述涡电流检查可以关于传感器线圈的磁极性和/或测量频率进行适应，即，所述传感器线圈的激励频率是可变的，并且由此所有频率依赖于此/与此关联。
可选地，所述装置包括被设计用于基于由所述涡电流传感器提供的测量数据来对物体的3D模型进行计算的电子处理器和存储部。在具有如上所述的温度传感器的实施方式中，在对3D模型进行计算时，也考虑测量的温度，例如，使用上文提及的热膨胀模型。
作为另一选项，所述装置被设计成，作为涡电流测量的一部分，可以跨多个层执行ISO-3D有限滤波，特别是利用针对各个层平面轴和/或层的权重因子。
本发明还涉及一种包括多个即n个传感器线圈的差模涡电流线传感器，其中，所述n个传感器线圈被并行安装和驱动，差分涡电流传感器是用于上述铝AM装置的涡电流传感器的优选实施方式。此外，差分涡电流传感器的相应传感器线圈与其一侧的邻近传感器线圈以及与其另一侧的邻近传感器线圈形成差分感测探头，所述线传感器从而设置有n-1个差分感测探头。换句话说，各个线圈(当然，在传感器线各端的两个最外侧线圈除外)与其两个相邻线圈是两个线圈对的一部分。
另外，各个传感器线圈直接电互连到相应发射极增益级，其中，所述发射极增益级优选地用作解调器。
可选地，所述涡电流线传感器包括n-1个差分放大器，各个差分放大器用于相应传感器探头，从而各传感器探头的所述传感器线圈分别通过所述发射极增益级中的一个与相应放大器互连。
作为另一选项，所述差分传感器包括具有三阶低通滤波器的双级运算放大器电路，特别是其中，所述低通滤波器的截止频率约为所述涡电流线传感器的最大机械频率的两倍。
可选地，各发射极增益级具有高电流增益和/或低噪声和/或包括晶体管。
优选地，能够通过可选择的电流方向来选择所述涡电流传感器的传感器线圈的磁极性，特别是为了分别利用超过两个的传感器线圈来实现放大的差分传感器探头，其中，这些传感器线圈的第一部分具有相同的磁极性，并且这些传感器线圈的另一部分具有相反的磁极性。例如，代替两个单线圈的传感器探头，可以利用四个传感器线圈建立传感器探头，其中每两个线圈具有相同的极性。
可选地，所述涡电流线传感器具有介于30kHz至300kHz之间，特别是介于60kHz至140kHz之间的驱动器或测量频率，和/或可变的测量频率。
作为另一选项，所述涡电流线传感器包括热冷却的印刷电路板(PCB)，并且各个线圈通过导热接头连接到所述热冷却的PCB。这使得线圈具有优异的热稳定性。优选地，所述PCB具有接地的金属芯，从而能够实现优异的冷却/热稳定性，并且此外，所述线圈由此电接地。
作为另一选项，所述PCB通过包括印刷电路板模块和/或包括被分割成单独的模拟板和单独的数字板的信号处理板而被模块化。
本发明还涉及一种增材逐层制造铝物体的方法，所述方法包括以下步骤：将铝沉积到层床上；固结所沉积的铝层，特别是通过激光；以及利用涡电流传感器，优选利用上述差分涡电流传感器，对至少一个制造层的轮廓和缺陷进行过程中单程测量。
可选地，AM方法包括相对于所述层床的前向运动和返回运动，并且通过返回运动期间的补充行程来精化单程测量，特别是在提高测量分辨力和/或表征缺陷方面，其中，在所述前向运动与所述返回运动之间，所述传感器的横向偏移与运动方向正交，和/或传感器线圈具有不同的磁极性，和/或测量频率不同，和/或传感器相对于所述铝层具有不同的高度。
作为另一选项，所述方法包括以下步骤：跨多个层进行ISO-3D有限滤波，特别是利用针对各个层平面轴和/或层的权重因子；和/或对层的局部温度进行测量，并使用热膨胀模型基于测量的温度对测量的几何形状进行校正，特别是对测量的轮廓进行校正。
可选地，所述方法包括以下步骤：将传感器的测量数据与所存储的参考数据，特别是物体的CAD数据进行比较。
本发明还涉及一种具有程序代码的计算机程序产品，所述程序代码被存储在机器可读介质上，特别是上述AM装置的机器可读介质上，或者所述程序代码被实现为电磁波，所述程序代码被配置成控制和执行铝物体的所描述的增材逐层制造方法。
本发明还涉及一种由多个传感器线圈形成的涡电流传感器阵列。所述涡电流传感器阵列是上述差分涡电流传感器的传感器阵列的优选实施方式。所述涡电流传感器阵列的传感器线圈的(几何)截面最大为0.15mm2，特别地最大为0.04mm2。另外，各个线圈具有较高初始相对磁导率至少为5000(参考国际单位制，SI系统)的芯，特别是被实现为坡莫合金芯和/或非晶态金属芯。
