CN111886105A - 用于在电子束制造期间监视和控制构建质量的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于在构建零件的电子束制造期间监视和控制构建质量的系统和方法。该系统可以包括至少一个电子束源，该至少一个电子束源用于将至少一个电子束引导到多个金属粉末沉积层上以形成熔池；检测器，该检测器实时检测从熔池射出的反向散射能量以及构建零件中的缺陷的指示以生成代表缺陷的检测信号。控制器接收和分析检测信号并生成校正信号用于控制致动器和至少一个电子束源中的至少一个，以将至少一个电子束引导到多个金属粉末沉积层上来依次固结多个沉积金属粉末层的图案部分，从而自适应地形成三维构建零件。

Description

用于在电子束制造期间监视和控制构建质量的系统和方法
技术领域
本公开涉及电子束制造系统。更特别地，本公开涉及监视和控制电子束增材制造系统中的构建质量。
背景技术
近来，已经出现了用于制造金属合金部件的增材制造方法，以替代铸造和机加工方法。增材制造也称为“分层制造”、“反向加工”和/或“3-D打印”。在基本层面上，增材制造技术是基于以横截面格式逐层构建材料以形成3D部件的概念。增材制造技术的共同点是使用3D建模软件(计算机辅助设计或CAD)、机器设备和分层材料。一旦生成了CAD草图，机器设备就会从CAD文件中读取数据并添加所需材料的连续层以制造3D部件。
一些特定的增材制造过程采用粉末床技术在相继的步骤中熔融金属合金粉末以生产部件。例如，在增材步骤中，一些增材制造过程利用横跨粉末床扫描的能量束，以在粉末床上熔融金属合金粉末层。这种粉末床增材制造过程的一些示例包括直接金属激光烧结/熔融(DMLS)/(DMLF)、选择性激光烧结/熔融(SLS)/(SLF)和电子束熔化(EBM)。在这些过程中，将粉末床中的金属合金粉末层预热，然后熔融到下面的部分形成的部件(或种子部件)上，以向该部件添加新的层。将新的金属合金粉末层沉积到粉末床中并在部分形成的部件的先前形成的层上方，并且将新的金属合金粉末层类似地熔融到部件上。重复进行多次沉积和熔融程序，以在部分形成的部件上产生多个层，最终形成金属合金部件。
在电子束增材制造中，期望在具有挑战性的构建环境中获得高质量的零件。电子束增材制造构建过程通常在存在粉末状原料的情况下并且在数小时的构建时间内在10-3-10-6毫巴的适度高压范围内，在加热到250℃至900℃之间的温度范围的构建室内进行。由于零件构建时间长，每个零件都很昂贵，因此重要的是在完成之前发现有缺陷的零件，并实时原位诊断缺陷。但是，由于这些构建参数，无法定期移动零件以检查质量。因此，在构建过程期间，通常将可见光图像与零件描述进行比较以评估质量。该技术仅感测总体尺寸一致性。关于孔隙率、微观结构、合金成分、平均密度和特征尺寸的其他特别重要的零件质量的测量仍然存在。复杂金属零件的构建时间长，使得质量控制(随着构建进行)对于高产量至关重要。如果在构建期间检测到缺陷，则操作员将有机会进行原位维修。操作员还可以部分或完全放弃构建过程。
因此，期望一种提供高产量零件构建从而避免重复运行的费用以及对昂贵的构建后检查和表征的需求的增材制造系统。该系统将响应于原位监视和分析、层图像的测量以及原位维修发现的缺陷或中止构建的能力，提供对构建质量的实时和原位控制。
发明内容
本公开解决了现有技术的这些和其他缺点，其提供了一种用于在来自多个金属粉末沉积层的三维部件的电子束制造期间监视和控制构建质量的系统和方法。
在一个实施例中，提供了一种用于在构建零件的电子束制造期间监视和控制构建质量的系统。该系统包括构构建室；致动器，该致动器用于在构建室中移动构建平台；至少一个电子束源，该至少一个电子束源用于将至少一个电子束引导到构建室内并引导到布置在构建平台上的金属粉末沉积层上以形成熔池；检测器以及控制器。检测器被配置为实时检测从熔池和暴露于至少一个电子束的区域中的至少一个射出的反向散射能量，以检测构建零件中的一个或多个缺陷并生成代表缺陷的检测信号；控制器被配置为接收和分析检测信号并生成校正信号用于控制致动器和至少一个电子束源中的至少一个，以将至少一个电子束引导到构建平台上的金属粉末沉积层上来依次固结多个沉积金属粉末层的图案部分，从而自适应地形成三维构建零件。构建室包括壳体；构建平台，该构建平台布置在构建室中；以及致动器，该致动器用于在构建室中移动构建平台。
