CN111406234A - 用于构建表面映射的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于增材制造的构建表面映射和恢复的方法、设备和程序。该方法可以包括通过增材制造来制造物体，其中构建表面的拓扑结构被确定。增材制造处理可以基于拓扑结构的确定进行修改。表面的拓扑结构可以通过以下步骤来确定：使用汇聚能量源在表面上标记第一标记；使用照相机确定标记的尺寸；以及基于标记的尺寸确定第一标记的高度。

Description

用于构建表面映射的设备和方法
技术领域
本公开大体涉及执行增材制造处理的增材制造(AM)设备和方法。更具体地，本公开涉及实现增材制造部件(例如不限于飞行器发动机的部件)的连续处理的设备和方法。
背景技术
增材制造(AM)技术可以包括例如电子束自由成形制造、激光金属沉积(LMD)、激光金属丝沉积(LMD-w)、气体金属电弧焊、激光工程净成形(LENS)、激光烧结(SLS)、直接金属激光烧结(DMLS)、电子束熔化(EBM)、粉末进给引导能量沉积(DED)和三维打印(3DP)。与减材制造方法相比，AM处理大体涉及一种或多种材料的堆积，以制成净形或近净形(NNS)的物体。尽管“增材制造”是工业标准术语(ASTM F2792)，但AM包含各种名称已知的各种制造和原型技术，包括自由成形制造、3D打印、快速原型/工具等。AM技术能够使用多种材料制造复杂的部件。通常，独立的物体可以使用计算机辅助设计(CAD)模型来制造。例如，特定类型的AM处理使用能量束(例如，电子束或电磁辐射(例如激光束))来烧结或熔化粉末材料和/或线材，从而创建材料粘合在一起的固体三维物体。
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工业术语，用于指代通过使用激光束烧结或熔化细粉末来生成三维(3D)物体。例如，美国专利4,863,538和美国专利5,460,758描述了常规的激光烧结技术。更具体地，烧结需要在低于粉末材料的熔点的温度下融合(团聚)粉末的颗粒，而熔化则需要完全熔化粉末的颗粒以形成固体均质体(solid homogeneous mass)。与激光烧结或激光熔化相关联的物理处理包括热传递到粉末材料，然后烧结或熔化粉末材料。电子束熔化(EBM)利用聚焦的电子束以熔化粉末。这些处理涉及连续熔化粉末层以使用金属粉末构建物体。
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110的横截面视图的示意图。设备110通过使用由源(例如激光器120)生成的能量束136烧结或熔化粉末材料(未示出)以逐层的方式(例如，出于说明目的放大了比例的层L1、L2和L3)构建物体，例如部件122。通过能量束熔化的粉末通过贮存器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上以保持粉末处于水平118，并将粉末水平118以上延伸的多余的粉末材料移除到废料容器128。在振镜扫描仪132的控制下，能量束136烧结或熔化正在构建的物体的横截面层(例如，层L1)。降低构建板114，并且将另一层粉末(例如，层L2)铺展在构建板和正在构建的物体上，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完全由熔化的/烧结的粉末材料堆积。激光器120可以通过包括处理器和存储器的计算机系统控制。该计算机系统可以确定每个层的扫描图案，并根据扫描图案控制激光器120以照射粉末材料。在部件122的制造完成后，可以将各种后处理程序应用于部件122。后处理程序包括例如通过吹扫或抽真空、机械加工、打磨或喷砂移除多余的粉末。此外，常规的后处理可以包括例如通过机械加工从构建平台/基板移除部件122。其他后处理程序包括压力释放处理。另外，热和化学后处理程序可以用于完成部件122。
上述AM处理通过执行控制程序的计算机进行控制。例如，设备110包括执行固件的处理器(例如，微处理器)、操作系统或在设备110和操作员之间提供接口的其他软件。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，并为模型中的每个物体提出工具路径。操作员可以限定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。本领域普通技术人员将完全理解，上述控制程序可以适用于任何上述AM处理。此外，上述计算机控制可以适用于任何减材制造或在任何后处理或混合处理中应用的任何前处理或后处理技术。
当使用AM处理形成部件时，AM设备在逐层构建期间的各种处理参数可能会对部件的质量和完成的部件的尺寸精度产生重大影响。AM设备具有大量部件，必须对所有部件进行校准以创建一致且尺寸精确的部件。例如，在上述设备中，振镜(galvanometer)可以用于引导激光束以在构建的每一层期间融合粉末的区域。在该示例中，振镜的正确校准对于确保准确的构建至关重要。此外，在下面公开的AM设备中，还需要校准构建单元和/或构建平台的移动。
