一种选择性激光熔融3D打印机的熔池温度检测系统及方法
技术领域
本发明属于熔池温度检测及控制领域，尤其涉及一种选择性激光熔融3D打印机的熔池温度检测系统及方法。
背景技术
选择性激光熔融技术(Selective Laser Melting，SLM)是利用金属粉末在激光束的热作用下完全熔化、经冷却凝固而成型的一种技术。作为3D打印技术的一种，SLM技术能根据3D模型直接制成终端金属产品，适合各种复杂形状的工件，具有与传统工艺相当的良好的力学性能。
但由于SLM3D打印技术属于增材制造技术范畴，在制造过程中工件的整体成型是通过逐层铺设金属材料粉末、逐层激光扫描熔融的叠层加工方式来完成的，而增材制造工件的显微结构属性由材料的热演化过程来决定，“熔池”是构成这一过程的最小单元，因此融池温度的在线检测及实时控制是进一步提升SLM技术加工质量的关键要素。
目前国内尚无通过检测金属熔池在熔融状态下的特征光谱，来改善选择性激光熔融3D打印质量的技术方案，本发明即针对这一点提出。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种选择性激光熔融3D打印机的熔池温度检测系统及方法，能够在线检测熔池的特征光谱，实时控制熔池温度，从而为3D打印的工艺过程控制及质量提升提供技术支持方案。
技术方案：本发明所述的一种选择性激光熔融3D打印机的熔池温度检测系统，包括激光发射器、扩束镜、振镜、场镜、同轴分光镜、3D打印工控机、通信模块和打印工作台，窄带滤光片、光电检测电路模块和数据采集与处理模块；其中，窄带滤光片连接同轴分光镜，锁定待打印金属的特征光谱，通过光电检测电路对该波长的金属熔池辐射光进行检测，并通过数据采集与处理模块将数字电压信号传输至3D打印工控机；其中，光电检测电路模块包括光电检测管和放大电路模块。
进一步地，所述放大电路模块设计如下：
选取A1、A2两个具有参数互补特点的运算放大器，其中A1为高速器件，A2为低噪声器件；输入信号中的低频分量经A2通道传送至输出端，使得整个电路的失调、漂移等主要取决于A2的器件参数；输入信号中的高频分量则主要经A1通道放大，使整个电路的高频响应主要取决于A1的器件参数，且将A1输入端的失调电压、失调电流及其温度漂移的影响置于A2的负反馈环路中，使其得到有效抑制。
进一步地，所述放大电路模块的输入端直接联接光电检测管光电管检测辐射光谱的电流信号。
进一步地，所述窄带滤光片的带宽为以特征线谱为中心波长的±5nm范围内。
本发明还提供一种选择性激光熔融3D打印机的熔池温度检测方法，具体包括以下步骤：
(1)激光发射器发射的激光首先通过扩束镜进行扩束，然后经振镜调整激光的入射方向，经场镜汇聚至打印工作台，对金属粉末进行熔融，产生的金属熔池辐射光与反射的激光通过振镜系统原路返回至激光入射点，通过同轴分光镜将激光与金属熔池辐射光分离，得到单独的金属熔池辐射光；
(2)依据所打印金属的特征光谱特性，选择合适波长的窄带滤光片锁定该特征光谱，通过光电检测电路对该波长的金属熔池辐射光进行检测；
(3)通过数据采集与处理模块进行A/D转换及数据采集，将数字信号进行均值滤波后存储至存储器中，利用以太网，采用UDP协议，将数字电压信号传输至3D打印工控机；3D打印工控机对激光发射器进行驱动控制，改变激光功率和激光扫描速度，并记录打印过程中的实时参数。
有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明能够针对选择性激光熔融3D打印金属熔池在熔融状态下的特征光谱进行检测，为3D打印过程控制提供切实可行的技术方案，提高选择性激光熔融技术应用于3D打印时的工件质量；能够实现实时在线的3D打印质量监控，从而获得更好的打印效果和更高的打印质量。
