ES2948448T3 - Localización de datos de sensor recopilados durante la fabricación aditiva - Google Patents

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Abstract

Esta invención se refiere a un método para monitorear un proceso de fabricación aditiva, en el que un objeto (103) se construye capa por capa dirigiendo un rayo láser (118a, 118b) usando al menos un elemento guía móvil (150a, 150b).) de un escáner (157a, 157b) para solidificar regiones seleccionadas de un lecho de material. El método comprende registrar valores de posición (θn, Φn) generados a partir de un transductor (153, 154), medir posiciones de al menos un elemento guía móvil (150a, 150b), registrar valores de sensor (Sn) generados a partir de un sensor (161a, 161b).) para detectar la radiación emitida desde el lecho de material y transmitida al sensor (161a, 161b) por el elemento guía móvil (150a, 150b) del escáner (157a, 157b), y asociar cada valor del sensor (Sn) con uno correspondiente de los valores de posición (θn,Φn). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Localización de datos de sensor recopilados durante la fabricación aditiva
Campo de la Invención
Esta invención se refiere a un aparato y un método para localizar datos de sensor recopilados a través de un tren óptico de un escáner óptico de un aparato de fabricación aditiva, como un aparato de fusión en lecho de polvo, en una ubicación en el aparato de fabricación aditiva y/o en un objeto fabricado utilizando el aparato de fabricación aditiva.
Antecedentes
Los métodos de fabricación aditiva o creación rápida de prototipos para producir piezas comprenden la solidificación capa por capa de un material que adquiere capacidad de flujo. Existen varios métodos de fabricación aditiva, incluidos los sistemas en lecho de material, como la fusión selectiva por láser (SLM), la sinterización selectiva por láser (SLS) y los sistemas de estereolitografía.
En la fusión selectiva por láser, se deposita una capa de polvo sobre un lecho de polvo en una cámara de construcción y se explora con un haz láser a través de las partes de la capa de polvo que corresponden a una sección transversal (rebanada) del objeto que se está construyendo. El haz láser funde o sinteriza el polvo para formar una capa solidificada. Después de la solidificación selectiva de una capa, el lecho de polvo se reduce en un espesor de la capa recién solidificada y se extiende una capa adicional de polvo sobre la superficie y se solidifica, según se requiera. En una sola construcción, se puede construir más de un objeto, separadas las piezas en el lecho de polvo.
El haz láser generalmente efectúa una exploración sobre el lecho de polvo utilizando un escáner óptico que comprende un par de espejos inclinables, cada uno de los cuales se hace girar bajo el control de un galvanómetro. Los transductores están dispuestos para medir una posición de los espejos/galvanómetros para el control de las posiciones de los espejos. De esta manera, se puede lograr una posición según demanda.
El documento WO 2007/147221 A1 divulga un aparato de fusión selectiva por láser que comprende un escáner para explorar con el haz láser a través de la superficie de polvo y un detector con resolución espacial (p. ej., una cámara CCD o CMOS) o un detector integrado (p. ej., un fotodiodo con un área activa grande) para capturar la radiación emitida por una zona de fusión y transmitida a través de un sistema óptico del escáner.
El documento US 2013/0168902 A1 divulga un método para producir un componente tridimensional por medio de un proceso de fusión por láser, en el que los valores de sensor capturados utilizando el dispositivo divulgado en el documento WO 2007/147221 A1 se almacenan junto con valores de coordenadas que ubican los valores de sensor en el componente y se muestran por medio de una unidad de visualización en una representación bidimensional y/o multidimensional con respecto a la ubicación de detección del valor de sensor en el componente.
Los valores de sensor se pueden localizar para coordinar los valores utilizando los valores de las coordenadas de construcción (los llamados "datos de demanda" - información subyacente al proceso de construcción). Sin embargo, esto puede dar lugar a imprecisiones en la localización de los datos de sensor, ya que puede haber diferencias entre la posición según demanda de los espejos inclinables del escáner en el momento de la captura de un valor de sensor y una posición real de los espejos inclinables debido a retrasos en la transmisión de la señal de demanda, inercia de los espejos inclinables, ruido en el sistema que interfiere con las señales de demanda, etc.
Alternativamente, los valores de sensor pueden localizarse para coordinar los valores utilizando la captura de área del lecho de polvo. Sin embargo, una cámara con suficiente resolución y velocidad de cuadro para lograr la precisión posicional requerida de una zona de fusión es extremadamente costosa o, para lechos grandes, irrealizable con la tecnología actual.
El documento US 2016/0184893 A1 da a conocer un sistema de aseguramiento de la calidad para la fabricación aditiva. Se proporciona un sensor óptico para recolectar la radiación óptica emitida por un baño de fusión que viaja de regreso a través de un cabezal de exploración y pasa a través de un espejo parcialmente reflectante. El sensor óptico genera imágenes de una ubicación en la que incide la energía del láser, proporcionando así mediciones en un sistema de referencia en movimiento. Una función de transferencia relaciona la energía radiada desde el baño de soldadura en cualquier punto (x,y) y en cualquier momento t con la señal eléctrica medida por el sensor. Estas posiciones x e y se pueden encontrar a partir de las señales de control que controlan la desviación del haz dentro del cabezal de exploración.
El documento US 2016/0082668 A1 divulga un método para calibrar automáticamente un dispositivo para producir generativamente un objeto tridimensional. El aparato comprende una cámara calibrada, que puede detectar la zona de construcción.
