一种增材制造过程形变智能实时监控测量装置

摘要

本发明涉及一种增材制造过程形变智能实时监控测量装置,包括工装平台、形变触探装置和形变检测装置；其中,所述工装平台用于放置增材制造成形过程中配合使用的基板；形变触探装置用于增材制造成形过程中的形变测量；形变检测装置,与形变触探装置以无线或有线方式相连,用于实时监测与基板触探接触的形变触探装置在成形过程中的的形变量，通过在形变监测装置上实时监控基板不同区域的探头的形变情况，得到增材制造成形过程中的基板的实时形变量。本发明能够实时监控成形过程基板的某些位置处的形变量，用于指导成形过程工艺方案的选择优化，改善成形过程质量。

说明书

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种增材制造过程形变智能实时监控测量装置。

背景技术

现有技术中,增材制造技术以高能热源(激光、电子束、电弧等高能束)为基础，通过将原材料原位冶金熔化，实现制件的成形，金属制件一般在基板上成形，待成形完成后基板根据需要进行切除。

由于高能热源在熔化原材料过程中，将大部分热量以热传导的形式传到基板上，基板在高能热源循环作用下，由于成形过程工艺参数不合理以及热量的累积产生基板变形甚至开裂现象时有发生，影响了增材制造过程的正常进行，导致成形过程中断甚至制得的零件报废。传统的工装装置虽然降低了成形过程的变形风险，但是由于无法实时监控成形过程形变量，难以定量说明成形过程变形情况。

发明内容

本发明的目的是提供一种增材制造过程形变智能实时监控测量装置，能够实时监控成形过程基板主要位置处的形变量，指导成形过程工艺方案选择优化，改善成形过程质量。

一种增材制造过程形变智能实时监控测量装置,包括工装平台、形变触探装置和形变检测装置。其中,工装平台用于放置增材制造成形过程中配合使用的基板；形变触探装置用于增材制造成形过程中的形变测量；形变检测装置,与形变触探装置以无线或有线方式相连,用于实时监测与基板触探接触的形变触探装置在成形过程中的的形变量，通过在形变监测装置上实时监控基板不同区域的形变情况，得到增材制造成形过程中的基板的实时形变量。

进一步地，所述形变触探装置具体设置为探头。

进一步地，还设置有与形变智能实时监控测量装置相配合的基板,用于放置增材制造成形零件，其固定在工装平台上,并与形变触探装置的探头触探接触。

进一步地，在工装平台上设置至少16个形变测量点，在每个测量点均对应设置一个形变触探装置的探头。

进一步地，每一个所述探头始终均与所述基板触探接触。

进一步地，本发明还提供采用形变智能实时监控测量装置的增材制造方法,在增材制造成形过程中,采取以下步骤：

1)零件成形：按照一定的成形工艺方案，进行零件的打印成形；

2)形变监测：伴随零件成形过程的进行，基板的不同位置产生不同的形变情况，形变触探装置的各探头由于始终与基板4接触，因此各探头会随着基板的形变情况而产生位移；形变触探装置的变化的具体形变量通过形变检测装置检测；

3)形变测量：形变检测装置实时测量各个形变触探探头位移的变化，对各个测量点进行形变数据的实时反馈，从而实时监控增材制造成形过程中的形变量变化情况；

4)成形工艺方案优化：当监测的形变检测装置中某些测量点的形变量过于异常时，及时进行成形工艺方案优化，从而降低零件成形过程的形变量，保证零件成形过程的进行。

进一步地,当形变检测装置监测的所有形变触探装置的各个探头的形变量差值相差不大时，表明成形过程中基板的各个区域应力水平相当。

进一步地，在成形过程之前，形变检测装置事先设置基板的某一区域位置形变量绝对阈值及不同测量点的形变量相对阈值，在成形过程中,当形变检测装置监测的各个探头所反映的基板的某一区域位置形变量绝对值超过形变量绝对阈值或不同形变测量点的形变量相对值超过这些不同形变测量点事先设置的形变量相对阈值时，则形变检测装置提示需要进行成形工艺方案优化。

