CN117983845A - 选区激光熔化3d打印过程熔池温度同轴实时监测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种选区激光熔化3D打印过程熔池温度同轴实时监测系统及方法，包括同轴光路模块、光电检测模块以及工控机；同轴光路模块包括激光器、半透半反镜、扫描振镜以及场镜；光电检测模块包括分束镜、全反镜、第一滤光片、第二滤光片、第一光电二极管、第二光电二极管以及采集卡。该熔池温度同轴实时监测系统及方法能够在选区激光熔化过程中进行同轴监测，实时检测熔池的温度信息，形成温度场数据，进而为选区激光熔化3D打印的过程控制以及工艺参数调整提供数据支持。
Description
技术领域
本发明属于选区激光熔化实时监测及控制领域，尤其涉及一种选区激光熔化3D打印过程熔池温度同轴实时监测系统及方法。
背景技术
选区激光熔化技术(Selective Melting Laser,SLM)则被视作是最先进、最有前途的技术之一。该技术通过激光移动照射粉末层，使粉末熔化沉积成形，集成了激光、精密传动、新材料及CAD/CAM等技术，所采用的粉末材料涵盖钛合金、不锈钢、高温合金、钨合金等，且所打印出的工件具有精度高、表面质量好以及近乎100％的致密度等优点，能达到接近传统锻造工艺材料的力学性能。
在高度定向的热输入和快速热源的作用下，粉末床局部经历快速的熔化和凝固过程，在光斑区域产生较大的温度梯度和瞬态热应力。随着热循环的进行，部分热应力得到释放，但大部分被遗留下来，从而形成残余应力。如果在成形过程中不能有效控制热量输入，引导并控制局部热应力的累积和残余应力的形成，最后会导致零件微观组织性能下降，进而造成零件翘曲变形、开裂，形成微气孔、微裂纹等冶金缺陷。
为了解决这些问题，对选区激光熔化成形过程的热行为，比如熔池的温度和热应力分布等随时间的变化规律，进行深入研究具有非常重要的意义。通过国内外研究发现，熔池的温度场分布能够体现出激光加工过程的温度变化，稳定的温度场能够保证成形件的质量。
目前尚无选区激光熔化打印过程中熔池温度的精确测量方法，对于熔池热过程的监测大多采用红外热成像仪，该方法受限于热成像仪的响应速度，熔池监测的所需量级在us级别，热成像仪远无法达到此速度。
发明内容
发明目的在于：提供一种选区激光熔化3D打印过程熔池温度同轴实时监测系统及方法，能够在选区激光熔化过程中进行同轴监测，实时检测熔池的温度信息，形成温度场数据，进而为选区激光熔化3D打印的过程控制以及工艺参数调整提供数据支持。
技术方案：本发明所述的选区激光熔化3D打印过程熔池温度同轴实时监测系统，包括同轴光路模块、光电检测模块以及工控机；同轴光路模块包括激光器、半透半反镜、扫描振镜以及场镜；激光器、半透半反镜、扫描振镜以及场镜依次光路连接；光电检测模块包括分束镜、全反镜、第一滤光片、第二滤光片、第一光电二极管、第二光电二极管以及采集卡；分束镜、第一滤光片以及第一光电二极管依次光路连接；分束镜、全反镜、第二滤光片以及第二光电二极管依次光路连接；半透半反镜与分束镜光路连接；第一光电二极管以及第二光电二极管均通过采集卡与工控机电连接。
进一步的，场镜为对激光波长和辐射波长进行消色差处理后的f-θ场镜。
进一步的，分束镜的能量分光比例为1:1。
进一步的，第一光电二极管以及第二光电二极管均为硅PIN型光电二极管，感光面积为0.12mm2，光谱响应范围为300～1000nm，响应频率为1GHz。
进一步的，第一滤光片用于实现中心波长λ1的窄带带通滤光；第二滤光片用于实现中心波长λ2的窄带带通滤光。
进一步的，第一滤光片以及第二滤光片均为便于更换不同波长的可拆卸安装。
