CN118663926A - 一种用于金属3d激光锻打印在线监控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于金属3D激光锻打印在线监控系统，包括：粉床监控模块、熔池监控模块、锻打印监控模块、粉床工控机、熔池工控机、采集卡、锻打印工控机、激光器及打印设备工控机；所述打印设备工控机用于控制激光器进行3D激光打印，所述激光器及打印设备工控机分别与采集卡电信号连接；所述采集卡分别与熔池工控机、锻打印工控机电信号连接，所述采集卡用于数据采集；所述粉床监控模块与粉床工控机电信号连接；所述熔池监控模块与采集卡电信号连接；所述锻打印监控模块与锻打印工控机电信号连接。本发明的有益效果在于：能够有效提高打印零件的成型质量，同时，为科研、工艺开发和质量评估提供重要的数据支持。
Description
技术领域
本发明涉及3D激光打印监控领域，尤其是指一种用于金属3D激光锻打印在线监控系统。
背景技术
在金属3D激光打印监控领域，打印的零件质量保证和过程监控一直以来都是金属3D打印技术的热门研究方向，有效、可靠的控制打印零件的质量，是用户的最大需求。
目前，金属3D激光锻打印设备是一种新型激光打印设备，在原有激光打印基础上新增了锻打印功能，提高了打印零件的性能，使内部结构更加紧密；为了有效可靠的控制打印零件的质量，故设计一种用于金属3D激光锻打印在线监控系统。
现有打印设备存在的缺陷：打印设备在铺粉时，由于金属粉末颗粒大小不均，机械传动不均匀、震动或刮刀反复使用磨损等原因，铺粉面存在各种缺陷，对铺粉缺陷无法实现有效的控制，导致影响打印零件的质量；打印设备也配置有监控装置，主要是对设备本身的测试，如氧含量测试、环境温度测试等，对打印的零件质量无有效提高；设备内也可以安装工业摄像头或安防摄像头，仅能拍照和全程录像，分辨率在500万左右，通过人为观察铺粉或打印缺陷来判定零件打印质量，增加人为劳动强度，且无数据分析，无反馈能力；打印的零件质量参差不齐，存在各种质量缺陷，难以实现质量追溯；生产效率低，产品无法快速实现批量生产。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于金属3D激光锻打印在线监控系统，旨在提高加工产品的质量。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种用于金属3D激光锻打印在线监控系统，包括：粉床监控模块、熔池监控模块、锻打印监控模块、粉床工控机、熔池工控机、采集卡、锻打印工控机、激光器及打印设备工控机；
所述打印设备工控机用于控制激光器进行3D激光打印，所述激光器及打印设备工控机分别与采集卡电信号连接；
所述采集卡分别与熔池工控机、锻打印工控机电信号连接，所述采集卡用于数据采集；
所述粉床监控模块与粉床工控机电信号连接，用于对零件打印过程实时在线监控、分析、评估和控制铺粉质量；
所述熔池监控模块与采集卡电信号连接，用于实时获取熔池烧结时的图像，识别熔池烧结时的超高温度信息；
所述锻打印监控模块与锻打印工控机电信号连接，用于通过对锻打印时的图像单帧连续采集，集成单层图像信息，识别锻打印时各层的质量缺陷。
进一步的，所述粉床监控模块、熔池监控模块、锻打印监控模块分别设在打印设备顶板上，打印设备顶板的下方设有基板；
所述粉床监控模块朝向基板上的金属铺粉面，采集金属铺粉面的图像；所述熔池监控模块朝向基板上的熔池烧结面，采集熔池烧结面的图像；所述锻打印监控模块朝向基板上的锻打印面，采集锻打印面的图像。
