CN112828312B - 激光增材制造控制系统和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了激光增材制造控制系统和方法。一种用于控制激光增材制造系统中保护气体对粉末颗粒摄取的计算方法。该计算方法包括接收激光增材制造系统的气体流体域、粉末床域和入口保护气体流速。该方法进一步包括基于入口保护气体流速和气体流体域确定气体流体域内的最大气体流速。该方法还包括基于入口保护气体流速和粉末床域确定气体流体域内的阈值摄取流速。该方法还包括响应于最大气体流速和阈值摄取流速，控制激光增材制造系统中保护气体的粉末颗粒摄取。

Description

激光增材制造控制系统和方法
技术领域
本公开涉及激光增材制造控制系统和方法。
背景技术
选择性激光熔化（SLM）是由于其从多种不同的金属和合金生产高分辨率和高密度零件的潜力而吸引了大量兴趣的激光增材制造系统和过程。在SLM过程中，利用高能激光束将金属粉末颗粒熔化并且熔合到熔池中。通常，与SLM过程相关联的高局部温度超过材料汽化点并引起汽化。该蒸发过程可以引起蒸汽射流效应，其导致从熔池生成排放物。这样的排放物可以包括蒸汽射流内的粉末颗粒和由于强表面张力效应而从熔池中喷射的液滴。这些喷射的颗粒通常被称为飞溅物。这样的飞溅物可能重新沉积在粉末颗粒和熔池上，从而限制了构建区域，并对结果所得的零件的构建质量有不利影响。
发明内容
根据一个实施例，公开了一种用于控制保护气体对粉末颗粒摄取的激光增材制造系统。该系统包括：入口，被配置为引进保护气体流；主室，被配置为接收保护气体流；出口，被配置为排出保护气体流；基板，位于入口和出口之间并被配置为支撑具有多个颗粒的粉末床；激光器，被配置为熔化粉末床的预定义区域以形成熔池；以及控制器，具有用于存储将由控制器执行的机器指令的非暂时性存储器，并且操作性地连接到入口。该机器指令当由控制器执行时实现以下功能：接收主室的气体流体域、粉末床的粉末床域、以及入口保护气体流速；基于入口保护气体流速和气体流体域确定气体流体域内的最大气体流速；基于入口保护气体流速和粉末床域确定气体流体域内的阈值摄取流速；以及响应于最大气体流速和阈值摄取流速，控制激光增材制造系统中保护气体的粉末颗粒摄取。
根据另一个实施例，公开了一种用于控制激光增材制造系统中保护气体对粉末颗粒摄取的计算方法。该方法包括接收激光增材制造系统的气体流体域、粉末床域和入口保护气体流速；基于入口保护气体流速和气体流体域确定气体流体域内的最大气体流速；基于入口保护气体流速和粉末床域确定气体流体域内的阈值摄取流速；以及响应于最大气体流速和阈值摄取流速，控制激光增材制造系统中保护气体的粉末颗粒摄取。
根据又一实施例，公开了一种计算机可读介质。该计算机可读介质包括用于存储将由计算机执行的机器指令的非暂时性存储器。该机器指令当由计算机执行时实现以下功能：接收激光增材制造系统的气体流体域、粉末床域和入口保护气体流速；基于入口保护气体流速和气体流体域确定气体流体域内的最大气体流速；基于入口保护气体流速和粉末床域确定气体流体域内的阈值摄取流速；以及响应于最大气体流速和阈值摄取流速，控制激光增材制造系统中保护气体的粉末颗粒摄取。
附图说明
图1A和图1B分别描绘了示出理想气体流和非理想保护气体流的SLM构建室的示意性侧视图。
图2是可以被利用来实现一个或多个实施例的计算方法的计算平台的示意图。
图3A描绘了被配置用于与一个或多个实施例的计算方法一起使用的SLM构建室的示意性透视图。
图3B是描绘了从入口轨道朝向出口的保护气体流的SLM构建室的示意性侧视图。
图3C是SLM构建室的示意性侧视图，其示出了被配置用于与计算方法的一个或多个步骤一起使用以模拟保护气体流和金属粉末颗粒之间的相互作用的气体流体域和粉末床域。
图4A描绘了在重力下落入容器内的不同尺寸的金属粉末颗粒的示意性透视图。
图4B描绘了在重力（g）下不同尺寸的金属粉末颗粒已经落入容器内之后沉降粉末床的示意性透视图。
图5A描绘了根据一个实施例的SLM室的示意性透视图，其示出了使用预定流率和CFD计算方法的保护气体流的垂直和水平速度平面。
图5B描绘了图5A的水平流速平面的示意性平面图。
图5C描绘了图5A的垂直流速平面的示意性平面图。
