本發(fā)明在用于制作對象的基于激光的加性制造過程的領(lǐng)域中。具體地，本發(fā)明涉及用于通過在使用加性制造過程來制作對象中使用多變量統(tǒng)計過程控制而監(jiān)測工件質(zhì)量的方法。

技術(shù)背景

與減性(subtractive)制造方法形成對照，加性制造(am)過程通常涉及一個或多個材料的積聚，其用來制作凈形或者近凈形(nms)對象。雖然“加性制造”是工業(yè)標準術(shù)語(astmf2792)，但是am囊括在多種名稱下已知的各種制造和原型制作技術(shù)，包含自由成型制作、3d印刷、快速原型制作/加工等。am技術(shù)能夠根據(jù)各種各樣的材料來制作復(fù)合組件。通常，獨立對象能夠根據(jù)計算機輔助設(shè)計(cad)模型來制作。一種特定類型的am過程使用能量束、例如電子束或電磁輻射(例如激光束)來燒結(jié)或熔融粉末材料，從而創(chuàng)建固體三維對象，其中粉末材料的微粒結(jié)合在一起。例如工程塑料、熱塑彈性體、金屬和陶瓷的不同材料系統(tǒng)被使用。激光燒結(jié)或熔融是一種用于功能原型和工具的快速制作的著名am過程。應(yīng)用包含復(fù)雜加工件、熔模鑄造的圖案、注射模塑和拉模鑄造的金屬鑄型以及砂型鑄造的鑄型和型芯的直接制造。用來增強設(shè)計周期期間的概念的傳遞和測試的原型對象的制作是am過程的其他的常見使用。

選擇性激光燒結(jié)、直接激光燒結(jié)、選擇性激光熔融和直接激光熔融是用來表示通過使用激光束燒結(jié)或熔融細粉來產(chǎn)生三維(3d)對象的常見工業(yè)術(shù)語。例如，美國專利號4863538和美國專利號5460758描述常規(guī)激光燒結(jié)技術(shù)。更準確來說，燒結(jié)需要在低于粉末材料的熔點的溫度下熔合(凝聚)粉末的微粒，而熔融需要完全熔融粉末的微粒，以形成固體均質(zhì)體。與激光燒結(jié)或激光熔融關(guān)聯(lián)的物理過程包含到粉末材料的熱傳遞，并且然后燒結(jié)或熔融粉末材料。雖然激光燒結(jié)和熔融過程能夠應(yīng)用于寬范圍的粉末材料，但是尚未充分理解生產(chǎn)路線(route)的科學(xué)和技術(shù)方面、例如燒結(jié)或熔融速率以及在層制造過程期間的處理參數(shù)對微結(jié)構(gòu)演進的影響。這種制作方法伴隨有熱、質(zhì)量和動量傳遞的多種模式以及使過程極為復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。

圖1是示范常規(guī)激光加性制造系統(tǒng)100的截面圖的示意圖。設(shè)備100通過使用由源、例如激光器120所生成的能量束136燒結(jié)或熔融粉末材料(未示出)按照逐層方式來構(gòu)建對象、例如部件122。將要由能量束所熔融的粉末由貯存器126來供應(yīng)，并且使用重涂器臂116均勻遍布于構(gòu)建板114之上，以將粉末保持在水平118處，并且將延伸于粉末水平118上方的多余粉末材料移除到廢物容器128。能量束136燒結(jié)或熔融在檢流計掃描儀132的控制下構(gòu)建的對象的截面層。降低構(gòu)建板114，并且另一個粉末層遍布于構(gòu)建板和所構(gòu)建的對象之上，后面是由激光器120對粉末的連續(xù)熔融/燒結(jié)。該過程重復(fù)進行，直到部件122由熔融/燒結(jié)的粉末材料完全構(gòu)成。激光器120可由包含處理器和存儲器的計算機系統(tǒng)來控制。計算機系統(tǒng)可確定每層的掃描圖案或"標記"，并且控制激光器120按照掃描圖案來輻照粉末材料。在部件122的制作完成之后，各種后處理規(guī)程可應(yīng)用于部件122。后處理規(guī)程包含通過例如吹風(fēng)或真空處理來移除多余粉末。其他后處理規(guī)程包含應(yīng)力釋放過程。另外，熱、機械和化學(xué)后處理規(guī)程能夠用來拋光部件122。