进一步地,在成形过程之前，在增材制造成形过程前,将满足尺寸与质量要求的基板固定在工装平台上,并将形变触探装置安装在工装平台相应的形变测量点位置。

进一步地,在成形过程之前，启动形变检测装置并归零,同时对形变触探装置的有效性、灵敏度进行验证。

本发明的有益效果

本发明的增材制造过程形变智能实时监控测量装置，能够实时监控成形过程基板的某些位置处的形变量，用于指导成形过程工艺方案的选择优化，改善成形过程质量。一方面装置中工装平台的利用可以大大降低成形过程中的形变量，另一方面可以对成形过程中的基板形变进行实时监控与反馈，进而优化成形工艺参数，降低形变量，确保成形过程稳定进行，保证增材制造制件的成形质量，提高产品的合格率，降低研制综合成本。

附图说明

图1为增材制造过程形变智能实时监控测量装置示意图；

图2为形变触探装置示意图；

图3为成形前基板放置在工装平台时基板与工装平台的关系示意图。

图中：1.工装平台、2.形变触探装置、3.形变检测装置、4.基板、5.零件。

具体实施方式

为了更好的理解本发明的技术方案，本发明内容包括但不限于下文中的具体实施方式，相似的技术和方法都应该视为本发明保护的范畴之内。为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

应当明确，本发明所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

由图1-3所示，本发明提供了一种增材制造过程形变智能实时监控测量装置。该测量装置包括工装平台1、形变触探装置2、形变检测装置3。其中,工装平台1用于放置增材制造成形过程中配合使用的基板4，同时工装平台1可以与基板4一同进行后续后处理过程，该工装平台1可强化该基板4,尤其是薄基板的抗变形能力；形变触探装置2具体设置为探头,如图2所示,在工装平台1上设置至少16个形变测量点，在每个测量点均设置一个探头,用于增材制造成形过程中的形变测量，从而保证实时监测基板1在需要重点监测的形变位置处的形变量,每一个探头始终均与基板触探接触。形变检测装置3与形变触探装置2以无线或有线方式相连,用于实时监测与基板触探接触的形变触探装置2在成形过程中的的形变量，具体为形变检测装置3实时监测各探头的形变量,由于探头的形变量反映了基板4的形变量及其变化,因此,通过在形变监测装置3上实时监控基板4不同部位的探头的形变情况，可以实时监控增材制造成形过程中的基板4的实时形变量，从而反馈到成形工艺方案中，进行工艺方案优化，降低基板4的形变量，确保成形过程稳定进行。与形变智能实时监控测量装置配合使用的基板4,用于放置增材制造成形零件，其固定在工装平台1上,并与形变触探装置2的探头触探接触。成形零件5的增材制造过程在基板4上完成。

本发明还提供一种增材制造过程形变智能实时监控测量装置在成形零件的增材制造过程中形变实时监测的应用。

具体的实施过程如下：

S1.增材制造成形前准备：

(1)工装平台固定，通过压板以及禁锢螺栓将工装平台1固定在成形腔平台上，防止成形过程工装出现位移晃动等现象。

(2)基板1与工装平台固定：将满足尺寸与质量要求的基板4固定在工装平台1上，如图3所示。

(3)形变触探装置2安装：将形变触探装置2安装在工装平台1上设置的相应的形变测量点位置，如图2所示,至少设置有16个,也可以根据需求来进行调整。通过调整触探探头位置，保证每一个探头与基板4触探接触。

