[发明专利]一种增材制造多尺度温度场在线监测的方法和装置

说明书

本发明公开了一种增材制造多尺度温度场在线监测的装置和方法，属于增材制造技术领域，方法首先通过热电偶监测基板预热温度，然后由红外测温仪测试打印过程中熔池温度分布，接着热像仪扫描成形件上表面，获得每一层试样的实时温度分布；根据所述基板预热温度、所述熔池温度分布、所述每一层试样的实时温度分布实时调控下一层打印参数，改善打印质量。还相应地提供了增材制造多尺度温度场在线监测的装置。本发明能够从三个尺度在线监测成形件在增材制造过程中出现的裂纹、飞溅、孔洞和几何变形缺陷，通过温度反馈实时调控工艺参数，能够提高打印质量。

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，更具体地，涉及一种增材制造多尺度温度场在线监测的装置和方法。

背景技术

增材制造技术是基于光机电技术兴起的一项新兴技术，能够快速精确地成形复杂零件结构。其中激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)是一种应用广泛的金属粉末床熔融增材制造工艺，可以成形出高致密度和力学性能优良的复杂形状金属零件结构，并且与传统的“减材制造”技术相比，SLM技术具有材料利用率高、制造周期短、无需模具刀具后处理等优势，近年得到快速发展。

然而，由于SLM打印过程中金属粉末的熔化、气化和凝固等复杂的物理化学变化，容易产生如球化、气孔、裂纹、飞溅和几何变形等缺陷，这些缺陷使得SLM成形制件力学性能大幅下降，这是SLM技术在工业中广泛应用的最大瓶颈之一。因此，对打印过程进行在线监测，实时调控工艺参数来减少缺陷的产生至关重要。目前，已有研究人员通过高速摄像机、光电传感器和热成像仪等来对熔池、飞溅、气孔和温度进行在线监测，但由于监测尺度单一，获得的信息较少，不利于实时调控打印参数来对缺陷进行在线修复。

SLM成形过程由热传导作为驱动力，金属粉末的熔化、熔池的形成与凝固等都与热传导相关。复杂的温度传导对SLM成形过程中微观组织、残余应力、缺陷形成等有直接影响，异常的温度分布会影响成形质量、产生裂纹孔洞等缺陷。并且在SLM打印过程中基板、粉床、凝固层的温度分布不尽相同，因此，对各处的温度进行多尺度的在线监测具有重要意义。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种增材制造多尺度温度场在线监测的装置和方法，其目的在于，通过热电偶、红外测温仪和热像仪进行多尺度的在线温度监测，对成形过程中基板温度、熔池温度以及打印后试件表面温度进行在线监测，从而对缺陷进行多尺度的监测，实现实时调控打印参数消除缺陷，由此解决SLM成形过程中异常的温度分布导致成型缺陷的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了以下技术方案：

一种增材制造多尺度温度场在线监测的方法，包括如下步骤：

通过热电偶监测基板预热温度，通过红外测温仪测试打印过程中熔池温度分布，通过热像仪扫描成形件上表面，获得打印完成的最新一层试样的实时温度分布；

分析所述基板预热温度、所述熔池温度分布、所述最新一层试样的实时温度分布构成的多尺度温度场信息，根据分析结果实时调控下一层成形工艺参数，改善打印质量；所述成形工艺参数包括基板预热温度、激光功率、扫描速度、铺粉厚度和扫描间距。

优选地，上述方法中，根据所述多尺度温度场信息的分析结果实时调控基板预热温度，减少成形过程中的残余应力。

优选地，上述方法中，根据所述多尺度温度场信息中的熔池温度分布对打印过程中熔池温度扰动进行在线监测，预判出试样的孔洞位置和大小，从而实时调控打印参数，消除异常温度扰动。

优选地，上述方法中，根据所述多尺度温度场信息中的最新一层试样的实时温度分布实时调控下一层打印参数，防止出现温度过高产生粉末过烧或温度过低粉末未完全熔化的现象。

优选地，上述方法中，根据所述多尺度温度场信息的分析结果实时调控下一层成形工艺参数，抑制裂纹产生、防止飞溅、孔洞缺陷和过烧、未熔化现象产生，抑制几何变形缺陷。