CN114072248B - 用于定向能量沉积增材制造系统的喷距监测和控制 - Google Patents

Abstract

一种具有喷距监测和控制的增材制造系统，该系统可以是响应的、动态的和实时的。这些技术可使用喷距测量系统在工件移动经过定向能量源时实时地监测、读取或询问工件或者其上定位有工件的基底，或反之亦然。这些技术可使用反馈控制器，以基于来自喷距测量系统的数据响应地且动态地实时控制喷距。

Description

用于定向能量沉积增材制造系统的喷距监测和控制

背景

技术领域

总体上，本公开涉及定向能量沉积增材制造系统。更具体地，本公开涉及喷距监测和控制。

背景技术

快速等离子体沉积(RPD^TM)增材制造系统可容纳包含线材(例如，金属)和等离子体熔炬(plasma torch)的惰性气体环境(例如，稀有气体)。RPD^TM增材制造系统基于等离子体熔炬可控地将等离子体电弧引向线材并且等离子体电弧熔化线材以逐层地形成工件来增材制造该工件(例如，飞机结构)，因为工件在惰性气体环境内可控地移动经过等离子体熔炬或反之亦然。

在这种操作期间，在等离子体熔炬和工件之间保持喷距(例如，沿着竖直轴线)。该喷距确定等离子体电弧电阻，从而确定等离子体电弧功率和特性(例如，由恒流电源提供的恒定等离子体电弧电流)。尽管更大的喷距产生更高的电弧电压，但是由于沿着等离子体电弧的辐射和对流热传递，将至少一些传递到工件的能量减少。喷距静态地在由设备设置(例如，物理设备约束)给出的下限和由输入到工件的减小的功率(例如，不适当的线材熔化)给出的上限之间变化。

存在可能使得喷距偏差的各种因素。这种因素中的一些包括基底扭曲、不均匀的沉积表面(例如，由于线材运动)、不均匀的工件高度台阶、工件特征(例如，接头、端部、交叉部)以及其他复杂的工艺变化。尽管可通过保持恒定电压而基于电压测量来间接地控制喷距，但是由于各种因素，此技术在技术上是不利的。这种因素中的一些包括噪声非常大以及且对变化(例如，气流、电极机械或材料配置、设备变化或工件几何形状变化)高度敏感的电压测量。结果，基于电压测量间接地控制喷距引入了喷距误差，该喷距误差在工件层上累积地累加，从而负面地影响工件质量。

发明内容

因此，本文公开了用于定向能量沉积(例如，RPD^TM)增材制造系统的各种技术，其使得能够实现喷距监测和控制，该喷距监测和控制可以是响应的、动态的和/或实时的。这些技术可使用喷距测量系统，例如激光三角测量系统或激光行扫描器(LLS)，以当工件(例如，熔珠轮廓、工件形状)移动(例如，经由基底)经过定向能量源(例如，等离子体熔炬)时实时监测、读取或询问该工件或其上定位有工件的基底，或反之亦然。应注意，其他光学测量技术，例如飞行时间、共焦、彩色共焦、干涉测量、阴影形状、焦点深度/散焦、激光雷达、单独地或与照明结合，例如条纹投影、不同波长的图案投影(例如，线、多条线、多个点)，例如红外线、可见光、UV、X射线以及非光学方法，例如声纳、超声读取器或询问器，可以补充地或替代地用于当工件(例如，熔珠轮廓、工件形状)移动(例如，经由基底)经过定向能量源(例如，等离子体熔炬)时实时监测、读取或询问该工件或其上定位有工件的基底，或反之亦然。这些技术可使用反馈控制器，以基于来自诸如激光三角测量系统或激光行扫描器的喷距测量系统的数据，响应地且动态地实时控制喷距(例如，相对于工件升高或降低定向能量源，或反之亦然)，但是可以补充地或替代地使用其他光学测量技术，例如飞行时间、共焦、彩色共焦、干涉测量、阴影形状、焦点深度/散焦、激光雷达、单独地或与照明结合，例如条纹投影、不同波长的图案投影(例如，线、多条线、多个点)，例如红外线、可见光、UV、X射线以及非光学方法，例如声纳、超声读取器或询问器。因此，这些技术消除了与使用基于电压的测量的工业标准相关联的至少一些技术限制。此外，这些技术可使得能够在使用等离子体电弧(例如，RPD^TM)或其他形式的定向能量经由金属(例如，钛、铝)或金属合金(例如，Ti6Al4V、铬镍铁合金变型等)增材制造工件(例如，飞机结构、海事结构、车辆零件、医疗装置、枪械、刀具)期间实时地自动测量、评估以及响应和动态地控制喷距。

这些技术的优点是具有用于实时的喷距响应和动态控制的客观的在线/现场自动系统，其提供至少一些一致的等离子体电弧(或其他形式的定向能量)特性，例如功率、压力、形状以及机器上的能量分布，并且随着时间降低废品率，使得能够早期检测不可接受的偏差、缩短零件开发周期等。而且，这些技术使得能够进行喷距控制，与主观的人类操作者手动调节相比，该喷距控制更稳健、更快速且更客观，其中这种调节可基于视觉反馈。同样，由于基于定向能量源相对于基底的运动(例如，竖直)的自动喷距控制，这些技术使得能够进行与机械臂熔接相比通常更精确且更快速的喷距控制，或反之亦然。应注意，这些技术可与任何类型的运动系统(例如，计算机数字控制，机器人操纵器)一起使用。

这些技术的附加特征和优点将在随后的详细描述中阐述，并且部分地将从以下详细描述中显而易见，或者可通过实践本公开来学习。本公开的各种目标和其他优点将通过在详细描述和其权利要求以及一组附图中特别指出的结构来实现和获得。

为了实现这些和其他优点并且根据本公开的目的，如所体现和广泛描述的、一种定向能量沉积增材制造系统，包括：逻辑(logic)、喷距测量单元、基底、熔炬(torch)、供给单元、材料以及移动器，其中，逻辑使得供给单元输出材料并且熔炬输出等离子体，使得等离子体将材料熔化到基底上，并且由此在基底上增材制造工件，其中，工件具有几何轮廓，其中，熔炬与工件竖直地间隔开，使得限定喷距，其中，逻辑使得喷距测量单元在增材制造工件时监测几何轮廓，使得逻辑使移动器相对于基底移动熔炬以及相对于熔炬移动基底中的至少一者，以便保持喷距。

为了实现这些和其他优点并且根据本公开的目的，如所体现和广泛描述的，一种用于增材制造的方法，该方法包括：输出材料；经由熔炬输出等离子体；经由等离子体熔化材料，使得在基底上增材制造工件，其中，工件具有几何轮廓，其中，熔炬与工件竖直地间隔开，使得限定喷距；在增材制造工件的同时监测几何轮廓，使得移动器可相对于基底移动熔炬以及相对于熔炬移动基底中的至少一个，以便保持喷距。

应理解，前面的一般描述和下面的详细描述都是示例性和说明性的，并且旨在提供对权利要求的进一步解释，如下面进一步叙述的。

附图说明

所包括的一组附图用于提供对本公开的进一步理解并结合到本说明书中并构成本说明书的一部分，示出了本公开的实施方式，并且与详细描述一起用于解释本公开的各种原理。

在这组附图中：

图1示出了根据本公开的定向能量沉积增材制造系统的实施方式，该系统包括读取基底上的工件的几何轮廓和基底的激光行扫描器(laser line scanner)。

图2示出了根据本公开的定向能量沉积工艺流程的实施方式。

图3示出了根据本公开的定向能量沉积工艺流程的实施方式。

图4示出了根据本公开的支撑工件的基底的实施方式。

图5示出了根据本公开的定向能量沉积增材制造系统的框图的实施方式，该系统包括读取基底上的工件的几何轮廓的激光行扫描器。

图6示出了根据本公开的激光行扫描器系统的图示的实施方式。

图7示出了根据本公开的激光行扫描器系统的图示的实施方式。

图8示出了根据本公开的支撑工件的基底和与数据验证及网格间距相关的一组信息的实施方式。

图9示出了根据本公开的控制块的图示的实施方式。

图10示出了根据本公开的控制块的图示的实施方式。

图11示出了根据本公开的用于喷距监测和控制的多个场景的实施方式。

图12示出了根据本公开的围绕基底的多个边缘的边界的实施方式，其中与工具头碰撞的风险增大。

图13示出了根据本公开的用于最小化与夹持基底的夹具碰撞的风险或避免与其碰撞的技术的实施方式。

具体实施方式

现在参考这组附图更全面地描述本公开，在附图中示出了本公开的一些实施方式。然而，本公开可以许多不同的形式来实施，并且不应被解释为必须限于本文公开的实施方式。相反，提供这些实施方式使得本公开彻底和完整，并且将本公开的各种概念完全传达给技术人员。现在将详细参考本公开的实施方式，并且在这组附图中示出了其实例。

