CN114289734A - 三维打印机及铺粉缺陷检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三维打印机及铺粉缺陷检测方法。该打印机包括铺粉单元，用于移动以铺设粉末并刮平，以获得粉末层；激光发生单元，与所述铺粉单元连接，且随铺粉单元同步移动；所述激光发生单元用于发射激光，所述激光用于照射所述粉末层表面；图像传感单元，用于采集所述激光发生单元所产生的所述激光在所述粉末层表面上移动时所形成的图像。通过激光发生单元随铺粉装置同步运动，可以在铺粉过程中进行铺粉缺陷检测。另外，由于激光的亮度与刮平后的粉末表面对环境光的反射亮度差距大，使得更易分辨出激光形状数据，以识别刮平后的粉末表面的各类缺陷，有效提高铺粉缺陷的识别准确率，提高打印成功率。

Description

三维打印机及铺粉缺陷检测方法

技术领域

本发明涉及粉末床三维成形技术领域，特别是涉及一种三维打印机及铺粉缺陷检测方法。

背景技术

粉末床三维成形是增材制造的重要构型之一。根据成形方法不同，可进一步分为激光选区熔融成形(SLM)、激光选区烧结成形(SLS)、微喷融合成形(3DP)等3D打印工艺及对应装备。它们均采用供粉装置向成形仓内的粉末床逐层定量供应粉末。通过铺粉装置将所供应粉末均匀铺敷在粉末床平面上，形成厚度均匀可控的粉末薄层。粉末薄层被大功率激光扫描装置、液体介质微细喷射装置处理后，被处理区域固结为片状整体，未处理区域则维持原有的游离粉末状态。而后通过粉末床中打印基板的逐层下降，与逐层供粉、铺粉、固结处理反复执行，所得片状固化物逐层累积，直至生成完整的三维成形体。

这种逐层供粉、铺粉与区域选择性固结的三维成形原理，使得粉末床3D打印机普遍具有成形自由度高、支撑结构依赖性低、尺寸精准、表面质量好，以及后处理简单的优势。至今，粉末床三维成形可用粉末已发展为：包括不锈钢、高温合金、钛合金、铝硅镁合金等金属粉末，PA、TPU、PE、PS等高分子粉末，以及氧化锆、氧化铝等陶瓷粉末在内的丰富材料体系。其中金属粉末一般对应SLM打印机，高分子粉末多采用SLS打印机，陶瓷粉末材料则多用于3DP打印机。

粉末床3D打印机的铺粉装置一般采用刮条、刮刀或粉辊等部件推动粉堆前进铺粉，以生成表面平整的粉末层。该过程依赖于每次供粉的足量、粉末粒度及分布均匀性、良好的流动性，以及刮条、刮刀、粉辊状态的完好性等多方面因素。

然而在实际的3D打印过程经常持续数十小时，层数多达数千层，在漫长的成形过程中，供粉量以及粉末流动性难以自始至终保持一致。从而导致粉末层具有铺粉缺陷，导致粉末层固化后具有翘曲、凹陷等部分。而刮条、刮刀、粉辊也会发生磨损、疲劳变形，甚至与翘曲的固化物发生碰撞而损坏。此外，粉末不良固化所产生的球化、粉末中的大颗粒异物，以及粉末在供粉、铺粉装置中受挤压所产生的板结物，也容易残留在铺粉平面上。

上述因素会导致粉末层表面发生覆盖不完整、波纹状皲裂、带状沟槽与凸起、点状凹陷与凸起等缺陷，进而在后续的粉末层固化处理时破坏固化物平整性。而不平整的固化物会继续诱发后续的铺粉缺陷，从而产生涟漪效应。最终在三维成形体表面和内部生成条纹、孔洞等缺陷，严重时还会导致铺粉装置损坏、打印失败等生产事故。

在传统技术中，三维打印机一般是通过采集新铺粉末层表面的灰度图像，并提取灰度值异常区域的直线、波纹、点块等特征以检测铺粉缺陷。然而该方法很容易造成缺陷漏检与误报。此外，在一些其他的打印机中，会采用结构光投影检测粉末床平面凸起、凹陷特征的方案，但该方案复杂、硬件成本高、数据处理耗时长，而且结构光检测区域无法覆盖整个铺粉平面，对点块状缺陷的检出效果较差。

