CN215966311U - 用于检测铺粉式金属3d打印设备刮刀损伤的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种用于检测铺粉式金属3D打印设备刮刀损伤的装置，包括：至少一个压电振动传感器，固定安装在刮刀上；数据采集卡，接收实际采集的振动信号；数据处理终端，用于存储刮刀在标准状态下的振动信号以及压电振动传感器输出的振动信号，以及根据刮刀在标准状态下的振动信号及压电振动传感器输出的振动信号生成振动波形，并通过数据处理终端的显示器显示。本实用新型采用基于在线无感检测的方式，通过3D打印过程中刮刀的振动特性来持续在线监测，对于细微损伤以及刮刀的内部结构缺陷、损伤均可实现精确的检测，而且不受现场粉末飞溅的环境影响，对于损伤的判断更加全面和客观。

Description

用于检测铺粉式金属3D打印设备刮刀损伤的装置

技术领域

本实用新型涉及铺粉式增材制造技术领域，具体而言涉及一种用于检测铺粉式金属3D打印设备刮刀损伤的装置与方法。

背景技术

增材制造技术是通过3D模型为基础，采用逐层堆积的方式，将三维对象的制造过程简化为二维的截面制备过程，实现三维零件的降维制造成型，不仅提高效率，而且针对复杂形状和多种材料的适应性上，相对于传统的铸造、压铸等制备过程，具有独特的优势，在航空航天、汽车等工业领域具有重要的应用前景。

金属增材制造是增材制造的关键方向，尤其是激光选区熔化技术SLM，得到广泛的研究和应用。首先在加工平面上铺好一层原料粉末，然后根据零件截面形状对粉末进行分区作业，成形出零件的截面轮廓。如SLS/SLM技术采用激光作为热源，对铺好粉末进行烧结/熔化，黏附成形；EBM技术采用电子束对粉末原料进行完全熔化，快速成形。在一层粉末成形完毕，送铺粉装置在成形工作面再铺上一层粉末，再次进行选区作业，并完成新生成层片与原有部分之间的连接，如此循环逐层堆积制造，最后再经机加工等处理获得打印的零部件。

激光选区熔化技术主要包括铺粉和选区熔化成型两方面，激光选区熔化系统通常由激光扫描系统、粉末供应系统、刮刀、成型腔、成型缸。激光扫描系统，用于实现激光能量输入，入射到铺好的粉末上，完成金属合金粉末的熔化烧结；粉末供应系统(含送粉桶)用于存储和输送金属粉末；刮刀，用以将粉末供应系统输送的粉末进行铺平整平；成型缸，用于容纳待加工粉末，与激光作用烧结形成零件。其中粉末的铺粉过程直接影响铺粉的平整度和均匀性，也直接影响激光选区熔化成型的结果，铺粉过程中，刮刀的质量以及是否损坏是影响铺粉质量的关键因素。

实用新型内容

根据本实用新型目的的第一方面提出一种用于检测铺粉式金属3D打印设备刮刀损伤的装置，包括：

至少一个压电振动传感器，固定安装在刮刀上；

数据采集卡，用于接收压电振动传感器输出的振动信号；

数据处理终端，与所述数据采集卡数据连接，所述数据处理终端内设置有存储器和处理器，存储器用于存储刮刀在标准状态下的振动信号以及压电振动传感器输出的振动信号，所述处理器用于根据刮刀在标准状态下的振动信号以及压电振动传感器输出的振动信号生成振动波形，并通过数据处理终端的显示器显示。

优选地，所述数据采集卡设置有与数据处理终端电连接的数据接口。

优选地，所述数据接口包括PCI总线和/或USB接口、232总线接口、485总线接口、RJ45接口中的至少一种。

优选地，所述装置具有三个压电振动传感器，分别安装在刮刀的质心位置，以及以质心位置为中心、并成对称分布的两个端部位置。

优选地，所述数据采集卡采用有线连接的方式与至少一个压电振动传感器电连接，实现数据通信。

优选地，所述存储器采用非易失性存储器

由以上本实用新型的技术方案可见，本实用新型提出的检测铺粉式金属3D打印设备刮刀损伤的装置，通过压电振动传感器进行刮刀的振动信号感应，基于现场的无感、无损传感技术，获得刮刀的内部结构的响应，以实时监测其结构损伤和内部退化，可实现刮刀损坏的在线、无感、非接触式的检测，而且在刮刀正常工作过程中进行实时检测，即可实现连续不间断作业的持续监测，同时还不受现场激光熔覆或者铺粉过程中粉末飞溅的影响，实现自动化、对环境依赖程度低的检测，获得刮刀的实时健康检测数据，而且还可以通过网络进行远程报告。

