CN107402044B - 一种金属增材制造构件质量在线无损检测系统及方法 - Google Patents

一种金属增材制造构件质量在线无损检测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种金属增材制造构件质量在线无损检测系统及其方法,属于在线无损检测领域,其包括移动检测车、导轨、在线信号检测模块和控制系统,移动检测车车身设置有立柱,立柱上活动连接有导轨,导轨上活动连接有在线信号检测模块,在线信号检测模块中集成有多个探头,其包括用于进行成分、缺陷、变形、应力、尺寸精度和表面粗糙度检测的探头,检测时探头可嵌入送料式增材制造装备的3D打印头中或者固定于移动检测车上,多个探头均与控制系统信号连接。本发明还提供了以上系统进行在线无损检测的方法。本发明系统和方法适用性广、扩展性强,可实现现场或者远程的送料式金属增材制造过程的在线检测。

Description

一种金属增材制造构件质量在线无损检测系统及方法
技术领域
本发明涉及一种适用于送料式金属增材制造构件质量在线无损检测的系统及方法,具体涉及构件成分、缺陷、变形、应力、尺寸精度和表面粗糙度等的在线无损检测,属于在线无损检测领域。
背景技术
增材制造技术(Additive manufacturing),又称3D打印技术,是一种基于分层制造、层层叠加成形原理,由零件三维CAD数据进行“增材”式加工的高端数字化制造技术。该技术突破了现有制造技术对构件形状的限制,能够实现功能-结构-制造的一体化,大幅简化复杂精密构件的制造工艺,极大提高构件质量与性能。
对于金属增材制造技术而言,根据送料方式的不同分为铺粉式和送料式(送粉或送丝)两种。其中,送料式金属增材制造技术是将高能束3D打印头与数控机床相结合,利用聚焦高能束将同步送入的金属粉末或金属丝熔化,通过控制工作台在XY平面依规划轨迹移动实现零部件的单层制造。在完成一个单层的制造后,Z向上升或下降一个切片层的距离,然后重复前一过程,层层叠加直到实现整个零部件的三维成型。可见,由于与数控机床有机结合,送料式金属增材制造装备简单,成形尺寸跨度大,沉积效率高,经济性良好,可以快速高效制造出大型复杂的金属构件。因此,送料式金属增材制造技术是解决航空航天、武器装备、模具成型等诸多领域中大型复杂构件整体化制造的重要方法。
但是,由于采用高能束作为热源、单次制造时间长,送料式金属增材制造技术在成形过程中通常伴随着元素烧损、成分偏析、缺陷(气孔、裂纹、未熔合等)和构件变形等诸多问题。这使得成形构件的质量稳定性和可靠性均无法保证,成形件也受到应用单位的质疑而无法大规模推广应用。特别的是,送料式金属增材制造技术通常用来成形大尺寸难加工的金属构件,加工时间较长,因而构件质量在线无损检测需求更为突出。
现有的事后离线检测技术存在滞后性且无法在出现质量问题时及时干预,难以完全确保构件的制造质量,因而报废率高,加工成本高,并造成巨大的浪费。而针对金属增材制造构件质量的在线检测难题,公开号为CN105834423A、CN106018288A专利申请等提供了一些思路。但是这些方法均局限于单项检测对象的在线信号采集,不能综合检测反映成形构件的质量信息,而且这些方法仅适用于特定一种金属增材制造装备,不具备扩展性、通用性和广泛性。
因此,现有检测技术无法满足航空航天等重要领域对送料式金属增材制造的关键和重要构件的质量控制要求,开发一种适用于送料式金属增材制造构件质量在线无损检测的系统及方法,变得尤为迫切和重要。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求,本发明提供了一种适用于送料式金属增材制造构件质量在线无损检测的系统及方法,旨在为送料式金属增材制造构件质量的全流程监控提供检测方法和手段,推动金属增材制造技术的应用。同时,本发明系统和方法适用性广、扩展性强,可实现现场或者远程的送料式金属增材制造过程的成分、缺陷、变形、应力、尺寸精度和表面粗糙度等的在线检测。
