一种用于制造三维物体的激光功率实时检测方法和系统与流程

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种用于制造三维物体的激光功率实时检测方法和系统。

背景技术：

选择性固化粉末增材制造技术是快速成型技术之一，其以粉末材料为原料，采用激光或其他能量源对三维实体制件的截面进行逐层扫描完成原型制造，不受零件形状复杂程度的限制，不需要任何的工装模具，应用范围广。在扫描过程中需要激光或其他能量源对粉末进行烧结或熔融固化。光纤激光器和co2激光器就是目前使用最广的一种能量源，作为3d打印设备的核心部件之一，激光器的性能与稳定性直接影响3d打印的最终效果。

目前行业内未见对打印过程中激光器故障或性能判定的装置，均通过视频监控扫描图像或者人为监视烧结效果来判断激光器是否出光，但激光器输出激光的功率稳定性或者建造过程中是否有功率衰减就很难实现监视。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述技术问题，本发明提供了一种用于制造三维物体的激光功率实时检测方法和系统，通过在光路中设置分光镜、低功率激光功率计和可移动的高功率激光功率计，可在3d打印的过程中，实时采集激光功率信息，通过激光功率设置值与采集值的对比，可判断激光器输出的激光功率是否正常，有无衰减等，并可进行实时激光功率补偿，保证3d打印加工质量，其采集记录的激光功率信息，可作为反映加工过程质量的依据。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于制造三维物体的激光功率实时检测方法，一种用于制造三维物体的激光功率实时检测方法，包括以下步骤：

步骤一、激光功率校准，控制器控制电机转动，与电机相连的支架运动，将设于支架上的高功率激光功率计运动至窗口镜的正下方，控制器控制扫描单元偏转至激光能照射在高功率激光功率计中心位置处，开启激光器发射设定功率值的激光，分光镜将激光分为反射光和透射光，反射光经低功率激光功率计检测到第一反射光功率值，透射光经扫描单元和窗口镜射出，进入高功率激光功率计，检测出第一透射光功率值；

步骤二、计算第一反射光功率值和第一透射光功率值的第一理论检测比值并记录在控制器内，控制电机转动，高功率激光功率计回归原位；

步骤三、开启激光器发射所述设定功率值的激光进行烧结，低功率激光功率计实时检测第二反射光功率值，通过第一理论检测比值计算出第二透射光功率值，实时比较第二透射光功率值是否超出第一透射光功率值的误差，如未超出则继续烧结，如超出则进入下一步骤；

步骤四、第二透射光功率值超出第一透射光功率值的允许误差，暂停烧结，重复步骤一，检测出第三反射光功率值和第三透射光功率值，计算第三反射光功率值和第三透射光功率值的实际检测比值并记录在控制器内，并分别与第一反射光功率值和第一透射光功率值比较，进行激光功率检测故障判断和补偿。

作为本发明的进一步优选方案，所述激光功率检测故障判断和补偿方法为：第三反射光功率值和第一反射光功率值不符，第三透射光功率值和第一透射光功率值相符，判断低功率激光功率计故障，进入步骤三继续烧结，待建造完成后，更换低功率激光功率计。

作为本发明的进一步优选方案，所述激光功率检测故障判断和补偿方法为：所述第三反射光功率值和第一反射光功率值不符、第三透射光功率值和第一透射光功率值也不符，并且同比例偏低或偏高，则判定激光器功率异常，进入步骤一完成校准后继续烧结。

作为本发明的进一步优选方案，所述激光功率检测故障判断和补偿方法为：第三反射光功率值和第一反射光功率值不符、第三透射光功率值和第一透射光功率值也不符，并且实际检测比值与第一理论检测比值偏差过大，则需停机检修低功率激光功率计、高功率激光功率计和整个光路。

作为本发明的进一步优选方案，间隔设定时间，与步骤三同步进行一次光路污染情况检测，具体为控制电机带动高功率激光功率计运动至窗口镜的正下方，控制器控制扫描单元偏转至激光能照射在高功率激光功率计中心位置处，检测出第四透射光功率值，比较第四透射光功率值和第一透射光功率值，进行光路污染故障判断和补偿。

