本實用新型涉及一種選擇性激光熔化成形熔池實時監(jiān)測裝置，屬于3D打印增材制造技術領域。

背景技術：

3D打印技術，又稱增材制造技術，是以數(shù)字模型為基礎，將材料逐層堆積制造出實體物品的新興制造技術，該技術將信息網(wǎng)絡技術與先進材料技術、數(shù)字制造技術的密切結合，是先進制造業(yè)的重要組成部分。3D打印不需切削材料，也不需模具，可批量制造，還可遠程操控，尤其適用于結構復雜、體積非常小的產(chǎn)品，制造速度快，生產(chǎn)周期短，降低開發(fā)成本和風險，帶來了制造工藝和生產(chǎn)模式的變革。金屬制品3D打印技術（SLM技術）作為整個3D打印體系中最前沿和最有潛力的技術，是先進制造技術的重要發(fā)展方向。

SLM技術的基本原理是:先在計算機上利用pro/e、UG、CATIA等三維造型軟件設計出零件的三維實體模型，然后通過切片軟件對該三維模型進行切片分層，得到各截面的輪廓數(shù)據(jù)，由輪廓數(shù)據(jù)生成填充掃描路徑，設備將按照這些填充掃描線，控制激光束選區(qū)熔化各層的金屬粉末材料，逐步堆疊成三維金屬零件。激光束開始掃描前，鋪粉系統(tǒng)將金屬粉末鋪置在金屬基板上。激光束按照零件制品當前界面輪廓數(shù)據(jù)選擇性的進行熔化成形。隨后基板下降一定高度，鋪粉系統(tǒng)重新鋪一層粉末，激光按照模型下一層截面信息進行選擇性熔化，如此往復循環(huán)直至整個制品完成熔化成形。

SLM成形過程中，金屬熔池內(nèi)部存在著強烈的傳熱、輻射、固化、對流、相變等物理化學變化，是激光與金屬粉末相互作用的關鍵區(qū)域。熔池狀態(tài)與成形工藝中的冶金、結晶、相變等過程有著密切的聯(lián)系，熔池狀態(tài)在工藝過程中的穩(wěn)定性直接影響到成形制品的尺寸精度與力學性能。因此，對熔池狀態(tài)的實時監(jiān)測是控制SLM成形工藝的關鍵。目前關于焊接過程中熔池監(jiān)控的研究相對較多，而且相關技術也比較成熟，然而在SLM成形過程中，激光掃描速度較快，而且熔池受激光功率、光束掃描速度、氣體成分、氣流量、材料性能和層厚等因素影響較大，因此需要監(jiān)測系統(tǒng)拍攝速度要快，數(shù)據(jù)量較大，而且信號處理必須實施進行，用常規(guī)監(jiān)測設置無法實現(xiàn)實時監(jiān)測。

技術實現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術存在的技術問題，本實用新型提供了一種能夠實時監(jiān)測SLM成形過程中熔池溫度、形狀及面積，并能夠對成形精度及激光功率進行在線評估，并反饋的選擇性激光熔化成形熔池實時監(jiān)測裝置。

為實現(xiàn)上述目的，本實用新型所采用的技術方案為一種選擇性激光熔化成形熔池實時監(jiān)測裝置,包括成型腔，所述成型腔的頂部設置有熔化成形激光系統(tǒng)和脈沖激光器，所述成型腔的頂部中央設置有透明玻璃，所述透明玻璃上方設置有激光鏡筒，所述脈沖激光器通過光纖與激光鏡筒相連接，所述成型腔內(nèi)設置有升降架，所述升降架的兩側設置有升降機構，所述升降架的底部多個角度上設置有攝像機，所述熔化成形激光系統(tǒng)、脈沖激光器、升降機構和攝像機均與主控系統(tǒng)相連接。

優(yōu)選的，所述成型腔頂部設置有支撐支架，所述支撐支架上設置有轉軸，所述轉軸的一端設置有第一電機，另一端設置有U型架，所述激光鏡筒鉸接在U型架內(nèi)，所述U型架的鉸接軸上設置有第二電機，所述第一電機、第二電機均與主控系統(tǒng)相連接。

優(yōu)選的，所述激光鏡筒包括筒體、擴束鏡、聚焦鏡和保護鏡，所述筒體的頂部與光纖連接，筒體底部設置有保護鏡，所述筒體內(nèi)自上而下依次設置有擴束鏡和聚焦鏡。