此外，所述传感器线圈沿线排列，其中，每两个连续传感器线圈(沿所述线的方向连续)相对于所述线交替地偏移，使得每两个连续线圈的中心之间的沿所述线的方向的距离小于所述中心之间的直线距离。传感器线圈的链可以说(部分)“折叠”(相比于直链)。该布置允许沿所述线的方向的线圈布置比传感器线圈的简单链更密集，即使简单链的传感器线圈彼此接触。优选地，偏移角(相对于所述线)介于30°至75°之间，特别是45°或60°，和/或沿所述线的方向的传感器线圈密度为每毫米至少五个线圈。
优选地，所述涡电流传感器阵列包括导热基座，由此线圈通过相应芯的一个端部固定在所述基座上，并且相应芯热连接到所述基座。优选地，所述基座导电且接地，并且所述传感器线圈的一侧电连接到所述基座，并因此接地。所述芯的接地具有以下有益效果：将线圈的任何类似天线的行为最小化，否则可能会对与传感器阵列一起使用的放大器产生负面影响，因为线圈将如同频率在100GHz范围内的短棒天线一样起作用。
可选地，相应芯在绕组上方突出形成突出部，该突出部延伸所述线圈绕组的至少一匝或所用绕组导线的一个直径，优选为直径的三倍。作为另一选项，所述传感器阵列包括与相应传感器线圈并联连接的电容器。
优选地，所述涡电流传感器阵列包括导热且电绝缘的密封剂，该密封剂对相应传感器线圈进行密封和/或对相应线圈绕组进行密封。可选地，所述密封剂的总质量损失(TML)最大为1％(根据标准测量)，和/或具有与传感器阵列印刷电路板的热膨胀系数相等的热膨胀系数(CTE)，和/或在至少高达120摄氏度特别是高达200摄氏度的温度下是稳定的并且呈现出低脱气(outgasing)。
如上所述的本发明克服了本领域中其它已知涡电流AM检查系统的缺点，因为所呈现的传感器和装置可以在单程中使用单传感器阵列，对约1mm厚的铝壁中的小缺陷进行检测，同时对轮廓(偏差)进行检测。
附图说明
在这种情况下，仅通过下文中的基于附图中示意性例示的具体示例性实施方式的示例，进一步详细描述了根据本发明的设备以及根据本发明的方法，还讨论了本发明的其它优点。具体地，在附图中：
图1示出了取决于电导率和频率的穿透深度的图；
图2a至图2c示出了根据本发明的具有涡电流传感器的AM装置的侧视图以及涡电流测量结果的两个示例；
图3a示出了根据本发明的涡电流传感器阵列的俯视图；
图3b示出了根据本发明的另一涡电流传感器阵列的侧视图；
图4示出了阵列传感器线圈的侧视图；
图5示出了根据本发明的涡电流传感器的传感器线圈布置的示意图；
图6示出了不同的传感器线圈布置的示意图；以及
图7示出了模块化涡电流传感器的示例。
具体实施方式
图2a示出了被设计用于逐层形成铝物体的增材层制造装置10，其具有用于对制造的铝层18进行检查的传感器头19。如本领域中已知的，AM装置10包括粉末贮存器11，该粉末贮存器中具有将规定剂量的粉末举升到构造板或层床13的水平面上方的升降机，层床具有长度(沿y方向)和一定的宽度，从而限定了最大的层尺寸。然后，通过重涂机机构12将粉末剂量以均匀薄层的形式铺开在构造表面上，重涂机12覆盖粉末床13的整个宽度。重涂机机构12可以由硬刮刀、软刮刀或辊组成。另选地，也可以从构造表面上方，通过料斗来提供粉末。粉末层的厚度通常介于10μm至100μm之间。然后，由聚焦的激光束17烧结或熔化粉末层的与待制造的零件的薄片相对应的选择部分，所述聚焦的激光束由激光器15发射、借助于反射镜16跨表面扫描。金属粉末床系统中的激光器15通常是波长在1.06μm至1.08μm范围内并且功率为100瓦数量级的光纤激光器。多余的粉末收集在多余粉末槽14中。
重复该过程，以采用逐层方式构造成品零件，从而在另一铝层的顶部上构造一个铝层18。该过程通常在氮气或氩气氛或真空中进行，其中氧气含量非常低，以防止铝在熔融过程中氧化。
此外，装置10包括带有涡电流传感器8的传感器头19，该涡电流传感器具有线传感器阵列，线形式的传感器阵列覆盖粉末层床13的整个宽度。传感器8可在层床13的上方或者更精确地说在床13的铝层18的上方(例如在层18上方约0.1mm的高度处)沿y方向移动，从而传感器线在整个层床13上逐渐移动，因此整个层18是在过程中或原位测量的。在该示例中，传感器头19机械地联接至重涂机12，使得两个设备12、19一起在层床13上移动。另选地，传感器8具有其自己的驱动机构和/或被实现为面传感器(area sensor)，而不是如图所示的线传感器。
