CN109226756A - 一种观测等离子体增材制造过程熔池附近透明流场的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种观测等离子体增材制造过程熔池附近透明流场的装置，包括等离子体增材制造设备、光源系统、光路系统以及成像系统，其中光路系统是由一抛物面反射镜形成的“V”字锥形反射式光路；抛物面反射镜设置在待观测透明流场后，光源系统以及刀口设置在抛物面反射镜的两倍焦距处，关于抛物面反射镜的主光轴对称；在刀口后方设置相机镜头及CCD/CMOS图像传感器。本发明能够对等离子体增材制造过程中熔池附近透明流场开展观测，获得了流场演化过程的光学图像并对出现的问题进行分析，对揭示增材制造过程中流体流动的动力学基本规律、推进高能束增材制造控形控性技术的发展具有重要意义。

Description

一种观测等离子体增材制造过程熔池附近透明流场的装置

技术领域

本发明涉及一种观测等离子体增材制造过程熔池附近透明流场的装置，属于等离子体增材制造技术领域。

背景技术

增材制造（3D打印）技术是指通过材料逐层堆积的方式，根据产品的三维模型直接制造成为实体产品。与传统的减材制造相比，增材制造技术不需要模具，可以直接数字化制造，具有原材料浪费少、工艺简单、制造流程短、可成形复杂外形及结构等特点，这是一种具有创新意义的制造方法，被称为21世纪的制造科学。目前为止，增材制造已在医疗、航空航天、汽车制造、模具、文化创意、教育等领域得到了广泛应用。现有增材制造技术所使用热源主要有激光、电子束和等离子体等。

等离子体增材制造技术利用等离子体焊接电源产生的的电弧为加热热源，通过增加材料的方法制造成形零部件，与以激光和电子束作为热源的增材制造技术相比，其具有沉积效率高、制造成本低等优点。通常分为等离子体熔积成形技术和等离子体选区熔化技术。等离子体熔积成形技术基于逐层熔覆原理，利用传统焊接加工中集束性好、高度压缩的等离子束将同步供给的金属粉末或丝材熔化，并在基板上逐层堆覆直至成形金属零部件。等离子体选区熔化技术的加工原理与激光选区熔化技术和电子束选区熔化的技术加工原理基本相同，将零部件三维模型进行分层并切片，通过预铺粉，控制热源束沿图形轨迹扫描各层合金粉末，使其熔化并快速凝固沉积，逐步堆叠成为三维金属零件，制造精度高，因此可以实现精密复杂构件的直接成形。区别只是热源不同。

增材制造过程中，流体流动都是极为常见且难以避免的物理现象，加工过程中涉及的速度场、高度非平衡态温度场和应力场等物理机制，都将对制造过程及最终成型件的宏观性能产生深远的影响。

目前来讲，在研究增材制造工艺研究过程中，研究者通常利用数值计算的方法对增材制造过程进行模拟，分析零部件制造过程中熔池形状、熔池附近温度分布及熔池的流体动力学等，进而研究提高成型件性能的方法。但是，数值模拟具有一定的局限性，数字方法的可靠性、收敛性、稳定性等均制约着数值模拟技术的应用与推广。此外，边界条件的简化以及参数的近似问题也限制了数值模拟描述工程问题的能力，同时还有计算资源的限制等问题。通过实验方法研究增材过程中流场的演化成为一种必不可少的研究手段。

但是，目前研究领域内的熔池传感方法包括对发射的光进行成像和收集发射的光。就成像而言的红外线（IR）和可见光照相机，以及对光发射检测而言的光电二极管装置（在上游带有或不带红外带通滤波器）都是测温得到热能图像，数据量大，成本较高，且无法观测熔池附近的透明流场演化。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种观测等离子体增材制造过程熔池附近透明流场的装置，研究等离子体增材制造过程中熔池附近透明流场的演化图像，推断与调控凝固过程及所形成的微观组织，从而达到改善增材制造工艺、优化零件成形过程的目标。

为达到上述目的，本发明所述的一种观测等离子体增材制造过程熔池附近透明流场装置，对等离子体增材制造过程中熔池附近透明流场进行非接触式观测。运用光的折射原理，将透明流场的密度分布转变为图像明暗分布，得到等离子体增材制造过程中熔池附近透明流场的光学图像。

