对烟雾事件的识别和电子束熔炼设备

摘要

本发明涉及一种用于在电子束熔炼设备(10)中识别烟雾事件(SE)的装置(100)。为了更好地预测或者能够自动化地识别烟雾事件建议，所述装置具有构造用于检测接地电流(IG)的电流测量装置(150)和构造用于通过分析接地电流(IG)识别烟雾事件(SE)的分析单元(160)。此外，本发明涉及一种电子束熔炼设备(10)以及一种用于运行这种设备的方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于识别烟雾事件的装置、一种具有这种装置的电子束熔炼设备以及用于运行电子束熔炼设备的方法。

背景技术

这种装置例如用于电子束熔炼设备中。电子束熔炼是增材制造技术，在所述增材制造技术中分别选择性地熔化上下相继的粉末层，以便逐层地并且增材地构造待制造的物体。在电子束熔炼的特殊情况下可能发生的是，利用通过电子束以电子形式输入的电荷加载粉末颗粒。这种效果主要基于粉末床的较高的电阻。如果单独粉末颗粒的电荷量过大，则所述粉末颗粒会相互碰撞。如果在此超过了重力或者粉末颗粒之间的附着力，则颗粒可能突然地从粉末床中逸出，这既损坏了粉末层又使得粉末颗粒分布在处理室的空间中。如果粉末颗粒由于其所带的电荷而自发地改变其位置和/或分布在处理室的空间中，则这也被称为所谓的烟雾事件。术语“烟雾”在此指分布在腔室中的粉末颗粒，所述粉末颗粒的外观类似于在粉末床上形成的烟雾云。所述烟雾事件是极不期望的，因为电子束可能被分布在处理室中的颗粒偏转，并且使原本均匀的粉末层不再具有均匀的形状，并且因此使当前的层无法按照过程地施加或者熔化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题为，提供一种装置，所述装置实现了更好地预测或者自动地识别这种烟雾事件。

所述技术问题通过按照本发明的用于在电子束熔炼设备中识别烟雾事件的装置解决。用于在电子束熔炼设备中识别烟雾事件的装置为此具有电流测量装置和分析单元。电流测量装置构造用于检测接地电流，并且分析单元构造用于通过分析由电流测量装置检测的接地电流识别烟雾事件。由于电子束产生电流，因此所述电流最终也必须经由电子束熔炼设备的地线输出。业已证实，烟雾事件伴随接地电流的表征性变化产生，因此分析单元能够基于接地电流的这些变化识别烟雾事件。例如如果接地电流低于阈值，则分析单元能够识别到烟雾事件。分析单元同样可以将陡的、下降的曲线(或者说急剧下降的曲线)和/或将降低至几乎为零的接地电流探测为烟雾事件。与当前所需的设备的操作人员的视觉检查相比，自动的识别体现出显著的优势，并且实现了对烟雾事件的自动处理。

在另一实施方式中，分析单元用于分析接地电流的时间曲线。所述时间曲线在此被选择用于识别烟雾事件。在所述时间曲线中能够识别烟雾事件的第一标志。这例如可以表现为电流的斜率的不期望的改变、例如电流的降低。对接地电流的时间曲线的考虑实现了对电流的持续观测并且由此改善了烟雾事件的识别准确性。

在另一实施方式中，分析单元构造用于分析接地电流的频率曲线。在此例如可以通过接地电流的频率曲线中的异常识别烟雾事件。能够在接地电流的时间曲线上进行实现这种分析的快速傅里叶变换(FFT)。

在另一实施方式中，分析单元构造用于根据电子束电流识别烟雾事件。如果现在除了接地电流之外还分析电子束电流，则可以识别输入的电流与导出的电流之间的差异，并且如果差异过大，则在必要时与烟雾事件对应。在此既可以分析接地电流的曲线也可以分析电子束电流的曲线并且相互比较。同样可以建立当前的接地电流和当前的电子束电流之间的差值，可以对所述差值进行分析和/或将所述差值作为控制偏差用作调节电子束电流的基础。可以在电子束源中测量电子束电流，或者如果能够控制所述电子束电流，则在不进行测量的情况下仅将电子束电流的额定值用于比较。

