CN107042305A - 添加式制造中的气体流监测 - Google Patents

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Abstract

一种控制添加式制造工艺的方法，其中，在存在气体流的情况下，使用定向能量源(24)选择性地熔合粉状材料，以形成工件，方法包括：使用至少一个气体流传感器(74，76，80)产生至少一个气体流测量值；以及响应于至少一个气体流测量值来控制添加式制造工艺的至少一个方面。

Description

添加式制造中的气体流监测
技术领域
本发明大体涉及添加式制造，并且更特别地，涉及用于添加式制造中的气体流监测和工艺控制的设备和方法。
背景技术
添加式制造是材料一层一层建造以形成构件的工艺。添加式制造主要受到机器的位置分辨率的限制，而不受提供斜度、避免悬垂等(像铸造所需要的那样)的要求的限制。添加式制造也由诸如“分层制造”、“反向加工”、“直接金属激光熔化”(DMLM)和“3D打印”等用语表示。本发明认为这样的用语是同义词。
一种类型的添加式制造机器被称为“粉末床”机器，并且包括建造腔室，建造腔室包围一定质量的粉末，用激光选择性地熔合该一定质量的粉末，以形成工件。建造腔室封闭在壳体中，壳体典型地包括在其中提供保护气体流。保护气体用来热传递离开功率床的表面的热，以防止蒸发的粉末在工件的表面上冷凝，以及控制不合需要的化学反应，诸如氧化。
关于现有技术的添加式制造机器的一个问题在于，气体流率可能太高或太低。如果气体流速度太高，则它可干扰建造腔室中的粉末，从而打断建造工艺。如果气体流速度太低，则它将提供不充分的热传递和蒸气移除，从而在成品工件中产生显著较差的表面粗糙度。
关于现有技术的添加式制造机器的另一个问题在于，气体流速度在建造腔室的表面上会改变。特别地，气体流在经过表面时减速，因为有常压力和摩擦损耗。速度在垂直于流的方向上还可能是不一致的。由于这个变化，气体流率在一个位置上可能是合意的，但在另一个位置上又太高或太低。
发明内容
用监测添加式制造工艺中的气体流且响应于气体流而控制工艺的方法来解决这些问题中的至少一个。
根据本文描述的技术的一方面，提供一种用于控制添加式制造工艺的方法，其中，在存在气体流的情况下，使用定向能量源选择性地熔合粉状材料，以形成工件。方法包括：使用至少一个气体流传感器来产生至少一个气体流测量值；以及响应于至少一个气体流测量值，而控制添加式制造工艺的至少一个方面。
根据本文描述的技术的另一方面，提供一种用于制作工件的方法，包括：使粉状材料淀积在设置在壳体中的建造腔室中，同时使用联接成与壳体处于流体连通的气体流设备来在粉末上面提供气体流；在存在气体流的情况下，引导来自定向能量源的建造射束以对应于工件的横截面层的型式选择性地熔合粉末材料；使用至少一个气体流传感器来产生至少一个气体流测量值；以及响应于至少一个气体流测量值来控制制作工件的至少一个方面。
技术方案1. 一种控制添加式制造工艺的方法，其中，在存在气体流的情况下，使用定向能量源选择性地熔合粉状材料，以形成工件，所述方法包括：
使用至少一个气体流传感器来产生至少一个气体流测量值；以及
响应于所述至少一个气体流测量值，而控制所述添加式制造工艺的至少一个方面。
技术方案2. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述气体流测量值是气体流率或气体速度。
技术方案3. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述控制步骤包括响应于所述至少一个气体流测量值超过一个或多个预定气体流极限而采取离散的动作。
技术方案4. 根据技术方案2所述的方法，其特征在于，所述预定气体流极限包括两个或更多个间隔开的气体流传感器之间的最大差。
技术方案5. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述控制步骤包括改变所述添加式制造工艺的至少一个工艺参数。
