CN111491777B - 激光凝固设备中的过程中监控 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于通过材料的逐层固化来构建物体的激光固化设备。该激光固化设备包括：构建平台(102)，该构建平台用于支撑物体(103)和材料床(104)；光学模块(157)，该光学模块包括可移动导向元件(150)，该可移动导向元件用于引导激光束(118)以固化材料床(104)的材料；以及检测器模块(160)，该检测器模块包括传感器(161)，该传感器用于对从该材料床(104)发射并通过该光学模块(157)的可移动导向元件(150)传输到传感器(161)的辐射进行检测。该检测器模块(160)可移除地安装于该光学模块(157)。

Description

激光凝固设备中的过程中监控
技术领域
本发明涉及用于激光固化设备中的过程中监控的设备和方法，具体地涉及用于捕获通过激光固化设备(比如粉末床熔融设备)的光学扫描器的光学组件收集的传感器数据的设备和方法。
背景技术
激光凝固设备通过可流动材料的逐层凝固来生产零件。存在各种激光固化方法，包括比如选择性激光熔化(SLM)、选择性激光烧结(SLS)和立体光刻系统等材料床系统。
在选择性激光熔化中，在构建室中的粉末床上沉积粉末层，并且用激光束扫描粉末层的与正在构造的物体的截面(剖切面)相对应的这部分。激光束将粉末熔化或烧结以便形成固化的层。在层的选择性固化之后，使粉末床降低了新固化的层的厚度，并且根据需要在表面上铺展另一层粉末并使其固化。在单一构建中，可以构建不只一个物体，这些零件在粉末床中间隔开。
典型地使用包括一对倾斜的反射镜的光学扫描仪使激光束扫过粉末床，每个倾斜反射镜在振镜的控制下旋转。换能器被布置用于测量反射镜/振镜的位置以用于控制反射镜位置。以此方式，可以实现需求位置。
WO 2007/147221 A1披露了一种选择性激光熔化设备，该设备包括用于用激光束扫描粉末表面的扫描仪、以及用于捕获由熔化区发射并通过扫描仪的光学系统传输的辐射的空间分辨的检测器(例如CCD或CMOS相机)或集成检测器(例如具有大的有源区域的光电二极管)。
WO 2015/040433披露了一种激光固化设备，该激光固化设备包括光谱仪，该光谱仪用于检测在由激光束进行的粉末固化期间形成的等离子体所发射的特征辐射。
这种系统的问题在于，需要在使用现场将测量装置对准而使其与激光束同轴，并且改变测量装置是困难且非常复杂的，通常需要操作者破坏光学模块的激光安全壳体。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种用于通过材料的逐层固化来构建物体的激光固化设备，该激光固化设备包括：构建平台，该构建平台用于支撑该物体和材料床；光学模块，该光学模块包括可移动导向元件，该可移动导向元件用于引导激光束以对该材料床的材料进行固化；以及检测器模块，该检测器模块包括传感器，该传感器用于对从该材料床发射并通过该光学模块的可移动导向元件传输到该传感器的辐射进行检测，其中，该检测器模块可移除地安装于该光学模块。
以这样的方式，检测器模块可以从激光固化设备中移除以进行清洁、测试、维护或更换，而无需拆卸光学模块。特别地，该光学模块可以包括光学模块壳体，该光学模块壳体包含该可移动导向元件，该光学模块壳体中具有出口孔，由该可移动导向元件将该材料床发射的辐射传输通过该出口孔，并且该检测器模块包括检测器模块壳体，该检测器模块壳体包含该传感器，该检测器模块壳体中具有接收孔，该接收孔被布置用于在该检测器模块被安装在该光学模块上时接收从该光学模块壳体中的该出口孔传输的辐射。
该检测器模块和该光学模块中的一个可以包括围绕该接收孔/出口孔的密封件，该密封件用于与该光学模块和该检测器模块中的另一个接合，以便对从该光学模块到该检测器模块的辐射的传输路径进行密封以免受灰尘和/或环境光的影响。
该光学模块壳体可以包括滤光器，该滤光器用于阻挡该激光束波长的光通过该出口孔传出。这样可以允许安全地移除检测器模块，而不会使操作者暴露在潜在有害的激光下。光学模块壳体和检测器模块壳体可以是单独的防尘壳体。
