CN108274002A - 一种激光增材制造同步监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种增材制造同步监测系统，包括计算机、高速摄像机、3D打印机激光发射器及光电传感器；其中，所述高速摄像机安装支架安装于3D打印机激光发射器的一侧，光电传感器与高速摄像机连接后固定在3D打印机激光发射器上；机械手安装于3D打印机箱体内壁上，工作台安置于3D打印机激光发射器正下方，工作台的台面初始位置与高速摄像机镜头保持在同一水平面上，高速摄像机与计算机连接。该监测系统对增材制造过程进行精确监测，实时获得熔池的阴影形貌图像，解决了现有加工过程中不能全程动态监测熔池变化的问题，并能通过监测系统内拍摄器件与背光光源的合理选配，实现监测熔池的形貌。

Description

一种激光增材制造同步监测系统
技术领域
本发明涉及增材制造过程中对熔池形貌的实时监测，具体涉及一种增材制造同步监测系统。
背景技术
增材制造技术是通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料通过烧熔、烧结、挤压、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。目前，增材制造技术已成为金属零部件快速直接制造、失效金属零部件绿色再制造的重要方法之一，已广泛应用于石油、汽车、航空等各个领域。
增材制造技术由于金属构件激光成型过程中零件变形与开裂，内部缺陷和内部质量无法有效控制，导致其在国内尚未完全实现产业化。严重影响了金属零部件的质量和使用寿命。减少内部缺陷的产生是至今国内外研究者无法解决的一个难题，也是将增材制造技术产业化应用的障碍。随着现代技术的发展，在增材制造过程中加入现代监测控制技术，可以对激光成型过程进行全面客观的实时监测，从而保证成型过程的稳定，继而提高金属零部件的成型质量。
由于3D打印过程中发射的激光使金属粉末经历熔凝过程，其间发出高亮度辐射光，熔池正处于高亮白光的包围之中而被掩盖住，用通常的景物录摄像方式直接拍摄难以拍摄到熔池图像，更看不到其内部变化过程，为此，必须采用背光技术取像，设法削弱高亮度白光及采用背景光源的照明形式，造成熔池的阴影像效果，然后摄取该影像及其变化过程。
目前，国外增材制造过程中的监测技术主要是通过监测熔池温度、熔覆层厚度、熔池红外热成像等监测系统的信号来控制送粉速度、激光扫描速度、激光输出功率等工艺参数，从而保证成型金属零部件的加工质量。监测熔覆层厚度时由于熔覆层厚度较薄，很难精确的检测出来，并且检测装置结构过于复杂，对成型件的几何形状和激光扫描方式有较大的限制。对于确定材料的粉末而言，当激光功率达到一定值时，熔池中的金属熔液已达到热饱和，熔池温度的增加并不明显，监测熔池温度已不能得到有效反馈。红外热成像只能检测到不同表面温度熔池热影响区的分布情况，无法观测到熔池形貌和熔凝过程。这无疑会错过大量有用的熔凝过程的瞬间细节。因此，需要设计一种增材制造同步监测系统采用高清、高速动态过程监测来研究激光成型过程中熔池的形貌变化以及熔凝过程的细节，加入背光辅助技术和滤光系统获得更加清晰直观的图像。
发明内容
本发明的目的在于提供一种增材制造同步监测系统，能够对制造过程实时监测，并能为加工过程中熔池的变化对成型零件质量的影响做出进一步探索。本发明提出高速摄像机对增材制造过程的实时监测，通过对不同工艺参数下熔池形貌的实时记录，提供了一种增材制造同步监测系统来研究激光成型过程中熔池的形貌以及熔凝过程。实现对增材制造过程中内部缺陷的控制，从而提高成型质量，改善金属零部件的综合性能。并通过动态成像监测系统的光电传感器，触发高速摄像机在背光光源辅助下拍摄，并将每一帧拍摄的图像同步记录下来，利用高速摄像机变焦技术可将熔池动态阴影图像进行不同倍率放大，获得更加清晰的熔池形貌。
本发明通过如下技术方案实现：
一种增材制造同步监测系统，包括计算机1、高速摄像机2、3D打印机激光发射器6及光电传感器7；
其中，所述的高速摄像机2的镜头前分别加装滤光镜、带颜色的滤光片及保护镜片；所述高速摄像机2通过动态成像监测系统安装支架安装于3D打印机激光发射器6的一侧，光电传感器7与高速摄像机2连接后固定在3D打印机激光发射器6上，随3D打印机激光发射器6的激光头一同运动；机械手5安装于3D打印机箱体内壁上，夹持着3D打印机激光发射器6的激光头运动，工作台9安置于3D打印机激光发射器6正下方，工作台9的台面初始位置与高速摄像机2镜头保持在同一水平面上，高速摄像机2与计算机1连接。
