CN214920512U - 选择性激光熔化3d打印机熔池状态实时监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于选择性激光熔化技术领域，公开了一种选择性激光熔化3D打印机熔池状态实时监测装置，选择性激光熔化3D打印机熔池状态实时监测装置包括：激光发射器，聚焦透镜，单向透视玻璃，场镜，反射镜，截止镜，滤光系统，光线采集系统和上位机。本实用新型摆脱传统高速摄像机拍摄的方式，通过监测熔池成形过程中熔池的红外辐射强度变化和根据红外光推算可见光来实时反应熔池状态，降低结构难度；整个过程只需要采集光信号，数据单一，处理分析简单，实时监测；利用红外光推算可见光可直接显示熔池实时状态，方便工作人员实时监测，实时记录；使用最理想环境下的标准图像作为模板，准确消除飞溅及负压扬起的粉末颗粒等对图像的影响。

Description

选择性激光熔化3D打印机熔池状态实时监测装置

技术领域

本实用新型属于选择性激光熔化技术领域，尤其涉及一种选择性激光熔化3D打印机熔池状态实时监测装置及方法。

背景技术

目前，选择性激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)是利用金属粉末在激光束的热作用下完全熔化，经冷却凝固而成型的一种技术。为了完全熔化金属粉末，要求激光能量密度超过106W/cm²。在高激光能量密度的作用下，金属粉末完全熔化，经散热冷却后可实现与固体冶金焊合成型。但其技术还不够成熟，应用领域还不够广泛。

熔池是加工形成过程中的最小单元，熔池的特征稳定是整个加工过程乃至最终部件组织性能稳定的保证。熔池的状态受多个因素的影响，比如：激光功率、扫描速度、光斑大小等与能量输入相关的工艺参数，以及扫描方式、熔池形貌、沉积高度、甚至是基板温度等与外在成形条件相关的因素。所以，对熔池状态的实时监测，可以及时地发现打印过程中产生的缺陷，及时记录并分析，可以有效地提升SLM 技术的加工质量。

现有的SLM装置虽然可以实时的查看零件状态,但也只是在宏观上进行调控,无法对熔池状态实现实时监测,并判断其打印过程中是否存在缺陷,容易造成产品质量不合格,零件难以成型,成品率较低等问题,目前很多机构都开展了对于熔池实时监测技术的研究,但是大部分都是依靠高速摄像机进行拍照,再通过处理得到熔池状态,但这种方法装置结构复杂,成本较高,并且很难满足SLM成型过程中激光功率,材料等不确定因素对于拍摄速度的要求,再加上需要采集的数据量较大, 很难满足实时的监测。因此，亟需一种新的选择性激光熔化3D打印机熔池状态实时监测装置

实用新型内容

针对现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种选择性激光熔化3D打印机熔池状态实时监测装置及方法。

本实用新型是这样实现的，一种选择性激光熔化3D打印机熔池状态实时监测装置，所述选择性激光熔化3D打印机熔池状态实时监测装置包括：

激光发射器，聚焦透镜，单向透视玻璃，场镜，反射镜，截止镜，滤光系统，光线采集系统和上位机；

所述激光发射器发射的激光通过聚焦透镜进行聚焦；所述单向透视玻璃安装在聚焦透镜和场镜之间，所述单向透视玻璃将垂直方向的光束全反射到反射镜；在反射镜的反射光路上安装有截止镜、滤光系统和光纤采集系统，所述光纤采集系统和上位机连接。

进一步，所述滤光系统包括760nm的短波截止滤光片和860nm 的长波截止滤光片。

进一步，所述单向透视玻璃为在线镀膜单向透视高反射玻璃。

进一步，所述聚焦透镜用于减小光束发散角，所述场镜用于将激光汇聚至打印工作台，所述截止镜用于将大能量光除去。

进一步，所述单向透视玻璃只允许激光单向通过，金属熔池辐射光与反射的激光以及环境辐射光通过单向透视玻璃和反射镜进入滤光系统。

进一步，熔融产生的金属熔池辐射光与反射的激光由单向透视玻璃接收，并全反射到反射镜上进行第二次反射；反射光光路上有截止镜和第二个反射镜，并再由反射镜将光进行第三次反射，最终射入滤光系统和光纤采集系统。

