本發(fā)明涉及金屬3d打印過(guò)程監(jiān)控和質(zhì)量精確控制，尤其涉及一種3d打印逐層檢測(cè)反求零件模型及定位缺陷裝置與方法。

背景技術(shù)：

激光選區(qū)熔化(selectivelasermelting，slm)技術(shù)是一種能直接成型高致密、高精度金屬零件的快速成型的3d打印技術(shù)，但是熔融過(guò)程中有超過(guò)50種不同的因素在發(fā)揮作用，例如尺寸和形狀誤差、熔融層中的空隙、最終部件的高殘余應(yīng)力，以及對(duì)材料性能等各種變量相互關(guān)系的影響導(dǎo)致了打印工藝難以量化控制。

質(zhì)量監(jiān)控的發(fā)展使得增材制造技術(shù)中成型件的表面粗糙度和性能有了顯著改善，減少了內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變形。激光熔化系統(tǒng)中需要監(jiān)控一系列的關(guān)鍵的參數(shù)，包括氧含量、激光輸出功率、鋪粉和粉末質(zhì)量等。但是，僅僅簡(jiǎn)單地基于設(shè)備工藝去綜合評(píng)價(jià)零件的質(zhì)量是不夠的，打印過(guò)程本身必須受到監(jiān)控。實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)可以為早期有效的檢測(cè)打印缺陷和避免缺陷做出有效的貢獻(xiàn)。

conceptlaser公司的qm熔池3d系統(tǒng)通過(guò)光電二極管和coms攝像頭來(lái)監(jiān)控整個(gè)打印過(guò)程，使用同軸傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)熔池?zé)彷椛?；eos的eostatemeltpool系統(tǒng)提供了自動(dòng)化、智能過(guò)程監(jiān)控技術(shù)——無(wú)論是每一點(diǎn)、每一層，還是每一個(gè)部件。以這種方式，它為熔池的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)創(chuàng)造了條件，同時(shí)它也能夠在構(gòu)建過(guò)程中對(duì)于零件內(nèi)部進(jìn)行觀察。

目前質(zhì)量監(jiān)控的難點(diǎn)在于對(duì)信息收集和處理的準(zhǔn)確性，能否精確反映加工狀態(tài)；還有對(duì)于加工過(guò)程的糾正，由于大量的影響因素導(dǎo)致的打印缺陷或者自身組織缺陷，而且整個(gè)過(guò)程有著高度動(dòng)態(tài)特性，開(kāi)發(fā)一個(gè)自動(dòng)修正的控制回路是一大難點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，提供一種3d打印逐層檢測(cè)反求零件模型及定位缺陷裝置與方法。本發(fā)明通過(guò)監(jiān)控熔池位置及特征，并通過(guò)每層輪廓數(shù)據(jù)反求三維模型，這樣的信號(hào)能夠直觀并且打印過(guò)程完成后在三維模型上立即進(jìn)行分析。用戶可以根據(jù)位置追溯每個(gè)零件的打印過(guò)程。在打印過(guò)程中零件內(nèi)部產(chǎn)生的影響可以更好的檢測(cè)并分析。通過(guò)針對(duì)零件打印缺陷進(jìn)行分析，尋找原因和提出解決措施。

本發(fā)明通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種3d打印逐層檢測(cè)反求零件模型及定位缺陷裝置，包括激光頭3、掃描振鏡9和計(jì)算機(jī)1、半透半反鏡16、高速攝像機(jī)20、控制器2；所述高速攝像機(jī)20通過(guò)控制器2與計(jì)算機(jī)1電訊連接；

所述激光頭3的激光光路17，經(jīng)半透半反鏡16反射入掃描振鏡9，由掃描振鏡9控制激光束選擇性熔化平鋪在工作平臺(tái)15上的金屬粉末；同時(shí)，掃描振鏡9采集熔池輻射，并將其透過(guò)半透半反鏡16傳至高速攝像機(jī)20，高速攝像機(jī)20對(duì)該熔池輻射數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并轉(zhuǎn)化為圖像信息傳至控制器2，控制器2用于處理圖像數(shù)據(jù)，以確定熔池位置和生成每一熔化層的輪廓。

所述控制器2包括：圖像采集模塊、圖像輪廓提取模塊、圖像三角形化模塊；

圖像采集模塊，用于控制高速攝像機(jī)20采集工件每一層成型過(guò)程中的熔池實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)，并保存在其內(nèi)存中；

圖像輪廓提取模塊，將反饋至高速攝像機(jī)20的彩色圖像顯示成灰度圖像，并建立其坐標(biāo)系；利用中值濾波器模板對(duì)灰度圖像進(jìn)行濾波以平滑圖像、去除噪音；利用灰度直方圖，選取直方圖的閾值作為最小值，根據(jù)閾值對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理，分割為熔池像素點(diǎn)和非熔池像素點(diǎn)，提取熔池輪廓；

