用于调节增材制造装置的方法和系统

摘要

本发明涉及一种系统，用于调节和测量尤其通过CLAD方法进行增材制造的装置（201），该装置包括一个粉末喷射喷嘴（100）和穿过喷嘴中心的激光束，其特征在于该系统包括：a.光源，其包括：ai.光源相对于材料表面的定位装置（210）；aii.照明装置（220），其能够传递基本垂直于平面的光通量（221），该平面被称为照明平面；b.图像采集装置（240），被称为轮廓相机，安装该装置使其光轴（241）基本平行于照明平面；c.光路装置（250），其能够通过喷嘴（100）的中心投射视野；d.第二个图像采集装置（260），被称为定心相机，其光轴位于光路（250）中；e.靶子，其能够被低功率激光射击穿透；f.采集与处理装置（290），其能够收集来自图像采集装置（240，260）的图像。

权利要求

1.用于调节和测量通过直接添加激光制造方法进行喷射/材料熔融的装置的方法，包括一个粉末喷射的喷嘴（100）和穿过所述喷嘴的中心的激光束，该方法通过包含以下装置的系统完成：

a.光源，其包括：

ai.所述光源相对于材料表面的定位装置（210）；

aii.照明装置（220），其能够传递基本垂直于一个平面的光通量（221），该平面被称为照明平面；

‑一个相机，其被称为第一个轮廓相机（240），安装该装置使其光轴（241）基本平行于所述照明平面；

‑一个第二个轮廓相机（340），其光轴垂直于第一个轮廓相机（240）的轴线；

‑光路（250）装置，其能够通过所述喷嘴（100）的中心投射视野；

‑一个相机，被称为定心相机（260），其光轴位于所述光路（250）中；

‑靶子（303），其能够被低功率激光射击标记；

‑采集与处理装置（290），其能够收集来自第一个轮廓相机（240），第二个轮廓相机（340）和定心相机（260）的图像；

该方法的特征在于该方法包括以下步骤：i.将所述喷射喷嘴（100）置于所述照明平面上方，其方向基本垂直于所述照明平面；

ii.将所述靶子（303）置于所述喷嘴出口和所述照明平面之间，以使得所述靶子拦截激光射击；

iii.执行低功率激光射击；

iv.通过光源照亮所述喷嘴（100）的末端；

v.由所述定心相机（260）穿过所述喷嘴的端部获取标记（393）的图像（493），同时照亮所述喷嘴的末端，所述标记（393）由激光射击在靶子上留下。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述靶子粘附于所述喷嘴的端部。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述靶子（303）保持于所述照明平面。

4.根据权利要求1所述的方法，其包括以下步骤：vi.测量被照空间的图像（420）的轮廓与所述图像（493）之间的定心误差，其中，所述图像（493）为在所述步骤v中获取的所述激光射击在所述靶子上留下的所述标记（393）的图像；

vii.计算调节量以纠正所述定心误差。

5.根据权利要求1所述的方法，其包括以下步骤：viii.实现粉末的喷射；

ix.由所述第一个轮廓相机（240）获取被喷射的所述粉末的图像（560）。

6.根据权利要求5所述的方法，其包括以下步骤：x.根据从所述步骤ix中获取的所述图像中的预定轮廓，确定粉末射流的形状（565）；

xi.从所述步骤x中推导出与所述射流相对应的工具量规。

7.根据权利要求5所述的方法，其包括以下步骤：xii.在所述步骤viii中发出激光束；

xiii.根据在所述步骤ix中获取的所述图像，测量所述粉末射流的所述图像（560）相对于所述激光的所述图像（593）的方向偏差；

xiv.从所述步骤xii的结果推导出用于纠正所述激光束相对于所述粉末射流的所述方向误差的待实施的调节量。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述方法还包括：从所述粉末喷射喷嘴中喷射粉末的步骤，还包括以下步骤：xv.通过所述第二个轮廓相机（340）获取所述被喷射粉末的图像（560）；

xvi.在用所述步骤xv中获得的所述图像代替所述步骤ix）中获得的所述图像的条件下，重复所述步骤xiii和xiv。

9.根据权利要求8所述的方法，其包括以下步骤：xvii.在用所述步骤xv中获取的所述图像代替所述步骤ix中获取的所述图像的条件下，重复所述步骤x和xi。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光源包括在所述照明平面中呈环形布置的多个发光二极管（320）。

