本發明大體涉及添加式制造，并且更特別地，涉及用于添加式制造中的氣體流監測和工藝控制的設備和方法。

背景技術：

添加式制造是材料一層一層建造以形成構件的工藝。添加式制造主要受到機器的位置分辨率的限制，而不受提供斜度、避免懸垂等(像鑄造所需要的那樣)的要求的限制。添加式制造也由諸如“分層制造”、“反向加工”、“直接金屬激光熔化”(dmlm)和“3d打印”等用語表示。本發明認為這樣的用語是同義詞。

一種類型的添加式制造機器被稱為“粉末床”機器，并且包括建造腔室，建造腔室包圍一定質量的粉末，用激光選擇性地熔合該一定質量的粉末，以形成工件。建造腔室封閉在殼體中，殼體典型地包括在其中提供保護氣體流。保護氣體用來熱傳遞離開功率床的表面的熱，以防止蒸發的粉末在工件的表面上冷凝，以及控制不合需要的化學反應，諸如氧化。

關于現有技術的添加式制造機器的一個問題在于，氣體流率可能太高或太低。如果氣體流速度太高，則它可干擾建造腔室中的粉末，從而打斷建造工藝。如果氣體流速度太低，則它將提供不充分的熱傳遞和蒸氣移除，從而在成品工件中產生顯著較差的表面粗糙度。

關于現有技術的添加式制造機器的另一個問題在于，氣體流速度在建造腔室的表面上會改變。特別地，氣體流在經過表面時減速，因為有常壓力和摩擦損耗。速度在垂直于流的方向上還可能是不一致的。由于這個變化，氣體流率在一個位置上可能是合意的，但在另一個位置上又太高或太低。

技術實現要素：

用監測添加式制造工藝中的氣體流且響應于氣體流而控制工藝的方法來解決這些問題中的至少一個。

根據本文描述的技術的一方面，提供一種用于控制添加式制造工藝的方法，其中，在存在氣體流的情況下，使用定向能量源選擇性地熔合粉狀材料，以形成工件。方法包括：使用至少一個氣體流傳感器來產生至少一個氣體流測量值；以及響應于至少一個氣體流測量值，而控制添加式制造工藝的至少一個方面。

根據本文描述的技術的另一方面，提供一種用于制作工件的方法，包括：使粉狀材料淀積在設置在殼體中的建造腔室中，同時使用聯接成與殼體處于流體連通的氣體流設備來在粉末上面提供氣體流；在存在氣體流的情況下，引導來自定向能量源的建造射束以對應于工件的橫截面層的型式選擇性地熔合粉末材料；使用至少一個氣體流傳感器來產生至少一個氣體流測量值；以及響應于至少一個氣體流測量值來控制制作工件的至少一個方面。

