CN109759591A - 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 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了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，其中，方法步骤包括：激光烧灼并经分离获得金属熔池辐射光、感应光电流并调理获得模拟电压信号、模拟电压信号转换为数字信号、将数字信号处理为温度数据、反馈控制激光发射器并记录实时参数；系统包括激光发射器、振镜系统、打印工作台、同轴分光镜、光电二极管、信号调理模块、数据采集与处理模块、存储器、数据运算与通信模块以及3D打印工控机。该熔池光谱温控方法及系统能够对打印过程中的温度进行反馈控制，能够提高选择性激光熔融技术应用于3D打印时的工件质量；利用“熔池监控”实时收集分析温度，能够实现实时在线的质量保证，获得更好的打印效果和更高的打印质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种熔池光谱温控方法及系统，尤其是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。
背景技术
选择性激光熔融技术(Selective Laser Melting，SLM)是利用金属粉末在激光束的热作用下完全熔化、经冷却凝固而成型的一种技术。作为3D打印技术的一种，SLM技术能根据3D模型直接制成终端金属产品，适合各种复杂形状的工件，具有与传统工艺相当的良好的力学性能。但由于在SLM技术制造过程中是一层接着一层熔化并且快速凝固，零件可能会遇到反复的固态相变；频繁的定向热量提取会导致晶粒结构在Z轴方向(垂直于构建平台)呈柱状，因此力学性能通常呈各向异性；SLM技术过程中有可能出现内部孔隙以及相邻层之间融合不足等缺陷。
过程监控解决的主要问题是SLM设备或激光与材料的相互作用所具有的多变性，因为后者会反过来扰乱金属的微观结构或宏观力学性能。增材制造零件的显微结构属性由材料的热演化过程来决定，“熔池”是构成这一过程的最小单元，因此从这个角度来说实现“熔池监控”能够实现实时的质量保证。
研究表明，液态金属的温度决定了其粘度，粘度越好则熔池流动性越好，进而直接影响工件成形质量。在无法实时获得熔池温度的情况下，传统的调节工艺参数方式是间接和滞后的。因此，如何实时收集熔池温度并对其进行分析，成为当前需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于：提供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，能够实时收集熔池温度并对其进行分析。
为了实现上述发明目的，本发明提供了一种选择性激光熔融3D打印机的熔池光谱温控方法，包括如下步骤：
步骤1，激光发射器发射的激光通过振镜系统对打印工作台上的金属粉末进行烧灼，产生的金属熔池辐射光通过振镜系统原路返回至激光入射点，通过同轴分光镜将激光与金属熔池辐射光分离，得到金属熔池辐射光；
步骤2，通过光电二极管感应金属熔池辐射光得到光电流，光电流经过信号调理模块得到模拟电压信号；
步骤3，通过数据采集与处理模块将模拟电压信号转换为数字信号；
步骤4，将数字信号存储至存储器中，再通过数据运算与通信模块将数字信号处理为温度数据，并将温度数据传输至3D打印工控机；
步骤5，3D打印工控机根据接收的温度数据对激光发射器进行控制，改变激光功率和扫描速度，并记录打印过程中的实时参数。
作为本发明方法的进一步限定方案，步骤3中，通过数据采集与处理模块将模拟电压信号转换为数字信号的具体步骤为：
步骤3.1，将激光发射器的状态标志信号设定为数据采集与处理模块的数据采集使能信号；
步骤3.2，将数据采集使能信号以及采集时钟信号作与运算，以与运算结果信号来触发数据采集与处理模块中的ADC进行采集，获得数字信号。
作为本发明方法的进一步限定方案，步骤4中，数据运算与通信模块将数字信号处理为温度数据的转换公式为：
式中，T为烧灼金属粉末的辐射温度，C2为第二辐射常数，λ1和λ2为熔池辐射光谱中最高波峰同侧距离相近的两个波长，Mb(λ1)是温度为T时波长为λ1的金属熔池辐射光的单色辐射强度，Mb(λ2)为温度为T时波长为λ2的金属熔池辐射光的单色辐射强度。
本发明还提供了一种选择性激光熔融3D打印机的熔池光谱温控系统，包括激光发射器、振镜系统、打印工作台、同轴分光镜、光电二极管、信号调理模块、数据采集与处理模块、存储器、数据运算与通信模块以及3D打印工控机；
