在增材制造过程中实时测量零件应变的方法

摘要

本发明提供了一种在增材制造过程中实时测量零件应变的方法包括步骤：S1，在加工区域设置防护罩并在防护罩外架设DIC摄像机，DIC摄像机与计算机连接；S2，标定出DIC摄像机与加工区域的相对位置；S3，采用单色光源沿一定角度照射加工区域；S4，采用激光熔敷喷头进行增材制造零件，使DIC摄像机视野的边缘处于激光熔敷喷头正在熔敷的区域；S5，零件表面产生散斑，DIC摄像机拍摄各个时刻的零件表面，采集图片的软件对各图片上的散斑质量进行评估；S6，分析应变的软件对不同时刻的图片中零件表面的特征进行分析，得到不同时刻的应变分布云图，揭示出在增材制造过程中的应变分布及其演变规律。本发明无需预先喷溅涂料作为散斑，操作简单、方便。

说明书

技术领域

本发明涉及制造技术领域，尤其涉及一种在增材制造过程中实时测量零件应变的方法。

背景技术

增材制造技术(也称3D打印技术)是以粉末、颗粒或金属丝材为原料，通过分层制造、逐层叠加的原理，从三维CAD模型和金属粉末直接制备零件的方法。当前增材制造技术发展得很快，并在航天航空领域复杂金属零件制造上得到应用。制约增材制造技术主要的一个技术瓶颈就是在增材制造过程中剧烈的、循环加热/冷却条件下，在零件内产生分布及演化极其复杂的内应力以及导致零件变形开裂。这将影响零件的精度尺寸，甚至会使零件发生翘曲及开裂现象，最终导致零件无法使用。针对增材制造中成型件的变形问题，当前大部分学者停留在采用表面轮廓测量仪、激光三维扫描仪等手段测量增材制造加工结束后基板的最终变形。以上这些方法只能在加工结束后进行，并且只能反映基板的变形，而不能揭示增材制造过程中加工零件的实时变形情况。

美国宾夕法尼亚州立大学的研究人员提出在增材制造过程中对基板的变形进行实时测量，其采用激光位移传感器测量悬臂约束下基板背面若干点在增材过程中沿高度方向的位移，从而反映基板在整个过程的翘曲变形情况。该方法可以揭示一些增材制造加工过程中的变形演变规律，并且可以作为验证数值模拟变形计算的手段。然而，由于采用位移传感器只能针对某个方向上的有限点进行动态实时变形测量。另外，和当前所有实时变形测量方法一样，该方法最大的一个局限是只能测量基板的变形情况。

数字图像相关(Digital Image Correlation，简称DIC)是一种新的应变场测量技术。该方法利用经过标定的摄像机跟踪被测对象表面的图像特征的移动，通过测量试样表面特征的空间位置变化，从而计算试样表面的应变分布。DIC具有非接触、高精度及可获得局部区域全部应变信息等优点。目前有研究人员将DIC技术应用到焊接过程中测量远离焊缝区的应变分布。测量前需要使用适当的方法在试样表面制备随机分布的高对比度的散斑(通常是在需要测量应变的区域喷涂白色的高温涂料作为背景，然后在白色涂料上喷涂适量黑色的斑点)。在测量时，使用两个空间位置经过提前标定的高分辨率数字摄像机以一定的频率拍摄试样表面斑点的图像。拍摄图像后，通过软件使用数字图像相关算法，跟踪试样表面特征在三维空间的位移，进而计算得到材料表面的应变分布。

在增材制造中利用DIC方法进行应变测量存在两个关键问题。其一是增材制造过程中加工的零件是“从无到有”的过程，因此无法按照传统制造散斑的方法那样在表面制备随机散斑。其二是尽管可以在零件打印一半的时候停下来制备散斑，然后接着打印，但是目前散斑制作均采用涂料作为基底，在非常靠近熔池的区域，涂料会被烧损，因此只能测量远离熔池区域的应变。另外，高温、弧光及保护气体都有可能使得斑点不清晰，也会影响测量。

发明内容

鉴于背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种在增材制造过程中实时测量零件应变的方法，其无需预先喷溅高温涂料作为散斑，操作简单方便，能够揭示出在增材制造加工过程中的应变分布及其演变规律。

为了实现上述目的，本发明提供了一种在增材制造过程中实时测量零件应变的方法，其包括步骤：S1、S2、S3、S4、S5以及S6。

S1，提供采用增材制造技术加工零件的加工区域，在加工区域设置透明的防护罩并在防护罩外架设DIC摄像机，DIC摄像机固定于相机支架上且与安装有采集图片的软件和分析应变的软件的计算机连接。