然而，在构建或生长(growing)处理期间，因为粉末床由于部件的收缩而在生长的部件上施加了过大的压力，一些增材制造的部件可能会断裂或扭曲。滞留在生长的部件内或部件与粉末箱壁之间的粉末会在部件上施加过大的压力，从而导致部件断裂和扭曲。另外，滞留在粉末腔室底板和生长的部件之间的粉末限制了部件在冷却时收缩的能力，该收缩可以导致扭曲。在构建处理期间，各种其他因素可能会导致生长的部件翘曲或扭曲。在构建过程中，小的扭曲或翘曲的区域可能会导致越来越大的尺寸误差。这样的误差可能导致部件无法使用和/或可能导致重涂覆器和/或构建单元在构建期间与翘曲部分发生碰撞。因此，需要在构建处理期间有效地监测构建的尺寸精度。此外，需要通过改变构建处理期间的各种处理参数来补偿上述尺寸误差。
发明内容
在一个方面，描述了一种通过增材制造来制造物体的方法。该方法可以包括确定构建表面的形貌并基于所确定的形貌修改增材制造处理。确定表面的形貌可以包括：使用汇聚能量源在构建表面上标记第一标记；使用照相机确定标记的尺寸；以及基于标记的尺寸确定第一标记的高度。该方法可以进一步包括以下步骤：基于所确定的形貌确定构建表面的凹陷区域的位置；以及填充凹陷区域，以减少构建表面的形貌中的变化。凹陷区域的填充可以包括以下步骤：在构建表面的凹陷区域上沉积构建材料层；在表面的凹陷区域处融合至少一部分构建材料层；在构建的凹陷区域上沉积后续的粉末层；以及重复上述步骤，直到凹陷区域的填充完成。制造物体的方法可以进一步包括：基于所确定的形貌来确定表面的突出区域的位置，并且对表面执行调平操作(leveling operation)以减少构建表面的形貌中的变化。调平操作可以包括对构建表面的突出区域进行激光喷丸处理和/或烧蚀处理。
另一方面，公开了一种在增材制造处理期间测量表面的形貌的方法。该方法可以包括：使用汇聚能量源在表面上标记第一标记；使用照相机确定标记的尺寸；以及基于标记的尺寸确定第一标记的高度。该方法可以进一步包括在表面上的多个位置处重复上述步骤，并且比较在表面上的多个位置处的确定的标记的高度。该方法还可以包括在多个表面上重复上述步骤，并且比较在多个表面处的确定的标记的高度，通篇使用的方法可以与构建表面映射的激光干涉测量方法结合使用。
在另一方面，公开了一种存储程序的非暂时性计算机可读介质，该程序被构造成使计算机执行用于在增材制造设备期间确定表面的形貌的方法。该方法可以包括：使用汇聚能量源在表面上标记第一标记；使用照相机确定标记的尺寸；以及基于标记的尺寸确定第一标记的高度。该方法可以进一步包括在表面上的多个位置处重复上述步骤，并且比较在表面上的多个位置处的确定的标记的高度。该方法还可以包括在多个表面上重复上述步骤，并且比较在所述多个表面上的确定的标记的高度。
附图说明
结合到本说明书中并构成本说明书的一部分的附图示出了本公开的一个或多个示例方面，并且与详细描述一起用于解释其原理和实施方式。
图1是用于形成部件的至少一部分的常规增材制造技术的侧视图；
图2是根据本公开的一个方面的构建单元的横截面侧视图；
图3是根据本公开的一个方面的增材制造设备的构建单元和移动构建平台的一部分的横截面侧视图；
图4是根据本公开的一个方面的具有照相机的增材制造设备的简化侧视图；
图5是根据本公开的一个方面的具有两个汇聚能量源的增材制造设备的简化侧视图；
图6A-C是根据本公开的一个方面的在调平操作期间在各种示例位置处的增材制造设备的简化侧视图；
图7是示出了根据本公开的一个方面的增材制造机器的校准处理的一个示例的流程图；
图8是示出了根据本公开的一个方面的增材制造机器的校准处理的一个示例的流程图。
具体实施方式
尽管本文所述的各方面已经结合上面概述的示例性方面进行描述，但是对于本领域中至少具有普通技术的人员来说，各种替代、修改、变化、改进和/或实质等效形式，无论是已知的、是或可能是目前不可预见的，可能会变得显而易见。因此，如上所述的示例性方面旨在是说明性的，而不是限制性的。在不脱离本公开的主旨和范围的情况下，可以进行各种改变。因此，本公开旨在涵盖所有已知的或以后开发的替代、修改、变化、改进和/或实质等效形式。
