CN110508811A

CN110508811A - 一种增减材复合制造过程中的质量检测及自动修正方法

Info

Publication number: CN110508811A
Application number: CN201910841516.1A
Authority: CN
Inventors: 牛小东; 程俊涛; 毛忠发; 张秋娟; 陈滨; 谢雪芬; 张袆辉; 张鲁杰; 魏华贤
Original assignee: Shantou Ruixiang Mould Co Ltd; Shantou University
Current assignee: Shantou Ruixiang Mould Co Ltd; Shantou University
Priority date: 2019-09-06
Filing date: 2019-09-06
Publication date: 2019-11-29
Anticipated expiration: 2039-09-06
Also published as: CN110508811B

Abstract

本发明公开了一种基于增减材复合制造的质量检测及修正方法，用于解决现有金属增材制造方法存在的表面质量差、成型缺陷、尺寸精度问题。技术方案包括对每次铺粉过程进行检测，判断是否存在缺陷并及时处理，再对成型过程进行检测，判断是否存在层位移、内部缺陷，决定是否需要进行激光路径修正，缺陷检测修正结束后通过减材激光扫描切割成型轮廓，提升成型件表面质量，如此循环直至加工完成，为增减材制造过程中的缺陷修正提供了依据，并在缺陷检测后实现高效修正，提高了增减材复合制造技术直接成型零件的表面质量，修正成形过程中出现的层位移，避免位移偏差积累导致成型件变形及尺寸精度问题，消除了制造过程产生的内部缺陷，提升零件内部质量。

Description

一种增减材复合制造过程中的质量检测及自动修正方法

技术领域

本发明涉及增减材复合制造领域，特别是涉及一种增减材复合制造过程中的质量检测及自动修正方法。

背景技术

增材制造技术通过对三维模型进行分层切片处理，再根据切片数据由下而上逐层添加材料堆积形成三维实体。在传统机加工减材制造中由于刀具限制，在一些结构造型较复杂产品的加工上存在困难，而增材制造技术则支持多自由度设计，突破了传统机加工行业的限制，能够快速制造出结构复杂的模型，灵活性好且利用率高，有效实现产品的轻量化，因此国内外在航空航天、汽车、船舶、医疗、军工等行业的应用日益增加。

但是现阶段增材制造技术工艺尚不成熟，在技术应用过程中仍然面临一些成型件质量问题，如在增材制造加工过程中常常难以避免逐层的热应力积累，以及边缘粉末容易受热熔融而粘接到成型轮廓等问题，导致成型件不能直接投入使用，通常需要进行一系列后处理才能满足表面质量、尺寸精度以及力学性能要求。当成型缺陷过多产品质量达不到要求时，已成型部分报废，并且需要一次或多次进行优化试验进行成型件质量提升，此外，严重的成型缺陷甚至会导致成型失败，损伤设备部件，导致极大的资源和人力浪费。

针对增材制造的成型质量问题，将增材制造技术与减材制造技术结合，既能够通过增材实现快速成型，又可以通过减材将缺陷去除。因此，增减材复合制造办法的相关研究对提高产品质量和加工效率具有重要意义。文献1，公开号为CN109262268A的中国发明专利申请公开了一种增减材一体化制造设备及其增减材制造工艺，利用机械手臂夹持焊枪和所述送料装置，洗削臂进行减材加工作业，该方法使作业空间需求增大，加工过程变得更加繁琐；文献2，公开号为CN108311697A的中国发明专利申请公开了一种集成双类型激光提高SLM成型件表面质量的装置与方法，方法中结合SLM成型模式与修整模式，利用飞秒激光对缺陷进行修正，但该方法未提出实时检测成型缺陷办法，并不能实现缺陷的实时准确修正；文献3，公开号为CN108489986A的中国发明专利申请公开了一种增材制造在线检测及修正方法，该方法通过检测系统定位缺陷后进行选择性激光重熔，其修正激光与增材激光同源，修正过程中不能保证将缺陷修正，甚至可能再次产生成型缺陷。目前解决成型缺陷问题的主要手段还是工艺参数调整以及后期表面处理，行之有效但是增加了人力时间及资源的耗费。

