CN114258344A - 受控制造系统和方法 - Google Patents

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J·洛朗
C·米永
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Abstract

受控制造系统适用于控制通过在集中的能量下沉积材料对部件进行制造、修复或表面重铺的方法，所述受控制造系统包括：‑部件的三维数字模型的获取装置；‑用于基于所述部件的三维数字模型生成部件的制造文件的装置，以对增材制造机器的制造参数进行定义，所述制造参数与制造指令相关；‑用于生成部件的控制文件的装置，以对控制操纵装置的控制参数进行定义，所述控制参数与控制指令相关；‑分析装置，其用于对制造文件和控制文件进行分析，以确定在同时将制造参数应用于增材制造机器并且将控制参数应用于控制操纵装置的过程中制造参数与控制参数是否能够共存；‑控制模块，其包括用于接收制造指令并且将所述制造指令发送至适用于支撑增材制造机器的多关节制造系统的至少一个通信通道，以及用于接收控制指令并且将所述控制指令发送至适用于支撑控制操纵装置的多关节控制系统的至少一个通信通道，以对增材制造机器和控制操纵装置进行同时控制。

Description

受控制造系统和方法
技术领域
本发明涉及增材制造领域，更具体地，涉及定向能量沉积(DED)方法的范畴，甚至更具体地，涉及通过DED增材制造方法与待制造、修复或表面重铺的部件有关的受控制造系统和方法。
背景技术
增材制造是指通过添加材料而进行制造的一组方法。投射材料或沉积材料(DED)的方法由在制造区添加材料(特别是粉末、线材或细丝形式)进行定义。激活源可以是多种多样的，通常是激光、电子束或电弧，但是也可以设想为其他形式的能量，例如但不限于等离子体源或等离子体源的组合。
如今，对通过增材制造生产的部件的控制是在制造所述部件之后并且/或者通过制造方法的控制方法进行的。
因此，存在非破坏性控制方法和破坏性控制方法。
非破坏性控制方法尤其包括射线照相术、断层摄影术、常规超声波、傅科电流、热成像、剪切成像。
破坏性控制方法尤其包括机械测试，并且在成品部件上进行。因此，这些方法无法在部件的制造过程中检测缺陷。此外，这些方法无法在检测到缺陷后立即实施反馈回路以停止制造或修改某些参数。最后，当相关部件具有复杂的最终几何形状时，这些破坏性控制方法无效。
还存在制造过程中的控制方法，例如，对热熔融的控制，通过可见光或红外线摄像机进行控制。然而，这些方法只能实现局部控制、表面控制甚至表面下的表层控制。当所述部件包含在制造方法过程中出现的埋藏的缺陷或当缺陷(例如，裂缝)出现在远离制造喷嘴的位置时，这种类型的方法不能保证部件的完整性。
在现有技术中对DED增材制造方法中的控制方法的实施进行了描述。这些方法中的一个方法是激光超声波控制方法。
激光超声波控制方法基于由产生激光器和检测激光器构成的控制装置。通过光热效应(在热弹性状态下)或烧蚀，从脉冲产生激光器向待控制的部件发射激光束导致弹性波的传播。超声波传播至待控制的部件中。当存在缺陷时，机械波与所述缺陷相互作用。因此，这些机械波部分地反射或衍射并且衰减，同时在检测点处产生标记。与光学干涉仪联接的检测激光器可以测量待控制的部件的表面的法向或切向位移。
现有技术包含涉及在增材制造过程中利用超声进行控制的各种工作；包括在制造过程中非常罕见的实施方案。
在大多数专门在实验室进行的研究中，两个控制激光器是固定的，这使得在制造过程中无法检查部件，或者至少在几何形状方面受到极大限制。因此，检查仅涉及部件的面向激光器定位的区域。因此，这些部件具有非常简单的几何形状。在Palermo进行并在文献[1]中公开的测试的区别在于：控制激光器与制造喷嘴的运动组件集成。该装置仅能够在特定条件下控制上部珠：一方面，控制仅限于喷嘴的运动足够慢，以能够进行采集，另一方面，控制仅限于非常简单的没有明显的曲率的几何形状和轨迹。然后，部件相对于机器结构的参考系的可能运动受到限制或者甚至不能运动，否则控制激光器不再与待控制的区域正交。此外，刚熔化的受控区域的高温会影响超声波传播，从而使信号分析和缺陷检测复杂化。为了克服这些缺陷，一种技术方案是利用工业机器人来承载传感器。
