CN113579253A - 一种增材制造多尺度温度场在线监测的方法和装置 - Google Patents

一种增材制造多尺度温度场在线监测的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种增材制造多尺度温度场在线监测的装置和方法，属于增材制造技术领域，方法首先通过热电偶监测基板预热温度，然后由红外测温仪测试打印过程中熔池温度分布，接着热像仪扫描成形件上表面，获得每一层试样的实时温度分布；根据所述基板预热温度、所述熔池温度分布、所述每一层试样的实时温度分布实时调控下一层打印参数，改善打印质量。还相应地提供了增材制造多尺度温度场在线监测的装置。本发明能够从三个尺度在线监测成形件在增材制造过程中出现的裂纹、飞溅、孔洞和几何变形缺陷，通过温度反馈实时调控工艺参数，能够提高打印质量。

Description

一种增材制造多尺度温度场在线监测的方法和装置
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，更具体地，涉及一种增材制造多尺度温度场在线监测的装置和方法。
背景技术
增材制造技术是基于光机电技术兴起的一项新兴技术，能够快速精确地成形复杂零件结构。其中激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)是一种应用广泛的金属粉末床熔融增材制造工艺，可以成形出高致密度和力学性能优良的复杂形状金属零件结构，并且与传统的“减材制造”技术相比，SLM技术具有材料利用率高、制造周期短、无需模具刀具后处理等优势，近年得到快速发展。
然而，由于SLM打印过程中金属粉末的熔化、气化和凝固等复杂的物理化学变化，容易产生如球化、气孔、裂纹、飞溅和几何变形等缺陷，这些缺陷使得SLM成形制件力学性能大幅下降，这是SLM技术在工业中广泛应用的最大瓶颈之一。因此，对打印过程进行在线监测，实时调控工艺参数来减少缺陷的产生至关重要。目前，已有研究人员通过高速摄像机、光电传感器和热成像仪等来对熔池、飞溅、气孔和温度进行在线监测，但由于监测尺度单一，获得的信息较少，不利于实时调控打印参数来对缺陷进行在线修复。
SLM成形过程由热传导作为驱动力，金属粉末的熔化、熔池的形成与凝固等都与热传导相关。复杂的温度传导对SLM成形过程中微观组织、残余应力、缺陷形成等有直接影响，异常的温度分布会影响成形质量、产生裂纹孔洞等缺陷。并且在SLM打印过程中基板、粉床、凝固层的温度分布不尽相同，因此，对各处的温度进行多尺度的在线监测具有重要意义。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种增材制造多尺度温度场在线监测的装置和方法，其目的在于，通过热电偶、红外测温仪和热像仪进行多尺度的在线温度监测，对成形过程中基板温度、熔池温度以及打印后试件表面温度进行在线监测，从而对缺陷进行多尺度的监测，实现实时调控打印参数消除缺陷，由此解决SLM成形过程中异常的温度分布导致成型缺陷的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了以下技术方案：
一种增材制造多尺度温度场在线监测的方法，包括如下步骤：
通过热电偶监测基板预热温度，通过红外测温仪测试打印过程中熔池温度分布，通过热像仪扫描成形件上表面，获得打印完成的最新一层试样的实时温度分布；
分析所述基板预热温度、所述熔池温度分布、所述最新一层试样的实时温度分布构成的多尺度温度场信息，根据分析结果实时调控下一层成形工艺参数，改善打印质量；所述成形工艺参数包括基板预热温度、激光功率、扫描速度、铺粉厚度和扫描间距。
优选地，上述方法中，根据所述多尺度温度场信息的分析结果实时调控基板预热温度，减少成形过程中的残余应力。
优选地，上述方法中，根据所述多尺度温度场信息中的熔池温度分布对打印过程中熔池温度扰动进行在线监测，预判出试样的孔洞位置和大小，从而实时调控打印参数，消除异常温度扰动。
优选地，上述方法中，根据所述多尺度温度场信息中的最新一层试样的实时温度分布实时调控下一层打印参数，防止出现温度过高产生粉末过烧或温度过低粉末未完全熔化的现象。
优选地，上述方法中，根据所述多尺度温度场信息的分析结果实时调控下一层成形工艺参数，抑制裂纹产生、防止飞溅、孔洞缺陷和过烧、未熔化现象产生，抑制几何变形缺陷。
按照本发明的另一方面，还提供了以下技术方案：
