一种适用于铺粉式增材制造的质量无损在线检测装备及方法与流程

本发明属于无损在线检测领域，具体为一种适用于铺粉式增材制造过程中铺粉质量，以及零件的成分、缺陷、变形、应力、尺寸精度的无损在线检测方法及装备。

背景技术：

铺粉式增材制造是一种基于粉末床铺设的先进制造技术，它基于“离散-堆积”原则，以高能束(激光束、电子束、等离子束等)为热源，对逐层铺置的金属、非金属或复合材料粉末层进行选择性熔化或烧结，最终形成零件。由于无需模具、不受零件复杂程度限制、一次净成形等优点，被广泛应用于航天、航空、医疗等重要领域。

简单来说，铺粉式增材制造分为两个过程：铺粉过程和熔化/烧结过程。在铺粉过程中，由于粉末的流动性差异以及设备精度和稳定性差异，常会导致粉末堆积、未铺上粉等问题；成形过程中，高能束对每一层粉末进行选择性熔化或烧结的速度快，形成的熔池尺寸小，伴随复杂的冶金过程，可能会造成元素烧损、冶金缺陷(气孔、夹杂、未熔粉末)等问题；已成形区域将经历反复加热—冷却的热循环，导致零件温度场变化即快又复杂，进而会使零件内部存在较大的内应力，使成形零件存在较大的变形和开裂风险。

这些加工过程中存在的问题将会导致零件质量稳定性和重复性降低，使得成形关键重要零件目前处于“不能用”或者“不敢用”的尴尬地步，制约了该技术的工业化应用。

目前，主要是通过调节加工工艺参数来避免上述问题，但是这种方式需要人为操作，耗费的人工成本与时间成本较大。除此之外，铺粉式增材制造因其独特的工艺特点常被用来制造不能后续加工的精密复杂零件，尺寸精度的检测是保证成品率的关键。综上，寻找一种适用于铺粉式增材制造技术特点、且充分考虑多个检测对象的检测方法是确保成形零件质量一条必不可少的途径。

目前，针对铺粉式增材制造的检测方式主要包括以下两种：一是离线检测，也就是对已成形零件进行检测。如申请号为201510066978.xxxx的中国专利申请公开了一种大型高温叶片内部缺陷三维无损检测方法，可以实现零件内部缺陷的精准定位，并判断缺陷值的大小。但是，该种检测方式是事后检测，存在滞后性和不可提前干预的缺点，无法降低废品率。二是在线检测，也就是对零件成形过程进行实时检测。如申请号为us2009206065a1美国专利申请公开了一种集成于激光选区熔化成形的在线检测系统与装备，它采用高速摄像对加工熔池的形貌进行采集并采用处理软件对其几何尺寸进行分析，再通过反馈控制系统来调节工艺参数用以确保加工过程中熔池尺寸始终处于稳定值。但该套装备与激光选区熔化设备高度集成，只服务于本土打印机，不具备普及性。申请号为us19930139392美国专利申请还提出了一种针对激光烧结的温度控制系统能在加工过程中避免过热或者过烧现象，提高零件成形过程的稳定性。除此之外，申请号为201710057835的中国专利申请提出的一种针对激光选区熔化成形缺陷的在线检测与优化系统，它通过机器视觉技术和数字图像处理技术可以在线、快速的检测激光选区熔化制造过程中零件每层表面的缺陷情况，不受人眼检测的限制，保证每次检查缺陷的准确性，并且可以自动调整、优化工艺参数，提高成形表面质量。但上述在线检测方法检测对象单一，只针对铺粉式增材制造过程中局部过程进行检测，很难全方位保证零件的质量。

综上所述，在现有针对铺粉式增材制造技术的检测手段中，离线检测虽能精准的检测出零件中存在的问题，但检测效果存在滞后性，不能提高零件的成品率。在线检测手段虽然可以在加工过程中对产生的问题进行检测和干预，但检测对象单一，并不能全方位对零件的质量起到快速、高效、全方位的监控。增材制造大尺寸零件通常需要数十甚至上百小时，如果不能及时发现制造过程中产生的缺陷并预警和调控，可能会导致零件的成形失败，造成极大的浪费。