图2是根据本发明的实施例的构建单元的侧视图。图2示出了构建单元400，其包括照射发射引导装置401、具有加压出口部分403A和向气流区域404提供气流的真空入口部分403B的气流装置403以及重涂覆器405。包含惰性环境419的外壳418可以设置在气流区域404上方。重涂覆器405可以包括具有后板407和前板408的料斗406。重涂覆器405还可以包括至少一个致动元件409、至少一个闸板410、重涂覆器刀片411、致动器412和重涂覆器臂413。重涂覆器可以安装到安装板420。图2还示出了可以通过例如增材制造或Mig/Tig焊接构建的构建封套(build envelope)414，正在形成的物体415，以及包含在料斗406中用于形成物体415的粉末416。在此特定实施例中，致动器412可以激活致动元件409以从前板408拉离闸板410。在替代实施例中，致动器412可以是例如气动致动器，并且致动元件409可以是双向阀。在又一个实施例中，致动器412可以是例如音圈(voice coil)，并且致动元件409可以是弹簧。还可以在前板408和后板407之间设置料斗间隙417，当相应的闸板通过致动元件从粉末闸门拉开时，该料斗间隙417允许粉末流动。粉末416、后板407、前板408以及闸板410可以全部是相同的材料。替代地，后板407、前板408和闸板410可以全部是相同的材料，并且该材料可以是与粉末材料兼容的一种材料，例如钴铬合金。在本发明的本示例性实施例中，气流区域404中的气流在y方向上流动，但是不限于此。重涂覆器刀片411可以具有沿x方向的宽度。在该视图中，当θ2近似为0时，照射发射束的方向限定z方向。气流区域404中的气流可以基本上是层流的。照射发射引导装置401可以通过第二定位系统(未示出)独立地移动。该图示出了处于关闭位置的闸板410。
设备400可以包括定位机构(未示出)，最大的构建区域可以通过定位机构限定，而不是像常规系统那样通过粉末床限定，并且用于特定构建的构建区域可以限制为构建封套414，该构建封套414可以与物体一起动态地构建。定位机构或机架可以包括在x方向上移动构建单元400的x横梁(未示出)。可能有在y方向上移动构建单元400和x横梁的两个y横梁。x横梁和构建单元400可以通过在z方向上移动构建单元400的机构进行附接。本发明不限于此，并且可以利用其他多维定位系统，例如，三角机器人(delta robot)、电缆机器人或机械臂。照射发射引导装置401可以通过第二定位系统(未示出)在构建单元400的内侧独立地移动。
照射源引导装置401可以包括照射源，该照射源在使用激光源的情况下产生包括通过照射发射引导装置引导的激光照射的光子。激光源可以是汇聚激光源，其可以使用透镜和/或透镜系列和/或反射镜和/或反射镜系列聚焦。照射发射引导装置可以是例如振镜扫描仪，并且激光源可以位于构建环境之外。在这些情况下，激光照射可以通过任何合适的手段(例如，光纤电缆)传送到照射发射引导装置。当照射源是电子源时，电子源产生包含通过照射发射引导装置引导的电子束的电子。当照射源是电子源时，照射发射引导装置可以是例如偏转线圈。
图3示出了包括构建单元302的细节的制造设备300的侧视图，该侧视图拍摄于构建平台的远侧。可移动的构建单元302包括照射束引导机构506，具有向气流区域538提供气流的气体入口和气体出口(未示出)的气流机构532和粉末重涂覆机构504。在该示例中，流动方向基本上沿着X方向。在气流区域538上方，可以有包含惰性环境542的外壳540。安装在重涂覆器板544上的粉末重涂覆机构504，具有包括后板546和前板548的粉末分配器512。粉末重涂覆机构504还包括至少一个致动元件552、至少一个闸板516、重涂覆器刀片550、致动器518和重涂覆器臂508。在该实施例中，致动器518激活致动元件552以将闸板516拉离前板548，如图3所示。当闸板516通过致动元件552拉离前板548时，前板548和闸板516之间存在间隙564，以允许粉末流动到旋转的构建平台310上。旋转的构建平台310可以通过马达316旋转地控制。
图3示出了构建单元302，其中闸板516处于打开位置。粉末分配器512中的粉末515被沉积以形成新一层的粉末(在554处)，粉末通过重涂覆器刀片510平铺在旋转的构建平台310的顶表面(即，构建或工作表面)的一部分上，以形成基本上均匀的粉末层556，然后通过照射束558照射粉末层556，成为作为打印的物体330的一部分的熔融层。在一些实施例中，可以在构建单元302移动的同时照射基本均匀的粉末层556，这允许构建单元302的连续操作，并且因此可以更节省时间地生产打印的或生长的物体330。在旋转的构建平台310上正在构建的物体330在粉末床314中示出，该粉末床通过外部构建壁324和内部构建壁326约束。在本发明的一个实施例的该特定说明中，气流区域532中的气流在x方向上流动，但是也可以相对于构建单元在任何期望的方向上流动。
注意，尽管上述选择性粉末重涂覆机构504仅包括单个粉末分配器，但是粉末重涂覆机构可以包括容纳多种不同材料粉末的多个腔室。