该光学模块可以包括控制器，该控制器包括接口，该接口被布置为可释放地与该检测器模块的电子输出联接而使得该控制器能够从该检测器模块的该传感器接收传感器信号。该控制器可以被布置为形成数据包，该数据包包括被发送到该光学模块或由该光学模块生成的控制数据或测量数据、以及基于从该检测器模块接收的该传感器信号的传感器数据。控制数据可以包括需求位置，这些需求位置被发送到控制器以用于设置可移动导向元件的位置。控制器还可以进一步被布置为从激光固化设备的主控制器接收控制数据。测量数据可以包括由换能器测量的导向元件的位置和/或比如激光调制和/或激光束强度等激光束的测量参数。数据包可以替代性地或附加地包括基于从检测器模块接收的传感器信号的传感器数据、以及可以用于将传感器数据与控制数据和/或测量数据相关联的比如时间戳等标识符。数据包可以如WO2017/085469中所描述的那样。以这样的方式，在使用中，用于可移除的检测器模块的传感器信号被集成到光学模块的控制和报告过程中，并且与其来源附近的相对应的数据结合，以使由于激光固化设备中的数据通信方面的延迟而可能发生的误差最小化。
该检测器模块和该光学模块可以包括互补安装形成部，该互补安装形成部用于在安装位置将该检测器模块可移除地安装在该光学模块上。
该检测器模块可以进一步包括比如挠曲件等调整机构，该调整机构用于调整该传感器的光轴的关于该安装位置的相对位置。调整机构可以包括平移光学安装件，比如物镜等光学元件安装在该光学安装件中。在使用中，光学元件位置的调整可以调整光学元件相对于检测器模块安装位置的位置，并且因此调整传感器上辐射的焦点位置。
该互补安装形成部可以被布置用于在可重复安装位置将该检测器模块可移除地安装在该光学模块上。在连续的安装中，检测器模块在光学模块上的位置可以是可充分重复的，使得一旦传感器已经与激光束的光轴对准，例如使用调整机构，检测器模块就可以被移除并被重新安装在光学模块上，而不需要与传感器的光轴重新对准。该位置可以在100微米或更小、优选地50微米或更小、并且最优选地10微米或更小的范围内是可重复的。该互补安装形成部可以形成运动学或伪运动学安装件。
检测器模块可以进一步包括可移除的盖，该可移除的盖可附接于检测器模块以覆盖接收孔。该盖可以包括安装形成部，这些安装形成部与用于将检测器模块与光学模块附接的相同的安装形成部相配合，以使盖与检测器模块附接。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于根据本发明的第一方面的激光固化设备的检测器模块，该检测器模块包括传感器，该传感器用于对从该材料床发射并通过该光学模块的可移动导向元件传输到该传感器的辐射进行检测，其中，该检测器模块可移除地安装于该光学模块。
根据本发明的第三方面，提供了一种用于根据本发明的第一方面所述的激光固化设备的检测器模块套件，该检测器模块套件包括可移除地安装于该激光固化设备的多个检测器模块，该多个检测器模块中的每个检测器模块包括传感器，该传感器被布置用于对从该材料床发射并通过该光学模块的可移动导向元件传输到该传感器的辐射的不同特性进行测量。例如，不同特性可以是辐射的不同波段、辐射的空间或光谱色散、或视场上的积分强度。
该套件可以允许操作者选择和安装最适合将要发生的选择性激光固化过程的检测器。例如，对于不同材料的加工，可能需要不同的传感器设置，例如被布置为对局限于特定材料的波段特性的光进行检测的设置。检测器模块中的不同的检测器模块可以包括用于过滤掉不同波长的光的不同滤光器。此外，包括用于测量光谱和/或空间色散的比如CCD或CMOS相机等传感器的检测器模块可以用于激光固化设备的初始设置和/或维护，例如使用如PCT/GB 2017/051137中所述的方法使多个激光器对准，而一旦完成初始设置，比如光电二极管等集成传感器就可以用于进行过程中监控。用于测量光谱和/或空间色散的传感器可以用于材料开发和/或部件的构建的开发，而集成传感器可以用于在开发阶段之后监控已建立的构建。在激光凝固过程中，很少会在首次尝试时成功完成构建，并且通常必须执行多个开发构建来细化该过程。在这个开发阶段期间，关于辐射的附加信息可能是有益的。然而，一旦已经建立了确立的构建过程，检测器模块就可以用于不同的目的，例如检查构建是否保持在可接受的过程变化之内，并且为此目的，集成检测器可能就足够了。
