CN117255722A - 监测和影响添加层制造过程的方法 - Google Patents

Abstract

一种监测和影响添加层制造过程的方法，在所述过程中，粉末材料在接续地施加的层中的选择性熔合被实行，以制造三维物品，所述方法包括：向例如在电子射束添加层制造装置(10)的真空室(12)中的工作空间递送超过在所述空间的构建区中形成给定体积的层所需的量的粉末材料，并且由散布器(17)在所述工作空间内散布粉末材料以在构建区中形成所述层，并且还在邻接构建区的积聚区中形成过量粉末材料的积聚。重复散布以形成接续的这种层和积聚，并且通过如下方式来确定每个积聚的体积：沿着光学路径(B)对已经沿着光学路径(A)被投影到相应积聚上的结构光图案从不同于投影方向的成像方向进行成像，从而产生由所述积聚引起的图案失真。然后，能够评估所成像的图案，以从所述失真中导出所述积聚的体积，并且使用所述积聚的所确定的体积来影响添加层制造过程。

Description

监测和影响添加层制造过程的方法

本发明涉及一种监测和影响添加层(additive layer)制造过程的方法，尤其是监测该过程中使用的粉末材料的消耗。

添加层制造是用于制造三维物品(article)的一种确立已久的过程。在该过程中，通过利用能量射束(诸如电子射束或激光射束)照射来选择性地熔化可熔合(fusible)粉末材料，从而生产出物品。关于粉末材料的接续地形成的层来实行照射和熔合(fusion)，使得每一层中的材料根据预定义的图案熔化，并且不仅与其自己熔合，而且还与下面层的任何先前熔合的材料熔合，由此在逐层或添加性的基础上产生物品形状。用于执行该过程的装备的关键元件是粉末材料馈送和分布系统，该系统通常包括粉末材料的供应、用于在构造空间中散布粉末材料的接续层的散布器、以及用于在散布了每一层并选择性熔合了其组成性粉末材料之后降低构造空间的机构。出于产品质量的原因，重要的是：形成每一层的粉末材料均匀地分布在构造空间的区域上，并且层厚度被很好地定义且对应于预定值。此外，合期望的是每一层被快速地施加，以便保持尽可能高的制造速率。

为了确保粉末材料跨每一层的均匀散布，通常有必要向散布器呈递比个体层将消耗的材料更多的材料。然而，粉末原料(feedstock)通常是昂贵的，出于该原因，高度期望重复使用来自每一层的任何可用的过量粉末。利用过量粉末材料进行操作的结果是：随着物品制造的进行，该过量往往以可变的量而存在，这进而可能表示物品生产循环过程中的可变因素(variable)，并且在该情况下有损于(detract from)制造过程的精确控制和管理。

在US10 406 599 B2中描述的用于测量粉末材料的已知过程中，在添加层制造装置的散布器前方的、还未被分布(即，散布以促成层形成)的粉末材料堆(heap)的一部分或若干个部分的形状的图像被捕获，并且该部分的一个或多个尺寸从该一个或多个图像中被导出，并且与涉及粉末材料量的期望参数值进行比较。比较结果被采用以帮助实现均匀的粉末材料分布，包括使所供应材料的量变化。所描述的过程能够在分布之后标识过量粉末材料的存在，但是该过程确实具体地确定了这种过量的量，并且没有公开能够做出这种确定的测量方法。

因此，本发明的主要目的是使得监测和影响添加层制造过程——特别是其中出现了超过层需求的粉末材料量的过程——成为可能，使得可以消除不利地影响过程管理的可变因素、或者至少降低该可变因素的重要性，并且因此实行对该过程的更精确执行。

一个补充目的是使得能够通过简单但有效的过程以这种方式进行监测，使得关于层形成期间粉末材料消耗的数据可以被获得，并且可以被用于调节粉末材料的供应和补足(replenishing)，以便在该过程的经济性——特别是粉末材料的利用——方面实现益处。

