一种应用OCT技术的增材制造方法
技术领域
本发明设计一种3D打印(增材制造)方法，具体是一种应用OCT技术实现增材制造的方法。
背景技术
SLM:Selective laser melting(选择性激光熔融),是工程塑料、陶瓷、金属材料等以激光作为热源的增材制造中的一种主要技术途径。该技术选用激光作为能量源，按照三维切片模型中规划好的路径在粉末床层进行逐层扫描，扫描过的粉末通过熔化、凝固从而达到冶金结合的效果，最终获得模型所设计的零件。SLM技术克服了传统技术制造具有复杂形状的零件带来的困扰。它能直接成型出近乎全致密且力学性能良好的零件。SLM打印过程中的铺粉高度和厚度往往决定了增材过程中的材料强度和质量，然而由于SLM过程周期长，成本高，过程中难免出现细微的厚度差，这些细微厚度差随着熔化层数的增加形成累积误差，影响了成品材料的强度的质量，因此，打印过程厚度差的控制对于SLM打印得到的增材的材料强度和质量至关重要。
然而，现有技术中仍没有成熟的、可以控制打印过程中铺粉厚度差的有效方法。现有技术主要依托于粉仓每次下降所设定的铺粉厚度，再由毛刷刮刀或者硬质合金刮刀将新一层粉末铺于表面。整个过程完全依赖机械结构的精度，但是毛刷刮刀和硬质合金刮刀在反复使用过程中会出现磨损甚至是撞刀的情况发生，从而在铺粉过程中，会有区域出现铺粉厚度异常，这是无法被现有技术检测到的，粉末厚度异常会直接影响材料的力学和金相特性，造成产品缺陷，甚至报废。
发明内容
本发明提供了一种能够在SLM打印过程中应用光学相干断层扫描OCT(opticalcoherence tomography)技术精确控制铺粉厚度差的增材制造方法，旨在解决上述问题，降低产品报废率，提高生产效率，降低成本。本发明通过应用OCT技术对初始铺设的粉末厚度及打印过程中的层厚度进行精确测量，从而实现精确控制厚度差的增材制造方法。在打印过程中利用OCT技术可以实现对粉末高度以及零件高度的检测，可以及时发现问题，有助于降低产品报废率，提高生产效率，降低成本。所以利用OCT技术检测这两种高度对于控制工艺稳定性有很大的帮助。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种应用OCT技术的增材制造方法，包括以下步骤：
步骤1：在基材的待打印位置上布置待打印粉末。根据粉末的材料以及颗粒的粒径，选择在基材待打印位置铺设的层厚。增材制造行业对于常用的材料、不同颗粒的粒径，均有现有的、成熟的经验参数，现有技术中将所述的经验参数存储至设备数据库中，当应用于具体的打印任务时，只需在设备数据库中选择相应的工艺参数即可，一般层厚为粉末颗粒直径的两到三倍。现有技术中比较常用的粉末铺粉方法为：利用毛刷刮刀或者硬质合金刮刀实现粉末排满基材表面且致密；
步骤2：利用OCT光束对待打印位置的步骤1中的粉末的高度进行单点或连续测量，得到粉末高度数据，并将得到的所述粉末高度数据与预设阈值进行比较：当如所述的粉末高度数据超过预设阈值，如超出阈值，则返回步骤1调整铺粉厚度；直到粉末高度在预设阈值之内，则进入步骤3；所述的预设阈值通常根据已有实验结果，即在满足特定产品力学，金相等要求特性下，粉末厚度变化不得超过铺粉厚的特定百分比。
步骤3：对所述的粉末进行选择性激光熔融，逐层堆积实现零件打印；具体实现方式及过程例如：根据待打印位置的尺寸、零件性状等指定激光过程工艺，激光过程工艺指系统自动生成光束运动轨迹路线，并结合已有数据库中的参数，选择合适的运动速度和激光功率，激光工艺参数通常包括功率、扫描速度、焦点位置等。根据步骤1中的工艺参数以及步骤3得到的激光过程工艺，对所述的粉末进行选择性激光熔融，即预定轨迹区域内的激光作用，逐层堆积实现零件打印；
