[发明专利]激光粉末床加性制造的多变量统计过程控制

说明书

本发明涉及用于使用多变量统计控制过程来减少加性制造的零件或对象的变化的方法。本发明还涉及能够用来在加性制造装置或设备中实现方法的系统和软件。

技术领域

本发明在用于制作对象的基于激光的加性制造过程的领域中。具体地，本发明涉及用于通过在使用加性制造过程来制作对象中使用多变量统计过程控制而监测工件质量的方法。

技术背景

与减性(subtractive)制造方法形成对照，加性制造(AM)过程通常涉及一个或多个材料的积聚，其用来制作净形或者近净形(NMS)对象。虽然“加性制造”是工业标准术语(ASTM F2792)，但是AM囊括在多种名称下已知的各种制造和原型制作技术，包含自由成型制作、3D印刷、快速原型制作/加工等。AM技术能够根据各种各样的材料来制作复合组件。通常，独立对象能够根据计算机辅助设计(CAD)模型来制作。一种特定类型的AM过程使用能量束、例如电子束或电磁辐射(例如激光束)来烧结或熔融粉末材料，从而创建固体三维对象，其中粉末材料的微粒结合在一起。例如工程塑料、热塑弹性体、金属和陶瓷的不同材料系统被使用。激光烧结或熔融是一种用于功能原型和工具的快速制作的著名AM过程。应用包含复杂加工件、熔模铸造的图案、注射模塑和拉模铸造的金属铸型以及砂型铸造的铸型和型芯的直接制造。用来增强设计周期期间的概念的传递和测试的原型对象的制作是AM过程的其他的常见使用。

选择性激光烧结、直接激光烧结、选择性激光熔融和直接激光熔融是用来表示通过使用激光束烧结或熔融细粉来产生三维(3D)对象的常见工业术语。例如，美国专利号4863538和美国专利号5460758描述常规激光烧结技术。更准确来说，烧结需要在低于粉末材料的熔点的温度下熔合(凝聚)粉末的微粒，而熔融需要完全熔融粉末的微粒，以形成固体均质体。与激光烧结或激光熔融关联的物理过程包含到粉末材料的热传递，并且然后烧结或熔融粉末材料。虽然激光烧结和熔融过程能够应用于宽范围的粉末材料，但是尚未充分理解生产路线(route)的科学和技术方面、例如烧结或熔融速率以及在层制造过程期间的处理参数对微结构演进的影响。这种制作方法伴随有热、质量和动量传递的多种模式以及使过程极为复杂的化学反应。

图1是示范常规激光加性制造系统100的截面图的示意图。设备100通过使用由源、例如激光器120所生成的能量束136烧结或熔融粉末材料(未示出)按照逐层方式来构建对象、例如部件122。将要由能量束所熔融的粉末由贮存器126来供应，并且使用重涂器臂116均匀遍布于构建板114之上，以将粉末保持在水平118处，并且将延伸于粉末水平118上方的多余粉末材料移除到废物容器128。能量束136烧结或熔融在检流计扫描仪132的控制下构建的对象的截面层。降低构建板114，并且另一个粉末层遍布于构建板和所构建的对象之上，后面是由激光器120对粉末的连续熔融/烧结。该过程重复进行，直到部件122由熔融/烧结的粉末材料完全构成。激光器120可由包含处理器和存储器的计算机系统来控制。计算机系统可确定每层的扫描图案或标记，并且控制激光器120按照扫描图案来辐照粉末材料。在部件122的制作完成之后，各种后处理规程可应用于部件122。后处理规程包含通过例如吹风或真空处理来移除多余粉末。其他后处理规程包含应力释放过程。另外，热、机械和化学后处理规程能够用来抛光部件122。

确保可重复性和一致性是先前在激光AM中未解决的挑战，因为，出于原型制作的目的，AM已常规地用作制作零件的手段。然而，随着AM从原型制作零件移向大量生产零件，所以存在对于从构建至构建和从机器至机器的可重复性和重现性使得可以在一致的基础上生产相同的零件的更大需要。这必须在不牺牲正在生产的零件的总体质量的情况下完成，这将要求对最终零件的某个检查或审查。迄今，AM过程在一致的基础上生产质量零件的方面具有困难。在多于一个场合下，这已被授予AM过程的艾基利斯之踵的弱点的称号。解决该问题的关键步骤是，开发监测并校正AM制作过程期间的误差的方法，使得存在用来执行后过程质量检查的降低的需要。