一种粉末床熔融增材制造过程中原位实时测量装置的制作方法

【技术领域】

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种粉末床熔融增材制造过程中原位实时测量装置。

背景技术：

粉末床熔融增材制造技术，其原理是：利用计算机三维设计软件中生成零件的三维cad模型并切片分层，得到一系列二维截面信息，然后根据截面形状数据设定热源扫描策略和工艺参数。刮板将一薄层(厚度约为30um)粉末铺在基板上，随后计算机控制热源按照预先设定的路径将该层粉末选择性熔融形成零件在该层的二维截面，接下来基板下降一个粉末层厚度继续上述步骤直到零件加工完毕，粉末床熔敷增材制造技术主要分为选区激光烧结、选区激光熔融和电子束熔化。

粉末床熔融增材制造过程中，热源移动速度快，熔池附近区域经受不均匀的急冷急热作用(升温降温速率在10^6-10^8℃/s)，熔池凝固收缩，急剧变化的温度场和巨大的温度梯度会引起热应力，组织转变会引起组织应力，成形件与基板变形不协调会引起阻碍应力，其综合作用会导致基板与成形件变形失真，严重影响成形件的精度，降低成形件的力学性能。基板、成形件的变形和高残余应力是粉末床熔融增材制造中不可避免的问题之一，该问题也是增材制造技术研究中普遍关注和致力解决的关键问题。

数值模拟是揭示增材制造过程中热-变形-应变演变规律的重要工具，有助于明晰成形件和基板的温度场、应力应变的演变规律和分布情况，并指导工艺优化，对提高成形件的精度及力学性能具有重要意义。数值模拟的模型需要实验结果校验和调整才具有指导意义，这就需要对增材制造过程中进行实时原位测量。

在粉末床熔融增材制造过程中，由于成形室封闭、可利用空间有限，成形件和基板被粉末覆盖等因素给原位测量带来了困难，目前还没有一套完整的热变形原位实时测量装置。大部分学者采用表面轮廓测量仪、激光三维扫描仪等手段获得增材制造结束后基板或者成形件的最终变形，此方法只能对加工结束后的基板和成形件进行变形测量，而不能揭示增材制造过程中基板的实时变形规律和温度场。有学者对粉末床和当前熔覆层进行红外(ir)非接触式热测量，红外热成像分辨细节能力较差，精度较低，且成本高，使用时需要改造设备(安装红外窗口)。因此，急需建立一套简单易行，可同步监测基板变形和温度变化的实时测量平台，(容易变形的材料，实验采用厚基板，只监测温度变化)这样就能为粉末床熔融增材制造的数值模拟提供可靠的实验数据，从而建立准确的热力耦合模型，以便进行成形件的全场分析，并为控制变形和残余应力提供科学指导，使粉末床熔融增材制造技术有更广阔的应用。

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，提供一种粉末床熔融增材制造过程中原位实时测量装置，以解决粉末床熔融增材制造过程中，无法同步实时监测基板变形和温度变化的问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种粉末床熔融增材制造过程中原位实时测量装置，包括：夹具系统和数据采集系统；夹具系统的上端面固定设置有工作台，工作台的上端面固定设置有基板；

所述数据采集系统包括热电偶和位移传感器；热电偶用于测量基板上表面的温度，同时用于测量基板下表面或内部的温度；位移传感器和基板的下表面接触；热电偶和位移传感器测量出的数据传递至数据记录仪；所述数据采集系统位于粉末床熔融增材制造装置的成形腔内。

本发明的进一步改进在于：

优选的，所述夹具系统包括上支架和下支架，工作台在上支架的的上端，下支架在上支架的下方，上支架和下支架之间夹装有位移传感器固定板；位移传感器固定设置在位移传感器固定板上。