步骤4：在逐层堆积打印过程中，当所述的逐层堆积的层数达到某个特定数量层后，采用OCT测量光束对零件表面进行单点或连续测量，获得零件表面高度数据，并对所述的零件表面高度数据与预设阈值进行比较：如超过预设阈值，则停止打印；如未超过预设阈值，则继续打印，直至打印完成。所述的当步骤4所述的逐层堆积的层数达到某个特定数量层中，该特定数量根据以往实验结果或者实际生产要求，基于对产品力学和金相特性控制的要求制定。
进一步地，根据具体打印任务设置，所述的步骤1-4可以重复，直至全部打印任务完成。
进一步地，所述步骤2中的利用OCT光束对粉末的高度进行单点或连续测量、得到粉末高度数据的方法，包括以下步骤：
步骤2.1：用低相干干涉光源生成一束激光，并通过分光镜将光束分为光束一及光束二，并分别经过光程一及光程二；其中光程一为距离固定的参考光程，光束一经过光程一后反射回分光镜；光程二为待测光程，光束二经过待测光程到达材料表面，并由材料表面反射后又回到分光镜。具体为：光束二经过振镜接口，利用反射镜片或者分光镜片，耦合入振镜中的激光光路，耦合位置为准直光路之后，聚焦光路之前，到达材料表面，并由材料表面反射后，通过振镜和耦合光路回到分光镜；
步骤2.2：测定回到分光镜的光束一和光束二的干涉现象，获得光束一和光束二的光程差；
步骤2.3：将光束一及光束二的光程差换算为测量的粉末表面的高度变化值，得到粉末高度数据。其原理为：理想状态下，光束一和光束二的光程应该一致，此时不发生干涉现象，当粉末表面高度发生变化时，光程二的距离就会发生变化，此时干涉现象得到的光程差，就是粉末表面高低变化产生的高度差。
进一步地，所述步骤4中的采用OCT测量光束对零件表面进行单点或连续测量，获得零件表面高度数据的方法包括以下步骤：
步骤3.1：利用低相干干涉光源生成一束激光，并通过分光镜将光束分为光束一及光束二，并分别经过光程一及光程二；其中光程一为距离固定的参考光程，光束一经过光程一后反射回分光镜；光程二为待测光程，光束二经过待测光程到达材料表面，并由材料表面反射后又回到分光镜。具体为：光束二经过振镜接口，利用反射镜片或者分光镜片，耦合入振镜中的激光光路，耦合位置为准直光路之后，聚焦光路之前，到达材料表面，并由材料表面反射后，通过振镜和耦合光路回到分光镜；
步骤3.2：测定回到分光镜的光束一和光束二的干涉现象，获得光束一和光束二的光程差；
步骤3.3：将光束一及光束二的光程差换算为测量的粉末表面的高度变化值，得到粉末高度数据。
所述的采用OCT光束进行粉末或零件高度测量的原理为：理想状态下，光程一应等于光程二，此时两束光再次相遇，不存在光程差，不发生干涉现象，但若由于铺粉设备故障或者刮刀损坏或者其他原因，导致粉末表面或零件表面发生突起或者凹陷，则当OCT光束到达该位置时，其光程就会增加或者减少，当两束光再次相遇，便存在光程差，发生干涉现象，通过测定该干涉现象就可以获得两个光束的具体光程差，由于光程一为参考光程，其距离固定，则光程差可以间接换算成粉末或零件表面的高度变化。
所述的测定干涉现象的方式可以通过分光镜反射至设置在分光镜另一侧的传感器进行测定。
进一步地，所述步骤3中所述的进行选择性激光熔融可以根据不同材料对于激光作用的特性，采用连续激光或者脉冲激光。
进一步地，所述的连续激光为平均功率为100W-7000W的连续激光。
进一步地，所述的脉冲激光为峰值功率为1000W-40000W的脉冲激光。
进一步地，所述OCT测量光束为平均功率为1W-50W、波长800nm-1600nm、具备光学相干特性的测量光束。
