减少激光选区熔化成形件内部孔隙缺陷的方法和装置
阅读说明：本技术 减少激光选区熔化成形件内部孔隙缺陷的方法和装置 (Method and device for reducing internal pore defects of selective laser melting formed part ) 是由 谢德巧 于 2021-06-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种利用图形识别与铣削技术,减少激光选区熔化成形金属零件内部孔隙缺陷的方法和装置。首先利用热成像仪模块识别激光选区熔化过程中某一层温度异常和突变区域,结合该层冷却后的表面形貌,判断孔隙缺陷出现的位置与区域。随后利用路径规划软件规划出铣刀的铣削路径,将该层出现孔隙缺陷的区域材料进行去除。接着再用刮刀铺一次粉,已被铣削去除的区域可利用激光再次熔化。在激光选区熔化逐层累加的过程中,每一层均可快速寻找、修复孔隙缺陷,实现了每一层成形质量的稳定控制。本发明可以有效控制每一层的缺陷,最终减少激光选区熔化成形零件的孔隙缺陷,显著提升其力学性能。(The invention discloses a method and a device for reducing internal pore defects of a metal part formed by selective laser melting by utilizing a pattern recognition and milling technology. Firstly, a thermal imager module is utilized to identify a certain layer of abnormal temperature and abrupt change area in the selective laser melting process, and the position and area of the pore defect are judged by combining the surface appearance of the layer after cooling. And planning a milling path of the milling cutter by using path planning software, and removing the material of the region with the pore defect. The powder is then spread once more with a doctor blade and the milled away areas can be remelted with a laser. In the process of melting and accumulating layer by layer in the selective laser area, the pore defects can be quickly found and repaired for each layer, and the forming quality of each layer is stably controlled. The invention can effectively control the defect of each layer, finally reduce the pore defect of the part formed by selective laser melting and obviously improve the mechanical property of the part.)
技术领域
本发明涉及一种基于图像识别和铣削技术减少激光选区熔化成形件内部孔隙缺陷的方法和装置，具体涉及一种基于热成像仪模块识别与铣削模块修复，从而减少激光选区熔化成形金属零件内部孔隙缺陷的方法和装置，属于激光增材制造领域。
背景技术
激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)技术是目前用于金属增材制造的主要工艺之一，由于其在成形复杂结构、零件精度、表面质量等方面的诸多优势，使其在航空航天复杂零件、个性化生物医疗器件等多个领域得到了广泛的应用。