目前亟需一种可高效识别铺粉缺陷的检测方法，以提升3D打印成功率。

发明内容

基于此，有必要针对在3D打印过程中，由于铺粉缺陷识别效果不佳导致打印失败率较高的问题，提供一种三维打印机及铺粉缺陷检测方法。

一种三维打印机，包括：

铺粉单元，用于移动以铺设粉末并刮平，以获得粉末层；

激光发生单元，与所述铺粉单元连接，且随铺粉单元同步移动；所述激光发生单元用于发射激光，所述激光用于照射所述粉末层表面；

图像传感单元，用于采集所述激光发生单元所产生的所述激光在所述粉末层表面上移动时所形成的图像。

在其中一个实施例中，所述激光发射单元产生的激光线为线状激光线。

在其中一个实施例中，所述线状激光线与铺粉单元的铺粉方向垂直。

在其中一个实施例中，所述图像传感器的像素行方向与线状激光线平行。

在其中一个实施例中，所述图像传感器的像素行方向的中心线，与粉末层表面上的激光线位置重合。

在其中一个实施例中，所述铺粉单元包括储粉仓体与刮平件；储粉仓体沿铺粉方向依次与激光发射单元、刮平件连接；所述刮平件用于刮平粉末层表面。

在其中一个实施例中，所述图像传感单元与所述储粉仓体连接，且所述图像传感单元位于刮平件与激光发生单元之间。

在其中一个实施例中，所述激光发生单元倾斜设置；所述激光发生单元所发射的激光，照射在粉末层表面处，位于图像传感单元正下方。

在其中一个实施例中，所述激光发生单元包括激光件与连接件，所述连接件的一端与所述储粉仓体连接，所述连接件的另一端与激光件连接。

一种铺粉缺陷检测方法，在铺粉形成粉末层的过程中，同步利用激光照射粉末层表面，采集激光在粉末层表面所成的图像，并根据图像形状判断粉末层是否具有缺陷。

在本方案中通过铺粉单元进行粉末层的铺设与刮平。激光发生单元随铺粉单元同步移动，在移动过程中，其发射的激光可以照射在粉末层的表面以形成图像，而图像传感单元可以采集该图像。通过将粉末层表面的平整或具有凹陷的情况，转换为激光图像的平直、弯曲或断续等，更易识别粉末层表面是否具有铺粉缺陷的情况。

由于激光发生单元与铺粉单元同步移动，所以激光发生单元可以较为及时的对粉末层的表面进行扫描，而且在扫描过程中，也无障碍，可以进行流畅、完整的扫描，即图像传感单元可以获得激光在完整的粉末层表面的完整图像，有效降低漏检的风险。

此外，由于激光照射在粉末层表面的亮度与环境光照射在粉末层表面上的亮度差距较大，因此，在图像传感单元收集图像的过程中，也较易获得激光图像，大大减小了环境光对图像传感单元的影响，有效提高检测信息的准确度，即铺粉缺陷识别效果较好。

附图说明

图1为本发明的一实施例所提供的一种三维打印机的结构示意图。

图2为本发明的一实施例所提供的一种铺粉单元的结构示意图。

图3为图2中另一视角的示意图。

图4为图2中的铺粉单元的移动方向示意图(省去滑台)。

图5为本发明的一实施例提供的一种控制信号连接示意图。

图6为本发明的一实施例所提供的一种三维打印机铺粉时位于零位的示意图。

图7为本发明的一实施例所提供的一种三维打印机铺粉时位于回粉位的示意图。

图8为本发明的一实施例所提供的一种三维打印机铺粉示意图。

图9为图8中A处的局部放大示意图。

图10-图14为本发明的一实施例提供的不同铺粉缺陷激光线畸变对比示意图。

附图标记：

1、主体；11、成形仓体；111、顶壁；112、底板；113、第一侧壁；114、第二侧壁；115、第三侧壁；116、打印开口；117、集粉口；12、粉末床；121、本体；122、打印基板；2、供粉单元；21、供粉仓体；211、注粉口；212、供粉口；3、铺粉单元；31、储粉仓体；311、顶部开口；312、底部开口；32、刮平件；33、驱动件；34、滑台；4、激光发生单元；41、激光件；42、连接件；421、第一连接部；4211、第一段；4212、第二段；422、第二连接部；43、连接孔；5、图像传感单元；6、回粉单元；61、回粉仓体；7、控制单元；80X、激光线；900、粉末层；1000、粉堆粉末。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