在SLM打印系统中，传统在刮刀铺粉的过程中，会通过摄像机采集刮刀的现场照片，通过计算机视觉识别的方式判断刮刀是否损坏，但在激光熔覆的打印现场，会由于铺粉过程中以及激光熔覆过程中的粉末飞溅对现场环境造成影响，导致拍摄的现场照片不能完整的展现刮刀的实际情况，对其健康状态的判断存在误判，而且由于视觉识别技术本身的限制，对于刮刀内部的缺陷或者细微的损伤是难以检测出来的，最终可能会影响3D打印的精度。

本实用新型采用基于在线无感检测的方式，通过3D打印过程中刮刀的振动特性来持续在线监测，对于细微损伤以及刮刀的内部结构缺陷、损伤均可实现精确的检测，而且不受现场粉末飞溅的环境影响，对于损伤的判断更加全面和客观。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的实用新型主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的实用新型主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本实用新型教导的前述和其他方面、实施例和特征。本实用新型的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本实用新型教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本实用新型的各个方面的实施例，其中：

图1是本实用新型示例性实施例用于检测铺粉式金属3D打印设备刮刀损伤的装置的示意图。

图2是根据本实用新型实施例的某型号刮刀在标准状态下的振动信号的振动波形示意图。

图3是某型号刮刀在工作状态下实际采集的振动信号的振动波形示意图。

图4是某型号刮刀的人工检测结果示意图。

具体实施方式

为了更了解本实用新型的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本实用新型的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本实用新型的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本实用新型所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本实用新型公开的一些方面可以单独使用，或者与本实用新型公开的其他方面的任何适当组合来使用。

结合图1所示的示例的用于检测铺粉式金属3D打印设备刮刀损伤的装置，包括压电振动传感器(11,12,13)、数据采集卡20以及数据处理终端30。

如图1所示，以三个压电振动传感器为例，分别为第一压电传感器11、第二压电传感器12以及第三压电传感器13，三个压电传感器分别固定安装在刮刀100的表面，用于感应刮刀的振动，输出振动信号。

数据采集卡20，例如Ni数据采集卡，用于接收压电振动传感器输出的振动信号。

优选的实施例中，由于增材制造打印现场的复杂性，为保证振动信号传输的实时性和有效性，数据采集卡20采用有线连接的方式与压电振动传感器进行数据通信，即通过线缆与压电振动传感器电连接，实现数据通信。

在另外的实施例中，数据采集卡20还可以通过无线信号传输的方式与压电振动传感器实现数据通信，例如基于蓝牙通信协议、ZigBee通信协议或者其他近距离通信协议实现，则不需通过线缆进行物理上的电连接。

可选的实施例中，数据采集卡20设置有与数据处理终端电连接的数据接口，例如PCI总线和/或USB接口、232总线接口、485总线接口、RJ45接口等。

数据处理终端30，可采用计算机系统，而不论是台式计算机系统、膝上型计算机系统或者手持式计算机系统，也不论其采用嵌入式系统或者非嵌入式系统，其旨在与数据采集卡数据连接，用于进行数据接收、存储和运算处理。本实用新型的下述实施例中，以台式计算机系统为例进行说明。尤其优选的是，台式计算机系统配置有至少一个显示器以及键鼠输入装置。

在本实用新型的示例性实施例中，数据处理终端30，与数据采集卡20数据连接。

数据处理终端内设置有至少一个处理器和至少一个存储器，存储器采用非易失性存储器。

存储器，用于存储刮刀在标准状态下的振动信号以及压电振动传感器输出的振动信号。

处理器，用于根据刮刀在标准状态下的振动信号以及压电振动传感器输出的振动信号生成振动波形，并通过数据处理终端30的显示器显示。

其中，刮刀在标准状态下的振动信号是指刮刀在完好状态下进行铺粉作业时通过压电振动传感器所采集的振动信号。

在可选的实施例中，结合图1所示，为了能够准确并且客观地采集振动信息，在本实用新型的实施例中，使得三个压电振动传感器分别安装在刮刀的质心位置，以及以质心位置为中心、并成对称分布的两个端部位置。由此，如果损伤部位距离质心位置较近或者位于质心位置，则通过质心位置的振动分析可进行实时的探测和表征，而且对应一侧的端部的压电振动传感器也会获得一定的振动响应，利于同时检出。同理，如果损伤发生在距离端部位置较近时，对应一侧的端部的压电振动传感器的振动分析可进行实时的探测和表征，同时位于质心位置的压电振动传感器也会获得一定的振动响应，利于同时检出。

