CN110763715A - 一种3d打印零件成形过程表面硬度在线监测装置及方法 - Google Patents

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CN110763715A CN201910953089.6A CN201910953089A CN110763715A CN 110763715 A CN110763715 A CN 110763715A CN 201910953089 A CN201910953089 A CN 201910953089A CN 110763715 A CN110763715 A CN 110763715A
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杨金伟
练国富
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Abstract

本发明属于3D打印设备检测技术领域，公开一种3D打印零件成形过程表面硬度在线监测装置，包括工作台、激光器、光谱仪、光路装置、反射镜、电控位移装置、计算机和支架，电控位移装置、激光器和支架依次设置在工作台上，激光器置于反射镜下方，光路装置设置在电控位移装置一侧，计算机置于工作台上方；还公开一种检测方法；将本装置安装到3D打印设备成型室内，可实时对零部件已成形部位进行脉冲激光照射产生等离子体，采集等离子体光谱数据，以评估该成形部位的表面硬度，通过在线实时检测硬度来确保3D打印零件的整体表面硬度符合设计要求，避免在成形过程中因不可预测因素产生的硬度不达标现象。

Description

一种3D打印零件成形过程表面硬度在线监测装置及方法
技术领域
本发明属于3D打印设备检测技术领域，特别的涉及一种3D打印零件成形过程表面硬度在线监测装置及方法。
背景技术
3D打印即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术；3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的，常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工（AEC）、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。
而在现有的3D打印技术中，对一些具有表面硬度要求的机械零部件不能立刻投入使用，需要对其硬度进行检测，符合零部件的硬度要求才可使用；传统的硬度检测方法，如维氏硬度试验等，往往需要对检测目标进行破坏性取样，这种方法不适合3D打印零件一次成型的应用要求，检测不准确的同时不能对零部件各个部位都检测，导致检测的精度不高，无法保证零部件硬度是否达标。
发明内容
本发明的目的是提供一种3D打印零件成形过程表面硬度在线监测装置及方法，用以解决上述提到的涉及到现有的3D打印技术中，对一些具有表面硬度要求的机械零部件不能立刻投入使用，需要对其硬度进行检测，符合零部件的硬度要求才可使用；传统的硬度检测方法，如维氏硬度试验等，往往需要对检测目标进行破坏性取样，这种方法不适合3D打印零件一次成型的应用要求，检测不准确的同时不能对零部件各个部位都检测，导致检测的精度不高，无法保证零部件硬度是否达标。
本发明解决的方案是，提出一种3D打印零件成形过程表面硬度在线监测装置，包括工作台、激光器、光谱仪、光路装置、反射镜、电控位移装置、计算机和支架，所述电控位移装置、激光器和支架依次设置在工作台上，所述支架包括设有用以支撑反射镜的第一支架和用以支撑光谱仪的第二支架，所述激光器置于反射镜下方用以将脉冲激光经反射镜反射至光路装置上，所述光路装置设置在电控位移装置靠近检测样品一侧用以汇聚脉冲激光至检测样品上并收集检测样品的等离子体所产生的信号，所述电控位移装置设置在光路装置与反射镜之间用以将光路装置所收集的等离子体光信号经光纤传送至光谱仪，所述计算机置于工作台上方，所述计算机与光谱仪连接用以接收经光谱仪转换的电信号并对检测样品的等离子体光谱进行处理。
进一步优选的，所述光路装置包括用以汇聚脉冲激光的第一聚焦透镜、用以固定所述第一聚焦透镜的第一夹持架、用以收集等离子体光信号的第二聚焦透镜和用以固定所述第二聚焦透镜的第二夹持架，所述第一聚焦透镜置于第二聚焦透镜上方，所述第一夹持架和第二夹持架设置在电控位移装置上。
进一步优选的，所述电控位移装置包括用以移动第一夹持架的第一电动升降杆、用以移动第二夹持架的第二电动升降杆和分别驱动所述第一电动升降杆、第二电动升降杆的电机，所述电机与计算机电连接。
进一步优选的，所述第一支架包括设置在工作台上的固定杆和与所述固定杆铰接的移动杆，所述移动杆与反射镜背面连接用以调节反射镜与激光器的角度。
进一步优选的，所述计算机还与激光器电连接用以控制激光器的通断。
