用于增材制造工艺控制的系统和方法技术方案

一种用于增材制造系统的工艺控制的方法包括：监视在制品的制造期间产生的火花羽流；捕获火花羽流的至少一个图像；从该至少一个图像导出图像数据；馈送图像数据到统计工艺控制模块中；以及如果图像数据超出预定控制界限则生成警示。

Systems and methods used to control the manufacturing process of material increase

A process control method for a material increasing manufacturing system includes monitoring a spark plume generated during the manufacture of a work product; capturing at least one image of the spark plume; deriving image data from at least one image; feeding the image data into a statistical process control module; and if the image data is beyond the predetermined control. The boundary is a warning.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于增材制造工艺控制的系统和方法
本专利技术的实施例主要涉及增材制造，且更具体地涉及用于对增材制造装置的实时统计工艺控制的系统和方法。
技术介绍
选择性激光烧结（SLS）是一种使用激光器作为功率源来烧结粉末材料（典型地为金属）的增材制造技术。SLS通常承担使激光器自动地瞄准由3D模型所限定的空间中的点并且使材料粘结在一起来生成固体结构。具体地，SLS包括使用高功率激光器（例如，二氧化碳激光器）来将塑料、金属、陶瓷或玻璃粉末的细小颗粒熔合成具有期望三维形状的质量块。激光器通过扫描由CAD文件、扫描数据等获得的部件的3D数字描述所产生的截面来将粉末材料选择性地熔合在粉末床（bed）的表面上。在扫描了各个截面之后，将粉末床降低一个层厚度并且在顶部施加新的材料层。该工艺然后重复直至部件完成。现有的SLS系统为开环设计，对于任何工艺中的品质因素例如粉末再涂、再涂形状、粉末均匀性、激光焊接均匀性以及桌台Z轴高度位置精度都没有直接反馈。在许多现有系统中，部件可由10-20微米层生成，意味着一些部件可耗费数天来产生。如果在这种多天的周期时间内在任何地方产生缺陷，则部件可能必须废弃。如将认识到的那样，缺乏足够的品质控制和反馈可导致机器生产能力的浪费，尤其是在缺陷早早地产生在工艺中但未被识别直至数天后当制造完成时的情况，从而导致成品率（yield）低。对于此种低成品率的可能性妨碍在许多应用中采用SLS。鉴于上述，需要有一种用于对增材制造装置的实时统计工艺控制监视和控制的系统和方法，该增材制造装置能够在早期阶段检测出潜在缺陷。
技术实现思路
在一个实施例中，提供一种用于增材制造系统的工艺控制的方法。该方法包括以下步骤：监视在制品的制造期间产生的火花羽流（plume）；捕获火花羽流的至少一个图像；从该至少一个图像导出图像数据；馈送图像数据到统计工艺控制模块中；以及如果图像数据超出预定控制界限（或限度）则生成警示。在另一实施例中，提供一种增材制造系统。该系统包括具有地面（ground）表面的工艺室；具有提升桌台定位在其中的累积室，该提升桌台在累积室内可向上和向下移动；找平装置，其构造成用以横跨工艺室的地面表面、包括横跨提升桌台分布粉末材料；激光源，其构造成用以朝向提升桌台引导激光束；控制单元，其构造成用以响应于输入的制品数据来控制激光源和激光束以在提升桌台上焊接粉末材料的一部分；以及相机，其构造成用以捕获在焊接期间产生的火花羽流的图像。在又一实施例中，提供一种用于增材制造系统的品质控制方法。该方法包括以下步骤：横跨构建表面分布粉末材料；响应于输入的制品数据，引导激光束至构建表面以烧结粉末材料的一部分；监视在烧结期间产生的火花羽流；捕获来自火花羽流的图像数据；以及将图像数据与预设控制界限相比较。附图说明参照附图阅读下文对非限制性实例的描述，本专利技术将得到更好地理解，在以下图中：图1为根据本专利技术一个实施例的选择性激光烧结系统的示意图。图2为使用激光烧结系统在焊接期间产生的火花羽流的详细视图。图3为根据本专利技术的一个实施例例示用于增材制造系统的品质控制方法的流程图。具体实施方式在下文将详细地参照本专利技术的示例性实施例，其实例在附图中例示。只要有可能，贯穿附图使用的相同参考标号表示相同或同样的部件而无需重复性的描述。尽管本专利技术的示例性实施例相对于SLS进行描述，但本专利技术的实施例也大体上适用于烧结以及增材制造工艺和系统。此外，本专利技术的实施例不限于工业应用而是可通常地用于3D打印。除了SLS，具体实施例可适于结合选择性激光熔化（SLM）、直接金属激光熔化（DMLM）和直接金属激光烧结（DMLS）增材技术使用。如文中所用，用语“基本上”、“通常”和“大约”表示相对于适于达到制品或组件的功能目的的理想期望状态而言在合理地可达到的制造和组装公差内的状况。如文中所用，“电耦合”、“电连接”和“电连通”是指所引用元件直接地或间接地连接，使得电流可从一个元件流动至另一元件。连接可包括直接导电性连接（也即，没有居间电容、感应或有源元件）、感应连接、电容性连接，和/或任何其它适合的电连接。可存在居间构件。参看图1，例示根据本专利技术的一个实施例的增材制造系统10。在一个实施例中，增材制造系统10可为本领域中已知类型的SLS增材制造系统。例如，增材制造系统可包括地面表面16位于其内的工艺室12。