優(yōu)選的，所述升降架的中部設置有環(huán)形支架，所述環(huán)形支架內(nèi)轉動安裝有環(huán)形底座，所述環(huán)形底座的下部設置有環(huán)形槽，上部設置有齒圈，所述環(huán)形底座通過環(huán)形槽卡裝在環(huán)形支架上，所述環(huán)形底座的兩側設置有與齒圈嚙合的齒輪，所述齒輪上設置有第三電機，所述攝像機均勻固定在環(huán)形底座的底部，每個攝像機旁還設置有一個紅外測溫傳感器，所述環(huán)形支架的底部兩側還設置有紅外測距傳感器，所述第三電機、紅外測溫傳感器和紅外測距傳感器均與主控系統(tǒng)相連接。

優(yōu)選的，所述攝像機的鏡頭上設置有耐高溫保護罩。

與現(xiàn)有技術相比，本實用新型具有以下技術效果：本實用新型能夠實時監(jiān)測SLM成形過程中熔池溫度、形狀及面積，并能夠對成形精度及激光功率進行在線評估，并將信息反饋給主控系統(tǒng)，主控系統(tǒng)從而調整激光功率，實現(xiàn)對金屬熔池的控制，從而實現(xiàn)對成形制品精度及力學性能的控制，提高成品率及制品的組織性能。

附圖說明

圖1為本實用新型的結構示意圖。

圖2為本實用新型中激光鏡筒的安裝結構示意圖。

圖3為本實用新型中激光鏡筒的結構示意圖。

圖4為本實用新型中環(huán)形底座與環(huán)形支架的結構示意圖。

具體實施方式

為了使本實用新型所要解決的技術問題、技術方案及有益效果更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。

如圖1所示，一種選擇性激光熔化成形熔池實時監(jiān)測裝置,包括成型腔1，成型腔1的頂部設置有熔化成形激光系統(tǒng)8和脈沖激光器16，成型腔1的頂部中央設置有透明玻璃9，透明玻璃9上方設置有激光鏡筒11，脈沖激光器16通過光纖15與激光鏡筒11相連接，成型腔1內(nèi)設置有升降架5，升降架5的兩側設置有升降機構2，升降架5的底部多個角度上設置有攝像機20，熔化成形激光系統(tǒng)8、脈沖激光器16、升降機構2和攝像機20均與主控系統(tǒng)22相連接。

熔化成形激光系統(tǒng)8用于對成形件進行激光燒結，脈沖激光器16用于發(fā)出脈沖激光遮蓋成形過程中的電弧，減弱熔池輻射光的強度，從而便于熔池攝像機對熔池進行攝像。脈沖激光器16安裝在成形腔1頂部。該脈沖激光器激光功率7.5-12mW，峰值功率75-90kW，一個脈沖周期內(nèi)脈沖持續(xù)時間為1-2ns。光纖15一端連接脈沖激光器16，另外一端連接激光鏡筒11。其中，如圖2所示，成型腔1頂部設置有支撐支架13，支撐支架13上設置有轉軸27，轉軸27的一端設置有第一電機14，另一端設置有U型架12，激光鏡筒11鉸接在U型架12內(nèi)，U型架12的鉸接軸28上設置有第二電機10，第一電機14、第二電機10均與主控系統(tǒng)22相連接。激光鏡筒安裝在U型架上，通過第一電機驅動U型架能夠進行前后擺動，通過第二電機能夠驅動激光鏡筒進行左右擺動，從而實現(xiàn)了發(fā)出的激光在三維空間內(nèi)掃描，主控系統(tǒng)22根據(jù)模型切片及掃面路徑控制鏡筒運動機構，使脈沖激光器能夠緊隨熔化成形激光系統(tǒng)發(fā)出的成形激光的軌跡運動，從而使脈沖激光遮蓋成形過程中的電弧，減弱熔池輻射光的強度，從而便于熔池攝像系統(tǒng)對熔池進行攝像。

