CN110366463A - 用于控制增材制造的部件的微结构的***和方法 - Google Patents

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Abstract

增材制造***包括粉末床和至少一个能量源，至少一个能量源构造为产生至少一个能量束，用于从粉末床形成部件的构建层。增材制造***还包括耦接到至少一个能量源的计算设备。所述计算设备包括处理器和存储器设备。存储器设备包括指令，其被构造为使计算设备执行用于制造部件的制造计划，接收在部件制造期间对应于部件的至少一部分的部件热数据，响应于接收到部件热数据，控制至少一个能量束，以在部件的该部分内产生预定的微结构。

Description

用于控制增材制造的部件的微结构的***和方法
技术领域
本公开的领域一般涉及增材制造***，更具体地，涉及用于动态控制增材制造的部件的微观结构的***和方法。
背景技术
至少一些增材制造***涉及粉末材料的堆积来制造部件。该方法可以以降低的成本和提高的制造效率用昂贵的材料生产复杂的部件。至少一些已知的增材制造***，例如直接金属激光熔化(DMLM)***，使用能量源(例如但不限于激光设备)，构建板，和粉末材料(例如但不限于，粉末金属)来制造部件。由能量源生成的能量束被引导，以熔化构建板上的、能量束入射在粉末材料上的区域中或周围的粉末材料，从而形成熔池。随着熔池冷却，熔池中所含的材料固化并发展成微观结构。微观结构的特征取决于各种工艺参数，包括能量源的功率，熔池升高的温度，熔池的形状以及熔池冷却的速率。因此，通常需要控制和监控与部件的微观结构的特性相关的工艺参数，以使用增材制造处理一致且准确地制造部件。
发明内容
在一个方面，提供一种用于制造部件的增材制造***。增材制造***包括粉末床，至少一个能量源，以及计算设备，至少一个能量源构造成产生至少一个能量束，用于从粉末床形成部件的构建层，，计算设备耦接到至少一个能量源。该计算设备包括处理器和存储器设备。存储器设备存储被构造为使计算设备执行用于制造部件的制造计划的指令，该制造计划包括用于制造部件的多个制造指令，接收与制造期间的部件的至少一部分相对应的部件热数据，然后，响应于接收元件热数据控制至少一个能量束，以在部件的该部分内产生预定的微结构。
在另一方面，提供一种使用增材制造***来制造部件的方法。增材制造***包括粉末床，至少一个能量源，以及计算设备，至少一个能量源构造成产生至少一个能量束，用于从粉末床形成部件的构建层，计算设备包括至少一个处理器。该方法包括执行用于制造部件的制造计划，制造计划包括用于制造部件的多个制造指令，接收在部件制造期间对应于部件的至少一部分的部件热数据，以及响应于接收到部件热数据来控制至少一个能量束，以在部件的该部分内产生预定的微结构。
附图说明
当参考附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征，方面，和优势将变得更好理解，附图中相同的字符在整个附图中表示相同的部分，其中：
图1是包括增材制造设备的示例性增材制造***的示意图；
图2是可以与图1中所示的增材制造***一起使用的示例性热数据收集设备的立体图；
图3是图2中所示的示例性构建层的放大视图；
图4是示出使用图1中的增材制造***制造部件的方法的流程图；和
图5是示出使用图1中的增材制造***制造部件的替代方法的流程图。
除非另有说明，本文所提供的附图是为了说明本公开的实施例的特征。这些特征被认为适用于包括本公开的一个或多个实施例的各种***。因此，附图并不意味着包括本领域普通技术人员已知的用于实践本文公开的实施例的所有传统特征。
具体实施方式
在下面的说明书和权利要求中，将参考许多术语，这些应被定义为具有以下含义：
单数形式“一”，“一个”和“该”包括复数引用，除非上下文另有明确规定。
“任选的”或“任选地”是指可以或可以不发生随后描述的事件或情况，并且该描述包括其中该事件发生和不发生的实例。
在整个说明书和权利要求书中使用的近似语言可以用于修改任何可以允许变化的定量表示，而不会导致与其相关的基本功能的变化。因此，由一个或多个术语(例如“约”，“大约”和“基本上”)修饰的值不限于指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可以对应于用于测量值的仪器的精度。这里和整个说明书和权利要求书中，范围限制可以组合和/或互换，这样的范围被识别并包括其中包含的所有子范围，除非上下文或语言另有说明。
如本文所使用的，术语“处理器”和“计算机”和相关术语，例如“处理设备”和“计算设备”，不限于在本领域作为计算机中所指的那些集成电路，而是广义地指微控制器，微计算机，可编程逻辑控制器(PLC)，专用集成电路和其他可编程电路，这些术语在本文中可互换使用。在本文描述的实施例中，存储器可以包括但不限于计算机可读介质，诸如随机存取存储器(RAM)，以及计算机可读非易失性介质，诸如闪存。或者，也可以使用软盘，光盘——只读存储器(CD-ROM)，磁光盘(MOD)和/或数字通用盘(DVD)。而且，在本文描述的实施例中，附加输入通道可以是但不限于与操作员界面相关联的诸如鼠标和键盘的计算机***设备。或者，也可以使用其他计算机***设备，其可以包括例如但不限于扫描仪。此外，在示例性实施例中，附加输出通道可以包括但不限于操作员界面监视器。
