激光粉末床熔融增材制造过程中的熔池监测方法及装置
阅读说明：本技术 激光粉末床熔融增材制造过程中的熔池监测方法及装置 (Molten pool monitoring method and device in laser powder bed melting additive manufacturing process ) 是由 魏正英 李俊峰 薛凌峰 来旭辉 王材桦 于 2021-08-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种激光粉末床熔融增材制造过程中的熔池监测方法及装置,包括密封模块,密封模块设置在激光粉末床熔融机器的顶部,密封模块内部设置有监测模块,监测模块能够捕捉激光与粉床相互作用下形成的熔池图像；监测模块包括高速相机,高速相机设置在直线滑台上,高速相机和直线滑台分别与电源和控制模块连接,控制模块能够控制直线滑台的移动。本发明对熔池监测更加方便,能获得更加清晰的熔池,可靠性更高。(The invention discloses a molten pool monitoring method and device in a laser powder bed melting additive manufacturing process, which comprises a sealing module, wherein the sealing module is arranged at the top of a laser powder bed melting machine, and a monitoring module is arranged in the sealing module and can capture a molten pool image formed under the interaction of laser and a powder bed; the monitoring module comprises a high-speed camera, the high-speed camera is arranged on the linear sliding table, the high-speed camera and the linear sliding table are respectively connected with the power supply and the control module, and the control module can control the movement of the linear sliding table. The invention is more convenient to monitor the molten pool, can obtain clearer molten pool and has higher reliability.)
技术领域
本发明属于激光粉末床熔融成型技术领域，具体涉及一种激光粉末床熔融增材制造过程中的熔池监测方法及装置。
背景技术
激光粉末床熔融(Laser Powder Bed Fusion，LPBF)是增材制造技术的一种，该工艺相对成熟并且具有较高的成型精度，这也是增材制造领域研究的重点，这种技术已广泛用于航空航天，医疗，汽车和其他领域。但是，由于LPBF工艺是涉及热量和质量传递的非常复杂的工艺，因此在成形中会出现许多缺陷，例如球化，裂纹和孔隙，为了提高LPBF工艺的成形质量，可以采取在线监测的方法来抑制缺陷。
在LPBF过程中，将三维模型导入到Magics软件中并对该模型进行切片。送粉缸送出一定质量的粉末后，铺粉臂将一层粉末铺在基板上，然后激光选择性地扫描基板上的粉末，形成零件的一个截面。扫描完成后，基板会降低一层粉末的高度，并且铺粉臂会再次铺一层粉末。经过这样的一系列循环后实现了零件的逐层堆叠制造。
激光粉末床熔融成型中，观测激光与粉末的交互过程对零件成形至关重要，如果激光在粉床上打印每一个单道时能将熔池的大小与熔宽控制在稳定的范围就能形成质量比较好的一层，那么每一层都能对上一层的缺陷起到修复和纠正的作用，使整个制作过程向好的结果收敛。若无法观测LPBF过程中单道或多道打印的过程，则无法位后续的反馈控制提供数据源，导致成形件的质量未得到优化。因此，只要保证熔池监测方法及装置对每一个单道的质量控制，就可以获得较高的成形效果。
现有的熔池监测系统一般分为侧轴监测系统和同轴监测系统，由于克服不了LPBF机器的成形腔的可用空间较小和密封性的问题，国内外大部分的研究者采取的监测系统只能在成形腔外进行拍摄，不能监测到熔池和熔道的全貌，传统的监测方式既不能观测到清晰的熔道和熔池也无法准确表达激光与粉末的交互，从而导致采集的数据的误差变得非常大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种激光粉末床熔融增材制造过程中的熔池监测方法及装置，采用高速相机、长工作距离显微镜、辅助光源和滤光片实时捕捉熔道和熔池的动态变化，借助于数据处理和图像处理的算法统计处熔池的特征，从而实现为成形质量控制和工艺参数的反馈调控提供数据基础。
本发明采用以下技术方案：
