CN111565917B - 用于增材制造校准的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种增材制造系统，该增材制造系统包括固结装置，构建平台，光学检测器和控制器。固结装置被构造为形成部件的构建层。构建平台被构造为围绕沿着第一方向延伸的构建平台旋转轴线旋转。光学检测器被构造为检测至少两个对准标记的位置。控制器被构造为从光学检测器接收至少两个对准标记的位置。控制器还被构造为基于至少两个对准标记之间的比较来确定构建平台旋转轴线和构建平台旋转中心点的位置，其中，构建平台旋转中心点位于构建平台旋转轴线上。控制器进一步被构造为控制固结装置以在构建平台上固结多个颗粒。

Description

用于增材制造校准的系统和方法
技术领域
本文描述的主题大体涉及增材制造系统，并且更具体地涉及包括校准设备的旋转增材制造系统。
背景技术
至少一些增材制造系统涉及颗粒材料的固结以制造部件。这样的技术有助于以降低成本和提高制造效率的方式用昂贵的材料生产复杂的部件。至少一些已知的增材制造系统(例如直接金属激光熔化(DMLM)，选择性激光熔化(SLM)，直接金属激光烧结(DMLS)和
Figure BDA0002574885230000011
系统)使用聚焦能量源(例如激光装置或电子束发生器)，构建平台以及颗粒(例如但不限于粉末金属)来制造部件。(LaserCusing是德国利希滕费尔斯的ConceptLaser GmbH的注册商标)。在至少一些增材制造系统中，构建平台相对于固结装置绕构建平台中心轴线旋转，同时由固结装置发射的激光束扫描颗粒材料的构建层。但是，在至少一些已知的系统中，必须至少部分地基于构建平台中心轴线的位置和位于构建平台中心轴线上的构建层旋转中心点来校准旋转增材制造系统。旋转增材制造系统中的部件的固结至少部分取决于构建平台中心轴线和构建层旋转中心点的确定，以防止在部件内形成接缝和对准缺陷，该确定可能需要大量时间。
发明内容
在一个方面，提供了一种增材制造系统。该增材制造系统包括至少一个固结装置，构建平台，光学检测器和控制器。至少一个固结装置被构造为形成部件的构建层。构建平台被构造为围绕沿着第一方向延伸的构建平台旋转轴线旋转。光学检测器被构造为检测至少两个对准标记的位置，该至少两个对准标记位于构建平台和构建层中的至少一个上。控制器包括处理装置和联接到处理装置的存储器装置。控制器被构造为从光学检测器接收至少两个对准标记的位置。控制器还被构造为基于至少两个对准标记之间的比较来确定构建平台旋转轴线和构建平台旋转中心点的位置，其中，构建平台旋转中心点位于构建平台旋转轴线上。控制器进一步被构造为至少部分地基于所确定的构建平台旋转轴线和所确定的构建平台旋转中心点的位置控制至少一个固结装置，以在构建平台上固结多个颗粒中的至少一部分。
在另一方面，提供了一种用于增材制造系统中的控制器。该增材制造系统包括至少一个固结装置和构建平台，该构建平台被构造为围绕沿着第一方向延伸的构建平台旋转轴线旋转，其中，至少一个固结装置被构造为形成部件的构建层。控制器包括处理装置和联接到处理装置的存储器装置。控制器被构造为从光学检测器接收至少两个对准标记的位置，该光学检测器被构造为检测至少两个对准标记的位置，该至少两个对准标记位于构建平台和构建层中的至少一个上。控制器还被构造为基于至少两个对准标记的位置之间的比较来确定构建平台旋转轴线和构建平台旋转中心点的位置，其中，构建平台旋转中心点位于构建平台旋转轴线上。控制器进一步被构造为至少部分地基于所确定的构建平台旋转轴线和所确定的构建平台旋转中心点的位置来控制至少一个固结装置，以在构建平台上固结多个颗粒中的至少一部分。
在又一方面，提供了一种使用增材制造系统制造部件的方法。该方法包括围绕构建平台旋转轴线相对于光学检测器旋转构建平台。该方法还包括使用光学检测器检测至少两个对准标记的位置，该至少两个对准标记位于构建平台和构建平台上的部件的构建层中的至少一个上。该方法进一步包括由控制器接收至少两个对准标记的位置。该方法包括基于至少两个对准标记之间的比较，由控制器确定构建平台旋转轴线和构建平台旋转中心点的位置。该方法还包括至少部分地基于所确定的构建平台旋转轴线和所确定的构建平台旋转中心点的位置，由控制器控制至少一个固结装置以在构建平台上固结多个颗粒中的至少一部分，以形成部件的至少一个构建层。
附图说明
当参考附图阅读以下详细描述时，将更好地理解本公开的这些和其他特征，方面和优点，其中在整个附图中，相同的字符表示相同的部分，其中：
图1是示例性旋转增材制造系统的示意图；
图2是可用于操作图1所示的旋转增材制造系统的控制器的框图；
图3是图1所示的示例性旋转增材制造系统的平面示意图，示出了多个示例性对准标记；
图4是图3所示的区域3的放大平面示意图，示出了重叠的图3所示的多个对准标记；
图5是图1所示的旋转增材制造系统的平面示意图，示出了另一多个对准标记；
图6是图1所示的旋转增材制造系统的平面示意图，示出了图3所示的对准标记的示例性多个替代实施例；
图7是图6所示的构建平台的一部分的俯视图，示出了图6所示的替代对准标记的第一类未对准；
图8是图6所示的构建平台的一部分的俯视图，示出了图6所示的替代对准标记的第二类未对准；
图9是图1所示的旋转增材制造系统的平面示意图，示出了图6所示的对准标记的替代实施例；
图10是图9所示的区域9的放大平面示意图，示出了图9所示的替代对准标记；和
图11是可用于使用图1所示的旋转增材制造系统来制造部件的示例性方法的流程图。