传统上，工业机器人采用控制机架管理大量轴，但轴的数量很快受到限制，通常每个机架6到8个轴。对于更多的运动方向，多个机架彼此同步。可选地，可以通过数字控制器对这些机架进行监测。这会导致数字控制器和机架之间的通信延迟和语言翻译问题。快速现象的实时同步可能会受到限制。此外，机架的使用通常禁止访问电机控制器变量(持续时间、加速度和减速度等)，这些变量能够用于改善运动的稳定性，例如，抖动(jerk)的出现。因此，制造和实时控制的混合管理只能通过使用机架以降级的方式实现。此外，多个机架的使用意味着每个机械系统的轨迹将进行独立编程，机架之间的通信受到限制。
此外，多关节机器人主要用于执行拾取和放置，即，从A点取出对象并以最快的速度将对象带到B点的动作。对A和B之间发生的动作的约束非常有限。控制机架就是为此目的而设计的。为了原位控制部件，机器人需要以给定的速度执行精确的轨迹。
使用控制机架的替代方法是使用数字控制引导器(DCD)，即，通过解释作用于致动器的指令以数字化的方式控制不同的可移动构件的位移的装置。多通道DCD有多个出口，通常用于管理两个独立的动作。数控机床提供了一个典型的示例。传统上，使用多通道数字控制引导器的系统利用这种方法来执行两个步骤。例如，多通道数字控制引导器的典型用途涉及双转塔车床，其中，两个刀具加工一个旋转部件。每个刀具有自己的加工程序，并且两个刀具之间不存在通信。仅存在暂停一个刀具的程序，同时等待另一刀具执行操作。
本发明提出了一种能够在制造过程中考虑部件的几何形状的复杂性和轨迹的复杂性，从而能够在部件的工业制造过程中通过激光超声波进行检查的系统和方法。
发明内容
本发明的主题涉及一种受控制造系统，其适用于控制通过在集中的能量下沉积材料对部件进行制造、修复或表面重铺的方法，所述受控制造系统包括：
-部件的三维数字模型的获取装置；
-用于基于所述部件的三维数字模型针对部件生成制造文件的装置，以对增材制造机器的制造参数进行定义，所述制造参数与制造指令相关；
-用于生成部件的控制文件的装置，以对控制操纵装置的控制参数进行定义，所述控制参数与控制指令相关；
-分析装置，其用于对制造文件和控制文件进行分析，以确定在同时将制造参数应用于增材制造机器并且将控制参数应用于控制操纵装置的过程中制造参数与控制参数是否能够共存；
-控制模块，其包括用于接收制造指令并且将所述制造指令发送至适用于支撑增材制造机器的多关节制造系统的至少一个通信通道，以及用于接收控制指令并且将所述控制指令发送至适用于支持控制操纵装置的多关节控制系统的至少一个通信通道，以对增材制造机器和控制操纵装置进行同时管理。
优选地，受控制造系统包括能够发射初始产生激光束的产生激光器和能够发射初始检测激光束的检测激光器，以根据激光超声波方法对部件进行控制。
优选地，控制操纵装置包括用于对初始产生激光束进行整形以生成产生激光束的装置和用于对初始检测激光束进行整形以生成检测激光束的装置。
优选地，控制操纵装置包括用于调整激光间距离的装置，以确定产生激光束和检测激光束之间的距离。
优选地，控制模块是多通道数字控制引导器。
优选地，控制操纵装置包括部件的控制区域附近的非接触式温度测量探测器。
优选地，控制操纵装置与可选地由所述控制操纵装置承载的一个或多个其他控制装置结合，以对增材制造机器内的缺陷进行检测或者甚至部件定位。
根据本发明的第二方面，本发明涉及一种受控制造方法，其适用于通过在集中的能量下沉积材料对部件进行制造、修复或表面重铺的方法，所述受控制造方法包括以下步骤：
-生成待制造、修复或表面重铺的部件的三维数字模型，以对所述部件进行建模；
-基于所述部件的三维数字模型生成部件的制造文件，以对增材制造机器的制造参数进行定义，所述制造参数与制造指令相关；
-生成控制文件以对控制装置的控制参数进行定义，所述控制参数与控制指令相关；
-对制造文件和控制文件进行分析，以确定在同时将制造参数应用于增材制造机器并且将控制参数应用于控制操纵装置的过程中制造参数与控制参数是否能够共存；
-如果制造参数与控制参数能够共存，则对增材制造机器和控制操纵装置进行同时管理，从而对部件进行制造、修复或表面重铺，所述同时管理基于制造指令和控制指令。
优选地，受控制造方法包括以下步骤：
-如果制造参数和控制参数不能共存：
-基于部件的三维数字模型生成部件的制造文件，以对增材制造机器的制造参数进行定义，所述制造参数与制造指令相关；并且/或者
-生成控制文件，以对控制操纵装置的控制参数进行定义，所述控制参数与控制指令相关。
优选地，通过在集中的能量下沉积材料对部件进行制造、修复或表面重铺的方法是通过激光熔化金属粉末或者通过激光熔化金属线材或者通过电弧熔化金属线材的方法。
优选地，控制指令以部件的缺陷出现概率增加区域为目标。
优选地，检测到缺陷导致制造停止。
优选地，检测到缺陷导致执行诸如对部件的缺陷区域进行熔化或机械加工的校正动作。