本发明的其他目的和优点将从以下描述中变得明显。

根据本发明，提供了一种监测和影响添加层制造过程的方法，在该过程中，粉末材料在接续地施加的层中的选择性熔合被实行，以制造三维物品，该方法包括以下步骤：向工作空间递送超过在该空间的构建区中形成给定体积的层所需的粉末材料的量的粉末材料；在工作空间内散布粉末材料以在构建区中形成层，并且附加地在邻接(adjoin)构建区的积聚区中形成过量粉末材料的积聚；重复散布步骤以形成接续的这种层和积聚；通过如下方式来确定每个积聚的至少近似体积：对已经投影到相应积聚上的结构光图案进行成像，该成像是从与投影的方向不同的方向进行的，使得由该积聚引起的投影图案的失真在所成像的图案中产生，并且评估所成像的图案以从图案失真中导出要对该失真负责的该积聚的至少近似体积；以及取决于该积聚的所确定的体积来影响添加层制造过程。

基于对于该层所需的过量材料以及该过量材料在专用积聚区中的所得沉积来形成每一层粉末材料为具有期望一致厚度的层形成创建了前提条件，特别是通过降低空隙、层变薄或其他损耗的风险，并且为重复使用可用的过量材料以促成至少一个后续层的形成创建了前提条件。以这种方式的粉末材料重复使用或回收可以允许加速的生产速率并且减少材料浪费。在诸如这些的境况下，能够利用过量粉末材料的每个这种积聚的近似或实际体积的知识来监测物品制造循环是显著有利的，该近似或实际体积表示个体层的粉末材料消耗的参数，并且通过其知识，尤其影响正在进行的层形成的不同方面变得可能。以这种方式被投影和成像的结构光图案的使用从而使得目标粉末材料积聚在图案图像中产生图案失真——该图像中的图案失真然后被分析——提供了一种简单的非接触式手段来实现形状的体积测量、特别是高度和基部面积，否则该体积测量是难以准确地实现的。结合诸如光投影方向之类的已知参数，根据结构光图案的失真的方向和程度，可以没有困难地以数学方式确定每个积聚的近似体积。

对于优选(for preference)，影响步骤是关于在添加层制造过程中使用或用于在添加层制造过程中使用的粉末材料来实行的，这允许体积测量与制造过程的直接相关方面的相关。在该情况下，影响步骤可以包括影响粉末材料向工作空间的递送和粉末材料在工作空间中的散布中的至少一个。如果该影响被施加到粉末材料递送，则可以考虑到过量材料的个体积聚的体积来设置或调整用于层形成的材料的供应。如果该影响被施加到粉末材料散布，则可以基于体积测量来类似地设置或调整散布的参数。因此，在该方法的优选示例中，影响步骤包括调整构建区中的粉末层形成的参数，使得施加到每个物品的添加层制造过程可以利用基于每个所形成的层之后留下的过量材料体积的知识的调节逐层地进行。在具有粉末材料分配的自调节的基本被动系统的过程的情况下，由该方法提供的监测可以允许例如在单个物品构建或多个物品构建的过程中识别该系统中的改变以及在调整该系统的意义上的随之发生的影响，特别是针对长期漂移进行校正。该参数可以是例如用于形成层的粉末材料分布的速率、散布器终止散布以形成层的点或时间、或影响层形成的另一个因素。

在对体积测量的更直接或动态的利用中，该方法包括如下步骤：将每个积聚的所确定的至少近似体积与层的给定体积进行比较，以获得每一层的粉末材料消耗的测量，添加层制造过程然后作为粉末材料消耗的所获得的测量的函数而被影响。这为基于每一层的粉末材料消耗来准确控制正在进行的制造过程提供了机会(scope)，这种消耗不是通过每一层的体积的直接测量来确定的，而是通过与来自每一层的剩余(leftover)粉末材料相关的更简单的间接测量来确定的。剩余材料——也就是说，过量材料的积聚——的所确定体积可以简单地与被供应以形成层的材料的体积计算(例如基于重量)相关，以便一旦层被形成就获得与层中的材料的实际体积相关的数据。

