本發(fā)明涉及一種用于控制在設備中增材制造構件的制造過程的方法和系統(tǒng)，其中，在構造區(qū)上，通過用至少一個能量束照射構造材料而尤其選擇性地固化構造材料來逐層地、尤其分別在施加構造材料的兩個材料層之間構造該構造材料。

背景技術：

1、增材制造過程在原型生產中、現(xiàn)在也在批量生產中變得越來越重要。一般來說，“增材制造過程”被理解為這樣的制造過程，其中，通?；跀?shù)字3d結構數(shù)據(jù)、通過沉積材料(“構造材料”)來構造制造產品(“構件”)。構造在此多數(shù)、但非強制性地逐層進行。作為增材制造的同義詞，通常也使用術語“3d打印”，使用增材制造過程生產模型、樣品和原型通常被稱為“快速原型制作”，工具的生產稱為“快速制模”，量產構件的靈活生產稱為“快速制造”。如開頭所述，一個核心點是構造材料的選擇性固化，其中，在許多制造過程中，這種固化通過以輻射能照射來進行，例如電磁輻射，特別是光和/或熱輻射，但如果需要的話，也可以借助粒子輻射進行，如電子輻射。使用照射工作的方法的例子有“選擇性激光燒結”或“選擇性激光熔化”。在這種情況下，將大多是粉末狀的構造材料的薄層彼此疊置地重復施加，在每一層中，通過在“焊接過程”中對在制造后應屬于待生產構件的位置進行空間受限的照射，來選擇性地固化構造材料，其方式為，借助在該位置通過輻射局部引入的能量部分或完全熔化構造材料的粉末顆粒。在冷卻過程中，這些粉末顆粒然后彼此固化形成一個固體。在大多數(shù)情況下，在此能量束沿著固化軌道被引導通過構造區(qū)，并且在相應層內的材料的重熔或者說固化相應地以“焊接軌道”或者“焊接帶”的形式進行，從而最終在構件中存在大量這種由焊接軌道形成的層。通過這種方式，現(xiàn)在可以生產出質量和斷裂強度非常高的構件。

2、制造過程通常在保護氣體氣氛中進行。為此，過程氣體(如氬氣)流過過程腔。通常，過程氣體之后不會釋放到環(huán)境中，而是重新被輸送給過程腔。特別是在使用金屬構造材料的增材制造中，該氣體回路中的過程氣體被顆粒污染。這些可以是構造材料的顆粒，也可以是固化過程中產生的顆粒。此外，可以將額外的顆粒引入過程氣體流中，例如鈍化劑、如石灰，在金屬構造材料的情況下，出于防火原因可以將其添加到流出過程腔的過程氣體中。

3、為了清潔過程氣體，通常會對其進行過濾。然而，例如由于過濾器破裂，仍然可能發(fā)生引入或者說引回過程腔中的過程氣體被顆粒污染，這導致制造構件的質量降低。一般來說，過濾級處的可穿透性可能導致制造構件的質量出現(xiàn)重大問題，也可能導致機器損壞，特別是因為它可能會在很長一段時間內不被發(fā)現(xiàn)。

4、為了降低過濾器破裂造成的污染風險，過程氣體例如通過兩級過濾系統(tǒng)進行過濾。主過濾器(或預過濾器)處的過濾器破裂可以借助后置的精細過濾器(通常是不可凈化的存儲過濾器)進行補償、并間接被探測到，因為一旦破裂，它會相對快速地堵塞，導致過濾器處的壓差增加，這可以通過壓差傳感器探測到，或者可以由此操縱壓力開關，從而又會導致制造中斷。在無故障運行中，第一過濾級允許一小部分顆粒通過。例如，精細過濾器將該部分例如降低至精細部分的最小值(冷凝物)，該最小值到達過程氣體回路的凈氣體側。

