雷射包覆裝置和方法
2023-04-23 15:50:31 2
專利名稱：雷射包覆裝置和方法
技術領域：
本發明涉及一種利用雷射束和一個沉積金屬源、如典型的噴射粉狀金屬或金屬線在工件表面形成熔融金屬、也稱作「熔池」的方法和裝置。
目前，製造商面臨的一個困難是新技術的概念和開發與實際產品進入市場之間的時間滯後。在製作中，對很多產品設計限制臨界時間的步驟為製作鑄模和壓模。複雜的壓模可能要在製造產品之前花費幾個星期到一年的時間才能完成。在當前的製造工藝中，需要增加步驟克服本製造方法的不足。例如，對於鑄模和壓模，必須對產品進行機械加工以提供冷卻通道和可以接受的表面光潔度。
沉積金屬的已知工藝導致一種燒結的產品，這是由於捕獲了氧分子以及不合適的粘結材料。甚至在發生可接受的材料沉積的情況下，該工藝也經常伴有聚集必須消除的應力。已知的一種這種工藝是雷射包覆，其中，雷射用於在基板材料上產生一個熔池，同時，引入、熔融並冶金結合第二種材料，典型的是一種粉或線。
一般根據相對於沉積材料的量包覆熔融較小的基板材料量來區分包覆和熔和，並且研磨系統把控制的金屬顆粒量輸送到此熔融量中。顆粒變得分散在整個熔融量中並在基板的外層上形成所需成份的沉積。從熔融量中除去雷射束，如通過相對於光束的焦點移動基板工件會導致熔融量迅速冷凝。冷凝發生的速度之快使得熔融量通常保持熔融混合物的特性。
常規的雷射包覆技術通過使用夾具、部位處理機等相對於焦點移動金屬製品。光束焦點因此在空間中保持固定，作為灑粉點。金屬製品的均勻移動通常需要一種難以製造、非常昂貴且通常不是非常好的複雜夾具，這種夾具尤其具有錯綜複雜的幾何結構。為此，具有其它的幾何結構較為簡單的金屬部件的雷射包覆幾乎不可能在連續均勻的基座上實現。到目前還不可能控制沉積的尺度和特性。為了把基本的包覆技術應用到具有嚴密容差、可接受的微結構和特性的部件生產中，必須嚴格控制尺度，這樣才能以合理的價格並在合理的時間周期內生產製造。
本發明對於在基板上建立某種材料的自動控制方面有用，並尤其在通過反覆包覆操作製造金屬部件、如可能為所需少量製造、樣機運轉等方面有用。廣義地且一般意義上講，雷射用於局部加熱基板上的點，形成熔池，向其中送入粉末以形成一中具有物理尺度的沉積。耦接到光電電晶體的光學探測裝置用於監測沉積的物理量，並且操縱反饋控制器以根據電信號調節雷射，由此控制材料沉積的速率。
在優選實施例中，物理尺度是沉積的高度，系統還包括一個與計算機輔助設計(CAD)系統的界面，該計算機輔助設計系統包括對製作製品的描繪，使得反饋控制器能夠與沉積的物理量比較，從而根據比較結果描繪並調節雷射的能量。
就具體的裝置而言，光學探測裝置最好包括一個有孔的膜，來自沉積的光穿過孔到達光電探測器，並且反饋控制器包括根據來自沉積的光的出現與否調節雷射的電路。
根據本發明獨有特徵的自動製造製品的系統包括一個包含對製造製品的描繪的計算機輔助設計資料庫，一個用於支撐基板的工作檯，和一個用於相對於雷射器和饋送裝置移動基板的平移裝置。在一種布局中，平移裝置移動工作檯而雷射器和饋送裝置保持穩固不動，在另一種不同的結構中，平移裝置移動雷射器和饋送裝置而工作檯保持穩固不動。還有另外一種結構，雷射器/材料饋送裝置和工作檯/基板可以同時移動，尤其在反饋控制下。
根據本發明方法的一個方面，製品製造工藝包括下列步驟提供對製造製品的繪製；提供一個基板，在基板上形成製品；加熱基板的局部區域以在其上形成一個熔池；
把材料饋送到熔池中，從而產生一個具有物理尺度的沉積；光學監控沉積的物理量，根據待製造製品的繪圖控制物理量；和前進到基板的不同區域直到完成製品的製造。
