本發(fā)明涉及金屬3d打印過程監(jiān)控和質(zhì)量精確控制，尤其涉及一種3d打印逐層檢測反求零件模型及定位缺陷裝置與方法。

背景技術(shù)：

激光選區(qū)熔化(selectivelasermelting，slm)技術(shù)是一種能直接成型高致密、高精度金屬零件的快速成型的3d打印技術(shù)，但是熔融過程中有超過50種不同的因素在發(fā)揮作用，例如尺寸和形狀誤差、熔融層中的空隙、最終部件的高殘余應(yīng)力，以及對材料性能等各種變量相互關(guān)系的影響導致了打印工藝難以量化控制。

質(zhì)量監(jiān)控的發(fā)展使得增材制造技術(shù)中成型件的表面粗糙度和性能有了顯著改善，減少了內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變形。激光熔化系統(tǒng)中需要監(jiān)控一系列的關(guān)鍵的參數(shù)，包括氧含量、激光輸出功率、鋪粉和粉末質(zhì)量等。但是，僅僅簡單地基于設(shè)備工藝去綜合評價零件的質(zhì)量是不夠的，打印過程本身必須受到監(jiān)控。實時監(jiān)控系統(tǒng)可以為早期有效的檢測打印缺陷和避免缺陷做出有效的貢獻。

conceptlaser公司的qm熔池3d系統(tǒng)通過光電二極管和coms攝像頭來監(jiān)控整個打印過程，使用同軸傳感器來監(jiān)測熔池熱輻射；eos的eostatemeltpool系統(tǒng)提供了自動化、智能過程監(jiān)控技術(shù)——無論是每一點、每一層，還是每一個部件。以這種方式，它為熔池的自動化監(jiān)測創(chuàng)造了條件，同時它也能夠在構(gòu)建過程中對于零件內(nèi)部進行觀察。

目前質(zhì)量監(jiān)控的難點在于對信息收集和處理的準確性，能否精確反映加工狀態(tài)；還有對于加工過程的糾正，由于大量的影響因素導致的打印缺陷或者自身組織缺陷，而且整個過程有著高度動態(tài)特性，開發(fā)一個自動修正的控制回路是一大難點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點和不足，提供一種3d打印逐層檢測反求零件模型及定位缺陷裝置與方法。本發(fā)明通過監(jiān)控熔池位置及特征，并通過每層輪廓數(shù)據(jù)反求三維模型，這樣的信號能夠直觀并且打印過程完成后在三維模型上立即進行分析。用戶可以根據(jù)位置追溯每個零件的打印過程。在打印過程中零件內(nèi)部產(chǎn)生的影響可以更好的檢測并分析。通過針對零件打印缺陷進行分析，尋找原因和提出解決措施。

本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種3d打印逐層檢測反求零件模型及定位缺陷裝置，包括激光頭3、掃描振鏡9和計算機1、半透半反鏡16、高速攝像機20、控制器2；所述高速攝像機20通過控制器2與計算機1電訊連接；

所述激光頭3的激光光路17，經(jīng)半透半反鏡16反射入掃描振鏡9，由掃描振鏡9控制激光束選擇性熔化平鋪在工作平臺15上的金屬粉末；同時，掃描振鏡9采集熔池輻射，并將其透過半透半反鏡16傳至高速攝像機20，高速攝像機20對該熔池輻射數(shù)據(jù)進行處理，并轉(zhuǎn)化為圖像信息傳至控制器2，控制器2用于處理圖像數(shù)據(jù)，以確定熔池位置和生成每一熔化層的輪廓。

所述控制器2包括：圖像采集模塊、圖像輪廓提取模塊、圖像三角形化模塊；

圖像采集模塊，用于控制高速攝像機20采集工件每一層成型過程中的熔池實時圖像數(shù)據(jù)，并保存在其內(nèi)存中；

圖像輪廓提取模塊，將反饋至高速攝像機20的彩色圖像顯示成灰度圖像，并建立其坐標系；利用中值濾波器模板對灰度圖像進行濾波以平滑圖像、去除噪音；利用灰度直方圖，選取直方圖的閾值作為最小值，根據(jù)閾值對圖像進行二值化處理，分割為熔池像素點和非熔池像素點，提取熔池輪廓；