圖像三角形化模塊，將圖像處理得到的斷層輪廓用多邊形逼近，然后在相鄰的斷層多邊形頂點(diǎn)之間連接成三角形，再將物體的上下端面三角化，輸出stl文件；

工作周期開(kāi)始時(shí)，由圖像采集模塊采集圖像信息，傳輸至圖像輪廓提取模塊提取熔池輪廓信息，并根據(jù)該信息建立過(guò)程文件，在計(jì)算機(jī)界面上反饋加工狀態(tài)，待到該層加工完畢，根據(jù)過(guò)程文件提取該層輪廓；圖像三角形化模塊根據(jù)工件的多層輪廓，得到工件的完整的三維模型，輸出stl文件。

所述高速攝像機(jī)20與半透半反鏡16之間的光路上增設(shè)有濾光片19，用于濾出熔池采集波段。

所述濾光片19采用中心波長(zhǎng)處于600～650nm范圍內(nèi)的窄帶濾光片，以保證高速攝像機(jī)20的光譜靈敏度。

所述高速攝像機(jī)20為coms高速攝像機(jī)，像素分辨率不低于1024×1024，幀數(shù)可達(dá)到7000幀/秒；整體快門(mén)最短曝光時(shí)間為1us；動(dòng)態(tài)范圍120db；光譜范圍400nm-950nm，8位采樣分辨率。

一種3d打印逐層檢測(cè)反求零件模型及定位缺陷方法，其包括如下步驟：

步驟一：所述掃描振鏡9、半透半反鏡16、濾光片19組成同軸光路，熔池輻射光通過(guò)該同軸光路反射、過(guò)濾至高速攝像機(jī)20上；

步驟二：以工件的成型平面中心為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，高速攝像機(jī)20根據(jù)平面成型軌跡，捕捉成型平面上的熔池位置，同時(shí)記錄此位置的熔池形態(tài)；

步驟三：經(jīng)過(guò)控制器2的圖像處理得到熔池尺寸，當(dāng)熔池尺寸偏離標(biāo)準(zhǔn)值的偏差范圍時(shí)記錄為異常位置，否則為正常位置；控制器2將該位置信息實(shí)時(shí)反饋至計(jì)算機(jī)1的實(shí)時(shí)監(jiān)控界面上，在監(jiān)控界面相應(yīng)位置反映熔池信息，若為正常位置則顯示綠色，若為異常位置則顯示紅色；

步驟四：在該層數(shù)據(jù)加工完成后，高速攝像機(jī)20收集該層成型平面數(shù)據(jù)，控制器2提取工件的該層輪廓數(shù)據(jù)并保存；在零件整體加工完成后，根據(jù)工件的每層輪廓數(shù)據(jù)生成三維模型，將該當(dāng)前生成的三維模型與預(yù)先內(nèi)置在計(jì)算機(jī)1中的原始三維模型進(jìn)行比較分析，獲得金屬3d打印零件與原始模型數(shù)據(jù)在精度尺寸上的誤差；同時(shí)，在模型內(nèi)的異常位置紅色高亮，并顯示所在層數(shù)可供查看。

步驟三所述熔池尺寸偏離標(biāo)準(zhǔn)值的偏差范圍取5％-15％。

本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果：

本發(fā)明針對(duì)slm加工過(guò)程的粉末熔化進(jìn)行監(jiān)控，并反饋至計(jì)算機(jī)，實(shí)時(shí)反映不同位置的熔池特征，并精確測(cè)量每一熔化層的輪廓(包括內(nèi)部封閉輪廓)，通過(guò)反求方式獲得零件模型，將該模型與原始三維模型進(jìn)行比較分析，獲得金屬3d打印零件與原始模型數(shù)據(jù)在精度尺寸方面的誤差。同時(shí)，結(jié)合不同位置熔池特征(熔池凝固后寬度)數(shù)據(jù)分析，可以精確獲取3d打印過(guò)程中內(nèi)部缺陷的位置、立體形狀，避免了打印零件后期針對(duì)零件的破壞性試驗(yàn)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明3d打印逐層檢測(cè)反求零件模型及定位缺陷裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為計(jì)算機(jī)界面示意圖；圖中a表示零件各層的成型層；b代表異常。

圖3為本發(fā)明工作流程圖。

圖1中：計(jì)算機(jī)1、控制器2、激光頭3、輔助結(jié)構(gòu)擴(kuò)束器4、三維動(dòng)態(tài)聚焦系統(tǒng)5、控制板6、控制板7、振鏡控制卡8、掃描振鏡9、y掃描電機(jī)及其鏡片10、x掃描電機(jī)及其鏡片11、控制板(12、13、14)、工作平臺(tái)15、半透半反鏡16、激光光路17、熔池輻射光路18、濾光片19、高速攝像機(jī)20。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步具體詳細(xì)描述。

實(shí)施例

如圖所示。本發(fā)明公開(kāi)了一種3d打印逐層檢測(cè)反求零件模型及定位缺陷裝置，包括激光頭3、掃描振鏡9和計(jì)算機(jī)1、半透半反鏡16、高速攝像機(jī)20、控制器2；所述高速攝像機(jī)20通過(guò)控制器2與計(jì)算機(jī)1電訊連接；

