CN103400165B - Slm制造具有内嵌rfid标签金属零件的方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了SLM制造具有内嵌RFID标签金属零件的方法及设备，属激光熔化领域；其解决了现有选区激光熔化和射频信号识别相互独立问题；其技术要点在于具有光束聚焦系统、近波长同轴视觉定位系统、气体保护系统、实时监测仪和标签嵌入系统，等；将RFID标签嵌入到金属零件中对制造方法有很高的要求，传统加工方法无法实现一次成型；本专利采用SLM与射频信号识别相结合，克服了传统加工不能一次成型的限制，本专利合理控制标签与金属之间的距离来消除热影响，并在标签上贴抗金属膜来克服此问题。克服了制造难点，成功制造出内嵌RFID标签的金属零件；主要应用于国防工业，也可以用在环境特殊的工件跟踪、定位等行业中。

Description

SLM制造具有内嵌RFID标签金属零件的方法及设备

技术领域

本发明涉及激光特殊加工工艺和设备，尤其涉及SLM制造具有内嵌RFID标签金属零件的方法及设备。

背景技术

射频信号识别技术(RadioFrequencyIDentification，RFID)是一种新型通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。常用的有低频(125k～134.2K)、高频(13.56Mhz)、超高频，无源等技术。RFID读写器也分移动式的和固定式的，目前RFID技术应用很广。RFID标签如今已经可以达到1/50米粒大小。

一套完整的RFID系统，是由阅读器与电子标签(RFID标签)也就是所谓的应答器及应用软件系统三个部份所组成，其工作原理是阅读器发射一特定频率的无线电波能量给应答器，用以驱动应答器电路将内部的数据送出，此时阅读器便依序接收解读数据，送给应用程序做相应的处理。

而射频信号识别技术工作原理并不复杂：标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息(PassiveTag，无源标签或被动标签)，或者由标签主动发送某一频率的信号(ActiveTag，有源标签或主动标签)，解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。

射频信号识别系统最重要的优点是非接触识别，它能穿透雪、雾、冰、涂料、尘垢和条形码无法使用的恶劣环境阅读标签，并且阅读速度极快，大多数情况下不到100毫秒。

制约射频信号识别系统发展的主要问题是不兼容的标准。射频识别系统的主要厂商提供的都是专用系统，导致不同的应用和不同的行业采用不同厂商的频率和协议标准，这种混乱和割据的状况已经制约了整个射频识别行业的增长。另外一个制约着其发展的问题是，射频信号对金属十分敏感，导致目前这种RFID标签无法在具有金属表面的物体上(如钢质货架,集装箱等)正常工作，而只能使用于非金属表面(如塑料,玻璃，木材等)。射频识别应用最为广泛的物流行业多为金属环境，所以金属敏感性这一缺点大大限制了其在物流行业的应用。

如今RFID技术已经广泛应用于各行各业中，主要包括：物流和供应管理、生产制造和装配、邮件/快运包裹处理、文档追踪/图书馆管理、动物身份标识、运动计时、门禁控制/电子门票、道路自动收费、一卡通、仓储中塑料托盘中等。

选区激光熔化(SLM)是一种目前较为先进的激光快速成型技术，它的基本原理是先在计算机上设计出零件的三维实体模型，然后通过专用软件对该三维模型进行切片分层，得到各截面的轮廓数据，将这些数据导入快速成型设备，设备将按照这些轮廓数据，控制激光束选择性地熔化各层的金属粉末材料，逐步堆叠成三维金属零件。

SLM制造个性化零件的优势

(1)个性化：适合各种复杂形状的零件，尤其适合带有非线性曲面的或者内部有复杂异型结构(如空腔)、用传统方法无法制造的个性化工件；

(2)快速制造：直接制成终端金属零件，省掉中间过渡环节；

(3)精度高：使用具有高功率密度的激光器，以光斑很小的激光束照射金属粉末，使得加工出来的个性化金属零件具有很高的尺寸精度(达0.1mm)以及好的表面粗糙度(Ra30-50μm)；

