CN111780658A - 高能束粉床打印增材制造中零件变形实时测量装置及方法 - Google Patents

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刘姝颖
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陈刚
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Abstract

本发明涉及增材制造技术中的检测领域，提供了一种高能束粉床打印增材制造中零件变形实时测量装置及方法，通过在打印基板底部粘贴温度补偿应变片，将打印基板悬空安置，同时在粉层下部设置导线绕过铺粉装置的运动范围，导线通过预留导线接口或可密封开孔穿过打印设备密闭空间与外部应变仪相连接。打印时应变片受到基板底部变形的伸长或压缩，从而产生电信号变化，实时测量打印零件的变形量与形变行为。本发明将整套测量系统设置于粉末层底部，不影响铺粉机构运动，对原有打印设备改动极小；本发明检测精度高，反应灵敏，可实现打印过程中零件变形的实时监控，极大提高增材制造质量监控水平，优化打印工艺参数，为减小打印变形量提供数据支持。

Description

高能束粉床打印增材制造中零件变形实时测量装置及方法
技术领域
本发明涉及增材制造技术中的检测领域，特别涉及一种高能束粉床打印增材制造中零件变形实时测量装置及方法。
背景技术
2018年，世界著名战略咨询机构—美国麦肯锡公司发布了《未来工厂(Factory ofthe Future)》的咨询报告，列举了未来十大先进材料制造技术，其中，增材制造技术(3D打印)位列第一。目前增材制造技术已在航空航天、机械制造、生物医学等领域取得了广阔的应用，并受到了各国政府和科技工业界的高度关注。而众多增材制造技术中，以粉床高能束为基础的选区激光熔化(SLM)、电子束熔化(EBM)与选区激光熔烧结(SLS)等技术展现了高制造精度、短制造周期及优秀零件性能等优势，市场占有率逐年上升，其中SLM技术已经成为增材制造中所占市场比例最高的技术。
粉床高能束增材制造打印主要以聚焦高能激光或电子束为热源熔化金属粉末，由于高能束造成的快速熔化与冷却过程，造成极高的材料过冷度，其零件内部存在剧烈的残余应力，从而导致零件在打印过程会产生变形与翘曲，最后造成打印过程的失败或者打印零件的精度下降。
目前针对粉床式的增材制造变形过程在线监控还没有成熟技术，这是由于高能束粉床设备的密闭性，不可能将大型测量设备整合进入打印系统。另一方面，由于粉层的覆盖与铺粉装置的来回往复运动，直接接触式的测量方法不适用于现有的商业SLM、EBM等打印设备。因此，目前高能束粉床打印过程中的零件变形行为与变形量的监控手段还比较缺乏。在新零件或材料的开发过程中需要通过大量的实验优化打印参数，造成了产品开发与制造的时间与材料成本浪费。根据公开资料查询，该领域测量技术只有美国宾夕法尼亚州立大学团队(http://dx.doi.org/10.1016/j.addma.2016.04.007)报道了通过压差磁阻传感器(DVRT)测量SLM打印基板的上下变形运动的研究。该方法虽然属于接触式变形测量，但是其位移传感器只能单方向测量基板中心热变形过程的上下位移，属于间接方式，其测量灵敏度较低，根据其测量结果可知输出位移波形明显存在阻尼滞后现象，有一定的失真。因此开发一种易于在商业设备中实施，对设备改动较小，测量灵敏度高的直接在线监控方法非常必要。
发明内容
由于高能束粉层增材制造的设备封闭性与铺粉机构在粉层铺放时的运动，直接的零件打印测量方法与设备安置一直是增材制造在线监控中的难点。本发明的目的在于解决目前高能束粉床增材制造打印制件的实时变形检测难题，提供了一种高能束粉床打印增材制造中零件变形实时测量装置及方法，通过在打印零件基板底部粘贴桥接温度补偿应变片，将打印基板悬空安置，同时在粉层下部安排导线绕过铺粉装置的运动范围，通过内外接口连接器，将导线穿过打印设备密闭与外部应变仪相连接。在打印过程中，应变片会受到基板底部变形的伸长或压缩，从而产生电信号变化，实时测量打印零件的变形量与形变行为。。
本发明采用如下技术方案：
一种高能束粉床打印增材制造中零件变形实时测量装置，所述装置包括打印基板、应变片、导线、内外接口连接器、应变仪；
所述打印基板的背部悬空设置，所述打印基板背部与打印零件对应的位置设置所述应变片；所述应变片通过所述导线与所述电阻应变仪连接；所述导线通过内外接口连接器穿出打印设备的工作舱舱体(密闭空间)。
进一步的，所述应变仪为电阻应变仪。
进一步的，所述打印基板的材质为不锈钢、钛合金或有机物。
进一步的，所述应变片为单向或双向设置，应变片单向设置用于测量长条形试样的单一方向变形，应变片双向设置用于测量试样两个方向上的变形，双向设置的应变片呈90°摆放。
进一步的，所述应变片为与打印基板相对应的温度自补偿应变片，或对应变片采用材料温度补偿电路实现应变片的温度补偿功能。
进一步的，所述应变片使用光固化胶粘贴，或使用耐高温应变片胶粘贴。
进一步的，所述动态电阻应变仪支持1/4桥、半桥、全桥等桥路连接方式。
进一步的，所述打印基板通过四角支撑实现打印基板的背部悬空设置，所述打印基板通过四角螺栓固定在工作台上。
上述的高能束粉床打印增材制造中零件变形实时测量装置，用于选区激光熔化SLM，电子束熔化EBM或选区激光烧结SLS。
本发明还提供了一种高能束粉床打印增材制造中零件变形实时测量方法，利用上述的装置，所述方法具体包括如下步骤：
