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CN108060417A - 粉末积层制造的检测修补装置及其方法 - Google Patents

粉末积层制造的检测修补装置及其方法 Download PDF

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CN108060417A
CN108060417A CN201610971035.9A CN201610971035A CN108060417A CN 108060417 A CN108060417 A CN 108060417A CN 201610971035 A CN201610971035 A CN 201610971035A CN 108060417 A CN108060417 A CN 108060417A
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CN
China
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powder
powdering
repairing
melting
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Application number
CN201610971035.9A
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English (en)
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陈义諴
陈馨宝
严瑞雄
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tongtai Machine and Tool Co Ltd
Original Assignee
Tongtai Machine and Tool Co Ltd
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Publication date
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Priority to US15/796,065 priority patent/US10786866B2/en
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Abstract

本发明公开一种粉末积层制造的检测修补装置及其方法，所述检测修补装置包含一粉床单元、一修补单元及一检测单元，所述粉床单元具有一粉床平台、一铺粉机构及一激光单元，所述修补单元具有一加工机构，所述检测单元具有一摄影机及一控制器，所述控制器依据所述摄影机拍摄所述粉床平台的一影像资料，判断是否铺粉或排除铺粉缺陷，或驱动所述加工机构修补一工件的表面。

Description

粉末积层制造的检测修补装置及其方法
技术领域
本发明是有关于一种检测修补装置及其方法，特别是关于一种粉末积层制造的检测修补装置及其方法。
背景技术
积层制造(Additive Manufacturing,AM)技术，也称为加法式制造，所述积层制造技术是通过从三维模型撷取出多个二维切层轮廓，并依据各个二维切层轮廓通过逐层堆积的方式加工出一工件。
目前的积层制造技术主要以激光积层制造技术为主，利用激光熔融的方式，并根据三维模型的多个二维切层轮廓，以铺粉机构铺上一粉末层，再将激光束聚焦在所述粉末层，接着熔融成形二维切层轮廓并逐层堆叠成所述工件。
积层制造过程中，所述工件的质量会受到激光的功率、气体的流场以及粉末的质量等因素的影响，导致所述粉末层产生缺陷，例如铺粉状况不佳、工件翘曲，以及工件的表面形成凸起或凹陷等。然而，目前激光积层制造技术的设备缺乏修正上述缺陷的机构，使得工件的良率，以及所述工件的质量无法有效的提高。
