本發(fā)明一般涉及加性制造，并且更具體地，涉及用于提供加性制造中的實時振動監(jiān)測的設(shè)備和方法。

加性制造是其中將材料逐層地建立(build up)以形成組件的過程。加性制造僅由機器的位置分辨率限制，而不由對于如由澆鑄所要求的提供拔模角度、避免懸垂等的要求來限制。加性制造也通過諸如“分層制造”、“反向加工”、“直接金屬激光熔融”(DMLM)和“3-D印刷”的術(shù)語來參考。為了本發(fā)明的目的，這類術(shù)語被看作是同義詞。

加性制造機器的一個常見的類型包括在激光熔合之前，將粉末材料施加在構(gòu)建表面之上的葉片狀重涂器。

這種機器中的構(gòu)建碰撞的常見的原因是重涂器葉片與正在構(gòu)建的工件之間的接觸，因為內(nèi)應(yīng)力建立引起工件翹曲或從支撐構(gòu)建板提起。關(guān)于這類機器的一個問題是，目前不存在監(jiān)測構(gòu)建過程期間的該應(yīng)力建立或工件與重涂器之間的接觸的嚴重程度的簡單的手段。

另一問題是，現(xiàn)有技術(shù)的加性制造過程通常要求構(gòu)建后的檢查過程，例如計算機化斷層掃描（“CT”），以驗證構(gòu)建的完整性。雖然有效，但這要求不合需要的額外的時間和成本，并且，消除在構(gòu)建期間進行校正動作的可能性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

通過在加性制造構(gòu)建過程期間監(jiān)測振動的方法而解決這些問題中的至少一個。

根據(jù)本文中所描述的技術(shù)的一個方面，提供用于監(jiān)測加性制造過程的方法，在該加性制造過程中,在重涂過程中沉積一層粉末材料，以便限定構(gòu)建表面，并且，定向能源用來選擇地熔合粉末材料以形成工件。該方法包括：測量通過重涂過程所生成的振動信號剖面（profile）；并且響應(yīng)于所測量的振動信號剖面而控制加性制造過程的至少一個方面。

根據(jù)本文中所描述的技術(shù)的一個方面，制作工件的方法包括：使用移動式重涂器來沉積粉末材料，以便限定構(gòu)建表面；定向來自定向能源的聚焦的能量束，以選擇地以與工件的截面層對應(yīng)的圖案熔合粉末材料；測量通過重涂器所生成的振動信號剖面；以及響應(yīng)于所測量的振動信號剖面而控制制作工件的至少一個方面。

本發(fā)明提供一組技術(shù)方案,如下:

1．一種監(jiān)測加性制造過程的方法，在加性制造過程中，在重涂過程中沉積一層粉末材料，以便限定構(gòu)建表面，并且定向能源用來選擇地熔合所述粉末材料以形成工件，所述方法包含：

