CN111837026A - 在三维部件的增材制造中监控制造精度的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在三维部件的增材制造中监控制造精度的系统，其中，设置有装配有二维检测器阵列(1)和至少一个激光辐射源(4)的组合的照明和检测元件(12)，通过所述至少一个激光辐射源，将电磁辐射引导到粉末状或糊状材料的区域上，通过所述材料由于局部限定的能量输入而产生三维部件的至少一个区域。所述检测器阵列(1)被布置和设计成使得以空间分辨的方式检测在由所述激光辐射源(4)辐射的表面中/表面上出现的散斑。使用所述检测器阵列以空间分辨的方式感测的散斑信号能够被馈送到电子评估和控制电路(3)。所述电子评估和控制电路(3)连接到被设计成影响制造过程的电子开环和闭环控制装置。能够使用单独的能量束(10)或用于以局部限定的方式将能量输入到所述粉末状或糊状材料上以进行三维增材制造的能量束来实现热散斑激发。

Description

在三维部件的增材制造中监控制造精度的系统和方法
技术领域
本发明涉及在三维部件的增材制造期间监控制造精度的系统和方法。
背景技术
被称为增材制造或生成制造的方法，可以在设计和构造的自由度几乎不受限制的情况下，以省时省力的方式生产部件。由于其在功能性制造上的优势，因此特别受到重视和推广。特别是在工具插入件(tool inserts)、航空航天、医学工程的制造领域以及轻型结构和一般原型制作领域，其提供了巨大的创新和应用潜力，例如，在制造冷却到轮廓附近的定制植入物或涡轮叶片方面。
尽管制造工艺不断进一步发展并且在媒体中的出现(主要特征为术语“3D打印”)不断增加，但在质量保证和过程稳定性方面仍非常需要采取措施。错误设定工艺参数或工艺条件中的波动会恶化生成的机械技术部件的性能或导致过程终止。仅在某些情况下才可以对部件进行后续故障处理，并且抵消了增材制造(AM)的优势。因此，显然需要用于工厂集成过程监控的解决方案，该解决方案允许在出现缺陷时立刻检测到该缺陷，并允许停止部件的组装，以便节省材料，但最重要的是节省在进一步组装和加工时会产生的时间和成本。还应能够进行异常检测，以便能够控制制造过程并执行参数的闭环控制而不必终止过程。
为此，先前的方法包括熔池监控，其中通过热成像法和不适合在很小的空间中控制高速过程的基于图像的方法来监控施工过程。
在对用于过程监控和产品文档记录的适当解决方案的需求不断增长的背景下，近年来已采取了各种方法。因此，已知一种类似于在激光焊接领域中已经使用的用于监控熔池范围的系统。在此，分束器用于通过光电二极管捕获从熔池发射的辐射。基于辐射强度并使用另一CMOS相机，可以捕获熔池的范围且其服从闭环控制。单独附接的CCD相机用于光学监控粉末施加情况。粉末层的图像用于通过粉末中可能存在的条纹形痕迹来检测涂层机制的磨损和损坏。
在扩展方法中，额外的照明已集成到系统中，以便还能够实现具有高时间分辨率的记录。在这方面，还已知的做法是通过映射算法将熔池辐射的强度表示为激光束在x坐标和y坐标中位置的函数。该过程使得可以创建熔池温度的合成图像，从而给出图像记录的印象。在此，记录中的黑点被解释为过程热流偏离的迹象，因此在悬垂几何结构的情况下，由于内应力和热积聚，可以发出局部部件过高的信号。
现有技术还公开了双色高温计的使用，该双色高温计同样可以同轴地耦接到激光束中。
借助于热成像法可以记录光束熔融过程中受热区域的时空变化。通过组合各个层的热分析图，可以生成3D报告，其允许热积聚在悬垂几何结构上可见。然而，视野仅限于160mm×120mm的区域，该区域只能覆盖施工领域的一小部分。
也已尝试使用摄像系统来监控粉末施加和熔融层。为此，在施工过程期间自动记录高分辨率图像，并以容器文件格式记录下来。通过图像分析过程，可以在记录的图像数据中检测局部部件过高，并可以将其用于评估过程的稳定性。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种在三维部件的增材制造期间在线监控制造精度的选项，该选项具有简单且成本低的实施例，并允许以提高的精度和小型化方式进行监控。
根据本发明，该目的通过具有权利要求1的特征的系统来实现。权利要求9限定了方法。通过从属权利要求所述的特征可以实现本发明的有利实施例和改进示例。
在根据本发明的系统中存在组合的照明和检测元件。组合的照明和检测元件装配有二维检测器阵列和至少一个激光辐射源，通过该激光辐射源将电磁辐射引导到粉末状材料或以糊状形式存在的材料的区域上，通过该材料由于局部限定的能量输入而产生三维部件的至少一个区域。