一种增材制造多尺度温度场在线监测的装置，包括：热电偶、红外测温仪、热像仪和控制系统，其中，
所述热电偶设置于基板下表面，用于监测基板预热温度，并将所述预热温度传输至所述控制系统；
所述红外测温仪安装于成形腔体上方，用于测试打印过程中熔池温度分布，并将所述熔池温度分布传输至所述控制系统；
和所述热像仪安装于成形腔体上方，用于扫描成形件上表面，获得每一层试样的实时温度分布，并将所述每一层试样的实时温度分布传输至所述控制系统；
所述控制系统用于根据所述基板预热温度、所述熔池温度分布、所述每一层试样的实时温度分布实时调控打印参数。
优选地，所述控制系统用于根据所述基板预热温度实时调控加热板对基板的实时预热温度，从而减少成形过程中的残余应力。
优选地，所述控制系统用于根据所述熔池温度分布对打印过程中熔池温度扰动进行在线监测，预判出试样的孔洞位置和大小，从而实时调控打印参数，消除异常温度扰动。
优选地，所述控制系统用于根据所述最新一层试样的实时温度分布实时调控下一层打印参数，防止出现温度过高产生粉末过烧或温度过低粉末未完全熔化的现象。
优选地，上述装置还包括第一、二、三温度信号线，其中，
所述第一温度信号线一端连接所述热电偶，另一端穿过升降台上通孔后连接所述控制系统；
所述第二温度信号线一端连接所述红外测温仪，另一端穿过成形腔体上方第一通孔后连接所述控制系统；
所述第二温度信号线一端连接所述热像仪，另一端穿过成形腔体上方第二通孔后连接所述控制系统。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明提供的增材制造多尺度温度场在线监测的装置和方法，激光选区熔化成形过程中产生的各种缺陷，从多尺度进行温度在线监测从而综合分析缺陷成因，调控相应成形工艺参数消除缺陷。首先通过热电偶监测基板预热温度，从而通过调控基板温度，控制不同预热温度来减少成形过程中的残余应力；然后由红外测温仪测试打印过程中熔池温度分布，根据熔池温度反馈实时调控工艺参数；每层打印结束后采用热像仪扫描成形件上表面，获得每一层试样的实时温度分布，根据每一层试样的实时温度反馈实时调控下一层工艺参数。通过对打印前、中和后期整个打印过程温度场进行多尺度监测与综合分析，同步调整各项成形工艺参数来抑制裂纹产生、防止飞溅、孔洞缺陷和过烧、未熔化现象产生，抑制几何变形缺陷。
本发明能够从三个尺度在线监测成形件在增材制造过程中出现的裂纹、飞溅、孔洞和几何变形缺陷，通过温度反馈实时调控工艺参数，能够提高打印质量；并且能够实时获取成形零件每一层打印质量，控制系统能同时调整成形工艺参数。优化了传统SLM成形过程中工艺参数固定不可变，必须全部打印完或者暂停打印才能调整参数，提高了打印质量，减少损失。
附图说明
图1是本发明较佳实施例中增材制造多尺度温度场在线监测的方法流程图；
图2是本发明较佳实施例中增材制造多尺度温度场在线监测的装置结构示意图。
在所有的附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-成形腔体、2-热电偶、3-红外测温仪、4-热像仪、5-铺粉机构、6-送粉腔、7-基板、8-加热板、9-升降台、10-落粉缸、11-激光器、12-振镜、13-控制系统。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明对现有SLM增材制造加工过程进行多尺度的实时温度场监测，从而辅助研究工艺机理和优化工艺参数，对成形件缺陷及时抑制。
如图1所示，本发明实施例提供一种增材制造的多尺度温度场在线监测的方法，该方法首先通过热电偶监测基板预热温度，然后由红外测温仪测试打印过程中熔池温度分布，接着热像仪扫描成形件上表面，获得每一层试样的实时温度分布。这些温度信息都传在控制系统中，由控制系统对温度进行分析从而调控打印参数，改善打印质量。采用本发明可以实时、快速、多层次地监测SLM成形过程中各个区域的温度情况，及时调控参数修复缺陷，有利于成品质量，减少资源浪费。
如图2所示，本发明实施例中，增材制造装置包括成形腔体1、铺粉机构5、送粉腔6、基板7、加热板8、升降台9、落粉缸10、激光器11和振镜12。本发明实施例提供的一种增材制造的多尺度温度场在线监测的装置，包括热电偶2、红外测温仪3、热像仪4和控制系统13。
