NO335040B1 - Fremgangsmåte for å forme en metallseksjon på et metallsubstrat - Google Patents

Abstract

I et direkte metallavsetningssystem som bygger opp et metallisk lag på et substrat for å bevege substratet i forhold til en laser i en metallisk pulvermatning, blir lasereffekten justert for etterfølgende lag ved å avføle sveisedammen i flere valgte punkter i hvert lag og justere effekten under etterfølgende lag for å opprettholde en sveisedam som tilsvarer det som ble oppnådd under avsetningen av et lavere, optimalt lag. Dette kompenserer for oppvarming av substratet som kommer fra avsetningen og som fører til økningen av damstørrelsen eller temperaturen i de høyere lag.

Description

Oppfinnelsen angår fremstilling av metalldeler ved direkte metallanbringelse av flere relativt tynne lag på et underliggende substrat og især et slikt system som styrer anbringelseseffekten som brukes ved å forme et lag basert på parametere generert under formasjonen av tidligere lag.

Fremstilling av tredimensjonale, metalliske komponenter vier enkeltlags-laserkledning blir først rapportert i 1978 av Breinan og Kær. US patent 4 323 756 til Brown m.fl. i 1982, beskriver en fremgangsmåte for produksjon av hurtigtørkende metallartikler av en nettform, som især finner anvendelse ved fremstilling av enkelte gassturbinmotorkomponenter som skiver og knivskarpe lufttetninger. Ifølge beskrivelsen blir flere tynne lag anbrakt ved å bruke en energistråle for å smelte hvert lag på et substrat. Energikilden som brukes kan være en laser eller en elektronstråle. Materialet som brukes ved praktiseringen av oppfinnelsen kan enten være et tråd- eller et pulvermateriale og dette materialet tilføres substratet på en slik måte at det passerer gjennom laserstrålen og smeltesveises til den smeltede del av substratet.

Disse fremgangsmåtene fører direkte metallanbringelse kan gjøre bruk av kommersielt tilgjengelige CNC-maskiner med flere akser for fremstilling av tredimensjonale komponenter. US-patentskrift 5 837 960 angår en fremgangsmåte og et apparat for å forme artikler fra materialer i partikkelform. Materialet smeltes av en laserstråle og anbringes på punkter langs en verktøybane for å danne en artikkel av ønsket form og dimensjon. Fortrinnsvis blir verktøybanen og andre parametere av anbringelsesprosessen etablert ved å bruke dataassistert design (CAD) og fremstillings-teknikker. En styreenhet som består av en digital datamaskin styrer bevegelsene av en anbringelsessone langs verktøybanen og gir kontrollsignaler for å justere apparatets funksjoner, for eksempel hastigheten ved hvilken anbringelseshodet, som leverer laserstrålen og fører til anbringelsessonen, beveger seg langsetter verktøybanen.

De fleste eksisterende teknikker er imidlertid basert på åpen sløyfeprosesser som krever enten betydelig mengde endelig maskinering for å oppnå en del med nøye dimensjonale toleranser. Kontinuerlige, korrigerende tiltak under fremstillingsprosessen er nødvendig for å kunne fremstille funksjonelle deler av nettform med nøye toleranser og akseptabel stressbelastning. Et lukket sløyfesystem som oppnår disse mål er beskrevet i US-patentskrift 6 122 564. Dette patent beskriver en laserassistert, datamaskinstyrt, direkte metallanbringelse eller DMD-system hvor etterfølgende lag av materialet blir påført et substrat for å fremstille et objekt eller et kledningslag.

I motsetning til tidligere fremgangsmåter er dette DMD-systemet forsynt med en tilbakemeldingsovervåkning for å styre dimensjonene og den generelle geometri av den fremstilte artikkel ifølge en CAD-beskrivelse. Anbringelsesverktøybanen genereres ved datamaskinassistert fremstilling (CAM)-system for CNC-maskinering med postbehandlingsprogramvare for anbringelse i stedet for programvare for fjerning, som ved konvensjonell CNC-maskinering. Et slikt tilbakemeldingsstyringssystem kan helt eliminere mellommaskineringen og redusere den endelige maskineringen betydelig.

US-patentskrift 6 518 541 beskriver et direkte metallavstøtningssystem som bruker en laser med en på/av-syklus og anordning for å styre prosessparametrene gjennom tilbakemelding for å vedlikeholde driftssyklusen innenfor det ønskede området. US-patentskrift 6 459 951 angår et DMD-system som bruker tilbakemeldingskontroll av systemparametrene for å opprettholde et konstant reservoar etter hvert som avsetningen fremskrider på et bestemt lag.