附图说明
图1为方式中的光路及系统的示意图；
图2为双通道复合结构光电检测电路图；
图3为数据采集与处理模块结构示意图；
图4为实际测试SLM成型预览图；
图5实际成型工件图；
图6为图4中标号1-5，110W-150W功率下熔池辐射信号与打印位置的关系图；
图7为图4中标号1-5，不同位置下熔池辐射信号与激光功率的关系图；
图8为图4中标号S1-S60，功率110W-150W熔池辐射信号与激光扫描速度的关系图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明中熔池温度的检测通过锁定被加工工件材料的特征光谱来实现，其原理是：高能激光照射下的金属材料粉末从入射激光吸收能量而温度不断升高时，金属原子的基态电子受光能及热能激发而跃迁到原子外层的高能级轨道上，但这种激发态电子(也称焦耳电子)是不稳定的，大约经过10-8[s]以后将返回能级较低一级的内层轨道，并最终回归基态达到新的稳定状态。伴随着一系列焦耳电子的能级跃迁，金属材料以光能形式释放出特定波长的特征光谱。激光对金属材料粉末的加热效应越强，材料吸收的热能就越高，相应的焦耳电子数量也越多，释放的特征光谱也越强。这正是本发明锁定材料的特征光谱测量熔池温度的理论依据。通过打印过程中熔池的熔融状态分析以及实验验证，金属熔池辐射的特征光谱的强弱能够快速反映熔池温度的高低，而熔池温度的高低又决定了金属粉末熔融的粘稠程度及熔池内金属熔液流动性的好坏，进而直接影响到工件的成形质量。因此锁定熔池特征光谱进行检测，具有跟踪速度快，检测精度及分辨率高，且能够以非接触方式对熔池内高温熔液的温度变化进行在线检测及实时控制，为工件成型过程的质量控制提供了切实的技术可行性。
本发明所述的选择性激光熔融3D打印机的熔池光谱检测的光路系统，如图1所示，包括激光发射器、扩束镜、振镜、场镜、同轴分光镜、3D打印工控机、通信模块、打印工作台、窄带滤光片、光电检测电路模块和数据采集与处理模块；窄带滤光片连接同轴分光镜，锁定待打印金属的特征光谱，通过光电检测电路对该波长的金属熔池辐射光进行检测。一般材料的特征光谱分为原子特征光谱和分子特征光谱。原子特征光谱是伴随着焦耳电子的能级跃迁而产生，其波长分布在0.2-0.8[μm]的波长范围；分子特征光谱是伴随着分子的转动、振动而产生，其波长分布在1-10[μm]波长范围。特征光谱为非连续谱，是单一波长的特征线谱，可通过对材料的光谱测试分析或使用光谱分析软件在相应的波长范围内确定。其次，锁定材料原子特征光谱的方法是选择具有同样波长的窄带滤光片，其带宽可选择在以特征线谱为中心波长的±5[nm]范围。
激光发射器发射的激光首先通过扩束镜进行扩束，然后经振镜调整激光的入射方向，经场镜汇聚至打印工作台，对金属粉末进行熔融；产生的金属熔池辐射光与反射的激光通过振镜系统原路返回至激光入射点，通过同轴分光镜将激光与金属熔池辐射光分离，得到单独的金属熔池辐射光；依据所打印金属的特征光谱特性，选择合适波长的滤光片，得到该波长的金属熔池辐射光。
其中扩束镜用于扩大光束直径，减小光束发散角，减小能量损耗；振镜用于调整激光的入射方向；场镜用于将激光汇聚至打印工作台；同轴分光镜用于将熔池辐射光与反射的激光进行分离，得到单独的熔池辐射光。