在另一实施方式中，电流测量装置构造用于以至少1kHz的扫描频率检测接地电流。在其它优选的实施方式中，用于检测接地电流的电流测量装置构造具有至少10kHz、20kHz或者50kHz的扫描频率。这实现了对接地电流特别准确的分析，并且在射束速度特别高并且由此加工速度特别高的电子束设备中也实现了足够的反应时间。

在另一实施方式中，分析单元具有至少一个经训练的人工神经网络。该人工神经网络在此包含接地电流或者接地电流信号并且可选地包括电子束电流或者电子束电流信号作为输入量，所述人工神经网络分析这些量并且将出现烟雾事件作为输出量输出。该人工神经网络在此同样可以将接地电流或者电子束电流的曲线或者所述接地电流或者电子束电流的频率特征曲线作为输入量进行分析。具有按照本发明的装置的电子束设备在此可以用于训练神经网络，其中，在输入量中使用人工输入或者确认自动测得的烟雾事件，以对数据进行分类或者对数据进行标记。神经网络可以输出表明烟雾事件的二进制的量作为输出量。备选地或者补充地可行的是，神经网络输出烟雾事件出现的概率，根据所述概率可以执行进一步的措施、例如降低电子束电流。根据可供使用的被标记的数据(在此为烟雾事件和相对应的电流曲线)的数量，可以考虑使用监督学习(英语supervised learning)和无监督学习(英语unsupervised learning)用于网络的训练或者学习。可以考虑Tensor Flow或Scikit-learn等广泛的开源解决方案作为用于执行的平台。

在另一实施方式中，电流测量装置具有测量电阻，所述测量电阻优选借助至少一个过压保护装置进行保险。过压保护装置例如可以设计为气体放电管(缩写GDTs)与二极管的组合。二极管在此用作附加的保险机构，以便在电压快速升高时在气体放电管燃烧之前的时间被跨接(überbrücken)。

在另一实施方式中，电流测量装置构造用于检测在接地导线上的接地电流。粉末床和/或电子束熔炼设备的构造板通常是接地的。接地导线在此可以扩展用于电流检测。在此可以使用测量电阻。理想地测量在中央的接地导线处的电流，因为否则必须考虑电流分布效应。作为电流测量装置例如可以使用霍尔效应转换器、磁通门转换器和/或在电流上分离的电流转换器。所述霍尔效应转换器、磁通门转换器和/或在电流上分离的电流转换器具有的优点在于，其能够围绕接地导线布置，而不需要附加的支路或者置入的电流检测电阻。

此外，所述技术问题通过一种电子束熔炼设备解决，所述电子束熔炼设备具有按照本发明的用于识别烟雾事件的装置。电子束熔炼设备在此具有电子束源，所述电子束源借助加速电压将电子束加速至非常高的速度(例如光速的一半)并且这样控制所述电子束，使得在粉末床中逐层地构造构件。电子束在此选择性地熔化位于粉末床中的粉末。将装置集成至设备中本身具有巨大的优点，即不仅能够执行监测的措施，而且也能够在识别出烟雾事件时直接执行主动的应对措施。

在另一实施方式中，电子束熔炼设备具有控制装置。所述控制装置在此构造用于控制电子束源。在识别到烟雾事件时，控制装置例如可以关断电子束源。

在另一实施方式中，电子束熔炼设备具有控制装置，所述控制装置这样构造用于控制电子束源，使得防止烟雾事件、在强度方面减小烟雾事件和/或终止烟雾事件。这可能伴随着加速电压和/或电子束电流的变化。

在另一有利的实施方式中，所述装置布置在电子束熔炼设备的接地的壳体内。这具有的优点为，无需出于测量目的而采取超出设备现有保险措施的保险措施。此外，测量数据或者识别到的烟雾事件能够直接地从分析单元传达至设备的控制装置。同样可以考虑的是，设备的控制装置本身直接地进行电流值的分析，即控制装置集成了分析单元的功能。