涡电流传感器8被设计成使得其在单程中，不仅可以对重量优化的铝物体的(最顶部的)铝层18的轮廓或形貌进行测量，而且可以对一个或更多个铝层18的缺陷(诸如孔隙或粉末移动)进行检测，在1mm或0.5mm的薄壁中，缺陷分辨力为0.25mm或更精细。例如，在与壁平行的传感器移动期间，在0.5mm的薄壁中，缺陷分辨力(在室温下)为0.150mm，而在相对于壁的取向正交的传感器移动时，在1mm的宽壁中，缺陷分辨力为0.250mm。优选地，涡电流传感器8在0.25mm或更精细的缺陷分辨力下具有约1mm的穿透深度/缺陷深度。
因此，在没有任何AM工艺延迟的情况下，提供了轻型铝AM物体的实时检查。在该示例中，涡电流传感器8使得能够当在层18上经过时，与重涂机12铺开新粉末一起(以及正好在重涂机12铺开新粉末之前)，至少对最顶部的固结铝层18进行关于轮廓和瑕疵两者的检查。
在图2b和图2c中给出了测量示例。图2b例示了跨具有0.1mm深的掩埋孔(圆柱形孔的顶部为0.1mm材料)的铝边缘板的正交扫描的结果，孔直径为2.0mm、1.0mm、0.7mm、0.45mm、0.25mm和0.15mm，跨宽度为10mm、5mm、3mm、2mm、1.5mm、1.0mm、0.7mm、0.5mm和0.3mm的边缘。图2c示出了与具有0.1mm深的掩埋孔(圆柱形孔的顶部为0.1mm材料)的铝边缘板的边缘平行地经过时的测量结果，孔直径为2.0mm、1.0mm、0.7mm、0.45mm、0.25mm和0.15mm，跨宽度为10mm、5mm、3mm、2mm、1.5mm、1.0mm、0.7mm、0.5mm和0.3mm的边缘。
优选地，涡电流传感器8适应宽的测量或驱动器频率范围和/或可选频率，例如，介于30kHz至300kHz或甚至1MHz之间或者介于60kHz至160kHz之间。可选地，传感器8可以同时传输多个频率(例如，用于更好的穿透的低频，用于表面缺陷的高频)。作为选项，对于各个层18而言，基于选择的激励频率或涡电流传感器线圈的动态布置中的一个或多个，检测深度或分辨力被改变或可改变。可选地，通过对系统进行动态即时重新配置来在一层内实现检测深度或分辨力的改变。
可选地，装置10或者更确切地说是装置的控制器包括反馈回路，该反馈回路被设计用于基于由涡电流传感器8和/或下文进一步描述的温度传感器20提供的测量数据来进行层制造和/或层检查的过程中或实时适应。换句话说，根据检查传感器8、20中的至少一个的测量数据来修改层沉积、凝固或固结和/或层测量。例如，基于测量数据来改变传感器频率和/或涡电流方向。作为另一选项，传感器8适应多种激励信号形状：正弦波、方波、脉冲。
作为另一选项，AM方法包括通过ISO 3D有限差分对测量偏差进行滤波。在各个新的被测层18可用时，需要重新计算滤波器。然后，在位于当前层18下方一半滤波器深度的层处，输入结果。如果滤波器深度未超过印刷机深度的范围(层数18)，则该结果可以用作用于对下一层的写入或制造过程进行校正的输入。
这样的多层3D滤波过程可能是相当计算密集的。送粉后的激光写入过程的等待时间很短。因此，需要在短时间内完成密集计算。由于滤波器的计算是高度并行的，因此它们可以分布到GPU以及装置计算机或计算机集群内的多个内核(并行处理)。
作为另一选项，根据本发明的AM制造或者更精确地说AM检查方法包括使用装置的电子处理器，基于涡电流传感器的测量数据来生成AM物体的3D模型。换句话说，在下面的层18的检查结果被合并成3D可视化。此外，可选地，将各个层的数据用于附加的3D滤波过程中，以进一步增强数据/表征缺陷/用于轮廓增强。如果层分解是已知的(例如通过CAD模型)，则可选地，也可以将CAD数据用于测量数据的先验滤波。
由于层18或AM工件的冷却和相关联的热收缩，所以3D数据/可视化可能无法完全正确地表示原构造零件。另外，在没有热校正的情况下，可能存在各个层的CAD/设计参考与原构造层18之间的偏差。
为了克服这些问题，如图2a所示的本示例性装置10除了涡电流传感器8之外还包括沿着传感器线位于传感器头19中的至少一个(优选为多个)温度传感器20。借助于集成的温度传感器，可以测量目标18的局部温度。所测量的温度用于通过热膨胀模型对AM零件的测量轮廓进行热膨胀校正。使用经热校正的层18，原测量模型可以显示校正进度和轮廓误差/缺陷。因此，可以对物体的3D图像进行热量或热膨胀轮廓校正。零件的这种热校正也增强了原构造零件与存储的参考模型的精确比较。
图3a以俯视图示出了示例性涡电流传感器线圈阵列1，其可以用于图2a至图2c所示的AM装置的涡电流传感器8，该传感器阵列1由多个小的绕线传感器线圈2形成。传感器线圈2中的每一个包括芯3以及围绕芯3的绕组4，例如两层铜线绕组。优选地，如图所示，所有传感器线圈2相等，这使得阵列1的制造更容易，但是可选地，阵列1包括例如两种线圈类型(例如，不同的尺寸)，从而线圈2的最大几何截面A为0.15mm2，优选为0.04mm2或更小。这样的非常小的线圈或微型线圈2对于测量增材制造的物体或材料层特别有利，特别是测量重量优化的铝结构。小尺寸有利于减小干扰的影响，诸如所制造的工件的热变化、取决于层厚度和/或用来固结层的激光器的轨迹的表面/层的变化。