因此，如何实现成形过程中各类问题的检测和调控，以提高零件成形质量，降低废品率，成为铺粉式增材制造过程中亟待解决的问题。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种适用于铺粉式增材制造的质量无损在线检测装备及方法，其目的在于，提供一种灵活地针检测铺粉质量、零件的成分、缺陷、变形、应力和尺寸精度的无损在线检测装备以及该装备的工作方法。能对铺粉式增材制造过程中铺粉存在的缺陷和加工过程中可能会引起零件报废的成分、缺陷、变形、应力和尺寸精度问题进行全流程的监控，并在发现问题后及时反馈，能降低零件的废品率，避免更大浪费。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种适用于铺粉式增材制造的质量无损在线检测装置，其特征在于，该质量无损在线检测装置整体设置在铺粉式增材制造装备的成形腔上方，用于进行铺粉质量检测、成分检测、缺陷检测、变形检测、应力检测和尺寸精度检测；

该装置包括铺粉质量检测模块、成分检测模块、缺陷检测模块、变形检测模块，应力检测模块、尺寸精度检测模块和中央处理单元，铺粉质量检测模块、成分检测模块、缺陷检测模块、变形检测模块，应力检测模块和、尺寸精度检测模块均与中央处理单元信号连接；

中央处理单元用于接收六个模块的采集数据并对采集的数据进行分析处理，分析处理获得的数据用于判断是否需要继续下一层的铺粉加工。

进一步的，铺粉质量检测模块中使用的探头选自高分辨相机、高速相机、配置聚焦镜头的工业相机；

成分检测模块中使用的探头选自激光诱导击穿光谱探头、激光诱导等离子体光谱探头和红外光谱探头；

缺陷检测模块使用的探头选自高速摄像探头、红外测温探头、x射线探头、红外热像仪探头、激光干涉仪、超声探头、红外传感器探头；

变形检测模块中使用的探头选自超声探头、三维光学变形仪、激光-超声探头；

应力检测模块中使用的探头选自x射线应力检测探头、超声探头；

尺寸精度检测模块7中使用的探头选自激光测距仪探头、ccd尺寸探头、尺寸视觉传感探头。

进一步的，铺粉质量检测模块、成分检测模块、缺陷检测模块、变形检测模块，应力检测模块和尺寸精度检测模块均由至少一个探头构成，以能适应待加工零件的形状而进行全方位检测。

进一步的，铺粉质量检测模块、成分检测模块、缺陷检测模块、变形检测模块，应力检测模块和尺寸精度检测模块中至少一个模块包括多个探头，多个探头呈方阵式排列、矩形排列或者呈圆形排列，以适应不同形状或者尺寸零件的成形要求。

进一步的，铺粉质量检测模块、成分检测模块、缺陷检测模块、变形检测模块，应力检测模块和尺寸精度检测模块位于铺粉式增材制造装备的成形腔顶端，铺粉式增材制造装备还包括高能束发生及控制模块，所有检测模块与高能束发生及控制模块保持同轴位置，或者旁轴位置。

进一步的，各种探头或各种检测模块安装在由x向丝杠和y向丝杆构成的移动平台上，移动平台安装于成形腔顶部，工作时，通过控制x、y丝杠移动从而移动各类探头或者各种模块，以使其覆盖整个加工平面。

进一步的，各类探头或各种检测模块安装在圆周环绕移动平台上，以能使各类探头和各种检测模块到达成形腔上部的任一区域。

进一步的，成形腔顶部材质透明。

按照本发明的另一方面，提供了一种采用如上所述装置进行检测的方法，其包括如下步骤：

(1)将铺粉质量检测模块、成分检测模块、缺陷检测模块、变形检测模块、应力检测模块、尺寸精度检测模块安装于铺粉式增材制造装备成形腔上方，检查调试，以保证其处于正常工作状态；

