CN111156898A - 在线制作增材制造构件表面散斑的方法、散斑制作装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了在线制作增材制造构件表面散斑的方法、散斑制作装置。该方法包括：(1)在基板上增材制造出特定高度δh的构件部分；(2)在构件部分的冷却时间内，通过散斑制作装置在构件部分的一个表面上原位制作出散斑图案；(3)重复步骤(1)和(2)，直至增材制造的过程结束。本发明所提出的散斑制作方法，利用增材制造过程中分层制造的层间冷却时间，在新增材制造出的构件部分表面上原位制作散斑图案，如此，无需移动构件即可制作出符合DIC计算要求的散斑图案，对增材制造构件全场、全过程的变形进行实时测量，从而为增材制造变形的研究提供更完整的三维数据，并为增材制造的变形监测提供更多的基础。

Description

在线制作增材制造构件表面散斑的方法、散斑制作装置

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，具体的，本发明涉及在线制作增材制造构件表面散斑的方法、散斑制作装置。

背景技术

增材制造构件的变形，是制约其应用的重要影响因素。而基于数字图像相关技术的非接触光测力学方法，可以用来测量构件表面应变和位移信息。其中，数字图像相关技术(DIC)适合测量增材制造的变形，只是2018年才开始出现相关的研究。虽然，DIC方法测量时需要事先在被测物体表面制作散斑，但是增材制造是一个逐层沉积的过程，不可能事先在增材制造件表面喷涂散斑，这就导致数字图像相关技术在测量增材制造变形中受到限制。

现阶段的散斑制作方法主要有两种：第一种方法，参考图1，先在基板上增材一个有一定高度的试件，待试件冷却后取下并喷涂耐高温的涂料制作散斑，再将试样装卡定位，之后继续沉积的同时利用DIC摄像头拍摄出图像用于变形的计算；第二种方法，参考图2，无需制作散斑而直接利用试件上的自然纹理作为计算的特征点，该方法由清华大学史清宇等人申请了专利(CN107560560B)，并在激光同轴送粉增材制造中进行了应用。

可惜的是，上述的两种散斑制作方法都有各自的不足之处。第一种方法制作出的散斑面积是固定的，可用于观察后续的沉积过程对已沉积部分的影响，但是，后续沉积层的变形过程是无法获得的，因为第二次以后取下试样重新进行散斑制作的过程会改变试样的位置，从而导致重新测量的结果也失去了定量分析的意义，并且，这种方法还不能在线制作散斑。第二种方法不存在第一种方法的问题，可以获得整个沉积过程的数据，但是，第二种方法仍存在其他的两个问题：(1)对试样的表面质量要求很高，当材料体系、制造方法、表面光学条件变化时原始表面有可能无法满足数字图像相关技术的散斑质量要求；(2)试样表面不可避免地会存在反光，三维DIC的两个相机光轴之间存在夹角，虽然反光点在单个相机拍摄的图像中是稳定分布的，但是两个相机拍摄到的图像不能进行匹配，无法用于数字图像相关方法的计算，这就限制在了其应用三维DIC上的应用。

因此，对一种普适的、原位在线制作散斑的方法有迫切的需求。

发明内容

本发明是基于发明人的下列发现而完成的：

本发明人在研究过程中发现，通过特制可升降的散斑制作装置，实现增材制造过程中的散斑图案的在线逐层制作。具体的增材制造步骤为，先沉积特定高度δh的构件部分之后，利用层间的冷却时间在已沉积的构件部分表面原位制作出满足DIC测量要求的散斑图案，然后调整相机参数直至拍摄到满足DIC方法要求的图像；继续进行第二次沉积并用相机持续拍摄图像，待继续沉积高度δh后，将散斑制作工具也同步地提升特定高度δh，利用层间的冷却时间在新增的构件部分继续原位制作出适合DIC测量的散斑图案；如此，继续沉积并重复上述流程，直至整个增材制造的过程结束。