Disse tilbakemeldingsstyringssystemer forbedrer nøyaktigheten av hvert lag i flerlagsfremstillingen, men behandler ikke problemet med lag-til-lag-variasjoner som oppstår fra varming av substratet etter hvert som DMD-prosessen fremskrider.

Oppfinnelsen er rettet mot en flerlagsavsetningsprosess som bruker tilbake-meldingsstyring og et tilpasset system for å styre lasereffekten brukt under formasjonen av lag basert på parametere og et lag basert på parametere som avføles under formasjonen av tidligere lag.

Under avsetningen blir en viss andel av energien levert av laseren absorbert av substratet, hvilket øker substrattemperaturen. Gjentatt avsetning fører til en stadig økning i substrattemperaturen inntil den stabiliseres ved en bestemt verdi. På dette punkt er tapet av varme fra substratet maksimalt og følgelig vil ytterligere absorbering av laserenergi øke reservoartemperaturen og størrelsen. Økningen i størrelsen av reservoaret påvirker alvorlig avsetningsensartethet.

Oppfinnelsen er rettet mot et tilpasset system med lukket sløyfe hvor reservoar-størrelsen og temperaturen avføles ved å bruke et videobilde, eller alternativt et pyrometer og den avfølte verdi blir levert til en numerisk prosessor som justerer prosesslasereffekten for hvert lag. Justeringsalgoritmen opprettholder samme reservoarstørrelse eller temperatur på et bestemt punkt i hvert lag som størrelsen eller temperaturen for punktet i underliggende lag.

I en foretrukket utførelse av oppfinnelsen blir denne tilbakemeldingsmekanisme for lasereffekten brukt under avsetningen av det første lag som ligger over substratet, siden de termiske ledningsforhold og følgelig reservoartemperaturen for laget vil skille seg vesentlig fra verdiene for etterfølgende avsatte lag. For det andre lag, eller et høyere lag avhengig av designparametrene, blir et antall prøvepunktkoordinater valgt langs lagoverflaten. Antallet prøvepunkter avhenger av avsetningsområdet, delgeometrien og behandlingshastigheten av CPU som kjører algoritmen. Etter hvert som det andre lag eller et annet valgt lag blir avsatt, blir reservoarstørrelsen eller temperaturen for hvert prøvepunkt avfølt og lagret. Dette laget kan benevnes som "gyldne lag", siden verdiene for reservoarstørrelsen og temperaturen målt ved hvert prøvepunkt under avsetningen av dette laget, anses som målverdier for avsetningsparametrene ved tilsvarende prøvepunkt-koordinater i etterfølgende avsetningslag.

I en foretrukket utførelse blir reservoarbildet fanget ved forskjellige prøvepunkter under avsetningen av det gyldne lag ved hjelp av CCD-kameraer og hvert prøvepunkt reservoarstørrelse blir bestemt ved analyse av bildene. Ved verdier som lagres for hvert prøvepunkt blir så kategorisert som lave, middels eller høye punkter ifølge forskjellen mellom de enkelte reservoarstørrelser. En todimensjonal "områdematrise" blir så laget for verdien ved ethvert prøvepunkt ved å bruke forskjellen mellom de høye og lave punkter i billedstørrelsen. Uten å endre lasereffekten, blir deretter et neste lag avsatt og prøve-punktets reservoarbilder blir fanget. Bildestørrelsesmatrisen for dette lag blir beregnet og sammenliknet med matrisen for det foregående lag for å beregne en "lagvekf-matrise. Deretter blir dette lagets bildestørrelsesmatrise sammenliknet med bildestørrelsesmatrisen for det gyldne lag differansen beregnet. Forskjellige størrelse med området matrisen og tilsvarende vektverdi som ble valgt fra lagvektmatrisen for hvert prøvepunkt og en vektmatrise for lagkorreksjonsprøvepunktet blir etablert. Ved å påføre matrisen til det gyldne lags lasereffekt, blir en ny lasereffektverdi beregnet for det neste avsetningslag. Denne fremgangsmåte gjentas for hvert etterfølgende lag.

