CN113118465A - 用于估计3d印刷过程期间熔池深度的方法和设备，以及3d印刷系统 - Google Patents

用于估计3d印刷过程期间熔池深度的方法和设备，以及3d印刷系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了用于估计3D印刷过程期间形成的熔池深度的方法和设备，以及3D印刷系统。熔池的表面温度通过用热成像相机在3D印刷过程期间拍摄层压印刷物体的热图像来测量。测量的表面温度与基材的熔点相比较以确定熔池的表面边界。熔池的表面区域由熔池的表面边界限定的沿x轴方向和y轴方向的最大长度分别确定为熔池的表面的长度和宽度。熔池沿z轴方向上的最大深度基于熔池的表面区域的长度和宽度实时确定。

Description

用于估计3D印刷过程期间熔池深度的方法和设备，以及3D印 刷系统
技术领域
本公开的一些实施例涉及3D印刷技术，更具体地，涉及实时估计3D印刷过程期间形成的熔池深度的技术。
背景技术
3D印刷被称为用于生产3D物体的制造技术。对于3D物体的3D印刷，其以根据3D形状数据处理信息逐层堆叠的方式进行处理。3D印刷技术的优点在于易于实现复杂的形状、在产品内部形成形状等。由于这些优点，3D印刷技术作为一种高附加值的技术而备受关注，其使得制造诸如各种工业零件和医疗物的各种产品变得容易。
3D印刷工艺可通过将3D产品形状划分为多个具有均匀或可变厚度的2D截面，并形成2D截面以逐一堆叠来执行。有几种已知的3D印刷方法，例如材料挤出法、材料喷射法、粘合剂喷射法、薄片层压法、还原(vat)光聚合法、粉末床熔化法、定向能量沉积(DED)法等。其中，DED法是将激光能量施加至金属粉末或线材上以熔化和熔融的方法，并由于其与其他方法相比可使用廉价的商业材料、在已有的3D模型上进行层压、且与其他方法相比具有卓越的机械性能的优点，而被广泛使用。
在根据DED法的3D印刷中，当从激光源照射的激光束照射到基板时，形成熔池，并且将金属粉末供应到熔池上以形成层压。此时，在基材中生成的熔池的长度、宽度和深度是确定3D印刷层压质量的重要因素。特别地，熔池的深度是确定印刷零件拉伸强度的重要因素，但其不可直接测量，因为其未显现于表面。
发明内容
本公开的一些实施例提供了能够在3D印刷过程期间估计在基材中生成的熔池深度的设备和方法。
在一个方面，本公开的一些实施例提供了估计在3D印刷过程期间形成的熔池深度的方法。该方法包括：通过用热成像相机对层压印刷物体的区域拍摄热图像来测量熔池的表面温度，该层压印刷物体的区域包括在3D印刷过程期间形成于层压印刷物体上的基材的熔池；将层压印刷物体测量的表面温度与基材的熔点(Tm)相比较以将超出熔点的区域的边界确定为熔池的表面边界；将熔池的表面区域由熔池的表面边界限定的沿x轴方向和y轴方向的最大长度分别确定为熔池表面的长度(a)和宽度(b)；和基于熔池表面区域的长度(a)和宽度(b)来实时估计熔池沿z轴方向的最大深度(d)。在该方法中，熔池估计的最大深度(d)由熔池的温度关系式Φ＝T(x,y＝0,z)-Tm在长度方向上导数为0的点(Xmax,0,Zmax)处的z轴坐标值(Zmax)确定，其中T(x,y＝0,z)为假定熔池的最大深度(d)点位于熔池宽度方向上(y轴方向)的中心(y＝0)时熔池的温度。
在一个实施例中，该方法还可包括测量熔池的层压印刷物体的截面的实际深度；和检查熔池测量的实际深度和估计的最大深度之间的差是否在预定误差范围内以验证估计的最大深度的有效性。
在一个实施例中，该方法还可包括将其中熔池测量的实际深度和估计的最大深度之间的差超出预定误差范围的情况视为熔池深度异常的情况。
在一个实施例中，熔池的温度T(x,y,z)可由下述温度分布公式来限定，