如本文所使用的，“非暂时性计算机可读介质”的术语旨在代表以任何方法或技术实施的，用于信息的短期和长期储存的任何有形的基于计算机的设备，例如，计算机可读指令，数据结构，程序模块和子模块，或任何设备中的其他数据。因此，本文描述的方法可以被编码为体现在有形的，非暂时性的计算机可读介质中的可执行指令，包括但不限于存储设备和/或存储器设备。当由处理器执行时，这些指令使处理器执行本文描述的方法的至少一部分。此外，如本文所使用的，术语“非暂时性计算机可读介质”包括所有有形的计算机可读介质，包括但不限于非暂时性计算机存储设备，包括但不限于易失性和非易失性介质，以及可移除的和不可移动的介质，例如固件，物理和虚拟存储，CD-ROM，DVD，以及任何其他数字源，如网络或互联网，以及尚未开发的数字手段，唯一的例外是短暂的，传播的信号。
此外，如本文中所使用的，术语“实时”指的是相关的事件的发生时间的至少一个，测量和收集预定的数据时，处理数据时，和***响应事件和环境时。在本文描述的实施例中，这些活动和事件基本上立即发生。
在制造处理期间，本文描述的增材制造***的实施例收集对应于正在制造的部件的热数据，并且至少部分地基于所收集的热数据动态地调整制造处理。增材制造***包括至少一个能量源，其耦接到具有处理器和存储器设备的计算设备。存储器设备包括指令，所述指令在被执行时使计算设备执行制造计划以制造部件。在执行制造计划期间，计算设备实时接收与由增材制造***制造的部件的至少一部分相对应的部件热数据，并至少一部分基于部件热数据来控制能量源发出的能量束。通过这样做，增材制造***便于控制部件的部分的最终微结构。这种控制通过改善部件的微结构的一致性并降低制造缺陷的可能性来改善制造部件的质量。此外，控制部件的微结构有利于制造具有多个部分的部件，每个部分具有选定的预定微结构以赋予该部分所需的特征。这些特征可包括但不限于强度，延展性，韧性，硬度，耐腐蚀性，热响应和耐磨性。
制造计划通常包括构造成促使增材制造***制造部件的指令。例如，制造计划可以包括构造成控制增材制造***的一个或多个能量源的指令。在一些实施例中，计算设备还被进一步构造成基于所接收的部件模型数据生成制造计划，所述部件模型数据包括与正在制造的部件的一部分的预定微结构相对应的部件模型数据。更具体地，计算设备将所接收的部件模型数据应用于预测模型，该预测模型被构造为生成制造计划的制造指令，用于在部件的该部分内产生预定的微结构。可由计算设备接收并应用于预测模型的额外的部件模型数据包括但不限于几何数据，例如部件或其一部分的三维模型，以及材料属性，例如粉末床的热属性。
制造计划可以进一步包括用于部件的目标热数据，以便于部件的制造，并且更具体地，用于预定微结构的形成。例如，在某些实施例中，制造计划包括热计划，该热计划包括在制造处理期间部件的部分的目标温度值。目标温度值包括但不限于最高温度，最低温度和温度梯度。目标温度值可以进一步包含时间方面。例如，目标温度值可以包括温度随时间的变化以及随时间保持的目标温度范围。然后可以使用目标温度值来便于根据所接收的热数据来控制增材制造***。更具体地，可以通过将目标温度值与接收的热数据进行比较，来建立用于控制增材制造***的反馈回路。
在其它实施方案中，增材制造***进一步被构造为改进和完善制造计划。更具体地，增材制造***识别制造计划(或其部分，例如热计划)与由增材制造***接收的部件热数据之间的偏差，并生成用于减少偏差的相应校正动作。然后，增材制造***可以基于校正动作来修改制造计划。修改制造计划包括修改制造计划本身或修改用于生成制造计划的预测模型中的一个或两个。通过这样做，反复改进制造计划以更好地反映影响制造处理的因素。
图1是包括增材制造设备102的示例性增材制造***100的示意图。在示例性实施例中，增材制造***100是直接金属激光熔化(DMLM)***。尽管参考DMLM***描述了本文的实施例，但是本公开还可以应用于其他类型的增材制造***，例如基于液体树脂的增材制造***(例如，立体光刻***)或选择性激光熔化***。
增材制造设备102包括用于在增材制造处理期间支撑三维部件106的构建平台104，构建材料110的贮存器108(也称为粉末床111)，以及发射能量束114的能量源112，所述能量束114用于烧结，固化，硬化或以其它方式固化粉末床111的一部分，以形成多个叠置的构建层116,118和120，多个叠置的构建层116,118和120形成部件106。为清楚起见，在图1中省略了贮存器108的前壁。类似地，为清楚起见，在图1中省略了粉末床111的部分。在示例性实施例中，三维部件106是飞行器部件，但是增材制造***100可用于制造任何三维部件。构建平台104联接到垂直调节器122，使得构建平台可沿垂直方向124升高和/或降低，以调节其中的粉末床111将固化的平面。
在示例性实施例中，能量源112是激光器。更具体地，能量源112是光纤激光器或二极管激光器。在替代实施例中，能量源112可以是用于烧结，固化，硬化或以其他方式固化粉末床111的任何合适的能量源，例如紫外激光器，光源，气体激光器，例如二氧化碳(CO2)激光器，或电子束发生器。在替代实施例中，增材制造***100包括两个或更多个能量源112，其具有相似的功率或不同的功率，使得增材制造***100能够如本文所述起作用。此外，在示例性实施例中，构建材料110是金属粉末。更具体地，构建材料110是气体雾化的金属粉末(例如，钴，铁，铝，钛和/或镍合金)，其平均粒度在约10到100微米之间的范围内。
