CN113118461A - 3d打印过程中检查3d打印物体的打印质量的方法和装置，及3d打印系统 - Google Patents

3d打印过程中检查3d打印物体的打印质量的方法和装置，及3d打印系统 Download PDF

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Abstract

所公开的是在3D打印过程中使用飞秒激光束检查3D打印物体的打印质量的方法和装置，以及用于该装置的3D打印系统。从与3D打印激光源同轴设置的飞秒激光源辐射激光束，以检查打印物体的状态。由飞秒激光源产生的激光束被分离成泵浦激光束和探测激光束。由3D打印激光源辐射的打印激光束或泵浦激光束辐射到打印物体上，以产生超声波。为了测量超声波，将探测激光束辐射到打印物体上。检测被打印物体反射的探测激光束。通过分析经反射的探测激光束来检查打印物体的质量。

Description

3D打印过程中检查3D打印物体的打印质量的方法和装置，及 3D打印系统
技术领域
本发明涉及一种三维(3D)打印技术，更具体地，涉及3D打印过程中使用飞秒激光束检查3D打印物体的打印质量的方法和装置，以及具有该装置的3D打印系统。
背景技术
众所周知，3D打印是一种生产三维物体的制造技术。对于三维物体的3D打印，它的处理方式是基于3D模型数据处理信息逐层堆叠。3D打印技术的优点是便于实现复杂的形状、产品内部形成的形状等。由于这些优势，3D打印技术作为一种高附加值的技术受到了人们的关注，它可以方便地制造各种产品，如各种工业零件和医疗材料。
可以通过将3D产品的形状分为若干个具有均匀或可变厚度的2D横截面，并形成要逐一堆叠的2D横截面来执行3D打印过程。已知的3D打印方法有多种，诸如材料挤出法、材料喷射法、粘结剂喷射法、片材层压法、大桶光聚合法、粉末床熔合法、定向能量沉积(DED)法等。其中，DED法是一种将激光能量施加到金属粉末或金属丝材料上进行熔化和融合的方法，与其他方法相比，DED法可以使用便宜的商品材料，在现有的三维形状上形成叠片，并且与其他方法相比具有卓越的机械性能，因此被广泛使用。
在根据DED方法的3D打印中，当将从激光源辐射的激光束辐射到基板上时形成熔池，并且将金属粉末提供到熔池上以形成叠片。
在3D打印结构中，不可避免地会出现粗糙度为几微米或更高的粗糙表面。在进行3D打印过程的成形室中，可能会产生诸如灰尘和/或运动产生的振动等不良环境。由3D打印过程形成的打印物品的物理特性和存在缺陷的相关信息是决定3D打印质量的重要因素。但是，能够应用于3D打印过程的测量技术非常有限。这是由于打印结构表面的粗糙度、成形室内部的恶劣环境以及数据采集和处理速度的限制。尤其是在3D打印过程中，还没有开发出通过实时分析测量获得的信息来检查打印质量的技术。
发明内容
为了解决上述现有技术的问题，本发明的实施例提供一种能够在3D打印过程中使用飞秒激光束测量打印物体的打印状态的方法，该方法具有高的空间测量分辨率，并能实时检查打印物体的打印质量。
此外，本发明的实施例是提供一种用于实现该方法的装置和具有该装置的3D打印系统。
在一个方面，本发明的一些实施例提供了检查3D打印物体的打印质量的方法。该检查方法包括通过将3D打印激光源产生的打印激光束辐射到提供到打印物体的基体材料上，进行3D打印过程；通过飞秒激光源产生飞秒激光束，以在进行3D打印过程中，实时进行打印物体物理特性的估算和打印物体缺陷的检测。将飞秒激光源产生的飞秒激光束分离成泵浦激光束和探测激光束；通过由3D打印激光源辐射的打印激光束激发打印物体或通过将分离的泵浦激光束辐射到打印物体上来产生超声波；将探测激光束辐射到打印物体的凝固区域，以测量超声波。检测由打印物体反射的探测激光束，将其转换为电信号；并且通过分析经转换的电信号的振幅和相位，检查打印物体的打印质量，包括估算打印物体的物理特性和检测打印物体的缺陷。在该检查方法中，打印激光束以及与由飞秒激光束分离的泵浦激光束和探测激光束相互同轴对准并施加到打印物体上。此外，在3D打印过程中，使用飞秒激光束实时检查3D打印物体的打印质量。
在实施例中，在产生的超声波中，泵浦激光束可以辐射到与打印激光束间隔预定距离的打印物体的凝固区域，以产生超声波。
在实施例中，探测激光束和泵浦激光束可以辐射到打印物体相同的点上。
在实施例中，打印激光束、泵浦激光束以及飞秒激光束可以同轴地形成。
在实施例中，可以利用打印物体的表面反射波St引起的第一输出信号和打印物体的底部反射波Sr引起的第二输出信号之间的时间差来估算打印物体的物理特性。
在实施例中，物理特性可以包括打印物体的打印厚度和弹性模量中的至少一个。
在实施例中，打印物体的物理特性可以通过检测在打印物体中产生的超声波的传播速度的变化来估算。
在实施例中，检测超声波在打印物体中产生的传播速度的变化，可以通过分析由超声波引起的输出信号的相位差来进行。
在实施例中，通过检测超声波传播速度的变化来估算的物理特性可以包括弹性模量和/或残余应力。
在实施例中，检测超声波在打印物体中产生的传播速度的变化，可以通过检测超声波的对称模式和非对称模式的到达时间的变化来进行。
在实施例中，打印物体的缺陷的检测可以通过检测打印物体的裂缝和打印物体内部的空洞中的至少一个来进行。
在实施例中，打印物体缺陷的检测可以通过检测由打印物体中的裂缝和空洞中的至少一个产生的附加反射波Sr'引起的输出信号来进行。
