选择性激光熔化成形熔池实时监测装置及监测方法与流程

本发明涉及一种选择性激光熔化成形熔池实时监测装置及监测方法，属于3D打印增材制造技术领域。

背景技术：

3D打印技术，又称增材制造技术，是以数字模型为基础，将材料逐层堆积制造出实体物品的新兴制造技术，该技术将信息网络技术与先进材料技术、数字制造技术的密切结合，是先进制造业的重要组成部分。3D打印不需切削材料，也不需模具，可批量制造，还可远程操控，尤其适用于结构复杂、体积非常小的产品，制造速度快，生产周期短，降低开发成本和风险，带来了制造工艺和生产模式的变革。金属制品3D打印技术（SLM技术）作为整个3D打印体系中最前沿和最有潜力的技术，是先进制造技术的重要发展方向。

SLM技术的基本原理是:先在计算机上利用pro/e、UG、CATIA等三维造型软件设计出零件的三维实体模型，然后通过切片软件对该三维模型进行切片分层，得到各截面的轮廓数据，由轮廓数据生成填充扫描路径，设备将按照这些填充扫描线，控制激光束选区熔化各层的金属粉末材料，逐步堆叠成三维金属零件。激光束开始扫描前，铺粉系统将金属粉末铺置在金属基板上。激光束按照零件制品当前界面轮廓数据选择性的进行熔化成形。随后基板下降一定高度，铺粉系统重新铺一层粉末，激光按照模型下一层截面信息进行选择性熔化，如此往复循环直至整个制品完成熔化成形。

SLM成形过程中，金属熔池内部存在着强烈的传热、辐射、固化、对流、相变等物理化学变化，是激光与金属粉末相互作用的关键区域。熔池状态与成形工艺中的冶金、结晶、相变等过程有着密切的联系，熔池状态在工艺过程中的稳定性直接影响到成形制品的尺寸精度与力学性能。因此，对熔池状态的实时监测是控制SLM成形工艺的关键。目前关于焊接过程中熔池监控的研究相对较多，而且相关技术也比较成熟，然而在SLM成形过程中，激光扫描速度较快，而且熔池受激光功率、光束扫描速度、气体成分、气流量、材料性能和层厚等因素影响较大，因此需要监测系统拍摄速度要快，数据量较大，而且信号处理必须实施进行，用常规监测设置无法实现实时监测。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种能够实时监测SLM成形过程中熔池温度、形状及面积，并能够对成形精度及激光功率进行在线评估，并反馈的选择性激光熔化成形熔池实时监测装置及监测方法。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为选择性激光熔化成形熔池实时监测装置,包括成型腔，所述成型腔的顶部设置有熔化成形激光系统和脉冲激光器，所述成型腔的顶部中央设置有透明玻璃，所述透明玻璃上方设置有激光镜筒，所述脉冲激光器通过光纤与激光镜筒相连接，所述成型腔内设置有升降架，所述升降架的两侧设置有升降机构，所述升降架的底部多个角度上设置有摄像机，所述熔化成形激光系统、脉冲激光器、升降机构和摄像机均与主控系统相连接。

优选的，所述成型腔顶部设置有支撑支架，所述支撑支架上设置有转轴，所述转轴的一端设置有第一电机，另一端设置有U型架，所述激光镜筒铰接在U型架内，所述U型架的铰接轴上设置有第二电机，所述第一电机、第二电机均与主控系统相连接。

优选的，所述激光镜筒包括筒体、扩束镜、聚焦镜和保护镜，所述筒体的顶部与光纤连接，筒体底部设置有保护镜，所述筒体内自上而下依次设置有扩束镜和聚焦镜。

优选的，所述升降架的中部设置有环形支架，所述环形支架内转动安装有环形底座，所述环形底座的下部设置有环形槽，上部设置有齿圈，所述环形底座通过环形槽卡装在环形支架上，所述环形底座的两侧设置有与齿圈啮合的齿轮，所述齿轮上设置有第三电机，所述摄像机均匀固定在环形底座的底部，每个摄像机旁还设置有一个红外测温传感器，所述环形支架的底部两侧还设置有红外测距传感器，所述第三电机、红外测温传感器和红外测距传感器均与主控系统相连接。

优选的，所述摄像机的镜头上设置有耐高温保护罩。

选择性激光熔化成形熔池实时监测方法，按照以下步骤进行操作，

a、启动成形激光系统，使其发出的成形激光，对成形粉末按照模型截面轮廓尺寸进行熔化成形；

b、启动激光频闪系统，使利用脉冲激光器发出脉冲激光，主控系统调整脉冲激光的运行轨迹，使其运行轨迹紧随成形激光的运行轨迹，并且该脉冲激光遮盖成形过程中的电弧及熔池辐射光的强度；

c、调整熔池摄像机的高度，摄像角度，保证最佳的摄像效果，并且将熔池图片反馈到主控系统，主控系统对熔池温度、形状及面积进行分析，计算成形激光实际工作功率，并且与设定值进行对比；

d、熔池红外测温传感器从不同角度测量熔池的温度，并将该温度信息传输到主控系统，主控系统将熔池温度信息与熔池的图像信息进行对比，从而进一步验证熔池温度、形状和面积，以及成形激光的实际功率；

e、主控系统根据上述信息，调整成形激光的功率，实现对金属熔池的控制，从而实现对成形制品精度及力学性能的控制。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：本发明能够实时监测SLM成形过程中熔池温度、形状及面积，并能够对成形精度及激光功率进行在线评估，并将信息反馈给主控系统，主控系统从而调整激光功率，实现对金属熔池的控制，从而实现对成形制品精度及力学性能的控制，提高成品率及制品的组织性能。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中激光镜筒的安装结构示意图。