进一步优选的，所述光纤靠近第二聚焦透镜一侧设有聚光器。
本发明解决的又一方案是，提出一种3D打印零件成形过程表面硬度在线监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1通过3D打印设备制造出若干相同材料的样品，并使用维氏硬度计测量它们的表面硬度，并将这些样品作为训练集；
S2将3D打印的检测样品置于工作台上，通过激光器将激光脉冲经反射镜照射至检测样品上，利用激光脉冲照射样品表面的材料产生等离子体；
S3通过光纤将等离子体光信号传输至光谱仪中，再由光谱仪产生的等离子体光谱的电信号传送至计算机；
S4使用等离子体光谱中选定元素的特征谱线，利用波尔兹曼平面法计算等离子体温度，建立训练集样品的等离子体温度与表面硬度值之间的线性关系；
S5对非训练集的待检测样品，重复步骤S2、S3并计算样品的等离子体温度，根据步骤S4建立的线性关系即可确定样品表面硬度。
进一步优选的，步骤S1还包括：在使用维氏硬度计测量训练集样品硬度时，需用砂纸将样品表面打磨平整光滑。
进一步优选的，步骤S4具体还包括：
S41根据步骤S3获得的激光等离子体光谱，结合原子光谱标准与技术数据库（NIST）确定选定元素特征谱线的波长与强度；
S42选择同一元素同一电离级次的数条谱线，使用玻尔兹曼平面图法计算等离子体温度；
S43对等离子是否处于局部热力学平衡状态进行验证，确保使用玻尔兹曼平面图法计算等离子体温度的有效性；
S44通过数据拟合，建立等离子体温度与待测样品表面硬度的函数关系。
本发明的有益效果：
将本装置安装到3D打印设备成型室内，在3D打印零部件成形过程中，可实时对零部件已成形部位进行脉冲激光照射产生等离子体，采集等离子体光谱数据，以评估该成形部位的表面硬度，通过在线实时检测硬度来确保3D打印零件的整体表面硬度符合设计要求，避免在成形过程中因不可预测因素产生的硬度不达标现象；同时在建立等离子体温度与样品表面硬度值之间的函数关系时增加有对局部热力学平衡状态的验证，确保计算方式的有效性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请一实施例提供的一种3D打印零件成形过程表面硬度在线监测装置的结构示意图；
图2是本申请一实施例提供的一种3D打印零件成形过程表面硬度在线监测方法的流程示意图；
图3是本申请一实施例提供的一种3D打印零件成形过程表面硬度在线监测方法的又一流程示意图；
图4是本申请一实施例提供的一种3D打印零件成形过程表面硬度在线监测方法的玻尔兹曼函数关系图；
图5是本申请一实施例提供的一种3D打印零件成形过程表面硬度在线监测方法的特征谱线参数图；
图6是本申请一实施例提供的一种3D打印零件成形过程表面硬度在线监测方法中等离子体温度与表面硬度函数关系图；
图中：1-工作台、2-激光器、3-光谱仪、4-光路装置、41-第一聚焦透镜、42-第一夹持架、43-第二聚焦透镜、44-第二夹持架、5-反射镜、6-电控位移装置、61-第一电动升降杆、62-第二电动升降杆、63-电机、7-计算机、8-支架、81-第一支架、811-固定杆、812-移动杆、82-第二支架、9-光纤、91-聚光器。
具体实施方式
以下是本申请实施例的具体实施例，对本申请的技术方案作进一步的描述，但本申请并不限于这些实施例。
图1示出了根据本发明实施例的3D打印零件成形过程表面硬度在线监测装置，包括工作台1、激光器2、光谱仪3、光路装置4、反射镜5、电控位移装置6、计算机7和支架8，所述电控位移装置6、激光器2和支架8依次设置在工作台1上，所述支架8包括设有用以支撑反射镜5的第一支架81和用以支撑光谱仪3的第二支架82，所述激光器2置于反射镜5下方用以将脉冲激光经反射镜5反射至光路装置4上，所述光路装置4设置在电控位移装置6靠近检测样品一侧用以汇聚脉冲激光至检测样品上并收集检测样品的等离子体所产生的信号，所述电控位移装置6设置在光路装置4与反射镜5之间用以将光路装置4所收集的等离子体光信号经光纤9传送至光谱仪3，所述计算机7置于工作台1上方，所述计算机7与光谱仪3连接用以接收经光谱仪3转换的电信号并对检测样品的等离子体光谱进行处理。
作为优选实施例，光路装置4包括用以汇聚脉冲激光的第一聚焦透镜41、用以固定所述第一聚焦透镜41的第一夹持架42、用以收集等离子体光信号的第二聚焦透镜43和用以固定所述第二聚焦透镜43的第二夹持架44，所述第一聚焦透镜41置于第二聚焦透镜43上方，所述第一夹持架42和第二夹持架44设置在电控位移装置6上。
本实施例的电控位移装置6包括用以移动第一夹持架42的第一电动升降杆61、用以移动第二夹持架44的第二电动升降杆62和分别驱动所述第一电动升降杆61、第二电动升降杆62的电机63，所述电机63与计算机7电连接。
第一支架81还可包括设置在工作台1上的固定杆811和与所述固定杆811铰接的移动杆812，所述移动杆812与反射镜5背面连接用以调节反射镜5与激光器2的角度。