图6是一曲线图，其描绘了根据一个实施例的在粉末床上方1 mm的预定距离处基于入口气体流率（L/m）的最大速度（m/s）之间的函数关系。
图7A是根据一个实施例的响应于预定入口流速在垂直速度平面中取得的气体流体域152内的速度轮廓的图像。
图7B是根据一个实施例的在粉末床域和粉末床域上方的预定距离之间的区域中的垂直速度平面中取得的速度轮廓的图像。
图7C是根据一个实施例的从粉末床域的颗粒被摄取的颗粒的图像。
图8A、图8B和图8C是其中已经应用了不同入口气体速度的粉末床的图像。
图9A示出了根据一个实施例的响应于基于某些粉末颗粒和气体参数的预定入口流速在垂直速度平面中取得的气体流体域内和粉末床域154上方的速度轮廓的图像。
图9B示出了根据一个实施例的响应于基于某些粉末颗粒和气体参数的预定入口流速的粉末颗粒摄取的图像。
具体实施方式
本文描述了本公开的实施例。然而，要理解，所公开的实施例仅仅是示例，并且其他实施例可以采取各种形式以及替代形式。各图不一定是按比例的；一些特征可以被放大或最小化以示出特定组件的细节。因此，本文公开的具体结构和功能细节不要被解释为限制性的，而仅作为用于教导本领域技术人员以各种方式采用实施例的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，参考各图中任何一图来图示和描述的各种特征可以与在一个或多个其他图中图示的特征相组合，以产生没有明确图示或描述的实施例。所图示特征的组合为典型应用提供了代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和修改对于特定的应用或实现可以是期望的。
结合一个或多个实施例，将一组或一类材料描述为适合用于给定目的，暗示着该组或该类成员中的任何两种或更多种的混合物是合适的。化学术语中的成分描述是指添加到描述中指定的任何组合时的成分，并且不一定排除一旦被混合在混合物的成分间的化学相互作用。
除了明确指示的情况以外，本描述中指示大小或材料性质的所有数值数量在描述本公开的最宽范围中都要被理解为由单词“大约”修饰。
首字母缩略词或其他缩写词的第一定义适用于相同缩写词在本文中的所有随后使用，并且加以必要的变通适用于初始定义的缩写词的正常语法变体。除非明确相反声明，否则对于性质的测量是通过与先前或以后对于相同性质所引用的相同技术来确定的。
正在详细参考发明人已知的实施例的组成、实施例和方法。然而，应当理解，所公开的实施例仅仅是本发明的例示，其可以以各种形式和替代形式来体现。因此，本文公开的具体细节不要被解释为限制性的，而仅作为用于教导本领域技术人员以各种方式采用本发明的代表性基础。
术语“基本上”或“大约”可以在本文中用于描述所公开或要求保护的实施例。术语“基本上”或“大约”可以修饰在本公开中公开或要求保护的值或相对特性。在这样的情况下，“基本上”或“大约”可以表明其修饰的值或相对特性在值或相对特性的±0%、0.1%、0.5%、1%、2%、3%、4%、5%或10%之内。
选择性激光熔化（SLM）是基于粉末床的增材制造过程的非限制示例。在SLM过程中，复杂成形的金属组分是以逐层的方式制造的。在一个实例中，一层相对薄的金属粉末颗粒材料沉积在固体基板或先前固化的材料上。随后，激光束可以用于扫描和熔化该层相对薄的金属粉末颗粒材料的一个或多个预定义区域。重复熔化和固化分层金属粉末颗粒材料的步骤生成零件，例如复杂成形的金属组分。
对SLM和其他基于粉末床的激光增材制造过程的一个共同问题是，金属粉末颗粒从在熔化步骤期间形成的熔池中和在熔池周围喷射。在SLM过程期间，由于重力和/或颗粒-气体流的相互作用，大量的喷射颗粒（另外称为飞溅物）可能落回到粉末床或落在已经扫描和固化的颗粒区域上。重新沉积的飞溅物可能污染每一层的表面并且对零件质量有负面影响，例如由于相对大尺寸的飞溅物熔化不充分而引入孔隙。具有入口流率的保护气体流可以用于去除SLM构建室内部的飞溅物。保护气体流试图带走飞溅物，并且在飞溅物落回到构建区域（例如，粉末床和/或熔池）上之前将其从主构建区域（例如，粉末床）移开。