在实施例中，通过调整光路长度，辐射到凝固区域的探测激光束在时间上可以比泵浦激光束延迟，辐射到凝固区域的泵浦激光束可以是以预定频率调制的信号。
在实施例中，在超声波的产生时，泵浦激光束可以辐射到与打印激光束相同的点上，以产生超声波。
在实施例中，在超声波的产生时，打印激光束可以作为泵浦激光束来产生超声波。
在实施例中，飞秒激光束的分离可以包括：使用第一分束器将飞秒激光束分离成第一飞秒激光束和第二飞秒激光束；将分离的第一飞秒激光束调制成泵浦激光束；通过调整分离的第二飞秒激光束的光路长度来生成探测激光束；并且调整泵浦激光束的光路，使泵浦激光束与探测激光束和打印激光束同轴。
在实施例中，打印物体缺陷的检测可以通过检测由超声波引起的输出信号的非线性来进行。
在实施例中，检测由超声波引起的输出信号的非线性，可以通过检测打印物体同时被低频和高频超声波激发时产生的非线性调制信号来进行。
在实施例中，基于由超声波引起的输出信号的非线性检测到的缺陷可能是打印物体的表面裂缝。
在其他方面，本发明的一些实施例提供了一种用于在3D打印过程中使用飞秒激光束检查打印物体的打印质量的装置。该装置包括3D打印激光源、飞秒激光源、第一分束器、电/声光调制器、时间延迟单元、第一光学单元、第二光学单元、光检测器、锁相放大器和控制单元。3D打印激光源被配置为通过产生用于3D打印的打印激光束以辐射到基体材料上来进行3D打印过程。飞秒激光源与3D打印激光源同轴设置，并被配置为产生飞秒激光束。第一分束器被配置为将由飞秒激光源产生的飞秒激光束分离成第一飞秒激光束和第二飞秒激光束。电/声光调制器被配置为将由第一分束器分离的第一飞秒激光束调制成用于激发打印物体的泵浦激光束。时间延迟单元被配置成为通过调整由第一分束器分离的第一飞秒激光束的光路长度，来延迟输出用于检查打印物体的打印质量的探测激光束。第一光学单元被配置为调整从3D打印激光源辐射的打印激光束或从电/声光学调制器输出的泵浦激光束的行进方向，以便辐射到打印物体上。第二光学单元被配置为调整从时间延迟单元输出的探测激光束的行进方向，以辐射到打印物体的凝固区域上，从而在打印激光束或泵浦激光束被施加到打印物体上时，测量打印物体中产生的超声波。光检测器被配置为检测由打印物体反射的探测激光束，并将检测到的探测激光束转换为电信号。锁相放大器被配置为检测光检测器的输出信号的振幅和相位。控制单元被配置为对打印物体进行实时的打印质量检查，包括通过分析检测到的振幅和相位来估算打印物体的物理特性并检测缺陷。打印激光束、由飞秒激光束分离的泵浦激光束和探测激光束相互同轴对准并施加到打印物体上。
在另一个方面，本发明的一些实施例提供了一种3D打印系统，该系统包括3D打印激光源、基体材料供应源、飞秒激光源、第一分束器、电/声光调制器、时间延迟单元、第一光学单元、第二光学单元、光检测器、锁相放大器和控制单元。3D打印激光源被配置为将3D打印激光束辐射到供应给3D打印物体的基体材料上，以熔化基体材料，从而在打印物体上形成熔池。基体材料供应源被配置为向打印物体供应基体材料。飞秒激光源与3D打印激光源同轴设置，并且飞秒激光源被配置为产生飞秒激光束。第一分束器被配置为将由飞秒激光源产生的飞秒激光束分离成第一飞秒激光束和第二飞秒激光束。电/声光调制器被配置为将由第一分束器分离的第一飞秒激光束调制成用于激发打印物体的泵浦激光束。时间延迟单元被配置成为通过调整由第一分束器分离的第一飞秒激光束的光路长度，来延迟输出用于检查打印物体的打印质量的探测激光束。第一光学单元被配置为调整从3D打印激光源辐射的打印激光束或从电/声光学调制器输出的泵浦激光束的行进方向，以便辐射到打印物体上。第二光学单元被配置为调整从时间延迟单元输出的探测激光束的行进方向，以辐射到打印物体的凝固区域上，从而在打印激光束或泵浦激光束被施加到打印物体上时，测量打印物体中产生的超声波。光检测器被配置为检测由打印物体反射的探测激光束，并将检测到的探测激光束转换为电信号。锁相放大器被配置为检测光检测器的输出信号的振幅和相位。控制单元被配置为对打印物体进行实时的打印质量检查，包括估算打印物体的物理特性，并通过分析检测到的振幅和相位来检测缺陷。
根据本发明的实施例的3D打印系统可以利用飞秒激光器进行超声波测量，以检测打印物体的打印质量。由于该超声波测量可以实时进行，具有较高的空间测量分辨率，因此可以提高3D打印过程的控制精度和打印质量。
此外，根据本发明，使用飞秒激光器对打印物体进行信号测量，并可实时在线对测量信号进行分析。也就是说，在3D打印过程中，可以实时进行打印质量检测，如3D打印物体缺陷的检测以及物理特性的估算，从而可以及早发现和处理存在缺陷的打印物体。同时，还可以进行实时反馈控制，提高打印物体的质量。相应地，可以降低生产成本，提高产品质量和3D打印过程的效率。
然而，本发明的效果并不限于上述效果，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种扩展。
附图说明
从以下结合附图采取的详细描述将更清楚地理解示例性的非限制性实施例。
图1为根据本发明的实施例的3D打印系统的配置图。
图2为图1中所示的部分A的放大视图。
图3是根据本发明实施例的3D打印物体的打印质量检测方法的流程图。
图4是示出根据本发明的示例性实施例的3D打印系统中使用脉冲回波技术时打印激光束和飞秒激光束的示例性配置图。
图5是示出根据本发明的实施例的3D打印系统中使用一发一收技术时打印激光束和飞秒激光束的其他示例性配置的图。