技術方案1.一種控制添加式制造工藝的方法，其中，在存在氣體流的情況下，使用定向能量源選擇性地熔合粉狀材料，以形成工件，所述方法包括：

使用至少一個氣體流傳感器來產生至少一個氣體流測量值；以及

響應于所述至少一個氣體流測量值，而控制所述添加式制造工藝的至少一個方面。

技術方案2.根據技術方案1所述的方法，其特征在于，所述氣體流測量值是氣體流率或氣體速度。

技術方案3.根據技術方案1所述的方法，其特征在于，所述控制步驟包括響應于所述至少一個氣體流測量值超過一個或多個預定氣體流極限而采取離散的動作。

技術方案4.根據技術方案2所述的方法，其特征在于，所述預定氣體流極限包括兩個或更多個間隔開的氣體流傳感器之間的最大差。

技術方案5.根據技術方案1所述的方法，其特征在于，所述控制步驟包括改變所述添加式制造工藝的至少一個工藝參數。

技術方案6.根據技術方案5所述的方法，其特征在于，所述至少一個工藝參數包括氣體流率。

技術方案7.根據技術方案1所述的方法，其特征在于，至少一個氣體流傳感器在建造表面上的預定最小流位置處進行測量。

技術方案8.根據技術方案1所述的方法，其特征在于，受控的工藝參數包括下者中的至少一個：定向能量源的功率水平和射束掃描速度。

技術方案9.根據技術方案1所述的方法，其特征在于，受控的工藝參數包括粉末層厚度。

技術方案10.根據技術方案1所述的方法，其特征在于，所述方法進一步包括使用工藝傳感器監測至少一個工藝方面，作為所述至少一個氣體流傳感器的補充。

技術方案11.根據技術方案10所述的方法，其特征在于，所述工藝方面包括下者中的至少一個：熔池大小、熔池電磁發射量和熔池聲發射量。

技術方案12.一種制作工件的方法，包括：

使粉狀材料淀積在設置在殼體中的建造腔室中，同時使用聯接成與所述殼體處于流體連通的氣體流設備來在所述粉末上面提供氣體流；

在存在所述氣體流的情況下，引導來自定向能量源的建造射束以對應于所述工件的橫截面層的型式選擇性地熔合所述粉狀材料；

使用至少一個氣體流傳感器來產生至少一個氣體流測量值；以及

響應于所述至少一個氣體流測量值，而控制制作所述工件的至少一個方面。

技術方案13.根據技術方案12所述的方法，其特征在于，所述方法進一步包括循環地重復淀積和熔化的步驟，以一層一層地建造所述工件。

技術方案14.根據技術方案12所述的方法，其特征在于，所述氣體流測量值是氣體流率或氣體速度。

技術方案15.根據技術方案13所述的方法，其特征在于，所述控制步驟包括響應于所述至少一個氣體流測量值超過一個或多個預定氣體流極限而采取離散的動作。

技術方案16.根據技術方案15所述的方法，其特征在于，所述預定氣體流極限包括兩個或更多個間隔開的氣體流傳感器之間的最大差。

技術方案17.根據技術方案12所述的方法，其特征在于，至少一個氣體流傳感器在所述殼體內的表示建造表面上的最小氣體流的預定位置處進行測量。

技術方案18.根據技術方案12所述的方法，其特征在于，所述控制步驟包括改變所述添加式制造工藝的至少一個工藝參數。

技術方案19.根據技術方案18所述的方法，其特征在于，所述至少一個工藝參數包括氣體流率。

技術方案20.根據技術方案18所述的方法，其特征在于，受控的工藝參數包括下者中的至少一個：定向能量源的功率水平和射束掃描速度。

技術方案21.根據技術方案18所述的方法，其特征在于，受控的工藝參數包括粉末層厚度。

技術方案22.根據技術方案12所述的方法，其特征在于，所述方法進一步包括使用工藝傳感器來監測至少一個工藝方面，作為所述至少一個氣體流傳感器的補充。

技術方案23.根據技術方案22所述的方法，其特征在于，所述工藝方面包括下者中的至少一個：熔池大小、熔池電磁發射量和熔池聲發射量。

技術方案24.根據技術方案12所述的方法，其特征在于：

所述氣體流設備包括入口導管，所述入口導管聯接到所述殼體上，并且定位在所述建造腔室的前緣附近；