虽然保护气体可以被利用来从基于粉末床的增材制造系统的构建区域去除飞溅物，但确定适当的流率或流率范围以实现必要的飞溅物去除而不引起其他负面影响可能是困难的。例如，应当仔细决定保护气体流率，因为相对低的保护气体流率可能并不有效地去除飞溅物，而相对高的保护气体流率可能从粉末床摄取金属粉末颗粒。金属粉末颗粒的摄取可能通过在熔池或粉末床的不需要的区域中重新分布金属粉末颗粒而对结果所得的零件的质量有不利影响。此外，一旦粉末颗粒从基板被吹起，激光束就可以直接照射结果所得的较薄粉末床或支撑粉末床的基板。
需要的是一种基于粉末床的激光增材制造控制系统、计算方法、以及其上具有用于引起处理器实行计算方法的计算机可读指令的计算机可读存储介质，以有效地减轻粉末床颗粒摄取。在一个或多个实施例中，本公开公开了基于粉末摄取现象确定阈值气体流速的计算方法，使得确定增材制造构建室的入口气体流率。在一个或多个实施例中，可以使用利用一个或多个实施例的计算方法确定的入口气体流率来控制基于粉末床的激光增材制造系统。计算方法可以使用其上具有用于引起处理器实行计算方法的计算机可读程序指令的计算机可读存储介质来实现。
如上所述，SLM过程是基于粉末床的增材制造过程的非限制性示例。图1A和图1B描绘了SLM构建室10的示意性侧视图，其分别示出了理想保护气体流和非理想保护气体流。SLM构建室10包括激光组装件12和构建平台14。粉末床16支撑在构建平台14上。在SLM过程期间，激光组装件12在扫描方向18上扫描粉末床16的预定义区域，以形成熔池20。扫描可以在粉末床16的逐层基础上进行。
SLM构建室10还包括气体流入口通道22和气体流出口24。气体流入口通道22可以包括用于保护气体流动通过的一个或多个气体流入口喷嘴。保护气体可以是惰性气体，诸如氩气。如箭头26所描绘的，保护气体从气体流入口通道22朝向气体流出口24流动。如箭头28所描绘的，保护气体摄取飞溅物30，以将其从粉末床16和熔池20中去除。根据图1A中所示的实施例，该摄取是理想保护气体流的结果，因为飞溅物30的去除不影响粉末床16。另一方面，如图1b上的箭头32所描绘的，保护气体另外摄取粉末床16的金属粉末颗粒34。根据图1B中所示的实施例，该摄取是非理想保护气体流的结果，因为飞溅物30的去除也摄取了金属粉末颗粒34，从而将它们移动到粉末床16和/或熔池20的其他区域。在一个或多个实施例中，利用计算方法来确定粉末床16上方的阈值气体速度和与其相关的入口气体流率。
在一个实施例中，计算方法被配置为确定入口气体流率，以实现高效的飞溅物去除率，同时防止和/或最小化金属粉末颗粒摄取。高效的飞溅物去除率可以是以下值中的任何一个或在以下值中的任何两个的范围内：90%、91%、92%、93%、94%、95%、96%、97%、98%、99%和100%。最小化的金属粉末颗粒摄取率可以是以下值中的任何一个或在以下值中的任何两个的范围内：0%、0.01%、0.1%、0.5%、1%和2%。作为计算方法的部分，检查保护气体流体和金属粉末颗粒之间的相互作用，并且确定在粉末床16上方的保护气体流的阈值速度，以防止或最小化在飞溅物去除过程期间的金属粉末颗粒摄取。
在一个实施例中，计算方法包括第一和第二计算步骤。第一计算步骤可以是被配置为模拟SLM构建室10中的气体流特性的全尺度计算流体动力学（CFD）方法。全尺度CFD方法可以对相对大尺寸——例如在X、Y和Z方向上为100到900毫米——的域进行建模。在一个或多个实施例中，第一计算步骤的全尺度CFD方法不对金属粉末颗粒进行建模，因为金属粉末颗粒可以小于100微米。该显著的尺寸差异可能使全尺度CFD方法不适合于对金属粉末颗粒进行建模。在这些情况下，全尺度CFD方法不对金属粉末颗粒进行建模。而是，可以利用缩小尺度的第二计算步骤。
第二计算步骤可以是与完全耦合的离散元方法（DEM）集成的缩小尺度CFD方法（CFD-DEM方法），其被配置为模拟气体流特性对金属粉末颗粒运动的影响。缩小尺度CFD-DEM方法可以对相对缩小尺寸——例如在X、Y和Z方向上1到3毫米——的域进行建模。在一个或多个实施例中，金属粉末颗粒运动可以使用缩小尺度CFD-DEM方法来建模。第二计算步骤可以被配置为基于SLM构建室10中的不同入口流率来确定粉末床16上方预定高度处的最大气体流速。粉末床16上方的预定位置可以是以下值中的任何一个或在以下值中的任何两个的范围内：0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9和1.0 mm。第二计算步骤可以被配置为确定在粉末床上方的预定高度处的金属粉末颗粒摄取阈值速度。基于计算方法的第一和第二步骤的输出，计算方法被配置为确定金属粉末颗粒摄取阈值速度和SLM构建室的入口气体流率之间的关系。