图1示出了根据本公开的定向能量沉积增材制造系统的实施方式，该系统包括读取基底上的工件的几何轮廓和基底的激光行扫描器。特别地，定向能量沉积(例如，RPD^TM)增材制造系统100包括工件118和支撑工件118的基底102。应注意，工件118可以不安装在或定位在或搁置在基底102上(例如，用作基底102的另一工件)。例如，工件118不用必须是板(基底102)，并且可以是例如锻造零件，印刷零件或用任何其他技术(例如，增材制造、减材制造)制成的零件。例如，在板(基底102)上开始沉积不是必须的，而是可选的。例如，另一工件或零件可用作基底102。

定向能量沉积增材制造系统100包括控制器119，由控制器119(例如，有线、无线、波导)控制的线材源104(连接到线材供给系统)，由控制器119(例如，有线、无线、波导)控制的定向能量源106，由控制器(例如，有线、无线、波导)控制的定向能量源110(例如，等离子体熔炬)，以及由控制器119(例如，有线、无线、波导)控制的激光行扫描器(LLS)112(或喷距测量系统的另一形式)。

控制器119可以是可编程逻辑控制器(PLC)、工业PC(IPC)等。例如，PLC可以是主PLC。定向能量源106可以是主要定向能量源，而定向能量源110可以是次要定向能量源。LLS112可包括生成激光束的激光源和读取来自激光束的多个反射的光学相机。定向能量源106容纳电极108。可预先校正的LLS 112将激光图案114投射到工件118和基底102上。激光图案114可经由激光源投射。基底102在3维空间中移动。

定向能量沉积增材制造系统100的各种部件可被省略、替换或补充。例如，LLS 112可由其他光学测量技术补充或替代，例如飞行时间、共焦、彩色共焦、干涉测量、阴影形状、焦点深度/散焦、激光雷达、单独地或与照明结合(例如条纹投影、不同波长(例如红外线、可见光、UV、X射线)的图案投影(例如，线、多条线、多个点、随机的点、随机图案、梯度图案))以及非光学方法(例如声纳、超声读取器或其他询问器)。同样，容纳电极108的定向能量源110或定向能量源106可由其他能量输出装置(例如，火焰熔炬)或定向能量的形式(例如，热的、声的、电的)补充或替代。类似地，定向能量源110可省略(可以可选地包括)。此外，线材源104可由其他材料供给器(例如，喷嘴)补充或替代。

容纳电极108的定向能量源106可以是在操作上接近线材源104的位置处生成朝向基底102的定向能量(例如，等离子体电弧)的主要能量源。该定向能量可从电极108传递到来自线材源104的线材，或者该定向能量可以可选地从电极108传递到基底102，或者同时传递到两者(例如，使用多个等离子体电弧)。定向能量源106可相对于线材源104是静止的或可移动的(例如，水平地、竖直地)，或反之亦然。线材源104可相对于定向能量源106是静止的或可移动的(例如，水平地、竖直地)，或反之亦然。基底102可相对于线材源104或定向能量源106是静止的或可移动的(例如，水平地、竖直地)，或反之亦然。例如，基底102可在沿着水平轴线的方向相对于线材源104和定向能量源106移动。当包括时，定向能量源110可包括电极(或另一能量输出支持装置)，该电极可以是在工件118的增材制造经由定向能量源106和线材源104开始之前预加热基底102的预热器电极(或另一能量输出支持装置)，该基底可以是相对冷的。当包括时，定向能量源110可沿着水平轴线定位在LLS 112和定向能量源106之间。

基底102在3维空间中相对于线材源104、定向能量源106、定向能量源110和LLS112移动。线材源104在基底102上供给线材(例如，金属、钛、铝、钢等，金属合金、Ti6Al4V、铬镍铁合金变型)，使得容纳电极108的定向能量源106生成等离子体电弧，该等离子体电弧熔化基底102上的线材，同时基底102在3维空间中移动，使得由经由定向能量(例如等离子体电弧)熔化的线材形成多个液滴，使得液滴沉积、定位、分层、级联或掉落在基底102或预加载工件118上，以便逐层地增材地形成或增材地延伸工件118。例如，工件118不用必须是板(基底102)，并且可以是例如锻造零件、印刷零件或用任何其他技术(例如，增材制造、减材制造)制成的零件。例如，在板(基底102)上开始沉积不是必须的，而是可选的。例如，另一工件或零件可用作基底102。

由于工件118具有可竖直或水平变化或者几何成形或者竖直或水平成形的几何轮廓，LLS 112将激光图案114投射到工件118的几何轮廓上，该工件可以由基底102支撑或可以不由基底支撑，使得LLS 112光学地照亮工件118的几何轮廓和/或基底102，其可以在基底102的至少一些底层中。LLS 112然后可使用相机读取来自激光图案114的反射。在某个时间点，当基底102用作工件118的底座(例如，在锻件上印刷)时，基底102可变成工件118的一部分。例如，工件118不用必须是板(基底102)，并且可以是例如锻造零件、印刷零件或用任何其他技术(例如，增材制造、减材制造)制成的零件。例如，在板(基底102)上开始沉积不是必须的，而是可选的。例如，另一工件或零件可用作基底102。

可使用多于一个的LLS 112(例如，从另一视图或角度光学地读取工件118的几何轮廓和/或基底102)。例如，激光图案114可彼此垂直、彼此平行、或L形、或U形、或O形，图案可以是单线、多线、单点、多点、随机点、随机图案、脉冲、非脉冲等。例如，根据不同的场景，可使用多于一个的LLS 112，当测量喷距时，可能需要从电极108的前端沿着X和Y的读取不同偏移(也参见图11)。此外，当定向能量沉积增材制造系统100涉及等离子体电弧时，由于等离子体电弧可能对LLS 112的测量的质量有影响，因此当等离子体电弧关闭时可进行LLS112的至少一些测量或校正以避免测量不准确。

在定向能量沉积增材制造系统100内，可沿着竖直轴线在工具中心点和工件118上的点之间测量喷距。工具中心点(TCP)可基于工具结构(例如，电极108的末端，或在定向能量源(例如，等离子体电弧)的原点的端部处的点)静态地限定或动态地偏移(例如，在必须将关注点偏移到液滴遇到工件118的部分而不是在电极末端下方的部分的场景中，基于诸如线材速度、弧角、偏转、形状的过程变量实时计算)。在不丧失一般性的情况下，这一点在此被可互换地称为TCP或DTCP。

例如，喷距可被测量包括小于大约100毫米、90毫米、80毫米、70毫米、60毫米、50毫米、40毫米、30毫米、20毫米、10毫米，并且包括它们之间的任何值(例如，大约每1毫米、2毫米、3毫米、4毫米、5毫米、6毫米、7毫米、8毫米或9毫米)，但是可能包括大于100毫米的值(例如，大约125毫米、150毫米、200毫米、225毫米、250毫米、300毫米或更大)，包括各种更大的数量级(例如厘米、分米、米)。工件118和/或基底102可使用X轴(例如，长度)、Y轴(例如，深度)、Z轴(例如，高度)、C轴(例如，旋转XY平面)、B旋转轴(例如，XZ或YZ平面)在3d空间中移动，而不丧失一般性，竖直轴线可被称为Z轴。工件118的几何轮廓可沿着X轴、Y轴或Z轴逐渐地或突然地变化。当定向能量沉积增材制造系统100避开电极108或用另一能量输出装置(例如，火焰熔炬)补充的电极108时，则可沿着竖直轴线在能量输出装置的DTCP(例如，中心部分)和工件118之间测量喷距。例如，DTCP可在至少一些液滴降落的点上方竖直地在电极末端或其他能量支持装置上方以及竖直地在与电极末端或其他能量支持装置相同的Z平面中。

该喷距可动态地保持在各种限定的限制内，以实现来自电极108的一致的等离子体电弧条件(例如，电压、功率、温度分布)。这样，定向能量沉积增材制造系统100包括下面进一步描述的喷距监测和控制系统，该系统使得能够经由电极108相对于从TCP/DTCP下方的基底102上的一段提取的点或者从TCP/DTCP下方的工件118的几何轮廓上的一段提取的点的竖直移动(例如，向上、向下、朝向工件118或基底102、远离工件118或基底102)来实时地自动测量和响应并动态地控制喷距。例如，当基底102在3D空间中移动工件118时，定向能量源106与电极108一起可相对于从TCP/DTCP下方的基底102上的这段提取的点或者从TCP/DTCP下方的工件118的几何轮廓上的这段提取的点竖直地移动。应注意，反之亦然的配置是可能的(例如，基底102相对于定向能量源106或电极108竖直地向上或向下移动)。