进一步，所述上位机将光纤采集传来的760nm-860nm的光波信息，将红外波转换为对应的可见光，并实时输出。

结合上述的所有技术方案，本实用新型所具备的优点及积极效果为：本实用新型提供的选择性激光熔化3D打印机熔池状态实时监测装置，在聚焦透镜和场镜之间装有单向透视玻璃，由单向透视玻璃接收通过扩束镜原路返回的熔池辐射光和激光反射光，并将其全反射到反射镜上进行第二次反射，并且反射光光路上有截止镜和第二个反射镜，并再由反射镜将光进行第三次反射，光最终射入滤光系统和光纤采集系统，光纤采集系统与上位机连接。本实用新型的熔池状态实时监测装置通过监测熔池成形过程中熔池的红外辐射强度变化和根据红外光推算可见光来实时反应熔池状态，方便工作人员实时监测。同时，本实用新型不需要安装高速摄像装置，降级了结构难度，并且提供了监测熔池状态的方式。

本实用新型提供的单向透视玻璃是在线镀膜单向透视高反射玻璃，在保证整体清晰视野以及特定照明条件下能作为单面镜来使用。在特定光照条件下，它有效的提供监控以及高质量的单向视线来达到完全的隐私和保密需求。单向透视镜拥有以下特点：1.保证隐私的同时提供对被观察区的清晰视线；2.高反射及可见光透射率；3.在线镀膜，相比较离线镀膜产品具有更好的耐候性、抗刮性、耐腐蚀性和持久性。在线镀膜是指镀膜工艺过程是在浮法玻璃制造过程中进行，玻璃和膜层是一个整体，在线镀膜的玻璃，抗刮伤、抗腐蚀能力强，持久耐用、使用年限通常是离线镀膜玻璃的3-5倍；离线镀膜是在平板玻璃出厂后，再进行镀膜加工。较之在线镀膜，膜层的牢固度必然受影响，镀膜层也极易损坏；4.镜面效果好。

本实用新型摆脱了传统高速摄像机拍摄的方式，利用熔池的红外辐射来实时监测熔池的状态，降低了结构难度；整个过程只需要采集光信号，数据单一，处理分析简单，做到实时监测；利用红外光推算可见光可直接显示熔池实时状态，方便工作人员实时监测，实时记录；使用最理想环境下的标准图像作为模板，准确消除了飞溅及负压扬起的粉末颗粒等对图像的影响。本实用新型中采集到的滤光系统传来的光为760nm-860nm的红外波，无法观测到，需要上位机对其进行处理，利用黑体标准方程，将红外波推算为对应的可见光，并实时输出，方便工作人员实时监测。

相较于现有技术方案，本实用新型将透镜放置于场景内，收敛未经汇聚的离散化的激光，能够使得到的数据更加真实有效，并且使用了外层与内层两块不同波长截止的镜片叠放，使得采集的数据更加真实。同时，本实用新型不需要对SLM设备进行复杂的改装，独特的绞接盘安装方式，使得全光路角度路径可调整，从而实现了对于市面上绝大部分SLM设备都能进行可定制化安装，本实用新型还采用了高通频的BaF2玻璃，使得机器的观察孔既可以用来观察又可以反馈数据，使本实用新型的通用性得到提升，不需要在SLM设备中额外开孔。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对本实用新型实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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是本实用新型实施例提供的选择性激光熔化3D打印机熔池状态实时监测装置的结构示意图；

图中：(1).激光器；(2).聚焦透镜；(3).单向透视玻璃；(4).场镜； (5).工件；(6).反射镜；(7).截止镜；(8).反射镜；(9).第一片滤光片；(10). 第二片滤光片；(11).光线采集系统。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。

针对现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种选择性激光熔化3D打印机熔池状态实时监测装置及方法，下面结合附图对本实用新型作详细的描述。

如图1所示，本实用新型实施例提供的选择性激光熔融3D打印机的熔池光谱检测装置包括激光发射器(1)，聚焦透镜(2)，单向透视玻璃(3)，场镜(4)，反射镜(6)(8)，截止镜(7)，滤光系统，光纤采集系统 (11)和上位机，光纤采集系统和上位机连接。

激光发射器(1)发射的激光首先通过聚焦透镜进行聚焦，然后经过单向透视玻璃(3)，经场镜(4)汇聚至打印工作台，对金属粉末进行熔融，产生的金属熔池辐射光与反射的激光由单向透视玻璃(3)接收，并将其全反射到反射镜(6)上进行第二次反射，并且反射光光路上有截止镜(7)和第二个反射镜(8)。并再由反射镜(8)将光进行第三次反射。光最终射入滤光系统和光纤采集系统(11)，光纤采集系统与上位机连接。本实用新型的熔池状态实时监测装置通过监测熔池成形过程中熔池的红外辐射强度变化和根据红外光推算可见光进行输出来实时反应熔池状态。