(4)致密度高：在选区内熔化金属制造出来的零件具有冶金结合的实体，相对致密度接近100％，力学性能甚至超过铸造件；

(5)材料种类多：由于激光光斑直径很小，因此能以较低的功率熔化高熔点的金属，使得用单一成分的金属粉末来制造零件成为可能，而且可供选用的金属粉末种类也得到拓展。

虽然激光选区熔化技术与射频信号识别技术早已广泛被使用到各行业中，但是目前还没有相关应用将这两项技术结合在一起。

发明内容

本发明的目的就是为了将选区激光熔化和射频信号识别结合起来，提供SLM制造具有内嵌RFID标签金属零件的方法及设备。

本发明通过下述技术方案实现：

1、SLM制造具有内嵌RFID标签金属零件的设备，包括光束聚焦系统、近波长同轴视觉定位系统、标签嵌入系统、粉末铺设系统、气体保护系统；

所述光束聚焦系统，包括依次光路连接的光纤激光器、扩束镜、扫描振镜和F-θ组合透镜；

近波长同轴视觉定位系统，包括镀膜反射镜片、工业CCD和用于给待加工金属零件照明的照明装置；所述镀膜反射镜片设置在扩束镜与扫描振镜之间的光路中；所述工业CCD设置在镀膜反射镜片的上方；

所述粉末铺设系统，包括成型缸、铺粉刮板、粉末缸、设置在成型缸和粉末缸底部的升降活塞，升降活塞连接控制系统；

所述气体保护系统，包括密封成型室、置于密封成型室内的氧含量实时监测仪、连接在密封成型室一侧的保护气装置，以及连接在密封成型室另一侧的粉尘净化装置；

所述标签嵌入系统设置在密封成型室内部，其包括机械传动臂、标签读写器和预置在机械传动臂端部的RFID标签，所述标签读写器连接控制系统；

所述气体保护系统、光纤激光器、工业CCD分别与控制系统连接；

所述标签嵌入系统和控制系统组成射频信号识别检测系统。

采用上述设备加工具有内嵌RFID标签金属零件的直接制造方法，包括如下步骤：

第一步：准备阶段

用三维软件设计出待加工的金属零件3D造型，为了防止RFID标签被金属屏蔽，金属零件需要设计孔隙和倒粉孔；

然后利用magics软件进行摆放位置、添加支撑和切片操作，然后利用路径规划系统确定每一层的扫描路径；最后针对不同的金属粉末材料，选择合适的基板，将基板安装在成型缸中；选用RFID标签，在其表面贴上抗金属膜，确定嵌入到金属零件中的位置；

第二步：加工阶段

采用SLM方法加工设计好的金属零件；使用铺粉刮板，将金属粉末材料铺展成微米至微米厚度的薄层；控制系统按照设置好的扫描路径控制扫描振镜偏转，扫描振镜指引激光束在金属粉末材料薄层上移动，将金属粉末熔化形成金属实体；扫描完一层的轮廓之后，继续进行粉末铺设；

当金属零件加工到合适的位置时暂停加工，照明装置发射经过扩束后的激光，照射到金属零件表面；扩束后的激光依次经过F-θ组合透镜、扫描振镜和呈45°角的镀膜反射镜片发射到工业CCD中；工业CCD获取一帧金属零件上表面的图像，该图像经过量化处理后变为数字图像发送到控制系统中，由控制系统对摄取的图像进行处理和特征量识别，定位出嵌入RFID标签的精确位置；接着控制系统操纵机械传动臂将RFID标签嵌入到金属零件中；

为了防止在后续加工时，铺粉刮板将RFID标签刮走，在嵌入RFID标签时应该通过机械传动臂将RFID标签按入到金属粉末平面下方；

为了使暂停层的接合强度，再次加工时采用加大光纤激光器的激光功率和减小扫描速度措施来增加激光能量密度；然后取消暂停，直至将整个金属零件加工成型；在整个加工过程中，采用氧含量实时监测仪，监控含氧量在100ppm以下；

第三步：后处理和测试阶段

加工结束后，将金属零件从基板上用线切割方式切割下来，清除金属零件中的粉末；最后用标签读写器检测RFID标签的射频信号识别功能是否正常；再将具有内嵌RFID标签的金属零件放在标签读写器上，与控制系统连接就可以对RFID标签进行读写。