附图说明
通过阅读以下结合附图的说明，本发明的目的、主旨和特征将变得更加清楚，其中：
-图1示出了根据本发明的实施方案的受控制造系统，
-图2示出了在待制造、修复或表面重铺的部件的控制期间产生激光束和检测激光束的布置的示意图，
-图3示出了包括拐弯处的部件以及在拐弯处前的产生激光束和检测激光束的布置的示意图，
-图4示出了包括拐弯处的部件以及在拐弯处后的产生激光束和检测激光束的布置的示意图，
-图5示出了根据本发明的受控制造方法的操作的示意图，
-图6以俯视图表示根据本发明的系统，以说明待制造、修复或表面重铺的部件的受控制造方法的第一步，
-图7以俯视图表示根据本发明的系统，以说明待制造、修复或表面重铺的部件的受控制造方法的第二步，
-图8以俯视图表示根据本发明的系统，以说明待制造、修复或表面重铺的部件的受控制造方法的第三步，
-图9以俯视图表示根据本发明的系统，以说明待制造、修复或表面重铺的部件的受控制造方法的第四步。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的受控制造系统100。
受控制造系统
多关节制造系统及制造机器
受控制造系统100包括通过材料的投射或沉积进行的增材制造领域中的至少一个多关节制造系统138。多关节制造系统138是增材制造机器的组成部分之一，所述机器还包括部件保持器托盘，诸如连续激光器、电子源或电弧的能量源，以及每单位时间以受控的数量供应原材料的系统。原材料一般是粉末或金属线材的形式。通常，在沉积粉末的情况下，多关节制造系统138由移动制造喷嘴的子系统(例如，能够移动制造喷嘴的x-y-z(3轴)笛卡尔平移系统)和移动(例如，沿着两个旋转轴线)部件保持器托盘的子系统组成。制造喷嘴将粉末和能量的输入组合在一起。
控制系统和控制操纵装置
受控制造系统100包括至少一个控制系统102。控制系统102包括下面详细描述的产生激光器114、检测激光器120、来自产生激光器114的初始产生激光束116的整形装置118、来自检测激光器120的初始检测激光束122的整形装置124、用于调整激光间距离的装置(DADI)128和干涉仪126。整形装置118、整形装置124和DADI 128在下文详述的光学头或控制操纵装置130内组合在一起。
控制系统102还包括适于支撑控制操纵装置130的多关节控制系统132。可选地，一个或多个多关节控制系统132可以包括一个或多个不同性质的控制操纵装置130，诸如可见光摄像机或红外摄像机和/或用于在制造期间对部件进行局部处理的若干操纵装置(例如，加工、表面处理或热处理操纵装置)。
优选地，产生激光器114包括脉冲持续时间为纳秒量级并且波长选择为由待控制的材料吸收的脉冲激光器。因此，对于金属，选择的激光器优选为1064nm或532nm的YAG激光器。在经整形的激光束134朝待制造、待表面重铺或待构造的部件140的方向发射之前，产生激光器114将通过光纤传送的初始产生激光束116发射至控制操纵装置130，在控制操纵装置130中，产生激光束116通过整形装置118进行整形。
因此，控制操纵装置130包括位于产生激光器114的出口和待控制的部件140之间的产生激光束116的光学整形装置118。该光学整形装置118设计为根据直径介于0.2mm至5mm之间的盘状物或宽度为0.2mm、长度为2mm至10mm的源线对初始产生激光束116进行整形以获得经整形的激光束134并且冲击部件。因此，可以获得更宽的通带和与源线正交的超声波传播方向，这具有优化瑞利波的产生的效果，从而有利于检测DED增材制造的缺陷(f>10MHz，即<0.2mm)。该光学整形装置118包括一组光学透镜。
产生激光束116的光学整形装置118的出口经由多关节控制系统132定位在距待控制的部件140的表面介于1mm至1m之间的距离处，并且当存在增材制造机器的制造壳体(未示出)时，如有必要，产生激光束116的光学整形装置118的出口定位在能够将控制操纵装置130和多关节控制系统132结合在增材制造机器的制造外壳(未示出)中的最大距离处，优选在5mm至300mm之间。
控制系统102包括检测激光器120，优选为长脉冲或连续型激光器。初始检测激光束122通过光学整形装置124进行整形，以形成经整形的检测激光束136。该检测激光束136在部件140的侧壁的反射通过干涉仪126进行测量。