进一步的，所述打印设备顶板上设有三个通孔，每个通孔上均设有石英玻璃，所述石英玻璃下设有玻璃防护盖。
进一步的，所述石英玻璃的边缘设有O型圈，所述石英玻璃及玻璃防护盖通过螺钉固定在打印设备顶板的通孔上，所述粉床监控模块、熔池监控模块、锻打印监控模块依次设在三块石英玻璃的上方。
进一步的，所述粉床监控模块包括第一固定支架、工业数字相机、第一镜头及第一防尘罩；
所述工业数字相机设在第一固定支架上，所述第一固定支架固定在打印设备顶板上，所述工业数字相机设有第一镜头，所述第一镜头罩在第一防尘罩内，所述基板上的金属铺粉面在工业数字相机的全幅范围内。
进一步的，所述工业数字相机上设有水冷罩，所述水冷罩将工业数字相机的外壳罩住。
进一步的，所述第一镜头上设有第一滤光片。
进一步的，所述熔池监控模块包括第二固定支架、红外高速相机、红外镜头及第二防尘罩；
所述红外高速相机设在第二固定支架上，所述第二固定支架固定在打印设备顶板上，所述红外镜头设在红外高速相机上，所述红外镜头罩在第二防尘罩内，所述基板上的熔池烧结面在红外高速相机的全幅范围内。
进一步的，所述锻打印监控模块包括第三固定支架、工业高速相机、第三镜头及第三防尘罩；
所述工业高速相机固定在第三固定支架上，所述第三固定支架固定在打印设备顶板上，所述第三镜头设在工业高速相机上，所述第三镜头罩在第三防尘罩上，所述基板上的锻打印面在工业高速相机的全幅范围内。
进一步的，所述第三镜头上设有第三滤光片。
本发明的有益效果在于：用于金属3D激光锻打印在线监控系统由熔池监控模块、粉床监控模块和锻打印监控模块的组合形成，熔池监控模块提供激光熔融状态下的红外图像及实时温度，为科研、工艺开发和质量评估提供重要的数据支持；粉床监控模块通过获取铺粉后和打印后的图像数据，对图像进行分析处理，智能识别各类铺粉缺陷，提供必要的闭环控制，提高零件的打印质量；锻打印监控模块通过获取锻打印后的图像数据，对图像进行分析处理，智能识别单层打印后的零件缺陷，提高零件的打印质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的机构获得其他的附图。
图1为本发明实施例的用于金属3D激光锻打印在线监控系统图；
图2为本发明实施例的用于金属3D激光锻打印在线监控模型图；
图3为本发明实施例的粉床监控模块结构示意图；
图4为本发明实施例的熔池监控模块结构示意图；
图5为本发明实施例的锻打印监控模块结构示意图；
图6为本发明实施例的打印设备顶板结构示意图；
其中，10、打印设备顶板；11、石英玻璃；12、玻璃防护盖；13、O型圈；14、螺钉；20、粉床监控模块；30、熔池监控模块；40、锻打印监控模块；21、第一固定支架；22、工业数字相机；23、水冷罩；24、第一镜头；25、第一滤光片；26、第一防尘罩；31、第二固定支架；32、红外高速相机；33、红外镜头；34、第二防尘罩；41、第三固定支架；42、工业高速相机；43、第三镜头；44、第三防尘罩；45、第三滤光片；50、基板；51、金属铺粉面；52、熔池烧结面；53、锻打印面；60、激光器振镜。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
如图1-图6所示，本发明的实施例为：一种用于金属3D激光锻打印在线监控系统，包括：粉床监控模块20、熔池监控模块30、锻打印监控模块40、粉床工控机、熔池工控机、采集卡、锻打印工控机、激光器及打印设备工控机；
所述打印设备工控机用于控制激光器进行3D激光打印，所述激光器及打印设备工控机分别与采集卡电信号连接；