其中，聚焦透镜用于减小光束发散角，减小能量损耗；场镜用于将激光汇聚至打印工作台。

本实用新型采用的单向透视玻璃只允许激光单向通过，金属熔池辐射光与反射的激光以及环境辐射光通过单向透视玻璃和反射镜进入滤光系统。

单向透视镜玻璃(3)是在线镀膜单向透视高反射玻璃，在保证整体清晰视野以及特定照明条件下能作为单面镜来使用。在特定光照条件下，它有效的提供监控以及高质量的单向视线来达到完全的隐私和保密需求。单向透视镜拥有以下特点：1.保证隐私的同时提供对被观察区的清晰视线；2.高反射及可见光透射率；3.在线镀膜，相比较离线镀膜产品具有更好的耐候性、抗刮性、耐腐蚀性和持久性。在线镀膜是指镀膜工艺过程是在浮法玻璃制造过程中进行，玻璃和膜层是一个整体，在线镀膜的玻璃，抗刮伤、抗腐蚀能力强，持久耐用、使用年限通常是离线镀膜玻璃的3-5倍；离线镀膜是在平板玻璃出厂后，再进行镀膜加工。较之在线镀膜，膜层的牢固度必然受影响，镀膜层也极易损坏；4.镜面效果好。

因为反射回来的光波中还夹杂着等离子体辐射光波和反射回来的激光光波，所以要对光波进行过滤处理。通过截止镜(7)时，高能量的光波被滤去，剩下的光波进入滤光系统。等离子体的温度在10⁴K 左右，其辐射光波处于紫外波段，光谱绝大部分小于600nm，测量所需要的红外波长在760nm到1mm间，且已知的激光波长在 1060nm-1070nm间，所以滤光系统的第一块滤光片(10)为760nm短波截止滤光片，留下波长大于760nm的光波，第二块滤光片为860nm(11) 长波截止滤光片，留下波长小于860nm的光波，经过滤光系统后，再传入光纤采集系统就是所需要的光波。

本实用新型中采集到的滤光系统传来的光为760nm-860nm的红外波，无法观测到，需要上位机对其进行处理，利用黑体标准方程，将红外波推算为对应的可见光，并实时输出，方便工作人员实时监测。

本实用新型实施例提供的选择性激光熔化3D打印机熔池状态实时监测原理为：

激光发射器发射的激光通过聚焦透镜进行聚焦，然后经过单向透视玻璃，经场镜汇聚至打印工作台，对金属粉末进行熔融；

熔融产生的金属熔池辐射光与反射的激光通过场镜原路返回至单向透视玻璃，再经单向透视玻璃和反射镜反射后进入滤光系统进行过滤；

光纤采集系统将光信号转化成电信号后传递给上位机，上位机用分析软件对电信号进行分析，将电信号转化为图像输出。

下面结合实施例对本实用新型作进一步描述。

实施例1

本实用新型公开了一种针对选择性激光熔化3D打印机的熔池状态实时监测装置，在聚焦透镜和场镜之间装有单向透视玻璃，由单向透视玻璃接收通过扩束镜原路返回的熔池辐射光和激光反射光，并将其全反射到反射镜上进行第二次反射，并且反射光光路上有截止镜和第二个反射镜，并再由反射镜将光进行第三次反射，光最终射入滤光系统和光纤采集系统，光纤采集系统与上位机连接。本实用新型的熔池状态实时监测装置通过监测熔池成形过程中熔池的红外辐射强度变化和根据红外光推算可见光来实时反应熔池状态。本实用新型不需要安装高速摄像装置，降级了结构难度，并且提供了监测熔池状态的方式。

本实用新型摆脱了传统高速摄像机拍摄的方式，利用熔池的红外辐射来实时监测熔池的状态，降低了结构难度。整个过程只需要采集光信号，数据单一，处理分析简单，做到实时监测；利用红外光推算可见光可直接显示熔池实时状态，方便工作人员实时监测，实时记录；使用最理想环境下的标准图像作为模板，准确消除了飞溅及负压扬起的粉末颗粒等对图像的影响。