測量通過所述重涂過程所生成的振動信號剖面；以及

響應(yīng)于所測量的振動信號剖面而控制所述加性制造過程的至少一個方面。

2．如技術(shù)方案1所述的方法，進一步包含將所測量的振動信號剖面與基線振動信號剖面比較。

3．如技術(shù)方案2所述的方法，其中，所述基線信號剖面表示已知良好的工件。

4．如技術(shù)方案2所述的方法，其中，控制的步驟包括響應(yīng)于所述振動信號剖面偏離基線剖面而進行離散的動作。

5．如技術(shù)方案4所述的方法，其中，所述離散的動作停止所述加性制造過程。

6．如技術(shù)方案1所述的方法，進一步包含將所測量的振動信號剖面與基線振動信號剖面比較和基于比較而識別工件中的缺陷。

7．如技術(shù)方案6所述的方法，進一步包含通過使用所述定向能源來熔融材料并且準許所述材料流入所述缺陷中并且填充所述缺陷來修復(fù)所述缺陷。

8．如技術(shù)方案7所述的方法，其中，所述材料是所述工件的先前熔合的部分。

9．如技術(shù)方案1所述的方法，其中，控制的步驟包括改變所述加性制造過程的至少一個過程參數(shù)。

10．如技術(shù)方案9所述的方法，其中，控制的過程參數(shù)包括如下中的至少一個：定向能源功率級、束掃描速度、束掃描圖案、束脈沖長度以及束脈沖頻率。

11．如技術(shù)方案1所述的方法，其中，通過重涂器臂在工作表面之上移動而沉積所述粉末，通過所述重涂器臂與所述粉末材料的相互作用而生成所述振動信號。

12．如技術(shù)方案1所述的方法，其中，使用安裝到用來執(zhí)行所述加性制造過程的機器的振動傳感器來測量所述振動信號剖面。

13．如技術(shù)方案1所述的方法，其中：

使用移動式重涂器臂來沉積所述粉末材料；以及

通過所述重涂器臂與所述粉末材料的相互作用而生成所述振動信號。

14．如技術(shù)方案1所述的方法，進一步包含以循環(huán)方式重復(fù)沉積和熔合的步驟來以逐層的方式建立所述工件。

附圖說明

可以通過參考結(jié)合附圖進行的下面的描述而最好理解本發(fā)明，其中：

圖1是示范性的加性制造設(shè)備的示意截面圖；

圖2是圖1的一部分的放大圖；

圖3是通過圖1的設(shè)備而構(gòu)建的翹曲的工件的放大圖；

圖4是通過圖1的設(shè)備而構(gòu)建的翹曲的工件的放大圖；

圖5是“已知良好的”工件構(gòu)建過程的基線振動信號剖面；

圖6是示出構(gòu)建過程期間的工件中的小的或剛出現(xiàn)的缺陷的振動信號剖面；以及

圖7是示出構(gòu)建過程期間的工件中的大的缺陷的振動信號剖面。

具體實施方式

參考附圖，其中相同參考數(shù)字在各個視圖中通篇表示相同元件，圖1示意圖示用于執(zhí)行加性制造方法的設(shè)備10?；窘M件是工作臺12、粉末供應(yīng)裝置14、刮板或重涂器(recoater)16、溢出容器18、由構(gòu)建室22所包圍的構(gòu)建平臺20、定向能源24和束導(dǎo)引設(shè)備26，全部由外殼28包圍。下面將更詳細描述這些組件的每個。

工作臺12是限定平面工作表面30的剛性結(jié)構(gòu)。工作表面30與虛擬工作平面是共面的并且限定虛擬工作平面。在所圖示示例中，它包括：構(gòu)建開口32，與構(gòu)建室22進行通信，并且暴露構(gòu)建平臺20；供應(yīng)開口34，與粉末供應(yīng)裝置14進行通信；以及溢出開口36，與溢出容器18進行通信。

重涂器16是剛性的橫向延長結(jié)構(gòu)，其位于工作表面30上。它連接到致動器38，其可操作以選擇地沿工作表面30移動重涂器16。以諸如氣動或液壓缸、滾珠絲杠或線性電致動器等的裝置可用于此目的的理解在圖1中示意描繪致動器38。

粉末供應(yīng)裝置14包含在供應(yīng)開口34下面并且與其進行通信的供應(yīng)容器40以及升降機42。升降機42是板狀結(jié)構(gòu)，其在供應(yīng)容器40內(nèi)是可垂直滑動的。它連接到致動器44，其可操作以選擇地向上或向下移動升降機42。以諸如氣動或液壓缸、滾珠絲杠或線性電致動器等的裝置可用于此目的的理解在圖1中示意描繪致動器44。當升降機42降低時，預(yù)期組成(例如金屬、陶瓷和/或有機粉末)的粉末“P”的供應(yīng)可裝載到供應(yīng)容器40中。當升降機42升高時，它將粉末P暴露在工作表面30上方。應(yīng)當領(lǐng)會，可以使用其他合適的形式和/或類型的粉末供應(yīng)裝置14。例如，粉末供應(yīng)裝置14可以定位于工作表面30上方，并且，包括使粉末以預(yù)定的流速下落至工作表面30上的粉末容器。