优选的，位移传感器包括固定连接的弹簧端和固定端，弹簧端和基板的下表面接触，固定端固定设置在位移传感器固定板的孔洞中。

优选的，弹簧端和基板下表面的中心位置接触。

优选的，所述热电偶包括若干个第一热电偶和若干个第二热电偶，第一热电偶固定设置在基板的上表面；第二热电偶固定设置在基板的下表面或基板的内部。

优选的，第一热电偶选用微型热电偶。

优选的，当基板为薄基板时，第二热电偶固定焊接在基板的下表面，所述第二热电偶采用热电偶线。

优选的，当基板为厚基板时，基板的侧边开设有若干个盲孔，每一个第二热电偶安装在一个盲孔中，所述第二热电偶采用铠装热电偶。

优选的，每一个第一热电偶的上表面覆盖有高温胶带；第一热电偶的安装区域在增材制造过程中的温度小于tmax，所述tmax为第一热电偶的温度测量区间上限。

优选的，所述数据记录仪的供电装置为内置电源或ups。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种粉末床熔融增材制造过程中原位实时测量装置，该装置将热电偶设置在基板上需要测量温度的位置，将位移传感器和基板的下表面相接触，使得位移传感器能够测量出增材制造过程中基板的变形量；因为整个装置设置在增材制造的成形腔内，无需改造设备系统，不会对粉末床熔融增材制造的成形过程产生影响，该装置监测方式灵活，测量过程不会影响增材制造过程，同时又能精确的记录需要的温度变化量和位移变化量；该装置可以实现对粉末床熔融增材制造过程中基板和成形件的热-变形(或温度)原位实时监测，能够准确地反应基板的热-变形(或温度)随时间的演化规律，不仅为研究粉末床熔融增材制造过程中基板和成形件的变形机理提供可靠的实验测量基础，而且为粉末床熔融增材制造有限元模拟提供了有力的实验数据，最终对建立有效控制基板和成形件变形的工艺方法和获得高精度、高性能成形件奠定了基础；该装置只需调整位移传感器和热电偶的安装位置即可用于不同材料、不同结构、不同形状、不同尺寸的成形件；整个测量装置安装方便，该装置适用范围广，除应用于粉末床熔融增材制造领域，还可应用于焊接，激光加工等领域。

进一步的，夹具系统一方面支撑工作台，另一方面用于固定位移传感器，便于调整位移传感器沿竖直方向的位置。

进一步的，位移传感器的弹簧端和基板接触，能够精确的记录基板的变形量，位移传感器的固定端固定设置在位移传感器固定板中，给位移传感器底部的支撑力。

进一步的，弹簧端和基板的下表面中心位置接触，因为基板中心位置容易发生变形，位移传感器测得数据的相对误差较小。

进一步的，热电偶根据测量位置的不同，分为第一热电偶和第二热电偶；每一类的热电偶都设置有若干个，根据成型件的尺寸、形状、工作人员需了解的温度的位置进行热电偶安装位置的调整。

进一步的，第一热电偶因为测量基板上表面的温度，选用微型热电偶，占用空间小，测量精度高。

进一步的，当基板为薄基板时，将热电偶线固定焊接在基板的下表面即可测量需要测位置的温度，成本较低。

进一步的，当基板为厚基板时，热电偶线无法精确的测量基板下表面的温度，因此选用铠装热电偶测量基板内部的温度，提高测量精度。

进一步的，第一热电偶的安装位置需保证第一热电偶能够正常使用。

进一步的，因为整个数据采集系统在成形腔内，数据记录仪选用内置电源或ups提供电源，不会影响整个增材制造的密闭性。

【附图说明】

图1为本发明数据测量装置的数据采集框图。

图2为本发明中所述的薄基板数据测量装置的结构示意图。

图3为本发明中所述的用于厚基板温度测量装置的结构示意图。

图4为本发明实施例中所述的用于温度测量点的位置示意图。

图5为本发明实施例中所述的温度测量数据图。

其中：1为刮刀及送粉装置、2为扫描区域、3为基板、4为第一热电偶、5为工作台、6为数据记录仪、7为升降台、8为下支架、9为位移传感器固定板、10为上支架、11为第二热电偶、12为位移传感器。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参见图2和图3，本发明公开了一种粉末床熔融增材制造过程中原位实时测量装置，该装置整体位于粉末床熔融增材制造装置中的成型室内；该装置包括工作台5、夹具系统和数据采集系统；工作台5固定设置在夹具系统的上端，数据采集系统中的部分装置设置在工作台5上，用于测量位移和温度；本发明的原位实时测量装置针对粉末床熔融增材制造技术，包括选区激光熔融或电子束熔化。

夹具系统包括上支架10和下支架8；所述下支架8固定设置在粉末床熔融增材制造装置的升降台7上，下支架7上架装有位移传感器固定板9，位移传感器固定板9上架装有上支架10；或者说位移传感器固定板9被固定夹持在上支架10和下支架8之间。

上支架10的上端面固定设置有工作台5，工作台5中心部位开设有通孔，基板3架装在工作台5的上表面上，基板3的四周和工作台5的通孔的外围上表面固定连接；所述基板3优选为退火态基板；基板3侧面与机床的x轴或y轴平行，便于确定熔覆区在基板3的相对位置。