在本发明的第一方面，本发明提出了一种在线制作增材制造构件表面散斑的方法。

根据本发明的实施例，所述方法包括：(1)在所述基板上增材制造出特定高度δh的构件部分；(2)在所述构件部分的层间冷却时间内，通过散斑制作装置在所述构件部分的一个表面上原位制作出散斑图案；(3)重复步骤(1)和(2)，直至所述增材制造的过程结束。

采用本发明实施例的散斑制作方法，利用增材制造过程中分层制造的层间冷却时间，在新增材制造出的构件部分表面上原位制作散斑图案，如此，无需移动构件即可制作符合DIC计算要求的散斑图案，对增材制造构件全场、全过程的变形进行实时测量，从而为增材制造变形的研究提供更完整的三维数据，并为增材制造的变形监测提供更多的基础。

另外，根据本发明上述实施例的散斑制作方法，还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的实施例，所述构件部分的层间冷却时间不小于1s。

根据本发明的实施例，所述特定高度δh至少为增材制造的单层沉积高度。

根据本发明的实施例，在步骤(3)中，在所述增材制造出构件部分的步骤之后，将所述散斑制作装置的散斑制作工具的底面调高所述特定高度δh，再进行所述制作散斑图案的步骤。

根据本发明的实施例，在步骤(3)中，在所述制作散斑图案的步骤之后，将所述散斑制作工具移出DIC摄像头的视野范围。

根据本发明的实施例，所述制作出散斑图案的方法为喷涂或滚刷。

在本发明的第二方面，本发明提出了一种适用于增材制造的散斑制作装置。

根据本发明的实施例，所述散斑制作装置包括：底座，所述底座用于与增材制造用的基板对齐；滑轨，所述滑轨垂直设置于所述底座的上表面；可移动的平台，所述平台设置于所述滑轨上且与所述底座平行设置；散斑制作工具，所述散斑制作工具固定于所述平台的上表面；高度测量工具，所述高度测量工具也垂直设置于所述底座的上表面，且与所述滑轨平行设置。

本发明实施例的散斑制作装置，在增材制造过程中分层制造的层间冷却时间内，利用可移动的平台和滑轨调整散斑制作工具，在新增材制造出的构件部分的表面上原位制作散斑图案，随后还能将散斑制作工具等移出DIC摄像头的视野范围，如此，通过移动散斑制作工具方便在新增材制造的构件部分表面上原位制作散斑图案，且无需移动构件而可使DIC全程对增材制造的变形进行实时监测。

另外，根据本发明上述实施例的散斑制作装置，还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的实施例，所述可移动的平台与所述滑轨之间是可拆卸的。

根据本发明的实施例，所述可移动的平台在所述滑轨上是可旋转的。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述的方面结合下面附图对实施例的描述进行解释，其中：

图1是现有技术的一种制作散斑制作方法的原理示意图(a)和过程照片(b)、(c)；

图2是现有技术的另一种制作散斑制作方法的原理示意图；

图3是本发明一个实施例的在线制作增材制造构件表面散斑的方法流程示意图；

图4是本发明一个实施例的制作散斑方法的各步骤示意图；

图5是本发明另一个实施例的制作散斑方法的各步骤示意图。

附图标记

1 基板

2 构件部分

21 第一构件部分

22 第二构件部分

23 第三构件部分

3 散斑图案

31 第一散斑图案

32 第二散斑图案

33 第三散斑图案

4 底座

5 高度测量工具

6 滑轨

7 散斑制作工具

8 平台

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，本技术领域人员会理解，下面实施例旨在用于解释本发明，而不应视为对本发明的限制。除非特别说明，在下面实施例中没有明确描述具体技术或条件的，本领域技术人员可以按照本领域内的常用的技术或条件或按照产品说明书进行。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种在线制作增材制造构件表面散斑的方法。