所述氣體流設備包括返回導管，所述返回導管聯接到所述殼體上，并且定位在所述建造腔室的后緣附近，所述后緣與所述前緣間隔開；以及

使用設置在所述前緣和所述后緣中的至少一個附近的成陣列的間隔開的氣體流傳感器來測量氣體流。

技術方案25.根據技術方案12所述的方法，其特征在于：

所述氣體流設備包括入口導管，所述入口導管聯接到所述殼體上，并且定位在所述建造腔室的前緣附近；

所述氣體流設備包括返回導管，所述返回導管聯接到所述殼體上，并且定位在所述建造腔室的后緣附近，所述后緣與所述前緣間隔開；以及

使用設置在所述殼體外部的氣體流設備中的氣體流傳感器來測量氣體流。

附圖說明

參照結合附圖得到的以下描述，可最佳地理解本發明，其中：

圖1是示例性添加式制造機器的部分地剖開的示意性正視圖；

圖2是圖1的機器的部分地剖開的示意性側視圖；以及

圖3是圖1的機器的部分地剖開示意性俯視圖。

部件列表

10機器

12工作臺

14粉末供應

16再涂器

18溢流容器

20建造平臺

22建造腔室

24能量源

26操縱設備

28殼體

30工作表面

32建造開口

34供應開口

36溢流開口

38促動器

40供應容器

42升降機

44促動器

46促動器

52焊池

54設備

56風扇

58過濾器

60上入口導管

62下入口導管

64返回導管

66氮發生器

68缸體

70前緣

72后緣

74氣體流傳感器

76氣體流傳感器

78氣體流傳感器

80氣體流傳感器

82工藝傳感器。

具體實施方式

參照附圖，其中，相同標號在各圖中表示相同元件，圖1示意性示出適合執行添加式制造方法的添加式制造機器10。機器10的基本構件包括工作臺12、粉末供應14、再涂器16、溢流容器18、被建造腔室22包圍的建造平臺20、定向能量源24和射束操縱設備26，它們全部都被殼體28包圍。將在下面更詳細地描述這些構件中的各個。

工作臺12是剛性結構，它限定平坦工作表面30。工作表面30與虛擬工作平面共面且限定虛擬工作平面。在示出的示例中，工作表面30包括與建造腔室22連通且暴露建造平臺20的建造開口32、與粉末供應14連通的供應開口34，以及與溢流容器18連通的溢流開口36。

再涂器16是剛性的沿側向伸長的結構，它位于工作表面30上。它連接到促動器38上，促動器可運行來沿著工作表面30選擇性地移動再涂器16。在圖1是示意性地描繪促動器38，了解到為此可使用諸如氣動或液壓缸體、滾珠絲杠或線性電促動器等的裝置。

粉末供應14包括在供應開口34下方且與其連通的供應容器40，以及升降機42。升降機42是板狀結構，其可沿豎向在供應容器40內滑動。它連接到促動器44上，促動器44可運行來選擇性地上下移動升降機42。在圖1中示意性地描繪促動器44，了解到為此可使用諸如氣動或液壓缸體、滾珠絲杠或線性電促動器的裝置。當升降機42下降時，具有期望成分的粉末“p”供應(例如，金屬、陶瓷和/或有機粉末)可裝載到供應容器40中。當升降機42上升時，它使粉末p在工作表面30上方暴露。可使用其它類型的粉末供應；例如粉末可通過高架裝置(未顯示)掉落到建造腔室22中。

建造平臺20是板狀結構，它可沿豎向在建造開口32內滑動。它連接到促動器46上，促動器46可運行來選擇性地上下移動建造平臺20。在圖1中示意性地描繪促動器46，了解到為此可使用諸如氣動或液壓缸體、滾珠絲杠或線性電促動器等的裝置。當建造平臺20在建造工藝期間下降到建造腔室22中，建造腔室22和建造平臺20共同包圍和支承一定量的粉末p以及正在建造的任何構件。這個一定量的粉末大體稱為“粉末床”，而且這個特定類別的添加式制造工藝可稱為“粉末床工藝”。

溢流容器18在溢流開口36下方且與其連通，并且充當多余粉末p的貯藏室。

定向能量源24可包括可運行來產生適當的功率射束和其它運行特性，以在建造工藝期間熔化和熔合粉末p(在下面更詳細地描述)的任何裝置。例如，定向能量源24可為激光器。諸如電子射束槍的其它定向能量源是激光器的適當備選方案。

