[发明专利]一种SLM成型过程参数监测系统

说明书

本发明提出了一种SLM成型过程参数监测系统。该系统主要包括激光功率调节和扫描系统、送粉铺粉运动系统、成型底板垂直运动系统；其特征在于，还包括工件表面温度场分布实时测定与调节系统、激光烧结保护气流测定与调节系统、成型过程光信号监测系统、成型设备运动系统振动监测系统、铺粉和打印零件表面缺陷特征识别系统。通过上述监测系统，对SLM成型过程参数如温度、气流、振动、铺粉质量、成型工件表面质量等进行实时监测，并给予反馈，为打印参数的调节提供理论依据。

技术领域

本发明涉及3D打印监测领域，特别涉及一种SLM成型过程参数监测及反馈系统。

背景技术

金属3D打印增材制造法是通过高能量热源逐层扫描熔化粉末，逐层堆积，直接自由成型复杂形状的三维构件。目前最具代表性的金属3D打印技术是电子束选区熔化技术（EBM）和激光选区熔化技术（SLM）。

激光选区熔化技术（SLM）是按照设定的厚度预先将金属粉末均匀铺展在成型平台上，控制激光束照射到已经预热的粉末上，然后激光按照二维截面轮廓将金属粉末选择性熔化，形成熔道，实现层与层之间的冶金结合。

相对于电子束选区熔化技术，激光选区熔化（SLM）的光斑更小，成型精密度更高，成型氛围不要求真空。SLM采用铺粉方式，减少了成型过程中的不稳定因素，且采用粉末自支撑方式，空间可达性高。

理论上SLM可成型任意复杂精密零部件，但实际成型过程其受到多种因素的影响，如温度、气流、振动等，这些因素相互作用耦合成一个复杂的系统，对工件成型质量产生很大影响，如成型温度影响构件的微观组织、残余应力，会引起工件变形；气流会产生飞溅、球化等现象，同时也降低了局部成型表面温度，使产生应力变形；铺粉辊的振动会对铺粉的质量产生影响，使粉末表层不均匀，从而影响成型工件尺寸精度等。

目前主流的SLM设备无法有效解决上述问题，其技术瓶颈主要体现在以下几个方面：

（1）目前SLM设备基本采用开环控制的方式，依靠工艺参数试验及离线材料测试表征优化，但无法实时监测工件质量形成过程，并给予适当的工艺参数调节。

（2）SLM设备成型构件时，通过数值模拟仿真或者经验数据，进行切片参数优化来减少成型过程中出现零件开裂、变形以及小孔等缺陷的机率。但在实际环境下，铺粉系统、激光功率、气流、温度分布等工艺参数会实时变化，模拟仿真数据或经验数据会失效，进而影响成型构件的质量。

发明内容

为了解决现有技术中未能实时监测工艺参数的技术问题，本发明提出了一种SLM成型过程参数监测系统。该系统主要包括激光功率调节和扫描系统、送粉铺粉运动系统、成型底板垂直运动系统；其特征在于，还包括工件表面温度场分布实时测定与调节系统、激光烧结保护气流测定与调节系统、成型过程光信号监测系统、成型设备运动系统振动监测系统、铺粉和打印零件表面缺陷特征识别系统；所述工件表面温度场分布实时测定与调节系统用于测定成型局部区域点的温度；所述激光烧结保护气流测定与调节系统用于检测气压大小，调节控制进气泵的流量；所述成型过程光信号监测系统用于将金属粉末熔融时的发光信号转换成电压信号；所述成型设备运动系统振动监测系统用于检测所述送粉铺粉运动系统和所述成型底板垂直运动系统的振动；所述铺粉和打印零件表面缺陷特征识别系统用于提取铺粉表面和打印零件表面特征，进行缺陷分析。

所述工件表面温度场分布实时测定与调节系统用于测定成型局部区域点的温度，具体包括：所述工件表面温度场分布实时测定与调节系统由热成像仪和双色高温计组成，两者都是非接触测量，安装于成型腔左侧顶部，热成像仪用于成型整个区域温度，双色高温计对辐射率变化不敏感，用于测定成型局部区域点的温度，并对红外热成像仪进行校核。

所述激光烧结保护气流测定与调节系统用于检测气压大小，调节控制进气泵的流量，具体包括：