(4)形变检测装置启动并归零：打开形变检测装置3，并将现有检测点形变量归零。

(5)形变触探装置2有效性、灵敏度验证：形变触探装置2的探头为可自由伸缩装置，在形变检测装置3启动并归零后，每一个形变触探装置2现有位置的相对形变量均为零。对所有形变触探装置2进行有效性、灵活性验证，通过对每个形变触探探头手动调节，形变触探装置2的每个探头相对初始零点会发生位移，正常情况下在形变检测装置3上会出现形变量的变化而产生形变曲线的波动。对没有任何形变曲线波动以及波动反馈延迟的形变智能实时监控测量装置中的部件进行更换，从而确保形变触探装置2的有效性、灵活性。在激光、电弧、电子束等增材制造成形过程中，由于工艺参数变化的影响，导致基板4的不同区域的热累积不同，当基板4的某区域的热累积产生的应力超过材料的屈服强度时，该基板4的该区域处的零件就会产生宏观应力变形，此时该基板4的该区域处的零件连同基板4就翘曲，而形变触探装置2的探头由于时刻与基板4保持触探接触，因此,形变触探装置2的各探头形变量的变化反映为基板4的翘曲的形变量及变化。在成形开始时的形变触探装置2相对形变量为零，伴随着成形过程的进行，形变触探装置2则会随着成形过程产生的形变而发生变化,在该验证过程中,通过反复调节各个触探探头，查看形变监测装置3中相应检测点的形变位移情况，保证各个监测点的触探探头有效且灵敏。

(6)形变检测装置3重新归零：在对形变触探装置2有效性、灵敏度验证后，对各检测点形变量重新归零，完成增材制造成形前的准备工作。

S2.增材制造成形过程中：

1)零件成形：按照一定的成形工艺方案，进行零件的打印成形。高能热量按照预定的路径及策略选择性进行热累积，随着成形过程的进行，热输入量会逐渐增多，同时由于热输入量导致的热累积也逐渐增加，从而导致成形过程基板有可能产生变形甚至开裂。

2)形变监测：伴随零件成形过程的进行，基板4的不同位置会产生不同的形变情况，形变触探装置2的各探头由于始终与基板4接触，因此各探头会随着基板4的形变情况而产生位移；形变触探装置2的变化的具体形变量通过形变检测装置3检测。

3)形变测量：形变检测装置3实时测量各个形变触探探头位移的变化，对各个测量点进行形变数据实时反馈，从而监控增材制造成形过程形变量变化情况。

4)成形工艺方案优化：当监测的形变检测装置3中某些测量点的形变量过于异常时，及时进行成形工艺方案优化，从而降低零件成形过程形变量，保证零件成形过程的进行。在成形之前，形变检测装置事先设置基板的某一区域位置形变量绝对阈值及不同测量点的形变量相对阈值，在成形过程中,当形变检测装置监测的各个探头所反映的基板4的某一区域位置形变量绝对值超过形变量绝对阈值或不同形变测量点的形变量相对值超过形变测量点事先设置的形变量相对阈值时，则成形检测装置3会提示需要进行成形工艺方案优化，以防止基板4的成形形变量继续增大而产生开裂的风险。

由于形变量是成形过程应力导致，形变量的不均匀体现了成形过程应力的不均匀，成形过程应力的不均匀会导致因应力引起零件的开裂。通过形变检测装置3对各探头的形变量的监测形成形变曲线,该曲线实时反馈不同测量点位置形变触探探头相对变形量的变化，每个不同位置的变形量反映了基板不同区域的形变量及其变化。因此形变检测装置3的形变曲线会直接体现成形过程零件不同位置的形变量。当形变检测装置3监测的所有形变触探装置2的各个探头的形变量差值相差不大时，表明成形过程各个基板4的区域应力水平相当，因而不会产生因应力不均匀而导致基板4开裂的现象。

S3.增材制造成形完成后：

<1>当零件5成形完成后，形变检测装置3给出各个测量点的形变曲线及数值，作为后续工艺优化的基础数据。

<2>拆除形变触探装置2，完成数据采集后，将形变触探装置2取出，以便下次继续使用。

<3>将连带工装平台1的基板4及零件5一同进行后续热处理等过程，防止残余应变产生变形。

上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求书的保护范围内。