CN114453594B - 一种激光选区熔融设备的嫁接打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种激光选区熔融设备的嫁接打印方法，包括：将底材固定在加工基板的定位夹具上；于底材的嫁接面上钻至少三个定位孔，每三个定位孔成三角关系，测量定位孔相对零件的位置；启动激光选区熔融设备，将加工基板装入其中，预埋调平；启动同轴熔池监控装置，扫描定位孔，识别定位孔的边缘，并根据扫描路径信息获取定位孔的打印坐标；对定位孔的打印坐标与定位孔的零件坐标进行匹配，获取打印坐标系与零件坐标系之间x轴及y轴方向的偏移量；获取定位孔的圆度，计算获取打印平面与底材平面之间的平面夹角角度，判断其是否满足打印条件，若是，执行打印加工的步骤；确认底材的嫁接面的打印坐标，将其转换为对应的零件坐标，进行打印加工。

Description

一种激光选区熔融设备的嫁接打印方法

技术领域

本发明涉及金属增材制造技术领域，尤其涉及一种激光选区熔融设备的嫁接打印方法。

背景技术

金属增材制造已在航空航天、轨道交通、医疗健康等多个应用领域广泛应用，其中嫁接打印作为一种特殊的制造工艺也呈现增长趋势。

嫁接打印是指并非从零开始，而是在现有的材料上完成增材制造的零件制造过程。嫁接打印的底材一般是通过传统机加工方式的减材制造，而在其上打印的部分是增材制造。

金属增材制造嫁接打印的最大技术难点就是底材定位。增材制造的工作面积要与底材完全重合，不然就会产生错位。如果零件内部有流道，定位错误会引起的流道错层，从而导致零件不能达到设计要求。对于要求高的零件，一般尺寸公差小于0.1mm才是有效的嫁接。除了x轴方向和y轴方向的定位精度，z轴方向的定位也十分重要的，底材的嫁接面必须水平，底材的嫁接面不能高于或者低于刮刀运动面。底材平面度没有调整好会导致嫁接后局部位置融合出现问题，导致应力集中引发的疲劳性失效。

目前主流的嫁接打印的定位方法主要有四种，分别是真空焊接定位法，马克笔定位法和胶水定位法和夹具定位法。真空焊接定位法就是通过高温高压将两个部件融合在一起，强度和精度都有很好的保证。但是，真空焊接的缺点是，要求两个部分都有较大的平行平面，才能通过机械压力将其结合。如果，零件结构不能满足要求，比如尖顶，就不能使用真空焊接的方式焊接。而且，真空焊接只能焊接一层，如果是多层的结构，一般都会出现疲劳性的问题。马克笔定位法是将底材的表面用马克笔涂成黑色，然后装入设备，在不铺粉的情况下，使用激光烧结一层。被烧结的部分由于受热颜色挥发，漏出金属本来的颜色，没有被烧结到的地方仍然是黑色。通过不断的调整位置，最后完成定位。这种通过穷举法不断的验证设计位置完成定位的方式十分耗时，效率极低。胶水定位法是将底材和要嫁接的部分当成一个零件，做成三维模型，用这个三维模型在基板上只打印1-2层，这样基板上就会留下底材底面的外轮廓，再将底材用胶水粘在基板上，与这个轮廓重合；预埋调平后，让设备从嫁接层开始打印以完成定位。但这种方法对于圆型等中心对称的零件来说则无法实现定位。夹具定位法是在增材制造机的升降平台上基板的正中心，即x轴和y轴的零点的位置，通过设计专用的夹具，完成x轴方向及y轴方向的定位。但这种方式比较依赖人为经验，没有科学的检测方法，无法对z轴方向进行定位，有可能会导致基板的平面度没有调好而造成制造失败。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种激光选区熔融设备的嫁接打印方法以保证零件定位的准确性并确保打印出的零件的整体质量。