检测器阵列被布置和实施成使得可以以空间分辨的方式检测在由激光辐射源辐射的表面区域中/上出现的散斑。
将由检测器阵列以空间分辨率捕获的散斑信号馈送到电子评估电路。电子评估电路连接到被实施为影响制造过程的电子开环和闭环控制装置。
使用单独的能量束或用于以局部限定的方式将能量引入粉末状材料或以糊状形式存在的材料中以进行三维增材制造的能量束来实现热散斑激发。
在可用于本发明的检测器阵列的情况下，应将各个检测器或传感器布置成以行和列排列，以便在空间上分辨并同时捕获通过供应能量的激发而获得的散斑。在此，可以评估在以预定的时间间隔分隔的相同时间和后续时间捕获的空间分辨的散斑。可以使用能够捕获撞击在各个传感器上的电磁辐射强度的光学传感器。对于入射到光学检测器或传感器上的电磁辐射的单个波长或波长范围，或者以波长分辨(光谱分辨)的方式，可能就是这种情况。可以使用检测器或传感器以空间分辨的方式且在适当时也有利地以时间分辨的方式捕获的测量信号来实现对于制造精度的期望监控。
因此，可以在本发明的范围内应用激光散斑光度法(LSP：laser specklephotometry)的原理。
LSP适用于实时监控，并且对于平面外和平面内的位移都具有较高的灵敏度。与专注于整个散斑图案或干涉图案(条纹)的失真的其它技术相比，LSP测量由于检测器阵列的每个单独像素的强度的变化而引起的散斑的时空动态。
如果通过相干光源照射粗糙的表面，则在散斑激发后可以形成散斑图案。来自照明区域的不同点的散射波会在观察平面中的粗糙表面上发生干扰，并在其中生成散斑图案，作为空间结构，最大和最小强度随机分布，可以通过作为检测器阵列的CCD/CMOS芯片进行检测。散斑图案携带有关于表面3D性质的指纹信息。为了能够导出关于散射物体的信息，通常在近场范围内进行工作。结构信息可以主要从散斑强度和散斑相位或振幅的顺序统计中获得。除了结构信息之外，通过检测器阵列以空间分辨的方式捕获的散斑图像还可以随时间传递重要的信息，例如，关于被检查对象的扩散过程的信息。类似地，基于散斑图像中捕获的材料的运动，可以通过对于动态的、时间连续捕获的散斑图像的适当算法来确定该材料运动的活动。例如，特定的相关函数(自相关差分(autocorrelation difference))可用于确定散斑动态与样品的各个表面的状态或过程之间的相互作用。基本的LSP算法基于使用传热方程式求解的热扩散率计算。
由于仅使用一个光束路径，所以该过程实质上更稳健。测量结构简单，因此能够有效地小型化。
该系统可以直接附接至用于粉末状材料或以糊状形式存在的材料的进料装置或平滑装置，并且可以随进料装置或平滑装置一起移动。因此，该系统也可以在材料施加期间或在施加的材料的平滑期间同步地跟随前进运动，并为此不需要专用的驱动器。在此，该系统可以被布置成使得在预先使用能量束处理以用于固化材料的层处捕获散斑信号导致检测与用于材料施加或平滑的运动同时进行。
材料的进料装置可以是液滴施加装置，特别是印刷装置，用于激光熔覆的装置或用于增材制造过程的粉末进料装置，并且平滑装置可以是刮刀。
多种金属及其合金或陶瓷材料可以用作增材制造的材料。使用至少两种不同的材料生产的部件也能够增材地制造。
有利地，可以将二维检测器阵列、至少一个激光辐射源和电子评估电路以及可选地诸如电源单元和反射元件等其它需要的元件一起布置在电路载体上。这可以进一步改善小型化。电路载体可以是多层的。导电连接可以通过印刷的电导体轨道和通孔形成。在此，至少应将至少一个激光辐射源和检测器阵列布置在电路载体的面向部件或制造部件所用的材料的表面上。
单独的能量束应入射到反射元件上，并且反射元件反射的能量束应当优选地入射到粉末状材料或以糊状形式存在的材料的区域中，所述区域未被激光辐射源辐射和/或未被检测器阵列检测到。单独的能量束同样可以是激光束。
如已经指出的，反射元件同样应当附接至用于粉末状材料或以糊状形式存在的材料的进料装置或平滑装置，并且该反射元件应当能够与进料装置或平滑装置一起移动。这可以实现的是，在方便检测散斑信号的位置处无需额外的措施就可以实现热激发。
在本发明中，激光辐射源可以是激光二极管或激光二极管阵列，和/或检测器阵列可以是CCD或CMOS阵列。
可以在材料与激光辐射源和/或检测器阵列之间布置滤光器和/或光束成形元件，特别是光学透镜。在检测和评估期间，使用滤光器可以避免或至少抑制电磁辐射的干扰分量，例如，反射或散射辐射。此外，如果在至少一个激光辐射源的上游布置滤光器，则单色化的电磁辐射可以更好地用于辐射。使用至少一个光学元件，在施加或分布的材料上分别被辐射和/或被检测的区域的尺寸和形状会受到影响。