在另一个实施例中，提供了一种用于从多个金属粉末沉积层自适应地形成三维构建的系统，该系统包括构建室；至少一个电子束源，该至少一个电子束源用于将至少一个电子束引导到构建室内，并引导到布置在构建平台上的多个金属粉末沉积层上，以形成熔池；检测器，该检测器被配置为实时检测从熔池中射出的反向散射能量以及检测构建零件的微观结构、密度、形貌和化学性质中的至少一种的缺陷的指示，并产生代表缺陷的检测信号；处理器，该处理器被配置为接收和分析检测信号并生成校正信号；以及控制器，该控制器被配置为接收校正信号并提供对致动器和至少一个电子束源中的至少一个的控制，以将至少一个电子束引导到构建平台上的多个金属粉末沉积层上来依次固结多个沉积金属粉末层的图案部分，从而自适应地形成三维构建零件。构建室包括壳体；构建平台，该构建平台布置在构建室中；以及致动器，该致动器用于在构建室中移动构建平台。
在又一个实施例中，一种用于在构建零件的电子束制造期间监视和控制构建质量的方法。该方法包括：(a)提供至少一个电子束源；(b)控制至少一个电子束源以将至少一个电子束引导到金属粉末沉积层上以形成熔池；(c)实时检测来自熔池的反向散射能量，以确定在熔池和下面的粉末层中的一个或多个中是否存在缺陷；(d)响应于在熔池中检测到的缺陷，控制电子束源和致动器中的至少一个，以调节至少一个电子束和构建板，并固结沉积金属粉末层的图案部分；以及(e)重复(a)-(d)以形成三维构建零件。
关于本公开的各个方面，存在上述特征的各种改进。在这些各个方面中也可以并入其他特征。这些改进和附加特征可以单独存在或以任何组合存在。例如，以下关于一个或多个所示实施例讨论的各种特征可以单独地或以任何组合并入本公开的任何上述方面中。再次，以上给出的简要概述仅旨在使读者熟悉本公开的某些方面和上下文，而不限于所要求保护的主题。
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及其他特征、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以横截面视图示意性地示出了根据本文示出或描述的一个或多个实施例的采用至少一个电子束源的增材制造系统；
图2以截面视图示意性地示出了根据本文示出或描述的一个或多个实施例的采用多个电子束源的增材制造系统；
图3以截面视图示意性地示出了根据本文示出或描述的一个或多个实施例的图1的至少一个电子束源的实施例；
图4以正交视图示意性地示出了根据本文示出或描述的一个或多个实施例的增材制造系统，该增材制造系统示出了相对于检测器的至少一个电子束源；
图5示出了根据本文示出或描述的一个或多个实施例的用于自适应地形成三维构建图的方法的流程图；
图6示出了根据本文示出或描述的一个或多个实施例的用于在三维构建零件的电子束制造期间监视和控制构建质量的方法的流程图；以及
图7是根据本文示出或描述的一个或多个实施例的图1的增材制造系统的一部分的框图。
具体实施方式
下面参考附图中示出的非限制性示例，更全面地解释本公开的实施例及其某些特征、优点和细节。省略对公知材料、处理技术等的描述，以免不必要地使本公开内容不清楚。然而，应当理解，尽管详细描述和具体示例指示了本公开的实施例，但是它们仅是通过示例而非限制的方式给出。根据本公开，在下面的发明构思的精神和/或范围内的各种替换、修改、添加和/或布置对于本领域技术人员将是显而易见的。
如以下详细描述的，本公开的实施例提供一种用于在电子束制造期间监视和控制构建质量的系统和方法。使用这样公开的配置，该方法和系统可以提供改进以提高产量、允许维修缺陷、控制构建质量以及优化构建过程。
术语“第一”、“第二”等在本文中不表示任何顺序、数量或重要性，而是用于将一个元素与另一个元素区分开，并且旨在使读者了解特定的组成部分。如在整个说明书和权利要求中在本文中所使用的，近似语言可以用于修改可以允许变化的任何定量表示，而不会导致与之相关的基本功能的变化。与数量结合使用的修饰词“大约”包括所述值，并且具有上下文所指示的含义(例如，包括与特定数量的测量相关的误差程度)。因此，由一个或多个术语(例如“大约”)修饰的值不是限于指定的精确值。在某些情况下，近似语言可以对应于用于测量值的仪器的精度。
在下面的说明书和权利要求书中，单数形式的“一个”和“该”包括复数对象，除非上下文另外明确指出。如本文所使用的，术语“或”并不意味着是排他的，并且是指存在所引用的部件中的至少一个，并且包括其中可以存在所引用的部件的组合的实例，除非上下文另外明确指出。另外，在本说明书中，后缀“(s)”通常旨在包括其修饰的术语的单数和复数，从而包括该术语的一个或多个(例如，“缺陷”可以包括一个或更多缺陷，除非另有说明)。整个说明书中对“一个实施例”，“另一实施例”等的引用是指结合该实施例描述的特定元件(例如，特征、结构和/或特性)包括在本文所述的至少一个实施例中，并且可以存在或可以不存在于其他实施例中。类似地，对“特定配置”的引用是指结合该配置描述的特定元件(例如，特征、结构和/或特性)包括在本文所述的至少一个配置中，并且可以或可以不存在于其他配置中。另外，应当理解，所描述的发明特征可以在各种实施例和配置中以任何合适的方式组合。