因此，有必要提供改良的一种粉末积层制造的检测修补装置及其方法，以解决现有技术所存在的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明主要目的在于提供一种粉末积层制造的检测修补方法，利用对铺粉后影像资料及熔融后影像资料进行检测，可有效的判断各种缺陷，并提高工件的质量。
本发明之另一目的在于提供一种粉末积层制造的检测修补装置，利用摄影机对粉床平台的检测以及修补单元对工件进行修补，可增加工件的良率。
为达上述之目的，本发明提供一种粉末积层制造的检测修补方法，用以对积层制造的一工件进行检测及修补，所述检测修补方法包含一铺粉步骤、一熔融步骤、一熔融检测步骤及一熔融修补步骤；其中所述铺粉步骤是利用一铺粉机构将一粉末铺设在一粉床平台上；所述熔融步骤是利用一激光单元熔融铺设在所述粉床平台上的粉末；所述熔融检测步骤是利用一摄影机拍摄所述粉床平台的一熔融后影像资料，并传送至所述控制器进行检测；在所述熔融修补步骤中，所述控制器依据所述熔融后影像资料的一检测结果判断是否驱动一加工机构修补所述工件的一表面。
在本发明之一实施例中，所述熔融检测步骤具有一凸起区检测子步骤，用以检测所述熔融后影像资料的凸起区，并计算所述凸起区的一位置及一尺寸。
在本发明之一实施例中，所述凸起区的一亮度为所述熔融后影像资料的一切层轮廓区域的一平均亮度的110％以上。
在本发明之一实施例中，所述熔融检测步骤另具有一凸起区加工路径子步骤，在所述凸起区检测子步骤之后，根据一规划加工路径及所述凸起区的位置及尺寸计算出一凸起区加工路径。
在本发明之一实施例中，在所述熔融修补步骤中，利用所述加工机构的多个刀具依据所述凸起区加工路径对所述工件的表面进行加工。
在本发明之一实施例中，所述熔融检测步骤具有一凹陷区检测子步骤，检测所述熔融后影像资料的凹陷区，并计算所述凹陷区的一位置及一尺寸。
在本发明之一实施例中，所述凹陷区的一亮度为所述熔融后影像资料的一切层轮廓区域的平均亮度的90％以下。
在本发明之一实施例中，所述熔融检测步骤还具有一凹陷区加工路径子步骤，在所述凹陷区检测子步骤之后，根据一规划加工路径及所述凹陷区的位置及尺寸计算出一凹陷区加工路径。
在本发明之一实施例中，在所述熔融修补步骤中，利用所述加工机构的多个刀具依据所述凹陷区加工路径对所述工件的表面进行扩孔，接着利用所述加工机构的一激光熔覆器对所述工件的表面进行激光熔覆。
在本发明之一实施例中，在所述铺粉步骤之后还包含一铺粉检测步骤，所述铺粉检测步骤是利用所述摄影机拍摄所述粉床平台的一铺粉后影像资料，并传送至所述控制器进行检测。
在本发明之一实施例中，所述铺粉检测步骤具有：一铺粉检测子步骤，检测所述铺粉后影像资料的一切层区域的一亮度；及一翘曲检测子步骤，检测所述铺粉后影像资料的一切层轮廓区域的一亮度。
在本发明之一实施例中，在所述铺粉检测子步骤中，所述铺粉后影像资料的一未铺粉区为所述切层区域的30％以上，则判断铺粉不佳。
在本发明之一实施例中，在所述翘曲检测子步骤中，所述铺粉后影像资料的一翘曲区域为所述切层轮廓区域的10％以上，则判断所述工件为翘曲。
在本发明之一实施例中，在所述铺粉检测步骤之后还包含一铺粉修补步骤，所述控制器依据所述铺粉后影像资料的一检测结果判断是否铺粉或排除一铺粉缺陷。
为达上述之目的，本发明还提供一种粉末积层制造的检测修补装置，用以对积层制造的一工件进行检测及修补，所述检测修补装置包含一粉床单元、一修补单元及一检测单元；其中所述粉床单元具有一粉床平台、一铺粉机构及一激光单元，所述粉床平台用以形成所述工件，所述铺粉机构设置在所述粉床平台上，用以将一粉末铺设在所述粉床平台上，所述激光单元设置在所述粉床平台上方，用以产生激光以熔融所述粉末；所述修补单元具有一移动机构及一加工机构，所述移动机构设置在所述粉床平台上方，所述加工机构安装在所述移动机构上，用以修补所述工件的一表面；所述检测单元具有一摄影机及一控制器，所述摄影机设置在所述粉床平台上方，用以拍摄所述粉床平台的一影像资料，所述控制器用以接收所述影像资料，并依据所述影像资料判断是否铺粉或排除所述铺粉缺陷，或驱动所述加工机构修补所述工件的表面。