如圖3所示，激光鏡筒11包括筒體24、擴束鏡23、聚焦鏡25和保護鏡26，筒體24的頂部與光纖15連接，筒體24底部設置有保護鏡26，筒體24內(nèi)自上而下依次設置有擴束鏡23和聚焦鏡25。擴束鏡23安裝在光纖15下方，用于擴大光束直徑，減小光束發(fā)散角，減小能量損耗。擴束鏡23下方安裝聚焦鏡25，聚焦鏡25主要用于對光束進行聚焦，達到聚焦光斑在掃描范圍內(nèi)得到一致的聚焦特性。聚焦鏡下面安裝保護鏡26，保護鏡26安裝在鏡筒11最下方，用于保護聚焦鏡25等光路系統(tǒng)。

如圖1和圖4所示，升降架5的中部設置有環(huán)形支架18，環(huán)形支架18內(nèi)轉動安裝有環(huán)形底座17，環(huán)形底座17的下部設置有環(huán)形槽19，上部設置有齒圈29，環(huán)形底座17通過環(huán)形槽29卡裝在環(huán)形支架18上，環(huán)形底座17的兩側設置有與齒圈嚙合的齒輪6，齒輪6上設置有第三電機7，攝像機20均勻固定在環(huán)形底座17的底部，每個攝像機20旁還設置有一個紅外測溫傳感器3，環(huán)形支架18的底部兩側還設置有紅外測距傳感器4，第三電機7、紅外測溫傳感器3和紅外測距傳感器4均與主控系統(tǒng)22相連接，攝像機20的鏡頭上設置有耐高溫保護罩21。

本實用新型中攝像機和紅外測溫傳感器的數(shù)量均為3個，采用攝像機之間、紅外測溫傳感器之間互成120°進行布置。攝像機和紅外測溫傳感器均安裝在環(huán)形底座的底部，環(huán)形底座安裝在升降架上，環(huán)形底座的上部設置有與齒輪相嚙合的齒圈，這樣升降機構能夠驅動升降架上下運動，第三電機能夠驅動環(huán)形底座轉動，從而使攝像機和紅外測溫傳感器隨之運動。升降機構可以是液壓升降機構，也可以是機械升降機構。紅外測溫傳感器用于在從不同方向對熔池溫度進行測量。測得的溫度數(shù)據(jù)隨后傳輸?shù)街骺叵到y(tǒng)22，主控系統(tǒng)22根據(jù)測溫數(shù)據(jù)與熔池圖像數(shù)據(jù)進行對比分析，從而進一步校正熔池的溫度，判斷激光光率。紅外測距傳感器用于用于測量攝像機20距離成形件的距離，并將該信息反饋給主控系統(tǒng)22，主控系統(tǒng)22根據(jù)反饋的距離信息調整升降機構，使攝像機20與制品保持最佳的攝像距離，根據(jù)熔化成形激光系統(tǒng)8激光掃描軌跡，調整環(huán)形底座使攝像機與熔池保持最佳的攝像角度。攝像機從不同角度拍攝熔池后，傳輸?shù)街骺叵到y(tǒng)22，主控系統(tǒng)22對熔池的形狀熔池溫度、形狀及面積進行分析，并能對激光功率進行在線評估，從而調整激光功率。

具體在進行實時監(jiān)測時，按照以下步驟進行操作，

a、啟動成形激光系統(tǒng)，使其發(fā)出的成形激光，對成形粉末按照模型截面輪廓尺寸進行熔化成形；

b、啟動激光頻閃系統(tǒng)，使利用脈沖激光器發(fā)出脈沖激光，主控系統(tǒng)調整脈沖激光的運行軌跡，使其運行軌跡緊隨成形激光的運行軌跡，并且該脈沖激光遮蓋成形過程中的電弧及熔池輻射光的強度；

c、調整熔池攝像機的高度，攝像角度，保證最佳的攝像效果，并且將熔池圖片反饋到主控系統(tǒng)，主控系統(tǒng)對熔池溫度、形狀及面積進行分析，計算成形激光實際工作功率，并且與設定值進行對比；

d、熔池紅外測溫傳感器從不同角度測量熔池的溫度，并將該溫度信息傳輸?shù)街骺叵到y(tǒng)，主控系統(tǒng)將熔池溫度信息與熔池的圖像信息進行對比，從而進一步驗證熔池溫度、形狀和面積，以及成形激光的實際功率；

e、主控系統(tǒng)根據(jù)上述信息，調整成形激光的功率，實現(xiàn)對金屬熔池的控制，從而實現(xiàn)對成形制品精度及力學性能的控制。

以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包在本實用新型范圍內(nèi)。