增减材复合制造在实现复杂构件快速成型的基础上，提升成型质量，将增材制造与减材制造优势同时展现出，与实时检测技术的结合，将能够及时发现缺陷并将其修正，有效地提升加工效率，减少成型失败导致的资源浪费，进一步体现增减材制造价值。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种增减材复合制造过程中的质量检测及自动修正方法，这种增减材复合制造过程中的质量检测及自动修正方法能够及时、有效去除成型缺陷，提高成型内部及表面质量、尺寸精度，提高加工效率，能够在同一成型设备上实现增减材制造。采用的技术方案如下：

一种增减材复合制造过程中的质量检测及自动修正方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、将待加工产品的三维模型沿堆叠方向进行切片处理，切成多个切片层，并根据切片层的厚度及表面质量要求设置材料成型工艺参数；

步骤2、根据切片层的厚度要求进行铺粉；

步骤3、判断成型区是否存在铺粉缺陷，如果是，返回步骤2进行再次铺粉，如果否，执行步骤4；

步骤4、根据三维模型切片层的数据，采用增材激光对粉末层进行选区激光熔化；

步骤5、判断成型层是否存在层位移，如果是，则执行步骤6，如果否，则执行步骤7；

步骤6、根据图像处理软件计算层位移偏差并规划切割路径，并将层位移信息反馈至计算机，以对原切片层进行位移修正补偿，同时对增材激光的路径进行校正；

步骤7、判断成型层表面是否存在内部缺陷，如果是，执行步骤8，如果否，执行步骤10；

步骤8、根据图像处理软件识别、定位缺陷特征的位置及形状尺寸，提取缺陷数据，并反馈至计算机以规划增材激光对于缺陷的修正路径；

步骤9、根据生成的层位移切割路径及缺陷修正路径进行减材激光修正，切割分离偏移部分、去除缺陷特征，返回步骤2进行铺粉；

步骤10、通过减材激光切割成型轮廓，去除轮廓表面粘接的粉渣；

步骤11、判断是否是已经完成最后一层切片层的加工，如果否，下降一个切片层的厚度，返回重复步骤2-步骤11，如果是，增减材复合制造过程结束，待成型件冷却后清粉并切割取得零件。

上述步骤2中，应先准备设备成型平台，保证剩余粉末量充足，确保成型平台与铺粉工具平行，避免与刮刀碰撞及铺粉不均，成型仓氧含量满足材料加工要求，设备的激光系统、控制系统、循环及冷却系统正常。

上述步骤11在增减材复合制造过程结束，应分别关闭增减材制造激光系统,关闭惰性气体循环，待成型件冷却后清粉并切割取得产品（零件），检查是否达到成型要求。

上述增材激光为高能量连续激光，减材激光为一种具有超短脉冲宽度、极高峰值功率，能够进行高精度切割或者蚀刻的激光，有效降低加工热影响，如飞秒激光。

作为本发明的优选方案，所述步骤3中，判断成型区是否存在铺粉缺陷的具体方法为：通过视觉检测系统实时检测铺粉过程，并使用工业相机采集已铺的粉末层表面图像数据，分析铺粉层是否出现堆粉、局部缺粉、刮痕等铺粉缺陷。通过视觉检测系统对铺粉过程检测，保证增材激光加工时的铺粉质量，避免因铺粉质量问题引起成型缺陷，增加修正工作量，图像数据采集所使用的工业相机为CCD或CMOS相机。

作为本发明的优选方案，所述步骤5中，判断成型层是否存在层位移的具体方法为：通过视觉检测系统实时检测成型过程，并使用工业相机采集已成型层表面图像数据，使用图像处理软件提取成型层轮廓特征与模型对应切片层轮廓进行比对，分析已成型层是否出现层位移。视觉检测及图像处理过程中需要识别的层位移精度需要根据具体零件的尺寸精度要求确定。

作为本发明的优选方案，所述步骤6中，层位移偏差的计算方法为：通过成型层的图形与切片层的图形轮廓对比，在计算机内通过布尔运算用切片层切割成型层，剩余部分即为层位移偏差，切割轮廓即为减材激光切割路径。

作为本发明进一步的优选方案，所述步骤6中，激光路径校正的具体方法为：分别对所述成型层的图形、所述切片层的图形提取几何中心(O、O’)，并提取几何中心的远点(M、M’)和近点(N、N’)为参考，以几何中心为原点分别建立坐标系，测得两个几何中心的位移误差△x和△y，以及旋转角度误差△z，以两个几何中心的负误差反馈给软件进行算法补偿以校正增材激光路径。