一个或多个实施例的计算方法和步骤（包括但不限于CFD计算方法和CFD-DEM计算方法）使用计算平台（诸如图2中图示的计算平台50）来实现。计算平台50可以包括处理器52、存储器54和非易失性存储装置56。处理器52可以包括从高性能计算（HPC）系统中选择的一个或多个设备，包括高性能核心、微处理器、微控制器、数字信号处理器、微计算机、中央处理单元、现场可编程门阵列、可编程逻辑设备、状态机、逻辑电路、模拟电路、数字电路或基于驻留在存储器54中的计算机可执行指令来操控信号（模拟或数字）的任何其他设备。存储器54可以包括单个存储器设备或多个存储器设备，包括但不限于随机存取存储器（RAM）、易失性存储器、非易失性存储器、静态随机存取存储器（SRAM）、动态随机存取存储器（DRAM）、闪速存储器、高速缓冲存储器或能够存储信息的任何其他设备。非易失性存储装置56可以包括一个或多个持久性数据存储设备，诸如硬盘驱动器、光学驱动器、磁带驱动器、非易失性固态设备、云存储装置或能够持久性地存储信息的任何其他设备。
处理器52可以被配置为读入存储器54并且执行计算机可执行指令，所述计算机可执行指令驻留在非易失性存储装置56的CFD软件模块58和/或CFD-DEM软件模块60中并体现一个或多个实施例的计算方法技术。软件模块58和/或60可以包括操作系统和应用。软件模块58和/或60可以从使用多种编程语言和/或技术创建的计算机程序编译或解译，所述多种编程语言和/或技术没有限制地并且单独或组合地包括Java、C、C++、C#、Objective C、Fortran、Pascal、JavaScript、Python、Perl和PL/SQL。
在由处理器52执行时，CFD软件模块58和/或CFD-DEM软件模块60的计算机可执行指令可以引起计算平台50实现一种或多种本文公开的计算方法技术。非易失性存储装置56还可以包括支持本文描述的一个或多个实施例的功能、特征、计算和过程的CFD数据62和CFD-DEM数据64。
体现本文所述算法和/或方法技术的程序代码能够作为程序产品以多种不同的形式单独或共同地分发。程序代码可以使用其上具有用于引起处理器实行一个或多个实施例的方面的计算机可读程序指令的计算机可读存储介质来分发。固有非暂时性的计算机可读存储介质可以包括以用于存储信息的任何方法或技术实现的易失性和非易失性的、以及可移动和不可移动的有形介质，诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据。计算机可读存储介质可以进一步包括RAM、ROM、可擦除可编程只读存储器（EPROM）、电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）、闪速存储器或其他固态存储器技术、便携式致密盘只读存储器（CD-ROM）或其他光学存储装置、盒式磁带、磁带、磁盘存储装置或其他磁存储设备，或可以用于存储所期望信息并可以由计算机读取的任何其他介质。计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质下载到计算机、另一种类型的可编程数据处理装置或另一设备，或者经由网络下载到外部计算机或外部存储设备。
存储在计算机可读介质中的计算机可读程序指令可以用于引导计算机、其他类型的可编程数据处理装置或其他设备以特定方式运转，使得存储在计算机可读介质中的指令产生包括实现流程图或图解中指定的功能、动作和/或操作的指令的制品。在某些替代实施例中，流程图和图解中指定的功能、动作和/或操作可以被重新排序、串行处理和/或与一个或多个实施例一致地同时处理。此外，任何流程图和/或图解可以包括比与一个或多个实施例一致地图示的那些节点或块更多或更少的节点或块。