参见图1，所述的数据采集系统包括热电偶、位移传感器12和数据记录仪6；热电偶固定设置在基板3的不同位置，热电偶包括第一热电偶4和第二热电偶11，第一热电偶4优选为微型热电偶，基板3的上表面设置有若干个凹槽，每一个凹槽内粘贴有一个第一热电偶4，具体来说，凹槽或第一热电偶4的设置位置根据目标结构件的形状、试验人员需要测量的基板3位置的温度来设定；第一热电偶4上覆盖有高温胶带，以对第一热电偶4进行遮蔽处理，防止高能束的辐射作用影响测量结果，高温胶带的工作温度≤300℃；第一热电偶4根据其采用的材料类型不同，测量区间范围不同，设定第一热电偶4的测量区间上限为tmax，则凹槽的开设位置在增材制造过程中的温度t＜tmax，保证测量的精度。

如图2和图3，所述第二热电偶11用于测量基板3下部或内部的温度，第二热电偶11包括热电偶线和铠装热电偶，两种热电偶适用于不同的基板类型，热电偶线适用于薄基板、铠装热电偶适用于厚基板，所述厚基板为厚度≥5mm的基板。当为薄基板时，热电偶线的导电端直接焊接在基板3的下表面上，与第一热电偶4相同，第二热电偶11在下表面的设置数量及位置根据实际情况进行调整。

如图3，当基板3为厚基板时，基板3的侧面开设有盲孔，将铠装热电偶插入至盲孔中，测量温度；铠装热电偶的设置数量和位置能够根据实际情况进行调整。如果对于容易变形的材料或者不易焊接热电偶的材料，在工作台上可以安装厚基板。对于厚基板仅进行原位测温，提前在基板3侧边接近上表面的设定位置打盲孔，上表面预留凹槽。接下来将高灵敏点触式铠装热电偶安装在盲孔里并且紧密接触待测位置，上表面凹槽处粘贴微型热电偶。

位移传感器12包括一体连接的弹簧端和固定端，所述固定端固定设置在位移传感器固定板9内部，弹簧端的抵住基板3的下表面，以测量基板3在增材制造过程中的变形量；优选的弹簧端抵住基板3下表面的中心位置。位移传感器固定板9的中心部位开设有孔洞，固定端管穿过孔洞，位移传感器固定板9的侧边开设有螺纹孔，当位移传感器12的弹簧端轻轻抵住基板3的下表面时，位移传感器12位于目标位置，通过螺母旋入至螺纹孔中，抵住位移传感器12固定端的侧面，固定位移传感器12在位移传感器固定板9中的位置。

为保证成型过程的密闭性，整个装置设置在成型室内，因此数据记录仪6的供电装置为不间断电源(ups)或蓄电池等，而未使用外接电源。为保证数据记录仪6在使用过程的测量精确性，数据记录仪6和供电装置的外部套装有防尘罩，防止粉末床熔融增材制造过程中，粉末威胁电子设备的安全。

该装置的安装过程如下：

第一步，在增材制造的设备上依次安装下支架8、位移传感器固定板9，上支架10和工作台5；当基板3为薄基板时，将位移传感器12的固定端固定设置在位移传感器固定板9内孔洞中。

第二步，将基板3固定安装在工作台5上，在基板3上表面设定位置的凹槽内贴第一热电偶4，并在基板3下方或内部的设定位置布置第二热电偶11，调整位移传感器12固定端在位移传感器固定板9中的竖向位置，将位移传感器12的弹簧端和基板3的下表面相接触。

第三步，将数据记录仪6安装在与夹具和工作台距离合适的位置。

第四步，测量装置初始化；将热电偶和位移传感器12连接到数据记录仪6上，对数据记录仪6进行调试，其中，位移传感器的位移信号需要转换成电压信号通过数据记录仪6采集并记录。

至此，该装置的安装过程结束，该装置的使用及应用过程包括以下步骤：

第一步，粉末床熔融增材制造工艺初始化；在控制增材制造过程的计算机中生成零件的三维cad模型，然后将模型按一定的厚度分层切片，并设定成形的扫描策略，同时在机床控制系统中设置成形过程工艺参数；向成形室通入惰性保护气体氩气，准备粉末床熔融增材制造加工过程，当氧含量降到一定水平，开始成形过程，刮刀及送粉装置1在扫描区域2开始送粉成形；当热源为电子束时，成形室必须是真空环境，不需要充保护气体。

第二步，熔融过程及热-变形实时测量；当基板3为薄基板时，同时开始熔覆过程的热-变形的原位实时测量过程，当基板3为厚基板时，开始熔覆过程的温度原位实时测量过程，数据记录仪6收集热电偶和位移传感器12的测量信号。