根据本发明的实施例，参考图3，该散斑制作方法包括：

S100：装卡增材制造用的基板。

在该步骤中，参考图4的(1)，装卡增材制造用的基板1。根据本发明的实施例，增材制造装置的具体设计组成不受特别的限制，在增材制造开始之前，可以先将基板1装卡在增材制造装置的加工区内。

在本发明的一些实施例中，步骤S100还可以进一步包括，还可以在增材制造开始之前，还将散斑制作装置的底座4与基板1对齐，如此，底座4的上表面与基板1的上表面高度一致，从而有利于后续每次调整散斑制作装置的散斑制作工具7和平台8的高度变化。

S200：在基板上增材制造出特定高度δh的构件部分。

在该步骤中，参考图4的(2)，在步骤S100的基板1上表面增材制造出构件部分2，而构件部分2的高度可以为特定高度δh。根据本发明的实施例，步骤S200的特定高度δh，本领域技术人员可根据实际制造过程进行相应地调整。在本发明的一些实施例中，特定高度δh可以至少为增材制造的单层沉积高度，如此，将特定高度δh调整为正常增材制造过程中分层制作的单层沉积高度，从而使散斑图案的制作不仅无需移动构件，并且，每次制作散斑图案的步骤都可以利用层间冷却时间进行，进而不会显著延长增材制造的制造周期。

在本发明的一些实施例中，步骤S200可以为在基板1上增材制造出第一特定高度δh₁的第一构件部分21。并且，该步骤获得的产品可以参考图5的(2)。

S300：在构件部分的层间冷却时间内，通过散斑制作装置在构件部分的一个表面上原位制作出散斑图案。

在该步骤中，参考图4的(3)，在构件部分2的层间冷却时间内，通过散斑制作装置7在构件部分2的一个表面上原位制作出散斑图案3。由于增材制造技术需要通过分层制造、逐层叠加的方式，所以每增材制造出一定高度的构件部分2，都需要一段冷却时间使构件部分降温凝固，而本发明的发明人正好利用这段层间冷却时间，进行对新增材制造的构件部分2侧表面进行散斑图案的原位制作，如此，散斑图案的制作步骤不会显著延长增材制造的制造周期。

在本发明的一些实施例中，构件部分2的层间冷却时间不小于1s，具体可以例如1～60s，如此，可以在上述的层间冷却时间范围内快速地利用散斑制作装置7，在第一构件部分21侧表面上快速地制作出白底黑色散斑的第一散斑图案31，并符合DIC摄像头的表面质量要求。并且，该步骤获得的产品可以参考图5的(3)。

S400：重复步骤S200和S300，直至增材制造的过程结束。

在该步骤中，参考图4的(4)和(5)，反复重复上述的步骤S200和S300，先增材制造出特定高度δh的构件部分2，再在新增材制造出的构件部分2表面制作出散斑图案3，直至增材制造的过程结束。如此，可以通过DIC摄像头对全过程的变形进行实时测量。

根据本发明的实施例，反复重复步骤S200和S300的具体次数，本领域技术人员可根据最终增材制造出的构件总高度和实际的单层沉积高度，进行相应地设计和调整。在本发明的一些实施例中，参考图5的(4)至(12)，继续在第一构件部分21的上表面增材制造出第二构件部分22，再将可移动的平台7的高度调高至特定高度δh，通过散斑制作工具7在第二构件部分22的侧表面制作出第二散斑图案32，然后在第二构件部分21的上表面增材制造出第三构件部分23，再将可移动的平台7的高度调高至两倍特定高度2δh，通过散斑制作工具7在第三构件部分23的侧表面制作出第三散斑图案33，……，直至增材制造出整个的构件。

在一些具体示例中，步骤S400中重复进行增材制造的步骤之前，可以将散斑制作工具7通过旋转或拆卸的方式移出DIC摄像头的视野范围，从而不影响DIC摄像头对散斑图案的检测；并且，待增材制造步骤之后，再将散斑制作工具7移回DIC摄像头的视野范围之内。如此，可旋转或可拆卸的散斑制作装置，可进一步保证散斑的原位制作和DIC摄像头实时测量增材制造全过程的形变。