构建单元的附加细节和可以根据本发明使用的单个和/或多个单元的定位机构可以在以下专利中发现：美国专利申请号15/610,177，标题为“使用可移动的构建体积的增材制造(Additive Manufacturing Using a Mobile Build Volume)”，代理人案卷号037216.00103，于2017年5月31日提交；美国专利申请号15/609,965，标题为“用于连续增材制造的设备和方法(Apparatus and Method for Continuous AdditiveManufacturing)”，代理人案卷号037216.00102，于2017年5月31日提交；美国专利申请号15/610,113，标题为“利用动态生长的构建壁来实时同时增材和减材制造的方法(Methodfor Real-Time Simultaneous Additive and Subtractive Manufacturing With aDynamically Grown Build Wall)”，代理人案卷号037216.00108，于2017年5月31日提交；美国专利申请号15/610,214，标题为“用于实时同时和校准的增材和减材制造的方法(Method for Real-Time Simultaneous and Calibrated Additive and SubtractiveManufacturing)”，代理人案卷号037216.00109，于2017年5月31日提交；美国专利申请号15/609,747，标题为“利用回收未使用的原料的机构来实时同时增材和减材制造的设备和方法(Apparatus and Method for Real-Time Simultaneous Additive and SubtractiveManufacturing with Mechanism to Recover Unused Raw Material)”，代理人案卷号037216.00110，于2017年5月31日提交；美国专利申请号15/406,444，标题为“使用动态生长的构建封套的增材制造(Additive Manufacturing Using a Dynamically Grown BuildEnvelope)”，代理人案卷号037216.00061，于2017年1月13日提交；美国专利申请号15/406,467，标题为“使用可移动的构建体积的增材制造(Additive Manufacturing Using aMobile Build Volume)”，代理人案卷号037216.00059，于2017年1月13日提交；美国专利申请号15/406,454，标题为“使用可移动的扫描区域的增材制造(Additive ManufacturingUsing a Mobile Scan Area)”，代理人案卷号037216.00060，于2017年1月13日提交；美国专利申请号15/406,461，标题为“使用选择性重涂覆器的增材制造(AdditiveManufacturing Using a Selective Recoater)”，代理人案卷号037216.00062，于2017年1月13日提交；美国专利申请号15/406,471，标题为“大型增材机器(Large Scale AdditiveMachine)”，代理人案卷号037216.00071，于2017年1月13日提交，其公开通过参考并入本文。
上述增材机器的一个优点是，在一些实施例中，构建板可以竖直固定(即在z方向上)。这允许构建板根据需要支撑尽可能多的材料，与需要一些机构来升高和降低构建板从而限制可以使用的材料量的现有技术的方法和系统不同。因此，大型增材机器特别适合于在大的构建封套内制造物体。对于构建封套，封套的精度和质量可能相对不重要，从而有利地使用快速构建技术。通常，构建封套可以通过任何合适的方式(例如通过Mig或Tig焊接，或通过激光粉末沉积)来构建。如果壁是通过增材制造构建的，那么不同的照射发射引导装置可以用于构建壁而不是用于构建物体。这是有利的，因为构建壁可以利用特定的照射发射引导装置和方法更快地完成，而可能需要较慢且更准确的引导装置和方法来构建物体。
当构建物固化粉末或构建材料以构建部件(例如330、415)时，构建物的固化部分内的应力可能导致构建物的区域在z方向上高于或低于期望的区域。可以设置控制器(未示出)，该控制器包括处理器，以在构建过程中确定构建表面的拓扑结构。图4表示了AM构建和/或表面620、汇聚能量源603、能量源引导机构601以及用于监测构建和/或检测标记和/或能量源尺寸的照相机606的简化图。注意，能量源603可以包括任何上述能量源，并且可以用于至少部分地固化构建材料。还应注意，在一个示例中，能量源引导机构601可以是上述构建单元400和302的照射束引导机构401和/或506。此外，能量源引导机构可以是常规增材制造设备(例如，图1中的120和/或130)中的固定源。
转到图4，在构建过程中，构建材料和/或构建物本身的表面可能开始从构建表面突出。为了一致性的目的，在z方向上突出超过或高于构建物的预期的平面和/或z-高度618的构建表面的任何部分(例如，构建材料和/或固化的构建物)将被称为突出。相反地，在z方向上低于z方向上的预期的平面和/或z-高度618的构建表面的任何部分(例如，构建材料和/或固化的构建物)将被称为凹陷区域(例如610、612和614)。术语构建材料可以包括部件本身和/或构建材料，其可以包括用于增材制造的所有已知介质。其非限制性示例包括金属粉末(如上所述)、箔、聚合物、塑料和/或陶瓷。