El documento DE 102015000103 A1 divulga un método para la producción de objetos tridimensionales por solidificación sucesiva de capas de un material de construcción pulverulento. Se proporciona un dispositivo de supervisión óptica con el que, durante el proceso de construcción, se generan valores de sensor relacionados con las áreas de fusión y almacenados junto con su posición real con respecto a un punto de referencia definido.
El documento DE 102012221218 A1 divulga un aparato de fusión selectiva por láser que comprende un dispositivo para determinar y transmitir una posición de un punto focal de láser. El dispositivo dispuesto para recibir señales de control para el dispositivo para desviar el haz láser desde un sistema de control.
El documento DE 102015113700 A1 A1 divulga un aparato de fabricación aditiva que comprende un aparato captador para la detección selectiva de secciones de fusión o sinterización creadas y la generación de valores de sensor a partir de las mismas para caracterizar las secciones de fusión o sinterización, y el almacenamiento de dichos valores de sensor junto con valores de coordenadas que localizan los valores de sensor en el componente.
Sumario de la Invención
De acuerdo con un primer aspecto de la invención, se proporciona un método para supervisar un proceso de fabricación aditiva de acuerdo con la reivindicación 1.
De esta manera, los valores de sensor se pueden localizar en el objeto y/o en el lecho de material basándose en las posiciones medidas del elemento de guía móvil. Esto puede evitar imprecisiones en la localización del sensor, que pueden surgir cuando se usa la posición según demanda o una captura de área del lecho de material para localizar los valores de sensor. Además, se proporcionan típicamente transductores para medir una posición del elemento de guía móvil del escáner para controlar el posicionamiento del elemento de guía móvil, obviando la necesidad de dispositivos adicionales, como cámaras de alta resolución y velocidad de cuadro rápida, para determinar una ubicación de captura para el valor de sensor. Medir la temperatura del lecho de material, un baño de fusión, el tamaño, la forma u otras dimensiones del baño de fusión, la temperatura del baño de fusión, etc., puede no ser suficiente para validar un proceso de fabricación aditiva. Además, para validar un objeto construido de forma aditiva, puede ser importante saber con precisión si se ha formado una región fundida/región solidificada en una ubicación deseada. La invención permite determinar dichas posiciones a partir de los valores de posición generados a partir de las posiciones de medición del transductor del al menos un elemento de guía móvil.
El al menos un elemento de guía móvil puede comprender un primer elemento de guía móvil para dirigir el haz láser en una primera dimensión y un segundo elemento de guía móvil para dirigir el haz láser en una segunda dimensión sustancialmente perpendicular a la primera dimensión, comprendiendo el método registrar unos primeros valores de posición generados a partir de un primer transductor que mide posiciones del primer elemento de guía móvil y registrar unos segundos valores de posición generados a partir de un segundo transductor que mide posiciones del segundo elemento de guía móvil y asociar cada valor de sensor con uno correspondiente de los valores de posición primeros y segundos.
El proceso de fabricación aditiva puede comprender dirigir un haz láser utilizando un elemento de guía móvil adicional para dirigir el haz láser en una misma dimensión que el al menos un elemento de guía móvil, comprendiendo el método registrar valores de posición adicionales generados a partir de un transductor adicional que mide posiciones del elemento de guía móvil adicional y asociar cada valor de sensor con uno correspondiente de los valores de posición adicionales. Por ejemplo, el elemento de guía móvil adicional puede servir para dirigir el haz láser en la primera o segunda dimensión. El elemento de guía móvil adicional puede proporcionar una respuesta dinámica más rápida pero un rango de movimiento del haz láser más pequeño que el al menos un elemento de guía móvil. Por ejemplo, el escáner puede ser un escáner como se describe en el documento WO 2016/156824.
El al menos un elemento de guía móvil puede ser uno o más espejos inclinables. El o cada espejo inclinable puede moverse bajo el control de un actuador, tal como un galvanómetro. El transductor puede medir una posición angular del o de cada espejo inclinable.
Como alternativa o adicionalmente, el elemento de guía móvil puede ser un elemento óptico, como al menos un espejo, montado para ser móvil en un sistema de pórtico para permitir que el elemento óptico dirija el haz láser a diferentes regiones del lecho de material. El transductor puede medir una posición del elemento óptico en el pórtico.
El elemento de guía adicional puede ser uno o más espejos inclinables adicionales. Cada espejo inclinable adicional puede ser móvil bajo el control de un actuador, tal como un actuador piezoeléctrico. El transductor adicional puede medir una posición angular del espejo inclinable adicional.
Asociar cada valor de sensor con uno correspondiente de los valores de posición puede comprender asociar el valor de sensor y el correspondiente de los valores de posición con un identificador común. El identificador común puede ser un tiempo, tal como un tiempo asociado con una señal de demanda que ordena al escáner que mueva el haz láser a una posición en el lecho de material y/o un tiempo derivado de una señal de reloj.
Asociar cada valor de sensor con uno correspondiente de los valores de posición puede comprender empaquetar el valor de sensor y el correspondiente de la posición en un solo paquete de datos.
