[发明专利]一种选择性激光熔融3D打印机的熔池温度检测系统及方法

说明书

本发明公开了一种选择性激光熔融3D打印机的熔池温度检测系统及方法，在不改变SLM 3D打印机原有设备结构和光路系统的情况下，仅通过在同轴分光镜的接口处加装窄带滤光片及光电检测电路和数据采集与处理系统模块来获取加工过程中的熔池光电信息、并通过对该信息的采集、运算及处理实现对熔池温度的实时闭环控制。本发明获得更高的打印质量及效率，进一步拓宽了SLM 3D打印技术的应用范围，检测速度快、控制效果好、与原设备兼容性强、应用实施的性价比高。

技术领域

本发明属于熔池温度检测及控制领域，尤其涉及一种选择性激光熔融3D打印机的熔池温度检测系统及方法。

背景技术

选择性激光熔融技术(Selective Laser Melting，SLM)是利用金属粉末在激光束的热作用下完全熔化、经冷却凝固而成型的一种技术。作为3D打印技术的一种，SLM技术能根据3D模型直接制成终端金属产品，适合各种复杂形状的工件，具有与传统工艺相当的良好的力学性能。

但由于SLM3D打印技术属于增材制造技术范畴，在制造过程中工件的整体成型是通过逐层铺设金属材料粉末、逐层激光扫描熔融的叠层加工方式来完成的，而增材制造工件的显微结构属性由材料的热演化过程来决定，“熔池”是构成这一过程的最小单元，因此融池温度的在线检测及实时控制是进一步提升SLM技术加工质量的关键要素。

目前国内尚无通过检测金属熔池在熔融状态下的特征光谱，来改善选择性激光熔融3D打印质量的技术方案，本发明即针对这一点提出。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种选择性激光熔融3D打印机的熔池温度检测系统及方法，能够在线检测熔池的特征光谱，实时控制熔池温度，从而为3D打印的工艺过程控制及质量提升提供技术支持方案。

技术方案：本发明所述的一种选择性激光熔融3D打印机的熔池温度检测系统，包括激光发射器、扩束镜、振镜、场镜、同轴分光镜、3D打印工控机、通信模块和打印工作台，窄带滤光片、光电检测电路模块和数据采集与处理模块；其中，窄带滤光片连接同轴分光镜，锁定待打印金属的特征光谱，通过光电检测电路对该波长的金属熔池辐射光进行检测，并通过数据采集与处理模块将数字电压信号传输至3D打印工控机；其中，光电检测电路模块包括光电检测管和放大电路模块。

进一步地，所述放大电路模块设计如下：

选取A₁、A₂两个具有参数互补特点的运算放大器，其中A₁为高速器件，A₂为低噪声器件；输入信号中的低频分量经A₂通道传送至输出端，使得整个电路的失调、漂移等主要取决于A₂的器件参数；输入信号中的高频分量则主要经A₁通道放大，使整个电路的高频响应主要取决于A₁的器件参数，且将A₁输入端的失调电压、失调电流及其温度漂移的影响置于A₂的负反馈环路中，使其得到有效抑制。

进一步地，所述放大电路模块的输入端直接联接光电检测管光电管检测辐射光谱的电流信号。

进一步地，所述窄带滤光片的带宽为以特征线谱为中心波长的±5nm范围内。

本发明还提供一种选择性激光熔融3D打印机的熔池温度检测方法，具体包括以下步骤：

(1)激光发射器发射的激光首先通过扩束镜进行扩束，然后经振镜调整激光的入射方向，经场镜汇聚至打印工作台，对金属粉末进行熔融，产生的金属熔池辐射光与反射的激光通过振镜系统原路返回至激光入射点，通过同轴分光镜将激光与金属熔池辐射光分离，得到单独的金属熔池辐射光；

(2)依据所打印金属的特征光谱特性，选择合适波长的窄带滤光片锁定该特征光谱，通过光电检测电路对该波长的金属熔池辐射光进行检测；