本发明的技术方案如下：

一种观测等离子体增材制造过程熔池附近透明流场的装置，包括等离子体增材制造设备、光源系统、光路系统以及成像系统，光源系统包括LED光源以及光纤出射装置；光路系统为抛物面反射镜形成的反射光路；成像系统包括刀口、相机镜头以及CCD/CMOS图像传感器，所述等离子体增材制造设备设置在光源系统与成像系统前端，待观测的等离子体增材制造过程中熔池附近透明流场设置在等离子体增材制造设备的工作台上，所述抛物面反射镜设置在等离子体增材制造设备的工作台前端，所述光源系统、成像系统以及抛物面反射镜形成“V”字锥形反射光路，各部分主轴设置于同一高度。

其中，光源系统选择黄色LED光源，并用1.5mm小直径光纤在铝壳体中耦合近似点光源进行出射，光源系统由可调节光学支架进行支撑固定。

其中，反射镜整体为圆形，镜面为抛物面，设置一V型槽支架相切连接固定。

其中，光源系统设置在抛物面反射镜的两倍焦距处，其中心连线与抛物面反射镜光轴的偏转角为2°。

其中，刀口设置在抛物面反射镜两倍焦距处，对反射光源像进行50%的切割。

其中，相机镜头、CCD/CMOS图像传感器设置在刀口后方，其与抛物面反射镜中心连线和抛物面反射镜主光轴的偏转角为-2°。

其中，等离子体增材制造设备只有后端面开口，其余三面及顶上封闭。

本发明的有益效果是：

本发明所述的一种观测等离子体增材制造过程熔池附近透明流场的装置，通过非接触式光学装置对等离子体增材制造过程中熔池附近透明流场进行观测，得到透明流场的光学图像，将其与流场的数值模拟图像进行对照与分析，将实验与模拟仿真相结合，提高研究效率和准确度，达到改善增材制造工艺、优化零件成形过程的目的。

附图说明

图1是本发明的一种装置的总体布置示意图；

图2是本发明的一种装置的光源系统示意图；

图3是本发明的一种装置的系统之间具体布置示意图；

图4是本发明的一种装置的光路系统中的抛物面反射镜示意图；

图5是图3中抛物面反射镜的固定用V型槽支架示意图；

图6为实际实施例中的观测结果图。

附图标记列表：

1、光源系统；2、抛物面反射镜；3、待观测等离子体增材制造过程中熔池附近透明流场；4、刀口；5、相机镜头；6、CCD/CMOS图像传感器；7、等离子体增材制造设备；8、工作台；9、V型槽支架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明的一种观测等离子体增材制造过程熔池附近透明流场的装置，其实施方式如图1所示，包括光源系统1、抛物面反射镜2、刀口4、相机镜头5以及CCD/CMOS图像传感器6，分体进行布置，中心高度一致，即其主轴与主光轴在一个高度上；所述光源系统1、成像系统以及抛物面反射镜2形成“V”字锥形反射光路，在整个使用过程中，各部分相对位置固定，即形成的光路不发生变化，仅待观测等离子体增材制造过程中熔池附近透明流场3在发生变化，被成像系统记录下来。待观测等离子体增材制造过程中熔池附近透明流场3设置在抛物面反射镜2与成像系统之间。

实际实践过程中，为了确定非接触式光学装置各部分的摆放位置，首先对采用的等离子体增材制造设备的工作空间及布置进行测量。设备三面及顶上封闭，只有一面有金属门可以打开，内腔尺寸为1.2m×1.2m×1.6m，其中内腔高为1.6m，打印平台尺寸则为0.6m×0.6m。XYZ三轴运动平台带动喷嘴以及送丝头整体横跨打印平台在X轴方向上同步移动，Z轴的移动在X轴平移立柱上进行，Y轴的移动则在Z轴平移横梁上进行，在打印平台的-X轴方向还布置有远端送丝机。等离子体增材制造设备的热源采用的是成都真火科技研制的层流电弧等离子束。这是一种高效、高能、可数字化控制的束状超高温热源，且配套有其公司研制专用数控系统。高温等离子束由高纯氩电离产生，保护气也是高纯氩，同时又冷却的作用，喷嘴的直径为5mm。丝料的材质选用的是316L不锈钢，新标准牌号为022Cr17Ni12Mo2，其有耐大气腐蚀、高温强度好、加工硬化优等特点，非常适合用于金属增材制造，且其直径为1.2mm。