本发明还提供了一种选区激光熔化3D打印过程熔池温度同轴实时监测方法，采用选区激光熔化3D打印过程熔池温度同轴实时监测系统实现，具体包括如下步骤：
步骤1，由激光器发射激光，激光单向穿过半透半反镜，再经扫描振镜偏转以及场镜聚焦后，传递至成型平台表面熔化金属粉末形成高温熔池；
步骤2，所形成的高温熔池的辐射光反向经过场镜以及扫描振镜后，返回至半透半反镜，再由半透半反镜对400～900nm的光进行反射，传递至分束镜，再由分束镜将400～900nm的熔池辐射光的50％传递给第一滤光片，另外50％的熔池辐射光传递给第二滤光片，再经过第一滤光片以及第二滤光片滤光后，将λ1波长的幅射光信息传递给第一光电二极管，将λ2波长的幅射光信息传递给第二光电二极管；
步骤3，第一光电二极管以及第二光电二极管监测的幅射光信息经过采集卡的模数转换和滤波处理后，传输至工控机；
步骤4，由工控机采用比色法实时计算出打印过程中高温熔池的测量温度，再根据打印位置信息生成实时温度场并显示；
步骤5，工控机用于监控整个打印过程，并在出现异常温度数据时发出异常信息、记录异常温度数据以及位置信息，用以判断打印过程中有无异常以及后续离线的数据分析。
进一步的，步骤4中，比色法是根据维恩辐射定律获取不同波长下高温熔池的辐射出射度比值与高温熔池温度之间的关系来确定测量温度的。
进一步的，利用维恩辐射定律将波长λ1和波长λ2下监测到的辐射出射度相比，并假设两个波段的熔池辐射发射率相等，可得到比色测温公式为：
式中，T为熔池测量温度，C2为第二辐射常数，M(λ1,T)和M(λ2,T)为温度为T的高温熔池所发出的波长λ1和波长λ2下的熔池辐射强度，K为设备因子。
本发明与现有技术相比，其有益效果是：熔池温度同轴检测系统可以精确检测出熔池的具体温度，并根据位置信息生成实时温度场，进而可以调节激光功率等打印参数来提升工件的打印质量；采用两个光电二极管监测熔池辐射，非采用高速相机拍摄和图像处理，数据处理速度较快，真正实现在线实时监测。
附图说明
图1为本发明的系统组成结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
实施例1：
如图1所示，本发明公开的选区激光熔化3D打印过程熔池温度同轴实时监测系统包括：同轴光路模块、光电检测模块以及工控机13；同轴光路模块包括激光器5、半透半反镜4、扫描振镜3以及场镜2；激光器5、半透半反镜4、扫描振镜3以及场镜2依次光路连接；由激光器5发射激光通过半透半反镜4，经过扫描透镜3偏转，经过场镜2聚焦照射到成型平台1上，熔化成型平台1上指定位置的金属粉末，形成熔池；光电检测模块包括分束镜6、全反镜7、第一滤光片8、第二滤光片9、第一光电二极管10、第二光电二极管11以及采集卡12；分束镜6、第一滤光片8以及第一光电二极管10依次光路连接；分束镜6、全反镜7、第二滤光片9以及第二光电二极管11依次光路连接；半透半反镜4与分束镜6光路连接；第一光电二极管10以及第二光电二极管11均通过采集卡12与工控机13电连接。
进一步的，场镜2为对激光波长和辐射波长进行消色差处理后的f-θ场镜，用于消除激光与监测所需的熔池辐射波段具有相同的折射率和色差，保证监测的熔池辐射与激光光路同轴，且不与扫描振镜3位置相关，提高监测的精确性。
进一步的，分束镜6的能量分光比例为1:1，用于将由半透半反镜4传输过来的熔池辐射光按照能量分为两部分，分别传输至第一滤光片8以及第二滤光片9。
进一步的，半透半反镜4对1064nm的激光可完全透过，并反射400nm～900nm的熔池辐射波段反射。
