一种激光同轴熔融与检测反馈控制的增材制造系统

本发明属于增材制造技术领域，涉及一种激光同轴熔融与检测反馈控制的增材制造系统。

背景技术：

激光增材制造技术是一种通过对零件三维模型进行分层，然后根据分层情况规划成形路径，最后通过激光，使材料熔融并利用“自下而上”累加的方式，实现零件成形的成形方式，是一种实现三维零件快速成形制造的新型制造方法。通过激光增材制造，可以实现将金属材料粉末层层堆叠焊接起来制造三维零件的目标。

功能梯度材料是指两种或多种材料复合且成分和结构呈连续梯度变化的一种新型复合材料，简单来说，就是材料的成分沿厚度方向由一侧向另一侧连续变化，从而实现材料的性质和功能也呈连续性变化的材料。激光增材制造技术可用于制造功能梯度材料，其中，使用金属材料的混合粉末来制造功能梯度材料是激光增材制造领域的重要应用之一。

激光增材制造过程中，为了控制成形质量，成形材料的熔池温度应当控制在合理的范围内。成形过程中，熔池温度的剧烈变化，可能会导致成形零件内部出现不可预知的裂纹和气泡等缺陷。对于功能梯度材料的成形来说，不同梯度区域的金属粉末混合比例不同，即对应着不同的成形温度的需求，因此，更需要通过对于金属粉末混合比例和成形温度的实时在线监控，实现对成形激光功率的反馈控制。更进一步地，通过对金属粉末混合比例和成形温度的实时在线监控，可以实现对激光功率、扫描间距、扫描速度、基板粉末厚度等重要成形参数的实时优化。

激光诱导击穿光谱（libs）技术是一种材料成分检测技术，该技术使用高能激光脉冲聚焦于样品表面，当高能激光聚焦于材料表面并达到光学击穿阈值时，样品被聚焦处的部分材料会转化成等离子状态，然后使用信号采集仪收集来自等离子体的光谱，并利用光谱仪分析收集到的光谱信息，从而可以准确确定被测样品的组成成分和成分比例。双色辐射高温计又称为比色高温计，它是利用同一物体发射的两个不同波段的波长，其光谱的辐射亮度经过光电转换两路输出信号的比值与温度的单值关系来确定物体的温度。它属于一种非接触式测温，其理论源于黑体辐射能量分布的普朗克定理。双色辐射高温计对温度的检测受探头和检测对象之间的烟尘、杂质、保护气体等的干扰小，可以准确检测激光增材制造过程中材料的高温熔池温度。利用双色辐射高温计的温度监控和libs装置的成分检测，可以实现对功能梯度材料的激光增材制造过程进行实时监控和反馈控制。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种实现功能梯度材料激光同轴熔融与检测反馈控制的增材制造系统，该装置共用一套光学系统，具有体积小，结构紧凑，能对功能梯度材料的成形制造过程进行实时检测反馈控制等优点。

本发明采用的技术方案是：

一种功能梯度材料激光同轴熔融与检测反馈控制的增材制造系统，包括成形室，所述成形室内设有光纤激光器，所述的光纤激光器产生成形激光光束；成形激光光束依次通过光束隔离器、扩束镜、第一分束镜、扫描振镜、f-θ镜，聚焦于成形室底部的成形缸内的混合粉末的表面，使混合粉末熔化；当成形激光光束离开粉末表面后，已经熔化的粉末凝固形成成形件；

成形室底部设有铺粉辊筒，铺粉辊筒将待处理粉末均匀地铺平于成形缸已有粉末的上表面，多余的粉末在铺粉辊筒的作用下进入粉末回收缸成形缸底部设有第一升降台回收缸底部设有第二升降台；

所述增材制造系统包括libs激光器，所述的libs激光器产生libs脉冲激光，libs脉冲激光经过第二分束镜反射、第一分束镜透射、扫描振镜反射和f-θ镜汇聚后，在待处理粉末的成形表面上形成等离子体；

所述增材制造系统还包括光谱仪和双色高温计；

成形激光光束使待处理粉末熔化后，发出复合光谱；所述的复合光谱经过f-θ镜、扫描振镜、第一分束镜、第二分束镜、第三分束镜、第二透镜组后，被双色高温计所接收；

等离子体辐射出等离子体复合光谱，等离子体复合光谱经过f-θ镜、扫描振镜、第一分束镜、第二分束镜、第三分束镜、第一透镜组后，被光谱仪所接收；

所述光纤激光器、libs激光器、光谱仪和双色高温计均与计算机连接，成形激光光束使待处理粉末熔化后，计算机控制双色高温计收集熔化后待处理粉末发射出的复合光谱，等待双色高温计收集完复合光谱的光谱信息后，计算机控制libs激光器产生libs脉冲激光，等待一定延时后，计算机控制系统控制光谱仪收集等离子体辐射出等离子体复合光谱；

计算机根据双色高温计收集的熔化的待处理粉末的温度信息和光谱仪收集的待处理粉末的成分信息后，对光纤激光器产生的成形激光光束激光功率进行反馈调整；

所述成形室内还设有用于产生粉末的粉末混合系统，所述粉末混合系统包括至少2个储粉罐，每个储粉罐底部均设有出粉口，出粉口设有由计算机控制的阀门；各个出粉口的粉末落入粉末预混合装置中；粉末混合装置将不同的材料粉末进行混合，成为功能梯度材料粉末，并落至成形室的底面上。