参阅图1-图5，本发明一实施例提供的三维打印机，其包括主体1与设置在主体1上的供粉单元2、铺粉单元3、激光发生单元4、图像传感单元5、回粉单元6和控制单元7。

其中，供粉单元2可以将3D打印的原料粉末由主体1外部输送至主体1内部。

铺粉单元3可以将供粉单元2处获得的粉末进行铺设。

激光发生单元4与铺粉单元3连接，且激光发生单元4可随铺粉单元3移动。激光发生单元4用于发射激光，并使得激光照射在铺设粉末表面。

图像传感单元5，用于采集所述激光发生单元4在铺设粉末表面移动所形成的图像。

回粉单元6可以将多余的粉末回收。

控制单元7分别与供粉单元2、铺粉单元3、回粉单元6、激光发生单元4、图像传感单元5，以便于信息处理以及发送指令。

在3D打印的过程中，控制单元7控制各单元运行，通过供粉单元2将粉体由主体1外部输送至主体1内部。驱动铺粉单元3，将粉体铺平。在铺粉过程中，激光发生单元4随着铺粉单元3运动，且在此过程中，激光发生单元4发射激光至铺粉粉末的表面上。与此同时，图像传感单元5采集激光发生单元4在铺粉粉末表面移动所形成的图像，图像数据传输至控制单元7，控制单元7进行处理计算，以判断是否存在铺粉缺陷问题。若检测无铺粉缺陷问题，可以进行下一层的铺设。若存在铺粉缺陷问题，则可以重新铺粉或者通知操作人员进行操作等方式，以解决铺粉缺陷。

具体的，在一实施例中，主体1包括成形仓体11以及粉末床12。

其中，如图1所示，成形仓体11设置在粉末床12顶部，且二者可以为固定连接。成形仓体11具有顶壁111、底板112、第一侧壁113、第二侧壁114、第三侧壁115以及门体(图中未示出)。其中，顶壁111与底板112相对设置，第一侧壁113、第二侧壁114、第三侧壁115以及门体依次设置，以围成成形仓的外壁。门体可相对于第一侧壁113开合。

成形仓体11的底板112开设有打印开口116以及集粉口117。其中，打印开口116设置在底板112的中部，集粉口117设置在底板112的边缘。比如，集粉口117可以设置在底板112远离第二侧壁114的一侧。

继续参看图1，粉末床12包括本体121与打印基板122。粉末床12通过本体121与成形仓体11连接。本体121内可滑移地设置有打印基板122，即打印基板122可相对于本体121沿竖直方向移动，以靠近或远离成形仓体11的打印开口116。当打印基板122处于零位时，打印基板122的顶面与成形仓体11的底板112靠近顶壁111的表面平齐，即打印基板122的顶面与打印开口116处平齐。在一些实施方式中，本体121可以通过设置气缸等驱动源驱动打印基板122运动，但不仅仅包括上述驱动方式。

在3D打印过程中，打印基板122由零位逐渐朝向远离成形仓体11的方向移动，以便于对粉末进行层叠加，以完成产品的打印。

在一些实施例中，供粉单元2包括供粉仓体21。

如图1所示，供粉仓体21具有注粉口211与供粉口212。供粉仓体21设置在成形仓体11的顶壁111上。注粉口211位于顶壁111外侧，供粉口212位于顶壁111内侧。在一些实施例中，供粉口212为条形供粉口212。供粉仓体21设置在打印开口116的远离集粉口117的一侧，即供粉仓体21靠近第二侧壁114设置。在其中一些实施例中，供粉仓体21内可以转动设置有搅拌叶(图中未示出)。搅拌叶的设置可以便于供粉仓体21内的粉末分布较为均匀。

在一些实施例中，铺粉单元3设置在成形仓体11内。铺粉单元3包括储粉仓体31、刮平件32以及驱动件33。

如图1-图4所示，在一些实施例中，铺粉单元3在铺粉时，铺粉方向为第二侧壁114至门体的方向。储粉仓体31的长度方向为第一侧壁113至第三侧壁115的方向，也就说储粉仓体31的长度方向与铺粉方向垂直。储粉仓体31具有顶部开口311与底部开口312。储粉仓体31的顶部开口311的长度可以与供粉仓体21的供粉口212的长度一致或略大，以便于接收粉末。储粉仓体31的底部开口312可以为长条形，且在一些实施方式中，底部开口312的长度大于等于打印开口116的最大宽度，以便于铺粉过程中，将粉体铺设在打印开口116范围内。