金属零件在上述第二步所述的整个加工成型过程中，需要对密封成型室进行惰性气体保护，充满氩气或氮气；

加工过程中，保护气装置向密封成型室内不断通入氮气或氩气，对成型的金属零件进行保护。

本发明与现有的技术相比具有以下优点：

1、本设备采用SLM方法(选区激光熔化)将RFID标签嵌入到金属零件中，克服了传统制造技术的局限。一次性直接成型具有内嵌RFID标签的金属零件，提高了制造效率。

2、克服了金属对RFID标签的干扰和屏蔽，突破性的将射频信号识别技术应用在了金属零件中。具有内嵌RFID标签的金属零件可以应用在航空航天、环境复杂的场景中。

通过SLM将RFID标签嵌入到金属零件中，有着其重要的意义及应用。塑料制品里RFID芯片可以被取出，放到另一件物品里，但是金属物品里芯片却无法完整取出，要除掉芯片就不得不强行毁坏零件。正由于这种特性，本方法可以应用在一些奢侈品中或重要的机械零件中，以达到防伪和识别等作用。

另外一个重要的应用就是可以将RFID标签嵌入温度和扩展感应器里，记录温度数据、工件可能承受的机械压力等物理数据，并实时地将数据传送到阅读器里面，观察人员可以实时、准确的对工件内部的情况进行了解和观察。这种特性使得本方法可以广泛的应用到国防工业以及航空航天中去。利用特殊的RFID标签，还可以使得射频距离大大增加，因此可以用在跟踪、定位等行业中。

附图说明

图1为本发明设备的结构示意图。

图2为采用上述设备加工出的具有内嵌RFID标签金属零件的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。

实施例

如图1、2所示。本发明SLM制造具有内嵌RFID标签金属零件的设备，包括光束聚焦系统、近波长同轴视觉定位系统、标签嵌入系统、粉末铺设系统、气体保护系统；

所述光束聚焦系统，包括依次光路连接的光纤激光器1、扩束镜3、扫描振镜6和F-θ组合透镜7；

近波长同轴视觉定位系统，包括镀膜反射镜片5、工业CCD4和用于给待加工金属零件10照明的照明装置9；所述镀膜反射镜片5设置在扩束镜3与扫描振镜6之间的光路中；所述工业CCD4设置在镀膜反射镜片5的上方；

所述粉末铺设系统，包括成型缸15、铺粉刮板13、粉末缸17、设置在成型缸15和粉末缸17底部的升降活塞16，升降活塞16连接控制系统21；

所述气体保护系统，包括密封成型室、置于密封成型室内的氧含量实时监测仪18、连接在密封成型室一侧的保护气装置8，以及连接在密封成型室另一侧的粉尘净化装置19；

所述标签嵌入系统设置在密封成型室内部，其包括机械传动臂11、标签读写器20和预置在机械传动臂11端部的RFID标签12，所述标签读写器20连接控制系统21；

所述气体保护系统、光纤激光器1、工业CCD4分别与控制系统21连接；

所述标签嵌入系统和控制系统21组成射频信号识别检测系统。

所述光纤激光器1的输出功率200W，光束质量因子M2<1.1，波长1090nm，采用连续模式，光束2直径内能量呈现高斯分布。

所述扫描振镜6包括X、Y轴镜片及电机，响应速度<1微秒。

所述照明装置的出光平面斜交于成型缸15加工平面。采用与光纤激光波长相近的照明激光。照明光是人眼不可见激光，但工业CCD4感光范围能达到红外波段，故能起到照明作用。

光束2波长1090nm，照明装置的照明光波长1070nm，采用临近波长的光纤激光器和照明光源，可以降低工业CCD4图像传感器识别出的加工平面位置和实际激光作用位置的提误差，高工业CCD4同轴定位精度。

所述工业CCD4选用日本生产的TG2Z1816—FCS型CCD摄像头，其主要优点是体积小、灵敏度高及分辨率高等。主要技术指标如下：镜头焦距为1.8～3.6mm；镜头像面为4.9mm×3.7mm；有效像素为510(水平)×492(垂直)；目标距离为0.2～1m；其中镀膜反射镜片5呈45°角摆放，通过镀膜实现照明光45°全反，激光45°全透。

