[发明专利]增材制造工艺中原位与实时质量控制的方法和装置

说明书

具有至少一个光纤传感器(50)的传感器读出系统的使用方法，所述至少一个光纤传感器(50)通过至少一个信号线(51)连接到处理单元(52)，传感器读出系统(5)作为增材制造装置的一部分，用于正进行的离子和电子束、微波或激光增材制造工艺的原位和实时质量控制，其中，通过具有布拉格光栅、光纤干涉仪或法布里‑珀罗结构(500)的光纤形式的至少一个光纤传感器(50)测量声发射，接着是信号传输(51)以及处理单元(52)中的测量的信号的分析、由于烧结或熔化质量与测量的声发射信号之间的相关性进行的烧结或熔化工艺质量的评估，随后是通过反馈回路(53)实时进行的增材制造装置的离子和电子束、微波或激光电子装置(1)的离子和电子束、微波或激光烧结或熔化参数的适应，作为在处理单元(52)中用算法框架解译之后的测量的声发射信号的结果。

技术领域

本发明描述了：一种具有至少一个光纤传感器(50)的传感器读出系统 (5)的使用，所述至少一个光纤传感器(50)通过至少一个信号线(51)连接到处理单元(52)，传感器读出系统(5)作为增材制造装置的一部分，用于正进行的离子和电子束、微波或激光增材制造工艺的原位和实时质量控制；一种离子和电子束、微波或激光烧结或熔化装置中的增材制造工艺的原位和实时质量控制方法，在正进行的增材制造工艺期间用可控的离子和电子束、微波或激光参数，使用由离子和电子束、微波或激光电子装置(1)控制的离子和电子束、微波或激光源(2)以及离子和电子束、微波或激光聚焦装置(3) 将离子和电子束、微波或激光束以离子和电子束、微波或激光照射聚焦光斑 (30)聚焦在烧结或熔化体(4)的工艺表面上；以及一种增材制造装置，包括离子和电子束、微波或激光电子装置(1)、离子和电子束、微波或激光源 (2)以及离子和电子束、微波或激光聚焦装置(3)，用于利用可控的离子和电子束、微波或激光参数将离子和电子束、微波或激光束以离子和电子束、微波或激光照射聚焦光斑(30)聚焦在烧结或熔化体(4)的工艺表面上。

背景技术

特别是使用激光诱导粉末烧结或熔化的增材制造是最近有前途的技术，其已经涉及广泛的应用。与传统制造方法相比，它具有明显的经济和技术优势，但其进一步渗透到工业应用市场受到两个因素的强烈制约：与通过传统方法(例如材料固体的机械加工的等效物相比，1)生产线中组件的机械性能的重复性低；以及2)组件的机械强度低(美国国家标准与技术研究院(NIST)：金属类增材制造的测量科学发展规划(Measurement ScienceRoadmap for Metal-Based Additive Manufacturing)，2013))。

其中一个原因是潜在物理现象的复杂性，尤其是微/纳米颗粒介质内的激光和热传输。这意味着在工艺的精确物理模型的创建和已经积累的统计数据的分类/分析方面存在多重困难。这就需要开发有效的烧结或熔化质量控制的新型的稳健方法。

增材制造质量控制领域的主流是烧结或熔化区域的温度测量。

到目前为止，该领域的研究一直主要聚焦在工艺区域的直接温度测量。在US5,427,733或US5,508,489中已经公开：为了在增材制造工艺期间测量温度，采用了诸如高温计、光电二极管和矩阵CCD探测器的不同传感器。

提出了增材制造质量和温度动态之间的多重关联模型，但到目前为止，这种方法不能单独使用。原因在于温度测量出现了许多技术问题。需要额外的微观系统测量窄光斑(narrow spot)的温度，这增加了机器的成本和复杂性，其中窄光斑对应于离子束、微波或激光聚焦区域。通常，进行离子、微波或激光束同轴温度测量是不可能的，这会影响制造质量。与热影响材料粉末中的温度瞬变相比，许多出版物中报道的使用矩阵光电探测器(CCD)提供了相对低的时间分辨率。这导致获取的信号的时间分辨率低。所有这些因素加上数据解释的不准确性(由于非线性动力学)和建模复杂性使得不能提供有效的解决方案。