CN106976231A - 用于校准激光加性制造过程的新颖方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在激光加性制造过程中校准激光器头或扫描仪头的延时设置的方法。更具体地，本发明涉及在激光扫描过程的跑进和跑出期间校准延时设置。

Description

用于校准激光加性制造过程的新颖方法
技术领域
本发明在用于制造对象的基于激光的加性制造过程的领域中。特别地，本发明涉及一种在构建过程期间校准激光器和扫描仪延时，特别是激光器扫描开始和停止的过程。该新颖的校准过程将减小操作者变化并使得扫描过程标准化，从而导致复杂几何对象的更精确的制造。
背景技术
与减性(subtractive)制造方法形成对照，加性制造(AM)过程通常涉及一个或多个材料的积聚，其用来制作净形或者近净形(NMS)对象。虽然“加性制造”是工业标准术语(ASTM F2792)，但是AM囊括在多种名称下已知的各种制造和原型制作技术，包含自由成型制作、3D印刷、快速原型制作/加工等。AM技术能够根据各种各样的材料来制作复合组件。通常，独立对象能够根据计算机辅助设计(CAD)模型来制作。一种特定类型的AM过程使用能量束、例如电子束或电磁辐射(例如激光束)来烧结或熔融粉末材料，从而创建固体三维对象，其中粉末材料的微粒结合在一起。例如工程塑料、热塑弹性体、金属和陶瓷的不同材料系统被使用。激光烧结或熔融是一种用于功能原型和工具的快速制作的著名AM过程。应用包含复杂加工件、熔模铸造的图案、注射模塑和拉模铸造的金属铸型以及砂型铸造的铸型和型芯的直接制造。用来增强设计周期期间的概念的传递和测试的原型对象的制作是AM过程的其他的常见使用。
选择性激光烧结、直接激光烧结、选择性激光熔融和直接激光熔融是用来表示通过使用激光束烧结或熔融细粉来产生三维(3D)对象的常见工业术语。例如，美国专利号4863538和美国专利号5460758描述常规激光烧结技术。更准确来说，烧结需要在低于粉末材料的熔点的温度下熔合(凝聚)粉末的微粒，而熔融需要完全熔融粉末的微粒，以形成固体均质体。与激光烧结或激光熔融关联的物理过程包含到粉末材料的热传递，并且然后烧结或熔融粉末材料。虽然激光烧结和熔融过程能够应用于宽范围的粉末材料，但是尚未充分理解生产路线(route)的科学和技术方面、例如烧结或熔融速率以及在层制造过程期间的处理参数对微结构演进的影响。这种制作方法伴随有热、质量和动量传递的多种模式以及使过程极为复杂的化学反应。
图1是示出示范常规激光加性制造系统100的截面图的示意图。设备100通过使用由源、例如激光器120所生成的能量束136烧结或熔融粉末材料(未示出)按照逐层方式来构建对象、例如部件122。将要由能量束所熔融的粉末由贮存器126来供应，并且使用重涂器臂116均匀遍布于构建板114之上，以将粉末保持在水平118处，并且将延伸于粉末水平118上方的多余粉末材料移除到废物容器128。能量束136烧结或熔融在检流计扫描仪132的控制下构建的对象的截面层。降低构建板114，并且另一个粉末层遍布于构建板和所构建的对象之上，后面是由激光器120对粉末的连续熔融/烧结。该过程重复进行，直到部件122由熔融/烧结的粉末材料完全构成。激光器120可由包含处理器和存储器的计算机系统来控制。计算机系统可确定每层的扫描图案，并且控制激光器120按照扫描图案或″标记(mark)″来辐照粉末材料。在部件122的制作完成之后，各种后处理规程可应用于部件122。后处理规程包含通过例如吹风或真空处理来移除多余(access)粉末。其他后处理规程包含应力释放过程。另外，热、机械和化学后处理规程能够用来抛光部件122。
跨粉末材料的激光的扫描或标记例如以光栅扫描方式进行，以创建阴影线扫描(hatch scan)(其形成部件截面的大部分)和/或轮廓扫描(contour scan)(其略述部件截面边缘)，熔融被关断时在其中那个层中不预期对象截面的熔融形成的那个区域中的粉末。这些阴影线扫描沿着相邻的线重复以形成将构建的对象的单个熔融和熔合截面，而轮廓扫描创建部件的离散边界或边缘。一旦正在构建的对象的一个截面的熔融形成完成，设备则在所完成的截面表面上涂敷附加的粉末层。重复该过程直到对象完成。