然而，激光选区熔化增材制造技术制造的零件内部常有孔隙缺陷，会降低其力学性能，尤其是疲劳强度。国内外关于SLM中孔隙问题的研究有很多，学者们普遍认为，SLM中的孔隙会影响零件的力学性能，尤其是疲劳强度。因此，要想打印出高性能的SLM结构件，亟待减少孔隙缺陷，尤其是尺寸200微米以上的大孔隙。
目前，消除SLM成形件孔隙缺陷的方法主要为后续热等静压处理，热等静压设备价格昂贵，需消耗大量能源，且易使显微组织粗化，降低成形件的力学性能。
发明内容
本发明为解决上述的问题，提出孔隙缺陷在线识别与修复的思路，提供了一种基于图像识别和铣削技术减少激光选区熔化成形件内部孔隙缺陷的方法和装置。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
基于图像识别和铣削技术减少激光选区熔化成形件内部孔隙缺陷的装置，包括热成像仪模块、铣削模块以及扫描振镜、激光器、刮刀、成形腔、成形缸、送粉缸，成形缸、送粉缸分别设置在成型腔的底部，利用刮刀将送粉缸内的金属粉末刮至成形缸内并铺平；激光器和扫描振镜相连，扫描振镜置于成形腔上，扫描振镜对准成形缸内的成形件；热成像仪模块置于成形腔的顶部；铣削模块置于成形腔内部，与成形腔相连。
进一步，通过热成像仪模块识别激光选区熔化成形过程中的温度场以及冷却后的表面粗糙度，若超出预设范围的异常温度区域与冷却后表面粗糙度超过设定第一阈值的区域重叠或者两者之间的距离小于第二阈值(2mm)，则判定该异常温度区域为出现孔隙缺陷的区域。
进一步，铣削模块包括机械手/XYZ三轴导轨，铣刀，通过机械手/XYZ三轴导轨将铣刀移动至孔隙缺陷所在区域。
进一步，铣削加工时，铣刀的下端面低于激光选区熔化成形面20-50微米。
基于上述装置的减少激光选区熔化成形件内部孔隙缺陷的方法，具体步骤为：
1)利用刮刀将送粉缸内的金属粉末刮至成形缸内并铺平，打开激光器，激光器发出的激光经扫描振镜后熔化目标区域；
2)利用热成像仪模块识别激光选区熔化过程中某一层的温度场，记录超出预设范围的异常温度区域；
3)关闭激光器，利用热成像仪模块识别冷却后表面粗糙度，若异常温度区域与冷却后表面粗糙度超过设定第一阈值的区域重叠或两者之间的距离小于设定第二阈值，则该异常温度区域为出现孔隙缺陷的区域；
4)利用路径规划软件规划出铣刀的铣削路径，将该层孔隙缺陷所在区域材料进行去除。
5)用刮刀再次铺粉，打开激光器，对步骤4)已铣削去除区域进行激光扫描熔化；
6)关闭激光器，返回步骤1)，直至打印出成形件。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：通过图形识别技术判定孔隙缺陷存在的位置，利用铣削技术在线去除孔隙缺陷，随后利用激光修复该区域，可对每一层出现的缺陷进行修复，具有提升金属增材制造零件力学性能和成形质量稳定性的有益效果。
附图说明
图1为基于图像识别和铣削技术减少激光选区熔化成形件内部孔隙缺陷装置示意图；
图2为基于图像识别和铣削技术减少激光选区熔化成形件内部孔隙缺陷装置的控制方法原理图；
图3为孔隙缺陷识别(A区域)、铣削(B区域)、再次铺粉及激光熔化(C区域)的示例；
其中，1-铣削模块，2-扫描振镜，3-激光器，4-热成像仪模块，5-成形件，6-刮刀，7-成形腔，8-成形缸，9-送粉缸。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明的技术方案作进一步阐述：
基于图像识别和铣削技术减少激光选区熔化成形件内部孔隙缺陷的装置，如图1所示，包括热成像仪模块、铣削模块以及扫描振镜、激光器、刮刀、成形腔、成形缸、送粉缸，成形缸、送粉缸分别设置在成型腔的底部，利用刮刀将送粉缸的金属粉末刮至成形缸内并铺平，激光器和扫描振镜相连，扫描振镜置于成形腔上，扫描振镜对准成形缸内的成形零件，热成像仪模块置于成形腔上部，铣削模块置于成形腔内部，与成形腔相连。
热成像仪模块可识别激光选区熔化成形过程的温度场以及冷却后的表面粗糙度，若超出预设范围的异常温度区域与冷却后表面粗糙度超过设定阈值的区域重叠或接近(两者距离小于2mm)，则可判定该异常温度区域为孔隙缺陷出现的区域。
铣削模块包括机械手(或XYZ三轴导轨)和铣刀，机械手(或XYZ三轴导轨)可将铣刀移动至孔隙缺陷所在区域。铣削加工时，铣刀下端面低于激光选区熔化成形面20-50微米。
