CN112296338A - 用于在增材制造处理中监测粉末层的装置，系统和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了用于在增材制造中监测粉末层的装置，系统和方法。一种方法包括：从光学耦合到布置在移动粉末分配器上的多根前光纤和多根后光纤的图像信号处理器接收前图像数据和后图像数据，前图像数据和后图像数据对应于粉末层的图像；选择位于前感兴趣区域内的粉末床上的至少一个点；确定该点的第一特性；当该点由于移动粉末分配器的移动而位于后感兴趣区域内时，确定该点的第二特性；将第一特性与第二特性进行比较，以监测由移动粉末分配器分配的粉末层。

Description

用于在增材制造处理中监测粉末层的装置，系统和方法
技术领域
本公开涉及用于在增材制造处理中监测粉末层的装置，系统和方法，并且更具体地，涉及用于在粉末分配器经过粉末层之前和之后收集与粉末层有关的图像数据的装置，系统和方法。
背景技术
在增材制造处理中，尤其是那些利用粉末层的电子束熔化来制造制品的处理中，可能需要确保均匀的粉末以精确地制造制品。可以使用粉末分配器来更均匀地分配粉末层，但是有时在粉末分配器经过粉末层之后分配可能不完全。因此，可能需要在粉末分配器经过粉末层之后确定粉末层是否充分分配，以及粉末分配不均匀的各个位置，以便粉末分配器可以随后经过该位置以均匀地分配粉末。
发明内容
在第一方面A1中，一种监测由构建室中的移动粉末分配器分配的粉末层的方法，该方法包括由处理装置从图像信号处理器接收前图像数据。图像信号处理器光学耦合到布置在移动粉末分配器的前侧上的多根前光纤。前图像数据对应于多根前光纤的视场内的前感兴趣区域中的粉末层的多个图像。该方法还包括由处理装置从图像信号处理器接收后图像数据，图像信号处理器光学耦合到布置在移动粉末分配器的后侧上的多根后光纤。后图像数据对应于多根后光纤的视场内的后感兴趣区域中的粉末层的多个图像。该方法还包括由处理装置从前图像数据中选择位于前感兴趣区域内的粉末床上的至少一个点。该方法还包括通过处理装置确定该至少一个点的一个或多个第一特性。该方法还包括当该至少一个点由于移动粉末分配器的移动而位于后感兴趣区域内时，由处理装置确定该至少一个点的一个或多个第二特性。该方法还包括由处理装置将该至少一个点的一个或多个第一特性与该至少一个点的一个或多个第二特性进行比较，以监测由移动粉末分配器分配的粉末层。
第二方面A2包括第一方面A1的方法，其中，接收前图像数据和接收后图像数据各自包括接收与从粉末层发射的辐射量相对应的辐射图。
第三方面A3包括第一至第二方面A1-A2中任一项的方法，其中，接收前图像数据和接收后图像数据各自包括接收与相对于移动粉末分配器的移动而捕获粉末层的多个图像的时间相对应的时间戳。
第四方面A4包括第一至第三方面A1-A3中任一项的方法，进一步包括基于比较将反馈提供给构建室的一个或多个部件。
第五方面A5包括第一至第四方面A1-A4中任一项的方法，进一步包括基于比较来引导移动粉末分配器的移动。
第六方面A6包括第一至第五方面A1-A5中任一项的方法，进一步包括基于比较来确定一个或多个粉末缺陷。
在第七方面A7中，用于监测粉末层的系统包括定位在增材制造系统的构建室外部的图像信号处理器。构建室包括粉末分配器。该系统还包括光学系统，光学系统包括布置在粉末分配器的前侧上并光学耦合到图像信号处理器的多根前光纤，以及布置在粉末分配器的后侧上并光学耦合到图像信号处理器的多根后光纤。图像信号处理器从由多根前光纤获得的图像生成前图像数据，并且从由多根后光纤获得的图像生成后图像数据。光学系统还包括通信地耦合到图像信号处理器的分析部件。分析部件构造成从图像信号处理器接收前图像数据和后图像数据，从前图像数据中确定前感兴趣区域并且从后图像数据中确定后感兴趣区域，选择位于前感兴趣区域内的粉末床上的至少一个点，确定该至少一个点的一个或多个第一特性，当粉末分配器移动使得该至少一个点位于后感兴趣区域内时，确定该至少一个点的一个或多个第二特性，以及将一个或多个第一特性与一个或多个第二特性进行比较以监测粉末层。
第八方面A8包括第七方面A7的系统，其中，图像信号处理器检测从粉末层反射的辐射，并且后图像数据和前图像数据各自包括辐射图。
第九方面A9包括第七至第八方面A7-A8中任一项的系统，其中，多根前光纤布置在阵列中。
第十方面A10包括第七至第九方面A7-A9中任一项的系统，其中，多根后光纤布置在阵列中。
第十一方面A11包括第七至第十方面A7-A10中任一项的系统，其中，光学系统进一步包括覆盖多根前光纤的端部的前覆盖层和覆盖多根后光纤的端部的后覆盖层。
第十二方面A12包括第七至第十一方面A7-A11中任一项的系统，其中，多根前光纤布置在联接到粉末分配器的前侧的基板上。
第十三方面A13包括第七至第十一方面A7-A11中任一项的系统，其中，多根后光纤布置在联接到粉末分配器的后侧的基板上。
第十四方面A14包括第七至第十三方面A7-A13中任一项的系统，其中，分析部件进一步构造成利用来自前图像数据和后图像数据的高光谱信息来确定粉末层的厚度，粉末层的发射率以及粉末层的组成中的一个或多个。
第十五方面A15包括第七至第十四方面A7-A14中任一项的系统，其中，分析部件进一步构造成基于比较来确定粉末层的一个或多个缺陷。
在第十六方面A16中，一种增材制造系统包括具有粉末分配器的构建室和设置在构建室内的粉末床。粉末床在其上支撑粉末层。该增材制造系统还包括设置在构建室内并且可在粉末床上移动以分配粉末层的粉末分配器。粉末分配器包括具有多根前光纤的前侧和具有多根后光纤的后侧。该增材制造系统还包括定位在构建室外部，并光学耦合到前光纤和后光纤的图像信号处理器。图像信号处理器从由多根前光纤获得的图像生成前图像数据，并且从由多根后光纤获得的图像生成后图像数据。该增材制造系统还包括通信地耦合到图像信号处理器和粉末分配器的分析部件。分析部件包括处理装置和通信地耦合到处理装置的非暂时性处理器可读存储介质。非暂时性处理器可读存储介质在其上包括一个或多个编程指令，当该一个或多个编程指令被执行时，使处理装置：从前图像数据中选择粉末床上的至少一个点；确定该至少一个点的一个或多个第一特性；当该至少一个点由于粉末分配器的移动而位于后感兴趣区域内时，确定该至少一个点的一个或多个第二特性；将该至少一个点的一个或多个第一特性与该至少一个点的一个或多个第二特性进行比较；基于比较引导粉末分配器的移动。
第十七方面A17包括第十六方面A16的增材制造系统，其中，多根前光纤布置在第一阵列中，并且多根后光纤布置在第二阵列中。
第十八方面A18包括第十六至第十七方面A16-A17中任一项的增材制造系统，其中，粉末分配器进一步包括覆盖多根前光纤的端部的前覆盖层和覆盖多根后光纤的端部的后覆盖层。
第十九方面A19包括第十六至第十八方面A16-A18中任一项的增材制造系统，其中，多根前光纤布置在联接到粉末分配器的前侧的基板上。
第二十方面A20包括第十六至第十九方面A16-A19中任一项的增材制造系统，其中，多根后光纤布置在联接到粉末分配器的后侧的基板上。
在参考附图考虑以下描述和所附权利要求时，本技术的这些和其他特征，特性，以及操作的方法，结构和部件的组合的相关元件的功能，以及制造的经济性将变得更加显而易见，所有这些均形成了本说明书的一部分，其中，在各个附图中相同的附图标记表示相应的部分。然而，应当明确地理解，附图仅出于说明和描述的目的，并且不旨在作为对本发明的限制的限定。如说明书和权利要求书中所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式的“一个”，“一种”和“该”包括复数指代。
附图说明
图1A示意性地描绘了根据本文示出和描述的一个或多个实施例的说明性增材制造系统的剖面侧视图，该增材制造系统包括具有包围整个粉末床的视场的成像装置；
图1B示意性地描绘了根据本文示出和描述的一个或多个实施例的说明性增材制造系统的剖面侧视图，该增材制造系统包括光学耦合至动态光学元件的多个成像装置；
图1C示意性地描绘了根据本文示出和描述的一个或多个实施例的说明性增材制造系统的剖面侧视图，该增材制造系统包括具有联接的多个光纤的粉末分配器；
图2描绘了根据本文示出和描述的一个或多个实施例的图1C的粉末分配器的底视图；
图3A描绘了根据本文示出和描述的一个或多个实施例的用于分析图像数据和/或辅助控制图1A或图1B的增材制造系统的控制部件的说明性内部部件的框图；
图3B描绘了根据本文示出和描述的一个或多个实施例的用于分析图像数据和/或辅助控制图1C的增材制造系统的控制部件的说明性内部部件的框图；
图3C描绘了根据本文示出和描绘的一个或多个实施例的包含在图3A的控制部件的存储器部件内的说明性逻辑模块的框图；
图3D描绘了根据本文示出和描述的一个或多个实施例的包含在图3B的控制部件的存储器部件内的说明性逻辑模块的框图；
图4A示意性地描绘了根据本文示出和描述的一个或多个实施例的当粉末分配器位于第一位置时，使用图1A所示的增材制造系统对前感兴趣区域和后感兴趣区域进行成像；
图4B示意性地描绘了根据本文示出和描述的一个或多个实施例的当粉末分配器位于第二位置时，使用图1A所示的增材制造系统对前感兴趣区域和后感兴趣区域进行成像；
图5A示意性地描绘了根据本文示出和描述的一个或多个实施例的当粉末分配器位于第一位置时，使用图1B所示的增材制造系统对前感兴趣区域和后感兴趣区域进行成像；
图5B示意性地描绘了根据本文示出和描述的一个或多个实施例的当粉末分配器位于第二位置时，使用图1B所示的增材制造系统对前感兴趣区域和后感兴趣区域进行成像；
图6A示意性地描绘了根据本文示出和描述的一个或多个实施例的当粉末分配器位于第一位置时，使用图1C所示的增材制造系统对前感兴趣区域和后感兴趣区域进行成像；
图6B示意性地描绘了根据本文示出和描述的一个或多个实施例的当粉末分配器位于第二位置时，使用图1C所示的增材制造系统对前感兴趣区域和后感兴趣区域进行成像；
图7描绘了根据本文示出和描述的一个或多个实施例的监测增材制造系统中的粉末分配的说明性方法的流程图；和
图8描绘了根据本文示出和描述的一个或多个实施例的监测增材制造系统中的粉末分配的另一种说明性方法的流程图。
具体实施方式
本公开大体涉及在粉末分配器经过粉末层以分配粉末之前和之后，立即监测由增材制造系统的构建室中的粉末床支撑的粉末层的分配的装置，系统和方法。这样的装置，系统和方法使用一个或多个特别构造的成像装置来实现粉末层的有效监测。为了确保在施加能量束以形成制品的横截面之前，由粉末床支撑的粉末层充分分配，这种监测是必要的。没有充分分配，制品可能无法适当地形成。
在图1A中描绘了一个这样特别构造的成像装置，其中使用了具有整个粉末床视场的单个成像装置，并且特别地监测与粉末分配器的前端和后端相邻的选定的感兴趣区域。图1B中描绘了另一个特别构造的成像装置，其中多个成像装置光学耦合到动态光学元件，该动态光学元件调整每个成像装置的视场以对应于与粉末分配器的前端和后端相邻的感兴趣区域。图1C中描绘了又一个特别构造的成像装置，其中粉末分配器包括耦合到其的多个光纤，该光纤光学耦合到处理粉末分配器的后端和前端的图像的图像信号处理器。这些成像装置中的任何一个都可用于确定在应用了粉末分配器之后是否适当地分配了粉末层，然后可将其用于完成后续步骤，例如使粉末分配器再一次或多次经过粉末层。这样，本文描述的装置，系统和方法可导致粉末层更均匀的分配，从而有助于更好地形成制品。