構(gòu)建平臺20是板狀結(jié)構(gòu)，其在構(gòu)建開口32下面是可垂直滑動的。它連接到致動器46，其可操作以選擇地向上或向下移動構(gòu)建平臺20。以諸如氣動或液壓缸、滾珠絲杠或線性電致動器等的裝置可用于此目的的理解在圖1中示意描繪致動器46。當構(gòu)建平臺20在構(gòu)建過程期間降低到構(gòu)建室22中時，構(gòu)建室22和構(gòu)建平臺20共同包圍和支承大量粉末P連同被構(gòu)建的任何組件。這種大量粉末通常稱作“粉末層”，以及這種特定類別的加性制造過程可稱作“粉末層過程”。

溢出容器18在溢出開口36下面并且與其通信，并且用作過量粉末P的貯存器。

定向能源24可包含任何已知裝置，其可操作以生成適當功率和其他操作特性的束，以便在構(gòu)建過程期間熔融和熔合金屬粉末，下面更詳細描述。例如，定向能源24可以是激光器。其他定向能源、例如電子束槍是激光器的適當備選方案。

束導(dǎo)引設(shè)備26可包括一個或多個電磁體、反射鏡、棱鏡和/或透鏡，并且提供有適當致動器，以及被布置,使得來自定向能源24的束“B”能夠聚焦成預(yù)期光點大小并且導(dǎo)引到與工作表面30一致的平面中的預(yù)期位置。為了方便的描述的目的，這個平面可稱作X-Y平面，以及與X-Y平面垂直的方向表示為Z方向(X、Y和Z是三個相互垂直的方向)。束B在本文中可稱作“構(gòu)建束”。

外殼28用來隔離和保護設(shè)備10的其他組件。它可提供有例如氮、氬或其他氣體或者氣體混合物的適當屏蔽氣體“G”的流(flow)。氣體G可作為靜態(tài)加壓體積或者作為動態(tài)流來提供。外殼28可分別提供有入口和出口端口48、50用于此目的。

使用上述設(shè)備的工件W的基本構(gòu)建過程如下。將構(gòu)建平臺20移動到初始高位置。構(gòu)建平臺20降低低于工作表面30所選層增量。層增量影響加性制造過程的速度和工件W的分辨率。作為示例，層增量可以為大約10至50微米(0.0003至0.002英寸)。粉末“P”然后沉積在例如構(gòu)建平臺20之上，供應(yīng)容器40的升降機42可升高以經(jīng)過供應(yīng)開口34來推送粉末，從而將它暴露在工作表面30上方。重涂器16跨工作表面移動，以便在構(gòu)建平臺20之上水平地散布升高的粉末P(被稱為"重涂過程")。當重涂器16從左到右通過時，任何過量粉末P經(jīng)過溢出開口36落入溢出容器18中。隨后，重涂器16可移回到起始位置。弄平的粉末P可稱作“構(gòu)建層”52，并且其暴露的上表面可稱作“構(gòu)建表面”54(參見圖2)。

定向能源24用來熔融被構(gòu)建的工件W的二維截面或?qū)?。定向能?4發(fā)射束“B”，以及束導(dǎo)引設(shè)備26用來按照適當圖案在暴露的粉末表面之上導(dǎo)引構(gòu)建束B的焦點“S”。包圍焦點S的粉末P的暴露層的小部分(在本文中稱作“熔池”56(在圖2中最好地看到))通過構(gòu)建束B加熱到允許它熔融、流動以及固結(jié)的溫度。作為示例，熔池56可以是大約100微米(0.004英寸)寬。這個步驟可稱作熔合粉末P。

構(gòu)建平臺20垂直向下移動層增量，以及按照類似厚度來施加另一層粉末P。定向能源24再次發(fā)射構(gòu)建束B，以及束導(dǎo)引設(shè)備26用來按照適當圖案在暴露的粉末表面之上導(dǎo)引構(gòu)建束B的焦點S。粉末P的暴露層通過構(gòu)建束B加熱到允許它在頂層內(nèi)并且與先前凝固的下層融合的溫度。