为实现上述目的,按照本发明的一个方面,提供了一种金属增材制造构件质量在线无损检测系统,其包括移动检测车、导轨、在线信号检测模块和控制系统,其中,
移动检测车底部设置有滚轮,用于移动检测装备,实现检测装备的现场或远程的放置,车身设置有立柱,立柱上活动连接有导轨,导轨能沿着立柱上下移动,
导轨上活动连接有在线信号检测模块,在线信号检测模块能沿着导轨移动,
在线信号检测模块中集成有多个探头,其包括用于进行成分、缺陷、变形、应力、尺寸精度和表面粗糙度检测的探头,
多个探头均与控制系统信号连接,以将探测到的关于成分、缺陷、变形、应力、尺寸精度和表面粗糙度的信号传输至控制系统,控制系统集成了各类检测设备的软、硬件组件,控制系统用于根据收到的关于成分、缺陷、变形、应力、尺寸精度和表面粗糙度的信号分析处理获得对应的检测结果,控制系统能与外界送料式金属增材制造装备通信,外界送料式金属增材制造装备根据控制系统反馈的相应检测结果发出适应性控制指令。
以上发明构思中,探头在工作状态下可由导轨上自由取下安装于送料式金属增材制造装备中3D打印头上,在成形现场近距离实时采集信号;或者工作状态下仍固定于导轨上,跟随移动检测车移动,在构件成形过程现场或者远程实时采集信号。
进一步的,导轨的形状为矩形、弧形或者圆形或者其它任意形状。
进一步的,用于成分检测的探头选自激光诱导击穿光谱探头、激光诱导等离子体光谱探头;用于缺陷检测的探头选自高速相机、工业相机、红外测温探头、X射线检测探头、红外热像仪探头、激光干涉仪、超声探头、红外传感器、永磁扰动检测传感器;用于变形检测的探头选自超声探头、三维光学变形测量仪、激光-超声探头;用于应力检测的探头选自X射线应力检测探头、超声探头;用于尺寸精度检测的探头选自激光测距仪探头、接触式触发探头、CCD探头、尺寸视觉传感器、位移传感器;用于表面粗糙度检测的探头选自轮廓仪探头、圆度仪探头、共焦位移计。
进一步的,工作时,将移动检测车整体移动至待检测区域,取下移动式探头,自由安装放置于不同种类增材制造装备的3D打印头上相应的探头接口内,边进行3D打印边进行相应检测,实现对送粉或送丝等不同类型送料式增材制造成形构件的质量在线检测。
进一步的,若干个探头相互独立在导轨上排列,探头在导轨上沿着导轨的轮廓进行直线或者弧线移动。
进一步的,多个探头集中构成一个探头组,多个探头组在导轨上排列,探头组在导轨上沿着导轨的轮廓进行直线或者弧线移动。
进一步的,多个探头构成一个探头组,数个探头和数个探头组在导轨上排列,探头和探头组相互独立,均能在导轨上沿着导轨的轮廓进行直线或者弧线移动。
按照本发明的另一方面,提供了一种采用如上所述在线无损检测系统进行在线无损检测的方法,其特征在于,其包括如下步骤:
第1步,将移动检测车移至待检区域,根据不同检测需求探头有不同工作方式:可将信号检测模块中的移动式探头全部安装于3D打印头上的相应探头接口内进行检测、或者直接调整固定式探头在导轨上的位置进行检测、又或者将移动式探头安装于3D打印头上的相应探头接口内,同时调整固定式探头在导轨上的位置共同完成检测;
第2步,外界送料式金属增材制造装备处理金属构件CAD模型,并依据模型切片轮廓信息控制能量源在基板上成形构件的单层轮廓;
第3步,在金属增材制造过程中,处于工作状态下的探头首先同步逐点采集成形熔池的成分、缺陷、变形、应力、尺寸精度和表面粗糙度信号,
随后,当前层沉积完毕后,采集成形构件成分、缺陷、变形、应力、尺寸精度和表面粗糙度的相关信号,并将该相关信号传输至控制系统;