作为本发明的优选方案，所述步骤7中，判断成型层表面是否存在内部缺陷的具体方法为：通过视觉检测系统实时检测成型过程，并使用工业相机采集已成型层表面图像数据，使用图像处理软件提取成型层表面形貌特征，分析已成型表面是否出现内部缺陷。成型表面的内部缺陷包括边缘翘曲变形、内部表面凸起、孔隙、裂纹、球化、夹杂、粉末熔融不充分，视觉检测及图像处理过程中需要识别的内部缺陷尺寸范围需要根据具体零件的内部质量要求要求确定。

作为本发明的优选方案，所述步骤9和步骤10中，所述的减材激光修正及切割轮廓过程中，通过气体循环系统将激光修正产生的颗粒物吹离成型区域。

本发明相对于现有技术，具有如下有益效果：

该方法首先通过铺粉检测排除铺粉过程中堆粉、局部缺粉、刮痕问题避免因此造成的成型缺陷，然后在增材激光成型过程中，利用视觉检测系统及时发现成型过程中出现的层位移和内部缺陷，规划缺陷修正路径后通过减材激光将缺陷去除，并且由于减材激光热影响低，不会产生二次缺陷。该方法能够及时、有效去除成型缺陷，提高成型内部及表面质量、尺寸精度，提高加工效率，能够在同一成型设备上实现增减材制造，并且成型空间不受限制。

附图说明

图1为本发明所述一种增减材复合制造过程中的质量检测及智能修正方法流程示意图；

图2为层位移偏差与减材激光切割路径示意图；

图3为激光路径校正的位移修正补偿示意图。

具体实施方式

下面结合附图和本发明的优选实施方式做进一步的说明。

如图1所示，这种增减材复合制造过程中的质量检测及智能修正方法，包括以下步骤：

本次实验所采用的粉末材料为316L不锈钢，根据粒径设置铺粉层厚为30μm。增材激光光斑直径范围为40~200μm，激光功率为225W，扫描速度为1000mm/s，扫描间距为0.09mm；减材激光脉冲宽度为150fs，中心波长为800nm，峰值功率密度为1.6×10¹³W/cm²，单脉冲能量为50~100μJ，扫描速度为1mm/s。

步骤1、将样件的三维模型沿堆叠方向进行切片处理，切成多个切片层，并根据切片层的厚度及表面质量要求设置材料成型工艺参数；将处理好的样件切片数据导入成型设备主机；

设备准备（1）：将成型基板装好调平并调整与刮刀间隙，确保与铺粉工具平行防止与刮刀碰撞及铺粉不均，根据成型件大小判断所需粉末用量，添加供粉缸粉末确保粉量足够，封闭成型仓，通过软件检查设备增减材激光系统、循环冷却系统、净化系统，确保所有系统正常；

设备准备（2）：成型仓进行排氧，整个成型过程通过氮气保护，保持成型仓氧含量低于1000ppm；基板预热到100℃；

步骤2、根据铺粉层厚设置（即是根据切片层的厚度要求），刮刀铺进行铺粉，厚度为30μm；

步骤3、通过视觉检测系统实时检测铺粉过程，并使用工业相机采集已铺的粉末层表面图像数据，系统自动分析判断铺粉层的成型区域是否出现堆粉、局部缺粉、刮痕等铺粉缺陷，如果是，返回步骤4进行铺粉，如果否，执行步骤4；

步骤5、如图2所示，通过视觉检测系统实时检测成型过程，并使用工业相机采集已成型层表面图像数据，使用图像处理软件提取成型层轮廓特征与模型对应切片层轮廓进行比对，系统根据比对数据自动分析判断已成型层是否出现层位移（设置层位移判断精度＜5μm），如果是，则执行步骤6，如果否，则执行步骤7；

步骤6、如图2所示，根据图像处理软件对比成型层与切片层的图形轮廓，在计算机内通过布尔运算用切片层切割成型层，剩余部分即为层位移偏差，切割轮廓即为减材激光切割路径。将层位移信息反馈至计算机，然后分别对两个图形提取几何中心(O、O’)，并提取几何中心的远点(M、M’)和近点(N、N’)为参考，以几何中心为原点分别建立坐标系，测得两几何中心的位移误差△x和△y，以及旋转角度误差△z，以它们的负误差反馈给软件进行算法补偿以校正增材激光路径。

