CN206794757U - 增材制造装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于增材制造领域，公开了一种增材制造装置，包括成形室，安装在成形室内部或外部的图像拍摄装置，安装在成形室内部或外部的电子成像装置，以及连接于所述图像拍摄装置和电子成像装置的控制装置，所述图像拍摄装置用于在预热和/或熔化阶段获取可见光图像和/或红外线图像，所述电子成像装置用于在预热和/或熔化阶段获取电子成像图像。本实用新型通过图像拍摄装置获取可见光图像和/或红外线图像，并通过电子成像装置获取电子成像图像，并单独或融合后与标准图像对比，能够根据对比结果判断是否存在缺陷，检测准确且不易造成误检或漏检，且避免了现有缺陷检测存在的缺陷检测滞后的问题。

Description

增材制造装置

技术领域

本实用新型涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种增材制造装置。

背景技术

增材制造(3D打印)是一种通过连续熔合一个以上薄层的材料来构建三维物体的制造技术。粉床式增材制造是增材制造技术路线的一种，其基本的工艺步骤如下：粉末供应与铺平系统将粉末材料在工作平台上铺展成薄层，高能量密度的射线束(激光或电子束)在粉末薄层上扫描三维物体的一个截面；之后，工作平台下降一个粉末薄层厚度的距离，在工作平台上铺一层新的粉末，射线扫描三维物体的下一个截面；重复以上步骤，直至该三维物体制造完成。

目前的粉床式增材制造设备大部分无检测缺陷的能力，利用多种检测手段得到打印截面信息，预测或检测成形过程的缺陷，用于指导成形过程工艺参数的调整，是增材制造发展的方向之一。

现有技术中提供了一种采用相机捕捉可见光图像或捕捉红外线图像，并通过连续多层对比，来确认缺陷的方法。该方法的局限在于，只能通过相机这种检测手段进行图像的捕捉，且需要经过前后多层的对比才能检测出缺陷，检测方法较为单一，导致需要进行多层成形才能确认缺陷，导致存在缺陷检测滞后的问题，同时同一检测方法获得的图像信息容易造成误检或漏检，从而导致不必要的工艺调整或甚至是成形的停止。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种增材制造装置，以解决现有增材制造过程中缺陷检测存在的缺陷检测滞后、获得的图像信息易造成误检或漏检的问题。

为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种增材制造装置，包括成形室，安装在成形室内部或外部的图像拍摄装置，安装在成形室内部或外部的电子成像装置，以及连接于所述图像拍摄装置和电子成像装置的控制装置，所述图像拍摄装置用于在预热和/或熔化阶段获取可见光图像和/或红外线图像，所述电子成像装置用于在预热和/或熔化阶段获取电子成像图像。

作为优选，所述图像拍摄装置为连接于所述控制装置的相机或者摄像头。

作为优选，所述图像拍摄装置为相机时，所述相机可通过更换滤光片拍摄可见光图像和红外线图像。

作为优选，所述电子成像装置包括电子采集装置以及连接于所述电子采集装置的信号处理装置，其中：

所述电子采集装置连接于所述控制装置，用于采集预热和/或熔化阶段产生的电子信号，并将所述电子信号发送至所述信号处理装置；

所述信号处理装置连接于所述控制装置，用于接收并处理所述电子采集装置发送的电子信号，并将处理结果发送至所述控制装置，由所述控制装置形成电子成像图像。

作为优选，所述电子成像装置为电子探头，所述电子探头连接于所述控制装置。

作为优选，还包括射线发生装置，所述射线发生装置安装在所述成形室内，用于产生电子束，并由所述电子束对粉末薄层进行预热和熔化。

本实用新型通过图像拍摄装置获取可见光图像和/或红外线图像，并通过电子成像装置获取电子成像图像，并单独或融合后与标准图像对比，能够根据对比结果判断是否存在缺陷，检测准确且不易造成误检或漏检，且避免了现有缺陷检测存在的缺陷检测滞后的问题。