说明书

用于调节增材制造装置的方法和系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于调节增材制造装置的方法和系统。本发明更具体地适用于一®
种被称为CLAD（“Construction Laser Additive Directe”的首字母缩写，即“直接添加激
光制造”）的增材制造方法，其通过堆积被激光熔融的粉末材料的来制造物体。

背景技术

[0002] 与现有技术相关的图1示出了该方法的一个实施例的示意图。根据该实施例，材料的堆积通过用于粉末的喷射/熔融的喷嘴100来实现，该喷嘴100由三个同心锥体构成，这三
个同心锥体在它们的壁之间界定出的锥形环形空间也是同心的。激光150通过以所述锥体
的轴线为中心的孔穿过内锥体130。在制造过程中，激光聚焦在点191上，并在该点处实现材
料在物体190上的堆积192。粉末160被喷射入处于外锥体110的内表面和中间锥体120的外
表面之间的锥形环形空间中，同时将气体吹入处于所述中间锥体120的内表面和内锥体130
的外表面之间的锥形环形空间中。通过对锥体110，120，130彼此间进行定心以及调节参数
使粉末沿中空锥形射流喷射，该中空锥形射流的顶点理想地与激光150的焦点191重合。材
料堆积点191与外锥110体的前端之间的距离193通常约为5mm，该数值被认为是非限制性和
非穷举性的。

[0003] 这种方法的实施需要精确地知道被喷射的材料的锥体形状并确保所述锥体相对于激光束的理想定心。更具体地，在物体的制造需要实现复杂轨迹的背景下，其中，该复杂
轨迹包括例如粉末射流在空间中的取向的连续变化，需要完全了解所述锥体的长度，其中
心位置，甚至这个锥形的形状。通过被称为校正器或工具量规的参数，这些参数尤其在数控
机器中被处理，这使得可以以适当的方式控制轴，从而遵守通过堆积点的位移与正对被制
造的表面的喷射取向来限定运动的程序。为此，有必要知道该堆积点和激光焦点在机器坐
标系中的相对位置。这些编程和控制技术与通过去除材料进行制造的背景中使用的技术相
同，是已知的现有技术，因此不再进一步详述。在材料去除领域中，无论是在机器外还是在
机器上，工具量规的参数直接来自物理工具的测量。

[0004] 在增材制造的情况下，尤其是在CLAD方法的背景下，喷射锥体的尺寸由实施该方法的参数给出，例如气体流量和被喷射的粉末的性质，或者通过调节喷嘴的锥体给出。此
外，不能测量工具量规参数，例如在机器坐标系中喷射锥体的轴的位置和喷射锥体的长度，
也不能在不实施喷射过程的情况下调节所述喷射锥体的形状。

[0005] 根据现有技术的方法，通过在粘附到喷嘴端部的胶带上执行低功率射击来获得激光轴的位置。喷嘴的端部在黏性部分留下轨迹，激光射击在胶带上形成一个孔。此操作方式
能够通过作用于喷嘴锥体的适当调节来调整两个标记——喷嘴的孔和轨迹的同心度。在任
何情况下，必须重复多次间接测量才能进行调节。调节质量是随机的，即使经验丰富的操作
人员也不能期望重复性误差小于0.5毫米。在任何情况下，这种现有技术不能确定工具量
规，即确定喷射锥体的长度，必要时确定喷射锥体的形状。

发明内容

[0006] 本发明旨在解决现有技术的这些缺陷，并且为此涉及一种系统，其用于调节和测量尤其通过CLAD方法进行增材制造的装置，其中，该增材制造装置包括一个粉末喷射喷嘴
和穿过所述喷嘴中心的激光束，该系统的装置包括：

[0007] a.光源，其包括：

[0008] ai. 光源相对于材料表面的定位装置；

[0009] aii. 照明装置，其能够传递基本垂直于一个平面的光通量，该平面被称为照明平面；

[0010] b.图像采集装置，其被称为轮廓相机，安装该装置使其光轴基本平行于照明平面；

[0011] c.光路装置，其能够通过喷射喷嘴的中心投射视野；

[0012] d.第二个图像采集装置，其被称为定心相机，其光轴位于光路中；

[0013] e.靶子，其能够被低功率激光射击标记；

[0014] f.采集与处理装置，其能够收集来自图像采集装置的图像。

[0015] 因此，作为本发明主体的系统能够获取粉末射流和激光束的图像，并且能够通过穿过喷嘴的光通量和由靶子的标记实现的激光定心来使粉末喷射的孔有形化。该装置能够
实时控制喷嘴和激光的定心而无需再次执行射击或重新安装该装置。