除非另外指出，否则本文提供的附图旨在说明本公开的实施例的特征。相信这些特征可应用于包括本公开的一个或多个实施例的多种系统中。这样，附图并不意味着包括本领域普通技术人员已知的实践本文公开的实施例所需的所有常规特征。
具体实施方式
在下面的说明书和权利要求书中，将参考多个术语，这些术语应被限定为具有以下含义。
除非上下文另外明确指出，否则单数形式“一个”，“一种”和“该”包括复数指代。
“可选的”或“可选地”是指随后描述的事件或情况可能会或可能不会发生，并且该描述包括事件发生的实例和事件未发生的实例。
如本文在整个说明书和权利要求书中所使用的，近似语言可以用于修饰可以允许变化的任何定量表示，而不会导致与其相关的基本功能发生变化。因此，由诸如“约”，“基本上”和“大约”的术语修饰的值不限于所指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可以对应于用于测量值的仪器的精度。在此以及整个说明书和权利要求书中，可以组合和/或互换范围限制，除非上下文或语言另有指示，否则这种范围被识别并且包括其中包含的所有子范围。
如本文所使用的，术语“处理器”和“计算机”以及相关术语(例如“处理装置”，“计算装置”和“控制器”)不仅限于本领域中称为计算机的那些集成电路，而是广泛地指微控制器，微型计算机，可编程逻辑控制器(PLC)和专用集成电路以及其他可编程电路，并且这些术语在本文中可以互换使用。在本文所述的实施例中，存储器可以包括但不限于计算机可读介质(诸如随机存取存储器(RAM))，计算机可读非易失性介质(诸如闪存)。替代地，也可以使用软盘，光盘–只读存储器(CD-ROM)，磁光盘(MOD)和/或数字多功能盘(DVD)。而且，在本文描述的实施例中，附加的输入通道可以是但不限于与操作员接口(诸如鼠标和键盘)相关联的计算机外围设备。替代地，也可以使用其他计算机外围设备，其可以包括例如但不限于扫描仪。此外，在示例性实施例中，附加的输出通道可以包括但不限于操作员接口监视器。
此外，如本文所使用的，术语“软件”和“固件”是可互换的，并且包括存储在存储器中的由个人计算机，工作站，客户端和服务器执行的任何计算机程序。
如本文所使用的，术语“非暂时性计算机可读介质”旨在表示以任何技术方法实施的，用于信息(诸如计算机可读指令，数据结构，程序模块和子模块或任何装置中的其他数据)的短期和长期存储的任何有形的基于计算机的装置。因此，本文描述的方法可以被编码为体现在有形非暂时性计算机可读介质(包括但不限于存储装置和/或存储器装置)中的可执行指令。当这种指令由处理器执行时，使处理器进行本文所述方法的至少一部分。此外，如本文所使用的，术语“非暂时性计算机可读介质”包括所有有形的计算机可读介质(包括但不限于非暂时性计算机存储装置，包括但不限于易失性和非易失性介质)，以及可移动和不可移动介质(例如固件，物理和虚拟存储装置，CD-ROMS，DVD以及任何其他数字源，例如网络或因特网，以及尚未开发的数字方式，唯一的例外是暂时性传播信号)。
此外，如本文中所使用的，术语“实时”是指相关联事件的发生时间，预定数据的测量和收集时间，处理数据的时间，以及系统响应事件和环境的时间中的至少一个。在本文所述的实施例中，这些活动和事件基本上是瞬时发生的。
本文所述的系统和方法包括增材制造系统，该增材制造系统包括至少一个固结装置，构建平台，光学检测器以及控制器。至少一个固结装置被构造为固结多个颗粒中的至少一部分以形成部件的构建层。构建平台被构造为围绕沿着第一方向延伸的构建平台旋转轴线旋转。光学检测器被构造为检测至少两个对准标记的位置，该至少两个对准标记位于构建平台和构建层中的至少一个上。控制器包括处理装置和联接到处理装置的存储器装置。控制器被构造为从光学检测器接收至少两个对准标记的位置，并基于至少两个对准标记之间的比较来确定构建平台旋转轴线和构建平台旋转中心点的位置，其中，构建平台旋转中心点位于构建平台旋转轴线上。控制器还被构造为至少部分地基于所确定的构建平台旋转轴线和所确定的构建平台旋转中心点来控制至少一个固结装置，以在构建平台上固结多个颗粒中的至少一部分。本文所述的增材制造系统有利于通过减少设置时间来提高系统效率，通过提高系统校准精度来改善部件质量，并且降低增材制造部件的成本。
增材制造处理和系统包括例如但不限于，还原光聚合，粉末床熔融，粘合剂喷射，材料喷射，片层压，材料挤压，定向能量沉积和混合系统。这些处理和系统包括例如但不限于，SLA–光刻设备，DLP–数字光处理，3SP–扫描，旋转和选择性光固化，CLIP–连续液体界面生产，SLS–选择性激光烧结，DMLS–直接金属激光烧结，SLM–选择性激光熔化，EBM–电子束熔化，SHS–选择性热烧结，MJF–多喷射熔融，3D打印，Voxeljet，Polyjet，SCP–平滑曲率打印，MJM–多喷射建模Projet，LOM–层压制品制造，SDL–选择性沉积层压，UAM–超声增材制造，FFF–熔融长丝制造，FDM–熔融沉积建模，LMD–激光金属沉积，LENS–激光工程网成形，DMD–直接金属沉积，混合系统，以及这些处理和系统的组合。这些处理和系统可以采用例如但不限于所有形式的电磁辐射，加热，烧结，熔化，固化，粘合，固结，压制，嵌入及其组合。
增材制造处理和系统采用的材料包括例如但不限于聚合物，塑料，金属，陶瓷，沙，玻璃，蜡，纤维，生物物质，复合材料以及这些材料的混合物。这些材料可以以适合于给定材料和处理或系统的各种形式用于这些处理和系统中，这些材料包括例如但不限于液体，固体，粉末，片，箔，带，细丝，颗粒，液体，浆液，金属丝，雾化，糊状物以及这些形式的组合。