根据本发明的第四方面，提供了一种对根据本发明的第一方面所述的激光固化设备进行组装的方法，该方法包括：将该检测器模块安装于该光学模块和/或试验台，当被安装在该光学模块和/或试验台上时使该传感器的光轴与设定对准位置对准，从该光学模块和/或试验台上移除该检测器模块以进行维护和/或运输，以及将该检测器模块安装或重新安装在该光学模块上，同时该传感器处于该设定对准位置，使得该检测器模块准备好在激光固化过程期间记录传感器信号。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的粉末床熔融设备的示意图；
图2是根据本发明的实施例的检测器模块的透视图；
图3是根据本发明的实施例的光学模块的透视图，其中已将罩移除；
图4是根据本发明的实施例的检测器模块和光学模块的安装形成部的侧视图；
图5a和图5b是图4所示的安装形成部的特写；
图6是用于对物镜的位置进行调整的调整机构的透视图；
图7是根据本发明另一实施例的检测器模块的透视图；
图8是连接到光学模块的图7所示的检测器模块的侧视图；
图9a和图9b是图8的检测器模块的上部安装形成部的平面图；以及
图10是检测器模块的下部安装形成部的透视图。
具体实施方式
参考图1至图3，根据本发明的实施例的增材制造设备包括构建室101，该构建室中具有提供了可以在其上沉积粉末的表面的顶板115、以及构建平台102可在其中移动的构建套管117。构建套管117和构建平台102限定了由选择性激光熔化粉末104在其中构建物体103的构建体积116。构建平台102在构建期间支撑物体103和粉末床104。随着物体103的连续层的形成，平台102在马达119的控制下在构建套管117内下降。
当通过使平台102降低并使用刮拭器109将从分配设备108分配的粉末摊开来构建物体103时，形成粉末层。例如，分配设备108可以是如在WO 2010/007396中所描述的设备。
至少一个激光模块(在本实施例中为激光模块105)产生用于熔化粉末104的激光118。根据需要由相对应的光学模块157来引导激光118。激光118经由窗口107进入室101中。在本实施例中，激光模块105包括比如Nd YAG光纤激光器等光纤激光器。激光束从上方进入光学模块157，并且通过可移动的可倾斜反射镜150a、150b(图1仅示出其中一个)引导到粉末床104的表面上。反射镜150中的一个是可倾斜的以使激光束在X方向上转向，并且可倾斜反射镜150中的另一个是可倾斜的以使激光束在与X方向垂直的Y方向上转向。每个可倾斜反射镜150a、150b的移动是由振镜151a、151b来驱动的。每个振镜的位置由换能器测得。在此实施例中，该换能器符合US 5844673中描述的换能器。光学模块157进一步包括用于对相对应的激光束的焦距进行调整的可移动聚焦光学件155。分束器156引导从输入部到可倾斜反射镜150的激光波长的光，并且经由出口孔158将从粉末床104发射的其他波长的光传输到检测器模块160。滤光器(未示出)设置在孔158的正前方，以过滤掉激光波长的光，使得激光波长的光不能从出口孔158中传出。
绕孔158安装的是检测器模块连接板159。连接板159包括呈狭槽152a、152b、152c和152d形式的四个安装形成部，用于接收检测器模块160的呈销164a、164b、164c和164d形式的安装形成部，如以下更详细地描述的那样。
罩(未示出)装配在光学部件150a、150b、155、156上，以提供不透光的且防尘的壳体。
光学模块进一步包括集成光学模块控制单元180，该控制单元具有用于与主控制器140和检测器模块160通信的通信接口。在本实施例中，接口经由可释放电缆162连接到检测器模块160的接口。
检测器模块160包括至少一个检测器，该检测器用于对从光学模块157传输到检测器模块160的辐射进行检测。在本实施例中，检测器是用于对所传输的光的累积强度进行检测的光电检测器161。然而，在其他实施例中，检测器可以替代性地或附加地包括另一个光电检测器、PSD、CCD或CMOS相机和/或光谱仪。
辐射经由检测器模块160的接收入口(在本实施例中呈物镜163的形式)进入检测器模块。如图6所示，物镜163安装在呈挠曲件形式的调整机构166中，用于相对于检测器模块160在光学模块157上的安装位置来调整物镜的位置。
