用于在增材制造系统进行激光器校准的方法以及被配置用于该方法的系统与流程

对用于增材制造的激光器进行校准。具体地，通过使用传感器数据估算激光器功率，对激光器进行过程中校准。

背景技术：

1、增材制造是一种新型、快速发展的工业，其采用逐层制造工件的多种制造方法，与通过从棒料移除材料来形成所期望的工件的常见减材制造技术形成对比。增材制造使用粉末、线、丝或浆液形式的原料材料，并且与诸如金属、塑料和陶瓷等多种材料配合使用。

2、也称为“3d打印”的三维(3d)增材制造涉及将颗粒材料层铺展在基板上，然后例如通过激光烧结将颗粒层的选定部分粘结在一起。对附加的颗粒层重复该顺序，直到已经构建了所期望的3d结构。为了增强部件和/或使部件致密化，通常需要对三维打印部件进行后处理。

3、工业采用3d打印的障碍在于3d打印部件的质量保证。在打印期间可能会引入各种缺陷，这些缺陷可能会导致部件被拒收或甚至导致部件无法使用。在打印期间输送的实际激光器功率是影响所得3d打印部件的所得质量及其材料性质的重要变量。输送到原料材料的实际激光器功率因各种因素而偏离，诸如激光随时间推移而发生的漂移和衰减、透镜缺陷以及不利的腔室条件。打印期间输送的体积能量密度(ved)是可能影响所得质量和材料性质的重要变量。ved随着诸如激光器功率、扫描速度、激光器尺寸，以及激光器与原料材料之间的光学元件的特性等参数而变化。

4、在先前已知的涉及使用激光器使原料材料固结和/或凝固的3d打印系统和方法中，周期性地执行手动且耗时的诸如每三个月至六个月一次的校准过程，以努力确保始终加工成形出缺陷很少或没有缺陷的部件。一些校准过程涉及对输入激光束的功率进行测量，输入激光束的功率可能无法准确地表示输送到原料材料的实际功率。通常在离线和静态配置下对激光器进行校准。由于各种原因，包括激光衰减和运动控制系统劣化、透镜缺陷、气体流动问题以及其它不利腔室条件，因此，在各次校准之间，实际的ved可能随着时间推移而发生显著漂移。不准确的ved可能对部件质量产生不利影响，对于在针对生产效率的操作窗口的边界附近使用的激进式过程参数尤其如此。对于不同激光器的ved可能不一致的多激光器系统而言，该问题更为严重。

技术实现思路

1、在一些实施方案中，本公开包括一种对增材制造系统上的激光器进行校准的方法。在改变激光器功率和/或扫描速度中的一者或多者的同时用激光器处理测试图案。在对测试图案进行处理的同时测量从熔池中的原料材料发射的热量。然后，使用体积能量密度与熔池热发射量之间的关系来计算激光器功率，并且基于所计算的激光器功率，对激光器的功率进行调整。

2、在另外的实施方案中，本公开包括增材制造系统，该增材制造系统包括激光器和热传感器，该热传感器被定位和配置为使用激光器测量形成在原料材料中的熔池的熔池热发射量。该系统还包括：处理器，该处理器被配置为基于所测量的熔池热发射量来计算激光器功率；和控制器，该控制器被配置为基于所计算的激光器功率，对激光器的功率进行调整。

3、在又另一些实施方案中，本公开包括控制激光器的方法。测量通过增材制造生产的部件的一部分的热能密度。使用所测量的热能密度以及热能密度与激光器功率之间的关系来计算激光器功率。然后，响应于所计算的激光器功率，对由激光器提供的功率进行调整。然后，可以按闭环方式对激光器进行原位自动校准，或者当所计算的激光器功率与所施加的激光器功率之间的差值超过阈值时，可以至少标记该激光器以进行校准。

技术特征：

1.一种对增材制造(am)系统上的激光器进行校准的方法，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括用第二激光器执行所述方法。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，在加工成形部件之前执行用所述激光器处理所述测试图案。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，体积能量密度与热发射量之间的所述关系是线性关系。

5.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括监测所计算的激光器功率，并且当所计算的激光器功率超过阈值时，标记所述激光器以进行校准。

6.一种增材制造系统，所述增材制造系统包括：

7.根据权利要求6所述的系统，所述系统还包括第二激光器。

8.根据权利要求6所述的系统，其中，所述处理器基于所述测试图案的测量温度与激光器功率之间的线性关系来计算激光器功率。

9.根据权利要求6所述的系统，其中，所述系统被配置为在改变激光器功率和扫描速度并且使用所述热传感器测量所述熔池热发射量的同时处理测试图案。

10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述测试图案包括一连串块。

11.根据权利要求6所述的系统，所述系统还包括与所述处理器通信的存储器，所述存储器存储激光器功率与所测量的热发射量之间的关系。

12.一种控制激光器的方法，所述方法包括：

13.根据权利要求12所述的方法，其中，热能密度与激光器功率之间的所述关系是线性关系。

14.根据权利要求12所述的方法，所述方法还包括用变化的激光器功率和扫描速度处理测试图案。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述测试图案是对称的测试图案。

技术总结
一种对增材制造系统的激光器进行校准的方法涉及在改变激光器功率和/或扫描速度中的一者或多者的同时用激光器处理测试图案。在对测试图案进行处理的同时测量从所得熔池发射的热能。使用体积能量密度与热发射量之间的关系来计算激光器的功率，并且基于所计算的激光器功率，对激光器功率进行调整。一种用于执行此类方法的增材制造系统可包括激光器、被配置为测量熔池热发射量的热传感器、被配置为基于测试图案的所测量的熔池热发射量来计算激光器功率的处理器，以及被配置为基于所计算的激光器功率，对激光器功率进行调整的控制器。

技术研发人员：古纳兰詹·乔杜里,T·多布罗沃尔斯基,C·耶茨,J·杰恩,M·德里斯,L·J·文德拉
受保护的技术使用者：贝克休斯油田作业有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16