图1是示例性旋转增材制造系统10的示意图。坐标系12包括X轴，Y轴和Z轴，这三个轴彼此正交。在该示例性实施例中，旋转增材制造系统10包括固结装置14，该固结装置14包括用于使用逐层制造处理来制造部件24的激光装置16，扫描马达18，扫描镜20以及扫描透镜22。旋转增材制造系统10还包括光学检测器23，该光学检测器23被构造为检测位于构建平台38和部件24中的至少一个上的至少两个对准标记25的位置。替代地，固结装置14可以包括使用本文所述的处理和系统中的任何一项来促进材料固结的任何部件。激光装置16提供构造成使用能量束28在粉末材料中生成熔池26(未按比例显示)的高强度热源。激光装置16包含在联接到安装系统32的壳体30内。旋转增材制造系统10还包括计算机控制系统或控制器34。
安装系统32由致动器或致动器系统36移动，该致动器或致动器系统36被构造为在X方向，Y方向和Z方向上移动安装系统32，以与扫描镜20协作以利于制造旋转增材制造系统10内的部件24的层。例如但不限于，安装系统32绕中心点枢转，在线性路径、弯曲路径上移动和/或旋转以覆盖圆形构建平台38上的粉末的一部分，以利于沿着构建层44的多个颗粒45的表面引导能量束28，以形成部件24的层。替代地，壳体30和能量束28以使旋转增材制造系统10能够如本文所述起作用的任何取向和方式移动。
扫描马达18由控制器34控制，并被构造为移动镜20，使得能量束28被反射以沿着沿构建平台38的预定路径(例如但不限于，线性和/或旋转扫描路径40)入射。在示例性实施例中，扫描马达18和扫描镜20的组合形成二维扫描振镜。替代地，扫描马达18和扫描镜20可包括三维(3D)扫描振镜，动态聚焦振镜和/或可用于偏转激光装置16的能量束28的任何其他方法。
在示例性实施例中，构建平台38通过致动器系统36沿着旋转方向42绕构建平台旋转轴线39旋转，以利于颗粒45的连续沉积，分布和固结。如以上关于安装系统32所述，致动器系统36还被构造为在Z方向上(即，垂直于构建平台38的顶表面)移动固结装置14，使得构建层44可以被固结在先前固结的构建层44的顶部上。在示例性实施例中，构建平台沿旋转方向42的一个完整旋转对应于固结装置14沿Z方向移动大约七十微米。在一些实施例中，致动器系统36还被构造为在Z方向和/或XY平面上移动构建平台38。例如但不限于，在壳体30静止的替代实施例中，致动器系统36沿旋转方向42并且在X方向和/或Y方向上旋转构建平台38，以与扫描马达18和扫描镜20协作，以沿扫描路径40绕构建平台38引导激光装置16的能量束28。在示例性实施例中，致动器系统36包括例如但不限于线性马达，液压和/或气动活塞，螺杆驱动机构和/或输送器系统。
在示例性实施例中，旋转增材制造系统10被操作以从部件24的3D几何形状的计算机建模表示来制造部件24。可以在计算机辅助设计(CAD)或类似文件中产生计算机建模表示。部件24的CAD文件被转换为逐层格式，该逐层格式包括部件24的每一层的多个构建参数，例如，部件24的构建层44包含要通过旋转增材制造系统10固结的多个颗粒45。在示例性实施例中，在相对于旋转增材制造系统10中使用的坐标系原点的期望取向上对部件24建模。部件24的几何形状被切成期望厚度的层的堆叠，使得每一层的几何形状是在该特定层位置处穿过部件24的横截面的轮廓。横跨相应层的几何形状生成扫描路径40。沿扫描路径40施加构建参数，以从用于构造部件24的颗粒45来制造部件24的层。针对部件24几何形状的每个相应层重复这些步骤。一旦该处理完成，就生成扫描路径40的电子表示，包括所有层。扫描路径40的电子表示被加载到旋转增材制造系统10的控制器34中，以在制造每一层期间控制该系统。
在将扫描路径40的电子表示加载到控制器34中之后，旋转增材制造系统10被操作为通过实施逐层制造处理(例如直接金属激光熔化方法)来固结颗粒45以生成部件24。示例性逐层增材制造处理不使用预先存在的制品作为最终部件的前体，而是该处理从以可构造形式的原材料(例如颗粒45)来生产部件24。例如但不限于，可以使用钢粉末来增材制造钢部件。旋转增材制造系统10能够使用多种材料(例如但不限于金属，陶瓷，玻璃和聚合物)来制造部件，例如部件24。
图2是可用于操作旋转增材制造系统10(如图1所示)的控制器34的框图。在示例性实施例中，控制器34是通常由旋转增材制造系统10的制造商提供以控制旋转增材制造系统10的操作的任何类型的控制器。控制器34至少部分地基于来自人类操作员的指令来执行操作以控制旋转增材制造系统10的操作。控制器34包括例如将由旋转增材制造系统10制造的部件24的3D模型。控制器34执行的操作包括控制激光装置16(如图1所示)的功率输出，以及经由致动器系统36调节安装系统32和/或构建平台38(全部如图1所示)，以控制能量束28的扫描速度。控制器34还被构造为控制扫描马达18以引导扫描镜20，从而进一步控制能量束28在旋转增材制造系统10内的扫描速度。控制器34进一步被构造为从光学检测器23接收对准标记25的位置，以基于对准标记25之间的比较来确定构建平台旋转轴线39和构建平台旋转中心点27的位置。在替代实施例中，控制器34可执行使旋转增材制造系统10能够如本文所述起作用的任何操作。
