選區(qū)激光熔化技術(shù)是一種先進(jìn)的數(shù)字化制造技術(shù),其利用激光束按照已規(guī)劃的路徑,作用于金屬粉末,使粉末熔化后凝固成形。目前,選區(qū)激光熔化技術(shù)已應(yīng)用于航天、醫(yī)學(xué)、軍工、模具等多個(gè)領(lǐng)域。由選區(qū)激光熔化技術(shù)的成形過(guò)程可知,每一個(gè)成形實(shí)體都是由微小的激光作用單元熔池堆疊而成,熔池將直接影響到成形質(zhì)量的好壞。因此,對(duì)選區(qū)激光熔化過(guò)程中的熔池進(jìn)行監(jiān)控具有重要意義。本文采用Lumasense近紅外熱像儀,對(duì)成形過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè),實(shí)時(shí)跟蹤熔池位置并獲取紅外圖像。采用Ti-6Al-4V粉末打印40個(gè)單層熔覆道,用紅外熱像儀的不同測(cè)溫區(qū)間記錄打印過(guò)程,并對(duì)獲取的紅外圖像預(yù)處理。結(jié)合理論分析得出熔池溫度梯度分布特點(diǎn),確定了紅外圖像中的熔池邊界,提取熔池,計(jì)算出熔池寬度。之后,建立紅外圖像中熔池寬度與實(shí)際成形熔覆道寬度的對(duì)應(yīng)關(guān)系,在新的實(shí)驗(yàn)組上進(jìn)行驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)從紅外圖像中提取出的熔池經(jīng)過(guò)映射關(guān)系得出的熔覆道寬度與實(shí)測(cè)熔覆道寬度相對(duì)誤差為5%左右,表明熔池提取方法的可靠性。通過(guò)對(duì)熔池提取的研究,表明紅外圖像中蘊(yùn)含著熔池豐富的特征信息。實(shí)際成形過(guò)程中,由于激光的快速作用,在短時(shí)間內(nèi)可以捕捉到大量的熔池信息;為了高效地處理熔池... 

【文章來(lái)源】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院)重慶市

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【學(xué)位級(jí)別】：碩士

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(a)EBM設(shè)備，(b)成形樣品Figure1.1(a)EBMequipment,(b)Formedsamplesof3Dprinting.

第2章選區(qū)激光熔化設(shè)備及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)11第2章選區(qū)激光熔化設(shè)備及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)本課題基于選區(qū)激光熔化設(shè)備搭建紅外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)控激光掃描過(guò)程中的熔池形態(tài)，獲取紅外圖像并進(jìn)行熔池特征提取，利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)對(duì)不同工藝參數(shù)下的熔覆道尺寸進(jìn)行預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)選區(qū)激光熔化過(guò)程的在線監(jiān)控。本章詳細(xì)介紹實(shí)驗(yàn)設(shè)備、原材料及紅外成像系統(tǒng)。2.1選區(qū)激光熔化設(shè)備簡(jiǎn)介2.1.1總體介紹選區(qū)激光熔化設(shè)備為課題組自主研發(fā)，如圖2.1所示，主要由光源系統(tǒng)、激光掃描系統(tǒng)、氣氛控制系統(tǒng)、鋪粉裝置、軟件控制系統(tǒng)、熔池檢測(cè)系統(tǒng)等組成。圖2.1選區(qū)激光熔化設(shè)備Figure2.1Selectivelasermeltingequipment.在激光掃描系統(tǒng)中，光源為波長(zhǎng)1070nm，最大功率500W的近紅外光纖激光器，光斑直徑為92μm。激光經(jīng)由反射鏡、擴(kuò)束鏡、動(dòng)態(tài)聚焦透鏡進(jìn)入振鏡系統(tǒng)，作用于成形平臺(tái)的指定區(qū)域。通過(guò)控制激光功率、掃描時(shí)間與路徑，實(shí)現(xiàn)不同需求的具體零件制造，搭建的光路系統(tǒng)如圖2.2所示。

選區(qū)激光熔化中熔池紅外圖像處理及其應(yīng)用研究12圖2.2光路系統(tǒng)Figure2.2Opticalsystem.成形腔是激光選區(qū)熔化設(shè)備必不可少的部件，裝備的最大成形高度（z方向）為250mm，面積（即xy方向）為250mm×250mm。粉末系統(tǒng)中，料斗中的粉末經(jīng)過(guò)漏粉裝置進(jìn)行粉末傳輸，準(zhǔn)確控制輸送到打印平臺(tái)上的粉末量，與刮板裝置配合將粉末均勻鋪設(shè)在平臺(tái)上，以滿足不同粒徑材料、不同鋪粉厚度的要求。選區(qū)激光熔化中的零件制造是通過(guò)逐層累加的方式進(jìn)行，即在高度方向上（z方向）通過(guò)平臺(tái)的升降實(shí)現(xiàn)。在升降系統(tǒng)中，升降機(jī)構(gòu)的承載強(qiáng)度需考慮到不同材料最大打印尺寸的重量，運(yùn)動(dòng)精度也會(huì)影響鋪粉厚度控制及成形件的成形精度。粉末成形過(guò)程中，需要嚴(yán)格控制成形腔內(nèi)的含氧量，通過(guò)氛圍系統(tǒng)（包括真空泵、壓力傳感器、電磁閥、流量計(jì)、鼓風(fēng)機(jī)等）降低氧濃度到指定目標(biāo)值，并將保護(hù)氣體氬氣充入成形腔，直至腔體壓力與外界大氣壓基本平衡。此外，電氣控制系統(tǒng)對(duì)各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行流程控制，軟件控制系統(tǒng)主要有運(yùn)動(dòng)控制模塊、掃描控制模塊、氛圍系統(tǒng)模塊、打印參數(shù)顯示模塊。其中運(yùn)動(dòng)控制模塊主要實(shí)現(xiàn)粉末系統(tǒng)、升降系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制，掃描控制模塊主要對(duì)振鏡、激光器進(jìn)行控制。2.1.2光路系統(tǒng)選區(qū)激光熔化利用相機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)成形過(guò)程時(shí)，相機(jī)的安裝方式主要有同軸（拉格朗日參考系）安裝和離軸（歐拉參考系）安裝，如圖2.3所示。其中，離軸安裝將相機(jī)固定在設(shè)備外中的某個(gè)位置，并根據(jù)相應(yīng)需求調(diào)節(jié)成像角度，能夠進(jìn)行視場(chǎng)范圍內(nèi)的全局觀測(cè)，對(duì)視場(chǎng)內(nèi)的熔融行為理解更為直觀。Grassoetal.在鏡頭前加上顯微鏡頭，觀測(cè)精度更高[51]。通常制造過(guò)程涉及區(qū)域超出了相機(jī)的視


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