圖1是金屬直接沉積系統簡圖，該系統包括本發明的新穎的反饋控制器和一個自動生成部件的CAD/CAM系統；圖2是一個在基板製品上形成熔池的雷射噴嘴簡圖；圖3是一個在基板製品上形成熔池的雷射噴嘴簡圖，包括舉例說明本發明反饋裝置的一部分；圖4是光學監控系統簡圖，舉例說明本發明反饋控制器的重要特徵；圖5是熔池、光軸、掩膜和用於傳感尺度的本發明光電電晶體的取向的簡圖；圖6類似於圖5的掩膜以及掩膜關於沉積材料的布置，除了表示是否發生畸變的傳感條件相對於圖5反轉；圖7是光電電晶體偏壓配置的電路圖；圖8a是通過反饋系統調節和控制之前對於雷射器的模擬電壓信號；圖8b表示作為沉積傳感高度結果的電晶體電路上的電壓降；圖8c所示的曲線表示從光電電晶體發出的控制雷射器的數位訊號；圖8d表示發給雷射器的影響脈衝周期和雷射器最終功率的修正的模擬信號；圖9表示通過在基板上的雷射包覆形成的整體式結構實例；圖10是優選的縫合圖案的曲線；圖11是包括用戶國際組織提出的標號的殘餘應力管理數據點的基準抽樣透視圖；和圖12根據本發明方法製備的具有芯和腔體部位的工具壓模示圖。
本發明在於監測和控制基板上的材料、主要為金屬的方法和裝置。特別是，本發明可用於基於通過局域的雷射加熱的熔池形成/維持和並射主要是金屬的粉末的過程。基板材料和射流結合形成沉積。在本發明的特有系統中，至少監測和控制沉積的一個尺度以提供一個具有所需的輪廓和嚴密容差之內的尺度的完整工件。特別是，沉積的大小與注入到熔池中的第二材料的量成正比。本發明特有的監測和控制裝備包括一個反饋控制器，檢測沉積的尺度並根據探測到的尺度改變雷射束的脈衝周期。最好檢測沉積的高度並利用沉積的高度反過來控制雷射束的功率。
本發明將金屬直接沉積技術和自動的直接反饋控制相結合，實現一個處於嚴密容差之內並具有可接受的冶金性能的最終產物。本發明將金屬直接沉積(DNM)技術和有效控制相結合，構造具有複雜的幾何形狀和優良的冶金特性的處於嚴密容差之內的零部件、樣品、鑄模和壓模。本發明還具備耦接CAD資料庫和金屬直接沉積的能力，由此可以在較短的時間內、在人力參與受限的自動系統中製造一個具有理想性能的完整部件。
下面將參考附圖對本發明進行描述。圖1是金屬直接沉積系統102的簡圖，該系統包括本發明的新穎的反饋控制器104和一個自動生成部件的CAD/CAM系統106。考慮到的影響材料沉積尺度的因素包括雷射功率、光束直徑、光束的時間和空間分布、相互作用時間和粉流速率。在這些因素中，雷射功率的適當監測和控制對在嚴密容差之內製造完整部件的能力有重要的影響。因此，本發明的反饋控制器104最好直接與數字控制器(NC)108合作，其中數字控制器本身控制系統的所有功能，包括雷射器功率。
繼續參見圖1，系統包括一種具有適當的光束聚焦裝置112的雷射源。雷射源安置在基板或工件上以便將光束聚焦到其上。工件基板被支撐在工作檯上，雖然可以用任何數量的配置促使工件基板和雷射噴嘴之間發生相對移動。系統還包括一個工作檯114，電源116和冷卻雷射器的冷卻器118。優選連續波雷射器、或脈衝CO2雷射器、YAG雷射器或具有足以熔融沉積金材料的功率密度的任何其它波長的雷射器作為雷射源。典型地使用RF激勵的雷射器或高功率CO2雷射器。最好雷射束大致垂直地導向基板工件的表面。
如圖2和3所示，系統包括一個噴嘴組件202，該組件在工件上操縱，通過把粉狀金屬噴射到光束中而施加一個包覆層。此類的雷射器和噴嘴組件在美國專利申請US5,241,419(Pratt等)、US5,453,329(Everett等)和US5,477,026(Buongiomo)中有所描述。從Norcross,Georgia的量子雷射器公司可得到合適的雷射器噴嘴，該裝置在美國專利申請4,724,299中描述。