而且可以根据缺陷及时调整工艺参数，减小缺陷的产生或对已产生的缺陷进行修复，增加了成形过程的良品率。

附图说明

图1是本实用新型增材制造缺装置的结构示意图；

图2是本实用新型增材制造装置的缺陷检测方法的流程图；

图3是本实用新型增材制造装置的缺陷检测方法中标准图像的示意图；

图4是本实用新型增材制造装置的缺陷检测方法中预热扫描后可见光图像和电子成像图像融合后的融合成像图像的示意图；

图5是本实用新型增材制造装置的缺陷检测方法中可见光图像和红外线图像融合后的融合成像图像的示意图；

图6是本实用新型增材制造装置的缺陷检测方法中电子成像图像得到的二次电子图像和背散射电子图像融合后的融合成像图像的示意图；

图7是本实用新型增材制造装置的缺陷检测方法中可见光图像、红外线图像以及电子成像图像融合后的融合成像图像的示意图。

图中：

1、成形室；2、料斗；3、粉末接收盒；4、铺粉平台；5、成形缸；6、活塞；7、刮刀；8、射线发生装置；9、图像拍摄装置；10、电子成像装置。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。

本实用新型提供一种增材制造装置，如图1所示，该增材制造装置包括成形室1、料斗2、粉末接收盒3、铺粉平台4、成形缸5、活塞6、刮刀7、射线发生装置8、图像拍摄装置9以及电子成像装置10，其中：

在成形室1内设置有两个料斗2，在料斗2内装有粉末材料，在两个料斗2下方设有粉末接收盒3，用于接收两个料斗2内的粉末。在粉末接收盒3的下方设有铺粉平台4，粉末接收盒3内的粉末材料被输送至铺粉平台4上。在铺粉平台4上设有成形缸5，该成形缸5中设有可上下运动的活塞6。在铺粉平台4上方设有可移动的刮刀7，该刮刀7至少具有水平方向的运动自由度，其能够将铺粉平台4上的粉末材料刮至成形缸5的活塞6上，形成粉末薄层。

本实施例中，上述两个料斗2内可以放入相同的粉末材料，也可以放入不同的粉末材料，并通过粉末接收盒3混合后，输送至铺粉平台4上。

在成形室1内设有射线发生装置8，其能够产生电子束，具体的，该电子束的加速电压为60kV，功率最大3kW。成形室1通过真空获得设备维持0.001-1Pa的压力。粉末材料可以是纯金属或金属合金，如钛合金、钛、铝合金、铝、钛铝合金、不锈钢、Co-Cr合金等，粉末粒径范围10-150微米。

在成形室1内部或外部设有图像拍摄装置9以及电子成像装置10，该图像拍摄装置9以及电子成像装置10均连接于控制装置(图中未示出)，该控制装置可以为计算机，上述图像拍摄装置9用于在预热和/或熔化阶段获取可见光图像和/或红外线图像，电子成像装置10用于在预热和/或熔化阶段获取电子成像图像。

具体的，上述图像拍摄装置9为连接于控制装置的相机或者摄像头，本实施例中优选的为相机，其可通过更换滤光片拍摄可见光图像和红外线图像。

上述电子成像装置10可以包括电子采集装置(图中未示出)以及连接于所述电子采集装置的信号处理装置(图中未示出)，其中电子采集装置连接于控制装置，用于采集预热和/或熔化阶段产生的电子信号，并将电子信号发送至所述信号处理装置，具体的电子信号在上述增材制造装置的缺陷检测方法中已经说明，不再赘述。上述信号处理装置连接于控制装置，用于接收并处理所述电子采集装置发送的电子信号，并将处理结果发送至控制装置，由控制装置形成电子成像图像。

本实施例中，上述电子成像装置10还可以是电子探头，该电子探头连接于控制装置，用于实现对电子信号的采集处理。

在进行三维物体的打印制造时，首先，将三维物体的模型存储在计算机中，模型在计算机中被分层，并得到每一层的加工信息。三维物体的制造在成形室1中进行，粉末接收盒3将两个料斗2内的粉末材料混合并输送至铺粉平台4上，刮刀7在成形缸5的活塞6上方将粉末材料铺展成层，之后通过射线发生装置8产生电子束对粉末薄层进行预热以及熔化，直至第一层粉末薄层完全熔化；第一层完成熔化后，粉末接收盒3再次向铺粉平台4上输送粉末材料，刮刀7在成形缸5的活塞6上方将粉末铺展成薄层，形成第二层粉末薄层，通过射线发生装置8产生电子束对粉末薄层进行预热以及熔化，直至第二层粉末薄层完全熔化……如此循环，通过连续加工两层以上的粉末薄层构建三维实体。