与激光加性制造相关联的一个挑战涉及在粉末中产生预期的熔融图案，同时在粉末床上保持预期的激光速度。例如当激光器在阴影线线条(hatch line)的开始太早或太迟被开启时，或者在阴影线线条的结束太早或太迟被关闭时，熔融图案的不准确会产生。当设备以标记模式运行时，其中激光器头在阴影线线条的开始和结尾处停止，开启激光器太早可能导致烧入效应，其中熔池大于影线线条开始处预期的熔池。在空中文字(skywriting)模式下，其中激光器头在写入阶段的结束时保持不变的运动，将激光器开启太早可能导致超过轮廓线条的阴影线线条。其它非均匀性由开启激光器太早或太迟，或者开启激光器太迟而产生。而且，由于激光器头在跳转(jump)后是不稳定的，因此在跳转后太早开启激光器可能导致变形的熔融图案，反映了激光器写入头的动态不稳定性。这些问题可能导致正在构建的对象的非均匀表面。
为了校正这些问题，激光器头和扫描仪头控制信号必须被调节以计及系统组件的动态行为(即扫描器和激光器的响应，以及工件和激光辐照之间的具体交互)。一个控制方案使用设置参数，其包含激光器开启延时、激光器关闭延时、跳转延时、标记延时或多边形延时。参见7Basic Functions for Scan Head and Laser Control，Rev.1.7ePCInterface Board。在空中文字模式中，设置参数用于控制跑进的持续时间、跑出的持续时间、时间间隔和激光器开启的位移参数，其限定了“激光器活动”的激光控制信号接通和关闭时间点相对于设置开始位置和设置结束位置的延时。
图2是诸如在空中文字过程中激光器的代表的延时设置。在图2中，反射镜的成角速度以发展(develop)阴影线扫描(1)的恒定速度移动激光器，激光器被关闭，并且反射镜减速到停止，反转方向，并且再次加速到下一个阴影线扫描(2)，激光器向后开启(turnback on)，反射镜再次保持在恒定速度以启动下一个阴影线扫描(3)，并且激光器以发展阴影线扫描(4)的恒定速度移动。与(2)相关联的减速通常称为跑出(run-out)运动，而与(3)相关联的加速通常称为跑进(run-in)运动。如果激活了诸如空中文字过程中的延时设置，那么反射镜在焊接开始前被加速，并允许加热以建立并启动新的熔融。对于部件的结束同样如此，其中反射镜在焊接结束时减速，激光器在到达部件的内部边缘之前被关闭，并且熔池引起焦点。
在激光器头或扫描仪头的跑进和跑出期间确保准确性的一种方式是校准激光加性制造设备中的延时设置。目前，在激光加性制造设备中校准延时设置主要是手动程序，要求熟练的操作员解释由激光创建的标记是否符合所指定的开始和停止坐标。例如，在图3中，熟练的操作员通过采用加性制造设备的激光标记金属板创建测试图案，并对所得到的图案照相。熟练的操作员创建轮廓扫描和阴影线扫描，并再检查在轮廓和阴影线扫描之间的相交处适当叠加的扫描。再检查适当的延时设置的一种方法是通过诸如图4中的显微检验测试图案来检查测试图案。在存在扫描不对准的情况下，操作员将随后调节例如比如在空中文字的写入过程中的延时设置，使得跑进和跑出在合适的坐标处开始和停止激光器。操作员通过反复试验手动调节延时设置，并且该调节从部件制造的每个阶段引入大量的可变性。可变性导致不均匀的表面抛光，压痕，过度焊接和/或欠焊接。由于激光加性制造被工业化，并且更多的操作员涉及在该过程中，因此操作员-操作员间的变化很可能变成一个挑战，并且对于该校准过程将要求显著更多的工时。本发明者意识到增加效率的需求，并且改进校准关于激光加性制造过程中的延时设置的方法的需求。
从而，存在改进校准延时设置的方法的需求，该延时设置与激光加性制造过程中熔融和熔合过程期间激光器头和扫描仪头的开始和停止相关联。通过改进激光加性制造过程期间校准激光器头和扫描仪头中的延时设置、或者激光器头或扫描仪头的扫描运动的过程，将得到部件变形中的更小变化。