如本文所使用，术语“可以”和“可以是”表示在一组情况下发生的可能性；具有指定的性质、特征或功能；和/或通过表达与限定的动词相关的能力、性能或可能性中的一个或多个来限定另一个动词。因此，“可以”和“可以是”的使用表示修饰语显然适当、有能力或适合于指定的能力、功能或使用，同时考虑到在某些情况下修饰语有时可以不是适当、有能力或适合于的。例如，在某些情况下，可以预期某个事件或能力，而在其他情况下，则不无法发生该事件或能力，这种区别被术语“可以”和“可以是”捕获。
现在参考附图，图1示意性地示出了根据本公开的实施例的系统10，该系统10用于在来自多个金属粉末沉积层的三维构建零件12的电子束制造(EBM)期间监视和控制构建质量。系统10通常包括构建室14、至少一个电子束源16、至少一个检测器18和控制器20。构建室12可以包括限定真空室23的壳体22、布置在构建室14中的构建平台24、用于在构建室14中移动构建平台24的致动器26、一个或多个粉末料斗28以及粉末分配器30。在实施例中，至少一个电子束源16可以包括至少一个射束枪或源，用于将至少一个电子束32引导到构建室14内并且引导到布置在构建平台上的多个金属粉末沉积层60上。
为了在构建过程期间提供对构建零件12的监视，系统提供了一种装置，用于连续地监视构建过程并实时原位地识别在构建零件12中形成的一个或多个缺陷。为了提供这种监视，至少一个检测器18被配置为包括特定的辐射和粒子检测器，并且被安装在电子束制造系统10的主构建室14中。仍然参考图1，在所示的实施例中，检测器或替代类型的探针适合于现有设备。在沉积期间，会产生大量信号，这些信号可用于经由零件表征而进行质量控制。更特别地，已经发现，在构建过程期间，可以分析电子、光子和能谱的数目以推断出构建零件12的质量。如前所述，监视信号的一个示例是对反向散射辐射或粒子的监视。因此，在实施例中，至少一个检测器18可操作以在构建过程期间检测熔池(目前描述)中射出的电子、离子和辐射，以实时监视构建零件的微观结构、形貌和化学性质，以检测缺陷在构建零件12中的位置。在构建过程期间的反向散射能量，更特别地，反向散射电子(BSE)，通常被认为是寄生的，并且占从固体目标散射的很大一部分(百分之几十)。这种最小量的反向散射与能量过滤相结合，提供了足够的信号供至少一个检测器18进行检测，以在构建过程期间作为构建零件12的质量指标进行分析。在实施例中，能量选择或动量分析装置使用静电和/或磁场来辨别粒子能量或动量。光子能量分析检测器通过与信号能量成正比的信号幅度来辨别信号。因此，如图所示的，在实施例中，至少一个检测器18被配置为单独的部件，并且与零件构建步骤分开地进行检测。
在如图2所示的另一个实施例中，示出了系统40的第二实施例。除非另有说明，否则第二实施例包括在如图1所示的系统的第一实施例的描述期间标识的相同部件。与第一实施例相反，至少一个电子束源16可以包括多个单独的电子枪或其他源16A、16B、16C，用于引导多个电子束32A、32B、32C到构建室14内并引导到多个金属粉末沉积层上。在实施例中，多个射束枪或源16中的至少一个是专用的构建分析束。另外，系统40可以包括用于监视构建零件12的构建质量的多个检测器18A、18B。多个检测器18A、18B被联接到控制器，用于通过将多个电子束32A、32B、32C中的一个或多个引导回到构建零件12的具有缺陷的区域，而实时原位返工或校正缺陷。在实施例中，多个检测器18A、18B是能量敏感的光子计数检测器，其被配置为提供能量和/或波长色散X射线分析。多个检测器18A、18B可以被配置为包括反向散射能量(包括反向散射电子、二次电子、俄歇电子、反向散射光子和辐射)的检测，用于监视构建零件12的熔池中的缺陷并产生检测信号。多个检测器18A、18B还可以被配置为包括X射线(总X射线产量或与能量相关的X射线产量，其更清楚地限定了材料的实际化学性质)的检测。
仍然参考图1和2，控制器20可操作用于同时控制致动器26和至少一个电子束源16，以将至少一个电子束32引导到构建平台24上的多个金属粉末沉积层60上，从而依次固结多个沉积金属粉末层60的图案部分，从而自适应地形成三维构建零件12。控制器20进一步能够操作以响应于接收到的描述构建零件12的缺陷的信号，从至少一个检测器18输出控制参数。控制器20可以被配置成优化固结多个沉积金属粉末层60的图案部分的速率，并最小化固结多个沉积金属粉末层60的图案部分以形成具有单晶结构的三维构建零件12时的热梯度。通过记录构建参数，并对数据进行分析，人们便可以在分析之前预测缺陷。