为解决上述技术问题，本发明的目的是通过以下技术方案实现的：提供一种激光选区熔融设备的嫁接打印方法，包括以下步骤：

固定底材：将底材固定在加工基板的定位夹具上；

制作标记物：于底材的嫁接面上钻至少三个定位孔，且任意三个所述定位孔之间成三角关系，测量所述定位孔相对于零件的位置信息，获取定位孔的零件坐标；

启动设备：启动激光选区熔融设备，将固定有钻孔后的底材的加工基板装入激光选区熔融设备，对加工基板进行预埋调平；

扫描标记物获取熔池数据：启动同轴熔池监控装置，对所述定位孔的位置区域进行扫描，识别获得定位孔的边缘，根据扫描路径信息获取定位孔的打印坐标；

计算x轴及y轴方向的偏移量：对获得的定位孔的打印坐标与定位孔的零件坐标进行匹配，计算获取打印坐标系与零件坐标系之间x轴方向的偏移量及y轴方向的偏移量；

判断底材平面是否满足打印要求：计算获取识别的定位孔的圆度，计算获取打印平面与底材平面之间的平面夹角角度，判断该平面夹角角度是否满足打印条件，若是，执行打印加工；

打印加工：确认底材的嫁接面的打印坐标，将其转换为底材的嫁接面的零件坐标，根据转换获得的底材的嫁接面的零件坐标进行打印加工。

其进一步技术方案为：所述判断底材平面是否满足打印要求的步骤具体包括：

根据定位孔的边缘的打印坐标，采用最大内接圆法计算定位孔在打印坐标系中的圆度；

计算定位孔的最大内接圆的半径与定位孔的实际半径的余弦值，获取打印平面与底材平面之间的平面夹角角度；

判断该平面夹角角度是否满足打印条件，若是，执行打印加工的步骤。

其进一步技术方案为：所述判断底材平面是否满足打印要求的步骤后还包括：

当该平面夹角角度不满足打印条件时，重新调平加工基板，执行扫描标记物获取熔池数据的步骤至判断底材平面是否满足打印要求的步骤。

其进一步技术方案为：所述重新调平加工基板的步骤具体为：

获取定位孔的最大内接圆的焦点的打印坐标，根据其获知底材的倾斜方向；

根据获得的打印平面与底材平面之间的平面夹角角度及底材的倾斜方向重新对加工基板进行调平。

其进一步技术方案为：所述定位孔的直径的尺寸范围为5~30mm，所述定位孔的深度大于5mm。

其进一步技术方案为：所述判断底材平面是否满足打印要求的步骤中的判断该平面夹角角度是否满足打印条件的所述打印条件为平面夹角角度为0。

其进一步技术方案为：所述扫描标记物获取熔池数据的步骤具体包括：

扫描标记物：启动同轴熔池监控装置，对所述定位孔的位置区域进行扫描；

获取标记物的打印坐标：识别获得所述定位孔的边缘，根据扫描路径信息获取定位孔的边缘在激光选区熔融设备的打印坐标系中的位置信息，计算获取定位孔的圆心在打印坐标系中的位置信息作为定位孔的打印坐标。

其进一步技术方案为：所述获取标记物的打印坐标的步骤具体包括：

获取扫描获得的定位孔的熔池辐射强度信号；

根据扫描路径信息绘制定位孔的位置区域的二维映射图；

计算该二维映射图的灰度，根据灰度识别获取信号阶跃处的点；

获取信号阶跃处的点在激光选区熔融设备的打印坐标系中位置信息作为定位孔的边缘的打印坐标；

根据定位孔的边缘的打印坐标计算获取定位孔的圆心的打印坐标，并将定位孔的圆心的打印坐标作为定位孔的打印坐标。

其进一步技术方案为：所述打印加工的步骤具体为：

确认底材的嫁接面的打印坐标，结合计算获得的打印坐标系与零件坐标系之间x轴方向的偏移量及y轴方向的偏移量，将底材的嫁接面的打印坐标转换为底材的嫁接面的零件坐标，根据转换获得的底材的嫁接面的零件坐标进行打印加工。

其进一步技术方案为：所述制作标记物的步骤前还包括：

判断底材的嫁接面上是否存在多个孔洞，若是，执行启动设备的步骤。

本发明的有益技术效果在于：本发明一种激光选区熔融设备的嫁接打印方法通过对固定在加工基板的定位夹具上的底材的嫁接面上形成定位孔，获取定位孔的零件坐标，利用打印烧结形成定位孔时定位孔处的熔池辐射强度的差异，通过同轴熔池监控装置采集对应的辐射强度信号，计算出定位孔的打印坐标，并根据定位孔的打印坐标及定位孔的零件坐标进行匹配，计算出打印坐标系与零件坐标系之间x轴及y轴方向的偏移量，识别定位孔的圆度，通过判断打印平面与底材平面之间的平面夹角角度是否满足打印条件作为打印加工的执行标准，兼顾了z轴方向的定位，实现精确定位，保证了零件定位的准确性，简化了定位过程，且定位高效可靠，并通过结合偏移量以获取准确的坐标进行打印加工，提高了打印出的零件的整体质量，操作简单，实用性强，应用范围广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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为本发明实施例提供的一种激光选区熔融设备的嫁接打印方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种激光选区熔融设备的嫁接打印方法的子流程示意图；

