CN108788153A - 一种激光选区熔化加工过程实时质量监控装置及方法 - Google Patents

一种激光选区熔化加工过程实时质量监控装置及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN108788153A
CN108788153A CN201810983442.0A CN201810983442A CN108788153A CN 108788153 A CN108788153 A CN 108788153A CN 201810983442 A CN201810983442 A CN 201810983442A CN 108788153 A CN108788153 A CN 108788153A
Authority
CN
China
Prior art keywords
image procossing
high speed
camera
photodiode
melt
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201810983442.0A
Other languages
English (en)
Inventor
成星
周鑫
胡金海
贺轩
贺一轩
高赟
李小涛
张咪咪
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xi'an Intelligent Manufacturing Enterprise Management Partnership LP
Original Assignee
Xi'an Air Energy Power Intelligent Manufacturing Research Institute Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xi'an Air Energy Power Intelligent Manufacturing Research Institute Co Ltd filed Critical Xi'an Air Energy Power Intelligent Manufacturing Research Institute Co Ltd
Priority to CN201810983442.0A priority Critical patent/CN108788153A/zh
Publication of CN108788153A publication Critical patent/CN108788153A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/20—Direct sintering or melting
    • B22F10/28—Powder bed fusion, e.g. selective laser melting [SLM] or electron beam melting [EBM]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/30—Process control
    • B22F10/38—Process control to achieve specific product aspects, e.g. surface smoothness, density, porosity or hollow structures
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/40—Radiation means
    • B22F12/41—Radiation means characterised by the type, e.g. laser or electron beam
    • B22F12/42—Light-emitting diodes [LED]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/40—Radiation means
    • B22F12/49—Scanners
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/90—Means for process control, e.g. cameras or sensors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/003—Apparatus, e.g. furnaces
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y50/00—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
    • B33Y50/02—Data acquisition or data processing for additive manufacturing for controlling or regulating additive manufacturing processes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Abstract

本发明公开了一种激光选区熔化加工过程实时质量监控装置及方法，本发明综合利用工业相机、红外热像仪、高速相机和光电二极管等非接触测量手段的优势，形成一套完整的监控方法。通过离轴在线监测装置与同轴在线监测装置相结合的在线监测方法，既能捕捉打印工作平面的工况，又能采集实时的熔池数据。不仅可以从微观监控金属粉末的熔化与凝固过程，又可以从宏观监控打印机系统和工件逐层质量。采用工业相机监测粉床缺陷与打印缺陷，红外热像仪追踪扫描路径并捕捉热应力；高速相机观察熔池的几何形貌，光电二极管捕捉熔池的辐射强度。将这些工艺标记与打印工艺参数对应起来，能够更有效地实现激光选区熔化加工过程的在线监控。

