通過圖像分析監控激光束的能量密度的方法和相應裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及通過選擇性激光熔化(SLM)制造零件的領域，選擇性激光熔化即能夠在可控的氣氛中通過大功率激光器逐漸局部地(即，選擇性地)熔化金屬粉末制造金屬零件的增材制造的技術。
【背景技術】
[0002]選擇性激光熔化是一種能夠根據模制零件的模型的三維CAD數據通過將粉末狀材料沉積成層來制造成型體(例如產品原型或組件原型)的方法。將若干層粉末依次沉積在彼此之上，使得在沉積下一層之前，通過大功率(200W?幾kW)的聚焦激光束施加到與成型體的模型的給定橫截面區域對應的粉末層的給定區域上，將每個粉末層加熱到給定溫度。按照模型的給定橫向表面的CAD數據，將激光束導引到各個粉末層上面，使得各個粉末層附接到下層。通過重復提供粉末并通過激光熔化粉末能夠逐漸增厚該零件并獲得所需形狀。
[0003]這種激光選擇性熔化方法的實例尤其在文件FR 2 970 887和US 6 215 093中已有所描述。
[0004]為了獲得具有冶金質量并呈現渦輪發動機領域中所特別采用公差的尺寸的零件，必要的是激光束的能量密度在制造平面(粉末床)中和在暴露于激光期間保持恒定。
[0005]能量密度取決于三個參數:激光束的功率、速度和尺寸。
[0006]目前，通過獨立地測量這三個參數來間接得到激光束的能量密度的監控。不過，這種監控具有需要通過不同的設備連續進行單獨測量的缺點。除了在工業中應用冗長且困難，激光束的能量密度的這種監控并不是魯棒性的，測量經歷由所使用的設備的漂移而被失真的風險。這些設備是進一步具體的并且為了使用通常需要訓練和特殊技能，進一步地，這些設備昂貴、易碎和應用時間長，并且必須定時檢查。最后，整個制造空間對于這些測量是不可能的。
[0007]在文件EP I 466 718中，已經提出了一種用于通過熱視覺系統(諸如紅外照相機)所獲取的目標區域的圖像來控制目標區域(諸如粉末床)的溫度的方法。然后，將由此確定的溫度與所需溫度進行比較，這能夠提高粉末床的整體溫度的控制。然而，這種方法決不允許確定激光束的能量密度是否穩定，或其所依賴的參數之一是否不穩定。事實上，問題僅僅是調節激光束的溫度，以便避免粉末床的溫度差異，這將有損于人們所尋求制造的部件的質量。
[0008]文件DE103 20 085對此描述了一種用于通過選擇性熔化制造零件的方法，在該方法期間調節光密度以提高該零件的最終密度。特別是通過測量待熔化的粉末的厚度的CCD照相機和測定它的溫度的高溫計來調節光密度的適應。因此，這個文件不涉及控制激光束的能量密度的穩定性。
[0009]最后，文件DE10 2010 027910涉及一種通過激光熔化制造零件的方法，在其期間，定期測量激光器的功率，以便檢測關于預期的功率值的可能偏差。因此，這個文件僅提出了測量對激光束的能量密度起作用的參數之一，而其它參數未被測定。
[0010]因此，這些文件都沒有提出一種以簡單且節約成本的方式用于檢測能量密度的參數漂移的可靠且快速的方式。
【發明內容】
[0011]因此，本發明的目的是提出克服現有技術的缺點的一種用于監控激光束的能量密度的方法和一種相關聯的監控裝置，這允許與現有技術相比以節約成本并可工業化的方式快速檢測一部分參數(激光束的功率、速度和尺寸)的漂移，并且這在整個生產空間中。
[0012]為此，本發明提出了一種根據激光束的至少兩個參數監控所述激光束的能量密度的方法，所述方法包括以下步驟:
[0013]將所述激光束定期施加到基準襯底上，并在各個施加期間測量在所述基準襯底上所得的光強度；
[0014]識別在至少兩次測量之間所述基準襯底上的光強度變化；以及
[0015]在所述光強度變化大于給定閾值時，確定所述激光束的能量密度的不穩定參數。
[0016]上述監控方法的某些優選但非限定性的特征如下:
[0017]所述激光束的能量密度由三個參數監控，所述三個參數尤其包括所述激光束的功率、速度和尺寸；
[0018]施加并定期測量所述基準襯底上的光強度的步驟包括以下子步驟:
[0019](i)施加所述激光束到基準襯底上并獲取所述基準襯底上的激光束的圖像，以便獲得基準圖像；
[0020](ii)測定所述基準圖像中的激光束的施加點處的光強度，以及
[0021](iii)定期施加所述激光束到所述基準襯底上并獲取所述基準襯底上的激光束的圖像，以便獲得監控圖像，并且在所述監控圖像中的激光束的施加點處測定所述基準襯底上的光強度，并且
[0022]識別所述光強度變化的步驟包括以下子步驟:
[0023](iv)比較由此獲得的監控圖像的光強度與所述基準圖像的光強度，以及