所述采集卡分别与熔池工控机、锻打印工控机电信号连接，所述采集卡用于数据采集；
所述粉床监控模块20与粉床工控机电信号连接，用于对零件打印过程实时在线监控、分析、评估和控制铺粉质量；
所述熔池监控模块30与采集卡电信号连接，用于实时获取熔池烧结时的图像，识别熔池烧结时的超高温度信息；
所述锻打印监控模块40与锻打印工控机电信号连接，用于通过对锻打印时的图像单帧连续采集，集成单层图像信息，识别锻打印时各层的质量缺陷。
本实施例中，用于金属3D激光锻打印在线监控系统由熔池监控模块30、粉床监控模块20和锻打印监控模块40的组合形成，熔池监控模块30提供激光熔融状态下的红外图像及实时温度，为科研、工艺开发和质量评估提供重要的数据支持；粉床监控模块20通过获取铺粉后和打印后的图像数据，对图像进行分析处理，智能识别各类铺粉缺陷，提供必要的闭环控制，提高零件的打印质量；锻打印监控模块40通过获取锻打印后的图像数据，对图像进行分析处理，智能识别单层打印后的零件缺陷，提高零件的打印质量。
在一具体实施例中，所述粉床监控模块20、熔池监控模块30、锻打印监控模块40分别设在打印设备顶板10上，打印设备顶板10的下方设有基板50；
所述粉床监控模块20朝向基板50上的金属铺粉面51，采集金属铺粉面51的图像；所述熔池监控模块30朝向基板50上的熔池烧结面52，采集熔池烧结面52的图像；所述锻打印监控模块40朝向基板50上的锻打印面53，采集锻打印面53的图像。
其中，所述打印设备顶板10上设有三个通孔，每个通孔上均设有石英玻璃11，所述石英玻璃11下设有玻璃防护盖12。
其中，所述石英玻璃11的边缘设有O型圈13，所述石英玻璃11及玻璃防护盖12通过螺钉14固定在打印设备顶板10的通孔上，所述粉床监控模块20、熔池监控模块30、锻打印监控模块40依次设在三块石英玻璃11的上方。
本实施例中，如图6所示，根据锻打印设备和在线监控装置的空间尺寸，确定合适的视窗口位置和尺寸，并安装有高透过率的石英玻璃11和玻璃防护盖12，锻打印设备的腔室为密封腔室，采用O型圈13密封，螺钉14紧固，确保密封可靠。
如图3所示，在一具体实施例中，所述粉床监控模块20包括第一固定支架21、工业数字相机22、第一镜头24及第一防尘罩26；
所述工业数字相机22设在第一固定支架21上，所述第一固定支架21固定在打印设备顶板10上，所述工业数字相机22设有第一镜头24，所述第一镜头24罩在第一防尘罩26内，所述基板50上的金属铺粉面51在工业数字相机22的全幅范围内。
其中，所述工业数字相机22上设有水冷罩23，所述水冷罩23将工业数字相机22的外壳罩住。
其中，所述第一镜头24上设有第一滤光片25。
其中，激光从激光器振镜60射出到金属铺粉面51上。
本实施例中，为了获取铺粉后的高质量图像，图像检测精度应在100um以内，工业数字相机22和第一镜头24的分辨率为20MP以上，工业数字相机22选用工业开源相机，为后续的软件开发和图像分析处理提供便利；根据空间布局及镜头的视场分布，选用分辨率和工业数字相机22相匹配的第一镜头24，第一镜头24的视场应保证全覆盖基板50，第一镜头24前端安装有第一滤光片25，其作用是过滤红外光，避免图像检测时红外光的影响；工业数字相机22、第一镜头24和第一滤光片25采用内置螺纹依次连接，工业数字相机22和第一固定支架21采用螺钉紧固，第一固定支架21的相机安装面和打印设备顶板10保持一定角度，确保拍照视场全覆盖铺粉面位置；工业数字相机22在长期监测中，会产生大量热量，长期高温运行会导致工业数字相机22工作的不稳定，故采用水冷罩23、工业数字相机22和第一固定支架21相连，水冷罩23和第一固定支架21采用螺钉紧固，水冷罩23接头和设备自带的水冷机采用软管连接，为水冷罩23提供恒温循环水，对工业数字相机22进行水冷却，保证工业数字相机22长期工作的稳定性；第一防尘罩26保护第一镜头24和石英玻璃11，起防尘作用，防尘罩安装于打印设备顶板10上，用螺钉紧固。