发明内容
本发明涉及一种校准激光加性制造过程中激光扫描仪的延时和/或空中写入加速和减速设置的方法，该方法包括比较测试板上开启和关闭激光器的位置与控制或标准上的激光器开启和关闭位置。测试板中发现的任何差异被调节，使得测试板的开启和关闭激光器的位置与控制或标准的开启和关闭激光器位置基本上一致。
本发明提供一组技术方案，如下：
1.一种用于校准激光加性制造过程的方法，包括：
(a)辐照粉末床中的粉末层以形成熔合区域图案，
(b)将所述熔合区域图案的第一特性与参考图案的第二特性进行比较，以及
(c)基于比较而调节第一参数，使得步骤(a)的重复将导致更接近地匹配所述参考图案的第二熔合区域图案。
2.根据技术方案1所述的方法，其中第一参数涉及空中文字过程的扫描运动，可选地涉及跳转延时、标记延时或者多边形延时设置的扫描运动，优选跳转运动，或者可选地涉及为跑进运动或跑出运动的扫描运动。
3.根据前述技术方案中任一项所述的方法，其中所述第一参数涉及扫描运动和用于执行辐照步骤(a)的辐照源的控制之间的同步，或者可选地涉及跑进运动的持续时间，或者可选地涉及跑出运动的持续时间。
4.根据前述技术方案中任一项所述的方法，其中图案是阴影线标记、扫描或线条。
5.根据前述技术方案中任一项所述的方法，其中参数是轮廓和阴影线线条之间的距离，或者可选地是正交于所述阴影线线条的轮廓之间的距离。
6.根据前述技术方案中任一项所述的方法，其中所述第一特性是所述轮廓扫描和所述阴影线扫描的结束之间的第一距离。
7.根据前述技术方案中任一项所述的方法，其中参数是调节激光器开启延时，或者可选地调节激光器关闭延时。
8.根据前述技术方案中任一项所述的方法，其中所述特性是存储在电子存储装置形式上的光学图像。
9.根据前述技术方案中任一项所述的方法，进一步包括在完成步骤(c)的调节后重复步骤(a)，以形成完整的对象。
10.根据前述技术方案中任一项所述的方法，其中所述第一特性通过则量激光检流计驱动电压来比较。
11.根据前述技术方案中任一项所述的方法，其中过程是自动的。
12.一种软件程序，用于执行技术方案1的步骤(b)的比较，可选地进一步，其中程序自动执行步骤(c)的参数调节。
13.一种系统，包括激光加性制造装置，监测装置，计算机和软件，其整合在一起以调节加性制造装置中的激光扫描仪延时设置，其中所述系统比较控制构建的建立期间激光器扫描开始和停止的坐标，并调节测试图案中至少一个关键的过程参数以匹配所述控制构建的那些参数。
本发明提供另一组技术方案，如下：
1.一种用于校准激光加性制造过程的方法，包括：
(a)辐照粉末床中的粉末层以形成熔合区域图案，
(b)将所述熔合区域图案的第一特性与参考图案的第二特性进行比较，以及
(c)基于比较而调节第一参数，使得步骤(a)的重复将导致更接近地匹配所述参考图案的第二熔合区域图案。
2.根据技术方案1所述的方法，其中所述第一参数涉及空中文字过程的扫描运动。
3.根据技术方案1所述的方法，其中所述第一参数涉及跳转延时、标记延时或者多边形延时设置的扫描运动。
4.根据技术方案2所述的方法，其中所述扫描运动是跑进运动。
5.根据技术方案2所述的方法，其中所述扫描运动是跑出运动。
6.根据技术方案2所述的方法，其中所述扫描运动是跳转运动。
7.根据技术方案1所述的方法，其中所述第一参数涉及扫描运动和用于执行辐照步骤(a)的辐照源的控制之间的同步。
8.根据技术方案1所述的方法，其中参数包含所述跑进运动的持续时间。
9.根据技术方案1所述的方法，其中参数包含所述跑出运动的持续时间。
10.根据技术方案1所述的方法，其中图案是阴影线标记、扫描或线条。
11.根据技术方案1所述的方法，其中参数是所述轮廓和阴影线线条之间的距离。
12.根据技术方案1所述的方法，其中参数是正交于所述阴影线线条的所述轮廓之间的距离。
