用于定向能量沉积增材制造系统的喷距监测和控制技术方案

一种具有喷距监测和控制的增材制造系统，该系统可以是响应的、动态的和实时的。这些技术可使用喷距测量系统在工件移动经过定向能量源时实时地监测、读取或询问工件或者其上定位有工件的基底，或反之亦然。这些技术可使用反馈控制器，以基于来自喷距测量系统的数据响应地且动态地实时控制喷距。应地且动态地实时控制喷距。应地且动态地实时控制喷距。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于定向能量沉积增材制造系统的喷距监测和控制
[0001]背景


[0002]总体上，本公开涉及定向能量沉积增材制造系统。更具体地，本公开涉及喷距监测和控制。

技术介绍

[0003]快速等离子体沉积(RPD
TM
)增材制造系统可容纳包含线材(例如，金属)和等离子体熔炬(plasma torch)的惰性气体环境(例如，稀有气体)。RPD
TM
增材制造系统基于等离子体熔炬可控地将等离子体电弧引向线材并且等离子体电弧熔化线材以逐层地形成工件来增材制造该工件(例如，飞机结构)，因为工件在惰性气体环境内可控地移动经过等离子体熔炬或反之亦然。
[0004]在这种操作期间，在等离子体熔炬和工件之间保持喷距(例如，沿着竖直轴线)。该喷距确定等离子体电弧电阻，从而确定等离子体电弧功率和特性(例如，由恒流电源提供的恒定等离子体电弧电流)。尽管更大的喷距产生更高的电弧电压，但是由于沿着等离子体电弧的辐射和对流热传递，将至少一些传递到工件的能量减少。喷距静态地在由设备设置(例如，物理设备约束)给出的下限和由输入到工件的减小的功率(例如，不适当的线材熔化)给出的上限之间变化。
[0005]存在可能使得喷距偏差的各种因素。这种因素中的一些包括基底扭曲、不均匀的沉积表面(例如，由于线材运动)、不均匀的工件高度台阶、工件特征(例如，接头、端部、交叉部)以及其他复杂的工艺变化。尽管可通过保持恒定电压而基于电压测量来间接地控制喷距，但是由于各种因素，此技术在技术上是不利的。这种因素中的一些包括噪声非常大以及且对变化(例如，气流、电极机械或材料配置、设备变化或工件几何形状变化)高度敏感的电压测量。结果，基于电压测量间接地控制喷距引入了喷距误差，该喷距误差在工件层上累积地累加，从而负面地影响工件质量。