检测器模块160经由四个安装销164a、164b、164c、164d安装到光学模块157上，这些安装销装配到光学模块157上的狭槽152a、152b、152c、152d中。狭槽152a和152b具有第一截面形状(如图5a所示)，并且狭槽152c和152d具有第二截面形状(如图5b所示)。第二截面形状是略呈V形的截面，其曲率半径小于相对应的销164c、164d的曲率半径。以这样的方式，每个销164c、164d在被推入相对应的狭槽152c、152d时与狭槽152c、15d的任一侧上的两个接触点接合，限定了五个自由度上的位置(但没有限定围绕销164c、164d旋转的位置)。第一截面形状为具有一定深度和宽度的U形的形状，使得容纳在其中的销164a、164b在销164c、a64d与其对应的狭槽152c、152d的侧壁接合之前将不会与U形截面的谷部接合，使得不会过度限制检测器模块的安装。然而，当安装在光学模块157上时，销164a、164b与U形截面的后表面接合，以限定相对于销164c、164d的旋转轴线的位置。以这样的方式，当检测器模块160被安装在光学模块157上时，销164a、164b、164c、164d和狭槽152a、152b、152c、152d限定了检测器模块160相对于该光学模块在六个自由度上的安装位置。对于检测器模块160在光学模块157上的移除及重新安装而言，该位置是可重复的。
通过螺栓167迫使检测器模块160进入这个限定的安装位置，该螺栓与连接板159的表面接合，以将销164a、164b、164c、164d推入到狭槽152a、152b、152c、152d中。
密封件168设置在接收孔163周围，并且被布置为与连接板159接合，以在光学模块157的出口孔158与检测器模块160的接收孔163之间提供防尘且不透环境光的密封件。
当安装检测器模块160和/或将其从光学模块157移除时，设置手柄165以供操作者抓握。
主控制器140与增材制造设备的模块(即激光模块105、光学模块157、构建平台102、分配设备108、刮拭器109以及控制器180)通信。控制器140基于构建文件中的命令来对模块进行控制。
如在WO 2017/085469中所描述的，由光学模块157和检测器模块160中的传感器生成的传感器值被发送到控制器180，并且每个传感器值与和生成传感器值的时间相对应的时间戳相关联。光学模块可以包括用于测量可倾斜反射镜150a、150b的位置的换能器，并且这些测量位置可以与来自检测器模块160的传感器值和时间戳一起打包并作为数据包递送到主控制器140，如未决的UK专利申请1707807.2中所描述的，该申请通过援引并入本文。
在选择性激光熔化设备的初始设置期间，通过将检测器模块160安装在光学模块160或试验台上而使检测器模块160与光学模块157的光轴对准，该光学模块或试验台包括相对应的安装特征以及物镜的位置，该物镜被调整为使所收集的辐射集中在检测器模块160中的传感器上。如果这是制造后的第一次对准，则检测器模块160可以在制造地点对准、随后被移除以便运送到将会使用粉末床熔融设备的地点，在这里该检测器模块随后被安装到/返回到光学模块157上，并且可能不需要对光学件进行重新对准。以这样的方式，在使用地点可能不需要在光学件的对准方面熟练的人员。在使用期间，可能需要对检测器模块160进行维护，例如从检测器模块160的表面清除灰尘和其他污垢。为此，可以将检测器模块160从光学模块157上移除以便进行清洁，随后对其进行重新安装。可能不需要在重新安装检测器模块160时对光学件进行重新对准，这是因为配合的安装形成部164a、164b、164c、164d、152a、152b、152c、152d确保检测器模块160被重新安装在与光学件对准的安装位置充分接近的安装位置。
图7至图10示出了根据本发明的另一实施例的检测器模块260。已经对第二实施例的与第一实施例的特征相同或相似或执行类似功能的特征给出了相同的附图标记，但是用系列200给出。本实施例与第一实施例的不同之处在于，使用不同形式的安装形成部来使检测器模块260在光学模块257上具有可重复的安装位置。在本实施例中，检测器模块260上的安装形成部包括在检测器模块260的顶部处的两个L形突起264a和264b、以及在检测器模块260的底部处的两个成角度的表面264c、264d。