在示例性实施例中，控制器34包括存储器装置46和联接到存储器装置46的处理器48。处理器48可以包括一个或多个处理单元，例如但不限于多核构造。处理器48是允许控制器34如本文所述操作的任何类型的处理器。在一些实施例中，可执行指令被存储在存储器装置46中。控制器34可构造为通过编程处理器48进行本文所述的一个或多个操作。例如，可以通过将操作编码为一个或多个可执行指令并在存储器装置46中提供该可执行指令来对处理器48进行编程。在示例性实施例中，存储器装置46是能够存储和检索信息(诸如可执行指令或其他数据)的一个或多个装置。存储器装置46可以包括一个或多个计算机可读介质，例如但不限于随机存取存储器(RAM)，动态RAM，静态RAM，固态盘，硬盘，只读存储器(ROM)，可擦除可编程ROM，电可擦除可编程ROM或非易失性RAM存储器。以上存储器类型仅是示例性的，并且因此不限于可用于存储计算机程序的存储器的类型。
存储器装置46可以被构造为存储任何类型的数据，包括但不限于与部件24相关联的构建参数。在一些实施例中，处理器48基于数据的寿命从存储器装置46移除或“清除”数据。例如，处理器48可以覆盖先前记录并存储与后续时间或事件相关联的数据。另外或替代地，处理器48可以移除超过预定时间间隔的数据。另外，存储器装置46包括但不限于足够的数据，算法和命令，以促进对由旋转增材制造系统10制造的部件24的构造参数和几何状况的监控。
在一些实施例中，控制器34包括联接到处理器48的呈现接口50。呈现接口50向用户52呈现信息，例如旋转增材制造系统10的操作状况。在一个实施例中，呈现接口50包括显示适配器(未示出)，该显示适配器联接到诸如阴极射线管(CRT)，液晶显示器(LCD)，有机LED(OLED)显示器，或“电子墨水”显示器的显示装置(未示出)。在一些实施例中，呈现接口50包括一个或多个显示装置。另外或替代地，呈现接口50包括音频输出装置(未示出)，例如但不限于，音频适配器或扬声器(未示出)。
在一些实施例中，控制器34包括用户输入接口54。在示例性实施例中，用户输入接口54联接到处理器48，并从用户52接收输入。用户输入接口54可以包括例如但不限于键盘，定点装置，鼠标，触控笔，触敏面板(诸如但不限于触摸板或触摸屏)，和/或音频输入接口(例如但不限于麦克风)。单个部件(诸如触摸屏)可以用作呈现接口50的显示装置和用户输入接口54。
在示例性实施例中，通信接口56联接到处理器48，并且被构造为与一个或多个其他装置(例如激光装置16)通信联接，并且在作为输入信道的同时相对于这些装置进行输入和输出操作。例如，通信接口56可以包括但不限于有线网络适配器，无线网络适配器，移动电信适配器，串行通信适配器或并行通信适配器。通信接口56可以从一个或多个远程装置接收数据信号或向一个或多个远程装置传输数据信号。例如，在一些实施例中，控制器34的通信接口56可以向致动器系统36传输数据信号或从致动器系统36接收数据信号。
呈现接口50和通信接口56均能够提供适合与本文描述的方法(例如，向用户52或处理器48提供信息)一起使用的信息。因此，呈现接口50和通信接口56可以被称为输出装置。类似地，用户输入接口54和通信接口56能够接收适合与本文描述的方法一起使用的信息，并且可以被称为输入装置。
在示例性实施例中，控制器34被构造为从光学检测器23接收对准标记25的位置。控制器34还被构造为基于对准标记25的位置之间的比较来确定构建平台旋转轴线39和构建平台旋转中心点27的位置，如下文将详细描述的，其中构建平台旋转中心点27位于构建平台旋转轴线39上。控制器34还被构造为至少部分地基于所确定的构建平台旋转轴线39和所确定的构建平台旋转中心点27的位置来控制固结装置14，以在构建平台38上固结多个颗粒45的至少一部分。在替代实施例中，控制器34可执行使旋转增材制造系统10能够如本文所述起作用的任何操作。
图3是旋转增材制造系统10(图1所示)的平面示意图，示出了多个对准标记25。图4是区域3(图3所示)的放大平面示意图，示出了重叠的多个对准标记25(图3所示)。在示例性实施例中，颗粒输送装置58被构造为输送多个颗粒45到构建平台38。重涂装置60被构造为分布多个颗粒45以在构建平台38上形成构建层44。对准标记25包括多个第一对准标记100和多个第二对准标记102。在示例性实施例中，第一对准标记100在构建平台38上与第二对准标记102相对定位。在替代实施例中，第二对准标记102可以以构建平台38相对于第一对准标记100的任何旋转角度定位在构建平台38上，这有利于如本文所述的旋转增材制造系统10的操作。
在示例性实施例中，控制器34控制固结装置14的激光装置16投射能量束28，以入射在构建平台38上，从而形成第一对准标记100。在示例性实施例中，在构建平台38上形成第一对准标记100之后，控制器34控制构建平台38沿旋转方向42旋转一百八十度，同时固结装置14保持静止。在替代实施例中，控制器34可以控制构建平台沿旋转方向42旋转任何角度，这有助于如本文所述的增材制造系统10的操作。然后，控制器34控制激光装置16投射能量束28，以入射在构建平台上，从而形成第二对准标记102。在替代实施例中，激光装置16可以投射能量束28以入射在部件24上。在进一步替代实施例中，固结装置14可以以任何顺序形成任何对准标记25，这有利于如本文所述的旋转增材制造系统10的操作。
在示例性实施例中，光学检测器23检测对准标记25的位置，并将该位置传输到控制器34。控制器34通过比较对准标记25的位置来确定构建平台旋转中心点27和构建平台旋转轴线39的位置。在示例性实施例中，控制器34被构造为使用从光学检测器23接收的位置数据来确定第一对准标记100和第二对准标记102相对于彼此的位置。在替代实施例中，控制器34以有助于如本文所述的旋转增材制造系统10的操作的任何方式确定第一对准标记100和第二对准标记102的位置。