如图1-图4所示，储粉仓体31设置有刮平件32。刮平件32与储粉仓体31的底部固定连接。刮平件32至底部开口312处的方向，与铺粉方向一致。刮平件32可以选用刮条。刮条可以为刚性刮条，也可以为柔性刮条。此外，也可以选用刮刀、粉辊等刮平件。刮平件32的长度方向与储粉仓体31的长度方向一致。刮平件32的底部与成形仓体11的底板112靠近顶壁111的表面平齐，以便于在铺粉后，将粉末刮平，使得粉末层表面与打印开口116处平齐。刮平件32的长度可以略大于储粉仓体31的底部开口312的长度。

储粉仓体31可以通过滑台34与驱动件33连接，以使驱动件33带动滑台34移动进而带动储粉仓体31移动。在一实施方式中，如图1-图2所示，滑台34设置在储粉仓体31的顶部，且滑台34的中部开设有通槽，通槽与储粉仓体31的顶部开口311连通，以便于储粉仓体31接收粉末。滑台34的两端可以分别与一个驱动件33连接，以使得储粉仓体31在移动过程中较为平稳。

在另一实施方式中，储粉仓体31沿其长度方向的两个侧壁上均设置有滑台34，滑台34与驱动件33一一对应。

其中，驱动件33可以选用直线模组。直线模组的长度方向与铺粉方向一致。直线模组可在现有技术中进行选取。直线模组上设置有滑块(图中未示出)，滑块可沿直线模组的长度方向移动。滑块与滑台34固定连接。以带动滑台34沿直线模块的长度方向移动。此外，驱动件33也可以选取其他驱动机构，比如可以选用气缸等驱动件。

在驱动件33驱动滑台34移动过程中，储粉仓体31随滑台34同步移动。如图4所示，在储粉仓体31移动过程中，粉末由底部开口312落至打印开口116处，以进行铺粉。刮平件32对漏出的粉末进行刮平，获得与打印开口116处平齐的粉末层900。

在一实施例中，储粉仓体31具有零位与回粉位。如图6-图9所示，其中，图6为储粉仓体31位于零位的位置示意图，图7为储粉仓体31位于回粉位的位置示意图，图8为储粉仓体31铺粉过程中的位置示意图。也就是说，零位至回粉位的方向，即为铺粉方向。储粉仓体31可以由零位至回粉位往复运动。如图6所示，当储粉仓体31位于零位时，储粉仓体31的顶部开口311位于供粉仓体21的供粉口212的正下方，以便于接收粉体。如图7所示，当储粉仓体31位于回粉位时，刮平件32将多余的粉体推至集粉口117处，以便于回粉单元6进行收集。

在一些实施例中，回看图2-图4，激光发生单元4包括激光件41与连接件42。其中，激光件41用于发射激光，连接件42用于将激光件41安装在铺粉单元3上。

具体地，激光件41可以产生线状激光线，也可以产生激光光斑。在一些实施例中，激光的功率可以为100mW左右，比如可以为100mW±20mW。在一些实施例中，可以选用产生线状激光线的激光件。比如，可以选用往复式偏转反射镜、连续旋转反射镜等机械扫描装置，亦可采用鲍威尔透镜等静态光学元件。除此之外，在一些实施方式中，亦可采用微型线阵LED光源、数字微反射镜阵列DLP、LCD投影等主动、被动成像元件，并与成像物镜相结合的方式，向粉末层表面上投射聚焦光线，以得到边缘清晰、对比度高的线状激光线。

如图4所示，记照射在粉末层900表面的激光线为80X。其中，X可以取正整数，比如可以为1、2、3、9、99、999等。其中，激光线801为第一条照射在打印开口处粉末层的激光线，且沿铺粉方向(图中箭头方向)，激光线80X的X取值逐渐增大。当储粉仓体31位于回粉位时，激光件41需要将打印开口处的粉末层900全部照射。

对于无缺陷的粉末层表面来说，激光线80X为一条平直的直线。而对于具有缺陷的粉末层表面来说，一根或多根或全部的激光线80X具有至少一处弯曲或断续部分。

回看图2-图4，激光发生单元4通过连接件42对激光件41进行安装。

在一实施方式中，连接件42的一端与储粉仓体31连接，连接件42的另一端与激光件41连接。具体地，连接件42与储粉仓体31连接的一端，与储粉仓体31的侧壁或顶壁111连接，也可以与滑台34的侧壁连接。连接方式可以一体成型、分体成型后组装为一体、焊接、螺栓连接、螺丝连接等连接方式，也可以为其他的连接方式。连接件42的另一端开设有连接孔43，激光件41穿过连接孔43，且激光件41与连接孔43卡接或间隙配合，以使激光件41与连接件42连接。在另一实施方式中，连接件42的另一端可以与激光件41的侧壁连接，比如可以为通过螺丝连接等连接方式。

