技术领域
[0001] 本
发明涉及根据
权利要求1的前序部分的用于检测缺陷的方法，并且涉及根据权利要求9的前序部分的用于检测缺陷的设备。
背景技术
[0002] 无模成形(freeform fabrication)或
增材制造(additive manufacturing，添加制造，累计制造)是用于通过施加于
工作台的粉末层的
选定部分的连续熔融而形成三维物品的方法。根据该技术的方法和设备在US 2009/0152771中公开。
[0003] 这样的设备可包括：工作台，所述三维物品待形成在该工作台上；粉末分配器，布置成在工作台上铺设粉末薄层以用于形成粉末层(powder bed)；射线枪，用于将
能量递送至粉末从而产生粉末的熔融；用于控制所述粉末层上由射线枪发出的射线的元件，以用于通过所述粉末层的部分的熔融而形成所述三维物品的截面；以及控制计算机，与三维物品的连续的截面相关的信息储存在该控制计算机中。通过由粉末分配器连续铺设的粉末层的连续形成的截面的连续熔融来形成三维物品。
[0004] 在US 2009/0152771中，提供一种用于捕捉红外
辐射图像的相机，更具体地该相机用于检测新施加的粉末层中的不规则部。根据US 2009/0152771，所述不规则部可能由粉末在工作台上的不规则施加或者粉末分配器中的污染或这样的粉末中的杂质所造成。该缺陷检测方法的问题在于，并非所有检测到的不规则部均会在三维物品中产生真正的缺陷，即，可能会检测到错误的缺陷，从而导致不必要的动作和/或待产生的物品的丢弃。
发明内容
[0005] 本发明的目的是提供一种方法和设备，该方法和设备用于增加缺陷检测的可靠性，并且因此降低通过无模成形和增材制造形成的三维物品的不必要的排出的量以及错误的缺陷检测的量。
[0006] 上述目的通过根据权利要求1所述的方法以及根据权利要求9所述的设备的特征来实现。
[0007] 在本发明的第一方面，提供一种用于检测缺陷的方法，该方法用于在通过连续熔融粉末层的部分来形成三维物品时检测缺陷，所述部分对应于三维物品的连续截面。所述方法包括以下步骤：
[0008] a.提供所述三维物品的模型，
[0009] b.在工作台上提供第一粉末层，
[0010] c.将引导能量束在所述工作台上，从而使得所述第一粉末层根据所述模型而在选定的
位置中熔融，以形成所述三维物品的第一截面，
[0011] d.在所述工作台上提供第二粉末层，
[0012] e.将所述能量束引导在所述工作台上，从而使得所述第二粉末层根据所述模型而在选定的位置中熔融，以形成所述三维物品的第二截面，其中所述第二粉末层结合至所述第一粉末层，
[0013] f.捕捉所述第一粉末层的至少第一熔融区的至少一个第一图像，[0014] g.捕捉所述第二粉末层的至少第二熔融区的至少一个第二图像，其中所述第二熔融区域与所述第一熔融区至少部分地重叠，
[0015] h.将所述第一图像和所述第二图像与所述模型中的对应层进行对比，[0016] i.在所述第一图像相对于所述模型的偏差与所述第二图像相对于所述模型的偏差至少部分地重叠的情况下，检测所述三维物品中的缺陷。
[0017] 通过提供
熔化粉末的至少两个连续层与模型的对应层的对比，极大地降低了错误的缺陷检测的可能性。由于与所述模型的对应层进行对比的是真实物品的熔化结构的两个连续层，而非在将粉末层中的颗粒熔融在一起之前观察所述粉末层，因而可执行最终物品中的真实缺陷的更加可靠的推定。
[0018] 在本发明的一个实例
实施例中，第一层中的第一图像相对于所述模型中的对应层的偏差与相邻层的第二图像相对于所述模型中的对应层的偏差完全地重叠。