確?？芍貜?fù)性和一致性是先前在激光am中未解決的挑戰(zhàn)，因為，出于原型制作的目的，am已常規(guī)地用作制作零件的手段。然而，隨著am從原型制作零件移向大量生產(chǎn)零件，所以存在對于從構(gòu)建至構(gòu)建和從機器至機器的可重復(fù)性和重現(xiàn)性使得可以在一致的基礎(chǔ)上生產(chǎn)相同的零件的更大需要。這必須在不犧牲正在生產(chǎn)的零件的總體質(zhì)量的情況下完成，這將要求對最終零件的某個檢查或?qū)彶椤Ｆ?，am過程在一致的基礎(chǔ)上生產(chǎn)質(zhì)量零件的方面具有困難。在多于一個場合下，這已被授予am過程的艾基利斯之踵的弱點的稱號。解決該問題的關(guān)鍵步驟是，開發(fā)監(jiān)測并校正am制作過程期間的誤差的方法，使得存在用來執(zhí)行后過程質(zhì)量檢查的降低的需要。

在任何制造過程中，存在諸如，但不限于時間、溫度和/或速度的變量，并且，這些變量將影響任何具體的工件的總體質(zhì)量。在激光am過程的情況下，零件的制作能夠受到要求仔細監(jiān)測構(gòu)建過程的許多參數(shù)的影響，使得制造過程導(dǎo)致最終產(chǎn)品具有有限的缺損和/或要求有限的后制作處理。已在現(xiàn)有技術(shù)中描述對激光am過程中的過程變量進行監(jiān)測的許多途徑。例如，美國專利6995334涉及如下的方法：對通過激光器而在基底上創(chuàng)建的熔池的大小進行實時監(jiān)測，其中，由成像裝置完成監(jiān)測，并且，對激光器的功率進行實時調(diào)整，以匹配控制的功率。美國申請20090206065涉及如下的反饋方法：通過監(jiān)測熔融區(qū)且實時地調(diào)整激光功率、激光光斑大小或掃描速度，以維持恒定的熔融區(qū)，從而對選擇性的激光粉末處理裝置進行監(jiān)測和控制。最后，美國專利5427733涉及如下的方法：在通過激光器接觸時，監(jiān)測金屬粉末的溫度，并且，響應(yīng)于溫度讀出而調(diào)整激光器，以提供恒定的激光輸出功率。然而，大部分的現(xiàn)有技術(shù)的方法限于激光am過程中的一個具體的變量（例如，激光功率或溫度）。尤其是在多個過程中的變量影響最終產(chǎn)品時，檢查單個過程變量僅提供有限的價值。例如，在美國專利5427733中，金屬粉末的溫度是所監(jiān)測的過程變量，并且，進行對激光功率的調(diào)整，以便在燒結(jié)過程的熱影響區(qū)中維持恒定的溫度。為了完成這個，通過沿著激光束路徑測量輻射發(fā)射并使輻射發(fā)射與具體的溫度相關(guān)，從而對溫度進行監(jiān)測。除了溫度之外，隨著激光器圍繞構(gòu)建表面掃描而改變的光學(xué)路徑還將另一變量引入到系統(tǒng)。在熔融狀況下（與燒結(jié)狀況相反），通過在熔池上方存在等離子體羽流(plume)而使這進一步復(fù)雜，這可能進一步影響信號。因此，監(jiān)測單個變量雖然在某些方面中是有用的，但在基于激光的am過程的現(xiàn)實涉及多個過程中的變量時，監(jiān)測單個變量提供有限的價值。