增材制造设备102还包括构建材料分配器，也称为重涂覆组件126，用于在粉末床111和先前形成的构建层上提供薄的构建材料层110。另外，增材制造设备102包括定位有部件106的视场的热数据收集设备128。热数据收集设备128在构建处理期间和构建处理已经完成后，收集与层116,118和120和/或部件106相关联的热数据。在示例性实施例中，热数据收集设备128是红外传感器，近红外传感器和光电二极管传感器中的一种。
在该示例性实施例中，增材制造设备102包括扫描设备130，用于扫描在粉末床111的选择部分上的能量束114。在该示例性实施例中，扫描设备130包括一个或多个检流计光学扫描仪132和/或一个或更多的电动镜，透镜和/或其他光学设备。在替代实施例中，能量源112联接到致动器，致动器构造成相对于部件106改变能量源112的位置和/或取向。
构建平台104，重涂覆器126，热数据收集设备128，扫描设备130，和能量源112中的一个或多个可操作地与控制器134通信地联接。在示例性实施例中，重涂覆器126，热数据收集设备128，扫描设备130和能量源112中的每一个可操作地联接到控制器134。此外，在示例性实施例中，控制器134可操作地与计算设备136通信地联接。
在操作期间，增材制造***100通过逐层制造处理来制造部件106。更具体地，部件106由存储在计算设备136上的部件106的三维几何形状的电子表示而制造。例如，电子表示在计算机辅助设计(CAD)或类似的电子文件中产生。在替代实施例中，电子表示是使得增材制造***100能够如本文所述操作的任何电子表示。在示例性实施例中，表示部件106的CAD文件例如由计算设备136转换为包括每层的多个构建参数的逐层格式。部件106相对于在增材制造***100中使用的坐标系的原点以期望的取向电子地布置。另外，部件106的几何形状被切成具有期望厚度的二维层的堆叠，使得每层的几何形状是在该特定层位置处通过部件106的横截面的轮廓。在每个相应层内生成填充图案，使得沿着填充图案施加构建参数，以用构建材料110制造该部件106的层并创建构建部件106的计划。对于每个相应的层重复这些步骤。一旦完成该处理，就生成包括所有层的电子计算机构建文件(或多个文件)。
在生成构建文件后，通过基于该构建文件实施制造计划，增材制造***100***作为制造部件106，并且被构造为促使增材制造***100逐层制造部件106。示例性的逐层制造处理不使用预先存在的制品作为最终部件的前体，而是该处理以可构造的形式用原材料制造部件106，例如粉末状的构建材料110。例如但不限于，使用钢合金粉末来增材制造钢合金材料。增材制造***100能够使用多种材料(例如金属，陶瓷和聚合物)来制造部件。
如本文所用，术语“参数”指的是用于定义增材制造***100的操作条件的特征，例如能量源112的功率输出，能量源112的矢量扫描速度，能量源112的光栅功率输出，能量源112的光栅扫描速度，能量源112的光栅工具路径，以及增材制造***100内的能量源112的轮廓功率输出。在一些实施例中，参数最初由用户输入进计算设备136。参数表示增材制造***100的给定操作状态。通常，在光栅扫描期间，能量束114沿着一系列彼此间隔开并且彼此平行的基本上直的阴影线顺序地扫描。在矢量扫描期间，能量束114通常沿着一系列基本上直的阴影线或矢量顺序地扫描，其中矢量相对于彼此的取向有时是变化的。通常，一个矢量的结束点与下一个矢量的起始点重合。矢量扫描通常用于定义部件的外轮廓，而光栅扫描通常用于“填充”由轮廓包围的空间，其中部件106是实心的。
在增材制造***100的操作期间，重涂覆器126被定位成相邻于构建平台104。当重涂覆器126沿着方向138移动时，重涂覆器12在构建平台上沉积一层构建材料110，形成粉末床111。在沉积新的一层构建材料110之后，能量源112将能量束114引导通过扫描设备130，扫描设备130将能量束114引导到粉末床111的选择性部分上。例如，扫描设备130的检流计132引导能量束114在粉末床111的选择性部分上形成部件106的新构建层，例如层120。对于下一层，构建平台104通过垂直调节器122沿着方向124向下移动粉末床111，使得重涂覆器126可以沿着粉末床111进行另一次通过，以沉积另一层构建材料110，并且便于形成部件106的另一构建层。然后对多个层(例如，层116,118和120)重复该过程，以形成部件106。在每个构建层期间和/或之后，热数据收集设备128收集构建层的热数据。热数据通过控制器134传输到计算设备136。计算设备136分析所接收的部件热数据，并且作为响应，相应地控制能量束114。
在示例性实施例中，构建平台104，能量源112，重涂覆器126，热数据收集设备128，和扫描设备130可操作地由控制器134控制。控制器134通常是由增材制造***100的制造商提供的任何控制器，以控制其操作。控制器134可操作地联接到计算设备136。在替代实施例中，控制器134是包括至少一个处理器和至少一个存储器设备的计算机***。