定向能量沉积增材制造系统100运行RPD^TM程序(例如，可执行代码、数控(NC)值列表、标记代码、定界文本、填充的电子表格)，该RPD^TM程序尤其设置喷距监测和控制系统的各种参数，例如喷距设置点、设置值轨迹、控制模式、控制使能、测量偏移、读取偏移等。在以各种指定的读取偏移为中心的特定区域内，喷距监测和控制系统基于工件118的几何轮廓，响应地且动态地实时保持TCP/DTCP与工件118上低于TCP/DTCP的最高点之间的喷距；或者基于工件118的几何轮廓，保持TCP/DTCP与工件118的最低点之间的喷距；或者基于工件118的几何轮廓，保持TCP/DTCP与工件118的最高点和最低点的平均值之间的喷距。基于LLS 112经由沿着或横穿基底102和工件118侧向延伸的激光图案114光学地读取(例如，相机读取激光束反射)基底102和工件118，然后动态地响应于工件118的几何轮廓相对于工件118的几何轮廓或基底102竖直地移动电极108，满足或不满足与喷距(例如，包括小于大约100毫米、90毫米、80毫米、70毫米、60毫米、50毫米、40毫米、30毫米、20毫米、10毫米，并且包括它们之间的任何值(例如，大约每1毫米、2毫米、3毫米、4毫米、5毫米、6毫米、7毫米、8毫米或9毫米)，但是可能包括大于100毫米的值(例如，大约125毫米、150毫米、200毫米、225毫米、250毫米、300毫米或更大)，包括各种更大的数量级(例如厘米、分米、米))相关联的预定阈值(例如，设定数值)，使喷距监测和控制系统能够动态地且响应地实时保持或者动态地且响应地实时调节喷距。应注意，反之亦然的配置是可能的(例如，基底102相对于定向能量源106竖直移动)。例如，激光图案114可垂直于形成工件118的熔珠横截面，并且激光图案114的中心部分可以是高度测量的关注点。应注意，激光图案114可在TCP/DTCP下方动态地投射在用于距离测量的关注点处，在TCP前面的固定位置处，或者在TCP后面的固定位置处。在激光图案114不是正好在TCP/DTCP下方的场景中，提取的喷距数据需要附有工件位置信息并且存储(例如，以网格缓冲)，使得当TCP/DTCP位于关注点时，喷距控制系统可从存储装置(例如，存储器)检索至少一些值以保持喷距。

喷距监测和控制系统使用LLS 112(或另一基于激光的三角测量系统)，其安装成使得定向能量源110沿着水平轴线定位在LLS 112和定向能量源106之间，以光学地测量喷距，并且如果必要，则响应地且动态地实时的使定位系统或移动器(例如，电机、发动机、致动器、机械连杆、齿轮机构、滑轮机构、液压机构、气动机构)相对于基底102或工件118沿着Z轴竖直地移动(例如，向上、向下)电极108。此功能使得移动器能够动态地且响应地经由在定向能量沉积增材制造系统100的控制器(例如PLC，IPC)上运行的控制功能实时地保持、维持或调节喷距。例如，PLC可以是主PLC。应注意，反之亦然的配置是可能的(例如，基底102通过移动器相对于定向能量源106竖直地移动)。

应注意，定向能量沉积增材制造系统100可如美国专利申请15/206163以及美国专利7301120、7326377、9346116和9481931中公开的那样实施，所有这些专利为了所有目的而通过引用完全结合于此。例如，定向能量沉积增材制造系统100可经由线材源104接收工件118的设计文件(例如计算机辅助设计(CAD)文件等)和线材的线轴(例如包括钛等线材)，并且基于如从工件118的设计文件提取的特定工件几何形状来生产工件118，该工件可以是航空航天级等。例如，定向能量沉积增材制造系统100可包括填充有惰性气体的腔室，例如氩气、氦气、氙气、氪气或其组合。这样，基底102、线材源104、定向能量源106、电极108、定向能量源110、激光行扫描器112、激光图案114和工件118可定位在腔室内。

在一种操作模式中，喷距(standoff distance)可以是DTCP到工件118之间沿着竖直方向的距离。该喷距保持在限定的限制内以实现一致的电弧放电条件。喷距监测和控制系统能够自动测量和控制喷距。应注意，RPD^TM程序定义了定向能量沉积增材制造系统100的各种参数(例如，喷距设置点、控制模式、控制使能、测量偏移、读取偏移)。然后，定向能量沉积增材制造系统100将DTCP和工件118上的最高点或最低点之间的喷距保持在以一些指定读取偏移为中心的特定区域内。定向能量沉积增材制造系统100使用安装在电极108前面的LLS 112来测量喷距，并且使用移动器以借助于在定向能量沉积增材制造系统100的主逻辑控制器上运行的控制功能来保持喷距。

在一种操作模式中，定向能量沉积增材制造系统100可配置用于层0中的喷距监测和控制(测量将在基底上进行)并且基于沉积之前的串(string)的开始处的较小平均距离(大约0-10mm长)。定向能量沉积增材制造系统100可配置用于在该串的整个沉积长度上进行喷距监测和控制，其中在返回时电弧接通或通过扫描以沉积下一个串(而不对零件沉积进度或工艺造成重大影响)。定向能量沉积增材制造系统100可配置用于以线形监测和喷距估计。这可基于包括重叠和激光测量的熔珠/串的模型来完成，同时提供用户界面以监测和发现与模型的偏差并且记录所沉积的串的整体形状。

图2示出了根据本公开的定向能量沉积工艺流程的实施方式。特别地，定向能量沉积工艺200包括输入到定向能量沉积(例如RPD^TM)增材制造机器204中的多个输入202(例如，线材、基底、惰性气体)，该增材制造机器响应地输出包括工件224和工艺机器可读记录226(例如，数据结构、文件)的多个输出206。而且，定向能量沉积增材制造机器204从图形转换软件应用程序212接收RPD^TM程序214(例如，NC命令、可执行代码、数值列表、标记代码、定界文本、填充的电子表格)，该图形转换软件应用程序将计算机辅助设计(CAD)文件210(例如，待增材制造的物体的多维图示)转换成RPD^TM程序214。图形转换软件应用程序212与数据源208(例如，数据库、数据结构、软件应用程序、功能、API)连接或通信，该数据源(例如，有线、波导、无线)将一组定向能量沉积(例如，RPD^TM)增材制造工艺知识数据(例如，机器设置、沉积参数)提供给图形转换软件应用程序212，以便辅助图形转换软件应用程序212将CAD文件210转换为RPD^TM程序214。

在定向能量沉积增材制造机器204内，将RPD^TM程序214输入到逻辑控制器216(例如，PLC)中，该逻辑控制器控制定向能量沉积(例如，RPD^TM)增材制造工艺218，该定向能量沉积增材制造机器产生工件224。应注意，定向能量沉积增材制造机器204容纳逻辑控制器216。在定向能量沉积增材制造工艺218期间，逻辑控制器216执行参数监测过程220和参数控制过程222，其辅助定向能量沉积增材制造工艺218制造工件224。

参数监测过程220和参数控制过程222辅助定向能量沉积增材制造工艺218的若干方式中的一种方式可以是通过采用喷距监测和控制系统，在以各种指定的读取偏移为中心的特定区域内，基于工件118的几何轮廓，喷距监测和控制系统响应地且动态地实时保持或控制电极108的DTCP和工件118的最高点之间的喷距；或者基于工件118的几何轮廓，保持或控制电极108的DTCT和工件118的最低点之间的喷距。基于LLS 112经由沿着或横穿基底102和工件118侧向延伸的激光图案114光学地读取基底102和工件118，然后动态地响应于工件118的几何轮廓相对于基底102或工件118的几何轮廓竖直地移动(例如，向上、向下)电极108，满足或不满足与喷距(例如，包括小于大约100毫米、90毫米、80毫米、70毫米、60毫米、50毫米、40毫米、30毫米、20毫米、10毫米，并且包括其之间的任何值(例如，大约每1毫米、2毫米、3毫米、4毫米、5毫米、6毫米、7毫米、8毫米或9毫米)，但是大于100毫米的值(例如，大约125毫米、150毫米、200毫米、225毫米、250毫米、300毫米或更大)是可能的，包括各种更大的数量级(例如厘米、分米、米))相关联的预定阈值(例如，数值)，喷距监测和控制系统能够动态地且响应地实时保持或者动态地且响应地实时调节喷距。这样，逻辑控制器216基于参数监测过程220和参数控制过程222动态地且响应地保持、维持或调节喷距(例如，反馈迭代处理)。