在如图1所示利用装置进行选择性激光熔化(SLM)工艺的情况下，写入层后，激光器会暂停片刻。这允许在零件暴露于新粉末层的沉积之前使熔融材料凝固。在沉积新粉末层时的冷却阶段期间，利用具有如图3a所示的示例性涡电流传感器阵列1的涡电流传感器对沉积层进行检查。由于在此阶段，沉积的材料的冷却时间不同，因此存在热变化。另外，将零件预热至通常介于50℃至250℃之间的任意温度(取决于工艺)。在这些温度下，铝的电导率相比于室温降低了高达两倍。在给定频率下，相比于室温，这种电导率变化导致凝固部分的渗透深度更高。
为了减小这些干扰的影响(零件的热变化、零件的取决于壁厚度/激光器轨迹的表面变化)，线圈2的尺寸被制造得非常小(从而考虑S/N比)。在示例中的圆柱形线圈2的情况下，它们具有例如0.2mm的直径，芯3的尺寸例如为0.125mm。圆柱形线圈的优点是可以更好地穿透目标或目标的更好的场深度(field depth)。
另外，线圈2被“超越”(“beyond”)紧密地布置。如图所示，传感器线圈2沿着线x排列。为了相比于在简单地将线圈串在一起的情况下沿线x的方向的最大线圈密度增大线圈密度并因此提高测量分辨力，传感器线圈2相对于线x交替地偏移，线x于是代表中值x。由于这种之字形的布置，相比于通过简单地将线圈排列而没有偏移所可能实现的布置，沿线x的方向每毫米存在更多个传感器线圈2，即使线圈彼此接触也是如此。在该示例中，每毫米有五个线圈，而在简单的线圈线的情况下，沿x方向的线圈密度将最大为四个(以及小于一半的一部分)。
由于传感器线圈2的这种“挤压”布置，两个连续线圈的中心c沿线x的方向的距离小于这些中心c之间的直线距离s，如在附图中针对两个线圈2a和2b所示。线圈2被布置成使得每连续五个线圈形成W形结构，由此“W”的相交角或偏移角α介于30°至75°之间，优选地介于45°至60°之间。阵列1的例如为45°构造角α有助于线圈放置(较大的线圈间距dx)以及较小的线圈间干扰。当选择60°的构造角α时，可以进一步增大线圈密度/可以选择更大的线圈2以覆盖相同的检查路径。
为了待测量的目标处的最佳磁场穿透，线圈2沿北/南方向/左手侧/右手侧绕组4交替取向。另选地，可以不对线圈2进行排序，而是以随机布置放置。作为另一选择，可以将线圈分组以生成更强的磁场(磁场进入材料更深，几何分辨率更低)。线圈2排列所沿着的线不必是数学意义上的线。代替如图3a所示的直线x，线圈2可以沿着弯曲或弯折的线排列，例如，如下面的图3b所示。
图3b示出了涡电流传感器线圈阵列1的简化侧视图。基座5以及随之的传感器线圈2的线x是弯曲的。在侧视图中，由于交替偏移，所以第一排线圈2a位于前景中，并且第二排线圈2b(以深灰色着色)位于背景中，前景线圈2a部分覆盖背景线圈2b。线圈2或者更精确地说弯折的传感器阵列1的弯曲或非直线布置例如对于测量弯曲的AM层/AM工件可能是有利的。
图4以侧视图示出了传感器线圈2的示例。线圈2的一侧通过该线圈的芯3的一个端部e1接触并固定或连接到导热的并且优选地还导电的基座5(例如，铜基座、银基座或金基底)。例如，通过金属芯印刷电路板(PCB)来完成这种金属线圈基座与普通FR4材料的集成。优选地，芯3通过与接地基座5的连接而接地。另外地或另选地，线圈的绕组4的一端电接地。
芯3的另一端部e1在绕组4上方突出，其中突出长度P至少等于绕组4的厚度或者更精确地说等于用于绕组的导线的厚度。优选地，由于绕组4的公差，该突出至少等于导线或绕组厚度的三倍。这样，芯3用作线圈2的机械保护并能够增强散热。芯3的直径例如为0.12mm。
芯3由表现出高磁导率的材料制成。初始相对磁导率至少为5000，例如60k。众所周知，如果材料以前未被磁化，则初始相对磁导率描述了所施加的磁场Baus与所产生的磁场B之间的线性关系。该关系可以(部分)由以下方程式描述：
B＝μrel(Baus＝0)*Baus
最大相对磁导率可能高得多，例如，200k或240k。选择材料以使得对于上述测量频率，即介于30KHz至300kHz或1MHz之间或者介于60kHz至160kHz之间，给出这些磁导率值。优选地，芯是坡莫合金芯或非晶态金属芯。