计算设备136包括至少一个存储器设备140和联接到存储器设备140的至少一个处理器142。在一些实施例中，处理器142包括一个或多个处理单元，例如但不限于，多核构造。在示例性实施例中，处理器142包括现场可编程门阵列(FPGA)。或者，处理器142是允许计算设备136如本文所述进行操作的任何类型的处理器。在一些实施例中，可执行指令存储在存储器设备140中。计算设备136可构造为通过编程处理器142执行本文描述的一个或多个操作。例如，通过将操作编码为一个或多个可执行指令并在存储器设备140中提供可执行指令来对处理器142进行编程。在示例性实施例中，存储器设备140是能够存储和检索诸如可执行指令或其他数据的的信息一个或多个设备。在一些实施例中，存储器设备140包括一个或多个计算机可读介质，例如但不限于，随机存取存储器(RAM)，动态RAM，静态RAM，固态盘，硬盘，只读存储器(ROM)，可擦除可编程ROM，电可擦除可编程ROM或非易失性RAM存储器。上述存储器类型仅是示例性的，因此不限制可用于存储计算机程序的存储器的类型。
在示例性实施例中，存储器设备140被构造为存储构建参数，包括但不限于，实时和历史构建参数值，或任何其他类型的数据。在示例性实施例中，存储器设备140存储由热数据收集设备128收集的部件热数据。在替代实施例中，存储器设备140进一步存储使得增材制造***100能够如本文所述进行操作的任何数据。在一些实施例中，处理器142基于数据的年龄从存储器设备140移除或“清除”数据。例如，处理器142重写与后续时间或事件相关联的先前记录和存储的数据。另外或替代地，处理器142移除超过预定时间间隔的数据。另外，存储器设备140包括但不限于足够的数据，算法和命令，以便于监测和测量由增材制造***100制造的部件106的部件参数和几何条件。
在示例性实施例中，存储器设备140包括指令，当由计算设备136执行时，该指令便于执行制造计划以构建部件。在执行制造计划期间，指令进一步便于接收与部件相对应的实时部件热数据、以及计算设备136响应于部件热数据对***参数的后续控制。例如，在示例性实施例中，计算设备136被构造为控制能量源112，使得能量束114为正在制造的部件的一部分产生预定的微结构。
在一些实施例中，计算设备136还被构造为响应于接收到部件模型数据而生成制造计划。更具体地，计算设备136被构造为将对应于部件的预定微结构的部件模型数据应用于预测模型，以生成用于产生预定微结构的制造指令。然后使用制造指令来生成制造计划。除了对应于预定微结构的部件模型数据之外，部件模型数据还可以包括但不限于几何数据(例如CAD文件或部件的类似表示)，粉末床的材料特性以及增材制造***及其部件(例如能量源112)的特性。
计算设备136还包括耦接到处理器142的呈现界面接口144。呈现界面144向用户呈现信息，例如通过热数据收集设备收集的128热数据。在一个实施例中，呈现界面144包括耦接到显示设备(未示出)的显示适配器(未示出)，例如，阴极射线管(CRT)，液晶显示器(LCD)，有机LED(OLED)显示器，或“电子墨水”显示器。在一些实施例中，呈现界面144包括一个或多个显示设备。另外或替代地，呈现界面144包括音频输出设备(未示出)，例如但不限于音频适配器或扬声器(未示出)。
在示例性实施例中，计算设备136包括用户输入接口146。在该示例性实施例中，用户输入接口146耦接到处理器142并从用户接收输入。在一些实施例中，用户输入接口146包括，例如但不限于，键盘，指示设备，鼠标，触控笔，触敏面板，例如但不限于，触摸板或触摸屏，和/或或音频输入接口，例如但不限于麦克风。在进一步的实施例中，单个部件(例如触摸屏)用作呈现界面144的显示设备和用户输入接口146。
通信接口148耦接到处理器142，并且被构造成与一个或多个其他设备(诸如控制器134)通信地耦接，并且相对于这样的设备执行输入和输出操作，同时作为输入信道执行。例如，在一些实施例中，通信接口148包括但不限于，有线网络适配器，无线网络适配器，移动电信适配器，串行通信适配器或并行通信适配器。通信接口148从一个或多个远程设备接收数据信号或将数据信号发送到一个或多个远程设备。
呈现界面144和通信接口148都能够提供适合与本文描述的方法一起使用的信息，例如，向用户或处理器142提供信息。因此，呈现界面144和通信接口148被称为输出设备。类似地，用户输入接口146和通信接口148能够接收适合与本文描述的方法一起使用的信息，并且被称为输入设备。
图2是可以与增材制造***100(图1中示出)一起使用的示例性热数据收集设备128的立体图。图3是图2中所示的示例性构建层201的放大视图。热数据收集设备128包括至少一个热传感器200，其耦接到控制器134并且在垂直方向124上定位在构建层201和粉末床111上方。在该示例性实施例中，构建层201是联接到构建层120(如图1所示)的下一个增材层，其形成部件106(也在图1中示出)。
在示例性实施例中，热数据收集设备128包括单个热传感器200，其可由控制器134并且响应于来自计算设备136的指令，定位在增材制造***100(图1中示出)内。例如，热传感器200定位在第一预定位置204处，以从构建层201和粉末床111收集热数据。另外，热传感器200可定位在第二预定位置208处，以从构建层201和粉末床111收集热数据。在替代实施例中，热数据收集设备128包括定位在增材制造***100内的多个热传感器200，每个热传感器可以在多个预定位置之间分开地定位。