如从下面的本说明书所理解的，本公开内容的技术通过在构建过程期间实时和原位监视和检测构建缺陷来提高构建质量。
仍然参考图1和图2，粉末料斗28可以容纳设置在启动板34上的粉末材料。粉末材料可以是纯金属或金属合金，例如钛、钛合金、铝、铝合金、不锈钢、Co-Cr-W合金等。可以通过将粉末均匀地分配在启动板34或固化的图案层上来提供第一粉末层。例如，从料斗28沉积的材料可以由诸如耙系统的粉末分配器30分配。可以移动耙以将粉末分配在启动板34或固化的图案层上。分配器30的下部与启动板34或固化的图案层的上部之间的距离可以确定分配的粉末层的厚度。通过经由致动器26调节构建平台24的高度，可以容易地调节粉末层的厚度。
至少一个电子束枪或源16中的至少一个可以设置在构建室14中的真空系统36中或与该真空系统36流体连通。构建室14可以可操作用于通过真空系统36保持真空环境，该真空系统可以包括涡轮分子泵、涡旋泵和/或离子泵以及本领域技术人员众所周知的一个或多个阀。真空系统36可以由控制器20控制。也可以控制过程气体的注入、压力和流量。
三维构建零件12可以通过连续熔融粉末床的部分而形成，其对应于三维构建零件12的连续横截面，并且包括提供三维构建零件12的模型的步骤。模型可以经由CAD(计算机辅助设计)工具生成。
图3示出了用于产生至少一个电子束32的电子束枪或源16的一个实施例。例如，电子束枪或源16通常可以包括阴极50、栅极52和阳极54，其用于产生和加速初级电子束。电磁聚焦线圈56和/或偏转/扫描线圈58可以用于控制电子束32撞击在被处理的粉末层60上的方式。在操作中，阴极50可以是热发射电子的源，该热发射电子通过栅极52和阳极54建立的静电场几何形状被加速并成形为准直束。然后，电子束32通过阳极54的出口孔62射出，例如，该阳极54具有等于施加到阴极50的负高压值的能量。在离开阳极54之后，电子束32穿过电磁聚焦线圈56和偏转线圈58。电磁聚焦线圈56用于在粉末层60上产生聚焦或散焦的射束斑，而偏转线圈58用于将射束斑定位在固定位置或在粉末层60的区域上移动斑。应当理解，可以适当地使用其他类型的电子束枪或源和/或附加部件。
再次参考图1和2，至少一个电子束枪或源16产生至少一个电子束32，该至少一个电子束32用于将粉末材料或粉末层60熔化或熔融在一起。在工作周期或增材构建期间，在每次添加粉末材料层之后，相对于至少一个电子束源16相继降低构建平台24。例如，构建平台24可以在竖直方向上(即在双向箭头P的方向上)移动。构建平台24可以布置在初始位置，在该初始位置中，期望厚度的第一粉末材料层已经被放置在启动板34上。此后，与放置新的粉末材料层60相关联地降低构建平台24，以形成三维部件更特别地是构建部件14的新横截面。致动器26或用于降低构建部件24的装置可以包括配备有齿轮、调节螺钉等的伺服马达。
控制器20可以用于控制至少一个电子束源16、致动器26、粉末分配器30以及构建室14中的真空压力。例如，控制器20可以可操作用于控制和管理在加热粉末层的时间期间撞击在图案层上的至少一个电子束32的定位或位置。控制器20可以包括用于控制用于将要形成的三维构建零件14的每一层的至少一个电子束32中的每一个的指令。
如在图4中以示意性正交视图最好地示出的，至少一个检测器18相对于至少一个电子束32和构建零件12定位，以在工作周期期间提供对构建零件12的实时和原位地监视。更特别地，在操作期间，至少一个电子束源16提供扫描粉末层60以在选择性熔化过程中熔融以形成熔池66。在实施例中，在熔化过程期间，来自熔池66和/或下面的层(更特别地来自至少一个电子束32和粉末层60之间的相互作用)的反向散射能量(更特别地反向散射电子64)被实时原位地检测，并且具有或不具有由检测器18进行的能量过滤，以用于后续分析，例如通过分析软件。然后可以在选择性地熔化随后的粉末层之前，识别并维修熔池66和表面下的层68中的任何缺陷。在所公开的系统和方法中，至少一个初级电子束32(也称为熔化束)被用作检查探针。至少一个初级电子束32的使用在利用二次扫描的熔化前或熔化后逐层检查策略上得到了改进，由于需要额外的扫描时间，这导致了显著的处理时间损失。检测器20通过使得能够对熔池66和表面下的层68进行分析，提供对构建零件14中的空隙、低密度区域、具有不同化学性质的区域、污染区域等的实时原位地检测。