[0019] 在本发明的另一实例实施例中，所述模型中的对应层可为参照图像。所述参照图像可为模拟图像或者不存在缺陷的先前层的图像。
[0020] 将模拟图像与熔融区的实际图像进行对比的优点在于，与参照图像为从三维物品的先前构建过程获得的实际图像的情况相比，模拟图像容易且快速地产生。将实际捕捉的图像与CAD模型的对应实际层进行对比的优点在于，这样是有效、快速且可靠的。
[0021] 在另一实例实施例中，通过重新熔化缺陷以及所述缺陷周围的预定区域来修复检测到的所述缺陷。
[0022] 该实例实施例的优点在于，缺陷不仅被检测到而且被修复。
[0023] 在另一实例实施例中，通过以下方式来修复检测到的所述缺陷：在使粉末层熔融时增大功率和/或所述能量束存在于所述缺陷之上以及所述缺陷周围的预定距离的时间。
[0024] 该实施例的优点在于，修复缺陷所需要的时间量最少，这是因为其仅涉及到短时间时期内能量束的功率的改变和/或在熔化粉末层时束存在于缺陷处和缺陷周围的时间的增加。
[0025] 在本发明的另一方面，提供一种用于检测缺陷的设备，该设备用于在通过连续熔融粉末层的部分来形成三维物品时检测缺陷，所述部分对应于三维物品的连续截面，所述方法包括以下步骤：
[0026] a.用于提供所述三维物品的模型的装置，
[0027] b.用于在工作台上提供第一粉末层的装置，
[0028] c.用于将能量束引导在所述工作台上的装置，从而使得所述第一粉末层根据所述模型而在选定的位置中熔融，以形成所述三维物品的第一截面，
[0029] d.用于在所述工作台上提供第二粉末层的装置，
[0030] e.用于将能量束引导在所述工作台上的装置，从而使得所述第二粉末层根据所述模型在选定的位置中熔融，以形成所述三维物品的第二截面，其中所述第二粉末层结合至所述第一粉末层，
[0031] f.用于捕捉所述第一粉末层的至少第一熔融区的至少一个第一图像的装置，[0032] g.用于捕捉所述第二粉末层的至少第二熔融区的至少一个第二图像的装置，其中所述第二熔融区与所述第一熔融区至少部分地重叠，
[0033] h.用于将所述第一图像和所述第二图像与所述模型中的对应层进行对比的装置，[0034] i.用于在所述第一图像相对于所述模型的偏差与所述第二图像相对于所述模型的偏差至少部分地重叠的情况下检测所述三维物品中的缺陷的装置。
[0035] 使用这样的设备可形成物品，在存在一个或多个缺陷的情况下，可在
制造过程中控制这些物品。
附图说明
[0036] 下文中将参照附图以非限制性的方式对本发明进行进一步描述。贯穿附图的多幅视图，相同的参考符号用于指代对应的相似部分：
[0037] 图1a示出了第一熔融粉末层的顶视图像(左)以及第一熔融粉末层的对应的第一参照图像(右)，以及
[0038] 图1b示出了第二熔融粉末层的顶视图像(左)以及第二熔融粉末层的对应的第二参照图像(右)，以及
[0039] 图2示出了第一熔融粉末和第二熔融粉末层的侧视图像，以及
[0040] 图3示出了根据本发明实施例的设备，以及
[0041] 图4示出了根据本发明实施例的方法的
流程图。
具体实施方式
[0042] 为了便于理解本发明，以下限定多个术语。在本文中限定的术语具有如由本发明相关领域的普通技术人员所通常理解的意义。诸如“一(a)”、“一个(an)”以及“该(the)”的术语并不旨在是指仅单个实体，而是包括可使用特定实例以用于解释说明的通常分类。
[0043] 本文中的术语用于描述本发明的特定实施例，而它们的使用并不限制本发明，除非在权利要求中进行阐述。