继续参看图2，在一个实施方式中，连接件42包括第一连接部421与第二连接部422。第一连接部421与第二连接部422固定连接，二者可以焊接、一体成型等连接方式进行连接。其中，第一连接部421远离第二连接部422的一侧与滑台34的侧壁连接，连接方式可以为固定连接，比如可以为焊接或螺丝连接。

在本实施方式中，如图2所示，第一连接部421包括第一段4211与第二段4212。第一段4211的中部与第二段4212的端部连接，二者可以一体成型，也可以为其他的连接方式。第一段4211与第二段4212可以垂直设置，也可以为近似垂直设置，以使第一连接部421形成类T形。在其他实施方式中，第一段4211与第二段4212也可以具有一定夹角设置，比如30°、45°、60°等。第一段4211远离第二段4212的一侧与滑台34连接。第一段4211的设置可以增大与滑台34的连接面积，便于加强连接强度，且可以降低连接难度。第一连接部421通过第二段4212与第二连接部422连接。

在本实施方式中，如图2所示，第一连接部421沿滑台34至第二连接部422的方向为其中心线的方向。第二连接部422沿第一连接部421至第二连接部422的自由端的方向为其中心线的方向。第二连接部422的中心线与第一连接部421的中心线具有一定夹角。比如可以为30°、45°等角度，也可以为其他任意角度。在本实施方式中，第二连接部422设置有前述连接孔43，连接孔43的贯通方向与第二连接部422垂直于其中心线的方向一致。而激光件41的轴向与连接孔43的贯通方向一致，通过上述设置，可以使得激光件41倾斜设置。这里需要注意的是：激光件41所发射出的激光，位于刮平件32靠近第二侧壁114(图1中示出)的一侧，以确保激光件41所发出的激光线80X可以照射在粉末层900表面。此外，在安装激光件41时，还需保证当储粉仓体31位于回粉位时，激光件41将打印开口处的粉末层900表面刚好全部完成照射或已经全部完成照射。

在一些实施例中，激光件41可以与滑台34侧壁直接连接。在该实施方式中，激光件41为倾斜设置。需要注意的是，激光件41所照射在粉末表面所形成的激光线80X，位于激光件41的靠近刮平件32的一侧，即激光线80X可以照射在粉末层900表面。

在一实施方式中，图像传感单元5为图像传感器，也可以为其他的图像传感处理装置。

图像传感单元5可以与铺粉单元3连接，也可以与成形仓体11的侧壁或顶壁111连接。图像传感单元5可以将全部激光线80X采集即可。

在一些实施例中，如图2与图3所示，图像传感单元5可以与滑台34的底面连接。连接方式可以为通过螺丝或螺栓连接等连接方式。图像传感单元5可以持续采集激光线在粉末表面所呈图像。在一些实施方式中，图像传感单元5设置在刮平件32与激光件41之间，以便于完整采集图像。此外，也可以设置在激光件41远离刮平件32的一侧。

在一实施例中，图像传感单元5的像素行方向与刮平件32的长度方向平行。上述方式的至少一个好处是，在进行后续数据处理时，算法较为简单，降低难度。此外，在其他实施例中，图像传感单元5的像素行方向与刮平件32的长度方向具有一定夹角，比如可以为15°、30°、45°、60°等。

另外，如图3与图4所示，在一些实施方式中，激光发生单元4发射的激光，照射在刮平后粉末表面处，位于图像传感单元5正下方。进一步地，图像传感单元5的像素列中心位置与新铺粉末平面上的激光线位置重合。上述方式的至少一个好处是，在后续数据处理时较为方便，而且图像传感单元5可以较好地采集图像。在另一些实施例中，图像传感单元5的像素列中心位置与新铺粉末平面上的激光线位置也可以不重合。

在一些实施例中，回看图1，回粉单元6包括回粉仓体61。回粉仓体61设置于成形仓体11下方，且回粉仓体61顶部开设有开口，且该开口与前述集粉口117连通。在一实施方式中，回粉仓体61底部可以连接有管道，以将粉体移出主体1。在另一实施方式中，回粉仓体61底部设置有可拆卸的收集盒。收集盒内可以收集粉末。收集盒的连接方式可以为插接、卡接或螺纹连接等可拆卸连接方式，但不仅限于上述方式。

在一些实施例中，控制单元7可以选择控制器。如图5所示，控制器可以与粉末床12、供粉单元2、铺粉单元3、激光发生单元4以及图像传感单元5电连接，以控制各部分的工作状态。