基于相对于入射的至少一个电子束32的散射几何形状，将检测器18放置在构建室14中的构建零件12上方。在实施例中，最佳检测器角度α在40°-80°的范围内。将检测器18以该角度定位提供了对缺陷的最佳检测。检测器18根据构建零件14的微观结构、形貌和化学性质来收集反向散射能量，更特别地，反向散射电子64和/或辐射。由于构建零件12的微观结构、形貌和化学性质，反向散射电子64将在其数量和方向上变化。
如本文中所描述的，对构建质量的实时原位监视和分析还可以基于对至少一个电子束16在能量沉积期间瞬时产生的X射线的检测。这种类型的检测从根本上不同于通过仅感测表面缺陷(小于100nm)的光学方法进行热信号配准。本文所述的检测器20提供了在明显更大的深度(几微米至几十微米)处进行探测以感测层和缺陷形态。另外，X射线传感器(例如检测器20)对总是存在于构建室14中的背景信号(散射光、热发射等)不敏感，并且由于信噪比的降低通常降低了测量保真度。
在一个或多个实施例中，用于在电子束制造(EBM)期间监视和控制构建质量的系统10可以包括至少一个电子束源16，该电子束源16能够操作以处理具有约25毫米(约1英寸)的宽度和约25毫米(约1英寸)的长度的二维粉末层。至少一个电子束枪或源16可以提供具有约0.1毫米的宽度和约0.1毫米的长度的二维电子束热斑。每个二维区域(例如，大约25毫米乘大约25毫米的区域)可以包括大约62,500个子区域(例如，相差大约0.1毫米乘大约0.1毫米的子区域)。
再次参考图1至图4，第一粉末层60可设置在启动板32上。至少一个电子束32可被引导在启动板34上方，从而使得第一粉末层60在选定的位置处熔融以形成三维构建零件12的第一层。例如，控制单元20能够操作用于引导至少一个电子束32与第一粉末层60接合的地方或位置。在第一层形成期间，至少一个检测器18检测熔池或固化层66(图4)中的反向散射电子64(图4)，以监视熔池66或固化层中是否存在缺陷。
如前所述，检测器18被配置为接收反向散射电子64，并且与控制器20的分析软件通信，以在检测到熔池66或下面的粉末层42中的缺陷时对致动器20和/或至少一个电子束源16进行调节，例如通过调节图案部分的固结速率、调节电子束32的功率、调节熔池66的尺寸等。
在解决了存在的任何缺陷并形成第一层之后，在第一固化层68的顶部提供第二粉末层60。在分配第二粉末层60之后，至少一个电子束32被引导至第二粉末层60上，从而熔化第二粉末层60以形成熔池66。至少一个检测器18连续实时原位地监视第二粉末层60的熔池66的反向散射电子64以检测缺陷，同时至少一个电子束32使第二粉末层60在选定的位置熔化，以形成三维构建零件14的第二横截面。第二层中的熔融部分可以结合至第一层的熔融部分。通过不仅熔化最上层中的粉末、而且还再次熔化直接在最上层下面的层的厚度的至少一部分，第一层和第二层中的熔融部分可以熔化在一起。
在本公开的一个或多个实施例中，至少一个电子束源16可以产生至少一个可聚焦电子束32，该至少一个可聚焦电子束32具有大约60kV至120kV的加速电压并且射束功率在大约0kW至大约10kW、大约2kW至大约8kW、大约5kW至大约7kW或大约6.5kW的范围内。
在一个或多个实施例中，三维构建零件12可以是涡轮部件(例如涡轮翼型件或叶片)。在一个或多个实施例中，三维构建零件12可以是涡轮部件维修部。为了修理涡轮叶片，电子束源的阵列可以包括1×10个电子束源16的线性阵列。
图5示出了根据本公开的用于自适应地形成三维构建图70的方法的流程图。构建图70是映射在3D空间中的多个过程参数和检测到的信号值的函数。多个过程参数包括来自电子源16的电子束电流(I)和聚焦线圈56的一个或多个聚焦线圈设置(F)。通过对应于构建平台24的平移射束平台位置(Z)和每一层内的扫描线圈58的扫描线圈值(X，Y)的层标识来识别构建图70的每个体素。
图6示出了根据本公开的用于在电子束制造期间监视和控制构建质量的方法100的流程图。例如，方法100可以包括在步骤110中，提供至少一个电子束源。接下来，在步骤120中，由控制器控制至少一个电子束源以将至少一个电子束引导到金属粉末沉积层上以形成熔池。在步骤130中，在形成熔池的同时，检测器根据构建零件的微观结构、形貌和化学性质监视反向散射的能量，更特别地是反向散射的电子和/或辐射，以确定熔池或下面的层中是否存在缺陷。检测器被配置为实时原位地监视反向散射的粒子和/或辐射，以提交给控制器，用于分析检测到的反向散射能量，从而确定是否存在缺陷并提供校正步骤。接下来，在步骤140中，控制器将控制参数提供给至少一个电子束源和/或致动器，以便响应于在熔池中检测到的缺陷来调节至少一个电子束和/或构建板、和/或固结沉积的金属粉末层或下面的层的图案部分。在步骤150中，重复该过程，以顺序地固结多个沉积金属粉末层的图案部分，从而自适应地形成三维构建零件。