5、在另一經常使用的過濾單元中，首先將過濾物與石灰粉末在過濾器的緊鄰上游進行混合，其中，取消后置的精細過濾器或者說存儲過濾器。由此產生的問題是，在過濾器可穿透的情況下，石灰也不被注意地到達過程氣體回路的凈氣體側、并且在正在進行的構建過程中被引入過程腔中。石灰可以作為粉塵沉積在粉末床上、或者說經固化的區(qū)域上，并且被集成到構件的組織中。因此，可能會損害構件特性、例如其強度。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種方法以及一種系統(tǒng)，用于控制增材制造構件的制造過程，其克服現(xiàn)有技術的缺點，特別是能夠實現(xiàn)自動探測過濾器破裂。

2、該目的通過一種根據(jù)權利要求1的方法、一種根據(jù)權利要求10的系統(tǒng)和一種根據(jù)權利要求13的設備來解決。

3、根據(jù)本發(fā)明的方法用于控制在設備中增材制造構件的制造過程，其中，在構造區(qū)上，在過程室中借助于用至少一個能量束照射構造材料來固化構造材料，并且其中，載有雜質的過程氣體通過氣體管線從過程室中導出、被過濾并且又引回到過程室中。該方法包括以下步驟：

4、-借助于污染測量單元來檢測一定數(shù)量的測量值，其中，每個測量值能夠實現(xiàn)推斷出在檢測時存在的、流經氣體管線的過程氣體的雜質的程度，

5、-評估一定數(shù)量的測量值，

6、-根據(jù)對一定數(shù)量的測量值的評估，控制所述設備和/或在數(shù)據(jù)技術方面與制造過程連接的輸出設備。

7、如前所述，在制造過程中，在構造區(qū)中逐層地、即依次在多個材料施加平面或者說材料層內構造構造材料。構造材料優(yōu)選為金屬粉末。然而，本發(fā)明不限于此，還可以與其他優(yōu)選粉末狀的構造材料一起使用，例如塑料或陶瓷或不同材料的混合物。在這種情況下，特別是分別在施加兩個材料層之間，通過用制造設備的照射單元產生的至少一個能量束(這意味著光子或粒子組成的能量束，例如光束或電子束)照射構造材料，來(特別是選擇性地)固化構造材料。在此，不僅最頂部新施加的材料層中的構造材料被能量束捕獲、并且熔化或者說重熔，而且能量束通常會深入材料床一段距離，并從之前施加的材料層、到達位于其下的已經重熔的材料。

8、“雜質”原則上是指污染過程氣體的任何固體或液體顆粒。這尤其包括來自過程腔的排放材料或其他雜質，但也可以包括過程腔下游產生的雜質，特別是基于添加的鈍化劑。例如，雜質可以理解為煙霧顆粒或構造材料的顆粒(排放材料)或石灰(鈍化劑)、或這些顆粒的混合物。

9、雜質的程度是指過程氣體中的雜質的量。該程度通?？梢酝ㄟ^顆粒或者說“雜質元素”的份額表示，但也可以按份額分類整理污染過程氣體的材料。

10、過程氣體的雜質可能由于各種各樣的過程引起。雜質例如取決于過程氣體的流速，尤其是吹入或吸出，但是也取決于定量配料工序(粉末可能由于輥的過長時間的旋轉、或由于粉末密封裝置的缺陷而從定量配料器中散出)、涂布機行程(在涂布之后尚未沉積在粉末床上的粉末由氣流捕獲并進一步被卷起)、構造工序或者說激光活性、涂布機與構件之間的碰撞(粉末的卷起)、故障或結構缺陷(粉塵聚積在涂布機上并通過吹入而被卷起)、操作錯誤(例如忘記將密封唇安裝在定量配料器上)或還有忽視了清潔周期(粉塵沉積在表面上)。

11、為了檢測測量值，使用污染測量單元，其可以是例如現(xiàn)有技術中已知的粉塵傳感器。測量可以尤其通過光學方式、例如根據(jù)煙霧探測器原理通過濁度進行，通過聲學方式、例如通過超聲波進行，例如根據(jù)電離煙霧探測器原理以摩擦電方式進行，通過電化學或電磁方式、例如借助微波多普勒傳感器進行。優(yōu)選地，還可以使用可能存在的用于過程監(jiān)測的熱光測量設備，以獲得由激光束與不純過程氣氛的相互作用引起的、或者由通過這種相互作用造成的熔池中改變的過程引起的特征測量值。同樣優(yōu)選的是監(jiān)測由可能渾濁的過程氣氛制成的光學拍攝，特別是關于其亮度和對比度。優(yōu)選的測量單元是微創(chuàng)的，結構上易于集成到系統(tǒng)中，無磨損，可靠且經濟高效。