进一步的，第一光电二极管10以及第二光电二极管11均为硅PIN型光电二极管，感光面积为0.12mm2，光谱响应范围为300～1000nm，响应频率为1GHz。
进一步的，第一滤光片8用于实现中心波长λ1的窄带带通滤光；第二滤光片9用于实现中心波长λ2的窄带带通滤光。第一滤光片8以及第二滤光片9用以滤出所需的熔池辐射波段，本实施例中打印材料为纯钛(TA1)粉末，其中，第一滤光片8实现中心波长为590nm、带宽为10nm的窄带带通滤光，并将通过的波段辐射信息传输到第一光电二极管10；第二滤光片9实现中心波长为640nm、带宽为10nm的窄带带通滤光，并将通过的波段辐射信息传输到第二光电二极管11。
进一步的，第一滤光片8以及第二滤光片9均为便于更换不同波长的可拆卸安装。第一滤光片8和第二滤光片9的中心波长分别为λ1和λ2，可以针对不同金属材料更换不同波长的滤光片组合；其中，对于纯钛(TA1)材料，第一滤光片8采用中心波长590nm，带宽10nm的窄带带通滤光片，第二滤光片11采用中心波长640nm、带宽10nm的窄带带通滤光片。
本发明还提供了一种选区激光熔化3D打印过程熔池温度同轴实时监测方法，采用选区激光熔化3D打印过程熔池温度同轴实时监测系统实现，具体包括如下步骤：
步骤1，选区激光熔化打印工件：由激光器5发射激光，激光单向穿过半透半反镜4，再经扫描振镜3偏转以及场镜2聚焦后，传递至成型平台1表面熔化金属粉末形成高温熔池；
步骤2，在选区激光熔化打印过程中，所形成的高温熔池的辐射光反向经过场镜2以及扫描振镜3后，返回至半透半反镜4，再由半透半反镜4对400～900nm的光进行反射，传递至分束镜6，再由分束镜6将400～900nm的熔池辐射光的50％传递给第一滤光片8，另外50％的熔池辐射光传递给第二滤光片9，再经过第一滤光片8以及第二滤光片9滤光后，将λ1波长的幅射光信息传递给第一光电二极管10，将λ2波长的幅射光信息传递给第二光电二极管11；
步骤3，第一光电二极管10以及第二光电二极管11监测的幅射光信息经过采集卡12的模数转换和滤波处理后，传输至工控机13；
步骤4，由工控机13采用比色法实时计算出打印过程中高温熔池的测量温度，再根据打印位置信息生成实时温度场并显示；
步骤5，工控机13用于监控整个打印过程，并在出现异常温度数据时发出异常信息、记录异常温度数据以及位置信息，用以判断打印过程中有无异常以及后续离线的数据分析。
进一步的，步骤4中，比色法是根据维恩辐射定律获取不同波长下高温熔池的辐射出射度比值与高温熔池温度之间的关系来确定测量温度的。
进一步的，利用维恩辐射定律将波长λ1和波长λ2下监测到的辐射出射度相比，并假设两个波段的熔池辐射发射率相等，可得到比色测温公式为：
式中，T为熔池测量温度，C2为第二辐射常数，M(λ1,T)和M(λ2,T)为温度为T的高温熔池所发出的波长λ1和波长λ2下的熔池辐射强度，K为设备因子，影响因素主要包括透镜的光谱透过率、滤光片的透过率、滤光片带宽以及波长发射率等。通过标定，确定K的值后，就可以通过辐射出射度的比值精确计算出温度值。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。
Claims (9)
1.一种选区激光熔化3D打印过程熔池温度同轴实时监测系统，其特征在于：包括同轴光路模块、光电检测模块以及工控机(13)；同轴光路模块包括激光器(5)、半透半反镜(4)、扫描振镜(3)以及场镜(2)；激光器(5)、半透半反镜(4)、扫描振镜(3)以及场镜(2)依次光路连接；光电检测模块包括分束镜(6)、全反镜(7)、第一滤光片(8)、第二滤光片(9)、第一光电二极管(10)、第二光电二极管(11)以及采集卡(12)；分束镜(6)、第一滤光片(8)以及第一光电二极管(10)依次光路连接；分束镜(6)、全反镜(7)、第二滤光片(9)以及第二光电二极管(11)依次光路连接；半透半反镜(4)与分束镜(6)光路连接；第一光电二极管(10)以及第二光电二极管(11)均通过采集卡(12)与工控机(13)电连接。