芯3与基座5的连接是导热且导电的。将圆柱形线圈2的端部e2放置在固体导电基座5上进一步增加了目标的场穿透/场深度，并且具有例如目标的缺陷分辨力的场深度。
这种结构具有多个优点：磁场强度/电感增加，特别是通过具有高磁导率的所选芯材料，并且除了所提及的机械保护外，芯3还可以用作载体，以在组装期间对线圈2进行精确定位。芯3与导电且接地的基座5(例如，具有接地金属芯的印刷电路板)的电连接(例如通过将芯3焊接或胶粘到基座5)允许减少噪声拾取(抑制外部辐射)，并且热连接用作热导体，以冷却传感器线圈2。因此，由于电接地还减少或衰减了传感器线圈2的任意类似天线的影响，所以得到的涡电流传感器(阵列)显示出有利地增强的热稳定性和电稳定性。
在该示例中，如图所示，传感器阵列包括与相应线圈2平行的电容器7。向线圈2添加并联电容器7的目的是中间能量存储/导纳补偿(并联LC电路)，其导致较高的线圈电流(功率因数补偿)以及较高频率噪声的减少，从而导致进一步改善的信噪比S/N。
线圈2包括导热且电绝缘的密封剂6。在该示例中，密封剂6对整个绕组4进行封装。另选地或另外地，绕组4的导线被直接密封，即被密封剂包覆。作为另一选项，密封剂6也对芯3(整个线圈2)进行封装。该密封剂6用于在恶劣的测量环境中对传感器阵列进行热保护，例如，在以铁水为待测量目标的金属印刷机中。优选地，密封剂6在至少高达120℃或甚至高达200℃的温度下是稳定的。
为了在真空制造中使用涡电流传感器阵列或包括根据本发明的传感器阵列的相应涡电流传感器，密封剂6优选具有低的脱气特性，例如，通过总质量损失最大为1％(根据标准测试方法)。
作为另一选项，密封剂6的热膨胀系数(CTE)有利地至少与基座5或者更精确地说与涡电流传感器阵列的具有作为金属芯的基座6的印刷电路板的CTE大致相同。
图5示出了作为图1的AM装置的线传感器的示例的涡电流线传感器8的示意性示例。传感器8包括沿线x的方向延伸的密集的传感器线圈阵列1a，传感器线圈排列成使得传感器线是无间隙的，例如如关于图1或图2a至图2c所描述的那样实施。在该简化示例中，阵列1a包括n＝3个传感器线圈2a、2b和2c，然而，这样的传感器通常可能包括按线布置的数百个或更多个传感器线圈。与具有布置在整个平面上的传感器线圈的面传感器或2D传感器相比，线传感器更易于制造和维修，因此更具成本效益。除此之外，它需要更少的空间，并且更易于内置和驱动。
传感器线圈2a-2c被并行安装和驱动，由此各个传感器线圈与线中的两个相邻传感器线圈形成差分涡电流传感器探头SP1、SP2。每对SP1、SP2中的每个线圈2a-2c由同一驱动器驱动，并且每对SP1、SP2的两个线圈2a/2b或2b/2c具有相反的磁极性。因此，具有n个传感器线圈的传感器8提供n-1个传感器探头SP1、SP2。当沿着表面上方(例如，与待测量物体的表面间隔约0.1mm)的测量线y(垂直于线传感器8的延伸线x)移动传感器8时，将传感器8中的所有传感器探头SP1、SP2的信号组合，得到待测量物体的区域或2D图像。
在该示例中，位于中间的传感器线圈2b与“上方”的邻近传感器线圈2a形成第一差分传感器探头SP1，并且与“下方”的邻近传感器线圈2c形成第二差分传感器探头SP2。如图所示，线圈2a和线圈2b的测量信号被差分输入到第一放大器V1，并且线圈2b和线圈2c的信号被差分输入到第二放大器V2。换句话说，从线圈2b的信号中减去线圈2a的信号，并且从线圈2c的信号中减去线圈2b的信号。
在具有数百或数千个传感器线圈的典型传感器8中，传感器线圈2a和2c不仅是一个传感器探头SP1或SP2的一部分，而且还各与传感器线圈2b之外的第二邻近传感器线圈形成另一传感器探头。因此，除了传感器8的两个端部处的两个传感器线圈之外，各个传感器线圈被使用两次，传感器8具有n-1个差分放大器V1、V2，放大器V1、V2优选具有高增益设置。
就覆盖整个感测区域所需的线圈数量而言，各个线圈2a-2c的双重使用是非常有利的。将测量区域划分为n个测量条仅需要n+1个线圈，同时各个条仍使用差分线圈方案。所需的差分线圈数量减少同时仍覆盖整个待测量区域具有许多优点：线圈密度增大、整个线圈阵列1a的功率损耗减少、电路板空间优势、钻孔数量减少、热量分布更好以及成本降低。
然而，双重使用各个线圈的缺点是，各个传感器探头的放大器与邻近者(在本示例中，是放大器V1与放大器V2)的潜在交叉耦合。为了防止传感器探头SP1的信号与探头SP2的信号的放大器交叉耦合，采用发射极增益级形式的解耦机构。由于预期测量信号相当弱，因此信号处理电路具有高增益和低噪声。