重復(fù)移動構(gòu)建平臺20、施加粉末P并且然后定向能量熔融粉末P的這個循環(huán)，直到整個工件W完成。

圖3更詳細地示出在上述的類型的粉末層中構(gòu)成的工件W。示范性的工件W包括通過水平壁62而互相連接的一對間隔開的垂直壁58、60。空腔64存在于垂直壁58、60之間，并且填充有粉末P；附加的粉末P存在于垂直壁58、60與構(gòu)建室22的側(cè)壁之間。工件W示為具有示范性的缺陷66（具體地，由高應(yīng)力區(qū)域引起的升高的部分和/或伸出部）。能夠使用該方法來檢測的缺陷的類型的非限制的示例包括工件W的翹曲、工件W從構(gòu)建平臺20的提起以及通過定向能源24而進行不均勻的熔融。該特定的缺陷66由翹曲（高應(yīng)力區(qū)域）引起，翹曲引起一部分的工件W位于構(gòu)建表面54上方。

可以將實時振動監(jiān)測過程合并至上述的構(gòu)建過程中。一般來說，振動監(jiān)測過程包括在重涂過程期間使用振動傳感器68（例如換能器或麥克風）來生成振動信號和監(jiān)測指示工件W中的缺陷的不規(guī)則的那些信號。振動傳感器68可以安裝在重涂器16（圖3）和/或工作臺12（圖4）或設(shè)備10的底盤上和/或安裝于其中，以便在重涂過程期間測量并且記錄振動信號。

在典型的重涂過程期間，重涂器16跨工作臺12的工作表面30而滑動，從而在構(gòu)建平臺20之上推動粉末，以形成將通過定向能源24而熔融的粉末的層增量。如果適當?shù)匦纬晒ぜ，則重涂過程是平穩(wěn)的，并且在由重涂過程所引起的振動的量中發(fā)生非常小的變化。然而，如果工件W經(jīng)歷翹曲，則工件W的部分可以向上地伸出，由此引起由重涂過程所引起的振動的量中的變化。

如圖3中所圖示，在最嚴重的情況下，工件W翹曲至一部分的工件W在構(gòu)建表面54上方在Z方向上伸出的程度。當重涂器16使粉末跨構(gòu)建平臺20而散布時，重涂器16與工件W接觸。在嚴重的情況下，這種接觸可能引起對工件W、重涂器16以及/或設(shè)備10的損傷。在工件W具有較小的翹曲程度時，或在定向能源24提供粉末的不均勻的熔融時，可能出現(xiàn)更微妙的情況。在這些情況下，當重涂器16使粉末跨構(gòu)建平臺20而散布時，工件W的上表面的起伏和/或突出部能夠引起由重涂過程所引起的振動中的變化。由于潤滑流,即使在工件W的上表面位于一層粉末下方時，這也是真的。用戶能夠通過監(jiān)測這些振動而確定是否未適當?shù)匦纬晒ぜ。

振動監(jiān)測過程使用“已知良好的”工件振動信號剖面作為比較以便提供振動信號分析。對于每個具體的構(gòu)建（不同的定大小和成形的工件），能夠形成新的信號剖面，用于比較。因而，可以針對構(gòu)建的每個增量層而形成基線信號剖面。進行這個操作,使得與缺陷相對的由于工件的具體的剖面而導(dǎo)致的振動中的變化被納入考慮。示出振動幅度與時間的已知良好的信號剖面的非限制的示例在圖5中示出。

當進行工件W的構(gòu)建過程時，振動傳感器68針對構(gòu)建的每個增量層而測量將記錄的振動信號。然后，針對每個構(gòu)建層而將這些振動信號與已知良好的信號剖面比較，以確定諸如工件W的翹曲的缺陷是否正在擴散（應(yīng)當領(lǐng)會，可以以任何合適的預(yù)定的層增量間隔記錄振動信號剖面）?？梢栽谕瓿蓸?gòu)建過程之后進行比較，作為檢查及質(zhì)量控制的手段。備選地，可以實時地進行比較。