激光粉末床熔融增材制造过程中的熔池监测装置，包括密封模块，密封模块设置在激光粉末床熔融机器的顶部，密封模块内部设置有监测模块，监测模块能够捕捉激光与粉床相互作用下形成的熔池图像；监测模块包括高速相机，高速相机设置在直线滑台上，高速相机和直线滑台分别与电源和控制模块连接，控制模块能够控制直线滑台的移动。
具体的，密封模块包括密封罩，密封罩的底部设置有端盖，端盖设置在激光粉床熔融机器的顶部。
进一步的，激光粉床熔融机器的顶部开有方孔，端盖设置在方孔内，并与激光粉床熔融机器密封连接。
具体的，高速相机通过支架与直线滑台连接。
具体的，高速相机的镜头处设置有显微镜，显微镜的镜头处设置有滤光片。
进一步的，滤光片的波长为808nm，设置在显微镜的内部。
进一步的，显微镜的镜头处还设置有辅助光源。
具体的，高速相机通过以太网接口和USB3.0接口与控制模块的计算机连接。
本发明的另一技术方案是，一种激光粉末床熔融增材制造过程中的熔池监测方法，利用激光粉末床熔融增材制造过程中的熔池监测装置，包括以下步骤：
S1、调节高速相机的分辨率、帧率和快门，采集不同扫描速度的熔池演化图像；
S2、对步骤S1采集的图像进行滤波以消除噪声，对图像进行图像增强处理，然后对图像进行阈值分割以获得二值图像；
S3、将步骤S2获得的二值图像输出为图片，根据设置快门的速率确定每一张图片所处的时间线，统计熔池区域的像素总个数后根据标定物的尺寸和像素个数确定出熔池的尺寸；
S4、根据步骤S3的熔池尺寸和熔池所处的时间，保存当前时刻熔池的特征，实现在线监测。
具体的，高速相机的全画幅分辨率为1024×1024pixels且单边分辨率不低于1000个像素点，百万像素下拍摄速度大于等于13500fps，最快快门速度大于等于1微秒。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明为一种激光粉末床熔融增材制造过程中的熔池监测装置，将高速相机通过相机支架装配在直线滑台上，高速相机可以近似垂直地观测成形平面，同时也可以实现密封环境中高速相机的远距离调焦；采用长工作距离显微镜、滤光片、辅助光源和高速相机所组成的模块可捕捉放大了10～30倍的高速移动的熔池，并在镜头处滤除了耦合的杂光；可以清晰的捕捉高速移动的微小熔池，为后续图像处理和反馈控制提供了数据基础；保证实时图像的实时传输，避免每次实验时需要频繁调整光源位置的问题，保证光源位置的一致性。
进一步的，密封模块能够对滑台和高速相机提供支撑，使高速相机近似以垂直的角度观测激光扫描的平面，并且能够能够实现对装置开口处的密封，使整个装置在洗气时处于密封的状态。
进一步的，在安装密封模块前需要将机器的顶部开设方孔，以便于安装高速相机和滑台。方孔处设有端盖，端盖的顶部安装了密封圈，以实现对整个装置的密封。
进一步的，高速相机通过支架与直线滑台进行连接，滑台可以通过支架间接地带动高速相机在垂直于基板的方向移动，支架的角度可以调节，调节的角度为2°至7°，以实现近似垂直角度的拍摄。
进一步的，在高速相机的镜头处设置的有长工作距离显微镜，显微镜的工作焦距约为80mm，最大的放大倍率为30倍，观测的视场约为1.4mm×1.4mm，激光粉末床熔融成形过程中熔池宽度的大小为100～300μm，采用上述装置以实现对微小熔池的放大。
进一步的，808nm窄带滤波片能使特定波长的光经过，让其他波长的光反射或者衰减。使用808nm滤波片可以从加工激光、照明激光和熔池光等光线中分离出熔池的光，以实现旁轴监测。
进一步的，在显微镜头处设置功率稳定的辅助光源，最大功率约为200W，整合后5～10cm处的光斑大小为2～3cm，能为高速相机拍摄实验提供稳定的照明，以获得清晰的熔池图像。
进一步的，USB3.0的接口的实际传输速度可达100MB/s，能保证高速相机所采集的图片快速地到达计算机，并保存在固态硬盘中用于后续的数据处理。
综上所述，本发明对熔池监测更加方便，能获得更加清晰的熔池，可靠性更高。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明实施的熔池监测方法及装置的结构示意图；
图2为本发明实施的熔池监测方法及装置的原理图；
图3为本发明实施的熔池监测方法及装置的光学方案示意图
图4为本发明实施的熔池监测方法及装置的控制流程图；
图5为本发明实施的熔池监测方法及装置在不同工艺参数下的捕捉图，其中，(a)为激光功率为300W，扫描速度为200mm/s时所捕捉的图像，(b)为激光功率为350W，扫描速度为200mm/s时所捕捉的图像。
其中：1.直线滑台；2.端盖；3.密封罩；4.支架；5.高速相机；6.辅助光源；7.显微镜；8.滤光片；9.电源；10.计算机；11.分光镜。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
请参阅图1和图2，本发明提供了一种激光粉末床熔融增材制造过程中的熔池监测装置，包括直线滑台1、端盖2、密封罩3、支架4、高速相机5、辅助光源6、显微镜7、滤光片8、电源9和计算机10。
熔池监测系统安装在LPBF机器上，高速相机5通过支架4安装在密封罩3内侧直线滑台1的滑块上，密封罩3的底部和端盖2通过螺纹连接在一起，直线滑台1的控制线路和高速相机10的控制线路与计算机10连接，计算机10通过电机控制程序控制直线滑台1的移动，间接带动高速相机5的移动，从而实现在密封环境下高速相机的远距离调焦，熔池监测系统连接完毕后，将其安装在LPBF机器的顶部，并且使用密封胶进行密封处理。
