CN113547135A

CN113547135A - 一种金属3d打印的在线检测方法、金属3d打印机及设备

Info

Publication number: CN113547135A
Application number: CN202110819483.8A
Authority: CN
Inventors: 曾志伟; 丁鹏程; 张权
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2021-07-20
Filing date: 2021-07-20
Publication date: 2021-10-26
Anticipated expiration: 2041-07-20
Also published as: CN113547135B

Abstract

本发明公开了一种金属3D打印的在线检测方法，所述在线检测方法应用于金属3D打印机，所述金属3D打印机包括金属3D打印机本体、激光能量密度调节单元、多个超声波接收单元以及检测单元，金属3D打印机本体包括铺粉单元以及打印基板，超声波接收单元矩阵布设于所述打印基板的底面，所述在线检测方法包括：通过所述铺粉单元在所述打印基板上铺设一定厚度的金属粉末层，然后通过所述激光能量密度调节单元调节激光能量烧结所述金属粉末层以形成打印层；通过所述激光能量密度调节单元调节激光能量对所述打印层进行照射以激发出超声波；通过所述多个超声波接收单元接收所述超声波，并通过所述检测单元对所述超声波的信息进行分析处理，实现缺陷的在线检测。

Description

一种金属3D打印的在线检测方法、金属3D打印机及设备

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种金属3D打印的在线检测方法以及金属3D打印机及设备。

背景技术

金属3D打印，基于分层离散、逐层堆积的原理，以金属粉末或丝材为原料，采用激光或电子束等高能束进行冶金熔化，快速凝固逐层堆积，直接从零件数字模型一步完成金属制件的近净一体化成型制造。跟传统制造方法相比，3D打印在复杂零件制造、集成制造、个性化定制等方面具有显著优势。3D打印工艺复杂多样、制造环境恶劣、打印质量影响因素众多，导致打印过程中不可避免地出现缺陷。目前在金属3D打印领域，缺少成熟有效的在线检测方法，随着3D打印的广泛应用，研发非接触、快速高效、高精度的在线检测方法成为迫切需求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种金属3D打印的在线检测方法以及金属3D打印机及设备，能够实现在金属增材制造过程中进行在线无损检测，以提高可检性及减小残次品的产生。

为实现上述目的，本发明提供一种金属3D打印的在线检测方法，所述在线检测方法应用于金属3D打印机，所述金属3D打印机包括金属3D打印机本体、激光能量密度调节单元、多个超声波接收单元以及检测单元，其中，所述金属3D打印机本体包括铺粉单元以及打印基板，所述超声波接收单元矩阵布设于所述打印基板的底面，所述在线检测方法包括：

通过所述铺粉单元在所述打印基板上铺设一定厚度的金属粉末层，然后通过所述激光能量密度调节单元调节激光能量烧结所述金属粉末层以形成打印层；

通过所述激光能量密度调节单元调节激光能量对所述打印层进行照射以激发出超声波；

通过所述多个超声波接收单元接收所述超声波，并通过所述检测单元对所述超声波的信息进行分析处理，以实现缺陷的在线检测。

优选的，所述通过激光能量密度调节单元调节激光能量对所述打印层进行照射以激发出超声波的步骤包括：

通过所述激光能量密度调节单元调节激光能量按照设定的扫描路径进行照射以激发出超声波。

优选的，所述通过检测单元对所述超声波的信息进行分析和处理，实现缺陷的在线检测的步骤包括：

根据所述扫描路径上的所述超声波的信息，确认缺陷的位置信息。

优选的，所述通过检测单元对所述超声波的信息进行分析和处理，以实现缺陷的在线检测的步骤进一步包括：

获取所述扫描路径上每一点对应的透射超声波强度，判断每一点对应的透射超声波强度是否在阈值范围内，是则判断为无缺陷点，否则判断为缺陷点，其中，所述透射超声波强度是指超声波接收单元所接收的透射波的强度，所述阈值范围至少根据打印材料和所述打印层的厚度进行确定。