技术实现思路

[0006]因此，本文公开了用于定向能量沉积(例如，RPD
TM
)增材制造系统的各种技术，其使得能够实现喷距监测和控制，该喷距监测和控制可以是响应的、动态的和/或实时的。这些技术可使用喷距测量系统，例如激光三角测量系统或激光行扫描器(LLS)，以当工件(例如，熔珠轮廓、工件形状)移动(例如，经由基底)经过定向能量源(例如，等离子体熔炬)时实时监测、读取或询问该工件或其上定位有工件的基底，或反之亦然。应注意，其他光学测量技术，例如飞行时间、共焦、彩色共焦、干涉测量、阴影形状、焦点深度/散焦、激光雷达、单独地或与照明结合，例如条纹投影、不同波长的图案投影(例如，线、多条线、多个点)，例如红外线、可见光、UV、X射线以及非光学方法，例如声纳、超声读取器或询问器，可以补充地或替代地用于当工件(例如，熔珠轮廓、工件形状)移动(例如，经由基底)经过定向能量源(例如，等
离子体熔炬)时实时监测、读取或询问该工件或其上定位有工件的基底，或反之亦然。这些技术可使用反馈控制器，以基于来自诸如激光三角测量系统或激光行扫描器的喷距测量系统的数据，响应地且动态地实时控制喷距(例如，相对于工件升高或降低定向能量源，或反之亦然)，但是可以补充地或替代地使用其他光学测量技术，例如飞行时间、共焦、彩色共焦、干涉测量、阴影形状、焦点深度/散焦、激光雷达、单独地或与照明结合，例如条纹投影、不同波长的图案投影(例如，线、多条线、多个点)，例如红外线、可见光、UV、X射线以及非光学方法，例如声纳、超声读取器或询问器。因此，这些技术消除了与使用基于电压的测量的工业标准相关联的至少一些技术限制。此外，这些技术可使得能够在使用等离子体电弧(例如，RPD
TM
)或其他形式的定向能量经由金属(例如，钛、铝)或金属合金(例如，Ti6Al4V、铬镍铁合金变型等)增材制造工件(例如，飞机结构、海事结构、车辆零件、医疗装置、枪械、刀具)期间实时地自动测量、评估以及响应和动态地控制喷距。
[0007]这些技术的优点是具有用于实时的喷距响应和动态控制的客观的在线/现场自动系统，其提供至少一些一致的等离子体电弧(或其他形式的定向能量)特性，例如功率、压力、形状以及机器上的能量分布，并且随着时间降低废品率，使得能够早期检测不可接受的偏差、缩短零件开发周期等。而且，这些技术使得能够进行喷距控制，与主观的人类操作者手动调节相比，该喷距控制更稳健、更快速且更客观，其中这种调节可基于视觉反馈。同样，由于基于定向能量源相对于基底的运动(例如，竖直)的自动喷距控制，这些技术使得能够进行与机械臂熔接相比通常更精确且更快速的喷距控制，或反之亦然。应注意，这些技术可与任何类型的运动系统(例如，计算机数字控制，机器人操纵器)一起使用。
[0008]这些技术的附加特征和优点将在随后的详细描述中阐述，并且部分地将从以下详细描述中显而易见，或者可通过实践本公开来学习。本公开的各种目标和其他优点将通过在详细描述和其权利要求以及一组附图中特别指出的结构来实现和获得。
[0009]为了实现这些和其他优点并且根据本公开的目的，如所体现和广泛描述的、一种定向能量沉积增材制造系统，包括：逻辑(logic)、喷距测量单元、基底、熔炬(torch)、供给单元、材料以及移动器，其中，逻辑使得供给单元输出材料并且熔炬输出等离子体，使得等离子体将材料熔化到基底上，并且由此在基底上增材制造工件，其中，工件具有几何轮廓，其中，熔炬与工件竖直地间隔开，使得限定喷距，其中，逻辑使得喷距测量单元在增材制造工件时监测几何轮廓，使得逻辑使移动器相对于基底移动熔炬以及相对于熔炬移动基底中的至少一者，以便保持喷距。
[0010]为了实现这些和其他优点并且根据本公开的目的，如所体现和广泛描述的，一种用于增材制造的方法，该方法包括：输出材料；经由熔炬输出等离子体；经由等离子体熔化材料，使得在基底上增材制造工件，其中，工件具有几何轮廓，其中，熔炬与工件竖直地间隔开，使得限定喷距；在增材制造工件的同时监测几何轮廓，使得移动器可相对于基底移动熔炬以及相对于熔炬移动基底中的至少一个，以便保持喷距。
[0011]应理解，前面的一般描述和下面的详细描述都是示例性和说明性的，并且旨在提供对权利要求的进一步解释，如下面进一步叙述的。
附图说明
[0012]所包括的一组附图用于提供对本公开的进一步理解并结合到本说明书中并构成
本说明书的一部分，示出了本公开的实施方式，并且与详细描述一起用于解释本公开的各种原理。
[0013]在这组附图中：
[0014]图1示出了根据本公开的定向能量沉积增材制造系统的实施方式，该系统包括读取基底上的工件的几何轮廓和基底的激光行扫描器(laser line scanner)。
[0015]图2示出了根据本公开的定向能量沉积工艺流程的实施方式。
[0016]图3示出了根据本公开的定向能量沉积工艺流程的实施方式。