因此，在这种动态过程中——其中制造过程包括向工作空间递送用于在接续层的形成中使用的另外的粉末材料，影响步骤可以包括作为粉末材料消耗的所获得的测量的函数来调节该递送。在该情况下，考虑到用于层的材料的实际和正在进行的需求，而不是在该过程之前做出的估计，制造过程可以基于尤其是粉末材料的周期性再供应来进行。该动态过程关于在物品制造循环期间针对适配的可能需要是特别有利的，例如，如果具有不同特性(诸如颗粒大小、重量、流动性等)的粉末材料是在循环的过程中引入的话。递送的调节可以采取各种形式，例如关于递送的定时和/或关于递送中的另外的粉末材料的量。这两种形式的调节——无论是作为替代方案还是作为组合来进行——为非常精确地影响制造过程提供了机会。因此，在有利的情况下，该方法包括从粉末材料消耗的测量来确定形成另外的这种层所需要的粉末材料的补充量，在这种情况下，粉末材料的所确定的补充量优选地还包括形成另外的这种积聚所需要的那些补充量。

尽管监测添加层制造过程的方法可以在该过程的情境中作为完全独立的过程来执行，但是如果结合该方法的步骤的执行，将结构光图案同时投影到粉末材料的所形成层的表面和该层形成之后所留下的过量粉末材料的邻接积聚这两者上，产生层表面和积聚这两者上的图案的图像，并且评估该图像中的图案失真以不仅确定过量粉末积聚的体积，而且还标识层表面中的缺陷，那么可以增强操作的经济性。因此，可以在针对两个不同的任务(因此是层表面处的缺陷检测和积聚的体积测量)的同时过程中利用结构光图案在该积聚上的投影以及从该积聚所得到的失真图案的成像，所获得的图像经受不同的处理和分析，以产生不同的期望结果。尽管分离的投影和成像装备可以用于这两个任务，但是在有利的情况下，该图案由公共投影系统投影到层表面和积聚上，并且层表面和积聚上的投影图案由公共成像系统来成像。

这种方法特别地适合于由添加层制造装置来执行，该装置具有用于由粉末材料的接续沉积层形成的材料床的可升高且可降低的支撑件，该支撑件具有表示构建区的区域，能量可被引入该构建区中以选择性地熔化和熔合层材料。散布器可跨支撑件移动，以将粉末材料散布在构建区中以便形成所定义深度的接续层，并且将过量粉末材料从每一层导向到邻近构建区的积聚区中。支撑件可以被降低以允许散布器在积聚区之上移动，而不会与其中收集的过量粉末材料碰撞，并且随后被升高以允许散布器在积聚区之上往复移动、以及过量粉末材料通过散布器返回到构建区，因此允许过量粉末材料的再循环。积聚区的面积可以具有足够的大小，以允许收集足够的过量粉末材料，以便在过量粉末材料返回到构建区的过程中从其形成给定面积和给定所定义深度的层，因此具有这种大小的积聚区面积使得该区可以容纳大于构建区的二维面积与针对每一层所预定的深度的乘积的过量粉末材料的体积。添加层制造中的层深度通常约为20至100微米，在这种情况下，积聚区的面积不必特别大，以便使所需的体积被接受。因此，可返回的过量粉末材料的积聚足以形成整个层，甚至可能形成若干个层，但是甚至仅一层的一部分也是可设想的。在最后提到的情况下，粉末材料的追加(toping up)可以在层形成之前或期间实行。