振镜系统安装在激光发射器与打印工作台之间，激光发射器发射的激光通过振镜系统对打印平台上的金属粉末进行烧灼，产生的金属熔池辐射光通过振镜系统原路返回至振镜系统的激光入射点；
同轴分光镜由激光入射点处获取金属熔池辐射光，并将激光从金属熔池辐射光中分离剔除，得到金属熔池辐射光；
光电二极管感应同轴分光镜输出的金属熔池辐射光得到感应光电流，光电二极管与信号调理模块输入端电连接，利用信号调理模块对感应光电流进行处理获得模拟电压信号；
数据采集与处理模块的输入端与信号调理模块的输出端电连接，将信号调理模块输出的模拟电压信号转换为数字信号；
存储器与数据采集与处理模块的输出接口电连接，对数据采集与处理模块转换得到的数字信号进行存储；
数据运算与通信模块的输入接口与存储器电连接，读取存储器中存储的数字信号，并将数字信号处理为温度数据，再将温度数据传输至3D打印工控机；
3D打印工控机根据接收的温度数据对激光发射器进行控制，改变激光功率和扫描速度，并记录打印过程中的实时参数。
作为本发明系统的进一步限定方案，激光发射器的状态标志信号输出端与数据采集与处理模块的数据采集使能信号端电连接；数据采集与处理模块的数据采集使能信号以及采集周期信号连接至与门输入端作与运算，与门输出端连接至数据采集与处理模块的触发端，数据采集与处理模块触发后启动内部ADC进行采集，获得数字信号。
本发明的有益效果在于：利用记录工件在打印过程中的温度信息，并对其进行控制，能够提高选择性激光熔融技术应用于3D打印时的工件质量；由于液态金属的温度决定了其粘度，而“熔池”是构成热演化过程的最小单元，粘度越好则熔池流动性越好，进而直接影响工件成形质量，因此实现“熔池监控”，实时收集分析温度，能够实现实时在线的质量保证，获得更好的打印效果和更高的打印质量。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为本发明的系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步的介绍。
如图1所示，本发明公开的选择性激光熔融3D打印机的熔池光谱温控方法，包括如下步骤：
步骤1，激光发射器发射的激光通过振镜系统对打印工作台上的金属粉末进行烧灼，产生的金属熔池辐射光通过振镜系统原路返回至激光入射点，通过同轴分光镜将激光与金属熔池辐射光分离，得到金属熔池辐射光；
步骤2，通过光电二极管感应金属熔池辐射光得到光电流，光电流经过信号调理模块得到模拟电压信号；
步骤3，通过数据采集与处理模块将模拟电压信号转换为数字信号；
步骤4，将数字信号存储至存储器中，再通过数据运算与通信模块将数字信号处理为温度数据，并将温度数据传输至3D打印工控机；
步骤5，3D打印工控机根据接收的温度数据对激光发射器进行控制，改变激光功率和扫描速度，并记录打印过程中的实时参数。
作为本发明方法的进一步限定方案，步骤3中，通过数据采集与处理模块将模拟电压信号转换为数字信号的具体步骤为：
步骤3.1，将激光发射器的状态标志信号设定为数据采集与处理模块的数据采集使能信号；
步骤3.2，将数据采集使能信号以及采集时钟信号作与运算，以与运算结果信号来触发数据采集与处理模块中的ADC进行采集，获得数字信号。
作为本发明方法的进一步限定方案，步骤4中，数据运算与通信模块将数字信号处理为温度数据的转换公式为：
式中，T为烧灼金属粉末的辐射温度(单位℃)，C2为第二辐射常数，λ1和λ2为熔池辐射光谱中最高波峰同侧距离相近的两个波长，Mb(λ1)是温度为T时波长为λ1的金属熔池辐射光的单色辐射强度，Mb(λ2)为温度为T时波长为λ2的金属熔池辐射光的单色辐射强度。
如图2所示，本发明公开的选择性激光熔融3D打印机的熔池光谱温控系统，包括激光发射器、振镜系统、打印工作台、同轴分光镜、光电二极管、信号调理模块、数据采集与处理模块、存储器、数据运算与通信模块以及3D打印工控机；
振镜系统安装在激光发射器与打印工作台之间，激光发射器发射的激光通过振镜系统对打印平台上的金属粉末进行烧灼，产生的金属熔池辐射光通过振镜系统原路返回至振镜系统的激光入射点；
同轴分光镜由激光入射点处获取金属熔池辐射光，并将激光从金属熔池辐射光中分离剔除，得到金属熔池辐射光；
光电二极管感应同轴分光镜输出的金属熔池辐射光得到感应光电流，光电二极管与信号调理模块输入端电连接，利用信号调理模块对感应光电流进行处理获得模拟电压信号；
数据采集与处理模块的输入端与信号调理模块的输出端电连接，将信号调理模块输出的模拟电压信号转换为数字信号；
存储器与数据采集与处理模块的输出接口电连接，对数据采集与处理模块转换得到的数字信号进行存储；