射束操縱設備26可包括一個或多個反射鏡、棱鏡和/或透鏡，且設有適當的促動器，而且布置成使得來自的定向能量源24的射束“b”可集中到期望的點大小，并且操縱到與工作表面30重合的平面上的期望位置。為了方便描述，這個平面可稱為x-y平面，而且垂直于x-y平面的方向表示為z-方向(x、y和z是三個相互垂直的方向)。射束b在本文可稱為“建造射束”。

使用上面描述的設備來建造工件w的示例性基本工藝如下。建造平臺20移動到初始高位置。建造平臺20下降到工作表面30下方達選定的層增量。所述層增量會影響添加式制造工藝的速度和工件w的分辨率。作為示例，所述層增量可為大約10至50微米(0.0003至0.002英寸)。然后粉末“p”淀積在建造平臺20上面，例如，供應容器40的升降機42可上升，以將粉末推過供應開口34，從而使其暴露在工作表面30上方。再涂器16移動經過工作表面，以使升起的粉末p水平地散布在建造平臺20上。在再涂器16從左到右經過時，任何多余粉末p通過溢流開口36掉落到溢流容器18中。然后，再涂器16可移動回到起始位置。水平粉末p可稱為“建造層”，而其暴露的上表面可稱為“建造表面”。

定向能量源24用來熔化正在建造的工件w的二維橫截面或層。定向能量源24發射射束“b”，并且射束操縱設備26用來以合適的型式操縱建造射束b在暴露粉末表面上面的焦點。粉末p的包圍焦點的小部分暴露層在本文稱為“焊池”52(在圖2中最佳地看到)，它被建造射束b加熱到允許其燒結或熔化、流動和凝固的溫度。作為示例，焊池52可為大約100微米(0.004英寸)寬。這個步驟可稱為熔化粉末p。

建造平臺20沿豎向向下移動達所述層增量，并且以相似的厚度應用另一層粉末p。定向能量源24再次發射建造射束b，并且射束操縱設備26用來以合適的型式操縱建造射束b在暴露粉末表面上面的焦點。粉末p的暴露層被建造射束b加熱到允許其在頂層內燒結或熔化、流動和與下面的之前固化的層與凝固在一起的溫度。

這個移動建造平臺20，應用粉末p，然后使定向能量熔化粉末p的循環重復，直到整個工件w完成為止。

機器10及其運行是“粉末床機器”的代表性示例。將理解的是，這里描述的原理適用于其它構造的粉末床機器。

殼體28用來隔離和保護機器10的其它構件。在上面描述的建造工藝期間，對殼體28提供合適的保護氣體流，除了其它功能之外，其從建造環境中排除氧。為了提供這個流，機器10可聯接到氣體流設備54上，如在圖2中看到的那樣。示例性氣體流設備54包括處于連續流體流連通的可變速風機56、過濾器58、相應地與殼體28連通的上入口導管60和下入口導管62，以及與殼體28連通的返回導管64。氣體流設備54的所有構件都與適當的導管互連，并且與殼體28共同限定氣體流回路。

所使用的氣體成分可類似于用作用于傳統焊接操作的保護氣體的成分。例如，可使用諸如氮、氬或者它們的混合物的氣體。可使用任何方便的氣體源。例如，如果氣體為氮，則傳統的氮發生器66可連接到氣體流設備54上。備選地，可使用一個或多個加壓缸體68來供應氣體。

一旦氣體流設備54和機器10最初被氣體吹掃，就使用風機56以基本閉環的方式使氣體再循環通過氣體流回路，以便保持上面描述的正壓力，如果需要就添加額外添加的補償氣體。提高風機速度會提高氣體流回路中的氣體的速度和流率；相反，降低風機速度會降低氣體流回路中的氣體的速度和流率。作為再循環的備選方案，氣體流設備54可在總損耗模式中運行；例如氣體不是流過返回導管64和回到風機56，氣體可只是在經過建造腔室22之后排到大氣中。在示出的示例中，氣體的熱質量提供熱傳遞功能，但是可選的熱交換器(未顯示)可結合到氣體流設備54中。