第4步,控制系统对采集到的信号进行对比、分析和处理,获得成形构件的成分、缺陷、变形、应力、尺寸精度和表面粗糙度的实际信息,
同时,控制系统将所获得的实际信息反馈至外界送料式金属增材制造装备,外界送料式金属增材制造装备对成形过程进行调控或干预;
第5步,重复第2~4步,直至完成整个构件的制造及同步质量检测;
第6步,取下送料式金属增材制造装备中3D打印头上相应探头接口的探头,放置于移动检测车上导轨内的在线信号检测模块中。
总体而言,通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比,能够取得下列有益效果:
1.本发明在现有送料式金属增材装备上集成成分、缺陷、变形、应力、尺寸精度和表面粗糙度等信号的检测探头,实现对不同材料、尺寸、形状和结构金属构件质量的在线无损检测,为关键和重要增材制造构件的质量保证和监控提供完备的检测装备。
2、本发明的系统灵活,适应性强,广泛通用,一套检测系统便可扩展装配到送粉/送丝等多种不同类型的送料式增材制造装备中,有效降低检测装备的数量和成本。
3.本发明能实时掌握送料式金属增材制造过程的构件质量状况,边进行增材制造边进行质量检测,在发现质量问题后,可及时采取相关措施补救,避免了构件成形完成后因质量不合格而报废,降低了构件制造成本,并保证增材制造金属构件的高质量和高可靠性,消除应用单位对成形构件质量的质疑,促进增材制造技术在我国各个重大领域中的实际应用。
4.本发明的检测系统和方法可以为其它增材制造技术成形构件的质量检测需求提供全新的思路和方向,推进类似领域质量检测难题的解决。
5.本发明提供的检测系统还能推广应用到焊接、熔覆、表面处理等其他先进制造领域中,带动相关行业的发展,从而拓展我国高端制造业的应用范围和空间。
附图说明
图1是本发明实施例中一种适用于送料式金属增材制造构件质量在线无损检测系统的结构示意图;
图2是本发明实施例中独立模式下导轨和探头的第一种具体实现方式的结构示意图;
图3是本发明实施例中独立模式下导轨和探头的第二种具体实现方式的结构示意图;
图4是本发明实施例中独立模式下导轨和探头的第三种具体实现方式的结构示意图;
图5是本发明实施例中组合模式下导轨和探头的一种具体实现方式的结构示意图;
图6是本发明实施例中混合模式下导轨和探头的又一种具体实现方式的结构示意图;
图7是本发明实施例中送丝式金属增材制造构件质量在线无损检测系统的一种具体实施方式结构示意图;
图8是本发明实施例中套筒类探头夹具的一种具体实现方式结构示意图;
图9是本发明实施例中支架类探头夹具的一种具体实现方式结构示意图;
图10是本发明实施例中送粉式金属增材制造构件质量在线无损检测系统的第一种具体实施方式结构示意图;
图11是本发明实施例中送粉3D打印头的一种具体实现方式结构示意图;
图12是本发明实施例中送粉式金属增材制造构件质量在线无损检测系统的第二种具体实施方式结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示,本发明实例提供的一种适用于送料式金属增材制造构件质量在线无损检测系统,其特征在于,该系统包括移动检测车1、导轨2、在线信号检测模块3和控制系统4。
移动检测车1上安装有导轨2,导轨2可为矩形、弧形、圆形或者其它任意形状。导轨2上安装有在线信号检测模块3,在线信号检测模块3在导轨2上能水平移动或者圆周移动,导轨2能带动在线信号检测模块3在移动检测车1上垂直移动;控制系统4通过光纤5与在线信号检测模块3连接。控制系统4集成了各类检测设备的软、硬件组件,控制系统4能与外界金属增材制造设备通信,控制系统4可以放置于检测区域周围或者远程区域,在构件成形过程中实现现场或者远程实时控制检测过程。