在本发明之一实施例中，所述移动机构具有一个二维移动平台及一个多轴并联式机具，其中所述二维移动平台设置在所述粉床平台上方，所述多轴并联式机具设置在所述二维移动平台上。
在本发明之一实施例中，所述加工机构具有多个刀具及至少一激光熔覆器，其中所述刀具及激光熔覆器可替换地安装在所述多轴并联式机具上。
在本发明之一实施例中，所述检测单元还具有一激光轮廓传感器，用以安装在所述多轴并联式机具上，用以感测所述粉床平台的一轮廓。
如上所述，通过所述摄影机拍摄所述铺粉后影像资料及所述熔融后影像资料，接着由所述控制器对所述铺粉后影像资料及所述熔融后影像资料进行检测，并且判断是否存在各种缺陷以及区分各种缺陷，最后再由所述控制器判断是否铺粉或排除所述铺粉缺陷，或驱动所述加工机构修补所述工件的表面，用以增加所述工件的良率、缩短作业时间及提高所述工件的质量。
附图说明
图1是根据本发明粉末积层制造的检测修补装置的一优选实施例的一立体图。
图2是根据本发明粉末积层制造的检测修补装置的一优选实施例的一侧视图。
图3是根据本发明粉末积层制造的检测修补装置的另一优选实施例的一侧视图。
图4是根据本发明粉末积层制造的检测修补方法的一优选实施例的一流程图。
图5是根据本发明粉末积层制造的检测修补方法的一优选实施例中的图档切层的一示意图。
图6是根据本发明粉末积层制造的检测修补方法的一优选实施例中定义的切层区域及切层轮廓区域的一示意图。
图7是根据本发明粉末积层制造的检测修补方法的一优选实施例中的加工路径规划的一示意图。
图8是根据本发明粉末积层制造的检测修补方法的一优选实施例中的加工区域的一示意图。
实施方式
以下各实施例的说明是参考附加的图式，用以例示本发明可用以实施的特定实施例。再者，本发明所提到的方向用语，例如上、下、顶、底、前、后、左、右、内、外、侧面、周围、中央、水平、横向、垂直、纵向、轴向、径向、最上层或最下层等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本发明，而非用以限制本发明。
请参照图1、2所示，为本发明之粉末积层制造的检测修补装置的一优选实施例，所述检测修补装置100用以对积层制造的一工件101进行缺陷的检测及修补，例如：铺粉状态不佳、工件翘曲、熔融表面凸起及熔融表面凹陷，其中所述检测修补装置100包含一粉床单元2、一修补单元3及一检测单元4。本发明将于下文详细说明各组件的细部构造、组装关系及其运作原理。
续参照图1、2所示，所述粉床单元2具有一粉床平台21、一铺粉机构22、一激光单元23、一供粉器24，其中所述粉床平台21被设置用以形成所述工件101；所述铺粉机构22设置在所述粉床平台21上，用以将一粉末铺设在所述粉床平台21上；所述激光单元23设置在所述粉床平台21上方，用以产生激光以熔融所述粉末而形成所述工件101；以及所述供粉器24设置在所述粉床平台21上方，用以储存所述粉末，并将所述粉末提供所述铺粉机构22铺粉。
续参照图1、2所示，所述修补单元3具有一移动机构31及一加工机构32，且所述加工机构32安装在所述移动机构31上，用以修补所述工件101的一表面，其中所述移动机构31具有一个二维移动平台311及一个多轴并联式机具312，所述二维移动平台311设置在所述粉床平台21上方，而所述多轴并联式机具312设置在所述二维移动平台311上，所述二维移动平台311可驱动所述多轴并联式机具312朝一X轴方向或一Y轴方向移动。另外，所述加工机构32具有多个刀具321及至少一激光熔覆器322，其中所述刀具321放置在一刀具盒102中，并通过将一主轴320安装在一置换接头323上，其中所述置换接头323设置在所述多轴并联式机具312的一移动座313的底部；而且所述激光熔覆器322也能够安装在所述置换接头323上，使所述刀具321及所述激光熔覆器322可替换地安装在所述多轴并联式机具312上进行使用。在本实施例中，所述多轴并联式机具312为三轴或五轴的并联式机具，用以控制所述移动座313朝3个或5个轴线方向移动，使所述刀具321及所述激光熔覆器322能够产生激光以在所述工件101的表面的任何区域进行加工。