在示例性实施例中，使用所确定的第一对准标记100和第二对准标记102相对于彼此的位置，控制器34通过使用矩阵逼近来确定构建平台旋转轴线39和位于构建平台旋转轴线39上的构建平台旋转中心点27的位置，该矩阵逼近使用第一矩阵和第二矩阵来找到最紧密地将第一矩阵映射到第二矩阵的正交矩阵。该“最佳拟合”方法近似以齐次坐标表示的第一对准标记100的平移和旋转，以使第一对准标记100与第二对准标记102对准。为了将第一对准标记100的平移和旋转运动表征为围绕构建平台旋转轴线39和构建平台旋转中心点27的旋转，使用以下公式：
Figure BDA0002574885230000101
公式1A可以简化为以下公式：
Figure BDA0002574885230000102
使用公式1B，可以求解坐标xc和yc，以确定对于给定构建层44的构建平台旋转中心点27相对于坐标系12的位置。在示例性实施例中，随着部件24相对于Z方向的总高度增加，构建平台旋转中心点27可沿着构建平台旋转轴线39在Z方向上移动。在替代实施例中，可使用有利于如本文所述的增材制造系统10的操作的任何公式来确定构建平台旋转中心点27。
图5是旋转增材制造系统10(图1所示)的平面示意图，示出了另一多个对准标记25。对准标记25包括第一侧第一对准标记200，第二侧第一对准标记202，第一侧第二对准标记204和第二侧第二对准标记206。第一侧第一对准标记200在构建平台38上被定位成与第二侧第一对准标记202相对，从而在它们之间限定第一直线203。第一侧第二对准标记204在构建平台38上被定位成与第二侧第二对准标记206相对，从而在它们之间限定第二直线207。在替代实施例中，第一侧第一对准标记200，第二侧第一对准标记202，第一侧第二对准标记204和第二侧第二对准标记206可以位于有利于如本文所述的旋转增材制造系统10的操作的任何位置。
在示例性实施例中，控制器34控制固结装置14的激光装置16投射能量束28，以入射在构建平台38上，从而形成第一侧第一对准标记200和第一侧第二对准标记204。在替代实施例中，固结装置14可以投射能量束28以入射在部件24上，从而形成第一侧第一对准标记200和第一侧第二对准标记204。在示例性实施例中，在构建平台38上形成第一侧第一对准标记200和第二侧第二对准标记204之后，控制器34控制构建平台38沿旋转方向42旋转一百八十度，同时固结装置14保持静止。然后，控制器34控制激光装置16以投射能量束28，以入射在构建平台上，从而形成第二侧第一对准标记202和第二侧第二对准标记206。在替代实施例中，激光装置16可以投射能量束28以入射在部件24上。在进一步替代实施例中，固结装置14可以以有利于如本文所述的旋转增材制造系统10的操作的任何顺序形成任何对准标记25。
在示例性实施例中，光学检测器23检测对准标记25的位置，并将该位置传输到控制器34。控制器34通过比较对准标记25的位置来确定构建平台旋转中心点27和构建平台旋转轴线39的位置。更具体地，在示例性实施例中，控制器34通过确定第一线203和第二线207的交点211的位置来确定构建平台旋转轴线39和位于构建平台旋转轴线39上的构建平台旋转中心点27的位置。交点211的位置表示给定构建层44的构建平台旋转中心点27的位置。在示例性实施例中，随着部件24相对于Z方向的总高度增加，构建平台旋转中心点27可沿着构建平台旋转轴线39在Z方向上移动。在示例性实施例中，控制器34被构造为通过首先确定第一侧第一对准标记200和第一侧第二对准标记204之间限定的第一侧距离213，使用从光学检测器23接收的位置数据来确定交点211的位置。然后，控制器34确定第二侧第一对准标记202和第二侧第二对准标记206之间限定的第二侧距离215。然后，控制器34确定第一线203和第二线207的长度。使用三角关系，例如正弦定律，控制器34确定交点211的位置。在替代实施例中，控制器34以有利于如本文所述的旋转增材制造系统10的操作的任何方式确定交点211的位置。
图6是旋转增材制造系统10(如图1所示)的平面示意图，示出了对准标记25(如图3所示)的替代实施例。图7是构建平台38(图6所示)的一部分的俯视图，示出了第一类型的替代对准标记25未对准。图8是构建平台38(图4所示)的一部分的俯视图，示出了第二类型的替代对准标记25未对准。在示例性实施例中，替代对准标记25包括沿构建平台38的表面相邻地间隔开的多个基本相似的饼形对准扇区300。在替代实施例中，对准扇区300可以是有利于如本文所述的旋转增材制造机器10的操作的任何形状和尺寸。
在示例性实施例中，控制器34从光学检测器23接收构建平台38的图像，并估计估计的构建平台旋转中心点304的近似位置和构建平台38的近似表面区域。基于估计的构建平台旋转中心点304和构建平台表面区域，控制器34确定多个相邻定位的估计的对准扇区302相对于构建平台38的尺寸和位置。多个估计的对准扇区302的相对位置由控制器34确定，使得多个估计的对准扇区302的尺寸和位置被设置成从XY平面内的估计的构建平台旋转中心点304径向向外延伸足够量，以基本上围绕估计的构建平台旋转中心点304覆盖构建平台38的三百六十度区域。在示例性实施例中，多个估计的对准扇区302包括十个基本上相似的三角形估计的对准扇区302，每个估计的对准扇区302具有基本上相似的第一角度301。在替代实施例中，多个估计的对准扇区302可以包括与有利于如本文所述的旋转增材制造系统10的操作一样多的任意形状和尺寸的估计的对准扇区302。