进一步地，该系统还包括背光光源激光器8，所述高速摄像机2与背光光源激光器8通过动态成像监测系统安装支架安装于3D打印机激光发射器6的左右两侧，工作台9的台面初始位置与高速摄像机2及背光光源激光器8镜头保持在同一水平面上。
进一步地，所述的动态成像监测系统安装支架由可上下移动支架3和左右移动支架4组成，所述左右移动支架4通过螺栓固定在支架底座上，高速摄像机2和背光光源激光器8分别安装在3D打印机激光发射器6左右两侧的上下移动支架3的下端，并分别由调节螺栓进行上下、左右调节。
进一步地，所述的动态成像系统安装支架上下伸缩高度200mm，左右伸缩长度500mm。
进一步地，所述的高速摄像机2的拍摄频率在1500帧/s以上，拍摄时的图像分辨率为256×256像素以上。
进一步地，所述的高速摄像机2的拍摄频率为2000-5000帧/s。
进一步地，所述的带颜色的滤光片为红色的滤光片。
进一步地，所述的背光光源激光器8镜头前分别加装凹透镜一及凸透镜二。
进一步地，所述的滤光片的波长与背光光源激光器8发出的激光波长相同。
本发明的一种增材制造同步监测系统的工作原理如下：
由背光光源激光器8产生的激光作为平行光背光光源，背光光源所发出的光强度要超过熔池光在一定波长的强度，通过安装在背光光源前的凹透镜及凸透镜片将光斑直径较小的激光束扩展成为光斑直径较大的近似平行的光束，当扩展后的光束照射到熔池时，能够完全的把熔池投影到高速摄像机2中，高速摄像机2即可拍摄到带有背光的熔池图像。所述的动态成像监测系统可根据3D打印机加工参数的不同，选装合适的背光光源和高速摄像机2应用于送粉式3D打印机上。
在铺粉式3D打印机中将高速摄像机2固定在铺粉式3d打印机工作室内壁一侧，随着激光的加工产生高强度光，使与高速摄像机相连接的光电传感器产生触发和同步信号，自动触发高速摄像机2对熔池进行拍摄，镜头可自动对熔池进行追踪捕捉和对焦，高速摄像机镜头前需加装滤光片和保护镜片，可拍摄到加工过程中清晰的熔池形貌，实现对熔池的同步实时监测。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
本发明的监测系统对增材制造过程进行精确监测，实时获得熔池的阴影形貌图像，解决了现有加工过程中不能全程动态监测熔池变化的问题，并能通过监测系统内拍摄器件与背光光源的合理选配，实现监测熔池的形貌。
本监测系统为探究增材制造工艺参数对工件质量的影响提供了手段，监测结果对于揭示激光增材制造零件所形成的不同表面形貌和内部结构具有重要意义。本监测系统还可被广泛应用于多种3D打印机及激光熔覆设备，具有较高的科研价值和良好的商业化前景。
本监测系统结构简单，不受粉末材料和成型零部件形状的影响，该发明不仅会加速揭示增材制造缺陷的形成过程，还将填补国内在该方面监测系统研究的空白。
附图说明
图1为本发明应用于送粉式3D打印机上的整体结构示意图；
图2为本发明的送粉式3D打印机同步监测系统的结构示意图；
图3为本发明的送粉式3D打印机同步监测系统组成的光路示意图；
图4为本发明应用于铺粉式3D打印机上的整体外观结构示意图；
图中：计算机1、高速摄像机2、可上下移动支架3、左右移动支架4、机械手5、3D打印机激光发射器6、光电传感器7、背光光源激光器8、工作台9。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步地说明。
实施例1
本发明采用的零部件的技术参数如下：
高速摄像器件技术参数为：CMOS传感器，触发方式为手动、连续、同步、脉冲，操作环境为WindowsXP/7/10，分辨率800×600-1280×1024，摄像频率5000帧/s-100000帧/s，曝光时间在1μs-24ms范围内连续可调，变焦可达1倍-160倍，自动对焦，附件镜头，图像采集卡，专业驱动软件等；
滤光镜为波长632.8nm，半带宽为10nm的带通滤光片；带颜色的滤光片选装红色的滤光片；
背光光源激光器8选用氦氖激光器，型号为25LHP928-230，波长为632.8nm，额定功率35MW；
3D打印机激光发射器6的功率为2000W-15000W；
3D打印机型号为LDM8060送粉式金属3D打印机。
一种增材制造同步监测系统，包括计算机1、高速摄像机2、3D打印机激光发射器6、光电传感器7及背光光源激光器8；