圖像三角形化模塊，將圖像處理得到的斷層輪廓用多邊形逼近，然后在相鄰的斷層多邊形頂點之間連接成三角形，再將物體的上下端面三角化，輸出stl文件；

工作周期開始時，由圖像采集模塊采集圖像信息，傳輸至圖像輪廓提取模塊提取熔池輪廓信息，并根據(jù)該信息建立過程文件，在計算機界面上反饋加工狀態(tài)，待到該層加工完畢，根據(jù)過程文件提取該層輪廓；圖像三角形化模塊根據(jù)工件的多層輪廓，得到工件的完整的三維模型，輸出stl文件。

所述高速攝像機20與半透半反鏡16之間的光路上增設(shè)有濾光片19，用于濾出熔池采集波段。

所述濾光片19采用中心波長處于600～650nm范圍內(nèi)的窄帶濾光片，以保證高速攝像機20的光譜靈敏度。

所述高速攝像機20為coms高速攝像機，像素分辨率不低于1024×1024，幀數(shù)可達到7000幀/秒；整體快門最短曝光時間為1us；動態(tài)范圍120db；光譜范圍400nm-950nm，8位采樣分辨率。

一種3d打印逐層檢測反求零件模型及定位缺陷方法，其包括如下步驟：

步驟一：所述掃描振鏡9、半透半反鏡16、濾光片19組成同軸光路，熔池輻射光通過該同軸光路反射、過濾至高速攝像機20上；

步驟二：以工件的成型平面中心為原點建立坐標系，高速攝像機20根據(jù)平面成型軌跡，捕捉成型平面上的熔池位置，同時記錄此位置的熔池形態(tài)；

步驟三：經(jīng)過控制器2的圖像處理得到熔池尺寸，當熔池尺寸偏離標準值的偏差范圍時記錄為異常位置，否則為正常位置；控制器2將該位置信息實時反饋至計算機1的實時監(jiān)控界面上，在監(jiān)控界面相應(yīng)位置反映熔池信息，若為正常位置則顯示綠色，若為異常位置則顯示紅色；

步驟四：在該層數(shù)據(jù)加工完成后，高速攝像機20收集該層成型平面數(shù)據(jù)，控制器2提取工件的該層輪廓數(shù)據(jù)并保存；在零件整體加工完成后，根據(jù)工件的每層輪廓數(shù)據(jù)生成三維模型，將該當前生成的三維模型與預(yù)先內(nèi)置在計算機1中的原始三維模型進行比較分析，獲得金屬3d打印零件與原始模型數(shù)據(jù)在精度尺寸上的誤差；同時，在模型內(nèi)的異常位置紅色高亮，并顯示所在層數(shù)可供查看。

步驟三所述熔池尺寸偏離標準值的偏差范圍取5％-15％。

本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)，具有如下的優(yōu)點及效果：

本發(fā)明針對slm加工過程的粉末熔化進行監(jiān)控，并反饋至計算機，實時反映不同位置的熔池特征，并精確測量每一熔化層的輪廓(包括內(nèi)部封閉輪廓)，通過反求方式獲得零件模型，將該模型與原始三維模型進行比較分析，獲得金屬3d打印零件與原始模型數(shù)據(jù)在精度尺寸方面的誤差。同時，結(jié)合不同位置熔池特征(熔池凝固后寬度)數(shù)據(jù)分析，可以精確獲取3d打印過程中內(nèi)部缺陷的位置、立體形狀，避免了打印零件后期針對零件的破壞性試驗。

附圖說明

圖1為本發(fā)明3d打印逐層檢測反求零件模型及定位缺陷裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為計算機界面示意圖；圖中a表示零件各層的成型層；b代表異常。

圖3為本發(fā)明工作流程圖。

圖1中：計算機1、控制器2、激光頭3、輔助結(jié)構(gòu)擴束器4、三維動態(tài)聚焦系統(tǒng)5、控制板6、控制板7、振鏡控制卡8、掃描振鏡9、y掃描電機及其鏡片10、x掃描電機及其鏡片11、控制板(12、13、14)、工作平臺15、半透半反鏡16、激光光路17、熔池輻射光路18、濾光片19、高速攝像機20。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步具體詳細描述。

實施例

如圖所示。本發(fā)明公開了一種3d打印逐層檢測反求零件模型及定位缺陷裝置，包括激光頭3、掃描振鏡9和計算機1、半透半反鏡16、高速攝像機20、控制器2；所述高速攝像機20通過控制器2與計算機1電訊連接；

