實時檢測粉床表面變形的增材製造方法及增材製造裝置與流程
2023-12-05 06:30:51 1
本發明涉及增材製造技術領域，尤其涉及一種實時檢測粉床表面變形的增材製造方法及增材製造裝置。
背景技術：
增材製造(3D列印)是一種通過連續熔合一個以上薄層的材料來製造三維實體零件的製造技術。在現有技術增材製造過程中，會經常出現以下情況：在進行粉床表面的熔合時，粉床表面會由於存在的熱應力導致發生變形，此時由於現有的增材製造裝置無法實時檢測粉床表面的變形，會繼續循環進行鋪粉、熔化，將變形的粉床表面覆蓋，而變形的粉床表面會導致最終生產出的三維實體零件成為廢品，浪費了材料以及時間。
目前在增材製造的過程中也有通過攝像頭來檢測粉床表面的變形。具體是，通過攝像頭拍攝照片，然後對照片進行圖像識別、處理，以檢測粉床表面變形量。但是，上述攝像頭拍攝的圖片受光源、擺放角度等因素的影響，會導致圖像識別處理的可靠性低，檢測結果不準確，同樣會導致材料和時間的浪費。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種實時檢測粉床表面變形的增材製造方法及增材製造裝置，以解決現有增材製造裝置因無法檢測粉床表面變形或檢測可靠性低、檢測結果不準確導致的三維實體零件成為廢品的問題。
為達此目的，本發明採用以下技術方案：
一種實時檢測粉床表面變形的增材製造方法，包括以下步驟：
控制射線對粉床表面光柵式掃描，形成光柵線；
控制成像裝置對所述光柵線進行成像，並根據成像結果判斷所述光柵線是否存在變形；
在所述光柵線存在變形且變形量大於允許值時，停止增材製造。
作為優選，所述控制射線對粉床表面光柵式掃描包括：
預先將粉床表面設置為M個區域，在每個區域內平行設有N個掃描路徑P；
控制射線沿M個區域內的掃描路徑P(m，n)對粉床表面進行掃描，其中m＝1,2,3…M，n＝1,2,3…N。
作為優選，所述控制射線沿M個區域內的掃描路徑P(m，n)對粉床表面進行掃描包括：
控制射線依次沿各個區域的首個掃描路徑對粉床表面進行掃描；
在執行完成沿最後一個區域的首個掃描路徑對粉床表面的掃描時，判斷最後一個區域是否存在未掃描的掃描路徑；
當存在未掃描的掃描路徑時，控制射線從首個區域起，依次沿各個區域的當前掃描完成的掃描路徑的下一個掃描路徑對粉床表面進行掃描，直至最後一個區域內不存在未掃描的掃描路徑。
作為優選，所述掃描路徑P(m，n)與掃描路徑P(m+1，n)之間的距離D大於所述掃描路徑P(m，n)與掃描路徑P(m，n+1)之間的距離d,其中，所述m小於M，所述n小於N。
作為優選，在控制射線對粉床表面光柵式掃描時，所述射線的能量由粉床表面的四周到中間逐漸變低。
作為優選，還包括：
在所述光柵線存在變形且變形量小於等於允許值時，根據所述變形量調整射線的能量。
作為優選，所述根據所述變形量調整射線的能量包括：
當變形量為正時，調低射線的能量；
當變形量為負時，調高射線的能量。
作為優選，還包括：
通過射線對粉床表面熔化；
所述通過射線對粉床表面熔化在所述控制射線對粉床表面光柵式掃描之前和/或之後進行。
作為優選，所述通過射線對粉床表面熔化在所述控制射線對粉床表面光柵式掃描之前進行時，調整掃描當前層粉床表面時的射線的能量；
所述通過射線對粉床表面熔化在所述控制射線對粉床表面光柵式掃描之後進行時，調整掃描下一層粉床表面時的射線的能量。