电子束增材制造(也可以称为电子束熔化(EBM))是一种通常用于金属制品的增材制造(3D打印)处理。EBM利用金属粉末或金属线形式的原料，该原料被放置在真空下(例如，真空密封的构建室内)。一般而言，原料经由电子束加热而熔融在一起。
利用EBM的系统通常从3D计算机辅助设计(CAD)模型获得数据，并使用该数据以使用散布原料的设备(例如粉末分配器)放置原料的连续层。利用计算机控制的电子束将连续的层熔化在一起。如上所述，该处理在真空密封的构建室内在真空下发生，这使得该处理适合于使用对氧具有高亲和力的反应性材料(例如钛)来制造零件。在实施例中，该处理相对于其他增材制造处理在更高的温度(高达约1000℃)下操作，这可能通过凝固和固态相变导致相形成差异。
图1A描绘了本公开的第一实施例。如图1A所示，增材制造系统100至少包括构建室102，成像装置114和控制部件120。构建室102限定内部104，内部104经由一个或多个室壁103与外部环境105分隔开。在一些实施例中，构建室102的一个或多个室壁103的至少一部分可在其中包括窗口106。成像装置114通常在外部环境105中位于与构建室102相邻的位置(即，不位于构建室102的内部104内)，并且布置成使得成像装置114的视场116通过窗口106延伸进入室的内部104。
如通常所理解的，在一些实施例中，构建室102的内部104可以是真空密封的内部，使得在构建室102内形成的制品142在EBM的最佳条件下形成。构建室102能够经由真空系统维持真空环境。如通常所理解的，说明性真空系统可以包括但不限于涡轮分子泵，涡旋泵，离子泵和一个或多个阀。在一些实施例中，真空系统可以通信地耦合至控制部件120，使得控制部件120引导真空系统的操作以维持构建室102的内部104内的真空。在一些实施例中，真空系统可以在整个构建循环中维持约1×10-5mbar或更小的基本压力。在进一步实施例中，真空系统可以在熔化处理期间提供约2×10-3mbar的He的分压。
在其他实施例中，可以将构建室102设置在设置有环境空气和大气压力的可封闭室中。在其他实施例中，可以在露天中设置构建室102。
构建室102通常在内部104内包括支撑其上的粉末层112的粉末床110，以及粉末分配器108。在一些实施例中，构建室102可以进一步包括一个或多个将原料141保持在其中的原料料斗140a，140b。在一些实施例中，构建室102可以进一步包括发射器130。构建室102可以进一步包括其他部件，特别是促进EBM的部件，包括本文未具体描述的部件。
粉末床110通常是位于构建室102的内部104内的平台或容器，该平台或容器被布置成从一个或多个原料料斗140a，140b接收原料141。粉末床110的大小或构造不受本公开的限制，而是通常可以被成形和定尺寸为以粉末层112形式容纳来自原料料斗140a，140b的一定量的原料141，制品142的一个或多个部分，和/或未熔融的原料141，如本文更详细描述的。
在一些实施例中，粉末床110可以包括由提升部件113支撑的可移动构建平台111。可移动构建平台111通常可以是粉末床110内的表面，该表面可通过提升部件113在系统竖直方向上(例如，在图1A的坐标轴的+y/-y方向上)移动，以增大和/或减小粉末床110的总容积。例如，粉末床110内的可移动构建平台111可通过提升部件113在向下方向(例如，朝向图1A的坐标轴的-y方向)上移动，以增加粉末床110的容积。另外，可移动构建平台111可通过提升部件113移动，以将每个连续的粉末层112添加到正在形成的制品142，如本文更详细描述的。
提升部件113不受本公开的限制，并且通常可以是能够联接到可移动构建平台111、并且可移动以在系统竖直方向上(例如，在图1A的坐标轴的+y/-y方向上)升高或降低可移动构建平台111的任何装置或系统。在一些实施例中，提升部件113可以利用线性致动器类型的机构来实现可移动构建平台111的移动。适合用作提升部件113的装置或系统的说明性示例包括但不限于剪叉式提升机，机械线性致动器(例如基于螺丝的致动器)，轮轴致动器(例如，齿条和小齿轮类型致动器)，液压致动器，气动致动器，压电致动器，机电致动器等。在一些实施例中，提升部件113可以位于构建室102内。在其他实施例中，提升部件113可以仅部分地位于构建室102内，特别是在可能需要将提升部件113的对构建室102的内部104内的恶劣条件(高热量，过多灰尘等)敏感的部分隔离的实施例中。
粉末分配器108通常被布置和构造为在粉末床110中(例如，在粉末床内的起始板或构建平台111上)放置和/或铺展一层原料141作为粉末层112。即，粉末分配器108被布置为使得粉末分配器108的移动处于由图1A中所示的坐标轴的x轴和z轴限定的水平面中。例如，粉末分配器108可以是在粉末床110上面或上方在图1A的坐标轴的z方向上(例如，从粉末床110的第一端到粉末床110的第二端)延伸一定距离的臂，杆等。在一些实施例中，粉末分配器108的长度可以比构建平台111的宽度长，使得粉末层112可以分配在构建平台111的每个位置上。在一些实施例中，粉末分配器108可以具有平行于构建平台111的顶表面(例如，通常平行于图1A的坐标轴的+x/-x轴)的中心轴线。一个或多个马达，致动器等可以联接到粉末分配器108，以实现粉末分配器108的移动。例如，齿条和小齿轮致动器可以联接到粉末分配器108，以使粉末分配器108在图1A的坐标轴的+x/-x方向上在粉末床上来回移动，如图1A中的粉末分配器108上方描绘的双向箭头所示。在一些实施例中，粉末分配器108的移动可以是连续的(例如，除了改变方向之外，不停止地移动)。在其他实施例中，粉末分配器108的移动可以是逐步的(例如，以一系列间隔移动)。在其他实施例中，粉末分配器108的移动可以使得在移动的周期之间发生多个中断。
如本文中更详细描述的，粉末分配器还可以包括一个或多个齿(例如，耙指等)，该一个或多个齿从粉末分配器108延伸到来自原料料斗140a，140b的原料141中，以使得当粉末分配器108移动时扰乱原料141(从而例如，分配原料141，扩展粉末层112等)。在下文中将更详细地讨论关于粉末分配器108的齿的附加细节。
在实施例中，粉末分配器108包括从粉末分配器108的底表面B延伸(例如，大致朝着图1A的坐标轴的-y方向延伸)的多个耙齿107。在一些实施例中，耙齿107可以在基本上垂直于构建平台111的平面(例如，垂直于由图1A描绘的坐标轴的x轴和z轴形成的平面)的方向上延伸。在另一个实施例中，耙齿107可以相对于构建平台111倾斜。倾斜耙齿107相对于构建平台的法线的角度a可以是任何值，并且在一些实施例中角度a在约0至约45°之间。
在一些实施例中，多个耙齿107中的每一个可以是金属箔或金属片。多个耙齿107的总长度可以比构建平台111的宽度长，以使得可以在构建平台111的每个位置上分配粉末。如将在本文中更详细地描述的，耙齿107的形状和大小可以定为耙过原料141以将粉末层112分配在构建平台111上。
应该理解，虽然本文所述的粉末分配器108通常在图1A所示的坐标轴的x方向上延伸一定距离，并在图1A所示的坐标轴的+x/-x方向上移动，以如上所述散布粉末层112，但是这仅是一个说明性示例。也可以考虑其他构造。例如，在不脱离本公开的范围的情况下，粉末分配器108可以绕轴线旋转以散布粉末层112，可以绕一个或多个接头等铰接以散布粉末层112等。
在一些实施例中，粉末分配器108的横截面可以是大致三角形的，如图1A所示。然而，应当理解，横截面可以是任何形状，包括但不限于圆形，椭圆形，二次形，矩形，多边形等。可以设置粉末分配器108的高度，以便在系统竖直方向(例如，沿着图1A的坐标轴的+y/-y轴)上赋予粉末分配器108特定的机械强度。即，在一些实施例中，粉末分配器108可在系统竖直方向上具有特定的可控挠曲。还可以考虑粉末分配器108推动原料141的量来选择粉末分配器的高度。如果粉末分配器108的高度太小，则粉末分配器108只能相对于较高功率的粉末分配器108向前推动较小的量。然而，如果粉末分配器108的高度太高，则粉末分配器108可能会使从一堆粉末中捕获的粉末复杂化，(例如，粉末分配器108的高度越高，为了通过将粉末分配器108移动到一堆粉末中、并从进入一堆粉末的方向上的第一侧到构建平台111的方向上的第二侧使预定量的粉末落到从粉末分配器108的顶部、而从一堆粉末中捕获预定量的粉末，可能需要更大的力)。如本文所述，在其他实施例中，粉末分配器108的高度可以使得与粉末分配器108的前端和后端都相邻的区域在成像装置114的视场116内。
在一些实施例中，粉末分配器108可以通信地耦合到控制部件120，如图1A中粉末分配器108和控制部件120之间的虚线所示。如本文所用，术语“通信地耦合”通常是指以促进通信的方式的任何链路。这样，“通信地耦合”包括无线和有线通信，包括现在已知或以后开发的那些无线和有线通信。当粉末分配器108通信地耦合到控制部件120时，控制部件120可以传输一个或多个信号，数据等，以使粉末分配器108移动，改变方向，改变速度等。例如，由控制部件120传输到粉末分配器108的“反向”信号可能会导致粉末分配器108的移动方向反向(例如，在+x方向上移动反向到在–x方向上移动)。
每个原料料斗140a，140b通常可以是在其中容纳一定量的原料141并且包含从其分发原料141的开口的容器。尽管图1A描绘了两个原料料斗140a，140b，但是本公开不限于此。即，在不脱离本公开的范围的情况下，可以利用任何数量的原料料斗。此外，尽管图1A将原料料斗140a，140b描绘为位于构建室102的内部104内，但是本公开不限于此。即，在各种其他实施例中，原料料斗140a，140b可以位于构建室102的外部或部分地位于构建室102的外部。然而，应当理解，如果原料料斗位于构建室102的外部或部分地位于构建室102的外部，则为了维持构建室102内的真空，当不分配原料141时，可以选择性地密封供应原料141的原料料斗的一个或多个出口。
原料料斗140a，140b的形状和大小不受本公开的限制。即，在不脱离本公开的范围的情况下，原料料斗140a，140b通常可以具有任何形状和/或大小。在一些实施例中，每个原料料斗140a，140b的形状和/或大小可以被设定为与构建室102的尺寸一致，使得原料料斗140a，140b可以容纳在构建室内。在一些实施例中，原料料斗140a，140b的形状和大小可以被设定为使得原料料斗140a，140b的总容积足以容纳制造制品142所需的一定量的原料141，这包括足够量的材料以形成每个连续的粉末层112以及构成未熔融原料141的其他材料。
原料料斗140a，140b通常可具有用于排出位于原料料斗140a，140b内的原料141的出口，使得原料141可由粉末分配器108散布，如本文所述。在一些实施例中，例如图1A中所示的实施例，原料141可以在重力的作用下自由地从原料料斗140a，140b流出，从而形成成堆的原料141或一堆原料141，用于粉末分配器108的散布。在其他实施例中，原料料斗140a，140b的出口可以经由选择性关闭机构被选择性地关闭，以便在特定时间仅分配位于各个原料料斗140a，140b内的原料141的一部分。选择性关闭机构可以通信地耦合到控制部件120，使得传输到控制部件120/来自控制部件120的数据和/或信号可以用于选择性地打开和关闭原料料斗140a，140b的出口。