根据本发明的方法的优选示例现在将参考附图、结合其中可以执行该方法的装置被更特别地描述，在附图中：

图1是添加层制造装置的图解性立面图(diagrammatic elevation)，在该装置中，可以执行例示本发明的方法；

图2A-2E是示出了通过该装置对物品的添加层制造中的步骤序列的图解；以及

图3A-C是示出了例示本发明的方法的方面的变型的示图。

现在参考附图，在图1中以高度图解性的形式示出了添加层制造装置10，该装置10用于通过在构建区中的接续沉积层中选择性地熔化和熔合粉末材料、特别是金属材料来制造具有可预定义形状的三维物品，该装置的配置使得在物品制造过程中可以通过该装置来执行例示本发明的方法。在装置10的情况下，熔化是通过电子射束的作用进行的，尽管能量还可以由例如激光或其他合适的能量源来提供。粉末材料还可以是塑料或其他可熔化的材料。用于利用电子射束进行操作的环境由将真空室12限界的壳体11来提供，在真空室12中，可以建立真空，作为电子射束13传播的前提条件。电子射束13由电子枪14生成，该电子枪14位于壳体11的顶部，并且被定向成沿着竖直中性轴线朝向目标区域向下引导所生成的射束。射束13可以通过例如电磁操作偏转器(未示出)相对于该轴线在X和Y方向上偏转，如图2D中针对X方向上的偏转范围的相对端的虚线箭头所例示的。被适当地控制的射束偏转允许该射束的入射点在目标上移动，以覆盖对应于正在经历制造的物品的个体横截面层的预定形状的区域。

在真空室12中，在电子枪14下方的间隔处以及在所生成的射束的目标区域中，提供了可升高且可降低的支撑件15，因此提供了对于由粉末材料的接续沉积层形成的床可在Z方向上移动的支撑件，如图1中由相关联的双箭头以及图2C和2D中由个体箭头所指示。支撑件15具有工作台的形式，该工作台被安装在一个或多个杆上，并且被导向以用于在轴16中竖直移动，轴16的壁大体上将材料床(当存在时)限制(confine)到该工作台。在壁的上方，工作台由具有平坦表面的外围物(surround)所包围，工作台的顶部或工作台上的材料床的顶部可与该平坦表面大体上对齐以位于共同的平面中。支撑件15的移动由驱动器(未示出)来提供，该驱动器可以是活塞-气缸单元、主轴驱动器、齿条和小齿轮驱动器(rack-and-pinion drive)、线性马达、或赋予周期性往复线性移动的任何其他合适的部件。

在传统过程中，在添加层制造的情境中，支撑件15的移动循环开始于：将工作台的顶部定位在外围物表面的平面下方，达到粉末材料层的所定义深度或厚度的程度；将粉末材料散布在工作台上以形成一层，其中该层的顶部表面大体上处于外围物表面的平面中；以及选择性地熔化并由此熔合该层中的粉末材料。此后，该过程通过如下而继续：降低支撑件15，达到所定义的层深度的程度，从而准备就绪形成另一个这种层；将粉末材料散布在工作台上以形成下一层，其中该层的顶部表面也处于外围物表面的平面中；以及选择性地熔化该层中的粉末材料，以便不仅将材料在该层中熔合在一起，而且还将材料熔合到其下面的层的已经熔合的材料。重复该过程，使得结合支撑件15的递增下降，通过电子射束13扫描材料床来选择性熔化接续的粉末材料层，从而形成在X、Y和Z方向上具有期望形状的物品的接续横截面层。

通过可在支撑件15之上移动的散布器17的方式来散布粉末材料以形成每一层，从而将粉末材料平稳地(smoothly)分布成与外围物表面的平面基本上齐平。散布器17在支撑件之上针对X方向上的往复行进的移动——如在图2A和2E中由相关联的箭头所指示——由驱动器(未示出)来提供，该驱动器由控制单元18控制，并且可以是例如齿形带和小齿轮驱动器、主轴驱动器、齿条和小齿轮驱动器、线性马达、或赋予周期性往复线性移动的任何其他合适的部件。控制单元18仅象征性地被表示为单独的单元，并且它实际上可以是该装置的总体或上级(superordinate)控制系统的集成部分，该控制系统例如其中由负责控制该装置的操作以执行制造循环的软件来发出适当命令的系统。这种散布器被用于现有技术装置的各种形式的构造中。