进一步的，所述的第一透镜组至少包含一个具有正屈光度的透镜；所述的第二透镜组至少包含一个具有正屈光度的透镜。本发明的有益效果是：

（1）本发明提供的一种实现功能梯度材料激光同轴熔融与检测反馈控制的增材制造系统：本发明的激光熔融成形系统、libs（激光诱导击穿光谱）系统、双色高温计系统共用一套光学系统，属于同轴光路，可对激光熔融点的成分信息、温度信息进行原位综合采集，且系统结构紧凑。

（2）双色高温计利用物体两个波长下光谱辐射能量之比来检测温度，可以对增材制造腔体内因保护气氛、局部烟尘造成的测量误差进行补偿，有效地减小保护气氛、局部烟尘带来的熔池温度测量误差。

（3）本发明装置主要用于功能梯度材料的成形制造过程，实时监控成形过程中的功能梯度材料粉末配比和熔池温度，并根据粉末配比实施调控成形激光功率及其他成形参数，以达到减少成形件裂纹和气泡等缺陷的目的。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图中：1.成形室，2.保护气室，3.光纤激光器，3a.第一光纤，4.成形激光光束，5.光束隔离器，6.扩束镜，7.第一分束镜，8.扫描振镜，9.f-θ镜，10.待处理粉末，11.成形件，12.libs激光器，12a.第二光纤，13.libs脉冲激光，14.第二分束镜，15.等离子体复合光谱，16.第三分束镜，17.第一透镜组，18.光谱仪，18a.第三光纤，19.复合光谱，20.第二透镜组，21.双色高温计，21a.第四光纤，22.计算机控制系统，23.第一储粉罐，24.第二储粉罐，25.粉末混合装置，26.铺粉辊筒，27.功能梯度材料粉末，28.成形缸，29.第一升降台，30.粉末回收缸，31.第二升降台。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，一种实现功能梯度材料激光同轴熔融与检测反馈控制的增材制造系统，包括激光成形系统、libs系统、双色高温计系统、控制系统。

该装置可以采用1064nm激光作为libs激光源。

本发明的工作流程如下：

第一储粉罐23和第二储粉罐24中分别存储不同的材料粉末，不同材料粉末落入粉末混合装置25后，粉末混合装置25将不同的材料粉末进行混合，成为功能梯度材料粉末27，并落至成形室1的底面上。铺粉辊筒26将功能梯度材料粉末27均匀地铺平于成形缸28已有待处理粉末10的上表面，多余的待处理粉末10在铺粉辊筒26的作用下进入粉末回收缸30。计算机控制系统22控制光纤激光器3产生成形激光光束4，成形激光光束4通过光束隔离器5、扩束镜6、第一分束镜7、扫描振镜8、f-θ镜9，聚焦于待处理粉末10的表面，使待处理粉末10熔化。当成形激光光束4离开待处理粉末10表面后，已经熔融的待处理粉末10凝固形成成形件11。光束隔离器5用于阻挡反射激光，扩束镜6用于对光束进行扩展，改善光束的准直特性。第一分束镜7和扫描振镜8用于改变成形激光光束4的路径。f-θ镜9用于将成形激光光束4在待处理粉末10的成形表面上形成均匀大小的聚焦光斑。

成形激光光束4使待处理粉末10熔化后，熔化材料将会发出复合光谱19。复合光谱19经过f-θ镜9的扩散、扫描振镜8反射、第一分束镜7透射、第二分束镜14透射、第三分束镜16透射、第二透镜组20汇聚后，计算机控制系统22控制双色高温计21接收复合光谱19，进一步测量得到熔化的待处理粉末10的温度。

等待双色高温计21收集完复合光谱19的光谱信息后，计算机控制系统22控制libs激光器12产生libs脉冲激光13，libs脉冲激光13经过第二分束镜14反射、第一分束镜7透射、扫描振镜8反射和f-θ镜9汇聚后，在待处理粉末10的成形表面上形成等离子体，等离子体辐射出等离子体复合光谱15。等离子体复合光谱15经过f-θ镜9的扩散、扫描振镜8反射、第一分束镜7透射、第二分束镜14透射、第三分束镜16反射、第一透镜组17汇聚后，被光谱仪18所接收，等待一定延时后，计算机控制系统22控制光谱仪18收集等离子体辐射出等离子体复合光谱15。双色高温计21收集复合光谱19要早于光谱仪18收集等离子体辐射出等离子体复合光谱15，这样有效避免了libs脉冲激光13所导致的等离子体的高温对于熔化的待处理粉末10的实际温度测量的影响。

计算机控制系统22根据双色高温计21收集的熔化的待处理粉末10的温度信息和光谱仪18收集的待处理粉末10的成分信息后，能够对光纤激光器3产生的成形激光光束4的激光功率进行反馈调整，以实现不同材料配比的功能梯度材料粉末对应着不同的激光功率，从而提高功能梯度材料的成形质量。

当一层待处理粉末10熔化成形完成以后，第一升降台29下降一层的高度，铺粉辊筒26重新开始铺粉，开始新的一层的打印工作。第二升降台31通过下降的方式，调节粉末回收缸30中贮存粉末的高度，使粉末高度不高于成形室1的底面。

在本发明中，第一透镜组17至少包含一个具有正屈光度的透镜，第二透镜组20至少包含一个具有正屈光度的透镜。

激光成形系统、libs系统、双色高温计系统，通过第一分束镜7、第二分束镜14、第三分束镜16的串联，构成一个激光同轴熔融与检测反馈控制同时进行的系统。

第一储粉罐23或第二储粉罐24的数量不受限制，储粉罐的数量可根据粉末材料种类的增多而增加。

保护气室2和成形室1相连，保护气室2提供保护气体，防止粉末氧化，保护粉末的检测过程和成形过程。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。