技术方案6. 根据技术方案5所述的方法，其特征在于，所述至少一个工艺参数包括气体流率。
技术方案7. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，至少一个气体流传感器在建造表面上的预定最小流位置处进行测量。
技术方案8. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，受控的工艺参数包括下者中的至少一个：定向能量源的功率水平和射束扫描速度。
技术方案9. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，受控的工艺参数包括粉末层厚度。
技术方案10. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括使用工艺传感器监测至少一个工艺方面，作为所述至少一个气体流传感器的补充。
技术方案11. 根据技术方案10所述的方法，其特征在于，所述工艺方面包括下者中的至少一个：熔池大小、熔池电磁发射量和熔池声发射量。
技术方案12. 一种制作工件的方法，包括：
使粉状材料淀积在设置在壳体中的建造腔室中，同时使用联接成与所述壳体处于流体连通的气体流设备来在所述粉末上面提供气体流；
在存在所述气体流的情况下，引导来自定向能量源的建造射束以对应于所述工件的横截面层的型式选择性地熔合所述粉状材料；
使用至少一个气体流传感器来产生至少一个气体流测量值；以及
响应于所述至少一个气体流测量值，而控制制作所述工件的至少一个方面。
技术方案13. 根据技术方案12所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括循环地重复淀积和熔化的步骤，以一层一层地建造所述工件。
技术方案14. 根据技术方案12所述的方法，其特征在于，所述气体流测量值是气体流率或气体速度。
技术方案15. 根据技术方案13所述的方法，其特征在于，所述控制步骤包括响应于所述至少一个气体流测量值超过一个或多个预定气体流极限而采取离散的动作。
技术方案16. 根据技术方案15所述的方法，其特征在于，所述预定气体流极限包括两个或更多个间隔开的气体流传感器之间的最大差。
技术方案17. 根据技术方案12所述的方法，其特征在于，至少一个气体流传感器在所述壳体内的表示建造表面上的最小气体流的预定位置处进行测量。
技术方案18. 根据技术方案12所述的方法，其特征在于，所述控制步骤包括改变所述添加式制造工艺的至少一个工艺参数。
技术方案19. 根据技术方案18所述的方法，其特征在于，所述至少一个工艺参数包括气体流率。
技术方案20. 根据技术方案18所述的方法，其特征在于，受控的工艺参数包括下者中的至少一个：定向能量源的功率水平和射束扫描速度。
技术方案21. 根据技术方案18所述的方法，其特征在于，受控的工艺参数包括粉末层厚度。
技术方案22. 根据技术方案12所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括使用工艺传感器来监测至少一个工艺方面，作为所述至少一个气体流传感器的补充。
技术方案23. 根据技术方案22所述的方法，其特征在于，所述工艺方面包括下者中的至少一个：熔池大小、熔池电磁发射量和熔池声发射量。
技术方案24. 根据技术方案12所述的方法，其特征在于：
所述气体流设备包括入口导管，所述入口导管联接到所述壳体上，并且定位在所述建造腔室的前缘附近；
所述气体流设备包括返回导管，所述返回导管联接到所述壳体上，并且定位在所述建造腔室的后缘附近，所述后缘与所述前缘间隔开；以及
使用设置在所述前缘和所述后缘中的至少一个附近的成阵列的间隔开的气体流传感器来测量气体流。
技术方案25. 根据技术方案12所述的方法，其特征在于：
所述气体流设备包括入口导管，所述入口导管联接到所述壳体上，并且定位在所述建造腔室的前缘附近；