控制系统102还包括干涉仪126，例如，共焦法布里-珀罗、使用光折变AsGa晶体的双波混合、采用多检测器技术的零差类型的干涉仪或者红外(1550nm)多普勒效应测振仪。所述干涉仪连接至检测激光器120。优选地，属于控制系统102的干涉仪126不装载在多关节控制系统132上。可选地，但非优选地，如果确保干涉仪126的构成光学元件的稳定性，则干涉仪126可以包括在控制操纵装置130中。
如图2所示，产生激光束134和检测激光束136相对于部件表面的法线倾斜。
产生激光束134在产生点相对于部件表面的法线144倾斜了80度(°)至0°的角度A，更优选地，角度A为50°至0°，甚至更优选地，角度A为0°(即，在冲击点垂直于部件140的表面)。
检测激光束136在检测点相对于部件表面的法线146倾斜了0°至60°的角度B。优选地，将选择收集角度B，以在平面(uz)内或平面(uz)外(即，垂直或平行于部件的表面)，并且分别在震中或震中外分离位移测量。激光光斑对称性在震中施加零平行位移。对于法向位移的测量，角度B将优选地选择在0°至5°之间，并且更优选地选择0°(即，垂直于部件的表面)。对于横向位移的测量，收集角度B将优选地取5°至60°之间。从灵敏度的角度来看，最佳角度取决于表面散射特性。散射强度略微降低，直到大约45°的角度，并且信噪比取决于sinB。收集角度有利地选择为B>10°。从相移、灵敏度和精度的角度来看，将优选地选择介于30°至45°之间的入射角B。uz/ux幅度比直接取决于收集角度B和材料的泊松系数。角度B的选择还考虑了所使用的干涉仪的类型和性能(马赫-曾德尔、共焦法布里-珀罗、多普勒测振仪)或使用光折变晶体和大孔径光学器件的双波混合干涉仪(收集不同入射角的被检查表面的反向散射光)。
控制操纵装置130优选地包括图1所示的用于调整激光间距离的装置(DADI)128，其能够改变图2所示的双箭头152所表示的产生激光束134与检测激光束136之间的间距或距离。在部件140的表面，该距离介于0mm(即，产生激光束134和检测激光束136合并)至150mm之间，优选地介于5mm至100mm之间。DADI 128可以在控制期间使产生激光束134和检测激光束136远离或靠近。
在图2中，产生激光束的整形装置118至部件140的距离由双箭头142表示。
因此，使产生激光束134和检测激光束136分离的距离可以通过下文描述的多通道数字控制引导器管理，以适应部件140的几何形状以及由所述部件140的制造引起的运动。
根据两个实施方案提供对产生激光束134与检测激光束136之间的距离的调整。
在称为“离线”的第一实施方案中(即，在制造方法之外)，自生成下文描述的部件140的控制文件起进行所述调整。实际上，对于部件的每个控制点，下面描述的控制设计软件110计算部件140的曲率并且从中推导出最佳的激光间距离。然后，软件110可以针对每个控制点在控制文件中写入产生激光束134与检测激光束136之间的距离。数字控制器112将根据针对即将到来的控制点给定的值来管理装置DADI 128。
在称为“在线”的第二实施方案中(即，在制造方法过程中)，通过数字控制器进行所述调整。数字控制器将根据所提供的程序向电机发出运动指令。数字控制器读取程序并将指令转换为关于电机和其他元件(例如，激光器)的设定值。数字控制器预先读取控制文件，因此对于每个控制点，数字控制器知道下一个控制点。如果控制点彼此靠近并且曲率变化适中，则数字控制器通过DADI 128调整产生激光束134与检测激光束136之间的距离，而无需用户干预。
如图3所示，在部件140的表面存在拐弯处158的情况下，对控制轨迹进行管理分两个阶段进行。
图3示出了根据箭头154所示的位移的方向对控制轨迹进行管理。在拐弯处158之前，产生激光束134与检测激光束136之间的确定或标称距离152逐渐减小，直到产生激光束134和检测激光束136两者重叠。
图4示出了根据箭头160所示的位移的方向对控制轨迹进行管理。在拐弯处158之后，产生激光束134与检测激光束136之间的距离增大，直到产生激光束134与检测激光束136两者分离确定的距离152。该实施方案使得能够确保在存在拐弯处的情况下进行控制。实际上，如果在控制操纵装置130靠近拐弯处时保持距离152，则检测激光束136将处于部件140之外。
控制操纵装置130还可以包括在部件140的控制区域174附近的非接触式温度测量探测器(未示出)。该温度测量探测器用于对超声波传播测量进行更精确地处理。优选地，可以预先执行根据温度的行为的校准(即，超声波传播速度的校准)。例如，温度测量探测器可以是通过红外线测温进行的测量。
控制操纵装置130还包括保护性壳体，所述保护性壳体能够容纳整形装置118、整形装置124、DADI 128、温度测量探测器(未示出)和可选的干涉测量装置126。