本發明還提供一種實時檢測粉床表面變形的增材製造裝置，包括鋪設有粉床的工作平面，均位於工作平面上方的射線發生裝置和成像裝置，以及連接所述射線發生裝置和成型裝置的控制裝置，所述射線發生裝置用於發出射線，所述射線對所述粉床表面光柵式掃描，形成光柵線；所述成像裝置用於對所述光柵線進行拍攝成像。
本發明通過上述增材製造方法，能夠有效地解決現有增材製造裝置因無法檢測粉床表面變形或檢測可靠性低、檢測結果不準確導致的三維實體零件成為廢品的問題，避免了材料以及時間的浪費。而且上述射線既是熱源，同時也是檢測的光源，檢測方法可靠性高。
通過上述增材製造方法，可以根據粉床表面變形量的檢測結果，及時調整射線熔化材料的策略或路徑，形成負反饋，改善粉床表面變形，增加製造的成功率。
本發明的上述增材製造裝置，在採用上述增材製造方法後，能夠提高三維實體零件的良品率。
附圖說明
圖1是本發明實施例一增材製造方法的流程圖；
圖2是本發明實施例一中掃描路徑為水平方向時的示意圖；
圖3是本發明實施例一中掃描路徑為豎直方向時的示意圖；
圖4是本發明實施例一光柵線的變形示意圖；
圖5是本發明實施例二的增材製造裝置的結構示意圖。
圖中：
1、工作平面；2、射線發生裝置；3、成像裝置；4、控制裝置；5、射線。
具體實施方式
下面結合附圖並通過具體實施方式來進一步說明本發明的技術方案。
實施例一：
本實施例提供一種實時檢測粉床表面變形的增材製造方法，如圖1所示，該增材製造方法包括以下步驟：
S10、控制射線對粉床表面光柵式掃描，形成光柵線。
具體的，通過射線發生裝置發出射線，由射線對粉床進行掃描，並形成光柵線。本實施例中，上述射線為雷射或者電子束。
上述控制射線對粉床表面光柵式掃描包括：
可參照圖2或圖3，首先，預先將粉床表面設置為M個區域，上述M個區域覆蓋整個三維零件的截面區域。在每個區域內平行設有N個掃描路徑P，上述N個掃描路徑P形成光柵線。本實施例中，上述N個掃描路徑P可以是水平方向設置的，也可以是豎直方向設置，只需保證每兩個掃描路徑P之間平行即可。
之後，控制射線沿M個區域內的掃描路徑P(m，n)對粉床表面進行掃描，其中m＝1,2,3…M，n＝1,2,3…N，即：控制射線依次沿各個區域的首個掃描路徑對粉床表面進行掃描；在執行完成沿最後一個區域的首個掃描路徑對粉床表面的掃描時，判斷最後一個區域是否存在未掃描的掃描路徑；當存在未掃描的掃描路徑時，控制射線從首個區域起，依次沿各個區域的當前掃描完成的掃描路徑的下一個掃描路徑對粉床表面進行掃描，直至最後一個區域內不存在未掃描的掃描路徑。
具體的，可先將上述每個區域內的掃描路徑P編號，例如，將M個區域內的第一條掃描路徑P依次編號為P(1，1)、P(2，1)、P(3，1)…P(m，1)，將M個區域內的第二條掃描路徑P依次編號為P(1，2)、P(2，2)、P(3，2)…P(m，2)，以此類推，將M個區域內的第N條掃描路徑P依次編號為P(1，n)、P(2，n)、P(3，n)…P(m，n)。通過上述編號，即形成光柵式的掃描路徑。
隨後，控制射線依次根據上述形成的光柵式掃描路徑進行掃描，其具體掃描方式為依次沿上述M個區域內的P(1，1)、P(2，1)、P(3，1)…P(m，1)對粉床表面進行掃描並形成光柵線；在上述掃描結束後，依次沿上述M個區域內的P(1，2)、P(2，2)、P(3，2)…P(m，2)對粉床表面進行掃描，以此類推，依次沿上述M個區域內的P(1，n)、P(2，n)、P(3，n)…P(m，n)對粉床表面進行掃描，直至射線沿所有掃描路徑對粉床表面掃描一次，即完成了整個光柵式掃描，也就形成了所有的光柵線。