Som et resultat av denne fremgangsmåte blir reservoarstørrelsen for et bestemt X-Y-punkt på et lag kontrollert for best å nærme seg reservoarstørrelsen for punktet på det gyldne lag.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende under henvisning til tegningene, hvor figur 1 er et skjematisk riss av et direkte metallavsetningssystem for praktiseringen av oppfinnelsen, figur 2 er et riss av en typisk del som kan formes ved hjelp av fremgangsmåten og apparatet ifølge oppfinnelsen, figur 3 er et flytskjema over en foretrukket fremgangsmåte for å bruke oppfinnelsen, og figur 4 er et diagram av algoritmen som brukes i den foretrukne utførelse av oppfinnelsen.

En foretrukket utførelse av oppfinnelsen, som er vist skjematisk på figur 1, bruker et hode 10 som består av effektlaser og gassdrevet metallpulverdispenser for å produsere en sveisedam 14 ved et punkt på substrat 12. Apparatet er av en type som brukes i tidligere teknikk, som beskrevet i US-patentskrift 6 122 564. Tråd kan mates inn i laserstrålen som ett alternativ til å dispensere pulver og en elektronstråle kan brukes som et alternativ for laserstrålen. Uttrykket "laser" og "pulver" brukt her, skal anses å omfatte disse alternativene.

Substratet 12 blir beveget i forhold til hodet 10 av en CNC-styreenhet 16 over en programmert bane slik at sveisedammen følger banen langs substratet for å frembringe et metallag på substratet. Et par CCD-kameraer 18 og 20 er båret på maskinarbeidsbordet for å generere bilder av sveisedammen 14 fra motstående sider. Dette er nødvendig hvis sveisedammen er utformet på en slik måte at den blokkerer sikten fra ett av kameraene.

I alternative utførelser ifølge oppfinnelsen kan sveisedamtemperaturen måles av en eller flere pyrometre snarere enn å ta bilde av sveisedammen for å bestemme størrelsen. Sveisedamstørrelsen og temperaturen henger nøye sammen.

Utgangene fra kameraene 18 og 20 blir levert til et videobehandlingskort 22 som bruker videobehandlingsprogramvare 24 for å utføre operasjonene som heretter beskrevet. En grensesnittdriver 26 kopler videobehandlingsprogramvaren 24 til CNC-programvaren 28 som tilveiebringer drivsignaler til CNC-styreenheten 16 og sender et effektstyresignal gjennom ledningen 30 til laseren i hodet 10.

Figur 2 viser et typisk arbeidsstykke benevnt ved 32 som omfatter et underliggende metallsubstrat 34 med en DMD-avsatt del 36 dannet av flere lag på overflaten. Etter hvert som de innledende lag av det avsatte volum 36 blir formet, vil mye av den termiske energi fra laseren gå til oppvarming av det underliggende metallsubstrat 34. Etter hvert som avsetningen fortsetter når substratet når en maksimumstemperatur og deretter går ekstra lasereffekt til å smelte det pulveriserte metall i tidligere avsatte områder. Hvis konstantlasereffekt ble tilført hvert område, vil sveisedamstørrelsen begynne å vokse etter hvert som substratet 34 varmes opp og produserer et uregelmessig avsetningsmønster. Oppfinnelsen kompenserer for dette fenomen.

Den brede fremgangsmåte ifølge oppfinnelsen går ut på å velge en innledende lasereffekt basert på konvensjonelle empiriske vurderinger og avsette minst de første to lagene av seksjonen 36. Ingen målinger blir utført av damstørrelsen under avsetningen av det første lag, siden dets kontakt med substratet 34 frembringer termiske egenskaper som ikke ligner de som møtes ved avsetning av etterfølgende lag. Under avsetningen av det andre lag (eller alternativt et høyere lag, for eksempel det tredje lag, avhengig av metallurgien i substratet 34 i det avsatte segment 36), vil målinger utføres av sveisedamstørrelsen ved valgte koordinater etter hvert som avsetningen fremskrider. Disse verdiene blir lagret i videobehandlingsprogramvaren 24. Generelt vil målinger utføres av sveisestørrelsen ved de samme valgte koordinater etter hvert som etterfølgende lag blir formet og målinene av sveisestørrelsen ved et bestemt lag vil bli behandlet i forbindelse med de lagrede matriser som representerer sveisestørrelsene ved tidligere lag for å bestemme en passende lasereffekt for bruk ved avsetning av det neste lag. Disse effektjusteringene fra lag til lag er generelt ment å kompensere for virkningene av oppvarmingen av substratet på sveisedamstørrelsen.