对于各个差分放大器V1、V2，使用具有晶体管、具有高电流增益和低噪声的分离的发射极增益级G1、G2和G3来对所涉及的线圈信号进行解耦。因为发射极增益级G1-G3是相应放大链中的第一部件，所以具有低噪声是有利的。
除了对邻近放大器级进行解耦之外，发射极级G1-G3还用作解调器和前置放大器。在差分放大级的各个输入部上使用解调器，可以消除由发射极级引入的功率波动。
早期插入在信号链中的各个部件的线圈2a-2c对地具有低噪声和低阻抗/低电阻率。
直接跟随线圈2a-2c的发射极级G1-G3的额外优势是：通过发射极跟随器的额外增益，仅使用双级运算放大器电路(未示出)就可以在低噪声的情况下很容易地实现120dB的系统增益。较少的部件意味着较少的噪声和较少的功率损耗。除了放大之外，双级运算放大器还包括三阶低通滤波器(未示出)。为了进一步优化S/N，针对低噪声、高增益和高封装密度对差分放大器级进行了修整，而尾随滤波器级针对高增益、高封装密度、低纹波和低功耗进行了修整。
在本示例中，如图所示的直接解调方案将信号(例如，在5kHz左右)低通滤波出最后一个放大级。在普通AD转换器中，可以很容易地对这些5kHz信号进行复用。通过使用1MHzADC，将可以集成多达100个模拟信号。高复用级别允许将信号处理板分割为单独的模拟板和单独的数字板。通过使模拟板和数字板分离，可以避免混合信号板中通常遇到的较高噪声级和相关联的GND解耦。同时避免了大量的渴求功率(power hungry)的ADC，并且使两种板(两种：数字和模拟)的布线变得较容易。另外，两种板的互连可以减少成很少的模拟通道，对于这些模拟通道，存在市场上可买到的微型同轴连接器。
为了最佳的噪声性能，低通滤波器的截止频率大约设置为最大机械频率的两倍或更低。可以通过与传感器阵列的速度相结合地将传感器8的磁场的几何分布与待测量物体中的待检测的最小缺陷的尺寸进行卷积来计算期望的机械频率。
提出的涡电流传感器可以在仅需单程即可获得足够的分辨力的情况下，对通过增材制造制得的重量优化的铝结构的形貌和缺陷两者进行过程中测量。特别是为了对由铝基粉末特别是AlSi10g制成的物体层的缺陷进行测量，结合微型线圈使用40kHz至300kHz特别是140kHz的传感器驱动器频率范围是优选的。
图6示出了根据图5的涡电流传感器的变型例的一部分的示意图。为了附图清楚起见，仅描绘了传感器的传感器阵列1a的传感器线圈2a-2d。
传感器线圈2a-2d的磁极性是可选择的。至少每第二个传感器线圈(例如，2b、2d)的驱动器被设计成使得驱动方向可以例如从正电流改变为负电流。
在根据图6的实施方式中，改变电流方向或者更精确地说磁极性的可能性用于通过驱动邻近传感器线圈2a和2b都具有相同的极性(例如，都是“北”线圈)来将该邻近传感器线圈分组在一起，并且将两个相邻线圈2c和2d分组在一起以都具有相反的磁极性，即“南”线圈。然后，两对传感器线圈2a/2b和2c/2d形成差分传感器探头SP3。
换句话说，代替如图1所示的由两个(磁极性相反的)传感器线圈组成的差分传感器探头SP1、SP2，由四个传感器线圈2a-2d形成差分“超级”探头SP3，其中两对传感器线圈2a/2b和2c/2d，这两对相对于彼此具有相反的极性。像具有单线圈一样，超级线圈2a/2b和2c/2d再次布置成差分对，并且都是有源线圈。
当然，可以通过将每三个或四个等邻近传感器线圈(而不是仅两个)分组在一起以成为具有相同磁极性的“超级”线圈，并将最好是相等数量的全都具有相同的相反磁极性的相邻传感器线圈分组在一起，来放大这种想法。
利用所描述的传感器探头尺寸的变型例，有利地实现磁场穿透和/或缺陷分辨率的变型例。
在线圈已被配置为“超级线圈”(如图4所示)的情况下，与具有单个传感器线圈对(减少的传感器探头数量)的差分传感器探头相比，单个测量行程的分辨力会降低。可以通过沿具有例如超级行程线圈直径长度的一半的间距的阵列的x方向移动传感器阵列1a而利用沿(相反)方向y的第二行程或返回行程来“恢复”分辨力。
由于如图1的示例所示的AM装置的某种AM装置仅包括一个送粉贮存器11，因此无论如何，重涂机12都必须按前向运动(+y)移动以铺开粉末，并且按返回运动(-y)移动，以回到其初始位置。因此，可选地，可以在没有任何时间延迟的情况下，使用重涂机12从而是传感器8的在层床13上的第二行程，以进一步改善在第一行程中进行的原则上足够的测量。具有或不具有“超级线圈”配置的这种双程扫描(向前/向后)可以用于缺陷表征/特征表征和/或用于提高检查分辨力。