续参照图1、2所示，所述检测单元4具有一摄影机41及一控制器42，所述摄影机41设置在所述粉床平台21上方，用以拍摄所述粉床平台21的一影像资料；而所述控制器42用以接收所述影像资料，并依据所述影像资料判断是否铺粉或排除铺粉缺陷，或驱动所述加工机构32修补所述工件101的表面。
依据上述的结构，在铺粉检测的过程中，通过所述供粉器24补充所述粉末至所述铺粉机构22上，接着所述铺粉机构22再将所述粉末铺设在所述粉床平台21上，再利用所述摄影机41会拍摄所述粉床平台21的一铺粉后影像资料，并传送至所述控制器42进行检测，以获得所述粉床平台21上的一铺粉状态及所述工件101的一翘曲状态，而所述控制器42依据所述铺粉后影像资料的检测结果判断是否铺粉或排除所述铺粉缺陷。另外，在熔融检测的过程中，通过所述激光单元23产生激光以熔融铺设在所述粉床平台21上的粉末，使所述粉末熔融在所述工件101上，再利用所述摄影机41拍摄所述粉床平台21的一熔融后影像资料，并传送至所述控制器42进行检测，以获得所述工件101的一表面的一凸起状态及一凹陷状态，所述控制器42再依据所述熔融后影像资料的检测结果，判断是否驱动所述加工机构32修补所述工件101的表面。
另外，如图3所示的另一实施例中，所述检测单元4另具有一激光轮廓传感器43，也能够安装在所述置换接头323上，用以感测所述粉床平台21的一轮廓，并且依据所述轮廓进行所述凸起状态及凹陷状态的检测，判断是否驱动所述加工机构32修补所述工件101的表面。要说明的是，所述检测单元4可单独利用所述摄影机41进行检测，例如感光耦合组件(Charge-coupled Device,CCD)，也能够同时使用所述摄影机41或激光轮廓传感器43两者进行检测，并不以本实施例所局限。
通过上述之设计，通过所述摄影机41拍摄所述铺粉后影像资料及所述熔融后影像资料，接着由所述控制器42对所述铺粉后影像资料及所述熔融后影像资料进行检测，并且判断是否存在各种缺陷以及区分各种缺陷，例如铺粉状态、翘曲状态、凸起状态及凹陷状态。最后，再由所述控制器42判断是否铺粉或排除所述铺粉缺陷，或驱动所述加工机构32修补所述工件101的表面，用以增加所述工件101的良率、缩短作业时间及提高所述工件101的质量。
请参照图4并配合图1、2所示，本发明的粉末积层制造的检测修补方法的一优选实施例，是通过上述粉末积层制造的检测修补装置100对积层制造的一工件101进行检测及修补，所述检测修补方法包含一铺粉步骤S201、一铺粉检测步骤S202、一铺粉修补步骤S203、一熔融步骤S204、一熔融检测步骤S205及一熔融修补步骤S206。
续参照图4并配合图1、2所示，在所述铺粉步骤S201中，是利用一供粉器24补充一粉末至一铺粉机构22上，接着所述铺粉机构22将所述粉末铺设在一粉床平台21上。
要说明的是，如图5、6所示，多个图文件切层5堆叠出所述工件101的一立体图像，所述工件101是依据所述图档切层5逐层堆积而成，其中每一图档切层5具有一切层区域A1及一切层轮廓区域A2。
请参照图4并配合图1、2所示，在所述铺粉检测步骤S202中，是利用一摄影机41拍摄所述粉床平台21的一铺粉后影像资料，并传送至所述控制器42进行检测；具体而言，所述铺粉检测步骤S202具有一铺粉检测子步骤S202a及一翘曲检测子步骤S202b，所述铺粉检测子步骤S202a是检测所述铺粉后影像资料的切层区域A1的一亮度，用以获得所述粉床平台21上的一铺粉状态，其中所述切层区域A1的一尺寸对应所述粉床平台21的一尺寸；另外，所述翘曲检测子步骤S202b是检测所述铺粉后影像资料的切层轮廓区域A2的一亮度，用以获得所述工件101的一翘曲状态，其中所述切层轮廓区域A2的一尺寸对应所述工件101的一截面的一尺寸。