回顧通過其制作零件的過程將提供過程內(nèi)的可變性的更穩(wěn)健的圖片，并且提供用于校正在制造過程期間的過程參數(shù)的可變性的更好的手段。最后，這將引起后制造或后過程質(zhì)量檢查中的減少。執(zhí)行該功能的一種方法是通過統(tǒng)計過程控制（spc）和控制圖表。spc是通過其能夠在過程中通過使用統(tǒng)計方法而對具體的過程，例如但不限于制造過程的質(zhì)量進行監(jiān)測并控制的手段。通過spc而對制造過程的具體的特征或輸出進行監(jiān)測，以確保整個過程以穩(wěn)定的可重復(fù)的方式操作。在任何過程內(nèi)，無論過程是在制造還是任何其他過程，都固有地存在變化，只要這些變化滿足某些穩(wěn)定性準則，例如屬于在統(tǒng)計上可接受的范圍內(nèi)，這些變化就是可接受的。如果能夠基于先前的經(jīng)驗和觀察而在例如在統(tǒng)計上可接受的上限和下限范圍的某些穩(wěn)定性準則內(nèi)預(yù)測過程將如何變化，則過程通常被理解為穩(wěn)定的且在控制之下。如果例如過程期間的變化超過在統(tǒng)計上確定的上限和下限中的任一個，則過程被視為不穩(wěn)定的。

確定過程中的在統(tǒng)計上可接受的變化的一種方法是通過使用控制圖表（也被稱為休哈特圖表或過程-行為圖表）?？刂茍D表繪制具體的過程隨著時間的改變和變化。圖表針對過程的平均值、控制上限以及控制下限而顯示中值或中心線。通過觀察并繪制隨著時間的過程，從而能夠?qū)⒆兓c從先前的過程收集到的歷史數(shù)據(jù)相比，并且，取決于個別的點是否屬于關(guān)于中值的在統(tǒng)計上可接受的范圍內(nèi)且滿足其他穩(wěn)定性準則（例如，遵循西方電子規(guī)則），這些變化被認為在統(tǒng)計上是穩(wěn)定的或不受控制的。將過程變化與平均線、上限線以及下限線比較，技術(shù)人員能夠關(guān)于總體過程變化是受控的還是不受控制的而得出結(jié)論。一個常用的類型的控制圖表是個別的并且移動范圍（i-mr）圖表（參見，例如，圖2）。這種類型的控制圖表能夠?qū)B續(xù)數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，其中，在各時間點處，采集一個數(shù)據(jù)點。i-mr圖表由兩個圖表組成，這兩個圖表一起對過程平均值和過程變化進行監(jiān)測?！癷”圖表對過程期間的個別的數(shù)據(jù)點中的趨勢和位移進行監(jiān)測?！癿r”圖表用來對在過程期間觀察到的數(shù)據(jù)的移動范圍中的短期變化進行監(jiān)測。

由于基于激光的am限于原型制作零件，因而存在對大量生產(chǎn)零件所要求的過程中的生產(chǎn)分析的尚未完全領(lǐng)會。減少用來檢查所生產(chǎn)的每個物品的需要將允許快速而高效地大量生產(chǎn)零件。相反，通過spc而監(jiān)測過程中的變量將實現(xiàn)統(tǒng)計采樣，以作為執(zhí)行使用基于激光的am生產(chǎn)的零件的質(zhì)量檢查的一種方法。基于激光的am過程包含各種過程變量，包含但不限于激光功率或驅(qū)動信號、構(gòu)建板上的x和y定位位置、激光掃描速度、激光掃描方向、來自熔池和/或等離子體（pd或高溫計）的同軸光學(xué)信號、熔池大小、來自熔池和/或等離子體的離軸光學(xué)信號、激光相對于構(gòu)建表面的入射角、激光相對于正在構(gòu)建的零件的入射角、氣流速度和/或給定層/位置的下方的正在構(gòu)建的零件的傳導(dǎo)性質(zhì)。

監(jiān)測單個變量雖然在某種水平上是有用的，但未考慮到進入加性制造零件的多個過程變量之間的多層面的相互關(guān)系。盡管認識到且理解到這些過程變量影響最終的構(gòu)建質(zhì)量，目前不存在關(guān)于激光加性制造的有意義的過程控制系統(tǒng)。在現(xiàn)有技術(shù)描述用來監(jiān)測過程的過程控制機構(gòu)的意義上，限于在基于反饋的機構(gòu)中監(jiān)測單個變量且調(diào)整過程。然而，監(jiān)測單個變量具有有限的價值，因為，最經(jīng)常的多個因素影響例如常見的傳感器響應(yīng)。例如，同軸光電二極管響應(yīng)是至少以下的變量的函數(shù)：激光功率、激光掃描速度、激光掃描方向、粉末層厚度、相對于正在構(gòu)建的零件的激光入射角以及氣流速度。例如，盡管在著眼于單個過程變量時被充分計及，在掃描策略（例如，影線、后輪廓(post-contour)等）的任何給定的部分中，對于同軸光電二極管響應(yīng)是不穩(wěn)定的且不受統(tǒng)計控制,這是常見的。因此，當在制作過程期間檢查單個變量時，存在差異。