请参阅图2，熔池监测系统按功能划分包括监测模块、密封模块和控制模块，监测模块设置在密封模块内，分别与电源9和控制模块连接。
监测模块包括高速相机5、辅助光源6、显微镜7和滤光片8，其中，高速相机5采用NAC高速相机ACS-3，辅助光源6采用808nm的FC-30W，显微镜7采用长工作距离显微镜75X，滤光片8的波长为808±10nm，该系统设计时已将808nm的滤光片8安装在显微镜内，并且将辅助光源6的补光头通过夹紧机构固定在了显微镜7的镜头上，这些部分在以后的拍摄中不需要改变，然后通过以太网接口和USB3.0接口与计算机10建立通信；
控制模块包括计算机10上的电机驱动程序和Mlink软件，通过电机控制程序控制电机的正反转以调整焦距，借助于辅助光源6和滤光片8滤掉激光选区熔化成形时的杂光，以保证获得高质量的图像。通过Mlink软件控制分辨率、帧率和快门等高速相机5的参数，在高速相机5的AR工作模式下自动捕捉激光在粉床上打印的熔道。
密封模块包括密封罩3、端盖2和密封手套，用于线路密封和气密性的要求。
支架4与高速相机5之间采用一对规格为3/8～16*1～1/2(英制)的内六角螺丝进行连接，直线滑台1与支架4、端盖2和密封罩3之间采用M5*14或M5*20的螺丝进行连接，同时端盖2的顶部使用密封手套进行密封，端盖2的底部嵌入LPBF机器顶部所开的尺寸为158*253mm的方孔中，最后使用密封胶进行密封处理，经过现场装配和测试后，能保证系统正常工作。
请参阅图3，扫描激光的波长为1070nm，激光器发出的光经过振镜有选择地在基板上并且与粉末床相互作用形成了熔池，辅助光源6的波长808±10nm，左侧浅色光为辅助光源的光，右侧的浅色光为扫描激光，深色的光为熔池光、自然光、辅助光源的光和扫描激光的光耦合在一起的光。这些耦合的光通过808nm的滤光片后分离出了特定波长的光，然后被高速相机5的光学传感器捕捉，得到熔池和熔道的图像。
请参阅图4，本发明为一种激光粉末床熔融增材制造过程中的熔池监测方法，包括以下步骤：
S1、调节高速相机的分辨率、帧率和快门，采集不同扫描速度的熔池演化图像；
高速相机所采用的镜头为定焦镜头，工作焦距为80mm，通过计算机控制直线滑台的移动，间接地使高速相机到达工作焦距。
高速相机的全画幅分辨率为1024×1024pixels且单边分辨率不低于1000个像素点，百万像素下拍摄速度大于等于13500fps，最快快门速度大于等于1微秒。
控制软件中设置分辨率和帧率可以调整成像画幅的大小，以及采集图像的频率。LPBF激光的扫描速度一般为300～1000mm/s，熔池的大小一般为100～300μm，帧率的设置不低于10000帧，在相机内存允许的情况下尽量选择最大的分辨率，以保证获得清晰的画幅。调节快门的大小以调节曝光时间，为了抓拍快速移动的微小熔池，快门速度应该不慢于25μs，以保证画幅的亮度和相机的抓拍速度。
在LPBF机器的控制软件中设置激光功率和扫描速度后，使激光器发出的激光具有一定的能量密度，激光经过扫描振镜后根据预定的路径在粉床上进行扫描，从而形成了快速移动的微小熔池。
S2、对步骤S1采集的图像进行滤波以消除噪声，对图像进行图像增强处理，然后对图像进行阈值分割以获得二值图像；
S3、将步骤S2获得的二值图像输出为图片，根据设置快门的速率确定每一张图片所处的时间线，统计熔池区域的像素总个数后根据标定物的尺寸和像素个数确定出熔池的尺寸；
S4、根据步骤S3的熔池尺寸和熔池所处的时间，保存当前时刻熔池的特征，实现在线监测。
高速相机捕捉的图像需要满足以下几个条件：
(1)图片不能有虚化，一旦出现虚化则判定图像为不合格。
(2)在输出的图片中选取5个时间点(例如20us，120us，220us，320us，420us)，从每个时间点开始观测，如果从时间点开始的4倍快门时间内可明显观察到熔池区域灰度值的变化、熔池的振荡和粉末的流动，则判定图像合格。
(3)激光扫描时往往伴随着白暴，后期图像处理时如果白暴的面积大于熔池的面积则判定图像不合格。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图5，在采用不同工艺参数的条件下捕捉的图片(拍摄时(a)和(b)的帧率为3000fps，分辨率为1280×800)，采取的材料为纯钨粉末，通过捕捉的视频可观测到熔池的动态变化、粉末飞溅和粉末的流动行为；(a)激光功率：300W，扫描速度200mm/s，熔宽为238um(b)激光功率350W，扫描速度200mm/s，熔宽为254um。
综上所述，本发明为一种激光粉末床熔融增材制造过程中的熔池监测方法及装置，采取将长工作距离显微镜、滤光片、辅助光源和高速相机相结合的观测方法，实现按了对快速移动的微小熔池的在线监测。在安装方案中，使高速相机通过相机支架与直线滑台相连接，实现了密封环境下高速相机近似垂直的观测和远距离调焦。将采集的熔池形貌信息结合后期的图像处理方法和熔池特征计算，为成形质量的优化和工艺参数的选择提供了数据基础。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。