基于机器视觉的激光3D打印熔池监测技术研究
发布时间：2022-01-15 12:28
激光金属沉积是一种典型的金属增材制造技术,可以通过动态调控工艺参数实现大型、高性能复杂构件制造,所以被广泛地应用在航空航天、快速原型制造、生物医疗等领域。激光金属沉积工艺涉及的物理化学过程复杂,包括激光衰减、热量传递、激光与粉末及熔融金属的相互作用、熔池动力学以及熔池凝固行为等各方面,导致工艺条件控制困难,构件性能可预测性差。熔池是工艺过程中最基本的制造单元。研究表明,熔池在工艺过程中的尺寸形态与工艺参数和构件的组织性能有重要的联系。目前已有的研究采用各种技术手段成功获取丰富的熔池形态信息作为性能预测与闭环控制的依据,但并未对信号进行充分的利用,构件性能预测效果不够理想。本文针对高温合金IN625的激光金属沉积过程,基于机器视觉技术提取熔池的尺寸与形态描述量,研究工艺中熔池形态描述量与工艺参数和构件最终性能组织的关系,从而为工艺过程的条件控制与构件性能预测工作提供参考。主要完成工作分为以下几个方面:（1）使用Open CV对熔池图像进行处理与特征提取。获得了熔池的面积与周长,并进一步根据图像概念计算了熔池区域致密度。将熔池面积与熔池区域致密度作为两个主要研究的熔池特征量,进行了改变线能...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：102 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
激光金属沉积技术原理图[5]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-4-建立一个有效的性能预测和最优参数选择参考。这样不仅能够加快使用激光金属沉积时最优参数的选择速度，从而快速获得更加理想的构件组织与性能，也能够为施加闭环控制提供有效的依据，从而增加构件的几何精度，减少材料的浪费，对实现激光金属沉积工艺的进一步工业化推广具有巨大意义。图1-2熔池在线监测方法a)同轴监测；b)旁轴监测熔池监测不仅能够帮助研究人员理解激光金属沉积工艺过程中的反应机理，还有望进一步解决最优参数选择周期长和构件性能预测性差的问题。本课题将对激光金属沉积工艺过程中的熔池进行同轴监测，获得一系列特征描述量，分析打印构件的力学性能与微观组织，研究工艺参数、熔池特征量与构件性能的影响规律，从而能够加快最优参数的选择，也能够为施加闭环控制提供依据，有利于进一步推动激光金属沉积技术的工业化推广。1.2激光增材制造原位监测研究的现状与发展目前，对激光增材制造的原位监测主要通过高速摄像机、高温计、红外热像仪、激光位移传感器、加速度计以及声学探测器等传感器获取监测信号，其中高速摄像机与红外热像仪获取工艺过程中的图像信号是最常用的监测方法。在获取监测信号之后，对监测信号的使用主要分三类：第一类是使用监测信号分析工艺参数对工艺过程中一些过程现象的影响机理，从而达到优化工艺参数的目的，如熔池形态温度的变化规律，飞溅的产生规律等；第二类是将监测信号作为反馈实现工艺过程的闭环控制，达到提高构件力学性能和几何精度的目的；第三类是近年来随着人工智
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-5-能的发展而出现的，使用监测信号与构件性能的数据组构成的训练数据，预测构件性能如表面粗糙度，从而达到快速确定工艺参数的目的。1.2.1金属增材制造工艺参数对监测信号的影响规律研究Liu和Farahmand[11]在使用高能二极管激光器的激光熔覆过程中，使用电荷耦合元件（ChargeCoupledDevice，CCD）研究了粉末的空中行为，使用红外相机研究了熔融金属液流与激光的相互作用，此外还将红外相机结合高温计提取熔池温度信号，对此信号进行分析，研究了工艺参数对激光衰减、粉末颗粒加热以及熔覆性能的影响，探究了工艺过程中物质相互作用的机理。受限于信号处理的技术手段，有的图像信号难以直接转换成可以描述物质相互作用的物理量，此研究使用了若干种监测装置，但对不同监测装置采集的信号利用不够充分，比如获取的激光与粉流相互作用的红外图像只进行了宏观的定性趋势分析，图像如1-3所示。