除了第一行程与第二行程之间的描述的横向偏移之外，可选地，还可以改变其它参数，这对于单线圈或“超级线圈”布置都是可能的。例如，从第一行程到第二行程时，一些或所有传感器线圈2a-2d的磁极性发生改变。
或者，前向测量的测量频率与后向测量的测量频率不同。通过使用较低的频率(高穿透深度)，系统将拾取表面缺陷/表面变化及掩埋缺陷两者。作为对缺陷类型的进一步区分，相比于后向运动中使用的频率(即，表面；300kHz–1MHz)，可以在前向运动中使用不同的频率(即，高穿透；60...160kHz)。换句话说，通过使用不同的驱动器频率，在前向行程和后向行程中可选择穿透深度，其中前向方向集中在掩埋缺陷上，并且后向方向集中在表面缺陷上。
各层的形状和检查标准是检查运行的先验条件。因此，在可选的检查方案中，可以以最适合检查任务的方式引导信号频率：借助于频率或超级线圈配置自动地原位控制穿透深度。
图7以俯视图示出了涡电流传感器8的另一实施方式的方案。为了对增材层制造机的宽测量线(例如，整个构造区域)进行覆盖，需要大量的线圈。例如，使用直径为0.2mm的线圈，以45°角W布置并对200mm宽的构造区域进行覆盖，至少需要1415个线圈。将这些线圈放置在单个扩展电路板上会导致生产期间的低产出/组装到目标机器期间的高成本以及高更换成本。
与所示相反，如图所示，包含许多子板或PCB模块9a-9d的模块化涡电流传感器生成可控传感器系统。模块中的每一个模块具有例如长度约为5mm或10mm的传感器阵列。
由于钻孔需要距板边缘一定距离，因此线圈或者更精确地说相应传感器阵列1a-1d不能一直放置到板边缘。该边缘空隙因制造商而异并且位于0.3mm至1mm的范围中。由于边缘空隙，板上的线圈无法并排布置来在整个检查长度上形成阵列1a-1d的连续线。
相反，如图7所示，板9a-9d是交错的。在板9a-9d之间，存在一个线圈的重叠，在图中由标记Z表示，因此不需要将相应板(例如，模块9a)的最后一个线圈的信号路由至下一板(例如，模块9b)，以供进一步处理。
优选地，传感器的印刷电路板是热冷却PCB并且可以具有用于导热的金属芯(例如，铜芯)。可选地，用于引导信号离开全金属板的导电迹线通过薄膜沉积工艺沉积，其中第一步是在全金属板上沉积绝缘层。在第二步中，在薄膜沉积过程中，将导电迹线沉积在金属上。作为选项，为了进一步增大板上传感器线圈的密度，使用作为金属芯的全金属板加上FR4沉积的组合来形成混合金属芯PCB。
尽管上文部分地参照一些优选实施方式例示了本发明，但是必须理解，可以对实施方式进行多种修改和不同特征的组合。所有这些修改都在所附权利要求的范围内。

Claims (15)

1.一种由多个传感器线圈(2)形成的涡电流传感器阵列(1)，其中，
·各传感器线圈(2、2a-2d)的截面最大为0.15mm2，特别地，最大为0.04mm2，
·所述传感器线圈(2、2a-2d)沿着线(x)排列，其中，每两个连续传感器线圈(2、2a-2d)相对于所述线(x)交替地偏移，使得每两个连续线圈(2、2a-2d)的中心(c)之间的沿所述线(x)的方向的距离(dx)小于所述中心(c)之间的直线距离(s)，并且
·其中，各个线圈(2、2a-2d)具有初始相对磁导率至少为5000的芯，特别是坡莫合金芯和/或非晶态金属芯(3)。
2.根据权利要求1所述的涡电流传感器阵列(1)，其特征在于，所述涡电流传感器阵列(1)包括导电的基座(5)，从而
·所述线圈(2、2a-2d)通过相应芯(3)的一个端部(e2)固定在所述基座(5)上，并且相应芯(3)热连接到所述基座(5)，和/或
·所述基座(5)电接地，并且各个传感器线圈(2、2a-2d)的一侧电连接到所述基座(5)，从而电接地。
3.根据前述权利要求中任一项所述的涡电流传感器阵列(1)，其特征在于，相应芯(3)在传感器线圈的绕组(4)上方突出，突出部分(P)至少等于所述绕组(4)的厚度。
4.根据前述权利要求中任一项所述的涡电流传感器阵列(1)，其特征在于，所述涡电流传感器阵列(1)包括导热且电绝缘的密封剂(6)，该密封剂对相应传感器线圈(2、2a-2d)进行密封和/或对相应传感器线圈的绕组(4)进行密封，特别是其中，所述密封剂(6)
·总质量损失最大为1％，和/或
·具有与所述传感器线圈(2、2a-2d)连接到的传感器阵列印刷电路板的热膨胀系数相等的热膨胀系数，和/或
·在至少高达120摄氏度的温度下是稳定的。
5.包括多个即n个传感器线圈(2)的差分的涡电流线传感器(8)，其特征在于，