上述结构中,在线信号检测模块3由一个或多个探头组成。根据所检测信号的类型,探头可以分为成分检测探头、缺陷检测探头、变形检测探头、应力检测探头、尺寸精度检测探头和表面粗糙度检测探头等。其中,成分检测探头可以为激光诱导击穿光谱(LIBS)探头、激光诱导等离子体光谱(LIPS)探头等成分信号在线检测装置;缺陷检测探头可以为高速相机、工业相机、红外测温探头、X射线检测探头、红外热像仪探头、激光干涉仪、超声探头、红外传感器、永磁扰动检测传感器等缺陷信号在线检测装置;变形检测探头可以为超声探头、三维光学变形测量仪、激光-超声探头等变形信号在线检测装置;应力检测探头可以为X射线应力检测探头、超声探头等应力信号在线检测装置;尺寸精度检测探头可以为激光测距仪探头、接触式触发探头、CCD探头、尺寸视觉传感器、位移传感器等尺寸精度在线检测装置;表面粗糙度检测探头可以为轮廓仪探头、圆度仪探头、共焦位移计等表面粗糙度在线检测装置。
根据工作状态下与移动检测车1的相对位置,探头又可以分为两种,一种为移动式探头,即工作状态下可由导轨2上自由取下放置于送料式金属增材制造装备中3D打印头上相应的探头接口内,在构件成形现场近距离实时采集信号;另一种为固定式探头,即工作状态下仍固定于导轨2上,跟随移动检测车1移动,在构件成形过程现场或者远程实时采集信号。
为了提高检测的精度、准确性和尺寸范围,可以同时采用多种不同类型探头分别进行不同对象的检测(例如同时采用LIBS探头、高速相机探头和超声探头分别进行成分、缺陷和变形的检测),也可以采用多种不同类型探头进行同一对象的检测(例如同时采用LIBS探头和激光诱导等离子体光谱探头进行成分的检测),也可以采用多个同种类型的探头进行同一对象的检测(例如同时采用多个LIBS探头进行成分的检测)。所选用的探头类型和数量可依据在线信号检测模块的结构设计要求所决定。
根据构件的不同检测需求,多个探头之间可以采用独立模式、组合模式或者上述两者的混合模式在导轨2上进行布局。图2~图6分别给出了独立模式、组合模式和混合模式下导轨2和探头的设计示意图,但本发明并不局限于这些示意图所描述的结构。此处仅说明探头之间的相对位置,并未限定探头类型,探头6即可为移动式探头或固定式探头,也可为不同类型检测信号的探头。不同的分布模式,对于设备其他结构的运动过程不产生影响,在此不再赘述。
图2~图4给出独立模式下导轨2和探头6的三种具体实现方式的俯视图。若干个探头6独立地在矩形、弧形和圆形导轨2上排列,探头6在导轨2上水平或者圆周移动。
图5给出了组合模式下导轨2和探头6的一种具体实现方式的俯视图。2个或者多个探头6构成一个探头组,多个探头组在导轨2上排列,探头组在导轨2上水平或者圆周移动。任一探头组在导轨2上移动时,该探头组内的多个探头6均同时移动。
图6给出了混合模式下导轨2和探头6的一种具体实现方式的俯视图。2个或者多个探头6构成一个探头组,数个探头6和数个探头组在导轨2上排列,并可在导轨2上水平或者圆周移动。
图2至图6中,探头6的数量均为数个,其中,包括探头6、第二探头6ˊ、第三探头6〞,依次类推,根据实际需要,可设置多个探头。
利用上述检测系统,本发明还提供了一种适用于送料式金属增材制造构件质量在线无损检测的方法,该方法包括如下步骤:
第1步,将移动检测车1移动至待检测区域,根据不同检测需求探头有不同工作方式:可将导轨2上信号检测模块3中的移动式探头全部安装于3D打印头上的相应探头接口内进行检测、或者直接调整固定式探头在导轨上的位置进行检测、又或者将移动式探头安装于3D打印头上的相应探头接口内,同时调整固定式探头在导轨上的位置共同完成检测;
第2步,外界送料式金属增材制造装备处理金属构件CAD模型,并依据模型切片轮廓信息控制能量源在基板上成形构件的单层轮廓;