Description

一种激光选区熔化加工过程实时质量监控装置及方法
技术领域
本发明属于增材制造领域，具体涉及一种激光选区熔化加工过程实时质量监控装置及方法。
背景技术
激光选区熔化技术是以原型制造技术为基本原理发展起来的一种先进的激光增材制造技术。通过专用软件对零件三维数模进行切片分层，获得各截面的轮廓数据后，利用高能量激光束根据轮廓数据逐层选择性地熔化金属粉末，通过逐层铺粉，逐层熔化凝固堆积的方式，制造三维实体零件。
激光选区熔化属“个性化”加工方式，稳定一致的原材料粉体供应难以保证，过程中可影响部件质量的参数众多(设备、气氛、预热、粉体等)，因而部件难以实现一致的、可重复的微观组织结构和力学性能，存在随机缺陷、变形和合金成分变化等难题。事实上，目前制约增材制造技术发展的一个最大的障碍，就是打印制品质量如何保证这一问题。该问题已经成为制约3D打印广泛应用的关键所在。而解决这一问题最有效的手段即是打印过程实时在线监测，并进行闭环反馈控制。
近些年，研究人员开始尝试利用工业相机借助机器视觉技术对铺粉缺陷监测进行研究，利用红外热像仪对打印热场热应力进行分析，利用光电二极管和高速相机监测熔池；或者采用双色测温计捕捉熔池区域。然而，这些现有的技术具体使用时都存在局限性。单纯工业相机只能在铺粉时监测铺粉平整度信息捕捉铺粉缺陷或打印后观察球化现象，红外热像仪观察缺陷往往受限于分辨率；双色测温计受限于视场和采集速率，无法往闭环控制发展；此外，单独采用同轴光路监测熔池时则只能监测到熔池的实时数据，无法对粉床等其他系统问题进行监控。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种激光选区熔化加工过程实时质量监控装置及方法，既能捕捉打印工作平面的工况，又能采集实时的熔池数据，将这些信息综合挖掘处理，更有利于实现激光选区熔化加工过程的在线监控。
为了达到上述目的，一种激光选区熔化加工过程实时质量监控装置，包括成型腔室，成型腔室底部放置有成型缸，成型腔室外设置有工业相机、红外热像仪、激光器、光电二极管和高速相机，工业相机和红外热像仪从成型腔室顶部拍摄成型缸的上表面，激光器、光电二极管和相机通过同轴光路照射成型缸的上表面，激光器发射出的激光通过同轴光路照射到成型缸上表面的金属粉末，光电二极管和高速相机通过同轴光路采集熔池的辐射信息，工业相机、红外热像仪、光电二极管和高速相机连接图像处理工控系统；
同轴光路包括扫描振镜，扫描振镜和高速相机之间的光路上设置有半透半反镜和分束镜，半透半反镜和分束镜之间设置有滤镜，半透半反镜靠近扫描振镜，分束镜靠近高速相机，半透半反镜用于反射激光器的光路至扫描振镜，并透射扫描振镜的出射光线至滤镜，分束镜用于反射滤镜的出射光线至光电二极管，并透射滤镜的出射光线至高速相机；
图像处理工控系统用于对工业相机、红外热像仪、光电二极管和高速相机发来的信息进行处理分析和显示，并将结果发送至打印机工控。
成型腔室的顶部开设有第一观察窗、第二观察窗和扫描振镜窗口，工业相机透过第一观察窗拍摄成型缸，红外热像仪透过第二观察窗拍摄成型缸，扫描振镜通过扫描振镜窗口照射成型缸。
成型腔室顶部内表面设置有若干LED光源。
光电二极管前端设置有滤光片。
滤光片采用截止波长为800nm的高通滤光片。
滤镜采用截止波长为950nm的低通滤光片和截止波长600nm的高通滤光片组合。
图像处理工控系统包括图像处理工控机和显示器，图像处理工控机连接工业相机、红外热像仪、光电二极管和高速相机，显示器连接图像处理工控机。
一种激光选区熔化加工过程实时质量监控装置的监控方法，包括以下步骤：
步骤一，逐层打印工作开始前，成型缸表面铺覆金属粉末，工业相机与红外热像仪拍摄成型缸表面，并将所拍摄图像信息传递至图像处理工控系统；
步骤二，开始进行激光选区熔化零件成型；激光从激光器发射，经半透半反镜反射进入扫描振镜，再照射到成型缸表面金属粉末上；
步骤三，打印过程中，熔池辐射经过扫描振镜反射回半透半反镜，半透半反镜将1064nm的激光完全反射，而对1000nm以内熔池辐射信息的可见光和近红外光进行增透，传递至滤镜，滤镜将熔池辐射信息过滤为600nm-950nm，再经分束镜将600nm-950nm的熔池辐射信息中的一部分偏转给高速相机，另一部分偏转到光电二极管；红外热像仪捕捉打印工作面的热场分布；
步骤四，高速相机将打印过程中实时拍摄的熔池形貌实时传输给图像处理工控系统；光电二极管将打印过程中实时监测的熔池辐射光强信号传输给图像处理工控系统；红外热像仪将工作平面的热场分布传输给图像处理工控系统；
步骤五，该层打印结束后，工业相机与红外热像仪拍摄打印形貌，并将该层打印形貌传输给图像处理工控系统；
步骤六，图像处理工控系统实时对工业相机、红外热像仪、光电二极管和高速相机传输过来的信息作为工艺标记进行显示和处理，若采集的工艺标记超出阈值，图像处理工控系统将信息反馈给打印机。
步骤六中，图像处理工控系统对接收的工艺标记进行处理的具体方法如下：
第一步，确定工艺参数和所需监控的工艺标记；
第二步，数据挖掘：对工业相机、红外热像仪、光电二极管和高速相机所传输过来的数据进行数据挖掘；
第三步，数据处理与分析：通过测量、滤波、编辑和映射数据处理手段确定分析出凝固速率、冷却速率、温度分布；明确工艺参数和工艺标记之间的关系；明确熔池几何和温度剖面之间的关系；
第四步，缺陷识别和认定：对图像信息异常，即熔池几何、熔池辐射强度、粉床、打印形貌和热场的工艺标记超出阈值情况，进行识别与认定；
第五步，闭环控制：若确实鉴定属打印异常或成形缺陷情况，则图像处理工控系统反馈给打印机，对该层进行重熔处理，并调整工艺参数，提升后续加工质量，实现激光选区熔化的闭环控制。
与现有技术相比，本发明的监控装置中具有通过工业相机和红外热像仪组成的离轴在线监测装置，工业相机监测粉床缺陷与打印缺陷，红外热像仪追踪扫描路径捕捉热应力，通过光电二极管和高速相机组成的同轴在线监测装置，高速相机观察熔池的形貌，光电二极管捕捉熔池的辐射强度，这种离轴在线监测与同轴在线监测相结合的在线监测装置，既能捕捉打印工作平面的工况，又能采集实时的熔池数据，将这些信息通过图像处理工控系统进行综合挖掘处理，更有利于实现激光选区熔化加工过程的在线监控。
进一步的，本发明在光电二极管前端设置有滤光片，熔池辐射信息经滤光片后为800nm-950nm，能够避免腔室内其他可见光对辐射强度信息的干扰。