El método puede comprender localizar los valores de sensor en el objeto y/o en el aparato de fabricación aditiva basándose en las posiciones medidas del elemento de guía móvil. Localizar los valores de sensor en el objeto puede comprender localizar los valores de sensor en un sistema de referencia de coordenadas del objeto. Localizar los valores de sensor en el aparato de fabricación aditiva puede comprender localizar los valores de sensor en un sistema de referencia de coordenadas del lecho de material. (El lecho de material normalmente se mueve con el movimiento de una plataforma de construcción en el aparato de fabricación aditiva. En consecuencia, un sistema de referencia de coordenadas del lecho de material puede no estar fijo en relación con otros elementos del aparato, como el escáner.) Localizar los valores de sensor en el aparato de fabricación aditiva puede comprender localizar los valores de sensor en un sistema de referencia de coordenadas del escáner, como un sistema de referencia de coordenadas polares de los espejos inclinables o un sistema de referencia de coordenadas cartesianas del pórtico. En el caso de un escáner que comprenda una combinación de espejos inclinables móviles en un sistema de pórtico, el método puede comprender localizar los valores de sensor en un sistema de referencia de coordenadas fijo en relación con un eje o ejes de rotación del espejo o espejos inclinables.
El método puede comprender mostrar los valores de sensor en una representación multidimensional con respecto a una posición localizada del valor de sensor en el objeto y/o en el lecho de material. La representación multidimensional puede comprender una representación bidimensional, tridimensional y/o cuadridimensional de los datos de sensor en el objeto y/o en el lecho de material.
El método puede comprender proteger las señales del transductor del ruido externo y/o las señales de demanda del escáner. El transductor puede generar señales analógicas y el método puede comprender proteger las señales analógicas del ruido externo y/o las señales de demanda hasta que las señales analógicas se conviertan en señales digitales.
El transductor puede generar señales analógicas y el método puede comprender filtrar el ruido de las señales analógicas antes de que las señales analógicas se conviertan en señales digitales.
Según un segundo aspecto de la invención, se proporciona un escáner para un aparato de fabricación aditiva según la reivindicación 8.
De esta manera, la posición real del elemento de guía móvil puede leerse desde el escáner y usarse, por ejemplo, para localizar los valores de sensor en el objeto y/o en el lecho de material.
El al menos un elemento de guía móvil puede comprender un primer elemento de guía móvil para dirigir el haz láser en una primera dimensión y un segundo elemento de guía móvil para dirigir el haz láser en una segunda dimensión sustancialmente perpendicular a la primera dimensión y la interfaz sirve para emitir unas primeras señales de posición generadas desde el primer transductor y unas segundas señales de posición generadas desde un segundo transductor.
El escáner puede comprender dirigir un haz láser usando un elemento de guía móvil adicional para dirigir el haz láser en una misma dimensión que el al menos un elemento de guía móvil y la interfaz sirve para emitir señales de posición adicionales generadas por el transductor adicional. El elemento de guía móvil adicional puede servir para dirigir el haz láser en la primera o segunda dimensión. El elemento de guía móvil adicional puede proporcionar una respuesta dinámica más rápida pero un rango de movimiento del haz láser más pequeño que el al menos un elemento de guía móvil. Por ejemplo, el escáner puede ser un escáner como se describe en el documento WO 2016/156824, que se incorpora a la presente como referencia.
El al menos un elemento de guía móvil puede ser uno o más espejos inclinables. El o cada espejo inclinable puede moverse bajo el control de un actuador, tal como un galvanómetro. El transductor puede medir una posición angular del o de cada espejo inclinable. El transductor puede ser de acuerdo con el detector de posición descrito en el documento US 5844673. Alternativamente, el transductor puede medir posiciones del espejo inclinable directamente en lugar de a través de las posiciones del eje. Por ejemplo, el transductor puede comprender un láser que dirige un haz láser sobre la parte delantera o trasera del espejo y un detector para medir el haz láser reflejado. La intensidad del haz láser en el espejo puede cambiar con la posición del espejo. Medir la posición del espejo de esta manera puede eliminar los modos ocultos asociados con la torsión del eje.
Como alternativa o adicionalmente, el elemento de guía móvil puede ser un elemento óptico, como al menos un espejo, montado para ser móvil en un sistema de pórtico para permitir que el elemento óptico dirija el haz láser a diferentes regiones del lecho de material. El transductor puede medir una posición del elemento óptico en el pórtico.
El elemento de guía adicional puede ser uno o más espejos inclinables adicionales. Cada espejo inclinable adicional puede moverse bajo el control de un actuador, tal como un actuador piezoeléctrico. El transductor adicional puede medir una posición angular del espejo inclinable adicional. Los transductores pueden ser como se ha descrito anteriormente con respecto a uno o más espejos inclinables.
Un camino óptico que incluye el al menos un elemento de guía móvil puede alojarse dentro de una carcasa hermética a la luz.
La interfaz puede proporcionar a la salida de las señales de posición protección de fuentes externas de interferencia electromagnética y/o interferencia electromagnética generada por señales de demanda.
La interfaz puede además proporcionar una entrada para las señales de demanda para controlar una posición del elemento de guía móvil. La interfaz puede comprender líneas de salida para las señales de posición y líneas de entrada para las señales de demanda y protección para proteger cada una de las líneas de entrada y salida de la interferencia electromagnética generada por los otros circuitos de entrada y salida. Las líneas de entrada y salida pueden preverse como diferentes capas de una placa de circuito impreso, en la que las líneas de entrada y salida están separadas por un plano de tierra para proteger cada una de las líneas de entrada y salida de la interferencia electromagnética generada por las señales en la otra de las líneas de entrada y salida.
El escáner puede comprender además circuitos de procesamiento para procesar las señales de posición. El transductor puede generar señales de posición analógicas y los circuitos de procesamiento comprenden un convertidor de analógico a digital para convertir las señales de posición analógicas en señales de posición digitales. Las señales de posición digitales son más resistentes a las interferencias que las señales analógicas. Los circuitos de procesamiento pueden comprender además un filtro para filtrar el ruido de las señales de posición. Los circuitos de procesamiento pueden estar alojados dentro de una carcasa que proteja los circuitos de procesamiento de la interferencia electromagnética externa.
