选区激光熔化中熔池红外图像处理及其应用研究

发布时间：2021-11-22 12:21

　　选区激光熔化技术是一种先进的数字化制造技术,其利用激光束按照已规划的路径,作用于金属粉末,使粉末熔化后凝固成形。目前,选区激光熔化技术已应用于航天、医学、军工、模具等多个领域。由选区激光熔化技术的成形过程可知,每一个成形实体都是由微小的激光作用单元熔池堆叠而成,熔池将直接影响到成形质量的好坏。因此,对选区激光熔化过程中的熔池进行监控具有重要意义。本文采用Lumasense近红外热像仪,对成形过程进行监测,实时跟踪熔池位置并获取红外图像。采用Ti-6Al-4V粉末打印40个单层熔覆道,用红外热像仪的不同测温区间记录打印过程,并对获取的红外图像预处理。结合理论分析得出熔池温度梯度分布特点,确定了红外图像中的熔池边界,提取熔池,计算出熔池宽度。之后,建立红外图像中熔池宽度与实际成形熔覆道宽度的对应关系,在新的实验组上进行验证,发现从红外图像中提取出的熔池经过映射关系得出的熔覆道宽度与实测熔覆道宽度相对误差为5%左右,表明熔池提取方法的可靠性。通过对熔池提取的研究,表明红外图像中蕴含着熔池丰富的特征信息。实际成形过程中,由于激光的快速作用,在短时间内可以捕捉到大量的熔池信息;为了高效地处理熔池... 

【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院重庆绿色智能技术研究院)重庆市

【文章页数】：79 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

(a)EBM设备，(b)成形样品Figure1.1(a)EBMequipment,(b)Formedsamplesof3Dprinting.

第2章选区激光熔化设备及监测系统11第2章选区激光熔化设备及监测系统本课题基于选区激光熔化设备搭建红外监测系统，监控激光扫描过程中的熔池形态，获取红外图像并进行熔池特征提取，利用深度学习技术对不同工艺参数下的熔覆道尺寸进行预测，实现选区激光熔化过程的在线监控。本章详细介绍实验设备、原材料及红外成像系统。2.1选区激光熔化设备简介2.1.1总体介绍选区激光熔化设备为课题组自主研发，如图2.1所示，主要由光源系统、激光扫描系统、气氛控制系统、铺粉装置、软件控制系统、熔池检测系统等组成。图2.1选区激光熔化设备Figure2.1Selectivelasermeltingequipment.在激光扫描系统中，光源为波长1070nm，最大功率500W的近红外光纤激光器，光斑直径为92μm。激光经由反射镜、扩束镜、动态聚焦透镜进入振镜系统，作用于成形平台的指定区域。通过控制激光功率、扫描时间与路径，实现不同需求的具体零件制造，搭建的光路系统如图2.2所示。

选区激光熔化中熔池红外图像处理及其应用研究12图2.2光路系统Figure2.2Opticalsystem.成形腔是激光选区熔化设备必不可少的部件，装备的最大成形高度（z方向）为250mm，面积（即xy方向）为250mm×250mm。粉末系统中，料斗中的粉末经过漏粉装置进行粉末传输，准确控制输送到打印平台上的粉末量，与刮板装置配合将粉末均匀铺设在平台上，以满足不同粒径材料、不同铺粉厚度的要求。选区激光熔化中的零件制造是通过逐层累加的方式进行，即在高度方向上（z方向）通过平台的升降实现。在升降系统中，升降机构的承载强度需考虑到不同材料最大打印尺寸的重量，运动精度也会影响铺粉厚度控制及成形件的成形精度。粉末成形过程中，需要严格控制成形腔内的含氧量，通过氛围系统（包括真空泵、压力传感器、电磁阀、流量计、鼓风机等）降低氧浓度到指定目标值，并将保护气体氩气充入成形腔，直至腔体压力与外界大气压基本平衡。此外，电气控制系统对各个系统进行流程控制，软件控制系统主要有运动控制模块、扫描控制模块、氛围系统模块、打印参数显示模块。其中运动控制模块主要实现粉末系统、升降系统的运动控制，扫描控制模块主要对振镜、激光器进行控制。2.1.2光路系统选区激光熔化利用相机进行监测成形过程时，相机的安装方式主要有同轴（拉格朗日参考系）安装和离轴（欧拉参考系）安装，如图2.3所示。其中，离轴安装将相机固定在设备外中的某个位置，并根据相应需求调节成像角度，能够进行视场范围内的全局观测，对视场内的熔融行为理解更为直观。Grassoetal.在镜头前加上显微镜头，观测精度更高[51]。通常制造过程涉及区域超出了相机的视


本文编号：3511680