其工作原理如图1所示：在打印设备单层铺粉后和激光烧结后，通过工业数字相机22采集该层图像，通过数据线将图像传入粉床工控机，粉床工控机和打印设备工控机通过信号线实现数据交互，再通过专业软件对图像进行分析处理，智能识别显示各类缺陷，提供相应的闭环措施。
如图4所示，在一具体实施中，所述熔池监控模块30包括第二固定支架31、红外高速相机32、红外镜头33及第二防尘罩34；
所述红外高速相机32设在第二固定支架31上，所述第二固定支架31固定在打印设备顶板10上，所述红外镜头33设在红外高速相机32上，所述红外镜头33罩在第二防尘罩34内，所述基板50上的熔池烧结面52在红外高速相机32的全幅范围内。
其中，激光从激光器振镜60射出到熔池烧结面52上。
本实施例中，由于激光在烧结金属粉末时，最高温度可达2000℃作用，故选用最高检测温度为2500℃的红外高速相机32；红外镜头33的分辨率和红外高速相机32相匹配，红外镜头33的视场应满足全幅面检测视场需求；第二固定支架31按指定位置安装于打印设备顶板10上，采用螺钉紧固；红外高速相机32按一定角度安装于第二固定支架31上，该角度确保红外镜头33的视场全覆盖基板50，螺钉紧固；红外镜头33和红外高速相机32采用内置螺纹连接；第二防尘罩34保护红外镜头33及石英玻璃11，起防尘作用，第二防尘罩34安装于打印设备顶板10上，用螺钉紧固。
其工作原理，如图1所示：在激光烧结金属粉末过程中，红外高速相机32和红外镜头33同步对激光烧结的熔池进行实时图像采集，通过信号线将图像信息传入采集卡，采集卡和打印设备的工控机实现数据交互，再将采集的信息传入熔池工控机，通过专用软件对图像进行数据分析处理，实现高精度测量，实时显示温度信息，记录保存数据信息。
如图5所示，在一具体实施例中，所述锻打印监控模块40包括第三固定支架41、工业高速相机42、第三镜头43及第三防尘罩44；
所述工业高速相机42固定在第三固定支架41上，所述第三固定支架41固定在打印设备顶板10上，所述第三镜头43设在工业高速相机42上，所述第三镜头43罩在第三防尘罩44上，所述基板50上的锻打印面53在工业高速相机42的全幅范围内。
其中，所述第三镜头43上设有第三滤光片45。
其中，激光从激光器振镜60射出到锻打印面53上。
本实施例中，工业高速相机42选用高分辨率、帧速率和激光帧速率向匹配的相机；第三镜头43应满足和工业高速相机42匹配的分辨率，视场应满足锻打印面53全覆盖。第三固定支架41安装于打印设备顶板10的指定位置，用螺钉紧固，工业高速相机42和第三固定支架41按一定角度连接，用螺钉紧固，第三镜头43和工业高速相机42采用内置螺纹连接，第三滤光片45和第三镜头43采用内置螺纹连接，第三滤光片45选用窄带滤光片，仅短红外光高透过率，排除其它波长的影响，第三防尘罩44保护第三镜头43和石英玻璃11，具有防尘作用，第三防尘罩44安装于打印设备顶板10上，用螺钉紧固。