Debido a la precisión requerida en los valores de posición para localizar los valores de sensor y el ruido electromagnético significativo generado por un aparato de fabricación aditiva, la protección de las señales de posición contra interferencias puede ser importante para entregar las señales de posición con la precisión requerida.
De acuerdo con un tercer aspecto de la invención, se proporciona un aparato de fabricación aditiva en el que se construye un objeto capa por capa que comprende un escáner de acuerdo con el segundo aspecto de la invención. El aparato de fabricación aditiva puede disponerse para llevar a cabo el método del primer aspecto de la invención.
Descripción de los dibujos
La Figura 1 es una ilustración esquemática de un aparato de fabricación aditiva según una realización de la invención;
la Figura 2 es una ilustración esquemática del aparato de fabricación aditiva que se muestra en la Figura 1 desde otro lado; y
la Figura 3 es una ilustración esquemática de los componentes electrónicos de un escáner según una realización de la invención;
la Figura 4 es una ilustración esquemática de una arquitectura de sistema del aparato de fabricación aditiva; la Figura 5 es una ilustración esquemática de un archivo de construcción según una realización de la invención; la Figura 6 es una ilustración esquemática de una generación de subcomandos por parte de un controlador del aparato de fabricación aditiva;
la Figura 7 es una ilustración esquemática de la notificación de paquetes de datos de sensor al controlador; y la Figura 8 es una ilustración esquemática de paquetes de datos de salida según la invención.
Descripción de realizaciones
Haciendo referencia a las Figuras 1 a 3, un aparato de fabricación aditiva según una realización de la invención comprende una cámara de construcción 101 que tiene en su interior divisiones 115, 117 que definen un manguito/cilindro de construcción 116 y una superficie sobre la que se puede depositar el polvo. Está prevista una plataforma de construcción 102 para soportar una pieza de trabajo 103 construida con polvo de fusión selectiva por láser 104. La plataforma 102 se puede bajar dentro del manguito de construcción 116 bajo el control del motor 119 a medida que se forman capas sucesivas de la pieza de trabajo 103. Un volumen de construcción disponible se define por la extensión en que se puede bajar la plataforma de construcción 102 en el manguito de construcción 116.
Las capas de polvo se forman a medida que se construye la pieza de trabajo 103 bajando la plataforma 102 y extendiendo el polvo distribuido desde el aparato distribuidor 108 usando la escobilla 109. Por ejemplo, el aparato distribuidor 109 puede ser un aparato como se describe en el documento WO 2010/007396. Esto da como resultado un lecho de polvo 104.
Una pluralidad de módulos láser, en esta realización dos módulos láser 105a, 105b, generan láseres 118a, 118b para fundir el polvo 104, dirigidos los láseres 118a, 118b según lo requieran los escáneres correspondientes, en esta realización, módulos ópticos 106a, 106b. Los haces láser 118a, 118b ingresan a la cámara 101 a través de una ventana 107.
En esta realización, los módulos láser 105a, 105b comprenden láseres de fibra, como láseres de fibra Nd YAG. El haz láser ingresa al módulo óptico desde arriba y se refleja hacia los espejos de guía móviles.
Cada módulo óptico 106a, 106b comprende un par de elementos de guía móviles, en forma de espejos inclinables 150 (de los cuales solo se muestra uno por cada módulo óptico 106a, 106b). Uno de los espejos 150a, 150b es inclinable para dirigir el haz láser en una dirección X y el otro espejo inclinable 150a, 150b es inclinable para dirigir el haz láser en dirección una Y perpendicular a la dirección X. El movimiento de cada espejo inclinable 150a, 150b es impulsado por un galvanómetro 151, 152. La posición de cada galvanómetro se mide mediante un transductor 153, 154. En esta realización, el transductor es de acuerdo con el transductor descrito en el documento US 5844673. Cada módulo óptico 106a, 106b comprende además sistemas ópticos de enfoque móviles 155a, 155b para ajustar la distancia focal del haz láser correspondiente.
Un divisor de haz 156a, 156b dirige la luz de la longitud de onda del láser desde una entrada a los espejos inclinables 150a, 150b y transmite luz de otras longitudes de onda que se emite desde el lecho de polvo 104 a un módulo de supervisión durante la fabricación 160a, 160b. El módulo de supervisión durante la fabricación 160a, 160b comprende al menos un detector 161a, 161b para detectar una intensidad integrada y/o una intensidad espacial de la luz transmitida.
Los elementos ópticos de los escáneres están alojados en una carcasa hermética a la luz 157a, 157b.
Con referencia a las Figuras 3 y 3b, unas señales de demanda de alto voltaje Dx, üy para mandar cada galvanómetro 151,152 se envían a los galvanómetros 151,152 desde un controlador de módulo óptico 180. Las señales de posición analógicas de bajo voltaje Px, Py desde los transductores 153, 154 y las señales de sensor Sn desde el detector 161 se envían al controlador de módulo óptico 180.
El controlador de módulo óptico 180 comprende unos circuitos para generar las señales de demanda Dx, Dy basándose en las señales de control SC recibidas desde un controlador maestro 140 (descrito con más detalle a continuación) y circuitos de procesamiento de sensor para procesar las señales de sensor Sn desde el módulo de supervisión durante la fabricación 160 y las señales de posición Px, Py desde los transductores 153, 154. Los circuitos de procesamiento incluyen un filtro 182 para filtrar las señales de posición analógicas Px, Py y un convertidor de analógico a digital 183 para convertir las señales de posición analógicas en señales digitales θn,φn. Los circuitos están alojados dentro de un recinto protegido contra el polvo 181.