包含在原料料斗140a，140b中并用于形成制品142的原料141不受本公开的限制，并且通常可以是现在已知或以后开发的用于EBM的任何原料。原料141的说明性示例包括但不限于：纯金属，例如钛，铝，钨等；以及金属合金，例如钛合金，铝合金，不锈钢，钴铬合金，钴铬钨合金，镍合金等。原料141的具体示例包括但不限于Ti6Al4V钛合金，Ti6Al4V ELI钛合金，2级钛以及ASTM F75钴铬合金(全部可从瑞典默恩达尔的Arcam AB获得)。原料141的另一个具体示例是可从特种金属公司(亨廷顿WV)获得的
Figure BDA0002600975350000101
合金718。
在实施例中，与混合物相反，原料141是预合金的。这可以允许通过选择性激光熔化(SLM)对EBM进行分类，而其他技术(如选择性激光烧结(SLS)和直接金属激光烧结(DMLS))则需要在制造后进行热处理。与选择性激光熔化(SLM)和DMLS相比，由于EBM的更高能量密度和扫描方法，EBM通常具有更优的构建速率。
发射器130通常是发射电子束(例如，带电粒子束)的装置，例如电子枪，线性加速器等。发射器130生成能量束131，当原料141作为粉末层112散布在构建平台111上时，该能量束131可用于将原料141熔化或熔融在一起。在一些实施例中，发射器130可以包括至少一个聚焦线圈，至少一个偏转线圈和电子束电源，其可以电连接到发射器控制单元。在一个说明性实施例中，发射器130生成具有约60千瓦(kV)的加速电压和具有约0千瓦(kW)至约10kW的范围内的束功率的可聚焦电子束。当通过使用能量束131熔融每个连续的粉末层112来构建制品142时，真空室中的压力可以在约1×10-3mBar至约1×10-6mBar的范围内。在一些实施例中，发射器130可以通信地耦合到控制部件120，如图1A中发射器130和控制部件120之间的虚线所示。发射器130到控制部件120的通信耦合可以提供在发射器130和控制部件120之间传输信号和/或数据的能力，例如来自控制部件120引导发射器130的操作的控制信号。
仍参考图1A，成像装置114通常位于构建室102外面的外部环境105中，但仍被定位为使得成像装置114的视场116通过构建室102的窗口106。成像装置114通常位于构建室102的外部，使得构建室102的内部104内的恶劣环境不会影响成像装置114的操作。即，在构建室102的内部104内出现的热量，灰尘，金属化，X射线辐射等将不会影响成像装置114的操作。在实施例中，成像装置114被固定在适当位置，使得视场116保持恒定(例如，不改变)。此外，成像装置114被布置在固定位置，使得成像装置114的视场116包围整个粉末床110。即，成像装置114能够通过窗口106对构建室102内的整个粉末床110进行成像。
在一些实施例中，成像装置114是特别地构造成感测由粉末床110内的各种部件(例如，粉末层112，原料141和/或制品142)生成的电磁辐射，特别是热辐射(例如，热量辐射)的装置。因此，成像装置114通常可以是特别地调谐或以其他方式构造成在容易检测到热辐射的光谱(例如可见光谱和红外光谱(包括远红外光谱和近红外光谱))中获得图像的装置。这样，特别地调谐或以其他方式构造成在热辐射的光谱中获得图像的装置的一个说明性示例包括但不限于红外相机。在一些实施例中，成像装置114可以是在约1微米(μm)至约14μm(包括约1μm，约2μm，约3μm，约4μm，约5μm，约6μm，约7μm，约8μm，约9μm，约10μm，约11μm，约12μm，约13μm，约14μm，或这些值中的任意两个之间的任何值或范围(包括端点))的波长范围内敏感的相机。这样，成像装置114适合于对在粉末层112的EBM期间发生的温度进行成像。在一些实施例中，可以根据所使用的原料的类型来选择成像装置114的波长灵敏度。可以用于成像装置114的合适的装置的说明性示例包括但不限于IR相机(红外相机)，NIR相机(近红外相机)，VISNIR相机(视觉近红外相机)，CCD相机(带电耦合装置相机)和CMOS相机(互补金属氧化物半导体相机)。
在一些实施例中，成像装置114可以是能够提供特定于视场116内的一个或多个感兴趣区域(包括在视场116内移动的感兴趣区域)的数据的区域扫描相机。即，区域扫描相机包括像素矩阵，该像素矩阵使装置可以在单个曝光周期中捕获具有竖直和水平元素2D图像。区域扫描相机还可用于获得多个连续图像，这在选择视场116内的感兴趣区域并观察感兴趣区域中的变化时非常有用，如本文中更详细描述的。这种区域扫描相机的说明性示例包括可从Basler AG(德国阿伦斯堡)，JAI有限公司(日本横滨)，National Instruments(德克萨斯州奥斯汀)和Stemmer Imaging(德国普赫海姆)获得的那些。
在一些实施例中，成像装置114可以具有单色图像传感器。在其他实施例中，成像装置114可以具有彩色图像传感器。在各种实施例中，成像装置114可以包括一个或多个光学元件，诸如透镜，滤光片等。在特定实施例中，成像装置114可以包括拜耳滤光片。众所周知，拜耳滤光片是用于将RGB彩色滤光片排列在光电传感器的方格上以创建彩色图像(例如约50％绿色，约25％红色和约25％蓝色的滤光片图案)的彩色滤光片阵列(CFA)。
在一些实施例中，成像装置114还可以是特别地构造成向控制部件120提供与感测到的电磁辐射对应的信号和/或数据的装置。这样，成像装置114可以通信地耦合到控制部件120，如图1A中成像装置114和控制部件120之间的虚线所示。
应该理解的是，通过将成像装置114放置在构建室102的内部104外面的外部环境105中，可以容易地用包括成像装置114的套件来改造在室壁103中具有窗口的现有构建室，以便利用本文所述的能力升级现有的构建室。
控制部件120通常是通信地耦合至增材制造系统100的一个或多个部件(例如，粉末分配器108，成像装置114和/或发射器130)的装置，并且特别地布置和构造成向增材制造系统100的一个或多个部件传输信号和/或数据、和/或从增材制造系统100的一个或多个部件接收信号和/或数据的装置。本文将参考图3A-3D讨论关于控制部件120的附加细节。
图1B描绘了根据一个或多个实施例的另一说明性增材制造系统100'。类似于图1A所示的增材制造系统100，图1B的增材制造系统100'还至少包括构建室102和控制部件120。构建室102的各种部件包括：一个或多个室壁103；构建室102的内部104；窗口106；粉末分配器108，其包括耙齿107；粉末床110，其包含可移动构建平台111和提升部件113，并且支撑由粉末分配器108从包含在原料料斗140a，140b内的原料141形成的粉末层112；以及发射器130，这些部件都与关于图1A描述的那些相似。这样，为了简洁起见，将不关于图1B进一步描述构建室的这种部件。此外，控制部件120类似于图1A中描绘的控制部件120。
仍参考图1B，增材制造系统100'还包括光学耦合到动态光学元件118的多个成像装置114a，114b。如本文中所使用的，术语“光学耦合”是指部件(例如，多个成像装置114a，114b和动态光学元件118)被定位成使得光能够从一个部件传递到另一个部件(例如，从动态光学元件传递到多个成像装置114a，114b中的一个或多个)，而没有实质性的干扰。在一些实施例中，可以通过使动态光学元件118与多个成像装置114a，114b中的一个或多个直接接触来实现光学耦合。在其他实施例中，可以通过将各个部件彼此间隔开以使得元件之间的光必须穿过另一种介质(例如空气，波导等)来实现光学耦合。
如图1B所示，多个成像装置114a，114b和动态光学元件118定位在构建室102的一个或多个室壁103外部的外部环境105中，位于邻近构建室102(特别是窗口106)的位置处。这样的位置防止多个成像装置114a，114b和动态光学元件118暴露于构建室的内部104内的恶劣环境，从而避免暴露于可能会影响多个成像装置114a，114b和/或动态光学元件118的操作的热，灰尘，金属化，x射线辐射等。此外，多个成像装置114a，114b和动态光学元件118的位置邻近构建室102允许包含多个成像装置114a，114b和动态光学元件118的套件被改造成现有构建室。
尽管图1B的实施例描绘了两个成像装置114a，114b和单个动态光学元件118，但是本公开不限于此。即，在一些实施例中，可以利用2、3、4、5、6、7、8、9、10或更多个成像装置。此外，在一些实施例中，可以利用多个动态光学元件118。然而，应当理解，无论成像装置114a，114b的数量以及动态光学元件118的数量如何，本文所述的特征和功能都保持相同或相似。
多个成像装置114a，114b中的每一个是特别地构造成感测由粉末床110内的各种部件(例如，粉末层112，原料141和/或制品142)生成的电磁辐射(特别是热辐射(例如，热量辐射))线的线扫描装置。因此，多个成像装置114a，114b中的每一个通常可以是特别地调谐或以其他方式构造成获得容易检测到热辐射的光谱(例如可见光谱和红外光谱(包括远红外和近红外光谱))中的数据线的线扫描装置。这样，特别地调谐或以其他方式构造成在热辐射的光谱中获得图像的装置的一个说明性示例包括但不限于红外线扫描相机。在一些实施例中，多个成像装置114a，114b中的每一个可以是在约1微米(μm)至约14μm(包括约1μm，约2μm，约3μm，约4μm，约5μm，约6μm，约7μm，约8μm，约9μm，约10μm，约11μm，约12μm，约13μm，约14μm，或这些值中的任意两个值之间的任何值或范围(包括端点))的波长范围内敏感的线扫描相机。这样，多个成像装置114a，114b中的每一个适合于对在粉末层112的EBM期间出现的温度进行成像。在一些实施例中，可以根据所使用的原料的类型来选择多个成像装置114a，114b中的每一个的波长灵敏度。
如本文所述，多个成像装置114a，114b中的每一个是线扫描相机。线扫描相机是一种可以非常快速地捕获目标的单行像素(例如，与粉末分配器108的前端相邻的区域中的单行像素，和/或与粉末分配器108的后端相邻的区域中的单行像素，如本文中更详细地描述)的图像检测器。在一些实施例中，多个成像装置114a，114b中的每一个可以是高光谱线扫描相机。这种线扫描相机的说明性示例包括可从Photonfocus AG(瑞士拉亨)，Basler AG(德国阿伦斯堡)，National Instruments(德克萨斯州奥斯汀)和Stemmer Imaging(德国普赫海姆)获得或由其以后开发的那些。
在各种实施例中，多个成像装置114a，114b中的每一个可以包括一个或多个光学元件，诸如透镜，滤光片等。在特定实施例中，多个成像装置114a，114b中的每一个可以包括拜耳滤光片。众所周知，拜耳滤光片是用于将RGB彩色滤光片排列在光电传感器的方格上以创建彩色图像(例如约50％绿色，约25％红色和约25％蓝色的滤光片图案)的彩色滤光片阵列(CFA)。
在一些实施例中，多个成像装置114a，114b中的每一个可以进一步是特别地构造成向控制部件120提供与感测到的电磁辐射对应的信号和/或数据的装置。这样，多个成像装置114a，114b可以通信地耦合到控制部件120，如图1B中多个成像装置114a，114b中的每一个和控制部件120之间的虚线所示。
动态光学元件118通常是可调节的、可移动的等，以连续地改变由多个成像装置114a，114b中的每一个接收的光的装置。例如，动态光学元件118可以改变由多个成像装置114a，114b中的每一个接收的光的位置，使得多个成像装置114a，114b可以感测不同的目标区域而无需移动成像装置114a。114b，如本文更详细地描述。