优选的，所述激发出超声波的方法包括：

采用热弹机制、融蚀机制或其他机制激发出超声波。

优选的，在所述通过所述激光能量密度调节单元调节激光能量对所述打印层进行照射以激发出超声波之前，还包括：

对所述打印层进行扫粉，将未熔化的金属粉末清除。

为实现上述目的，本发明还提供一种金属3D打印机，包括：

金属3D打印机本体，其包括铺粉单元以及打印基板；

激光能量密度调节单元，用于在所述铺粉单元铺粉完成后，调节激光能量对金属粉末层进行烧结形成打印层，且所述激光能量密度调节单元进一步用于在所述打印层烧结完成后，调节激光能量对所述打印层进行照射以激发出超声波；

多个超声波接收单元，矩阵布设于所述打印基板的底面，用于接收所述超声波；

检测单元，用于根据超声波信息对所述打印层进行分析，以实现缺陷的在线检测。

优选的，所述激光能量密度调节单元进一步用于：

调节激光能量按照设定的扫描路径对所述打印层进行照射。

优选的，所述检测单元进一步用于：

获取所述扫描路径上每一点对应的透射超声波强度，判断每一点的透射超声波强度是否在阈值范围内，是则判断为无缺陷点，否则判断为缺陷点，其中，所述透射超声波强度是指超声波接收单元所接收的透射波的强度，所述阈值范围至少根据打印材料和所述打印层的厚度进行确定。

为了实现上述目的，本发明又提出一种金属3D打印的在线检测设备，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器内的计算机程序，所述计算机程序能够被所述处理器执行以实现如实施例所述的一种金属3D打印的在线检测方法。

有益效果：

以上方案，不但利用激光作为热源熔化金属粉末，进行3D打印，还利用激光作为激励源以激发超声波对当前打印层进行缺陷的在线检测，以得到当前打印层的缺陷位置信息。跟离线检测相比，对打印层进行在线检测可提高复杂零件的可检性，同时在线逐层的检测缺陷也有助于修正打印参数，提高打印质量，减少残次品。

以上方案，通过设置在打印基板下方的压电传感器接收超声波，由于打印基板与打印层属于同一种材质，两者的声阻抗很接近，因此界面处超声波反射回波小，大多数的超声波能量将透过打印层和打印基板，被压电传感器接收，从而能够根据所接收的超声波是否一致判断当前打印层是否存在缺陷。

以上方案，通过获取扫描路径上每一点对应的透射超声波强度，判断每一点对应的透射超声波强度是否在阈值范围内，从而判断是否为缺陷点，并且该阈值范围至少根据打印材料和所述打印层的厚度进行确定，能够防止打印材料和打印层的厚度不同导致误判，从而提高检测精度。

以上方案，在采用激光作为激励源激发超声波前，利用除粉装置将打印层处及附近的未熔化金属粉末进行清除，以减小金属粉末对激光照射的干扰，保证激发出足够强度和品质的超声波。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例提供的一种金属3D打印的在线检测方法的流程示意图。

图2为本发明一实施例提供的一种金属3D打印机的部分结构示意图。

图3为本发明另一实施例提供的一种金属3D打印机的结构框图。

图4是本发明一实施例提供的在线检测设备的部分结构示意图。

发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图作进一步说明。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，金属3D打印包含多种打印方法及工艺，例如选区激光熔化、选区激光烧结、金属激光熔融沉积等，在本实施例中，以选区激光熔化为例进行实现。进一步的，该在线检测方法也适用于其它基于激光的金属3D打印方法。

以下结合实施例详细阐述本发明的内容。

图1所示为本发明一实施例提供的一种金属3D打印的在线检测方法的流程示意图。其中，所述在线检测方法应用于金属3D打印机，参见图2所示，所述金属3D打印机包括金属3D打印机本体、激光能量密度调节单元、多个超声波接收单元以及检测单元，其中，所述金属3D打印机本体包括铺粉单元以及打印基板，所述超声波接收单元矩阵布设于所述打印基板的底面，所述在线检测方法包括：