RFID标签12选用无源圆形电子标签，工作频率为13.56MHZ，标签直径为25mm，读写距离为100mm以下，工作温度为0-60℃。其中抗金属膜的材料是铁氧体，它可以使RFID标签后面的金属对RFID标签信号的影响降到最低。其中读写器采用固定式DT5201读写器，信号传输协议为ISO15693标准，通信接口为USB免驱动。

在暂停SLM加工，嵌入RFID标签12时。照明装置9发射经过扩束后的激光，照射到金属零件10表面。照明激光依次经过F-θ组合透镜7、扫描振镜6和呈45°角的镀膜反射镜片5发射到工业CCD4。工业CCD4获取一帧金属零件10上表面的图像，该图像经过量化处理后变为数字图像发送到控制系统21中。由控制系统21对对摄取的金属零件10图像进行处理和特征量识别，定位出嵌入RFID标签的精确位置。接着控制系统21操纵机械传动臂11将RFID标签12嵌入到金属零件10中。

采用上述设备加工具有内嵌RFID标签金属零件的直接制造方法，可通过下述步骤实现：

第一步：准备阶段

用三维软件设计出待加工的金属零件3D造型，为了防止RFID标签12被金属屏蔽，金属零件需要设计孔隙和倒粉孔；

然后利用magics软件进行摆放位置、添加支撑和切片操作，然后利用路径规划系统确定每一层的扫描路径；最后针对不同的金属粉末材料，选择合适的基板，将基板安装在成型缸15中；成型缸15安装过程中为了保证基板的水平，需要利用水平仪进行调平。选用合适的RFID标签12，在其表面贴上抗金属膜，确定嵌入到金属零件10中的位置；

第二步：加工阶段

采用SLM(激光选区熔化)方法加工设计好的金属零件10；使用预压紧式柔性的铺粉刮板13，将金属粉末材料14铺展成20微米至60微米厚度的薄层；控制系统21按照设置好的扫描路径控制扫描振镜6偏转，扫描振镜6指引激光束2在金属粉末材料薄层上移动，将金属粉末14熔化形成金属实体；扫描完一层的轮廓之后，继续进行粉末铺设；

当金属零件10加工到合适的位置时暂停加工，照明装置9发射经过扩束后的激光，照射到金属零件10表面；扩束后的激光依次经过F-θ组合透镜7、扫描振镜6和呈45°角的镀膜反射镜片5发射到工业CCD4中；工业CCD4获取一帧金属零件10上表面的图像，该图像经过量化处理后变为数字图像发送到控制系统21中，由控制系统对摄取的图像进行处理和特征量识别，定位出嵌入RFID标签12的精确位置；接着控制系统21操纵机械传动臂11将RFID标签12嵌入到金属零件10中；

为了消除后续加工对标签的热影响，合理控制标签12与金属零件10之间的距离。为了防止在后续加工时，铺粉刮板13将RFID标签12刮走，在嵌入RFID标签12时应该通过机械传动臂11将RFID标签12按入到金属粉末平面下方；为了保证暂停层的接合强度，再次加工时采用加大光纤激光器1的激光功率和减小扫描速度措施来增加激光能量密度；然后取消暂停，直至将整个金属零件10加工成型；在整个加工过程中，采用氧含量实时监测仪18，监控含氧量在100ppm以下；

第三步：后处理和测试阶段

加工结束后，将金属零件10从基板上用线切割方式切割下来，清除金属零件10中的粉末；最后用标签读写器20检测RFID标签12的射频信号识别功能是否正常；再将具有内嵌RFID标签12的金属零件10放在标签读写器20上，与控制系统21连接就可以对RFID标签12进行读写。

金属零件10在上述第二步所述的整个加工成型过程中，需要对密封成型室进行惰性气体保护，充满高纯氩气或氮气；

加工过程中，保护气装置8向密封成型室内不断通入高纯氮气或氩气，对成型的金属零件10进行保护。为了防止发生氧化，采用氧气浓度实时监测仪18监测含氧量，保证含氧量在100ppm以下。为了保持成型室内空气的纯净，并防止金属粉末中出现杂质，采用粉尘净化装置19吸收加工过程中产生的烟尘。