本發(fā)明通過基于多個關(guān)鍵過程而對構(gòu)建質(zhì)量和變化進行監(jiān)測并確定，從而克服也被稱為單變量spc的檢查單個變量的分析。遠離單變量spc而移到多變量spc允許進一步提高的效率和更高的質(zhì)量構(gòu)建。多變量統(tǒng)計過程控制途徑考慮若干相關(guān)的變量之間的均值或關(guān)系。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明涉及如下的方法：通過對在am過程期間獲得的關(guān)鍵過程變量進行監(jiān)測，并且，基于多變量統(tǒng)計過程控制（spc）分析而在統(tǒng)計上確定構(gòu)建過程是否滿足穩(wěn)定性準則，其包含屬于在統(tǒng)計上可接受的范圍內(nèi)，從而對基于激光的am過程的質(zhì)量進行控制。如果過程滿足穩(wěn)定性準則，其包含屬于在統(tǒng)計上可接受的范圍內(nèi)，則過程被認為是穩(wěn)定的，然而，如果過程超出在統(tǒng)計上可接受的范圍，則過程不受控制，并且，要求使過程停止且調(diào)整多個變量，從而使過程回到在統(tǒng)計上可接受的范圍中。多變量spc利用來自同軸電磁傳感器、離軸電磁傳感器、聲學(xué)傳感器、激光檢流計驅(qū)動信號、激光功率/驅(qū)動傳感器的組合的信號的過程中的監(jiān)測。在另一實施例中，本發(fā)明還涉及包括用于執(zhí)行多變量spc過程的軟件和加性制造設(shè)備的系統(tǒng)。系統(tǒng)允許加性制造設(shè)備回顧多個過程變量，并且，將變量和與標準偏差的在統(tǒng)計上可接受的范圍比較，并且警告和提供操作員這樣的數(shù)據(jù):一個或更多個過程變量如果被要求，則要求調(diào)整，使得過程回落到諸如在統(tǒng)計上正常或可接受的范圍的穩(wěn)定性準則內(nèi)。

本發(fā)明提供一組技術(shù)方案,如下:

1．一種通過激光加性制造而制造零件的方法，包括：

（a）照射粉末床中的粉末層以形成熔合區(qū)域；

（b）通過使重涂器臂從所述粉末床的第一側(cè)在所述粉末床之上經(jīng)過，從而在所述粉末床之上提供隨后的粉末層；

（c）重復(fù)步驟（a）和（b），以在所述粉末床中形成所述零件；

（d）當進行步驟（a）–（c）時，記錄兩個或更多個過程參數(shù)的信號，所述過程參數(shù)包括激光功率、激光功率驅(qū)動信號、聚焦于構(gòu)建表面上的激光的x/y位置、激光掃描速度、激光掃描方向、來自熔池的同軸電磁發(fā)射、來自等離子體的同軸電磁發(fā)射、熔池大小、來自熔池的離軸電磁發(fā)射、來自等離子體的離軸電磁發(fā)射、激光相對于構(gòu)建表面的入射角、激光相對于工件的入射角、氣流速度、粉末床溫度、粉末層厚度或給定層/位置的下方的工件的熱傳導(dǎo)性質(zhì)；