在操作期间，来自能量源112的能量束114在粉末床111的一部分上扫描，以形成作为部件106的一部分的最新构建层201。当能量束114扫过粉末床111时，能量束114选择性地加热并熔化粉末床111的部分，形成熔池214，其冷却以形成构建层201的一部分。对部件106的每一层重复该过程，直到部件106已完全形成。
扫描能量束114的处理可以包括改变能量束114的特性，包括但不限于，能量束114穿过粉末床111的方向，能量束114穿过粉末床111的速度，能量束114的功率，和能量束114在粉末床111上连续通过之间的图案间距。能量束114的特性通常基于计算设备136通过控制器134提供的指令来控制。在示例性实施例中，增材制造***100包括扫描设备130和能量源112，扫描设备130和能量源112通过控制器134通信地耦接到计算设备136。扫描设备130和能量源112中的每一个被构造为接收指令来控制能量束114。例如，响应于来自计算设备136的指令，扫描设备130被构造为改变能量束114穿过粉末床111的方向和速度，并且能量源112被构造来改变能量源112的功率设置和/或将能量源112从ON状态转换到OFF状态。在某些实施例中，能量源112可在增材制造***100内重新定位，并且计算设备136进一步被构造为提供指令以在增材制造***100内移动能量源112。在某些实施例中，增材制造***100包括超过一个的扫描设备130和超过一个的能量源112，每个能量源112可以响应于从计算设备136接收的指令。
在增材制造***100的操作期间，热传感器200收集部件106的热测量。出于本公开的目的，由热传感器200收集的部件106的热测量通常被称为“部件热数据”。部件热数据包括在增材制造处理中全部或部分地取得的部件106的任何热测量。因此，部件热数据包括但不限于在部件106形成期间或之后取得的热测量，包括对构建层(例如构建层201)取得的热测量。部件热数据还包括由能量束114从粉末床111形成的熔池的热测量。在某些实施例中，部件热数据与测量时间相关，以便于分析部件106或任何部分的热特性随时间(例如，随着部件106冷却)的变化。
当热数据收集设备128收集部件热数据时，部件热数据被传输到计算设备136。计算设备136通常使用部件热数据作为反馈来控制增材制造***100。例如，响应于接收部件热数据，计算设备136可以发出指令以控制能量束114。这些指令包括但不限于，改变能量束114的功率，改变能量束114的扫描方向，改变能量束114的扫描速度，改变对应于能量束114的图案设置，并改变能量源112和部件106之间的距离。
在示例性实施例中，存储器设备136存储至少一个制造计划，例如，对应于部件106的制造计划。在某些实施例中，制造计划包括被构造为促使增材制造***制造部件106的指令。例如，在某些实施例中，制造计划通常包括构造成控制垂直调节器122，重涂覆器126，扫描设备130和能量源112(均在图1中示出)中的一个或多个以制造部件106的指令。或者，制造计划包括数据，计算设备136能够从该数据导出用于制造部件106的指令。例如，在这样的替代实施例中，制造计划包括对应于部件106的几何数据，计算设备136能够从该几何数据生成指令，该指令用于垂直调节器122，再涂器126，扫描设备130和能量源112中的一个或多个，以便于制造部件106。
在某些实施例中，制造计划还包括用于部件106的热计划。随着部件106在制造期间冷却，部件106的部分形成微结构，其影响部件106的相应部分的特性。例如，微结构影响性能，该性能包括但不限于强度，韧性，延展性，硬度，耐腐蚀性，基于温度的性能和耐磨性。在增材制造的背景下，诸如部件106的部件的微结构通常由在制造处理期间部件的部分所经历的加热和冷却所决定。因此，热计划包括用于部件106的一部分的一个或多个目标温度值，该一个或多个目标温度值对应于在制造处理期间部件106的这一部分的目标温度，以实现预定的微结构。一个或多个目标温度值包括但不限于，温度上限，温度下限，温度范围和温度变化中的一个或多个，包括随时间的温度变化。在操作期间，处理器142将从热数据收集设备128接收的部件热数据与热计划进行比较，以确定部件106的这一部分是否根据热计划制造。例如，在操作期间，计算设备136将对应于部件106的构建层(例如构建层201)的部件热数据与热计划进行比较，以确定热数据是否符合热计划。将部件热数据与热计划进行比较包括但不限于，确定构建层201或其一部分的温度是高于还是低于温度阈值，确定构建层201或其一部分是否在温度范围内，以及确定构建层201或其一部分是否以所需的温度变化速率冷却。
在部件热数据偏离热计划的程度上，处理器142被构造为识别部件热数据和热计划之间的偏差，以生成被构造为校正偏差的一个或多个校正动作，并执行至少一个纠正动作。在某些实施例中，处理器142还被构造为修改制造计划，包括修改热计划，以反映校正动作。例如，在操作期间，处理器142可以确定构建层201的一部分未达到足够高的温度以形成期望的微结构。作为响应，处理器142可以增加能量源112的功率并且改变制造计划中包括的能量源112的功率设置。