Sveisedambildet er den grunnleggende inngang for styresystemet og inneholder temperaturinformasjon om sveisedammen. Sveisedammens temperaturinformasjon blir hentet fra sveisedambildet etter å ha bestemt bildelysnivået og dets område og blir kalt "sveisedamstørrelse". Ved å regulere lasereffekten, blir sveisedamstørrelsen kontrollert og følgelig sveisedamtemperaturen, slik at det fremkommer et lukket tilbakemeldingssystem. Systemet er selvlærende eller tilpassende ved at det foregående lags bildeinformasjon blir tilført fremtidige korrigeringer av lagets lasereffekt.

Hvert valgte koordinat har avsetningsgeometrien av hvert lag blir ansett som et eget prøvepunkt. Hvert prøvepunkt-koordinat kan ha en annen bildestørrelse på grunn av geometribegrensningene. Sveiserammens bildestørrelse for et punkt på et flatt under kan være forskjellig fra et punkt på en skråflate. Selv på et flatt underlag, vil en bildestørrelse for en sveisedam for en sammentrykket verktøybaneseksjon være forskjellig fra en kantkoordinert sveisedambildestørrelse. Tilpassede lukkede temperaturstyresystemet for sveisedammen vurderer alle de ovennevnte situasjoner for å gjøre det robust.

Figur 3 viser styrestrømmen av den foretrukne utførelse av det tilpassede, lukkede styresystem for sveisedamtemperaturen. Ved boks 50 intialiserer operatøren informasjonen. Disse omfatter prøvepunkt-koordinater på delgeometrien. Antallet prøvepunkter som vurderes avhenger av området av avsetning og behandlingshastigheten av CPU som kjører algoritmen. På en relativt stor, flat del, kan prøvepunkt koordinatene være ganske bredt anbrakt fra hverandre mens endringer i konturen av delen krever nærmere avstand mellom koordinatene.

MIN og MAX representerer koordinatene ved begynnelsen og slutten av prøvepunktene. INC representerer økningen mellom prøvepunktene. KCON er et styresystem som konstant er knyttet til matriseverdiene. PER1 er den innledende lasereffekt.

Etter å ha valgt disse innledende verdier, blir det første lag avsatt via innboksen 52. Dette laget som er i direkte kontakt med substratet 34 og ingen damstørrelsesmåling blir utført under dets avsetning. Deretter blir det andre lag, i boks 54, avsatt og sveisedambildet blir beregnet ved prøvepunktkoordinatene under denne avsetning. Dette laget blir kalt "det gyldne lag" siden informasjonen som samles under dette lag anses som den optimale løsning for tilsvarende prøvepunktkoordinater i fremtidige lag. Temperaturen av substratet under avsetningen av det gyldne lag anses å være minimalt sammenliknet med substrattemperaturen i fremtidig lag. Dette laget anses således som det beste avsetningslag. Sveisepunktbildet fanges ved forskjellige prøvepunkter ved å bruke CCD-kameraer 18 og 20 og hvert punkt sveisedamstørrelse blir bestemt av videobehandlingsprogramvaren 24.

Det gyldne lags prøvepunkt for sveisedambildestørrelser sammenliknes med hverandre og prøvepunktene kategoriseres som LAVE, MIDDELS eller HØYE punkter ifølge forskjellen i den individuelle størrelse. Dette utføres i boksen 54 og 56. Ved blokk 58 blir en OMRÅDE-matrise laget for lag 1, dvs. det gyldne lag. OMRÅDE-matrisen blir laget for LAVE, MIDDELS og HØYE punkter ved å bruke forskjellen mellom billedstørrelser av HØYE og LAVE punkter. LAV-punkts-OMRÅDE-matrisen vil ha kortere verdifordeling sammenliknet med HØY-punkts-OMRÅDE-matrisefordelingen. Etter at OMRÅDE-matrisen lages, fullføres beregningen for det innledende eller gyldne lag. Likningene og algoritmene som brukes for beregningen og de andre beregninger, er vist på figur 4. Deretter blir det neste lag avsatt uten å endre lasereffekten og prøvepunktets sveisedambilder blir fanget. Sveisedammatrisens størrelse blir beregnet som tidligere og dette lagets billedstørrelsematrise blir sammenliknet med det foregående lags billedstørrelsematrise og wlablir beregnet for å bruke likningen på figur 4. Det er vist i blokkene 60 og 62 på figur 3. Deretter blir lag nr. 2 sin billedstørrelsematrise i blokk 64 sammenliknet med det gyldne lags billedstørrelsematrise og forskjellen beregnet. Forskjellen i størrelse blir brukt med OMRÅDE-matrisen og tilsvarende vektverdier velges fra wl2a for hvert prøvepunkt og wt2p blir frembrakt ved å bruke likningen for trinn 3 på figur 4. Ved å bruke wt2p til det gyldne lags lasereffekt, pwei, blir en ny lasereffektverdi beregnet. Den nye lasereffekt blir satt ved lasergeneratoren 10 gjennom en analog signalforbindelse. Dette er vist i blokk 66. Prosessen av blokkene 60, 62, 64 og 66 blir gjentatt for etterfølgende lag inntil det siste lag er fullført og delen er ferdig.