12、污染測量單元測量流過的過程氣體的顆粒負載，特別是在過程氣體回路的凈氣體側，即過濾器和向過程腔的入口之間。在此，測量可以連續(xù)或間歇地進行。污染測量單元的傳感器在機器中的優(yōu)選布置是，使得傳感器可以幾乎檢測到其所在管道的整個內徑。如果傳感器布置在出口管道的區(qū)域中，則傳感器應布置在該管道盡可能長地筆直延伸的地方，特別是在將該區(qū)域平分成三份的情況下，優(yōu)選最近彎曲下游段的三分之二、和最近彎曲上游段的三份之一。在測量過程中，管道中的流動應盡可能均勻，并自由進行。關于傳感器相對于管道橫截面(360°)的定向，傳感器優(yōu)選與主流動方向成90°，并檢測負載質量流盡可能寬的譜，即它應該沿著管道的最大直徑定位。

13、污染測量單元檢測的測量值應能夠實現(xiàn)推斷流經氣體管線的過程氣體在檢測時的雜質的程度。這意味著，每個測量值直接指示該相應的雜質的程度，或者提供一個值，借助該值可以確定雜質的程度，例如基于粉末床監(jiān)測。優(yōu)選的測量值指示例如單位時間顆粒的總數(shù)，但也可以指示單個顆粒的質量或電荷，其中，在此額外測量流速也可能有所幫助。此外，測量流動的均勻性或不均一性也可能是有利的，即，跨管道內部橫截面的流速是大致相同還是不同。進一步優(yōu)選的測量值指示流中的顆粒跨管道內部橫截面的分布。例如，在最大弧長的壁區(qū)域內的彎曲之后，由于離心力的影響，顆粒的濃度、特別是較重顆粒的濃度可能會更高。簡而言之，所有能夠提供關于有多少顆粒與過程氣體一起流回過程腔中的信息的測量都是優(yōu)選的。

14、需要強調，完全可以只測量過程腔的出氣口處(粗氣體線路中)的雜質的程度。然而優(yōu)選地，可以測量凈氣體線路中(在向過程腔的進氣口處、或者說在過濾之后的過程氣體)的污染程度。然而，在粗氣體線路和凈氣體線路中進行測量也是非常有利的，因為這樣也可以形成差值，這些差值可以很好地給出關于過濾器變化的信息。

15、優(yōu)選地，針對構件的質量進行一定數(shù)量的測量值的評估。如果過程氣體的雜質太嚴重，應予以克服，以使這些雜質不會對過程腔和其中要制造的構件產生過度損害。例如，可以簡單地檢查過程氣體中的雜質的程度是否高于預定的極限值，特別是針對顆粒的石灰份額。然而，其他指標也是可能的，例如雜質的程度的突然增加、或特定顆粒的特定濃度的增加，例如較大的顆?；蚴翌w粒。為此，污染測量單元可以集成到診斷系統(tǒng)中，例如，在該診斷系統(tǒng)中，測量值還與來自另一個傳感機構的測量值相結合(例如在“鑒別診斷”的背景下)。例如，可以將測量值與過程腔中所有可移動元件(涂布機、包括單個零件等)的操控以及氣體吹入或氣體抽出的控制數(shù)據(jù)進行關聯(lián)，或者形成粉末排放的提高與特定事件、或者說特定部件的活動之間的時間關系。也可以通過其他傳感機構形成故障事件之間的相關性，或者進行信號的加權和解釋、由此限制導致故障的部件或事件。

16、關于設備的控制、或者說輸出設備的控制，可以中斷制造過程，直到雜質的程度恢復到可容忍的范圍。然而，也可以輸出警告，例如過濾器可能破裂。例如，如果高于閾值，例如如果排放的粉末總量太大，或者如果高于局部最大值/最小值或曲線梯度的定義極限值，則輸出警告信號。在控制和評估之間，在此還可以進行故障診斷，其中確定故障可能位于何處。