S2，标定出DIC摄像机与加工区域的相对位置，以使DIC摄像机的视野涵盖整个加工区域。

S3，采用单色光源沿一定角度照射加工区域，且DIC摄像机的镜头前添加有与光源具有相同颜色的滤光片。

S4，采用激光熔敷喷头在防护罩内的加工区域进行增材制造零件，微调相机支架的角度以使DIC摄像机视野的边缘处于激光熔敷喷头正在熔敷的区域。

S5，零件成型到一定高度后，零件表面产生凹凸不平的散斑，DIC摄像机实时拍摄各个时刻的零件表面，计算机中的采集图片的软件对DIC摄像机拍摄到的各图片上的散斑质量进行评估。

S6，计算机中的采集图片的软件控制DIC摄像机采集不同时刻时零件表面的图片，分析应变的软件对不同时刻的图片中零件表面的特征进行分析处理，从而得到不同时刻的零件表面的应变分布云图。

本发明的有益效果如下：

根据本发明的在增材制造过程中实时测量零件应变的方法中，本发明无需预先喷溅涂料作为散斑，而是直接将零件表面的粗糙表面作为散斑，这种操作简单、方便。而且本发明采用这种特殊的“散斑”，并利用DIC摄像机可以拍摄尽可能靠近熔池的区域，避免了传统涂料易烧损的局限。此外，本发明基于计算机中的采集图片的软件和分析应变的软件获得增材制造过程中制造出的零件表面的实时应变场，从而能够揭示出在增材制造加工过程中的应变分布及其演变规律。

附图说明

图1是根据本发明的在增材制造过程中实时测量零件应变的方法所采用的测量装置的示意图。

图2是对针对某一时刻的散斑质量评估结果。

图3是增材制造过程中一时刻的零件应变云图。

图4是增材制造过程中另一时刻的零件应变云图。

其中，附图标记说明如下：

1加工区域6滤光片

2防护罩7激光熔敷喷头

3DIC摄像机 8零件表面

4计算机9熔池

5单色光源

具体实施方式

下面参照附图来详细说明根据本发明的在增材制造过程中实时测量零件应变的方法。

参照图1至图4，根据本发明的在增材制造过程中实时测量零件应变的方法包括步骤：S1、S2、S3、S4、S5以及S6。

S1，提供采用增材制造技术加工零件的加工区域1，在加工区域1设置透明的防护罩2并在防护罩2外架设DIC摄像机3，DIC摄像机3固定于相机支架(未示出)上且与安装有采集图片的软件和分析应变的软件的计算机 4连接。这里，防护罩2可采用玻璃制成，防护罩2的作用一方面是为了防止加工区域1内的零件氧化，另一方面是可以避免激光长时间直接照射在 DIC摄像机3上对摄像机3的镜头造成损坏。S2，标定出DIC摄像机3与加工区域1的相对位置，以使DIC摄像机3的视野涵盖整个加工区域1。

S3，采用单色光源5沿一定角度照射加工区域1，且DIC摄像机3的镜头前添加有与光源5具有相同颜色的滤光片6。

S4，采用激光熔敷喷头7在防护罩2内的加工区域1进行增材制造零件，微调相机支架的角度以使DIC摄像机3视野的边缘处于激光熔敷喷头7正在熔敷的区域。

S5，零件成型到一定高度后，零件表面8产生凹凸不平的散斑(即粗糙表面)，DIC摄像机3实时拍摄各个时刻的零件表面8，计算机4中的采集图片的软件对DIC摄像机3拍摄到的各图片上的散斑质量进行评估。

S6，计算机4中的采集图片的软件控制DIC摄像机3采集不同时刻时零件表面8的图片，分析应变的软件对不同时刻的图片中零件表面8的特征(即各散斑的空间位置变化)进行分析处理，从而得到不同时刻的零件表面8的应变分布云图(即实时应变场)。

根据本发明的在增材制造过程中实时测量零件应变的方法中，本发明无需预先喷溅涂料作为散斑，而是直接将零件表面8的粗糙表面作为散斑，这种操作简单、方便。而且本发明采用这种特殊的“散斑”，并利用DIC摄像机3可以拍摄尽可能靠近熔池的区域(即激光熔敷喷头7正在熔敷的区域)，避免了传统涂料易烧损的局限。此外，本发明基于计算机4中的采集图片的软件和分析应变的软件获得增材制造过程中制造出的零件表面8的实时应变场，从而能够揭示出在增材制造加工过程中的应变分布及其演变规律。