具体地，控制单元7至少有下述控制信号。

比如，控制单元7可以发出电信号至粉末床12，控制粉末床12驱动打印基板122在粉末三维成形前返回零位，并在成形过程中逐层下降。

控制单元7可以发出电信号至供粉单元2，控制供粉单元2向处于零位的铺粉单元3供应单层铺粉所需粉末。

控制单元7可以发出电信号至铺粉单元3中的直线模组，以控制直线模组驱动储粉仓体31从零位至回粉位移动以铺粉形成粉末层，并可以控制驱动件33驱动储粉仓体31在粉末层固化后返回零位。

控制单元7可以发出电信号至激光发生单元4，控制激光发生单元4发射激光。

控制单元7可以发出电信号至图像传感单元5，控制图像传感单元5在激光线80X位于打印开口116范围时，持续采集激光线80X的形状数据。

在铺粉过程中，储粉仓体31沿铺粉方向移动，激光发生单元4与图像传感单元5均随储粉仓体31同步移动。其中，刮平件32将储粉仓体31漏下的粉末刮平，使得粉末层900表面与打印开口116处平齐。而激光发生单元4照射粉末层900表面，图像传感单元5采集激光线或激光光斑在粉末层900表面上移动时形成的图像。当储粉仓体31位于回粉位时，激光发生单元4将打印开口116范围内的粉末层900表面全部照射完成，图像传感单元5采集全部图像。根据图像传感单元5所采集的激光图像，可以进行判断是否具有铺粉缺陷。采用本申请所提供的三维打印机，可以在铺粉过程中，通过激光发生单元4与铺粉单元3同步移动，以对铺粉缺陷进行及时的检测。且在检测过程中，激光的光路上无障碍，可以进行流畅的扫描，并且可实现缺陷检测范围对打印开口116处的全覆盖，降低漏检的风险。另外，本方案中无需采用昂贵、复杂的结构光扫描装置，有效降低成本。

此外，通过将粉末层900表面的平整或具有凹陷的情况，转换为图像传感单元5所采集的激光图像的平直、弯曲或断续等，更易识别粉末层900是否具有铺粉缺陷的情况。在此过程中，由于激光照射在粉末层900表面的亮度与环境光照射在粉末层900表面上的亮度差距较大，减小了环境光对图像传感单元5的影响。因此，在图像传感单元5收集图像的过程中，易得到边缘清晰、对比度高、色彩特征显著的行列像素数据，有效减少误差，提高检测准确率，铺粉缺陷识别效果较好。

在其他方面，控制单元7可以仅从图像传感单元5列中心区域的少量行数据中提取激光线80X的形状数据，数据处理量小、缺陷检测算法简单、效率高。本发明的三维打印机可适应多种颜色及反射特性的粉末材料，易于在各种工艺类型的粉末床123D打印机中推广应用。

本发明一实施例提供了一种铺粉缺陷检测方法，其包括在铺粉形成粉末层的过程中，同步利用激光照射粉末层900表面，采集激光在粉末层900表面所成的图像，并根据图像形状判断粉末层是否具有铺设缺陷。

具体的，在上述方法中，包括铺粉步骤、激光扫描步骤、图像采集步骤以及判断步骤。

铺粉步骤：通过铺粉形成粉末层。

如图6-图9，在铺粉过程中，控制单元7(图5中示出)控制驱动件33驱动储粉仓体31沿零位至回粉位的方向移动，即沿铺粉方向移动，也就是图8与图9中的箭头所指的方向。在移动过程中，如图8-图9所示，储粉仓体31的底部开口312漏出粉末。粉末高于刮平件32底面的部分形成粉堆粉末1000。随着储粉仓体31的移动，刮平件32也随储粉仓体31沿铺粉方向移动。刮平件32在移动过程中将粉堆粉末1000推动前移，从而在刮平件32的后方形成高度与刮平件32底面齐平的粉末层900。

激光扫描步骤：在铺粉过程中激光同步照射粉末层900表面，并在粉末层900表面形成激光光线或光斑。

控制单元7控制激光发生单元4发射激光。如图4、图8和图9所示，激光照射在粉末层900的表面。随着铺粉的进行，储粉仓体31带动激光发生单元4同步运动。在此过程中，激光发生单元4与储粉仓体31为固定倾角。即激光线80X的方向不发生变化。也就是说，在铺粉的过程中，激光发生单元4发射的激光线80X，随铺粉方向不断移动，直至将打印开口116范围内的粉末层900全部照射。

