一种3D打印逐层检测反求零件模型及定位缺陷装置与方法与流程

本发明涉及金属3d打印过程监控和质量精确控制，尤其涉及一种3d打印逐层检测反求零件模型及定位缺陷装置与方法。

背景技术：

激光选区熔化(selectivelasermelting，slm)技术是一种能直接成型高致密、高精度金属零件的快速成型的3d打印技术，但是熔融过程中有超过50种不同的因素在发挥作用，例如尺寸和形状误差、熔融层中的空隙、最终部件的高残余应力，以及对材料性能等各种变量相互关系的影响导致了打印工艺难以量化控制。

质量监控的发展使得增材制造技术中成型件的表面粗糙度和性能有了显著改善，减少了内部结构的变形。激光熔化系统中需要监控一系列的关键的参数，包括氧含量、激光输出功率、铺粉和粉末质量等。但是，仅仅简单地基于设备工艺去综合评价零件的质量是不够的，打印过程本身必须受到监控。实时监控系统可以为早期有效的检测打印缺陷和避免缺陷做出有效的贡献。

conceptlaser公司的qm熔池3d系统通过光电二极管和coms摄像头来监控整个打印过程，使用同轴传感器来监测熔池热辐射；eos的eostatemeltpool系统提供了自动化、智能过程监控技术——无论是每一点、每一层，还是每一个部件。以这种方式，它为熔池的自动化监测创造了条件，同时它也能够在构建过程中对于零件内部进行观察。

目前质量监控的难点在于对信息收集和处理的准确性，能否精确反映加工状态；还有对于加工过程的纠正，由于大量的影响因素导致的打印缺陷或者自身组织缺陷，而且整个过程有着高度动态特性，开发一个自动修正的控制回路是一大难点。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种3d打印逐层检测反求零件模型及定位缺陷装置与方法。本发明通过监控熔池位置及特征，并通过每层轮廓数据反求三维模型，这样的信号能够直观并且打印过程完成后在三维模型上立即进行分析。用户可以根据位置追溯每个零件的打印过程。在打印过程中零件内部产生的影响可以更好的检测并分析。通过针对零件打印缺陷进行分析，寻找原因和提出解决措施。

本发明通过下述技术方案实现：

一种3d打印逐层检测反求零件模型及定位缺陷装置，包括激光头3、扫描振镜9和计算机1、半透半反镜16、高速摄像机20、控制器2；所述高速摄像机20通过控制器2与计算机1电讯连接；

所述激光头3的激光光路17，经半透半反镜16反射入扫描振镜9，由扫描振镜9控制激光束选择性熔化平铺在工作平台15上的金属粉末；同时，扫描振镜9采集熔池辐射，并将其透过半透半反镜16传至高速摄像机20，高速摄像机20对该熔池辐射数据进行处理，并转化为图像信息传至控制器2，控制器2用于处理图像数据，以确定熔池位置和生成每一熔化层的轮廓。

所述控制器2包括：图像采集模块、图像轮廓提取模块、图像三角形化模块；

图像采集模块，用于控制高速摄像机20采集工件每一层成型过程中的熔池实时图像数据，并保存在其内存中；

图像轮廓提取模块，将反馈至高速摄像机20的彩色图像显示成灰度图像，并建立其坐标系；利用中值滤波器模板对灰度图像进行滤波以平滑图像、去除噪音；利用灰度直方图，选取直方图的阈值作为最小值，根据阈值对图像进行二值化处理，分割为熔池像素点和非熔池像素点，提取熔池轮廓；

图像三角形化模块，将图像处理得到的断层轮廓用多边形逼近，然后在相邻的断层多边形顶点之间连接成三角形，再将物体的上下端面三角化，输出stl文件；

工作周期开始时，由图像采集模块采集图像信息，传输至图像轮廓提取模块提取熔池轮廓信息，并根据该信息建立过程文件，在计算机界面上反馈加工状态，待到该层加工完毕，根据过程文件提取该层轮廓；图像三角形化模块根据工件的多层轮廓，得到工件的完整的三维模型，输出stl文件。

所述高速摄像机20与半透半反镜16之间的光路上增设有滤光片19，用于滤出熔池采集波段。

所述滤光片19采用中心波长处于600～650nm范围内的窄带滤光片，以保证高速摄像机20的光谱灵敏度。

所述高速摄像机20为coms高速摄像机，像素分辨率不低于1024×1024，帧数可达到7000帧/秒；整体快门最短曝光时间为1us；动态范围120db；光谱范围400nm-950nm，8位采样分辨率。

一种3d打印逐层检测反求零件模型及定位缺陷方法，其包括如下步骤：

步骤一：所述扫描振镜9、半透半反镜16、滤光片19组成同轴光路，熔池辐射光通过该同轴光路反射、过滤至高速摄像机20上；

步骤二：以工件的成型平面中心为原点建立坐标系，高速摄像机20根据平面成型轨迹，捕捉成型平面上的熔池位置，同时记录此位置的熔池形态；

步骤三：经过控制器2的图像处理得到熔池尺寸，当熔池尺寸偏离标准值的偏差范围时记录为异常位置，否则为正常位置；控制器2将该位置信息实时反馈至计算机1的实时监控界面上，在监控界面相应位置反映熔池信息，若为正常位置则显示绿色，若为异常位置则显示红色；