所述气体流设备包括返回导管，所述返回导管联接到所述壳体上，并且定位在所述建造腔室的后缘附近，所述后缘与所述前缘间隔开；以及
使用设置在所述壳体外部的气体流设备中的气体流传感器来测量气体流。
附图说明
参照结合附图得到的以下描述，可最佳地理解本发明，其中：
图1是示例性添加式制造机器的部分地剖开的示意性正视图；
图2是图1的机器的部分地剖开的示意性侧视图；以及
图3是图1的机器的部分地剖开示意性俯视图。
部件列表
10机器
12工作台
14粉末供应
16再涂器
18溢流容器
20建造平台
22建造腔室
24能量源
26操纵设备
28壳体
30工作表面
32建造开口
34供应开口
36溢流开口
38促动器
40供应容器
42升降机
44促动器
46促动器
52焊池
54设备
56风扇
58过滤器
60上入口导管
62下入口导管
64返回导管
66氮发生器
68缸体
70前缘
72后缘
74气体流传感器
76气体流传感器
78气体流传感器
80气体流传感器
82工艺传感器。
具体实施方式
参照附图，其中，相同标号在各图中表示相同元件，图1示意性示出适合执行添加式制造方法的添加式制造机器10。机器10的基本构件包括工作台12、粉末供应14、再涂器16、溢流容器18、被建造腔室22包围的建造平台20、定向能量源24和射束操纵设备26，它们全部都被壳体28包围。将在下面更详细地描述这些构件中的各个。
工作台12是刚性结构，它限定平坦工作表面30。工作表面30与虚拟工作平面共面且限定虚拟工作平面。在示出的示例中，工作表面30包括与建造腔室22连通且暴露建造平台20的建造开口32、与粉末供应14连通的供应开口34，以及与溢流容器18连通的溢流开口36。
再涂器16是刚性的沿侧向伸长的结构，它位于工作表面30上。它连接到促动器38上，促动器可运行来沿着工作表面30选择性地移动再涂器16。在图1是示意性地描绘促动器38，了解到为此可使用诸如气动或液压缸体、滚珠丝杠或线性电促动器等的装置。
粉末供应14包括在供应开口34下方且与其连通的供应容器40，以及升降机42。升降机42是板状结构，其可沿竖向在供应容器40内滑动。它连接到促动器44上，促动器44可运行来选择性地上下移动升降机42。在图1中示意性地描绘促动器44，了解到为此可使用诸如气动或液压缸体、滚珠丝杠或线性电促动器的装置。当升降机42下降时，具有期望成分的粉末“P”供应(例如，金属、陶瓷和/或有机粉末)可装载到供应容器40中。当升降机42上升时，它使粉末P在工作表面30上方暴露。可使用其它类型的粉末供应；例如粉末可通过高架装置(未显示)掉落到建造腔室22中。
建造平台20是板状结构，它可沿竖向在建造开口32内滑动。它连接到促动器46上，促动器46可运行来选择性地上下移动建造平台20。在图1中示意性地描绘促动器46，了解到为此可使用诸如气动或液压缸体、滚珠丝杠或线性电促动器等的装置。当建造平台20在建造工艺期间下降到建造腔室22中，建造腔室22和建造平台20共同包围和支承一定量的粉末P以及正在建造的任何构件。这个一定量的粉末大体称为“粉末床”，而且这个特定类别的添加式制造工艺可称为“粉末床工艺”。
溢流容器18在溢流开口36下方且与其连通，并且充当多余粉末P的贮藏室。
定向能量源24可包括可运行来产生适当的功率射束和其它运行特性，以在建造工艺期间熔化和熔合粉末P(在下面更详细地描述)的任何装置。例如，定向能量源24可为激光器。诸如电子射束枪的其它定向能量源是激光器的适当备选方案。
射束操纵设备26可包括一个或多个反射镜、棱镜和/或透镜，且设有适当的促动器，而且布置成使得来自的定向能量源24的射束“B”可集中到期望的点大小，并且操纵到与工作表面30重合的平面上的期望位置。为了方便描述，这个平面可称为X-Y平面，而且垂直于X-Y平面的方向表示为Z-方向(X、Y和Z是三个相互垂直的方向)。射束B在本文可称为“建造射束”。