[0017]图4示出了根据本公开的支撑工件的基底的实施方式。
[0018]图5示出了根据本公开的定向能量沉积增材制造系统的框图的实施方式，该系统包括读取基底上的工件的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种定向能量沉积增材制造系统，包括：逻辑、喷距测量单元、基底、熔炬、供给单元、材料以及移动器，其中，所述逻辑使得所述供给单元输出所述材料并且所述熔炬输出等离子体，使得所述等离子体将所述材料熔化到所述基底上，并且由此在所述基底上增材制造工件，其中，所述工件具有几何轮廓，其中，所述熔炬与所述工件竖直地间隔开，从而限定喷距，其中，所述逻辑使得所述喷距测量单元在增材制造所述工件时监测所述几何轮廓，使得所述逻辑使所述移动器相对于所述基底移动所述熔炬或者相对于所述熔炬移动所述基底中的至少一者，以便保持所述喷距。2.根据权利要求1所述的定向能量沉积增材制造系统，其中，所述喷距测量单元包括激光源和相机，其中，所述逻辑使得所述激光源将激光图案输出到所述几何轮廓上，从而产生多个反射，其中，所述逻辑使得所述相机读取所述反射，其中，所述喷距测量单元基于所述反射来监测所述几何轮廓。3.根据权利要求1所述的定向能量沉积增材制造系统，其中，所述移动器基于所述喷距测量单元监测所述几何轮廓而相对于所述基底移动所述熔炬，以便保持所述喷距。4.根据权利要求3所述的定向能量沉积增材制造系统，其中，所述基底相对于所述熔炬以纵向方式和侧向方式中的至少一个方式移动。5.根据权利要求1所述的定向能量沉积增材制造系统，其中，所述移动器基于所述喷距测量单元监测所述几何轮廓而相对于所述熔炬移动所述基底，以便保持所述喷距。6.根据权利要求1所述的定向能量沉积增材制造系统，其中，所述工件是第一工件，其中，所述基底是第二工件，所述第一工件在所述第二工件上增材制造。7.根据权利要求1所述的定向能量沉积增材制造系统，其中，所述基底不是工件。8.根据权利要求1所述的定向能量沉积增材制造系统，其中，所述几何轮廓具有最大高度和最小高度，其中，所述喷距测量单元基于所述最大高度和所述最小高度来监测所述几何轮廓。9.根据权利要求1所述的定向能量沉积增材制造系统，其中，基于经由所述逻辑访问的喷距设置点来保持所述喷距。10.根据权利要求1所述的定向能量沉积增材制造系统，还包括用户界面，所述用户界面使得能够改写关于对所述喷距测量单元、所述基底、所述熔炬、所述供给单元和所述移动器中的至少一个的控制的所述逻辑。11.根据权利要求1所述的定向能量沉积增材制造系统，其中，基于用于温度测量的喷距来保持所述喷距。12.根据权利要求1所述的定向能量沉积增材制造系统，其中，所述逻辑在控制器上运行，其中，所述逻辑读取来自沉积规范的控制输入和来自用户界面的输入，其中，所述沉积规范和所述输入与所述工件相关联。13.根据权利要求1所述的定向能量沉积增材制造系统，其中，所述逻辑在控制器上运行，其中，所述逻辑控制所述移动器以使得能够沉积和测量扫描，其中，所述沉积和所述测量扫描与所述工件相关联。14.根据权利要求1所述的定向能量沉积增材制造系统，其中，所述逻辑在控制器上运行，其中，所述逻辑从所述喷距测量单元获取一组测量，其中，该组测量与所述工件相关联。15.根据权利要求1所述的定向能量沉积增材制造系统，其中，所述喷距测量单元扫描
所述工件和所述基底中的至少一个，以确定所述喷距，并且根据需要将所述喷距输入到所述逻辑。16.根据权利要求15所述的定向能量沉积增材制造系统，其中，所述喷距测量单元基于时间间隔、位置、分辨率和滤波器中的至少一个来扫描所述工件和所述基底中的至少一个。17.根据权利要求1所述的定向能量沉积增材制造系统，其中，所述喷距测量单元确定所述工件的特征，其中，所述喷距基于所述特征来确定。18.根据权利要求17所述的定向能量沉积增材制造系统，其中，所述特征是所述工件的形状、所述工件中的间隙和所述工件的角度中的至少一个。19.根据权利要求1所述的定向能量沉积增材制造系统，其中，所述喷距测量单元是校正和编程中的至少一个，以消除光学像差和杂散光干扰中的至少一个。20.根据权利要求1所述的定向能量沉积增材制造系统，其中，所述逻辑在控制器上运行，其中，所述逻辑执行一组测量的验证，基于所述验证对该组测量进行采样以获得预设空间分辨率，基于网格间距将该组测量提供给工件坐标系统。21.根据权利要求1所述的定向能量沉积增材制造系统，其中，所述逻辑在控制器上运行，其中，所述控制器运行反馈控制逻辑以保持所述喷距。22.根据权利要求1所述的定向能量沉积增材制造系统，其中，所述逻辑编程为避免定位单元的振动和急动运动中的至少...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿维纳什，
申请(专利权)人：挪威钛公司，
类型：发明
国别省市：