第三步，保存测量数据并拆卸测量装置；当成形过程结束并冷却到室温及测量系统监测结束后，保存测量数据并关闭测量系统，然后逐一拆卸测量装置；

第四步，测量数据处理；将数据记录仪6中的热电偶测温数据和位移传感器4的位移信号(实际为电压信号)提取出来，其中热电偶所测温度值可直接被应用；利用位移与电压转换关系将提取的电压信号转换成位移信号，即可得到基板的实时变形历程。

第九步，测量结果验证模型；首先，建立增材制造有限元热力耦合模型框架，设置初始温度场边界条件(能量吸收率、对流系数及热辐射率)，利用模型模拟计算温度场，对比温度场模拟与实验测量结果差异调整温度场边界条件，直到模拟与实验测量结果匹配，即完成温度场的校准。其次，根据实验加工过程设置力场边界条件并以校准的温度场结果作为力场计算的初始条件，利用模型计算力场演化过程，得到基板变形及应变场结果；对比变形及应变场的模拟结果与实验测量结果调整力场边界条件，直到模拟结果能与实验测量结果匹配，完成了有限元力场的校准；即完成有限元热力耦合模型的校准。利用校准的模型分析预测成形过程中任意时刻的温度场、变形、应变场及应力场。

由该实例的测量过程和测量结果可以得出，本发明通过对热-变形(或温度)进行实时精确的监测并进行深入分析，易实现粉末床熔融增材制造有限元热力耦合模型的校验，为建立有效控制基板和成形件变形甚至失效的工艺方法奠定基础。

实施例

本发明公开了一种粉末床熔融增材制造实时原位测量装置，可以测量增材制造过程中基板上特定位置的温度历史和变形。

以粉末床熔融技术中的选区激光熔融作为代表，说明在增材制造过程中，本发明是如何实现利用数据测量装置对温度原位实时精确测量。如图1所示，在加工过程中，热电偶监测温度，测量数据由相应的数据记录仪6记录分析。

安装时，按照下支架8，位移传感器固定板9，上支架10的顺序由下至上安装在成形室的升降台7上，然后在上支架10上面安装工作台5，最后将50mm*50mm*30mm的退火态alsi10mg的基板3安装在工作台5上，最终使基板3侧面与机床的x轴或y轴平行，便于确定熔覆区在基板的相对位置。在基板3内部固定好铠装热电偶，上表面预留凹槽里粘贴微型热电偶，将热电偶和数据记录仪6连接好，并将数据记录仪6及其ups连接好之后固定在工作台5和夹具系统距离合适的位置。

具体步骤如下：

第一步，在设备工作平面上装好夹具系统和工作台5，如图3所示。

第二步，如图4所示，在基板3上表面的测温点1贴好微型热电偶并在基板3内部测温点2固定热电偶，将基板3固定设置在工作台5上。

第三步，将数据存储仪6和ups安装在与夹具和工作台距离合适的位置，如图3所示。

第四步，测量装置初始化；将热电偶连接到数据记录仪6上，对数据记录仪6进行调试

第五步，粉末床熔融增材制造工艺初始化；在控制增材制造过程的计算机中生成零件的三维cad模型，然后将模型按一定的厚度分层切片，并设定成形的扫描策略为往复扫描，层间偏转角为0，同时在控制系统中设置成形过程工艺参数：层厚为30μm，功率为340w，扫描速度为1.6m/s；对成形腔内通入惰性保护气体氩气，准备粉末床熔融增材制造加工过程，当氧含量降到0.02％时，开始alsi10mg10mm*10mm*1.5mm块体的成形过程。

第六步，熔融过程及温度实时测量；同时开始熔覆过程和温度的原位实时测量过程，数据记录仪6收集热电偶的测量信号。

第七步，保存测量数据并拆卸测量装置；当成形过程结束并冷却到室温及测量系统监测结束后，保存测量数据并关闭测量系统，然后逐一拆卸测量装置。

第八步，测量数据处理；将数据记录仪中的热电偶测温数据提取出来，对数据进行处理，得到热电偶测量基板的温度数据，如图5所示；从图5中可以看出测温点的温度在每一次热源扫过的时候有明显的上升趋势，随着热源的远离，温度迅速下降。测温点2位于扫描区域中心，因此吸收的热量多于测温点1，所以测温点2温度高于测温点1。可以得出，原位测量数据可以反映增材制造的客观物理现象，并且可以用来校验有限元仿真模型，校准过的模型可以用来分析成形过程中任意时刻成形件的温度场、应力场、应变场。

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。