而且，在某些实施方案中，热计划包括对应于部件106的内部部分的目标温度值。在这种实施例中，热数据收集设备128可以被限制为仅从部件106的表面收集的温度测量值。因此，处理器142被构造为确定一个或多个预测的内部温度值，用于与热计划的目标温度值进行比较。更具体地，处理器142被构造为通过将对应于部件106的内部温度预测模型应用于所接收到的部件热数据、来确定预测的内部部件温度值。
此外，在某些实施例中，由热数据收集设备128收集的部件热数据对应于在部件106的制造期间产生的熔池214。在这样的实施例中，制造计划可以进一步包括熔池计划，其包括至少一个目标熔池特征。熔池特征包括但不限于熔池温度，长度，宽度，深度和体积。在操作期间，处理器142构造成至少部分地基于部件热数据来确定熔池214的熔池特征，并识别熔池特征和熔池计划的目标熔池特征之间的偏差。响应于识别偏差，处理器142生成被构造为校正偏差的至少一个校正动作并执行至少一个校正动作。在某些实施例中，处理器142还被构造为修改制造计划，例如通过修改熔池计划，以包括至少一个校正动作。
在某些实施例中，处理器142被构造为通过将一个或多个熔池预测模型应用于部件热数据来确定熔池特征。更具体地，处理器142被构造为接收与熔池214的表面温度相对应的部件热数据，并将熔池预测模型应用于部件热数据，以确定熔池特征。
图4是示出用于使用增材制造***100(图1中示出)制造部件的方法400的流程图。参考图1和图4，增材制造***100通常包括粉末床111和至少一个能量源112，至少一个能量源112构造成产生至少一个能量束114，用于从粉末床111形成部件106的构建层，例如构建层116,118和120。增材制造***100还包括耦接到能量源112的计算设备136。计算设备136包括至少一个处理器142和存储器设备140。
方法400包括接收402部件模型数据，该部件模型数据包括要在待制造的部件的至少一部分内形成的预定微结构。可以从存储器设备140检索部件模型数据，或者可以从通信地耦接到计算设备136的数据存储(未示出)检索部件模型数据。除了预定的微结构之外，部件模型数据还可以包括但不限于，制造的部件的几何数据和粉末床111的材料特性。
然后使用部件模型数据来生成404制造计划。更具体地，将部件模型数据应用于预测模型，该预测模型被构造为生成制造指令以产生与部件模型数据一致的部件。然后将制造指令收集到用于制造部件的制造计划中。关于形成预定微结构，预测模型被构造为生成用于控制(但不限于)能量源112的移动速度、功率和其他参数以形成预定微结构的指令。例如，在一些实施例中，预测模型生成指令，以便于将部件的一部分升高到一温度，在指定时间保持温度，并允许该部分以一速率冷却以促进预定微结构的形成。
该方法还包括执行406制造计划，并接收在制造计划的执行期间对应于部件106的至少一部分的部件热数据。响应于接收到部件热数据，处理器142控制404能量源112的能量束114，以形成预定的微结构。控制能量束114包括但不限于，改变能量源112的功率，改变能量束114的方向，改变能量束114的速度，改变能量源112和部件106之间的距离，将变能量源112从ON状态转为OFF状态，以及改变能量束114的图案间距设置。
图5是说明用于使用增材制造***100(图1中所示)制造部件的替代方法500的流程图。参考图1和图4，增材制造***100通常包括粉末床111和至少一个能量源112，至少一个能量源112构造成产生至少一个能量束114，用于从粉末床111形成部件106的构建层，例如构建层116,118和120。增材制造***100还包括耦接到能量源112的计算设备136。计算设备136包括至少一个处理器142。
方法500包括启动502制造部件106的制造计划。制造计划通常包括构造为促使增材制造***制造部件106的指令。例如，在某些实施例中，制造计划包括被构造为控制垂直调节器122，再涂覆器126，扫描设备130和能量源112中的一个或多个以制造部件106的指令。在其他实施例中，制造计划包括数据，计算设备136能够从该数据导出用于制造部件106的指令。例如，在这样的替代实施例中，制造计划包括对应于部件106的几何数据，计算设备136从该几何数据能够生成制造部件106的用于垂直调节器122，再涂器126，扫描设备130和能量源112(均在图1中示出)中的一个或多个的指令。
在某些实施例中，制造计划包括热计划和/或熔池计划。热计划通常包括对应于制造期间的部件106的部分的温度目标值。类似地，熔池计划包括在制造期间熔池214(图3中所示)的目标熔池特征。在部件106的制造期间，处理器142(例如从热数据收集设备128)接收对应于部件106的部件热数据，并且识别504接收的部件热数据或至少部分地从部件热数据和制造计划导出的数据之间的偏差，制造计划包括制造计划中包含的热计划或熔池计划。识别这些可以进一步包括部件热数据的附加处理，包括但不限于，将一个或多个预测模型应用于部件热数据。以生成一个或多个预测热值和/或预测熔池特征。