Las señales de demanda Dx, Dy se transmiten a los galvanómetros en la carcasa hermética a la luz 157 y las señales de posición Px, Py se transmiten desde la carcasa hermética a la luz a través de una interfaz 170. La interfaz 170 proporciona protección para evitar una interferencia significativa entre las señales de posición Px, Py y las señales de demanda Dx, Dy,, lo que podría conducir a mediciones de posición inexactas y/o posicionamiento incorrecto de los espejos 150. En esta realización, la interfaz comprende una PCB que tiene una primera capa 171 que tiene pistas de señal de demanda para transmitir las señales de demanda y una segunda capa 172 que tiene pistas de señal de posición para transmitir las señales de posición. Las dos capas 171, 172 están separadas por una capa adicional que tiene un plano de tierra 173 entre las pistas de señal de demanda y las pistas de señal de posición para proteger cada señal de la interferencia de la otra señal. La PCB se extiende hacia el interior de la carcasa hermética a la luz 157 y hacia el interior del recinto protegido contra el polvo 181 para conectar electrónicamente los galvanómetros a los circuitos del controlador 180.
El controlador 180 empaqueta los valores de posición digitales θn,φn derivados de las señales de posición generadas por los transductores 153, 154 y la señal de sensor Sn generada por el detector 161 en un paquete de datos para ser enviado al controlador maestro 140. Como se describe con más detalle a continuación, el paquete de datos incluye un identificador T que es el mismo que un identificador incluido en el comando que está ejecutando actualmente el controlador 180. Cada paquete incluye un único conjunto de valores de posición digitales θn,φn pero puede incluir múltiples valores de sensor Sn.
El aparato comprende además una boquilla de gas 120 y un escape de gas 121 para generar un flujo de gas a través de la superficie de construcción (superficie del lecho de polvo). El flujo de gas es generado por una bomba 111 de un circuito de recirculación de gas 122. Un conjunto de filtro 124 filtra las partículas que quedan atrapadas en el flujo de gas desde el gas recirculado.
El aparato comprende además un sensor 190 para generar señales indicativas del entorno de construcción. Por ejemplo, el sensor puede ser un sensor como se describe en el documento WO 2015/040433 y/o el documento WO 2016/0198885, una cámara térmica, una cámara de luz visible u otro sensor adecuado para su uso en la fabricación aditiva.
Un controlador maestro 140 está en comunicación con módulos del aparato de fabricación aditiva, a saber, los módulos láser 105a, 105b, módulos ópticos 106a, 106b, plataforma de construcción 102, aparato distribuidor 108, escobilla 109, bomba 111 y sensor(es) 150. En esta realización, la red de módulos y el controlador 140 se muestran como una red en estrella, pero podrían usarse otras configuraciones, como una red en anillo. El controlador 140 controla los módulos basándose en comandos en un archivo de construcción.
Como se muestra en la Figura 5, el archivo de construcción comprende una pluralidad de comandos Ci a Cn para ser ejecutados por el controlador 140 del aparato de fabricación aditiva. En la Figura 5, cada comando C1 a Cn comprende un estado requerido OA, LA, OB, LB, W, H, S, P para el módulo óptico 106a, láser 105a, módulo óptico 106b, láser 105b, escobilla 109, aparato distribuidor 108, plataforma de construcción 102 y bomba 11, respectivamente. La ejecución de los comandos Ci a Cn por el controlador 140 hace que el controlador 140 genere señales que hacen que los módulos asuman los estados requeridos como se define en cada comando. Por ejemplo, las señales pueden hacer que los módulos ópticos 106a, 106b, la escobilla 108 y/o la plataforma de construcción 102 se muevan a una posición requerida, que el aparato distribuidor dosifique polvo, que los láseres 105a, 105b se enciendan o apaguen o que modifiquen la potencia del láser y/o para que la bomba 111 se encienda o apague o cambie de velocidad.
Cada comando está asociado con un identificador T que identifica un momento en el que debe ejecutarse el comando C. En esta realización, los tiempos son tiempos desde el inicio de la construcción (un tiempo en el que se ejecuta el primer comando). El controlador 140 comprende un reloj 141 y usa señales de reloj desde el reloj 141 para determinar el tiempo transcurrido desde el inicio de la construcción. El controlador 140 ejecuta cada comando Ci a Cn de acuerdo con el tiempo identificado por el identificador asociado T1 a Tn.
La resolución temporal y la ubicación en la que se lleva a cabo el control determinista dependerán de la disposición del aparato de fabricación aditiva y de los requisitos para el control determinista. Los módulos 105a, 105b, 106a, 106b, 102, 108, 111 pueden tener sus propios procesadores locales (no mostrados) para interpretar las señales del controlador 140 y controlar el módulo 105a, 105b, 106a, 106b, 102, 108, 111 según proceda. La señal enviada a un módulo por el controlador 140 puede comprender una instrucción general que debe ser implementada por varios dispositivos en el módulo 105a, 105b, 106a, 106b, 102, 108, 111 y/o en varios pasos. Por ejemplo, el controlador 140 envía una instrucción a un módulo óptico 106a, 106b para exponer una línea definida (vector) al haz láser utilizando una serie de exposiciones puntuales separadas por una distancia entre puntos definida, realizándose cada exposición durante un tiempo de exposición establecido. El procesador local del módulo óptico puede ejecutar esta instrucción provocando los movimientos apropiados de los galvanómetros que controlan los espejos orientables para dirigir el haz láser 118. Esto puede incluir la generación de una serie de señales espaciadas en el tiempo para provocar el movimiento de los galvanómetros por parte del procesador local del módulo óptico 105 para lograr el espacio entre puntos y los tiempos de exposición deseados. Sin embargo, a diferencia de los comandos ejecutados por el controlador 140, ni las señales recibidas por el módulo óptico 105 desde el controlador 140 ni las recibidas por los galvanómetros desde el procesador local están asociadas a un identificador que identifica un momento en el que los comandos deben ser ejecutados por el dispositivo (módulo óptico o galvanómetro). Las instrucciones se ejecutan al recibirlas el dispositivo.