如图2所示，具有内嵌RFID标签12的金属零件10样品。其中RFID标签12与金属零件10之间有一定的间隔距离，防止在加工过程中RFID标签12受到热影响。金属零件10顶部有一个倒粉孔22，用于加工结束后将金属零件10内腔的金属粉末倒出。金属零件10底部留有孔隙23，防止金属将射频信号完全屏蔽。将该金属零件10放到标签读写器20上进行检测，RFID标签12信号读写完全正常。

如上所述便可较好的实现本发明。

本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.SLM制造具有内嵌RFID标签金属零件的设备，其特征在于，包括光束聚焦系统、近波长同轴视觉定位系统、标签嵌入系统、粉末铺设系统、气体保护系统；

所述光束聚焦系统，包括依次光路连接的光纤激光器、扩束镜、扫描振镜和F-θ组合透镜；

近波长同轴视觉定位系统，包括镀膜反射镜片、工业CCD和用于给待加工金属零件照明的照明装置；所述镀膜反射镜片设置在扩束镜与扫描振镜之间的光路中；所述工业CCD设置在镀膜反射镜片的上方；

所述粉末铺设系统，包括成型缸、铺粉刮板、粉末缸、设置在成型缸和粉末缸底部的升降活塞，升降活塞连接控制系统；

所述气体保护系统，包括密封成型室、置于密封成型室内的氧含量实时监测仪、连接在密封成型室一侧的保护气装置，以及连接在密封成型室另一侧的粉尘净化装置；

所述标签嵌入系统设置在密封成型室内部，其包括机械传动臂、标签读写器和预置在机械传动臂端部的RFID标签，所述标签读写器连接控制系统；

所述气体保护系统、光纤激光器、工业CCD分别与控制系统连接；

所述标签嵌入系统和控制系统组成射频信号识别检测系统。

2.采用权利要求1所述设备加工具有内嵌RFID标签金属零件的直接制造方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步：准备阶段

用三维软件设计出待加工的金属零件3D造型，为了防止RFID标签被金属屏蔽，金属零件需要设计孔隙和倒粉孔；

然后利用magics软件进行摆放位置、添加支撑和切片操作，然后利用路径规划系统确定每一层的扫描路径；最后针对不同的金属粉末材料，选择合适的基板，将基板安装在成型缸中；选用RFID标签，在其表面贴上抗金属膜，确定嵌入到金属零件中的位置；

第二步：加工阶段

采用SLM方法加工设计好的金属零件；使用铺粉刮板，将金属粉末材料铺展成微米至微米厚度的薄层；控制系统按照设置好的扫描路径控制扫描振镜偏转，扫描振镜指引激光束在金属粉末材料薄层上移动，将金属粉末熔化形成金属实体；扫描完一层的轮廓之后，继续进行粉末铺设；

当金属零件加工到合适的位置时暂停加工，照明装置发射经过扩束后的激光，照射到金属零件表面；扩束后的激光依次经过F-θ组合透镜、扫描振镜和呈45°角的镀膜反射镜片发射到工业CCD中；工业CCD获取一帧金属零件上表面的图像，该图像经过量化处理后变为数字图像发送到控制系统中，由控制系统对摄取的图像进行处理和特征量识别，定位出嵌入RFID标签的精确位置；接着控制系统操纵机械传动臂将RFID标签嵌入到金属零件中；

为了防止在后续加工时，铺粉刮板将RFID标签刮走，在嵌入RFID标签时应该通过机械传动臂将RFID标签按入到金属粉末平面下方；

为了使暂停层的接合强度，再次加工时采用加大光纤激光器的激光功率和减小扫描速度措施来增加激光能量密度；然后取消暂停，直至将整个金属零件加工成型；在整个加工过程中，采用氧含量实时监测仪，监控含氧量在100ppm以下；

第三步：后处理和测试阶段

加工结束后，将金属零件从基板上用线切割方式切割下来，清除金属零件中的粉末；最后用标签读写器检测RFID标签的射频信号识别功能是否正常；再将具有内嵌RFID标签的金属零件放在标签读写器上，与控制系统连接就可以对RFID标签进行读写。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，金属零件在上述第二步所述的整个加工成型过程中，需要对密封成型室进行惰性气体保护，充满氩气或氮气；

加工过程中，保护气装置向密封成型室内不断通入氮气或氩气，对成型的金属零件进行保护。