在具体的检测过程中，前述的存储预先存储某一型号刮刀在标准状态下的振动信号。如前述的，刮刀在标准状态下的振动信号是指刮刀在完好状态下进行铺粉作业时通过压电振动传感器所采集的振动信号。例如，对某一个型号的刮刀来说，选择尚未进行过铺粉作业的刮刀作为标准体，按照本实用新型实施例的方式按照压电振动传感器之后，进行第一次铺粉作业，采集其作业过程中的振动信号进行存储，作为后续对该型号的刮刀进行健康监控和监测的参考基准。

前述的存储器还被用于存储实时采集的该同样型号刮刀在工作时的振动信号。

由此，可通过观察同样型号刮刀在工作时的振动信号以及刮刀在标准状态下的振动信号的波形对比进行分析，判断刮刀的损伤风险。

结合图2、3所示，将三个压电振动传感器安装在没有损坏的某一型号刮刀上，采样周期定位25s，以5s的时间周期间隔为例，将刮刀动作时的振动波形记录下来，作为参考基准，选择质心位置的传感器采集的数据为表征，如图2所示。

将同样型号的三个压电振动传感器安装在同一型号的刮刀上，刮刀已经工作累积100h以上，采集刮刀动作时的振动波形，选择质心位置的传感器采集的数据为表征，如图3所示。通过作业人员观测到损坏刮刀的振动波形幅值变化是非常明显的。我们将刮刀拆除之后，进行人工观察和检查确认，在刮刀上出现多处细微的表面结构损伤，对打印结果和质量造成影响，如图4所示。因此，在本实用新型的实施例中，通过压电振动传感器的检测，可以实现刮刀实时监测，针对刮刀动作时的振动特性分析比基于相机观测得出的结果更加精确，并可发现传统通过相机观测无法发现以及难以发现的细微损伤和内部损伤。

由此，在铺粉过程中，当检测刮刀存在损伤的风险时，可提醒作业人员停机进行细致检查，以排除风险。尤其是在打印过程中，通过数据处理终端的显示器可实时显示参考基准的振动波形和实时检测的振动信号的振动波形，以及二者的对比结果，可直观的进行分析和结果判断，实现打印效果偏差的预先判断，减少损失。

同时，当发现打印件的质量出现异常时，可通过本实用新型的方式快速进行刮刀影响因素的判断和排除，判断是否是因为刮刀的因素造成的质量异常。

虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本实用新型。本实用新型所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本实用新型的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (6)

1.一种用于检测铺粉式金属3D打印设备刮刀损伤的装置，其特征在于，包括：

至少一个压电振动传感器，固定安装在刮刀上；

数据采集卡，用于接收压电振动传感器输出的振动信号；

数据处理终端，与所述数据采集卡数据连接，所述数据处理终端内设置有存储器和处理器，存储器用于存储刮刀在标准状态下的振动信号以及压电振动传感器输出的振动信号，所述处理器用于根据刮刀在标准状态下的振动信号以及压电振动传感器输出的振动信号生成振动波形，并通过数据处理终端的显示器显示。

2.根据权利要求1用于检测铺粉式金属3D打印设备刮刀损伤的装置，其特征在于，所述数据采集卡设置有与数据处理终端电连接的数据接口。

3.根据权利要求2用于检测铺粉式金属3D打印设备刮刀损伤的装置，其特征在于，所述数据接口包括PCI总线和/或USB接口、232总线接口、485总线接口、RJ45接口中的至少一种。

4.根据权利要求1用于检测铺粉式金属3D打印设备刮刀损伤的装置，其特征在于，所述装置具有三个压电振动传感器，分别安装在刮刀的质心位置，以及以质心位置为中心、并成对称分布的两个端部位置。

5.根据权利要求1用于检测铺粉式金属3D打印设备刮刀损伤的装置，其特征在于，所述数据采集卡采用有线连接的方式与至少一个压电振动传感器电连接，实现数据通信。

6.根据权利要求1用于检测铺粉式金属3D打印设备刮刀损伤的装置，其特征在于，所述存储器采用非易失性存储器。

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