[发明专利]在增材制造过程中实时监控零件形状的方法

说明书

本发明提供了一种在增材制造过程中实时监控零件形状的方法，其包括步骤：提供打印零件的加工区域；在加工区域外部设置三维激光扫描处理系统，包括激光扫描仪、数据处理器、计算机；在加工平台的上表面、防护罩的内侧面上布置反光标记物；逐层打印零件，激光扫描仪实时对已打印零件的各个表面进行扫描并获得已打印零件的各个表面的点云数据以及各反光标记物的空间位置信息；数据处理器对点云数据进行数据处理并在计算机中实时呈现出已打印零件的三维实体模型；观察并分析已打印零件的三维实体模型的当前形状。从而可获得已打印零件的当前形状的变形情况，因此可以用于指导在后续加工过程中如何调整工艺参数，有助于提高零件的尺寸精度。

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种在增材制造过程中实时监控零件形状的方法。

背景技术

增材制造技术作为战略性新兴产业，各国均高度重视并积极推广该技术。当前金属增材制造技术主要用于传统方法难以制备的大型复杂零件。增材制造的原理是在计算机中将预设的三维模型分成若干层，通过3D打印设备在一个平面上按照分层的三维模型，将塑料、金属等材料烧结或者黏合在一起，然后再一层一层的叠加起来，通过每一层不同的图形的累积，最后形成一个三维物体。

然而在实际的增材制造加工过程中，通过增材制造直接成形的零件的尺寸形貌很难和预设的三维模型保持一致，两者之间存在较大的偏差。最终成形零件的形状和预先设计的三维模型之间的偏差由两部分组成：一是在加工过程中由于多个工艺参数耦合不匹配造成的零件长度、高度、宽度方向的加工误差；二是由于已成形零件在后续增材过程中剧烈的、循环加热/冷却条件下导致的零件内产生分布及演化极其复杂的内应力，当内应力超过材料的屈服强度时，会造成零件不可恢复的塑性变形。以上两个因素共同影响零件的尺寸精度并会使成形零件发生翘曲，甚至在内应力作用下出现开裂现象，最终导致成形零件无法使用。

为了尽可能减小成形零件与预设的三维模型之间的偏差，避免后续机加工及热矫正变形等措施，在增材制造过程中进行实时监控是解决该问题的有效措施，通过实时监控，当出现形状偏差或者前兆情况时，可以及时调整工艺参数。另外，增材制造不同部位、高度时，工艺参数也应该做适当的调整。然而，在成形过程中的实时监控方法目前还比较缺乏，主要有以下两种：(1)普遍采用热电偶在加工过程中实时监测成形过程中的温度场；(2)在增材制造过程中对基板的变形进行实时测量，其采用激光位移传感器并结合自主设计的装置测量悬臂约束下基板在实际增材过程中背面若干点的位移，从而反应基板在整个过程的翘曲变形情况。

然而，由于随着加工的进行，熔池不断远离测温点，导致温度监控不准确。而采用位移传感器只能针对某个方向上的有限点进行动态实时变形测量。特别是当前所有实时变形测量方法只能测量基板的变形情况。因此，到目前为止，在增材制造过程中并未有针对零件变形的实时测量及在线监控方法。

发明内容

鉴于背景技术中存在的问题，本发明的一个目的在于提供一种在增材制造过程中实时监控零件形状的方法，其能在增材制造过程中直接、实时获得已打印零件的形状，有助于指导在后续加工过程中如何调整工艺参数。

本发明的另一个目的在于提供一种在增材制造过程中实时监控零件形状的方法，其能基于在增材制造过程中实时获得的已打印零件的形状给出当前已打印零件形状的具体形状偏差值，有助于快速调整工艺参数，从而减小了在后续加工过程中零件的形状偏差，提高了零件的尺寸精度。