分派给工艺室12的地面表面16的一方面是填充有呈粉末形式的金属材料20的储存室18而另一方面是累积室22。提升桌台24、26位于各个室18、22中，在其中提升桌台均可在由双箭头的方向表示的z方向上经由提升活塞28移动。在累积室22的面积中定位在工艺室12上方的是扫描装置30，其引导由激光器34生成的激光束32通向提升桌台26。激光器34、扫描装置30以及用于两个提升活塞28的驱动机构36经由未提供有参考标号的控制引线电连接至中央处理和控制单元38。备选地，激光器34、扫描装置30和驱动机构36可经由无线或本领域中已知的其它手段与处理单元38通讯。为了制造部件或构件例如制品40，首先经由输入单元42三维地（也即，在单独的z方向上分开的切割面（cut）中）输入制品坐标到处理单元38中。在一个实施例中，输入单元42可以是计算机终端。在一个实施例中，切割面在z方向上以0.1mm的距离通过制品40，使得例如对于在z方向上具有10cm结构高度的制品导致1000个切割面。在输入的制品数据由中央处理单元38充分地处理之后，在累积室22中的提升桌台26移动至第一上部位置，使得提升桌台26的支承表面44与地面表面16为基本上平面的。储存室18的提升桌台24移动至下部位置，例如如图1中所示的位置，并且制品40将由其制成的金属种类的细颗粒粉末20被填充到储存室18中。在一个实施例中，粉末20的颗粒在10pm至100pm之间的范围内，其中实际的颗粒大小取决于制品规格。在不脱离本专利技术更宽泛方面的情况下，也可采用具有不同规格的粉末。通过使用找平装置46（在图1中由箭头示意性地表示），由使用提升桌台24提升成高于地面水平16的金属粉末材料20通过在箭头48的方向上移动此种找平装置46而横跨工艺室12的地面表面16分布以分布金属粉末材料的薄层，如高于地面表面16可看到的那样。也连接至中央处理单元38的找平装置46经提升直至高于地面表面16的距离，其对应于待累积的制品40的层。如可看到的那样，薄的粉末涂层然后也可施加成高于提升桌台26。当这种准备性测量（measure）完成时，开动激光器34和扫描装置30以将激光束32引导至支承表面44或引导至定位在支承表面44上的金属粉末材料20以根据坐标熔化对应于制品的最下层的粉末。如在本领域已知的那样，为此目的，激光束32沿着相继的行程（run）n在x方向上移动以熔化金属粉末材料20。一旦制品40的最下层形成，则提升桌台26向下移动距离Δz，使得此种第一层的上表面再次大约处于处理室12的地面表面16的水平。此后，找平装置46经再次促动以施加限定量的粉末层到下方的制品40的层上。然后，激光束32根据制品坐标经再次导引逐个行程地横跨粉末以便熔化粉末20。不仅金属粉末材料将被熔化，而且下方的层的表面也被熔化，因为每个相邻的行程n（也即，沿着行程n+1移动的激光束）也扫掠横本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于增材制造系统的工艺控制的方法，包括以下步骤：监视在制品的制造期间产生的火花羽流；捕获所述火花羽流的至少一个图像；从所述至少一个图像导出图像数据；馈送所述图像数据到统计工艺控制模块中；以及如果所述图像数据超过预定控制界限则生成警示。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.09.30 US 14/8711201.一种用于增材制造系统的工艺控制的方法，包括以下步骤：监视在制品的制造期间产生的火花羽流；捕获所述火花羽流的至少一个图像；从所述至少一个图像导出图像数据；馈送所述图像数据到统计工艺控制模块中；以及如果所述图像数据超过预定控制界限则生成警示。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：监视所述火花羽流的步骤实时地发生。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述图像数据包括下列中的至少一项：羽流形状、羽流高度、羽流宽度、羽流面积、羽流定向以及光强度。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：响应于所述警示，采取校正动作。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述校正动作包括中止所述系统的操作和校准、调节或替换所述系统的构件，以及恢复操作。6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述校正动作包括从所述系统移除所述制品以及启动新的制造循环。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述增材制造系统为选择性激光烧结增材制造系统。8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：监视所述火花羽流和捕获所述火花羽流的至少一个图像的步骤由高速、高分辨率相机执行。9.一种增材制造系统，包括：具有地面表面的工艺室；具有提升桌台定位在其中的累积室，所述提升桌台在所述累积室内能向上和向下移动；找平装置，所述找平装置构造成用以横跨所述工艺室的地面表面、包括横跨所述提升桌台分布粉末材料；激光源，所述激光源构造成用以引导激光束朝向所述提升桌台；控制单元，所述控制单元构造成用以响应于输入的制品数据控制所述激光源和激光束以在所述提升桌台上焊接所述粉末材料的一部分；以及相机，所述相机构造成用以捕获在焊接期间产生的火花羽流的图像。10.根据权利要求9所述的增材制造...

【专利技术属性】
技术研发人员：JA小比彻姆，SA阿比茨，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：美国,US