现有专利CN201310654910.7(“用于激光加工过程的熔池监测装置”)和现有专利CN201811105734.0(“一种激光选区熔化加工过程熔池温度实时监测装置及方法”)中在激光的准直镜与聚焦镜之间增设分光镜，以此收集反射的激光，与之相比，本实用新型将透镜放置于场景内，收敛未经汇聚的离散化的激光，能够使得到的数据更加真实有效，并且使用了外层与内层两块不同波长截止的镜片叠放，使得采集的数据更加真实。与现有专利CN201610862914.8(“选择性激光熔化成形熔池实时监测装置及监测方法”)相比，本实用新型不需要对SLM设备进行复杂的改装，独特的绞接盘安装方式，使得全光路角度路径可调整，从而实现了对于市面上绝大部分SLM设备都能进行可定制化安装，本实用新型还采用了高通频的BaF2玻璃，使得机器的观察孔既可以用来观察又可以反馈数据，使本实用新型的通用性得到提升，不需要在SLM设备中额外开孔。

实施例2

本实用新型实施例提供的针对选择性激光熔化3D打印机的熔池池状态实时监测装置，包括激光发射器，聚焦透镜，单向透视玻璃，场镜，反射镜，截止镜，滤光系统，光线采集系统和上位机。单向透视玻璃安装在聚焦透镜和场镜之间，在反射镜的反射光路上安装有滤光系统，光纤采集系统和上位机。

本实用新型实施例提供的滤光系统包括一块760nm的短波截止滤光片和一块860nm的长波截止滤光片。

本实用新型实施例提供的单向透视玻璃是在线镀膜单向透视高反射玻璃，它能保证隐私的同时提供被观测区的清晰视线，有高反射和可见光透射率，它是在线镀膜，相比较离线镀膜具有更好的耐候性，抗刮性，耐腐蚀性和持久性，镜面效果好。

本实用新型实施例提供的光纤采集系统将计算部分交给了上位机，上位机利用黑体标准方程将收集到的760nm-860nm的红外光转变为可见光并输出。

本实用新型还提供针对选择性激光熔化3D打印机的熔池池状态实时监测方法，步骤如下：激光发射器发射的激光首先通过聚焦透镜进行聚焦，然后经过单向透视玻璃，经场镜汇聚至打印工作台，对金属粉末进行熔融，产生的金属熔池辐射光与反射的激光由单向透视玻璃接收，并将其全反射到反射镜上进行第二次反射，并且反射光光路上有截止镜和第二个反射镜，并再由反射镜将光进行第三次反射，光最终射入滤光系统和光纤采集系统，光纤采集系统与上位机连接。本实用新型的熔池状态实时监测装置通过监测熔池成形过程中熔池的红外辐射强度变化和根据红外光推算可见光来实时反应熔池状态，方便工作人员实时监测。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本实用新型实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘Solid State Disk(SSD))等。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种选择性激光熔化3D打印机熔池状态实时监测装置，其特征在于，所述选择性激光熔化3D打印机熔池状态实时监测装置包括：

激光发射器，聚焦透镜，单向透视玻璃，场镜，反射镜，截止镜，滤光系统，光线采集系统和上位机；

所述激光发射器发射的激光通过聚焦透镜进行聚焦；所述单向透视玻璃安装在聚焦透镜和场镜之间，所述单向透视玻璃将垂直方向的光束全反射到反射镜；在反射镜的反射光路上安装有截止镜、滤光系统和光纤采集系统，所述光纤采集系统和上位机连接。

2.如权利要求1所述的选择性激光熔化3D打印机熔池状态实时监测装置，其特征在于，所述滤光系统包括760nm的短波截止滤光片和860nm的长波截止滤光片。

3.如权利要求1所述的选择性激光熔化3D打印机熔池状态实时监测装置，其特征在于，所述单向透视玻璃为在线镀膜单向透视高反射玻璃。

4.如权利要求3所述的选择性激光熔化3D打印机熔池状态实时监测装置，其特征在于，所述聚焦透镜用于减小光束发散角，所述场镜用于将激光汇聚至打印工作台，所述截止镜用于将大能量光除去。

5.如权利要求1所述的选择性激光熔化3D打印机熔池状态实时监测装置，其特征在于，所述单向透视玻璃只允许激光单向通过，金属熔池辐射光与反射的激光以及环境辐射光通过单向玻璃和反射镜进入滤光系统。

6.如权利要求1所述的选择性激光熔化3D打印机熔池状态实时监测装置，其特征在于，熔融产生的金属熔池辐射光与反射的激光由单向透视玻璃接收，并全反射到反射镜上进行第二次反射；反射光光路上有截止镜和第二个反射镜，并再由反射镜将光进行第三次反射，最终射入滤光系统和光纤采集系统。

7.如权利要求1所述的选择性激光熔化3D打印机熔池状态实时监测装置，其特征在于，所述上位机将光纤采集传来的760nm-860nm的光波信息，将红外波转换为对应的可见光，并实时输出。

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