[0016] 有利地，本发明根据以下描述的实施例和变型例来实现，这些实施例和变型例将被单独考虑或以任何技术上可操作的组合被考虑。

[0017] 有利地，光源包括在照明平面中呈环形布置的多个发光二极管。该实施方式可以获得无阴影照明，并且环形布置可以使喷嘴处于相对于该照明的中心，从而使得定心照相
机中的喷射孔的图像被均匀照亮，而激光束的焦点保持足够暗以能够被观察到。

[0018] 根据一个改进的实施方式，作为本发明主体的系统包括：

[0019] g.第三个图像采集装置，其光轴平行于照明平面并且垂直于第一个轮廓相机的光轴。

[0020] 该实施方式能够根据两个平面测量粉末射流的形状和其轮廓与激光的对准。通过改变粉末和气体流量来实现粉末射流形状的调节。因此，作为本发明主体的系统允许对喷
射/熔融的几何形状进行三维的测量和调节。

[0021] 本发明也涉及用于通过根据本发明的系统，来调节和测量尤其通过CLAD方法来进行材料的喷射/熔融的装置的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

[0022] i.将喷射喷嘴置于照明平面上方，其方向基本垂直于所述平面；

[0023] ii.将靶子置于喷嘴出口和照明平面之间，以使得所述靶子拦截激光射击；

[0024] iii.执行低功率激光射击；

[0025] iv.通过光源照亮喷嘴的末端；

[0026] v,由定心相机穿过喷嘴的端部获取标记的图像，同时照亮喷嘴的末端，其中标记由激光射击在靶子上留下。

[0027] 该方法能够获取粉末喷射孔的位置的图像，该图像相对于激光束的轴线显示为一个光环，在未移除靶子情况下，通过激光在靶子上留下的标记被有形化。该方法也能够通过
光环的位移观察到在每次调节时的该位置的变化，从而便于对喷嘴进行调节。

[0028] 根据作为本发明主体的方法的变型例，靶子被粘附于喷嘴的端部。

[0029] 根据作为本发明主体的方法的变型例，靶子被保持于照明平面。

[0030] 由作为本发明主体的装置的定心相机和光路提供穿过喷嘴的视野的可能性，使得能够实现作为本发明主体的方法，其中，靶子位于这两个端之间，或这两个端之间的任何位
置。

[0031] 有利地，作为本发明主体的方法包括以下步骤：

[0032] vi.测量被照空间的轮廓与在步骤v)中获取的激光射击在靶子上留下的标记的图像之间的定心误差；

[0033] vii.计算用于纠正定心误差的调节量。

[0034] 由采集和处理装置实现的这些步骤，允许根据机器的调节装置自动确定待实施的校正。

[0035] 有利地，作为本发明主体的方法包括以下步骤：

[0036] viii.实现粉末的喷射；

[0037] ix.由轮廓相机获取被喷射的粉末的图像。

[0038] 因此，作为本发明主体的方法能够观察到粉末射流的形状。此外，作为本发明主体的方法有利地包括以下步骤：

[0039] x.根据从步骤ix中获取的图像中的预定轮廓，确定粉末射流的图像的形状；

[0040] xi.从步骤x中推导出与射流相对应的工具量规。

[0041] 因此，作为本发明主体的方法能够获得精确的工具量规以提高物体的制造质量。

[0042] 有利地，作为本发明主体的方法还包括以下步骤：

[0043] xii.在步骤viii中发出激光束

[0044] xiii.根据步骤ix中获取的图像，测量粉末射流的图像相对于激光束的图像的方向偏差。

[0045] xiv.从步骤xii的结果推导出用于纠正方向误差的待实施的调节。

[0046] 除了获得粉末射流相对于激光的理想取向之外，在步骤xii中进行的测量能够检查增材制造装置的正确操作，特别是在碰撞之后。

[0047] 根据一个改进的实施方式，作为本发明主体的方法使用了具有三个图像采集装置的系统，并且包括以下步骤：

[0048] xv.通过第三个图像采集装置获取被喷射的粉末的图像；

[0049] xvi.在用步骤xv中获取的图像代替步骤ix中获取的图像的条件下，重复步骤xiii和xiv。

[0050] 根据该相同的实施方式，作为本发明主体的方法包括以下步骤：

[0051] xvii.在用步骤xiv中获取的图像代替步骤ix中获取的图像的条件下，重复步骤x和xi。

[0052] 作为本发明主体的方法的这种改进的实施方式能够对粉末射流和激光束进行三维的控制和调节。因此，根据该实施方式，作为本发明主体的方法有利地包括由以下步骤：