(2)完成铺粉式增材制造成形的前期准备，对待加工零件进行选区熔化或者烧结，采用铺粉质量检测模块、成分检测模块、缺陷检测模块、变形检测模块、应力检测模块和尺寸精度检测模块分别对加工过程中的铺粉质量、零件的成分、缺陷、变形、应力和尺寸精度进行在线检测；

(3)将第(2)步的检测信息传送至中央处理单元进行处理与分析，若分析结果表明其满足设定的要求，则继续铺粉，进行下一层熔化或烧结；如若不能满足设定的要求，则通过调节工艺参数对加工过程进行调节或者结束加工。

进一步的，其包括如下步骤：

(1)在成形腔体的上方安装铺粉质量检测模块、成分检测模块、缺陷检测模块、变形检测模块、应力检测模块和尺寸精度检测模块，保证检测模块处于正常工作状态；

(2)在成形缸中安装好成形基板并调平，然后安装铺粉装置，在第一、第二送粉装置中装入烘干的金属、非金属或金属与非金属混合粉末；

(3)将成形腔内的空气置换成保护气体，待气氛置换完成，根据三维实体模型进行分层加工；

(4)进行第一层铺粉，在第一层铺粉结束后，铺粉质量检测模块对铺粉质量进行检测，采集的图片信息传至中央处理单元，如若发现缺陷，则重新铺粉，如若合格，则开始第一层激光扫描；

(5)高能束发生及控制模块中发出的高能束进行第一道次扫描，在第一道次扫面同时，缺陷检测模块对扫描所形成的熔池进行实时跟踪，采集熔池信息传输至中央处理单元，分析处理后与中央处理单元里面的数据库信息进行比对，如若判断发生异常，则加工停止或者对加工过程进行工艺调节；如若正常则加工继续进行；

(6)在第一层加工结束前，成分检测模块对已成形区域进行选区成分采集，将采集结果传输至中央处理单元，若分析结果与原始含量相差大于设置值，则加工停止或者对加工过程进行工艺调整；如若正常则加工继续进行；

(7)在第一层加工结束后，变形检测模块对当前层零件轮廓进行采集，并与三维实体切片尺寸进行比对，如若尺寸偏差在允许的范围之内，则加工继续进行；如果差异大于设定值，则会加工停止或者对加工过程进行工艺调节，

同时，应力检测模块和尺寸精度检测模块均会对当前层进行信号采集与分析，如果结果发生异常，调节工艺参数使加工继续进行或者停止加工；

(8)重复步骤(4)-(7)，直至零件加工完成。

本发明提出了一种针对其过程中铺粉质量，以及零件的成分、缺陷、变形、应力和尺寸精度的无损在线检测方法及装备。该装备可以对铺粉式增材制造过程中铺粉存在的缺陷和加工过程中可能会引起零件报废的成分、缺陷、变形、应力和尺寸精度问题进行全流程的监控，并在发现问题后及时反馈，包括通过调节工艺参数来保证零件的成形质量，或者通过停止工作来降低零件的废品率、避免更大浪费。

本发明适用的材料广且扩展性强，适用于内部有激光、电子束、等离子体以及相互复合等热源的金属、非金属及复合材料的增材制造过程。

具体的，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)由于铺粉式增材制造的原理相同，均是能量源与粉末层相互作用之后的层层叠加，因此本发明提供的在线检测装备可广泛适用于内部带有激光、电子束、等离子体以及相互复合等热源的各类金属、非金属及复合材料的铺粉式增材制造。

(2)本发明六个检测模块中采用的检测探头可以灵活组合，可针对不同能量源作用下的铺粉式增材制造过程的特点，灵活选用检测技术，扩展性比较强。

(3)本发明装置改善了现有在线检测技术集成于增材制造装备的专用型缺点，将本装备以检测模块的形式组装于铺粉式增材制造装备外部，可实现产品通用型的功能，使该装备的使用更具灵活性。