图6是示出根据本发明的实施例的3D打印系统中使用一发一收技术时，打印激光束和飞秒激光束的另一示例性配置的图。
图7是用于描述根据本发明的实施例的3D打印系统中移动的打印物体的测量的视图。
图8是用于描述根据本发明的实施例的3D打印系统中飞秒激光束的调制的图。
图9是显示图7中所示的泵浦激光束和探测激光束的图。
图10示出了显示图1所示的锁相放大器的详细配置的框图。
图11是说明作为脉冲回波信号分析的一例，由打印物体4的表面反射波St和底部反射波Sr引起的输出信号的分析图。
图12示出了作为一发一收技术信号分析的示例，对超声波的对称模式和非对称模式引起的输出信号进行分析。
图13作为一发一收技术信号分析的示例，说明了同时对打印物体施加低频和高频超声波进行激励时，由于打印物体的表面裂缝而产生的非线性调制信号的示例。
具体实施方式
以下，将参阅附图详细描述本发明的实施例。本发明可以以各种不同的形式实施，并且不限于本文所述的实施例。在附图中，为了清楚地描述本发明，省略了与描述无关的部分，并且在整个说明书中为相同或相似的元素分配了相同的附图标记。
图1示出了根据本发明的实施例的3D打印系统的配置，图2是图1中A部分的放大图。
根据本发明的示例性实施例，3D打印系统1可以是通过使用激光熔化基体材料来形成3D物体的系统。该3D打印系统1可以包括用于在3D打印过程中使用具有高空间测量分辨率的飞秒激光束检查待3D打印的物体(即3D打印物体4)的打印质量的装置。
参阅图1，3D打印系统1可以包括激光源20、基体材料源30、聚焦透镜40、喷嘴50、飞秒激光源60、第一分束器71、时间延迟单元76、电/声光调制器80、第二分束器94、光检测器92、锁相放大器90和控制单元100。
在此，作为示例，3D打印系统1可以是能够通过用激光熔化金属粉末来形成3D物体的DED型3D打印系统。激光源20、基体材料源30、聚焦透镜40、喷嘴50可以构成一般的DED型3D打印机10。然而，根据本发明的实施例，可应用于3D打印系统1的3D打印机10不限于DED型。能够形成金属熔池的任何3D打印机都可以作为根据本发明的3D打印系统1的部件来应用。
此外，3D打印系统1可以包括与DED型3D打印机10同轴设置的飞秒激光源60。即，飞秒激光源60可以与激光源20同轴设置。在此，同轴设置是指相关组件被布置成使多个激光束共享相同的光路。例如，同轴设置意味着通过分束器、二色镜或滤波器分离和传输激光束来共享光路。因此，可以在不控制激光源20和飞秒激光源60的位置的情况下，相对于打印物体4连续测量超声波。
此外，根据示例性实施例，飞秒激光源60、第一分束器71、时间延迟单元76、电/声光调制器80、光检测器92、放大器90和控制单元100可以形成测量装置，该测量装置能够在3D打印过程中使用飞秒激光束检查3D打印物体的打印质量。在这种情况下，用于检查3D打印质量的装置可以包括用于形成光路的光学手段。
因此，3D打印系统1可以包括3D打印机10以及在3D打印过程中使用飞秒激光束检查打印物体的打印质量的装置。
激光源20可以产生打印激光束22辐射到3D打印物体4上。从激光源20辐射出来的打印激光束22可以依次通过第一反射镜24和第二反射镜26以及聚焦透镜40，并辐射到打印物体4上。此时，从激光源20辐射的激光束22可以通过喷嘴50，用于供给基体材料，同时被辐射到熔池2上。在此，激光源20的激光束22可以具有1.07μm以下的波长带。
在图1中，激光源20可以与飞秒激光源60在空间上分离设置。由于激光源20与喷嘴50并非设置在一条直线上，为了使激光源20和飞秒激光源60同轴设置，可以提供诸如第一反射镜24和第二反射镜26等光学构件。
第一反射镜24可以将打印激光束22从激光源20朝向飞秒激光源60反射。此外，第二反射镜26可以将第一反射镜24反射的打印激光束22朝向打印物体4反射。
但是，用于形成打印激光束22的光路的光学构件并不限于此，光学构件可以根据激光源20和飞秒激光源60的位置或其光路进行改变。
从基体材料源30供给的基材可以通过单独的供给管32以例如金属粉末或金属丝的形式供给到喷嘴50。为了向打印物体4供应基体材料，在喷嘴50中形成的基体材料的移动路径可以与打印激光束22通过的路径平行或斜向。供应给打印物体4的基体材料可以被来自激光源20的激光束熔化，以在打印物体4上形成熔池2。
飞秒激光源60可以产生飞秒激光束62，以检查打印物体4的状态。作为示例，飞秒激光源60可以产生重复频率为40MHz的飞秒激光束62。在这种情况下，飞秒激光束62可以具有不同于打印激光束22的波长。例如，飞秒激光束62可以具有515nm或更小的波长带。
在此，飞秒激光束62可用于估算打印物体4的物理特性和检测打印物体4的缺陷。打印物体4的物理特性可以包括杨氏模量和残余应力。此外，打印物体4的缺陷可以包括裂缝、空洞和孔隙。在这种情况下，物理特性估算和缺陷检测可以基于脉冲回波技术或一发一收技术进行，如后文所述。
此外，使用飞秒激光束62进行超声测量可以使用泵浦-探测技术。为此，飞秒激光束62可分为泵浦激光束62a和探测激光束62b。在实践中，泵浦激光束62a可以被限定为电/声光调制器80的输出，而探测激光束62b可以被限定为时间延迟单元76的输出。在这种情况下，泵浦激光束62a可以激发打印物体4。探测激光束62b可用于超声波测量，以使用探测激光束62b与泵浦激光束62a的时间延迟来检查打印物体4的状态。
