本申请大体上涉及增材制造部件，且更具体地，涉及用于形成增材制造部件同时防止在其构造内形成缺陷的系统和方法。
背景技术
增材制造(additivemanufacturing，am)技术正快速成熟。举例来说，使用例如金属和聚合物等多种材料的非常准确的增材制造打印机正以减小的成本变得可用。此外，现在可以使用改进的扫描技术和建模工具。由此，某些oem开始使用此类技术来生产原装零件和替换零件，这导致在例如燃气涡轮发动机等oem设备内使用am部件。
然而，在用于此类设备时，特别是在航空航天涡轮机械中，必须确保am部件的质量。在am过程期间，粉床(powderbed)通常会在机械设备内形成“尘埃云”从而削弱了形成于其中的部件的可视性。由此，对部件的视觉检查是不可能的。此外，材料沉积的高速率可能会限制可用于质量检查的时间，从而导致需要自动化实时检查技术，这为am系统对当前活动水平进行自检提供了机会。当识别出缺陷时，系统有机会启动质量改进子程序，所述子程序将打印机返回到一个或多个低质量位置，并执行必要的校正性动作以改进am零件质量，然后继续执行扩孔am制造动作。
因此，存在对于增材制造部件内的缺陷进行检查和识别的需要。
技术实现要素：
本申请的各方面及优势将部分在以下描述中阐述，或可以从所述描述显而易见，或可以通过实践本申请得知。
本申请大体提供一种用于以增材方式制造部件的方法。在一个实施例中，所述方法包括：在所述部件的顶层上形成表面；扫描所述部件的顶层的所述表面以确定所述表面中是否存在缺陷；以及如果检测到，则校正所述表面内的所述缺陷。举例来说，扫描所述部件的顶层的所述表面以确定所述表面中是否存在缺陷可以通过以下操作来执行：使用扫描装置询问所述部件的顶层的所述表面来获得指示所述部件的顶层的所述表面的数据；以及比较所述数据与参考数据库以确定是否存在不规则性。
技术方案1.一种用于以增材方式制造部件的方法，所述方法包括：在所述部件的顶层上形成表面；扫描所述部件的顶层的所述表面以确定所述表面中是否存在缺陷；以及如果检测到，则校正所述表面内的所述缺陷。
技术方案2.根据技术方案1所述的方法，扫描所述部件的顶层的所述表面以确定所述表面中是否存在缺陷包括：使用扫描装置询问所述部件的顶层的所述表面来获得指示所述部件的顶层的所述表面的数据；以及比较所述数据与参考数据库以确定是否存在不规则性。
技术方案3.根据技术方案2所述的方法，获得数据和比较所述数据是通过与所述扫描装置通信的控制器执行。
技术方案4.根据技术方案1所述的方法，在所述部件的顶层上形成所述表面包括：沉积粉末层；以及引导来自能量源的能量以选择性地熔合所述粉末层。
技术方案5.根据技术方案1所述的方法，所述表面是由用于光学度量的扫描装置扫描。
技术方案6.根据技术方案1所述的方法，所述表面是由用于结构光的扫描装置扫描。
技术方案7.根据技术方案1所述的方法，所述表面是由用于闪光红外检测的扫描装置扫描。
技术方案8.根据技术方案1所述的方法，在检测到所述表面中的空隙时，校正所述表面内的缺陷包括用补充材料填充所述空隙并熔合所述空隙内的补充材料。
技术方案9.根据技术方案1所述的方法，在检测到所述表面中的凸起时，校正所述表面内的缺陷包括重新熔合所述凸起以顺应所述表面。
技术方案10.一种用于以增材方式制造部件的方法，所述方法包括：在所述部件的顶层上形成表面；扫描所述部件的顶层的所述表面以确定所述表面中是否存在缺陷；以及如果检测到缺陷，则舍弃所述部件。
技术方案11.根据技术方案10所述的方法，扫描所述部件的顶层的所述表面以确定所述表面中是否存在缺陷包括：使用扫描装置询问所述部件的所述顶层的所述表面来获得指示所述部件的顶层的所述表面的数据；以及比较所述数据与参考数据库以确定是否存在不规则性。
技术方案12.根据技术方案11所述的方法，获得数据和比较所述数据是通过与所述扫描装置通信的控制器执行。