使用本发明提供的增材制造方法，在打印过程中利用OCT技术实现对粉末高度以及零件高度的检测，可以及时发现问题，有助于降低产品报废率，提高生产效率，降低成本。所以利用OCT技术检测这两种高度对于控制工艺稳定性有很大的帮助。
附图说明
图1一种应用OCT技术的增材制造方法的一种实施方式流程图
具体实施方式
在本部分将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种应用OCT技术的增材制造方法，包括以下步骤：
步骤1：在基材的待打印位置上布置待打印粉末。现有技术中，布置待打印粉末的常用的过程及方式为：根据粉末的材料以及颗粒的粒径，选择在基材待打印位置铺设的层厚。增材制造行业对于常用的材料、不同颗粒的粒径，均有现有的、成熟的经验参数，现有技术中将所述的经验参数存储至设备数据库中，当应用于具体的打印任务时，只需在设备数据库中选择相应的工艺参数即可，一般层厚为粉末颗粒直径的两到三倍。现有技术中比较常用的粉末铺粉方法为：利用毛刷刮刀或者硬质合金刮刀实现粉末排满基材表面且致密；
本步骤中所述的布置待打印粉末和铺粉的方法，也可以采用现有技术中其他可以实现该效果的任何方法。
步骤2：利用OCT光束对待打印位置的步骤1中的粉末的高度进行单点或连续测量，得到粉末高度数据，并将得到的所述粉末高度数据与预设阈值进行比较：当如所述的粉末高度数据超过预设阈值，如超出阈值，则返回步骤1调整铺粉厚度；直到粉末高度在预设阈值之内，则进入步骤3；所述的预设阈值的确定可以采用现有技术中任何可实现的方式，通常根据已有实验结果，即在满足特定产品力学，金相等要求特性下，粉末厚度变化不得超过铺粉厚的特定百分比。
步骤3：对所述的粉末进行选择性激光熔融，逐层堆积实现零件打印；在现有技术中常用方法的具体过程为：根据待打印位置的尺寸、零件性状选择激光过程工艺，激光过程工艺指的是系统根据该层零件的切片形状，系统自动生成光束运动轨迹路线，并结合已有数据库中的参数，选择合适的运动速度和激光功率，激光工艺参数通常包括功率、扫描速度、焦点位置。根据步骤1中的工艺参数以及步骤3得到的激光过程工艺，对所述的粉末进行选择性激光熔融，即预定轨迹区域内的激光作用，逐层堆积实现零件打印；
步骤4：当步骤3所述的逐层堆积的层数为某个特定数量层后，采用OCT测量光束对零件表面进行单点或连续测量，获得零件表面高度数据，并对所述的零件表面高度数据与预设阈值进行比较：如超过预设阈值，则停止打印；如未超过预设阈值，则继续打印，直至打印完成。其原理为：预设阈值是根据打印材料的工艺参数或者是几何外形要求特性来决定，和/或具体打印任务中对于增材制品的具体要求进行设置得到，例如现在打印的材料高度是h，下一时刻粉仓下降的高度是d，理论上下一时刻铺粉厚度应是d-h，这个d-h的厚度，也是步骤2中的预设阈值。以下分别是对应的三种情况：如果h大于d，测量处的材料高度超出该阈值，则可能与刮刀发生碰撞。如果h变化导致d-h发生较大变化，亦或是该高度的变化导致下一次铺粉过程中，该位置的粉末厚度无法满足步骤2中的层厚预设阈值。如果h的变化，不足以导致d-h发生超过预设阈值的变化，但是由于产品尺寸控制，又或者是由于制品对零件表面平整度要求较高等原因，导致h本身超过了一定范围，此时可以将预设阈值设置为零件表面高度差。如果各测量点的高度差超过该预设阈值，说明零件表面高度或平整度达不到要求，则停止打印；所述的当步骤4所述的逐层堆积的层数为某个特定数量层中，该特定数量根据以往实验结果或者实际生产要求，基于对产品力学和金相特性控制的要求制定，是现有技术中的成熟技术。
实施例2
与实施例1相比，本实施例的不同之处在于：