在此，泵浦激光束62a可在激发点产生THz级的超声波。通过这种方式，可以检查nm级别的微小缺陷。例如，当打印物体4是钢材料时，根据下式，从钢材料产生的弹性波的波长可以是10nm。
Figure BDA0002874146580000071
第一分束器71可设置在从飞秒激光源60辐射的飞秒激光束62的路径上。第一分束器71可以将由飞秒激光源60产生的飞秒激光束62分离成第一飞秒激光束和第二飞秒激光束。第一飞秒激光束可以在通过电/声光调制器80的同时被调制成泵浦激光束62a。第二飞秒激光束可以通过时间延迟单元76以作为探测激光束62b输出。在这种情况下，通过第一分束器71传输的飞秒激光束62可以是探测激光束62b，并且由第一分束器71分离的光束可以是泵浦激光束62a。
然而，泵浦激光束62a和探测激光束62b的光路配置不限于此，并且其可以以各种方式配置。例如，泵浦激光束62a和探测激光束62b的光路可以是与图1的光路相反的配置。
为了配置泵浦激光束62a的光路，可以提供第三反射镜72、第四反射镜73和第五反射镜74。这里，第三反射镜72可以设置在第一分束器71和电/声光调制器80之间。在这种情况下，第三反射镜72可以将由第一分束器71分离的飞秒激光束62朝向电/声光学调制器80反射。
第四反射镜73可以设置在电/声光学调制器80和第五反射镜74之间。在这种情况下，第四反射镜73可以将从电/声光学调制器80输出的泵浦激光束62a朝向第五反射镜74反射。
第五反射镜74可以设置在第四反射镜73和第二分束器94之间。在这种情况下，第五反射镜74可以将经反射的泵浦激光束62a朝向第二分束器94或喷嘴50反射。此外，第二反射镜26可允许泵浦激光束62a将其自身传输。
因此，由第一分束器71分离的泵浦激光束62a和探测激光束62b可以与用于3D打印的激光束22同轴布置，并被施加于打印物体4。
然而，用于形成泵浦激光束62a的光路的光学构件并不限于此，可以根据激光源20和飞秒激光源60的位置或其光路进行改变。
时间延迟单元76可以延迟已经通过第一分束器71的第二飞秒激光束作为探测激光束62b输出。在这种情况下，时间延迟单元76可以调整探测激光束62b的光路长度。也就是说，时间延迟单元76可以包括多个反射镜以调整光路的长度。
在此，可以通过控制泵浦激光束62a和探测激光束62b之间的时间延迟来获得高采样频率。例如，光路长度的最小位移可以是0.1μm。根据下式，该延迟对应于3PHz的采样频率。因此，能够以较高的分辨率进行实时测量，从而能够提高3D打印过程的控制精度和质量。
Figure BDA0002874146580000081
时间延迟单元76可以延迟飞秒激光束62以形成实质性的探测激光束62b。在此，探测激光束62b可以具有与飞秒激光束62相同的波长。作为示例，探测激光束62b可以具有515nm或更小的波长带。
为了形成探测激光束62b的光路，并调整时间延迟单元76的光路长度，可以提供第六反射镜75和第七反射镜77。第六反射镜75可以设置在第一分束器71和时间延迟单元76之间。在这种情况下，第六反射镜75可以将飞秒激光束62通过第一分束器71朝向时间延迟单元76反射。
第七反射镜77可以设置在时间延迟单元76和喷嘴50之间。在这种情况下，第七反射镜77可以将从时间延迟单元76输出的探测激光束62b(即时间延迟的飞秒激光束62)朝向第二分束器94或喷嘴50反射。此外，第二反射镜26和第五反射镜74中的每一个都可以使探测激光束62b将其自身传输。
因此，由第一分束器71分离的探测激光束62b可以与泵浦激光束62a和打印激光束22同轴形成。
然而，用于形成探测激光束62b的光路的光学构件并不限于此，可以根据激光源20和飞秒激光源60的位置或其光路进行改变。
电/声光调制器80可以将由第一分束器71分离的第一飞秒激光束调制成泵浦激光束62a。在此，电/声光调制器80可以是声光调制器(AOM)或电光调制器(EOM)。
例如，电/声光调制器80可在调制频率f0下对来自飞秒激光源60的飞秒激光束62进行脉冲拾取。
电/声光学调制器80可以将飞秒激光束62调制成实质性的泵浦激光束62a。在此，泵浦激光束62a可以具有不同于打印激光束22的波长。例如，泵浦激光束62a可以具有257nm或更小的波长带。
第二分束器94可以设置在打印激光束22、泵浦激光束62a和探测激光束62b的同轴路径上。第二分束器94可允许打印激光束22、泵浦激光束62a和探测激光束62b通过喷嘴50。
如图2中所示，打印激光束22和飞秒激光束62可以分离至少一定的距离L2来辐射到打印物体4上。在此，飞秒激光束62可以包括泵浦激光束62a和探测激光束62b。可选地，飞秒激光束62可以仅包括探测激光束62b，如后面参阅图5和图6所述。
此时，熔池2可以形成在由激光束22进行打印的待打印物体4上。根据打印激光束22的能量，熔池2可以形成恒定的宽度L1。例如，熔池2的宽度L1可以为约500μm。
此外，飞秒激光束62可以辐射到通过打印激光束22熔化的打印物体4的凝固区域。也就是说，打印激光束22与飞秒激光束62之间的距离L2可以是打印激光束22形成的熔池2到凝固区域的距离。例如，距离L2可以是约1.5mm至2.5mm。
在这种情况下，打印物体4可以通过叠加多个层而形成三维物体。在描述本示例性实施例的图2中，说明打印物体4由第一层6、第二层7和第三层8形成，熔池2形成在第一层6和第二层7中。