（e）針對所記錄的過程參數(shù)，將兩個或更多個所述所記錄的信號變換成縮減的變量信號；

（f）確定所述縮減的變量信號是否處于所述過程的控制極限內(nèi)；以及

（g）在所述縮減的變量信號超過所述控制極限時，生成警報信號。

2．如技術(shù)方案1所述的方法，其中，所述加性制造過程為dmls。

3．如技術(shù)方案1所述的方法，其中，通過主分量分析而變換所述縮減的變量集。

4．如技術(shù)方案1所述的方法，其中，根據(jù)西方電子規(guī)則而確定所述縮減的變量集處于控制極限內(nèi)。

5．如技術(shù)方案1所述的方法，其中，基于至少一個多變量控制圖表而確定所述縮減的變量集處于控制極限內(nèi)。

6．如技術(shù)方案5所述的方法，其中，所述至少一個多變量控制圖表是至少兩個過程變量的組合。

7．如技術(shù)方案6所述的方法，其中，所述至少一個多變量控制圖表。

8．如技術(shù)方案5所述的方法，其中，針對作為所述零件中的層的總數(shù)的子集的一組層而執(zhí)行步驟（d）。

9．一種用于激光粉末床加性制造過程的多變量統(tǒng)計過程控制的方法，包括當根據(jù)過程變量而構(gòu)建工件時計算縮減的變量集和使指示所述過程是否依然處于統(tǒng)計控制內(nèi)的信號返回，其中，所述操作員響應(yīng)于所述信號而操縱受控制的過程變量的一個或更多個設(shè)定點。

10．如技術(shù)方案9所述的方法，其中，所述受控制的過程變量包含平均激光功率、光斑尺寸、掃描速度、掃描間距、掃描策略、重涂器速度、重涂器壓力、重涂器劑量、粉末層厚度、粉末床溫度、氧水平、壓力、氣流速度、系統(tǒng)壓力或環(huán)境溫度。

11．一種軟件程序，實現(xiàn)如權(quán)利要求1所述的多變量統(tǒng)計過程控制。

12．如技術(shù)方案11所述的軟件程序，進一步包括被集成至dmlm機器中。

附圖發(fā)明

圖1是常規(guī)的激光加性制造設(shè)備的示意圖。

激光加性制造過程用圖表示熔池以及激光器在制造過程期間移動的路徑和速度。

圖2是示出用于監(jiān)測單個變量的在統(tǒng)計上可接受的范圍和不可接受的范圍的i-mr控制圖表。

圖3是驗證在逐層的基礎(chǔ)上對過程變量進行監(jiān)測的能力的示出基于激光的am過程的過程參數(shù)的示范性的控制圖表，并且，提供來自所有的層的具體的層的子集是否滿足穩(wěn)定性控制準則。

具體實施方式

下面的詳細描述闡述如下的方法：使用多變量統(tǒng)計過程控制來針對具體的構(gòu)建而評價加性制造構(gòu)建過程是否滿足穩(wěn)定性準則，包含屬于在統(tǒng)計上可接受的范圍內(nèi)。描述應(yīng)當明確地使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠使用方法，并且，描述闡述若干實施例、適應(yīng)、變化、備選方案以及方法的應(yīng)用，包含目前被認為是其最佳模式的內(nèi)容。雖然所描述的方法被描述為對一個具體的類型的激光加性制造過程執(zhí)行或使用一些可能的過程變量，但預(yù)期該方法廣泛地可應(yīng)用于其他加性制造過程或能夠包含影響構(gòu)建過程的其他過程變量。

在一個實施例中，方法涉及通過激光加性制造而制造零件或?qū)ο?，包括如下的步驟：（a）照射粉末床中的粉末層，以形成熔合區(qū)域；（b）通過使重涂器臂從粉末床的第一側(cè)在粉末床之上經(jīng)過，從而在粉末床之上提供隨后的粉末層；（c）重復(fù)步驟（a）和（b），從而在粉末床中形成零件；（d）當進行步驟（a）–（c）時，記錄兩個或更多個過程參數(shù)的信號，過程參數(shù)包括激光功率、激光功率驅(qū)動信號、聚焦于構(gòu)建表面上的激光的x/y位置、激光掃描速度、激光掃描方向、來自熔池的同軸電磁發(fā)射、來自等離子體的同軸電磁發(fā)射、熔池大小、來自熔池的離軸電磁發(fā)射、來自等離子體的離軸電磁發(fā)射、激光相對于構(gòu)建表面的入射角、激光相對于零件的入射角、氣流速度、粉末床溫度、粉末層厚度或給定層/位置的下方的零件的熱傳導(dǎo)性質(zhì)；（e）針對所記錄的過程參數(shù)，將兩個或更多個所記錄的信號變換成縮減的變量信號；（f）確定縮減的變量信號是否處于過程的控制極限內(nèi)；以及（g）在縮減的變量信號超過控制極限時，生成警報信號。