所述激光頭3的激光光路17，經(jīng)半透半反鏡16反射入掃描振鏡9，由掃描振鏡9控制激光束選擇性熔化平鋪在工作平臺15上的金屬粉末；同時，掃描振鏡9采集熔池輻射，并將其透過半透半反鏡16傳至高速攝像機20，高速攝像機20對該熔池輻射數(shù)據(jù)進行處理，并轉(zhuǎn)化為圖像信息傳至控制器2，控制器2用于處理圖像數(shù)據(jù)，以確定熔池位置和生成每一熔化層的輪廓。

所述高速攝像機20與半透半反鏡16之間的光路上增設(shè)有濾光片19，用于濾出熔池采集波段。

所述濾光片19采用中心波長處于600～650nm范圍內(nèi)的窄帶濾光片，以保證高速攝像機20的光譜靈敏度。

所述高速攝像機20為coms高速攝像機，像素分辨率不低于1024×1024，幀數(shù)可達到7000幀/秒；整體快門最短曝光時間為1us；動態(tài)范圍120db；光譜范圍400nm-950nm，8位采樣分辨率。

所述半透半反鏡16用于100％反射1064nm激光波長，而讓可見光和和近紅外光100％透射至所述高速攝像機20。

所述控制器2包括：圖像采集模塊、圖像輪廓提取模塊、圖像三角形化模塊。

圖像采集模塊，用于控制高速攝像機20采集工件每一層成型過程中的熔池實時圖像數(shù)據(jù)，并保存在其內(nèi)存中；

圖像輪廓提取模塊，將反饋至高速攝像機20的彩色圖像顯示成灰度圖像，并建立其坐標系；利用中值濾波器模板對灰度圖像進行濾波以平滑圖像、去除噪音；利用灰度直方圖，選取直方圖的閾值作為最小值，根據(jù)閾值對圖像進行二值化處理，分割為熔池像素點和非熔池像素點，提取熔池輪廓；

圖像三角形化模塊，將圖像處理得到的斷層輪廓用多邊形逼近，然后在相鄰的斷層多邊形頂點之間連接成三角形，再將物體的上下端面三角化，輸出stl文件；

工作周期開始時，由圖像采集模塊采集圖像信息，傳輸至圖像輪廓提取模塊提取熔池輪廓信息，并根據(jù)該信息建立過程文件，在計算機界面上反饋加工狀態(tài)，待到該層加工完畢，根據(jù)過程文件提取該層輪廓；圖像三角形化模塊根據(jù)工件的多層輪廓，得到工件的完整的三維模型，輸出stl文件。

本發(fā)明3d打印逐層檢測反求零件模型及定位缺陷方法，可通過如下步驟實現(xiàn)：

步驟一：掃描振鏡9、半透半反鏡16、濾光片19組成同軸光路，熔池輻射光通過該同軸光路反射、過濾至高速攝像機20上；

步驟二：以工件的成型平面中心為原點建立坐標系，高速攝像機20根據(jù)平面成型軌跡，捕捉成型平面上的熔池位置，同時記錄此位置的熔池形態(tài)；

步驟三：經(jīng)過控制器2的圖像處理得到熔池尺寸，當熔池尺寸偏離標準值的偏差范圍時記錄為異常位置，否則為正常位置；控制器2將該位置信息實時反饋至計算機1的實時監(jiān)控界面上，在監(jiān)控界面相應(yīng)位置反映熔池信息，若為正常位置則顯示綠色，若為異常位置則顯示紅色；

步驟四：在該層數(shù)據(jù)加工完成后，高速攝像機20收集該層成型平面數(shù)據(jù)，控制器2提取工件的該層輪廓數(shù)據(jù)并保存；在零件整體加工完成后，根據(jù)工件的每層輪廓數(shù)據(jù)生成三維模型，將該當前生成的三維模型與預(yù)先內(nèi)置在計算機1中的原始三維模型進行比較分析，獲得金屬3d打印零件與原始模型數(shù)據(jù)在精度尺寸上的誤差；同時，在模型內(nèi)的異常位置紅色高亮，并顯示所在層數(shù)可供查看。

步驟三所述熔池尺寸偏離標準值的偏差范圍取5％-15％。

熔池尺寸標準值需要根據(jù)粉末材料、激光能量密度、掃描速度來確定。

如上所述，便可較好地實現(xiàn)本發(fā)明。

本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。