本发明的监控方法综合利用工业相机、红外热像仪、高速相机和光电二极管等非接触测量手段的优势，形成一套完整的监控方法。通过离轴在线监测装置与同轴在线监测装置相结合的在线监测方法，既能捕捉打印工作平面的工况，又能采集实时的熔池数据。将这些信息综合挖掘处理，不仅可以从微观监控金属粉末的熔化与凝固过程，又可以从宏观监控打印机系统和工件逐层质量。采用工业相机监测粉床缺陷与打印缺陷，红外热像仪追踪扫描路径并捕捉热应力；高速相机观察熔池的几何形貌，光电二极管捕捉熔池的辐射强度。并将这些工艺标记与打印工艺参数对应起来，能够更有效地实现激光选区熔化加工过程的在线监控。
附图说明
图1为本发明中监控装置的结构示意图；
图2为本发明中图像处理反馈工作流程图；
其中，1、激光器，2、同轴光路，3、工业相机，4、红外热像仪，5、第一观察窗，6、第二观察窗，7、振镜扫描窗口，8、LED光源，9、成型缸，10、成型腔室，11、高速相机，12、光电二极管，13、图像处理工控系统，21、扫描振镜，22、半透半反镜，23、滤镜，24、分束镜，25、滤光片；131、图像处理工控机，132、显示器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1，一种激光选区熔化加工过程实时质量监控装置，包括成型腔室10，成型腔室10顶部内表面设置有若干LED光源8，成型腔室10底部放置有成型缸9，成型腔室10外设置有工业相机3、红外热像仪4、激光器1、光电二极管12和高速相机11，光电二极管12前端设置有滤光片25，工业相机3和红外热像仪4从成型腔室10顶部照射成型缸10的上表面，激光器1、光电二极管12和高速相机11通过同轴光路2拍摄成型缸10的上表面，激光器1发射出的激光通过同轴光路2照射到成型缸10上表面的金属粉末，光电二极管12和高速相机11通过同轴光路2采集熔池的辐射信息，工业相机3、红外热像仪4、光电二极管12和高速相机11连接图像处理工控系统13；
同轴光路2包括扫描振镜21，扫描振镜21和高速相机11之间的光路上设置有半透半反镜22和分束镜24，半透半反镜22和分束镜24之间设置有滤镜23，半透半反镜22靠近扫描振镜21，分束镜24靠近高速相机11，半透半反镜22用于反射激光器1的光路至扫描振镜21，并透射扫描振镜21的出射光线至滤镜23，分束镜24用于反射滤镜23的出射光线至光电二极管12，并透射滤镜23的出射光线至高速相机11；
成型腔室10的顶部开设有第一观察窗5、第二观察窗6和扫描振镜窗口7，工业相机3透过第一观察窗5拍摄成型缸10，红外热像仪4透过第二观察窗6拍摄成型缸10，扫描振镜21通过扫描振镜窗口7照射成型缸10。
图像处理工控系统13用于对工业相机3、红外热像仪4、光电二极管12和高速相机11发来的信息进行处理分析和显示，并将结果发送至打印机工控，图像处理工控系统13包括图像处理工控机131和显示器132，图像处理工控机131连接工业相机3、红外热像仪4、光电二极管12和高速相机11，显示器132连接图像处理工控机131。
工业相机3的传感器类型为面阵CCD；芯片规格为35mm；分辨率为6576×4384pixels；像元大小≤5.5μm×5.5μm；帧频为6.2fps；相机的镜头前设有激光滤镜。
红外热像仪4光谱响应为7.5-14μm；像素分辨率：640×480；最大测温≥2000℃；测温精度为±2℃或±2％读数；帧频≥50Hz；红外热像仪的镜头前设有激光滤镜。
高速相机11像素分辨率不低于1280×1024pixels，全分辨率条件下帧频可达2000fps，极限帧频可达100000fps；任意帧率全局曝光时间最短可达3.9μs；光谱响应范围400nm-1000nm。
光电二极管12为Si光电二极管，其有效感光面积不低于5mm2；光谱相应范围400nm-1100nm，帧频不低于10000fps。
滤光片25采用截止波长为800nm的高通滤光片。
滤镜23采用截止波长为950nm的低通滤光片和截止波长600nm的高通滤光片组合。
一种激光选区熔化加工过程实时质量监控装置的监控方法，包括以下步骤：
步骤一，逐层打印工作开始前，成型缸9表面铺覆金属粉末，工业相机3与红外热像仪4拍摄成型缸9表面，并将所拍摄图像信息传递至图像处理工控系统13；
步骤二，开始进行激光选区熔化零件成型；激光从激光器1发射，经半透半反镜22反射进入扫描振镜21，再照射到成型缸9表面金属粉末上；
步骤三，打印过程中，熔池辐射经过扫描振镜21反射回半透半反镜22，半透半反镜22将1064nm的激光完全反射，而对1000nm以内熔池辐射信息的可见光和近红外光进行增透，传递至滤镜23，滤镜23将熔池辐射信息过滤为600nm-950nm，再经分束镜24将600nm-950nm的熔池辐射信息中的50％偏转给高速相机11，另外的50％偏转到滤光片25，滤光片25将该50％熔池辐射信息过滤到波长800nm-950nm，再传输到光电二极管12，能够避免腔室内其他可见光对辐射强度信息的干扰；红外热像仪4捕捉打印工作面的热场分布；
步骤四，高速相机11将打印过程中实时拍摄的熔池形貌实时传输给图像处理工控系统13；光电二极管12将打印过程中实时监测的熔池辐射光强信号传输给图像处理工控系统13；红外热像仪4将工作平面的热场分布传输给图像处理工控系统13；
步骤五，该层打印结束后，工业相机3与红外热像仪4拍摄打印形貌，并将该层打印形貌传输给图像处理工控系统13；
步骤六，图像处理工控系统13实时对工业相机3、红外热像仪4、光电二极管12和高速相机11传输过来的信息作为工艺标记进行显示和处理，若采集的工艺标记超出阈值，图像处理工控系统13将信息反馈给打印机。
参见图2，图像处理工控系统13对接收的工艺标记进行处理的具体方法如下：
第一步，确定工艺参数和所需监控的工艺标记；
第二步，数据挖掘：对工业相机3、红外热像仪4、光电二极管12和高速相机11所传输过来的数据进行数据挖掘；
第三步，数据处理与分析：通过测量、滤波、编辑和映射数据处理手段确定分析出凝固速率、冷却速率、温度分布；明确工艺参数和工艺标记之间的关系；明确熔池几何和温度剖面之间的关系；
第四步，缺陷识别和认定：对图像信息异常，即熔池几何、熔池辐射强度、粉床、打印形貌和热场的工艺标记超出阈值情况，进行识别与认定；
第五步，闭环控制：若确实鉴定属打印异常或成形缺陷情况，则图像处理工控系统13反馈给打印机，对该层进行重熔处理，并调整工艺参数，提升后续加工质量，实现激光选区熔化的闭环控制。
表1图像处理分析反馈各环节项目说明