在图1B所示的实施例中，动态光学元件118可以是基于动态光学元件118的取向从不同方向接收光的镜子，透镜，棱镜等。动态光学元件118可以包括经由施加电能，机械能或力来改变动态光学元件118的取向或其他特性的马达等。这样，动态光学元件118将在一个位置接收到的光朝向多个成像装置114a，114b中的一个或多个反射。当动态光学元件由于施加电能，机械能或力绕轴线A旋转时(如在顺时针方向上运行的箭头所示)，接收到的光的位置发生变化，从而移动了多个成像装置114a，114b中的每一个的相应视场122a，122b。
在实施例中，动态光学元件118对光的移动或改变可以与粉末分配器108的移动同步，使得动态光学元件118移动成像装置114a，114b的视场122a，122b与粉末分配器108的移动一致。在一些实施例中，可以例如经由粉末分配器108与动态光学元件118之间的机械联接来机械地实现这种同步。在其他实施例中，可以例如通过将粉末分配器108和动态光学元件118上的机械驱动部件通信地耦合到将同步控制信号传输到机械驱动部件以使机械驱动部件彼此一致移动的单个控制器或多个同步控制器来机电地实现这种同步。通常应该理解实现这种同步移动的各种机械和机电装置。
在其他实施例中，动态光学元件118可以是改变接收到的光的方向从而改变多个成像装置114a，114b的相应视场122a，122b的任何其他光学装置。例如，动态光学元件118可以包括柔性元件。柔性元件可以是作为动态光学元件118的表面的膜。柔性元件可以被构造为通过例如改变柔性元件或其一部分的曲率半径，改变相对于固定元件的位移，和/或改变柔性元件的表面区域的形状(例如，向柔性元件施加力或电流/电压可以在柔性元件的表面上产生图案，该图案影响通过动态光学元件118的光的光路)来改变其形状。在其他实施例中，动态光学元件可以是移动以改变成像装置114a，114b的相应视场122a，122b的位置的MEMS镜等。在本公开的范围内设想并且包括改变成像装置114a，114b的相应视场122a，122b的其他方式。
在一些实施例中，动态光学元件可以被并入多个成像装置114a，114b中的每一个内，以改变成像装置114a，114b(例如，动态光学成像装置)的相应视场122a，122b。
图1C描绘了根据一个或多个实施例的又一说明性增材制造系统100”。与图1A所示的增材制造系统100相似，图1C的增材制造系统100”也至少包括构建室102。构建室102的各种部件包括：一个或多个室壁103；构建室102的内部104；粉末分配器108，其包括耙齿107；粉末床110，其包含可移动构建平台111和提升部件113，并且支撑由粉末分配器108从包含在原料料斗140a，140b内的原料141(以及未熔融的原料141)形成的粉末层112；以及发射器130，这些部件都与关于图1A描述的那些相似。这样，为了简洁起见，将不相对于图1C进一步描述构建室的这种部件。但是，图1C所示的构建室102不包含窗口。
仍然参考图1C，增材制造系统100”进一步包括联接到粉末分配器108的前光纤109a和多根后光纤109b。前光纤109a和后光纤109b光学耦合到图像信号处理器121，如粉末分配器108和图像信号处理器121之间的虚线所示。在图1C所示的实施例中，图像信号处理器121位于构建室102的内部104的外部。这样，可以经由传输介质(诸如附加纤维，波导等)来实现粉末分配器108与光纤109a，109b之间的光学耦合。传输介质可以延伸通过构建室102的室壁103，并且将图像信号处理器121与光纤109a，109b光学耦合。
参考图1C和2，描绘了粉末分配器108的底表面B。如图2所示，多根前光纤109a的末端202位于粉末分配器的前端220，多根后光纤109b的末端204位于粉末分配器108的后端240。另外，末端202、204位于底表面B，使得末端202、204面对图1C所示的粉末层112。由末端202、204接收的来自粉末层112的电磁辐射经由传输介质206传输到图像信号处理器121。在一些实施例中，光纤109a，109b的末端202、204可以安装在能够承受构建室102的恶劣环境的陶瓷基板或其他类似基板内。
鉴于构建室102内的恶劣环境，末端202，204可能不会直接暴露于构建室102的内部104。而是，前覆盖玻璃208可以覆盖多根前光纤109a的末端202，并且后覆盖玻璃210可以覆盖多根后光纤109b的末端204。前覆盖玻璃208和后覆盖玻璃210的形状和大小通常设置成覆盖相应末端202、204中的每一个，并且通常由能够承受构建室102内可能存在的高热和低压的材料构成。在一些实施例中，前覆盖玻璃208和后覆盖玻璃210可以由不改变通过其传输的电磁辐射的材料构成，以便不改变粉末层112的确定特性。在其他实施例中，前覆盖玻璃208和后覆盖玻璃210可以由用作滤光片(例如拜耳滤光片等)的材料构成。
如图2所示，前光纤109a布置在单列中，后光纤109b布置在三列中。尽管本公开不限于光纤109a，109b的任何特定布置，但是应当理解，多个列中的每一列可以用于从每个列中获得不同的图像数据，以便更有限地读取图像数据，从而提供更准确的梯度指示。也就是说，附加列可以允许一个或多个点的附加图像数据，这又使其自身具有对一个或多个点进行附加比较以更准确地确定粉末层112的分配的能力。
同样如图1C和2所示，耙齿107设置在粉末分配器108的底表面B上的多根前光纤109a和多根后光纤109b之间。
再次参考图1C，图像信号处理器121通常可以是一种装置，该装置特别地构造成经由多根前光纤109a和多根后光纤109b接收由粉末床110内的各个部件(例如粉末层112，原料141和/或制品142)发射的电磁辐射(例如，热辐射/热量辐射)，并生成与其对应的图像数据(例如，与经由前光纤109a接收的电磁辐射相对应的前图像数据和与经由后光纤109b接收的电磁辐射相对应的后图像数据)。换句话说，图像信号处理器121通常是被构造为在多根光纤中的每一根的视场内的各个感兴趣区域中以图像形式接收电磁辐射的装置。在一些实施例中，图像信号处理器121可以特别地调谐或以其他方式构造成经由光纤109a，109b在容易检测到热辐射的光谱(例如，可见光谱和红外光谱(包括远红外光谱和近红外光谱))中获得电磁辐射。在一些实施例中，图像信号处理器121在约1微米(μm)至约14μm(包括约1μm，约2μm，约3μm，约4μm，约5μm，约6μm，约7μm，约8μm，约9μm，约10μm，约11μm，约12μm，约13μm，约14μm，或这些值中的任意两个值之间的任何值或范围(包括端点))的波长范围内敏感。这样，与耦合的光纤109a，109b相结合的图像信号处理器121适用对在粉末层112的EBM期间出现的温度进行成像。在一些实施例中，可以根据所使用的原料的类型来选择图像信号处理器121的波长灵敏度。
在一些实施例中，图像信号处理器121可以进一步是特别地构造成将与感测到的电磁辐射相对应的信号和/或数据(例如，由于接收电磁辐射而生成的数据)提供给控制器部件120'的装置。这样，图像信号处理器121可以通信地耦合到控制部件120，如图1C中图像信号处理器121和控制部件120之间的虚线所示。
图像信号处理器121可以包括用于执行与接收电磁辐射，生成数据和传输数据有关的各种处理的各种内部部件。例如，图像信号处理器121可以包括诸如处理装置，存储器(包括非暂时性存储器)，光电二极管，数字信号处理部件，接口硬件等的部件。在一些实施例中，图像信号处理器121可以是具有多核处理器架构的片上系统。在一些实施例中，图像信号处理器121的光电二极管部分可以光学耦合到光纤109a，109b中的每一根，并且可以被构造为响应于从光纤109a，109b接收到的电磁辐射而生成电信号。
转到图3A，示出了图1A-1B描绘的控制部件120的各种内部部件。特别地，图3A描绘了用于分析从图1A的成像装置114接收的图像数据或从图1B的成像装置114a，114b接收的图像数据，和/或辅助图1A和1B描绘的增材制造系统100、100'的各种部件的控制的各种系统部件。
如图3A所示，控制部件120可以包括一个或多个处理装置302，非暂时性存储器部件304，网络接口硬件308，装置接口硬件310和数据存储部件306。诸如总线等的本地接口300可以互连各种部件。
一个或多个处理装置302(诸如计算机处理单元(CPU))可以是进行计算和逻辑操作以执行程序的控制部件120的中央处理单元。单独或与其他部件结合的一个或多个处理装置302是说明性处理装置，计算装置，处理器或其组合。一个或多个处理装置302可以包括被构造为接收和执行指令(诸如来自数据存储部件306和/或存储器部件304的指令)的任何处理部件。
存储器部件304可以被构造为易失性和/或非易失性计算机可读介质，并且因此可以包括随机存取存储器(包括SRAM，DRAM和/或其他类型的随机存取存储器)，只读存储器(ROM)，闪存，寄存器，光盘(CD)，数字多功能盘(DVD)和/或其他类型的存储部件。存储器部件304可在其上包括一个或多个编程指令，当由一个或多个处理装置302执行时，该指令使一个或多个处理装置302完成各种处理，诸如本文关于图7所述的处理。
仍然参考图3A，存储在存储器部件304上的编程指令可以体现为多个软件逻辑模块，其中每个逻辑模块提供用于完成一个或多个任务的编程指令。图3C描绘了根据各种实施例的图3A的存储器部件304的各种模块。
如图3C所示，存储器部件包括多个逻辑模块。作为示例，图3C中所示的每个逻辑模块可以体现为计算机程序，固件或硬件。存在于存储器部件304中的逻辑模块的说明性示例包括但不限于图像数据接收逻辑360，图像数据分析逻辑362，点选择逻辑364，特性确定逻辑366，感兴趣区域确定逻辑368(例如，ROI确定逻辑)，比较逻辑370，粉末分配器识别逻辑372和/或装置接口逻辑374。
参考图3A和3C，图像数据接收逻辑360包括用于从成像装置114或成像装置114a，114b接收图像数据的一个或多个编程指令。也就是说，图像数据接收逻辑360可以引起装置接口硬件310与图1A的成像装置114或图1B的成像装置114a，114b之间的连接，使得由成像装置114或成像装置114a，114b传输的数据被控制部件120接收。此外，可以(例如，在数据存储部件306内)存储由成像装置114或成像装置114a，114b传输的数据。
图像数据分析逻辑362包括用于分析从成像装置114或成像装置114a，114b接收的图像数据的一个或多个编程指令。也就是说，图像数据分析逻辑362包含用于分析图像数据中包含的像素，基于各种特性确定像素分组，从像素中提取信息(例如，亮度，强度，颜色等)，和/或完成目前已知或以后开发的其他图像分析任务的程序。
参照图1A-1B和3C，点选择逻辑364包括一个或多个编程指令，用于从图像数据选择粉末层112上的一个或多个点以分析一个或多个点的变化，如本文更详细描述的。即，点选择逻辑364可以包含用于基于表示粉末层112上的点的像素的特性，从图像数据确定与粉末层112上的一个或多个点相对应的一个或多个像素的程序。点选择逻辑364可以进一步包括编程指令，用于基于粉末分配器108的移动来确定所选择的一个或多个点位于前感兴趣区域中或位于前感兴趣区域将在未来的时间点所处的位置。在一些实施例中，可以为一个或多个所选择的点指定位置标识符，使得稍后可以在后续图像数据中确定一个或多个点。例如，可以相对于图像数据中一个或多个固定区域为一个或多个点中的每一个指定坐标，使得这些点可以位于后续图像数据中的相同坐标处。即，如果特定点位于从图像的左下角起向上82个像素和向右17个像素，则可以为该点指定坐标(17、82)等。通常应理解其他位置标识符。