图3为本发明具体实施例提供的一种激光选区熔融设备的嫁接打印方法的流程示意图；

图4为本发明具体实施例提供的一种激光选区熔融设备的嫁接打印方法的子流程示意图；

图5为本发明实施例提供的一种激光选区熔融设备的嫁接打印方法的扫描标记物获取熔池数据的步骤的具体流程示意图；

图6为本发明实施例提供的一种激光选区熔融设备的嫁接打印方法的扫描标记物获取熔池数据的步骤的子流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和 “包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/ 或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

请参阅图1所示，图1为本发明实施例提供的一种激光选区熔融设备的嫁接打印方法的流程示意图，所述激光选区熔融设备的嫁接打印方法包括以下步骤：

步骤S11、固定底材：将底材固定在加工基板的定位夹具上。

步骤S12、制作标记物：于底材的嫁接面上钻至少三个定位孔，且任意三个所述定位孔之间成三角关系，测量所述定位孔相对于零件的位置信息，获取定位孔的零件坐标。其中，定位孔作为标记物，所述定位孔的的尺寸范围为5~30mm，误差范围为0.1mm，所述定位孔的深度大于5mm。

具体地，所述步骤S12前还可包括：

判断底材的嫁接面上是否存在多个孔洞，若是，执行步骤S13；若否，执行步骤S12。所述孔洞可为底材的嫁接面上的对应于流道的洞。

步骤S13、启动设备：启动激光选区熔融设备，将固定有钻孔后的底材的加工基板装入激光选区熔融设备，对加工基板进行预埋调平。

步骤S14、扫描标记物获取熔池数据：启动同轴熔池监控装置，对所述定位孔的位置区域进行扫描，识别获得定位孔的边缘，根据扫描路径信息获取定位孔的打印坐标。其中，同轴熔池监控装置对所述定位孔的位置区域进行激光功率为50W的低功率扫描，扫描区域可呈方形。打印坐标是指在对应的点在打印坐标系中的位置信息。

步骤S15、计算x轴及y轴方向的偏移量：对获得的定位孔的打印坐标与定位孔的零件坐标进行匹配，计算获取打印坐标系与零件坐标系之间x轴方向的偏移量及y轴方向的偏移量。其中，匹配是指将定位孔的打印坐标与定位孔的零件坐标一一对应进行重合。

步骤S16、判断底材平面是否满足打印要求：计算获取识别的定位孔的圆度，计算获取打印平面与底材平面之间的平面夹角角度，判断该平面夹角角度是否满足打印条件，若是，执行步骤S17。其中，打印平面是指打印坐标系中x轴和y轴方向组合的平面，为激光选区熔融设备进行打印加工的平面；底材平面是指零件坐标系中x轴和y轴方向组合的平面，为安装于加工基板上的底材的嫁接面所处的平面。

具体地，所述步骤S16的判断该平面夹角角度是否满足打印条件的所述打印条件为平面夹角角度为0，则所述步骤S16具体为：

判断底材平面是否满足打印要求：计算获取识别的定位孔的圆度，计算获取打印平面与底材平面之间的平面夹角角度，判断该平面夹角角度是否满足平面夹角角度为0，若是，执行步骤S17。

步骤S17、打印加工：确认底材的嫁接面的打印坐标，将其转换为底材的嫁接面的零件坐标，根据转换获得的底材的嫁接面的零件坐标进行打印加工。

其中，所述步骤S17具体为：

确认底材的嫁接面的打印坐标，结合计算获得的打印坐标系与零件坐标系之间x轴方向的偏移量及y轴方向的偏移量，将底材的嫁接面的打印坐标转换为底材的嫁接面的零件坐标，根据转换获得的底材的嫁接面的零件坐标进行打印加工。