S11，通过所述铺粉单元在所述打印基板上铺设一定厚度的金属粉末层，然后通过所述激光能量密度调节单元调节激光能量烧结所述金属粉末层以形成打印层。

其中，激光烧结金属粉末所需要的能量可采用光功率密度来衡量。

光功率密度的表达式为

e为光功率密度(W/cm²)，P为激光功率(W)，d为光斑直径(cm)，例如打印铝合金AlSi10Mg，若激光功率为370W，光斑直径为100μm，则光功率密度为4.71×10¹⁰W/cm²。

在本实施例中，按照正常的增材制造工艺，首先在打印基板上铺设一定厚度的金属粉末层，再通过激光能量密度调节单元调节激光能量烧结熔化金属粉末以制造完成一层金属，形成打印层。

S12，通过所述激光能量密度调节单元调节激光能量对所述打印层进行照射以激发出超声波。

此时所需的激光能量通常较小，例如在融蚀机制下，在增材制造铝合金AlSi10Mg上激发超声波，可采用光功率密度为1×10⁷W/cm²的激光。在热弹机制下，在增材制造铝合金AlSi10Mg上激发超声波，所需要的光功率密度小于1×10⁷W/cm²。

其中，所述通过激光能量密度调节单元调节激光能量对所述打印层进行照射以激发出超声波的步骤包括：

通过所述激光能量密度调节单元调节激光能量按照设定的扫描路径进行照射以激发出超声波；

激光照射前，对打印层进行扫粉，将未熔化的金属粉末清除，以减小金属粉末对激光照射的干扰，保证激发出足够强度和品质的超声波。

在本实施例中，通过激光能量密度调节单元调节激光能量大小至预设值以达到适合激发超声波，按照设定的扫描路径对打印层进行照射以激发出超声波。

S13，通过所述多个超声波接收单元接收所述超声波，并通过所述检测单元对所述超声波的信息进行分析处理，以实现缺陷的在线检测。

在本实施例中，在打印基板的底面设置有压电传感器阵列用于接收超声波，若存在缺陷则超声波的强度将发生改变且该改变将被压电传感器接收。由于打印基板与打印层属于一种材质，两者的声阻抗很接近，因此界面处超声波反射回波小，大多数的超声波能量将透过打印层和打印基板，被压电传感器接收。理论如下：

(1)声强反射率:

(2)声强透射率：

其中，以下公式中的Z₁为打印层的声阻抗，Z₂为打印基板的声阻抗，若Z₁≈Z₂，则声强反射率接近0，声强透射率接近1。

其中，所述通过检测单元对所述超声波的信息进行分析处理，以实现缺陷的在线检测的步骤包括：

其中，所述通过检测单元对所述超声波的信息进行分析处理，以实现缺陷的在线检测的步骤进一步包括：

特别地，在具体实施中，激光器起到双重作用：在打印时，激光器作为热源发出激光熔化烧结金属粉末；在检测时，激光器作为激励源用以激发超声波。作为激励源时，可以根据热弹机制、融蚀机制等，来激发超声波。其中采用热弹机制，所需的激光能量较小，不会对样品造成不可逆损伤，因此在任何情形下均可选择该机制激发超声波。采用融蚀机制，所需的激光能量较大，会对样品造成不可逆损伤，金属增材制造在线检测过程中，若出现不可逆损伤后损伤可由下一层的金属粉末熔化所修复，则可以选择融蚀机制激发超声波，否则只能选择热弹机制。

图3所示为本发明一实施例提供的一种金属3D打印机的结构框图。

该金属3D打印机30包括：

金属3D打印机本体31，其包括铺粉单元以及打印基板；

激光能量密度调节单元32，用于在所述铺粉单元铺粉完成后，调节激光能量对金属粉末层进行烧结形成打印层，且所述激光能量密度调节单元进一步用于在所述打印层烧结完成后，调节激光能量对所述打印层进行照射以激发出超声波；