数据运算与通信模块的输入接口与存储器电连接，读取存储器中存储的数字信号，并将数字信号处理为温度数据，再将温度数据传输至3D打印工控机；
3D打印工控机根据接收的温度数据对激光发射器进行控制，改变激光功率和扫描速度，并记录打印过程中的实时参数。
作为本发明系统的进一步限定方案，激光发射器的状态标志信号输出端与数据采集与处理模块的数据采集使能信号端电连接；数据采集与处理模块的数据采集使能信号以及采集时钟信号连接至与门输入端作与运算，与门输出端连接至数据采集与处理模块的触发端，数据采集与处理模块触发后启动内部ADC进行采集，获得数字信号。
本发明公开的选择性激光熔融3D打印机的熔池光谱温控方法及系统，能够通过记录工件在打印过程中的温度信息，并对其进行控制，能够提高选择性激光熔融技术应用于3D打印时的工件质量；由于液态金属的温度决定了其粘度，而“熔池”是构成热演化过程的最小单元，粘度越好则熔池流动性越好，进而直接影响工件成形质量，因此实现“熔池监控”，实时收集分析温度，能够实现实时在线的质量保证，获得更好的打印效果和更高的打印质量。
Claims (5)
1.一种选择性激光熔融3D打印机的熔池光谱温控方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，激光发射器发射的激光通过振镜系统对打印工作台上的金属粉末进行烧灼，产生的金属熔池辐射光通过振镜系统原路返回至激光入射点，通过同轴分光镜将激光与金属熔池辐射光分离，得到金属熔池辐射光；
步骤2，通过光电二极管感应金属熔池辐射光得到光电流，光电流经过信号调理模块得到模拟电压信号；
步骤3，通过数据采集与处理模块将模拟电压信号转换为数字信号；
步骤4，将数字信号存储至存储器中，再通过数据运算与通信模块将数字信号处理为温度数据，并将温度数据传输至3D打印工控机；
步骤5，3D打印工控机根据接收的温度数据对激光发射器进行控制，改变激光功率和扫描速度，并记录打印过程中的实时参数。
2.根据权利要求1所述的选择性激光熔融3D打印机的熔池光谱温控方法，其特征在于，步骤3中，通过数据采集与处理模块将模拟电压信号转换为数字信号的具体步骤为：
步骤3.1，将激光发射器的状态标志信号设定为数据采集与处理模块的数据采集使能信号；
步骤3.2，将数据采集使能信号以及采集时钟信号作与运算，以与运算结果信号来触发数据采集与处理模块中的ADC进行采集，获得数字信号。
3.根据权利要求1所述的选择性激光熔融3D打印机的熔池光谱温控方法，其特征在于，步骤4中，数据运算与通信模块将数字信号处理为温度数据的处理公式为：
式中，T为烧灼金属粉末的辐射温度，C2为第二辐射常数，λ1和λ2为熔池辐射光谱中最高波峰同侧距离相近的两个波长，Mb(λ1)是温度为T时波长为λ1的金属熔池辐射光的单色辐射强度，Mb(λ2)为温度为T时波长为λ2的金属熔池辐射光的单色辐射强度。
4.一种选择性激光熔融3D打印机的熔池光谱温控系统，其特征在于，包括激光发射器、振镜系统、打印工作台、同轴分光镜、光电二极管、信号调理模块、数据采集与处理模块、存储器、数据运算与通信模块以及3D打印工控机；
振镜系统安装在激光发射器与打印工作台之间，激光发射器发射的激光通过振镜系统对打印平台上的金属粉末进行烧灼，产生的金属熔池辐射光通过振镜系统原路返回至振镜系统的激光入射点；
同轴分光镜由激光入射点处获取金属熔池辐射光，并将激光从金属熔池辐射光中分离剔除，得到金属熔池辐射光；
光电二极管感应同轴分光镜输出的金属熔池辐射光得到感应光电流，光电二极管与信号调理模块输入端连接，利用信号调理模块对感应光电流进行处理获得模拟电压信号；
数据采集与处理模块的输入端与信号调理模块的输出端电连接，将信号调理模块输出的模拟电压信号转换为数字信号；
存储器与数据采集与处理模块的输出接口电连接，对数据采集与处理模块转换得到的数字信号进行存储；
数据运算与通信模块的输入接口与存储器电连接，读取存储器中存储的数字信号，并将数字信号处理为温度数据，再将温度数据传输至3D打印工控机；
3D打印工控机根据接收的温度数据对激光发射器进行控制，改变激光功率和扫描速度，并记录打印过程中的实时参数。
5.根据权利要求4所述的选择性激光熔融3D打印机的熔池光谱温控系统，其特征在于，激光发射器的状态标志信号输出端与数据采集与处理模块的数据采集使能信号端电连接；数据采集与处理模块的数据采集使能信号以及采集时钟信号连接至与门输入端作与运算，与门输出端连接至数据采集与处理模块的触发端，数据采集与处理模块触发后启动内部ADC进行采集，获得数字信号。
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