[發(fā)明專利]一種選擇性激光熔融3D打印機的熔池溫度檢測系統(tǒng)及方法

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• 申請日: 2020-03-18
• 公開（公告）號: CN111375765A
• 公開（公告）日: 2020-07-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉京南;陳從顏;李宇;袁景光
• 申請（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號: B22F3/105
• 分類號: B22F3/105;G01J3/42;G01K11/20;B33Y50/02;B33Y30/00
• 代理公司: 南京蘇高專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

本發(fā)明公開了一種選擇性激光熔融3D打印機的熔池溫度檢測系統(tǒng)及方法，在不改變SLM 3D打印機原有設(shè)備結(jié)構(gòu)和光路系統(tǒng)的情況下，僅通過在同軸分光鏡的接口處加裝窄帶濾光片及光電檢測電路和數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)模塊來獲取加工過程中的熔池光電信息、并通過對該信息的采集、運算及處理實現(xiàn)對熔池溫度的實時閉環(huán)控制。本發(fā)明獲得更高的打印質(zhì)量及效率，進一步拓寬了SLM 3D打印技術(shù)的應(yīng)用范圍，檢測速度快、控制效果好、與原設(shè)備兼容性強、應(yīng)用實施的性價比高。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于熔池溫度檢測及控制領(lǐng)域，尤其涉及一種選擇性激光熔融3D打印機的熔池溫度檢測系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)

選擇性激光熔融技術(shù)(Selective Laser Melting，SLM)是利用金屬粉末在激光束的熱作用下完全熔化、經(jīng)冷卻凝固而成型的一種技術(shù)。作為3D打印技術(shù)的一種，SLM技術(shù)能根據(jù)3D模型直接制成終端金屬產(chǎn)品，適合各種復(fù)雜形狀的工件，具有與傳統(tǒng)工藝相當(dāng)?shù)牧己玫牧W(xué)性能。

但由于SLM3D打印技術(shù)屬于增材制造技術(shù)范疇，在制造過程中工件的整體成型是通過逐層鋪設(shè)金屬材料粉末、逐層激光掃描熔融的疊層加工方式來完成的，而增材制造工件的顯微結(jié)構(gòu)屬性由材料的熱演化過程來決定，“熔池”是構(gòu)成這一過程的最小單元，因此融池溫度的在線檢測及實時控制是進一步提升SLM技術(shù)加工質(zhì)量的關(guān)鍵要素。

目前國內(nèi)尚無通過檢測金屬熔池在熔融狀態(tài)下的特征光譜，來改善選擇性激光熔融3D打印質(zhì)量的技術(shù)方案，本發(fā)明即針對這一點提出。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是提供一種選擇性激光熔融3D打印機的熔池溫度檢測系統(tǒng)及方法，能夠在線檢測熔池的特征光譜，實時控制熔池溫度，從而為3D打印的工藝過程控制及質(zhì)量提升提供技術(shù)支持方案。

技術(shù)方案：本發(fā)明所述的一種選擇性激光熔融3D打印機的熔池溫度檢測系統(tǒng)，包括激光發(fā)射器、擴束鏡、振鏡、場鏡、同軸分光鏡、3D打印工控機、通信模塊和打印工作臺，窄帶濾光片、光電檢測電路模塊和數(shù)據(jù)采集與處理模塊；其中，窄帶濾光片連接同軸分光鏡，鎖定待打印金屬的特征光譜，通過光電檢測電路對該波長的金屬熔池輻射光進行檢測，并通過數(shù)據(jù)采集與處理模塊將數(shù)字電壓信號傳輸至3D打印工控機；其中，光電檢測電路模塊包括光電檢測管和放大電路模塊。

進一步地，所述放大電路模塊設(shè)計如下：

選取A₁、A₂兩個具有參數(shù)互補特點的運算放大器，其中A₁為高速器件，A₂為低噪聲器件；輸入信號中的低頻分量經(jīng)A₂通道傳送至輸出端，使得整個電路的失調(diào)、漂移等主要取決于A₂的器件參數(shù)；輸入信號中的高頻分量則主要經(jīng)A₁通道放大，使整個電路的高頻響應(yīng)主要取決于A₁的器件參數(shù)，且將A₁輸入端的失調(diào)電壓、失調(diào)電流及其溫度漂移的影響置于A₂的負(fù)反饋環(huán)路中，使其得到有效抑制。

進一步地，所述放大電路模塊的輸入端直接聯(lián)接光電檢測管光電管檢測輻射光譜的電流信號。

進一步地，所述窄帶濾光片的帶寬為以特征線譜為中心波長的±5nm范圍內(nèi)。

本發(fā)明還提供一種選擇性激光熔融3D打印機的熔池溫度檢測方法，具體包括以下步驟：

(1)激光發(fā)射器發(fā)射的激光首先通過擴束鏡進行擴束，然后經(jīng)振鏡調(diào)整激光的入射方向，經(jīng)場鏡匯聚至打印工作臺，對金屬粉末進行熔融，產(chǎn)生的金屬熔池輻射光與反射的激光通過振鏡系統(tǒng)原路返回至激光入射點，通過同軸分光鏡將激光與金屬熔池輻射光分離，得到單獨的金屬熔池輻射光；

(2)依據(jù)所打印金屬的特征光譜特性，選擇合適波長的窄帶濾光片鎖定該特征光譜，通過光電檢測電路對該波長的金屬熔池輻射光進行檢測；