优选地，为了避免灰尘沉积在诸如透镜的光学元件上，对控制操纵装置130的保护性壳体加压。更优选地，保护性壳体的外部存在气流避免与增材制造方法相关的灰尘、烟雾或材料的投射对光学元件的任何污染。此外，控制操纵装置130的激光束134与136的输出孔由对所使用的激光器的波长透明的窗口保护。控制操纵装置130的控制壳体固定至多关节控制系统132。
优选地，产生激光器114和检测激光器120不包含在控制操纵装置130的保护性壳体中，并且不与多关节控制系统132进行集成。优选地，当存在增材制造机器的制造腔室时，产生激光器114和检测激光器120转移至所述制造腔室之外，初始的产生激光束116和检测激光束122通过光纤传送至整形装置118和整形装置124。
计算机辅助设计/计算机辅助绘图软件
受控制造系统100还包括部件140的三维数字模型的获取装置104。例如，受控制造系统100包括计算机辅助绘图或计算机辅助设计软件，其能够生成与待制造、修复或表面重铺的部件11的三维数字模型相关的文件(例如，STP文件)。该文件定义了部件的几何形状(即，部件的整个立体结构)或者仅其表面。该文件也可以来自另一软件。该文件旨在传送至下述的计算机辅助制造软件108和控制设计软件110。
计算机辅助制造软件
受控制造系统100包括用于生成待制造、修复或表面重铺的部件的制造文件的装置108。例如，控制系统包括能够生成制造文件的计算机辅助制造软件108，所述制造文件定义了增材制造机器进行制造所需的参数。这些制造参数包括多关节制造子系统138所承载的制造头或喷嘴随着时间的推移沿着例如三个轴或自由度或最多沿着六个轴的位移。这些制造参数还包括运动组件(即，部件保持器托盘和部件140)随着时间的位移(通常沿两个轴)。最后，制造参数包括打印参数，例如，能量源的功率、制造头的类型和性能、材料的流速、气体介质。
控制设计软件
受控制造系统100包括用于生成控制文件的装置。例如，受控制造系统100包括生成控制文件的控制设计软件110，该控制文件包含控制参数。这些控制参数包括部件140的控制区域的相对位置的定义，所述区域由产生激光束134和检测激光束136两者的冲击点以及控制的时刻和持续时间来定义。这些控制参数还包括多关节控制系统随时间的位置和两光束之间的距离152。可选地，这些控制参数包括产生激光束134和检测激光束136的方向。最后，控制参数包括用于实现产生激光器114和检测激光器120的参数，例如功率、发射率和发射次数。
分析装置
因此，为了确定制造参数和控制参数是否可以共存(即，两者是否兼容)，受控制造系统100还包括分析装置106，以对制造文件和控制文件进行比较分析。
制造文件和控制文件的定义或生成可以以不同的方式(即，在不同的数字工具上)完成。但是，这些制造文件和控制文件应该联合制作。
实际上，控制参数的定义必须考虑制造参数。例如，部件140的控制区域的控制的编程必须考虑制造期间部件的位移，所述位移定义为制造参数。
此外，必须进行制造参数的定义，以能够对部件140进行控制，也就是说，多关节制造系统138的元件的运动必须在不会撞到或损坏多关节控制系统132或正在进行构造的部件140的情况下能够实现多关节控制系统132在制造区域附近的集成。
优选地，必须执行制造参数的定义，以有利于部件140的所述控制，也就是说，例如，为了限制多关节控制系统132的运动，选择有利于控制的解决方案。
这种控制和制造的协调可以由用户完成或者通过模拟工具(例如，轨迹模拟软件，或者甚至包括或不包括超声波传播模拟的系统的数字孪生)以数字的方式完成。
多通道数字控制引导器
受控制造系统100包括控制模块或多通道数字控制引导器(DCD)112，其以联动(couplée)的方式并且根据制造文件的参数和控制文件的参数管理上述至少一个多关节控制系统132和上述至少一个多关节增材制造系统138。多通道控制引导器112可以是多通道模式的数字控制器。多通道控制引导器112使用至少两个不同的通道，所述通道包括至少一个用于将制造指令发送至多关节制造系统的通道和至少一个用于将控制指令发送至多关节控制系统的通道。该特征的技术效果是解决了管理多个轴或自由度的同步的问题。因此，根据本发明的多通道控制引导器112可以以同步方式同时管理多关节制造系统138的多个轴(其大于或等于三个，通常为五个)以及多关节控制系统132的多个轴(其通常为7个)。
多关节控制系统132的轴的运动与多关节制造系统138的轴的运动同步，从而在制造方法过程中能够实现适应于部件的轨迹和方向的控制。
