能够控制印刷过程中形成的熔池大小的三维印刷系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了一种实时控制3D印刷过程期间形成的熔池大小的方法及其系统。熔池的热图像由热成像相机拍摄。在热图像中指定超过基金属熔点的温度界面。通过使用温度界面估计熔池的长度、宽度和深度来获得熔池的大小。使用人工神经网络模型获得熔池的预测大小。熔池的实际测量大小由熔池的表面温度导出。计算熔池的预测大小和测量大小之间的误差以用于实时控制熔池的大小。制熔池的大小。制熔池的大小。

【技术实现步骤摘要】
能够控制印刷过程中形成的熔池大小的三维印刷系统和方法


[0001]本公开涉及三维(3D)印刷，更具体地，涉及能够控制3D印刷过程中形成的熔池大小的3D印刷系统和方法。

技术介绍

[0002]3D印刷被称为用于产生3D物体的制造技术。对于3D物体的3D印刷，其以根据3D模型数据处理信息逐层堆叠的方式进行处理。3D印刷技术的优点在于易于实现复杂的形状、在产品内部形成形状等。由于这些优点，3D印刷技术作为一种高附加值的技术而备受关注，其使得制造诸如各种工业零件和医疗材料的各种产品变得容易。
[0003]3D印刷过程可通过将3D产品的形状划分为多个具有均匀或可变厚度的2D截面，并形成2D截面以逐一堆叠来执行。有几种已知的3D印刷方法，例如材料挤出法、材料喷射法、粘合剂喷射法、薄片层压法、还原(vat)光聚合法、粉末床熔融法、定向能量沉积(DED)法等。其中，DED法是将激光能量施加到待熔化和熔融的金属粉末或丝材料上的方法，并由于其与其他方法相比可使用廉价的商业材料、在已有的3D形状上进行层压、且与其他方法相比具有卓越的机械性能的优点，因此被广泛使用。
[0004]在根据DED法的3D印刷中，当激光源照射的激光束照射到基板时，形成熔池，并且将金属粉末供应到熔池上以形成叠层。在3D处理中，在基材中产生的熔池的大小，例如熔池的长度、宽度和深度，是确定3D印刷层压质量的重要因素。控制熔池的大小是提高层压质量的必要技术。然而，还没有开发出用于实时控制熔池大小的技术。