使用上面描述的设备来建造工件W的示例性基本工艺如下。建造平台20移动到初始高位置。建造平台20下降到工作表面30下方达选定的层增量。所述层增量会影响添加式制造工艺的速度和工件W的分辨率。作为示例，所述层增量可为大约10至50微米(0.0003至0.002英寸)。然后粉末“P”淀积在建造平台20上面，例如，供应容器40的升降机42可上升，以将粉末推过供应开口34，从而使其暴露在工作表面30上方。再涂器16移动经过工作表面，以使升起的粉末P水平地散布在建造平台20上。在再涂器16从左到右经过时，任何多余粉末P通过溢流开口36掉落到溢流容器18中。然后，再涂器16可移动回到起始位置。水平粉末P可称为“建造层”，而其暴露的上表面可称为“建造表面”。
定向能量源24用来熔化正在建造的工件W的二维横截面或层。定向能量源24发射射束“B”，并且射束操纵设备26用来以合适的型式操纵建造射束B在暴露粉末表面上面的焦点。粉末P的包围焦点的小部分暴露层在本文称为“焊池”52(在图2中最佳地看到)，它被建造射束B加热到允许其烧结或熔化、流动和凝固的温度。作为示例，焊池52可为大约100微米(0.004英寸)宽。这个步骤可称为熔化粉末P。
建造平台20沿竖向向下移动达所述层增量，并且以相似的厚度应用另一层粉末P。定向能量源24再次发射建造射束B，并且射束操纵设备26用来以合适的型式操纵建造射束B在暴露粉末表面上面的焦点。粉末P的暴露层被建造射束B加热到允许其在顶层内烧结或熔化、流动和与下面的之前固化的层与凝固在一起的温度。
这个移动建造平台20，应用粉末P，然后使定向能量熔化粉末P的循环重复，直到整个工件W完成为止。
机器10及其运行是“粉末床机器”的代表性示例。将理解的是，这里描述的原理适用于其它构造的粉末床机器。
壳体28用来隔离和保护机器10的其它构件。在上面描述的建造工艺期间，对壳体28提供合适的保护气体流，除了其它功能之外，其从建造环境中排除氧。为了提供这个流，机器10可联接到气体流设备54上，如在图2中看到的那样。示例性气体流设备54包括处于连续流体流连通的可变速风机56、过滤器58、相应地与壳体28连通的上入口导管60和下入口导管62，以及与壳体28连通的返回导管64。气体流设备54的所有构件都与适当的导管互连，并且与壳体28共同限定气体流回路。
所使用的气体成分可类似于用作用于传统焊接操作的保护气体的成分。例如，可使用诸如氮、氩或者它们的混合物的气体。可使用任何方便的气体源。例如，如果气体为氮，则传统的氮发生器66可连接到气体流设备54上。备选地，可使用一个或多个加压缸体68来供应气体。
一旦气体流设备54和机器10最初被气体吹扫，就使用风机56以基本闭环的方式使气体再循环通过气体流回路，以便保持上面描述的正压力，如果需要就添加额外添加的补偿气体。提高风机速度会提高气体流回路中的气体的速度和流率；相反，降低风机速度会降低气体流回路中的气体的速度和流率。作为再循环的备选方案，气体流设备54可在总损耗模式中运行；例如气体不是流过返回导管64和回到风机56，气体可只是在经过建造腔室22之后排到大气中。在示出的示例中，气体的热质量提供热传递功能，但是可选的热交换器(未显示)可结合到气体流设备54中。
上入口导管60定位在壳体28的顶部附近。在运行期间，它提供第一气体流或流(参见箭头“G1”)，以使颗粒保持远离射束操纵设备26和机器10的其它可选构件。
下入口导管62定位在壳体28的底部附近。在运行期间，它提供区段气体流或流(参见箭头“G2”)。如在图1中看到的那样，下入口导管62具有伸长形状(例如长方形)，并且在建造腔室22的宽度上排出气体。为了参照，可认为建造腔室22的宽度平行于“X”方向。如图3中显示的那样，建造腔室22的最接近上入口导管62的边缘称为“前缘”70，而相对的平行边缘称为“后缘”72。为了参照，可认为建造腔室的长度(即，从前缘70到后缘72的距离)平行于“Y”方向。
第二气体流W2具有两个功能。第一，它用来实现热传递，并且将热携带远离建造腔室22内的最上面建造的层的表面。第二，在建造工艺期间，一些粉末P蒸发。这个蒸气可冷却且在工件W的表面上冷凝，进而产生不合乎需要的表面粗糙度或“重铸”层。第二气体流G2的一部分用来带走蒸气和/或冷凝物。