用于形成了粉末材料床的层的粉末材料由关于支撑件15被适当定位的——例如定位在该支撑件的工作台15的一侧上的——馈送器或分配器19来供应。分配器在现有技术中也以多种形式已知，并且可以包括例如漏斗(hopper)，该漏斗包含足以制造个体物品或给定数量的物品的粉末材料的装料(charge)。散布器18本身可以被配备有分配器，并且从这种漏斗被馈送或者周期性地从壳体11外部的粉末储存装置(reserve)被馈送。来自分配器19的粉末材料的供应在控制单元20的控制下实行，控制单元20确定被供应用于散布的粉末材料的量以及供应时间。以类似于控制单元18的方式，控制单元20象征性地被表示为单独的单元，并且同样可以是总体控制系统的集成部分。

在制造循环的过程中，也就是说，在物品的个体横截面层的创建过程中，支撑件15和散布器17的移动是相关的，这从前述内容中将是明显的，并且在下面参考图2A至2E来解释。具体地，支撑件的驱动器和散布器的驱动器被控制，以在每个循环期间在特定时间处以及在特定方向上移动支撑件和散布器，这种控制由控制单元18和20所象征性地表示的控制部件来提供。

如引言中所指示，该装置的特征是如下操作：即，在每一层的创建过程中散布比该层实际需要的粉末材料更多的粉末材料，因此所供应的粉末材料的体积大于该层的体积。粉末材料的有意过度供应确保了由散布器17形成的层尽可能没有归因于粉末不足所致的空隙、凹陷或其他缺陷。该过度供应使得在每一层的形成结束时产生过量的粉末材料，并且因此，尤其是出于经济原因，需要将该过量的粉末材料返回以便重复使用。该返回是通过如下方式来实现的：在刚刚形成的层已经受到电子射束的热作用之后，通过散布器17的返回移动的方式在刚刚形成的层之上散布该过量粉末，从而形成另外的层的一部分或全部。粉末再循环可以通过各种方法来实现，包括操纵散布器以从过量粉末积聚的一侧传递到另一侧。在本文中描述和图示的装置10中采用的另一种可能性是通过将过量粉末材料限制到支撑件15并通过支撑件15和散布器17的相关移动提供粉末返回来实现的，如下面结合图2A至2E所讨论的。

为了将过量粉末材料限制到支撑件15，该支撑件不仅定义了针对构建区的区域，在该区域中，通过电子射束作用来实行物品制造，而且该支撑件还定义了针对过量粉末材料积聚区的直接邻近的、特别是相邻(contiguous)的区域，在该区域中，来自每个粉末材料层的过量粉末材料被收集并形成积聚。出于该目的，支撑件的工作台的顶部在概念上被划分成两个区域，从而形成可变高度的两个体积的基部。这些体积由这两个区域垂直于工作台的顶部平面的投影来定义，并且分别表示构建区和积聚区。这些区相对于支撑件15向上迁移，这是因为支撑件15在粉末材料床的形成过程中被逐渐地降低，并且因为床在高度上逐渐地增加。因此，在制造开始时，这些区直接叠加在工作台的顶部上，并且此后叠加在材料床的顶部处的每个先前层上。关于工作台顶部的总区域，主要部分被与构建区相关联的区域所占据，并且相对小的条带形区域被保留作为与过量粉末材料积聚区相关联的区域。后一区域沿着工作台的边界延伸，并且具有如下形式：即，横向于(transversely to)由图2A和2E中的相关联箭头指示的散布器17的往复移动方向而延伸的条带，因此是沿着Y轴延伸的条带。

电子射束13的作用范围具体地限制于构建区。对射束作用范围的限制简单地通过控制由上述射束偏转器所允许的射束偏转范围来提供。

下文中将结合图2A至2E来描述每一层粉末材料的形成和过量材料的再循环中所涉及的动作序列，图2A至2E中的每一个以截面视图图解性地描绘了由工作台和杆组成的支撑件15、具有外围物的一部分的轴16、以及散布器17。每个图示出了物品21的制造中的阶段，物品21被部分熔化或未熔化的粉末材料所包围并且被支撑在工作台的顶部上。通过粉末材料熔化和熔合对该物品的制造是在构造区中实行的，直到与外围物的小间隔，使得不存在物品粘附到外围物的材料(特别是轴16的壁)的风险。应当注意的是，除了图2A至2E的高度示意性性质之外，粉末材料层深度和过量粉末材料的积聚以非常夸大的大小被图示以帮助理解。