图7是根据本公开的一个实施例的联接到至少一个电子束源16、至少一个检测器18和致动器26的控制器20的框图。在实施例中，控制器20适合于存储和/或执行程序代码，例如用于执行上述过程的程序代码，并且包括通过总线220直接或间接地联接至存储器204的至少一个处理器202。在操作中，处理器202响应于来自检测器18的关于存在缺陷的数据，从存储器204获得一个或多个指令以供处理器执行。存储器204可以包括在程序代码的实际执行期间使用的本地存储器、大容量储存器以及提供至少一些程序代码的临时储存以便减少在程序代码执行期间必须从大容量储存器中检索代码的次数的高速缓冲存储器。存储器204的示例的非限制性列表包括硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或闪速存储器)、光纤、便携式光盘只读存储器(CD-ROM)、光学储存设备、磁储存设备或上述的任意合适组合。存储器204包括操作系统205和一个或多个计算机程序206，其执行上述与增材制造系统相关联的过程以及对构建零件的缺陷进行实时监视。
在实施例中，至少一个检测器18通过输入212联接到控制器20。至少一个电子束源16和致动器26通过输出214联接到控制器214。经由输入/输出(I/O)设备212和214到控制器20的联接可以是直接的或通过I/O控制器210的。
网络适配器208也可以联接到系统，以使数据处理系统能够通过中间的专用或公共网络联接到其他数据处理系统。调制解调器、电缆调制解调器和以太网卡仅仅是网络适配器208的当前可用类型中的几种。在一个示例中，网络适配器208和/或输入设备212有助于从形成三维构建零件14的构建过程的至少一个检测器18获得数据。
控制器20可以联接到具有一个或多个数据库的储存器216(例如，非易失性储存区域，诸如磁盘驱动器、光盘驱动器、磁带驱动器等)。储存器216可以包括内部储存设备或附加的或网络可访问的储存器。储存器216中的计算机程序可以被加载到存储器204中并且以本领域中已知的方式由处理器202执行。
控制器20可以包括比所图示的更少的部件、本文未图示的附加部件或所图示的部件和附加部件的某种组合。另外，在一实施例中，至少一个检测器18可以被配置为检测粒子反向散射和/或辐射，并提供对检测到的信号的分析以将控制参数提交给控制器20。控制器20可以包括本领域已知的任何计算设备，例如主机、服务器、个人计算机、工作站、膝上型计算机、手持计算机、电话设备、网络设备、虚拟化设备、储存控制器等。另外，上述过程可以由多个控制器20执行，作为集群计算环境的一部分。
在一些实施例中，本发明的方面可以采取体现在一个或多个计算机可读介质中的计算机程序产品的形式。一个或多个计算机可读介质可以在其上体现计算机可读程序代码。可以利用各种计算机可读介质或其组合。例如，计算机可读介质可以包括计算机可读储存介质，其示例包括(但不限于)一个或多个电子、磁性、光学或半导体系统、装置或设备，或前述的任何适当组合。示例计算机可读储存介质例如包括：具有一根或多根线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘或大容量储存设备、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)和/或可擦除可编程只读存储器(例如EPROM或闪速存储器)、光纤、便携式光盘只读存储器(CD-ROM)、光学储存设备、磁储存设备(包括磁带设备)或以上的任何适当组合。计算机可读储存介质被限定为包括有形介质，该有形介质可以包含或存储供指令执行系统、装置或设备(例如，处理器)使用或与其结合使用的程序代码。因此，存储在计算机可读介质中/上的程序代码产生包括程序代码的制品(例如“计算机程序产品”)。通过记录所有构建参数，包括来自原位监视器的构建参数，将能够使用高阶数据分析算法(例如化学计量学或多元统计分析)，这些算法可以无偏见的格式识别缺陷和/或仪器何时偏离规格。