在示例性实施例中，基于估计的构建平台旋转中心点304和多个估计的对准扇区302，控制器34控制固结装置14的激光装置16投射能量束28，以入射在构建平台38上，从而随着使构建平台38旋转固定角度而形成至少两个对准扇区300。在替代实施例中，固结装置14可以投射能量束28以入射在部件24上，从而在部件24上形成至少两个对准扇区300。在示例性实施例中，控制器34控制构建平台38沿旋转方向42旋转大约六十度，同时固结装置14保持静止，以在构建平台38上形成两个对准扇区300。在替代实施例中，固结装置14可以在构建平台28上形成与有利于如本文所述的旋转增材制造系统10的操作一样多的对准扇区300。
在示例性实施例中，参考图7，光学检测器23检测每个对准扇区300的位置并将该位置传输到控制器34。控制器34通过将对准扇区300的位置与相应的估计的对准扇区302的位置进行比较来确定构建平台旋转中心点27和构建平台旋转轴线39的位置。更具体地，控制器34确定由于使用估计的构建平台旋转中心点304形成对准扇区300所导致的扫描场对准误差和中心点误差的严重性，并且对估计的构建平台旋转中心点304进行校正以确定构建平台旋转中心点27的位置。例如，如下面将更详细描述的，在确定扫描场对准误差和中心点误差的值之后，将以相关坐标系表示的误差值应用于估计的构建平台旋转中心点304，以确定构建平台旋转中心点27的位置。在替代实施例中，控制器34以有利于如本文所述的旋转增材制造系统10的操作的任何方式确定构建平台旋转中心点27的位置。
在示例性实施例中，使用从光学检测器23接收的图像数据，测量扫描场偏移误差303，εt，扫描场径向误差305，εr，中心点间距偏移误差307，δt，以及中心点径向误差309，δr，并将其用于确定构建平台旋转中心点27的位置。扫描场误差303和305通过以下两个公式与中心点误差307和309有关：
εt＝2δrsin(θ/2) 公式2A
εr＝2δtsin(θ/2) 公式2B
其中，一旦知道扫描场误差303和305，就可以使用中心点误差307和309将校正应用于估计的构建平台旋转中心点304的位置，以确定构建平台旋转中心点27的位置。所应用的校正可以是从估计的构建平台旋转中心点304到构建平台旋转中心点27的距离和代表估计的构建平台旋转中心点304和构建平台旋转中心点27之间的距离的线的角度的形式。然后可以使用所应用的校正来确定代表构建平台旋转中心点27的位置的坐标。在示例性实施例中，在齐次坐标系中测量扫描场偏移误差303，扫描场径向误差305，中心点间距偏移误差307和中心点径向误差309。在替代实施例中，可以使用任何类型的坐标系(例如但不限于，数字线坐标系，笛卡尔坐标系，极坐标系，圆柱形坐标系和球面坐标系)来计算任何类型的扫描场误差和中心点误差。在进一步替代实施例中，可以使用任何公式来确定有利于如本文所述的旋转增材制造系统10的操作的构建平台旋转中心点27的位置。
图9是旋转增材制造系统10(如图1所示)的平面示意图，示出了对准标记25(如图6所示)的替代实施例。图10是区域9(如图9所示)的放大平面示意图，示出了对准标记25(如图6所示)的替代实施例的重叠对。除了对准标记25是游标对准标尺400之外，图9和10所示的实施例与图6所示的实施例基本相同。在示例性实施例中，构建平台38包括两个游标对准标尺400，每个游标对准标尺400包括多个刻度402。在每个游标对准标尺400之间相对于构建平台旋转中心点27限定游标角403。在示例性实施例中，游标角403大约为十四度。在该示例性实施例中，除了使用游标对准标尺400刻度402来确定扫描场误差303和305以及中心点误差307和309之外，控制器34使用与图7和图8所示的实施例所描述的方法基本相同的方法来确定构建平台旋转轴线39和构建平台旋转中心点27的位置。在替代实施例中，构建平台38可以包括有利于如本文所述的旋转增材制造系统10的操作的任何数量的游标对准标尺400的任何构造。
图11是可用于使用旋转增材制造系统10来制造部件24的示例性方法的流程图。参考图1-10，方法500包括在502处，围绕构建平台旋转轴线39相对于光学检测器23旋转构建平台38。方法500还包括在504处，使用光学检测器23来检测至少两个对准标记25的位置，该至少两个对准标记25在构建平台38和构建平台38上的部件24的构建层44中的至少一个上。方法500还包括在506处，由控制器34接收至少两个对准标记25的位置。方法500包括在508处，基于至少两个对准标记25之间的比较，由控制器34确定构建平台旋转轴线39和构建平台旋转中心点27的位置。最后，方法500包括在510处，由控制器34至少部分地基于确定的构建平台旋转轴线39和确定的构建平台旋转中心点27的位置，控制至少一个固结装置14以在构建平台38上固结多个颗粒中的至少一部分，以形成部件24的至少一个构建层44。