图3A描绘了被配置用于与一个或多个实施例的计算方法一起使用的SLM构建室100的示意性透视图。SLM构建室100具有宽度（W）、长度（L）和高度（H）。在一个实施例中，W、L和H分别为450 mm、450 mm和400 mm，但是这些大小可以非常显著地基于SLM构建室的设计。W可以是以下值中的任何一个或在以下值中的任何两个的范围内：100、200、300、400、500、600、700、800和900 mm。L可以是以下值中的任何一个或在以下值中的任何两个的范围内：100、200、300、400、500、600、700、800和900 mm。H可以是以下值中的任何一个或在以下值中的任何两个的范围内：100、200、300、400、500、600、700、800和900 mm。W、L和H可以基于这些值和范围来独立选择。
SLM构建室100包括入口轨道102，其被配置为接收保护气体流并且引导保护气体流动通过圆柱形喷嘴104。入口轨道102的直径可以是以下值中的任何一个或在以下值中的任何两个的范围内：35、36、37、38、39、40、41、42、43和44 mm。入口轨道102的轴向中心线可以位于SLM构建室100的底部上方大约50 mm处。入口轨道102的轴向长度可以是以下值中的任何一个或在以下值中的任何两个的范围内：320、330、340、342、350、360和370 mm。圆柱形喷嘴104被配置为向粉末床108之上的SLM构建室100的主室106中并且朝向出口110引导保护气体流。在图3A中所示的实施例中，圆柱形喷嘴104的数量为13。圆柱形喷嘴104的数量可以是以下值中的任何一个或在以下值中的任何两个的范围内：10、11、12、13、14、15、16、17、18、19和20。在图3A中所示的实施例中，每个喷嘴的直径为12 mm。每个圆柱形喷嘴104的直径可以是以下值中的任何一个或在以下值中的任何两个的范围内：10、11、12、13、14和15mm。在图3A中所示的实施例中，中心到中心距离是18 mm。相邻圆柱形喷嘴104的中心到中心距离可以是以下值中的任何一个或在以下值中的任何两个的范围内：15、16、17、18、19和20mm。
出口110被出口外壳112部分包围。出口外壳的宽度（W）可以是以下值中的任何一个或在以下值中的任何两个的范围内：45、50、55、60、65、70和75 mm。出口外壳的长度（L）可以是以下值中的任何一个或在以下值中的任何两个的范围内：280、290、300、310、320、330和340 mm。保护气体流通过出口110离开主室106。
在一个或多个实施例中，计算方法通过假设保护气体是瞬态的、不可压缩的和/或湍流的来模拟主室106中的保护气体流。在一个或多个实施例中，湍流行为可以使用k-e湍流模型来建模。根据本文公开的一种或多种计算方法，通过入口轨道102的保护气体流的入口边界条件可以称为体积流率，并且通过出口110离开的保护气体流的出口边界条件可以称为流出量（outflow）。可以利用CFD方法来模拟主室106中的保护气体流。
模拟的保护气体流随后被利用来模拟保护气体流和金属粉末颗粒相互作用。缩小尺度流体颗粒（例如，CFD-DEM方法）可以用于模拟保护气体流和金属粉末颗粒相互作用。图3B描绘了图3A中所示的SLM构建室100的示意性侧视图。如图3B中所示，保护气体在针对如由箭头114表明的入口边界条件的预定值内开始从入口轨道102流动。保护气体在粉末床108之上流动。如由箭头116所表明的，保护气体朝向出口110流动。粉末床108的金属粉末颗粒初始沉降在粉末床108中，如图3B中所示。
图3C描绘了SLM构建室150的示意性侧视图，其示出了被配置用于与计算方法的一个或多个步骤一起使用以模拟保护气体流和金属粉末颗粒之间的相互作用的气体流体域152和粉末床域154。粉末床域154位于气体流体域152的底部处，如图3C中所示。气体流体域152的长度（L）可以是大约30 mm。气体流体域152的高度（H）可以是大约30 mm。气体流体域的宽度（W）可以是大约0.4 mm。粉末床域154的长度（L）可以是大约4 mm。粉末床域154的高度（H）可以是大约0.2 mm。粉末床域154的深度（D）可以是大约0.4 mm。在一个或多个实施例中，气体流体域152的体积比粉末床域154相对大得多（例如，大90、92、94或96%），以确保保护气体流在粉末床上维持稳定的流动流。