其中，同轴熔池监控装置是通过同轴光路的方式利用光电二极管收集热辐射数据的熔池监控。同轴熔池监控不但能采集粉床上的热辐射数据，还能给出辐射点的x轴、y轴及z轴的坐标。所述激光选区熔融设备的嫁接打印方法通过对固定在加工基板的定位夹具上的底材的嫁接面上形成定位孔，获取定位孔的零件坐标，利用打印烧结形成定位孔时定位孔处的熔池辐射强度的差异，通过同轴熔池监控装置采集对应的辐射强度信号，计算出定位孔的打印坐标，并根据定位孔的打印坐标及定位孔的零件坐标进行匹配，计算出打印坐标系与零件坐标系之间x轴及y轴方向的偏移量，识别定位孔的圆度，通过判断打印平面与底材平面之间的平面夹角角度是否满足打印条件作为打印加工的执行标准，兼顾了z轴方向的定位，实现精确定位，保证了零件定位的准确性，且高效可靠，并通过结合偏移量以获取准确的坐标进行打印加工，提高了打印出的零件的整体质量，操作简单，实用性强，应用范围广。

结合图2，所述步骤S16具体包括：

步骤S161、根据定位孔的边缘的打印坐标，采用最大内接圆法计算定位孔在打印坐标系中的圆度。其中，圆度是指形状接近理论圆的程度，若圆度不符合标准，则说明位于加工基板的底材的嫁接面与打印平面不平行。

步骤S162、计算定位孔的最大内接圆的半径与定位孔的实际半径的余弦值，获取打印平面与底材平面之间的平面夹角角度。

步骤S163、判断该平面夹角角度是否满足打印条件，若是，执行步骤S17。

结合图3，具体地，所述步骤S16后还包括：

步骤S1601、当该平面夹角角度不满足打印条件时，重新调平加工基板，执行步骤S14至步骤S16。当该平面夹角角度不满足打印条件时，则说明底材的嫁接面所处的平面的位置不够平整而与打印平面不平行，可通过调节加工基板上的顶丝进行重新调平，并对调平后的加工基板重新执行步骤S14至步骤S16，提高定位的准确性。

结合图4，所述步骤S1601中的重新调平加工基板的步骤具体为：

步骤S6011、获取定位孔的最大内接圆的焦点的打印坐标，根据定位孔的最大内接圆的焦点的打印坐标获知底材的倾斜方向。

步骤S6012、根据获得的打印平面与底材平面之间的平面夹角角度及底材的倾斜方向重新对加工基板进行调平。

结合图5，所述步骤S14具体包括：

步骤S141、扫描标记物：启动同轴熔池监控装置，对所述定位孔的位置区域进行扫描。

步骤S142、获取标记物的打印坐标：识别获得所述定位孔的边缘，根据扫描路径信息获取定位孔的边缘在激光选区熔融设备的打印坐标系中的位置信息，计算获取定位孔的圆心在打印坐标系中的位置信息作为定位孔的打印坐标。

结合图6，所述步骤S142具体包括：

步骤S1421、获取扫描获得的定位孔的熔池辐射强度信号；

步骤S1422、根据扫描路径信息绘制定位孔的位置区域的二维映射图；

步骤S1423、计算该二维映射图的灰度，根据灰度识别获取信号阶跃处的点；

步骤S1424、获取信号阶跃处的点在激光选区熔融设备的打印坐标系中位置信息作为定位孔的边缘的打印坐标；

步骤S1425、根据定位孔的边缘的打印坐标计算获取定位孔的圆心的打印坐标，并将定位孔的圆心的打印坐标作为定位孔的打印坐标。

其中，基于不同高度下，熔池辐射强度信号值会存在强弱变化，根据扫描路径信息结合扫描获得的定位孔的熔池辐射强度信号绘制出定位孔的位置区域的二维映射图，并对二维映射图进行灰度计算，可获取定位孔的边缘的打印坐标，进而获取定位孔的位置信息。

综上所述，本发明一种激光选区熔融设备的嫁接打印方法通过对固定在加工基板的定位夹具上的底材的嫁接面上形成定位孔，获取定位孔的零件坐标，利用打印烧结形成定位孔时定位孔处的熔池辐射强度的差异，通过同轴熔池监控装置采集对应的辐射强度信号，计算出定位孔的打印坐标，并根据定位孔的打印坐标及定位孔的零件坐标进行匹配，计算出打印坐标系与零件坐标系之间x轴及y轴方向的偏移量，识别定位孔的圆度，通过判断打印平面与底材平面之间的平面夹角角度是否满足打印条件作为打印加工的执行标准，兼顾了z轴方向的定位，实现精确定位，保证了零件定位的准确性，简化了定位过程，且定位高效可靠，并通过结合偏移量以获取准确的坐标进行打印加工，提高了打印出的零件的整体质量，操作简单，实用性强，应用范围广。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种激光选区熔融设备的嫁接打印方法，其特征在于，包括以下步骤：