Claims (9)

1.一种激光选区熔化加工过程实时质量监控装置，其特征在于，包括成型腔室(10)，成型腔室(10)底部放置有成型缸(9)，成型腔室(10)外设置有工业相机(3)、红外热像仪(4)、激光器(1)、光电二极管(12)和高速相机(11)，工业相机(3)和红外热像仪(4)从成型腔室(10)顶部拍摄成型缸(10)的上表面，激光器(1)发射出的激光通过同轴光路(2)照射到成型缸(10)上表面的金属粉末，光电二极管(12)和高速相机(11)通过同轴光路(2)采集熔池的辐射信息，工业相机(3)、红外热像仪(4)、光电二极管(12)和高速相机(11)均连接图像处理工控系统(13)；
同轴光路(2)包括扫描振镜(21)，扫描振镜(21)和高速相机(11)之间的光路上设置有半透半反镜(22)和分束镜(24)，半透半反镜(22)和分束镜(24)之间设置有滤镜(23)，半透半反镜(22)用于反射激光器(1)的光路至扫描振镜(21)，并透射扫描振镜(21)的出射光线至滤镜(23)，分束镜(24)用于反射滤镜(23)的出射光线至光电二极管(12)，并透射滤镜(23)的出射光线至高速相机(11)；
图像处理工控系统(13)用于对工业相机(3)、红外热像仪(4)、光电二极管(12)和高速相机(11)发来的信息进行处理分析和显示，并将结果反馈至打印机工控。
2.根据权利要求1所述的一种激光选区熔化加工过程实时质量监控装置，其特征在于，成型腔室(10)的顶部开设有第一观察窗(5)、第二观察窗(6)和扫描振镜窗口(7)，工业相机(3)透过第一观察窗(5)拍摄成型缸(10)，红外热像仪(4)透过第二观察窗(6)拍摄成型缸(10)，扫描振镜(21)通过扫描振镜窗口(7)照射成型缸(10)。
3.根据权利要求1所述的一种激光选区熔化加工过程实时质量监控装置，其特征在于，成型腔室(10)顶部内表面设置有若干LED光源(8)。
4.根据权利要求1所述的一种激光选区熔化加工过程实时质量监控装置，其特征在于，光电二极管(12)前端设置有滤光片(25)。
5.根据权利要求4所述的一种激光选区熔化加工过程实时质量监控装置，其特征在于，滤光片(25)采用截止波长为800nm的高通滤光片。
6.根据权利要求1所述的一种激光选区熔化加工过程实时质量监控装置，其特征在于，滤镜(23)采用截止波长为950nm的低通滤光片和截止波长600nm的高通滤光片组合。
7.根据权利要求1所述的一种激光选区熔化加工过程实时质量监控装置，其特征在于，图像处理工控系统(13)包括图像处理工控机(131)和显示器(132)，图像处理工控机(131)连接工业相机(3)、红外热像仪(4)、光电二极管(12)和高速相机(11)，显示器(132)连接图像处理工控机(131)。
8.权利要求1所述的一种激光选区熔化加工过程实时质量监控装置的监控方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，逐层打印工作开始前，成型缸(9)表面铺覆金属粉末，工业相机(3)与红外热像仪(4)拍摄成型缸(9)表面，并将所拍摄图像信息传递至图像处理工控系统(13)；
步骤二，开始进行激光选区熔化零件成型；激光从激光器(1)发射，经半透半反镜(22)反射进入扫描振镜(21)，再照射到成型缸(9)表面金属粉末上，并使金属粉末融化，形成熔池；
步骤三，打印过程中，熔池辐射经过扫描振镜(21)反射回半透半反镜(22)，半透半反镜(22)将1064nm的激光完全反射，而对1000nm以内熔池辐射信息的可见光和近红外光进行增透，传递至滤镜(23)，滤镜(23)将熔池辐射信息过滤为600nm-950nm，再经分束镜(24)将600nm-950nm的熔池辐射信息中的一部分偏转给高速相机(11)，另一部分偏转到光电二极管(12)；红外热像仪(4)捕捉打印工作面的热场分布；
步骤四，高速相机(11)将打印过程中实时拍摄的熔池形貌实时传输给图像处理工控系统(13)；光电二极管(12)将打印过程中实时监测的熔池辐射光强信号传输给图像处理工控系统(13)；红外热像仪(4)将工作平面的热场分布传输给图像处理工控系统(13)；
步骤五，该层打印结束后，工业相机(3)与红外热像仪(4)拍摄打印形貌，并将该层打印形貌传输给图像处理工控系统(13)；
步骤六，图像处理工控系统(13)实时对工业相机(3)、红外热像仪(4)、光电二极管(12)和高速相机(11)传输过来的信息作为工艺标记进行显示和处理，若采集的工艺标记超出阈值，图像处理工控系统(13)将信息反馈给打印机。
9.根据权利要求8所述的一种激光选区熔化加工过程实时质量监控装置的监控方法，其特征在于，步骤六中，图像处理工控系统(13)对接收的工艺标记进行处理的具体方法如下：
第一步，确定工艺参数和所需监控的工艺标记；
第二步，数据挖掘：对工业相机(3)、红外热像仪(4)、光电二极管(12)和高速相机(11)所传输过来的数据进行数据挖掘；
第三步，数据处理与分析：通过测量、滤波、编辑和映射数据处理手段确定分析出凝固速率、冷却速率、温度分布；明确工艺参数和工艺标记之间的关系；明确熔池几何和温度剖面之间的关系；
第四步，缺陷识别和认定：对图像信息异常，即熔池几何、熔池辐射强度、粉床、打印形貌和热场的工艺标记超出阈值情况，进行识别与认定；
第五步，闭环控制：若确实鉴定属打印异常或成形缺陷情况，则图像处理工控系统(13)反馈给打印机，对该层进行重熔处理，并调整工艺参数，提升后续加工质量，实现激光选区熔化的闭环控制。
CN201810983442.0A 2018-08-27 2018-08-27 一种激光选区熔化加工过程实时质量监控装置及方法 Pending CN108788153A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810983442.0A CN108788153A (zh) 2018-08-27 2018-08-27 一种激光选区熔化加工过程实时质量监控装置及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810983442.0A CN108788153A (zh) 2018-08-27 2018-08-27 一种激光选区熔化加工过程实时质量监控装置及方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN108788153A true CN108788153A (zh) 2018-11-13