13.根据技术方案1所述的方法，其中所述第一特性是所述轮廓扫描和所述阴影线扫描的结束之间的第一距离。
14.根据技术方案1所述的方法，其中参数是调节激光器开启延时。
15.根据技术方案1所述的方法，其中参数是调节激光器关闭延时。
16.根据技术方案1所述的方法，其中所述特性是存储在电子存储装置形式上的光学图像。
17.根据技术方案1所述的方法，进一步包括在完成步骤(c)的调节后重复步骤(a)，以形成完整的对象。
18.根据技术方案1所述的方法，其中所述第一特性通过测量激光检流计驱动电压来比较。
19.根据技术方案1所述的方法，其中过程是自动的。
20.一种软件程序，用于执行技术方案1的步骤(b)的比较。
21.根据技术方案20所述的程序，其中所述程序还自动执行步骤(c)的参数调节。
22.一种系统，包括激光加性制造装置，监测装置，计算机和软件，其集成在一起以调节加性制造装置中的激光扫描仪延时设置，其中所述系统比较控制构建的构建期间激光扫描开始和停止的坐标，并调节测试图案中至少一个关键的过程参数以匹配控制构建。
附图说明
图1是常规激光加性制造设备的示意图。
激光加性制造过程，用图表示熔池和制造过程期间激光器移动的路径和速度。
图2是在对象的激光加性制造扫描期间激光器的运动的示意表示，其用图形表示熔池和制造过程期间激光器以其移动的路径和速度。
图3是熔融板上测试图案的视图，其示出了在x维度中的阴影线扫描和轮廓扫描处激光加性过程的准确度。
图4是图3的特写视图，示出了轮廓扫描和阴影线扫描之间的重叠。
图5是示出了激光检流计驱动电压转换为X和Y位置坐标的图表。
图6是示出了通过使用基于成像的确定的空中写入过程的X和Y位置坐标的图表。闭合的圆表示激光器被开启时扫描中的点，“x”表示激光器被关闭时扫描中的点。
具体实施方式
下面的详细描述陈述了一种在激光加性制造过程期间校准激光器头或扫描仪头例如在跳转延时、标记延时或多边形延时的过程，空中文字过程期间的延时设置运动的方法。描述应当清楚地使得本领域技术人员能够使用该方法，并且描述陈述了多种实施例，适应，变化，备选方案以及方法的使用，包括目前被相信为是其最佳模式的使用。虽然所述方法被描述为一种特定类型的激光加性制造过程上执行，但是预期本校准方法可广泛地应用于其它加性制造过程，其利用空中写入过程在加性制造过程期间控制高能量束的接通或关闭以及扫描。
在一个实施例中，本发明涉及一种通过将激光器头或扫描仪头的运动与已知的测试图案进行比较，并调节激光器头和扫描仪头延时设置，以匹配激光加性制造过程中实现的对象或者特定部件的已知质量构建的那些来校准空中写入过程的方法。如果存在差异，则系统或操作员将调节关键的过程参数，使得测试图案匹配标准或质量控制构建的那些。一旦被校准，则在随后的构建中存在减小的可变性，使得激光器头和扫描仪头的运动匹配已知的质量构建。在备选实施例中，校准过程可以被自动化，使得测试图案和质量控制构建之间的任何差异可以被自动调节，直到测试图案的规格与控制构建一致。自动调节也可以通过过程反馈机构来执行。
在权利要求的另一实施例中，本发明涉及一种校准用于激光加性制造的激光扫描仪的延时设置的方法。该方法在一个实施例中通过执行测试构建来实现，在测试构建中关键的过程参数被确定。关键的过程参数的示例包括但不限于轮廓扫描和阴影线扫描。在测试构建期间，激光焦点同时被监测，使得激光焦点位置的起始和停止点。通过激光器被关闭并随后被打开时比较激光焦点和其相关联熔池的位置，过程能够去除与已知的良好的测试构建的测试构建位置相关联的用户错误，并且利用该比较结合经验公式或图表来调节过程参数。