En una realización alternativa, la ejecución determinista de comandos se lleva a cabo en los módulos en lugar de mediante el controlador central 140. Cada uno o al menos algunos de los módulos pueden comprender procesadores locales y relojes locales. Al comienzo de una construcción, el controlador central 140 puede sincronizar los relojes locales con el reloj maestro 141 del controlador 140. El controlador 140 luego envía comandos a los módulos, asociado cada comando con un identificador que identifica un tiempo local (según lo determinado utilizando el reloj local) en el que el módulo debe ejecutar el comando. Luego, los comandos pueden ponerse en cola en los módulos y ejecutarse en el momento identificado.
El controlador 140 también recibe datos de sensor del (de los) sensor(es) y asocia los datos de sensor recibidos en un momento particular, según lo determinado por el reloj 141, con una marca de tiempo. A continuación, los datos de sensor pueden correlacionarse con los comandos asociados con un identificador durante un tiempo correspondiente, de modo que puedan determinarse las acciones que lleva a cabo el aparato de fabricación aditiva en el momento en que se generan los datos de sensor.
El archivo de construcción se genera en una computadora remota 130 y se envía al controlador 140 a través de un enlace de comunicación adecuado.
El software para diseñar la construcción determina las rutas de exploración que seguirán los haces láser 118a, 118b cuando se consolida el material de la manera que se describe en el documento WO 2014/207454. Una vez que se han determinado las rutas de exploración, se determina la asignación del haz láser 118a, 118b a la exploración de las rutas de exploración, por ejemplo, usando el método descrito en el documento WO 2014/199134. En las figuras, la exploración de las capas se lleva a cabo sincrónicamente con la distribución del polvo con la escobilla 108a y el descenso de la plataforma de construcción 102, como se describe en el documento WO 2015/140547. En consecuencia, el tiempo en el que los haces láser 118a, 118b realizan las exploraciones dependerá de la posición de la escobilla 108 así como de la velocidad establecida para las exploraciones. A partir de la asignación de los haces láser 118a, 118b a las rutas de exploración y la velocidad de exploración establecida (parámetros de exploración iniciales), se pueden determinar los parámetros de exploración apropiados, como la distancia entre puntos y el tiempo de exposición, la potencia del láser y el tamaño del punto. Los parámetros de exploración apropiados se pueden determinar utilizando un modelo térmico/energético que determina la cantidad de energía que se debe ingresar en una región para lograr la consolidación deseada (fusión) teniendo en cuenta la entrada de energía en las regiones adyacentes y la cantidad de enfriamiento que se produce entre las consolidaciones de las regiones adyacentes.
Luego, los comandos se generan de acuerdo con los parámetros de exploración y las rutas de exploración, determinando el software un momento durante la construcción en el que el aparato de fabricación aditiva ejecutará cada comando para lograr la exploración deseada, y el tiempo determinado se identifica en el identificador asociado con el comando, como se muestra en la Figura 4.
Las instrucciones determinadas por la computadora 130 pueden luego cargarse en el controlador 140 cuando el usuario quiere llevar a cabo la construcción.
Haciendo referencia a las Figuras 6 a 8, en una realización, al ejecutar los comandos en el momento especificado, el controlador 140 genera subcomandos SC para los subsistemas 106, 106, 108, 109, 102. Los subcomandos SC incluyen el o los comandos que deberá ejecutar el subsistema y el identificador T del comando C que hizo que se generaran los subcomandos. Para los subsistemas, los subcomandos SC incluyen comandos para tomar una lectura de sensor para uno o más sensores presentes en el subsistema. Por ejemplo, el láser 105 o el módulo óptico 106 comprende un sensor para medir la potencia del haz láser y el módulo óptico (además) comprende transductores 152, 153 para medir la posición de los galvanómetros y sensores para capturar imágenes u otros datos sobre el baño de fusión formado para consolidar el material. El distribuidor de polvo 108 comprende sensores para medir una posición de un tornillo o placa móvil, que controla la distribución de polvo desde la tolva, y/o un sensor para medir la cantidad de polvo en la tolva. La escobilla 109 comprende un codificador de posición para medir la posición de la escobilla 109 y/o (una matriz de) sensores metrológicos para medir la altura z del material solidificado que sobresale del lecho de polvo. El eje z comprende un codificador de posición para medir una posición de la plataforma de construcción 102. El aparato puede comprender otros sensores, como sensores acústicos para registrar ondas de sonido/presión generadas por el proceso de construcción aditiva y/o un sensor de oxígeno para medir un contenido de oxígeno en la cámara de construcción 101.
Al recibir el subcomando, el subsistema ejecuta el subcomando inmediatamente, lo que, para los subcomandos que incluyen un comando para tomar una lectura del sensor, implica el registro de un valor de sensor Si a Sn. El subsistema forma un paquete de datos de sensor que incluye el valor de sensor Si a Sn y el identificador T1 a Tn contenido en el subcomando que provocó la captura del valor de sensor. El paquete de datos de sensor se envía al controlador maestro 140 como se muestra en la Figura 6.