Figure BDA0002865040020000023
其中K为基材的热导率；I0为强度比例因数；
Figure BDA0002865040020000022
V为拍摄基材表面时热成像相机的扫描速度；并且Tm为基金属的熔点。
在一个实施例中，3D印刷过程可以定向能量沉积(DED)方法来执行。
在一个实施例中，熔池的基材可为金属材料。
在另一个方面，本公开的一些实施例提供了通过利用上述方法来估计在3D印刷过程期间形成的熔池深度的设备。该设备包括热成像相机和计算单元。该热成像相机构造成通过在3D印刷过程期间拍摄层压印刷物体包括基材的熔池的区域来测量熔池的表面温度。该计算单元构造成利用热成像相机测量的熔池的表面温度来估计熔池的深度。该计算单元包括以下功能：将层压印刷物体测量的表面温度与基材的熔点(Tm)相比较以将超出熔点的区域的边界确定为熔池的表面边界；将熔池表面区域由熔池的表面边界限定的沿x轴方向和y轴方向的最大长度分别确定为熔池的表面的长度(a)和宽度(b)；和基于熔池的表面区域的长度(a)和宽度(b)来估计熔池沿z方向的最大深度(d)。熔池估计的最大深度(d)由熔池的温度关系式Φ＝T(x,y＝0,z)-Tm在长度方向上导数为0的点(Xmax,0,Zmax)处的z轴坐标值(Zmax)确定，其中T(x,y＝0,z)为假定熔池的最大深度(d)点位于熔池宽度方向上(y轴方向)的中心(y＝0)时熔池的温度。
在一个实施例中，热成像相机可设置成使得热成像相机的光路的至少一部分与激光源照射的激光束同轴，该激光束使供应至层压印刷物体的基材熔化。
在一个实施例中，设备还可包括设置于激光源照射的光束路径上的分束器和设置于分束器和热成像相机之间以改变光的路径的光学路径转换器，其中热成像相机与激光源同轴设置。
在一个实施例中，分束器可设置于激光源和聚焦透镜之间，激光源发出的激光束穿过该聚焦透镜。
在一个实施例中，计算单元可构造成在3D印刷过程期间实时估计熔池的深度。
在又一个方面，本公开的一些实施例提供了一种3D印刷系统，该3D印刷系统包括激光源、基材供应源、热成像相机和计算单元。该激光源构造成照射激光束以将供应至层压印刷物体的基材熔化形成熔池。该基材供应源构造成将基材供应至层压印刷物体。该热成像相机构造成通过在3D印刷过程期间拍摄层压印刷物体包括基材的熔池的区域来测量熔池的表面温度。该计算单元构造成利用热成像相机测量的熔池的表面温度来估计熔池的深度。
该计算单元可包括以下功能：将层压印刷物体测量的表面温度与基材的熔点(Tm)相比较以将超出熔点的区域的边界确定为熔池的表面边界；将熔池表面区域由熔池的表面边界限定的沿x轴方向和y轴方向的最大长度分别确定为熔池表面的长度(a)和宽度(b)；和基于熔池的表面区域的长度(a)和宽度(b)来估计熔池沿z方向的最大深度(d)。估计的熔池最大深度(d)可由熔池的温度关系式Φ＝T(x,y＝0,z)-Tm在长度方向上导数为0的点(Xmax,0,Zmax)处的z轴坐标值(Zmax)来确定，其中T(x,y＝0,z)为假定熔池的最大深度(d)点位于熔池的宽度方向上(y轴方向)的中心(y＝0)时熔池的温度。
在一个实施例中，计算单元可构造成在3D印刷过程期间实时估计熔池的深度。
在一个实施例中，热成像相机可设置成使得热成像相机的光路的至少一部分与激光源照射的激光束同轴，该激光束使供应至层压印刷物体的基材熔化。
在一个实施例中，该系统还可包括设置于激光源照射的光束路径上的分束器和设置于分束器和热成像相机之间以改变光的路径的光学路径转换器，其中分束器设置于激光源和聚焦透镜之间，激光源发出的激光束穿过该聚焦透镜。
在一个实施例中，基材可为金属粉末或金属线材。