第3步,在金属增材制造过程中,处于工作状态下的探头首先同步逐点采集成形熔池的成分、缺陷等相关信号,随后当前层沉积完毕后,采集成形构件成分、缺陷、变形、应力、尺寸精度和表面粗糙度等相关信号,并将这些信号通过光纤5传输至控制系统4;
第4步,控制系统4对采集到的信号进行对比、分析和处理,获得成形构件的成分、缺陷、变形、应力、尺寸精度和表面粗糙度等信息。同时,控制系统4将获得的实际信息实时反馈至外界送料式金属增材制造装备,外界送料式金属增材制造装备对成形过程进行调控或干预;
第5步,重复第2~4步,直至完成整个构件的制造及同步质量检测;
第6步,检测完毕后,从送料式金属增材制造装备3D打印头上相应探头接口中取下移动式探头,分别放置于移动检测车1上导轨2上。
实施例1:
一种适用于送丝式金属增材制造构件质量在线无损检测的系统及方法,包括以下装置及步骤。
如图7所示,本发明实例包括移动检测车1、导轨2、控制系统4、光纤5、移动式探头接口7、固定式探头8、移动式探头14、送丝3D打印头9、探头夹具10、成形件11、能量源12、基板13。
本实例中包含了固定式探头8和移动式探头14两种类型,两种类型探头的数量依据实际检测需要而定。固定式探头8在导轨2上水平或者圆周移动,移动式探头14安装于移动式探头接口7中,移动式探头接口7在导轨2上水平或者圆周移动,导轨2在移动检测车1上垂直移动。送丝3D打印头9位于基板13上方,探头夹具10安装于送丝3D打印头9上,探头夹具10用于安装移动式探头14。能量源12从送丝3D打印头9的中心穿过并聚集于基板13上,能量源可为激光束、电子束、等离子束、电弧或上述的复合能量束等。
本实施例中,与移动式探头14结构类似的还有第二移动式探头14ˊ以及第三移动式探头14〞。移动式探头14、第二移动式探头14ˊ、第三移动式探头14〞均设置在探头夹具10上。固定式探头具有两个,分别为固定式探头8和第二固定式探头8ˊ。固定式探头8和第二固定式探头8ˊ均固定导轨2上。
探头夹具10可为套筒类、支架类等夹具类型。图8和图9分别给出了套筒类、支架类探头夹具的两种具体实现方式结构示意图。探头夹具10与送丝3D打印头9同轴,探头夹具10内设计多个探头接口15,在图8和图9中,探头接口均为三个,分别为探头接口15、第二探头接口15ˊ以及第三探头接口15〞。每个探头接口内可安装一个移动式探头14,探头接口的数量可依据实际检测需求而定。为了保证采集过程的精准性,多个探头接口15位于同一圆周线上。
利用图7,一种适用于送丝式金属增材制造构件质量在线无损检测方法可分为以下步骤:
(1)取下移动式探头接口7中的移动式探头,分别安装于送丝式金属增材制造装备中送丝3D打印头9上探头夹具10相应的探头接口中,调整固定式探头8在导轨2上的位置以备检测;
(2)外界送料式金属增材制造装备处理金属构件CAD模型,并依据模型切片轮廓信息控制送丝3D打印头9内能量源12在基板13上成形构件11的单层轮廓;
(3)在金属增材制造成形过程中,探头夹具10内的移动式探头和导轨2上的固定式探头8首先同步逐点采集成形熔池的成分、缺陷等相关信号,随后当前层沉积完毕后,采集成形构件成分、缺陷、变形、应力、尺寸精度和表面粗糙度等相关信号。光纤5将采集到的信号传输至控制系统4;
(4)控制系统4对采集到的信号进行检测和处理,获得成形构件的成分、缺陷、变形、应力、尺寸精度和表面粗糙度等信息。同时,控制系统4将获得的实际信息实时反馈至外界送料式金属增材制造装备,外界送料式金属增材制造装备对成形过程进行调控或干预。
(5)重复第2~4步,直至完成整个构件的制造与同步质量检测。
(6)检测完毕后,从探头夹具10内取下移动式探头,分别放置于移动检测车1上导轨2上的移动式探头接口7中。
实施例2