[0024](V)由此推斷所述激光束的能量密度變化；
[0025]所述光強度通過測量所述基準圖像的灰度級和所述監控圖像的灰度級進行測定；
[0026]所述基準圖像的灰度級和所述監控圖像的灰度級在多個點處進行測量，使得所述光強度通過對各個圖像的各個點中的強度分布求平均值進行測定；
[0027]在將所述激光束施加到基準表面上以獲取所述基準圖像之前，所述監控方法進一步包括初始步驟，在所述初始步驟期間，測定所述參數的初始值，并且，在所述光強度變化大于給定閾值時，所述方法進一步包括以下子步驟:測定所述激光束的參數值并比較所述激光束的參數值與所述參數的初始值，以便識別所述不穩定參數，以及調整所述激光器以便使所述不穩定參數重新穩定；
[0028]一旦調整了所述激光器，則用所述激光束再重復所述步驟(i)?(iii)，以便勾勒出新的基準圖像；以及
[0029]所述初始步驟也進行再重復。
[0030]本發明也提出了一種根據激光束的至少兩個參數監控所述激光束的能量密度的裝置，所述參數包括所述激光束的功率、速度和/或尺寸，所述裝置能夠監控根據如上所述的激光束的能量密度，并且，所述裝置包括:
[0031]圖像采集系統，被配置用于獲取所述基準襯底上的激光束的圖像，以及
[0032]圖像處理系統，被設置用于比較由所述圖像采集系統獲取的不同的圖像的光強度，并識別在至少兩次測量之間所述基準襯底上的光強度變化，以及
[0033]數據處理機構，被設置用于由所述光強度變化確定所述激光束的至少一個參數是否不穩定。
[0034]監控裝置的特定優選但非限制性特征如下:
[0035]所述基準襯底包括均勻的涂層；
[0036]所述基準襯底包括鋁合金板；
[0037]所述鋁合金板經陽極化處理，并且包括陽極化層；
[0038]所述陽極化層是黑色的；
[0039]所述陽極化層的厚度為所述鋁合金板的厚度的0.5%?3%，優選為所述鋁合金板的厚度的約I
[0040]所述招合金板的厚度為約Imm，而所述陽極化層的厚度為約0.01mm。
【附圖說明】
[0041]通過閱讀下文中參考以非限定性示例給出的附圖進行的詳細說明，本發明的其它特征、目的和優點將更加明顯，在附圖中:
[0042]圖1是表示根據本發明監控激光束的能量密度的方法的示例性實施方式的各個步驟的流程圖；
[0043]圖2是示出圖像的強度分布(S卩，灰度級對距離(以像素計))的實例的曲線圖；
[0044]圖3示出了激光束的能量密度下降的實例;并且
[0045]圖4示意性示出了根據本發明的一種監控激光束的能量密度的裝置的實例。
【具體實施方式】
[0046]為了在制造平面中和在暴露到激光器功率期間監控激光束3的能量密度的恒定性，本發明提出了一種用于由激光束3的至少兩個參數監控能量密度的方法S，包括以下步驟:
[0047]將所述激光束3定期施加到基準襯底7上，并在各個施加期間測量在所述基準襯底上所得的光強度S4;
[0048]識別在至少兩次測量之間所述基準襯底7上的光強度變化S6，S7，S8;以及
[0049]在所述光強度變化大于給定閾值時，確定所述激光束3的能量密度的不穩定參數S8o
[0050]本發明是基于這樣的事實:通過將激光束3施加到給定襯底上所獲得的光強度代表這個激光器2的能量密度。因此，能夠專門限制在基準襯底7上獲得的光強度的測量參數的數目，然后由此推斷出激光器3的能量密度變化，并因此推斷其參數中的至少一個參數的不穩定性，以使得測量的數目和測量它們的難度與現有技術相比大大降低。因此，方法S的施用更快且更容易。
[0051]此外，方法S可以通過監控能量密度的裝置I進行施用，包括常見設備，而不需要或幾乎不需要培訓或特殊技能，諸如:
[0052]圖像采集系統4，被配置用于獲取基準襯底7上的激光束3的圖像，以及
[0053]圖像處理系統5，被設置用于比較由圖像采集系統4獲取的不同的圖像的光強度，并識別在至少兩次測量之間所述基準襯底7上的光強度變化，以及
[0054]數據處理機構6，被設置用于由所述光強度變化確定所述激光束3的至少一個參數是否不穩定。
[0055]例如，圖像采集系統4可以是掃描儀、照相機或另外的攝像機，而圖像處理系統5可以包括圖像處理軟件包，并且數據處理裝置6可以包括中央單元，該中央單元可選地連接到適于顯示方法S的結果的界面設備6。
[0056]此外，能夠監控激光束3的能量密度的激光束3的參數選自激光束3的功率、速度和尺寸。優選地，在監控方法S期間檢測這三個參數。
[0057]將光強度與基準光強度比較，基準光強度對應于基準襯底7上的光強度，其代表在它的參數穩定時在相同或類似的條件下測定的激光束3的能量密度。