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原文传递具有实时原位检测功能的增材制造装置及方法

专利名称：	具有实时原位检测功能的增材制造装置及方法
摘要：	本发明公开了一种具有实时原位检测功能的增材制造装置及方法，增材制造装置利用二次电子逐层检测成形件质量，其中，增材制造装置包括：成形区域、电子束发射聚焦扫描装置、二次电子采集装置和控制器。所述控制器控制所述电子束发射聚集扫描装置对所述成形区域进行扫描，同时控制所述二次电子采集装置采集电子束扫描过程中的二次电子信号和电子束偏转信号，并对信号进行数据处理生成图像、分析成形质量和进行工艺反馈控制。本发明实施例的增材制造装置可以实时对电子束选区熔化熔融层和粉末床质量进行监测，及时发现和识别缺陷并进行修复，提高电子束选区熔化工艺的良品率和有效避免打印异常造成的材料和时间的浪费。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	北京;11
申请人：	清华大学
发明人：	林峰;赵德陈;张磊;郭超;马旭龙
专利状态：	有效
申请日期：	2019-01-16T00:00:00+0800
发布日期：	2019-05-14T00:00:00+0800
申请号：	CN201910038734.1
公开号：	CN109752401A
代理机构：	北京清亦华知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：	张润
分类号：	G01N23/2206(2018.01);G;G01;G01N;G01N23
申请人地址：	100084 北京市海淀区清华园
主权项：	1.一种具有实时原位检测功能的增材制造装置，其特征在于，所述增材制造装置利用二次电子检测粉末床及成形件的表面形貌，进而监测成形过程及成形质量，其中，所述增材制造装置包括：成形区域，所述成形区域位于成形真空室内部；电子束发射聚焦扫描装置，所述电子束发射聚焦装置位于所述成形区域上方，利用电子束扫描成形区域，且扫描范围覆盖所述成形区域；二次电子信号采集装置，所述二次电子信号采集装置用于采集电子束扫描成形区域时产生的二次电子信号；控制器，所述控制器用于控制所述电子束发射聚集扫描装置对所述成形区域进行扫描处理，并控制所述二次电子信号采集装置采集电子束扫描过程中的二次电子信号和电子束偏转信号，并对所述信号进行数据处理生成图像、分析成形质量和进行工艺反馈控制；其中，所述二次电子信号采集装置包括：至少两个二次电子探测器，所述二次电子探测器位于所述成形真空室内部，侧置于所述成形区域的近距离处；电流放大器，所述电流放大器的多个输入端分别连接所述至少两个二次电子探测器，将二次电流信号放大后输入AD采集卡； AD采集卡，所述AD采集卡的多个采样通道均与所述电流放大器相连，且与所述控制器相连，所述AD采集卡的另外两路输入通道连接所述电子束发射聚焦扫描装置的偏转线圈，同步采集偏转线圈的驱动信号。 2.根据权利要求1所述的具有实时原位检测功能的增材制造装置，其特征在于，所述至少两个二次电子探测器位于成形区域四周，以不影响电子束对最大成形范围的扫描为准，且探测器部分或全部位于距离成形区域垂直高度小于扫描范围长度的区域。 3.根据权利要求2所述的具有实时原位检测功能的增材制造装置，其特征在于，所述至少两个二次电子探测器关于所述成形区域中心轴线圆周对称分布。 4.根据权利要求1所述的具有实时原位检测功能的增材制造装置，其特征在于，所述二次电子探测器为平整板材，且所述二次电子探测器的材质为导电材料。 5.一种具有实时原位检测功能的增材制造装置，其特征在于，所述增材制造装置利用二次电子和背散射电子检测粉末床及成形件的表面形貌，进而监测成形过程及成形质量，其中，所述增材制造装置包括：成形区域，所述成形区域位于成形真空室内部；电子束发射聚焦扫描装置，所述电子束发射聚焦装置位于所述成形区域上方，利用电子束扫描成形区域，且扫描范围覆盖所述成形区域；复合电子信号采集装置，所述复合电子信号采集装置采集电子束扫描成形区域时产生的二次电子信号和背散射电子信号；控制器，所述控制器用于控制所述电子束发射聚集扫描装置对所述成形区域进行扫描处理，并控制所述复合电子信号采集装置采集电子束扫描过程中的复合电子信号和电子束偏转信号，并对所述信号进行数据处理生成图像、分析成形质量和进行工艺反馈控制；其中，所述复合电子信号采集装置包括：至少一个二次电子探测器和至少一个背散射电子探测器，所述二次电子探测器位于所述成形真空室内部，位于成形区域四周，以不影响电子束对最大成形范围的扫描为准，且探测器部分或全部位于距离成形区域垂直高度小于扫描范围长度的区域；所述背散射电子探测器位于所述成形真空室内部、并位于所述成形区域正上方，且距离所述成形区域的垂直距离大于扫描范围的长度；电流放大器，所述电流放大器的多个输入端分别连接所述至少一个二次电子探测器和所述至少一个背散射电子探测器，将二次电子信号和背散射电子信号放大后输入AD采集卡；所述AD采集卡，所述AD采集卡的多个采样通道均与所述电流放大器相连，且与所述控制器相连，所述AD采集卡的另外两路输入通道连接所述电子束发射聚焦扫描装置的偏转线圈，同步采集偏转线圈的驱动信号。 6.根据权利要求5所述的具有实时原位检测功能的增材制造装置，其特征在于，所述二次电子探测器和背散射电子探测器为平整板材，且材质为导电材料。 7.根据权利要求5所述的具有实时原位检测功能的增材制造装置，其特征在于，所述背散射电子探测器为环形探测器或非环形探测器，位于所述电子束发射聚焦扫描装置的正下方，且与所述成形区域平行；其中，所述环形探测器呈环形，且与所述电子束发生聚焦偏转装置同轴；所述非环形探测器为半圆环或1/4圆环，且当所述非环形探测器数量大于等于两个时，所述非环形探测器关于所述电子束发生聚焦偏转装置轴线圆周对称。 8.根据权利要求1和5的任一项所述的具有实时原位检测功能的增材制造装置，其特征在于，通过对位于不同方位的二次电子和/或背散射电子探测器信号进行数学运算，以识别不同种类缺陷，判断成形质量，其中，所述数学运算包括对位于不同方位的二次电子和/或背散射电子探测器信号进行加法和减法运算。 9.根据权利要求1和5的任一项所述的具有实时原位检测功能的增材制造装置，其特征在于，根据位于不同方位的二次电子和/或背散射电子的探测器信号，求解成形层的表面高度分布。 10.一种具有实时原位检测功能的增材制造方法，其特征在于，执行如权利要求1和5任一项所述的增材制造装置，其中，所述方法利用二次电子信号或利用二次电子与背散射电子构成的复合信号检测粉末床及成形件的表面形貌，进而监测成形过程及成形质量，包括以下步骤：根据成形截面选择预设的成像区域，并控制电子束对所述成像区域进行扫描；同步采集扫描过程中的电子束偏转信号与所述二次电子信号，或电子束偏转信号与所述复合信号；对所述电子束偏转信号与所述二次电子信号，或对所述电子束偏转信号与复合信号进行处理，以构成二维图像；以及对所述二维图像进行处理和分析以统计成形精度和识别缺陷，并进行工艺反馈控制。
所属类别：	发明专利