其中，所述高速摄像机2与背光光源激光器8通过动态成像监测系统安装支架安装于3D打印机激光发射器6的左右两侧，光电传感器7与高速摄像机2连接后固定在3D打印机激光发射器6上，随3D打印机激光发射器6的激光头一同运动；机械手5安装于3D打印机箱体内壁上，夹持着3D打印机激光发射器6的激光头运动，工作台9安置于3D打印机激光发射器6正下方，工作台9的台面初始位置与高速摄像机2及背光光源激光器8镜头保持在同一水平面上，高速摄像机2与计算机1连接。
所述的动态成像监测系统安装支架由可上下移动支架3和左右移动支架4组成，所述左右移动支架4通过螺栓固定在支架底座上，高速摄像机2和背光光源激光器8分别安装在3D打印机激光发射器6左右两侧的上下移动支架3的下端，并分别由调节螺栓进行上下、左右调节。
所述的动态成像系统安装支架上下伸缩高度200mm，左右伸缩长度500mm。
所述的高速摄像机2的镜头前分别加装滤光镜、红色的滤光片及保护镜片。
所述的背光光源激光器8镜头前分别加装凹透镜及凸透镜。
所述的滤光片的波长与背光光源激光器8发出的激光波长相同。
由背光光源激光器8产生的激光作为平行光背光光源，背光光源所发出的光强度要超过熔池光在一定波长的强度，通过安装在背光光源前的凹透镜及凸透镜片将光斑直径较小的激光束扩展成为光斑直径较大的近似平行的光束，当扩展后的光束照射到熔池时，能够完全的把熔池投影到高速摄像机2中，高速摄像机2即可拍摄到带有背光的熔池图像。所述的动态成像监测系统可根据3D打印机加工参数的不同，选装合适的背光光源和高速摄像机2应用于送粉式3D打印机上。
在铺粉式3D打印机中将高速摄像机2固定在铺粉式3D打印机工作室内壁一侧，随着激光的加工产生高强度光，使与高速摄像机相连接的光电传感器产生触发和同步信号，自动触发高速摄像机2对熔池进行拍摄，镜头可自动对熔池进行追踪捕捉和对焦，高速摄像机镜头前需加装滤光片和保护镜片，可拍摄到加工过程中清晰的熔池形貌，实现对熔池的同步实时监测。

Claims (9)

1.一种增材制造同步监测系统，其特征在于，包括计算机(1)、高速摄像机(2)、3D打印机激光发射器(6)及光电传感器(7)；
其中，所述的高速摄像机(2)的镜头前分别加装滤光镜、带颜色的滤光片及保护镜片；所述高速摄像机(2)通过动态成像监测系统安装支架安装于3D打印机激光发射器(6)的一侧，光电传感器(7)与高速摄像机(2)连接后固定在3D打印机激光发射器(6)上，随3D打印机激光发射器(6)的激光头一同运动；机械手(5)安装于3D打印机箱体内壁上，夹持着3D打印机激光发射器(6)的激光头运动，工作台(9)安置于3D打印机激光发射器(6)正下方，工作台(9)的台面初始位置与高速摄像机(2)镜头保持在同一水平面上，高速摄像机(2)与计算机(1)连接。
2.如权利要求1所述的一种增材制造同步监测系统，其特征在于，该系统还包括背光光源激光器(8)，所述高速摄像机(2)与背光光源激光器(8)通过动态成像监测系统安装支架安装于3D打印机激光发射器(6)的左右两侧，工作台(9)的台面初始位置与高速摄像机(2)及背光光源激光器(8)镜头保持在同一水平面上。
3.如权利要求2所述的一种增材制造同步监测系统，其特征在于，所述的动态成像监测系统安装支架由可上下移动支架(3)和左右移动支架(4)组成，所述左右移动支架(4)通过螺栓固定在支架底座上，高速摄像机(2)和背光光源激光器(8)分别安装在3D打印机激光发射器(6)左右两侧的上下移动支架(3)的下端，并分别由调节螺栓进行上下、左右调节。
4.如权利要求1所述的一种增材制造同步监测系统，其特征在于，所述的动态成像系统安装支架上下伸缩高度200mm，左右伸缩长度500mm。
5.如权利要求1所述的一种增材制造同步监测系统，其特征在于，所述的高速摄像机(2)的拍摄频率在1500帧/s以上，拍摄时的图像分辨率为256×256像素以上。
6.如权利要求(1)所述的一种增材制造同步监测系统，其特征在于，所述的高速摄像机(2)的拍摄频率为2000-5000帧/s。
7.如权利要求1所述的一种增材制造同步监测系统，其特征在于，所述的带颜色的滤光片为红色的滤光片。
8.如权利要求2所述的一种增材制造同步监测系统，其特征在于，所述的背光光源激光器(8)镜头前分别加装凹透镜一及凸透镜二。
9.如权利要求2所述的一种增材制造同步监测系统，其特征在于，所述的滤光片的波长与背光光源激光器(8)发出的激光波长相同。
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