技术方案13.根据技术方案10所述的方法，在所述部件的顶层上形成所述表面包括：沉积粉末层；以及引导来自能量源的能量以选择性地熔合所述粉末层。
技术方案14.根据技术方案10所述的方法，所述表面是由用于光学度量的扫描装置扫描。
技术方案15.根据技术方案10所述的方法，所述表面是由用于结构光的扫描装置扫描。
技术方案16.根据技术方案10所述的方法，所述表面是由用于闪光红外检测的扫描装置扫描。
参考下面的描述和所附的权利要求，本申请的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。并入在本说明书中且构成本说明书的一部分的附图说明了本申请的实施例，并且与描述一起用以解释本申请的原理。
附图说明
本申请的完整且启发性申请内容，包括其对于所属领域的技术人员来说的最佳模式，在参考附图的说明书中被阐述，在所述附图中：
图1示出表面中具有缺陷的示例性增材制造部件的立体图；
图2示出在校正其中的缺陷之后的图1的增材制造部件的立体图；
图3示出表面中具有缺陷的另一示例性增材制造部件的立体图；
图4示出根据本申请的实施例的检测系统的某些部件；以及
图5示出根据本申请的示例性实施例的用于以增材方式制造部件的方法。
在本说明书和附图中参考标号的重复使用意欲表示本申请的相同或相似特征或元件。
具体实施方式
现将详细参考本申请的当前实施例，所述当前实施例的一个或多个实例在附图中说明。详细描述中使用数字和字母标记来指代图式中的特征。已在图式和描述中使用相同或类似的标记来指代本申请的相同或类似部分。
大体提供用于以增材方式制造部件，同时监测可能在沉积过程期间在每一层上形成的缺陷的方法。由此，所述方法可以在制造过程期间发现任何此类缺陷，从而允许校正缺陷或在完成之前舍弃部分形成的部件。因此，所述方法可以确保所得部件可以没有缺陷地形成，同时确保所述过程中使用的粉末材料的浪费最小化。举例来说，所述方法可以包括检测在增材制造过程期间形成的每一层上的局部表面变化和/或密度变化。此方法可以检测在层上和/或最终产品上肉眼不可见(即，在部件的内部部分内)的缺陷，原本所述缺陷将仅可通过例如x射线计算机断层扫描装置等扫描装置的询问来检测。
一般来说，本说明书中所描述的部件可以使用任何合适的工艺来制造或形成。然而，根据本申请的若干方面，这些部件可以使用例如3d打印工艺等增材制造工艺形成。使用此类工艺可以允许将部件一体地形成为单个整体部件，或形成为任何合适数目的子部件。具体地说，所述制造工艺可以允许这些部件一体地形成，并且包括使用先前制造方法时不可能的各种特征。举例来说，本说明书中所描述的增材制造方法使得能够制造部件，同时在制造过程期间监测各种缺陷(例如，呈厚度、材料、密度、表面变化等的形式)。
如本说明书中所使用，术语“增材制造”或“增材制造技艺或工艺”大体是指制造工艺，其中连续的材料层被提供在彼此上以逐层“堆积”出三维部件。连续的层通常熔合在一起以形成可以具有各种一体式子部件的整体部件。尽管在本说明书中将增材制造技术描述为通常在竖直方向上通过逐点、逐层构建对象来实现复杂对象的制造，但其它制造方法是可能的并且在本申请的范围内。举例来说，尽管本说明书的讨论涉及添加材料以形成连续层，但所属领域的技术人员将了解，本文申请的方法和结构可以用任何增材制造技艺或制造技术来实施。举例来说，本申请的实施例可以使用增层工艺(layer-additiveprocess)、减层工艺(layer-subtractiveprocess)或混合工艺(hybridprocesses)。