所述步骤2中的利用OCT光束对粉末的高度进行单点或连续测量、得到粉末高度数据的方法，包括以下步骤：
步骤2.1：用低相干干涉光源生成一束激光，并通过分光镜将光束分为光束一及光束二，并分别经过光程一及光程二；其中光程一为距离固定的参考光程，光束一经过光程一后反射回分光镜；光程二为待测光程，光束二经过待测光程到达材料表面，并由材料表面反射后又回到分光镜。具体实施方式为：光束二经过振镜接口，利用反射镜片或者分光镜片，耦合入振镜中的激光光路，耦合位置为准直光路之后，聚焦光路之前，到达材料表面，并由材料表面反射后，通过振镜和耦合光路回到分光镜；
所使用的OCT测量光束为平均功率为1W-50W、波长800nm-1600nm、具备光学相干特性的测量光束。
步骤2.2：测定回到分光镜的光束一和光束二的干涉现象，获得光束一和光束二的光程差；
步骤2.3：将光束一及光束二的光程差换算为测量的粉末表面的高度变化值，得到粉末高度数据。
换算可以采用现有技术中所有可以实现的方式，在本实施例中采用的方法为：两束存在光程差的光相遇后会产生明暗相间的条纹，其亮度分布满足
所述的采用OCT光束进行粉末或零件高度测量的原理为：理想状态下，光程一应等于光程二，此时两束光再次相遇，不存在光程差，不发生干涉现象，但若由于铺粉设备故障或者刮刀损坏或者其他原因，导致粉末表面发生突起或者凹陷，则当OCT光束到达该位置时，其光程就会增加或者减少，当两束光再次相遇，便存在光程差，发生干涉现象，通过测定该干涉现象就可以获得两个光束的具体光程差，由于光程一为参考光程，其距离固定，则光程差可以间接换算成粉末表面的高度变化。
所述的测定干涉现象的方式通过分光镜反射至设置在分光镜另一侧的传感器进行测定。
实施例3
与实施例2相比，本实施例的不同之处在于：
所述步骤4中的采用OCT测量光束对零件表面进行单点或连续测量，获得零件表面高度数据的方法包括以下步骤：
步骤3.1：利用低相干干涉光源生成一束激光，并通过分光镜将光束分为光束一及光束二，并分别经过光程一及光程二；其中光程一为距离固定的参考光程，光束一经过光程一后反射回分光镜；光程二为待测光程，光束二经过待测光程到达材料表面，并由材料表面反射后又回到分光镜。具体为实施方式为：光束二经过振镜接口，利用反射镜片或者分光镜片，耦合入振镜中的激光光路，耦合位置为准直光路之后，聚焦光路之前，到达材料表面，并由材料表面反射后，通过振镜和耦合光路回到分光镜；
所使用的OCT测量光束为平均功率为1W-50W、波长800nm-1600nm、具备光学相干特性的测量光束。
步骤3.2：测定回到分光镜的光束一和光束二的干涉现象，获得光束一和光束二的光程差；
步骤3.3：将光束一及光束二的光程差换算为测量的粉末表面的高度变化值，得到粉末高度数据。
实施例4
与实施例3相比，本实施例的不同之处在于：步骤3中所述的进行选择性激光熔融根据不同材料对于激光作用的特性，采用连续激光方式，所述的连续激光为平均功率为100W-7000W的连续激光。
实施例5
与实施例3相比，本实施例的不同之处在于：步骤3中所述的进行选择性激光熔融根据不同材料对于激光作用的特性，采用脉冲激光方式，所述的脉冲激光为峰值功率为1000W-40000W的脉冲激光。
实施例6
一种应用OCT技术的增材制造方法，如图1所示，在本实施例中，使用铝基合金材料作为SLM作为打印粉体原料，包括以下步骤：
步骤1：在基材的待打印位置上布置待打印金属粉末AlSi10Mg，AlSi10Mg粉体原料的平均粒径为27μm。从经验参数的数据库中选取工艺参数为：铺粉层厚50μm，层厚阈值设置为标准铺粉层厚加上平均粒径，77μm。