[0044] 如在本文中使用的术语“三维结构”等通常是指旨在或者实际制造的三维构造(例如，结构材料或多种结构材料的)，这些三维构造旨在用于特定的目的。例如，这样的结构等可通过三维CAD系统的辅助来设计。
[0045] 如在本文中在各个实施例中使用的术语“
电子束”是指任何带电的
粒子束。带电的粒子束的源可包括电子枪、线性
加速器等。
[0046] 图3示出了根据本发明的无模成形或增材制造设备300的实施例。所述设备300包括电子枪302；相机304；两个粉末储料器306、307；启动板316；构建箱312；粉末分配器310；构建平台314；以及
真空室320。
[0047] 真空室320能够通过真空系统来保持真空环境，该真空系统可包括
涡轮份子
泵、涡旋泵、离子泵以及一个或多个
阀，这些阀对于本领域普通技术人员而言是众所周知的并且因此无需在本文中进一步解释。真空系统由控制单元控制。
[0048] 电子枪302产生电子束，该电子束用于使设置在启动板316上的粉末材料318熔化或熔融在一起。电子枪302的至少一部分可设置在真空室320中。控制单元可用于控制和管理从电子束枪302发射的电子束。至少一个聚焦线圈(未示出)、至少一个偏转线圈以及电子束电源可电连接至所述控制单元。在本发明的实例实施例中，所述电子枪通过大约60kV的加速
电压并且通过介于0-3kw范围内的束功率来产生可聚焦的电子束。当通过使用-3 -6
能量束使粉末层逐层熔融来构建三维物品时，真空室中的压
力可在介于10 -10 mBar的范围内。
[0049] 可使用
激光束来代替电子束使粉末材料熔化。
[0050] 粉末储料器306、307包括待设置在构建箱312中的启动板316上的粉末材料。该粉末材料可例如为纯金属或金属
合金，诸如
钛、钛合金、
铝、
铝合金、不锈
钢、Co-Cr-W合金等。
[0051] 粉末分配器310布置成在启动板316上铺设粉末材料薄层。在工作周期过程中，构建平台314将在每个添加的粉末材料层之后相对于射线枪而连续降低。为了使得可进行该移动，在本发明一个实施例中，构建平台314布置成可在竖直方向上移动，即，在由箭头P指示的方向上移动。这意味着构建平台314在初始位置中启动，在该初始位置中，已将具有必要厚度的第一粉末材料层铺设在所述启动板316上。第一粉末材料层可比其他的所施加的层更厚。使用比其他层更厚的第一层来启动的原因在于，不希望使第一层整体熔化(melt-through)到启动板上。构建平台在铺设新的粉末材料层之后降低，以用于形成三维物品的新截面。用于降低构建平台314的方式可例如为通过配备有
齿轮、调节
螺纹件等的伺服
发动机。
[0052] 在根据本发明的用于在通过使粉末层的部分(这些部分对应于三维物品的连续截面)的连续熔融而形成三维物品时检测缺陷的方法的实例实施例中，包括提供所述三维物品的模型的第一步骤402。所述模型可通过CAD(
计算机辅助设计，Computer Aided Design)工具产生。
[0053] 在第二步骤404中，在工作台316上设置第一粉末层。可根据多个方法而将粉末均匀地分配在工作台上。分配粉末的一种方式为通过耙状件(rake)系统来收集从储料器306、307掉落的材料。耙状件在构建箱上移动，从而将粉末分配在启动板上。耙状件的下部与启动板或先前的粉末层之间的距离决定在启动板上分配的粉末的厚度。可通过调节构建平台314的高度而容易地调节粉末层厚度。