本文所述的实施例包括增材制造系统，该增材制造系统包括至少一个固结装置，构建平台，光学检测器和控制器。至少一个固结装置被构造为固结多个颗粒中的至少一部分以形成部件的构建层。构建平台被构造为围绕沿第一方向延伸的构建平台旋转轴线旋转。光学检测器被构造为检测至少两个对准标记的位置，该至少两个对准标记位于构建平台和构建层中的至少一个上。控制器包括处理装置和联接到处理装置的存储器装置。控制器被构造为从光学检测器接收至少两个对准标记的位置，并基于至少两个对准标记之间的比较来确定构建平台旋转轴线和构建平台旋转中心点的位置，其中，构建平台旋转中心点位于构建平台旋转轴线上。控制器还被构造为至少部分地基于所确定的构建平台旋转轴线和构建平台旋转中心点，控制至少一个固结装置以在构建平台上固结多个颗粒中的至少一部分。增材制造系统有利于通过减少设置时间来提高系统效率，通过提高系统校准精度来改善部件质量，并且降低增材制造部件的成本。
本文所述的方法，系统和设备的示例性技术效果包括以下中的至少一个：a)提高增材制造系统效率，b)减少旋转增材制造系统的校准时间，c)减少增材制造部件所需的构建时间，d)提高增材制造部件的生产率，e)提高增材制造部件的质量，f)减少增材制造部件的成本。
上面详细描述了包括校准设备的旋转增材制造系统的示例性实施例。增材制造系统和使用这种系统的方法不限于本文所述的特定实施例，而是，系统的部件和/或方法的步骤可以独立地并且与本文所述的其他部件和/或步骤分开地使用。例如，这些方法还可以与其他增材制造系统结合使用，并且不限于仅与如本文所述的旋转增材制造系统和方法一起实践。相反，可以结合许多其他增材制造系统来实施和利用示例性实施例。
尽管可以在一些附图中而不在其他附图中示出本公开的各种实施例的特定特征，但这仅是为了方便。根据本公开的原理，可以结合任何其他附图的任何特征来参考和/或要求保护附图的任何特征。
该书面描述使用示例来公开实施例，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践实施例，包括制造和使用任何装置或系统以及进行任何结合的方法。本公开的可专利范围由权利要求限定，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，则这些其他示例意图落入权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种增材制造系统，其特征在于，包括：
至少一个固结装置，所述至少一个固结装置被构造为形成部件的构建层；
构建平台，所述构建平台被构造为围绕沿着第一方向延伸的构建平台旋转轴线旋转；
光学检测器，所述光学检测器被构造为检测至少两个对准标记的位置，所述至少两个对准标记位于所述构建平台和所述构建层中的至少一个上；和
控制器，所述控制器包括处理装置和联接到所述处理装置的存储器装置，所述控制器被构造为：
从所述光学检测器接收所述至少两个对准标记的位置；
基于所述至少两个对准标记的所述位置之间的比较，确定所述构建平台旋转轴线和构建平台旋转中心点的位置，其中，所述构建平台旋转中心点位于所述构建平台旋转轴线上；并且
至少部分地基于所确定的构建平台旋转轴线和所确定的构建平台旋转中心点，控制所述至少一个固结装置，以在所述构建平台上固结多个颗粒中的至少一部分。
2.根据权利要求1所述的增材制造系统，其特征在于，其中，所述固结装置包括激光装置，并且其中，所述控制器进一步被构造为控制所述激光装置以蚀刻位于所述构建平台和所述构建层中的至少一个上的所述至少两个对准标记。
3.根据权利要求1所述的增材制造系统，其特征在于，其中，所述构建平台和所述至少一个固结装置中的至少一个被构造为沿着所述第一方向移动。
4.根据权利要求1所述的增材制造系统，其特征在于，其中，所述至少两个对准标记包括多个第一对准标记和多个第二对准标记，并且其中，所述控制器被构造为：
使所述多个第一对准标记平移和旋转，以使所述多个第一对准标记与所述多个第二对准标记对准；
将所述多个第一对准标记的所述平移和所述旋转表征为围绕构建平台旋转轴线和构建平台旋转中心点的旋转；并且
基于将所述多个第一对准标记的所述平移和所述旋转表征为围绕所述构建平台旋转轴线和所述构建平台旋转中心点的旋转，确定所述构建平台旋转轴线和所述构建平台旋转中心点的位置。
5.根据权利要求1所述的增材制造系统，其特征在于，其中，所述至少两个对准标记包括第一侧第一对准标记，第二侧第一对准标记，第一侧第二对准标记和第二侧第二对准标记，其中，所述第一侧第一对准标记在所述构建平台上被定位成与所述第二侧第一对准标记相对，其中，在所述第一侧第一对准标记和所述第二侧第一对准标记之间限定第一线，其中，所述第一侧第二对准标记被定位成与所述第二侧第二对准标记相对，其中，在所述第一侧第二对准标记和所述第二侧第二对准标记之间限定第二线，并且其中，所述控制器被构造为通过确定所述第一线和所述第二线的交点的位置来确定所述构建平台旋转轴线和所述构建平台旋转中心点的所述位置。
6.根据权利要求1所述的增材制造系统，其特征在于，其中，所述控制器进一步被构造为：
基于从所述光学检测器接收的所述构建平台的图像，估计所述构建平台旋转轴线和所述构建平台旋转中心点的位置；并且
控制所述至少一个固结装置以蚀刻位于所述构建平台上的所述至少两个对准标记。
7.根据权利要求6所述的增材制造系统，其特征在于，其中，所述至少两个对准标记包括至少两个游标对准标尺，其中，每个游标对准标尺包括多个刻度。
8.根据权利要求6所述的增材制造系统，其特征在于，其中，所述至少两个对准标记包括至少两个基本相似的扇区，所述至少两个基本相似的扇区从所述构建平台旋转中心点径向向外延伸，并且沿着所述构建平台和所述部件中的至少一个相邻地间隔开。
9.一种用于增材制造系统中的控制器，其特征在于，所述增材制造系统包括至少一个固结装置，所述至少一个固结装置被构造为形成部件的构建层，所述控制器包括处理装置和联接到所述处理装置的存储器装置，所述控制器被构造为：