根据本发明的在增材制造过程中实时测量零件应变的方法中，计算机4 中安装的采集图片的软件可为Vic-Snap 8，而分析应变的软件为Vic-2D 6。此时，防护罩2、光源5、滤光片6、DIC摄像机3和计算机4自身以及计算机4上安装的Vic-Snap 8、Vic-2D 6一起构成非接触式全场应变测量系统。其中，Vic-Snap 8主要用于记录数据及操作DIC摄像机3，同时在拍摄过程中采集图片并对散斑质量进行评估，Vic-2D 6主要用于分析图片。

根据本发明的在增材制造过程中实时测量零件应变的方法中，步骤S2 可包括步骤：S21，在加工区域1，垂直放置一个与需要加工出的零件的尺寸相差不大的标定板(未示出)；S22，调整相机支架相对标定板的位置，使 DIC摄像机3的视野涵盖整个加工区域1；S23，调节DIC摄像机3的镜头，使DIC摄像机3的视野清晰；以及S24，移走标定板。

在步骤S3中，由于熔池本身发光导致拍摄对比度降低，严重影响散斑的质量，需要考虑合适的滤光和补光方案。因此，采用单色光源5进行补光，在DIC摄像机3的镜头前添加滤光片6进行滤光。其中，单色光源5可为蓝色光源，滤光片6为蓝色滤光片。这里，采用蓝色光源沿一定角度照射防护罩2的内部可以提高反射光的强度，而在DIC摄像机镜头前加蓝色滤光片，可以尽量减少热辐射和其他波长的光的影响。同时，由于蓝色光的波长小于激光熔敷喷头7发出的激光的波长，有效地减少了激光及其它波长的光对拍摄过程带来的干扰。

在步骤S5中，针对某一时刻，若DIC摄像机3拍摄到的图片上的散斑质量较差，通过调整蓝色光源5角度、微调DIC摄像机3的光圈和曝光以使 DIC摄像机3拍摄到符合要求的图片。

在步骤S5中，针对某一时刻，若DIC摄像机3拍摄到的图片上的散斑质量较好(符合需求)，则继续进行拍摄采集，并且保证在后续过程中光源 5及镜头角度保持不变，直到零件成型到越来越高、且零件的沉积区域离开 DIC摄像机3的视野后，再重新调节DIC摄像机视野，并再次对散斑质量进行评估、拍摄采集，直至零件加工完毕。在本发明中，如果散斑区域以紫色和蓝色为主，那么散斑便具有较好的质量。

在这里补充说明的是，散斑质量评估需综合衡量散斑大小、密度、分布随机度和灰度等信息。散斑太小则DIC摄像机3难以识别，散斑太大则会在计算机4上的采集图片的软件中显示为一团黑色，无法参与分析；散斑太稀或太密都会导致信息不足；散斑分布随机度不够，会影响分析应变的软件在分析过程中的精确度；散斑灰度不够则会影响图片对比度，使得分析精度降低。

在步骤S6中，各时刻的图片中零件表面8的特征为各散斑的空间位置，而同一散斑在两个不同时刻的空间位置产生了变化，分析应变的软件基于各散斑的空间位置变化得到不同时刻的零件表面8的应变分布云图。具体地，各散斑的空间位置可以用各散斑在零件表面8上的二维坐标表示。

根据本发明的在增材制造过程中实时测量零件应变的方法中，加工区域 1可为基板或工作台的上表面或者已成型的零件表面。

在一实施例中，采用本发明所述的方法进行增材制造Ti-6Al-4V合金单臂墙零件，利用Vic-Snap 8得到某一时刻的散斑质量评估结果，如图2所示，该图中的大部分区域主要以紫色和蓝色为主，图像质量良好，相应地散斑质量良好。然后通过Vic-2D 6进行处理，得到增材制造过程不同时刻下全场应变分布云图，如图3和图4所示。从图3和图4中可以看出，在增材制造过程中，激光熔敷喷头7扫过的下方区域应变会发生较为明显的增加，这是由于该区域经历的温度最高，成型材料受热膨胀发生变形最为明显导致的。并且，在已沉积材料上，越靠近熔池区域的应变越大，远离熔池区域的应变小。

最后补充说明的是，本发明所使用的Vic-2D系统为Correlated Solutions 公司所生产。DIC摄像机3的参数如下：HS-UX50 160K高速测量头；相片最大分辨率1280*1024；满帧频率2000Hz；曝光时间4us到20us；4GB板载内存，最多可连续拍摄41.3s；Nikon Nikkor60mm f/2.8D广角镜头，可安装 62mm滤镜。Vic-2D系统包括Vic-Snap 8和Vic-2D 6。在Vic-2D 6中，操作者可以选取感兴趣的区域进行分析，分析结束后可以查看每一张图片该区域内的场分布，包括：位移场、速度场、应变场、不确定度场等。在不确定度场中，只要大多数区域的不确定度在0.04以下，Vic-2D 6便可以进行分析。