光学模块257包括用于接收L形安装形成部264a和264b的形状相对应的凹部252a、252b。L形突起246a和264b包括穿其而过的用于接收螺栓267a、267b的孔290a、290b，这些螺栓与凹部252a、252b中的螺纹孔接合。在本实施例中，孔290a具有大致正方形的截面，并且孔290b具有五边形的截面。螺栓267a、267b的圆形头部的成角度的表面(在本实施例中与图9a和图9b中示出的平面成45度)与孔290a、290b的相对应地成角度的表面接合。
在光学模块257的底部设置了楔形的突起252c、252d，用于与成角度的表面264c、264d接合，这些接触表面与螺栓267a、267b和孔290a、290b的接触表面垂直。
因此，安装形成部264a、264b、264c、264d、252a、252b、252c、252d限定了检测器模块260的安装位置，使得检测器模块260在从光学模块257上移除并随后重新安装之后返回到这个安装位置。
在一个实施例中，提供了包括多个检测器模块160、260的套件，多个检测器模块中的每个检测器模块160、260包括用于对传输到检测器模块160、260的辐射的不同特性进行检测的不同的传感器布置。在一个实施例中，多个检测器模块包括：至少一个第一检测器模块160、260，该至少一个第一检测器模块包括两个光电检测器，一个光电检测器用于检测可见光，并且第二个光电检测器用于检测红外光谱中的光；至少一个第二检测器模块，该至少一个第二检测器模块包括用于对传输到检测器模块160、260的辐射的位置进检测的位置敏感装置(PSD)；以及至少一个第三检测器模块160、260，该至少一个第三检测器模块包括用于对多个不同波长下的辐射强度进行测量的光谱仪。
应当理解的是，在不背离本文所限定的本发明的范围的情况下，可以对上述实施例进行改变和修改。

Claims (14)

1.一种用于通过材料的逐层固化来构建物体的激光固化设备，所述激光固化设备包括：构建平台(102)，所述构建平台用于支撑所述物体(103)和材料床；光学模块(157，257)，所述光学模块包括可移动导向元件，所述可移动导向元件用于引导激光束(118)以对所述材料床的材料进行固化；以及检测器模块(160，260)，所述检测器模块包括传感器，所述传感器用于对从所述材料床发射并通过所述光学模块(157，257)的可移动导向元件传输到所述传感器的辐射进行检测，其中，所述检测器模块(160，260)可移除地安装于所述光学模块(157，257)，其特征在于，所述光学模块(157，257)包括控制器(180)，所述控制器包括接口，所述接口被布置为可释放地与所述检测器模块(160，260)的电子输出联接而使得所述控制器(180)能够从所述检测器模块(160，260)的所述传感器接收传感器信号，并且所述控制器(180)被布置为形成数据包，所述数据包包括被发送到所述光学模块(157，257)的所述控制器以用于设定所述可移动导向元件的位置的需求位置以及基于从所述检测器模块(160，260)接收的所述传感器信号的传感器数据，所述数据包用于所述激光固化设备的所述光学模块的数据通信。
2.一种用于通过材料的逐层固化来构建物体的激光固化设备，所述激光固化设备包括：构建平台(102)，所述构建平台用于支撑所述物体(103)和材料床；光学模块(157，257)，所述光学模块包括可移动导向元件，所述可移动导向元件用于引导激光束(118)以对所述材料床的材料进行固化；以及检测器模块(160，260)，所述检测器模块包括传感器，所述传感器用于对从所述材料床发射并通过所述光学模块(157，257)的可移动导向元件传输到所述传感器的辐射进行检测，其中，所述检测器模块(160，260)可移除地安装于所述光学模块(157，257)，其中，所述光学模块(157，257)包括用于测量所述导向元件的位置的换能器和控制器(180)，所述控制器(180)具有接口，所述接口被设置成可释放地连接到所述检测器模块(160，260)的电子输出从而使得所述控制器(180)能从所述检测器模块(160，260)的传感器接收传感器信号，并且所述控制器(180)被布置为形成数据包，所述数据包包括由所述换能器测量的导向元件的位置、以及基于从所述检测器模块(160，260)接收的所述传感器信号的传感器数据，所述数据包用于所述激光固化设备的所述光学模块的数据通信。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的激光固化设备，其中，所述控制器(180)被布置为形成数据包以及能够用于将所述传感器数据与控制数据和/或测量数据相关联的标识符。