(4)本发明可根据实际加工条件灵活调整模块的使用数量，既可同时工作，又可单个工作，进而在满足检测的前提下降低其余模块的制造、运行和维护成本；

(5)本发明改善了离线检测滞后性和不可提前干预的缺点，可对铺粉式增材制造过程中铺粉质量，以及零件的成分、缺陷、变形、应力和尺寸精度进行实时的检测和反馈，可有效地降低零件的废品率。

(6)本发明改善了现存在线检测技术只能进行单一对象检测的现状，集铺粉质量、零件的成分、缺陷、变形、应力和尺寸精度检测于一体，可对铺粉式增材制造过程进行全方位的检测，提高零件质量的可靠性。

(7)本发明只需要对现有铺粉式增材制造装备予以简单改造即可实现检测功能，运行及维护成本低。

附图说明

图1为本发明具体实施方式的一种结构示意图。

图2(a)，图2(b)为图1中所示铺粉质量检测模块2中探头的排列示意图。

图3为图1中所示成分检测模块3的实施方案示意图。

图4为图1中所示成分检测模块3的另一种的结构组成及实施方案示意图。

图5(a)、图5(b)为图1中成形腔9顶部成分检测模块3的排列示意图。

图6(a)、图6(b)为图1中各类探头或检测模块在成形腔9顶部的安装排列示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供一种适用于铺粉式增材制造过程中铺粉质量、零件的成分、缺陷、变形、应力和尺寸精度的在线无损检测方法与装置。

其中，该装备包括铺粉质量检测、成分检测、缺陷检测、变形检测、应力检测和尺寸精度检测六个模块，这六个模块集成于同一中央处理单元，该中央处理单元对采集到的信号进行实时处理和反馈。在铺粉式增材制造的加工过程中，上述六种模块安装在增材制造装备成形腔上部，且与高能束发生装置保持同轴或者旁轴关系，对加工过程中成形区域的铺粉质量、成分、熔池缺陷、零件每层的形变量、应力和尺寸精度进行实时测量，处理分析后通过工艺数据库的反馈调节，实现对铺粉式增材制造过程的全流程监管，保证零件的成形质量，降低废品率。在加工完成后，可将检测模块取出，应用于其余铺粉式增材制造装备，灵活性较高。除此之外，各检测模块之间互不干扰，即可单一使用，又可多个使用，满足不同种类工况下的检测需求。

利用上述针对铺粉式增材制造过程铺粉质量，以及零件的成分、缺陷、变形、应力和尺寸精度的在线检测装备，其检测过程包括以下步骤:

(1)将铺粉质量检测模块、成分检测模块、缺陷检测模块、变形检测模块、应力检测模块、尺寸精度检测模块安装固定于铺粉式增材制造装备成形腔顶部，检测设备是否处于正常工作状态；

(2)在做好铺粉式增材制造成形的前期准备的前提条件下，对待加工零件进行选区熔化或者烧结，采用铺粉质量检测模块、成分检测模块、缺陷检测模块、变形检测模块、应力检测模块和尺寸精度检测模块分别对加工过程中的铺粉质量、零件的成分、缺陷、变形、应力和尺寸精度进行在线检测；

(3)将第2步的检测信息传送至中央处理单元进行处理与分析，如若满足加工要求，则继续铺粉，进行下一层熔化或烧结；如若不能满足要求，则通过调节工艺参数对加工过程进行调节或者设备停止、加工结束。

如图1所示，本发明实施例状装置包括铺粉质量检测模块2、成分检测模块3、缺陷检测模块4、变形检测模块5，应力检测模块6和尺寸精度检测模块7，六个模块集成于同一中央处理单元1中，受该中央处理单元1的控制，中央处理单元1还用于接收六个模块的采集数据并对采集的数据进行分析处理，六个检测模块和中央处理单元1共同构成在线检测装备。

在图1中，本发明的在线检测装置应用于双向铺粉式增材制造装备中，双向铺粉式增材制造装备中包括高能束发生及控制模块8、成形腔9、铺粉装置12、成形缸11、第一、第二送粉装置10、10′、第一、第二粉末回收装置13、13′和中央处理单元1等。第一、第二送粉装置10、10′、第一、第二粉末回收装置13、13′分别位于成形缸11的两侧，实现双向送粉和粉末回收。铺粉装置12位于成形缸11上方。