Family

ID=64080847

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810983442.0A Pending CN108788153A (zh) 2018-08-27 2018-08-27 一种激光选区熔化加工过程实时质量监控装置及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108788153A (zh)

Cited By (31)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109014202A (zh) * 2018-09-21 2018-12-18 西安空天能源动力智能制造研究院有限公司 一种激光选区熔化加工过程熔池温度实时监测装置及方法
CN109277568A (zh) * 2018-11-17 2019-01-29 厦门五星珑科技有限公司 一种选区激光熔化的实时监测方法、装置和系统
CN109759591A (zh) * 2019-03-30 2019-05-17 东南大学 一种选择性激光熔融3d打印机的熔池光谱温控方法及系统
CN109877321A (zh) * 2019-03-28 2019-06-14 哈尔滨工业大学 用于激光增材制造成形在线检测的轨迹随动传感装置与检测方法
CN110340357A (zh) * 2019-07-02 2019-10-18 西安理工大学 一种温度递推估计的3d打印激光熔点温度检测方法
CN110421353A (zh) * 2019-09-11 2019-11-08 哈尔滨理工大学 基于机器视觉激光加热辅助车铣复合机床及监控方法
CN110793572A (zh) * 2019-10-29 2020-02-14 华中科技大学 基于多传感器融合的选择性激光熔融过程监控系统
CN110834095A (zh) * 2019-11-01 2020-02-25 青岛科技大学 一种选区激光熔化成形致密-疏松一体化模具零件的方法
CN110976861A (zh) * 2019-11-29 2020-04-10 佛山科学技术学院 一种基于机器视觉的金属3d打印质量智能在线监控系统
CN111151748A (zh) * 2019-12-31 2020-05-15 江苏亚威创科源激光装备有限公司 一种激光增材制造含陶瓷强化相复合材料的在线监测方法
CN111283194A (zh) * 2020-02-06 2020-06-16 高尚孜 一种智能制造系统计算机控制方法
CN111318697A (zh) * 2018-12-13 2020-06-23 通用电气公司 使用分形维数的熔池监控的方法
CN111398271A (zh) * 2020-01-10 2020-07-10 武汉大学 一种针对激光近净成形缺陷的检测优化系统及方法
CN111644622A (zh) * 2020-07-13 2020-09-11 广东省焊接技术研究所（广东省中乌研究院） 增材制造监测系统及电子束选区熔化增材制造设备
CN111687413A (zh) * 2020-06-08 2020-09-22 武汉大学 一种用于激光近净成形的实时监测装置、成形设备及方法
CN111761819A (zh) * 2020-07-07 2020-10-13 南京理工大学 一种激光粉末床熔融成形件缺陷在线监测方法
CN111790910A (zh) * 2020-07-07 2020-10-20 南京理工大学 一种激光粉末床熔融成形件缺陷反馈与调节方法
CN112122741A (zh) * 2020-08-14 2020-12-25 江苏理工学院 一种电弧增材制造过程中的焊道成形控制系统及其参数优化方法
CN112496342A (zh) * 2020-11-30 2021-03-16 上海航天精密机械研究所 一种激光选区熔化跨时间高精度接续打印控制装置及方法
CN112935539A (zh) * 2021-01-28 2021-06-11 广州德擎光学科技有限公司 加工过程监测方法和系统
CN113020623A (zh) * 2021-05-27 2021-06-25 西安赛隆金属材料有限责任公司 一种3d打印成形表面自调节的方法及其装置
CN113084195A (zh) * 2021-03-31 2021-07-09 武汉大学 一种减少激光粉末床熔融气孔缺陷的方法及装置
CN113102770A (zh) * 2021-03-22 2021-07-13 中国人民解放军空军工程大学 一种激光选区熔化的激光辐射强度数据分析系统
CN113245566A (zh) * 2021-05-13 2021-08-13 北京航空航天大学 激光选区熔化加工过程旁轴监测方法、装置及计算机设备
CN113441735A (zh) * 2020-03-27 2021-09-28 广东汉邦激光科技有限公司 3d激光成型装置及3d激光成型方法
WO2021248638A1 (zh) * 2020-06-08 2021-12-16 武汉大学 金属增材制造多种监测设备在线实时监控系统
CN114147239A (zh) * 2021-12-07 2022-03-08 浙江机电职业技术学院 一种slm成型过程参数监测系统
CN114199893A (zh) * 2021-12-10 2022-03-18 北京航空航天大学 一种slm铺粉过程缺陷识别与熔池状态实时监测装置及方法
CN114261088A (zh) * 2021-12-09 2022-04-01 上海联泰科技股份有限公司 能量辐射装置的幅面亮度检测方法、系统及标定方法
CN115156651A (zh) * 2022-04-29 2022-10-11 深圳市汇北川电子技术有限公司 一种电子器件铜排的激光焊接方法
WO2024012711A1 (de) * 2022-07-15 2024-01-18 Dmg Mori Additive Gmbh Verfahren zur schmelzbadüberwachung und vorrichtung zur additiven fertigung von bauteilen

Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2147738A1 (fr) * 2008-07-25 2010-01-27 Ecole Nationale D'ingenieurs De Saint Etienne Système de mesure et de contrôle pour un appareil d'usinage d'une pièce utilisant un laser employant une mesure pontuelle de la tempörature et une mesure bidimensionelle du rayonnement thermique
CN103134599A (zh) * 2011-11-29 2013-06-05 中国科学院力学研究所 激光金属直接成形中熔池状态实时监测方法和系统
CN105499567A (zh) * 2015-12-15 2016-04-20 天津清研智束科技有限公司 粉床式电子束增材制造中热应力的控制装置及方法
US20160236279A1 (en) * 2013-09-23 2016-08-18 Renishaw Plc Additive manufacturing apparatus and method
CN106180707A (zh) * 2016-07-01 2016-12-07 西安铂力特激光成形技术有限公司 一种根据零件实时温度场调整打印策略的方法
CN106404795A (zh) * 2016-10-26 2017-02-15 华中科技大学 一种基于红外信息的金属增材制造过程控制装置与方法
CN106881462A (zh) * 2017-01-23 2017-06-23 华中科技大学 一种针对激光选区熔化成形缺陷的在线检测与优化系统
CN106984813A (zh) * 2017-04-14 2017-07-28 华南理工大学 一种激光选区熔化加工过程同轴监测方法及装置
CN107167249A (zh) * 2017-06-05 2017-09-15 北京理工大学 单相机双波段熔池比色测温方法及系统
CN107175329A (zh) * 2017-04-14 2017-09-19 华南理工大学 一种3d打印逐层检测反求零件模型及定位缺陷装置与方法
CN107598163A (zh) * 2017-09-01 2018-01-19 华中科技大学 一种适用于铺粉式增材制造的质量无损在线检测装备及方法
CN107655831A (zh) * 2017-09-18 2018-02-02 华中科技大学 一种基于多波段耦合的增材制造过程熔池监测装置及方法
CN108283008A (zh) * 2015-07-09 2018-07-13 西门子公司 用于监测基于粉末床地增材制造构件的过程的方法和相关设备

Patent Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2147738A1 (fr) * 2008-07-25 2010-01-27 Ecole Nationale D'ingenieurs De Saint Etienne Système de mesure et de contrôle pour un appareil d'usinage d'une pièce utilisant un laser employant une mesure pontuelle de la tempörature et une mesure bidimensionelle du rayonnement thermique
CN103134599A (zh) * 2011-11-29 2013-06-05 中国科学院力学研究所 激光金属直接成形中熔池状态实时监测方法和系统
US20160236279A1 (en) * 2013-09-23 2016-08-18 Renishaw Plc Additive manufacturing apparatus and method
CN108283008A (zh) * 2015-07-09 2018-07-13 西门子公司 用于监测基于粉末床地增材制造构件的过程的方法和相关设备
CN105499567A (zh) * 2015-12-15 2016-04-20 天津清研智束科技有限公司 粉床式电子束增材制造中热应力的控制装置及方法
CN106180707A (zh) * 2016-07-01 2016-12-07 西安铂力特激光成形技术有限公司 一种根据零件实时温度场调整打印策略的方法
CN106404795A (zh) * 2016-10-26 2017-02-15 华中科技大学 一种基于红外信息的金属增材制造过程控制装置与方法
CN106881462A (zh) * 2017-01-23 2017-06-23 华中科技大学 一种针对激光选区熔化成形缺陷的在线检测与优化系统
CN107175329A (zh) * 2017-04-14 2017-09-19 华南理工大学 一种3d打印逐层检测反求零件模型及定位缺陷装置与方法
CN106984813A (zh) * 2017-04-14 2017-07-28 华南理工大学 一种激光选区熔化加工过程同轴监测方法及装置
CN107167249A (zh) * 2017-06-05 2017-09-15 北京理工大学 单相机双波段熔池比色测温方法及系统
CN107598163A (zh) * 2017-09-01 2018-01-19 华中科技大学 一种适用于铺粉式增材制造的质量无损在线检测装备及方法
CN107655831A (zh) * 2017-09-18 2018-02-02 华中科技大学 一种基于多波段耦合的增材制造过程熔池监测装置及方法