续参照图4并配合图1、2所示，在所述铺粉修补步骤S203中，所述控制器42依据所述铺粉后影像资料的一检测结果，判断是否铺粉或排除一铺粉缺陷。例如：所述粉床平台21上的铺粉状态不佳，将判断停止铺粉；或所述工件101呈翘曲状态，而判断将排除所述工件101的翘曲状态。
续参照图4并配合图1、2所示，在熔融步骤S204中，是利用一激光单元23产生激光以熔融铺设在所述粉床平台21上的粉末，使所述粉末熔融在所述工件101上。
续参照图4并配合图1、2所示，在熔融检测步骤S205中，是利用所述摄影机41拍摄所述粉床平台21的一熔融后影像资料，并传送至所述控制器42进行检测，其中，所述熔融检测步骤S205具有一凸起区检测子步骤S205a、一凹陷区检测子步骤S205b、一凸起区加工路径子步骤S205c及一凹陷区加工路径子步骤S205d。
具体而言，所述凸起区检测子步骤S205a是检测所述熔融后影像资料的凸起区，并计算所述凸起区的一位置及一尺寸用以获得所述工件101的一表面的一凸起状态，在本实施例中，所述凸起区的一亮度为所述熔融后影像资料的所述切层轮廓区域A2的一平均亮度的110％以上。而且，所述凸起区加工路径子步骤S205c是在所述凸起区检测子步骤S205a之后，如图7、8所示，根据一规划加工路径C1及所述加工区域C2(凸起区)的位置及尺寸计算出一凸起区加工路径。
另外，所述凹陷区检测子步骤S205b是检测所述熔融后影像资料的凹陷区，并计算所述凹陷区的一位置及一尺寸，用以获得所述工件101的一表面的一凹陷状态；所述凹陷区的一亮度为所述切层轮廓区域A2的平均亮度的90％以下。而且，所述凹陷区加工路径子步骤S205d是在所述凹陷区检测子步骤S205b之后，如图7、8所示，根据一规划加工路径C1及所述加工区域C2(凹陷区)的位置及尺寸计算出一凹陷区加工路径。
另外，配合图3所示，也能够利用一激光轮廓传感器43感测所述粉床平台21的一轮廓，并计算所述凸起区的位置及尺寸，或所述凹陷区的位置及尺寸，其中所述凸起区的一高度为二层的铺粉厚度以上，所述凹陷区的一深度为二层的铺粉厚度以上。
请参照图4并配合图1、2所示，在熔融修补步骤S206中，所述控制器42会依据所述熔融后影像资料的一检测结果，例如所述工件101的表面的凸起状态或凹陷状态，而判断是否驱动一加工机构32修补所述工件101的表面；在本实施例中，在熔融修补步骤S206中，是先利用所述加工机构32的多个刀具321对所述工件101的表面进行加工扩孔，接着再利用所述加工机构32的一激光熔覆器322产生激光以对所述工件101的表面进行激光熔覆。
如上所述，通过所述摄影机41拍摄所述铺粉后影像资料及所述熔融后影像资料，接着由所述控制器42对所述铺粉后影像资料及所述熔融后影像资料进行检测，并且判断是否存在各种缺陷以及区分各种缺陷，例如铺粉状态、翘曲状态、凸起状态及凹陷状态，最后再由所述控制器42判断是否铺粉或排除所述铺粉缺陷，或驱动所述加工机构32修补所述工件101的表面，用以增加所述工件101的良率、缩短作业时间及提高所述工件101的质量。
本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。必需指出的是，已公开的实施例并未限制本发明的范围。相反的，包含于权利要求书的精神及范围的修改及均等设置均包括于本发明的范围内。

Claims (18)

1.一种粉末积层制造的检测修补方法，用以对积层制造的一工件进行检测及修补，其特征在于：所述检测修补方法包含步骤：
一铺粉步骤，利用一铺粉机构将一粉末铺设在一粉床平台上；
一熔融步骤，利用一激光单元熔融铺设在所述粉床平台上的粉末；
一熔融检测步骤，利用一摄影机拍摄所述粉床平台的一熔融后影像资料，并传送至所述控制器进行检测；及
一熔融修补步骤，所述控制器依据所述熔融后影像资料的一检测结果判断是否驱动一加工机构修补所述工件的一表面。
2.如权利要求1所述的粉末积层制造的检测修补方法，其特征在于：所述熔融检测步骤具有一凸起区检测子步骤，用以检测所述熔融后影像资料的凸起区，并计算所述凸起区的一位置及一尺寸。