[0053] xviii.在用步骤xv中获取的图像代替步骤ix中获取的图像的条件下，重复步骤x和xi。

附图说明

[0054] 以下根据其非限制性优选实施例并参照附图1至5来解释本发明，其中附图1至5的说明如下：

[0055] ‑ 图1与现有技术有关，以透视和剖视原理的视图示出了在CLAD®法中使用喷射/熔融喷嘴的一个实施例；

[0056] ‑ 图2以正视图和图3中限定的剖面AA的视图示出了在增材制造机器中安装作为本发明主体的系统的示例；

[0057] ‑ 图3以俯视图示出了作为本发明主体的系统的一个实施例；

[0058] ‑ 图4示出了通过由定心相机获得的图像来调节激光束和喷嘴的同心性；

[0059] ‑ 图5示出了用于通过轮廓相机实现调节的采集和处理装置中的显示屏幕的示例。

具体实施方式

[0060] 如图2所示，根据一个实施例，作为本发明主体的系统被安装于能够实现增材制造的机床中。举例来说，系统被安装于机器的工作台201上，系统通过磁性支撑件固定于工作
台。根据实施变型例（未示出），支撑件不是磁性的，并且被压紧或用螺栓固定于工作台，或
者固定安装于其上不妨碍制造操作的位置。系统包括光源220。光源220发出主要垂直指向
照明平面的光通量221，根据该实施例，该照明平面基本上平行于机器的工作台201。根据替
代实施方式，支撑件是一个例如用于将系统安装于圆柱形表面的V形支撑件，或者支撑件包
括用于调节该支撑件的取向，并因此调节光源相对于其所在表面的取向的一个装置。

[0061] 为了实现作为本发明主体的系统，机器的增材制造头202位于光源220上方，使得激光束的方向203基本垂直于照明平面，激光束优选地相对于光源居中，以便获得喷嘴100
的均匀照明。

[0062] 根据该实施例，附接到光源的支撑件的支撑臂230能够放置第一相机240，优选地为数字摄像机，其被称为轮廓相机，使得相机的光轴 241基本垂直于激光束的假定方向
203，从而基本平行于照明平面，并且相机提供喷射喷嘴100的端部和从喷嘴喷出的粉末射
流的图像。替代地，轮廓相机独立于光源的支撑件固定在机器中，同时遵守其光轴相对于激
光束的假定方向的取向。

[0063] 在增材制造头中形成光路250，允许第二个相机260，即定心相机，获取穿过喷嘴100的粉末喷射孔的图像。在许多使用CLAD方法的机器上，预先安装该光路250和用于安装
该第二相机的位置，从而不需要改变增材制造头。图2中光路的表示是原理性的表示。实际
上，实现所述光路以使得其不会干扰激光束。因此，定心相机采集穿过喷嘴100观察到的图
像。相机的调节，特别是对焦点和景深，光路和增材制造头202相对于光源220的位置的调
节，使得定心相机可以在同一图像中，以适用于所实现的测量的清晰度，观察到粉末喷射孔
的边界以及激光束位置的有形化。通过被放置于喷嘴100的端部和照明平面之间的靶子的
穿孔来获得该有形化。通过低功率的激光射击来实现所述靶子的穿孔。

[0064] 两个相机240，260被连接于采集和处理系统290，例如笔记本电脑，以收集由相机提供的图像并对这些图像进行各种处理。

[0065] 如图3所示，根据一个实施例，光源包括多个光源，例如在发光平面上呈环形布置的发光二极管，增材制造头基本上放置在该环形的中心。这种光源可以获得喷嘴的无阴影
照明，其具有一个较暗的中心区域，使得可以更清楚地观察到处于装置中心的靶子303。根
据该实施例，靶子303被置于照明平面。靶子例如由纸或胶带制成，以通过低功率激光射击
在靶子上形成标记，其中该激光的功率小于10瓦，优选地小于5瓦。