在上述预热和熔化过程中，可以通过图像拍摄装置9获取可见光图像和/或红外线图像，通过电子成像装置10获取电子成像图像，并通过上述可见光图像和红外线图像以及电子成像图像，并单独或融合后与标准图像对比，能够根据对比结果判断是否存在缺陷，检测准确且不易造成误检或漏检，且避免了现有缺陷检测存在的缺陷检测滞后的问题。

而且可以根据缺陷及时调整工艺参数，减小缺陷的产生或对已产生的缺陷进行修复，增加了成形过程的良品率。

本实用新型还提供上述增材制造装置的缺陷检测方法，如图2所示，该增材制造装置的缺陷检测方法包括以下步骤：

S10、至少在预热和/或熔化阶段，通过图像拍摄装置获取可见光图像和/或红外线图像，并通过电子成像装置获取电子成像图像。

即粉末材料在增材制造装置的成形缸上铺成粉末薄层后，通过电子束对该粉末薄层进行预热以及熔化。

在预热阶段中，在电子束对该粉末薄层开始预热扫描过程中，电子束与粉末作用后会产生二次电子、俄歇电子、特征X射线和连续谱X射线、背散射电子、透射电子等电子信号，通过电子成像装置能够采集上述电子信号，得到上述各电子信号所对应的电子成像图像。

本实施例中，上述预热阶段中电子束会对粉末薄层进行多次预热扫描，因此电子成像装置可连续采集或采集预热结束时的最后一次预热扫描的电子信号，以得到电子成像图像。通过上述电子成像图像，能够获得当前粉末薄层的成形信息，例如通过二次电子图像所得的电子成像图像能够获得当前粉末薄层的形貌信息，通过背散射电子图像所得的电子成像图像能够获得当前粉末薄层的成分信息。以此类推，上述各电子信号所对应的电子成像图像能够获得当前粉末薄层的相应信息。

在上述电子束对该粉末薄层预热扫描一次结束时，可通过图像拍摄装置拍摄获取可见光图像以及红外线图像，具体的，上述图像拍摄装置可以是相机或者摄像头，本实施例中选用相机，且该相机可通过更换滤光片的方式来获取可见光图像和红外线图像。本实施例中，通过上述可见光图像能够获得当前粉末薄层的形貌信息，通过红外线图像能够获得当前粉末薄层的热量分布信息。

本实施例在增材制造过程中，还可以产生电子-空穴对、晶格振动(声子)、电子振荡(等离子体)等多种信号，这些信号都可以用于图像拍摄装置或电子成像装置成像，以用于对成形缺陷的检测。

在熔化阶段中，电子束对粉末薄层进行熔化，同时上述电子成像装置采集上述各电子信号，得到上述各电子信号所对应的电子成像图像。在熔化完成时，电子成像装置采集结束，此时图像拍摄装置开始拍摄获取可见光图像以及红外线图像。

本实施例中，还可以在其他阶段进行上述可见光图像、红外线图像以及电子成像图像的获取，以获得其他阶段粉末薄层的成形信息。

S20、将可见光图像和/或红外线图像与电子成像图像单独或融合后与标准图像进行对比，在存在差异时，确定预热和/或熔化阶段存在缺陷。

即：在步骤S10获得上述可见光图像、红外线图像以及电子成像图像后，可以将可见光图像、红外线图像以及电子成像图像和与之相应的标准图像进行对比，其中上述可见光图像以及红外线图像所对应的标准图像为通过三维物体模型的切片数据生成的标准界面形状图像，上述电子成像图像所对应的标准图像为通过数值模拟软件得到的能量分布图像以及成分分布图像。

也可以将可见光图像、红外线图像以及电子成像图像三者中的至少两个融合形成融合成像图像，将融合成像图像和与之对应的标准图像进行对比，此时标准图像为标准界面形状图像、能量分布图像以及成分分布图像融合后形成的图像。