从光学检测器接收至少两个对准标记的位置，所述光学检测器被构造为检测所述至少两个对准标记的所述位置，所述至少两个对准标记位于构建平台和所述构建层中的至少一个上；
基于所述至少两个对准标记的所述位置之间的比较，确定所述构建平台的沿着第一方向延伸的构建平台旋转轴线和构建平台旋转中心点的所述位置，其中所述构建平台旋转中心点位于所述构建平台旋转轴线上；并且
至少部分地基于所确定的构建平台旋转轴线和所确定的构建平台旋转中心点，控制所述至少一个固结装置，以在所述构建平台上固结多个颗粒中的至少一部分。
10.根据权利要求9所述的控制器，其特征在于，其中，所述控制器被构造为控制包括激光装置的固结装置，所述激光装置被构造为发射能量束，并且其中，所述控制器被构造为控制所述固结装置，以蚀刻位于所述构建平台和所述部件中的至少一个上的所述至少两个对准标记。
11.根据权利要求9所述的控制器，其特征在于，其中，所述构建平台和所述至少一个固结装置中的至少一个被构造为沿着所述第一方向移动。
12.根据权利要求9所述的控制器，其特征在于，其中，所述至少两个对准标记包括多个第一对准标记和多个第二对准标记，并且其中，所述控制器被构造为：
使所述多个第一对准标记平移和旋转，以使所述多个第一对准标记与所述多个第二对准标记对准；
将所述多个第一对准标记的所述平移和所述旋转表征为围绕构建平台旋转轴线和构建平台旋转中心点的旋转；并且
基于将所述多个第一对准标记的所述平移和所述旋转表征为围绕所述构建平台旋转轴线和所述构建平台旋转中心点的旋转，确定所述构建平台旋转轴线和所述构建平台旋转中心点的位置。
13.根据权利要求9所述的控制器，其特征在于，其中，所述控制器被构造为：
基于第一侧第一对准标记，第二侧第一对准标记，第一侧第二对准标记和第二侧第二对准标记的所述位置之间的比较，确定所述构建平台旋转轴线和所述构建平台旋转中心点，其中，所述第一侧第一对准标记在所述构建平台上被定位成与所述第二侧第一对准标记相对，其中，在所述第一侧第一对准标记和所述第二侧第一对准标记之间限定第一线，其中，所述第一侧第二对准标记被定位成与所述第二侧第二对准标记相对，并且其中，在所述第一侧第二对准标记和所述第二侧第二对准标记之间限定第二线；并且
通过确定所述第一线和所述第二线的交点的位置来确定所述构建平台旋转中心点的所述位置。
14.根据权利要求9所述的控制器，其特征在于，其中，所述控制器进一步被构造为：
基于从所述光学检测器接收的所述构建平台的图像，估计所述构建平台旋转轴线和所述构建平台旋转中心点的位置；并且
控制所述至少一个固结装置以蚀刻位于所述构建平台上的所述至少两个对准标记。
15.根据权利要求9所述的控制器，其特征在于，其中，所述控制器被构造为基于第一游标对准标尺和第二游标对准标尺的位置之间的比较来确定所述构建平台旋转中心点的位置，其中，所述第一游标对准标尺和所述第二游标对准标尺包括多个刻度。
16.根据权利要求9所述的控制器，其特征在于，其中，所述控制器被构造为基于至少两个基本相似的扇区的位置之间的比较来确定所述构建平台旋转中心点的所述位置，所述至少两个基本相似的扇区从所述构建平台旋转中心点径向向外延伸，并且沿着所述构建平台和所述部件中的至少一个相邻地间隔开。
17.一种使用增材制造系统来制造部件的方法，其特征在于，所述方法包括：
围绕构建平台旋转轴线相对于光学检测器旋转构建平台；
使用所述光学检测器检测至少两个对准标记的位置，所述至少两个对准标记位于构建平台和所述构建平台上的部件的构建层中的至少一个上；
由控制器接收所述至少两个对准标记的所述位置；
基于所述至少两个对准标记之间的比较，由所述控制器确定所述构建平台旋转轴线和构建平台旋转中心点的位置；以及
至少部分地基于所确定的构建平台旋转轴线和所确定的构建平台旋转中心点的所述位置，由所述控制器控制至少一个固结装置以在所述构建平台上固结多个颗粒中的至少一部分，以形成所述部件的至少一个构建层。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，其中，确定所述构建平台旋转轴线和所述构建平台旋转中心点的位置进一步包括，基于第一侧第一对准标记，第二侧第一对准标记，第一侧第二对准标记和第二侧第二对准标记的所述位置之间的比较，确定所述构建平台旋转轴线和所述构建平台旋转中心点，其中，所述第一侧第一对准标记在所述构建平台上被定位成与所述第二侧第一对准标记相对，其中，在所述第一侧第一对准标记和所述第二侧第一对准标记之间限定第一线，其中，所述第一侧第二对准标记被定位成与所述第二侧第二对准标记相对，并且其中，在所述第一侧第二对准标记和所述第二侧第二对准标记之间限定第二线。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，其中，确定所述构建平台旋转轴线和所述构建平台旋转中心点的位置进一步包括确定所述第一线和所述第二线的交点的位置。
20.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，其中，围绕所述构建平台旋转轴线相对于光学检测器旋转所述构建平台进一步包括：
基于从所述光学检测器接收到的所述构建平台的图像，估计所述构建平台旋转轴线和所述构建平台旋转中心点的所述位置；和
控制所述至少一个固结装置，以蚀刻位于所述构建平台上的所述至少两个对准标记。
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