噴嘴對光束和粉末提供一個公共出口，使得光束和粉末不斷地導向工件基板上的同一點。在一種優選的結構中，雷射器噴嘴組件包括一個具有第一和第二相隔的端部的噴嘴體，如美國專利申請US4,724,299中所述。光束通道在端部之間延伸並允許雷射束從中穿過。包圍第二端部的腔體與第二端部隔開，從而形成一個環形通道。腔體有一個與光束通道共軸的開口，允許雷射束從中穿過。包覆粉供給系統與通道相連，向其提供包覆粉，使得粉存在於與光束共軸的開口中。
本發明的雷射器噴嘴實現包覆成份的均勻，因為光束存在於基本上與包覆粉共軸的噴嘴中，二者具有相同的焦點。噴嘴有一個光束和粉的公共出口，使得二者不斷地導向製品上的同一點。通過這種方式，可以實現一個公共焦點，確保包覆成份均勻。也可以通過側噴嘴獲得類似的效果，但側噴嘴限制包覆的運動方向，而同心噴嘴允許在任何時刻改變沉積的方向。
常規的雷射包覆技術通過使用夾具、部件處理器等相對於光束焦點移動金屬製品。因此，光束焦點在空間中保持固定，作為噴射金屬粉流的地點。金屬製品的均勻移動通常需要一種難以製造、非常昂貴且通常不是非常好的複雜夾具，這種夾具尤其具有錯綜複雜的幾何結構。為此，具有其它的幾何結構較為簡單的金屬部件的雷射包覆難於在連續均勻的基座上實現。在許多金屬加工廠機械手已經成為操作設備的一個標準件。典型的機械手有一個具有五個自由度的手腕，每個自由度可以以恆定的速度移動。機械手可以是電動、液動或氣動的，也可以是它們的結合。利用機械手和雷射包覆系統結合有助於實現均勻的包覆。製品可以在空間保持固定，而噴嘴可以因此相對於製品與機械手臂共同運動。或者，噴嘴保持固定而製品通過機械手移動。
數值控制器108最好控制圖1組件的所有操作元件，包括雷射器的工作條件，CAD/CAM計算機106發出的用於建造製品、部件或工件的接收方向。NC控制器還接收反饋控制器發出的反饋控制信號以調節雷射器的功率輸出，並還控制工作檯和雷射噴嘴組件的相對位置。圖1中利用的數字控制器可以從數個廠家獲得，這些廠家包括FANUC,Allen Bradley,IGM等。CAD/CAM系統是一個常規的類型，它可以包括一個工作站，工作站可以由諸如SunMicrosystem、Silicon Graphics或Hewlett Packard任何一個商家提供。CAD/CAM軟體所需特徵之一是它有能力產生穿過基板的路徑以用於材料沉積。這使得能夠迅速地執行樣機實驗並直接由CAD尺寸形成實物三維物體，包括利用雷射器噴嘴製成直接的金屬樣機。
從圖2和3中看出，雷射噴嘴202在基板製品206上形成一個熔池04。粉最好經過噴嘴208圍繞雷射束204噴射。投射到基板表面上的雷射束最好不是高斯分布。投射的雷射束是一個最大強度出現在周圍的較為一般的環形。所以，與高斯分布相反，光束分布曲線的重點有較低的強度。這樣就提供了一個溫度分布較為均勻的熔池。但是，對於該方法也可以採用雷射束的其它空間分布。
圖3表示一個包括反饋控制裝置302的直接金屬沉積系統的簡圖。雷射傳輸的能量由一個大箭頭表示，小箭頭表示被輸送到粉輸送系統中的粉。冷卻水306顯示出被輸送到雷射器噴嘴的出口。反饋單元302最好直接鄰接雷射和粉入射到工件310表面上的點設置。
圖4是光學監測系統簡圖，它表示反饋控制系統的基本物理性質。一般來說，光學監測並電學控制尺度，如雷射包覆熔池的厚度。熔池的高溫熔融表面發射紅外區域的強度。圖4的杆狀圖形代表熔池。最好處於紅外的窄帶帶通濾波器410放置在攝像透鏡412的前面。示範性的攝像機包括一個135mm的焦距，為適當地放大熔池所需。
