[发明专利]一种粉末床熔融增材制造过程中原位实时测量装置

说明书

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；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。

【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。

【发明内容】

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：