一种基于冷阴极CT的3D打印装置及方法

本发明属于增材制造，更具体地，涉及一种基于冷阴极ct的3d打印装置及方法。

背景技术：

1、增材制造技术，俗称3d打印技术，跟传统制造方法相比，在复杂零件制造、集成制造、个性化定制等方面具有显著优势，在航空航天、汽车制造、医疗卫生等领域均有广泛应用。

2、金属3d打印技术的工艺复杂多变，影响打印质量的因素众多，因此在打印过程中很难避免打印缺陷的发生。其中最常发生的缺陷是打印网格之间产生空心和缝隙的情况，严重影响工件的整体机械性能。对于质量要求严格的航空航天、汽车制造、医疗卫生等领域，质量控制是金属3d打印技术必须解决的一个难题。

3、前在金属3d打印领域，已有的在线检测技术主要包括超声检测技术和扫描电镜技术。然而超声检测主要应用于结构简单的工件且工件的表面粗糙度会直接影响检测的，超声检测的精度为几十至几百微米，然而一般金属3d打印检测缺陷所需的分辨率要求小于6.3微米，对于金属3d打印的工件，超声检测无法满足其表面粗糙度的要求。对于扫描电镜技术，其检测工件的深度一般不超过5微米，但是金属3d打印的网格分辨率为20至100微米，所以扫描电镜对于网格之间的空心、缝隙等缺陷也很难检测出来。另外，现有技术中存在利用x射线进行缺陷检测的技术方案，然而，仅能进行二维平面的缺陷检测，无法重构三维模型，进行三维缺陷检测，检测精度不足。因此，现有的检测技术无法准确地识别出金属3d打印过程中产生的缺陷。

技术实现思路

1、针对相关技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于冷阴极ct的3d打印装置及方法，旨在解决现有的检测技术无法准确地识别出金属3d打印过程中产生的缺陷的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于冷阴极ct的3d打印装置，包括：打印机本体、垂直方向x射线检测模块、水平方向x射线检测模块、连接框架和系统控制模块；

3、所述垂直方向x射线检测模块包括垂直冷阴极球管和垂直x射线成像探测器；所述垂直冷阴极球管通过所述连接框架设置在所述打印机本体的正上方，用于向打印平台发射垂直方向的x射线；所述垂直x射线成像探测器设置于所述打印平台的下方，用于采集垂直方向穿透目标物体的x射线；所述打印平台设置于打印机本体中，用于放置生成的目标物体；

4、所述水平方向x射线检测模块包括水平冷阴极球管和水平x射线成像探测器，嵌入设置在所述打印机本体上；所述水平x射线成像探测器与水平冷阴极球管关于打印平台对称设置；所述水平冷阴极球管用于向打印平台发射水平方向的x射线，所述水平x射线成像探测器用于采集水平方向穿透目标物体的x射线；

5、所述系统控制模块用于控制所述打印机本体上的激光源在所述打印平台上进行目标物体的3d打印，并同时控制所述打印平台沿着y方向进行匀速移动；还用于控制所述垂直冷阴极球管和水平冷阴极球管对打印平台发射x射线，并获取水平x射线成像探测器和垂直x射线成像探测器采集的信号，以通过x射线断层成像对目标物体进行三维模型重建。

6、可选的，所述垂直方向x射线检测模块还包括垂直x射线准直器和垂直准直器固定支架；所述垂直准直器固定支架用于所述垂直冷阴极球管和垂直x射线准直器的支撑和固定；所述垂直冷阴极球管产生的锥形光束对准所述垂直x射线准直器的中心，所述垂直x射线准直器用于将所述锥形光束准直成扇形光束；

7、所述水平方向x射线检测模块还包括水平x射线准直器和水平准直器固定支架；所述水平准直器固定支架用于所述水平冷阴极球管和水平x射线准直器的支撑和固定；所述水平冷阴极球管产生的锥形光束对准所述水平x射线准直器的中心，所述水平x射线准直器用于将所述锥形光束准直成扇形光束。