在一個實施例中，本發(fā)明涉及用于激光am過程的多變量統(tǒng)計過程控制（spc）的方法，其中，方法包括：當根據(jù)過程變量構(gòu)建工件時，計算縮減的變量集；以及使指示過程是否依然處于統(tǒng)計控制內(nèi)的信號返回。然后，對所返回的信號的評價能夠用來允許在統(tǒng)計控制下繼續(xù)過程或開始使過程中斷或停止，以響應(yīng)于信號而對受控制的過程變量的一個或更多個設(shè)定點進行調(diào)整。受控制的過程變量包含過程控制參數(shù)的任何組合。在一個實施例中，受控制的過程變量包含平均激光功率、光斑大小、掃描速度、掃描間距、掃描策略、重涂器速度、重涂器壓力、重涂器劑量(dosing)、粉末層厚度、粉末床溫度、氧水平、壓力、氣流速度、系統(tǒng)壓力或環(huán)境溫度。

在另一方面中，本發(fā)明涉及減少對象的激光am構(gòu)建質(zhì)量中的變化的方法，該方法包括基于返回信號而對在構(gòu)建對象期間從多變量spc獲得的過程變量進行監(jiān)測和調(diào)整。如果需要，則對過程變量的調(diào)整包含對受控制的過程變量的一個或更多個設(shè)定點進行操縱，使得操縱使不穩(wěn)定或不受控制的激光am構(gòu)建過程回到在統(tǒng)計上可接受的范圍中。多變量spc基于將過程變量轉(zhuǎn)換成變量的縮減集，使得能夠針對與規(guī)范或標準的差異(variance)而對制造過程進行監(jiān)測。與標準或規(guī)范的任何差異將允許操作員調(diào)整一個或更多個過程變量或設(shè)定點，使得構(gòu)建過程滿足穩(wěn)定性準則，包含屬于在統(tǒng)計上可接受的范圍內(nèi)。

在另一方面中，本發(fā)明涉及包括加性制造設(shè)備的系統(tǒng)和執(zhí)行多變量spc過程的系統(tǒng)。系統(tǒng)允許加性制造設(shè)備回顧多個過程變量，并且，比較變量與滿足的穩(wěn)定性準則，包含屬于與規(guī)范的偏差的在統(tǒng)計上可接受的范圍內(nèi)，并且，如果要求，則將一個或更多個過程變量調(diào)整為屬于在統(tǒng)計上正常或可接受的范圍內(nèi)。

在另一實施例中，本發(fā)明涉及用于降低激光am對象中的可變性的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括激光am組件和對影響零件的制造的過程變量進行監(jiān)測、存儲且計算的分析組件，其中，分析組件確定加性制造組件是否在生產(chǎn)處于在統(tǒng)計上可接受的控制內(nèi)的對象，其中，如果過程超出在統(tǒng)計上確定的規(guī)范或標準，則它給操作員提供信號，其中，操作員能夠操縱從縮減的變量集收集的一個或更多個設(shè)定點，以對過程進行調(diào)整，從而使am過程滿足穩(wěn)定性準則，包含屬于在統(tǒng)計上可接受的變化內(nèi)。

方法可應(yīng)用于具有能夠影響最終的構(gòu)建產(chǎn)品的各種過程變量的任何激光am過程。例如，由本發(fā)明囊括任何am過程,其利用光柵掃描或隨機掃描方法來制造構(gòu)建對象,其中各種過程變量可能影響最終產(chǎn)品。例如，將激光用于粉末床制造上的激光am過程例如，但不限于選擇性的激光熔融（slm）、直接金屬激光燒結(jié)（dmls）、直接金屬激光熔融（dmlm）、選擇性的激光燒結(jié)（sls）或任何基于粉末床的激光加性制造過程。