步骤7、通过视觉检测系统实时检测成型过程，并使用工业相机采集已成型层表面图像数据，使用图像处理软件提取成型层表面形貌特征，系统分析判断已成型表面是否出现边缘翘曲变形、内部表面凸起、孔隙、裂纹、球化、夹杂、粉末熔融不充分等内部缺陷（设置内部缺陷尺寸判断精度＜20μm），如果是，执行步骤8，如果否，执行步骤10；

步骤8、根据图像处理软件识别、定位缺陷特征的位置及形状尺寸，提取缺陷数据，并反馈至计算机规划缺陷修正路径；

步骤9、如图3所示，根据生成的层位移切割路径及缺陷修正路径进行减材激光修正，切割分离偏移部分、去除缺陷特征，返回步骤2进行铺粉，并通过气体循环系统将激光修正产生的颗粒物吹离成型区域；

步骤10、通过减材激光切割成型轮廓，去除轮廓表面粘接的粉渣，通过气体循环系统将激光修正产生的颗粒物吹离成型区域；

步骤11、判断是否是已经完成最后一层切片模型加工，如果否，执行步骤12，如果是，执行步骤13；

步骤12、下降一个切片层的厚度，返回重复步骤2-步骤11进行下一个切片层的铺粉直至完成产品的增减材复合制造；

步骤13、增减材复合制造过程结束，待成型件冷却后清粉并切割取得样件，检查是否达到目标成型质量要求。

将高能量连续激光作为增材激光进行增材，将一种具有超短脉冲宽度、极高峰值功率，能够进行高精度切割或者蚀刻的激光作为减材激光进行减材修复，有效降低加工热影响；并通过视觉检测系统对铺粉过程检测，避免成型过程中产生的缺陷问题积累对表面及内部质量造成更大影响，保证增减材复合加工的成型质量，提高生产加工效率。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其各部分名称等可以不同，凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种增减材复合制造过程中的质量检测及自动修正方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤2、根据切片层的厚度要求进行铺粉；

2.如权利要求1所述的质量检测及自动修正方法，其特征是：所述步骤3中，判断成型区是否存在铺粉缺陷的具体方法为：通过视觉检测系统实时检测铺粉过程，并使用工业相机采集已铺的粉末层表面图像数据，分析铺粉层是否出现堆粉、局部缺粉、刮痕等铺粉缺陷。

3.如权利要求1所述的质量检测及自动修正方法，其特征是：所述步骤5中，判断成型层是否存在层位移的具体方法为：通过视觉检测系统实时检测成型过程，并使用工业相机采集已成型层表面图像数据，使用图像处理软件提取成型层轮廓特征与模型对应切片层轮廓进行比对，分析已成型层是否出现层位移。

4.如权利要求1所述的质量检测及自动修正方法，其特征是：所述步骤6中，层位移偏差的计算方法为：通过成型层的图形与切片层的图形轮廓对比，在计算机内通过布尔运算用切片层切割成型层，剩余部分即为层位移偏差，切割轮廓即为减材激光切割路径。

5.如权利要求4所述的质量检测及自动修正方法，其特征是：所述步骤6中，激光路径校正的具体方法为：分别对所述成型层的图形、所述切片层的图形提取几何中心(O、O’)，并提取几何中心的远点(M、M’)和近点(N、N’)为参考，以几何中心为原点分别建立坐标系，测得两个几何中心的位移误差△x和△y，以及旋转角度误差△z，以两个几何中心的负误差反馈给软件进行算法补偿以校正增材激光路径。

6.如权利要求1所述的质量检测及自动修正方法，其特征是：所述步骤7中，判断成型层表面是否存在内部缺陷的具体方法为：通过视觉检测系统实时检测成型过程，并使用工业相机采集已成型层表面图像数据，使用图像处理软件提取成型层表面形貌特征，分析已成型表面是否出现内部缺陷。

7.如权利要求1所述的质量检测及自动修正方法，其特征是：所述步骤9和步骤10中，所述的减材激光修正及切割轮廓过程中，通过气体循环系统将激光修正产生的颗粒物吹离成型区域。