根据本申请的合适的增材制造技艺包括，例如：熔融沉积成型(fuseddepositionmodeling，fdm)；选择性激光烧结(selectivelasersintering，sls)；3d打印，例如通过喷墨和激光打印；立体光刻(sterolithography，sla)；直接选择性激光烧结(directselectivelasersintering，dsls)；电子束烧结(electronbeamsintering，ebs)；电子束熔融(electronbeammelting，ebm)；激光工程化净成形(laserengineerednetshaping，lens)；激光净成形制造(lasernetshapemanufacturing，lnsm)；直接金属沉积(directmetaldeposition，dmd)；数字光处理(digitallightprocessing，dlp)；直接选择性激光熔融(directselectivelasermelting，dslm)；选择性激光熔融(selectivelasermelting，slm)；直接金属激光熔融(directmetallasermelting，dmlm)，以及其它已知工艺。
本说明书所描述的增材制造方法可以用于使用任何合适材料形成部件。举例来说，所述材料可以是塑料、金属、混凝土、陶瓷、聚合物、环氧树脂、感光聚合物树脂，或可以是固体、液体、粉末、片材、线材或任何其它合适形式的任何其它合适材料。更具体地说，根据本申请的示例性实施例，本说明书中所描述的增材制造部件可以部分地、整体地或以某一材料组合形成，所述材料包括但不限于纯金属、镍合金、铬合金、钛、钛合金、镁、镁合金、铝、铝合金和奥氏体合金，例如镍-铬基超合金(例如，可以从特种金属公司(specialmetalscorporation)以名称
此外，所属领域的技术人员将理解，可以使用各种材料和用于粘合这些材料的方法，并且将其视为在本申请的范围内。如本说明书中所使用，对“熔合”的提及可以指用于产生上述材料中的任何一个的结合层的任何合适工艺。举例来说，如果对象是由聚合物制成，则熔合可以指在聚合材料之间产生热固性结合。如果对象是环氧树脂，则结合可以通过交联过程来形成。如果材料是陶瓷，则结合可以通过烧结过程来形成。如果材料是粉末金属，则结合可以通过熔融过程来形成。所属领域的技术人员将了解，熔合材料以通过增材制造来制造部件的其它方法是可能的，并且可以用那些方法来实践当前申请的主题。
此外，本说明书申请的增材制造工艺允许单个部件由多种材料形成。因此，本说明书中所描述的部件可以由上述材料的任何合适混合物形成。举例来说，部件可以包括使用不同材料、工艺和/或在不同增材制造机器上形成的多个层、片段或部分。以此方式，可以构造具有不同材料和材料特性以满足任何特定应用的需求的部件。此外，尽管本说明书中所描述的部件完全由增材制造工艺构造，但应理解，在替代实施例中，这些部件的全部或一部分可以通过铸造、机械加工和/或任何其它合适的制造工艺形成。实际上，可以使用材料与制造方法的任何合适组合来形成这些部件。
现将描述示例性添加剂制造工艺。增材制造工艺使用部件的三维(3d)信息，例如三维计算机模型，来制造部件。因此，部件的三维设计模型可以在制造之前限定。就此而言，可以扫描部件的模型或原型以确定部件的三维信息。作为另一实例，可以使用合适的计算机辅助设计(cad)程序来构造部件的模型以限定部件的三维设计模型。
设计模型可以包括部件的整体构造，包括部件的外表面和内表面两者，的3d数字坐标。举例来说，设计模型可以限定主体、基础层、表面、例如不规则性等任何表面特征、部件标识符、局部材料变化或基准特征以及内部通道、开口、支撑结构等。在一个示例性实施例中，三维设计模型例如沿着部件的中心(例如，竖直)轴线或任何其它合适的轴线被转换成多个切片或片段。对于切片的预定高度，每一切片可以限定部件的二维(2d)横截面。多个连续的2d横截面切片一起形成3d部件。接着逐切片或逐层地“堆积”所述部件，直到完成。