在该方法中，过程是使用激光辐射源将电磁辐射引导到粉末状材料或以糊状形式存在的材料的区域中，通过该材料由于局部限定的能量输入而增材制造三维部件的至少一个区域。
在此，检测器阵列被布置和实施成使得以空间分辨的方式检测在由激光辐射源辐射的表面区域中出现的散斑。
将通过检测器阵列以空间分辨率捕获的散斑信号馈送到电子评估电路。电子评估电路连接到被实施为影响制造过程的电子开环和闭环控制装置，并将评估的散斑信号发送到电子开环和闭环控制装置。
使用单独的能量束或用于以局部限定的方式将能量引入粉末状材料或以糊状形式存在的材料中以进行三维增材制造的能量束来实现热散斑激发。
使用电子开环和闭环控制装置终止制造过程，或是考虑到捕获和评估的散斑信号之后，影响制造过程，使得如果已经判定了与预先确定的正确施加的材料上的散斑信号之间的偏差，则补偿制造错误，特别是在施加材料期间的误差。
这可以避免废品浪费不必要的材料和能源消耗。
用于固化施加的材料，特别是用于烧结或熔合的能量束特别地可以是电子束或激光束。这种能量束还可以额外地用于可以用于生成散斑的热激发。在此，在适用的情况下可以省去用于该激发的单独的能量束。
与上面指定的方法(热成像法和熔池监控)相比，基于散斑传感器系统的小型化监控系统能够在增材3D制造过程期间检测特定的材料参数(例如，孔隙率，但也可能检测其它参数)和表面缺陷。此外，与先前已知的技术方案相比，根据本发明的系统的各个部件能够集成在非常小的空间内，特别地有利于对可用于增材制造的现有设备进行改装。由多个小型化的LSP传感器单元构造的传感器阵列也可用于同时映射材料参数。
这允许监控快速执行的制造过程。
下面将通过实施例更详细地说明本发明。在附图中示出的且在说明书中说明的特征可以独立于相应的附图和相应的示例彼此组合。
附图说明
图1示出了根据本发明的系统的示例的两个图。
图2示出了用在被实施用于选择性激光烧结或选择性激光熔融的设备上的根据本发明的系统的示例。
图1示出了一个示例的两个不同视图。
具体实施方式
创新的组合的照明和检测元件12可以用于LSP。在此，在该示例中，除了作为检测器阵列1的高分辨率图像转换器(CMOS/CCD)与滤光器1a和光学透镜/物镜1b的组合之外，电路载体5(例如，印刷电路板)还附接有用于控制测量范围并在检测器附近进行图像处理的节能电子评估和控制电路3(例如，芯片组/电子单元)以及用于激发散斑图案的作为激光辐射源4的激光二极管阵列。这些元件可以通过印刷在电路载体5上的电导体轨道和通孔(在此未示出)通过无干扰的低电流的电接口相互连接。在电路载体5上/处也可以存在灵活地适合于各自的使用场所的电源单元6。
通过该示例，特别是在下部的侧向剖视图中可以识别出电路载体5的多层或多重结构。
有利地，各个部件的尺寸，特别是检测器阵列1和作为激光辐射源4的激光二极管阵列的尺寸可以用于具有最佳的线/空间条件和最小化孔的多层电路载体5中。在此，可以根据期望在z轴方向上扩展结构。因此，可以使用更厚的电路载体5或具有两层以上的电路载体5。
组合的照明和检测元件12被固定到被实施为施加和平滑粉末状材料7的机器单元上，该粉末状材料7被逐层施加到粉末床上并通过能量束进行处理。这可以在刮刀8上进行，该刮刀用于使粉末状材料7保持一定的层厚并使其平滑。如图2所示。移动刮刀8以形成一层粉末床，以便在整个层区域上均匀地分布粉末状材料7，即，特别是以恒定的层厚度均匀地分布所述材料。
使用组合的照明和检测元件12，可以在部件的生产期间在一点处或逐行地测量被增材制造的部件9的每一层。在此，例如可以检测粉末状材料7在层中的不均匀分布、在各个层中存在的粒径偏离规格的颗粒或杂质，然后相应地将它们考虑在内。
然而，在使用能量束加工由粉末状材料7制成的各个层以使相应材料7固化之后或在该加工期间，还可以使用组合的照明和检测元件12以及可能属于系统的其它部件通过LSP进行检测，并且在此过程中还识别出在增材制造期间在形成至少一层时发生的错误。如果识别出错误，则如已在说明书的一般部分中所述的，被实施为影响制造过程的电子开环和闭环控制装置(未示出)可用于干预制造过程。
在该示例中，用单独的能量束10进行热激发，该能量束10由光电二极管/激光二极管10.1发射并引导到反射能量束10的元件11上。在此，能量束10和反射元件11彼此相对地布置并对准，使得能量束10的焦点撞击在粉末状材料7的表面上并引起热激发。在此，焦点应引导到不直接位于可由检测器阵列1捕获的检测区域中的位置。
图3的左侧图示意性地示出了为了激发散斑激光束10如何被引导到待增材制造的部件9的表面上。在此，检测器阵列1布置在刮刀8上并与刮刀一起移动。如在选择性激光焊接或激光烧结中惯常的一样，刮刀8用于实现逐层粉末分布。
