[發明專利]用于在增材制造操作期間測量輻射熱能的系統和方法

在審

• 申請號: 202210307461.8
• 申請日: 2019-02-21
• 公開（公告）號: CN114643367A
• 公開（公告）日: 2022-06-21
• 發明（設計）人: 達倫·貝克特;斯科特·貝茨;馬丁·皮爾奇;R·布魯斯·馬迪根;拉爾斯·雅克麥登;格倫·維克勒;馬克·J·科拉;維韋克·R·達弗;阿爾貝托·M·卡斯特羅;羅杰·弗萊伊
• 申請（專利權）人: 西格馬實驗室公司
• 主分類號: B22F10/28
• 分類號: B22F10/28;B22F10/85;B22F12/00;B22F12/90;B22F10/368;B22F10/364;B22F12/40;B22F12/49;B33Y10/00;B33Y30/00;B33Y50/02
• 代理公司: 華進聯合專利商標代理有限公司 44224
• 代理人: 景懷宇

本公開描述了增材制造方法、增材制造系統、操作增材制造系統的方法，以及用于表征增材制造過程的各種方法和設備。一種用于表征增材制造過程的方法可以包括：生成能量源的跨越越構建平面的掃描；使用光學感測系統測量每次掃描期間從構建平面輻射的能量的量，其中該光學感測系統監測與粉末層的黑體輻射曲線相關聯聯的兩個離散波長；基于以兩個離散波長獲取的傳感器讀數的比率，確定掃描所遍歷的構建平面區域的溫度的改變；確定溫度的改變超出閾值范圍之外；并且之后，調整能量源的跨越越構建平面的區域或在構建平面的區域的附近的后續掃描。

本申請是申請日為2019年2月21日、申請號為2019800271818，以及發明名稱為“用于在增材制造操作期間測量輻射熱能的系統和方法”的中國發明專利申請的分案申請。

相關聯申請的交叉引用

本申請要求在2018年10月9日提交的第62/743,391號美國臨時專利申請、在2018年3月15日提交的第62/643,457號美國臨時專利申請和在2018年2月21日提交的第62/633,487號美國臨時專利申請的優先權。

背景技術

通過添加材料和施加能量的組合，零件的增材制造(additive manufacturing)或者順序組裝或構造具有多種形式，并且當前存在于許多具體的實施方式和實施例中。可通過使用涉及虛擬地形成任何形狀的三維零件的多種不同工藝中的任意工藝來執行增材制造。各種工藝的共同點是分別使用紫外線、高功率激光或電子束逐層地對液體、粉末狀或顆粒狀原料進行燒結、固化或熔化。不幸的是，用于確定以該方式制造的所得零件的質量的既定工藝受到限制。常規的質量保證測試通常涉及對零件的機械、幾何或冶金性能進行后處理測量，這通常會導致零件被破壞。雖然破壞性測試是驗證零件質量的一種公認方式，但由于其允許仔細檢查零件的各種內部特征，因此出于明顯的原因，這樣的測試不能應用于生產件(production part)。因此，需要一種無損且準確地驗證通過增材制造來生產的生產件的機械、幾何和冶金性能的方式。

發明內容

所描述的實施例涉及增材制造，這涉及使用采取強的熱能的移動區域的形式的能量源。如果該熱能引起所添加的材料的物理熔化，那么這些工藝被廣泛已知為焊接工藝。在焊接工藝中，被增量地和順序地添加的材料被能量源以類似于熔焊的方式熔化。所描述的實施例適于使用的示例性焊接工藝包括使用具有粉末床的掃描能量源的工藝和使用電弧、激光和電子束作為能量源的送絲工藝(wire-fed process)。

當所添加的材料采取粉末層的形式時，在將粉末材料的每個增量層順序地添加到正被構造的零件之后，掃描能量源通過粉末層的焊接區域來熔化增量添加的粉末，從而形成移動的熔化區域，在下文中稱為熔化池(melt pool)，從而一旦固化，它們便成為位于新的層下方的先前順序添加并被熔化和固化的層的一部分，以形成正在構造的零件。由于增材機械加工過程可能是漫長的并且包括任意數量的熔化池的通道，因此，當熔化池用于固化所述該部分時，難以避免熔化池的大小和溫度的至少輕微變化。本文描述的實施例減少或最小化了由熔化池的大小和溫度的變化而引起的不連續性。應注意的是，由于加熱元件的高行進速率和形成三維結構所需的復雜圖案，增材制造工藝可由與計算機數控(CNC)相關聯聯的一個或多個處理器驅動。

所描述的實施例的總體目的在于將例如質量推斷、工藝控制或者兩者的光學感測技術應用于增材制造工藝。光學傳感器可用于通過跟蹤與其工藝中物理現象相關聯聯的變量的演變來跟蹤該工藝中物理現象的演變。本文中，光學可包括電磁光譜的一部分，電磁光譜包括近紅外(IR)、可見以及近紫外(UV)。通常，光譜的波長被認為從380nm到780nm。然而，近UV和IR的波長分別可延伸低至1nm和高至3000nm。從光學傳感器收集的傳感器讀數可用于確定工藝中質量度量(in process quality metrics，IPQM)。一種這樣的IPQM是熱能密度(TED)，其有助于表征施加到零件不同區域的能量。