本发明在线检测装置中，铺粉质量检测模块2中使用的探头可以为配置聚焦镜头的工业相机、高分辨相机、高速相机等；成分检测模块3中使用的探头包括激光诱导击穿光谱(libs)探头、激光诱导等离子体光谱(lips)探头、红外光谱探头等；缺陷检测模块4使用的探头包括高速摄像探头、红外测温探头、x射线探头、红外热像仪探头、激光干涉仪、超声探头、红外传感器探头等；变形检测模块5中使用的探头包括超声探头、三维光学变形仪、激光-超声探头等；应力检测模块6中使用的探头包括x射线应力检测探头、超声探头等；尺寸精度检测模块7中使用的探头可以为激光测距仪探头、ccd尺寸探头、尺寸视觉传感探头等。由于单一探头采集的区域有限，根据零件成形区域的大小，各检测模块均由一至若干探头构成。

图2(a)，图2(b)为铺粉质量检测模块2中探头的排列示意图，如图2所示，铺粉质量检测探头14按不同阵列排布组成铺粉质量检测模块2。图2(a)中，铺粉质量检测探头14呈方阵式排列，图2(b)中，铺粉质量检测探头14呈圆形排列。此外，各类探头可按矩形、圆周形或者其他任意形式的阵列排列以适应不同形状或者尺寸零件的成形要求。

高能束发生及控制模块8、铺粉质量检测模块2、成分检测模块3、缺陷检测模块4、变形检测模块5，应力检测模块6和尺寸精度检测模块7位于铺粉式增材制造成形腔9顶端，所有检测模块可以根据需要与高能束发生及控制模块8保持同轴状态，也可以根据成形零件的形状或尺寸等检测需要进行旁轴设计。

以采用熔池检测对熔池缺陷进行检测为例，由于检测模块与成形缸11的表面距离较远，小熔池反映的光信号较弱，需采用光路耦合跟踪熔池的方法来进行缺陷检测。因此需保证各个检测模块的探头与高能束发生及控制模块8的光路始终处于同轴状态，增材过程中熔池的信号光才能被采集到，为同轴检测。

而采用成分检测模块对增材制造过程金属成分进行检测则为旁轴检测，检测模块的作用对象可以是高能束作用的当前层熔池也可是当前层已成形区域。图3为图1中所示成分检测模块3的实施方案示意图，如图3所示，以红外光谱式的成分检测模块3对当前层移动熔池进行成分检测为例，高能束模块8激发的高能束形成熔池15，红外光谱检测模块16实时跟踪熔池，对其光信号进行采集即可实现成分在线检测。

图4为图1中所示成分检测模块3的另一种的结构组成及实施方案示意图，如图4所示，以采用libs检测模块对当前层已成形区域进行成分检测为例，为保证成分检测的准确性，可根据实际情况对成形表面进行单区域或多区域采集，激光器17激发出的激光束被传送至光纤分束器18被分成一路、二路甚至多路(图中以3路为例)，每个分路光纤19末端连接有libs探头21。为方便调整libs探头21采集的位置，使采集区域覆盖范围更大，在每一个libs探头21的上方配置一个全方位立体旋钮20。每个libs探头21均由激发子探头和收集子探头组成，激光束23由激发子探头发射通过成形腔9上设置的透射窗口25至成形区域22表面，激发出的光信号24再由收集子探头收集至光纤合束器26，合束后传输至光谱仪27进行处理分析。

图5(a)、图5(b)为成分检测模块3的排列示意图。如图5(a)所示，可根据零件成形区域的大小将成分检测模块3按阵列排布在成形腔9顶部。如图5(b)所示，成分检测模块3按圆形排布在成形腔9顶部。此外，各类旁轴采集的检测模块可按矩形、圆周形或者其他任意形式的阵列排布以适应不同形状或者尺寸零件的成形要求。所有检测模块的采集窗口25相类似，此处不再赘述。

