[发明专利]一种激光选区熔化加工过程实时质量监控装置及方法

说明书

本发明公开了一种激光选区熔化加工过程实时质量监控装置及方法，本发明综合利用工业相机、红外热像仪、高速相机和光电二极管等非接触测量手段的优势，形成一套完整的监控方法。通过离轴在线监测装置与同轴在线监测装置相结合的在线监测方法，既能捕捉打印工作平面的工况，又能采集实时的熔池数据。不仅可以从微观监控金属粉末的熔化与凝固过程，又可以从宏观监控打印机系统和工件逐层质量。采用工业相机监测粉床缺陷与打印缺陷，红外热像仪追踪扫描路径并捕捉热应力；高速相机观察熔池的几何形貌，光电二极管捕捉熔池的辐射强度。将这些工艺标记与打印工艺参数对应起来，能够更有效地实现激光选区熔化加工过程的在线监控。

技术领域

本发明属于增材制造领域，具体涉及一种激光选区熔化加工过程实时质量监控装置及方法。

背景技术

激光选区熔化技术是以原型制造技术为基本原理发展起来的一种先进的激光增材制造技术。通过专用软件对零件三维数模进行切片分层，获得各截面的轮廓数据后，利用高能量激光束根据轮廓数据逐层选择性地熔化金属粉末，通过逐层铺粉，逐层熔化凝固堆积的方式，制造三维实体零件。

激光选区熔化属“个性化”加工方式，稳定一致的原材料粉体供应难以保证，过程中可影响部件质量的参数众多(设备、气氛、预热、粉体等)，因而部件难以实现一致的、可重复的微观组织结构和力学性能，存在随机缺陷、变形和合金成分变化等难题。事实上，目前制约增材制造技术发展的一个最大的障碍，就是打印制品质量如何保证这一问题。该问题已经成为制约3D打印广泛应用的关键所在。而解决这一问题最有效的手段即是打印过程实时在线监测，并进行闭环反馈控制。

近些年，研究人员开始尝试利用工业相机借助机器视觉技术对铺粉缺陷监测进行研究，利用红外热像仪对打印热场热应力进行分析，利用光电二极管和高速相机监测熔池；或者采用双色测温计捕捉熔池区域。然而，这些现有的技术具体使用时都存在局限性。单纯工业相机只能在铺粉时监测铺粉平整度信息捕捉铺粉缺陷或打印后观察球化现象，红外热像仪观察缺陷往往受限于分辨率；双色测温计受限于视场和采集速率，无法往闭环控制发展；此外，单独采用同轴光路监测熔池时则只能监测到熔池的实时数据，无法对粉床等其他系统问题进行监控。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种激光选区熔化加工过程实时质量监控装置及方法，既能捕捉打印工作平面的工况，又能采集实时的熔池数据，将这些信息综合挖掘处理，更有利于实现激光选区熔化加工过程的在线监控。

为了达到上述目的，一种激光选区熔化加工过程实时质量监控装置，包括成型腔室，成型腔室底部放置有成型缸，成型腔室外设置有工业相机、红外热像仪、激光器、光电二极管和高速相机，工业相机和红外热像仪从成型腔室顶部拍摄成型缸的上表面，激光器、光电二极管和相机通过同轴光路照射成型缸的上表面，激光器发射出的激光通过同轴光路照射到成型缸上表面的金属粉末，光电二极管和高速相机通过同轴光路采集熔池的辐射信息，工业相机、红外热像仪、光电二极管和高速相机连接图像处理工控系统；

同轴光路包括扫描振镜，扫描振镜和高速相机之间的光路上设置有半透半反镜和分束镜，半透半反镜和分束镜之间设置有滤镜，半透半反镜靠近扫描振镜，分束镜靠近高速相机，半透半反镜用于反射激光器的光路至扫描振镜，并透射扫描振镜的出射光线至滤镜，分束镜用于反射滤镜的出射光线至光电二极管，并透射滤镜的出射光线至高速相机；

图像处理工控系统用于对工业相机、红外热像仪、光电二极管和高速相机发来的信息进行处理分析和显示，并将结果发送至打印机工控。

成型腔室的顶部开设有第一观察窗、第二观察窗和扫描振镜窗口，工业相机透过第一观察窗拍摄成型缸，红外热像仪透过第二观察窗拍摄成型缸，扫描振镜通过扫描振镜窗口照射成型缸。

成型腔室顶部内表面设置有若干LED光源。

光电二极管前端设置有滤光片。

滤光片采用截止波长为800nm的高通滤光片。