图3为本发明中激光镜筒的结构示意图。

图4为本发明中环形底座与环形支架的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，选择性激光熔化成形熔池实时监测装置,包括成型腔1，成型腔1的顶部设置有熔化成形激光系统8和脉冲激光器16，成型腔1的顶部中央设置有透明玻璃9，透明玻璃9上方设置有激光镜筒11，脉冲激光器16通过光纤15与激光镜筒11相连接，成型腔1内设置有升降架5，升降架5的两侧设置有升降机构2，升降架5的底部多个角度上设置有摄像机20，熔化成形激光系统8、脉冲激光器16、升降机构2和摄像机20均与主控系统22相连接。

熔化成形激光系统8用于对成形件进行激光烧结，脉冲激光器16用于发出脉冲激光遮盖成形过程中的电弧，减弱熔池辐射光的强度，从而便于熔池摄像机对熔池进行摄像。脉冲激光器16安装在成形腔1顶部。该脉冲激光器激光功率7.5-12mW，峰值功率75-90kW，一个脉冲周期内脉冲持续时间为1-2ns。光纤15一端连接脉冲激光器16，另外一端连接激光镜筒11。其中，如图2所示，成型腔1顶部设置有支撑支架13，支撑支架13上设置有转轴27，转轴27的一端设置有第一电机14，另一端设置有U型架12，激光镜筒11铰接在U型架12内，U型架12的铰接轴28上设置有第二电机10，第一电机14、第二电机10均与主控系统22相连接。激光镜筒安装在U型架上，通过第一电机驱动U型架能够进行前后摆动，通过第二电机能够驱动激光镜筒进行左右摆动，从而实现了发出的激光在三维空间内扫描，主控系统22根据模型切片及扫面路径控制镜筒运动机构，使脉冲激光器能够紧随熔化成形激光系统发出的成形激光的轨迹运动，从而使脉冲激光遮盖成形过程中的电弧，减弱熔池辐射光的强度，从而便于熔池摄像系统对熔池进行摄像。

如图3所示，激光镜筒11包括筒体24、扩束镜23、聚焦镜25和保护镜26，筒体24的顶部与光纤15连接，筒体24底部设置有保护镜26，筒体24内自上而下依次设置有扩束镜23和聚焦镜25。扩束镜23安装在光纤15下方，用于扩大光束直径，减小光束发散角，减小能量损耗。扩束镜23下方安装聚焦镜25，聚焦镜25主要用于对光束进行聚焦，达到聚焦光斑在扫描范围内得到一致的聚焦特性。聚焦镜下面安装保护镜26，保护镜26安装在镜筒11最下方，用于保护聚焦镜25等光路系统。

如图1和图4所示，升降架5的中部设置有环形支架18，环形支架18内转动安装有环形底座17，环形底座17的下部设置有环形槽19，上部设置有齿圈29，环形底座17通过环形槽29卡装在环形支架18上，环形底座17的两侧设置有与齿圈啮合的齿轮6，齿轮6上设置有第三电机7，摄像机20均匀固定在环形底座17的底部，每个摄像机20旁还设置有一个红外测温传感器3，环形支架18的底部两侧还设置有红外测距传感器4，第三电机7、红外测温传感器3和红外测距传感器4均与主控系统22相连接，摄像机20的镜头上设置有耐高温保护罩21。

本发明中摄像机和红外测温传感器的数量均为3个，采用摄像机之间、红外测温传感器之间互成120°进行布置。摄像机和红外测温传感器均安装在环形底座的底部，环形底座安装在升降架上，环形底座的上部设置有与齿轮相啮合的齿圈，这样升降机构能够驱动升降架上下运动，第三电机能够驱动环形底座转动，从而使摄像机和红外测温传感器随之运动。升降机构可以是液压升降机构，也可以是机械升降机构。红外测温传感器用于在从不同方向对熔池温度进行测量。测得的温度数据随后传输到主控系统22，主控系统22根据测温数据与熔池图像数据进行对比分析，从而进一步校正熔池的温度，判断激光光率。红外测距传感器用于用于测量摄像机20距离成形件的距离，并将该信息反馈给主控系统22，主控系统22根据反馈的距离信息调整升降机构，使摄像机20与制品保持最佳的摄像距离，根据熔化成形激光系统8激光扫描轨迹，调整环形底座使摄像机与熔池保持最佳的摄像角度。摄像机从不同角度拍摄熔池后，传输到主控系统22，主控系统22对熔池的形状熔池温度、形状及面积进行分析，并能对激光功率进行在线评估，从而调整激光功率。

具体在进行实时监测时，按照以下步骤进行操作，

a、启动成形激光系统，使其发出的成形激光，对成形粉末按照模型截面轮廓尺寸进行熔化成形；

b、启动激光频闪系统，使利用脉冲激光器发出脉冲激光，主控系统调整脉冲激光的运行轨迹，使其运行轨迹紧随成形激光的运行轨迹，并且该脉冲激光遮盖成形过程中的电弧及熔池辐射光的强度；

c、调整熔池摄像机的高度，摄像角度，保证最佳的摄像效果，并且将熔池图片反馈到主控系统，主控系统对熔池温度、形状及面积进行分析，计算成形激光实际工作功率，并且与设定值进行对比；

d、熔池红外测温传感器从不同角度测量熔池的温度，并将该温度信息传输到主控系统，主控系统将熔池温度信息与熔池的图像信息进行对比，从而进一步验证熔池温度、形状和面积，以及成形激光的实际功率；

e、主控系统根据上述信息，调整成形激光的功率，实现对金属熔池的控制，从而实现对成形制品精度及力学性能的控制。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包在本发明范围内。