如图2所示，光源系统以及刀口均处于抛物面反射镜的两倍焦距处，关于抛物面反射镜的主光轴对称，偏转角为2°，方向相反。可根据具体等离子体增材制造设备的尺寸，选择适当的抛物面焦距以及偏转角。

如图3所示，光源系统1选用LED光源。具体的， LED光源设置在铝壳体内，为满足本发明的一种方法近似点光源方式进行出射的要求，优选方案是：在铝壳中设置小直径的光纤进行出射，直径优选为1.5mm左右。整体光源系统由可调节光学支架进行支撑固定，以便在进行观测时实现高度和角度的调节。

图4是抛物面反射镜2的示意图。抛物面反射镜2制造的优选方案是：使用反射率高的铝金属进行制造，使用金刚石刀进行车、抛光工艺，最后镀膜。如图5所示的V型槽支架9，V型槽支架9与圆形抛物面反射镜2相切。具体的，设置两连接件使V型槽与抛物面反射镜固定，使得圆形反射镜竖立在平台上。

具体的， LED光源以及点光源出射装置组成的光源系统1，设置在抛物面反射镜2的两倍焦距处，出射的光线穿过待观测等离子体增材制造过程中熔池附近透明流场3后发生折射，经过抛物面反射镜2的反射，在抛物面反射镜2两倍焦距处得到一个等大倒立的实像，被设置在此处的刀口5切割，进入相机镜头6，在CCD/CMOS图像传感器7上成像，实现对等离子体增材制造过程中熔池附近透明流场的观测。

图6为本发明在实际实践过程中得到的观测结果图。清楚记录了从基底加热开始到打印进行的这一连串过程中熔池附近透明流场的流动变化，将其与流场的数值模拟图像进行对照与分析，将实验与模拟仿真相结合，即可提高研究效率和准确度，达到改善增材制造工艺、优化零件成形过程的目的。

以上所述仅是本发明的一种装置的一次实际操作应用，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种观测等离子体增材制造过程熔池附近透明流场的装置，其特征在于：包括等离子体增材制造设备、光源系统、光路系统以及成像系统，光源系统包括LED光源以及光纤出射装置；光路系统为抛物面反射镜形成的反射光路；成像系统包括刀口、相机镜头以及CCD/CMOS图像传感器，所述等离子体增材制造设备设置在光源系统与成像系统前端，待观测的等离子体增材制造过程中熔池附近透明流场设置在等离子体增材制造设备的工作台上，所述抛物面反射镜设置在等离子体增材制造设备的工作台前端，所述光源系统、成像系统以及抛物面反射镜形成“V”字锥形反射光路，各部分主轴设置于同一高度。

2.根据权利要求1所述的一种观测等离子体增材制造过程熔池附近透明流场的装置，其特征在于：所述光源系统为黄色LED光源，并用1.5mm小直径光纤在铝壳体中耦合近似点光源进行出射，光源系统由可调节光学支架进行支撑固定。

3.根据权利要求1所述的一种观测等离子体增材制造过程熔池附近透明流场的装置，其特征在于：所述反射镜整体为圆形，镜面为抛物面，设置一V型槽支架与之相切连接固定。

4.根据权利要求1所述的一种观测等离子体增材制造过程熔池附近透明流场的装置，其特征在于：所述光源系统设置在抛物面反射镜的两倍焦距处，其中心连线与抛物面反射镜光轴的偏转角为2°。

5.根据权利要求1所述的一种观测等离子体增材制造过程熔池附近透明流场的装置，其特征在于：所述刀口设置在抛物面反射镜两倍焦距处，对反射光源像进行50%的切割。

6.根据权利要求5所述的一种观测等离子体增材制造过程熔池附近透明流场的装置，其特征在于：所述相机镜头、CCD/CMOS图像传感器设置在刀口后方，其与抛物面反射镜中心连线和抛物面反射镜主光轴的偏转角为-2°。

7.根据权利要求1所述的一种观测等离子体增材制造过程熔池附近透明流场的装置，其特征在于：所述等离子体增材制造设备只有后端面开口，其余三面及顶上封闭。