探测激光束62b可以入射到打印物体4上，然后从打印物体4反射。第二分束器94可以将从打印物体4反射的探测激光束62b朝向光检测器92反射，以便检查打印物体4的状态。
光检测器92可以检测由打印物体4反射的探测激光束62b。也就是说，光检测器92可以将接收到的探测激光束62b转换为电信号。作为示例，光检测器92可以是光电二极管。
锁相放大器90可以检测来自光检测器92的输出信号的振幅和相位。为此，锁相放大器90可以去除包括在输出信号中的噪声。在此，检测到的振幅和相位可用于估算打印物体4的物理特性以及检测打印物体4的缺陷。
图7是用于描述根据本发明的实施例的3D打印系统中移动打印物体的测量的图。
飞秒激光束62的脉冲持续时间非常短。例如，当飞秒激光束62的最大重复率为例如40MHz，且3D打印系统1的扫描速度为例如10mm/s时，如下式所示，脉冲间隔为0.25nm。
Figure BDA0002874146580000101
在此，在3D打印系统1中在压电的延迟线的情况下，移动到下一个延迟线位置所需的时间约为1μs。
如下式所示，在3D打印系统1的时间窗口中测量例如100个样品所需的时间为102.5μs。
Figure BDA0002874146580000102
因此，如下式所示，3D打印系统1可移动1.025μm，而飞秒激光束62在所需测量时间内移动。
102.5μs×100mm/s＝1.025μm……(5)
如图7中所示，在假设1.025μm截面的平均物理特性和特征值的情况下，测量信号可用于估算目标截面的平均弹性模量和打印物体4的厚度等物理特性。
因此，与传统的基于激光的测量技术相比，使用飞秒激光束62的超声波测量可以忽略打印物体4的移动的影响。
图8是用于描述根据本发明的实施例的3D打印系统中的飞秒激光束的调制的图，并且图9是显示图8中的泵浦激光束和探测激光束的视图。
在使用飞秒激光束的情况下，由于信号强度相对较小，测量的有效信号可能会受到环境噪声的极大影响。为了将由于噪声造成的影响最小化，本发明的示例性实施例通过声光调制器(AOM)或电光调制器(EOM)对泵浦激光束62a进行调制，从而可以以预定的频率传输信号。此时，该信号可由锁相放大器90有效地测量。
如图8所示，通过AOM或EOM，激光脉冲可以是(a)脉冲峰值或(b)脉冲调制的。以这种方式调制的泵浦激光束62a可允许通过载波频率传输有用的超声信息。
如图9所示，泵浦激光束62a可以是脉冲峰值的。在此，脉冲峰值速率可以是调制频率f0。由打印物体4反射的探测激光束62b可以具有比泵浦激光束62a更短的脉冲间隔。
图10示出了图1中所示的锁相放大器的详细配置。
即使在极端噪声的环境中，锁相放大器90也能从响应信号中解调振幅和相位信息。参阅图10，锁相放大器90可以包括解调器96和低通滤波器98。
锁相放大器90可以接收光检测器92的输出信号(PD信号)作为输入信号，以及调制频率f0的参考信号。参考信号可以具有与PD信号的相位差，该相位差对应于泵浦激光束62a和探测激光束62b之间的时间延迟。
解调器96可利用f0的参考信号对光检测器92的输出信号(PD信号)进行解调。
低通滤波器98可以通过由解调器96解调的信号的低频段。低通滤波器98可以去除高频段的噪声。因此，锁相放大器90可以提取检测信号的准确振幅和相位信息。
控制单元100可以分析锁相放大器90输出信号的振幅和相位信息，以检查打印物体4的打印质量。打印质量检查可以是包括物理特性估算和缺陷检测的检查，并且可以使用脉冲回波技术或一发一收技术进行，如后所述。
以下，将说明使用控制单元100检查打印质量的方法。
在示例性实施例中，对3D打印物体的打印质量进行检查，可以包括估算打印物体4的物理特性，以及检测打印物体4中的裂缝、空洞等缺陷。在下表中，对3D打印系统1可以进行的打印质量检查的项目进行了简单的分类。但是，下表只是为了帮助理解本发明，本发明不应理解为受下表的限制。
【表1】
Figure BDA0002874146580000111
Figure BDA0002874146580000121
图3是根据本发明的实施例的3D打印物体的打印质量的检查方法的流程图。
如图3所示，可以使用3D打印系统1的控制单元100进行根据本发明的实施例的打印质量检查方法。该质量检查方法可以包括以下步骤：从飞秒激光源辐射激光束(S10)，将产生的激光束分离成泵浦激光束和探测激光束(S20)，通过辐射用于3D打印的激光束产生超声波，即将打印激光束或泵浦激光束辐射到打印物体(S30)，将探测激光束辐射到打印物体(S40)，检测由打印物体反射的探测激光束(S50)，并且分析探测激光束以检查打印物体的打印质量(S60)。
在根据示例性实施例的3D打印系统1中，首先可从与3D打印激光源30同轴设置的飞秒激光源60辐射飞秒激光束(S10)。被辐射的飞秒激光束62可以被第一分束器71分成泵浦激光束62a和探测激光束62b(S20)。
在示例性实施例中，超声波可以通过使用与飞秒激光束62分离的泵浦激光束62a激发打印物体4来产生。在另一示例性实施例中，除了泵浦激光束62a之外，还可以将用于3D打印的激光束22辐射到打印物体4上，以产生超声波(S30)。
接下来，利用与飞秒激光束62分离的探测激光束62b来测量由泵浦激光束62a或打印激光束22在打印物体4上产生的超声波(S40)。
在这种情况下，可以使用脉冲回波法或一发一收法来测量超声波。即，可以根据用于超声波激发的激光束62a和22的辐射位置与用于超声波测量的探测激光束62b的辐射位置之间的位置关系，有选择地采用脉冲回波法和一发一收法。两种方法之间不存在优劣关系，可根据检查物体或检查环境适当选择。