一种适用于送粉式金属增材制造构件质量在线无损检测的系统和方法,包括以下装置及步骤。
如图10所示,本发明实例包括移动检测车1、导轨2、控制系统4、光纤5、移动式探头接口7、固定式探头8、移动式探头14、送粉3D打印头17、粉末喷嘴16、成形件11、能量源12和基板13。
本实例中包含了固定式探头8和移动式探头14两种类型,两种类型探头的数量依据实际检测需要而定。固定式探头8在导轨2上水平或者圆周移动,移动式探头14安装于移动式探头接口7中,移动式探头接口7在固定式探头8和第二固定式探头8ˊ或者圆周移动,导轨2在移动检测车1上垂直移动。送粉3D打印头17位于基板13上方。送粉3D打印头17发出的能量源12聚集于基板13上,熔化粉末喷嘴16喷出的金属粉末,成形构件11的单层轮廓。能量源可为激光束、电子束、等离子束、电弧或上述的复合能量束等。
图10中,与移动式探头14结构类似的还有第二移动式探头14ˊ以及第三移动式探头14〞。移动式探头14、第二移动式探头14ˊ、第三移动式探头14〞和送粉喷嘴16位于同一圆周线上。固定式探头具有两个,分别为固定式探头8和第二固定式探头8ˊ。固定式探头8和第二固定式探头8ˊ均固定导轨2上。
图11为送粉3D打印头的一种具体实现方式的结构示意图。送粉3D打印头17设置有数个送粉喷嘴16和数个探头接口15,每个探头接口15内可安装一个移动式探头14,探头接口15的数量依据实际检测需求而定。在本实施例中,探头接口的数量譬如为三个,分别为探头接口15、第二探头接口15ˊ以及第三探头接口15〞。为了保证采集过程的精准性,探头接口15和送粉喷嘴16位于同一圆周线上。在上述结构中,依据实际设计和使用要求,送粉3D打印头17上可以增设水冷接口等其它装置。
利用图10装置,一种适用于送粉式金属增材制造构件质量在线无损检测方法可分为以下步骤:
(1)取下移动式探头接口7中的移动式探头,分别安装于送粉式金属增材制造装备中送粉3D打印头17上相应的探头接口内,调整固定式探头8在导轨2上的位置以备检测;
(2)外界送料式金属增材制造装备处理金属构件CAD模型,并依据模型切片轮廓信息控制送粉3D打印头17内能量源12,在基板13上熔化粉末喷嘴16喷出的金属粉末,成形构件11的单层轮廓;
(3)在金属增材制造成形过程中,送粉3D打印头17内的移动式探头和导轨2上的固定式探头8首先同步逐点采集成形熔池的成分、缺陷等相关信号,随后当前层沉积完毕后,采集成形构件成分、缺陷、变形、应力、尺寸精度和表面粗糙度等相关信号。光纤5将采集到的信号传输至控制系统4;
(4)控制系统4对采集到的信号进行检测和处理,获得成形构件的成分、缺陷、变形、应力、尺寸精度和表面粗糙度等信息。同时,控制系统4将获得的实际信息实时反馈至外界送料式金属增材制造装备,外界送料式金属增材制造装备对成形过程进行调控或干预。
(5)重复第2~4步,直至完成整个构件的制造与同步质量检测。
(6)检测完毕后,从送粉3D打印头17内取下移动式探头,分别放置于移动检测车1上导轨2上的移动式探头接口7中。
实施例3
一种适用于送粉式金属增材制造构件质量在线无损检测的系统和方法,包括以下装置及步骤。
如图12所示,本发明实例包括移动检测车1、导轨2、控制系统4、光纤5、移动式探头接口7、移动式探头14、送粉3D打印头17、粉末喷嘴16、成形件11、能量源12和基板13。
本实例中仅包含了移动式探头14一种类型,移动式探头14的数量依据实际检测需求而定。移动式探头14安装于移动式探头接口7中,移动式探头接口7在导轨2上水平或者圆周移动,导轨2在移动检测车1上垂直移动。送粉3D打印头17位于基板13上方,送粉3D打印头17发出的能量源12聚集于基板13上,熔化粉末喷嘴16喷出的金属粉末,成形构件11的单层轮廓。能量源可为激光束、电子束、等离子束、电弧或上述的复合能量束等。