以此方式，可以使用增材工艺来制造本说明书中所描述的部件，或更具体地说，例如通过使用激光能量或热或通过烧结金属粉末来熔合或聚合塑料来连续地形成每一层。举例来说，特定类型的增材制造工艺可以使用能量束，例如电子束或例如激光束等电磁辐射，以烧结或熔融粉末材料。可以使用任何合适的激光和激光参数，包括关于功率、激光束光斑大小和扫描速度的考虑。建造材料可以通过经选择以增强强度、耐久性和使用寿命，特别是在高温下，的任何合适粉末或材料形成。
每一连续层可以例如在约10μm与200μm之间，但根据替代实施例，厚度可以基于任何数目个参数来选择，并且可以是任何合适的大小。因此，利用上文所描述的增材形成方法，本说明书中所描述的部件可以具有与增材形成过程期间使用的相关联粉末层的一个厚度，例如10μm，一样薄的横截面。
此外，利用增材工艺，部件的表面光洁度和特征可以取决于应用而视需要加以变化。举例来说，可以通过在增材过程期间选择适当的激光扫描参数来调整表面光洁度(例如，使得更光滑或更粗糙)。可以通过增大激光扫描速度或减小形成的熔池的大小来实现更粗糙的光洁度，并且可以通过减小激光扫描速度或增大所形成的熔池的大小来实现更光滑的光洁度。还可以改变扫描图案和/或激光功率，以改变所选区域的表面光洁度。
值得注意的是，在示例性实施例中，由于制造约束，本说明书中所描述的部件的若干特征在先前是不可能的。然而，本申请人已经有利地利用增材制造技艺中的当前进展来大体上根据本申请来开发此类部件的示例性实施例。尽管本申请不限于大体使用增材制造来形成这些部件，但增材制造确实提供了多种制造优点，包括制造的容易性、降低的成本、更高的准确度，等。
就此而言，利用增材制造方法，甚至多零件部件也可以形成为单件连续金属，并且因此与先前设计相比可以包括更少的子部件和/或接头。这些多零件部件通过增材制造的一体形成可以有利地改进整个组装过程。举例来说，一体形成减少了必须组装的单独零件的数目，因此减少了相关联时间和总组装成本。此外，可以有利地减少存在的问题，例如泄漏、单独零件之间的接头质量以及总体性能。
而且，上文所描述的增材制造方法实现本说明书中所描述的部件的更复杂和精密的形状和轮廓。举例来说，此类部件可以包括薄的增材制造层和新颖的表面特征。
现参考图1，示出由多个层102形成的增材制造部件100。更具体地说，图1提供作为简单部件示出的部件100的立体图，但应了解，本说明书中所描述的增材制造方法可以用来形成用于任何合适装置的任何合适的部件，而不管其材料或复杂性如何。表示部件100的最近熔合层的顶层104限定表面106。缺陷108示出为在表面106内，其由在表面106上的层104内限定的空隙110表示。可能在部件100的制造期间检测到各种其它缺陷。举例来说，在图3中所示的替代实施例中，缺陷108为表面106上的表面凸起128。
图1中还示出了如可以根据本说明书中所描述的增材制造方法中的任一个使用的增材制造平台112和能量源114。举例来说，可以通过将粉床放置在平台112上并使用能量源114将粉床选择性地熔合在所需位置处以形成部件100的层102来构造部件100。在形成每一层之后，平台112可以沿着竖直方向v下降，并且可以重复所述过程直到部件100完成。
如图1中所示，示出扫描装置116用于检测部件100的顶层106中的任何缺陷108的存在。举例来说，扫描装置116可以是用于光学度量、结构光和/或闪光红外(ir)检测的装置。即，可以调整检查技艺以匹配部件100和/或层102、104内的材料的形状。举例来说，扫描装置116可以将电磁辐射(例如，特定波长的光)引导到顶层104的表面106上，且接着检测来自表面106的响应(即，反射的电磁辐射)。在一个实施例中，扫描装置116可以将电磁辐射脉冲式发射到顶层104的表面106上，且接着检测来自表面106的响应。