可选地，称为系统的数字孪生的数字系统能够确保所计算的运动的可行性，特别是通过避免任何碰撞并保证控制点的有效管理。
多通道数字控制引导器112还控制产生激光器114和检测激光器120，以通过触发信号引起初始产生激光束116和检测激光束122的发射。
受控制造方法
受控制造系统根据受控制造方法操作，所述方法包括图5所示的以下步骤。
在步骤162中，计算机辅助绘图或计算机辅助设计软件104生成待制造、修复或表面重铺的部件140的三维数字模型，以通过增材制造机器(未示出)对待制造的部件140进行建模。
在步骤164中，计算机辅助制造软件108生成待制造的部件140的制造文件，以对制造参数进行定义。
在步骤166中，控制设计软件110生成控制文件，以对控制参数进行定义。
步骤164和步骤166同时执行，并且通过步骤164和步骤166之间的连续迭代，在与制造文件中的制造程序兼容的控制文件中定义控制程序，反之亦然。
在步骤168中，制造文件和控制文件通过分析装置106(例如，用户或分析模块)进行分析，使得控制参数考虑制造参数并且使得制造参数能够实现该控制，甚至有利于该控制。该步骤168能够验证控制参数不干扰制造参数。换言之，步骤168可以验证控制参数能够与制造参数共存。如果控制程序和制造程序不兼容，则受控制造方法在步骤162之后重新开始。
在步骤170中，多通道数字控制引导器112基于制造指令和控制指令同时管理多关节控制系统132和多关节制造系统138。
控制策略
本发明所描述的控制在通过材料的投射或沉积进行的增材制造机器或装置中执行。如上所述，所述控制优选在制造期间进行，也就是说，与材料的沉积或投射同时进行。所述控制也可以在制造之前(例如，在修复或添加功能的情况下)或者在制造之后进行。
通过激光超声波方法进行的控制旨在检测增材制造机器内的部件的异常或缺陷。目标异常主要是：厚度变化、局部缺陷(例如，孔隙度或杂质)、扩展缺陷(例如，裂缝)和/或材料结构的变化(材料的密度损失、微观结构各向异性、弹性性能的改变)。也可以获得关于粗糙度的信息。单独检测到的立体结构的缺陷的特征尺寸必须大于50μm，优选地，大于100μm，甚至更优选地，大于300μm。
超声波的产生只能在产生激光可接近的部件的表面进行。超声波的检测只能在检测激光可接近的部件的表面进行。在两个激光冲击点之间，超声波传播能够探测立体结构内和表面上两激光器之间的控制区域。
控制区域可以覆盖整个部件，可以是随机的，或者优选地覆盖目标关注区域(ROI)，即出现缺陷概率增加的区域，例如：
-本领域技术人员已知的或通过热机械分析(特别是通过有限元素模拟)确定的应力集中区域；
-珠子覆盖区域，特别是轮廓珠子与填充珠子之间的界面；
-几何奇点，例如，喷嘴在其上方突然改变轨迹的区域。
通过激光超声波方法进行的控制可以与另一控制正在制造的部件的装置或制造方法相结合，例如：
-可见光或红外域的摄像机，其能够检测假定的几何变化、怀疑的缺陷或部件的热量；
-对熔融区域进行同轴检查，以了解能够产生缺陷的所述熔融区域的不稳定性；
-探测制造外壳的传感器，例如，热电偶或气体检测器；
-能够指示制造方法的偏差的机器数据(例如，激光功率、电机位移、粉末流速、等离子体引起的辐射分析)。
一个或多个控制装置的这种组合能够识别合适的控制区域。此外，在出现不确定指示的情况下，控制装置的这种组合可以确保存在禁止的缺陷(即，高于规范和要求阈值)。统计学习或人工智能方法(特别是机器学习类型的方法)可以对异常接受标准进行改进，包括通过组合激光超声波的多个控制装置的数据。
根据部件的关键性和可接受的缺陷进行定义的控制策略的选择在步骤166中进行，并且在步骤168中进行验证。即使在该方法过程中识别控制区域的情况下，通过检测平均控制指示或附加的监视，原理仍然相同：在步骤166中已经参考了可能的控制区域，在步骤168验证，控制的触发仅以检测到怀疑的缺陷为条件。
处理(SANCTION)
当受控制造系统100在“在线”控制期间(即，在制造方法的过程中)检测到缺陷时，两级的动作(图中未表示)是可能的。
在第一级动作中，确认存在缺陷的诊断。然后自动或手动(由用户)控制停止部件的制造。该动作能够限制由于剩余的机器时间和生产剩余不合格的部件所需的原材料数量而造成的损失。
在第二级动作中，优选地，在用户的作用下并且根据缺陷的性质，缺陷区域可以通过制造机器的单个激光束的作用或通过激光束和制造机器的粉末(如果缺少材料)的组合作用进行重新熔化。也可以对相关区域进行机械加工以在健康区域再次进行制造。
示例