以下，将描述每种方法产生超声波(S30)、辐射探测激光束62b、检测探测激光束62b(S50)以及分析该方法(S60)的步骤。
下表为总结以下描述的表格，并且在超声波测量方法和可检测的缺陷中，对可以使用脉冲回波和一发一收方法估算的物理特性进行简单的分类。但是，下面的表2也只是为了帮助理解本发明的内容而提出的，本发明的内容不应该被理解为被下面提出的表2所限制。
【表2】
Figure BDA0002874146580000131
在示例性实施例中，3D打印系统1可以使用脉冲回波技术以检查打印物体4的打印质量。
图4示出了在3D打印系统1中使用脉冲回波技术时打印激光束和飞秒激光束的示例性配置。图11示出了作为脉冲回波信号分析示例的打印物体4的表面反射波St和底部反射波Sr引起的输出信号的分析。
更详细地，参阅图4，泵浦激光束62a和探测激光束62b可以辐射到打印物体4的区域上，该区域与打印激光束22间隔了预定的距离L2。也就是说，泵浦激光束62a和探测激光束62b可以被辐射到打印物体4的同一个点上。在示例性实施例中，泵浦激光束62a和探测激光束62b可以被辐射在打印物体4的凝固区域内。
在这种情况下，泵浦激光束62a可以用于通过激发打印物体4而产生超声波。探测激光束62b可以是用于测量超声波以检查打印物体4的状态。即，根据脉冲回波技术，打印物体4可以被飞秒激光束(泵激光束62a)超声激发，并且可以使用飞秒激光束(探测激光束62b)测量打印物体4中由激发产生的超声波。
为进行超声波测量而辐射的探测激光束62b可被打印物体4反射，然后通过光检测器92检测(S50)。此时，参照图11，光检测器92可以同时测量由打印物体4的表面反射波St引起的输出信号以及由打印物体4的底部反射波Sr引起的输出信号。
接下来，在示例性实施例中，3D打印系统1可以通过分析测量的输出信号来检查待打印物体4的打印质量(S60)。
在测量信号中，表面反射波St引起的输出信号与底部反射波Sr引起的输出信号之间可能会出现时间差。控制单元100可以通过分析时间差来估算打印物体4的厚度和弹性模量等物理特性。
在示例性实施例中，在估算上述打印物体的物理特性之前，可以先构建人工神经网络模型，用于分析物理特性与时间差之间的相关性，估算打印物体的弹性模量等物理特性。为此，可以收集与上述物理特性下的表面反射波St和底部反射波Sr引起的输出信号的时间差有关的数据进行机器学习。此外，控制单元100利用机器学习算法对收集到的数据进行反复学习，从而得到能够分析打印物体4的物理特性与输出信号的时间差之间的相关性的人工神经网络模型。
此外，在示例性实施例中，控制单元100可以通过脉冲回波技术检测超声波在打印物体4中产生的传播速度的变化，以估算打印物体的物理特性。
详细来说，超声波在打印物体4中的传播速度可能会受到包括弹性模量、残余应力等物理特性的影响。因此，根据打印物体4的物理特性，通过超声波测量得到的输出信号会出现相位差。
控制单元100可以对该相位差进行分析，以找出打印物体4的弹性模量。为此，在示例性实施例中，控制单元100可以分析弹性模量与相位差之间的相关性。作为示例，控制单元100可以被配置为根据相位差反复学习多个数据来估算弹性模量值，并根据积累的数据形成人工神经网络模型。
在示例性实施例中，控制单元100可以通过脉冲回波技术检测由于附加反射波Sr'而产生的输出信号来检测打印物体4的缺陷。
更详细地，当打印物体4内不存在缺陷时，辐射到打印物体4上的泵浦激光束62a可以只产生由打印物体4表面反射的反射波St和由打印物体4底面反射的反射波Sr。然而，如图11所示，当打印物体4内部存在空洞等缺陷时，辐射到打印物体4的泵浦激光束62a可能会因空洞Sr'而产生额外的反射波。换句话说，当检测到正常反射波St和Sr以外的附加反射波Sr'时，可以估算打印物体4存在内部空洞。
同时，在利用飞秒激光束的高速测量的示例性实施例中，当测量探测激光束62b以测量打印物体4中的超声波时，可以不进行整个测量。即，可以有选择地测量反射波信号的一部分或只测量相位差的一部分。通过这种部分测量，可以大振幅地缩短数据测量时间。这样就可以在3D打印过程中实现实时的超声波测量。
在示例性实施例中，3D打印系统1可以使用一发一收技术来检查打印物体4的打印质量。
图5示出了当在3D打印系统中使用一发一收技术时，打印激光束和飞秒激光束的示例性配置。图6示出了当在3D打印系统中使用一发一收技术时打印激光束和飞秒激光束的另一个示例配置。图12示出了作为一发一收技术信号分析的示例，根据超声波的对称模式S0和非对称模式A0对输出信号进行分析。图13示出了作为一发一收技术信号分析的示例，在同时对打印物体施加低频(f1)和高频(f2)超声波进行激励时，由于打印物体的表面裂纹而产生的非线性调制(fa)的示例。
更详细地，参照图4，泵浦激光束62a可以在与打印激光束22相同的点处被辐射。探测激光束62b可以在与打印激光束22或泵浦激光束62a间隔预定距离L2的点处辐射到打印物体4上。作为示例，探测激光束62b可以辐射到打印物体4的凝固区域上。
在此，泵浦激光束62a可用于激发打印物体4以产生超声波。探测激光束62b可用于测量超声波以检查打印物体4的状态。
参考图6，作为一发一收技术的另一个示例，3D打印系统1可以不使用泵浦激光束62a。也就是说，打印物体4可以使用打印激光束22而不是泵浦激光束62a来激发，以产生超声波。