[0054] 在第三步骤406中，将能量束引导在所述工作台316上，从而使得所述第一粉末层在选定的位置中熔融，以形成所述三维物品的第一截面。该能量束可为电子束或激光束。通过由控制单元(未示出)给出的指示而将束引导在所述工作台316上。在控制单元中储存有对于如何控制用于三维物品的每个层的束枪的指示。
[0055] 在完成第一层之后，即，完成用于制作三维物品的第一层的粉末材料的熔融之后，在所述工作台316上设置第二粉末层，在图4中由步骤408表示。优选地根据与先前的层相同的方式来分配第二粉末层。然而，在相同的增材制造机中可能存在用于将粉末分配到工作台上的替换方法。例如，可通过第一粉末分配器来设置第一层，可通过另一粉末分配器来设置第二层。粉末分配器的设计根据来自控制单元的指示而自动改变。粉末分配器是以单个耙状件系统(即，在此一个耙状件捕捉从左侧粉末储料器306和右侧粉末储料器307两者掉落的粉末)的形式，这样的耙状件的设计可改变。
[0056] 在已将第二粉末层分配在工作台316上之后，将能量束引导在所述工作台上，从而使得所述第二粉末层在选定的位置中熔融，以形成所述三维物品的第二截面，由图4中的步骤410表示。第二层中的熔融部分可结合至所述第一层的熔融部分。可通过不仅使最上层中的粉末熔化而且使直接位于所述最上层的下方的层的厚度的至少一部分重新熔化而使得第一层和第二层中的熔融部分熔化在一起。
[0057] 在已经使得所述第一粉末层的选定部分熔融之后，捕捉所述第一粉末层的至少第一熔融区的至少一个第一图像，由图4中的步骤412表示。该图像通过设置在真空室320内部或外部的相机304来获得。相机304可为任何类型的相机，例如IR-相机(红外相机)、NIR-相机(
近红外相机)、VISNIR-相机(可视近红外相机)、CCD相机(电荷偶连相机)、CMOS-相机(互补式金属
氧化物
半导体相机)、
数码相机。
[0058] 在图1a中示出了两个图像100、100a，在该图中，左侧图像100示出了三维物品的任意层(例如第一层)的图像，并且右侧图像100a为三维物品的与左侧图像100中相同的层的参照图像。参照图像可为来自CAD文件中的模型的呈现待制造的3维物品的层。参照图像可为从无缺陷区域获得的图。参照图像可为来自先前的层的图像，前提是所述层是无缺陷的。参照图像还可为熔融粉末层的模拟。左侧图像100为所述三维物品的所述第一层的熔融区的至少一部分的图像。在所述图像中，在熔融区中存在两个缺陷102、104。这些缺陷可能由以下因素导致：不规则的粉末分配、粉末材料的不规则尺寸、粉末材料内部的腔、所述粉末材料的不同的合金结构、使粉末材料熔融的辐射枪的功率峰值和/或辐射枪的扫描速度的局部偏差。在扫描速度突然中断一短时间的情况下，来自辐射枪的过多的功率将输送至所述第一粉末材料层的特定区域，这可能导致材料不仅熔化而且
沸腾，这进而可能会导致产生熔融层中的缺陷。图1a左侧的呈三
角形形式的图像可为三维物品的一个层的熔融区的一部分。可依据敏感相机的
分辨率来选择该熔融区的所述部分。通过具有较高分辨率的相机可选择较小的熔融区，并且从而与具有较低分辨率的相机相比能够检测较小的缺陷。图1a中的熔融区示出为三角形的，这仅仅是实例。当然，特别依据所述熔融区从第一层的整体熔融区所选定的位置和/或由相机的操作者选定的熔融区的形状，所选出的熔融区的形状可为任意特定的形式。相机可为热敏感相机，并且第一图像和第二图像可为由所述热敏感相机获得的热图像。
[0059] 可将第一粉末层的第一熔融区的第一图像与第一粉末层的第一熔融区的第一参照图像进行对比。在可替换实施例中，可将第一粉末层的第一熔融区的第一图像与所述模型中的对应层进行对比。如从图1a可见，第一粉末层的第一熔融区的第一图像100不同于第一粉末层的第一熔融区的第一参照图像。区别在于两个缺陷102和104。这些缺陷在熔融的层中可呈腔或不规则部的形式，这些腔或不规则部对于相机来说足够大以便捕捉偏差。通过使用普通的