Det vil fremgå at andre spesifikke likninger kan brukes for å oppnå det brede mål som er beskrevet her og som er definert i de vedlagte krav. Det vil også fremgå at direkte temperaturmålinger kan utføres for å bestemme sveisedamtemperaturen i stedet for at målingene baseres på sveisedamstørrelsen.

Claims (13)

1. Fremgangsmåte for å forme en metallseksjon på et metallsubstrat, omfattende å avsette flere overliggende lag ved å bruke en laser som genererer en varm stråle og en pulverisert metallkilde som mater metallpulver inn i strålen og beveger substratet i forhold til strålen under numerisk kontroll over en programmert bane for å tilveiebringe en avansert smeltedamkarakterisert vedå avføle parametere i smeltedammen ved flere valgte koordinater under generering av flere metallag, lagre de avfølte parametere av dammen ved hver av de valgte koordinater og behandle de lagrede parametere for å bestemme en passende lasereffekt for bruk under avsetningen av et etterfølgende lag.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat behandlingen av de lagrede parametere omfatter sammenlikning av en matrise av de avfølte parametere lagret under formasjonen av det siste laget avsatt med matrisen av de avfølte parametere av et tidligere avsatt lag for å bestemme en passende lasereffekt under avsetningen av det neste lag.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2,karakterisert vedat det tidligere avsatte lag består av det andre lag avsatt over substratet.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat de avfølte parametere av dammen omfatter dimensjonen av dammen.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat de avfølte parametere av dammen omfatter dammens optiske intensitet.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat de avfølte parametere av dammen omfatter dimensjonene av dammen og dammens optiske intensitet.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat de avfølte parametere av smeltedammen omfatter temperaturen av smeltedammen.

8. Fremgangsmåte ifølge ett av de foregående krav for å forme en metallseksjon av et metallsubstrat,karakterisert vedå avsette flere overliggende lag ved å bruke en kraftkilde som genererer en varmestråle og en metallkilde som mater metallpulver inn i strålen og beveger substratet i forhold til strålen over seksjonen for å tilveiebringe en fremflyttende smeltedam som omfatter avføling av parametere av smeltedammen ved flere valgte koordinater under generering av flere metallag, lagret i de lagrede parametere av dammen ved hver av koordinatene og behandle de lagrede parametere for å bestemme et passende lasereffektforbruk under avsetningen av et etterfølgende lag.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 8,karakterisert vedat kraftkilden er en laser.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 8,karakterisert vedat kraftkilden er en elektronstråle.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 10,karakterisert vedat effektstrålenivået holdes konstant under generering av hvert lag.

12. Fremgangsmåte ifølge ett av de foregående krav for å forme en metallseksjon av et metallsubstrat,karakterisert vedå avsette flere overliggende lag ved hjelp av en varmestråle og en pulverisert metallkile som mater metallpulver inn i strålen og beveger substratet i forhold til strålen under numerisk kontroll over en programmert bane for å tilveiebring en strømflytende smeltedam som omfatter å avsette et første lag i kontakt med substratet ved å bruke en første varmestråleeffekt, å avsette et andre lag over det første lag ved å bruke samme varmestråleeffekt brukt i det første lag og avføle parametere av smeltedammen ved flere valgte koordinater under generering av det andre lag, å avsette et tredje lag ved å bruke samme varmestråleeffekt som brukes i de to første lag og avfyller parametere av smeltedammen ved de valgte koordinater under generering av det tredje lag, og å bruke de lagrede parametere av smeltedammen under generering av andre og tredje lag for å bestemme en passende varmestråleeffekt for bruk under avsetning av etterfølgende lag.

13. Fremgangsmåte ifølge krav 12,karakterisert vedat når hvert etterfølgende lag er avsatt, blir parametrene av smeltedammen avfølt ved flere valgte koordinater og brukt sammen med tidligere lagrede, avfølte parametere for å bestemme varmestråle-effekten for de etterfølgende lag.