仍参考图1A-1B和3C，特性确定逻辑366包括一个或多个编程指令，用于确定已根据点选择逻辑364选择的所选择的一个或多个点的特性。即，特性确定逻辑366可以包含可用于基于一个或多个点处的像素的图像数据来确定一个或多个点处的粉末层的特性的程序。例如，特性确定逻辑366可以包含用于确定诸如亮度，强度，颜色等的特性的程序。在一些实施例中，特性确定逻辑366可以包含可用于确定与一个或多个点处的空间温度梯度和/或一个或多个点处的时间温度梯度有关的信息的程序。
仍参考图1A-1B和3C，感兴趣区域确定逻辑368包括一个或多个编程指令，用于从图像数据确定多个感兴趣区域中的每一个的位置。如将在本文中更详细地描述的，感兴趣区域包括邻近粉末分配器108的前端的前感兴趣区域和邻近粉末分配器108的后端的后感兴趣区域。这样，可以基于粉末分配器108的位置来选择感兴趣区域。可以使用包括在粉末分配器识别逻辑372内的一个或多个编程指令来确定粉末分配器108的位置。即，粉末分配器识别逻辑372包括一个或多个编程指令，该指令基于来自图像数据的与粉末分配器108的特性相对应的像素的一个或多个特性来确定粉末分配器的位置。例如，来自图像数据的与粉末分配器108的特性相对应的各个像素相对于与粉末层112相对应的像素可以具有不同的颜色，不同的亮度，不同的强度，不同的温度等。
比较逻辑370通常包括一个或多个编程指令，用于以各种时间间隔比较所选择的一个或多个点的特性。也就是说，比较逻辑370可以包含将当一个或多个点位于第一感兴趣区域(例如，前感兴趣区域)内时的一个或多个点的特性与当一个或多个点位于第二感兴趣区域(例如，后感兴趣区域)内时的在时间上较晚的一个或多个点进行比较。更具体地，比较逻辑370可以包含可用于确定用于比较目的的特性(诸如颜色，强度，亮度，温度，梯度等)中的差异的编程指令。
参考图1A-1B，3A和3C，装置接口逻辑374包括一个或多个编程指令，用于与增材制造系统100(图1A)或增材制造系统100'(图1B)的各种装置或部件建立通信连接。例如，在各种实施例中，装置接口逻辑374可以包括可用于与粉末分配器108和/或发射器130建立连接的编程指令。在另一个示例中，装置接口逻辑374可以包含编程指令，用于与图像数据接收逻辑360的编程指令协同工作，以与成像装置114(图1A)或成像装置114a，114b(图1B)建立连接。
再次参考图3A，网络接口硬件308可包括任何有线或无线网络硬件，例如调制解调器，LAN端口，无线保真(Wi-Fi)卡，WiMax卡，移动通信硬件和/或用于与其他网络和/或装置通信的其他硬件。例如，网络接口硬件308可以用于经由诸如局域网，互联网等的网络促进外部存储装置，用户计算装置，服务器计算装置，外部控制装置等之间的通信。
装置接口硬件310可以在本地接口300与图1A的增材制造系统100或图1B的增材制造系统100'的一个或多个部件之间传送信息。例如，装置接口硬件310可以充当本地接口300与图1A的成像装置114或图1B的多个成像装置114a，114b，粉末分配器108，控制图1B的动态光学元件118的动态光学部件控制器312等之间的接口。在一些实施例中，装置接口硬件310可以向图1A的成像装置114或图1B的多个成像装置114a，114b传输信号和/或数据，或从其接收信号和/或数据，向动态光学部件控制器312传输控制信号以实现对图1B的动态光学元件118的控制等。
仍然参考图3A，通常可以是存储介质的数据存储部件306可以包含一个或多个数据存储库，用于存储被接收和/或生成的数据。数据存储部件306可以是任何物理存储介质，包括但不限于硬盘驱动器(HDD)，存储器，可移动存储装置等。尽管数据存储部件306被描述为本地装置，但是应当理解，数据存储部件306可以是远程存储装置，例如服务器计算装置，基于云的存储装置等。可以包含在数据存储部件306内的说明性数据包括但不限于图像数据322，机器学习(ML)数据324和/或其他数据326。图像数据322通常可以是控制部件120用于识别特定对象，确定粉末层112上的一个或多个点(图1A-1B)，监测一个或多个点处的电磁辐射量，确定电磁辐射的变化等的数据。例如，控制部件120可以访问图像数据322以获得从成像装置114(图1A)或多个成像装置114a，114b(图1B)接收的多个图像，从图像数据322确定电磁辐射量，并相应地生成一个或多个命令。仍参考图3A，ML数据324可以是作为用于从图像数据322确定粉末层112(图1A-1B)的特征的一种或多种机器学习处理的结果而生成的数据。仍参考图3A，如本文所述，其他数据326通常可以是可用于从图像数据322确定特性，选择一个或多个点，识别粉末分配器108(图1A-1B)，定位一个或多个点，提供反馈，引导移动等的任何其他数据。
应该理解，图3A所示的部件仅是说明性的，并不旨在限制本公开的范围。更具体地，尽管图3A中的部件被示为位于控制部件120内，但这是非限制性示例。在一些实施例中，部件中的一个或多个可以位于控制部件120的外部。
图3B描绘了图1C中描绘的控制部件120'的各种内部部件。特别地，图3B描绘了用于分析从图像信号处理器121接收到的图像数据和/或辅助控制图1C中描绘的增材制造系统100”的各种部件的各种系统部件。
如图3B所示，控制部件120'可包括一个或多个处理装置302'，非暂时性存储器部件304'，网络接口硬件308'，装置接口硬件310'，图像信号处理器(ISP)接口硬件314'和数据存储部件306'。本地接口300'(诸如总线等)可以互连各种部件。
一个或多个处理装置302'(诸如计算机处理单元(CPU))可以是进行计算和逻辑操作以执行程序的控制部件120'的中央处理单元。单独或与其他部件结合的一个或多个处理装置302'是说明性处理装置，计算装置，处理器或其组合。一个或多个处理装置302'可以包括被构造为接收和执行指令(诸如来自数据存储部件306'和/或存储器部件304'的指令)的任何处理部件。
存储器部件304'可以被构造为易失性和/或非易失性计算机可读介质，并且因此可以包括随机存取存储器(包括SRAM，DRAM和/或其他类型的随机存取存储器)，只读存储器(ROM)，闪存，寄存器，光盘(CD)，数字多功能盘(DVD)和/或其他类型的存储部件。存储器部件304'可在其上包括一个或多个编程指令，当由一个或多个处理装置302'执行时，该指令使一个或多个处理装置302'完成各种处理，诸如本文关于图8所述的处理。
仍然参考图3B，存储在存储器部件304'上的编程指令可以体现为多个软件逻辑模块，其中每个逻辑模块提供用于完成一个或多个任务的编程指令。图3D描绘了根据各种实施例的图3B的存储器部件304'的各种模块。
如图3D所示，存储器部件包括多个逻辑模块。作为示例，图3D中示出的每个逻辑模块可以被体现为计算机程序，固件或硬件。存在于存储器部件304'中的逻辑模块的说明性示例包括但不限于图像数据接收逻辑360'，图像数据分析逻辑362'，点选择逻辑364'，特性确定逻辑366'，比较逻辑370'和/或装置接口逻辑374'。
参考图3B和3D，图像数据接收逻辑360'包括一个或多个编程指令，用于从图像信号处理器121接收图像数据。即，图像数据接收逻辑360'可以引起ISP接口硬件314'和图像信号处理器121之间的连接，使得由图像信号处理器121传输的数据被控制部件120'接收。此外，由图像信号处理器121传输的数据可以被存储(例如，存储在数据存储部件306'内)。
图像数据分析逻辑362'包括一个或多个编程指令，用于分析从图像信号处理器121接收的图像数据。也就是说，图像数据分析逻辑362'包含程序，该程序用于分析图像数据(包括前图像数据和后图像数据)中包含的像素，基于各种特性确定像素分组，从像素提取信息(例如，亮度，强度，颜色等)，和/或完成现在已知或以后开发的其他图像分析任务。
参考图1C和3D，点选择逻辑364'包括一个或多个编程指令，用于从图像数据中选择粉末层112上的一个或多个点，以便分析一个或多个点的变化，如本文更详细地描述。即，点选择逻辑364'可以包含用于基于表示粉末层112上的点的像素的特性从图像数据确定与粉末层112上的一个或多个点相对应的一个或多个像素的程序。点选择逻辑364'可以进一步包括编程指令，用于基于接收到的图像数据(例如，前图像数据或后图像数据)的类型确定所选择的一个或多个点位于前感兴趣区域中或位于前感兴趣区域将在未来的时间点所处的位置。在一些实施例中，可以为一个或多个选择的点指定位置标识符，使得稍后可以在后续图像数据中确定一个或多个点。例如，可以相对于图像数据中的一个或多个固定区域为一个或多个点中的每一个指定坐标，使得这些点可以位于后续图像数据中的相同坐标处。即，如果特定点位于从图像数据中已知固定位置起向上82个像素和向右17个像素(与成像该点的光纤无关)，则可以为该点指定坐标(17，82)等。通常应理解其他位置标识符。
仍参考图1C和3D，特性确定逻辑366'包括一个或多个编程指令，用于确定已根据点选择逻辑364'选择的所选择的一个或多个点的特性。即，特性确定逻辑366'可以包含可用于基于一个或多个点处的像素的图像数据来确定一个或多个点处的粉末层的特性的程序。例如，特性确定逻辑366'可以包含用于确定诸如亮度，强度，颜色等的特性的程序。在一些实施例中，特性确定逻辑366'可以包含可用于确定与一个或多个点处的空间温度梯度和/或一个或多个点处的时间温度梯度有关的信息的程序。
比较逻辑370'通常包括一个或多个编程指令，用于以各种时间间隔比较所选择的一个或多个点的特性。也就是说，比较逻辑370'可以包含将当一个或多个点位于第一感兴趣区域(例如，前感兴趣区域)内时的一个或多个点的特性与当一个或多个点位于第二感兴趣区域(例如，后感兴趣区域)内时的在时间上较晚的一个或多个点进行比较。更具体地，比较逻辑370'可以包含可用于确定用于比较目的的特性(诸如颜色，强度，亮度，温度，梯度等)中的差异的编程指令。
参考图1C，3B和3D，装置接口逻辑374'包括一个或多个编程指令，用于与增材制造系统100”的各种装置或部件建立通信连接。例如，在各种实施例中，装置接口逻辑374'可以包括可用于与粉末分配器108和/或发射器130建立连接的编程指令。在另一个示例中，装置接口逻辑374'可以包含用于与图像数据接收逻辑360'的编程指令协同工作，以与图像信号处理器121建立连接的编程指令。
再次参考图3B，网络接口硬件308'可包括任何有线或无线网络硬件，例如调制解调器，LAN端口，无线保真(Wi-Fi)卡，WiMax卡，移动通信硬件和/或用于与其他网络和/或装置通信的其他硬件。例如，网络接口硬件308'可以用于经由网络(诸如局域网，互联网等)促进外部存储装置，用户计算装置，服务器计算装置，外部控制装置等之间的通信。
装置接口硬件310'可以在本地接口300'与图1C的增材制造系统100”的一个或多个部件之间传送信息。例如，装置接口硬件310'可以充当本地接口300'与粉末分配器108等之间的接口。在一些实施例中，如本文所述，装置接口硬件310'可以向粉末分配器108传输信号和/或数据，或从粉末分配器108接收信号和/或数据，以使粉末分配器108移动，停止，反向等。