加热板8与基板7紧密连接，基板7通过连接体与升降台9固定连接，在升降台9带动下基板7可在成形腔1内上下移动，基板7下表面设有热电偶2，热电偶2上连接的温度信号线通过升降台9上通孔送至控制系统13，成形腔体1上方设有红外测温仪3和热像仪4，所连接的温度信号线通过成形腔体1上方孔洞送至控制系统13。
本发明中，激光选区熔化成形时的各种缺陷，从多尺度进行温度在线监测与调控。通过热电偶在线监测基板温度，根据温度反馈实时调控基板温度，控制不同预热温度来减少成形过程中的残余应力。
通过红外测温仪测试打印过程中熔池温度分布，对加工过程中温度扰动进行在线监测，能够判断出试样的孔洞位置和大小，根据温度反馈实时调控工艺参数。
通过热像仪扫描成形件上表面，获得每一层试样的实时温度分布。温度过高产生过烧，温度过低粉末未完全熔化，都会对打印质量产生影响，成形件出现几何变形缺陷。对成形件表面的实时温度分布进行在线监测，根据温度反馈实时调控下一层工艺参数，防止过烧和未熔化现象产生。
综合分析多尺度温度场信息，调控相应成形工艺参数来抑制裂纹产生、防止飞溅、孔洞缺陷和过烧、未熔化现象产生，抑制几何变形缺陷。
本发明提出的用于增材制造的多尺度温度场在线监测调控装置和方法，能够从三个尺度在线监测成形件在增材制造过程中出现的裂纹、飞溅、孔洞和几何变形缺陷，通过温度反馈实时调控工艺参数，能够提高打印质量；并且能够实时获取成形零件每一层打印质量，控制系统能同时调整成形工艺参数。优化了传统SLM成形过程中工艺参数固定不可变，必须全部打印完或者暂停打印才能调整参数，提高了打印质量，减少损失。
以下结合附图和实例对本发明提供的增材制造多尺度温度场在线监测的方法进行进一步详细的说明。
实施例1：
将在线监测装置进行安装，具体为热电偶、红外测温仪、热像仪，选用材料为Ni625高温合金粉末，增材制造的在线监测方法包括以下步骤：
步骤S1：将Ni625高温合金粉末放入送粉腔内，通过铺粉机构将粉末送至基板，在316L不锈钢基板上进行增材制造；
步骤S2：通过控制系统调控打印参数为激光功率150W、扫描速度400mm/s,层厚0.02mm，扫描间距0.07mm；
步骤S3：Ni625高温合金由于热膨胀系数较大，在SLM成形过程中有较大的残余应力从而产生裂纹。
步骤S4：通过热电偶在线监测基板温度，根据温度反馈实时调控基板温度，控制预热温度为300℃，残余应力较未预热时降低50％，裂纹数量明显较少。
步骤S5：通过红外测温仪测试打印过程中熔池温度分布，发现打印的前十几层熔池温度不稳定，反馈给控制系统后略微调高激光功率。一段时间熔池稳定后对控制系统将功率调回140W，熔池温度分布较好。
步骤S6：通过热像仪扫描成形件上表面，获得每一层试样的实时温度分布。成形件温度分布均匀，未出现几何变形以及过烧、未熔等缺陷。
其中，SLM成形之后，还包括对试样进行进行机加工或热处理的步骤。
实施例2：
将在线监测装置进行安装，具体为热电偶、红外测温仪、热像仪，选用材料为AlSi7Mg合金粉末，增材制造的在线监测方法包括以下步骤：
步骤S1：将AlSi7Mg合金粉末放入送粉腔内，通过铺粉机构将粉末送至基板，在铝合金基板上进行增材制造；
步骤S2：通过控制系统调控打印参数为激光功率300W、扫描速度800mm/s,层厚0.03mm，扫描间距0.15mm；
步骤S3：AlSi7Mg合金熔点较低，在SLM成形过程中熔池容易产生飞溅，形成孔洞缺陷。
步骤S4：通过热电偶在线监测基板温度，根据温度反馈实时调控基板温度，控制预热温度为40℃。
步骤S5：通过红外测温仪测试打印过程中熔池温度分布，采用300W激光功率时熔池温度过高，飞溅明显并有气孔形成。温度信息反馈给控制系统后将激光功率调控为270W，飞溅现象消除，熔池比较稳定。
步骤S6：通过热像仪扫描成形件上表面，获得每一层试样的实时温度分布。激光功率300W成形件温度过高，部分区域出现过烧且有翘曲现象。调低激光功率后成形件温度分布均匀，几何变形缺陷被消除。
其中，SLM成形之后，还包括对试样进行机加工或热处理的步骤。
实施例3：
将在线监测装置进行安装，具体为热电偶、红外测温仪、热像仪，选用材料为S136模具钢合金粉末，增材制造的在线监测方法包括以下步骤：
步骤S1：将S136模具钢合金粉末放入送粉腔内，通过铺粉机构将粉末送至基板，在316L不锈钢基板上进行增材制造；
步骤S2：通过控制系统调控打印参数为激光功率210W、扫描速度800mm/s,层厚0.03mm，扫描间距0.07mm；
步骤S3：S136模具钢合金粉末颗粒较大，熔点高，在SLM成形过程中若激光能量密度不足时容易出现未熔颗粒孔洞。