Con referencia a la Figura 7, los valores de sensor S1 a Sn se empaquetan junto con otros valores de sensor de otros sensores z, 0, 9 y comandos C etiquetados con el mismo identificador T en un paquete de datos de salida 201 a 204. Una posición en un plano de trabajo, volumen de construcción y/o en el componente que se estaba consolidando en el momento en que se capturó el valor de sensor S puede determinarse a partir de los valores de sensor relevantes z, 0, 9 o la posición según demanda contenida en el comando C.
La posición se determina a partir de las salidas 0, 9 de los codificadores de posición que miden la posición de los espejos de dirección usados para dirigir el haz láser hacia el plano de trabajo y una posición medida z de la plataforma de construcción 102. Usando las posiciones medidas, la posición de consolidación en el momento de captura del valor de sensor se puede determinar teniendo en cuenta las diferencias entre la posición según demanda y la posición real.
Los paquetes de datos 201 a 204 se entregan a un aparato de visualización, como una computadora 130, y los datos de sensor S se muestran en una representación bidimensional o tridimensional con respecto a una ubicación de captura en el objeto. Los datos de sensor que se visualizan pueden ser datos de sensor relacionados con el baño de fusión formado durante la consolidación (por ejemplo, determinados a partir de la radiación recolectada por el módulo óptico 106 o al menos un sensor acústico) u otros datos de sensor que pueden afectar a la calidad del objeto, como el contenido de oxígeno en la cámara de construcción 101 en el momento en que se consolidó cada región del objeto. Esto es posible gracias al conocimiento de la temporización en que se producen los eventos durante la construcción.
En una realización, la determinación del identificador que se incluirá en un comando, C, tiene en cuenta los retrasos en el aparato, como los retrasos en la comunicación y la dinámica de los subsistemas. El aparato de fabricación aditiva puede someterse (periódicamente) a una rutina de calibración en la que se determinan los retrasos en el aparato. Por ejemplo, se determina una diferencia de tiempo entre el envío de un comando al láser 105 y el aumento de la potencia del láser hasta la potencia demandada según es detectada por un fotodiodo, entre el envío de un comando para mover los espejos de dirección o la óptica de enfoque y la medición del movimiento de los espejos de dirección y/o la óptica de enfoque a la posición demandada según lo determinado a partir de las salidas de los codificadores de posición y/o el envío de un comando para conducir la plataforma 102 a una posición y la medición del movimiento de la plataforma de construcción 102 a la posición demandada. A partir de estas diferencias de tiempo, se genera un mapa o función de calibración y se utiliza para determinar el momento en que el controlador maestro 140 debe enviar un subcomando a un subsistema (según lo determinado por el identificador en el comando) para que se complete la acción en el momento deseado (un desfase temporal entre el envío del comando y el momento deseado de ejecución de la acción). El software de preparación de construcción (u otro software que convierte las instrucciones de exploración en comandos) utiliza el mapa o función de calibración para generar los identificadores de los comandos.
Si los datos de demanda se usan para determinar posiciones para correlacionar con los valores de sensor, entonces el mapa o función de calibración se puede usar para determinar la posición del subsistema en el momento de la captura del valor de sensor. Por ejemplo, el mapa o función de calibración puede indicar que un comando C en un paquete de salida 201 a 204 que tiene un identificador anterior corresponde a una posición según demanda de un subsistema en el momento en que se captura un valor de sensor. Si la posición es una posición medida, entonces es poco probable que haya una diferencia de tiempo significativa entre los valores de sensor generados por diferentes sensores electrónicos.
Se entenderá que se pueden hacer modificaciones y alteraciones a las realizaciones descritas anteriormente sin apartarse de la invención tal como se define en las reivindicaciones. En lugar de que el tiempo de ejecución de los comandos se defina a partir de un tiempo de inicio de construcción común, los tiempos para diferentes comandos se pueden establecer en relación con diferentes tiempos de inicio (cero). Por ejemplo, los comandos de exploración para una capa en particular pueden establecerse en relación con un tiempo de inicio para la formación de esa capa. El método de control se puede usar con otros tipos de aparatos de fabricación aditiva, por ejemplo, otros aparatos de fabricación aditiva en lecho de resina o polvo, como la estereolitografía.

Claims (13)

REIVINDICACIONES
1. Un método de supervisión de un proceso de fabricación aditiva, en el que se construye un objeto (103) capa por capa dirigiendo un haz láser (118a, 118b) utilizando al menos un elemento de guía móvil (150a, 150b) de un escáner (106a, 106b) para solidificar regiones seleccionadas de un lecho de material (104), comprendiendo el método registrar valores de posición (Px, Py ; θn,φn ), registrar valores de sensor (Sn) generados a partir de un sensor (161a, 161b) para detectar la radiación emitida desde el lecho de material (104) y transmitida al sensor (161 a, 161 b) por el elemento de guía móvil (150a, 150b) del escáner (106a, 106b), y asociar cada valor de sensor (Sn) con uno correspondiente de los valores de posición (Px, Py ; θn,φn ), caracterizado por que los valores de posición (Px, Py ; θn,φn ) se generan a partir de un transductor (153, 154) que mide las posiciones del al menos un elemento de guía móvil (150a, 150b).