综上所述，根据本发明的实施例，本发明提出了一种散斑制作方法，利用增材制造过程中分层制造的层间冷却时间，在新增材制造出的构件部分表面上原位制作散斑图案，如此，无需移动构件即可制作符合DIC计算要求的散斑图案，对增材制造构件全场、全过程的变形进行实时测量，从而为增材制造变形的研究提供更完整的三维数据，并为增材制造的变形监测提供更多的基础。

在本发明的另一个方面，本发明提出了一种适用于增材制造的散斑制作装置。

根据本发明的实施例，散斑制作装置包括底座4、滑轨6、可移动的平台8、散斑制作工具7和高度测量工具5；其中，底座4用于与增材制造用的基板1齐平定位；滑轨6垂直设置于底座4的上表面；平台8设置于滑轨6上且与底座4平行设置；散斑制作工具7固定于平台8的上表面；而高度测量工具7也垂直设置于底座4的上表面，且高度测量工具7与滑轨6平行设置。

在本发明的一些实施例中，可移动的平台8与滑轨6之间可以是可拆卸的，如此，在增材制造步骤之前将平台8及散斑制作工具7从滑轨6上拆下，从而不影响DIC摄像头对散斑图案的检测，然后增材制造步骤暂停之后将平台8及散斑制作工具7装回到滑轨6上，并根据新增材制造的构件部分的高度调整平台8的高度后，再通过散斑制作工具7制作散斑出图案。

在本发明的一些实施例中，可移动的平台8在滑轨6上可以是可旋转的，如此，在增材制造步骤之前将平台8及散斑制作工具7转出DIC摄像头的视野范围，然后增材制造步骤暂停之后将平台8及散斑制作工具7转回，并根据新增材制造的构件部分的高度调整平台8的高度后，再通过散斑制作工具7制作散斑出图案。

综上所述，根据本发明的实施例，本发明提出了一种散斑制作装置，在增材制造过程中分层制造的层间冷却时间内，利用可移动的平台和滑轨调整散斑制作工具，在新增材制造出的构件部分的表面上原位制作散斑图案，随后还能将散斑制作工具等移出DIC摄像头的视野范围，如此，通过移动散斑制作工具方便在新增材制造的构件部分表面上原位制作散斑图案，且无需移动构件而可使DIC全程对增材制造的变形进行实时监测。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种在线制作增材制造构件表面散斑的方法，其特征在于，包括：

(1)在所述基板上增材制造出特定高度δh的构件部分；

(2)在所述构件部分的层间冷却时间内，通过散斑制作装置在所述构件部分的一个表面上原位制作出散斑图案；

(3)重复步骤(1)和(2)，直至所述增材制造的过程结束。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述构件部分的层间冷却时间不小于1s。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述特定高度δh至少为增材制造的单层沉积高度。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(3)中，在所述增材制造出构件部分的步骤之后，将所述散斑制作装置的散斑制作工具的底面调高所述特定高度δh，再进行所述制作散斑图案的步骤。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤(3)中，在所述制作散斑图案的步骤之后，将所述散斑制作工具移出DIC摄像头的视野范围。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述制作出散斑图案的方法为喷涂或滚刷。

7.一种适用于增材制造的散斑制作装置，其特征在于，包括：

底座，所述底座用于与增材制造用的基板对齐；

滑轨，所述滑轨垂直设置于所述底座的上表面；

可移动的平台，所述平台设置于所述滑轨上且与所述底座平行设置；

散斑制作工具，所述散斑制作工具固定于所述平台的上表面；

高度测量工具，所述高度测量工具也垂直设置于所述底座的上表面，且与所述滑轨平行设置。

8.根据权利要求7所述的散斑制作装置，其特征在于，所述可移动的平台与所述滑轨之间是可拆卸的。

9.根据权利要求7所述的散斑制作装置，其特征在于，所述可移动的平台在所述滑轨上是可旋转的。

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