步骤S4：通过热电偶在线监测基板温度，根据温度反馈实时调控基板温度，控制预热温度为200℃。
步骤S5：通过红外测温仪测试打印过程中熔池温度分布，发现熔池温度较低，部分区域出现孔洞缺陷。
步骤S6：通过热像仪扫描成形件上表面，获得每一层试样的实时温度分布。成形件温度较低，试样表面出现未熔缺陷，孔洞较多。温度信息反馈给控制系统后将激光功率调控为240W，成形件表面未熔颗粒部分消除，仍有部分孔洞缺陷。控制系统继续将激光功率调控至280W后成形件表面温度分布均匀，未熔颗粒完全消除，孔洞较少。
其中，SLM成形之后，还包括对试样进行机加工或热处理的步骤。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种增材制造多尺度温度场在线监测的方法，其特征在于，包括如下步骤：
通过热电偶监测基板预热温度，通过红外测温仪测试打印过程中熔池温度分布，通过热像仪扫描成形件上表面，获得打印完成的最新一层试样的实时温度分布；
分析所述基板预热温度、所述熔池温度分布、所述最新一层试样的实时温度分布构成的多尺度温度场信息，根据分析结果实时调控下一层成形工艺参数，改善打印质量；所述成形工艺参数包括基板预热温度、激光功率、扫描速度、铺粉厚度和扫描间距。
2.如权利要求1所述的一种增材制造多尺度温度场在线监测的方法，其特征在于，根据所述多尺度温度场信息的分析结果实时调控基板预热温度，减少成形过程中的残余应力。
3.如权利要求1或2所述的一种增材制造多尺度温度场在线监测的方法，其特征在于，根据所述多尺度温度场信息中的熔池温度分布对打印过程中熔池温度扰动进行在线监测，预判出试样的孔洞位置和大小，从而实时调控打印参数，消除异常温度扰动。
4.如权利要求1或2所述的一种增材制造多尺度温度场在线监测的方法，其特征在于，根据所述多尺度温度场信息中的最新一层试样的实时温度分布实时调控下一层打印参数，防止出现温度过高产生粉末过烧或温度过低粉末未完全熔化的现象。
5.如权利要求1或2所述的一种增材制造多尺度温度场在线监测的方法，其特征在于，根据所述多尺度温度场信息的分析结果实时调控下一层成形工艺参数，抑制裂纹产生、防止飞溅、孔洞缺陷和过烧、未熔化现象产生，抑制几何变形缺陷。
6.一种增材制造多尺度温度场在线监测的装置，其特征在于，包括：热电偶(2)、红外测温仪(3)、热像仪(4)和控制系统(13)，其中，
所述热电偶(2)设置于基板下表面，用于监测基板预热温度，并将所述预热温度传输至所述控制系统(13)；
所述红外测温仪(3)安装于成形腔体上方，用于测试打印过程中熔池温度分布，并将所述熔池温度分布传输至所述控制系统(13)；
和所述热像仪(4)安装于成形腔体上方，用于扫描成形件上表面，获得每一层试样的实时温度分布，并将所述每一层试样的实时温度分布传输至所述控制系统(13)；
所述控制系统(13)用于根据所述基板预热温度、所述熔池温度分布、所述每一层试样的实时温度分布实时调控打印参数，改善打印质量。
7.如权利要求6所述的一种增材制造多尺度温度场在线监测的装置，其特征在于，所述控制系统(13)用于根据所述基板预热温度实时调控加热板对基板的实时预热温度，从而减少成形过程中的残余应力。
8.如权利要求6或7所述的一种增材制造多尺度温度场在线监测的装置，其特征在于，所述控制系统(13)用于根据所述熔池温度分布对打印过程中熔池温度扰动进行在线监测，预判出试样的孔洞位置和大小，从而实时调控打印参数，消除异常温度扰动。
9.如权利要求6或7所述的一种增材制造多尺度温度场在线监测的装置，其特征在于，所述控制系统(13)用于根据所述最新一层试样的实时温度分布实时调控下一层打印参数，防止出现温度过高产生粉末过烧或温度过低粉末未完全熔化的现象。
10.如权利要求6所述的一种增材制造多尺度温度场在线监测的装置，其特征在于，还包括第一、二、三温度信号线，其中，
所述第一温度信号线一端连接所述热电偶(2)，另一端穿过升降台(9)上通孔后连接所述控制系统(13)；
所述第二温度信号线一端连接所述红外测温仪(3)，另一端穿过成形腔体(1)上方第一通孔后连接所述控制系统(13)；
所述第二温度信号线一端连接所述热像仪(4)，另一端穿过成形腔体(1)上方第二通孔后连接所述控制系统(13)。
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