图1-3金属粉流与激光相互作用红外图像[11]a)侧视图；b)正视图新加坡国立大学的YingjieZhang等人[12]在激光粉床增材制造中，提出了一种侧视视觉的监测方法。他们使用高速摄像机，在不同的扫描策略下研究了熔池强度，等离子体羽流面积、取向，飞溅数量、面积、方向和飞溅速度等特征，区分了四种熔池形态，研究了等离子羽流和飞溅的产生机理。其中在处理熔池图像时，将图中所有特征统一处理计算了特征尺寸，通过一定的判断规则分别提取熔池和飞溅特征，具体的处理过程如图1-4所示。结果表明等离子体羽流和飞溅的特征信息与能量输入以及熔池状态有关，是建立质量评估的潜在指标。这个结果有助于进一步理解整个工艺过程。
【参考文献】：
期刊论文
[1]金属增材制造过程的在线监测研究综述[J]. 产玉飞,陈长军,张敏. 材料导报. 2019(17)
[2]激光熔覆技术研究现状与发展[J]. 姜波,李金朋. 科技创新导报. 2018(32)
[3]2019年中国智能制造的发展关键点[J]. 设备管理与维修. 2019(04)
[4]金属增材制造技术的关键因素及发展方向[J]. 李昂,刘雪峰,俞波,尹宝强. 工程科学学报. 2019(02)
[5]同轴送粉金属激光3D打印熔池流动、成分分布以及组织生长数值模拟的研究进展[J]. 安晓龙,吕云卓,覃作祥,陆兴. 材料导报. 2018(21)
[6]金属增材制造技术研究与应用现状及趋势[J]. 程俊廷,常天瑞. 中国设备工程. 2018(20)
[7]增材制造过程监控技术现状综述[J]. 叶志鹏,李骞,雷柏茂,朱嘉伟,欧永. 电子产品可靠性与环境试验. 2018(05)
[8]基于局部主动轮廓模型的宽带激光熔覆熔池边缘提取[J]. 雷凯云,秦训鹏,刘华明,倪茂. 光电子·激光. 2018(05)
[9]增材制造（3D打印）技术发展[J]. 卢秉恒,李涤尘. 机械制造与自动化. 2013(04)
硕士论文
[1]盾构关重件激光熔覆精准再制造熔池监测系统研究[D]. 冯志杰.中国矿业大学 2019
[2]基于熔池监控的激光沉积制造成形精度控制研究[D]. 徐丽丽.沈阳航空航天大学 2018
[3]激光增材制造IN625镍基高温合金组织及性能研究[D]. 秦兰兰.安徽工业大学 2017
[4]18Ni300激光增材制造工艺及视觉传感研究[D]. 黄煜华.哈尔滨工业大学 2017
[5]激光深熔焊熔池边缘实时检测及图像处理[D]. 何凯.北京工业大学 2017
[6]CO2激光增材制造熔覆高度实时检测与闭环控制[D]. 杨永兴.哈尔滨工业大学 2016
[7]MAG焊熔池在线监测实验系统的研制及实验研究[D]. 谷勇.华中科技大学 2016
本文编号：3590617
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：102 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
激光金属沉积技术原理图[5]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-4-建立一个有效的性能预测和最优参数选择参考。这样不仅能够加快使用激光金属沉积时最优参数的选择速度，从而快速获得更加理想的构件组织与性能，也能够为施加闭环控制提供有效的依据，从而增加构件的几何精度，减少材料的浪费，对实现激光金属沉积工艺的进一步工业化推广具有巨大意义。图1-2熔池在线监测方法a)同轴监测；b)旁轴监测熔池监测不仅能够帮助研究人员理解激光金属沉积工艺过程中的反应机理，还有望进一步解决最优参数选择周期长和构件性能预测性差的问题。本课题将对激光金属沉积工艺过程中的熔池进行同轴监测，获得一系列特征描述量，分析打印构件的力学性能与微观组织，研究工艺参数、熔池特征量与构件性能的影响规律，从而能够加快最优参数的选择，也能够为施加闭环控制提供依据，有利于进一步推动激光金属沉积技术的工业化推广。1.2激光增材制造原位监测研究的现状与发展目前，对激光增材制造的原位监测主要通过高速摄像机、高温计、红外热像仪、激光位移传感器、加速度计以及声学探测器等传感器获取监测信号，其中高速摄像机与红外热像仪获取工艺过程中的图像信号是最常用的监测方法。在获取监测信号之后，对监测信号的使用主要分三类：第一类是使用监测信号分析工艺参数对工艺过程中一些过程现象的影响机理，从而达到优化工艺参数的目的，如熔池形态温度的变化规律，飞溅的产生规律等；第二类是将监测信号作为反馈实现工艺过程的闭环控制，达到提高构件力学性能和几何精度的目的；第三类是近年来随着人工智