上入口導管60定位在殼體28的頂部附近。在運行期間，它提供第一氣體流或流(參見箭頭“g1”)，以使顆粒保持遠離射束操縱設備26和機器10的其它可選構件。

下入口導管62定位在殼體28的底部附近。在運行期間，它提供區段氣體流或流(參見箭頭“g2”)。如在圖1中看到的那樣，下入口導管62具有伸長形狀(例如長方形)，并且在建造腔室22的寬度上排出氣體。為了參照，可認為建造腔室22的寬度平行于“x”方向。如圖3中顯示的那樣，建造腔室22的最接近上入口導管62的邊緣稱為“前緣”70，而相對的平行邊緣稱為“后緣”72。為了參照，可認為建造腔室的長度(即，從前緣70到后緣72的距離)平行于“y”方向。

第二氣體流w2具有兩個功能。第一，它用來實現熱傳遞，并且將熱攜帶遠離建造腔室22內的最上面建造的層的表面。第二，在建造工藝期間，一些粉末p蒸發。這個蒸氣可冷卻且在工件w的表面上冷凝，進而產生不合乎需要的表面粗糙度或“重鑄”層。第二氣體流g2的一部分用來帶走蒸氣和/或冷凝物。

已經展現了氣體流速度在建造腔室22的表面上改變。特別地，氣體流在平行于y方向經過表面時減速，因為有常壓力和摩擦損失。它在x方向上也可為不一致的。而且，隨著時間的推移，過濾器58可被碎屑堵塞，從而使氣體流率相對于其預期值降低。

不恰當或不一致的氣體流是不合需要的。如果氣體流速度太高，它可干擾建造腔室22中的粉末。如果氣體流速度太低，它將提供不充分的熱傳遞和蒸氣移除，從而產生顯著較差的表面粗糙度。

機器10設有至少一個氣體流傳感器。可使用可運行來產生表明氣體流測量值的信號的任何類型的傳感器。如本文使用，“氣體流測量值”指的是量化氣體流的任何測量值。氣體流測量值的示例包括(但不限于)速度、動態壓力、體積流率或質量流率。氣體流傳感器的非限制性示例包括機械或固態風速計(例如熱線風速計、音速風速計或激光多普照勒風速計)、皮托管或其它基于壓差的裝置，或者可運行來量化流的傳感器的組合(例如速度-密度系統)。

氣體流傳感器或多個氣體流傳感器可如需要的那樣定位，以針對特定應用恰當地監測氣體流。圖3中顯示了若干示例，例如，氣體流傳感器74可置于殼體28的外部，置于氣體流設備54的管道系統中。這將容許氣體流傳感器74檢測流率。備選地，一個或多個氣體流傳感器可置于殼體28的外部，置于建造腔室22上方。例如，顯示了示出的氣體流傳感器76位于已知具有最低流率或流速的預定位置上，例如在后緣72附近以及在建造腔室22的右邊。作為另一個示例，顯示了成陣列的氣體流傳感器78在上入口導管62上間隔開，而且顯示了成陣列的氣體流傳感器80在返回導管64上間隔開。提供任一陣列或兩個陣列將容許相對于x-方向對氣體流進行位置“映射”。

在運行機器10時，所需氣體流率高度地依賴于工藝。這主要是因為不同工藝的熱輸入是可變的。例如，粉末合金成分粉末層增量、激光功率水平和掃描速度全部都會影響熱輸入速率。

因此，控制氣體流率不像對于所有建造都設定非常高的氣體流率那樣簡單。雖然這在物理上可能是可行的，但對于這種工藝是有缺點的。保護氣體可為昂貴的；因此合乎需要的是使用最小足夠流率。但是，不可確定最小流率，除非可測量實際流。因此，氣體流監測工藝可結合到上面描述的建造工藝中。大體地說，監測工藝包括使用上面描述的氣體流傳感器來監測氣體流，然后如需要的那樣調節一個或多個工藝參數。如本文使用，“工藝參數”可表示機器10和/或氣體流設備54的任何可控方面。