根据本发明的实施例，在3D印刷过程期间形成的熔池的深度可利用热成像相机实时估计。
此外，通过3D印刷过程期间实时测量的热图像来实时估计3D印刷过程期间形成的熔池的深度，可检查熔池的深度异常。因此，由于熔池异常深度的缺陷产品可在3D印刷过程期间进行检查，并对于缺陷产品适当跟进可迅速地进行。
附图说明
结合附图，根据下述实施例描述，本公开的这些和/或其它方面以及优点将变得显而易见并更容易理解，其中：
图1是根据本发明实施例的3D印刷系统的框图。
图2是根据本发明实施例、用于估计3D印刷系统中熔池深度的方法的流程图。
图3A是用于预测熔池温度分布的模型，其是形成于基材上的熔池的长度、宽度和深度的示意图。
图3B和3C分别是熔池的剖视图和平面图。
图4A是示出用于获得形成于基材上的熔池的边界面的坐标系的视图，图4B是示出对应于熔池剖视图中熔池深度的坐标的视图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图详细描述本公开的实施例。本公开可以各种不同形式实现，并不限于在此描述的实施例。在附图中，为了清楚地描述本公开，省略了与描述无关的部分，并且在整个说明书中，相同的附图标记指定相同或相似的元件。
根据本发明实施例的3D印刷系统是一种能够使用激光熔化基材以形成三维物体，并且还实时估计3D印刷工艺中熔化的熔池温度的系统。在这种情况下，根据本发明实施例的3D印刷系统可以是能够通过用激光熔化金属粉末或金属线来形成3D物体的DED型3D印刷系统。
图1示出根据本发明实施例的3D印刷系统的配置。
参照图1，在示例实施例中，3D印刷系统1可包括用于3D印刷的激光源20、基材供应源30、聚焦透镜40、喷嘴50以及热成像相机70和计算单元80。
在示例实施例中，激光源20可照射激光束22到层压印刷物体4。激光源20照射的激光束22穿过聚焦透镜40并入射到层压印刷物体4上。激光源20照射的激光束22可穿过用于供应基材的喷嘴50，同时激光束22到达熔池2。
在示例实施例中，基材供应源30供应的基材可通过单独的供应管32以例如金属粉末或金属丝的形式供给到喷嘴50。为了供应基材至层压印刷物体4，基材在喷嘴50中的移动路径可形成为与激光束22通过的路径平行或倾斜的。供应至层压印刷物体4的基材可由激光源20熔化，以在层压印刷物体4中形成熔池2。
层压印刷物体4可通过层压多个层来形成为三维物体。在图1中，示出了示例性状态，其中层压印刷物体4由例如第一层6和第二层8形成，并且熔池2形成于第二层8上。
在根据本发明实施例的3D印刷系统1中，激光源20、基材供应源30和供应管32、聚焦透镜40和喷嘴50可形成一般的DED型3D印刷机10。可应用于根据本发明示例实施例的3D印刷系统1的3D印刷机10不限于DED型3D印刷机。如果任何3D印刷机可使用金属作为基材来形成熔池2，可将其应用于3D印刷系统1。
在3D印刷系统1中，可提供热成像相机70以估计形成于层压印刷物体4中的熔池2的深度。
为了用热成像相机70测量熔池2的表面温度，分束器60可安装于激光源20和聚焦透镜40之间。
分束器60可设置在激光源20照射的激光束22行进至熔池2的路径上，并改变从熔池2反射的光的路径。由分束器60改变的光可穿过光路转换器62并由热成像相机70进行拍摄。转换光路的光路转换器62可以是例如反射镜。因此，热成像相机70可测量熔池2的表面温度。
在示例实施例中，热成像相机70可与用于照射激光的喷嘴50同轴布置。由于热成像相机70与3D印刷机的喷嘴50同轴安装，因此可以对层压印刷物体4进行连续拍摄，而无需控制热成像相机70的位置。
在示例实施例中，热成像相机70可与光路转换器62和分束器60一起安装在3D印刷机中，以测量3D印刷机的熔池2的表面温度。