在图2A中，先前段落中提到的组件被示出处于如下状态，其中支撑件15被定位在轴16中，使得工作台的顶部位于外围物表面的平面下方达如下量：该量优选地等于要形成的粉末材料层的预定深度(例如0.07毫米的深度)。在支撑件的所描述和图示的位置中，散布器17——在这里向右移动——平稳且均匀地将从分配器19供应的粉末材料散布在工作台之上，以便形成第一层22，该第一层22基本上与外围物表面齐平，并且因此具有期望深度。图2A示出了处于部分形成状态的层22。由散布器17夹带(entrain)的并且尚未被散布的粉末材料被呈现为在向右行进的方向上处于散布器前方的大小逐渐减小的堆。

图2B示出了第一层22的最终形成，该第一层22现在完全覆盖了构建区中的工作台的顶部。如已经提到的，从实现一致层深度和平坦表面的视角来看，层形成的重要方面是供应超过对于形成每一层所实际需要的量的粉末材料。过量粉末——其可以是例如足以形成下一层的一部分、整个下一层、或若干个后续层的量——由散布器17导向到积聚区中。

此后，如图2C中所示，支撑件15在控制单元18的控制下被降低，直到所收集的过量粉末材料脱离(free of)散布器并且位于外围物表面的平面下方的净距离(cleardistance)处，在此期间，过量材料——其不再在左侧被散布器17所限制，而是在右侧被轴16的壁所限制——在重力下重新分布在更大的基部区域之上，但是仍然在积聚区内，以形成大体上脊形的积聚23。在Y方向上宽度为300毫米的积聚区的情况下，该积聚通常为3毫米高，并且在X方向上具有17毫米的基部尺寸。在控制单元18的控制下，散布器17现在进一步向右移动到积聚区以外，而不与积聚23碰撞，直到散布器被定位在外围物上方。

在该阶段中——其中层22在构建区中完全形成并且支撑件16优选地如图2D中所示那样被升高，电子枪14被通电以在层22的方向上发射电子射束13。如图2D中标示了最大偏转范围的虚线箭头所指示，所发射的射束被偏转，以扫描要熔化的层的预定区域——该预定区域是取决于物品形状的预定义特征的区域——以便将该层的粉末熔合在一起，并且由此形成物品21的第一横截面。

在下一个步骤中并且如图2E中所示——其中支撑件15被定位成使得物品21的新创建的横截面和第一层22的残余粉末的顶部再次位于外围物表面的平面下方达粉末材料层的预定深度的量，散布器17现在在相反的方向上移动，因此向左移动，以夹带过量粉末材料的积聚23并且散布该材料以形成下一(第二)层24的一部分或全部。参考图2A至2E所描述的步骤循环被重复——除了所有后续层都始终部分地散布在构建区中的边远(outlying)的残余粉末和被部分制造的物品的顶部之上，直到该物品实现其预定形状并且被完全制造为止。在这些循环期间，因此，在添加层制造过程期间，电子射束13的作用不仅将最上层的目标粉末材料熔合在一起，而且还将该材料熔合到下面的已经熔合的材料。

在层区域在X轴和Y轴中的每一个上具有例如约300毫米宽度的情况下，层厚度的所提到的例示尺寸以及层形成之后过量粉末材料的积聚23的体积可能足以形成多于一个后续层。然而，在每次形成一层之后所留下的过量粉末材料的积聚的实际体积通常是变化的。该体积的知识是对于监测添加层制造过程的进展和调节有用的多个参数之一，并且因此装置10被配备成使得能够通过简单的、无接触的过程来确定每个积聚的体积，因此被配备成执行例示本发明的方法。