在这种情况下，探测激光束62b可以通过与打印激光束22间隔预定距离L2而辐射到打印物体4上。作为示例，探测激光束62b可以被辐射到打印物体4的凝固区域上。在此，探测激光束62b可以用于测量超声波，从而可以检查打印物体4的状态。
即使在一发一收技术中，从打印物体4反射的探测激光束62b也可以由光检测器92检测(S50)。通过此，可以测量由于通过打印物体4传播的超声波而产生的输出信号。
不言而喻，可以通过分析测量的输出信号来检查打印物体4的质量(S60)。
在示例性实施例中，3D打印系统1可以利用一发一收技术检测打印物体4中产生的超声波的传播速度的变化，以估算打印物体4的物理特性。
如上所述，超声波在打印物体4中的传播速度受打印物体4的物理特性影响。也就是说，参阅图12，超声波的传播速度根据打印物体4的物理特性而变化。因此，在一发一收技术下，超声波的对称模式S0和非对称模式A0的到达时间也可以改变。
在示例性实施例中，可以通过测量超声波在对称模式S0和非对称模式A0中的到达时间来分析超声波的传播速度。通过这种分析，可以估算出弹性模量、残余应力等物理特性。在估算物理特性时，不言而喻，可以使用人工神经网络模型进行相关性分析，与上述物理特性的估算类似。
在示例性实施例中，当应用一发一收技术时，由于超声波的传播速度根据物理特性发生变化，通过超声波测量获得的输出信号可能会出现相位差。通过对相位差的分析，控制单元100可以检测到超声波的传播速度的变化，并最终估算出弹性模量和残余应力等物理特性。即使在这个时候，控制单元100也可以被配置为构建上述人工神经网络模型，以便分析物理特性和相位差之间的相关性。
同时，在示例性实施例中，3D打印系统1可以通过一发一收技术检测打印物体4中的缺陷。例如，控制单元100可以通过检测通过超声波检测获得的输出信号的非线性来检测打印物体4中的缺陷。
更详细地，参照图13，当表面有裂缝的打印物体4同时被低频f1和高频f2的超声波激励时，可在低频f1和高频f2的和频和差频处产生非线性频率调制(fa)。
在示例性实施例中，3D打印系统1可以同时用泵浦激光束62a或打印激光束22分别在低频f1和高频f2超声波激发打印物体4，然后利用控制单元100检测非线性调制fa，从而及早发现打印物体4的表面裂缝等缺陷。
如上所述，本发明能够在3D打印过程中进行打印质量检测，包括估算物理特性和实时检测缺陷。这样，可以在打印过程中及早处置任何有缺陷的产品，从而提高3D打印过程的效率。也就是说，由于3D打印系统可以实时反馈控制3D打印过程，因此可以提高产品质量和3D打印系统1的效率。
上述内容是示例性实施例，而不是解释为限制性的。虽然已经描述了几个示例性实施例，但本领域的技术人员将容易理解，在示例性实施例中，在不实质性地偏离本发明的新义和优点的情况下，许多修改是可能的。因此，所有这样的修改都旨在包含在权利要求书所限定的本发明的范围内。

Claims (21)

1.检查3D打印物体的打印质量的方法，其包括：
通过将3D打印激光源产生的打印激光束辐射到提供给所述打印物体的基体材料上，进行3D打印过程；
通过飞秒激光源产生飞秒激光束，以在进行所述3D打印过程中，实时进行所述打印物体的物理特性的估算和所述打印物体的缺陷的检测；
将所述飞秒激光源产生的所述飞秒激光束分离成泵浦激光束和探测激光束；
通过由所述3D打印激光源辐射的所述打印激光束激发所述打印物体或通过将分离的所述泵浦激光束辐射到所述打印物体上来产生超声波；
将所述探测激光束辐射到所述打印物体的凝固区域，以测量所述超声波；
检测由所述打印物体反射的所述探测激光束，将所述探测激光束转换为电信号；并且
通过分析被转换的电信号的振幅和相位，检查所述打印物体的打印质量，包括估算所述打印物体的物理特性以及检测所述打印物体的缺陷，
其中所述打印激光束以及与由所述飞秒激光束分离的所述泵浦激光束和所述探测激光束相互同轴对准，并施加到所述打印物体上，并且
其中，在所述3D打印过程中，使用所述飞秒激光束实时检查所述3D打印物体的打印质量。
2.如权利要求1所述的方法，在产生所述超声波时，将所述泵浦激光束辐射到与所述打印激光束间隔预定距离的所述打印物体的所述凝固区域，以产生所述超声波。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述探测激光束和所述泵浦激光束辐射到所述打印物体的相同点上。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述打印激光束、泵所述浦激光束和所述飞秒激光束同轴形成。
5.如权利要求1所述的方法，其中利用所述打印物体的表面反射波St引起的第一输出信号和所述打印物体的底部反射波Sr引起的第二输出信号之间的时间差来估算所述打印物体的物理特性。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述物理特性包括所述打印物体的打印厚度和弹性模量中的至少一个。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述打印物体的物理特性通过检测在所述打印物体中产生的所述超声波的传播速度的变化来估算。
8.如权利要求7所述的方法，其中检测所述超声波在所述打印物体中产生的传播速度的变化，通过分析由所述超声波引起的输出信号的相位差来进行。