图3示出了根据本公开的定向能量沉积工艺流程的实施方式。特别地，定向能量沉积工艺200示出了工艺监测技术230如何供给至工艺控制技术228，进而供给逻辑控制器216。工艺监测技术230基于喷距监测和控制系统监测定向能量沉积增材制造工艺218。例如，工艺监测技术230可包括LLS 112经由沿着或横穿基底102和工件118侧向延伸的激光图案114光学地读取基底102或工件118的轮廓的变化。

如果工艺监测技术230确定可以是动态的，响应的和实时的喷距调整、控制、保持或调节是不可行的(例如，较大的喷距偏差、不能校正或及时校正喷距偏差)，则工艺监测技术230将误差记录到工艺机器可读记录226中，并且不增材制造工件118。否则，如果工艺监测技术230确定可以是动态的、响应的和实时的喷距保持或调节是可行的，则工艺监测技术230与工艺控制技术228通信，并且及时通知可及时调节的定向能量沉积增材制造机器204的各种参数或特性(例如，喷距控制、移动器运动参数、电弧中的线材控制)的工艺控制技术。然后，工艺控制技术228与逻辑控制器216通信，使得逻辑控制器216可基于可及时调节的定向能量沉积增材制造机器204的各种参数或特性及时地作用。例如，逻辑控制器216可与联接到电极108的移动器(例如，电机、发动机、致动器、机械连杆、齿轮机构、滑轮机构、液压机构、气动机构)通信，使得移动器相对于工件118或基底102的几何轮廓沿着Z轴(例如，向上、向下)及时移动(例如，竖直地)电极108。例如，移动器可以平滑的方式及时移动(例如，竖直地)电极，同时避免可能不期望的突然或急动的运动。此功能性使得移动器能够动态地且响应地经由在逻辑控制器216上运行的控制功能实时地保持喷距。

图4示出了根据本公开的支撑工件的基底的实施方式。特别地，无论是纵向地还是侧向地，基底102或工件118可以以各种方式的构造来保证控制电极108和工件118之间的喷距。例如，工件118可具有扭曲，特别是对于双面零件、不均匀的串表面、不均匀的高度台阶、特征(例如，起始特征、结束特征、接头)。同样，基底102可避免为扁平的(例如，纵向地、侧向地)，并且可以使其相对的端部朝向彼此向上弯曲(例如，纵向地、侧向地)。例如，基底102可以不是扁平的(例如，斜率上升的端部)或者工件118可以具有增加或减小的斜率(例如，特征)，并且LLS 112可以光学地读取不是扁平的或者增加或减小的斜率的基底102，并且逐渐地移动(例如，远离基底102或工件118竖直向上或者朝向基底102或工件118竖直向下)电极108以动态地且平滑地保持如提前预设的喷距。这种及时和逐渐的运动可以在电极108定位在基底102或工件118的该点(例如，在其上方发生线材熔化)上之前提前或很久之前发生，否则，到基底102或工件118定位在电极108下方以逐渐地保持喷距的时间(例如，可以包括可能不期望的突然或急动的运动)时可能太晚或根本不能。当基底102(例如，斜率减小的端部)或工件118可以具有减小的斜率(例如，特征)时，将应用类似的处理。

图5示出了根据本公开的定向能量沉积增材制造系统的框图的实施方式，该系统包括读取基底上的工件的几何轮廓的激光行扫描器。特别地，定向能量沉积(例如，RPD^TM)增材制造系统500包括LLC 112、数据验证逻辑502、网格间距逻辑504、RPD^TM程序506、操作者人机界面(HMI)508、控制逻辑510、Z轴驱动逻辑512、集成位置传感器514(例如，Bosch集成测量系统(IMS)版本)、工件坐标系统(WCS)逻辑516以及处理器518(例如，单核、多核、PLC、电路、印刷电路板)。

RPD^TM程序506(例如，可执行代码、数控(NC)值列表、标记代码、定界文本、填充的电子表格)包含各种定向能量沉积增材制造系统设置(例如，保持指定的喷距)，并且操作者HMI 508编程为提供用户界面(例如，模拟的、数字的)，该用户界面能够在RPD^TM程序506在逻辑控制器214上执行时的必要情况下改写RPD^TM程序506。在工件118经由定向能量沉积增材制造系统500增材制造时，此改写可以是实时的。

一旦定向能量沉积增材制造系统500读取RPD^TM程序506并且操作者HMI 508尚未改写RPD^TM程序506，定向能量沉积增材制造系统500就经由电极106将等离子体电弧引导在源自线材源104的线材处而在基底102上增材制造工件118，同时基底102在3维空间中相对于线材源104、定向能量源106、定向能量源110和LLS 112移动。线材源104在基底102上提供(例如，退绕、供给)线材(例如，金属、合金、钛、铝、钢)，使得电极108产生等离子体电弧，该等离子体电弧熔化基底102上的线材，同时基底102在3维空间中移动，使得液滴由经由等离子体电弧(或任何其他相关能量源)熔化的线材形成，并且使得液滴沉积、定位、分层、级联或掉落到基底102上，以便逐层地增材形成工件118。由于工件118具有几何轮廓，所以LLS112在基底102和工件118的几何轮廓上输出激光图案114，使得LLS 112光学地读取基底102和工件118的几何轮廓，并且相应地生成一组读数(例如，工件轮廓、工件高度、工件宽度)。如下面进一步解释的，可对这组读数进行滤波、饱和和平滑。

LLS 112将这组读数供给到数据验证逻辑502(例如，硬件电路、软件功能、API)中，该数据验证逻辑将来自LLS 112的这组读数与工件118的一组期望值进行比较(例如，串行地、并发地)，以便验证这组读数。这组期望值可源自基于来自操作者HMI 508的用户输入而增添的数据结构(例如，阵列)。例如，将来自LLS 112的这组读数与该工件118的这组期望值进行比较来过滤这组读数，该期望值可包括基于工件118的一组期望参数、标准、范围或阈值或者基底102的几何轮廓。如果数据验证逻辑502能够验证来自LLS 112的这组读数，则数据验证逻辑502将这组读数输入到网格间距逻辑504(例如，硬件电路、软件功能、API)中，该网格间距逻辑将这组读数转换成与工件118对应(例如，维度成形)的阵列或网格(例如，二维、三维)。网格间距逻辑504将该阵列或网格供给到控制逻辑510(例如，硬件电路、软件功能、API)。

Z轴驱动逻辑512联接(例如，有线、无线、电、机械)到移动器(例如电机、发动机、致动器、机械连杆、齿轮机构、滑轮机构、液压机构、气动机构)。这样，控制逻辑510读取这组读数，同时基于IMS 514考虑当前如何相对于基底102或工件118定位移动器。例如，定向能量源106和IMS 514可以是轨道安装的。例如，IMS 514可包括线性位置传感器、线性编码器、距离传感器或者确定其位置的另一传感器、询问器或读取器。应注意，当定向能量源106是轨道安装的时，则移动器可以是轨道安装的。然后，控制逻辑510将该位置信息(例如，笛卡尔X/Y坐标)转换为工件118的一组工件坐标系统(WCS)坐标(例如，二维、三维)。由于移动器(例如，机械地、电气地)联接到电极108，所以将这组WCS坐标供给(例如串行地，并发地)到处理器518中，然后该处理器请求移动器基于这组WCS坐标移动(例如，竖直地)电极108，以便当带有工件118的基底102相对于LLS 112移动时保持工件118或基底(层0)与电极108之间的喷距(或反之亦然)。

在一种操作模式中，激光行扫描器112测量工件118的几何轮廓和基底102，并且基于这种测量形成一组数据。将这组数据计算地验证并存储在WCS系统中的X、Y阵列或网格中，然后该WCS系统用以下项计算距离控制偏差值：从RPD^TM程序506取得设置点，用于操作者HMI 508的操作者改写以及驱动位置的结果，以使得移动器能够移动(例如，竖直地)，并且由此相对于工件118的几何轮廓和基底102调节电极108。

如图4所示，在一种操作模式中，存在使得喷距偏差的多个因素，这些因素包括基底扭曲、不均匀的串表面、不均匀的高度台阶、接头、特征以及其他复杂工艺变型。如图5所示，喷距监测和控制系统使用激光距离测量扫描器和控制系统使监测和控制自动化。LLS112系统块负责捕获，过滤和提取激光坐标系中的工件118的距离，数据验证块验证来自激光的数据，转换成工件坐标系统，对其重新采样并且将其存储在数据阵列(以工件坐标)中。控制块使用此数据，来自程序的设置点以及来自驱动位置传感器(例如IMS)的反馈来控制Z轴，用于将喷距保持在设置点。