用于模拟保护气体流和金属粉末颗粒相互作用的计算方法可以包括第一步骤和第二步骤。第一步骤可以包括生成粉末床。生成粉末的一种方法可以包括雨滴法，其中预定数量的不同尺寸的金属粉末颗粒在重力作用下自由落入容器内。图4A描绘了在重力（g）下落入容器202内的不同尺寸的金属粉末颗粒200的示意性透视图，由向下箭头204表明。如图例206所描绘，不同尺寸的金属粉末颗粒200可以具有大约2.000e-03至6.000e-03的直径。图4B描绘了在重力（g）下不同尺寸的金属粉末颗粒200已经落入容器202内之后沉降的粉末床208的示意性透视图。在一个实施例中，沉降的粉末床208被引入到图3A的粉末床108中，作为用于确定保护气体流和金属粉末颗粒之间的相互作用的初始状态。向保护气体指派预定流动性质。基于这些预定流动性质，保护气体进入入口并且从出口离开。如果流速超过阈值流速，则保护气体的该流动可能引起金属粉末颗粒从粉末床中去除。
在一个或多个实施例中，不同尺寸的金属粉末颗粒被视为具有不同直径的完美球体。根据本文公开的计算方法，可以使用牛顿第二运动定律来确定个体金属粉末颗粒的X、Y和Z方向速度（没有限制地包括平移和旋转分量）。本文公开的计算方法还可以确定和计及由于粉末颗粒的体积分数和颗粒-流体相互作用所致的拖曳力。
在一个实施例中，用于与一种或多种计算方法一起使用的保护气体的密度和粘度分别为大约1.225 kg/m3和大约0.00001781 kg/m-s。在某些实施例中，保护气体密度可以是以下值中的任何一个或在以下值中的任何两个的范围内：1.0、1.2、1.4、1.6、1.8和2.0kg/m3。在某些实施例中，保护气体粘度可以是以下值中的任何一个或在以下值中的任何两个的范围内：0.00001700、0.00001800、0.00001900、0.00002000、0.00002100和0.00002200kg/m-s。在一个实施例中，用于与一种或多种计算方法一起使用的金属粉末颗粒的密度为大约7710 kg/m3。在某些实施例中，金属粉末颗粒的密度可以是以下值中的任何一个或在以下值中的任何两个的范围内：2000、4000、6000、8000、10000和12000 kg/m3。在一个实施例中，金属粉末颗粒的尺寸分布在大约18.8 µm（D10）至大约60.3 µm（D90）的范围内，其具有为36.7 µm的平均直径。
图5A描绘了根据一个实施例的SLM构建室100的示意性透视图，其示出了使用预定入口保护气体流率和CFD计算方法的SLM构建室100的主室106内保护气体流的垂直流速平面118和水平流速平面120。图5B描绘了水平流速平面120的示意性平面图。图5C描绘了垂直流速平面118的示意性平面图。速度平面118和120中不同阴影的区域表示以m/s为单位的不同速度。图例122示出了与在0.000e+00和1.300e+00范围内的速度相关的不同阴影。如图5A中所示，水平流速平面120在粉末床108上方预定距离处取得。根据图5A中所示的计算方法，预定距离为大约1 mm。在某些实施例中，预定距离可以是以下值中的任何一个或在以下值中的任何两个的范围内：0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9和1.0 mm。
图5A的速度平面118和120使用250升/分钟的入口保护气体流率来生成。在其他实施例中，预定的入口保护气体流率可以是以下值中的任何一个或在以下值中的任何两个的范围内：10、100、1000和10000升/分钟。如通过图5A可以看到的，入口保护气体的流速在主室106内不是均匀分布的。在一个实施例中，计算方法确定粉末床108中在各区域处的金属粉末颗粒之间的相互作用，在所述区域中流速处于相对高的范围内（例如，最大流速的1、2、3、4、5、10或20%）。如果粉末床108中的金属粉末颗粒在高速度区域处不受气体流影响，则在低速度区域处的金属粉末颗粒也不受气体流影响。
如图5B中所示，粉末床108上方的最大流速为大约1.3 m/s。当最大气体流率达到阈值时，最大速度区域中的金属粉末颗粒可能由于气体流-颗粒相互作用而经受摄取。粉末床108上方预定距离处的最大流速确定了粉末颗粒摄取条件。如果在粉末床108上方预定距离处的最大流速小于粉末颗粒摄取的阈值速度，则没有粉末床108经受粉末摄取条件。