光电检测电路模块包括光电检测管和放大电路模块。光电检测电路如图2所示。电路的设计思想及技术方案是：选取A1、A2两个具有参数互补特点的运算放大器，其中A1为高速器件，具有频带宽、输出电压上升速率高(压摆率大)的主要特点。A2为低噪声器件，具有输入偏置电流小，输入失调电压、失调电流及其温度漂移小的主要特点。通过采用复合结构的电路设计方案综合发挥A1、A2两个运放器件的参数优势，使构成的检测电路在整体上超越单个运放器件的性能，同时具备宽带、高速、低失调、低漂移的性能特点。电路的双通道复合结构如图2所示，输入信号中的低频分量经A2通道传送至输出端，使得整个电路的失调、漂移等主要取决于A2的器件参数。输入信号中的高频分量则主要经A1通道放大，使整个电路的高频响应主要取决于A1的器件参数，且将A1输入端的失调电压、失调电流及其温度漂移的影响置于A2的负反馈环路中，使其得到有效抑制。该放大电路的输入端可直接联接光电检测管以降低输入噪声。此设计克服了通用光电器件灵敏度及信噪比低的缺点，实现了对熔池特征光谱信号的高速低噪跟踪检测。
在电路元件参数的选取上，除了保证直流偏置及放大倍率要求外，还要充分考虑复合结构电路形成的多极点系统的频率稳定性要求，采用极-零点补偿等方式合理配置系统的极点分布，以提高检测电路的频率响应裕度，确保电路的频率稳定性及对光电信号高速跳变的动态跟踪响应。
本发明数据采集处理系统硬件结构如图3所示。通过数据采集与处理模块对模拟电压信号进行A/D转换及处理，并进一步将数字信号进行均值滤波后存储至SDRAM存储器中，利用以太网，采用UDP协议，将数字信号传输至3D打印工控机；3D打印工控机对激光发射器进行控制，改变激光功率和激光扫描速度，并记录打印过程中的实时参数。
本发明还提供一种选择性激光熔融3D打印机的熔池温度检测方法，其包括以下步骤：
(1)激光发射器发射的激光首先通过扩束镜进行扩束，然后经振镜调整激光的入射方向，经场镜汇聚至打印工作台，对金属粉末进行熔融，产生的金属熔池辐射光与反射的激光通过振镜系统原路返回至激光入射点，通过同轴分光镜将激光与金属熔池辐射光分离，得到单独的金属熔池辐射光。
(2)依据所打印金属的特征光谱特性，选择合适波长的窄带滤光片锁定该特征光谱，通过光电检测电路对该波长的金属熔池辐射光进行检测。
(3)通过数据采集与处理模块进行A/D转换及数据采集，将数字信号进行均值滤波后存储至存储器中，利用以太网，采用UDP协议，将数字电压信号传输至3D打印工控机；3D打印工控机对激光发射器进行驱动控制，改变激光功率和激光扫描速度，并记录打印过程中的实时参数。
本发明在实际实施中的部分测试结果实例说明如下：
测试采用的激光器为RFL-C300L，打印材料为工业纯钛粉末；同轴分光镜光圈调至F8；窄带滤波片选取590nm。
实际测试文件加载预览图如图4所示，实际成型工件图如图5所示。各打印块扫描间距均为80um，这也是实际打印纯钛时常用的扫描间距。
(a)打印位置对辐射信号的影响。
首先针对图4中第一组即编号1-5(功率为110W-150W，速度为800mm/s)的五个方块，取每一个方块不同熔道的中点处的信号值，绘出不同功率下熔池辐射信号在径向上的变化趋势如图6所示。
从图6可见熔池辐射信号与打印位置呈现单调关系，且熔池距离圆盘中心越远，辐射信号值越小，且距离大于25mm后，熔池辐射信号趋于稳定，但不同功率对应的信号强度有明显差异。
(b)激光功率对辐射信号的影响。
对编号1-5五个方块，取每个方块在5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm、40mm、45mm、50mm处所在熔道中点的信号值，将不同位置下熔池辐射信号与激光功率的数据绘出如图7所示。
(c)扫描速度对熔池辐射信号的影响。
对编号S1-S60方块所有熔道中点处的信号求均值，得出不同功率下熔池辐射信号与激光扫描速度的关系如图8所示。
测试分析结果表明，本发明设计的系统构成及技术方案完全适用于SLM 3D打印机对熔池温度的在线监控，检测精度符合实际加工需求，对材料特征光谱对应的温度变化跟踪响应快、实时可控性强。
本发明与国内市场既有的SLM 3D打印设备具有很好的兼容性，实施应用的性价比高，对现有SLM 3D打印技术的提档升级切实可行。
