[发明专利]一种基于特征光谱的针对金属粉末氧含量检测的3D打印设备及其检测方法

说明书

本发明涉及一种基于特征光谱的针对金属粉末氧含量检测的3D打印设备及其检测方法，其中3D打印设备包括工控机、激光发射器、铺粉系统、光路系统以及光电检测系统；光电检测系统包括窄带滤光片、光电检测电路模块、数据采集与处理模块以及通信模块。该基于特征光谱的针对金属粉末氧含量检测的3D打印设备及其检测方法利用光电检测系统能够针对选区激光熔化金属熔池在熔融状态下发出的辐射光的光谱进行检测，并当金属粉末中的氧含量不同时，能够成功检测出其光谱之间的变化，便于管理选区激光熔化金属粉末的重复使用，且能确保打印质量。

技术领域

本发明涉及一种基于特征光谱的针对金属粉末氧含量检测的3D打印设备及其检测方法，属于金属粉末的可回收利用及熔池光谱技术领域。

背景技术

选区激光熔化技术（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。但由于在SLM技术制造过程中是一层接着一层熔化并且快速凝固，零件可能会遇到反复的固态相变；频繁的定向热量提取会导致晶粒结构在Z轴方向（垂直于构建平台）呈柱状，因此力学性能通常呈各向异性；SLM技术过程中有可能出现内部孔隙以及相邻层之间融合不足等缺陷。

过程监控解决的主要问题是SLM设备或激光与材料的相互作用所具有的多变性，因为后者会反过来扰乱金属的微观结构或宏观力学性能。增材制造零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，因此从这个角度来说实现“熔池监控”能够实现实时的质量保证。

金属粉末经激光热作用，其原子能量将从较高能级向较低能级跃迁。每种金属原子都有特殊的光谱系列，原子光谱按波长的分布规律可反映原子的内部结构，因而对金属粉末熔化时发出的辐射光光谱进行研究，可了解粉末的特性。而在选区激光熔化技术中，金属的氧含量特性尤为重要，对粉末本身的振实度和成型件的拉伸性能均有重要影响。通过检测金属熔池的光谱特性，进而检测所使用粉末的氧含量特性，对控制打印工件的质量和提高金属粉末的回收率均具有重要意义。因此，迫切的需要一种新的方案解决上述技术问题。

发明内容

本发明正是针对现有技术中存在的问题，提供一种基于特征光谱的针对金属粉末氧含量检测的3D打印设备，该技术方案能够通过检测金属粉末在熔融状态下的辐射光光谱，来间接地检测所使用金属粉末的氧含量，便于提高金属粉末回收率、节约成本。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，一种基于特征光谱的针对金属粉末氧含量检测的3D打印设备，包括工控机、激光发射器、铺粉系统、光路系统以及光电检测系统；光电检测系统包括窄带滤光片、光电检测电路模块、数据采集与处理模块以及通信模块；工控机的控制输出端与激光发射器的发射控制端电连接；激光发射器用于为光路系统提供激光输入；铺粉系统用于实现金属粉末的均匀铺设；光路系统用于接收激光输入并为铺粉系统提供汇聚激光，对铺设的金属粉末进行烧灼；窄带滤光片用于从光路系统中分离出选定波长的熔池辐射光；光电检测电路模块与窄带滤光片相对接，用于对窄带滤光片分离出的熔池辐射光进行光电感应；数据采集与处理模块与光电检测电路模块电连接，用于对光电感应获得的熔池辐射光电信号进行采集和处理，获得表征熔池辐射光谱信息的数字信号；通信模块与数据采集与处理模块电连接，用于将表征熔池辐射光谱信息的数字信号发送至工控机，并由工控机根据表征熔池辐射光谱信息的数字信号控制激光发射器、铺粉系统以及光路系统的启停工作。