在将上述可见光图像、红外线图像、电子成像图像以及至少两个的融合成像图像中的至少一个和与之对应的标准图像对比后，即可判断预热阶段或熔化阶段是否存在缺陷。具体的，在对比时，如果可见光图像、红外线图像、电子成像图像以及至少两个的融合成像图像和与之对应的标准图像之间存在差异，则代表着在预热阶段或者熔化阶段存在缺陷。

本实施例中，也可以通过上述将上述可见光图像、红外线图像、电子成像图像以及至少两个的融合成像图像分别和与之对应的标准图像对比，随后可根据多个对比中出现的差异来精确确定预热阶段或者熔化阶段存在缺陷。例如，通过可见光图像和与之对应的标准图像对比后，会存在形貌差异，此时电子成像图像和与之对应的标准图像对比后，也显示存在形貌差异，则可以确定在预热阶段或者熔化阶段必然存在形貌缺陷。

需要指出的是，上述存在的差异超过设定差异时，此时说明在预热阶段或者熔化阶段存在缺陷。而上述存在的差异未超过设定差异时，则说明在预热阶段或者熔化阶段没有存在缺陷。

通常增材制造过程中出现的缺陷类型包括但不限于以下几种：粉末薄层铺展不均匀或缺少粉末，粉末薄层熔化后形貌起伏造成的凹陷、凸起，熔化区域扩展或不足造成的熔化截面形状变化，局部温度过热或温度太低造成的材料烧蚀、未熔粉末、材料成分变化等。而产生上述缺陷的原因一般有但不限于：粉末材料的铺展、粉末颗粒的性质、粉末成分、电子束的功率、束流大小、扫描速度，束斑形状大小等因素。

本步骤中，上述可见光图像、红外线图像以及电子成像图像的获取并非固定在某一步骤，而是可以根据需求调整，例如，如果只检查轮廓缺陷，则可以在熔化当前层粉末薄层的轮廓之后，熔化轮廓内部区域之前增加检测过程；如果粉末铺设无需检查，则可省去粉末铺设缺陷的检测过程等。

S30、在预热和/或熔化阶段存在缺陷时，确定缺陷的类型以及缺陷的严重程度，并根据缺陷的类型和/或缺陷的严重程度判断是否能够继续增材制造。

当确定在预热阶段或者熔化阶段存在缺陷时，此时需要对缺陷的具体类型以及严重程度加以确定，通过可见光图像、红外线图像、电子成像图像所获得的成形信息，即可获得上述缺陷的类型，其中有些缺陷的类型会影响整个增材制造过程，因此需要停止增材制造。而有些缺陷的类型不会影响整个增材制造过程，此时可以继续增材制造。

同时也可以根据缺陷的严重程度判断是否能够继续增材制造，当缺陷的严重程度超出预设程度时，不能够继续增材制造，缺陷的严重程度未超出预设程度时，能够继续增材制造。上述预设程度是多次增材制造试验中获得的可继续增材制造的最大缺陷程度。

本实施例中，可以理解的是，还可以将缺陷的类型以及缺陷的严重程度相结合来确定是否能够继续增材制造。

S40、在能够继续增材制造时，调整预热和/或熔化阶段中当前次或下次的工艺参数，以减小或修复所述缺陷。

在本步骤S30中，在获得上述缺陷的类型的同时，还可以获得缺陷的位置，当能够继续增材制造时，能够根据上述缺陷的类型以及缺陷的位置，来调整预热阶段或熔化阶段中当前次或下次的工艺参数，来减小或者修复上述缺陷。例如：在发现粉末铺设不足则下一次铺设份粉末薄层时相应增加粉末输送量，保证粉末薄层铺设均匀；如在热量集中位置的缺陷区域减小相应的热量输入或加快扫描速度，减小形貌起伏或成分烧蚀；如在熔化不足的缺陷区域增加热量输入等工艺调整方法，来保证稳定成形同时减小甚至修复缺陷。

本实施例中，通过上述步骤S10-S40，能够有效地且精确的检测增材制造过程中存在的缺陷，且能够对该缺陷进行减小甚至修复，检测准确且不易造成误检或漏检，且避免了现有缺陷检测存在的缺陷检测滞后的问题。