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-5-能的发展而出现的，使用监测信号与构件性能的数据组构成的训练数据，预测构件性能如表面粗糙度，从而达到快速确定工艺参数的目的。1.2.1金属增材制造工艺参数对监测信号的影响规律研究Liu和Farahmand[11]在使用高能二极管激光器的激光熔覆过程中，使用电荷耦合元件（ChargeCoupledDevice，CCD）研究了粉末的空中行为，使用红外相机研究了熔融金属液流与激光的相互作用，此外还将红外相机结合高温计提取熔池温度信号，对此信号进行分析，研究了工艺参数对激光衰减、粉末颗粒加热以及熔覆性能的影响，探究了工艺过程中物质相互作用的机理。受限于信号处理的技术手段，有的图像信号难以直接转换成可以描述物质相互作用的物理量，此研究使用了若干种监测装置，但对不同监测装置采集的信号利用不够充分，比如获取的激光与粉流相互作用的红外图像只进行了宏观的定性趋势分析，图像如1-3所示。图1-3金属粉流与激光相互作用红外图像[11]a)侧视图；b)正视图新加坡国立大学的YingjieZhang等人[12]在激光粉床增材制造中，提出了一种侧视视觉的监测方法。他们使用高速摄像机，在不同的扫描策略下研究了熔池强度，等离子体羽流面积、取向，飞溅数量、面积、方向和飞溅速度等特征，区分了四种熔池形态，研究了等离子羽流和飞溅的产生机理。其中在处理熔池图像时，将图中所有特征统一处理计算了特征尺寸，通过一定的判断规则分别提取熔池和飞溅特征，具体的处理过程如图1-4所示。结果表明等离子体羽流和飞溅的特征信息与能量输入以及熔池状态有关，是建立质量评估的潜在指标。这个结果有助于进一步理解整个工艺过程。
【参考文献】：
期刊论文
[1]金属增材制造过程的在线监测研究综述[J]. 产玉飞,陈长军,张敏. 材料导报. 2019(17)
[2]激光熔覆技术研究现状与发展[J]. 姜波,李金朋. 科技创新导报. 2018(32)
[3]2019年中国智能制造的发展关键点[J]. 设备管理与维修. 2019(04)
[4]金属增材制造技术的关键因素及发展方向[J]. 李昂,刘雪峰,俞波,尹宝强. 工程科学学报. 2019(02)
[5]同轴送粉金属激光3D打印熔池流动、成分分布以及组织生长数值模拟的研究进展[J]. 安晓龙,吕云卓,覃作祥,陆兴. 材料导报. 2018(21)
[6]金属增材制造技术研究与应用现状及趋势[J]. 程俊廷,常天瑞. 中国设备工程. 2018(20)
[7]增材制造过程监控技术现状综述[J]. 叶志鹏,李骞,雷柏茂,朱嘉伟,欧永. 电子产品可靠性与环境试验. 2018(05)
[8]基于局部主动轮廓模型的宽带激光熔覆熔池边缘提取[J]. 雷凯云,秦训鹏,刘华明,倪茂. 光电子·激光. 2018(05)
[9]增材制造（3D打印）技术发展[J]. 卢秉恒,李涤尘. 机械制造与自动化. 2013(04)
硕士论文
[1]盾构关重件激光熔覆精准再制造熔池监测系统研究[D]. 冯志杰.中国矿业大学 2019
[2]基于熔池监控的激光沉积制造成形精度控制研究[D]. 徐丽丽.沈阳航空航天大学 2018
[3]激光增材制造IN625镍基高温合金组织及性能研究[D]. 秦兰兰.安徽工业大学 2017
[4]18Ni300激光增材制造工艺及视觉传感研究[D]. 黄煜华.哈尔滨工业大学 2017
[5]激光深熔焊熔池边缘实时检测及图像处理[D]. 何凯.北京工业大学 2017
[6]CO2激光增材制造熔覆高度实时检测与闭环控制[D]. 杨永兴.哈尔滨工业大学 2016
[7]MAG焊熔池在线监测实验系统的研制及实验研究[D]. 谷勇.华中科技大学 2016
本文编号：3590617
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