S1、安装应变片：选择与打印基板相应的温度自补偿应变片，或使用材料温度补偿电路，在打印基板底部所需测量变形方向粘贴应变片，组成测量应变电路；
S2、悬空打印基板：将打印基板摆放在非固定支撑柱上，降低工作台，使打印基板的上台面处于工作位置；
S3、测量应变电路连接：导线一端连接应变片，另一端通过内外接口连接器外接至电阻应变仪上；
S4、测量：开始铺粉打印过程，输出变形电信号。打印基板与打印零件紧密焊接在一起，打印过程产生的残余应力使打印零件和打印基板同时变形。
进一步的，步骤S1中，当打印零件为长条形且尺寸较小时，使用单向设置的应变片；当打印零件尺寸较大时，使用双向设置的应变片，双向设置的应变片呈90°摆放粘贴。
进一步的，在低预热与小零件打印情况下，应变片粘贴使用高强度光固化胶，以提高测量灵敏度；在高预热温度与长打印时间情况下，使用耐高温应变片胶。
本发明的有益效果为：通过在打印基板下部安装应变测量电路，将整套测量系统位于粉末层底部，对铺粉机构运动不造成影响，对原有打印设备改动极小；本发明检测精度高，反应灵敏，可实现打印过程中零件变形的实时监控，极大的提高增材制造质量监控水平，优化打印工艺参数，为减小打印变形量提供数据支持。
附图说明
图1所示为本发明实施例一种高能束粉床打印增材制造中零件变形实时测量装置的结构示意图。
图2所示为实施例1中与应变片组装完成后的打印基板三维视图示意。
图3所示为实施例1中与应变片组装完成后的打印基板的仰视图示意。
图4所示为实施例2中316L不锈钢打印过程前5层应变输出信号。
图5所示为316L不锈钢打印过程第1层输出信号放大图。
图中：1-打印零件；2-打印基板；3-应变片；4-导线；5-粉层；6-铺粉刮刀右边界；7-铺粉刮刀左边界；8-激光或电子束；9-工作舱舱体；10-支撑；11-内外接口连接器；12-(动态)电阻应变仪；13-桥路选择按钮；14-计算机。
具体实施方式
下文将结合具体附图详细描述本发明具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。
如图1所示，本发明实施例一种高能束粉床打印增材制造中零件变形实时测量装置，用于选区激光熔化SLM，电子束熔化EBM或选区激光烧结SLS；所述装置包括打印基板2、应变片3、导线4、内外接口连接器11、电阻应变仪12；所述打印基板2的背部悬空设置，所述打印基板2背部与打印零件1对应的位置设置所述应变片3；所述应变片3通过所述导线4与所述电阻应变仪12连接，电阻应变仪12与计算机14连接，电阻应变仪12上设置桥路选择按钮13，支持1/4桥、半桥、全桥等桥路连接方式；在粉层5下部安排导线4绕过铺粉装置的运动范围(从铺粉刮刀右边界6到铺粉刮刀左边界7)，所述导线4通过内外接口连接器11穿出打印设备的工作舱舱体9(密闭空间)。
优选的，打印基板2的材质为不锈钢、钛合金或有机物。所述打印基板2通过四角支撑10实现打印基板2的背部悬空设置，如图2、图3所示，所述打印基板2通过四角螺栓固定在工作台上。
优选的，所述应变片3为单向或双向设置，应变片3单向设置用于测量长条形试样的单一方向变形，应变片3双向设置用于测量试样两个方向上的变形，双向设置的应变片呈90°摆放粘贴。进一步优选，所述应变片3为与打印基板2相对应的温度自补偿应变片，或采用材料温度补偿电路实现应变片的温度补偿功能。
优选的，在较低预热与较小零件打印情况下，应变片3粘贴使用高强度光固化胶，以提高测量灵敏度；在较高预热温度与较长打印时间情况下，使用耐高温应变片胶。
本发明实施例一种高能束粉床打印增材制造中零件变形实时测量方法，利用上述的装置，所述方法具体包括如下步骤：
S1、安装测量应变电路：选择与打印基板2相应的温度自补偿应变片3，或使用材料温度补偿电路，在打印基板2底部所需测量变形方向粘贴应变片3，组成测量应变电路；
S2、悬空打印基板2：将打印基板2摆放在非固定支撑10上，降低工作台，使打印基板2的上台面处于工作位置；
S3、测量应变电路连接：导线4一端连接应变片3，另一端通过内外接口连接器11外接至电阻应变仪12上；
S4、测量：开始铺粉打印过程，记录输出的变形电信号。
实施例1
如图1所示，打印零件1位于打印基板2上部，在打印零件1与打印基板2底部粘贴桥接温度补偿应变片3，将打印基板2通过支撑10悬空安置，同时在粉层5下部安排导线4绕过铺粉装置的运动范围(从6至7)，通过内外接口连接器11，将导线4穿过打印设备密闭空间与外部电阻应变仪12相连接。
在打印过程中，应变片3会受到打印基板2底部变形的伸长或压缩，从而产生电信号变化，实时测量打印零件的变形量与形变行为。
实施例2
以316L不锈钢粉末与304不锈钢打印基板为实验对象，模型大小15mm×2mm(L×W)、激光功率300W、扫描速度300mm/s、扫描间距120μm。图4中所示输出波形为打印过程前5层打印基板底部变形信号。通过图5中第一层放大波形可见，本实验反应灵敏，可以无失真的表现出高能束扫描粉层在底部打印基板2上产生的热影响，其波形向下代表应变片3受到压缩产生信号为负值，在激光停止扫描后，波形开始向上发展，最后在一段时长后回复至原始尺寸，然后继续向上延长，代表打印基板2最后残余变形为中部向下弯曲，两端向上翘曲，并且缓慢发展。
本文虽然已经给出了本发明的几个实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。

Claims (10)

1.一种高能束粉床打印增材制造中零件变形实时测量装置，其特征在于，所述装置包括打印基板、应变片、导线、应变仪；
所述打印基板的背部悬空设置，所述打印基板背部与打印零件对应的位置设置所述应变片；所述应变片通过所述导线穿过打印设备的工作舱舱体与所述应变仪连接。
2.如权利要求1所述的高能束粉床打印增材制造中零件变形实时测量装置，其特征在于，所述打印基板的材质为不锈钢、钛合金或有机物。
3.如权利要求1所述的高能束粉床打印增材制造中零件变形实时测量装置，其特征在于，所述应变片为单向或双向设置，应变片单向设置用于测量长条形试样的单一方向变形，应变片双向设置用于测量试样两个方向上的变形，双向设置的应变片呈90°摆放。
4.如权利要求1-3任一项所述的高能束粉床打印增材制造中零件变形实时测量装置，其特征在于，所述应变片为与打印基板相对应的温度自补偿应变片，或对应变片采用材料温度补偿电路实现应变片的温度补偿功能。
5.如权利要求4所述的高能束粉床打印增材制造中零件变形实时测量装置，其特征在于，所述应变片使用光固化胶粘贴，或使用耐高温应变片胶粘贴。
6.如权利要求1所述的高能束粉床打印增材制造中零件变形实时测量装置，其特征在于，所述打印基板通过四角支撑实现打印基板的背部悬空设置，所述打印基板通过四角螺栓固定在工作台上。
7.如权利要求1所述的高能束粉床打印增材制造中零件变形实时测量装置，用于选区激光熔化SLM，电子束熔化EBM或选区激光烧结SLS。
8.一种高能束粉床打印增材制造中零件变形实时测量方法，其特征在于，利用如权利要求1-6任一项所述的装置，所述方法具体包括如下步骤：
S1、安装应变片：选择与打印基板相应的温度自补偿应变片，或对应变片使用材料温度补偿电路，在打印基板底部所需测量变形方向粘贴应变片，组成测量应变电路；
S2、悬空打印基板：将打印基板摆放在非固定支撑上，降低工作台，使打印基板的上台面处于工作位置；
S3、测量应变电路连接：导线一端连接应变片，另一端通过内外接口连接器外接至电阻应变仪上；
S4、测量：开始铺粉打印过程，输出变形电信号。
9.如权利要求8所述的高能束粉床打印增材制造中零件变形实时测量方法，其特征在于，步骤S1中，当打印零件为长条形且尺寸较小时，使用单向设置的应变片；当打印零件尺寸较大时，使用双向设置的应变片，双向设置的应变片呈90°摆放粘贴。
10.如权利要求8所述的高能束粉床打印增材制造中零件变形实时测量方法，其特征在于，在低预热与小零件打印情况下，应变片粘贴使用高强度光固化胶，以提高测量灵敏度；在高预热温度与长打印时间情况下，使用耐高温应变片胶。
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