仍然参考图3B，通常可以是存储介质的数据存储部件306'可以包含用于存储被接收和/或生成的数据的一个或多个数据存储库。数据存储部件306'可以是任何物理存储介质，包括但不限于硬盘驱动器(HDD)，存储器，可移动存储装置等。尽管数据存储部件306'被描述为本地装置，但是应该理解，数据存储部件306'可以是远程存储装置，例如服务器计算装置，基于云的存储装置等。可以包含在数据存储部件306'内的说明性数据包括但不限于图像数据322'，机器学习(ML)数据324'和/或其他数据326'。图像数据322'通常可以是控制部件120'用于识别特定对象，确定粉末层112上的一个或多个点(图1C)，监测一个或多个点处的电磁辐射量，确定电磁辐射的变化等的数据。例如，控制部件120'可以访问图像数据322'以获得从图像信号处理器121接收的多个图像，从图像数据322'确定电磁辐射量，并相应地生成一个或多个命令。仍然参考图3B，ML数据324'可以是作为用于从图像数据322'确定粉末层112(图1C)的特征的一个或多个机器学习处理的结果而生成的数据。仍然参考图3B，如本文所述，其他数据326'通常可以是可用于从图像数据322'确定特性，选择一个或多个点，定位一个或多个点，提供反馈，引导移动等的任何其他数据。
应该理解的是，图3B所示的部件仅是说明性的，并不旨在限制本公开的范围。更具体地，尽管图3B中的部件被示为位于控制部件120'内，但这是非限制性示例。在一些实施例中，部件中的一个或多个可以位于控制部件120'的外部。
现在应该大致理解图1A-1C，2和3A-3D中描绘的各种实施例。即，图1A中描绘的实施例包括成像装置114，该成像装置114位于构建室102的外部并且固定在特定位置，以使其不移动并且具有包围整个粉末床110的视场。图1B中描绘的实施例包括多个成像装置114a，114b，多个成像装置114a，114b光学耦合到构建室102外部的动态光学元件118，并且被布置为使得多个成像装置中的每一个具有可通过动态光学元件118移动的特定视场。图1C和图2中描绘的实施例包括布置在粉末分配器108上并光学耦合到处理信号的图像信号处理器121的多个前光纤109a和多个后光纤109b。在图1A-1C中描绘的每个实施例中，可以使用参考图3A-3D描述和下面进一步详细描述的各种内部部件，在粉末分配器108经过粉末层112之前和之后立即对粉末层112进行成像并比较该图像，以确定粉末层112的分配。
在操作中，增材制造系统100、100'，100”的某些部件的功能在图1A-1C所示的每个实施例中可以相似。即，在工作周期期间，在放置每个添加的粉末层112之后，可以相对于发射器130(例如，在图1A-1C所示的坐标轴的-y方向上)连续地降低构建平台111。这意味着构建平台111从初始位置开始，在该初始位置中，特定厚度的第一粉末层112被铺设在构建平台上。在一些实施例中，第一粉末层112可以比其他施加的层厚，以便避免第一层熔穿到构建平台111上。此后，与铺设第二粉末层112相关联地降低构建平台111，以形成制品142的新横截面。
在示例实施例中，可以通过在构建平台111上逐层熔融从原料料斗140a，140b供应的原料141(例如，逐层熔融粉末层112)来形成制品142。每一层对应于制品142的连续横截面。可以基于从制品142的模型生成的指令来特别地完成这种熔融。在一些实施例中，可以经由CAD(计算机辅助设计)工具来生成模型。
在实施例中，发射器130生成电子束，当该电子束与位于构建平台上的原料141接触时，将原料141熔化或熔融在一起，以在构建平台111上形成粉末层112的第一层。在一些实施例中，控制部件120可以用于控制和管理从发射器130发射的电子束。至少一个聚焦线圈(未示出)，至少一个偏转线圈和电子束电源可以电连接或通信地耦合至控制部件120，如图1A-1C每一个中的控制部件120、120'和发射器130之间的虚线所示。在说明性实施例中，发射器130生成具有约60千伏(kV)的加速电压和具有约0千瓦(kW)至约3kW范围内的束功率的可聚焦电子束。当通过利用能量束熔融每个连续的粉末层112来构造制品142时，构建室102的内部104中的压力可以在约10-3毫巴(mBar)至约10-6mBar的范围内。
在实施例中，可以在构建平台111上提供特定量的原料141。从一个或多个原料料斗140a，140b将特定量的原料141提供到构建平台111上，其中原料141通过原料料斗140a，140b上的相应出口喷出，从而在构建平台111上形成一堆原料141(以及在构建平台111的任一侧上形成未熔融原料141)。
应当理解，原料料斗140a，140b的使用和布置以供应用于形成本文所述的粉末层112的原料141仅是说明性的。即，还设想了供应和提供原料141的其他布置(诸如具有位于构建室102外部的移动地板的粉末容器等)，并将其包括在本公开的范围内。
在实施例中，可以在构建平台111上提供来自原料141的层。然后可以通过在第一方向上(例如，在沿着由图1A-1C所示的坐标轴的x轴和z轴形成的平面的方向上)移动粉末分配器108特定距离而进入一堆原料141，来由粉末分配器108收集来自原料141的层，从而允许特定量的原料141落在粉末分配器108的顶部上。然后在第二方向上(例如，在沿着由图1A-1C所示的坐标轴的x轴和z轴形成的平面的另一方向上)移动粉末分配器108。在一些实施例中，第二方向可以与第一方向相对。粉末分配器108在第二方向上的移动可以从一堆原料141中去除已经落在粉末分配器108的顶部上的特定量原料141。
从一堆原料141中去除(或由任何其他合适的机构提供)的在粉末分配器108前方(例如，邻近粉末分配器108的前端)的特定量的原料141，可以借助于粉末分配器108(包括其耙齿107)而在粉末床110和/或构建平台111上移动，从而将特定量的原料141分配在构建平台111上。
在实施例中，耙齿107的下部与构建平台111或先前粉末层112的上部之间的距离确定了分配在构建平台111或先前粉末层112上的该部分原料141的厚度。即，可以通过调整构建平台111的高度来调整粉末层112的厚度。
可以将从发射器130发射的能量束131引导到构建平台111上方，从而使粉末层112在特定位置熔融，以根据经由CAD工具生成的模型形成制品142的第一横截面。如本文所述，能量束131可以是电子束或激光束。根据控制部件120或其他装置给出的指令，将能量束131引导到构建平台111上方。
在完成第一粉末层112之后(例如，在熔融原料以制造制品142的第一层之后)，在第一粉末层112上提供第二粉末层112。如本文所述，第二粉末层112可以根据与先前层相同的方式分配。然而，在一些实施例中，在相同增材制造机器中可能存在用于分配原料141的替代方法。例如，可以通过第一粉末分配器提供第一层，并且可以通过第二粉末分配器提供第二层。
在将第二粉末层112分配在第一粉末层112上之后，将能量束131引导到构建平台111上方，使第二粉末层112在选定的位置熔融以形成制品142的第二横截面。第二层中的熔融部分可以粘结至所述第一层的熔融部分。第一层和第二层中的熔融部分可以通过不仅熔化最上层中的材料而且还再熔化最上层正下方的层的至少一部分厚度而熔化在一起。
为了确保在施加能量束131之前每个粉末层112被适当地分配，可以根据本文所述的各种实施例对粉末层112进行成像。粉末层的分配不充分可能导致制品142的横截面变形。这样，本文所述的实施例被构造为在粉末分配器108经过粉末层112之前和之后对粉末层112进行成像。如果感测到粉末层的分配不充分，则可以在施加能量束131之前采取纠正措施，以确保更好的分配。纠正措施可包括将粉末分配器108再一次或多次经过粉末层112，提供更多的原料141等。
图4A和图4B示意性地描绘了使用图1A中描绘的实施例监测粉末层的方法。如图4A-4B所示，定位成像装置114以对粉末床110进行成像。即，成像装置114的视场116包围整个粉末床110。在图4A-4B中还描绘了粉末分配器108在粉末床110上移动，如指向左侧的方向箭头所示。粉末分配器具有第一端404和第二端408。如图4A的实施例中所示，第一端404是前端，其表示由于粉末分配器108在向左的方向上移动而到达特定区域的粉末分配器108的第一部分。另外，如图4A的实施例中所示，第二端408是后端，其表示由于粉末分配器108在向左的方向上移动而到达特定区域的粉末分配器108的最后部分。在图4A所示的实施例中，粉末分配器108的向左移动导致第一端404(例如，前端)在粉末分配器108的最左侧部分，并且第二端408(例如，后端)在粉末分配器108的最右侧部分。然而，应当理解，如果粉末分配器108在不同方向上移动，则其前端和后端的位置可以改变。例如，如果粉末分配器108从左向右(例如，在与图4A中所示的方向相对的方向上)移动，则第一端404将代表后端，第二端408将代表前端。
图4A-4B还描绘了点P，其代表粉末床110上的一个或多个所选择点中的一个，如本文所述。点P不移动。即，在整个成像处理中，点P保持在相同位置。因此，如图4A所示，点P定位成接近或邻近粉末分配器108的第一端404(例如，前端)。随着粉末分配器108在图4A中所示的箭头的左方向上移动，粉末分配器108的第一端404(例如，前端)和第二端408(例如，后端)也移动。作为移动的结果，在粉末分配器108向左移动到图4B所示的位置之后，点P变成接近或邻近粉末分配器108的第二端408(例如后端)。
如本文所述，使用来自成像装置114的图像数据选择和分析点P(可以是其他点)。然而，如果使用整个视场116传输和分析，则由成像装置114产生的图像数据将是相当笨拙的，并且出于分析粉末层的目的而需要大量处理能力和存储。因此，参考图3C和4A-B，ROI确定逻辑368可用于以编程方式从成像装置114提供的图像数据中确定成像装置114的视场116内的前感兴趣区域402，前感兴趣区域402定位成邻近粉末分配器108的第一端404(例如，前端)。另外，ROI确定逻辑368还可以用于以编程方式从成像装置114提供的图像数据确定成像装置114的视场116内的后感兴趣区域406，后感兴趣区域406定位成邻近粉末分配器108的第二端408(例如后端)。
选择前感兴趣区域402以就在粉末分配器108经过粉末层112之前从粉末层112的图像数据获得信息，而无需分析对应于成像装置114的整个视场116的所有图像数据。另外，选择后感兴趣区域406以在粉末分配器108刚刚经过粉末层112之后从粉末层112的图像数据获得信息，而无需分析对应于成像装置114的整个视场116的所有图像数据。
前感兴趣区域402和后感兴趣区域406的大小不受本公开的限制，并且可以使用足够大以分析与粉末分配器108的第一端404(例如前端)和第二端408(例如后端)相邻的一个或多个点的任何大小。在一些实施例中，前感兴趣区域402和后感兴趣区域406可以均是从粉末分配器向外延伸并且具有一个或多个像素宽度的条。
鉴于由成像装置114生成的数据的高速读出，特别是在成像装置114是区域扫描相机的实施例中，前感兴趣区域402和后感兴趣区域406的选择允许相对于分析成像装置114的整个视场116所需的时间量，快速分析前感兴趣区域402和后感兴趣区域406中的图像数据。
应当理解，如图4A所示，粉末分配器108的移动导致前感兴趣区域402和后感兴趣区域406的移动。这样，粉末分配器识别逻辑372中的程序可以用于识别粉末分配器108的位置，并确定要分析的前感兴趣区域402和后感兴趣区域406的对应位置。
如图4A的实施例中所示，一旦由于粉末分配器108的移动使点P位于前感兴趣区域402内，就确定了粉末层112在点P处的一个或多个特性。特性包括但不限于颜色，亮度，强度，温度等。在一些实施例中，控制部件120可以确定粉末层112在点P处的热辐射。
