[发明专利]用于定向能量沉积增材制造系统的喷距监测和控制

说明书

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。

背景

技术领域

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。

背景技术

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。

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。

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。

发明内容

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。