本實施例中，上述掃描路徑P(m，n)與掃描路徑P(m+1，n)之間的距離D大於所述掃描路徑P(m，n)與掃描路徑P(m，n+1)之間的距離d,其中，所述m小於M，所述n小於N，以保證上述m+1最大為M，n+1最大為N。通常，上述距離D在5mm以上，距離d在0.1mm-2mm之間，以便於多次的掃描。
本實施例中，優選的，在控制射線對粉床表面光柵式掃描時，上述射線的能量由粉床表面的四周到中間逐漸變低，即在上述掃描過程中，由於粉床表面掃描區域內外側散熱快，中間位置散熱慢，因此，射線的能量是非恆定的，其越靠近粉床表面的四周，射線的能量越高；越靠近粉床表面的中間位置，射線的能量越低。通過上述掃描方式，可以使得粉床表面掃描區域內的溫度場更加均勻。利用以上方式多遍掃描，能夠使得粉床表面掃描區域內材料溫度按照預設的速率升溫或者降溫。
具體的，上述射線的能量改變可以是通過改變功率或者聚焦來實現，具體的，當射線為雷射時，其通過改變功率實現能量的改變。當射線為電子束時，其通過改變聚焦來實現能量的改變，也可以通過改變電流實現能量的改變。
S20、控制成像裝置對光柵線進行成像，並根據成像結果判斷光柵線是否存在變形。
即在上述射線對粉床表面光柵式掃描時，可以通過成像裝置對形成的光柵線進行拍攝成像，隨後將該成像結果傳遞給控制裝置，由控制裝置根據接收到的成像結果判斷該光柵線是否存在變形。本實施例中上述控制裝置可以為計算機，在接收到上述成像結果後，可根據光柵線的圖像判斷是否存在變形。可參照圖4，圖4是光柵線的變形示意圖，如果粉床表面是平整的，光柵線不會變形，如上方光柵線所示；如果粉床表面不平整，光柵線會變形，如下方光柵線所示。
S30、在光柵線存在變形且變形量大於允許值時，停止增材製造。
在上述光柵線存在變形時，通過計算機解調該光柵線，並計算出變形量。具體是通過計算機算法可以將上述光柵線的變形信息轉化成光柵線所在表面的高度信息，該高度信息即上述光柵線所在表面的變形量。
在上述光柵線被解調並得到變形量後，將該變形量與預設的允許值進行比較，當該變形量大於允許值時，停止增材製造。
優選的，通過控制上述成像裝置的曝光時間(即拍攝周期)，可以在拍攝的圖像內得到1條或多條光柵線，一次拍攝控制裝置可以解調多條光柵線；多次拍攝並解調光柵線，直到所有光柵線全部被解調。
本實施例還可以設置一報警裝置，當變形量大於允許值，停止增材製造時，控制報警裝置報警，便於及時提示增材製造出現問題。
通過上述增材製造方法，當變形量大於允許值時，直接停止增材製造，此時增材製造裝置不會進行到下一層的製造(下一層的製造肯定失敗)，節省了時間和材料。
作為優選的技術方案，當上述光柵線存在變形且變形量小於等於允許值時，可以根據上述變形量調整射線的能量。即當光柵線存在變形時，說明當前射線的能量不是最佳能量，為了保證光柵線的變形量更小甚至不存在變形，可以根據當前變形量調整射線的能量。具體的調整方法為：當變形量為正時，即當前粉床高度高於預設的粉床截面高度時，調低射線的能量；當變形量為負時，即當前粉床高度低於預設的粉床截面高度時，調高射線的能量。
通過上述根據變形量調整射線的能量的方式，可以避免變形程度隨層數的增加而增加，減少製造過程中因為變形量大於允許值而不得不中斷的情況，進一步提高製造的成功率。