图6示出了根据本公开的激光行扫描器系统的图示的实施方式。图7示出了根据本公开的激光行扫描器系统的图示的实施方式。特别地，LLS112执行，使得能够执行，或使得执行一组操作600。如图示700所例示的这组操作600包括组602、组604、组606和组608。

组602涉及确保来自LLS 112的数据是正确的，如图示700所例示的。例如，如果线材源104为具有反射性的金属或金属合金的线材提供来源，则LLS 112可具有至少一些光学读数，该光学读数可能由于来自金属或金属合金的至少一些不期望的或不可预见的反射而失真，特别是当电极106将等离子体电弧引导到线材处并且使得或引入其他光学失真时。这样，组602涉及每秒读取帧的控制、相机级滤波器、高动态范围(HDR)图像处理、图像饱和处理、图像平滑以及其他相关图像处理或数据预处理操作。应注意，可预处理基底102以减少光泽或光亮，以便减少在基底平面处(例如，在层0，1和2中)的光学失真或偏差。

同样，如图示700所例示的组604涉及基于来自组602的数据确定基底102和工件118相对于基底102的几何轮廓的各种测量(例如，满足预期的数据、最小化异常值)。例如，这些测量可包括激光图案宽度、定时值、工件118的几何轮廓相对于基底102的最低点(例如，所提取的谷)、工件118的几何轮廓相对于基底102的最高点(例如，所提取的峰)等。

类似地，如图示700所例示的组606涉及基于来自组604的数据确定多个峰谷平均高度工件间隙、工件轮廓斜率以及其他相关高度、宽度、长度确定。例如，组606可包括基于找到以下各项与激光图案114的中心点处的高度之间的高度差来确定间隙1(例如，图7的80至84)：(a)工件118在该时间点相对于基底102的峰(例如，最高的峰)，(b)工件118在该时间点相对于基底102的谷(例如，最低的谷)或(c)工件118在该时间点相对于基底102的平均高度。例如，组606可包括基于找到在该时间点(例如，搜索窗口)内的峰和谷之间的高度差来确定间隙2(例如，图7的80至81)。例如，组606可包括拟合经过峰和谷的线段，从而确定该线段的斜率。应注意，这些是实例功能，并且此软件可进行更多的数据和图像处理。

此外，如图示700所例示的组608涉及验证来自组606的数据，并且基于验证成功或不成功而与逻辑控制器216通信。例如，基于来自LLS 112的激光图案114，可确定LLS 112与基底102或工件118之间的距离(例如，基于转换)，然后可基于一组校正参数将该距离转换成喷距值(这可由数据验证逻辑502完成)。例如，组608可包括验证工件118相对于基底102的高度(例如，峰的距离、谷的距离、平均点的距离)，间隙1、间隙2以及工件118的熔珠的斜率，并且基于此高度被验证，然后将一组数据发送到逻辑控制器216。例如，这可使得能够通过观察顶层中的第一沉积层来实现，基底可以相关或不相关，但是可测量相对于先前沉积层的距离。例如，这组数据可包括X参数(例如，长度)、Y参数(例如，深度)、Z参数(例如，高度)、间隙1、间隙2和误差代码。这样，逻辑控制器216可使得移动器移动电极108。否则，如果此高度数据无效，则向逻辑控制器216发送适当的误差消息和代码，逻辑控制器216基于该误差消息和代码来作用或避免作用。

图示700示出了可测量由来自线材源104的线材的熔化形成的串(例如，在1帧每秒到10000帧每秒(fps)或更多之间)，并且取决于横穿速度，这将转化为沿着沉积物的每毫米的某些样本(例如，在10mm/s的横穿速度和100fps的帧频下，样本将为每毫米10个)。同样，HDR和滤波器用于在最大可能的程度上抑制噪声和杂散光。LLS系统112被开发成是柔性的，以返回最高(例如，峰)、最低(例如，谷)或者在激光图案114的中心部分周围或包含在其内大约+/-10mm的平均喷距。这对于工件118的特征、块和其他结构部分会特别有用。

图8示出了根据本公开的支撑工件的基底和与数据验证及网格间距相关的一组信息的实施方式。特别地，图示800涉及源自LLS 112的数据验证逻辑502和网格间距逻辑504。这样，从LLS 112获得的数据可被向下采样并且基于如图8所示沉积的工件118的工件坐标中的位置而被存储。此外，至少一些、许多、大多数或所有测量可被验证以排除异常值(例如，基于期望值)。而且，至少一些、许多、大多数或所有数据在若干层中进一步被验证，并且存储在阵列或网格中，该阵列或网格具有沿着X轴和Y轴包含大约小于10毫米、9毫米、8毫米、7毫米、6毫米、5毫米、4毫米、3毫米、2毫米、1毫米或小于1毫米的分辨率。如图8所示，基于应用于(例如，移动平均滤波器)去除异常值的低通滤波器来定义容差。而且，至少一些、许多、大多数或所有测量对照来自前一层的至少一些、许多、大多数或所有测量来验证。在出于任何原因而在前一层中数据丢失超过所定义的时间段(例如，小于包含性地大约10秒、9秒、8秒、7秒、6秒、5秒、4秒、3秒、2秒、1秒、0.5秒、0.3秒)的情况下，定向能量沉积增材制造系统500可使用前一层最大值来验证数据。例如，方法或机制可用于处理缺失数据和异常值、测量中的噪声、损坏的测量等。这些形式的处理使得能够去除异常值和避免碰撞(例如，基底102上的物体、工件118、基底102上的夹具)。应注意，操作者输入的平均基底或工件高度(其可在装载之前基于精确的基底高度测量而获得)可用作数据验证的初始条件，同时也有助于避免或最小化形成工件118的串(例如，熔化材料、熔化线材)的端部部分处的不必要的校正。

图9示出了根据本公开的控制块的图示的实施方式。图10示出了根据本公开的控制块的图示的实施方式。特别地，图示900表示如由图示1000例示的经由逻辑控制器216实现的控制逻辑510。图示900具有输入902、输入904、输入906和输入908。输入902源自RPD^TM程序506。输入904源自LLS 112。输入906源自操作者HMI 508。输入908源自IMS514。将输入902供给到饱和逻辑910中，用于从源自RPD^TM程序506的一组预设值中选择多个增材制造值，以确保至少一些命令的喷距值位于至少一些工艺规范限制内。然后，将此结果供给到比较规则块940中，以便计算控制规则块926的喷距控制偏差。

将输入904(例如，表示基于RPD程序所期望的串高度累积)供给到决定逻辑中，以基于一组期望值来确定输入904是否有效。期望值基于RPD^TM程序(例如，基于RPD程序中定义的过程变量的每层的期望的串高度累积)。如果是(例如有效)，则将输入904供给到低通滤波器912中，然后供给到逻辑控制器216内的逻辑总线或门918中。如果不是(例如，无效)，则将输入904供给到用于无效测量的逻辑920中，其基于先前的有效测量(高达某一距离)保持一组数据，并且将这组数据供给到喷距控制规则逻辑926中，其确定这组数据是否符合一组喷距控制规则(例如，竖直移动电极108的条件/指令)。将输入906供给到饱和逻辑914中，其验证操作者贡献是否在工艺控制规范中定义的允许贡献的指定范围内，然后将其供给到逻辑总线或门918中。将输入908供给到低通滤波器916中，该低通滤波器生成定向能量源高度，然后将该定向能量源高度供给到逻辑总线或门918。

比较规则940从饱和逻辑910和逻辑总线或门918接收数据，并且基于此数据生成喷距偏差值。处理器940然后执行，使得或使得能够执行关于喷距偏差值的初始条件检查922(例如，验证)，关于初始条件检查922的输出的控制增益选择924，关于控制增益选择924的输出的喷距控制规则逻辑926，然后执行包括突然运动避免928，每个部分的校正限制930，每个沉积串的校正限制932，低通滤波器934，RPD^TM程序重置检查936和驱动动态斜波控制938的一组条件检查。这样，这些操作使得能够实现一组灵活的控制模式(例如，无控制启动、基于串启动或者对喷距设置点(每个串)的完全控制)，一组动态调节(例如，对于小误差为慢、对于急剧或较大误差为快)，一组校正限制(例如，防止每个串以及每个零件的总体碰撞或过多校正)，动态斜波控制(例如，使得能够平滑校正、避免振动、突然运动)以及操作者改写(例如，操作者在任何时间具有对系统改写的控制以防止机器损坏)。