图像采集步骤：采集激光在粉末层900表面所成的图像。

控制单元7控制图像传感单元5在激光位于打印开口116范围内时，持续采集激光形状数据。并将采集后的激光形状数据传输至控制单元7。

判断步骤：通过激光图像形状数据判断粉末层900表面是否具有铺粉缺陷。

控制单元7根据图像传感单元5所传输的激光形状数据，进行判断是否具有铺粉缺陷。若具有铺粉缺陷，则重新铺粉或者警示操作人员。若无铺粉缺陷，则可以继续后续步骤。比如可以将该粉末层的特定区域固化，以进行3D打印，后继续进行铺设粉末层。重复铺设粉末层-检测铺粉缺陷-粉末层的特定区域固化，直至完成3D打印。

为了更加清楚的理解上述判断步骤，下面结合图6-图14进行说明。

如图6-图9，驱动件33驱动储粉仓体31铺粉时，激光发生单元4和图像传感单元5随储粉仓体31由零位向回粉位移动。激光发生单元4投射激光线至包含新铺的粉末层900，得到如图10-图14所示的激光线簇801-80X。在实际操作中，相邻激光线之间的间距可以调节，以调节X的取值。采集的激光线的数量(X)与检测精度有关。比如，粉末层900表面的缺陷最小宽度为0.2mm，则相邻激光线的间距需要小于0.2mm，可以通过相关计算将X的取值得出。

对于无铺粉缺陷的粉末层900表面来说，其表面所形成的激光线簇为平行、连续的直线组。如图10-图14中的虚线部分表示的激光线80X’，比如801’、802’、803’、804’、805’……80X’。

对于具有铺粉缺陷的粉末层900来说，在实际情况中，其铺粉缺陷可以是条状凸起、条状凹陷、点状凸起、点状凹陷以及波纹皲裂缺陷，也可以是包含至少一种缺陷的组合，且组合中对应缺陷的数量也可以为至少一个。可将上述缺陷分为三类：凸起类缺陷、凹陷类缺陷以及波纹皲裂缺陷。

下面对这三种类型的缺陷进行说明：

一、对于凸起类缺陷，包括前述条状凸起与点状凸起。可以定义如下：

激光线80X具有凸起类弯曲特征N，记为80XN。

比如，在激光线簇803处具有凸起类弯曲特征N，则弯曲特征处记为803N。又比如，在激光线簇801-805中具有凸起类弯曲特征N，则弯曲特征处记为801N、802N、803N、804N、805N。其中，弯曲特征N可以为如图10所示的圆弧状，也可以为如图11所示的尖端状。

当粉末层900表面具有如图10所示的条状凸起时，则说明激光线簇801-80X(X为实际可取的最大值)具有凸起类弯曲特征N，弯曲特征处分别记为801N、802N、803N、……80XN。

当粉末层900表面具有如图11所示的点状凸起时，则说明激光线簇80n-80m(n、m均为正整数，且1≤n≤m≤X)具有凸起类弯曲特征N，弯曲特征处记为80nN-80mN。

二、对于凹陷类缺陷，包括前述条状凹陷与点状凹陷，可以定义如下：

激光线80X具有凹陷类弯曲特征M，记为80XM。

比如，在激光线簇807处具有凹槽类弯曲特征M，则弯曲特征处记为807M。又比如，在激光线簇801-803中具有凹槽类弯曲特征M，则弯曲特征处分别记为801M、802M、803M。同样的，弯曲特征M可以为如图12所示的圆弧状，也可以为如图13所示的尖端状。

当粉末层900表面具有如图12所示的条状凹槽时，则说明激光线簇801-80X(X为实际可取的最大值)具有凹槽类弯曲特征M，弯曲特征处记为801M、802M、803M、……80XM。

当粉末层900表面具有如图13所示的点状凹槽时，则说明激光线簇80n-80m(n、m均为正整数，且1≤n≤m≤X)具有凹槽类弯曲特征M，弯曲特征处记为80nM-80mM。

三、对于波纹皲裂类缺陷，可以定义如下：

激光线80X具有断续特征L，记为80XL。

断续特征L的长度可以小于等于激光线80X的长度。

比如，在激光线簇801-805中具有断续特征L，则弯曲特征处分别记为801L、802L、803L、804L、805L。

当粉末层900表面具有如图14所示的波纹皲裂缺陷时，对应的激光线簇80n-80m(n、m均为正整数，且1≤n≤m≤X)具有断续特征L，断续特征处记为80nL-80mL。这里需要说明的是，在图14中，将各断续特征L处所连接的虚线，是为了便于理解所形成的波纹皲裂的情况，并非实际存在的激光线。