将本装置安装在3D打印设备成型室内，可实时对3D打印设备制造的零部件样品进行硬度检测，同时3D打印成型室内的保护气体（Ar气等）可以为激光诱导击穿样品提供惰性气体环境；在未使用前先调节固定杆811与移动杆812的铰接角度，以使激光器2发出的脉冲激光可经反射镜5反射至第一聚焦透镜41上；此处的第一聚焦透镜41设置在第一夹持架42一端，第一夹持架42另一端设置在第一电动升降杆61的升降杆一端，可通过电机63驱动第一电动升降杆61以使升降杆发送位移，进一步控制第一聚焦透镜41在竖直方向上的移动；同理第二聚焦透镜43设置在第二夹持架44一端，第二夹持架44另一端设置在第二电动升降杆62的升降杆一端，可通过电机63驱动第二电动升降杆62以使升降杆发送位移，进一步控制第二聚焦透镜43在竖直方向上的移动；此处还可调节第二聚焦透镜43与检测样品的夹角，以更好的收集等离子体光信号（如图1所示，虚线代表光线）；此处需调节第二聚焦透镜43至工作台1的距离，以使第二聚焦透镜43汇集的等离子体光信号集中在光纤9一端；在此实施例中为更好的收集光信号，在光纤9靠近第二聚焦透镜43一侧设有聚光器91，聚光器91可为SK8系列的聚光器；此处的计算机7用于显示和处理等离子体光谱，同时还可用于控制激光器2和光谱仪3的工作时序以及电控位移装置6的移动。
此实施例的激光器2可为Nd:YAG脉冲激光器，用于产生高能脉冲激光，激发样品产生等离子体。
需要说明的是，第一夹持架42与第二夹持架44形状相同，夹持端可类似于夹子，将聚焦透镜一段夹紧，另一端可卡设在升降杆一端。
请参阅图2和图3，为了更好地地实施以上方法，本发明实施例还提供3D打印零件成形过程表面硬度在线监测方法，包括以下步骤：
S1通过3D打印设备制造出若干相同材料的样品，并使用维氏硬度计测量它们的表面硬度，并将这些样品作为训练集；
S2将3D打印的检测样品置于工作台上，通过激光器2将激光脉冲经反射镜照射至检测样品上，利用激光脉冲照射样品表面的材料产生等离子体；
S3通过光纤将等离子体光信号传输至光谱仪中，再由光谱仪产生的等离子体光谱的电信号传送至计算机；
S4使用等离子体光谱中选定元素的特征谱线，利用波尔兹曼平面法计算等离子体温度，建立训练集样品的等离子体温度与表面硬度值之间的线性关系；
S5对非训练集的待检测样品，重复步骤S2、S3并计算样品的等离子体温度，根据步骤S4建立的线性关系即可确定样品表面硬度。
在使用本装置时，激光器2输出高功率密度的脉冲激光，经过反射镜5和第一聚焦透镜41聚焦在检测样品表面待检测位置，烧蚀样品，完成等离子体激发过程，产生等离子体信号；待等离子体发出的光信号经第二聚焦透镜43聚焦后通过光纤9传输至光谱仪3，光谱仪3产生的等离子体光谱经电信号传输至计算机7中。
其中步骤S4具体可分为：
S41根据步骤S3获得的激光等离子体光谱，结合原子光谱标准与技术数据库（NIST）确定选定元素特征谱线的波长与强度；
S42选择同一元素同一电离级次的数条谱线，使用玻尔兹曼平面图法计算等离子体温度；
S43对等离子是否处于局部热力学平衡状态进行验证，确保使用玻尔兹曼平面图法计算等离子体温度的有效性；
S44通过数据拟合，建立等离子体温度与待测样品表面硬度的函数关系。
根据步骤S3获得的激光等离子体光谱，并结合在原子光谱标准与技术数据库美国国家标准与技术研究院NIST提供的在线数据库中查到的元素特征峰所对应的参数，确定选定元素特征谱线的波长与强度作为分析对象的若干特征元素谱线及其参数，具体的参数涉及有跃迁波长（λ）、谱线强度（I）、跃迁几率（A）、上、下能级能量（E）和上能级简并度（g）等。
假定等离子体处于局部热力学平衡状态，则元素中性原子和离子的布居数服从玻尔兹曼分布；这时，能级间跃迁发射谱线的强度可用于计算等离子体温度，即Boltzmann平面图法。等离子体温度可由下式（1）计算：
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE002
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE004
其中，k、i分别是跃迁的上能级和下能级，
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE006
是跃迁波长，
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE008
是谱线强度，是上能级简并度，
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE012
是k能级向i能级跃迁的几率，
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE014
是上能级能量，是玻尔兹曼常数，T是等离子体温度。N(T)是总粒子数密度，U(T)是配分函数。