圖形穿過筒狀擴展鏡416，之後，圖象的一部分(大約10％)被反射到TV攝像機420的有效焦平面。注意，根據本發明並不一定要求有攝像機，可以通過一個人工操縱器監測。反射的圖象最好通過一個放置在反射器和TV攝像機的有效焦平面之間的中等密度的濾波器422。光學圖象的透射部分通過反射器，放大的圖象掩蓋到焦平面上提供空間解析度。從掩膜426出射的圖象通過透鏡428並再到達感光裝置，如光電電晶體430。
重要的是，把光軸440角和光學系列的放大率設置成可以通過光電電晶體430識別包覆厚度的小變化。參見圖5和6中所示的系統取向，從一個確定的熔池發出的光既能被光電電晶體屏蔽，也能穿過光電電晶體。兩種狀態下的傳感度最好小於0.010n(千分之十)英尺。即兩種狀態下的傳感器閾值為-0.010n，返回「屏蔽」狀態之前「未屏蔽」狀態窗是-0.100n。
圖4還表示一種方式，通過利用分束器或部分透射鏡450把頻譜分析結合到本發明中，這樣可以把從物體接收到的光的一部分導向色散元件460，如衍射光柵，從色散元件發出的光可以通過物鏡462準直並反饋到探測器464，沿線466輸出譜線的內容信息。當熔池或包覆材料成分變化或結合到反饋迴路、以根據材料成分改變系統的操作時，此譜線內容信息可以用於被動地監測和/或記錄關於熔池或包覆材料成分的數據。例如，饋送的粉的成分可以根據設計規範改變並通過譜線分析檢查，以確保發生材料成分的融合或改變。
還應注意到，雖然雷射粉最好是一個可以根據儲存的程序修正的變量，但其它的變量也可以單獨或與雷射粉一起使用。例如，可以改變雷射斑點的行進或雷射斑點的大小以男子設計規範，或者可以調節饋送的材料。的確，雖然適當地控制一組採用的參數，但也可以通過本發明以及材料的構造進行材料的去除，使得能夠校正失誤或缺陷，或者能夠相對於新的設計規範調整預存部分。
通過一個控制雷射功率的電路處理光電電晶體信號。大部分雷射器具有受信號模擬電壓信號控制的能力，例如0V電壓和12V電壓將分別對應於無功率和滿功率。二者之間的任何電壓將產生一個相應的輸出功率。大部分雷射器可以在一個毫秒內響應此模擬電壓。光電電晶體能夠探測光的存在與否，並且它的導電率可以變化。一旦曝光，光電電晶體的導電率就升高，並因此光電電晶體兩端的電壓降下降。如圖7所示，可以選擇「R1」值調節適當的敏感度，使得V+Vout=5v。在此特例中，如果以10V的信號獲得總功率，則5V的電壓將提供50％的總功率。
參見圖5，圖中表示一個熔融的沉積502，掩膜504設置在沉積和光電電晶體506之間。為了清楚起見刪除了系統的其它元件。可以看出，掩膜為平面形狀，是一個有孔的固體，光可從中穿過。當包覆的厚度達到預定水平時，選定波長形式的光從沉積的材料中穿過掩膜併入射到光電電晶體，如圖中所示。反之，只要沉積的水平低於掩膜中的孔，光將入射不到光電電晶體上。有光和無光之間的狀態可用於控制和調節雷射器的工作。
相反的狀態示於圖6，此處，只要光穿過掩膜，包覆沉積的厚度就可以接收；並且光一旦被禁止穿過掩膜，就感應到不可接收的狀態，因為沒有光入射到光電電晶體上。當正面圖中熔池的高度改變時，圖象降低直到光開始入射到光電電晶體上。在某些一致的高度，電壓(Vout)達到從「通光」向「閉光」切換的幅度。
圖8是一系列表示控制雷射器工作的信號之間、光電電晶體以電壓降的形式響應於有光和無光狀態以及光電電晶體信號控制雷射器功率的曲線。在所有的情況下，水平軸代表時間，垂直軸代表電壓。圖8a中的第一條曲線表示任何調節之前的雷射器的由本發明的反饋系統控制的模擬電壓信號。圖8b中的第二條曲線表示光電電晶體兩端的電壓降。在第一條曲線中可以看出，在通過反饋系統的任何控制之前，雷射器的模擬電壓是均衡的並且未隨時間調整。參見圖8的第二條曲線，它表示包覆操作期間圖7的光電電晶體兩端的電壓降。
