用于校准激光加性制造过程的新颖方法技术

本发明专利技术涉及一种在激光加性制造过程中校准激光器头或扫描仪头的延时设置的方法。更具体地，本发明专利技术涉及在激光扫描过程的跑进和跑出期间校准延时设置。

A novel method for calibrating laser additive manufacturing processes

The invention relates to a method for calibrating a delay setting of a laser head or scanner head in a laser additive manufacturing process. More specifically, the invention relates to a calibration delay setting during running in and out of the laser scanning process.

【技术实现步骤摘要】
用于校准激光加性制造过程的新颖方法
本专利技术在用于制造对象的基于激光的加性制造过程的领域中。特别地，本专利技术涉及一种在构建过程期间校准激光器和扫描仪延时，特别是激光器扫描开始和停止的过程。该新颖的校准过程将减小操作者变化并使得扫描过程标准化，从而导致复杂几何对象的更精确的制造。
技术介绍
与减性(subtractive)制造方法形成对照，加性制造(AM)过程通常涉及一个或多个材料的积聚，其用来制作净形或者近净形(NMS)对象。虽然“加性制造”是工业标准术语(ASTMF2792)，但是AM囊括在多种名称下已知的各种制造和原型制作技术，包含自由成型制作、3D印刷、快速原型制作/加工等。AM技术能够根据各种各样的材料来制作复合组件。通常，独立对象能够根据计算机辅助设计(CAD)模型来制作。一种特定类型的AM过程使用能量束、例如电子束或电磁辐射(例如激光束)来烧结或熔融粉末材料，从而创建固体三维对象，其中粉末材料的微粒结合在一起。例如工程塑料、热塑弹性体、金属和陶瓷的不同材料系统被使用。激光烧结或熔融是一种用于功能原型和工具的快速制作的著名AM过程。应用包含复杂加工件、熔模铸造的图案、注射模塑和拉模铸造的金属铸型以及砂型铸造的铸型和型芯的直接制造。用来增强设计周期期间的概念的传递和测试的原型对象的制作是AM过程的其他的常见使用。选择性激光烧结、直接激光烧结、选择性激光熔融和直接激光熔融是用来表示通过使用激光束烧结或熔融细粉来产生三维(3D)对象的常见工业术语。例如，美国专利号4863538和美国专利号5460758描述常规激光烧结技术。更准确来说，烧结需要在低于粉末材料的熔点的温度下熔合(凝聚)粉末的微粒，而熔融需要完全熔融粉末的微粒，以形成固体均质体。与激光烧结或激光熔融关联的物理过程包含到粉末材料的热传递，并且然后烧结或熔融粉末材料。虽然激光烧结和熔融过程能够应用于宽范围的粉末材料，但是尚未充分理解生产路线(route)的科学和技术方面、例如烧结或熔融速率以及在层制造过程期间的处理参数对微结构演进的影响。这种制作方法伴随有热、质量和动量传递的多种模式以及使过程极为复杂的化学反应。图1是示出示范常规激光加性制造系统100的截面图的示意图。设备100通过使用由源、例如激光器120所生成的能量束136烧结或熔融粉末材料(未示出)按照逐层方式来构建对象、例如部件122。将要由能量束所熔融的粉末由贮存器126来供应，并且使用重涂器臂116均匀遍布于构建板114之上，以将粉末保持在水平118处，并且将延伸于粉末水平118上方的多余粉末材料移除到废物容器128。能量束136烧结或熔融在检流计扫描仪132的控制下构建的对象的截面层。降低构建板114，并且另一个粉末层遍布于构建板和所构建的对象之上，后面是由激光器120对粉末的连续熔融/烧结。该过程重复进行，直到部件122由熔融/烧结的粉末材料完全构成。激光器120可由包含处理器和存储器的计算机系统来控制。计算机系统可确定每层的扫描图案，并且控制激光器120按照扫描图案或″标记(mark)″来辐照粉末材料。在部件122的制作完成之后，各种后处理规程可应用于部件122。后处理规程包含通过例如吹风或真空处理来移除多余(access)粉末。其他后处理规程包含应力释放过程。另外，热、机械和化学后处理规程能够用来抛光部件122。跨粉末材料的激光的扫描或标记例如以光栅扫描方式进行，以创建阴影线扫描(hatchscan)(其形成部件截面的大部分)和/或轮廓扫描(contourscan)(其略述部件截面边缘)，熔融被关断时在其中那个层中不预期对象截面的熔融形成的那个区域中的粉末。这些阴影线扫描沿着相邻的线重复以形成将构建的对象的单个熔融和熔合截面，而轮廓扫描创建部件的离散边界或边缘。一旦正在构建的对象的一个截面的熔融形成完成，设备则在所完成的截面表面上涂敷附加的粉末层。