示例性实施方案通过图6至图9示出，图6至图9示出了根据四个步骤制作圆柱形部件(顶视图)。为了制作圆柱形部件172，两种解决方案是可行的，即，制造喷嘴176描绘螺旋状轨迹，或者制造机器的托盘180转动并且制造喷嘴176沿着制造轴线上升。从部件的角度来看，所得的轨迹是相同的。然而，托盘180根据箭头178转动的解决方案可以简化控制，因此该解决方案是优选的。在这种情况下，根据步骤168的制造文件和控制文件之间的交互能够选择简化控制的制造策略。
在图6中，控制操纵装置130处于等待位置。制造喷嘴176处于沉积材料的过程中。多关节控制系统132是静止的，并且等待控制区域174在控制操纵装置130前面经过。
在图7中，控制区域174在控制操纵装置130前面经过。产生激光器114和检测激光器120激活，以控制控制区域174，并分别发射经整形的产生激光束134和经整形的检测激光束136。
在图8中，支撑控制操纵装置130的多关节控制系统132根据箭头178的方向移动，以监测控制区域174。这种运动本身没有编程，而是多关节控制系统132与部件172接合的结果。因此，多关节控制系统132通过根据箭头178的方向移动控制操纵装置130的壳体来保持控制操纵装置130在部件172的控制区域174上保持静止，多通道数字控制引导器112确保多关节制造系统132的速度和轨迹，使得控制操纵装置130能够相对于控制区域174保持静止。
在图9中，当控制区域174的控制完成时，多关节控制系统132脱离制造机器的托盘180，并且控制操纵装置130返回至等待位置。然后，将区域174标记为“受控”，并且多关节控制系统132等待另一待控制区域经过。当所有区域174都受控时，多关节控制系统132增加控制操纵装置130的壳体的高度，并且执行对部件172的下一层的控制。同一控制层上的两点之间的间距通常为几毫米量级，两个控制层之间的距离通常为几毫米量级。
在这种情况下，控制文件包含要扫描的角度值的表和构造方向的增量。控制文件还包括托盘180的控制的持续时间和旋转速度的值。由于使用了多通道DCD 112，多关节制造系统138的所有轨迹都由DCD自动计算。
由于检测激光束134和产生激光束136之间的间距的动态调整，根据本发明的控制系统和方法因此可以控制珠子的复杂几何形状。
根据本发明的控制系统和方法将产生激光束134和检测激光束136的运动与制造喷嘴176的运动分离。因此，控制可以在相位延迟的情况下进行，这为珠子冷却留出了时间，并且能够避免在存在高热梯度的情况下进行控制。
根据本发明的控制系统和方法能够确保在部件的构造、表面重铺、修复的过程中对其进行监测。因此，根据本发明的控制系统和方法能够在制造期间检测缺陷，并且能够设想反馈回路以在检测到缺陷时立即停止制造方法或者修改制造方法的某些参数。根据本发明的控制系统和方法还能够逐层控制部件。
根据本发明的控制系统和方法可以解决管理大量轴(例如，多关节制造系统的五个轴和多关节控制系统的七个轴)的同步的问题。在现有技术中，管理如此多的轴在计算能力方面是极其昂贵的，甚至是不可能的。此外，利用现有技术的系统，所有的轴的运动必须在单个程序中编程，这使得其编写非常复杂。
此外，根据本发明的方法和系统能够连续测量增材制造机器的动态行为(特别是沉积速率)，从而能够调整控制操纵装置的动态(特别是加速度)，并且使增材制造机器和控制操纵装置同步。因此避免了控制操纵装置的振动。
因此，根据本发明的方法特别地包括两个关键步骤。第一步骤在于联合定义控制程序和制造程序，以确保制作过程中的关注区域的可控性，同时保证设备的安全性。第二步骤是使用多通道数字控制引导器，以确保同步管理大量轴(通常有12个)：多关节控制系统132有6个轴，多关节制造系统138有5个轴，DADI 128有一个轴。因此，通过将制造程序与控制程序分离，根据本发明的方法解决了同时管理大量轴的问题。
数字控制器的多通道的方面与现有技术的系统中不存在的交互和互连一起使用。
参考文献
[1]CERNIGLIA D.，SCAFIDI M.，PANTANO A.和RUDLIN J.“Inspection ofadditive-manufactured layered components”，Ultrasonics，(2015年9月)，62卷：292-298页。

Claims (13)

1.一种受控制造系统(100)，其适用于控制通过在集中的能量下沉积材料对部件(140、172)进行制造、修复或表面重铺的方法，所述受控制造系统包括：
-部件(140、172)的三维数字模型的获取装置(104)；