17、根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)用于控制在設備中增材制造構件的制造過程，其中，在構造區(qū)上，在過程室中借助于用至少一個能量束照射構造材料來固化構造材料，并且其中，裝載有雜質的過程氣體通過氣體管線從過程室中導出、被過濾并且又引回到過程室中。該系統(tǒng)尤其設計成用于執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法，并且包括以下部件：

18、-污染測量單元，其設計成用于檢測一定數(shù)量的測量值，其中，每個測量值能夠實現(xiàn)推斷出流經氣體管線的過程氣體中的相應的雜質的程度，

19、-評估單元，其設計成用于評估一定數(shù)量的測量值，

20、-控制單元，其設計成用于根據(jù)一定數(shù)量的測量值，控制設備和/或在數(shù)據(jù)技術方面與制造過程連接的輸出設備。

21、本發(fā)明的優(yōu)點是，可以探測到負載顆粒的過程氣體，并且在必要時可以促使過程停止或輸出警告。這可以防止由過濾不良的過程氣氛引起的構件缺陷，這可能長時間不被發(fā)現(xiàn)。雜質可能直接通過干擾激光束而損害制造過程，也可能導致粉末污染，即使事后對粉末進行篩分，污染的粉末也會對由其制成的零件造成難以識別的損壞。特別地，本發(fā)明可以可靠地確定不會基于其他控制機制導致作業(yè)終止(例如，通過與凈化工序無關的反壓力突然顯著下降)的最小過濾器破裂。因此，可以防止在過程氣體清潔系統(tǒng)本應完美運行的較長時間內發(fā)生構件質量的損害，特別是由于過量的石灰輸入(鈍化劑)。

22、本發(fā)明涉及一種用于在制造過程中增材制造構件的設備(“制造設備”)，在該制造過程中，在構造區(qū)上，在過程室中通過用至少一個能量束照射構造材料來固化構造材料，該設備包括以下部件：

23、-氣體管線，其用于將過程氣體從過程室引導通過過濾單元并且又返回到過程室中，

24、-根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)，其中，該系統(tǒng)的污染測量單元布置在氣體管線中，優(yōu)選布置在氣體管線的凈氣體側上。

25、優(yōu)選地，過濾單元構造為最多兩級的，優(yōu)選地最多單級的?！皢渭墶痹诖艘馕吨?，過濾單元可以包括并聯(lián)的過濾元件，但沒有串聯(lián)的過濾元件。優(yōu)選地，過濾單元的至少一個過濾元件、優(yōu)選所有過濾元件被設計為，在制造過程之前、期間或之后被凈化。這意味著過濾器不是存儲過濾器。優(yōu)選地，過濾單元上游連接有顆粒分離單元(partikelabscheideeinheit)。

26、此處應該注意，根據(jù)本發(fā)明的設備也可以具有多個照射設備，這些照射設備則如上所述，與控制數(shù)據(jù)協(xié)調地相應地被操控。還應該再次提到的是，在這方面，能量束也可以由多個疊加的能量束組成，或者說能量束既涉及粒子輻射、又涉及電磁輻射，如光輻射或優(yōu)選激光輻射。

27、根據(jù)本發(fā)明的控制裝置用于控制用于增材制造構件的制造過程的設備，其中，在構造區(qū)上，在過程室中借助于用至少一個能量束照射而固化構造材料，并且其中，裝載有雜質的過程氣體通過氣體管線從過程室中導出、被過濾并且再次引回到過程室中。控制裝置被構造用于按照根據(jù)本發(fā)明的方法操控制造設備，或者其包括根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)。