包括处理器的AM设备的控制器(未示出)可以利用构建物的预期的高度和/或构建材料表面的z-高度618进行计算和/或编程。为了确定表面的部分是否落入预期的z-高度范围内，汇聚能量源603可以聚焦以使射束汇聚在已知点处。通过控制射束的汇聚点，可以知道射束尺寸和/或通过射束在构建材料上形成的标记，并与预期的z-高度618处的已知射束尺寸进行比较。例如，可以已知的是，当汇聚能量源的焦点设置为特定值时，如果构建表面在预期的平面618上，则射束和/或通过射束在构建表面上的点624处形成的标记将具有特定尺寸。照相机606可以被聚焦以便检测通过能量源在构建物的表面上形成的标记的尺寸和/或能量源本身的尺寸。然而，如果构建表面具有凹陷(即，相对于预期的平面618处于负z-值)，则射束和/或点616处的标记的尺寸将大于点624处的尺寸。因此，在上述情况下，可以确定构建表面610在z方向上低于预期的平面，因此与预期的平面618相比构建表面610凹陷。一旦确定构建表面610在z方向上低于预期的平面和/或构建表面的其余部分，AM设备可以修改构建物以将更多的构建材料沉积到凹陷区域610和/或向凹陷区域610添加和固化构建材料的附加层，使得构建材料的凹陷区域落入正确的z-高度内。类似地，如图4所示，落在正确的z-高度630和626之下的其他凹陷区域630和612可以以类似的方式处理。
作为另一个示例，可以通过照相机606检测在部分612、614和/或616处的多个标记，并且可以确定构建表面的整体形貌。计算机辅助设计(CAD)文件可以基于已经确定的覆盖区域(footprint)或最低位置内的拓扑结构进行创建。控制器可以确定表面拓扑结构的最小和最大Z-高度。通过在构建物的特定层中确定表面拓扑结构的最小和最大Z-高度，拓扑映射可以用于自动地改变覆盖区域内具有反向拓扑结构和部分612-614中的每个部分处的高度(Zmax-Zmin)的部件的构建文件。例如，拓扑补偿构建物可以附加在现有部件构建文件的下一个部分和/或其他部分处。构建物的部分也可以从构建表面突出(即，在正z-方向上延伸)。例如，在部分622处，能量源可以用于在构建表面上形成标记。照相机606检测标记和通过照相机检测到的标记的尺寸。基于通过照相机606检测到的尺寸，可以确定部分622在正确的z-高度628上方延伸，并且该尺寸可以用于确定构建表面的部分622处的表面的拓扑结构。然后，所确定的拓扑结构可以用于自动地改变覆盖区域内具有反向拓扑结构和部分622处的高度(Zmax-Zmin)的部件的构建文件。例如，拓扑补偿构建物可以附加在现有部件构建文件的下一个部分和/或其他部分处。例如，如果确定表面622在正确的z-高度上方延伸，则在后续层中，与在正确的z-高度内的构建表面的区域相比，更少的构建材料可以被添加和/或融合到区域622。作为替代方法或与上述方法结合，能量源也可以用于在部分622处喷丸和/或烧蚀构建物的表面。例如，激光喷丸可以用于移除融合的构建材料并减小部分622的z-尺寸和/或用于为后续添加构建材料准备表面。作为另一示例，可以使用激光烧蚀表面以减小构建物的部分622的z-尺寸和/或用于为后续添加构建材料准备表面。
另一简化示例在图5中示出。图5表示AM构建和/或表面716和/或718、汇聚能量源703A-B、能量源引导机构701A-B和用于监测构建物的照相机707A-B的简化视图。注意，能量源603可以包括任何上述能量源，并且可以用于至少部分地固化构建材料。还应注意，在一个示例中，能量源引导机构701A-B可以是上述构建单元400和302的照射射束引导机构401和/或506。此外，能量源引导机构可以是常规增材制造设备(例如，图1中的120和/或130)中的固定源。此外，应注意，700A和700B可以表示两个不同的能量源和/或照相机，或者可以表示从第一位置(由700A表示)移动到第二位置(由700B表示)的单个能量源和/或照相机。此外，700A和700B在构建过程的两个不同层上是单个能量源和/或照相机。例如，第一层(由700A表示)到第二后续层(由700B表示)。
包括处理器的AM设备的控制器(未示出)可以利用构建物和/或构建材料表面729的预期的高度进行计算和/或编程。为了确定表面的部分是否落入预期的z-高度范围内，汇聚能量源703A可以聚焦以使射束汇聚在已知点724A处。应注意，尽管在该示例中汇聚点724A示出在预期的z-高度范围之上，但是汇聚点724A可以位于任何期望的位置处(例如，在预期的z-高度之下或在预期的z-高度处)。通过控制射束的汇聚点，可以知道射束尺寸和/或在部分717处通过射束在构建材料上形成的标记，并与预期的z-高度729处的已知射束和/或标记尺寸进行比较。进一步，当表面处于正确的z-高度时，控制器可以通过比较在一层上多个位置处的射束和/或标记的尺寸和/或通过比较在构建物的前一层和后一层的单个位置处的射束和/或标记的尺寸来确定标记的尺寸。