本實施例中，上述增材製造方法還包括：通過射線對粉床表面熔化，以形成所需的三維實體零件的截面，本實施例在射線對粉床表面熔化的同時，進行粉床表面變形檢測，不會增加額外的時間。而且上述射線既是熱源，同時也是檢測工具，不需要額外的檢測光源，可靠性更高。
上述通過射線對粉床表面熔化在控制射線對粉床表面光柵式掃描之前和/或之後進行。進而可以通過上述光柵式掃描所得出的變形量對當前層或者下一層進行射線能量的調整。具體的，
當通過射線對粉床表面熔化在所述控制射線對粉床表面光柵式掃描之前進行時，此時射線還沒有對當前層的粉床表面進行熔化，在射線對粉床表面光柵式掃描得到變形量後，可以調整掃描當前層粉床表面時的射線的能量，隨後在通過調整好的射線對當前層的粉床表面進行熔化，熔化後的粉床表面的變形量很小甚至沒有。
當通過射線對粉床表面熔化在所述控制射線對粉床表面光柵式掃描之後進行時，此時已經對當前層的粉床表面進行熔化，熔化後的粉床表面的變形量處於未知狀態，隨後通過射線對粉床表面光柵式掃描得到當前層的粉床表面的變形量，根據該變形量調整掃描下一層粉床表面時的射線的能量，以使得下一層的粉床表面的熔化更佳，減小甚至消除下一層熔化後的粉床表面的變形量。
本實施例的上述增材製造方法，能夠使得增材製造裝置具有更高的製造成功率和良品率，有效地避免了材料以及時間的浪費。
實施例二：
本實施例提供一種實時檢測粉床表面變形的增材製造裝置，如圖5所示，該增材製造裝置包括鋪設有粉床的工作平面1，均位於工作平面1上方的射線發生裝置2和成像裝置3，以及連接射線發生裝置2和成型裝置3的控制裝置4，其中：
上述射線發生裝置2用於發出射線5，該射線5可以對上述工作平面1上的粉床表面進行光柵式掃描並形成光柵線；還可以對上述粉床表面進行熔化，以形成三維實體零件的截面。優選的，上述射線為雷射或電子束，且當射線為電子束時，其加速電壓為60kV，功率為0-10kW，工作平面1設置在真空室中，真空室內可依靠泵、閥等真空系統保持真空環境，為三維實體零件的建造提供保護環境。
上述成像裝置3用於對上述形成的光柵線進行拍攝成像，並將拍攝的成像結果傳遞給控制裝置4，由控制裝置4解調該成像結果，並根據該成像結果判斷粉床表面是否變形，以及在粉床表面存在變形時，獲得變形量。具體的，上述粉床表面是否變形以及變形量的確定可參照實施例一所述的實時檢測粉床表面變形的增材製造方法，在此不再贅述。
上述成像裝置3為CCD(Charged Coupled Device)相機、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)相機、紅外相機、近紅外相機或遠紅外相機，能夠滿足能夠拍攝圖像即可。
上述控制裝置4為計算機，可通過該計算機控制射線發生裝置1，調整射線束斑的尺寸、形狀以及在工作平面1上的掃描路徑。
本實施例中，上述增材製造裝置可以是單向鋪粉方式，也可以是雙向鋪粉方式。
本實施例的上述增材製造裝置通過實施例一所述的增材製造裝置來實現三維實體零件的增材製造，可以有效地提高製造成功率和良品率，避免了材料以及時間的浪費。
顯然，本發明的上述實施例僅僅是為了清楚說明本發明所作的舉例，而並非是對本發明的實施方式的限定。對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這裡無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明權利要求的保護範圍之內。