随着粉末分配器108移动到图4B所示的位置，粉末层112上的点P现在位于后感兴趣区域406内。再次确定粉末层112在点P处的一个或多个特性，使得可以对差异进行比较，从而指示空间和时间温度梯度，这进而可以用于确定粉末分配器108的耙齿107如何充分地散布粉末层112。
图5A和5B示意性地描绘了使用图1B中描绘的实施例监测粉末层的方法。如图5A-5B所示，定位成像装置114a，114b和动态光学元件118，使得成像装置114a，114b光学耦合到动态光学元件118，并且使得第一成像装置114a的视场122a被动态光学元件118改变(例如，反射)以延伸到靠近粉末分配器108的第一端502的前感兴趣区域，并且第二成像装置114b的视场122b被动态光学元件118改变(例如，反射)以延伸到靠近粉末分配器108的第二端504的后感兴趣区域。
在图5A-5B中还描绘了粉末分配器108在粉末床110上移动，如指向左侧的方向箭头所示。粉末分配器108包括第一端502和第二端504。如图5A的实施例中所示的第一端502是前端，其表示粉末分配器108的第一部分由于粉末分配器108在向左的方向上移动而到达特定区域。另外，如图5A的实施例中所示的第二端504是后端，其表示粉末分配器108的最后部分由于粉末分配器108在向左的方向上移动而到达特定区域。在图5A所示的实施例中，粉末分配器108的向左移动导致前端(例如，第一端502)在粉末分配器108的最左侧部分，并且后端(例如，第二端504)在粉末分配器108的最右侧部分。然而，应当理解，如果粉末分配器108在不同方向上移动，则其前端和后端的位置可以改变。例如，如果粉末分配器108从左向右(例如，在与图5A所示的方向相对的方向上)移动，则前端将位于第二端504，而后端将位于第一端502。
图5A-5B还描绘了点P，其表示粉末床110上的一个或多个所选择点中的一个，如本文所述。点P不移动。即，在整个成像处理中，点P保持在相同位置。因此，如图5A所示，点P定位成接近或邻近粉末分配器108的第一端502(例如，前端)。随着粉末分配器108根据图5A中所示的箭头移动，粉末分配器108的第一端502(例如，前端)和第二端504(例如，后端)也移动。作为移动的结果，点P变成接近或邻近粉末分配器108的第二端504(例如后端)，如图5B所示。
如本文所述，使用来自成像装置114a，114b的图像数据来选择和分析点P(可以是其他点)。当动态光学元件118移动以改变第一视场122a和第二视场122b在粉末床110上的位置时，各个视场122a，122b经过点P并从其收集图像数据。
如本文所述，动态光学元件118与粉末分配器108的移动一致地旋转或以其他方式移动或调整，使得第一视场122a和第二视场122b也与粉末分配器108一致地移动。结果，第一视场122a总是被布置成使得当粉末分配器108移动时，其瞄准在靠近粉末分配器108的第一端502的感兴趣区域。同样，第二视场122b总是被布置成使得当粉末分配器108移动时，其瞄准在靠近粉末分配器108的第二端504的感兴趣区域。
如图5A的实施例中所示，一旦由于粉末分配器108的移动使点P位于粉末分配器108的第一端502(例如，前端)处的第一视场122a内，就从图像数据确定粉末层112在点P处的一个或多个特性。特性包括但不限于颜色，亮度，强度，温度等。在一些实施例中，控制部件120可以确定粉末层112在点P处的热辐射。
随着粉末分配器108移动到图5B中描绘的位置，粉末层112上的点P现在位于粉末分配器108的第二端504(例如，后端)处的第二视场122b内。再次确定粉末层112在点P处的一个或多个特性，使得可以对差异进行比较，从而指示空间和时间温度梯度，这进而可以用于确定粉末分配器108的耙齿107如何充分地散布粉末层112。
图6A和6B示意性地示出了使用图1C所示的实施例来监测粉末层的方法。如图6A-6B所示，粉末分配器108在粉末床110上移动，如指向左侧的方向箭头所示。粉末分配器108包括位于粉末分配器108的前端220上的前光纤109a和位于粉末分配器108的后端240上的后光纤109b。
图6A-6B还描绘了点P，其代表粉末床110上的一个或多个所选择点中的一个，如本文所述。点P不移动。即，在整个成像处理中，点P保持在相同位置。因此，如图6A所示，点P定位成接近或邻近位于粉末分配器108的前端220上的前光纤109a。当粉末分配器108根据图6A中所示的箭头在向左的方向上移动时，粉末分配器108的前端220和后端240也移动。作为移动的结果，点P变成接近或邻近粉末分配器108的后端240，如图6B所示。
如本文中所述，当粉末分配器108的前端220和后端240在粉末床110的上移动时，使用来自光纤109a，109b的图像数据来选择和分析点P(可以是其他点)。如图6A的实施例中所示，一旦由于粉末分配器108的移动而使点P位于粉末分配器108的前光纤109a的视场内，就从图像数据确定粉末层112在点P处的一个或多个特性。特性包括但不限于颜色，亮度，强度，温度等。在一些实施例中，控制部件120可以确定粉末层112在点P处的热辐射。
随着粉末分配器108移动到图6B所示的位置，粉末层112上的点P现在位于粉末分配器108的后光纤109b的视场内。再次确定粉末层112在点P处的一个或多个特性，使得可以对差异进行比较，从而指示空间和时间温度梯度，这进而可以用于确定粉末分配器108的耙齿107如何充分地散布粉末层112。
图7描绘了根据图1A-1B，3A，3C，4A-4B和5A-5B所示实施例的对粉末层112进行成像的说明性方法700。因此，参考图1A-1B，3A，3C，4A-4B，5A-5B和7，在框702处，从图1A的成像装置114或图1B的多个成像装置114a，114b接收前图像数据。图像数据对应于在一个或多个时间点由成像装置114或多个成像装置114a，114b捕获的粉末床110(包括粉末层112)的一个或多个图像。通常使用存储器部件304的图像数据接收逻辑360和装置接口硬件310来接收图像数据。
在框704处，从图像数据中选择粉末层112上的一个或多个点(例如，点P)以用于分析。这样的选择可以例如通过使用点选择逻辑364中的编程指令来完成。这样，可以随机地选择或可以选择一个或多个点(例如，点P)，使得为了分配而特别地监测粉末层112的特定区域。在框706处，可以确定一个或多个点(例如，点P)的一个或多个第一特性(例如，初始特性)。这样的确定可以例如通过使用图像数据分析逻辑362和/或特性确定逻辑366中的编程指令来完成。
应该理解，根据框702-706的处理通常在粉末分配器108的前端中或附近完成，使得粉末层112上的一个或多个点(例如，点P)的特性在粉末分配器经过一个或多个点(例如，点P)之前确定。当粉末分配器108继续移动时，在框708处，粉末分配器108经过粉末层中的一个或多个点(例如，点P)。
在框710处，动态光学元件118根据粉末分配器108的移动而移动。即，在包含动态光学元件118的实施例(例如，本文关于图1B描述的实施例)中，粉末分配器108的移动与动态光学元件118的相应移动匹配，从而移动各自的视场122a，122b，使得视场122a，122b保持分别瞄准粉末分配器108的第一端502和第二端504。由于根据框710的处理仅在某些实施例中发生，因此以虚线形式示出以指示该处理是可选的。在不包含动态光学部件的实施例中，处理可以直接从框708移动到框712。
在框712处，从图1A的成像装置114或图1B的多个成像装置114a，114b接收后图像数据。图像数据对应于按照时间在一个或多个点(例如，点P)由成像装置114或多个成像装置114a，114b捕获的粉末床110(包括粉末层112)的一个或多个图像。通常使用存储器部件304的图像数据接收逻辑360和装置接口硬件310来接收图像数据。
在框714处，一个或多个点(例如，点P)位于从图1A的成像装置114或图1B的多个成像装置114a，114b接收的后图像数据中。即，访问与每个所选择的点(例如，点P)相对应的存储位置数据(例如，每个点的坐标)，并且当每个点的存储位置进入相应的视场116、122a、122b时，这些点位于后图像数据中。
在框716处，可以确定一个或多个点(例如，点P)的一个或多个第二特性(例如，后续特性)。这样的确定可以例如通过使用图像数据分析逻辑362和/或特性确定逻辑366中的编程指令来完成。之后，在框718处，将一个或多个点(例如，点P)的第一特性与一个或多个点(例如，点P)的第二特性进行比较。即，可以执行根据比较逻辑370的编程指令以确定每个点(例如，点P)的空间梯度和/或时间梯度，从而指示当粉末分配器108经过这些点、散布粉末层112时，这些点的特性如何改变。
在框720处，确定根据框718完成的比较结果可能存在的任何问题。如果从比较确定温度梯度，则可能存在问题，因为温度梯度可能是通过由表面不规则引起的阴影形成的表面不规则所导致的。温度分配的信息部分地用于实现在表面层的各个部分尽可能平滑的温度分配，因为温度分配反映了由本文所述的处理产生的制品142的形状。
不管是否根据框720确定了问题，都可以在框722处提供反馈。即，如果基于观察到的温度梯度确定了不规则，则可以提供指示所观察到的不规则的反馈。如果没有基于观察到的温度确定不规则，则可以在从发射器130施加能量束131之前提供指示粉末层112充分地分配、并且粉末分配器108不需要采取进一步动作的反馈。可以以存储以供将来使用的数据的形式和/或以完成附加步骤(例如，根据框724引导粉末分配器108的移动)的指令的形式来提供反馈。
图8描绘了根据图1C，3B，3D和6A-6B中描绘的实施例对粉末层112进行成像的说明性方法800。因此，参考图1C，3B，3D，6A-6B和8，在框802处，从图像信号处理器121接收前图像数据(其是经由前光纤109a获得的数据)。图像数据对应于在一个或多个时间点由图像信号处理器121(经由前光纤109a)捕获的粉末床110(包括粉末层112)的一个或多个图像。通常使用存储器部件304'的图像数据接收逻辑360'和ISP接口硬件314'来接收图像数据。
在框804处，从图像数据中选择粉末层112上的一个或多个点(例如，点P)以用于分析。这样的选择可以例如通过使用点选择逻辑364'中的编程指令来完成。这样，可以随机地选择或可以选择一个或多个点(例如，点P)，使得为了分配而特别地监测粉末层112的特定区域。在框806处，可以确定一个或多个点的一个或多个第一特性(例如，初始特性)。这种确定可以例如通过使用图像数据分析逻辑362'和/或特性确定逻辑366'中的编程指令来完成。
应该理解，根据框802-806的处理通常在粉末分配器108的前端中或附近完成，使得粉末层112上的一个或多个点(例如，点P)的特性在粉末分配器经过一个或多个点之前确定。当粉末分配器108继续移动时，在框808处，粉末分配器108经过粉末层112中的一个或多个点(例如，点P)。
在框810处，从图像信号处理器121接收后图像数据(其是经由后光纤109b获得的数据)。图像数据对应于在一个或多个时间点由图像信号处理器121(经由后光纤109b)捕获的粉末床110(包括粉末层112)的一个或多个图像。通常使用存储器部件304'的图像数据接收逻辑360'和ISP接口硬件314'来接收图像数据。
在框812处，一个或多个点位于后图像数据中。即，访问与每个选择的点相对应的存储位置数据(例如，每个点的坐标)，并且当每个点的存储位置进入后光纤109b的视场时，这些点位于后图像数据中。
