[发明专利]实时监测和控制淀积高度的方法和系统

说明书

本申请是申请日为2004年6月17日，申请号为01823897.1(国际申请号为 PCT/KR01/01970，国际申请日为2001年11月17日)，名为“使用激光包层和激 光辅助的直接金属制造工艺中的图像成像和图像处理技术实时监测和控制淀积高 度的方法和系统”申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及使用激光包层和直接金属制造中的图像成像和图像处理技术来实 时监测和控制包层高度的方法。

背景技术

激光辅助的直接金属制造被定义为快速近似净成形，它是在存储于计算机中 三维对象的数字数据基础上能够采用功能材料(比如，金属、合金、陶瓷等)快速制 造成产品制造所必需的三维产品和工具，且属于“直接金属加工”的范畴内。

三维对象的数字数据包括：三维计算机辅助设计(CAD)数据、医学计算机X线 断层摄影术(CT)和核磁共振成像(MRI)数据，以及由三维物体数字化系统测量的数 字数据，且工具表示的是产品制造所必需的试验和批量生产的模型及模具。

与传统的制造技术——例如，电脑数值控制(CNC)切割、铸造以及其它制造机 械等——相比，这些技术可使功能性金属原型、试验及批量生产的模型、复杂形状 的成品以及各种工具都能快速地制造。这些技术可通过使用反向工程技术应用于模 型和模具的恢复、重铸和修补。

这些技术的基本概念与通用的打印机类似，其中，可由CAD数据产生物理形 状。直接金属制造可以通过将功能性材料以精确的位置形成于三维空间的方式来产 生三维物理形状，这与打印机通过使用存储于计算机内文件数据在纸张两维表面上 的精确位置喷涂碳或墨水几乎是一样的。

由于很难采用传统制造工艺由CAD数据来产生三维形状，在该工艺中，将材 料切割为一模型或将熔铸材料浇入并凝固为一模型，因此必须应用材料累加 (Incress)制造(MIM)的工艺。

基本上，三维物体是由两维表面组成，且每个两维表面是由一维线条组成。 因此，可通过将一个两维表面层叠在另一个两维表面上来制造一个三维形状。这种 技术被称为MIM工艺。如图1所示，通过构成形状的附加材料淀积来制造三维形状， 这不同于传统的制造工艺，在传统的制造工艺中，是将大块的材料切割为模型或将 熔铸金属浇入并凝固为模型。

在激光辅助的直接金属制造技术中，两维表面是通过激光包层的方法物理形 成的。

如图2所示，激光包层技术可以在样本的表面形成包层205，所采用的方式为， 通过将激光束202照射在样本表面201上以形成一局部熔池203，同时从外部将粉 末状的包层材料(比如，金属、合金、陶瓷等)馈送到该熔池203。参考图3，在激 光辅助的直接金属制造中，三维功能金属产品或工具可快速成形，所采用的方式为， 由三维CAD数据计算两维剖面信息，从而形成包层，每个包层具有对应于两维剖面 信息的形状、厚度和/或高度。

用于成形工艺的两维剖面信息，通过将三维CAD数据切成厚度均匀和/或高度 均匀的数据或切成厚度变化的两维数据来完成，这些数据可用作成形信息。为了通 过使用剖面信息来物理地实现对应CAD数据的精确三维形状，可通过激光包层工艺 来形成对应两维剖面信息的形状、高度和/或厚度都精确的包层。

上述的工艺大大地影响了三维产品的尺寸精度。特别地，控制包层高度的技 术，是实现激光辅助的直接金属制造技术中的一项关键技术。

在激光辅助的直接金属制造技术中，如图2中的激光包层技术所示，通过在 沿x和y轴方向的固定激光束附近或固定样本周围的激光束附近插入和传递一金属 衬底(以下称为“样本”)来形成包层。可选择地，该激光束可与该样本一起传递， 且可利用三轴或更多轴传递系统或机械手来增加制造的自由度。

在成形的工艺中，对应两维剖面信息的包层形状，主要取决于由剖面信息和 传递系统精度的计算而得的加工路径，且可以相对容易地被实现。但是，包层的高 度受大量工艺参数的影响，这些参数诸如激光功率、激光束的模式和尺寸、样本的 穿透速度、包层粉末的特性、粉末馈送速率、粉末沉降速度、包层珠的重叠因素、 所提供的不同辅助气体的种类或流量等。另外，环境因素，诸如由热积蓄引起的样 本表面的温度变化，样本表面的条件以及激光发生器，会影响所形成的包层的高度。

因此，为了获得对应两维剖面信息的包层高度，有一个技术难点，即应该在 实时监测熔池位置的同时，来控制影响包层高度的工艺参数。