3.如权利要求2所述的粉末积层制造的检测修补方法，其特征在于：所述凸起区的一亮度为所述熔融后影像资料的一切层轮廓区域的一平均亮度的110％以上。
4.如权利要求2所述的粉末积层制造的检测修补方法，其特征在于：所述熔融检测步骤还具有一凸起区加工路径子步骤，在所述凸起区检测子步骤之后，根据一规划加工路径及所述凸起区的位置及尺寸计算出一凸起区加工路径。
5.如权利要求4所述的粉末积层制造的检测修补方法，其特征在于：在所述熔融修补步骤中，利用所述加工机构的多个刀具依据所述凸起区加工路径对所述工件的表面进行加工。
6.如权利要求1所述的粉末积层制造的检测修补方法，其特征在于：所述熔融检测步骤具有一凹陷区检测子步骤，检测所述熔融后影像资料的凹陷区，并计算所述凹陷区的一位置及一尺寸。
7.如权利要求6所述的粉末积层制造的检测修补方法，其特征在于：所述凹陷区的一亮度为所述熔融后影像资料的一切层轮廓区域的平均亮度的90％以下。
8.如权利要求6所述的粉末积层制造的检测修补方法，其特征在于：所述熔融检测步骤还具有一凹陷区加工路径子步骤，在所述凹陷区检测子步骤之后，根据一规划加工路径及所述凹陷区的位置及尺寸计算出一凹陷区加工路径。
9.如权利要求8所述的粉末积层制造的检测修补方法，其特征在于：在所述熔融修补步骤中，利用所述加工机构的多个刀具依据所述凹陷区加工路径对所述工件的表面进行扩孔，接着利用所述加工机构的一激光熔覆器对所述工件的表面进行激光熔覆。
10.如权利要求1所述的粉末积层制造的检测修补方法，其特征在于：在所述铺粉步骤之后还包含一铺粉检测步骤，所述铺粉检测步骤是利用所述摄影机拍摄所述粉床平台的一铺粉后影像资料，并传送至所述控制器进行检测。
11.如权利要求10所述的粉末积层制造的检测修补方法，其特征在于：所述铺粉检测步骤具有：一铺粉检测子步骤，检测所述铺粉后影像资料的一切层区域的一亮度；及一翘曲检测子步骤，检测所述铺粉后影像资料的一切层轮廓区域的一亮度。
12.如权利要求10所述的粉末积层制造的检测修补方法，其特征在于：在所述铺粉检测子步骤中，所述铺粉后影像资料的一未铺粉区为所述切层区域的30％以上，则判断铺粉不佳。
13.如权利要求10所述的粉末积层制造的检测修补方法，其特征在于：在所述翘曲检测子步骤中，所述铺粉后影像资料的一翘曲区域为所述切层轮廓区域的10％以上，则判断所述工件为翘曲。
14.如权利要求10所述的粉末积层制造的检测修补方法，其特征在于：在所述铺粉检测步骤之后还包含一铺粉修补步骤，所述控制器依据所述铺粉后影像资料的一检测结果判断是否铺粉或排除一铺粉缺陷。
15.一种粉末积层制造的检测修补装置，用以对积层制造的一工件进行检测及修补，其特征在于：所述检测修补装置包含：
一粉床单元，具有：一粉床平台，用以形成所述工件；一铺粉机构，设置在所述粉床平台上，用以将一粉末铺设在所述粉床平台上；及一激光单元，设置在所述粉床平台上方，用以熔融所述粉末；
一修补单元，具有：一移动机构，设置在所述粉床平台上方；及一加工机构，安装在所述移动机构上，用以修补所述工件的一表面；及
一检测单元，具有：一摄影机，设置在所述粉床平台上方，用以拍摄所述粉床平台的一影像资料；及一控制器，用以接收所述影像资料，并依据所述影像资料判断是否铺粉或排除一铺粉缺陷，或驱动所述加工机构修补所述工件的表面。
16.如权利要求15所述的粉末积层制造的检测修补装置，其特征在于：所述移动机构具有：一个二维移动平台，设置在所述粉床平台上方；及一个多轴并联式机具，设置在所述二维移动平台上。
17.如权利要求16所述的粉末积层制造的检测修补装置，其特征在于：所述加工机构具有多个刀具及至少一激光熔覆器，所述刀具及激光熔覆器能够替换地安装在所述多轴并联式机具上。
18.如权利要求16所述的粉末积层制造的检测修补装置，其特征在于：所述检测单元还具有一激光轮廓传感器，用以安装在所述多轴并联式机具上，用以感测所述粉床平台的一轮廓。
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