9.如权利要求7所述的方法，其中通过检测所述超声波传播速度的变化来估算的物理特性包括弹性模量和/或残余应力。
10.如权利要求7所述的方法，其中检测所述超声波在所述打印物体中产生的传播速度的变化，通过检测所述超声波的对称模式和非对称模式的到达时间的变化来进行。
11.如权利要求1所述的方法，其中所述打印物体的缺陷的检测通过检测所述打印物体的裂缝和所述打印物体内部的空洞中的至少一个来进行。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述打印物体的缺陷的检测通过检测由所述打印物体中的所述裂缝和所述空洞中的至少一个产生的附加反射波Sr'引起的输出信号来进行。
13.如权利要求1所述的方法，其中通过调整光路长度，辐射到所述凝固区域的所述探测激光束在时间上比所述泵浦激光束延迟，并且辐射到所述凝固区域的所述泵浦激光束是以预定频率调制的信号。
14.如权利要求1所述的方法，其中在所述超声波的产生时，所述泵浦激光束辐射到与所述打印激光束相同的点上，以产生所述超声波。
15.如权利要求1所述的方法，其中在所述超声波的产生时，所述打印激光束作为所述泵浦激光束来产生所述超声波。
16.如权利要求1所述的方法，其中所述飞秒激光束的分离包括：使用第一分束器将所述飞秒激光束分离成第一飞秒激光束和第二飞秒激光束；将分离的所述第一飞秒激光束调制成所述泵浦激光束；通过调整分离的所述第二飞秒激光束的光路长度来生成所述探测激光束；并且调整所述泵浦激光束的光路，使所述泵浦激光束与所述探测激光束和所述打印激光束同轴。
17.如权利要求11所述的方法，其中通过检测由所述超声波引起的输出信号的非线性来检测所述打印物体的缺陷。
18.如权利要求17所述的方法，其中检测由所述超声波引起的输出信号的非线性，通过检测所述打印物体同时被低频和高频超声波激发时产生的非线性调制信号来进行。
19.如权利要求17所述的方法，其中基于由所述超声波引起的输出信号的非线性检测到的缺陷是所述打印物体的表面裂缝。
20.在3D打印过程中使用飞秒激光束检查打印物体的打印质量的装置，其包含：
3D打印激光源，其被配置为通过产生用于3D打印的打印激光束以辐射到基体材料上来进行所述3D打印过程；
飞秒激光源，其与所述3D打印激光源同轴设置，并且其被配置为产生飞秒激光束；
第一分束器，其被配置为将由所述飞秒激光源产生的所述飞秒激光束分离成第一飞秒激光束和第二飞秒激光束；
电/声光调制器，其被配置为将由所述第一分束器分离的所述第一飞秒激光束调制成用于激发打印物体的泵浦激光束；
时间延迟单元，其被配置成为通过调整由所述第一分束器分离的所述第一飞秒激光束的光路长度，来延迟输出用于检查所述打印物体的打印质量的探测激光束；
第一光学单元，其被配置为调整从所述3D打印激光源辐射的所述打印激光束或从所述电/声光学调制器输出的所述泵浦激光束的行进方向，以便辐射到所述打印物体上；
第二光学单元，其被配置为调整从所述时间延迟单元输出的所述探测激光束的行进方向，以辐射到所述打印物体的凝固区域上，从而在所述打印激光束或所述泵浦激光束被施加到所述打印物体上时，测量所述打印物体中产生的超声波；
光检测器，其被配置为检测由所述打印物体反射的探测激光束，并将检测到的所述探测激光束转换为电信号；
锁相放大器，其被配置为检测所述光检测器的输出信号的振幅和相位；以及
控制单元，其被配置为对所述打印物体进行实时的打印质量检查，包括通过分析检测到的振幅和相位来估算所述打印物体的物理特性并检测缺陷，
其中所述打印激光束、由所述飞秒激光束分离的泵浦激光束和探测激光束相互同轴对准并施加到所述打印物体上。
21.一种3D打印系统，其包含：
3D打印激光源，其被配置为将3D打印激光束辐射到提供给3D打印物体的基体材料上，以熔化所述基体材料，从而在所述打印物体上形成熔池；
基体材料供应源，其被配置为向所述打印物体供应所述基体材料；
飞秒激光源，其与所述3D打印激光源同轴设置，并且所述飞秒激光源被配置为产生飞秒激光束；
第一分束器，其被配置为将由所述飞秒激光源产生的所述飞秒激光束分离成第一飞秒激光束和第二飞秒激光束；
电/声光调制器，其被配置为将由所述第一分束器分离的所述第一飞秒激光束调制成用于激发所述打印物体的泵浦激光束；
时间延迟单元，其被配置成为通过调整由所述第一分束器分离的所述第一飞秒激光束的光路长度，来延迟输出用于检查所述打印物体的打印质量的探测激光束；
第一光学单元，其被配置为调整从所述3D打印激光源辐射的所述打印激光束或从所述电/声光学调制器输出的所述泵浦激光束的行进方向，以便辐射到所述打印物体上；
第二光学单元，其被配置为调整从所述时间延迟单元输出的所述探测激光束的行进方向，以辐射到所述打印物体的凝固区域上，从而在所述打印激光束或所述泵浦激光束被施加到所述打印物体上时，测量所述打印物体中产生的超声波；
光检测器，其被配置为检测由所述打印物体反射的探测激光束，并将检测到的所述探测激光束转换为电信号；
锁相放大器，其被配置为检测所述光检测器的输出信号的振幅和相位；以及
控制单元，其被配置为对所述打印物体进行实时的打印质量检查，包括通过分析检测到的振幅和相位来估算所述打印物体的物理特性并检测缺陷，
其中所述打印激光束、由所述飞秒激光束分离的泵浦激光束和探测激光束相互同轴对准并施加到所述打印物体上。
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