右侧图清楚地表明，检测器阵列1由以行和列布置的多个光学传感器形成。在检测器阵列1上存在反射元件11，为了激发散斑，通过反射元件11将激光束10引导到用于增材制造部件9的粉末床的最上层的表面上。
光学传感器以空间分辨的方式捕获由激光束10激发的散斑。

Claims (9)

1.一种用于在三维部件的增材制造期间监控制造精度的系统，其中，
组合的照明和检测元件(12)由二维检测器阵列(1)和至少一个激光辐射源(4)形成，通过所述激光辐射源将电磁辐射引导到粉末状材料或以糊状形式存在的材料的区域上，通过所述粉末状材料或以糊状形式存在的材料由于局部限定的能量输入而产生三维部件的至少一个区域，并且
所述检测器阵列(1)被布置和实施成使得能够以空间分辨的方式检测在由所述激光辐射源(4)辐射的表面中/表面上出现的散斑；其中，
通过所述检测器阵列(1)以空间分辨的方式捕获的散斑信号能够被馈送到电子评估和控制电路(3)，并且
所述电子评估和控制电路(3)连接到被实施为影响制造过程的电子开环和闭环控制装置；并且
能够使用单独的能量束(10)或用于以局部限定的方式将能量引入所述粉末状材料或以糊状形式存在的材料中以进行三维增材制造的能量束来实现热散斑激发。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统直接附接至用于所述粉末状材料或以糊状形式存在的材料(7)的进料装置或平滑装置(8)，并且所述系统能够与所述进料装置或平滑装置(8)一起移动。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述二维检测器阵列(1)、所述至少一个激光辐射源(4)和所述电子评估电路(3)一起布置在一个电路载体上。
4.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，单独的能量束(10)入射在反射元件(11)上，并且由所述反射元件反射的所述能量束(10)入射到所述粉末状材料或以糊状形式存在的材料(7)的区域中，所述区域未被所述激光辐射源(4)辐射和/或未被所述检测器阵列(1)检测到。
5.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述反射元件(11)附接至用于所述粉末状材料或以糊状形式存在的材料(7)的所述进料装置或平滑装置(8)，并且所述入射元件能够与所述进料装置或平滑装置(8)一起移动。
6.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述激光辐射源(4)是激光二极管或激光二极管阵列，和/或所述检测器阵列(1)是CCD或CMOS阵列。
7.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，材料的进料装置为液滴施加装置，特别是印刷装置，用于激光熔覆的装置或用于增材制造过程的粉末进料装置，并且所述平滑装置(8)为刮刀。
8.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，滤光器(1a)和/或光束成形元件(1b)，特别是光学透镜，被布置在所述材料(7)与所述激光辐射源(4)和/或所述检测器阵列(1)之间。
9.一种使用前述权利要求中任一项所述的设备在三维部件的增材制造期间监控制造精度的方法，其特征在于，激光辐射源(4)用于将电磁辐射引导到粉末状材料或以糊状形式存在的材料的区域中，通过所述粉末状材料或以糊状形式存在的材料由于局部限定的能量输入而产生三维部件的至少一个区域，以及
检测器阵列(1)被布置和实施成使得以空间分辨的方式检测在由所述激光辐射源(4)辐射的表面上出现的散斑；其中，
将通过所述检测器阵列(1)以空间分辨的方式捕获的散斑信号馈送到电子评估和控制电路(3)，并且
将通过所述电子评估和控制电路(3)评估的所述散斑信号发送到被实施为影响制造过程的电子开环和闭环控制装置；以及
使用单独的能量束(10)或用于以局部限定的方式将能量引入所述粉末状材料或以糊状形式存在的材料中以进行三维增材制造的能量束来实现热散斑激发，并且
使用所述电子开环和闭环控制装置终止制造过程，或者考虑到捕获和评估的所述散斑信号之后，以如下方式影响所述制造过程：
如果判定了与预先确定的正确施加的材料(7)上的散斑信号之间的偏差，则补偿制造错误，特别是补偿在施加所述材料(7)期间的误差。
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