Cited By (41)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109014202A (zh) * 2018-09-21 2018-12-18 西安空天能源动力智能制造研究院有限公司 一种激光选区熔化加工过程熔池温度实时监测装置及方法
CN109277568B (zh) * 2018-11-17 2021-04-23 厦门五星珑科技有限公司 一种选区激光熔化的实时监测方法、装置和系统
CN109277568A (zh) * 2018-11-17 2019-01-29 厦门五星珑科技有限公司 一种选区激光熔化的实时监测方法、装置和系统
CN111318697A (zh) * 2018-12-13 2020-06-23 通用电气公司 使用分形维数的熔池监控的方法
CN109877321A (zh) * 2019-03-28 2019-06-14 哈尔滨工业大学 用于激光增材制造成形在线检测的轨迹随动传感装置与检测方法
CN109877321B (zh) * 2019-03-28 2021-02-09 哈尔滨工业大学 用于激光增材制造成形在线检测的轨迹随动传感装置与检测方法
CN109759591A (zh) * 2019-03-30 2019-05-17 东南大学 一种选择性激光熔融3d打印机的熔池光谱温控方法及系统
CN110340357A (zh) * 2019-07-02 2019-10-18 西安理工大学 一种温度递推估计的3d打印激光熔点温度检测方法
CN110340357B (zh) * 2019-07-02 2021-11-16 西安理工大学 一种温度递推估计的3d打印激光熔点温度检测方法
CN110421353A (zh) * 2019-09-11 2019-11-08 哈尔滨理工大学 基于机器视觉激光加热辅助车铣复合机床及监控方法
CN110793572A (zh) * 2019-10-29 2020-02-14 华中科技大学 基于多传感器融合的选择性激光熔融过程监控系统
CN110834095A (zh) * 2019-11-01 2020-02-25 青岛科技大学 一种选区激光熔化成形致密-疏松一体化模具零件的方法
CN110834095B (zh) * 2019-11-01 2022-02-08 青岛科技大学 一种选区激光熔化成形致密-疏松一体化模具零件的方法
CN110976861A (zh) * 2019-11-29 2020-04-10 佛山科学技术学院 一种基于机器视觉的金属3d打印质量智能在线监控系统
CN111151748A (zh) * 2019-12-31 2020-05-15 江苏亚威创科源激光装备有限公司 一种激光增材制造含陶瓷强化相复合材料的在线监测方法
CN111398271A (zh) * 2020-01-10 2020-07-10 武汉大学 一种针对激光近净成形缺陷的检测优化系统及方法
CN111283194A (zh) * 2020-02-06 2020-06-16 高尚孜 一种智能制造系统计算机控制方法
CN113441735A (zh) * 2020-03-27 2021-09-28 广东汉邦激光科技有限公司 3d激光成型装置及3d激光成型方法
CN111687413B (zh) * 2020-06-08 2022-03-11 岳阳珞佳智能科技有限公司 一种用于激光近净成形的实时监测装置、成形设备及方法
WO2021248638A1 (zh) * 2020-06-08 2021-12-16 武汉大学 金属增材制造多种监测设备在线实时监控系统
CN111687413A (zh) * 2020-06-08 2020-09-22 武汉大学 一种用于激光近净成形的实时监测装置、成形设备及方法
CN111761819B (zh) * 2020-07-07 2021-08-31 南京理工大学 一种激光粉末床熔融成形件缺陷在线监测方法
CN111761819A (zh) * 2020-07-07 2020-10-13 南京理工大学 一种激光粉末床熔融成形件缺陷在线监测方法
CN111790910B (zh) * 2020-07-07 2021-09-28 南京理工大学 一种激光粉末床熔融成形件缺陷反馈与调节方法
CN111790910A (zh) * 2020-07-07 2020-10-20 南京理工大学 一种激光粉末床熔融成形件缺陷反馈与调节方法
CN111644622B (zh) * 2020-07-13 2023-12-08 广东省焊接技术研究所（广东省中乌研究院） 增材制造监测系统及电子束选区熔化增材制造设备
CN111644622A (zh) * 2020-07-13 2020-09-11 广东省焊接技术研究所（广东省中乌研究院） 增材制造监测系统及电子束选区熔化增材制造设备
CN112122741A (zh) * 2020-08-14 2020-12-25 江苏理工学院 一种电弧增材制造过程中的焊道成形控制系统及其参数优化方法
CN112496342A (zh) * 2020-11-30 2021-03-16 上海航天精密机械研究所 一种激光选区熔化跨时间高精度接续打印控制装置及方法
CN112935539A (zh) * 2021-01-28 2021-06-11 广州德擎光学科技有限公司 加工过程监测方法和系统
CN113102770A (zh) * 2021-03-22 2021-07-13 中国人民解放军空军工程大学 一种激光选区熔化的激光辐射强度数据分析系统
CN113084195A (zh) * 2021-03-31 2021-07-09 武汉大学 一种减少激光粉末床熔融气孔缺陷的方法及装置
CN113245566A (zh) * 2021-05-13 2021-08-13 北京航空航天大学 激光选区熔化加工过程旁轴监测方法、装置及计算机设备
CN113020623B (zh) * 2021-05-27 2022-04-08 西安赛隆金属材料有限责任公司 一种3d打印成形表面自调节的方法及其装置
CN113020623A (zh) * 2021-05-27 2021-06-25 西安赛隆金属材料有限责任公司 一种3d打印成形表面自调节的方法及其装置
CN114147239A (zh) * 2021-12-07 2022-03-08 浙江机电职业技术学院 一种slm成型过程参数监测系统
CN114261088A (zh) * 2021-12-09 2022-04-01 上海联泰科技股份有限公司 能量辐射装置的幅面亮度检测方法、系统及标定方法
CN114261088B (zh) * 2021-12-09 2024-01-16 上海联泰科技股份有限公司 能量辐射装置的幅面亮度检测方法、系统及标定方法
CN114199893A (zh) * 2021-12-10 2022-03-18 北京航空航天大学 一种slm铺粉过程缺陷识别与熔池状态实时监测装置及方法
CN115156651A (zh) * 2022-04-29 2022-10-11 深圳市汇北川电子技术有限公司 一种电子器件铜排的激光焊接方法
WO2024012711A1 (de) * 2022-07-15 2024-01-18 Dmg Mori Additive Gmbh Verfahren zur schmelzbadüberwachung und vorrichtung zur additiven fertigung von bauteilen

