本发明涉及激光选区熔化金属增材制造的，特别是一种基于成形微区热量传导在线监控系统及无支撑成形方法。
背景技术：
1、近些年随着市场需求尤其是航空航天领域对大尺寸复杂结构零件制造需求的快速增长，激光选区熔化金属增材技术因其可成形复杂精细结构，成形工序短，成形零件尺寸范围适应性强等特点，发展非常迅猛。生产的零件也从快速试制转向终端实际零件，从单件、小批量转向中等批量生产阶段。
2、由于激光选区熔化金属增材技术采用高能量密度小光斑加工粉末床，过程中材料升温速率和冷却速率等很高，极冷极热，成形微区温度梯度高。相对来说，成形规则零件时，其导热主要依靠前序已成形的实体部分，导热效率高，不会出现热量累积和过热，从而无需添加支撑结构。因实际零件结构特征变化，如悬臂、小角度、长桥、大尺寸横孔，成形过程中主要依靠其下层粉末导热，导热效率低。致使在同样的激光能量输入下条件下，该微区会出现热量累积，产生过热，温度梯度增大而产生较大的应力梯度。
3、为了防止应力变形，需要添加支撑结构。但使用支撑作为辅助结构方法存在以下几点不足：一方面，添加的支撑结构需在后处理阶段去除，增加了工作量、消耗的粉末材料、成形时间，提高了零件生产成本；另一方面，有些结构如内流道、封闭内腔等，因其成形后无法去除内部支撑结构，从而限制的支撑的添加，也限制了该类型零件使用激光选区熔化技术的成形性。
技术实现思路
1、本发明提供一种基于成形微区热量传导在线监控系统及无支撑成形方法。本发明基于cmos相机、光电二极管、热像仪等搭建一套成形微区在线监控系统，通过综合监控成形微区辐射强度、成形微区形貌等特征获取其温度信息，并通过控制模块反馈修改输入的激光功率及扫描速度，以调整输入该成形微区的热量、控制该成形微区及其相邻微区的温度梯度，实现无支撑成形。
2、第一方面，提供了基于成形微区热量传导在线监控系统，包括工作平面、激光光源、分光镜1、分光镜、x振镜、y振镜、第一光电二极管、cmos相机；
3、激光光源发出的激光经过分光镜1反射至x振镜，激光继续经y振镜反射并射入工作平面，从而在工作平面完成零件成形；
4、工作平面上成形微区的光斑射出光，经过y振镜、x振镜后射入分光镜1；分光镜1允许这路光透过，以使光继续射入分光镜2；分光镜2用于将光一分为二，一路射入第一光电二极管，另一路射入cmos相机；cmos相机、第一光电二极管用于完成对零件产品成形微区的同轴在线监控，以跟踪成形微区光斑；第一光电二极管用于监控零件产品成形微区辐射强度；cmos相机用于监控零件产品成形微区熔化凝固形貌。
5、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述在线监控系统包括控制模块；控制模块接收cmos相机、第一光电二极管采集的信号，当温度过高时，通过控制模块反馈修改输入的激光功率和/或扫描速度，以控制输入该成形微区的热量、控制该成形微区及其相邻微区的温度梯度；其中，当温度过高时，降低激光功率和/或增加扫描速度；当温度过低时，增加激光功率和/或降低扫描速度。
6、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，第一光电二极管用于将采集的信号转化为灰度值输入控制模块处理对应为温度信息。
7、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述在线监控系统还包括热像仪和第二光电二极管；热像仪和第二光电二极管用于完成对成形微区的离轴在线监控，固定检测标准试样成形时微区温度变化，以建立基准；第二光电二极管用于监控标准试样的成形微区辐射强度；热像仪用于监控标准试样的成形微区温度。
8、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，通过对比第一光电二极管和第二光电二极管的信号，确定零件产品和标准试样成形微区温度对比情况，从而以标准试样成形为基准对零件产品成形微区温度进行控制。
9、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，第一光电二极管和/或第二光电二极管的选型为捕获波长400nm-950nm。
10、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，cmos相机的选型为捕获波长400nm-900nm。
11、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，热像仪的选型要求为分辨率不低于1mm*1mm。
12、第二方面，提供了一种无支撑成形方法，包括：
13、搭建如上述第一方面中的任意一种实现方式中所述的在线监控系统；
14、初步选定零件的激光成形参数；
15、开始成形零件，控制模块通过在线监控系统采集成形微区特征，以获取成形微区的温度信息；
16、当成形零件某一位置时，在线监控系统采集信号指示成形微区温度过低或过高；
17、通过控制模块反馈修改输入的激光功率及扫描速度，以调整输入该成形微区的热量、控制该成形微区及其相邻微区的温度梯度，调整后继续成形；
18、完成零件成形。
19、与现有技术相比，本发明提供的方案至少包括以下有益技术效果：
20、本发明基于cmos相机、第一光电二极管、第二光电二极管、热像仪等搭建一套在线监控系统，通过综合监控成形微区辐射强度、成形微区形貌等特征获取成形微区的温度信息。之后，通过控制模块基于温度信息反馈修改输入的激光功率及扫描速度，以调整输入该成形微区的热量，控制该成形微区及其相邻微区的温度梯度，实现无支撑成形。
1.基于成形微区热量传导在线监控系统，其特征在于，包括工作平面、激光光源、分光镜1、分光镜、x振镜、y振镜、第一光电二极管、cmos相机；
2.根据权利要求1所述的在线监控系统，其特征在于，所述在线监控系统包括控制模块；控制模块接收cmos相机、第一光电二极管采集的信号，当温度过高时，通过控制模块反馈修改输入的激光功率和/或扫描速度，以控制输入该成形微区的热量、控制该成形微区及其相邻微区的温度梯度；其中，当温度过高时，降低激光功率和/或增加扫描速度；当温度过低时，增加激光功率和/或降低扫描速度。
3.根据权利要求1所述的在线监控系统，其特征在于，第一光电二极管用于将采集的信号转化为灰度值输入控制模块处理对应为温度信息。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的在线监控系统，其特征在于，所述在线监控系统还包括热像仪和第二光电二极管；热像仪和第二光电二极管用于完成对成形微区的离轴在线监控，固定检测标准试样成形时微区温度变化，以建立基准；第二光电二极管用于监控标准试样的成形微区辐射强度；热像仪用于监控标准试样的成形微区温度。
5.根据权利要求4所述的在线监控系统，其特征在于，通过对比第一光电二极管和第二光电二极管的信号，确定零件产品和标准试样成形微区温度对比情况，从而以标准试样成形为基准对零件产品成形微区温度进行控制。
6.根据权利要求4所述的在线监控系统，其特征在于，第一光电二极管和/或第二光电二极管的选型为捕获波长400nm-950nm。
7.根据权利要求1所述的在线监控系统，其特征在于，cmos相机的选型为捕获波长400nm-900nm。
8.根据权利要求1所述的在线监控系统，其特征在于，热像仪的选型要求为分辨率不低于1mm*1mm。
9.一种无支撑成形方法，其特征在于，包括：