在框814处，可以确定一个或多个点(例如，点P)的一个或多个第二特性(例如，后续特性)。这种确定可以例如通过使用图像数据分析逻辑362'和/或特性确定逻辑366'中的编程指令来完成。此后，在框816处，将一个或多个点(例如，点P)的第一特性与一个或多个点的第二特性进行比较。即，可以执行根据比较逻辑370'的编程指令以确定每个点的空间梯度和/或时间梯度，从而指示当粉末分配器108经过这些点、散布粉末层112时，这些点(例如，点P)的特性如何改变。
在框818处，确定根据框816完成的比较结果可能存在的任何问题。如果从比较确定温度梯度，则可能存在问题，因为温度梯度可能是通过由表面不规则引起的阴影形成的表面不规则所导致的。温度分配的信息部分地用于实现在表面层的各个部分尽可能平滑的温度分配，因为温度分配反映了由本文所述的处理产生的制品142的形状。
不管是否根据框818确定了问题，都可以在框820处提供反馈。即，如果基于观察到的温度梯度确定了不规则，则可以提供指示所观察到的不规则的反馈。如果没有基于观察到的温度确定不规则，则可以在从发射器130施加能量束131之前提供指示粉末层112充分地分配、并且粉末分配器108不需要采取进一步动作的反馈。可以以存储以供将来使用的数据的形式和/或以完成附加步骤(例如，根据框822引导粉末分配器108的移动)的指令的形式来提供反馈。
现在应该理解的是，本文所述的装置，系统和方法在粉末分配器经过粉末层之前和之后立即监测由增材制造系统的构建室内的粉末床支撑的粉末层的分配，以通过分析可能观察到的任何温度梯度来分配粉末，因为温度梯度指示粉末材料的分配不均匀。这种装置，系统和方法使用一个或多个特别构造的成像装置来实现粉末层的有效监测，包括仅从视场中选择某些感兴趣区域的单个成像装置，多个成像装置和动态光学元件的组合，或耦合到粉末分配器的后端和前端的多根光纤，这些光纤光学耦合到处理图像的图像信号处理器。这些成像装置中的任何一个都可用于确定在施加粉末分配器之后是否适当地分配了粉末层，然后可将其用于完成后续步骤，例如使粉末分配器再一次或多次经过粉末层。
尽管本文已经示出和描述了特定的实施例，但是应该理解，在不脱离所要求保护的主题的精神和范围的情况下，可以做出各种其他改变和修改。此外，尽管本文已经描述了所要求保护的主题的各个方面，但是这些方面不需要结合使用。因此，所附权利要求旨在覆盖落入所要求保护的主题的范围内的所有这种改变和修改。
本发明的进一步方面由以下条项的主题提供：
1.一种监测由构建室中的移动粉末分配器分配的粉末层的方法，该方法包括：由处理装置从图像信号处理器接收前图像数据，图像信号处理器光学耦合到布置在移动粉末分配器的前侧上的多根前光纤，前图像数据对应于多根前光纤的视场内的前感兴趣区域中的粉末层的多个图像；由处理装置从图像信号处理器接收后图像数据，图像信号处理器光学耦合到布置在移动粉末分配器的后侧上的多根后光纤，后图像数据对应于多根后光纤的视场内的后感兴趣区域中的粉末层的多个图像；由处理装置从前图像数据中选择位于前感兴趣区域内的粉末床上的至少一个点；
由处理装置确定该至少一个点的一个或多个第一特性；当该至少一个点由于移动粉末分配器的移动而位于后感兴趣区域内时，由处理装置确定该至少一个点的一个或多个第二特性；由处理装置将该至少一个点的一个或多个第一特性与该至少一个点的一个或多个第二特性进行比较，以监测由移动粉末分配器分配的粉末层。
2.根据任何前述条项所述的方法，其中，接收前图像数据和接收后图像数据各自包括接收与从粉末层发射的辐射量相对应的辐射图。
3.根据任何前述条项所述的方法，其中，接收前图像数据和接收后图像数据各自包括接收与相对于移动粉末分配器的移动而捕获粉末层的多个图像的时间相对应的时间戳。
4.根据任何前述条项所述的方法，进一步包括基于比较将反馈提供给构建室的一个或多个部件。
5.根据任何前述条项所述的方法，进一步包括基于比较来引导移动粉末分配器的移动。
6.根据任何前述条项所述的方法，进一步包括基于比较来确定一个或多个粉末缺陷。
7.一种用于监测粉末层的系统，该系统包括：
图像信号处理器，图像信号处理器定位在增材制造系统的构建室外部，构建室包括粉末分配器；
光学系统，光学系统包括：布置在粉末分配器的前侧上并光学耦合到图像信号处理器的多根前光纤，布置在粉末分配器的后侧上并光学耦合到图像信号处理器的多根后光纤，其中，图像信号处理器从由多根前光纤获得的图像生成前图像数据，并且从由多根后光纤获得的图像生成后图像数据；
分析部件，分析部件通信地耦合到图像信号处理器，分析部件构造成从图像信号处理器接收前图像数据和后图像数据，从前图像数据中确定前感兴趣区域并且从后图像数据中确定后感兴趣区域，选择位于前感兴趣区域内的粉末床上的至少一个点，确定该至少一个点的一个或多个第一特性，当粉末分配器移动使得该至少一个点位于后感兴趣区域内时，确定该至少一个点的一个或多个第二特性，以及将一个或多个第一特性与一个或多个第二特性进行比较以监测粉末层。
8.根据任何前述条项所述的系统，其中，图像信号处理器检测从粉末层反射的辐射，并且后图像数据和前图像数据各自包括辐射图。
9.根据任何前述条项所述的系统，其中，多根前光纤布置在阵列中。
10.根据任何前述条项所述的系统，其中，多根后光纤布置在阵列中。
11.根据任何前述条项所述的系统，其中，光学系统进一步包括：前覆盖层，前覆盖层覆盖多根前光纤的端部；后覆盖层，后覆盖层覆盖多根后光纤的端部。
12.根据任何前述条项所述的系统，其中，多根前光纤布置在联接到粉末分配器的前侧的基板上。
13.根据任何前述条项所述的系统，其中，多根后光纤布置在联接到粉末分配器的后侧的基板上。
14.根据任何前述条项所述的系统，其中，分析部件进一步构造成利用来自前图像数据和后图像数据的高光谱信息来确定粉末层的厚度，粉末层的发射率以及粉末层的组成中的一个或多个。
15.根据任何前述条项所述的系统，其中，分析部件进一步构造成基于比较来确定粉末层的一个或多个缺陷。
16.一种增材制造系统，该增材制造系统包括：
构建室；
粉末床，粉末床设置在构建室内，粉末床在其上支撑粉末层；
粉末分配器，粉末分配器设置在构建室内，并且能够在粉末床上移动以分配粉末层，粉末分配器包括：具有多根前光纤的前侧，具有多根后光纤的后侧；
图像信号处理器，图像信号处理器定位在构建室外部，并光学耦合到前光纤和后光纤，图像信号处理器从由多根前光纤获得的图像生成前图像数据，并且从由多根后光纤获得的图像生成后图像数据；
分析部件，分析部件通信地耦合到图像信号处理器和粉末分配器，分析部件包括：处理装置；非暂时性处理器可读存储介质，非暂时性处理器可读存储介质通信地耦合到处理装置，非暂时性处理器可读存储介质在其上包括一个或多个编程指令，当该一个或多个编程指令被执行时，使处理装置：从前图像数据中选择粉末床上的至少一个点；确定该至少一个点的一个或多个第一特性；当该至少一个点由于粉末分配器的移动而位于后感兴趣区域内时，确定该至少一个点的一个或多个第二特性；比较该至少一个点的一个或多个第一特性与该至少一个点的一个或多个第二特性；基于比较引导粉末分配器的移动。
17.根据任何前述条项所述的系统，其中，多根前光纤布置在第一阵列中，并且多根后光纤布置在第二阵列中。
18.根据任何前述条项所述的系统，其中，粉末分配器进一步包括：前覆盖层，前覆盖层覆盖多根前光纤的端部；后覆盖层，后覆盖层覆盖多根后光纤的端部。
19.根据任何前述条项所述的系统，其中，多根前光纤布置在联接到粉末分配器的前侧的基板上。
20.根据任何前述条项所述的系统，其中，多根后光纤布置在联接到粉末分配器的后侧的基板上。

Claims (10)

1.一种监测由构建室中的移动粉末分配器分配的粉末层的方法，其特征在于，所述方法包括：
由处理装置从图像信号处理器接收前图像数据，所述图像信号处理器光学耦合到布置在所述移动粉末分配器的前侧上的多根前光纤，所述前图像数据对应于所述多根前光纤的视场内的前感兴趣区域中的所述粉末层的多个图像；
由所述处理装置从所述图像信号处理器接收后图像数据，所述图像信号处理器光学耦合到布置在所述移动粉末分配器的后侧上的多根后光纤，所述后图像数据对应于所述多根后光纤的视场内的后感兴趣区域中的所述粉末层的多个图像；
由所述处理装置从所述前图像数据中选择位于所述前感兴趣区域内的所述粉末床上的至少一个点；
由所述处理装置确定所述至少一个点的一个或多个第一特性；
当所述至少一个点由于所述移动粉末分配器的移动而位于所述后感兴趣区域内时，由所述处理装置确定所述至少一个点的一个或多个第二特性；和
由所述处理装置将所述至少一个点的所述一个或多个第一特性与所述至少一个点的所述一个或多个第二特性进行比较，以监测由所述移动粉末分配器分配的所述粉末层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中，接收所述前图像数据和接收所述后图像数据各自包括接收与从所述粉末层发射的辐射量相对应的辐射图。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中，接收所述前图像数据和接收所述后图像数据各自包括接收与相对于所述移动粉末分配器的移动而捕获所述粉末层的所述多个图像的时间相对应的时间戳。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括基于所述比较将反馈提供给所述构建室的一个或多个部件。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括基于所述比较来引导所述移动粉末分配器的移动。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括基于所述比较来确定一个或多个粉末缺陷。
7.一种用于监测粉末层的系统，其特征在于，所述系统包括：
图像信号处理器，所述图像信号处理器定位在增材制造系统的构建室外部，所述构建室包括粉末分配器；
光学系统，所述光学系统包括：
多根前光纤，所述多根前光纤布置在所述粉末分配器的前侧上、并光学耦合到所述图像信号处理器，
多根后光纤，所述多根后光纤布置在所述粉末分配器的后侧上、并光学耦合到所述图像信号处理器，
其中，所述图像信号处理器从由所述多根前光纤获得的图像生成前图像数据，并且从由所述多根后光纤获得的图像生成后图像数据；和
分析部件，所述分析部件通信地耦合到所述图像信号处理器，所述分析部件构造成从所述图像信号处理器接收所述前图像数据和所述后图像数据，从所述前图像数据确定前感兴趣区域并且从所述后图像数据确定后感兴趣区域，选择位于所述前感兴趣区域内的所述粉末床上的至少一个点，确定所述至少一个点的一个或多个第一特性，当所述粉末分配器移动使得所述至少一个点位于所述后感兴趣区域内时，确定所述至少一个点的一个或多个第二特性，以及将所述一个或多个第一特性与所述一个或多个第二特性进行比较以监测所述粉末层。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，其中，所述图像信号处理器检测从所述粉末层反射的辐射，并且所述后图像数据和所述前图像数据各自包括辐射图。
9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，其中，所述多根前光纤布置在阵列中。
10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，其中，所述多根后光纤布置在阵列中。
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