所述激光頭3的激光光路17，經(jīng)半透半反鏡16反射入掃描振鏡9，由掃描振鏡9控制激光束選擇性熔化平鋪在工作平臺(tái)15上的金屬粉末；同時(shí)，掃描振鏡9采集熔池輻射，并將其透過(guò)半透半反鏡16傳至高速攝像機(jī)20，高速攝像機(jī)20對(duì)該熔池輻射數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并轉(zhuǎn)化為圖像信息傳至控制器2，控制器2用于處理圖像數(shù)據(jù)，以確定熔池位置和生成每一熔化層的輪廓。

所述高速攝像機(jī)20與半透半反鏡16之間的光路上增設(shè)有濾光片19，用于濾出熔池采集波段。

所述濾光片19采用中心波長(zhǎng)處于600～650nm范圍內(nèi)的窄帶濾光片，以保證高速攝像機(jī)20的光譜靈敏度。

所述高速攝像機(jī)20為coms高速攝像機(jī)，像素分辨率不低于1024×1024，幀數(shù)可達(dá)到7000幀/秒；整體快門(mén)最短曝光時(shí)間為1us；動(dòng)態(tài)范圍120db；光譜范圍400nm-950nm，8位采樣分辨率。

所述半透半反鏡16用于100％反射1064nm激光波長(zhǎng)，而讓可見(jiàn)光和和近紅外光100％透射至所述高速攝像機(jī)20。

所述控制器2包括：圖像采集模塊、圖像輪廓提取模塊、圖像三角形化模塊。

圖像采集模塊，用于控制高速攝像機(jī)20采集工件每一層成型過(guò)程中的熔池實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)，并保存在其內(nèi)存中；

圖像輪廓提取模塊，將反饋至高速攝像機(jī)20的彩色圖像顯示成灰度圖像，并建立其坐標(biāo)系；利用中值濾波器模板對(duì)灰度圖像進(jìn)行濾波以平滑圖像、去除噪音；利用灰度直方圖，選取直方圖的閾值作為最小值，根據(jù)閾值對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理，分割為熔池像素點(diǎn)和非熔池像素點(diǎn)，提取熔池輪廓；

圖像三角形化模塊，將圖像處理得到的斷層輪廓用多邊形逼近，然后在相鄰的斷層多邊形頂點(diǎn)之間連接成三角形，再將物體的上下端面三角化，輸出stl文件；

工作周期開(kāi)始時(shí)，由圖像采集模塊采集圖像信息，傳輸至圖像輪廓提取模塊提取熔池輪廓信息，并根據(jù)該信息建立過(guò)程文件，在計(jì)算機(jī)界面上反饋加工狀態(tài)，待到該層加工完畢，根據(jù)過(guò)程文件提取該層輪廓；圖像三角形化模塊根據(jù)工件的多層輪廓，得到工件的完整的三維模型，輸出stl文件。

本發(fā)明3d打印逐層檢測(cè)反求零件模型及定位缺陷方法，可通過(guò)如下步驟實(shí)現(xiàn)：

步驟一：掃描振鏡9、半透半反鏡16、濾光片19組成同軸光路，熔池輻射光通過(guò)該同軸光路反射、過(guò)濾至高速攝像機(jī)20上；

步驟二：以工件的成型平面中心為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，高速攝像機(jī)20根據(jù)平面成型軌跡，捕捉成型平面上的熔池位置，同時(shí)記錄此位置的熔池形態(tài)；

步驟三：經(jīng)過(guò)控制器2的圖像處理得到熔池尺寸，當(dāng)熔池尺寸偏離標(biāo)準(zhǔn)值的偏差范圍時(shí)記錄為異常位置，否則為正常位置；控制器2將該位置信息實(shí)時(shí)反饋至計(jì)算機(jī)1的實(shí)時(shí)監(jiān)控界面上，在監(jiān)控界面相應(yīng)位置反映熔池信息，若為正常位置則顯示綠色，若為異常位置則顯示紅色；

步驟四：在該層數(shù)據(jù)加工完成后，高速攝像機(jī)20收集該層成型平面數(shù)據(jù)，控制器2提取工件的該層輪廓數(shù)據(jù)并保存；在零件整體加工完成后，根據(jù)工件的每層輪廓數(shù)據(jù)生成三維模型，將該當(dāng)前生成的三維模型與預(yù)先內(nèi)置在計(jì)算機(jī)1中的原始三維模型進(jìn)行比較分析，獲得金屬3d打印零件與原始模型數(shù)據(jù)在精度尺寸上的誤差；同時(shí)，在模型內(nèi)的異常位置紅色高亮，并顯示所在層數(shù)可供查看。

步驟三所述熔池尺寸偏離標(biāo)準(zhǔn)值的偏差范圍取5％-15％。

熔池尺寸標(biāo)準(zhǔn)值需要根據(jù)粉末材料、激光能量密度、掃描速度來(lái)確定。

如上所述，便可較好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。

本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。