出于该目的，该装置并入非接触式测量系统，该系统首先包括光学投影仪25，该光学投影仪25用于经由窗口(未图示)在穿过真空室12的光学投影路径A(如图1和2C中由点划线所指示)上投影结构光，以在积聚区中的过量粉末材料的每个积聚23的面对的(confronting)面上定义条纹(fringe)图案。该图案横向于或交叉于(crosswise to)散布器17的往复移动方向而形成在积聚23的整个长度上。定义了条纹图案的结构光也可以可选地在每个所形成的粉末材料层22、24上的构建区中被投影在更大的光学路径(在左手侧上由图1中另外的点划线所界定)上。投影是在用于熔化组成性粉末材料的在层上的射束作用之前或者在这种射束作用之后实行的，但是在任何情况下，投影都是在散布器17返回以散布构成积聚的材料之前实行的。由计算机软件生成的条纹图案可以采取各种形式，但是方便地由对比色调(条纹)的有规律地间隔的条带26的阵列组成，这种所投影条纹图案的一部分的示例在图3A至3C中示出，如下面进一步讨论的。

其次，该测量系统还包括光学成像相机27，该光学成像相机27用于经由另外的窗口(也未图示)对穿过真空室12的光学成像路径B上的所投影条纹图案进行成像，所成像的图案在图1B中示出，与图1A相比，图1B具有倾角(obliquity)，该倾角表明了光学成像路径B相对于光学投影路径A的角度。类似于投影，该成像横向于往复散布器移动的方向覆盖了积聚23的整个长度。由于该成像是从与投影的视角不同的视角进行的，如相对成角度的光学路径A和B所表示，因此以隆起(elevation)形式的形貌特征(诸如过量粉末的脊形积聚23)产生了所成像条纹图案的个体条带26的失真。该失真的量值和矢量取决于条纹图案已经被投影到其上的该积聚的面的斜率和高度，并且这些进而是该积聚的几何横截面形式的函数，该几何横截面形式结合该积聚的长度——即，层以及相关联的积聚沿Y轴的测量尺寸——表示该积聚的体积。图3A示出了该积聚的目标面上的所投影条纹图案的一小部分，其具有对相关联粉末材料层的顶部表面的可选附加覆盖。沿着积聚23的整个长度延伸的条纹图案条带以夸大的宽度和间隔而示出。在现实中，条带是很窄的并且具有这种小的间隔，使得它们在积聚23的长度上密集地堆积(pack)，以便使得当它们被成像和分析时能够构造该积聚的横截面表面图，即，该积聚在积聚区的每个X和Y位置处的高度。图3B和3C以非常夸大的比例示出了所成像的条纹图案条带26的不同失真，该失真作为积聚23的目标面的不同斜率以及因此该积聚的不同体积的结果。在处理单元27中使用适当的算法对所成像的失真进行处理和分析，处理单元27与成像相机27连接以接收表示所成像的失真的数字数据，并且处理输入数据以产生用于影响制造过程的输出。表示接续积聚23的接续体积测量的输出可以在被动(passive)意义上采用，诸如在监测添加层制造过程中采用，以针对漂移的校正、粉末材料特性或其他可变因素中的改变的调整提供基础，或者可以在动态意义上采用，诸如在对供应到构建区的粉末材料的参数的周期性或有规律的调整中采用，例如在计算粉末材料的追加量以增加形成要由散布器17散布的积聚的材料量时，在通过散布器的往复移动、散布器的移动速度和其他因素来调整要针对层的形成而供应的粉末材料量时。图1仅作为示例示出了处理单元28的输出与散布器控制单元18和分配器控制单元20的连接，以展示直接动态影响添加层制造过程的关键方面的可能性。

考虑到附图的二维性质，在图1中以纯任意的位置示出了投影仪25和相机27的位置，以使光学投影路径A和光学成像路径B的不同取向是清楚的。投影仪和相机可以被定位成例如在与附图平面成直角的投影中与电子枪14重叠。该定位在每种情况下都是已知的因素，并且针对对所获得的图像的任何影响的补偿可以在处理单元28的处理过程中进行。