作为本发明的进一步优选方案，所述光路污染故障判断和补偿方法为：所述第四透射光功率值未超出第一透射光功率值的允许误差，判定光路无污染或轻微污染，则继续烧结。

作为本发明的进一步优选方案，所述光路污染故障判断和补偿方法为：所述第四透射光功率值低于第一透射光功率值，并超出第一透射光功率值的允许误差，但未超出第一透射光功率值的极限偏差值，则重复步骤一和二完成激光功率校准，得到第二理论检测比值并记录在控制器内。

作为本发明的进一步优选方案，所述光路污染故障判断和补偿方法为：所述第四透射光功率值低于第一透射光功率值，并超出第一透射光功率值的超出极限偏差值，则停机进行光路清洁，重复步骤一和二完成激光功率校准，得到第三理论检测比值并记录在控制器内。

作为本发明的进一步优选方案，所述光路污染故障判断和补偿方法为：所述第四透射光功率值远低于或远高于第一透射光功率值，但第二反射光功率值未超出第一反射光功率值允许误差，停机进行光路清洁后重新进行光路污染故障判断和补偿，依然如此，则停机检测高功率激光功率计和/或整个光路上的光学镜片是否损坏。

本发明还提供一种用于制造三维物体的激光功率实时检测系统，包括激光器、低功率激光功率计、分光镜、控制器、扫描单元、窗口镜、电机、支架和高功率激光功率计，用于实现所述的用于制造三维物体的激光功率实时检测方法。

作为本发明的进一步优选方案，所述分光镜选择高透射率的镜片，所述分光镜的透射率为90-99％。

本发明提供了一种用于制造三维物体的激光功率实时检测方法和系统，在3d打印的过程中，实时采集激光功率信息，通过激光功率设置值与采集值的对比，可判断激光器输出的激光功率是否正常，有无衰减等，并可进行实时激光功率补偿，保证3d打印加工质量，其采集记录的激光功率信息，可作为反映加工过程质量的依据。

附图说明

图1为本发明实施例中一种用于制造三维物体的激光功率实时检测系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中一种用于制造三维物体的激光功率实时检测系统的工作状态原理示意图；

附图标记：1、激光器；2、低功率激光功率计；3、分光镜；4、控制器；5、扫描单元；6、窗口镜；7、电机；8、支架；9、高功率激光功率计。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。需要说明的是，当元件被表述“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。当一个元件被表述“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。本说明书所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

图1为根据本发明提供的一种用于制造三维物体的激光功率实时检测系统的结构示意图，图2为本发明实施例中一种用于制造三维物体的激光功率实时检测系统的工作状态原理示意图。本实施例中示出的是用于制造三维物体的激光功率实时检测系统，包括激光器1，低功率激光功率计2，分光镜3，控制器4，扫描单元5，窗口镜6，电机7，支架8，高功率激光功率计9。

激光器1发出的激光经过分光镜3后，很少一部分激光反射至低功率激光功率计2，绝大部分透射光进入扫描单元5，然后反射至粉床加工幅面上。控制器4统筹控制激光器1、扫描单元5和电机7的工作。低功率激光功率计2和高功率激光功率计9的检测数据发送给控制器4进行处理。为了减少激光功率损耗，分光镜3选择透射率高的镜片，分光镜3的透射率为90-99％，优选95％的透射率，5％的反射率。

通过本申请技术方案，实现了激光功率校准、激光功率检测故障判断和补偿、光路污染故障判断和补偿三个功能，具体工作原理及工作过程分别如下所述。

一、激光功率校准

控制器4发送指令使得电机7转动一定角度，带动支架8和高功率激光功率计9运动至窗口镜6的正下方，控制器4发送指令使得扫描单元5偏转至激光出射光能照射在高功率激光功率计9中心位置。控制器4控制激光器1发射激光。低功率激光功率计2检测到反射光，并将第一反射光功率值发送至控制器4，高功率激光功率计9检测到透射光，并将第一透射光功率值发送至控制器4。在不同的激光功率数值上，低功率激光功率计2与高功率激光功率计9检测到的激光功率值的比例应该接近分光镜3的反射率与透射率的比值，计算第一反射光功率值和第一透射光功率值的第一理论检测比值并记录在控制器4内，控制电机7转动，如图1位置所示，使得高功率激光功率计回归原位。