参阅图4和图5。如果几条谱线属于同一电离级次，如全部为原子或一级离子谱线，则总粒子数密度N(T)和配分函数U(T)相同，可以根据上式（1）计算等离子体温度。选取同一元素的同一级次的数条谱线，以它们的上能级能量
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE018
为横坐标，以
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE020
值为纵坐标，可以得到Boltzmann平面图，通过图中拟合直线的斜率
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE022
即可求得等离子体温度。本装置可举例3D打印18Ni300模具钢样品作为分析对象，Al元素作为分析元素，通过四条特征谱线来计算等离子体温度，这些谱线相对独立，不会与其他元素的谱线发生干扰，自吸收效应可忽略不计。选用的特征谱线参数如图5所示，图4显示Al元素检测样品的典型玻尔兹曼图。
根据Boltzmann平面图法的计算，各Al元素检测样品的等离子温度在6500K至9000K之间。图6显示了各样品表面硬度与等离子体温度之间的关系，等离子体温度随着样品表面硬度的增加而增加，两者呈现良好的线性相关关系。
上述提到使用Boltzmann平面图法计算等离子体温度基于假设等离子体处于局部热力学平衡（LTE）状态，因此需要对LTE状态进行验证。根据Mc.Whirter标准，等离子体满足LTE状态的必要条件为：
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE024
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE026
式中，为电子密度，T为等离子体温度，
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE030
为最大跃迁能量。
等离子体电子密度通常是通过计算LIBS光谱合适发射谱线的展宽来估计的，根据激光等离子体展宽理论，由于等离子体中各粒子相互碰撞而引起的stark展宽是谱线展宽的主要来源，其它展宽可以忽略不计，因此电子密度和谱线展宽之间的关系可近似为：
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE032
式中，
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE036
为谱线的Lorentz拟合线宽，
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE038
为电子碰撞系数。
选择Al的396.152nm谱线计算样品的电子密度,其最大跃迁能量
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE040
，根据式（2），使用等离子温度最高的样品计算满足Mc.Whirter标准所需的最小电子密度
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE042
，得到满足Mc.Whirter标准所需的最小电子密度为
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE044
。根据式（3），对谱线进行Lorentz拟合得到谱线的，不同温度下Al 的396.152nm谱线电子碰撞系数
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE046
可通过查找文献获取，计算得到本文中的等离子电子密度
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE048
在
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE050
之间。根据计算结果可知，所有样品的等离子电子密度均大于满足Mc.Whirter标准所需的最小电子密度，这基本上验证了LTE假设。
通过数据拟合，建立等离子体温度与待测样品表面硬度的函数关系，其中横坐标
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE052
表示样品的表面硬度，纵坐标
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE054
表示样品的等离子体温度，同样可参阅图6。利用此线性关系，通过本发明装置获得其他待检测样品的等离子体光谱，计算等离子体温度，即可获得样品的表面硬度。
需要说明的是，本实例所测得的表面硬度为维氏硬度，但本装置可测得的硬度不限于维氏硬度