在根据示例实施例的3D印刷系统1中，可设置计算单元80以通过使用热成像相机70测量的熔池2的表面温度来估计熔池2的深度。
在下文中，将参照不同附图描述用3D印刷系统1的计算单元80估计熔池2深度的方法。
图2是根据本发明实例实施例、估计3D印刷系统1的熔池深度的方法的流程图。图3A示出形成于基材上的熔池的长度、宽度和深度，图3B和3C示出熔池的剖视图和平面图。图4A示出用于获得形成于基材上的熔池的边界面的坐标系，图4B示出对应于熔池剖视图中熔池深度的坐标。
参考图2，估计熔池2深度的方法可由根据实例实施例的3D印刷系统1的计算单元80来执行。该方法可包括以下步骤：测量3D印刷过程期间形成的熔池2的表面温度(S10)；获得熔池的长度和宽度(S20)；得出熔池2的温度分布公式(S30)；设定熔池2的熔点边界(S40)；估计熔池2的深度，其中边界利用温度分布公式来设定(S50)；和比较熔池2的实际测量深度和估计深度(S60)。
首先，在测量3D印刷过程期间形成于层压印刷物体4上基材的熔池2表面温度的步骤(S10)中，热成像相机70可对层压印刷物体4包括熔池2的区域拍摄热图像。通过拍摄的热图像，可测量熔池2的表面温度。
在3D印刷中，层压印刷物体4上由激光束22加热至熔点或更高的基材的至少一部分可形成熔池2，当熔化基材降温至低于熔点的温度时，其固化。由于在测量的温度图像中超出基材熔点的温度界面3为熔池2的边界，温度界面3的长度和宽度可确定为熔池2的长度和宽度(S20)。
即，在如图3A至3C所示的熔池2中，外部示出的熔池2的表面区域沿x轴方向和y轴方向的最大长度可分别为熔池2的长度a和宽度b。沿熔池2的z轴方向的深度d不可由熔池2的表面温度直接测量，但可基于熔池2的长度a和宽度b由计算单元80估计。
这里，熔池2的长度a和宽度b可基于超出基材熔点的温度界面3获得。熔池2由此确定的长度a和宽度b可输入到熔池2的预设温度分布预测模型中，以得出熔池2的温度分布公式1(S30)。
温度分布公式1可如下。
Figure BDA0002865040020000061
这里，K为基材的热导率，I0为强度比例因数。
Figure BDA0002865040020000062
V为热成像相机70对基材表面拍摄热图像时热成像相机70的扫描速度，Tm为基金属的熔点。
通过由此得到的熔池2的温度分布公式，熔池2的熔点的边界面3可设定为T(x,y,z)＝Tm，如图4A所示(S40)。
然后，其可表示为以下公式。
Φ＝T(x,y,z)-Tm ……(2)
假设熔池2的最大深度位于层压印刷物体4的熔池2宽度方向上的中心处，对应于熔池2最大深度的y轴坐标值可设定为0。
当y＝0时，公式(2)可如下。
Φ＝T(x,y＝0,z)-Tm ……(3)
在y＝0的情况下，当公式(3)在x轴方向上进行微分时，在熔池2最大深度点处Φ的微分值将为0并可写成如下。
Figure BDA0002865040020000063
在x轴方向上梯度为0的点可定义为x轴方向上的点(Xmax,Zmax)，如图4B所示。
这里，Zmax的值可估计为熔池2的深度(S50)。
可确定熔池2的估计深度是否与熔池2的实际深度相同。为此，可对实际层压印刷物体4进行切割，并可测量截面的长度以了解熔池2的实际深度。通过比较测量的熔池2的实际深度和估计的熔池2的深度可验证熔池2的估计深度值的有效性(S60)。
这样，在切割实际印刷物体4之后通过比较熔池2的直接测量深度和估计深度可比较并验证估计值的有效性。如果熔池2的估计深度和实际测量深度之间的差处于容许误差范围内，那么估计深度可视为熔池2的深度值，并可在后续3D印刷过程中用作熔池2的深度值。