在又一实施例中，本发明涉及一种校准激光加性制造过程的方法，该方法包括照射粉末床中的粉末层，以形成熔合区域图案，将熔合区域图案的第一特性与参考图案的第二特性进行比较，并且基于比较调节第一参数，使得照射粉末床中的粉末层的重复将产生更接近地匹配参考图案的第二熔合区域图案。在一个实施例中，第一参数可以涉及空中文字过程的扫描运动，或者涉及跳转延时、标记延时，或者多边形延时设置的扫描运动。扫描运动可以是跑进运动，跑出运动，或者跳转运动。在备选实施例中，第一参数可以涉及扫描运动和用于执行照射步骤的照射源的控制之间的同步。在又一实施例中，参数可以包括跑进运动的持续时间，或者跑出运动的持续时间。参数还可以包括轮廓和阴影线线之间的距离，或者正交于阴影线线条的轮廓之间的距离，或者调节激光器开启延时，或者调节激光器关闭延时，或其任意组合。
在一个方面中，第一特性是阴影线扫描的结束和轮廓扫描之间的第一距离，或者是存储在电子存储装置形式上的光学图像，或者通过测量激光检流计驱动电压来比较。在又一实施例中，图案是阴影线标记、扫描或线条。方法可进一步包括在进行调节后重复照射的步骤，以完成对象。最后，上述实施例可以是自动过程。
在又一实施例中，本发明涉及一种软件程序，其用于执行熔合区域图案的第一特性与参考图案的第二特性的比较，其中程序还可以进一步自动执行参数调节。
在最后的实施例中，本发明涉及一种系统，其包括整合在一起以调节加性制造装置中的激光扫描仪延时设置的激光加性制造装置，监测装置，计算机和软件，其中系统比较控制构建建立期间激光扫描起始和停止的坐标，并调节测试图案中至少一个关键的过程参数以匹配控制构建的那些。
本领域技术人员理解，测试图案可以以多种方式实现。例如，金属板，诸如由哈式合金、不锈钢、镍、基于钴的超合金、或者铝合金制成的板用激光烧，首先通过烧轮廓扫描，随后通过逐行烧制阴影线扫描。本领域技术人员可以理解，测试图案意图帮助确定是否要求激光器的加速和/减速的校准。在激光烧制测试图案时，激光的X和Y位置包括激光焦点的起始和停止点及其相关联的熔池上的数据被收集。
位置数据的收集和监测可以以多种方式实现。在本发明的一个方面中，激光焦点的位置的监测通过监测激光检流计驱动电压来实现。如图4所示，激光检流计(也已知为“检流计”)驱动电压沿着X和Y位置进行测量，并利用已知的传递函数将其转换为位置坐标。本领域技术人员可以领会和理解，传递函数是标准的并且可以利用多种方法来实现，例如但不限于通过MATLAB得到的方法。传递函数用于给定电压与检流计不是1∶1比率的情况下施加校正因子。本领域技术人员可以领会，存在许多方式来实现该校正因子，使得检流计驱动电压至构建板上激光焦点的物理位置(例如参见www.zamisel.com/SSpostavka2.html)。一些可能的传递函数包括随后为MatLab中的transfromPointsInverse的fitgeotrans。一旦应用了传递函数，沿着X和Y位置的检流计驱动电压被转换为自中心起的X和Y位置(例如单位为毫米或英寸)。参见图4。
在另一实施例中，监测可以通过使用拍摄装置，例如但不限于带电耦合器件(CCD)拍摄装置来实现。还可以包括网格线的拍摄装置可以用于拍摄烧制过程的时延照片，以监测激光焦点的X和Y位置。图5示出了烧制的起始(闭合圆)和停止(“x”标记)的监测。基于离轮廓扫描的距离，激光器的每次起始和停止位置的平均值被确定，并用于调节激光器。
一旦实施监测，收集的数据则用于确定扫描或矢量的结束和扫描或矢量的起始之间的距离，并被测量以及与已知的控制或标准进行比较。本领域技术人员可以理解，控制或标准是被制造部件的先前的原型，其经历了激光加性制造过程并被确定以便更精确地反映初始创建的计算机辅助设计(CAD)模型的精确规格和测量。
一旦实施监测，扫描运动基于数据的收集。本领域技术人员将领会，通过该校准技术实施的调节提供一种标准化例如空中文字过程期间激光器头和扫描仪头延时设置的手段，并将产生更一致的最终产品。
本发明所述的多个实施例具有如下的一些优点，但优点不限于这些：
1)替代人工校准过程；
2)减小操作员与操作员间的变化；
3)减少空中写入校准时间；以及
4)减小过程变化，其对于满足基于激光的加性制造部件的几何容差是关键的。
本领域技术人员还将领会，可以实现计算机软件使得该分析可以被编程。在另一实施例中，上述校准方法和其软件可以包含在基于激光的加性制造机器中。例如，用于校准的过程和软件可以整合到标准的操作软件或激光加性制造机器的系统中。