同时还需要注意一点，本实例所建立的18Ni300模具钢材料离子体温度与表面硬度的线性关系，只适用于18Ni300模具钢材料，对其他材料无效。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本申请精神作举例说明。本申请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，但并不会偏离本申请的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (9)

1.一种3D打印零件成形过程表面硬度在线监测装置，其特征在于：包括工作台（1）、激光器（2）、光谱仪（3）、光路装置（4）、反射镜（5）、电控位移装置（6）、计算机（7）和支架（8），所述电控位移装置（6）、激光器（2）和支架（8）依次设置在工作台（1）上，所述支架（8）包括设有用以支撑反射镜（5）的第一支架（81）和用以支撑光谱仪（3）的第二支架（82），所述激光器（2）置于反射镜（5）下方用以将脉冲激光经反射镜（5）反射至光路装置（4）上，所述光路装置（4）设置在电控位移装置（6）靠近检测样品一侧用以汇聚脉冲激光至检测样品上并收集检测样品的等离子体所产生的信号，所述电控位移装置（6）设置在光路装置（4）与反射镜（5）之间用以将光路装置（4）所收集的等离子体光信号经光纤（9）传送至光谱仪（3），所述计算机（7）置于工作台（1）上方，所述计算机（7）与光谱仪（3）连接用以接收经光谱仪（3）转换的电信号并对检测样品的等离子体光谱进行处理。
2.根据权利要求1所述的一种3D打印零件成形过程表面硬度在线监测装置，其特征在于：所述光路装置（4）包括用以汇聚脉冲激光的第一聚焦透镜（41）、用以固定所述第一聚焦透镜（41）的第一夹持架（42）、用以收集等离子体光信号的第二聚焦透镜（43）和用以固定所述第二聚焦透镜（43）的第二夹持架（44），所述第一聚焦透镜（41）置于第二聚焦透镜（43）上方，所述第一夹持架（42）和第二夹持架（44）设置在电控位移装置（6）上。
3.根据权利要求2所述的一种3D打印零件成形过程表面硬度在线监测装置，其特征在于：所述电控位移装置（6）包括用以移动第一夹持架（42）的第一电动升降杆（61）、用以移动第二夹持架（44）的第二电动升降杆（62）和分别驱动所述第一电动升降杆（61）、第二电动升降杆（62）的电机（63），所述电机（63）与计算机（7）电连接。
4.根据权利要求1所述的一种3D打印零件成形过程表面硬度在线监测装置，其特征在于：所述第一支架（81）包括设置在工作台（1）上的固定杆（811）和与所述固定杆（811）铰接的移动杆（812），所述移动杆（812）与反射镜（5）背面连接用以调节反射镜（5）与激光器（2）的角度。
5.根据权利要求1所述的一种3D打印零件成形过程表面硬度在线监测装置，其特征在于：所述计算机（7）还与激光器（2）电连接用以控制激光器（2）的通断。
6.根据权利要求2所述的一种3D打印零件成形过程表面硬度在线监测装置，其特征在于：所述光纤（9）靠近第二聚焦透镜（43）一侧设有聚光器（91）。
7.一种基于权利要求1所述的3D打印零件成形过程表面硬度在线监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1通过3D打印设备制造出若干相同材料的样品，使用维氏硬度计测量它们的表面硬度，并将这些样品作为训练集；
S2将3D打印的检测样品置于工作台（1）上，通过激光器（2）将激光脉冲经反射镜（5）照射至检测样品上，利用激光脉冲照射样品表面的材料产生等离子体；
S3通过光纤（9）将等离子体光信号传输至光谱仪（3）中，再由光谱仪（3）产生的等离子体光谱的电信号传送至计算机（7）；
S4使用等离子体光谱中选定元素的特征谱线，利用波尔兹曼平面法计算等离子体温度，建立训练集样品的等离子体温度与表面硬度值之间的线性关系；
S5对非训练集的待检测样品，重复步骤S2、S3并计算样品的等离子体温度，根据步骤S4建立的线性关系即可确定样品表面硬度。
8.根据权利要求7所述的一种3D打印零件成形过程表面硬度在线监测方法，其特征在于，步骤S1还包括：在使用维氏硬度计测量训练集样品硬度时，需用砂纸将样品表面打磨平整光滑。
9.根据权利要求7所述的一种3D打印零件成形过程表面硬度在线监测方法，其特征在于，步骤S4具体还包括：
S41根据步骤S3获得的激光等离子体光谱，结合原子光谱标准与技术数据库（NIST）确定选定元素特征谱线的波长与强度；
S42选择同一元素同一电离级次的数条谱线，使用玻尔兹曼平面图法计算等离子体温度；
S43对等离子是否处于局部热力学平衡状态进行验证，确保使用玻尔兹曼平面图法计算等离子体温度的有效性；
S44通过数据拟合，建立等离子体温度与待测样品表面硬度的函数关系。
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