[发明专利]用于在增材制造操作期间测量辐射热能的系统和方法

说明书

本公开描述了用于表征增材制造工艺的各种方法和设备。一种用于表征增材制造工艺的方法可包括：生成能量源跨越构建平面的多个扫描；使用光学传感器测量在多个扫描中的每个扫描期间从构建平面辐射的能量的量；确定在多个扫描期间所遍历的构建平面的面积；基于辐射的能量的量和由多个扫描所遍历的构建平面的面积，确定针对由多个扫描所遍历的构建平面的面积的热能密度；将热能密度映射到构建平面中的一个或多个位置；确定热能密度是由密度值范围之外的密度来表征的；以及其后，调整能量源跨越构建平面中的一个或多个位置或在构建平面中的一个或多个位置附近的后续扫描。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年8月1日提交的第62/540,016号美国临时专利申请、于2018年2月21日提交的第62/633,487号美国临时专利申请以及于2018年3月15日提交的第62/643,457号美国临时专利申请的优先权，所述专利申请中的每个申请的名称为：“用于在增材制造操作期间测量能量输入的系统和方法”，所述专利申请的公开内容出于所有目的通过引用而被全部并入本文。

背景技术

通过添加材料和施加能量的组合，零件的增材制造(additive manufacturing)或者顺序组装或构造具有多种形式，并且当前存在于许多具体的实施方式和实施例中。可通过使用涉及虚拟地形成任何形状的三维零件的多种不同工艺中的任意工艺来执行增材制造。各种工艺的共同点是分别使用紫外线、高功率激光或电子束逐层地对液体、粉末状或颗粒状原料进行烧结、固化或熔化。不幸的是，用于确定以该方式制造的所得零件的质量的既定工艺受到限制。常规的质量保证测试通常涉及对零件的机械、几何或冶金性能进行后处理测量，这通常会导致零件被破坏。虽然破坏性测试是验证零件质量的一种公认方式，但由于其允许仔细检查零件的各种内部特征，因此出于明显的原因，这样的测试不能应用于生产件(production part)。因此，需要一种无损且准确地验证通过增材制造来生产的生产件的机械、几何和冶金性能的方式。

发明内容

所描述的实施例涉及增材制造，这涉及使用采取强的热能的移动区域的形式的能量源。如果该热能引起所添加的材料的物理熔化，那么这些工艺被广泛已知为焊接工艺。在焊接工艺中，被增量地和顺序地添加的材料被能量源以类似于熔焊的方式熔化。所描述的实施例适于使用的示例性焊接工艺包括使用具有粉末床的扫描能量源的工艺和使用电弧、激光和电子束作为能量源的送丝工艺(wire-fed process)。

当所添加的材料采取粉末层的形式时，在将粉末材料的每个增量层顺序地添加到正被构造的零件之后，扫描能量源通过粉末层的焊接区域来熔化增量添加的粉末，从而形成移动的熔化区域，在下文中称为熔化池(melt pool)，从而一旦固化，它们便成为位于新的层下方的先前顺序添加并被熔化和固化的层的一部分，以形成正在构造的零件。由于增材机械加工过程可能是漫长的并且包括任意数量的熔化池的通道，因此，当熔化池用于固化所述该部分时，难以避免熔化池的大小和温度的至少轻微变化。本文描述的实施例减少或最小化了由熔化池的大小和温度的变化而引起的不连续性。应注意的是，由于加热元件的高行进速率和形成三维结构所需的复杂图案，增材制造工艺可由与计算机数控(CNC)相关联的一个或多个处理器驱动。

所描述的实施例的总体目的在于将例如质量推断、工艺控制或者两者的光学感测技术应用于增材制造工艺。光学传感器可用于通过跟踪与其工艺中物理现象相关联的变量的演变来跟踪该工艺中物理现象的演变。本文中，光学可包括电磁光谱的一部分，电磁光谱包括近红外(IR)、可见以及近紫外(UV)。通常，光谱的波长被认为从380nm到780nm。然而，近UV和IR的波长分别可延伸低至1nm和高至3000nm。从光学传感器收集的传感器读数可用于确定工艺中质量度量(in process quality metrics，IPQM)。一种这样的IPQM是热能密度(TED)，其有助于表征施加到零件不同区域的能量。