如图2所示，上述装置的控制方法具体为：首先，在总控模块的控制下，装置执行常规SLM成形；其次，通过红外热像仪识别激光选区熔化成形过程的温度场以及冷却后的表面粗糙度；再次，经过数据分析系统的分析后，若存在孔隙缺陷出现的区域，则在总控模块的控制下，装置执行修复，以减少内部空隙缺陷。
基于上述装置的减少金属零件内部孔隙缺陷的方法，具体步骤为：
1)利用刮刀将送粉缸内的金属粉末刮至成形缸内并铺平，打开激光器，激光器发出的激光经扫描振镜后熔化目标区域；
2)利用热成像仪模块识别激光选区熔化过程中某一层的温度场，记录超出预设范围的异常温度区域；
3)关闭激光器，利用热成像仪模块识别冷却后表面粗糙度，若异常温度区域与冷却后表面粗糙度超过设定第一阈值的区域重叠或两者之间的距离小于设定第二阈值，则该异常温度区域为出现孔隙缺陷的区域；
4)利用路径规划软件规划出铣刀的铣削路径，将该层孔隙缺陷所在区域材料进行去除。
5)用刮刀再次铺粉，打开激光器，对步骤4)已铣削去除区域进行激光扫描熔化；
6)关闭激光器，返回步骤1)，直至打印出成形件。
实施例1：制造316L不锈钢零件
一种基于图像识别和铣削技术减少激光选区熔化成形件内部孔隙缺陷的方法，包括下列步骤：
步骤1，将热成像仪模块固定在成形腔上部，铣削模块固定在成形腔内部；
步骤2，利用刮刀将送粉缸的金属粉末刮至成形缸内并铺平；所用材料为316L不锈钢，粒径15-53微米，层厚为30微米；
步骤3，打开激光器开关，熔化目标区域，激光功率为180W，扫描速度为1m/s，搭接率为40％，利用热成像仪模块识别激光选区熔化过程中该层的温度异常区域；
步骤4，关闭激光器开关，利用热成像仪模块识别激光选区熔化过程冷却后表面粗糙度，若加工过程的温度异常区域与加工后表面粗糙度较大区域接近或重叠，判定成形件出现了孔隙缺陷；
步骤5，利用机器手(或XYZ三轴导轨)将铣刀移动至孔隙缺陷所在区域，铣削区域可适当扩大为较规则的矩形或圆形等(如图3所示，其中的B区域，C区域为再次铺粉及激光熔化区域)，铣削深度为打印层厚30微米；
步骤6，铣削完利用吸尘器将切削碎屑吸走，再上移送粉缸，利用刮刀铺粉，将已铣削区域填充金属粉末；
步骤7，打开激光器开关，熔化已铣削和铺粉区域；
步骤8，关闭激光器开关；
多次重复步骤2-8，最终打印出内部较少孔隙缺陷的成形件。
实施例2：制造Ti6Al4V零件
一种基于图像识别和铣削技术减少激光选区熔化成形件内部孔隙缺陷的方法，包括下列步骤：
步骤1，将热成像仪模块固定在成形腔上部，铣削模块固定在成形腔内部；
步骤2，利用刮刀将送粉缸的金属粉末刮至成形缸内并铺平；所用材料为Ti6Al4V钛合金，粒径15-53微米，层厚为30微米；
步骤3，打开激光器开关，熔化目标区域，激光功率为130W，扫描速度为1m/s，搭接率为40％，利用热成像仪模块识别激光选区熔化过程中该层的温度异常区域；
步骤4，关闭激光器开关，利用热成像仪模块识别激光选区熔化过程冷却后表面粗糙度，若加工过程的温度异常区域与加工后表面粗糙度较大区域接近或重叠，判定成形件出现了孔隙缺陷；
步骤5，利用机器手(或XYZ三轴导轨)将铣刀移动至孔隙缺陷所在区域，铣削区域可适当扩大为较规则的矩形或圆形等，铣削深度为打印层厚30微米；
步骤6，铣削完利用吸尘器将切削碎屑吸走，再上移送粉缸，利用刮刀铺粉，将已铣削区域填充金属粉末；
步骤7，打开激光器开关，熔化已铣削和铺粉区域；
步骤8，关闭激光器开关；
多次重复步骤2-8，最终打印出内部较少孔隙缺陷的成形件。
本发明首先利用热成像仪模块识别激光选区熔化过程中某一层温度异常和突变区域，结合该层冷却后的表面形貌，判断孔隙缺陷出现的位置与区域。随后利用路径规划软件规划出铣刀的铣削路径，将该层出现孔隙缺陷的区域材料进行去除。接着再用刮刀铺一次粉，已被铣削去除的区域可利用激光再次熔化。在激光选区熔化逐层累加的过程中，每一层均可快速寻找、修复孔隙缺陷，实现了每一层成形质量的稳定控制。本发明可以有效控制每一层的缺陷，最终减少激光选区熔化成形零件的孔隙缺陷，显著提升其力学性能。
应当指出，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也在本申请权利要求的保护范围内。
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