在工作循環開始，光電電晶體的阻抗較大，這意味著感應不到從熔融表面發出的並透過選擇的窄帶帶通濾波器的光。結果，光電電晶體電子兩端的電壓降較低，在探測到光的狀態下顯示出一個表示光電電晶體的阻抗較低並且光電電晶體電子兩端的電壓降也較高的峰。在圖8c的第三條曲線中，光電電晶體兩端的峰電壓降提供一個數位化的信號。圖8d的第四曲線表示數位訊號已經修正了發送給雷射器的實際信號並影響脈衝周期和雷射器的最終功率。從圖8的第四條曲線看出，已經對應於光電電晶體的電壓降以及監測的入射光波長的發送調節了雷射器的電壓-時間。
在本發明的反饋方面，光電電晶體給圖1的數字控制器發送一個信號，調節供給雷射器的電壓，控制雷射器功率並最終調節入射到工件表面上的雷射周期。模擬信號的電壓對應於雷射功率。這使得能夠直接沉積金屬並當形成一層疊置一層的包覆時控制每一層的厚度。然後反饋系統控制工件的累計尺度。本發明的反饋控制器實際上是告訴雷射器工件的尺度是否超出，然後減小每個脈衝的通光時間。通光時發生沉積。如果某一特定的地點太高，則反饋迴路介質雷射功率並大大減少沉積。本發明的自動控制和調節至關重要，因為手動調節無效。
在使用中，系統可以用於一個象素挨一個象素地沉積材料。如果沒有反饋控制，則幾分種之後或者積累了幾層之後工件可能變得扭曲，之後，條件的進一步衰減可能導致扭曲和損壞。本發明反饋控制系統的優點在於扭曲發生之前，光電電晶體感應在工件材料的特有波長處的有光/無光狀態，並對計算機編程以減少沉積，直到反饋控制器感應到一個可以接收的狀態，此時才允許脈衝擴大到它們的總量。
例1對於此項研究，把鉻-鉬熱加工模具鋼直接沉積到鍛件H13的基板上。通常用於壓鑄的此合金由於其在壓鑄工具的快速製造中的潛能和大量用途而被分析研究。在下列的範圍內對DMD和鍛件H13的熱處理進行比較1)「asclad」硬度，可鍛性和微結構，2)初始鍛鍊響應，和3)對於奧氏體化(在1010℃)的油淬火材料的鍛鍊響應。
為了仿製一個商業系統，分析兩個包覆沉積模式。選擇低的功率和低的金屬沉積速率，因為此工藝對應於用於零部件和邊緣的參數。使用高功率、高金屬沉積速率的操作，因為這對應於用於加入體材料的方法。這兩種形式的工藝分別稱作精包覆和粗包覆。反饋系統用在(細)包覆中。
用於粗包覆的工作條件包括用於製造一個厚的一維垂直壁的光柵化的1.1～3.5mm焦點光斑。雷射器功率為4500W，粉饋送速率為16gm/min。粉垂直於光柵方向輸送。在每個通道的端部截止光束和粉流，並在相同的方向積累隨後的層，同時以750mm/min的速度平移。連續地沉積層，在碳鋼基板上產生一個3.5mm寬、70mm高和120mm長的層。在此工藝中，不測量包覆的溫度，但在沉積了第一個5-10層後觀察到可見光輻射。由此「as-clad」樣品機械加工一個垂直於包覆方向取向的可拉伸條，如圖9所示。在拉伸測試中應變儀測量量規部分的應變。
對於細包覆，同心輸送金屬粉和屏蔽氣體。熔池由一個0.6mm直徑的斑形成。兩種類型的包覆工藝的樣品速度為750mm/min。對於精細包覆，雷射功率和送粉速率分別為1000W和5gm/min。監測做為樣品的熔池高度的反饋系統橫向延伸成一個縫合圖案，如圖10所示。每個沉積層的厚度是250微米。複製該圖案以產生一個90mm高的板坯。H13用於基板和包覆，從而使得在熱處理實驗中雷射包覆和鍛件材料之間可以有一個直接的比較。
在熱處理條件下，包覆工件和鍛件H13的硬度和微結構分析非常類似。二者包含回火的馬氏體和一些保留的馬氏體。在1010℃下奧氏體化一小時後，通光散射已經消除了包覆中大部分枝狀固體結構的跡象。但是，合金分凝導致的條帶效應在鍛件基板中很明顯。這種分析的結果證明，通過包覆構建多個層而形成一個具有與鍛件的常規層底鑄型特性相同的工件是可能的。