監測方法可包括建立氣體流測量值的一個或多個預定極限，在本文稱為“氣體流極限”，例如：最小流、最大流，或者兩個或更多個間隔開的傳感器之間的最大流差。

監測方法可包括響應于超過一個或多個氣體流極限而采取離散的動作，諸如對本地或遠程操作者提供或視覺或可聽警告。

監測方法可包括響應于超過一個或多個氣體流極限而停止建造工藝。這是離散的動作的另一個示例。

監測方法可包括使用諸如下者的方法實時地控制一個或多個工藝參數：統計工藝控制、前饋控制、使用比例、比例-積分或比例-積分-微分控制邏輯的反饋控制、神經網絡控制算法，或模糊邏輯控制算法。

作為示例，可使用初始氣體流率來啟動建造工藝。在建造工藝期間，氣體流傳感器將用來測量建造腔室22上的氣體流率。測得的氣體流率將與基于特定工件和機器參數(例如材料、激光功率等)建立的預定最小氣體流率比較，如果在建造工藝期間，測得的氣體流率下降到小于預定最小值，則風機速度將提高，以提高氣體流率。

監測方法可包括監測機器10和/或氣體流設備54的狀態或“狀況”。可在建造循環期間測量和存儲氣體流測量值且在各循環之間比較它們。例如，各循環之間下降的氣體流率可表明過濾器58堵塞，或者氣體流傳感器78之間突然出現變化表明下入口導管62的一個部分阻塞。校正行動可呈機器維護或修理的形式，或者在建造之后修改工藝參數，以補償機器退化。

來自氣體流傳感器的數據可與一個或多個其它工藝傳感器結合起來使用，諸如，光電二極管、高溫計、聲學傳感器、攝像機或分光計。可測量的工藝方面的示例包括(但不限于)熔池大小、熔池電磁發射量和熔池聲發射量。來自工藝傳感器的信息可用作統計工藝控制或工藝的反饋控制的額外數據源，如上面描述的那樣。在圖1中示意性地顯示一般工藝傳感器82。

可通過例如在嵌在一個或多個裝置中(諸如可編程邏輯控制器(“plc”)或微型計算機(未顯示))的一個或多個處理器上運行軟件來控制上面描述的設備(包括機器10和氣體流設備54)的運行。這樣的處理器可聯接到傳感器和運行構件上，例如，通過有線或無線連接。相同的處理器或多個處理器可用來讀取和分析傳感器數據，以實現統計分析和反饋控制。

本文描述的方法具有優于現有技術的幾個優點。特別地，方法允許提供一致、充分的氣體流，同時最大程度地減少氣體流。這具有減少工件變化和廢品率、改進部件品質和監測機器10的狀況的潛力。

前述已經描述了用于在添加式制造工藝中監測氣體流的設備和方法。此說明書(包括任何所附權利要求、摘要和附圖)中公開的所有特征以及/或者像這樣公開的任何方法或工藝的所有步驟可按任何組合結合，除了至少一些這樣的特征和/或步驟相互排斥的組合。

此說明書(包括任何所附權利要求、摘要和附圖)中公開的各個特征可由用于相同、相等或相似目的的備選特征代替，除非另有明確的陳述。因而，除非另有明確的陳述，公開的各個特征僅僅是普通的一系列等效或相似特征的一個示例。

本發明不局限于前述實施例(一個或多個)的細節。本發明可擴展到此說明書(包括任何伴隨的潛在的新穎點、摘要和附圖)中公開的任何新穎的特征或者任何新穎的特征組合，或者像這樣公開的任何方法或工藝的任何新穎的步驟或任何新穎的步驟組合。