重复该过程直到对象完成。与激光加性制造相关联的一个挑战涉及在粉末中产生预期的熔融图案，同时在粉末床上保持预期的激光速度。例如当激光器在阴影线线条(hatchline)的开始太早或太迟被开启时，或者在阴影线线条的结束太早或太迟被关闭时，熔融图案的不准确会产生。当设备以标记模式运行时，其中激光器头在阴影线线条的开始和结尾处停止，开启激光器太早可能导致烧入效应，其中熔池大于影线线条开始处预期的熔池。在空中文字(skywriting)模式下，其中激光器头在写入阶段的结束时保持不变的运动，将激光器开启太早可能导致超过轮廓线条的阴影线线条。其它非均匀性由开启激光器太早或太迟，或者开启激光器太迟而产生。而且，由于激光器头在跳转(jump)后是不稳定的，因此在跳转后太早开启激光器可能导致变形的熔融图案，反映了激光器写入头的动态不稳定性。这些问题可能导致正在构建的对象的非均匀表面。为了校正这些问题，激光器头和扫描仪头控制信号必须被调节以计及系统组件的动态行为(即扫描器和激光器的响应，以及工件和激光辐照之间的具体交互)。一个控制方案使用设置参数，其包含激光器开启延时、激光器关闭延时、跳转延时、标记延时或多边形延时。参见7BasicFunctionsforScanHeadandLaserControl，Rev.1.7ePCInterfaceBoard。在空中文字模式中，设置参数用于控制跑进的持续时间、跑出的持续时间、时间间隔和激光器开启的位移参数，其限定了“激光器活动”的激光控制信号接通和关闭时间点相对于设置开始位置和设置结束位置的延时。图2是诸如在空中文字过程中激光器的代表的延时设置。在图2中，反射镜的成角速度以发展(develop)阴影线扫描(1)的恒定速度移动激光器，激光器被关闭，并且反射镜减速到停止，反转方向，并且再次加速到下一个阴影线扫描(2)，激光器向后开启(turnbackon)，反射镜再次保持在恒定速度以启动下一个阴影线扫描(3)，并且激光器以发展阴影线扫描(4)的恒定速度移动。与(2)相关联的减速通常称为跑出(run-out)运动，而与(3)相关联的加速通常称为跑进(run-in)运动。如果激活了诸如空中文字过程中的延时设置，那么反射镜在焊接开始前被加速，并允许加热以建立并启动新的熔融。对于部件的结束同样如此，其中反射镜在焊接结束时减速，激光器在到达部件的内部边缘之前被关闭，并且熔池引起焦点。在激光器头或扫描仪头的跑进和跑出期间确保准确性的一种方式是校准激光加性制造设备中的延时设置。目前，在激光加性制造设备中校准延时设置主要是手动程序，要求熟练的操作员解释由激光创建的标记是否符合所指定的开始和停止坐标。例如，在图3中，熟练的操作员通过采用加性制造设备的激光标记金属板创建测试图案，并对所得到的图案照相。熟练的操作员创建轮廓扫描和阴影线扫描，并再检查在轮廓和阴影线扫描之间的相交处适当叠加的扫描。再检查适当的延时设置的一种方法是通过诸如图4中的显微检验测试图案来检查测试图案。在存在扫描不对准的情况下，操作员将随后调节例如比如在空中文字的写入过程中的延时设置，使得跑进和跑出在合适的坐标处开始和停止激光器。操作员通过反复试验手动调节延时设置，并且该调节从部件制造的每个阶段引入大量的可变性。可变性导致不均匀的表面抛光，压痕，过本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于校准激光加性制造过程的方法，包括：(a)辐照粉末床中的粉末层以形成熔合区域图案，(b)将所述熔合区域图案的第一特性与参考图案的第二特性进行比较，以及(c)基于比较而调节第一参数，使得步骤(a)的重复将导致更接近地匹配所述参考图案的第二熔合区域图案。

【技术特征摘要】
2016.01.19 US 15/0010501.一种用于校准激光加性制造过程的方法，包括：(a)辐照粉末床中的粉末层以形成熔合区域图案，(b)将所述熔合区域图案的第一特性与参考图案的第二特性进行比较，以及(c)基于比较而调节第一参数，使得步骤(a)的重复将导致更接近地匹配所述参考图案的第二熔合区域图案。2.根据权利要求1所述的方法，其中第一参数涉及空中文字过程的扫描运动，可选地涉及跳转延时、标记延时或者多边形延时设置的扫描运动，优选跳转运动，或者可选地涉及为跑进运动或跑出运动的扫描运动。3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第一参数涉及扫描运动和用于执行辐照步骤(a)的辐照源的控制之间的同步，或者可选地涉及跑进运动的持续时间，或者可选地涉及跑出运...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·A·戈德，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：美国,US