图11示出了根据本公开的用于喷距监测和控制的多个场景的实施方式。特别地，图示1100示出了其中喷距的定义无论是在基底轮廓上还是在熔珠轮廓上(例如，围绕激光图案的中心点的最高或最低或平均距离)都变化的不同场景。应注意，为了精确或一致的通路间温度测量，可将喷距对于T1设置为第一预设距离，而不管串喷距可能是多少，并且对于T3设置为第二预设距离，其中第一预定距离小于第二预定距离(尽管由于这不是必需的，所以大于或等于是可能的)，并且其中在定向能量沉积期间，喷距保持在设置点。此外，应注意，DTCP是基于线材速度计算的，以将喷距控制移动到液滴与工件118相遇的点，而不是在电极108的前端的下面。此外，充分记录到记录数据库，在该记录数据库中记录了所有原始测量、层高、校正、控制偏差和驱动动作。另外，设计了配置管理，其中定向能量沉积增材制造系统能够基于RPD^TM程序所请求的预设来加载控制设置。

图12示出了根据本公开的围绕基底的多个边缘的边界的实施方式，其中与工具头碰撞的风险增大。特别地，图示1200示出了围绕基底的边缘的电极中心点位置边界，其中工具头碰撞的风险高(例如，间隙包括小于大约10毫米、9毫米、8毫米、7毫米、6毫米、5毫米、4毫米、3毫米、2毫米、1毫米、没有飞溅的未损坏的夹具)。

图13示出了根据本公开的用于最小化或避免与夹持基底的夹具碰撞的技术的实施方式。特别地，图示1300示出了需要考虑以避免主动控制期间的碰撞的重要几何形状。实际间隙(校正下限)实际上将由于串高度变化而较小。此外，图示1300示出了在喷距控制期间基底夹具的考虑(例如，不同的几何形状根据喷距设置点来限定校正下限以避免碰撞)。例如，当一些测量使得喷距控制将冒着工具头与夹具碰撞的风险时，逻辑控制器214系统可限制向下控制运动以避免碰撞。

在一种操作模式中，定向能量沉积(例如，RPD^TM)增材制造系统可配置用于：帧频和滤波(例如，以1-10000帧每秒进行测量、使用HDR功能和预滤波以减少来自等离子体电弧或能量源的反射和杂散光)，灵活的测量模式(例如，激光图案114的中心周围或小于大约(+/-10mm)的最高、最低、平均喷距)，测量验证(例如，最高和最低z之间的差，以及用于验证测量的斜率)，灵活的控制模式(例如，无控制启动、基于串启动或者对喷距设置点(每个串)的完全控制)，动态调节(例如，对于小误差为慢、对于急剧或较大误差为快)，动态校正限制(例如，动态地计算和应用校正限制，将其用于防止碰撞并且避免每个串以及每个零件的总体过大校正)，动态斜波控制(例如，动态斜波用于使得能够进行平滑校正，避免振动、突然运动)，操作者改写(例如，操作者在任何时间具有对系统改写的控制以防止机器损坏)，准确或一致的通路间温度测量(例如，喷距对于T1可设置为第一预设距离，而不管串喷距可能是多少，并且对于T3设置为第二预设距离，同时在沉积期间将喷距保持在设置点)，DTCP(例如，基于线材速度计算以将喷距控制移动到液滴与工件相遇的点，而不是在电极末端的下面)，充分记录到记录数据库(例如，记录一些，大多数或全部原始测量、层高，校正和驱动动作)，或者配置管理(例如，基于程序所请求的预设的负载控制设置)。

在一种操作模式中，定向能量沉积增材制造系统100包括控制器119、LLS 112、基底102、定向能量源106、增材制造材料(例如，线材源104)和移动器。控制器119联接到LLS112、定向能量源106和移动器。基底102在3维空间中可相对于LLS 112移动。定向能量源106可相对于基底102沿着竖直轴线移动。移动器联接到定向能量源106。移动器沿着竖直轴线移动定向能量源106。定向能量源106生成能量，并且该能量将增材制造材料熔融到基底102上，使得当基底102在3维空间中相对于定向能量源106和LLS 112朝向LLS 112移动时，将工件118增材制造在基底102上。工件118具有几何轮廓，并且定向能量源106与工件118竖直地间隔开，使得限定喷距。LLS 112在基底102在3维空间中移动的同时监测工件118的几何轮廓，使得控制器119控制移动器以沿着竖直轴线移动定向能量源106，以便保持喷距。控制器119可基于基底102在3维空间中移动得多快而控制移动器以沿着竖直轴线移动定向能量源108，以便保持喷距。控制器119可基于增材制造材料经由通过定向能量源106生成的等离子体电弧熔化的多快来控制移动器以沿着竖直轴线移动定向能量源106，以便保持喷距。定向能量源106包括中心末端部分，并且控制器可基于增材制造材料被供给(例如，经由线材源104)的多快来控制移动器以沿着竖直轴线移动定向能量源106，以便保持喷距，使得由增材制造材料熔化而产生的液滴在液滴定位在电极108的中心末端部分下方之前遇到工件118。控制器119可编程为请求移动器沿着竖直轴线平滑地移动定向能量源106，以便在定向能量源106沿着竖直轴线移动的同时最小化定向能量源106的振动。控制器119可编程为请求移动器沿着竖直轴线平滑地移动定向能量源106，以便在定向能量源106沿着竖直轴线移动的同时最小化定向能量源106的突然运动。控制器119可编程为请求移动器沿着竖直轴线移动定向能量源106，以便避免与接合基底的不是工件118的物体碰撞。该物体可以是夹持基底的夹具。控制器119可编程为基于每个熔珠限制定向能量源106沿着竖直轴线的运动。控制器119可编程为基于每个工件限制定向能量源106沿着竖直轴线的运动。控制器119可编程为基于误差类型动态地调节定向能量源106沿着竖直轴线的运动。LLS 112生成多个读数，控制器119可编程为从LLS 112接收读数，并且在控制器请求移动器沿着竖直轴线移动定向能量源106之前验证该读数。定向能量源106可生成等离子体电弧以熔化增材制造材料。LLS112可生成多个读数。工件118可生成反射，并且控制器可编程为将HDR和预滤波技术中的至少一个应用于来自LLS 112的读数，以便减少由工件118和等离子体电弧中的至少一个产生的反射和杂散光中的至少一个。定向能量源106可以是第一定向能量源，并且定向能量源110可预加热基底102，其中定向能量源110沿着水平轴线定位在LLS 112和定向能量源106之间。控制器119可基于以纵向方式和侧向方式的至少一个沿着水平轴线或竖直轴线扭曲、翘曲或变形的基底102来控制移动器以沿着竖直轴线移动定向能量源106，以便保持喷距。控制器119可基于工件118的特征、工件118的接头、工件118的交叉部、不均匀的高度台阶、不均匀的串表面和基底102的扭曲中的至少一个来控制移动器以沿着竖直轴线移动定向能量源106，以便保持喷距。传感器(例如IMS 514)可监测移动器。控制器可联接到传感器，并且控制器基于传感器控制移动器以沿着竖直轴线移动定向能量源106，以便保持喷距。

本公开的各种实施方式可在适合于存储和/或执行程序代码的数据处理系统中实现，该数据处理系统包括至少一个通过系统总线直接或间接联接到存储器元件的处理器。存储器元件包括例如在程序代码的实际执行期间采用的本地存储器、大容量存储装置以及高速缓冲存储器，该高速缓冲存储器提供至少一些程序代码的临时存储以便减少在执行期间必须从大容量存储装置检索代码的次数。

I/O装置(包括但不限于键盘、显示器、定点装置、DASD、磁带、CD、DVD、拇指驱动器和其他存储介质等)可直接地或通过中间I/O控制器联接到系统。网络适配器也可联接到系统以使得数据处理系统能够通过中间的专用或公共网络联接到其他数据处理系统或远程打印机或存储装置。调制解调器、电缆调制解调器和以太网卡只是几种可用的网络适配器类型。

本公开可在系统、方法和/或计算机程序产品中实施。计算机程序产品可包括其上具有计算机可读程序指令的计算机可读存储介质(或媒介)，该计算机可读程序指令用于使得处理器执行本公开的各方面。计算机可读存储介质可以是能够保留和存储用于由指令执行装置使用的指令的有形装置。计算机可读存储介质可以是例如但不限于电子存储装置、磁存储装置、光存储装置、电磁存储装置、半导体存储装置或上述的任何合适的组合。计算机可读存储介质的更具体实例的非穷举列表包括以下设备：便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘，诸如其上记录有指令的打孔卡或凹槽中的凸起结构的机械编码装置以及上述的任何合适的组合。

