[实用新型]一种激光选区熔化加工过程同轴监测装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及激光选区熔化实时监控，尤其涉及一种激光选区熔化加工过程同轴监测装置。

背景技术

激光选区熔化(Selective Laser Melting，SLM)技术是一种能直接成型高致密、高精属零件的3D打印技术，其工作原理为激光束选择性地熔化各层的金属粉末材料，逐步堆叠成三维金属零件。激光束开始扫描前，铺粉装置先把金属粉末平推到加工室的基板上，然后激光束将按当前层的轮廓信息选择性地熔化基板上的粉末，加工出当前层的轮廓,如此层层加工,直到整个零件成型完毕。

在整个激光选区熔化成型过程中，零件的成型质量受到扫描速度、扫描间距、加工层厚、扫描路径、光斑补偿、激光功率与密度等多重因素的影响。因此，在如此复杂的工艺下，要想获得高质量的成型件，必须对激光选区熔化成型过程中的一系列关键参数进行监控。质量保证和过程监控便成为3D打印技术从模型加工水平提升到一流车间制造水平的必要手段。激光选区熔化的熔池包含有丰富的质量信息,直接决定了零件的成型质量，因此对熔池进行质量监控，着重于熔池形态、熔池亮度等特征。质量监控解决的主要问题是3D打印设备或激光与材料的相互作用所具有的多变性，因为后者会反过来扰乱金属的微观结构或宏观力学性能。

20世纪80年代末以来，研究人员针对侧向送粉激光熔覆的熔池进行了 检测，采用侧向安装的单个光电二极管将整个熔池的辐射光强转化为电压信号来检测熔池；也有的国内学者采用侧装的双色波长红外测温计，对侧向送粉整个熔池的温度进行了检测。这类传统的轴外检验有一个较低的分辨率和检出率，且无法将熔池描述的更精细。

鉴于现有技术存在的不足，本实用新型提出一种在激光选区熔化过程中结合高速摄像机和光电二极管的同轴监测方法，逐层监控3D金属的熔融过程。同轴实时监控装置基于在同一平面上分布的高速摄像机和光电二极管两个探测器，二者与激光器共用同一套光学系统，通过激光光学与精确定位实现同轴监测，这种方式有利于获得高的局部分辨率和快速扫描率。

发明内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，本实用新型提出一种激光选区熔化加工过程同轴监测装置，即在激光选区熔化过程中结合高速摄像机和光电二极管的同轴监测，逐层监控3D金属的熔融过程。本实用新型同轴监测是基于在同一平面上分布的高速摄像机和光电二极管两个探测器，二者与激光器共用同一套光学系统，通过激光光学与精确定位实现同轴监测，这种方式有利于获得高的局部分辨率和快速扫描率。

本实用新型通过下述技术方案实现：

一种激光选区熔化加工过程同轴监测装置，包括光路模块1、光电二极管模块5、二极管控制器6、激光头2、COMS高速摄像机3、摄像机控制器4、计算机7；

所述光电二极管模块5包括聚焦透镜9和光电二极管8；光电二极管8通过二极管控制器6电讯连接计算机7；COMS高速摄像机3通过摄像机控制器4电讯连接计算机7；

所述光路模块1包括扫描振镜11、半透半反镜12、第一滤光片13、第二滤光片14、分束镜15；所述扫描振镜11、半透半反镜12、分束镜15、第二滤光片14、聚焦透镜9、光电二极管8依次光路连接；COMS高速摄像机3通过第一滤光片13与分束镜15光路连接；激光头2与半透半反镜12光路连接。

所述摄像机控制器4包括图像采集模块41、图像转换模块42、图像滤波模块43、阈值分割模块44、数据传输模块45；

图像采集模块41，用于控制所述COMS高速摄像机3采集熔池的实时图像数据，并保存于内存中；

图像转换模块42，将反馈至COMS高速摄像机3的彩色图像显示成灰度图像，并建立其坐标系；

图像滤波模块43，利用中值滤波器模板对灰度图像进行滤波以平滑图像、去除噪音；

阈值分割模块44，利用灰度直方图，选取直方图的阈值作为最小值，根据阈值对图像进行二值化处理，分割为熔池像素点和非熔池像素点；

数据传输模块45，将处理得到的图像输出至计算机7并保存。

所述二极管控制器6光采集模块61、程控放大器62、低通滤波器63、AD采集卡64、数据传输模块65；

光采集模块61，用于控制光电二极管8采集熔池的可见光信号；

程控放大器62，程控放大器62根据输入信号的大小，自动改变其增益，使其输出电压始终保持在满量程值的范围之内；

低通滤波器63，由于输出信号中含有高频噪声，利用低通滤波器63抑制高频噪声；