已经展现了气体流速度在建造腔室22的表面上改变。特别地，气体流在平行于Y方向经过表面时减速，因为有常压力和摩擦损失。它在X方向上也可为不一致的。而且，随着时间的推移，过滤器58可被碎屑堵塞，从而使气体流率相对于其预期值降低。
不恰当或不一致的气体流是不合需要的。如果气体流速度太高，它可干扰建造腔室22中的粉末。如果气体流速度太低，它将提供不充分的热传递和蒸气移除，从而产生显著较差的表面粗糙度。
机器10设有至少一个气体流传感器。可使用可运行来产生表明气体流测量值的信号的任何类型的传感器。如本文使用，“气体流测量值”指的是量化气体流的任何测量值。气体流测量值的示例包括(但不限于)速度、动态压力、体积流率或质量流率。气体流传感器的非限制性示例包括机械或固态风速计(例如热线风速计、音速风速计或激光多普照勒风速计)、皮托管或其它基于压差的装置，或者可运行来量化流的传感器的组合(例如速度-密度***)。
气体流传感器或多个气体流传感器可如需要的那样定位，以针对特定应用恰当地监测气体流。图3中显示了若干示例，例如，气体流传感器74可置于壳体28的外部，置于气体流设备54的管道***中。这将容许气体流传感器74检测流率。备选地，一个或多个气体流传感器可置于壳体28的外部，置于建造腔室22上方。例如，显示了示出的气体流传感器76位于已知具有最低流率或流速的预定位置上，例如在后缘72附近以及在建造腔室22的右边。作为另一个示例，显示了成阵列的气体流传感器78在上入口导管62上间隔开，而且显示了成阵列的气体流传感器80在返回导管64上间隔开。提供任一阵列或两个阵列将容许相对于X-方向对气体流进行位置“映射”。
在运行机器10时，所需气体流率高度地依赖于工艺。这主要是因为不同工艺的热输入是可变的。例如，粉末合金成分粉末层增量、激光功率水平和扫描速度全部都会影响热输入速率。
因此，控制气体流率不像对于所有建造都设定非常高的气体流率那样简单。虽然这在物理上可能是可行的，但对于这种工艺是有缺点的。保护气体可为昂贵的；因此合乎需要的是使用最小足够流率。但是，不可确定最小流率，除非可测量实际流。因此，气体流监测工艺可结合到上面描述的建造工艺中。大体地说，监测工艺包括使用上面描述的气体流传感器来监测气体流，然后如需要的那样调节一个或多个工艺参数。如本文使用，“工艺参数”可表示机器10和/或气体流设备54的任何可控方面。
监测方法可包括建立气体流测量值的一个或多个预定极限，在本文称为“气体流极限”，例如：最小流、最大流，或者两个或更多个间隔开的传感器之间的最大流差。
监测方法可包括响应于超过一个或多个气体流极限而采取离散的动作，诸如对本地或远程操作者提供或视觉或可听警告。
监测方法可包括响应于超过一个或多个气体流极限而停止建造工艺。这是离散的动作的另一个示例。
监测方法可包括使用诸如下者的方法实时地控制一个或多个工艺参数：统计工艺控制、前馈控制、使用比例、 比例-积分或比例-积分-微分控制逻辑的反馈控制、神经网络控制算法，或模糊逻辑控制算法。
作为示例，可使用初始气体流率来启动建造工艺。在建造工艺期间，气体流传感器将用来测量建造腔室22上的气体流率。测得的气体流率将与基于特定工件和机器参数(例如材料、激光功率等)建立的预定最小气体流率比较，如果在建造工艺期间，测得的气体流率下降到小于预定最小值，则风机速度将提高，以提高气体流率。
监测方法可包括监测机器10和/或气体流设备54的状态或“状况”。可在建造循环期间测量和存储气体流测量值且在各循环之间比较它们。例如，各循环之间下降的气体流率可表明过滤器58堵塞，或者气体流传感器78之间突然出现变化表明下入口导管62的一个部分阻塞。校正行动可呈机器维护或修理的形式，或者在建造之后修改工艺参数，以补偿机器退化。