在识别出偏差之后，处理器142生成506一个或多个校正动作，其被构造来校正偏差并执行508校正动作。在执行校正动作之后，处理器142修改510制造计划以包括校正动作。在一些实施例中，修改制造计划包括修改制造计划的指令。例如，如果处理器142确定在制造期间部件106的一部分未被充分加热，则处理器142可以生成包括增加能量源112的功率设置的指令的校正动作。在执行校正动作之后，处理器142修改制造计划以包括增加的功率设置，使得在制造计划的后续执行期间使用增加的功率设置。在其他实施例中，修改制造计划包括修改用于生成制造计划的预测模型的一个或多个参数。例如，修改制造计划可以包括修改与能量源112的功率相关联的系数，使得制造计划的后续生成包括能量源112的调整后的功率设置。
本文描述的增材制造***的实施例有助于增材制造具有受控微结构的部件。为此，本文描述的增材制造***和方法包括计算设备，其被构造为接收与正在制造的部件相对应的部件热数据，并且响应于部件热数据，控制一个或多个能量束。因此，本文描述的***和方法有助于在增材制造处理期间动态监测和控制增材制造的部件的热特征。通过控制部件的热特征，可以促使部件和/或其部分的特定加热和冷却，以促进预定微结构的形成。在某些实施例中，本文描述的增材制造***被构造为根据制造计划制造部件，以至少部分地基于由计算设备接收的部件热数据来动态地识别和校正与制造计划的偏差。计算设备还被构造为修改制造计划以结合在制造期间采取的任何校正动作。
本文描述的方法和***的示例性技术效果包括：(a)改善增材制造的部件的质量和一致性；(b)促进制造具有多个部分的部件，每个部分具有为相应部分的所需特征选择的不同微结构；(c)改善增材制造处理期间的温度控制；和(d)反复改善和完善制造计划，从而提高后续制造的部件的质量和一致性。
一些实施例涉及使用一个或多个电子或计算设备。这样的设备通常包括处理器，处理设备或控制器，诸如通用中央处理单元(CPU)，图形处理单元(GPU)，微控制器，精简指令集计算机(RISC)处理器，专用集成电路(ASIC)，可编程逻辑电路(PLC)，现场可编程门阵列(FPGA)，数字信号处理(DSP)设备，和/或能够执行本文所述功能的任何其他电路或处理设备。本文描述的方法可以被编码为体现在计算机可读介质中的可执行指令，包括但不限于存储设备和/或存储设备。当由处理设备执行时，这些指令使处理设备执行本文描述的方法的至少一部分。以上示例仅是示例性的，因此并不旨在以任何方式限制术语处理器和处理设备的定义和/或含义。
以上详细描述了增材制造***的示例性实施例。装置，***和方法不限于本文描述的特定实施例，而是***的方法和部件的操作可以独立于本文描述的其他操作或部件而单独使用。例如，本文描述的***，方法和装置可以具有其他工业或消费者应用，并且不限于使用如本文所述的增材制造***来实践。而是，可以结合其他行业实现和利用一个或多个实施例。
尽管本公开的各种实施例的具体特征可能在一些附图中示出而未在其他附图中示出，但这仅是为了方便。根据本公开的原理，可以结合任何其他附图的任何特征来参考和/或要求保护附图的任何特征。
本书面描述使用示例来公开实施例，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践实施例，包括制造和使用任何设备或***以及执行任何结合的方法。本公开的可专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差别的等效结构元件，则这些其他示例意图在权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种增材制造***，其特征在于，所述增材制造***包括：
粉末床；
至少一个能量源，所述能量源构造成产生至少一个能量束，所述至少一个能量束用于从所述粉末床形成部件的构建层；和
计算设备，所述计算设备通信地耦接到所述至少一个能量源，所述计算设备包括处理器和存储器设备，其中所述存储器设备存储被构造为使所述计算设备执行以下操作的指令：
执行用于制造所述部件的制造计划，所述制造计划包括用于制造所述部件的多个制造指令；
在所述制造计划的执行期间，接收在所述部件的制造期间与所述部件的至少一部分对应的部件热数据；和
响应于接收到所述部件热数据，控制所述至少一个能量束，以在所述部件的所述一部分内产生预定的微结构。
2.根据权利要求1所述的增材制造***，其特征在于，其中所述指令进一步使所述计算设备：
接收与所述部件对应的部件模型数据，所述部件模型数据对应于所述预定的微结构；和
通过将所接收到的所述部件模型数据应用于预测模型来生成所述制造计划，所述预测模型被构造为生成制造指令，以在所述部件的所述一部分内产生所述预定的微结构。
3.根据权利要求1所述的增材制造***，其特征在于，进一步包括至少一个热传感器，所述至少一个热传感器构造成收集所述部件热数据，其中所述计算设备通信地耦接到所述至少一个热传感器，并且所述指令进一步使所述计算设备接收来自所述至少一个热传感器的所述部件热数据。
4.根据权利要求3所述的增材制造***，其特征在于，其中所述至少一个热传感器包括红外传感器、近红外传感器和光电二极管传感器中的至少一个。
5.根据权利要求1所述的增材制造***，其特征在于，其中所述指令进一步使所述计算设备响应于接收到所述部件热数据，通过以下中的至少一个来控制所述至少一个能量束：
改变所述至少一个能量源的功率设置；