图6是曲线图250，其描绘了在粉末床108上方1 mm的预定距离处基于入口气体流率（升/分钟或L/m）的最大速度（米/秒或m/s）之间的函数关系。使用一个或多个实施例的计算方法来确定数据点252。虚线254是经过数据点252的拟合线。如在图6中可以看到的，最大速度随着入口流率的增加而线性增加。图6中所示的线性关系为y（以m/s为单位的最大速度）等于0.0055x（入口气体流率（L/m））减去0.0925。图6中所示的函数关系可以用于响应于标识的阈值速度，将不创建粉末颗粒摄取条件的气体流速与入口流率相关联。
图7A是响应于预定入口流速在垂直速度平面中取得的气体流体域152内的速度轮廓156的图像。在用于图7A的计算方法中，入口流速为9 m/s。如图7A中所示，在粉末床域154之上形成稳定的流动流158。图例160指示，由于湍流和其他因素，稳定流动流158的速度大约小于9 m/s的入口流速。图7B是在粉末床域154和粉末床域154上方的预定距离162之间的区域中的垂直速度平面中取得的速度轮廓160的图像。如图7B中所示，预定距离162为1 mm。图7C是从粉末床域154的颗粒被摄取的颗粒164的图像。如图7B的图例163中所示，在预定距离处的最大气体速度为7.34 m/s，并且在该最大气体速度下，颗粒164从粉末床域154的颗粒被摄取。图例166示出了不同颗粒尺寸的阴影。根据一个或多个实施例的计算方法，该颗粒摄取条件被控制。
可以通过变化一个或多个实施例的计算方法的入口气体速度来获得预定距离处的不同最大速度。图8A、图8B和图8C描绘了粉末床300在6.53 m/s、7.34 m/s和8.19 m/s的不同入口气体速度下的图像。图8A、图8B和图8C包括图例302，其示出了不同颗粒尺寸的阴影。如图8A中所示，粉末床300中没有颗粒被入口气体流摄取。如图8B中所示，颗粒304从粉末床300被摄取。如图8C中所示，颗粒306从粉末床300被摄取，并且区域308几乎暴露在底层的基板中。因此，随着增加的气体速度，个体粉末颗粒可以逐渐从它们的初始位置被吹走，并且粉末床变得更薄，并且粉末床300的表面形态显著改变。此外，一些区域（例如，区域308）可以在底层的基板上没有粉末颗粒。如图8A、图8B和图8C中所示，经由一个或多个实施例的计算方法，在1 mm的预定距离处7.34 m/s的最大速度示出了粉末颗粒摄取条件的早期阶段。根据一个或多个实施例的计算方法，响应于所使用的具体粉末材料和保护气体参数，该最大速度可以用作粉末颗粒摄取条件的阈值速度。
计算方法可以应用于变化的粉末和气体参数。图9A示出了响应于基于某些粉末颗粒和气体参数的预定入口流速在垂直速度平面中取得的气体流体域152内和粉末床域154上方的速度轮廓350的图像。在该实施例中，保护气体具有为1.6228 kg/m3的密度以及为0.00002125 kg/m-s的粘度。在该实施例中，粉末颗粒具有为4420 kg/m3的密度，并且粉末颗粒的尺寸分布在25 µm（D10）和53 µm（D90）之间，其具有为38 µm的平均直径。图例352示出了速度轮廓350内不同速度的不同阴影。图9B示出了在应用速度轮廓350时粉末床域154内的粉末颗粒床354的图像。如图9B中所示，颗粒356以来自大约为1000至1500升/分钟的入口体积流率的为6.523 m/s的最大速度从粉末颗粒床354被摄取。根据一个或多个实施例的计算方法，可以降低输入速度以确定粉末颗粒摄取条件的阈值速度，使得可以控制该条件。
以下申请与本申请相关：于2019年10月3日提交的美国专利申请系列号16/592，250。所标识的申请通过引用以其整体并入本文。
虽然上面描述了示例性实施例，但是不意图这些实施例描述权利要求所涵盖的所有可能的形式。说明书中使用的词语是描述而非限制的词语，并且应理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以进行各种改变。如前所述，各种实施例的特征可以被组合以形成可能没有被明确描述或图示的本发明的另外实施例。虽然各种实施例可能已经被描述为在一个或多个期望的特性方面提供了在其他实施例或现有技术实现之上的优点或比其优选，但是本领域的普通技术人员认识到，一个或多个特征或特性可以取决于具体的应用和实现而被折衷以实现所期望的总体系统属性。这些属性可以包括但不限于成本、强度、耐用性、生命周期成本、适销性、外观、包装、尺寸、适用性、重量、可制造性、组装容易性等。照此，至任何实施例被描述为在一个或多个特性方面不如其他实施例或现有技术实现合期望的程度上，这些实施例不在本公开的范围之外，并且对于特定应用可以是合期望的。