·传感器线圈(2、2a-2d)被并行安装和驱动，并且相应传感器线圈(2b)与其一侧的邻近传感器线圈(2a)以及与其另一侧的邻近传感器线圈(2c)形成差分感测探头(SP1、SP2)，所述线传感器(8)从而设置有n-1个差分感测探头(SP1、SP2)，并且
·各个传感器线圈(2、2a-2d)直接电互连到相应发射极增益级(G1-G3)，特别是其中，所述发射极增益级(G1-G3)用作解调器。
6.根据权利要求5所述的涡电流线传感器(8)，其特征在于，所述涡电流线传感器(8)包括：
·n-1个差分放大器(V1、V2)，各个差分放大器用于相应传感器探头(SP1、SP2)，从而相应传感器探头(SP1、SP2)的所述传感器线圈(2、2a-2d)分别通过所述发射极增益级(G1-G3)中的一个与相应放大器(V1、V2)互连，和/或
·具有三阶低通滤波器的双级运算放大器电路，和/或
·根据权利要求1所述的传感器阵列(1)。
7.根据权利要求5或6所述的涡电流线传感器(8)，其特征在于，能够通过可选择的电流方向来选择传感器线圈(2、2a-2d)的磁极性，以使得能够分别利用超过两个的传感器线圈(2、2a-2d)来实现放大的差分传感器探头(SP3)，其中，这些传感器线圈的第一部分(2a、2b)具有相同的磁极性，并且这些传感器线圈的另一部分(2c、2d)具有相反的磁极性。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的涡电流线传感器(8)，其特征在于，所述涡电流线传感器(8)
·包括热冷却的印刷电路板，特别是具有金属芯的印刷电路板，从而各个传感器线圈(2、2a-2d)通过导热接头与所述印刷电路板连接，和/或
·通过包括印刷电路板模块(9a-9d)来模块化，和/或
·包括信号处理板，该信号处理板被分割为单独的模拟板和单独的数字板。
9.一种被设计用于逐层制造铝物体的增材层制造装置(10)，所述装置(10)包括用于将铝粉末沉积到层床(13)上的沉积设备(12)以及用于将所沉积的粉末固结的加热设备，其特征在于，所述装置(10)包括涡电流传感器(8)，所述涡电流传感器(8)被设计用于在单程中以0.25mm或更精细的缺陷分辨力对所述铝物体的至少一个制造铝层(18)的轮廓和缺陷进行过程中测量，特别是对孔隙和/或粉末移动进行过程中测量。
10.根据权利要求9所述的装置(10)，其特征在于，所述涡电流传感器(8)
·被实现为根据权利要求5所述的涡电流线传感器(8)，所述涡电流线传感器能够相对于所述层床(13)移动，和/或
·具有毫米范围内的可变测量深度和/或具有可变分辨力。
11.根据权利要求9或10所述的装置(10)，其特征在于，所述装置(10)包括温度传感器(20)，所述温度传感器被设计用于以与涡电流测量并行的方式对层(18)的局部温度进行过程中测量。
12.一种增材逐层制造铝物体的方法，所述方法包括以下步骤：
·将铝粉末沉积到层床(13)上，
·固结所沉积的铝层(18)，特别是通过激光(17)，以及
·利用涡电流传感器(8)，特别是根据权利要求5所述的差分的涡电流线传感器，以0.25mm或更精细的缺陷分辨力对至少一个制造层(18)的轮廓和缺陷进行过程中单程测量。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法包括相对于所述层床(13)的前向运动和返回运动，并且通过返回运动期间的补充行程来精化单程测量，特别是在提高测量分辨力和/或表征缺陷方面，其中在所述前向运动与所述返回运动之间，
·所述涡电流传感器(8)的横向偏移与运动方向(y)正交，和/或
·传感器线圈(2、2a-2d)具有不同的磁极性，和/或
·测量频率不同，和/或
·所述涡电流传感器(8)相对于所述铝层(18)具有不同的高度。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
·跨多个层(18)进行ISO-3D有限滤波，特别是利用针对各个层平面轴和/或层(18)的权重因子，和/或
·对层(18)的局部温度进行测量，并使用存储的热膨胀模型基于测量的温度对测量的几何形状进行校正，特别是对测量的轮廓进行校正。
15.一种具有程序代码的计算机程序产品，所述程序代码被存储在机器可读介质上，特别是根据权利要求9所述的装置(10)的机器可读介质上，或者所述程序代码被实现为电磁波，所述程序代码被配置成控制和执行根据权利要求12所述的方法。
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