步骤2：利用OCT光束对待打印位置的步骤1中的金属粉末的高度进行单点或连续测量，得到粉末高度数据，并将得到的所述粉末高度数据与预设阈值77μm进行比较：当如所述的粉末高度数据超过预设阈值，如超出阈值，则返回步骤1调整铺粉厚度；直到粉末高度在预设阈值之内，则进入步骤3；
步骤3：在本实施例中选择的激光过程工艺为：激光功率为180W、扫描速度为900mm/s、激光扫描间距为0.05mm，对所述的金属粉末进行选择性激光熔融，逐层堆积实现零件打印；
步骤4：当步骤3所述的逐层堆积的层数为某个特定数量层后，该特定数量根据以往实验结果或者实际生产要求，基于对产品力学和金相特性控制的要求制定，在本实施例中为5层，在本实施例中，主要关心的零件表面高度的一致性问题，所以采用OCT测量光束对零件表面进行连续测量的方式，并将预设阈值设置为待测表面的高度差不得超过平均粒径，即27μm。获得零件表面高度数据后，对所述的零件表面高度数据与预设阈值进行比较：如超过预设阈值，则停止打印；如未超过预设阈值，则继续打印，直至打印完成。
步骤5：重复步骤1-4，直至全部打印任务完成。
铝合金具有导电性能好、比强度高、密度低等优点,以铝合金作为打印粉末原料进行增材制造，在航空航天、建筑、汽车等领域的应用较为广泛。采用本发明提供的方法进行以铝合金粉末为原料的增材制造，能够较明显地提高工艺稳定性，提高生产效率、降低生产成本。
实施例7
一种应用OCT技术的增材制造方法，在本实施例中，使用钛基合金材料作为SLM作为打印粉体原料，包括以下步骤：
步骤1：在基材的待打印位置上布置待打印金属粉末Ti-6Al-4V，平均粒径为35μm。从经验参数的数据库中选取工艺参数为：铺粉层厚40μm，层厚阈值设置为标准铺粉层厚加上平均粒径，75μm。
步骤2：利用OCT光束对待打印位置的步骤1中的金属粉末的高度进行单点或连续测量，得到粉末高度数据，并将得到的所述粉末高度数据与预设阈值75μm进行比较：当如所述的粉末高度数据超过预设阈值，如超出阈值，则返回步骤1调整铺粉厚度；直到粉末高度在预设阈值之内，则进入步骤3；
步骤3：在本实施例中选择的激光过程工艺为：激光功率为160W、扫描速度为600mm/s、激光扫描间距为0.02mm，对所述的金属粉末进行选择性激光熔融，逐层堆积实现零件打印；
步骤4：当步骤3所述的逐层堆积的层数为某个特定数量层后，该特定数量根据以往实验结果或者实际生产要求，基于对产品力学和金相特性控制的要求制定，在本实施例中为5层，在本实施例中，主要关心的零件表面高度的一致性问题，所以采用OCT测量光束对零件表面进行连续测量的方式，并将预设阈值设置为待测表面的高度差不得超过平均粒径，即35μm。获得零件表面高度数据，并对所述的零件表面高度数据与预设阈值进行比较：如超过预设阈值，则停止打印；如未超过预设阈值，则继续打印，直至打印完成。
步骤5：重复步骤1-4，直至全部打印任务完成。
钛及钛合金具有密度低、比强度高、高温力学性能好、耐腐蚀性强等优点,被广泛应用于汽车、航空航天等领域，但由于加工难度较大，导致钛合金制品的价格较高，采用本发明提供的方法进行以钛合金粉末为原料的增材制造，能够较明显地提高工艺稳定性，提高生产效率、降低生产成本，较大地降低钛合金3D打印制品的价格。
使用本发明提供的应用OCT技术的增材制造方法，可广泛适用于金属、工程塑料、陶瓷等利用激光作为作用热源的打印。在打印过程中利用OCT技术实现对粉末高度以及零件高度的检测，可以及时发现问题，有助于降低产品报废率，提高生产效率，降低成本。所以利用OCT技术检测这两种高度对于控制工艺稳定性有很大的帮助。