来自气体流传感器的数据可与一个或多个其它工艺传感器结合起来使用，诸如，光电二极管、高温计、声学传感器、摄像机或分光计。可测量的工艺方面的示例包括(但不限于)熔池大小、熔池电磁发射量和熔池声发射量。来自工艺传感器的信息可用作统计工艺控制或工艺的反馈控制的额外数据源，如上面描述的那样。在图1中示意性地显示一般工艺传感器82。
可通过例如在嵌在一个或多个装置中(诸如可编程逻辑控制器(“PLC”)或微型计算机(未显示))的一个或多个处理器上运行软件来控制上面描述的设备(包括机器10和气体流设备54)的运行。这样的处理器可联接到传感器和运行构件上，例如，通过有线或无线连接。相同的处理器或多个处理器可用来读取和分析传感器数据，以实现统计分析和反馈控制。
本文描述的方法具有优于现有技术的几个优点。特别地，方法允许提供一致、充分的气体流，同时最大程度地减少气体流。这具有减少工件变化和废品率、改进部件品质和监测机器10的状况的潜力。
前述已经描述了用于在添加式制造工艺中监测气体流的设备和方法。此说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及/或者像这样公开的任何方法或工艺的所有步骤可按任何组合结合，除了至少一些这样的特征和/或步骤相互排斥的组合。
此说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的各个特征可由用于相同、相等或相似目的的备选特征代替，除非另有明确的陈述。因而，除非另有明确的陈述，公开的各个特征仅仅是普通的一系列等效或相似特征的一个示例。
本发明不局限于前述实施例(一个或多个)的细节。本发明可扩展到此说明书(包括任何伴随的潜在的新颖点、摘要和附图)中公开的任何新颖的特征或者任何新颖的特征组合，或者像这样公开的任何方法或工艺的任何新颖的步骤或任何新颖的步骤组合。

Claims (10)

1. 一种控制添加式制造工艺的方法，其中，在存在气体流的情况下，使用定向能量源(24)选择性地熔合粉状材料，以形成工件，所述方法包括：
使用至少一个气体流传感器(74，76，80)来产生至少一个气体流测量值；以及
响应于所述至少一个气体流测量值，而控制所述添加式制造工艺的至少一个方面。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气体流测量值是气体流率或气体速度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制步骤包括响应于所述至少一个气体流测量值超过一个或多个预定气体流极限而采取离散的动作。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述预定气体流极限包括两个或更多个间隔开的气体流传感器(74，76，80)之间的最大差。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制步骤包括改变所述添加式制造工艺的至少一个工艺参数。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述至少一个工艺参数包括气体流率。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，至少一个气体流传感器(74，76，80)在建造表面上的预定最小流位置处进行测量。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，受控的工艺参数包括下者中的至少一个：定向能量源(24)的功率水平和射束扫描速度。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，受控的工艺参数包括粉末层厚度。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括使用工艺传感器(82)来监测至少一个工艺方面，作为所述至少一个气体流传感器(74，76，80)的补充。
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