-用于基于所述部件(140、172)的三维数字模型生成部件(140、172)的制造文件的装置(108)，以对增材制造机器的制造参数进行定义，所述制造参数与制造指令相关；
-用于生成部件(140、172)的控制文件的装置(110)，以对控制操纵装置(130)的控制参数进行定义，所述控制参数与控制指令相关；
-分析装置(106)，其用于对制造文件和控制文件进行分析，以确定在同时将制造参数应用于增材制造机器并且将控制参数应用于控制操纵装置(130)的过程中制造参数与控制参数是否能够共存；
-控制模块(112)，其包括用于接收制造指令并且将所述制造指令发送至适用于支撑增材制造机器的多关节制造系统(138)的至少一个通信通道，以及用于接收控制指令并且将所述控制指令发送至适用于支撑控制操纵装置(130)的多关节控制系统(132)的至少一个通信通道，以对增材制造机器和控制操纵装置(130)进行同时管理。
2.根据权利要求1所述的受控制造系统(100)，其包括能够发射初始产生激光束(116)的产生激光器(114)和能够发射初始检测激光束(122)的检测激光器(120)，以根据激光超声波方法对部件(140、172)进行控制。
3.根据权利要求2所述的受控制造系统(100)，其中，所述控制操纵装置(130)包括用于对初始产生激光束(116)进行整形以生成产生激光束(134)的装置(118)和用于对初始检测激光束(122)进行整形以生成检测激光束(136)的装置(124)。
4.根据权利要求3所述的受控制造系统(100)，其中，所述控制操纵装置(130)包括用于调整激光间距离的装置(128)，以确定产生激光束(134)和检测激光束(136)之间的距离。
5.根据前述权利要求中任一项所述的受控制造系统(100)，其中，所述控制模块(112)是多通道数字控制引导器。
6.根据前述权利要求中任一项所述的受控制造系统(100)，其中，所述控制操纵装置(130)包括部件(140、172)的控制区域(174)附近的非接触式温度测量探测器。
7.根据前述权利要求中任一项所述的受控制造系统(100)，其中，所述控制操纵装置(130)与可选地由所述控制操纵装置(130)承载的一个或多个其他控制装置结合，以对增材制造机器内的部件(140、172)的缺陷进行检测或者甚至定位。
8.一种受控制造方法，其适用于通过在集中的能量下沉积材料对部件进行制造、修复或表面重铺的方法，所述受控制造方法包括以下步骤：
-生成待制造、修复或表面重铺的部件(140、172)的三维数字模型(162)，以对所述部件(140、172)进行建模；
-基于所述部件的三维数字模型生成部件的制造文件(164)，以对增材制造机器的制造参数进行定义，所述制造参数与制造指令相关；
-生成控制文件(166)，以对控制装置的控制参数进行定义，所述控制参数与控制指令相关；
-对制造文件和控制文件进行分析(168)，以确定在同时将制造参数应用于增材制造机器并且将控制参数应用于控制操纵装置(130)的过程中制造参数与控制参数是否能够共存；
-如果制造参数与控制参数能够共存，则对增材制造机器和控制操纵装置(130)进行同时管理(170)，从而对部件(140、172)进行制造、修复或表面重铺，所述同时管理基于制造指令和控制指令。
9.根据权利要求8所述的受控制造方法，包括以下步骤：
-如果制造参数和控制参数不能共存：
-基于部件(140、172)的三维数字模型生成部件(140、172)的制造文件(164)，以对增材制造机器的制造参数进行定义，所述制造参数与制造指令相关；并且/或者
-生成控制文件(166)，以对控制操纵装置(130)的控制参数进行定义，所述控制参数与控制指令相关。
10.根据权利要求8或9所述的受控制造方法，其中，通过在集中的能量下沉积材料对部件(140、172)进行制造、修复或表面重铺的方法是通过激光熔化金属粉末或者通过激光熔化金属线材或者通过电弧熔化金属线材的方法。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的受控制造方法，其中，所述控制指令以部件(140、172)的缺陷出现概率增加的区域为目标。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的受控制造方法，其中，检测到缺陷导致制造停止。
13.根据权利要求8至11中任一项所述的受控制造方法，其中，检测到缺陷导致执行诸如对部件(140、172)的缺陷区域进行熔化或机械加工的校正动作。
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