固定底材：将底材固定在加工基板的定位夹具上；

制作标记物：于底材的嫁接面上钻至少三个定位孔，且任意三个所述定位孔之间成三角关系，测量所述定位孔相对于零件的位置信息，获取定位孔的零件坐标；

启动设备：启动激光选区熔融设备，将固定有钻孔后的底材的加工基板装入激光选区熔融设备，对加工基板进行预埋调平；

扫描标记物获取熔池数据：启动同轴熔池监控装置，对所述定位孔的位置区域进行扫描，识别获得定位孔的边缘，根据扫描路径信息获取定位孔的打印坐标；

计算x轴及y轴方向的偏移量：对获得的定位孔的打印坐标与定位孔的零件坐标进行匹配，计算获取打印坐标系与零件坐标系之间x轴方向的偏移量及y轴方向的偏移量；

判断底材平面是否满足打印要求：根据定位孔的边缘的打印坐标，采用最大内接圆法计算定位孔在打印坐标系中的圆度；计算定位孔的最大内接圆的半径与定位孔的实际半径的余弦值，获取打印平面与底材平面之间的平面夹角角度；判断该平面夹角角度是否满足打印条件，若是，执行打印加工的步骤；

打印加工：确认底材的嫁接面的打印坐标，将其转换为底材的嫁接面的零件坐标，根据转换获得的底材的嫁接面的零件坐标进行打印加工。

2.根据权利要求1所述的激光选区熔融设备的嫁接打印方法，其特征在于，所述判断底材平面是否满足打印要求的步骤后还包括：

当该平面夹角角度不满足打印条件时，重新调平加工基板，执行扫描标记物获取熔池数据的步骤至判断底材平面是否满足打印要求的步骤。

3.根据权利要求2所述的激光选区熔融设备的嫁接打印方法，其特征在于，所述重新调平加工基板的步骤具体为：

获取定位孔的最大内接圆的焦点的打印坐标，根据其获知底材的倾斜方向；

根据获得的打印平面与底材平面之间的平面夹角角度及底材的倾斜方向重新对加工基板进行调平。

4.根据权利要求1所述的激光选区熔融设备的嫁接打印方法，其特征在于，所述定位孔的直径的尺寸范围为5~30mm，所述定位孔的深度大于5mm。

5.根据权利要求1所述的激光选区熔融设备的嫁接打印方法，其特征在于，所述判断底材平面是否满足打印要求的步骤中的判断该平面夹角角度是否满足打印条件的所述打印条件为平面夹角角度为0。

6.根据权利要求1所述的激光选区熔融设备的嫁接打印方法，其特征在于，所述扫描标记物获取熔池数据的步骤具体包括：

扫描标记物：启动同轴熔池监控装置，对所述定位孔的位置区域进行扫描；

获取标记物的打印坐标：识别获得所述定位孔的边缘，根据扫描路径信息获取定位孔的边缘在激光选区熔融设备的打印坐标系中的位置信息，计算获取定位孔的圆心在打印坐标系中的位置信息作为定位孔的打印坐标。

7.根据权利要求6所述的激光选区熔融设备的嫁接打印方法，其特征在于，所述获取标记物的打印坐标的步骤具体包括：

获取扫描获得的定位孔的熔池辐射强度信号；

根据扫描路径信息绘制定位孔的位置区域的二维映射图；

计算该二维映射图的灰度，根据灰度识别获取信号阶跃处的点；

获取信号阶跃处的点在激光选区熔融设备的打印坐标系中位置信息作为定位孔的边缘的打印坐标；

根据定位孔的边缘的打印坐标计算获取定位孔的圆心的打印坐标，并将定位孔的圆心的打印坐标作为定位孔的打印坐标。

8.根据权利要求1所述的激光选区熔融设备的嫁接打印方法，其特征在于，所述打印加工的步骤具体为：

确认底材的嫁接面的打印坐标，结合计算获得的打印坐标系与零件坐标系之间x轴方向的偏移量及y轴方向的偏移量，将底材的嫁接面的打印坐标转换为底材的嫁接面的零件坐标，根据转换获得的底材的嫁接面的零件坐标进行打印加工。

9.根据权利要求1所述的激光选区熔融设备的嫁接打印方法，其特征在于，所述制作标记物的步骤前还包括：

判断底材的嫁接面上是否存在多个孔洞，若是，执行启动设备的步骤。

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