本文描述的计算机可读程序指令可从计算机可读存储介质下载到相应的计算/处理装置，或者经由网络(例如，因特网、局域网、广域网和/或无线网络)下载到外部计算机或外部存储装置。该网络可包括铜传输电缆、光传输光纤、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理装置中的网络适配卡或网络接口从网络接收计算机可读程序指令，并且转发计算机可读程序指令以存储在相应的计算/处理装置内的计算机可读存储介质中。

用于执行本公开的操作的计算机可读程序指令可以是汇编指令、指令集架构(ISA)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据或者以一种或多种编程语言的任何组合编写的源代码或目标代码，该编程语言包括面向对象的编程语言(例如Smalltalk，C++等)以及常规的过程式编程语言(例如“C”编程语言或类似的编程语言)。代码段或机器可执行指令可表示过程、函数、子程序、程序、例程、子例程、模块、软件包、类或者指令、数据结构或程序语句的任何组合。通过传递和/或接收信息、数据、自变量、参数或存储器内容，一个代码段可联接到另一代码段或硬件电路。信息、自变量、参数、数据等可经由任何合适的方式来传递、转发或传输，这些方式包括存储器共享、消息传递、令牌传递、网络传输等。计算机可读程序指令可完全在用户的计算机上执行，部分地在用户的计算机上执行，作为独立的软件包执行，部分地在用户的计算机上并且部分地在远程计算机上执行，或者完全在远程计算机或服务器上执行。在后一种场景中，远程计算机可通过任何类型的网络(包括LAN或WAN)连接到用户的计算机，或者可连接到外部计算机(例如，使用因特网服务提供商而通过因特网)。在一些实施方式中，包括例如可编程逻辑电路，现场可编程门阵列(FPGA)或可编程逻辑阵列(PLA)的电子电路可通过利用计算机可读程序指令的状态信息来执行计算机可读程序指令以使电子电路个性化，以便执行本公开的各方面。

本文参考根据本公开的实施方式的方法、设备(系统)和计算机程序产品的流程图图示和/或框图来描述本公开的各方面。将理解，流程图和/或框图的每个框以及流程图和/或框图中的框的组合可由计算机可读程序指令来实现。结合本文公开的实施方式描述的各种说明性逻辑块、模块、电路和算法步骤可实施为电子硬件、计算机软件或两者的组合。为了清楚地说明硬件与软件的此可互换性，上面已经大体上在其功能性方面描述了各种说明性的部件、框、模块、电路和步骤。将这种功能性实施为硬件还是软件取决于特定应用和施加于整个系统的设计约束。技术人员可针对每个特定应用以不同方式实施所描述的功能性，但是这种实施决定不应被解释为使得脱离本公开的范围。

附图中的流程图和框图示出了根据本公开的各种实施方式的系统、方法和计算机程序产品的可能实现方式的架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个框可表示指令的模块、段或部分，其包括一个或多个用于实现指定逻辑功能的可执行指令。在一些替代实现方式中，框中提到的功能可不按附图中提到的顺序发生。例如，连续示出的两个框实际上可基本上同时执行，或者这些框有时可以相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能。还将注意，框图和/或流程图的每个框以及框图和/或流程图中的框的组合可由执行指定功能或动作或者执行专用硬件和计算机指令的组合的专用的基于硬件的系统来实现。

诸如“然后”，“接下来”等的词语不旨在限制步骤的顺序；这些词语仅用于引导读者通读该方法的描述。尽管过程流程图可将操作描述为顺序过程，但是许多操作可并行或同时执行。另外，可重新布置操作的顺序。当过程对应于函数时，其终止可对应于函数返回到调用函数或主函数。

关于某些实施方式描述的特征或功能可在各种其他实施方式中和/或与各种其他实施方式组合和子组合。而且，如本文所公开的，实施方式的不同方面和/或元素也可以类似的方式组合和子组合。此外，一些实施方式，无论是单独地还是共同地都可以是更大系统的部件，其中，其他过程可优先于其应用和/或以其他方式修改其应用。另外，如本文公开的，在实施方式之前、之后和/或与实施方式同时，可能需要多个步骤。应注意，至少如本文公开的，任何和/或所有方法和/或过程可以以任何方式经由至少一个实体或行动者来至少部分地执行。

本文使用的术语可暗示直接或间接、全部或部分、暂时或永久的动作或不动作。例如，当元件被称为在另一元件“上”、“连接”或“联接”到另一元件时，则该元件可直接在另一元件上，直接连接或联接到另一元件和/或可存在中间元件，包括间接和/或直接变型。相反，当元件被称为“直接连接”或“直接联接”到另一元件时，不存在中间元件。

尽管术语第一、第二等在本文可用于描述各种元件、部件、区域、层和/或段，但是这些元件、部件、区域、层和/或段不应必须受到这种术语的限制。这些术语用于将一个元件、部件、区域、层或段与另一个元件、部件、区域、层或段区分开。因此，在不脱离本公开的教导的情况下，下面讨论的第一元件、部件、区域、层或段可以被称为第二元件、部件、区域、层或段。

本文使用的术语用于描述特定实施方式，并且不旨在必须限制本公开。如本文使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确指示。而且，如本文使用的，术语“一”和/或“一个”应意指“一个或多个”，即使短语“一个或多个”也在本文中使用。术语“包括”、“包含”和/或“包括”、“包含”当在本说明书中使用时，指定所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组的存在和/或添加。此外，当本公开在本文中陈述某事是“基于”其他某事时，则这种陈述指的是也可基于一个或多个其他事物的基础。换句话说，除非另外明确指出，否则如本文使用的，“基于”包含性地是指“至少部分地基于”或“至少部分基于”。

如本文使用的，术语“或”旨在表示包含性的“或”而不是排他性的“或”。即，除非另有说明或从上下文中清楚的，“X采用A或B”旨在表示任何自然的包含性排列。即，如果X采用A；X采用B；或者X采用A和B两者，则在任何上述实例下都满足“X采用A或B”。

除非另有定义，否则本文使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的相同含义。诸如在常用词典中定义的那些的术语应被解释为具有与其在相关技术的上下文中的含义一致的含义，并且不应在理想化和/或过度形式化的意义上来解释，除非本文明确地如此定义。

如本文使用的，术语“大约”和/或“基本上”是指相对于标称值/术语的+/-10％的变化。这种变化总是包括在任何给定的范围内。

如果任何公开内容通过引用结合于此，并且这种公开内容部分地和/或整体地与本公开冲突，则在冲突的程度上，和/或更广泛的公开内容，和/或更广泛的术语定义，以本公开为准。如果这种公开内容彼此部分地和/或整体地冲突，则在冲突的程度上，以较晚的公开内容为准。

对于技术人员来说，在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可对本公开进行各种修改和变化。因此，本公开旨在覆盖其修改和变化，只要这种修改和变化落入如下所述的权利要求及其等同物的范围内。

Claims (42)

1.一种定向能量沉积增材制造系统，包括：

控制器，包括逻辑；

喷距测量单元；

基底；

等离子体熔炬；

供给单元；

材料；以及

移动器，其中，所述逻辑使得所述供给单元输出所述材料并且所述等离子体熔炬输出等离子体，使得所述等离子体将所述材料熔化到所述基底上，并且由此在所述基底上增材制造工件，其中，所述工件具有几何轮廓，其中，所述等离子体熔炬与所述工件竖直地间隔开，从而将所述等离子体熔炬与所述工件之间的距离限定为喷距，其中，所述逻辑使得所述喷距测量单元在增材制造所述工件时监测所述几何轮廓，基于所述喷距测量单元测得的所述几何轮廓，所述逻辑使所述移动器相对于所述基底移动所述等离子体熔炬或者相对于所述等离子体熔炬移动所述基底中的至少一者，以便实时地保持所述喷距。

2.根据权利要求1所述的定向能量沉积增材制造系统，其中，所述喷距测量单元包括激光源和相机，其中，所述逻辑使得所述激光源将激光图案输出到所述几何轮廓上，从而产生多个反射，其中，所述逻辑使得所述相机读取所述反射，其中，所述喷距测量单元基于所述反射来监测所述几何轮廓。

3.根据权利要求1所述的定向能量沉积增材制造系统，其中，所述移动器构造成相对于所述基底移动所述等离子体熔炬，以便保持所述喷距。

4.根据权利要求3所述的定向能量沉积增材制造系统，其中，所述基底相对于所述等离子体熔炬以纵向方式和侧向方式中的至少一个方式移动。

5.根据权利要求1所述的定向能量沉积增材制造系统，其中，所述移动器基于所述喷距测量单元监测所述几何轮廓而相对于所述等离子体熔炬移动所述基底，以便保持所述喷距。

6.根据权利要求1所述的定向能量沉积增材制造系统，其中，所述工件是第一工件，其中，所述基底是第二工件，所述第一工件在所述第二工件上增材制造。

7.根据权利要求1所述的定向能量沉积增材制造系统，其中，所述基底不是工件。

8.根据权利要求1所述的定向能量沉积增材制造系统，其中，所述几何轮廓具有最大高度和最小高度，其中，所述喷距测量单元基于所述最大高度和所述最小高度来监测所述几何轮廓。