過程變量可以包含在加性制造的過程中涉及的各種元素。術(shù)語過程變量、過程值或過程參數(shù)是指在構(gòu)建過程期間遭受改變的過程的動態(tài)特征的同義術(shù)語。這些參數(shù)可以包含，但不限于激光功率、激光功率驅(qū)動信號、聚焦于構(gòu)建表面上的激光的x/y位置、激光掃描速度、激光掃描方向、來自熔池的同軸電磁發(fā)射、來自等離子體的同軸電磁發(fā)射、熔池大小、來自熔池的離軸電磁發(fā)射、來自等離子體的離軸電磁發(fā)射、激光相對于構(gòu)建表面的入射角、激光相對于正在構(gòu)建的零件的入射角、氣流速度、粉末床溫度、粉末層厚度或給定層或位置的下方的正在構(gòu)建的零件的熱傳導(dǎo)性質(zhì)。

為了執(zhí)行多變量spc，參數(shù)的組合壓縮或變換成縮減的變量集。雖然在本領(lǐng)域中已知執(zhí)行多變量spc的其他形式（例如，偏最小二乘法（pls）），但在本申請中描述的一個常見的形式涉及主分量分析（pca）。pca是使用正交變換來將可能相關(guān)的變量的一組觀察轉(zhuǎn)換成被稱為主分量的線性地不相關(guān)的變量的一組值的統(tǒng)計程序。主分量的數(shù)量小于或等于原始變量的數(shù)量。該變換以這樣的方式定義，以致于第一主分量具有最大的可能的差異（即，計及盡可能多的數(shù)據(jù)的可變性），并且，各隨后分量轉(zhuǎn)而具有在它與前導(dǎo)分量正交的約束之下可能的最高的差異。所產(chǎn)生的向量是不相關(guān)的正交基集。主分量是正交的，因為，主分量為對稱的協(xié)方差矩陣的特征向量。pca對原始變量的相對標度敏感。pca尋求獲得在基于激光的am過程中發(fā)現(xiàn)且定義變量的“縮減集”的過程變量或參數(shù)之間的線性的關(guān)系。一旦確定變量的縮減集，就可以將單變量的統(tǒng)計方法應(yīng)用于確定過程的穩(wěn)定性，例如從在統(tǒng)計上可接受的范圍的變化。變量的縮減集的創(chuàng)建基于前面提到的參數(shù)的組合，使得它能夠明顯地描述基于激光的am過程中的變化?？梢栽谏煽s減的變量中使用從激光功率、激光功率驅(qū)動信號、聚焦于構(gòu)建表面上的激光的x/y位置、激光掃描速度、激光掃描方向、來自熔池的同軸電磁發(fā)射、來自等離子體的同軸電磁發(fā)射、熔池大小、來自熔池的離軸電磁發(fā)射、來自等離子體的離軸電磁發(fā)射、激光相對于構(gòu)建表面的入射角、激光相對于正在構(gòu)建的零件的入射角、氣流速度、粉末床溫度、粉末層厚度或給定層或位置的下方的正在構(gòu)建的零件的熱傳導(dǎo)性質(zhì)選擇的過程參數(shù)的任何組合。

縮減的變量集對對象的構(gòu)建是關(guān)鍵的。在一個實施例中，變量的縮減集用來構(gòu)造考慮各種過程控制的控制圖表。在一個實施例中，過程控制圖表是考慮變量的縮減集的多變量過程控制圖表。變量的縮減集包含過程變量中的一個、兩個、三個、四個、五個或更多個的任何組合，過程變量包含但不限于激光功率/驅(qū)動信號、構(gòu)建板上的x/y位置、激光掃描速度、激光掃描方向、來自熔池和/或等離子體（pd或高溫計）的同軸光學(xué)信號、熔池大小、來自熔池和/或等離子體的離軸光學(xué)信號、激光相對于構(gòu)建表面的入射角、激光相對于正在構(gòu)建的零件的入射角、氣流速度、給定層/位置的下方的正在構(gòu)建的零件的傳導(dǎo)性質(zhì)。在另一實施例中，多變量控制圖表可以用來確定構(gòu)建整個零件、零件的區(qū)段或零件的一個或多個層的過程是否滿足穩(wěn)定性準則。例如，在圖3中，控制圖表能夠?qū)α慵哪承舆M行監(jiān)測，以確保在具體的層處反映的部分屬于某些在統(tǒng)計上可接受的范圍內(nèi)。