8、可选的，所述系统控制模块包括主控服务器、打印控制系统子模块和x射线控制系统子模块；

9、所述打印控制系统子模块用于控制所述打印机本体上的激光源在所述打印平台上进行目标物体的3d打印，并同时控制所述打印平台沿着y方向进行匀速移动；

10、所述x射线控制系统子模块用于控制所述垂直冷阴极球管和水平冷阴极球管对打印平台发射x射线；

11、所述主控服务器用户获取水平x射线成像探测器和垂直x射线成像探测器采集的信号，以通过x射线断层成像对目标物体进行三维模型重建，还用于通过控制信号控制所述打印控制系统子模块和x射线控制系统子模块。

12、可选的，所述金属3d打印机本体包括打印机框架、打印平台、激光源、铺粉装置，以及设置在所述打印机框架上的x方向打印传动结构、y方向打印传动结构和z方向打印传动结构；

13、所述打印平台包括打印基板和y方向扫描传动结构；所述铺粉装置固定在所述打印机框架上并安装于所述打印基板上方，用于盛放金属粉末并在所述打印基板上进行铺粉和刮平；

14、所述x方向打印传动结构、y方向打印传动结构分别用于带动所述激光源在所述打印基板进行移动选区，所述z方向打印传动结构用于带动所述打印基板进行z方向的上下移动；

15、所述y方向扫描传动结构用于带动所述打印基板沿着y方向进行匀速移动。

16、可选的，所述打印控制系统子模块包括打印控制机箱和打印控制显示器；

17、所述打印控制显示器用于接收外部指令控制所述打印控制机箱；

18、所述打印控制机箱安装于所述打印机框架底部，用于3d打印过程中控制激光源的功率、铺粉装置的运动、x方向打印传动结构的运动、y方向打印传动结构的运动、z方向打印传动结构的运动和y方向扫描传动结构的运动。

19、可选的，所述主控服务器还用于根据重建的三维模型实时检测分析3d打印物体的尺寸误差和晶格缺陷，并通过反馈控制所述打印控制系统子模块和x射线控制系统子模块。

20、可选的，所述打印控制系统子模块用于调节所述激光源的功率或者单点打印时间。

21、第二方面，本发明还提供了一种基于冷阴极ct的3d打印方法，基于如第一方面中任一所述的3d打印装置执行，包括：

22、对3d打印装置进行初始化；

23、系统控制模块控制激光源在打印平台上进行目标物体的3d打印，并同时控制所述打印平台沿着y方向进行匀速移动；

24、系统控制模块控制垂直冷阴极球管和水平冷阴极球管分别从垂直方向和水平方向对打印平台发射x射线，并获取水平x射线成像探测器和垂直x射线成像探测器采集的信号，以通过x射线断层成像对目标物体进行三维模型重建。

25、通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

26、1、本发明实施例提供了一种基于冷阴极ct的3d打印装置，通过垂直方向x射线检测模块和水平方向x射线检测模块对打印区域的打印物进行垂直方向和水平方向的x光照射，打印控制系统带动打印区域沿着y方向进行匀速移动，实现x射线断层成像，对打印物进行三维模型重建，通过重建的三维模型检测打印物的尺寸误差和晶格缺陷。x射线成像探测器探测精度可以达到几十微米，本实施例的3d打印装置上装设垂直方向和水平方向的x射线模块，提供了一种非接触式、快速高效、高精度的在线检测装置，实现了实时检测金属3d打印过程中产生的晶格缺陷和尺寸误差，并通过反馈控制来3d打印活动，提升质量控制和工艺的有益效果。

27、2、本发明实施例提供了一种基于冷阴极ct的3d打印装置，采用了冷阴极球管作为x光源，传统热阴极电子枪存在成本高、结构复杂，体积笨重，由于阴极需要加热，需要较长的时间才能达到工作温度，难以实现快速启动的问题，本实施例中采用冷阴极极球管产生x射线源，主要采用针叶树型碳纳米构造的冷阴极x射线管，使用时，控制升压电路施加高压脉冲使其瞬间激发出x射线，无需预热。