2. Un método según la reivindicación 1, en el que el al menos un elemento de guía móvil (150a, 150b) comprende un primer elemento de guía móvil para dirigir el haz láser (118a, 118b) en una primera dimensión y un segundo elemento de guía móvil para dirigir el haz láser (118a, 118b) en una segunda dimensión sustancialmente perpendicular a la primera dimensión, comprendiendo el método registrar unos primeros valores de posición (Px, θn) generados a partir de un primer transductor (153) que mide las posiciones del primer elemento de guía móvil y registrar unos segundos valores de posición (Py, φn) generados a partir de un segundo transductor (154) que mide las posiciones del segundo elemento de guía móvil y asociar cada valor de sensor (Sn) con uno correspondiente de los primeros y segundos valores de posición (Px, Py ; θn, φn ).
3. Un método según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que el al menos un elemento de guía móvil (150a, 150b) es uno o más espejos inclinables y el transductor (153, 154) mide una posición angular del o de cada espejo inclinable.
4. Un método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que asociar cada valor de sensor (Sn) con uno correspondiente de los valores de posición (Px, Py ; θn, φn) comprende asociar el valor de sensor (Sn) y uno correspondiente de los valores de posición (Px, Py ; θn, φn) con un identificador común, en el que el identificador común (Tn) puede ser un tiempo (Tn) y puede ser un tiempo (Tn) asociado a una señal de demanda (Cn) que ordena al escáner (106a, 106b) que mueva el haz láser (118a, 118b) a una posición en el lecho de material (104) y/o un tiempo derivado de una señal de reloj.
5. Un método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que asociar cada valor de sensor (Sn) con uno correspondiente de los valores de posición (θn,φn) comprende empaquetar el valor de sensor (Sn) y la correspondiente de las posiciones (θn,φn) en un solo paquete de datos (201,202, 203, 204).
6. Un método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende localizar los valores de sensor (Sn) en el objeto (103) y/o en el aparato de fabricación aditiva basándose en las posiciones medidas (Px, Py ; θn, φn ) del elemento de guía móvil (150a, 150b).
7. Un método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende proteger las señales del transductor (153, 154) de las señales de demanda (Dx, Dy) para el escáner (106a, 106b), en el que el transductor (153, 154) puede generar señales analógicas (Px, Py) y el método puede comprender la protección de las señales analógicas (Px, Py) del ruido externo y/o de las señales de demanda (Dx, Dy) hasta que las señales analógicas (Px, Py) se conviertan en señales digitales (θn,φn ).
8. Un escáner para un aparato de fabricación aditiva, en el que se construye un objeto capa por capa, comprendiendo el escáner (106a, 106b) al menos un elemento de guía móvil (150a, 150b) para dirigir un haz láser (118a, 118b) para solidificar regiones seleccionadas de un lecho de material (104), teniendo un camino óptico una salida para que la luz se dirija hacia un sensor (161 a, 161 b) para detectar la radiación emitida desde el lecho de material (104) y transmitida a la salida por el elemento de guía móvil (150a, 150b), caracterizado por que el escáner (106a, 106b) comprende además un transductor (153, 154) para medir posiciones del al menos un elemento de guía móvil (150a, 150b) y una interfaz (170) para entregar señales de posición (Px, Py) generadas por el transductor (153, 154) desde el escáner (106a, 106b).
9. Un escáner según la reivindicación 8, en el que el al menos un elemento de guía móvil (150a, 150b) comprende un primer elemento de guía móvil para dirigir el haz láser (118a, 118b) en una primera dimensión y un segundo elemento de guía móvil para dirigir el haz láser (118a, 118b) en una segunda dimensión sustancialmente perpendicular a la primera dimensión y la interfaz (170) sirve para entregar unas primeras señales de posición (Px) generadas a partir del primer transductor (153) y unas segundas señales de posición (Py) generada a partir de un segundo transductor (154).
10. Un escáner según la reivindicación 8 o la reivindicación 9, en el que el al menos un elemento de guía móvil (150a, 150b) es uno o más espejos inclinables y el transductor (153, 154) mide una posición angular del o de cada espejo inclinable.
11. Un escáner según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10, en el que la interfaz (170) proporciona protección a las señales de posición (Px, Py) de la interferencia electromagnética generada por las señales de demanda (Dx, Dy) para controlar una posición del elemento de guía móvil (150a, 150b), en el que la interfaz (170) puede comprender líneas de salida para las señales de posición (Px, Py) y líneas de entrada para las señales de demanda (Dx , Dy) y protección para proteger cada una de las líneas de entrada y salida de la interferencia electromagnética generada por los otros de los circuitos de entrada y salida y las líneas de entrada y salida pueden preverse como capas diferentes (171, 172) de una placa de circuito impreso, en el que las líneas de entrada y salida están separadas por un plano de tierra (173) para proteger cada una de las líneas de entrada y salida de la interferencia electromagnética generada por las señales en la otra de las líneas de entrada y salida.
12. Un escáner según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 11, que comprende circuitos de procesamiento (180) para procesar las señales de posición (Px, Py), en el que el transductor (153, 154) genera señales de posición analógicas (Px, Py) y los circuitos de procesamiento (180) comprenden un convertidor de analógico a digital (183) para convertir las señales de posición analógicas (Px, Py) en señales de posición digitales (θn, φn ), alojados los circuitos de procesamiento (180) dentro de una carcasa (181) que protege los circuitos de procesamiento de la interferencia electromagnética externa.
13. Un aparato de fabricación aditiva en el que se construye un objeto capa por capa que comprende un escáner (106a, 106b) según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 12 dispuesto para llevar a cabo el método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7.
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