2.根据权利要求1所述的选区激光熔化3D打印过程熔池温度同轴实时监测系统，其特征在于：场镜(2)为对激光波长和辐射波长进行消色差处理后的f-θ场镜。
3.根据权利要求1所述的选区激光熔化3D打印过程熔池温度同轴实时监测系统，其特征在于：分束镜(6)的能量分光比例为1:1。
4.根据权利要求1所述的选区激光熔化3D打印过程熔池温度同轴实时监测系统，其特征在于：第一光电二极管(10)以及第二光电二极管(11)均为硅PIN型光电二极管，感光面积为0.12mm2，光谱响应范围为300～1000nm，响应频率为1GHz。
5.根据权利要求1所述的选区激光熔化3D打印过程熔池温度同轴实时监测系统，其特征在于：第一滤光片(8)用于实现中心波长λ1的窄带带通滤光；第二滤光片(9)用于实现中心波长λ2的窄带带通滤光。
6.根据权利要求5所述的选区激光熔化3D打印过程熔池温度同轴实时监测系统，其特征在于：第一滤光片(8)以及第二滤光片(9)均为便于更换不同波长的可拆卸安装。
7.一种选区激光熔化3D打印过程熔池温度同轴实时监测方法，其特征在于，采用权利要求1-6中任意一项所述选区激光熔化3D打印过程熔池温度同轴实时监测系统实现，具体包括如下步骤：
步骤1，由激光器(5)发射激光，激光单向穿过半透半反镜(4)，再经扫描振镜(3)偏转以及场镜(2)聚焦后，传递至成型平台(1)表面熔化金属粉末形成高温熔池；
步骤2，所形成的高温熔池的辐射光反向经过场镜(2)以及扫描振镜(3)后，返回至半透半反镜(4)，再由半透半反镜(4)对400～900nm的光进行反射，传递至分束镜(6)，再由分束镜(6)将400～900nm的熔池辐射光的50％传递给第一滤光片(8)，另外50％的熔池辐射光传递给第二滤光片(9)，再经过第一滤光片(8)以及第二滤光片(9)滤光后，将波长λ1的幅射光信息传递给第一光电二极管(10)，将波长λ2的幅射光信息传递给第二光电二极管(11)；
步骤3，第一光电二极管(10)以及第二光电二极管(11)监测的幅射光信息经过采集卡(12)的模数转换和滤波处理后，传输至工控机(13)；
步骤4，由工控机(13)采用比色法实时计算出打印过程中高温熔池的测量温度，再根据打印位置信息生成实时温度场并显示；
步骤5，工控机(13)用于监控整个打印过程，并在出现异常温度数据时发出异常信息、记录异常温度数据以及位置信息，用以判断打印过程中有无异常以及后续离线的数据分析。
8.根据权利要求7所述的选区激光熔化3D打印过程熔池温度同轴实时监测方法，其特征在于，步骤4中，比色法是根据维恩辐射定律获取不同波长下高温熔池的辐射出射度比值与高温熔池温度之间的关系来确定测量温度的。
9.根据权利要求8所述的选区激光熔化3D打印过程熔池温度同轴实时监测方法，其特征在于，利用维恩辐射定律将波长λ1和波长λ2下监测到的辐射出射度相比，并假设两个波段的熔池辐射发射率相等，可得到比色测温公式为：
式中，T为熔池测量温度，C2为第二辐射常数，M(λ1,T)和M(λ2,T)为温度为T的高温熔池所发出的波长λ1和波长λ2下的熔池辐射强度，K为设备因子。
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