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108788153A (zh) 一种激光选区熔化加工过程实时质量监控装置及方法
CN106984813B (zh) 一种激光选区熔化加工过程同轴监测方法及装置
CN207026479U (zh) 一种激光选区熔化加工过程同轴监测装置
Chivel et al. On-line temperature monitoring in selective laser sintering/melting
Mazzoleni et al. Real-time observation of melt pool in selective laser melting: spatial, temporal, and wavelength resolution criteria
CN108580899A (zh) 一种激光选区熔化加工过程离轴监测装置及方法
CN100552685C (zh) 使用激光包层和激光辅助的直接金属制造工艺中的图像成像和图像处理技术实时监测和控制淀积高度的方法和系统
CN107175329A (zh) 一种3d打印逐层检测反求零件模型及定位缺陷装置与方法
CN104907562B (zh) 用于制造三维物体的设备
US20170157850A1 (en) Multi-wavelength laser rapid prototyping system and method
CN106925784A (zh) 一种基于相机实时拍摄的3d打印过程监控方法及装置
CN106404795A (zh) 一种基于红外信息的金属增材制造过程控制装置与方法
CN110605388A (zh) 具有光学过程监测的增材制造
CN107402217A (zh) 基于视觉传感的激光增材制造缺陷的在线诊断方法
US11007576B2 (en) Irradiating a machining field
CN207205270U (zh) 一种3d打印逐层检测反求零件模型及定位缺陷装置
CN208495799U (zh) 一种激光选区熔化加工过程离轴监测装置
CN110976861A (zh) 一种基于机器视觉的金属3d打印质量智能在线监控系统
KR102605715B1 (ko) 3차원 부품의 적층 가공 내 제조 정밀도를 모니터링하기 위한 시스템 및 방법
CN101694582B (zh) 实时监测和控制淀积高度的方法和系统
US10828836B2 (en) Method for melt pool monitoring
CN107088706A (zh) 多点传感激光扫描加工系统
CN109352182A (zh) 阵列样品激光加热系统
CN115165894A (zh) 一种激光增材制造在线检测方法
CN114147239A (zh) 一种slm成型过程参数监测系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
CB03 Change of inventor or designer information

Inventor after: Cheng Xing

Inventor after: Hu Jinhai

Inventor after: He Yixuan

Inventor after: Gao Bin

Inventor after: Li Xiaotao

Inventor after: Zhang Maimai

Inventor before: Cheng Xing

Inventor before: Zhou Xin

Inventor before: Hu Jinhai

Inventor before: He Yixuan

Inventor before: Gao Bin

Inventor before: Li Xiaotao

Inventor before: Zhang Maimai

CB03 Change of inventor or designer information
TA01 Transfer of patent application right

Effective date of registration: 20230303

Address after: 710000 Room 301, West 3rd Floor, Building B, Huigu Innovation Park, No. 1123, Hangchuang Road, National Civil Aerospace Industry Base, Xi'an, Shaanxi Province

Applicant after: Xi'an Intelligent Manufacturing Enterprise Management Partnership (L.P.)

Address before: Room 303-306, 3 / F, Zhongchuang Plaza, 385 Hangtian Middle Road, national civil aerospace industry base, Xi'an, Shaanxi 710199

Applicant before: XI'AN AERO-SPACE ENGINE & SMART MANUFACTURING INSTITUTE CO.,LTD.

TA01 Transfer of patent application right
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20181113

WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication