CN111790910A - 一种激光粉末床熔融成形件缺陷反馈与调节方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光粉末床熔融成形件缺陷反馈与调节方法，包括：以预设的采样频率同步采集熔池光辐射信号和所属的坐标位置信号，一一对应后进行颜色映射，生成三维立体RGB图像；根据RGB颜色差异在三维立体RGB图像上识别出缺陷的类型、形状并获取缺陷的空间分布位置；统计光辐射异常值数量，根据统计结果判定采用停机或局部重熔对打印进程进行调节。本发明能够在线监测到缺陷的发生，还能够精确定位缺陷发生的位置，因而不仅能够及时发现缺陷，而且能够视缺陷多少通过“停机”或“局部重熔”等反馈调节机制及时修复缺陷，经济高效，有利于成品质量，减少资源浪费。

Description

一种激光粉末床熔融成形件缺陷反馈与调节方法
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，具体而言涉及一种激光粉末床熔融成形件缺陷反馈与调节方法。
背景技术
金属增材制造制件在制造过程中极易出现孔隙、裂纹等缺陷，这些缺陷的存在使得金属增材制造制件在拉伸性能、高温持久性能以及疲劳寿命等无法与锻件媲美，甚至低于铸件。因此，通过实时监控成形过程中缺陷产生等异常，随时调整工艺参数以减少废品的产生，实现增材制造技术的闭环控制至关重要，为此，研究人员开展了多项在线监测技术的研究，如激光超声、高速相机、红外热像仪等，但这些技术由于各种原因尚不能大规模推广应用，如，激光超声监测方法对零件表面粗糙度要求较高，目前的激光粉末床熔融技术难以达到粗糙度要求；高速相机及红外热像仪成本太高，适用于科研，难以用于生产加工，且难以准确定位缺陷位置，不利于缺陷的在线修复。
专利号为CN108509665A中提及了一种光电二极管检测的熔池光强数据场建模方法，但其中并未涉及适于任意扫描方式的具有复杂形状的熔融成形件缺陷的在线监测方式。因此目前亟需提出一种适于任意扫描方式的具有复杂形状的熔融成形件缺陷的在线监测方式，以及基于在线监测结果的实时调节方法。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，提供一种基于熔池光辐射信号的激光粉末床熔融成形件缺陷反馈与调节方法，能够在线监测到缺陷的发生，还能够精确定位缺陷发生的位置，因而不仅能够及时发现缺陷，而且能够视缺陷多少通过“停机”或“局部重熔”等反馈调节机制及时修复缺陷，经济高效，有利于成品质量，减少资源浪费。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种激光粉末床熔融成形件缺陷反馈与调节方法，所述方法包括以下步骤：
S1，以预设的采样频率同步采集熔池光辐射信号和所属的坐标位置信号，一一对应后进行颜色映射，生成三维立体RGB图像；
S2，根据不同材料组分、不同工艺参数下有缺陷和无缺陷时光辐射强度差异，设置对应的缺陷阈值，根据RGB颜色差异在三维立体RGB图像上识别出缺陷的类型、形状并获取缺陷的空间分布位置；
S3，统计光辐射异常值数量：
如果光辐射异常值数量占整个光辐射信号数量的比例大于预设的第一比例阈值，判定当前零件的缺陷较多，采用停机的调节方式终止当前打印进程；
如果光辐射异常值数量占整个光辐射信号数量大于预设的第二比例阈值但小于第一比例阈值，判定当前零件的缺陷较少，采用局部重熔的调节方式在线修复缺陷，继续当前打印进程；
所述第一比例阈值和第二比例阈值均大于0。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
进一步地，步骤S1中，所述同步采集熔池光辐射信号和所属的坐标位置信号，一一对应后进行颜色映射，生成三维立体RGB图像的过程包括以下步骤：
S11，采用FPGA以预设的采样频率采集光辐射强度信号并发送至计算机串口，驱使增材制造成形控制程序通过串口通讯函数实时读取串口的光辐射强度信号；
S12，振镜控制卡以相同的采样频率实时采集振镜坐标位置信号，并在增材制造成形控制程序中调用RTC5函数，实时读取振镜控制卡采集的振镜坐标位置信号；
S13，在打印过程中将光辐射强度信号与振镜坐标位置信号对应起来实时进行颜色映射，生成三维立体RGB图像。
进一步地，步骤S11中，所述采用FPGA采集光辐射强度信号并发送至计算机串口包括：
S111，利用光电二极管实时采集经衰减片和滤波片作用后的熔池辐射光信号，并使采集到的熔池辐射光信号在检测电路作用下转化为对应的模拟电压信号；
S112，将模拟电压信号传输至ADC模数转换器将其转换成数字信号，再由FPGA接收。
进一步地，所述预设的采样频率的取值范围为10kHz-100kHz。
进一步地，所述预设的采样频率f满足以下公式：
Figure BDA0002572857290000021
式中：Vscan为陶瓷SLM激光扫描速度，Wseam为激光光斑直径。
进一步地，所述第一比例阈值为20％。
进一步地，和第二数量阈值为10％。
进一步地，所述方法还包括以下步骤：
采用红外热像仪作为独立于光电二极管的监测模块实时捕获熔池的热信号并成像，用以辅助和验证光电二极管的监测和反馈效果。
进一步地，根据存在于次表面缺陷的热信号保留在打印零件上的时长确定红外热像仪的拍摄频率，所述拍摄频率与所述时长呈反比。
本发明的有益效果是：
(1)能够在打印过程中将光辐射强度信号与坐标位置信号一一对应实时进行“颜色映射”，实现“边打印边出图”的在线监测效果，解决了操作人员在打印过程中无法及时直观地掌握打印质量信息的问题。
(2)将数据采集与质量反馈的一体化控制方法，解决了熔池监测系统的闭环控制问题。当光辐射异常值数量超过设定的阈值时，能够及时执行“停机”操作；或者通过优化激光工艺参数对出现缺陷的区域重熔，及时修复缺陷。
(3)将数据采集与质量反馈的一体化控制方法，解决了熔池监测系统的闭环控制问题。当光辐射异常值数量超过设定的阈值时，能够及时执行“停机”操作；或者通过优化激光工艺参数对出现缺陷的区域重熔，及时修复缺陷。
附图说明
图1是本发明的激光粉末床熔融成形件缺陷反馈与调节方法的流程图。
图2是本发明的激光选区熔化反馈与调节方法示意图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
结合图1，本发明提及一种激光粉末床熔融成形件缺陷反馈与调节方法，所述方法包括以下步骤：
S1，以预设的采样频率同步采集熔池光辐射信号和所属的坐标位置信号，一一对应后进行颜色映射，生成三维立体RGB图像。
S2，根据不同材料组分、不同工艺参数下有缺陷和无缺陷时光辐射强度差异，设置对应的缺陷阈值，根据RGB颜色差异在三维立体RGB图像上识别出缺陷的类型、形状并获取缺陷的空间分布位置。
S3，统计光辐射异常值数量：
如果光辐射异常值数量占整个光辐射信号数量的比例大于预设的第一比例阈值，判定当前零件的缺陷较多，采用停机的调节方式终止当前打印进程。
如果光辐射异常值数量占整个光辐射信号数量大于预设的第二比例阈值但小于第一比例阈值，判定当前零件的缺陷较少，采用局部重熔的调节方式在线修复缺陷，继续当前打印进程。
所述第一比例阈值和第二比例阈值均大于0。
结合图2，本发明公开的激光选区熔化成形件缺陷反馈与调节方法可以基于FPGA实现，包括如下步骤：
(1)FPGA采集光辐射强度信号并发送至计算机串口，增材制造成形控制程序通过串口通讯函数实时读取串口的光辐射强度信号。
本实施方式中，FPGA的采样频率设置为10kHz。开发一段Verilog串口发送程序，将采集到的光辐射信号实时发送到计算机串口，同时，在增材制造成形控制程序中开发一段计算机串口读取程序，实时读取FPGA向计算机串口发送的光强数据。
(2)振镜控制卡实时采集振镜坐标位置信号，并在增材制造成形控制程序中调用RTC5函数，实时读取振镜控制卡采集的振镜坐标位置信号。
本实施方式中，在成形控制程序中调用RTC5中set_trigger函数，以10kHz的采样频率实时读取激光振镜控制卡采集的振镜坐标位置信号并存储。
优选的，为了提高检测精度，在监测过程中每个激光光斑大小的区域至少对应一个采样数据，所以要求熔池光辐射监测系统采样频率f满足：
Figure BDA0002572857290000041
式中：Vscan为陶瓷SLM激光扫描速度，Wseam为激光光斑直径。
(3)在打印过程中将光辐射强度信号与振镜坐标位置信号一一对应实时进行“颜色映射”，实现“边打印边出图”的在线监测效果。
(4)当光辐射异常值数量达到设定的第一阈值时，缺陷较多，零件已无打印成功的条件，机器将采取“停机”的调节方式终止打印进程，减少资源浪费。
本实施方式中，第一阈值设置为光辐射异常值数量占整个光辐射信号数量的20％以上。
(5)当光辐射异常值数量达到设定的第二阈值时，缺陷较少，零件尚可继续打印成形，此时，机器将采取“局部重熔”的调节方式在线修复缺陷，然后继续打印。
本实施方式中，第二阈值设置为光辐射异常值数量占整个光辐射信号数量的10％，当光辐射异常值数量比例为10％～20％时，并对缺陷发生位置进行“局部重熔”。
(6)为了提高监测准确率，采用红外热像仪作为独立于光电二极管的监测模块实时捕获熔池的热信号并成像，用以辅助和验证光电二极管的监测和反馈效果。
本实施方式中，假设存在于次表面缺陷的热信号在1/7s的时间范围内保留在打印零件上，红外热像仪以7帧/秒的帧数捕获热辐射强度并传输到计算机内成像，用于辅助及验证光电二极管的监测和反馈效果。
本发明提出的一种基于熔池光辐射信号的激光粉末床熔融成形件缺陷反馈与调节方法，能够在线采集熔池发出的光辐射信号以及振镜位置坐标信号，实时进行“颜色映射”，在线完成数据可视化，便于操作人员在打印过程中及时直观地掌握打印质量信息。当光辐射异常值数量超过阈值时，执行“停机”操作；或者通过优化激光工艺参数对出现缺陷的区域重熔，及时修复缺陷。同时，借助红外热像仪能够辅助及验证光电二极管的监测及反馈效果，提高了打印件的成形质量。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种激光粉末床熔融成形件缺陷反馈与调节方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1，以预设的采样频率同步采集熔池光辐射信号和所属的坐标位置信号，一一对应后进行颜色映射，生成三维立体RGB图像；
S2，根据不同材料组分、不同工艺参数下有缺陷和无缺陷时光辐射强度差异，设置对应的缺陷阈值，根据RGB颜色差异在三维立体RGB图像上识别出缺陷的类型、形状并获取缺陷的空间分布位置；
S3，统计光辐射异常值数量：
如果光辐射异常值数量占整个光辐射信号数量的比例大于预设的第一比例阈值，判定当前零件的缺陷较多，采用停机的调节方式终止当前打印进程；
如果光辐射异常值数量占整个光辐射信号数量大于预设的第二比例阈值但小于第一比例阈值，判定当前零件的缺陷较少，采用局部重熔的调节方式在线修复缺陷，继续当前打印进程；
所述第一比例阈值和第二比例阈值均大于0。
2.根据权利要求1所述的激光粉末床熔融成形件缺陷反馈与调节方法，其特征在于，步骤S1中，所述同步采集熔池光辐射信号和所属的坐标位置信号，一一对应后进行颜色映射，生成三维立体RGB图像的过程包括以下步骤：
S11，采用FPGA以预设的采样频率采集光辐射强度信号并发送至计算机串口，驱使增材制造成形控制程序通过串口通讯函数实时读取串口的光辐射强度信号；
S12，振镜控制卡以相同的采样频率实时采集振镜坐标位置信号，并在增材制造成形控制程序中调用RTC5函数，实时读取振镜控制卡采集的振镜坐标位置信号；
S13，在打印过程中将光辐射强度信号与振镜坐标位置信号对应起来实时进行颜色映射，生成三维立体RGB图像。
3.根据权利要求2所述的激光粉末床熔融成形件缺陷反馈与调节方法，其特征在于，步骤S11中，所述采用FPGA采集光辐射强度信号并发送至计算机串口包括：
S111，利用光电二极管实时采集经衰减片和滤波片作用后的熔池辐射光信号，并使采集到的熔池辐射光信号在检测电路作用下转化为对应的模拟电压信号；
S112，将模拟电压信号传输至ADC模数转换器将其转换成数字信号，再由FPGA接收。
4.根据权利要求1所述的激光粉末床熔融成形件缺陷反馈与调节方法，其特征在于，所述预设的采样频率的取值范围为10kHz-100kHz。
5.根据权利要求1所述的激光粉末床熔融成形件缺陷在线监测方法，其特征在于，所述预设的采样频率f满足以下公式：
Figure FDA0002572857280000011
式中：Vscan为陶瓷SLM激光扫描速度，Wseam为激光光斑直径。
6.根据权利要求1所述的激光粉末床熔融成形件缺陷反馈与调节方法，其特征在于，所述第一比例阈值为20％。
7.根据权利要求1所述的激光粉末床熔融成形件缺陷反馈与调节方法，其特征在于，和第二数量阈值为10％。
8.根据权利要求1所述的激光粉末床熔融成形件缺陷反馈与调节方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：
采用红外热像仪作为独立于光电二极管的监测模块实时捕获熔池的热信号并成像，用以辅助和验证光电二极管的监测和反馈效果。
9.根据权利要求7所述的激光粉末床熔融成形件缺陷反馈与调节方法，其特征在于，根据存在于次表面缺陷的热信号保留在打印零件上的时长确定红外热像仪的拍摄频率，所述拍摄频率与所述时长呈反比。
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