如果缺陷處于其起始階段中或是微妙的，則可能出現(xiàn)如圖6中所示出的信號剖面的示例的信號剖面。如所示，出現(xiàn)小的尖峰或峰70，其指示小的缺陷正在改變振動剖面。備選地，如果出現(xiàn)嚴重的缺陷（例如，引起與重涂器16接觸），則可能出現(xiàn)如圖7中所示出信號剖面的示例的信號剖面，表明顯著的尖峰或峰72。

通過監(jiān)測每個構(gòu)建過程的振動信號剖面，并且將信號剖面與已知良好的信號剖面比較，能夠在構(gòu)建過程的早期階段檢測到構(gòu)建過程中的缺陷。這實現(xiàn)諸如如下的動作的校正動作的可能性：（1）在由于工件W與重涂器16之間的接觸而出現(xiàn)的對工件W、重涂器16和/或設(shè)備10的損傷之前，使構(gòu)建過程停止；（2）允許操作人員通過觀察信號尖峰，并且確定尖峰是否低于預(yù)定的振動閾值，來執(zhí)行構(gòu)建期間的質(zhì)量控制；以及（3）通過將構(gòu)建束B定向至工件W在缺陷之上，創(chuàng)建使材料重新熔融并且準許材料流動至缺陷中并且填充缺陷的熔池，使用設(shè)備10來修復(fù)缺陷。

除了上述的離散的動作之外或作為這些動作的備選方案，振動監(jiān)測過程可以用來提供能夠用來修改加性構(gòu)建過程的實時反饋。例如，如果檢查過程確定構(gòu)建造成缺陷，則可以改變諸如定向能源功率級、束掃描速度、束掃描圖案、束脈沖長度或束脈沖頻率的一個或多個過程參數(shù)，以使性能恢復(fù)標稱(nominal)或消除缺陷的來源。

上述的振動監(jiān)測過程還可以用作統(tǒng)計過程控制的計劃的一部分。具體地，檢查過程能夠用來識別過程中的變化的來源。然后，能夠在隨后的構(gòu)建中變更過程參數(shù)，以減少或消除變化的來源。

前面描述了用于加性制造過程的實時振動監(jiān)測過程。本說明書(包括任何所附權(quán)利要求書、摘要和附圖)中公開的所有特征和/或如此公開的任何方法或過程的所有步驟可組合在任何組合中，除了其中這類特征和/或步驟的至少一些是互斥的組合之外。

本說明書(包括任何所附權(quán)利要求書、摘要和附圖)中公開的每個特征可通過服務(wù)相同、等效或類似目的的備選特征來替代，除非另有明確規(guī)定。因而，除非另有明確規(guī)定，否則所公開的每個特征只是等效或類似特征的一般系列的一個示例。

本發(fā)明并不局限于前面(一個或多個)實施例的細節(jié)。本發(fā)明擴展本說明書(包括任何所附潛在新穎點、摘要和附圖)中公開的特征的任何新穎特征或者任何新穎組合或者擴展到如此公開的任何方法或過程的步驟的任何新穎步驟或者任何新穎組合。

部件列表

10 設(shè)備

12 工作臺

14 粉末供應(yīng)裝置

16 重涂器

18 溢出容器

20 構(gòu)建平臺

22 構(gòu)建室

24 定向能源

26 束導(dǎo)引設(shè)備

28 外殼

30 工作表面

32 構(gòu)建開口

34 供應(yīng)開口

36 溢出開口

38 致動器

40 供應(yīng)容器

42 升降機

44 致動器

46 致動器

48 入口

50 出口端口

52 構(gòu)建層

54 構(gòu)建表面

56 熔池

58 垂直壁

60 垂直壁

62 水平壁

64 空腔

66 缺陷

68. 振動傳感器

70. 峰

72. 峰