4.根据权利要求3所述的激光固化设备，其中，所述标识符包括时间戳。
5.根据权利要求1至2中任一项所述的激光固化设备，其中，所述检测器模块(160，260)和所述光学模块(157，257)包括互补安装形成部，所述互补安装形成部用于在安装位置将所述检测器模块(160，260)可移除地安装在所述光学模块(157，257)上。
6.根据权利要求5所述的激光固化设备，其中，所述检测器模块(160)进一步包括调整机构(166)，所述调整机构用于将所述传感器的光轴的相对位置调整到所述安装位置。
7.根据权利要求5所述的激光固化设备，其中，所述互补安装形成部被布置用于在可重复安装位置将所述检测器模块(160，260)可移除地安装在所述光学模块(157，257)上。
8.根据权利要求7所述的激光固化设备，其中，所述互补安装形成部形成运动学或伪运动学安装件。
9.根据权利要求1至2中任一项所述的激光固化设备，其中，所述光学模块(157，257)包括光学模块壳体，所述光学模块壳体包含所述可移动导向元件，所述光学模块壳体中具有出口孔(158)，由所述可移动导向元件将所述材料床发射的辐射传输通过所述出口孔，并且所述检测器模块(160，280)包括检测器模块壳体，所述检测器模块壳体包含所述传感器，所述检测器模块壳体中具有接收孔(163)，所述接收孔被布置为在所述检测器模块(160，260)被安装在所述光学模块(157，257)上时接收从所述光学模块壳体中的所述出口孔(158)传输的辐射。
10.根据权利要求9所述的激光固化设备，其中，所述检测器模块(160，260)和所述光学模块(157，257)中的一个包括围绕所述接收孔(163)/出口孔(158)的密封件(168)，所述密封件用于与所述光学模块(157，257)和所述检测器模块(160，260)中的另一个接合，以便对从所述光学模块(157，257)到所述检测器模块(160，260)的辐射的传输路径进行密封以免受灰尘和/或环境光的影响。
11.根据权利要求9所述的激光固化设备，其中，所述光学模块壳体包括滤光器，所述滤光器用于阻挡所述激光束(118)波长的光通过所述出口孔(158)传出。
12.一种用于根据权利要求1至11中任一项所述的激光固化设备的检测器模块，所述检测器模块(160，260)包括传感器，所述传感器用于对从所述材料床发射并通过所述光学模块的可移动导向元件传输到所述传感器的辐射进行检测，其中，所述检测器模块可移除地安装于所述光学模块。
13.一种用于根据权利要求1至11中任一项所述的激光固化设备的检测器模块套件，所述检测器模块套件包括可移除地安装于所述激光固化设备的多个检测器模块(160，260)，所述多个检测器模块中的每个检测器模块(160，260)包括传感器，所述传感器被布置用于对从所述材料床发射并通过所述光学模块(157，257)的可移动导向元件传输到所述传感器的辐射的不同性质进行测量。
14.一种对根据权利要求1至11中任一项所述的激光固化设备进行组装的方法，所述方法包括：将所述检测器模块(160，260)安装于所述光学模块(157，257)和/或试验台，当被安装在所述光学模块(157，257)和/或试验台上时使所述传感器的光轴与设定对准位置对准，从所述光学模块(157，257)和/或试验台上移除所述检测器模块(160，260)以进行维护和/或运输，以及将所述检测器模块(160，260)安装或重新安装在所述光学模块(157，257)上，同时所述传感器处于所述设定对准位置，使得所述检测器模块(160，260)准备好在激光固化过程期间记录传感器信号。
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