28、根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)尤其可以以特別是在控制裝置中的、具有合適軟件的計算機單元的形式實現(xiàn)。例如，計算機單元為此可以具有一個或多個協(xié)作的微處理器等。特別地，它可以以計算機單元中合適的軟件程序部分的形式實現(xiàn)。主要基于軟件的實現(xiàn)具有的優(yōu)點是，制造設備的、尤其控制裝置內的迄今已經使用的計算機單元也可以通過軟件或固件更新而以簡單的方式被改裝，以便以根據(jù)本發(fā)明的方式工作。在這方面，該目的還通過一種相應的計算機程序產品來實現(xiàn)，該計算機程序產品具有能直接加載到計算機單元的存儲裝置中的計算機程序，具有程序區(qū)段，以便當程序在計算機單元中執(zhí)行時，執(zhí)行本發(fā)明方法的所有步驟。除了計算機程序之外，這種計算機程序產品必要時可以包括諸如文檔和/或附加部件之類的附加組件，以及用于軟件使用的諸如硬件密鑰(加密狗等)之類的硬件部件。為了傳輸?shù)接嬎銠C單元和/或為了存儲在計算機單元上或計算機單元中，可以使用計算機可讀介質，如記憶棒、硬盤或其他便攜式或永久安裝的數(shù)據(jù)載體，在其上存儲計算機單元可讀和可執(zhí)行的計算機程序的程序區(qū)段。

29、本發(fā)明的其他特別有利的設計方案和改進方案由從屬權利要求和以下說明書得出，其中，一個權利要求類別的獨立權利要求也可以類似于另一個權利要求類別的從屬權利要求或實施例那樣改進，尤其也可以將不同實施例或者說變體的各個特征結合成新的實施例或變體。

30、根據(jù)一種優(yōu)選方法，如果在評估一定數(shù)量的測量值時得出，流經氣體管線的過程氣體中的雜質的程度大于預設的最大雜質度(用于程度的極限值，例如顆粒濃度)，則執(zhí)行以下步驟中的至少一個：

31、-在輸出設備上輸出信息，特別是(消息的)警告通知或警告信號(例如，聲學或光學信號)，

32、-中斷(即停止或暫停)制造過程，

33、-將關于由一定數(shù)量的測量值確定的、流經氣體管線的過程氣體中雜質的程度的信息自動記入到質量數(shù)據(jù)記錄中，

34、-確定在制造過程中制造的一定數(shù)量的構件的狀態(tài)，并評定一定數(shù)量的構件中的哪些(哪個)可用、或哪些(哪個)不可用。

35、根據(jù)一種優(yōu)選方法，為了控制該設備，在考慮該設備的一定數(shù)量的過程參數(shù)的情況下對一定數(shù)量的測量值進行評估，一定數(shù)量的過程參數(shù)表征構件的增材制造。這尤其是在假設檢測到的雜質是過程引起的排放材料(特別是粉末狀排放材料)和/或鈍化劑(特別是石灰)的情況下進行的。替代地或附加地，根據(jù)對一定數(shù)量的測量值的評估，通過特別是自動地控制或調節(jié)一定數(shù)量的過程參數(shù)來進行設備的控制，其中優(yōu)選地，關于一定數(shù)量的過程參數(shù)的控制或調節(jié)，根據(jù)對一定數(shù)量的測量值的評估，對至少一個過程參數(shù)進行優(yōu)化和/或故障識別。對至少一個過程參數(shù)的優(yōu)化或故障識別在此可以基于針對性的測試或基于評定來進行。例如，在測量過程氣體流中的構造材料時，可以有針對性地改變通過過程腔的過程氣體的流動，或者在測量煙霧顆粒時，可以調節(jié)能量束。

