[发明专利]增材制造过程监测

说明书

本发明涉及用于增材制造机器的附加套件，附加套件构造成在感兴趣区域上扫描构建束并且借此在位于感兴趣区域中的移动构建点处将材料添加到工件，附加套件包括：基板，其构造用于安装至增材制造机器；安装至基板的光学组件，光学组件包括壳体和位于壳体内的分束器，其中壳体包括多个出口孔，分束器构造成将进入光学组件的电磁辐射分成多个束，光学组件构造成将多个束中的每个束引导到多个出口孔中的相应出口孔；可移动反射器，其构造成将来自视场内的电磁辐射反射到光学组件，使得每个束包括来自视场的电磁辐射；和控制器，其配置为移动可移动反射器以保持移动构建点与视场之间的预定关系。本发明还涉及用于监测增材制造过程的系统和方法。

技术领域

本公开总体上涉及增材制造，更具体但非排他地涉及用于监测增材制造过程的系统和方法。

背景技术

金属增材制造(AM)现在构成了数十亿美元的市场规模。值得注意的是，AM已被用于生产高价值的航空航天、国防和医疗部件。然而，仍然存在关于高质量、无缺陷部件的可重复生产的问题。为此，原位感测已被提议作为测量过程物理和相关构建质量的手段。

不幸的是，在原位过程监测和表征AM部件质量的度量标准开发方面仍存在重大障碍。监测过程物理可能需要在整个构建过程中在层间、层内和熔池层级/水平/高度处进行原位感测。在这三个尺度上实现保真度需要高分辨率、大视场(FOV)和高数据速率。这些规格在很大程度上是现成的原位传感器无法实现的。光电二极管或高温计等单点检测器能够快速记录高分辨率数据，但是它们的FOV受到限制。大FOV可以通过可见光或红外摄像系统实现，然而，大量的数据限制了数据可被记录的速度。因此，监测整个构建过程的方案要么是使用以不同分辨率和帧速率工作的多个传感器，要么是使用高保真、高速传感器。

虽然高保真实验室规模的传感器如高速可见光(VIS)、红外(IR)或X射线成像最近已适用于阐明AM过程物理，但其高成本、有限的视场和极高的数据速率抑制了其与市售硬件和软件系统的连用，并限制了其在实验室环境中的简化实验中的使用。例如，虽然同步X射线成像已经广泛用于捕获AM过程的过程动态，但是实验局限于理想化的环境(例如，测量两个玻璃碳窗之间的单个粉末层)。可用于评估熔池表面几何形状和绘制复杂的过程相互作用的高速VIS和IR成像也由于与商业上可用的分辨率、捕获速率和数据传输要求相关联的限制而限于熔池的小视场。简言之，这些方法难以应用于最简单的实验(例如，单轨迹)，并且既不可扩展也不适合验证AM部件的质量。

然而，用多个传感器监测AM过程带来了其自身的一系列复杂性。也就是说，多个传感器的引入意味着传感器间视角和FOV的变化。这些变化通常需要对每个传感器进行仔细校准，并且增加了交叉配准、关联和验证由同时原位感测收集的数据的复杂性，因为被测量的信号通常是构建平面上的感测位置及其视角的联合函数。

类似的限制适用于表征AM过程物理。就算法和边界条件而言，对层间、层内和熔池行为的物理建模彼此根本不同。此外，粉末再涂覆是一个统计过程，激光-材料相互作用的物理学是复杂的，并且高温热物理数据可能缺乏保真度。因此，许多模拟AM过程物理的方法使用多尺度、多物理方法，包括在每个时间步的一系列解决方案。

最终，用过程物理学校准传感器数据以表征AM部件质量可能需要多尺度方法。因此，一个根本问题是空间分辨率、时间分辨率和保真度的不匹配。因此，需要方法的集成和应用来促进多尺度原位过程监测传感器和AM部件质量之间的可重复校准。尤其由于这些原因，在这一技术领域仍然需要进一步的改进。

发明内容

示例性方法总体上包括通过可移动反射器将电磁辐射从增材制造机器的感兴趣区域中的视场反射至光学组件；通过光学组件的分束器将电磁辐射分成多个束；将所述多个束引导至多个光学传感器，使得所述多个光学传感器中的每个光学传感器接收所述多个束中的各自相应的束；由所述多个光学传感器产生多个输出，每个输出包括与各自相应的束相关的信息；以及通过控制器控制可移动反射器来移动视场，以保持视场和感兴趣区域内的移动构建点之间的预定关系。从这里提供的描述和附图中，本申请的进一步实施例、形式、特征和方面将变得显而易见。