根据一个实施例，扫描装置116通常被构造成使用断层扫描的原理来对部件100的顶层106的表面106进行测量和绘图。扫描、读取、绘图或以其它方式获得关于部件100内的形状和/或密度变化的有用数据的此过程。
根据所示实施例，扫描装置116包括控制器134，所述控制器大体被构造成接收、分析、发射或以其它方式利用由扫描装置116获取的数据。控制器134可以包括用于执行如本说明书所描述的操作和功能的各种计算装置(例如，包括处理器、存储器装置，等)。出于在下文更详细描述的原因，扫描装置116，或更具体地说，控制器134，可以进一步例如经由网络140与数据库或远程计算系统136通信，并且可以被构造成用于发射或接收与部件100相关的信息。控制器134和计算系统136可以将扫描装置116收集的数据与打印过程的cad模型和/或已知质量部件层进行比较，以确定层106上是否存在缺陷108。
举例来说，控制器134和远程计算系统136形成检测系统130，其可以包括一个或多个如图5所示的计算装置180，图5示出了根据本申请的实例实施例的检测系统130。如上文所描述，检测系统130可以包括可以被构造出经由一个或多个网络(例如，网络140)进行通信的一个或多个控制器134和/或远程计算系统136。根据所示实施例，远程计算系统136远离控制器134。然而，应理解，根据可替代实施例，远程计算系统136可以与控制器134包括在一起或者以其它方式由控制器134体现。
尽管在本说明书中将使用类似参考数字来分别描述与控制器134和远程计算系统136相关联的计算装置180，但应理解，控制器134和远程计算系统136中的每一个可以具有不与另一个共享的专用计算装置180。根据又一实施例，可以仅使用单个计算装置180来实施本说明书中所描述的方法，并且计算装置180可以被包括为控制器134或远程计算系统136的一部分。
计算装置180可以包含一个或多个处理器180a和一个或多个存储器装置180b。所述一个或多个处理器180a可以包括任何合适的处理装置，例如微处理器、微控制器、集成电路、专用集成电路(asic)、数字信号处理器(dsp)、现场可编程门阵列(fpga)、逻辑装置、一个或多个中央处理单元(cpu)、图形处理单元(gpu)(例如，专用于高效渲染图像)、执行其它专用计算的处理单元，等。存储器装置180b可以包括一个或多个非暂时性计算机可读存储媒体，例如ram、rom、eeprom、eprom、闪存存储器装置、磁盘等和/或其组合。
存储器装置180b可以包括一个或多个计算机可读媒体，并且可以存储可由一个或多个处理器180a存取的信息，包括可以由一个或多个处理器180a执行的指令180c。举例来说，存储器装置180b可以存储用于运行一个或多个软件应用程序、显示用户界面、接收用户输入、处理用户输入等的指令180c。在一些实施方案中，指令180c可以由一个或多个处理器180a执行以使得一个或多个处理器180a执行如本说明书所描述的操作(例如，本说明书中所描述的方法的一个或多个部分)。更具体地说，例如，可以执行指令180c以执行扫描数据与参考数据之间的比较、执行缺陷检测分析、发射缺陷的指示，等。指令180c可以是以任何合适编程语言编写的软件，或可以在硬件中实施。此外/或替代地，指令180c可以在处理器180a上在逻辑上和/或实际上分离的线程中执行。
一个或多个存储器装置180b还可以存储可以由一个或多个处理器180a检索、操纵、创建或存储的数据180d。数据180d可以包括例如指示与增材制造部件相关联的缺陷的数据。数据180d可以存储在一个或多个数据库中。一个或多个数据库可以通过高带宽lan或wan连接到控制器134和/或远程计算系统136，或也可以通过网络140连接到控制器。所述一个或多个数据库可以拆分，以使得其位于多个场所。在一些实施方案中，可以从另一装置接收数据180d。