步骤四：在该层数据加工完成后，高速摄像机20收集该层成型平面数据，控制器2提取工件的该层轮廓数据并保存；在零件整体加工完成后，根据工件的每层轮廓数据生成三维模型，将该当前生成的三维模型与预先内置在计算机1中的原始三维模型进行比较分析，获得金属3d打印零件与原始模型数据在精度尺寸上的误差；同时，在模型内的异常位置红色高亮，并显示所在层数可供查看。

步骤三所述熔池尺寸偏离标准值的偏差范围取5％-15％。

本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：

本发明针对slm加工过程的粉末熔化进行监控，并反馈至计算机，实时反映不同位置的熔池特征，并精确测量每一熔化层的轮廓(包括内部封闭轮廓)，通过反求方式获得零件模型，将该模型与原始三维模型进行比较分析，获得金属3d打印零件与原始模型数据在精度尺寸方面的误差。同时，结合不同位置熔池特征(熔池凝固后宽度)数据分析，可以精确获取3d打印过程中内部缺陷的位置、立体形状，避免了打印零件后期针对零件的破坏性试验。

附图说明

图1为本发明3d打印逐层检测反求零件模型及定位缺陷装置结构示意图。

图2为计算机界面示意图；图中a表示零件各层的成型层；b代表异常。

图3为本发明工作流程图。

图1中：计算机1、控制器2、激光头3、辅助结构扩束器4、三维动态聚焦系统5、控制板6、控制板7、振镜控制卡8、扫描振镜9、y扫描电机及其镜片10、x扫描电机及其镜片11、控制板(12、13、14)、工作平台15、半透半反镜16、激光光路17、熔池辐射光路18、滤光片19、高速摄像机20。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。

实施例

如图所示。本发明公开了一种3d打印逐层检测反求零件模型及定位缺陷装置，包括激光头3、扫描振镜9和计算机1、半透半反镜16、高速摄像机20、控制器2；所述高速摄像机20通过控制器2与计算机1电讯连接；

所述激光头3的激光光路17，经半透半反镜16反射入扫描振镜9，由扫描振镜9控制激光束选择性熔化平铺在工作平台15上的金属粉末；同时，扫描振镜9采集熔池辐射，并将其透过半透半反镜16传至高速摄像机20，高速摄像机20对该熔池辐射数据进行处理，并转化为图像信息传至控制器2，控制器2用于处理图像数据，以确定熔池位置和生成每一熔化层的轮廓。

所述高速摄像机20与半透半反镜16之间的光路上增设有滤光片19，用于滤出熔池采集波段。

所述滤光片19采用中心波长处于600～650nm范围内的窄带滤光片，以保证高速摄像机20的光谱灵敏度。

所述高速摄像机20为coms高速摄像机，像素分辨率不低于1024×1024，帧数可达到7000帧/秒；整体快门最短曝光时间为1us；动态范围120db；光谱范围400nm-950nm，8位采样分辨率。

所述半透半反镜16用于100％反射1064nm激光波长，而让可见光和和近红外光100％透射至所述高速摄像机20。

所述控制器2包括：图像采集模块、图像轮廓提取模块、图像三角形化模块。

图像采集模块，用于控制高速摄像机20采集工件每一层成型过程中的熔池实时图像数据，并保存在其内存中；

图像轮廓提取模块，将反馈至高速摄像机20的彩色图像显示成灰度图像，并建立其坐标系；利用中值滤波器模板对灰度图像进行滤波以平滑图像、去除噪音；利用灰度直方图，选取直方图的阈值作为最小值，根据阈值对图像进行二值化处理，分割为熔池像素点和非熔池像素点，提取熔池轮廓；

图像三角形化模块，将图像处理得到的断层轮廓用多边形逼近，然后在相邻的断层多边形顶点之间连接成三角形，再将物体的上下端面三角化，输出stl文件；

工作周期开始时，由图像采集模块采集图像信息，传输至图像轮廓提取模块提取熔池轮廓信息，并根据该信息建立过程文件，在计算机界面上反馈加工状态，待到该层加工完毕，根据过程文件提取该层轮廓；图像三角形化模块根据工件的多层轮廓，得到工件的完整的三维模型，输出stl文件。

本发明3d打印逐层检测反求零件模型及定位缺陷方法，可通过如下步骤实现：

步骤一：扫描振镜9、半透半反镜16、滤光片19组成同轴光路，熔池辐射光通过该同轴光路反射、过滤至高速摄像机20上；

步骤二：以工件的成型平面中心为原点建立坐标系，高速摄像机20根据平面成型轨迹，捕捉成型平面上的熔池位置，同时记录此位置的熔池形态；

步骤三：经过控制器2的图像处理得到熔池尺寸，当熔池尺寸偏离标准值的偏差范围时记录为异常位置，否则为正常位置；控制器2将该位置信息实时反馈至计算机1的实时监控界面上，在监控界面相应位置反映熔池信息，若为正常位置则显示绿色，若为异常位置则显示红色；

步骤四：在该层数据加工完成后，高速摄像机20收集该层成型平面数据，控制器2提取工件的该层轮廓数据并保存；在零件整体加工完成后，根据工件的每层轮廓数据生成三维模型，将该当前生成的三维模型与预先内置在计算机1中的原始三维模型进行比较分析，获得金属3d打印零件与原始模型数据在精度尺寸上的误差；同时，在模型内的异常位置红色高亮，并显示所在层数可供查看。

步骤三所述熔池尺寸偏离标准值的偏差范围取5％-15％。

熔池尺寸标准值需要根据粉末材料、激光能量密度、扫描速度来确定。

如上所述，便可较好地实现本发明。

本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。