图像识别软件来执行该图像与参照图像的对比。通过图4中的414来表示真实图像与参照图像的对比。
[0060] 能量束(该能量束可为激光束或电子束)不仅使最后施加的粉末层熔化，而且使至少位于粉末层之下的材料的层熔化，从而导致这样的熔化，该熔化包括通过先前的熔融过程已经熔化的材料以及粉末材料。仅仅在所捕捉的熔融区的图像与模型的偏差在两个连续的层中被检测到并且其中这些偏差至少部分地彼此重叠的情况下才可检测到缺陷。
[0061] 捕捉所述第二粉末层的至少第二熔融区的至少一个第二图像，由图4中的414表示。通过由设置在真空室320中的相机获得第二图像。在图1b中示出了两个图像110、110b，在该图中，左侧图像110示出了三维物品的第二层的图像，并且右侧图像110b为三维物品的与左侧图像110中相同的层的参照图像。左侧图像110为所述三维物品的所述第二层的熔融区的至少一部分的图像。在所述图像中，在熔融区中存在一个缺陷112。
[0062] 将第二粉末层的第二熔融区的第二图像110与第二粉末层的第二熔融区的第二参照图像进行对比。通过图4中的416来表示第一图像100和第二图像110与所述模型中的对应层的对比。如从图1b可见，第二粉末层的第二熔融区的第二图像110不同于第二粉末层的第二熔融区的第二参照图像。区别在于缺陷112。该缺陷在熔融层中可呈腔或不规则部的形式，这些腔或不规则部对于相机来说足够大以便捕捉偏差。
[0063] 第二熔融区与所述第一熔融区至少部分地重叠。
[0064] 在所述第一图像相对于所述第一参照图像的偏差与所述第二图像相对于所述第二参照图像的偏差至少部分地重叠的情况下检测到三维物品中的缺陷，由图4中的步骤418表示。图2为示出了通过根据如上所公开的方法使层熔融在一起而制成的三维物品的两个层的局部侧视图。第一层表示为200并且第二层表示为210。当然，在所示出的第一层
200和第二层210之上和之下可能存在一个或多个层。第一层200包括第一缺陷202，并且第二层210包括第二缺陷212。所述第一缺陷和第二缺陷彼此部分地重叠，即，第二层210中的第二缺陷212与第一层200中的第一缺陷202部分地重叠。图2中的第一层200可代表图1a中的左侧图像，并且第二层210可代表图1b中的左侧图像。图2中的第一层中的第一缺陷202可代表图1a的左侧图像中的缺陷102。图2的第二层中的第二缺陷212可代表图1b的左侧图像中的缺陷112。层的厚度在图2中表示为220。粉末层的厚度可介于
30-150μm的范围内。粉末材料中的金属颗粒的尺寸可介于45-150μm的范围内。粉末材料还可介于25-45μm的范围内。
[0065] 三维物品中的尺寸在100μm以下的缺陷可通
过热等静压(HIP)来修复。
[0066] 可通过用以形成三维结构的一个层的给定粉末层的熔融的模拟来构建所述参照图像。在实例实施例中，使用独特的(unique，独有的)参照图像以用于待制造的三维物品的每个层。这意味着三维物品的层n的图像与参照图像n相关，并且三维物品的层n+1的图像与参照图像n+1相关，其中n为从1到待制造的物品的层的数量的整数。在可替换实例实施例中，对具有等同形状的层使用相同的参照图像，即，如果两个连续的层是等同的，则当然可使用相同的参照图像。如果两个层仅仅在外部轮廓方面彼此不同，则可使用单独的参照图像来涵盖两个层的外部形状。