送粉3D打印头17可安装数个送粉喷嘴16和数个移动式探头。为了保证采集过程的精准性,移动式探头和送粉喷嘴16位于同一圆周线上。在上述结构中,依据实际设计和使用要求,送粉3D打印头17上可以增设水冷接口等其它装置。
本实施例中,与移动式探头14结构类似的还有第二移动式探头14ˊ以及第三移动式探头14〞。移动式探头14、第二移动式探头14ˊ、第三移动式探头14〞和送粉喷嘴16位于同一圆周线上。
利用图12,一种适用于送粉式金属增材制造构件质量在线无损检测方法可分为以下步骤:
(1)取下移动式探头接口7中的移动式探头,分别安装于送粉式金属增材制造装备中送粉3D打印头17上相应的探头接口内;
(2)外界送料式金属增材制造装备处理金属构件CAD模型,并依据模型切片轮廓信息控制送粉3D打印头17内能量源12,在基板13上熔化粉末喷嘴16喷出的金属粉末,成形构件11的单层轮廓;
(3)在金属增材制造成形过程中,送粉3D打印头17内的移动式探头首先同步逐点采集成形熔池的成分、缺陷等相关信号,随后当前层沉积完毕后,采集成形构件成分、缺陷、变形、应力、尺寸精度和表面粗糙度等相关信号。光纤5将采集到的信号传输至控制系统4;
(4)控制系统4对采集到的信号进行检测和处理,获得成形构件的成分、缺陷、变形、应力、尺寸精度和表面粗糙度等信息。同时,控制系统4将获得的实际信息实时反馈至外界送料式金属增材制造装备,外界送料式金属增材制造装备对成形过程进行调控或干预。
(5)重复第2~4步,直至完成整个构件的制造与同步质量检测。
(6)检测完毕后,从送粉3D打印头17内取下移动式探头14,分别放置于移动检测车1上导轨2上的移动式探头接口7中。
本发明中的一种适用于送料式金属增材制造构件质量在线无损检测的系统主要包括移动检测车、导轨、在线信号检测模块和控制系统等部分。本发明的在线信号检测模块集成分、缺陷、变形、应力、尺寸精度和表面粗糙度等检测探头于一体,检测时可嵌入送料式增材制造装备的3D打印头中或者安装于移动检测车上,实现对送料式增材制造成形构件成分、缺陷、变形、应力、尺寸精度和表面粗糙度等的现场或远程地在线无损检测,避免构件成形完成后因质量问题导致不合格,可降低制造成本,还可提高送料式增材制造过程的可靠性、稳定性和生产效率。
本领域的技术人员容易理解,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、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种金属增材制造构件质量在线无损检测系统,其特征在于,其包括移动检测车(1)、导轨(2)、在线信号检测模块(3)和控制系统(4),其中,
移动检测车(1)底部设置有滚轮,车身设置有立柱,立柱上活动连接有导轨(2),导轨(2)能沿着立柱上下移动,
导轨(2)上活动连接有在线信号检测模块(3),在线信号检测模块(3)能沿着导轨移动,
在线信号检测模块(3)中集成有多个探头,其包括用于进行成分、缺陷、变形、应力、尺寸精度和表面粗糙度检测探头的一种或几种的任意组合,
多个探头均与控制系统(4)信号连接,以将探测到的关于成分、缺陷、变形、应力、尺寸精度和表面粗糙度的信号传输至控制系统(4),控制系统(4)用于根据收到的关于成分、缺陷、变形、应力、尺寸精度和表面粗糙度的信号分析处理获得对应的检测结果,控制系统(4)能与外界送料式金属增材制造装备通信,以使外界送料式金属增材制造装备根据控制系统(4)反馈的相应检测结果发出适应性控制增材制造的指令,
其中,用于成分检测的探头选自激光诱导击穿光谱探头、激光诱导等离子体光谱探头,