例如，可能已知的是，当汇聚能量源的焦点设置到特定位置，例如724A时，正确的z-高度740处的射束和/或标记将具有特定的尺寸。照相机707A可以聚焦以便检测通过能量源703A在构建物的表面718上形成的实际标记717的尺寸和/或能量源本身的尺寸。然而，如果构建表面低于预期的z-高度(即相对于预期的z-高度729处于负z-值)，在点717处的射束和/或标记的尺寸将大于在点740处的尺寸。因此，在上述情况下，可以确定构建表面717在z-方向上低于预期的平面。一旦确定构建表面717在z-方向上低于预期的平面，则AM设备可以修改构建物以将更多的构建材料沉积到构建物的下部分717和/或向构建物的下部分717添加和固化构建材料的附加层，使得构建材料的区域717落在正确的z-高度内。
在上面的示例中，能量源可以用于在不同位置的构建表面上生成多个标记，通过使用照相机707A和/或707B读取这些标记，可以确定构建表面的整体形貌。计算机辅助设计(CAD)文件可以基于已经确定的覆盖区域或最低位置内的拓扑结构进行创建。控制器可以确定表面拓扑结构的最小和最大Z-高度。通过在构建物的特定层中确定表面拓扑结构的最小和最大Z-高度，拓扑映射可以用于自动地改变覆盖区域内具有反向拓扑结构和落在预期的z-高度范围之外的每个部分的高度(Zmax-Zmin)的部件的构建文件。例如，拓扑补偿构建物可以附加在现有部件构建文件的下一个部分和/或其他部分处。
构建物的部分也可以从构建表面突出(即，在正z-方向上延伸)。例如，在部分714处，能量源可以用于在构建表面716上形成标记。照相机707B检测标记和标记的尺寸。在该示例中，能量源汇聚的点724可以在构建表面的预期的z-高度750之上，使得通过在预期的z-高度处形成的由能量源形成的标记将具有特定尺寸。注意，能量源汇聚的点724也可以在预期的构建表面之上或在预期的构建表面处。在以上示例中，如果在实际构建表面714处检测到的尺寸较小，则可以确定部分714在期望的和/或平均的z-高度750之上延伸，并且该尺寸可以用于确定构建表面的部分750处的表面的拓扑结构。然后，所确定的拓扑结构可以用于自动地改变覆盖区域内具有反向拓扑结构和部分750处的高度(Zmax-Zmin)的部件的构建文件。例如，拓扑补偿构建物可以附加在现有部件构建文件的下一个部分和/或其他部分处。例如，如果确定表面750在正确的z-高度上方延伸，则在后续层中，与在正确的z-高度内的构建表面的区域相比，更少的构建材料可以被添加和/或熔合到区域750。作为替代方法或与上述方法结合，能量源也可用于在部分750处喷丸和/或烧蚀构建物的表面。例如，激光喷丸可以用于移除融合的构建材料并减小部分750的z-尺寸和/或用于为后续添加构建材料准备表面。作为另一个示例，激光可以用于烧蚀表面以减小构建物的部分750的z-尺寸和/或用于为后续添加构建材料准备表面。
图6A-C示出了可以恢复构建表面的方法的各种示例。如上所述，构建单元500A-B可以是可移动的。构建单元可以进一步包括照相机806，并且可以可选地包括高度传感器530，用于在构建过程之前确定构建平台的拓扑结构。高度传感器和调整方法的其他细节可以在美国专利申请号[15/807434]中找到，其标题为“直接金属激光熔化构建平台和表面展平(DMLM Build Platform and Surface Flattening)”，代理人案卷号为037216.00126，于2017年11月8日提交，Mamrak等人。该专利通过引用全部并入。此外，构建表面和/或构建平台的形貌可以使用激光干涉测量处理进一步确定。
如图6A-C所示，在构建物的特定层处，构建表面可以包括落在可接受的z-高度范围之外的单个或多个突出部822和/或凹陷区域810。构建单元500可以位于构建表面820上方的第一位置处。在沉积构建材料层之前和/或之后，如上所述的类似处理可以在构建物的表面822处执行。例如，可以在构建表面822上形成标记，并且可以通过照相机806检测标记的尺寸。基于标记的尺寸，可以确定区域822处的构建表面在构建表面820的期望的或平均的z-高度之上延伸。类似的处理可以在部分810中执行。基于通过照相机806检测到的标记的尺寸，可以确定部分810处的构建表面低于构建表面818的预期的或平均的z-高度。构建表面的拓扑结构可以基于估计的z-高度和/或可以基于多个标记的检测以及通过照相机检测到的标记的平均大小来确定。此外，在构建过程中，拓扑结构可以通过监测在x/y方向上的固定位置处的标记的大小的变化来确定。
如图6B所示，一旦确定构建表面的部分在z-方向上延伸得高于可接受的水平，则能量源810可以用于在部分822处喷丸和/或烧蚀构建物的表面。例如，激光喷丸可以用于移除融合的构建材料并将部分822的z-尺寸减小到更可接受的尺寸824和/或用于为后续添加构建材料准备表面。作为另一个示例，激光可以用于烧蚀表面以将部分822的z-尺寸减小到更可接受的尺寸824和/或用于为后续添加构建材料准备表面。