[0067] 可在制造过程期间修复检测到的缺陷。修复过程例如可包括以下方法，即在不施加新的粉末层的情况下，使检测到的缺陷区域和在所述缺陷周围的预定区域重新熔化。通过这样的方式，可使缺陷的外观平滑并且可在下一个熔融过程中修复缺陷的外观。这是因为施加在更加均匀分配的缺陷的顶部上的新的粉末材料更可能具有在熔融时不会造成其他缺陷的厚度。在将粉末层施加在非改性(modified)的缺陷上的情况下，粉末可在该缺陷位置处具有比能量束的熔化能力更大的厚度。这则可产生一中空结构，该中空结构包括在未完成的物品中的非熔融的粉末材料。
[0068] 可替换的修复方法可施加新的粉末材料层。由于缺陷的位置是已知的，因而能量束可在缺陷位置处增加能量束的功率以便使所有的粉末材料融化，和/或增加所述能量束存在于缺陷位置处及周围的时间。可对一个或多个粉末层重复该过程，以便修复缺陷。
[0069] 在可替换的方法中，可将在不施加新的材料的情况下通过使缺陷和缺陷周围的预定区域重新熔融而使检测到的缺陷平滑的方法与在使粉末层熔化时增加能量束的功率和/或所述能量束存在于所述缺陷区域处和缺陷区域周围的一预定距离处的时间的方法相结合。所述缺陷周围的预定距离可介于离缺陷的中央0到几个mm的范围内。
[0070] 在另一实例实施例中，可由照射源照射包括熔融的和非熔融的粉末的粉末层。照射源可为普通的白光或处于预定
波长范围内的任何光，例如蓝光、红光或绿光。
[0071] 在实例实施例中，捕捉粉末层的图像的相机可设置有适当的
滤波器(filter)。如果照射源将蓝光辐射到粉末层上，则所述相机可设置有仅允许蓝光被相机检测到的
带通滤波器。
[0072] 在另一实例实施例中，所述相机可设置有仅允许IR辐射被相机检测到的长通滤波器。在实例实施例中，提供用于在所述带通滤波器与所述长通滤波器之间切换的机构。在粉末层由落在所述带通滤波器的带内的波长照射时可使用带通滤波器。在不使用照射源来照射粉末层(即，来自粉末层的纯粹自身的辐射(IR))时，可使用长通滤波器。
[0073] 在实例实施例中，在不使用照射源并且使用位于所述相机前方的所述长通滤波器的情况下，可从粉末层N获得至少一个第一图像。在使用照射源并且使用位于所述相机前方的所述带通滤波器时，可从粉末层N获得至少一个第二图像。照射源具有处于带通滤波器的波长范围内的波长。可将所述第一图像和所述第二图像关联，以便增强来自特定粉末层的信息。
[0074] 可在成像程序中处理由相机获得的图像。依据
像素的特
定位置及图像的周围环境，图像中的像素例如可具有局部的
阈值水平。依据像素在相机图像中的位置，白色或黑色(其可意味着熔融的或非熔融的位置)可具有不同的阈值水平。
[0075] 可从一个粉末层及同一粉末层获得多个图像，并且可将这些图像用在用与移除噪声的成像程序中。
[0076] 在本发明的实例实施例中，在使可能包括缺陷的预定位置重新熔化时，可增大或减小能量束的功率。在使缺陷位置重新熔化时，可增大或减小能量束存在于特定位置(该特定位置可为检测到的缺陷)处的时间。
[0077] 本发明不限于上述实施例，并且落在所附权利要求范围内的多种
修改是可能的。这样的修改例如可包括使用与示例的电子束不同的射线枪的源，诸如激光束。可使用除了
金属粉末之外的其他材料，诸如
聚合物粉末和陶瓷粉末。还可从多于2个层来获得图像，即，在本发明的用于检测缺陷的可替换实施例中，使用来自至少三个、四个或更多个层的至少一个图像。如果所述三个、四个或更多个层中的缺陷位置至少部分地彼此重叠，则可检测到缺陷。粉末层越薄，则可使用越多的粉末层，以便检测实际的缺陷。