二、激光功率实时监测及补偿

在正常建造烧结时，高功率激光功率计9停留在烧结区域以外，不会遮挡光路。低功率激光功率计2实时监测激光器1的输出功率并反馈至控制器4，根据激光功率校准步骤中测得的第一理论检测比值，可以得到成型幅面上的激光功率值。

当在某一层的烧结过程中，低功率激光功率计2监测到激光功率值偏离程序设计值允许误差范围外后，设备暂停当前扫描任务，控制器4控制电机7转动，如图2位置所示，使得高功率激光功率计9移动到窗口镜6的正下方，并且控制器4发送指令使得扫描单元5偏转至激光出射光能照射在高功率激光功率计9中心位置。激光器1按设定的功率值出光，低功率激光功率计2与高功率激光功率计9检测到第二反射光功率值和第二透射光功率值发送给控制器4，实时比较第二透射光功率值是否超出第一透射光功率值的误差，如未超出则继续烧结，如超出则进入以下步骤：

暂停烧结，重复激光功率校准步骤，检测出第三反射光功率值和第三透射光功率值，计算第三反射光功率值和第三透射光功率值的实际检测比值并记录在控制器4内，并分别与第一反射光功率值和第一透射光功率值比较，进行激光功率检测故障判断和补偿。第一种情况：第三反射光功率值和第一反射光功率值不符，第三透射光功率值和第一透射光功率值相符，此时可判断低功率激光功率计2故障，设备可继续建造，待建造完成后，更换低功率激光功率计2；第二种情况：第三反射光功率值和第一反射光功率值不符、第三透射光功率值和第一透射光功率值也不符，并且同比例偏低或偏高，则激光功率异常，可按照激光功率校准步骤重新进行校准，校准完成后继续烧结；第三种情况：第三反射光功率值和第一反射光功率值不符、第三透射光功率值和第一透射光功率值也不符，并且实际检测比值与第一理论检测比值偏差过大，则需停机检修低功率激光功率计、高功率激光功率计和整个光路。

三、光路污染故障判断和补偿

对于需要长时间加工烧结的工况，比如烧结时间大于一周，在建造过程中光路可能会被污染，尤其是窗口镜6在工作腔的那一面，进而影响烧结面上的激光功率强度。此时可以采取每隔一定时间，比如每隔1个小时，在建造的铺粉过程中，控制电机7带动高功率激光功率计运动至窗口镜6的正下方，控制器4控制扫描单元5偏转至激光能照射在高功率激光功率计9中心位置处，检测出第四透射光功率值，比较第四透射光功率值和第一透射光功率值，进行光路污染故障判断和补偿：

第一种情况，第四透射光功率值未超出第一透射光功率值的允许误差，判定光路无污染或轻微污染，则继续烧结。第二种情况，第四透射光功率值低于第一透射光功率值，并超出第一透射光功率值的允许误差，但未超出第一透射光功率值的极限偏差值，则重复激光功率校准步骤，得到第二理论检测比值并记录在控制器4内。第三种情况，第四透射光功率值低于第一透射光功率值，并超出第一透射光功率值的超出极限偏差值，则停机进行光路清洁，重复步骤一和二完成激光功率校准，得到第三理论检测比值并记录在控制器4内。第四种情况，第四透射光功率值远低于或远高于第一透射光功率值，但第二反射光功率值未超出第一反射光功率值允许误差，停机进行光路清洁后重新进行光路污染故障判断和补偿，依然如此，则停机检测高功率激光功率计9和/或整个光路上的光学镜片是否损坏。

本发明提供了一种用于制造三维物体的激光功率实时检测方法和系统，通过在光路中设置分光镜、低功率激光功率计和可移动的高功率激光功率计，可在3d打印的过程中，实时采集激光功率信息，通过激光功率设置值与采集值的对比，可判断激光器输出的激光功率是否正常，有无衰减等，并可进行实时激光功率补偿，保证3d打印加工质量，其采集记录的激光功率信息，可作为反映加工过程质量的依据。

以上实施例仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均应属于本发明的保护范围。应当指出，在不脱离本发明原理前提下的若干修改和修饰，应视为本发明的保护范围。