用于缺陷检测的探头选自高速相机、工业相机、红外测温探头、X射线检测探头、红外热像仪探头、激光干涉仪、超声探头、红外传感器、永磁扰动检测传感器,
用于变形检测的探头选自超声探头、三维光学变形测量仪、激光-超声探头,
用于应力检测的探头选自X射线应力检测探头、超声探头,
用于尺寸精度检测的探头选自激光测距仪探头、接触式触发探头、CCD探头、尺寸视觉传感器、位移传感器,
用于表面粗糙度检测的探头选自轮廓仪探头、圆度仪探头、共焦位移计。
2.如权利要求1所述的一种金属增材制造构件质量在线无损检测系统,其特征在于,导轨(2)的形状为矩形、弧形或者圆形。
3.如权利要求2所述的一种金属增材制造构件质量在线无损检测系统,其特征在于,根据工作状态下探头与移动检测车的相对位置,探头分为两种,一种为移动式探头,工作状态下可由导轨上自由取下放置于送料式金属增材制造装备中3D打印头上相应的探头接口内,在构件成形现场近距离实时采集信号;
另一种为固定式探头,工作状态下仍固定于导轨上,跟随移动检测车移动,在构件成形过程现场或者远程实时采集信号。
4.如权利要求2所述的一种金属增材制造构件质量在线无损检测系统,其特征在于,工作时,将移动检测车(1)整体移动至待检测区域,取下移动式探头,自由安装放置于不同种类增材制造装备的3D打印头上相应的探头接口内,边进行3D打印边进行相应检测,实现对送粉或送丝不同类型送料式增材制造成形构件的质量在线检测。
5.如权利要求2-4之一所述的一种金属增材制造构件质量在线无损检测系统,其特征在于,若干个探头相互独立在导轨(2)上排列,探头在导轨(2)上沿着导轨(2)轮廓进行直线或者弧线移动。
6.如权利要求2-4之一所述的一种金属增材制造构件质量在线无损检测系统,其特征在于,多个探头集中构成一个探头组,多个探头组在导轨(2)上排列,探头组在导轨(2)上沿着导轨(2)的轮廓进行直线或者弧线移动。
7.如权利要求2-4之一所述的一种金属增材制造构件质量在线无损检测系统,其特征在于,多个探头构成一个探头组,数个探头和数个探头组在导轨(2)上排列,探头和探头组相互独立,均能在导轨(2)上沿着导轨的轮廓进行直线或者弧线移动。
8.一种采用如权利要求1-7之一所述在线无损检测系统进行在线无损检测的方法,其特征在于,其包括如下步骤:
第1步,将移动检测车移至待检区域,根据不同检测需求,探头的设置方式包括如下三种:
将信号检测模块中的移动式探头全部安装于3D打印头上的相应探头接口内,或者
直接调整固定在信号检测模块中的探头在导轨上的位置,又或者
将移动式探头安装于3D打印头上的相应探头接口内,同时直接调整固定在信号检测模块中的探头在导轨上的位置,以共同完成检测;
第2步,外界送料式金属增材制造装备处理金属构件CAD模型,并依据模型切片轮廓信息控制能量源在基板上成形构件的单层轮廓;
第3步,在金属增材制造过程中,处于工作状态下的探头同步逐点采集成形熔池的成分、缺陷、变形、应力、尺寸精度和表面粗糙度信号,并将该信号传输至控制系统,
随后,当前层沉积完毕后,采集成形构件成分、缺陷、变形、应力、尺寸精度和表面粗糙度的相关信号,并将该相关信号传输至控制系统;
第4步,控制系统对采集到的信号进行对比、分析和处理,获得成形构件的成分、缺陷、变形、应力、尺寸精度和表面粗糙度的实际信息,
同时,控制系统将所获得的实际信息反馈至外界送料式金属增材制造装备,外界送料式金属增材制造装备对成形过程进行调控或干预;
第5步,重复第2~4步,直至完成整个构件的制造及同步质量检测;
第6步,取下送料式金属增材制造装备中3D打印头上相应探头接口的探头,放置于移动检测车上导轨内的在线信号检测模块中。
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