这里需要强调的是，可能激光线80X所在位置具有一个以上的上述缺陷，所以可能存在部分激光线80X可能同时具有至少一个的凸起类弯曲特征80XN、和/或至少一个凹陷类弯曲特征80XM、和/或至少一个断续特征80XL。

若出现了上述任意一种缺陷特征，则控制单元可判断该粉末层900具有铺面缺陷。若不存在上述任意一种缺陷特征，则控制单元判断该粉末层900不具有铺面缺陷。

在一次实施例中，本方法的检测步骤具体操作为：

如图6-图9所示，驱动件33驱动滑台34，以带动储粉仓体31、刮平件32、激光发生单元4以及图像传感单元5同步由零位运动至回粉位进行铺粉。其中，刮平件32的下沿与成形仓体11的底板112齐平，使得刮平件32刮过成形仓体11底板112时无明显粉末遗留。刮平件32的底部与打印开口116范围内的上一层的铺粉平面之间，有单层成型厚度对应的高度差，当刮平件32刮过打印开口116范围时，高于刮平件32下沿的粉堆粉末1000被推动前移，从而在刮平件32后方形成高度与刮平件32下沿齐平的新铺粉末层900。激光发生单元4投射激光线80X至粉末层900，得到激光线80X。图像传感单元5将激光线80X采集为行列像素数据。控制单元7可以根据行列像素数据判断激光线80X是否具有凸起类弯曲特征80XN、和/或凹陷类弯曲特征80XM、和/或断续特征80XL，以判断粉末层900是否的铺粉缺陷。

随着储粉仓体31、刮平件32、激光发生单元4与图像传感单元5的继续移动，粉末层900向铺粉方向持续扩张，粉堆粉末1000被刮平件32推动持续向前、粉末不断消耗。激光线80X连续扫过粉末层900。当驱动件33驱动储粉仓体31到达回粉位时，粉末层900完全覆盖打印开口116处，激光线80X连续扫过整个粉末层900表面，且粉堆粉末1000的残余粉末被刮平件32推入集粉口117中，使得回粉单元6收集。该层粉末层的铺粉及铺粉缺陷在线检测结束。检测结束后，可根据结果进行后续流程的处理，不再赘述。

上述铺粉缺陷检测方法在进行检测时，可以在铺粉的过程中进行在线检测。获取数据较为及时、准确，且在数据处理过程中，数据处理量小、缺陷检测算法简单、效率高。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种三维打印机，其特征在于，包括：

铺粉单元，用于移动以铺设粉末并刮平，以获得粉末层；

激光发生单元，与所述铺粉单元连接，且随所述铺粉单元同步移动；所述激光发生单元用于发射激光，所述激光用于照射所述粉末层表面；

图像传感单元，用于采集所述激光发生单元所产生的所述激光在所述粉末层表面上移动时所形成的图像。

2.根据权利要求1所述的三维打印机，其特征在于，所述激光发射单元产生的激光线为线状激光线。

3.根据权利要求2所述的三维打印机，其特征在于，所述线状激光线与铺粉单元的铺粉方向垂直。

4.根据权利要求3所述的三维打印机，其特征在于，所述图像传感器的像素行方向与所述线状激光线平行。

5.根据权利要求4所述的三维打印机，其特征在于，所述图像传感器的像素行方向的中心线，与所述粉末层表面上的激光线位置重合。

6.根据权利要求1所述的三维打印机，其特征在于，所述铺粉单元包括储粉仓体与刮平件；所述储粉仓体沿铺粉方向依次与所述激光发射单元、所述刮平件连接；所述刮平件用于刮平粉末层表面。

7.根据权利要求6所述的三维打印机，其特征在于，所述图像传感单元与所述储粉仓体连接，且所述图像传感单元位于所述刮平件与所述激光发生单元之间。

8.根据权利要求7所述的三维打印机，其特征在于，所述激光发生单元倾斜设置；所述激光发生单元所发射的激光照射在粉末层表面处，位于图像传感单元正下方。

9.根据权利要求6所述的三维打印机，其特征在于，所述激光发生单元包括激光件与连接件，所述连接件的一端与所述储粉仓体连接，所述连接件的另一端与所述激光件连接。

10.一种铺粉缺陷检测方法，其特征在于：在铺粉形成粉末层的过程中，同步利用激光照射粉末层表面，采集激光在粉末层表面所成的图像，并根据图像形状判断粉末层是否具有缺陷。

Images