作为替代处理或与上述处理结合，所确定的拓扑结构可以用于自动地改变覆盖区域内具有反向拓扑结构和部分822处的高度(Zmax-Zmin)的部件的构建文件。例如，拓扑补偿构建可以附加在现有部件构建文件的下一个部分和/或其他部分处。例如，如果确定表面822在正确的z-高度之上延伸，则在后续层中，与正确的z-高度内的构建表面的区域(即，如图6C中的附图标记860所示)相比，更少的构建材料可以被添加和/或熔合到区域822(即，如图6C中的附图标记861所示)。
如图6C所示，构建表面810的下部分可以至少部分地被固化并在位置500B处首先通过构建单元重新涂覆。例如，在最低位置810处的固化和重新涂覆处理可以重复多次840A-C，在落入可接受的z-高度范围820内的构建表面的部分被固化并且由构建材料860重新涂覆之前。最低位置处的附加层的构建可以重复进行，直到构建表面成为统一层为止。然后，控制器可以被构造成当跨越构建表面的z-高度在可接受范围内时自动地继续物体的构建。
图7是示出根据本公开的一方面的构建表面校正处理的框图。在构建处理期间的某一点，能量源可以用于在步骤901处标记构建表面。标记的几何形状可以在步骤903中检测，并且基于检测到的几何形状确定标记是在可接受范围内905A还是在可接受范围以外905B。如果确定标记在可接受范围内，则构建可以继续进行和/或可以标记表面的另一部分以确定另一位置处的z-高度。如果确定标记的几何形状大于和/或小于可接受范围，则构建处理可以继续进行，然而，在步骤907处，可以在后续构建层中再次标记表面，并且可以确定尺寸中的变化以确定构建物的该部分的z-尺寸是高还是低。作为替代，可以基于单个标记和检测操作确定构建物的z-尺寸是高还是低。在确定构建物的部分是高还是低之后，可以在构建表面上的多个位置处重复该处理，并且可以映射构建层的拓扑结构。一旦映射了表面的拓扑结构，就可以使用上述任何一种方法，在步骤911处使用拓扑信息来改变部件的构建文件，以降低或消除构建物中的z-高度的变化。根据一个方面，在步骤911，计算机辅助设计(CAD)文件可以基于所确定的覆盖区域或构建表面的最低位置内的拓扑结构进行创建。控制器可以确定覆盖区域表面拓扑结构的最小和最大z-高度。通过确定覆盖区域表面拓扑结构的最小和最大z-高度，拓扑映射可以用于自动地改变覆盖区域内具有反向拓扑结构和高度(Zmax-Zmin)的部件的构建文件。当形成后续构建层时，可以附加并应用拓扑补偿构建物。
图8是示出根据本公开的一方面的构建表面校正处理的框图。在构建处理期间的某一点，能量源可以用于在步骤1001处标记构建表面。标记的几何形状可以在步骤1003中检测，并基于检测到的几何形状确定标记是在可接受范围内1005A还是在可接受范围以外1005B。如果确定标记在可接受范围内，则构建可以继续进行和/或可以标记表面的另一部分以确定另一位置处的z-高度。如果确定标记的几何形状大于和/或小于可接受范围，则构建处理可以继续进行，然而，在步骤1007处，可以在后续构建层中再次标记表面，并且可以确定尺寸中的变化以确定构建物的该部分的z-尺寸是高还是低。作为替代，可以基于单个标记和检测操作确定构建物的z-尺寸是高还是低。如果确定表面的z-高度是高1007B，则可以在步骤1008中在表面的高部分上进行喷丸处理和/或烧蚀处理。步骤1008可以在构建表面的所有高位置处重复和/或可以仅应用于构建表面的高于某个阈值z-值的部分。在确定构建的部分是高还是低之后，可以在构建表面上的多个位置处重复该处理，并且可以在步骤1009中映射构建层的拓扑结构。一旦映射了表面的拓扑结构，就可以使用上述任何一种方法，在步骤1011处使用拓扑信息来改变部件的构建文件以降低或消除构建物中z-高度的变化。根据一方面，在步骤1011中，计算机辅助设计(CAD)文件可以基于所确定的覆盖区域或构建表面的最低位置内的拓扑结构进行创建。控制器可以确定覆盖区域表面拓扑结构的最小和最大z-高度。通过确定覆盖区域表面拓扑结构的最小和最大z-高度，拓扑映射可以用于自动地改变覆盖区域内具有反向拓扑结构和高度(Zmax-Zmin)的部件的构建文件。当形成后续构建层时，可以附加并应用拓扑补偿构建物。
该书面描述使用示例来公开本发明，包括优选实施例，并且还使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。本发明的专利范围通过权利要求书限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这样的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没有实质性差异的等效结构元件，则它们意图在权利要求的范围内。所描述的各种实施例的方面以及每个这样的方面的其他已知等效物，可以通过本领域的普通技术人员混合和匹配，以根据本申请的原理构造附加实施例和技术。

Claims (20)

1.一种通过增材制造制造物体的方法，其特征在于，包括：