36、根據(jù)一種優(yōu)選方法，一定數(shù)量的過程參數(shù)中的一個過程參數(shù)表征以下標準中的至少一個：

37、-在過程室中的過程氣體的、尤其分別相對于構造材料的最上層的通過量、流動強度、方向、作用區(qū)域和/或速度，

38、-在過程室中的過程氣體的、尤其分別相對于構造材料的最上層的通過量、流動強度、方向、作用區(qū)域和/或速度的幾何的和/或時間的均勻性，

39、-用于制造構件的、在構造區(qū)上的待固化區(qū)域的面積、厚度、位置和/或形狀，

40、-構造材料的輸入和/或選擇性固化，

41、-構造材料的分布(尤其逐層施加)，

42、-引起構造材料選擇性固化的至少一個能量束，尤其其波長、強度、強度分布、射束直徑、射束橫截面、偏轉方向、運動方向或在構造區(qū)內的運動速度，

43、-對溢流容器的填充和/或過度填充，該溢流容器被設置用于接收過程室中的多余的構造材料，

44、-構造材料向過程室的氣氛中的提高的或未經控制的排放。

45、根據(jù)一種優(yōu)選方法，在評估的范圍內確定，一個測量值或多個測量值的走向是否位于預設的值域內。優(yōu)選地，為此以特別的方式評估一定數(shù)量的測量值，其方式例如為

46、-將一個測量值與至少一個預定義的閾值進行比較，和/或

47、-將一定數(shù)量的測量值的變化與至少一個預定義的閾值進行比較，和/或

48、-針對重復的測量值走向樣式來檢驗多個測量值，其中，優(yōu)選針對重復的測量值走向樣式檢驗一定數(shù)量的測量值包括，識別重復出現(xiàn)的測量值異常(例如暫時的測量值波動)，尤其是相比于測量值檢測的預定時間段短時間出現(xiàn)的測量值異常。在此，一定數(shù)量的測量值的評估優(yōu)選包括形成在一定數(shù)量的測量值的檢測結果與設備的至少一個過程參數(shù)之間的時間相關性，該過程參數(shù)表征構件的增材制造。這種過程參數(shù)的示例在前文已經提及。

49、根據(jù)一個優(yōu)選方法，在增材制造構件期間，優(yōu)選持續(xù)地或者以規(guī)則的時間間隔進行對一定數(shù)量的測量值的檢測，并優(yōu)選也進行過程參數(shù)的控制或調節(jié)。

50、根據(jù)一種優(yōu)選方法，構造材料至少部分是粉末狀的，并且優(yōu)選包括金屬粉末。

51、根據(jù)一種優(yōu)選方法，在過程室的下游和/或過濾單元的上游，將鈍化劑、優(yōu)選石灰顆粒添加給流經氣體管線的過程氣體。如上所述，當鈍化劑進入過程室時，該鈍化劑可能導致質量損失。因此，在此使用根據(jù)本發(fā)明的方法是特別有利的。

52、根據(jù)一種優(yōu)選方法，為了制造構件，進行構造材料到過程室中的輸送。在過程室中(為此)布置有定量配料裝置和/或涂布機，其將構造材料逐層地施加在構造區(qū)之內。在此，優(yōu)選地，在控制該設備的過程中，根據(jù)一定數(shù)量的測量值、借助于定量配料裝置和/或涂布機進行構造材料的定量配料，這必要時也可以基于測量值以改變的方式進行(即與事先預給定的方式和方法不同)。替代地或附加地，優(yōu)選在必要時也以改變的方式進行定量配料裝置和/或涂布機的運動。

53、污染測量單元優(yōu)選包括過濾器破裂傳感器，特別是基于摩擦電效應的過濾器破裂傳感器，和/或光學濁度傳感器，和/或特別是監(jiān)測由過程氣氛拍攝的圖像的亮度的攝像機，和/或熱光學測量設備，和/或設計成用于粉末床監(jiān)測的系統(tǒng)，和/或用于比較地測量在兩個并行的過濾級處的壓力(壓差)的測量設備。

54、過濾器破裂傳感器通常布置在顆粒過濾器下游，以檢驗或者說表明其清潔作用的程度。這種過濾器破裂傳感器通常根據(jù)摩擦電原理運行，即，粒子通過摩擦被充電。這種傳感器可以構造為金屬桿，其穿透具有過程氣體的氣體循環(huán)系統(tǒng)的管線。在此，可以僅在壁的一個部位處進行該穿透?？梢酝ㄟ^絕緣部避免金屬桿與金屬管道之間的接觸。傳感器的電磁屏蔽非常有利于避免干擾。通過摩擦充電的載電金屬顆粒接觸導電金屬桿、并在此將其電荷傳遞給金屬。例如，合計的電荷可以作為電流被測量(“總質量流(gesamtmassenstrom)”)。