而当成形大尺寸高要求的零件时，用于铺粉式增材制造零件无损检测装置中的探头、模块种类及数量多达数十种甚至百种，鉴于铺粉式增材制造装备成形腔顶部的区域有限，因此需要对可用空间进行拓展。

图6(a)、图6(b)为各类探头或检测模块在成形腔9顶部的安装排列示意图。如图6(a)所示，可将各类探头或各类检测模块28安装在由x向丝杠29和y向丝杆30构成的移动平台上，将此丝杠安装于成形腔9顶部，通过控制xy滚珠丝杠移动平台移动各类探头和模块使其覆盖整个加工平面。

除此之外，如图6(b)所示，还可将各类探头或检测模块28安装在圆周环绕移动平台31上，使各探头和检测模块可以到达成形腔上部的任一区域。为方便采集信号的传输以及采集位置的观察，可将成形腔顶部改为玻璃材质。检测探头和模块可以安装在除了xy滚珠丝杠和圆形滑轨以外的任意形式的二维和三维移动平台上，以适应不同形状、尺寸零件的成形要求。

此外，当采用以激光为热源的铺粉式增材制造方法加工零件时，其成形零件的表面精度要优于以电子束和等离子体为热源的铺粉式增材制造，因此可选择不采用尺寸精度检测模块；当成形铝合金这种极易发生氧化和开裂的金属零件时，则必须要对其加工过程采用铺粉质量、成分、变形、应力检测模块，其余模块则根据零件的使用要求有机地进行选择。综上，在实际的生产工况中，可根据实际需求有选择的对成形过程中铺粉质量，以及零件的成分、缺陷、变形、应力、尺寸精度中的一个或几个技术指标进行检测，实现该装备检测模块的灵活搭配。

铺粉式增材制造过程中，对其铺粉质量以及零件的成分、缺陷、变形、应力、尺寸精度进行检测的具体步骤如下：

(1)在成形腔体9的顶部安装铺粉质量检测模块2、成分检测模块3、缺陷检测模块4、变形检测模块5、应力检测模块6和尺寸精度检测模块7，保证检测装备处于正常工作状态。

(2)在成形缸11中安装好成形基板并调平，然后安装铺粉装置12，在第一、第二送粉装置10、10′中装入烘干的金属、非金属或金属与非金属混合粉末。

(3)将成形腔9内的空气置换成保护气体，待气氛置换完成，根据三维实体模型进行分层加工。

(4)当第一层铺粉结束后，铺粉质量检测模块2会对铺粉质量进行检测，采集的图片信息传至中央处理单元1，如若发现缺陷，则重新铺粉，如若合格，则开始第一层激光扫描。

(5)高能束发生及控制模块8中发出的高能束进行第一道扫描时，缺陷检测模块4会对扫描所形成的熔池15进行实时跟踪，采集熔池信息传输至中央处理单元1，分析处理后与中央处理单元1里面的数据库信息进行比对，如若发生异常，则会加工停止或者对加工过程进行工艺调节；如若正常则加工继续进行；

(6)当第一层加工结束前，成分检测模块3对已成形区域22进行选区成分采集，传输至中央处理单元1，分析处理后若与原始含量相差设置定，或者相差太大，则会加工停止或者对加工过程进行工艺调整；如若正常则加工继续进行。

(7)当第一层结束时，变形检测模块5会对当前层零件轮廓进行采集，并与三维实体切片尺寸进行比对，如若在允许的范围之内，则加工继续进行；如果差异过大或者差异大于设定值，则会加工停止或者对加工过程进行工艺调节。同时，应力检测模块6和尺寸精度检测模块7均会对当前层进行信号采集与分析，如果发生异常，检测设备自动调节工艺参数使加工继续进行或者停止加工。

(8)加工过程中每一层均重复(4)-(7)，直至零件加工完成。

本领域的技术人员容易理解，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，均应包含在本发明的保护范围之内。