例2管理殘餘應力和生成的畸變是證實製造三維元件的能力的本工藝成功的一個關鍵因素。殘餘的累計應力是在製造工具鋼組件期間導致裂紋的最大原因。為了理解應力的產生，設計一個簡單的樣品來估算每層中積累的應力。這導致在積累的殘餘應力可能導致裂紋之前構建多層的策略。在沉積預定數量的層之後以及沉積下一層之前執行應力的消除。此策略導致成功地製造完整尺寸的IMS-T1元件，如圖11所示。相信這是第一次在H13工具鋼中通過直接沉積製造此類IMS-Ta測試裝置。
例2的工藝參數列出如下NSF T1樣品材料H13粉雷射功率100W沉積速率-5gr/min分層的厚度0.01"實際雷射開啟加工時間50hrs總製造時間-100hrs應力消除時間-24hrs(6×4hrs)總時間-124hrs把製造的樣品送到獨立的實驗室進行殘餘應力測量。圖11還表示測試應力的點。在最後的進程中對地點2、6和5沉積並由此表示殘餘壓應力，因為它們沒有消除應力。在較早的進程中沉積並隨後消除應力的其它位置表現出可以忽略的殘餘應力，而在沒有消除應力的位置處的最大應力是+49.4KSI。
製備植入銅冷卻塊和冷卻水通道的壓射成型壓墨，並還製造一個修邊模。這些元件具有非常高的尺寸精度，所有的尺寸誤差容限為千分之一英寸。這些例子表明了用H13合金成功製造三維元件的DMD工藝的可行性。此工藝能夠通過細緻地控制工藝參數而控制微結構及其特性。雷射沉積元件和鍛件H13鋼元件的熱處理響應相同。實際上，熱處理的雷射包覆H13比鍛件H13結構上更均勻。
本發明的方法和裝置提供了建造並細化幾乎任何可以從計算機資料庫中產生的幾何形狀的元件。這有很多重要的應用。其中一項就是快速研究樣機/製造，這樣使得能夠有更快的樣機或製造工具的周轉時間。另一項應用是用戶特定的少量部件的生產，可以以經濟的方式進行小量的生產。這對於製造醫療器械非常有利，如對於個體部位的人工修復。其它的潛在應用包括聚合物注入/製造的模具，大大降低周轉時間的Al壓鑄模具的插入物和層的施釉。
本發明提供控制成分、微結構、殘餘應力和機械特性的能力。該系統能夠通過利用進行工藝控制的反饋迴路並在自動工作的反饋控制迴路傳感器中集成硬體和軟體來進行「光截止」製造。本系統中還可以很容易地加入其它特徵，包括壓電和點傳感器，用於測量累計的殘餘應力，應變和應力導致的畸變，並監測裂紋的引發。
權利要求
1．一種自動控制在基板上構建材料的系統，包括一個可控雷射器，具有指向基板上局域化的區域以在其上形成一個熔池的光束；把材料饋送到熔池中以產生一個具有一定物理屬性的沉積的裝置；一個耦接到光電傳感器的光探測裝置，光電傳感器可輸出一個做為物理屬性的函數的電信號；和一個反饋控制器，可調節做為電信號函數的材料沉積速率。
2．如權利要求1所述的系統，其特徵在於物理屬性是沉積的大小。
3．如權利要求1所述的系統，其特徵在於物理屬性是沉積的材料成分。
4．如權利要求1所述的系統，還包括一個對於計算機輔助設計(CAD)系統的界面，計算機輔助設計系統包括對要製造的製品的描繪，並且其特徵在於反饋控制器還進行物理屬性與該描繪的比較，並據此調節材料的沉積速率。
5．如權利要求1所述的系統，其特徵在於光學探測裝置包括一個有孔的膜，來自沉積的光穿過孔到達光電探測器，反饋控制器還包括用於探測是否出現來自沉積的光的電路。
6．如權利要求1所述的系統，其特徵在於光學探測裝置包括一個光學耦合到探測器的色散元件，用於確定沉積的材料成分。