過程控制圖表或多變量控制圖表的分析將允許激光am過程是否屬于在統(tǒng)計上正常的控制范圍內(nèi)的分析。如果過程被認為是“不受控制的”，則操作員可以干預(yù)而使構(gòu)建暫停，或可以標記零件，以便在深度檢查中進一步檢查。在另一實施例中，在分析多變量控制圖表時，可以由操作員調(diào)整與在統(tǒng)計上可接受的控制范圍的偏差，操作員將調(diào)整過程變量，使得過程變量屬于可接受的范圍內(nèi)。在另一實施例中，如果在從系統(tǒng)發(fā)信號通知過程是不受控制的或不穩(wěn)定的時，則操作員可以響應(yīng)于信號而操縱受控制的過程變量的一個或更多個設(shè)定點。這些控制過程變量包含平均激光功率、光斑大小、掃描速度、掃描間距、掃描策略、重涂器速度、重涂器壓力、重涂器劑量、粉末層厚度、粉末床溫度、氧水平、壓力、氣流速度、系統(tǒng)壓力或環(huán)境溫度。

本領(lǐng)域技術(shù)人員將領(lǐng)會，各種方法可應(yīng)用于確定縮減的變量集是否滿足穩(wěn)定性準則，包含縮減集是否屬于在統(tǒng)計上可接受的范圍內(nèi)還是超出在統(tǒng)計上可接受的范圍。在一個實施例中，縮減的變量集是否滿足穩(wěn)定性準則的確定包含西方電子規(guī)則的應(yīng)用。例如，為了對統(tǒng)計意義進行測驗，確定在縮減的變量集控制圖表中觀察到的任何點是否超出3個與平均值或均值的標準偏差。這指示點的繪制是不自然的，并且，應(yīng)當進一步研究具體的過程步驟。

本領(lǐng)域技術(shù)人員還將領(lǐng)會，能夠?qū)M一步使該分析自動化的計算機軟件進行編程。在另一實施例中，能夠?qū)⑸鲜龅男史椒捌滠浖喜⒂诨诩す獾募有灾圃鞕C器中。例如，用于校準的過程和軟件能夠集成至激光加性制造機器的標準操作程序中。

示例

該示例涉及利用多變量統(tǒng)計過程控制的基于激光的am過程。在dmlm機器中零件的制造期間，對各種參數(shù)或過程變量進行監(jiān)測，包含但不限于激光功率、激光功率驅(qū)動信號、聚焦于構(gòu)建表面上的激光的x/y位置、激光掃描速度、激光掃描方向、來自熔池的同軸電磁發(fā)射、來自等離子體的同軸電磁發(fā)射、熔池大小、來自熔池的離軸電磁發(fā)射、來自等離子體的離軸電磁發(fā)射、激光相對于構(gòu)建表面的入射角、激光相對于正在構(gòu)建的零件的入射角、氣流速度、粉末床溫度、粉末層厚度以及給定層/位置的下方的正在構(gòu)建的零件的熱傳導(dǎo)性質(zhì)。

根據(jù)過程變量而通過pca來將所監(jiān)測和記錄的過程變量中的每個的參數(shù)計算成縮減的變量集。通過對過程中的縮減的變量集是否屬于過程的控制極限內(nèi)進行分析，從而利用縮減的變量集來監(jiān)測零件的制造。允許屬于在統(tǒng)計上正常的范圍內(nèi)的過程繼續(xù)激光am過程。對超出在統(tǒng)計上正常的范圍的那些過程進行標記，并且，操作員將確定過程是否要求停止或與在統(tǒng)計上可接受的范圍的偏差是否將導(dǎo)致零件不滿足可接受的質(zhì)量控制參數(shù)。

在上文中詳細地描述方法和系統(tǒng)的示范性的實施例。方法不限于本文中所描述的具體的實施例。例如，本文中所描述的方法可以具有其他工業(yè)和/或消費者應(yīng)用，并且，不限于處于激光加性制造過程的實踐或所概述的具體地列舉的過程變量。而是，方法能夠應(yīng)用于其他任何加性制造過程，其中，涉及各種過程變量，并且，變量的組合將對最終產(chǎn)品的構(gòu)建質(zhì)量是關(guān)鍵的。

雖然已根據(jù)各種具體的實施例而描述本發(fā)明的各種實施例，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將領(lǐng)會且認識到，能夠處于在權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)的修改來實踐本發(fā)明。