[0066] 靶子303被置于处于照明平面和增材制造头的喷嘴出口之间的激光束的路径中。当靶子被置于照明平面上或喷嘴的出口端时，获得最简单的实施位置。靶子通过夹具（未示
出）被粘附或保持。低功率激光射击在靶子上产生较暗的灼烧区393或基本上呈圆形的穿
孔。

[0067] 根据一个特定的实施方式，作为本发明主体的装置包括第二个轮廓相机340，其对准增材制造头的喷嘴，其光轴垂直于激光束的假定轴并且基本垂直于第一个轮廓相机240
的轴线。

[0068] 如图4所示，由定心照相机观察到的图像包括光环420，其边界对应于粉末的排出孔，并且暗点493对应于激光在靶子上留下的标记。根据采集和处理装置，光点420和暗点
493这两个点的轮廓例如类似于相对偏心率易于测量的圆。操作人员通过在采集和处理装
置的屏幕上观察到由定心相机传送的图像来执行该操作。两个圆的识别由操作人员实现，
例如借助于图形工具，将所述轮廓的线图叠加在由定心相机获得的图像上。为了实现精确
测量，和从其他相机接收信息一样，采集和处理装置有利地从定心相机接收信息，例如所用
镜头的焦距，焦点的调节，光圈和清晰度，在该列表为非穷尽和非限制的情况下，这些信息
可以精确地计算所显示图像的复制比例，并且因此可以进行适当的测量。

[0069] 当靶子被置于照明平面上时，通过作用于喷嘴的锥体的机械定心来实现调节，并且在增材制造头不相对于本发明的装置主体移动的条件下，粉末排出孔的定心的任何变化
在不发出新的激光射击的情况下立即可见，这使得能够通过实时图像调节喷嘴。当增材制
造装置包括激光的光学调节时，例如通过透镜，从而通过图像采集计算初始调节。当完成调
节，就会进行新的射击。根据上一个实施方式，无论靶子是置于喷嘴的端部还是置于照明平
面上，实施便利性都是相同的。

[0070] 如图5所示，根据一个实施例，对应于一个或另一个轮廓相机的采集和处理装置上的显示屏500包括一个第一框501，其表示由轮廓相机可见的图像。该图像示出了增材制造
头的喷嘴100的端部，并且当该喷嘴喷射粉末射流时，轮廓相机可以显示该粉末射流的图像
560。如果在粉末喷射期间发出激光束，则粉末颗粒的照亮使得能够观测到所述激光束的方
向593。根据实施变型例，在该第一屏幕中的喷嘴和粉末喷射的图像是动态图像或从先前进
行的粉末喷射试验中提取的摄影图像，其中，该动态图像根据对粉末和气体的流量的调节，
实时显示粉末的喷射以及射流的形状。

[0071] 作为本发明主体的系统有利地包括存储装置，该存储装置用于记录由各种相机获取的图像或影片以及实现的调节，并且必要时为其加上时间标记。

[0072] 屏幕的一个第二框502允许操作人员访问一组工具，包括例如用于在第一屏幕501中示出的图像上绘制轮廓线图的图形工具。借助于这些工具，根据一个实施例，操作人员根
据预定图案565，例如梯形，确定粉末射流的图像560的轮廓。根据该实施例，在第一框501中
显示的标签566向操作人员提供关于已识别的梯形的特征的第一级信息。第二框中的显示
513向操作员提供从已识别的轮廓推导出的工具量规。然后，操作人员将这些工具量规手动
输入到机器的校正表中，或者更有利地，采集和处理装置具有与机器的控制器进行数据交
换的接口，当操作人员验证了测量，就可以通过传输已识别的数值立即更新机器校正表。这
些量规例如包括梯形的长度，大底边的宽度，其可看作粉末射流的大直径和截头尖端的宽
度，其可看作截锥形射流的小直径。

[0073] 第一框501中的图像还使得能够检测相对于粉末射流错误定位的激光束594的情况，并且如有必要，可以计算用于重新定位所需的调节量。

[0074] 当作为本发明主体的系统包括两个轮廓相机时，根据由每个所述轮廓相机提供的图像来实现这些不同的调节和控制。

[0075] 以上描述和实施例表明，本发明实现了预期目标，即本发明能够很大程度上使得激光相对于喷嘴的定位的不同调节更加便利。本发明在增材制造机器的背景下被描述，但
其也适用于激光切割喷嘴相对于切割激光的同心度和取向的调节。图像以及调节被有利地
归档于存储装置中，以确保所实现的制造的可追溯性。