如已经提到的，在结构光投影中体现的条纹图案可以附加地被投影到整个层上并从整个层来成像，在这种情况下，形貌特征(诸如隆起和凹陷)本身显现为该图案的个体条带的扰动或失真。隆起可以由层中的起伏(undulation)的波峰、粉末材料颗粒的聚集、由来自下面的层的突起和其他这种缺陷引起的位移所形成，并且凹陷可以由这种起伏的波谷、空隙、缺失粉末的区域、由于颗粒拖曳或散布器造成的损坏以及其他问题所致的刻痕(score)所形成。这些种类的缺陷的识别可以通过如下方式来实现：由合适的分析技术来分析来自层的每个所成像条纹图案，以产生表征粉末材料层中的缺陷的数据，基于该数据，可以确定适当的校正性动作。该种类的动作尤其可以涉及粉末供应、散布和射束操作的参数。如果通过结构光投影和成像的方式来实行缺陷确定，则可以使用单个光学投影和成像系统，特别是使用针对过量粉末材料的积聚的体积测量而采用的相同投影仪25和相机27。

Claims (13)

1.一种监测和影响添加层制造过程的方法，在所述过程中，粉末材料在接续地施加的层中的选择性熔合被实行，以制造三维物品，所述方法包括以下步骤：

向工作空间递送超过在所述空间的构建区中形成给定体积的层所需的粉末材料的量的粉末材料，

在所述工作空间内散布粉末材料以在构建区中形成所述层，并且附加地在邻接构建区的积聚区中形成过量粉末材料的积聚，

重复所述散布步骤以形成接续的这种层和积聚，

通过如下方式来确定每个积聚的至少近似体积：对已经投影到相应积聚上的结构光图案进行成像，所述成像是从与所述投影的方向不同的方向进行的，使得由所述积聚引起的投影图案的失真在所成像的图案中产生，并且评估所成像的图案以从图案失真中导出要对所述失真负责的所述积聚的至少近似体积，以及

取决于所述积聚的所确定的体积来影响添加层制造过程。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述影响步骤是关于在添加层制造过程中使用或用于在添加层制造过程中使用的粉末材料来实行的。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述影响步骤包括影响粉末材料向所述工作空间的递送和粉末材料在所述工作空间中的散布中的至少一个。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述影响步骤包括调整构建区中的粉末层形成的参数。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述参数是用于形成所述层的粉末材料分布的速率。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括如下步骤：将每个积聚的所确定的至少近似体积与所述层的给定体积进行比较，以获得每一层的粉末材料消耗的测量，其中添加层制造过程作为粉末材料消耗的所获得的测量的函数而被影响。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述制造过程包括向所述工作空间递送用于在接续层的形成中使用的另外的粉末材料，并且所述影响步骤包括作为粉末材料消耗的所获得的测量的函数来调节所述递送。

8.根据权利要求7所述的方法，其中另外的粉末材料的递送是关于所述递送的定时被调节的。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其中另外的粉末材料的递送是关于所述递送中的另外的粉末材料的量被调节的。

10.根据权利要求9所述的方法，包括：从粉末材料消耗的测量来确定形成另外的这种层所需要的粉末材料的补充量。

11.根据权利要求10所述的方法，其中粉末材料的所确定的补充量也是形成另外的这种积聚所需要的补充量。

12.一种监测添加层制造过程的方法，包括执行根据前述权利要求中任一项所述的方法的步骤，其中将所述结构光图案同时投影到粉末材料的所形成层的表面和该层形成之后所留下的过量粉末材料的邻接积聚这两者上，产生所述层表面和所述积聚这两者上的所述图案的图像，并且评估所述图像中的图案失真以不仅确定过量粉末积聚的体积，而且还标识所述层表面中的缺陷。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述图案由公共投影系统投影到所述层表面和所述积聚上，并且所述层表面和所述积聚上的投影图案由公共成像系统来成像。