其工作原理如图1所示：在打印设备单层铺粉后和激光烧结后，通过工业高速相机42采集该层图像，通过数据线将图像传入粉床工控机，粉床工控机和打印设备工控机通过信号线实现数据交互，再通过专业软件对图像进行分析处理，智能识别显示各类缺陷，提供相应的闭环措施。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种用于金属3D激光锻打印在线监控系统，其特征在于，包括：粉床监控模块、熔池监控模块、锻打印监控模块、粉床工控机、熔池工控机、采集卡、锻打印工控机、激光器及打印设备工控机；
所述打印设备工控机用于控制激光器进行3D激光打印，所述激光器及打印设备工控机分别与采集卡电信号连接；
所述采集卡分别与熔池工控机、锻打印工控机电信号连接，所述采集卡用于数据采集；
所述粉床监控模块与粉床工控机电信号连接，用于对零件打印过程实时在线监控、分析、评估和控制铺粉质量；
所述熔池监控模块与采集卡电信号连接，用于实时获取熔池烧结时的图像，识别熔池烧结时的超高温度信息；
所述锻打印监控模块与锻打印工控机电信号连接，用于通过对锻打印时的图像单帧连续采集，集成单层图像信息，识别锻打印时各层的质量缺陷。
2.如权利要求1所述的用于金属3D激光锻打印在线监控系统，其特征在于：所述粉床监控模块、熔池监控模块、锻打印监控模块分别设在打印设备顶板上，打印设备顶板的下方设有基板；
所述粉床监控模块朝向基板上的金属铺粉面，采集金属铺粉面的图像；所述熔池监控模块朝向基板上的熔池烧结面，采集熔池烧结面的图像；所述锻打印监控模块朝向基板上的锻打印面，采集锻打印面的图像。
3.如权利要求2所述的用于金属3D激光锻打印在线监控系统，其特征在于：所述打印设备顶板上设有三个通孔，每个通孔上均设有石英玻璃，所述石英玻璃下设有玻璃防护盖。
4.如权利要求3所述的用于金属3D激光锻打印在线监控系统，其特征在于：所述石英玻璃的边缘设有O型圈，所述石英玻璃及玻璃防护盖通过螺钉固定在打印设备顶板的通孔上，所述粉床监控模块、熔池监控模块、锻打印监控模块依次设在三块石英玻璃的上方。
5.如权利要求2所述的用于金属3D激光锻打印在线监控系统，其特征在于：所述粉床监控模块包括第一固定支架、工业数字相机、第一镜头及第一防尘罩；
所述工业数字相机设在第一固定支架上，所述第一固定支架固定在打印设备顶板上，所述工业数字相机设有第一镜头，所述第一镜头罩在第一防尘罩内，所述基板上的金属铺粉面在工业数字相机的全幅范围内。
6.如权利要求5所述的用于金属3D激光锻打印在线监控系统，其特征在于：所述工业数字相机上设有水冷罩，所述水冷罩将工业数字相机的外壳罩住。
7.如权利要求5所述的用于金属3D激光锻打印在线监控系统，其特征在于：所述第一镜头上设有第一滤光片。
8.如权利要求2所述的用于金属3D激光锻打印在线监控系统，其特征在于：所述熔池监控模块包括第二固定支架、红外高速相机、红外镜头及第二防尘罩；
所述红外高速相机设在第二固定支架上，所述第二固定支架固定在打印设备顶板上，所述红外镜头设在红外高速相机上，所述红外镜头罩在第二防尘罩内，所述基板上的熔池烧结面在红外高速相机的全幅范围内。
9.如权利要求2所述的用于金属3D激光锻打印在线监控系统，其特征在于：所述锻打印监控模块包括第三固定支架、工业高速相机、第三镜头及第三防尘罩；
所述工业高速相机固定在第三固定支架上，所述第三固定支架固定在打印设备顶板上，所述第三镜头设在工业高速相机上，所述第三镜头罩在第三防尘罩上，所述基板上的锻打印面在工业高速相机的全幅范围内。
10.如权利要求9所述的用于金属3D激光锻打印在线监控系统，其特征在于：所述第三镜头上设有第三滤光片。
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