改变所述至少一个能量束的扫描方向；
改变所述至少一个能量束的扫描速度；
改变所述至少一个能量源和所述部件之间的距离；
在ON状态和OFF状态之间改变所述至少一个能量源；和
改变所述至少一个能量束的图案间距设置。
6.根据权利要求1所述的增材制造***，其特征在于，其中所述制造计划进一步包括热计划，所述热计划包括所述部件的一部分的至少一个目标温度值，所述至少一个目标温度值对应于在所述部件的制造期间的所述部件的一部分。
7.根据权利要求6所述的增材制造***，其特征在于，其中所述指令进一步使所述计算设备：
识别所述部件热数据与所述至少一个目标温度值之间的偏差；
生成构造为减少所述偏差的至少一个校正动作；和
执行所述至少一个校正动作。
8.根据权利要求7所述的增材制造***，其特征在于，其中所述指令进一步使所述计算设备基于所述至少一个校正动作来修改所述制造计划。
9.根据权利要求7所述的增材制造***，其特征在于，其中，所述至少一个目标温度值是至少一个内部目标温度值，所述部件热数据对应于所述部件的表面温度，并且所述指令进一步使所述计算设备：
通过将至少一个内部温度预测模型应用于所述部件热数据来确定所述部件的至少一个预测内部温度值；和
通过识别所述至少一个内部目标温度值和所述至少一个预测内部温度值之间的偏差来识别所述部件热数据和所述至少一个目标温度值之间的所述偏差。
10.根据权利要求2所述的增材制造***，其特征在于，其中所述部件热数据对应于熔池。
11.根据权利要求10所述的增材制造***，其特征在于，其中所述制造计划进一步包括熔池计划，所述熔池计划包括至少一个目标熔池特征。
12.根据权利要求11所述的增材制造***，其特征在于，其中所述指令进一步使所述计算设备：
基于所述部件热数据，确定所述熔池的至少一个熔池特征；
识别所述至少一个熔池特征与所述至少一个目标熔池特征之间的偏差；
生成构造为减少所述偏差的至少一个校正动作；和
执行所述至少一个校正动作。
13.根据权利要求12所述的增材制造***，其特征在于，其中所述指令进一步使所述计算设备将所述制造计划修改为包括所述至少一个校正动作。
14.根据权利要求12所述的增材制造***，其特征在于，其中所述至少一个熔池特征和所述至少一个目标熔池特征中的每一个是熔池长度、熔池宽度、熔池深度、熔池体积和熔池温度中的一个。
15.根据权利要求11所述的增材制造***，其特征在于，其中所述部件热数据对应于所述熔池的表面温度，并且所述指令进一步使所述计算设备通过将至少一个熔池预测模型应用于所述部件热数据来确定所述至少一个熔池特征。
16.一种使用增材制造***来制造部件的方法，其特征在于，所述增材制造***包括粉末床、至少一个能量源、和计算设备，所述至少一个能量源构造成产生至少一个能量束，所述至少一个能量束用于从所述粉末床形成部件的构建层，所述计算设备耦接到所述至少一个能量源，所述计算设备包括处理器和存储器设备，所述方法包括：
执行用于制造所述部件的制造计划，所述制造计划包括用于制造所述部件的多个制造指令；
在所述制造计划的执行期间，接收在所述部件的制造期间与所述部件的至少一部分对应的部件热数据；和
响应于接收到所述部件热数据来控制所述至少一个能量束，以在所述部件的所述一部分内产生预定的微结构。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，进一步包括：
接收与所述部件对应的部件模型数据，所述部件模型数据对应于所述预定的微结构；和
通过将所接收到的所述部件模型数据应用于预测模型来生成所述制造计划，所述预测模型被构造为生成制造指令，以在所述部件的所述一部分内产生所述预定的微结构。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，其中控制所述至少一个能量源包括以下中的至少一个：
改变所述至少一个能量源的功率设置；
改变所述至少一个能量束的扫描方向；
改变所述至少一个能量束的扫描速度；
改变所述至少一个能量源和所述部件之间的距离；
在ON状态和OFF状态之间改变所述至少一个能量源；和
改变所述至少一个能量束的图案间距设置。
19.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，其中所述制造计划进一步包括热计划，所述热计划包括所述部件的一部分的至少一个目标温度值，所述至少一个目标温度值对应于在所述部件的制造期间的所述部件的所述一部分的温度，所述方法进一步包括：
识别所述部件热数据与所述至少一个目标温度值之间的偏差；
生成构造为减少所述偏差的至少一个校正动作；和
执行所述至少一个校正动作。
20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，其中所述部件热数据的至少一部分对应于熔池，并且所述制造计划进一步包括熔池计划，所述熔池计划包括至少一个目标熔池特征，所述方法进一步包括：
基于所述部件热数据的所述一部分，确定所述熔池的至少一个熔池特征；
识别所述至少一个熔池特征与所述至少一个目标熔池特征之间的偏差；
生成构造为减少所述偏差的至少一个校正动作；和
执行所述至少一个校正动作。
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