多个超声波接收单元33，矩阵布设于所述打印基板的底面，用于接收所述超声波；

检测单元34，用于根据超声波信息对所述打印层进行分析，以实现缺陷的在线检测。

其中，所述激光能量密度调节单元32进一步用于：

调节激光能量按照设定的扫描路径对所述打印层进行照射以顺序激发出超声波。

其中，所述检测单元34进一步用于：

该金属3D打印机的各个单元模块可分别执行上述在线检测方法实施例中对应步骤，故在此不对各单元模块进行赘述，详细请参见以上对应步骤的说明。

本发明实施例还提供一种金属3D打印的在线检测设备，所述在线检测设备除激光器和压电传感器外，还包括处理器、存储器以及存储在所述存储器内的计算机程序，所述计算机程序能够被所述处理器执行以实现如上述实施例所述的金属3D打印的在线检测方法。

如图4所示，所述金属3D打印的在线检测设备可包括但不仅限于处理器、存储器。本领域技术人员可以理解，所述示意图仅仅是金属3D打印的在线检测设备部分组成的示例，并不构成对金属3D打印的在线检测设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述金属3D打印的在线检测设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。

所称处理器可以是中央处理器，还可以是数字信号处理器、专用集成电路等。它是所述金属3D打印在线检测设备的控制中心，利用各种接口和线路连接整个金属3D打印的在线检测设备。

所述存储器可用于存储所述计算机程序和数据，所述处理器通过运行存储器内的计算机程序，以及调用存储器内的数据，实现所述金属3D打印在线检测设备的各种功能。所述存储器主要包括存储程序区和存储数据区，其中：存储程序区可存储操作系统，至少一个功能所需的应用程序等；存储数据区可存储金属3D打印在线检测设备所创建的数据。此外，存储器可以是易失性存储器如高速随机存取存储器，还可以是非易失性存储器，例如硬盘、内存条、智能存储卡、安全数字卡、闪存卡等。

其中，所述金属3D打印在线检测设备集成的单元如果以软件的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述实施例的步骤。

需说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的。另外，本发明提供的装置实施例附图中，单元之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以用一条或多条通信总线或信号线实现。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

上述实施例中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施例仅仅是对本发明的优选实施例进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中专业技术人员对本发明的技术方案作出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种金属3D打印的在线检测方法，其特征在于，所述在线检测方法应用于金属3D打印机，所述金属3D打印机包括金属3D打印机本体、激光能量密度调节单元、多个超声波接收单元以及检测单元，其中，所述金属3D打印机本体包括铺粉单元以及打印基板，所述超声波接收单元矩阵布设于所述打印基板的底面，所述在线检测方法包括：

通过所述多个超声波接收单元接收所述超声波，并通过所述检测单元对所述超声波的信息进行分析和处理，实现缺陷的在线检测。

2.如权利要求1所述的一种金属3D打印的在线检测方法，其特征在于，所述通过激光能量密度调节单元调节激光能量对所述打印层进行照射以激发出超声波的步骤包括：

3.如权利要求2所述的一种金属3D打印的在线检测方法，其特征在于，所述通过检测单元对所述超声波的信息进行分析处理，以实现缺陷的在线检测的步骤包括：

4.如权利要求2所述的一种金属3D打印的在线检测方法，其特征在于，所述通过检测单元对所述超声波的信息进行分析处理，以实现缺陷的在线检测的步骤进一步包括：

5.如权利要求1所述的一种金属3D打印的在线检测方法，其特征在于，所述激发出超声波的方法包括：

采用热弹机制、融蚀机制或其他机制激发出超声波。

6.如权利要求1所述的一种金属3D打印的在线检测方法，其特征在于，在所述通过所述激光能量密度调节单元调节激光能量对所述打印层进行照射以激发出超声波之前，还包括：

对所述打印层进行扫粉，将未熔化的金属粉末清除。

7.一种金属3D打印机，其特征在于，包括：

金属3D打印机本体，其包括铺粉单元以及打印基板；

8.如权利要求7所述的金属3D打印机，其特征在于，所述激光能量密度调节单元进一步用于：

调节激光能量按照设定的扫描路径对所述打印层进行照射以激发出超声波。

9.如权利要求8所述的金属3D打印机，其特征在于，所述检测单元进一步用于：

10.一种金属3D打印的在线检测设备，其特征在于，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器内的计算机程序，所述计算机程序能够被所述处理器执行以实现如权利要求1至6任意一项所述的一种金属3D打印的在线检测方法。