应当理解，以上描述意图是说明性的，而不是限制性的。在不脱离由所附权利要求及其等同物所限定的本公开的一般精神和范围的情况下，本领域的普通技术人员可以在此处做出许多改变和修改。例如，上述实施例(和/或其方面)可以彼此组合使用。另外，在不脱离其范围的情况下，可以做出许多修改以使特定情况或材料适应于各种实施例的教导。尽管本文描述的材料的尺寸和类型旨在限定各种实施例的参数，但是它们绝不是限制性的，而仅仅是示例性的。在回顾以上描述之后，许多其他实施例对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，应参考所附权利要求以及这些权利要求所赋予的等效物的全部范围，来确定各种实施例的范围。在所附权利要求中，术语“包括”和“其中”被用作相应术语“包含”和“其中”的简明英语等效词。此外，在所附权利要求中，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅用作标号，并且不旨在对其对象施加数字要求。同样，术语“可操作地”与诸如联接、连接、接合、密封等之类的术语结合使用在本文中是指由单独的、不同的部件直接或间接地联接以及部件整体形成(即一件式、整体式或集成式)而产生的两个连接。此外，以下权利要求的限制不是以“功能性限定”的形式编写的，也不旨在基于美国法典第35编第112条(35U.S.C§112)第六段进行解释，除非且直到此类权利要求限制明确地使用措辞“用于……的装置”，后面是没有进一步结构的功能说明。应当理解，不一定根据任何特定实施例实现上述所有这些目的或优点。因此，例如，本领域技术人员将认识到，本文描述的系统和技术可以以实现或优化本文所教导的一个优点或一组优点的方式来体现或执行，而不必实现本文所教导或建议的其他目的或优点。
尽管仅结合有限数量的实施例详细描述了本公开，但是应当容易理解，本公开不限于这样的公开的实施例。而是，可以对本公开进行修改以结合迄今未描述但与本公开的精神和范围相称的任何数量的变型、变更、替换或等同布置。另外，尽管已经描述了各种实施例，但是应当理解，本公开的各方面可以仅包括所描述的实施例中的一些。因此，本公开不应被视为由前述描述限制，而是仅由所附权利要求的范围限制。
本书面描述使用示例，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本公开，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何并入的方法。本公开的可专利范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例具有与权利要求的字面语言相同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差别的等效结构元件，则这些其他示例意图落入权利要求的范围内。

Claims (21)

1.一种用于在构建零件的电子束制造期间监视和控制构建质量的系统，其特征在于，所述系统包括：
构建室，所述构建室包括：
壳体；
构建平台，所述构建平台布置在所述构建室中；以及
致动器，所述致动器用于在所述构建室中移动所述构建平台；
至少一个电子束源，所述至少一个电子束源用于将至少一个电子束引导到所述构建室内并引导到布置在所述构建平台上的金属粉末层上，以形成熔池；
检测器，所述检测器被配置为实时检测从所述熔池以及暴露于所述至少一个电子束的区域中射出的反向散射能量，以检测所述构建零件中的一个或多个缺陷，并生成代表所述缺陷的检测信号；以及
控制器，所述控制器被配置为接收和分析所述检测信号，并生成校正信号用于控制所述致动器和所述至少一个电子束源中的至少一个，以将所述至少一个电子束引导到所述构建平台上的所述金属粉末层上来依次固结所述金属粉末层的图案部分，从而自适应地形成三维构建零件。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，其中，在所述构建零件中的所述缺陷是所述构建零件的微观结构、密度、形貌和化学性质中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，其中，所述检测器被配置为提供对所述构建零件的密度、形貌、微观结构和化学性质中的一种或多种的实时原位检测。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，其中，所述反向散射能量是从所述金属粉末和所述熔池中的至少一个射出的反向散射电子、二次电子、俄歇电子、反向散射光子和辐射中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，其中，所述检测器是能量敏感的光子计数检测器。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，其中，所述检测器包括能量和波长色散部件中的一个或多个。