计算装置180还可以包括通信接口180e，所述通信接口用于经由(一个或多个)网络140与检测系统130的一个或多个其它部件(例如，控制器134或远程计算系统136)通信。通信接口180e可以包括用于与一个或多个网络介接的任何合适部件，包括例如发射器、接收器、端口、控制器、天线或其它合适部件。
网络140可以是任何类型的通信网络，例如局域网(例如，企业内部网)、广域网(例如，因特网)、蜂窝式网络，或其某一组合，且可以包括任何数目个有线和/或无线链路。网络140还可以包括检测系统130的一个或多个部件之间的直接连接。通常，可以使用多种通信协议(例如，tcp/ip、http、smtp、ftp)、编码或格式(例如html、xml)和/或保护方案(例如，vpn、安全http、ssl)经由任何类型的有线和/或无线连接进行经由网络140的通信。
应理解，本说明书仅出于解释本申请的各方面的目的描述部件100。举例来说，部件100将在本说明书中用于描述制造增材制造部件的示例性方法。应理解，本说明书中论述的增材制造技艺可以用于制造供用于任何合适装置、任何合适目的和任何合适行业中的其它部件。因此，本说明书中所描述的示例性部件和方法仅用于说明本申请的示例性方面，而不意欲以任何方式限制本申请的范围。
已呈现根据本申请的示例性实施例的部件100的构造和配置，现在提供根据本申请的示例性实施例的用于形成部件的示例性方法200，如图5所示。方法200可以由制造商使用以形成部件100或任何其它合适的零件或部件。应理解，本说明书中论述示例性方法200仅用以描述本申请的示例性方面，而不意欲为限制性的。
参考图5，方法200包括在步骤210处经由增材制造工艺形成部件的顶层。方法200进一步包括，在步骤220处，用扫描装置扫描部件的顶层的表面以获得指示其表面质量的数据。举例来说，步骤220可以包括使用扫描装置116询问部件100的顶层104的表面106以产生表面106的图并且将所述图与cad模型和/或没有缺陷的已知质量部件的数据进行比较。步骤230包括在检测到缺陷108之后确定足够的校正过程。举例来说，当缺陷108是如图1中的空隙110时，则可以填充并重新熔合缺陷108，以与如图2所示的填充物118形成完整表面106。在替代实施例中，例如在图3中，在缺陷108是凸起128的情况下，可以重新熔合凸起128以顺应表面106。然而，可能确定缺陷108过大以致不能挽救部件100，并且可以在制造过程完成之前舍弃部件100。
本说明书中论述的技术提及服务器、数据库、软件应用程序和/或其它基于计算机的系统，以及所采取的动作和发送到此类系统和从此类系统发送的信息。应了解，基于计算机的系统的固有灵活性允许大量可能的配置、组合以及任务和功能性在部件之间和在部件当中的划分。举例来说，本说明书中所论述的计算机过程可以使用单个计算装置或以组合形式工作的多个计算装置(例如，服务器)来实施。数据库和应用程序可以在单个系统上实施或跨越多个系统分布。分布式部件可以依序或并行操作。此外，本说明书中论述的如在计算系统(例如，服务器系统)处执行的计算任务可以改为在用户计算装置处执行。同样，本说明书中论述的如在用户计算装置处执行的计算任务可以改为在计算系统处执行。
本书面描述用实例来申请包括最佳模式的本申请，并且还使所属领域的技术人员能够实践本申请，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何所并入的方法。本申请的可获专利的范围由权利要求书界定，且可包括所属领域的技术人员所想到的其它实例。如果此类其它实例包括并非不同于权利要求书的字面语言的结构要素，或如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质差异的等效结构要素，那么它们意欲在权利要求范围内。