示例
对于空中写入过程的校准，在DMLM机器中通过在hastalloy板上进行测试图案烧制来执行单层的测试烧制。在烧制期间，激光检流计驱动信号被监测和记录。利用Matlab上可得到的fitgeotrans函数(www.mathworks.com/help/images/ref/fitgotrans/html)，所记录的电压读数被转换为沿X和Y平面的位置坐标。通过应用四阶多项式和线性的分段拟合，函数用于配合(fit)电压读数以测量与电压相关联的位置。已经被数学转换的电压被变换为构建表面上激光焦点的特定x-y位置。虽然使用了这些特定的函数，但是本领域技术人员可以理解，也可以使用执行相同任务的其它函数。一旦产生，传递函数利用Matlab中的transformPointsInverse函数(www.mathsworks.com/help/images/ref/affine3d.transformpointsinverse.html？search Highlight=transformPointsInverse)来施加。对于测试烧制中每次通过(pass)的起始和停止位置与已知的良好工件进行比较。
上面详细描述了校准方法的示范实施例。方法不限于在此所述的具体实施例。例如，在此所述的方法可以具有其它的工业和/或消费者应用，并且不限于利用激光加性制造过程的实施。而是，校准方法可以应用于其它加性制造校准。
虽然已经根据多个具体实施例描述了本发明的多个实施例，但是本领域技术人员可以领会并认识到本发明可以以权利要求书的精神和范围内的修改来实施。

Claims (10)

1.一种用于校准激光加性制造过程的方法，包括：
(a)辐照粉末床中的粉末层以形成熔合区域图案，
(b)将所述熔合区域图案的第一特性与参考图案的第二特性进行比较，以及
(c)基于比较而调节第一参数，使得步骤(a)的重复将导致更接近地匹配所述参考图案的第二熔合区域图案。
2.根据权利要求1所述的方法，其中第一参数涉及空中文字过程的扫描运动，可选地涉及跳转延时、标记延时或者多边形延时设置的扫描运动，优选跳转运动，或者可选地涉及为跑进运动或跑出运动的扫描运动。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第一参数涉及扫描运动和用于执行辐照步骤(a)的辐照源的控制之间的同步，或者可选地涉及跑进运动的持续时间，或者可选地涉及跑出运动的持续时间。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中图案是阴影线标记、扫描或线条。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中参数是轮廓和阴影线线条之间的距离，或者可选地是正交于所述阴影线线条的轮廓之间的距离。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第一特性是所述轮廓扫描和所述阴影线扫描的结束之间的第一距离。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中参数是调节激光器开启延时，或者可选地调节激光器关闭延时。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述特性是存储在电子存储装置形式上的光学图像。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括在完成步骤(c)的调节后重复步骤(a)，以形成完整的对象。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第一特性通过测量激光检流计驱动电压来比较。
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