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，包括多个电子束源，所述多个电子束源用于将多个电子束引导到所述构建室内并引导到布置在所述构建平台上的多个金属粉末沉积层上，以形成熔池。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，其中，所述多个电子束中的至少一个电子束是专用的构建分析束。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，其中，所述检测器是改装检测器，被改装到所述构建室中的现有端口。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，其中，所述构建零件包括涡轮部件和涡轮部件维修部中的一个。
11.一种用于从多个金属粉末沉积层自适应地形成三维构建的系统，其特征在于，所述系统包括：
构建室，所述构建室包括：
壳体；
构建平台，所述构建平台布置在所述构建室中；以及
致动器，所述致动器用于在所述构建室中移动所述构建平台；
至少一个电子束源，所述至少一个电子束源用于将至少一个电子束引导到所述构建室中并引导到布置在所述构建平台上的所述多个金属粉末沉积层上，以形成熔池；
检测器，所述检测器被配置为实时检测从所述熔池以及暴露于所述至少一个电子束的区域中射出的反向散射能量，所述检测指示构建零件的微观结构、密度、形貌和化学性质中的至少一种的缺陷，并产生代表所述缺陷的检测信号；
处理器，所述处理器被配置为接收和分析所述检测信号并生成校正信号；以及
控制器，所述控制器被配置为接收所述校正信号并提供对所述致动器和所述至少一个电子束源中的至少一个的控制，以将所述至少一个电子束引导到所述构建平台上的所述多个金属粉末沉积层上来依次固结所述多个沉积金属粉末层的图案部分，从而自适应地形成所述三维构建零件。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，其中，所述反向散射能量是从所述熔池和下面的粉末层中的至少一个射出的反向散射电子、二次电子、俄歇电子、反向散射光子和辐射中的一种或多种。
13.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，其中，所述检测器是能量敏感的光子计数检测器。
14.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，其中，所述检测器包括能量和波长色散X射线分析仪中的一个或多个。
15.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，进一步包括专用的构建分析束。
16.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，其中，所述检测器是改装检测器，被改装到所述构建室中的现有端口。
17.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，其中，所述至少一个电子束源相对于所述多个沉积层被固定，并且所述控制器能够操作以将所述至少一个电子束源独立地引导到所述多个金属粉末沉积层上。
18.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，其中，所述控制器能够操作为响应于所述校正信号而优化固结所述多个沉积金属粉末层的所述图案部分的速率，以形成具有单晶结构的三维部件。
19.一种用于在构建零件的电子束制造期间监视和控制构建质量的方法，其特征在于，所述方法包括：
(a)提供至少一个电子束源；
(b)控制所述至少一个电子束源以将至少一个电子束引导到金属粉末沉积层上，以形成熔池；
(c)实时检测来自至少一个所述熔池的反向散射能量，以确定在所述熔池和表面下的层中的一个或多个中是否存在缺陷；
(d)响应于在所述熔池中检测到的缺陷，控制所述电子束源和致动器中的至少一个，以调节所述至少一个电子束和构建板，并固结沉积金属粉末层的图案部分；以及
(e)重复(a)-(d)以形成三维构建零件。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，其中，所述控制包括：响应于在所述熔池中检测到的缺陷，优化固结所述多个沉积金属粉末层的图案部分的速率，以形成具有单晶结构的三维部件。
21.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，其中，所述三维构建零件是涡轮部件或涡轮部件维修部。
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