确定表面的形貌；以及
基于确定的所述形貌来修改增材制造处理，其中，确定所述表面的所述形貌包括：
使用汇聚能量源在所述表面上标记第一标记；
使用照相机确定标记的尺寸；以及
基于所述标记的所述尺寸确定所述第一标记的高度。
2.根据权利要求1所述的制造物体的方法，其特征在于，其中，所述增材制造处理进一步包括：
基于确定的所述形貌确定所述表面的凹陷区域的位置，
填充所述凹陷区域以减少构建表面的所述形貌的变化，其中所述凹陷区域中的填充包括：
(a)在所述构建表面的凹陷区域上沉积构建材料层；以及
(b)在所述表面的所述凹陷区域处融合至少一部分所述构建材料层；
(c)在所述构建表面的所述凹陷区域上沉积后续粉末层；以及
(d)重复步骤(a)-(c)，直到所述凹陷区域的所述填充完成。
3.根据权利要求2所述的制造物体的方法，其特征在于，其中在步骤(c)和(d)中的至少一个步骤之前，确定所述表面的拓扑结构，其中，确定所述表面的所述拓扑结构进一步包括：
使用所述汇聚能量源在所述表面上标记第二标记；
使用所述照相机确定所述第二标记的第二尺寸；以及
比较第一尺寸和所述第二尺寸。
4.根据权利要求1所述的制造物体的方法，其特征在于，其中，所述增材制造处理进一步包括：
基于确定的所述形貌确定所述表面的突出区域的位置；以及
对所述表面执行调平操作以减少所述构建表面的所述形貌的变化。
5.根据权利要求4所述的制造物体的方法，其特征在于，其中，所述调平操作包括：
将测量到的所述形貌的反向3D表示附加到所述物体的CAD文件中以生成定制CAD文件，并在构建所述物体时使用所述定制CAD文件以引导所述突出区域和所述突出区域周围的区域的所述填充。
6.根据权利要求4所述的制造物体的方法，其特征在于，其中，所述调平操作包括对所述突出区域执行烧蚀处理和喷丸处理中的至少一个。
7.根据权利要求1所述的制造物体的方法，其特征在于，其中，所述表面是粉末和箔中的至少一种。
8.根据权利要求2所述的制造物体的方法，其特征在于，其中，所述构建材料是粉末和箔中的至少一种。
9.一种在增材制造处理期间测量表面的形貌的方法，其特征在于，所述方法包括：
(a)使用汇聚能量源在表面上标记第一标记；
(b)使用照相机确定所述标记的尺寸；以及
(c)基于所述标记的所述尺寸确定所述第一标记的高度。
10.根据权利要求9所述的测量形貌的方法，其特征在于，其中，所述方法进一步包括：
(d)在所述表面上的多个位置处重复步骤(a)-(c)；以及
(e)比较在所述表面上的所述多个位置处的确定的所述标记的所述高度。
11.根据权利要求9所述的测量形貌的方法，其特征在于，其中，所述方法进一步包括：
(d)在多个表面上重复步骤(a)-(c)；以及
(e)比较在所述多个表面处的确定的所述标记的所述高度。
12.根据权利要求9所述的测量形貌的方法，其特征在于，其中，所述表面是粉末和箔中的至少一种。
13.根据权利要求11所述的测量表面的形貌的方法，其特征在于，其中，所述多个表面包括第一粉末层和在所述第一粉末层上的第二粉末层。
14.根据权利要求11所述的测量表面的形貌的方法，其特征在于，其中，所述多个表面包括第一箔层和在所述第一箔层上的第二箔层。
15.一种用于使计算机执行用于在增材制造设备期间确定表面的形貌的方法的存储程序的非暂时性计算机可读介质，其特征在于，所述方法包括：
(a)使用汇聚能量源在所述表面上标记第一标记；
(b)使用照相机确定所述标记的尺寸；以及
(c)基于所述标记的所述尺寸确定所述第一标记的高度。
16.根据权利要求15所述的用于使计算机执行用于在增材制造设备期间确定表面的形貌的方法的存储程序的非暂时性计算机可读介质，其特征在于，其中所述方法进一步包括：
(d)在所述表面上的多个位置处重复步骤(a)-(c)；以及
(e)比较在所述表面上的所述多个位置处的确定的所述标记的所述高度。
17.根据权利要求15所述的用于使计算机执行用于在增材制造设备期间确定表面的形貌的方法的存储程序的非暂时性计算机可读介质，其特征在于，其中所述方法进一步包括：
(d)在多个表面上重复步骤(a)-(c)；以及
(e)比较在所述多个表面处的确定的所述标记的所述高度。
18.根据权利要求15所述的用于使计算机执行用于在增材制造设备期间确定表面的形貌的方法的存储程序的非暂时性计算机可读介质，其特征在于，其中所述表面是粉末和箔中的至少一种。
19.根据权利要求15所述的用于使计算机执行用于在增材制造设备期间确定表面的形貌的方法的存储程序的非暂时性计算机可读介质，其特征在于，其中所述多个表面包括第一粉末层和在所述第一粉末层上的第二粉末层。
20.根据权利要求17所述的用于使计算机执行用于在增材制造设备期间确定表面的形貌的方法的存储程序的非暂时性计算机可读介质，其特征在于，其中，所述多个表面包括第一箔层和所述第一箔层上的第二箔层。
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