如果差超出容许误差范围，即，如果在3D印刷过程中熔池2的估计深度值超过预设的有效深度范围，可实时确定3D印刷期间熔池2的深度发生异常。检查到深度异常的3D印刷物体可识别为缺陷产品，于是可弃置或重新处理。
如上所述，根据本发明示例实施例，用于估计在3D印刷过程期间熔池2深度的方法具有以下优点：通过利用热成像相机在3D印刷过程期间实时估计熔池的深度，能够实时检查熔池的深度异常。
在上文所述的实例实施例中，构造成以热成像相机和计算单元在3D印刷过程期间估计熔池深度的3D印刷机已描述为3D印刷系统的一部分。然而，作为本发明的另一个实施例，可提供一种单独地或与3D印刷机一体地用于估计3D印刷过程期间形成的熔池深度的装置。热成像相机和计算单元可安装于现有的3D印刷机中，熔池的表面温度可用热成像相机进行测量，并且计算单元可利用测量的表面温度估计熔池深度。应理解，用于估计3D印刷过程期间形成的熔池深度的设备也包括在本发明的实质范围内。
尽管已示出并描述了本发明的一些实施例，但本领域技术人员应理解，在不脱离本发明原理和实质的情况下，这些实施例可做出改变，本发明的范围限定于所附的权利要求和其等同物中。

Claims (16)

1.一种用于估计3D印刷过程期间形成的熔池的深度的方法，包括：
通过用热成像相机拍摄层压印刷物体的区域的热图像来测量所述熔池的表面温度，所述层压印刷物体的所述区域包括在所述3D印刷过程期间形成于所述层压印刷物体上的基材的所述熔池；
将所述层压印刷物体测量的表面温度与所述基材的熔点(Tm)比较以将超出所述熔点的区域的边界确定为所述熔池的表面边界；
将所述熔池的表面区域由所述熔池的所述表面边界限定的沿x轴方向和y轴方向的最大长度分别确定为所述熔池的表面的长度(a)和宽度(b)；和
基于所述熔池的所述表面区域的所述长度(a)和所述宽度(b)来实时估计所述熔池沿z轴方向的最大深度(d)，
其中所述熔池估计的所述最大深度(d)由所述熔池的温度关系式Φ＝T(x,y＝0,z)-Tm在长度方向上导数为0的点(Xmax,0,Zmax)处的z轴坐标值(Zmax)确定，其中T(x,y＝0,z)为假定所述熔池的所述最大深度(d)点位于所述熔池的宽度方向上(y轴方向)的中心(y＝0)时所述熔池的温度。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：测量所述熔池的所述层压印刷物体的截面的实际深度；和检查所述熔池测量的实际深度和估计的最大深度之间的差是否在预定误差范围内以验证估计的所述最大深度的有效性。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括将其中所述熔池测量的实际深度和估计的最大深度之间的差超出所述预定误差范围的情况视为所述熔池出现深度异常的情况。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述熔池的温度T(x,y,z)由下述温度分布公式限定，
Figure FDA0002865040010000011
其中K为所述基材的热导率；I0为强度比例因数；
Figure FDA0002865040010000012
V为拍摄基材表面时所述热成像相机的扫描速度；并且Tm为基金属的熔点。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述3D印刷过程以定向能量沉积(DED)方法执行。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述熔池的所述基材为金属材料。
7.一种用于估计3D印刷过程期间形成的熔池的深度的设备，包括：
热成像相机，所述热成像相机构造成通过在所述3D印刷过程期间拍摄层压印刷物体包括基材的熔池的区域来测量所述熔池的表面温度；