下面举例说明上述检测过程，具体如下：

例1：可参照图3，图3是上述的标准图像的示意图，此时其显示的是当前未加工的粉末薄层的对照图像或未刮粉前的可见光图像。图4是在预热扫描后获得的可见光图像和电子成像图像融合后的融合成像图像，从图4中可以看出，由于粉末薄层铺设不均匀，会导致右下侧方并无粉末覆盖或粉末覆盖较少，则可见光图像可识别出两个区域，一部分粉末较厚粉层，一部分较薄粉层，但不一定可以识别出已打印区域，由电子成像装置则可以识别出已打印区域，将可见光图像与电子成像图像融合，则可以得到清晰的粉层分布和已打印区域的图像，然后与图3进行对比，则可以很明显的发现铺粉缺陷，随后即可根据发现的铺粉缺陷进行参数调整，在下层粉末薄层预热扫描时，上述铺粉缺陷则会被减小或者修复。

例2：在该举例中，图5是可见光图像和红外线图像融合后的融合成像图像的示意图，其含有形貌和热量分布信息；图6是电子成像图像得到的二次电子图像和背散射电子图像融合后的融合成像图像的示意图，其含有形貌和成分分布信息；图7是可见光图像、红外线图像以及电子成像图像融合后的融合成像图像的示意图，其包含了形貌、热量分布、成分分布等多种信息。可以将图5和图6分别与图2对比，此时图5中显示存在有形貌缺陷B，图6中也显示有形貌缺陷B，则可精确判断当前粉末薄层存在形貌缺陷。

还例如在图6中显示有成分缺陷A，图4中该区域热量分布集中(图中加黑区域，即图4所示端部以及弧形位置处)，则可以判断存当前前粉末薄层存在成分缺陷。此时若可以判断该位置也存在形貌缺陷，则可肯定该位置出现缺陷，其出现的原因可能为热量集中造成成分烧蚀导致的形貌起伏。

本实施例还可以直接通过图7与图3对比，确定上述形貌缺陷A以及成分缺陷B。

在确定存在上述形貌缺陷A以及成分缺陷B后，可以改变粉末输送量以及在热量集中位置的缺陷区域减小相应的热量输入或加快扫描速度，来减小或修复形貌缺陷A；在当前层或者下一层增材制造中进行增加或减小热量来减小或修复成分缺陷B。

需要说明的是，在本实施例中，还可以对比多次获得的可见光图像和/或红外线图像以及电子成像图像，判断存在的缺陷是否减小或修复，辅助缺陷检测判断过程。

本实施例中，在每层粉末薄层的增材制造过程中，获得的上述可见光图像、红外线图像以及电子成像图像也可以不调整预热阶段或熔化阶段中当前次或下次的工艺参数，可以在整个增材制造过程结束后，对三维实体的制造过程进行整体分析，以待下一次进行增材制造时直接进行工艺调整。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为了清楚说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种增材制造装置，其特征在于，包括成形室，安装在成形室内部或外部的图像拍摄装置，安装在成形室内部或外部的电子成像装置，以及连接于所述图像拍摄装置和电子成像装置的控制装置，所述图像拍摄装置用于在预热和/或熔化阶段获取可见光图像和/或红外线图像，所述电子成像装置用于在预热和/或熔化阶段获取电子成像图像。

2.根据权利要求1所述的增材制造装置，其特征在于，所述图像拍摄装置为连接于所述控制装置的相机或者摄像头。

3.根据权利要求2所述的增材制造装置，其特征在于，所述图像拍摄装置为相机时，所述相机可通过更换滤光片拍摄可见光图像和红外线图像。

4.根据权利要求1所述的增材制造装置，其特征在于，所述电子成像装置包括电子采集装置以及连接于所述电子采集装置的信号处理装置，其中：

所述电子采集装置连接于所述控制装置，用于采集预热和/或熔化阶段产生的电子信号，并将所述电子信号发送至所述信号处理装置；

所述信号处理装置连接于所述控制装置，用于接收并处理所述电子采集装置发送的电子信号，并将处理结果发送至所述控制装置，由所述控制装置形成电子成像图像。

5.根据权利要求1所述的增材制造装置，其特征在于，所述电子成像装置为电子探头，所述电子探头连接于所述控制装置。

6.根据权利要求1所述的增材制造装置，其特征在于，还包括射线发生装置，所述射线发生装置安装在所述成形室内，用于产生电子束，并由所述电子束对粉末薄层进行预热和熔化。