9.根据权利要求1所述的定向能量沉积增材制造系统，其中，所述定向能量沉积增材制造系统设置成基于经由所述逻辑访问的喷距设置点来保持所述喷距。

10.根据权利要求1所述的定向能量沉积增材制造系统，还包括用户界面，所述用户界面使得能够改写关于对所述喷距测量单元、所述基底、所述等离子体熔炬、所述供给单元和所述移动器中的至少一个的控制的所述逻辑。

11.根据权利要求1所述的定向能量沉积增材制造系统，其中，所述定向能量沉积增材制造系统基于用于温度测量的喷距来保持所述喷距。

12.根据权利要求1所述的定向能量沉积增材制造系统，其中，所述逻辑读取来自沉积规范的控制输入和来自用户界面的输入，其中，所述沉积规范和所述输入与所述工件相关联。

13.根据权利要求1所述的定向能量沉积增材制造系统，其中，所述逻辑控制所述移动器以使得能够沉积和测量扫描，其中，所述沉积和所述测量扫描与所述工件相关联。

14.根据权利要求1所述的定向能量沉积增材制造系统，其中，所述逻辑从所述喷距测量单元获取一组测量，其中，该组测量与所述工件相关联。

15.根据权利要求1所述的定向能量沉积增材制造系统，其中，所述喷距测量单元扫描所述工件和所述基底中的至少一个，以确定所述喷距，并且根据需要将所述喷距输入到所述逻辑。

16.根据权利要求15所述的定向能量沉积增材制造系统，其中，所述喷距测量单元基于时间间隔、位置、分辨率和滤波器中的至少一个来扫描所述工件和所述基底中的至少一个。

17.根据权利要求1所述的定向能量沉积增材制造系统，其中，所述喷距测量单元确定所述工件的特征，其中，所述喷距基于所述特征来确定。

18.根据权利要求17所述的定向能量沉积增材制造系统，其中，所述特征是所述工件的形状、所述工件中的间隙和所述工件的角度中的至少一个。

19.根据权利要求1所述的定向能量沉积增材制造系统，其中，所述喷距测量单元是校正和编程中的至少一个，以消除光学像差和杂散光干扰中的至少一个。

20.根据权利要求1所述的定向能量沉积增材制造系统，其中，所述逻辑执行一组测量的验证，基于所述验证对该组测量进行采样以获得预设空间分辨率，基于网格间距将该组测量提供给工件坐标系统。

21.根据权利要求1所述的定向能量沉积增材制造系统，其中，所述控制器运行反馈控制逻辑以保持所述喷距。

22.根据权利要求1所述的定向能量沉积增材制造系统，还包括定位单元，其中，所述逻辑编程为避免所述定位单元的振动和急动运动中的至少一个。

23.根据权利要求1所述的定向能量沉积增材制造系统，其中，所述供给单元是具有供给速度的线材供给单元，其中，所述逻辑保持所述供给速度进而计算实时工具中心点（DTCP）位置。

24.根据权利要求1所述的定向能量沉积增材制造系统，其中，所述逻辑编程为控制惰性气流、熔接电流、温度、所述工件的加载、所述工件的卸载、线材线轴的加载和所述线材线轴的卸载中的至少一个。

25.根据权利要求1所述的定向能量沉积增材制造系统，其中，所述移动器是电机、发动机、致动器、机械连杆、齿轮机构、滑轮机构、液压机构和气动机构中的至少一个。

26.根据权利要求1所述的定向能量沉积增材制造系统，还包括传感器，其中，所述控制器至少部分地基于来自所述传感器的数据并基于所述基底移动多快来控制所述移动器竖直地移动所述等离子体熔炬，以便保持所述喷距。

27.根据权利要求1所述的定向能量沉积增材制造系统，其中，所述控制器基于所述材料经由所述等离子体熔化多快来控制所述移动器竖直地移动所述等离子体熔炬，以便保持所述喷距。

28.根据权利要求1所述的定向能量沉积增材制造系统，其中，所述等离子体熔炬包括中心末端部分，其中，所述控制器基于所述材料被线材源供给得多快来控制所述移动器竖直地移动所述等离子体熔炬，以便保持所述喷距，使得由正在熔化的所述材料产生的液滴在所述液滴定位在所述中心末端部分下方之前与所述工件相遇。

29.根据权利要求1所述的定向能量沉积增材制造系统，其中，所述控制器编程为请求所述移动器平滑地竖直移动所述等离子体熔炬，以便在所述等离子体熔炬竖直移动的同时使所述等离子体熔炬的振动最小化。

30.根据权利要求1所述的定向能量沉积增材制造系统，其中，所述控制器编程为请求所述移动器平滑地竖直移动所述等离子体熔炬，以便在所述等离子体熔炬沿着竖直轴线移动的同时使所述等离子体熔炬的突然运动最小化。

31.根据权利要求1所述的定向能量沉积增材制造系统，还包括接合至所述基底的不是工件的物体，其中，所述控制器编程为请求所述移动器竖直地移动所述等离子体熔炬，以避免与所述物体碰撞。

32.根据权利要求31所述的定向能量沉积增材制造系统，其中，所述物体是夹持所述基底的夹具。

33.根据权利要求1所述的定向能量沉积增材制造系统，其中，所述控制器编程为基于熔珠轮廓来限制所述等离子体熔炬的竖直运动。

34.根据权利要求1所述的定向能量沉积增材制造系统，其中，所述控制器编程为基于工件轮廓来限制所述等离子体熔炬的竖直运动。

35.根据权利要求1所述的定向能量沉积增材制造系统，其中，所述控制器编程为基于来自对喷距偏差值的验证的误差而动态地调节所述等离子体熔炬的竖直运动。

36.根据权利要求1所述的定向能量沉积增材制造系统，其中，所述喷距测量单元生成多个读数，其中，所述控制器编程为从所述喷距测量单元接收所述读数，并且在所述控制器请求所述移动器竖直地移动所述等离子体熔炬之前验证所述读数。

37.根据权利要求1所述的定向能量沉积增材制造系统，其中，所述喷距测量单元生成多个读数，其中，所述工件生成来自所述等离子体的反射，其中，所述控制器编程为将高动态范围（HDR）和预滤波技术中的至少一个应用于所述读数，以便减少由所述工件和所述等离子体中的至少一个产生的所述反射和杂散光中的至少一个。

38.根据权利要求1所述的定向能量沉积增材制造系统，其中，所述等离子体熔炬是第一等离子体熔炬，并且所述定向能量沉积增材制造系统还包括预加热所述基底的第二等离子体熔炬，其中，所述第二等离子体熔炬定位在所述喷距测量单元和所述第一等离子体熔炬之间。

39.根据权利要求1所述的定向能量沉积增材制造系统，其中，所述控制器基于以纵向方式和侧向方式的至少一个而扭曲、翘曲和变形中的至少一个所述基底来控制所述移动器竖直地移动所述等离子体熔炬，以便保持所述喷距。

40.根据权利要求1所述的定向能量沉积增材制造系统，其中，所述控制器基于所述工件的特征、所述工件的接头、所述工件的交叉部、不均匀的高度台阶、不均匀的串表面以及扭曲、翘曲和变形中的至少一个所述基底的至少一者，来控制所述移动器竖直地移动所述等离子体熔炬，以便保持所述喷距。

41.根据权利要求1所述的定向能量沉积增材制造系统，还包括监测所述移动器的传感器，其中，所述逻辑联接到所述传感器，其中，所述逻辑基于所述传感器控制所述移动器竖直地移动所述等离子体熔炬，以便保持所述喷距。

42.一种用于增材制造的方法，所述方法包括：

输出材料；

经由等离子体熔炬输出等离子体；

经由所述等离子体熔化所述材料，使得在基底上增材制造工件，其中，所述工件具有几何轮廓，其中，所述等离子体熔炬与所述工件竖直地间隔开，从而限定位于所述等离子体熔炬与所述工件之间喷距；

在增材制造所述工件的同时监测所述几何轮廓，基于喷距测量单元测得的所述几何轮廓，使得移动器相对于所述基底移动所述等离子体熔炬或相对于所述等离子体熔炬移动所述基底中的至少一个，以便实时地保持所述喷距。