计算单元，所述计算单元构造成利用由所述热成像相机测量的所述熔池的所述表面温度来估计所述熔池的深度，
其中所述计算单元包括以下功能：将所述层压印刷物体测量的所述表面温度与所述基材的熔点(Tm)相比较从而将超出所述熔点的区域的边界确定为所述熔池的表面边界；将所述熔池的表面区域由所述熔池的所述表面边界限定的沿x轴方向和y轴方向的最大长度分别确定为所述熔池的表面的长度(a)和宽度(b)；和基于所述熔池的所述表面区域的所述长度(a)和所述宽度(b)估计所述熔池沿z方向的最大深度(d)，并且
其中所述熔池估计的所述最大深度(d)由所述熔池的温度关系式Φ＝T(x,y＝0,z)-Tm在长度方向上导数为0的点(Xmax,0,Zmax)处的z轴坐标值(Zmax)确定，其中T(x,y＝0,z)为假定所述熔池的所述最大深度(d)点位于所述熔池的宽度方向上(y轴方向)的中心(y＝0)时所述熔池的温度。
8.根据权利要求7所述的设备，其中所述热成像相机设置成使得所述热成像相机的光路的至少一部分与所述激光源照射的激光束同轴，所述激光束使供应至所述层压印刷物体的基材熔化。
9.根据权利要求8所述的设备，还包括设置于所述激光源照射的光束路径上的分束器和设置于所述分束器和所述热成像相机之间以改变光路的光学路径转换器，其中所述热成像相机与所述激光源同轴设置。
10.根据权利要求9所述的设备，其中所述分束器设置于所述激光源和聚焦透镜之间，所述激光源发出的激光束穿过所述聚焦透镜。
11.根据权利要求7所述的设备，其中所述计算单元配置成在所述3D印刷过程期间实时估计所述熔池的深度。
12.一种三维(3D)印刷系统，包括：
构造成照射激光束以将供应至层压印刷物体的基材熔化形成熔池的激光源；
构造成将所述基材供应至所述层压印刷物体的基材供应源；
构造成通过在所述3D印刷过程期间对层压印刷物体包括所述基材的所述熔池的区域进行拍摄来测量所述熔池的表面温度的热成像相机；和
构造成利用由所述热成像相机测量的所述熔池的所述表面温度来估计所述熔池的深度的计算单元，
其中所述计算单元包括以下功能：将所述层压印刷物体测量的所述表面温度与所述基材的熔点(Tm)相比较以将超出所述熔点的区域的边界确定为所述熔池的表面边界；将所述熔池的表面区域由所述熔池的所述表面边界限定的沿x轴方向和y轴方向的最大长度分别确定为所述熔池的表面的长度(a)和宽度(b)；和基于所述熔池的所述表面区域的所述长度(a)和所述宽度(b)估计所述熔池沿z方向的最大深度(d)，并且
其中所述熔池估计的所述最大深度(d)由所述熔池的温度关系式Φ＝T(x,y＝0,z)-Tm在长度方向上导数为0的点(Xmax,0,Zmax)处的z轴坐标值(Zmax)确定，其中T(x,y＝0,z)为假定所述熔池的所述最大深度(d)点位于所述熔池的宽度方向上(y轴方向)的中心(y＝0)时所述熔池的温度。
13.根据权利要求12所述的3D印刷系统，其中所述计算单元构造成在所述3D印刷过程期间实时估计所述熔池的深度。
14.根据权利要求12所述的3D印刷系统，其中所述热成像相机设置成使得所述热成像相机的光路的至少一部分与所述激光源照射的激光束共轴，所述激光束将供应至所述层压印刷物体的基材熔化。
15.根据权利要求12所述的3D印刷系统，还包括：设置于所述激光源照射的光束路径上的分束器，和设置于所述分束器和所述热成像相机之间以改变光的路径的光学路径转换器，其中所述分束器设置于所述激光源和聚焦透镜之间，所述激光源发出的激光束穿过所述聚焦透镜。
16.根据权利要求12所述的3D印刷系统，其中所述基材为金属粉末或金属线材。
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