此外，所述技术问题通过一种用于运行电子束熔炼设备的方法解决。在此借助电子束在粉末床中产生构件。所述方法在此包括对接地电流的分析以识别烟雾事件和在识别到即将发生的和/或正发生的烟雾事件时降低电子束电流。

附图说明

以下根据在附图中所示的实施例详细描述和阐述本发明。在附图中：

图1示出了具有装置的电子束熔炼设备的实施方式并且

图2示出了电子束熔炼设备中的烟雾事件。

具体实施方式

图1示意性地示出了电子束熔炼设备10，在所述电子束熔炼设备中正在粉末床130中逐层地构造构件1。电子束熔炼设备10为此具有处理室110，构造板140在所述处理室中布置在粉末床130内。电子束源120产生电子束125，所述电子束逐层地熔化存在于粉末床130中的粉末并且由此逐层地产生构件1。电子束125在此具有电子束电流IB。构造板140在这种情况中借助接地导线145经由接地地线GND接地。接地地线GND在此同样连接在电子束熔炼设备10的壳体180上。接地导线145具有电流测量装置150，所述电流测量装置检测从构造板140或者从粉末床130经由接地导线145流向接地地线GND的电流IG和/或相对应的接地电流信号。接地电流IG最终由分析单元160分析。该分析单元160既可以分析多个单独的电流值也可以分析时间信号。控制装置170在此控制电子束源120，并且在此可以调用由分析单元160提供的关于烟雾事件的存在的分析。分析单元160和控制装置170在此仅示意性地在壳体内表示。所述分析单元和控制装置可以不必位于封闭的构造室内或者控制装置170确定位于所述构造室之外,因为开关柜具有与构造空间相似的尺寸。

图2示出了由图1已知的设备10，其中，在处理室110中存在烟雾事件SE。可以看出的是，在粉末床130上方在处理室110中能够看到细密地分布的颗粒作为烟雾事件SE。电子束125在此撞击至临界数量的颗粒上，由此被偏转和/或散射和/或反射，并且相应地无法再以规定的能量和轨迹到达构件1。这使得当前待熔化的粉末层根本无法熔化或者仅不完全地熔化。在这种情况下，接地电流IG这样变化，使得分析单元160识别到烟雾事件SE的存在。控制装置170由此可以调节电子束125和/或电子束电流IB，以便终止烟雾事件。在此可能必要的是，将电子束125完全去激活。然而特别有利的是，分析单元160已经识别到烟雾事件SE的第一标志(例如接地电流的变化或者接地电流IG和电子束电流IB之间的变得过大的差值)并且相应地如下控制电子束125，即例如降低电子束125的电流或者短暂地将所述电子束125偏转至颗粒未强烈带电的区域中。在控制装置170采取措施并且颗粒重新落下之后，可以施加新的粉末层和/或多次地刮平粉末床。控制装置则能够按计划继续完成构件1。

此外，也已证实在装置100的抗干扰性方面有利的是，在处理室110中将粉末床130或者构造板140接地的接地导线145具有由特别耐热的材料、例如玻璃纤维织造的特别耐高温的绝缘结构。此外对于抗干扰性有利的是，使用外围设备、例如热学元件，所述外围设备是接地的，并且地线与接地导线145合并起来，从而避免电流以其它方式接地。

总而言之，本发明涉及一种用于在电子束熔炼设备(10)中识别烟雾事件(SE)的装置(100)。为了更好地预测或者能够自动化地识别烟雾事件建议，所述装置具有构造用于检测接地电流(IG)的电流测量装置(150)和构造用于通过分析接地电流(IG)识别烟雾事件(SE)的分析单元(160)。此外，本发明涉及一种电子束熔炼设备(10)以及一种用于运行这种设备的方法。

附图标记列表

1 构件

10 电子束熔炼设备

100 装置

110 处理室

120 电子束源

125 电子束

130 粉末床

140 构造板

145 接地导线

150 电流测量装置

160 评估单元

170 电子束熔炼设备的控制装置

180 接地的壳体

IG 接地电流

IB 电子束电流