7．一種自動的雷射包覆系統，用於調整基板上的材料量，包括一個雷射器用於輸出光束，並包含把光束聚焦到基板的局部區域上的裝置，雷射器具有足以在至少局部區域內熔化基板的能量；相對移動光束和基板的裝置；饋送積累到局部區域中的材料的裝置；和反饋控制裝置，感應材料的物理特徵並根據物理屬性調節材料沉積的速率。
8．如權利要求7所述的系統，其特徵在於反饋控制裝置調節光束的功率，從而調節材料沉積的速率。
9．如權利要求7所述的系統，其特徵在於反饋控制裝置調節光束的光斑大小，從而調節材料沉積的速率。
10．如權利要求7所述的系統，其特徵在於反饋控制裝置調節材料的饋送速率，從而調節材料沉積的速率。
11．如權利要求7所述的系統，其特徵在於反饋控制裝置調節光束和基板之間的移動速率，從而調節材料沉積的速率。
12．如權利要求7所述的系統，其特徵在於材料的物理特徵是基板以上材料的高度。
13．如權利要求7所述的系統，其特徵在於材料的物理特徵是熔池的化學成分。
14．如權利要求7所述的系統，還包括一個對於計算機輔助設計(CAD)系統的界面，計算機輔助設計系統包括對將製造的製品的描繪，並且其特徵在於反饋控制系統還進行物理特徵與該描繪相比，並據此調節材料的沉積速率。
15．一種自動製造製品的系統，包括一個包含對要製造的製品的描繪的計算機輔助設計資料庫；一個用於支撐基板的工作檯；一個可控雷射器，具有一個指向基板的局部區域以在其上形成熔池的光束；耦接到雷射器的裝置，用於把材料饋送到熔池中以產生一個具有物理尺度的沉積；相對於雷射器和饋送裝置移動基板的平移裝置；光學探測裝置，當沉積產生時輸出一個表示沉積的物理尺度的電信號；和一個反饋控制器，與平移裝置和雷射器聯接，用於根據計算機輔助設計資料庫中要製造的製品的描繪調節沉積的物理尺度。
16．如權利要求15所述的系統，其特徵在於平移裝置移動工作檯而雷射器和饋送裝置保持穩固不動。
17．如權利要求15所述的系統，其特徵在於平移裝置移動雷射器和饋送裝置而工作檯保持穩固不動。
18．如權利要求15所述的系統，其特徵在於基板和粉是金屬。
19．如權利要求15所述的系統，其特徵在於光學探測裝置包括一個有孔的膜，來自沉積的光穿過孔到達光電探測器。
20．一種製造製品的方法，包括下列步驟a)提供對要製造的製品的繪製；b)提供一個基板，在基板上形成製品；c)加熱基板的局部區域以在其上形成一個熔池；d)把材料饋送到熔池中，從而產生一個具有物理尺度的沉積；e)光學監控沉積的物理尺度，f)根據待製造製品的描繪控制物理尺度；g)前進到基板的不同區域；和h)重複步驟c)至g)直到完成製品的製造。
21．如權利要求20所述的方法，其特徵在於步驟g)包括移動工作檯而雷射器和饋送裝置保持穩固不動。
22．如權利要求20所述的方法，其特徵在於步驟g)包括移動雷射器和饋送裝置而工作檯保持穩固不動。
23．如權利要求20所述的方法，其特徵在於基板和粉是金屬。
全文摘要
雷射器包覆系統(102)用於在基板上聚集材料,通過加熱基板上的局部點形成一個熔池,向熔池中饋送材料以形成一個具有物理尺度的沉積。一個耦接到光電傳感器的光探測裝置用於監測沉積的物理尺度,光電傳感器通過有孔的膜接收光,並且反饋控制器(104)根據電信號調節,由此控制材料沉積的速率。在優選實施例中,物理尺度是沉積的高度,系統還包括一個對於計算機輔助設計系統的界面,計算機輔助設計系統包括對要製造的製品的描繪,使得反饋控制器(104)能夠比較沉積的物理尺度和對製品的描繪,並調節雷射器(110)的能量。反饋控制器(104)包括調節雷射器(110)的電路。
文檔編號B23K26/02GK1315022SQ99809274
公開日2001年9月26日 申請日期1999年6月22日 優先權日1998年6月30日
發明者喬蒂·馬宗達, 賈斯廷·克西 申請人:喬蒂·馬宗達