Claims (17)

1.一种用于控制保护气体对粉末颗粒摄取的激光增材制造系统，所述系统包括：
入口，被配置为引进保护气体流；
主室，被配置为接收保护气体流；
出口，被配置为排出保护气体流；
基板，位于入口和出口之间并被配置为支撑具有多个颗粒的粉末床；
激光器，被配置为熔化粉末床的预定义区域以形成熔池；以及
控制器，具有用于存储将由控制器执行的机器指令的非暂时性存储器，并且操作性地连接到入口，所述机器指令当由控制器执行时实现以下功能：
接收主室的气体流体域、粉末床的粉末床域、以及入口保护气体流速；
基于入口保护气体流速和气体流体域确定气体流体域内的最大气体流速；
基于入口保护气体流速和粉末床域确定气体流体域内的阈值摄取流速；以及
基于所述最大气体流速和所述阈值摄取流速的比较来调整所述入口保护气体流速，以控制激光增材制造系统中保护气体的粉末颗粒摄取。
2.根据权利要求1所述的系统，其中确定所述最大气体流速包括基于入口保护气体流速和气体流体域来确定在偏离粉末床域的水平平面中的气体流体域内的最大气体流速。
3.根据权利要求1所述的系统，其中调整所述入口保护气体流速包括响应于最大气体流速大于阈值摄取流速而降低入口保护气体流速。
4.根据权利要求1所述的系统，其中调整所述入口保护气体流速包括响应于最大气体流速小于阈值摄取流速而增加入口保护气体流速。
5.根据权利要求1所述的系统，其中确定所述最大气体流速使用计算流体动力学(CFD)来实行。
6.根据权利要求1所述的系统，其中确定所述阈值摄取流速使用计算流体动力学离散元方法(CFD-DEF)来实行。
7.一种用于控制激光增材制造系统中保护气体对粉末颗粒摄取的计算方法，所述方法包括：
接收激光增材制造系统的气体流体域、粉末床域和入口保护气体流速；
基于入口保护气体流速和气体流体域确定气体流体域内的最大气体流速；
基于入口保护气体流速和粉末床域确定气体流体域内的阈值摄取流速；以及
基于所述最大气体流速和所述阈值摄取流速的比较来调整所述入口保护气体流速，以控制激光增材制造系统中保护气体的粉末颗粒摄取。
8.根据权利要求7所述的计算方法，其中确定所述最大气体流速包括基于入口保护气体流速和气体流体域来确定在偏离粉末床域的水平平面中的气体流体域内的最大气体流速。
9.根据权利要求7所述的计算方法，其中调整所述入口保护气体流速包括响应于最大气体流速大于阈值摄取流速而降低入口保护气体流速。
10.根据权利要求7所述的计算方法，其中调整所述入口保护气体流速包括响应于最大气体流速小于阈值摄取流速而增加入口保护气体流速。
11.根据权利要求7所述的计算方法，其中确定所述最大气体流速使用计算流体动力学(CFD)来实行。
12.根据权利要求7所述的计算方法，其中确定所述阈值摄取流速使用计算流体动力学离散元方法(CFD-DEF)来实行。
13.根据权利要求7所述的计算方法，其中粉末床域包括一个或多个粉末颗粒参数。
14.根据权利要求7所述的计算方法，其中气体流体域包括一个或多个入口保护气体参数。
15.一种计算机可读介质，包括：
用于存储将由计算机执行的机器指令的非暂时性存储器，所述机器指令当由计算机执行时实现以下功能：
接收激光增材制造系统的气体流体域、粉末床域和入口保护气体流速；
基于入口保护气体流速和气体流体域确定气体流体域内的最大气体流速；
基于入口保护气体流速和粉末床域确定气体流体域内的阈值摄取流速；以及
基于所述最大气体流速和所述阈值摄取流速的比较来调整所述入口保护气体流速，以控制激光增材制造系统中保护气体的粉末颗粒摄取。
16.根据权利要求15所述的计算机可读介质，其中所述机器指令当由计算机执行时实现基于入口保护气体流速和气体流体域来确定在偏离粉末床域的水平平面中的气体流体域内的最大气体流速的另外功能。
17.根据权利要求15所述的计算机可读介质，其中所述机器指令当由计算机执行时实现响应于最大气体流速大于阈值摄取流速而降低入口保护气体流速的另外功能。
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