技术实现思路

[0005]在认识到传统技术的上述问题的情况下做出本公开。本公开的一些实施例提供了能够在3D印刷过程中实时控制在基材上产生的熔池大小的3D印刷系统和方法。
[0006]在一个方面，本公开的一些实施例提供了一种实时控制在3D印刷过程中形成的熔池大小的方法。该方法包括：使用热成像相机拍摄在3D印刷过程中形成的熔池的热图像；在代表熔池表面温度的热图像中指定超过基金属熔点的温度界面；通过使用温度界面估计熔池的长度、宽度和深度来获得熔池的大小；构建人工神经网络模型，该模型配置为通过机器学习的用于3D印刷的工艺参数(包括激光束强度、处理速度、激光束大小，以及基材的喷射量)和熔池大小(包括熔池的长度、宽度和深度)之间的相关性、根据工艺变量的输入值来预测熔池的大小；使用人工神经网络模型得出熔池对应于当前测量的热图像中当前应用的工艺变量的预测大小值；根据使用热成像相机当前测量的熔池的表面温度得出实际熔池的测量大小值；计算熔池使用人工神经网络模型的预测大小值与实际熔池的测量大小值之间的误差；以及通过调整工艺变量的值来实时控制熔池的大小，使得计算出的误差不超过公差阈值。
[0007]在一个实施例中，基于通过机器学习获得的工艺变量与熔池大小之间的相关性自动选择工艺变量，该工艺变量的值可在“控制熔池大小”中调整。
[0008]在一个实施例中，可重复执行通过调整工艺变量的值来控制熔池的大小，直到误差不超过公差阈值为止。
[0009]在一个实施例中，可基于熔池的长度和宽度来估计熔池的深度。
[0010]在一个实施例中，可通过熔池温度关系Φ＝T(x,y＝0,z)
‑
T
m
在长度方向上导数为0的点(X
max
，0，Z
max
)的z轴坐标值(Z
max
)确定熔池估计的最大深度(d)，其中T(x，y＝0，z)是假定熔池的最大深度(d)点位于熔池的宽度方向(y轴方向)的中心(y＝0)时熔池的温度。
[0011]在一个实施例中，“控制熔池大小”可包括基于计算的误差是否超过公差阈值来检测异常质量；当检测到异常质量时实时反馈计算出的误差；以及通过实时反馈来调整3D印刷的工艺变量。
[0012]在一个实施例中，3D印刷过程可以是基于定向能量沉积(DED)法的3D印刷过程。
[0013]在一个实施例中，熔池的基材可以是金属材料。
[0014]在另一方面，本公开的一些实施例提供一种3D印刷系统，包括激光源，基材供应源、热成像相机和控制单元。激光源配置为通过照射激光束以熔化供应到层压3D物体的基材而在层压3D物体中形成熔池。基材供应源配置为向层压3D物体供应基材。热成像相机配置为拍摄熔池的热图像以测量熔池的表面温度。控制单元配置为实时控制在3D印刷过程中形成的熔池的大小。控制单元包括以下功能：利用热成像相机拍摄在3D印刷过程中形成的熔池的热图像；在表示熔池表面温度的热图像中指定超过基金属熔点的温度界面；通过使用温度界面估计熔池的长度、宽度和深度来获得熔池的大小；构建人工神经网络模型，该模型配置为通过机器学习用于3D印刷的工艺变量(包括激光束强度、处理速度、激光束大小；基材的喷射量)与熔池大小(包括熔池的长度，宽度和深度)之间的相关性、根据工艺参数的输入值来预测熔池的大小；使用人工神经网络模型得出熔池对应于当前测量的热图像中当前应用的工艺变量值的预测大小值；根据使用热成像相机当前测量的熔池的表面温度得出实际熔池的测量大小值；计算熔池使用人工神经网络模型的预测大小值与实际熔池的测量大小值之间的误差；以及通过调整工艺变量值实时控制熔池大小，使得计算出的误差不超过公差阈值。
[0015]在一个实施例中，热成像相机可布置成使得热成像相机的光路的至少一部分与激光源照射的激光束同轴，该激光束将供应至层压印刷物体的基材熔化。
[0016]在一个实施例中，该系统可进一步包括：布置在激光源照射的光束路径上的分束器，以及设置在分束器和热成像相机之间以改变光路的光路转换器，其中热成像相机与激光源同轴设置。
[0017]在一个实施例中，分束器可设置在激光源和聚焦透镜之间，激光源照射的激光束穿过该聚焦透镜。
[0018]在一个实施例中，可根据获得的熔池的长度和宽度来估计熔池的深度。
[0019]在一个实施例中，可通过熔池温度关系Φ＝T(x,y＝0,z)
‑
T
m
在长度方向上导数为0的点(X
max
，0，Z
max
)的z轴坐标值(Z
max
)来确定熔池估计的最大深度(d)，其中T(x，y＝0，z)是假定熔池的最大深度(d)点位于熔池的宽度方向(y轴方向)的中心(y＝0)时熔池的温度。
[0020]在一个实施例中，控制单元可基于通过机器学习获得的工艺变量与熔池大小之间的相关性自动选择待调节的工艺变量，使得计算出的误差不超过公差阈值。
[0021]在一个实施例中，控制单元可通过调整工艺变量值来重复执行控制熔池大小，直
到计算出的误差不超过公差阈值为止。
[0022]根据本公开的实施例，通过使用热成像相机估计3D印刷过程中形成的熔池的大小并通过分析用于3D印刷的工艺变量和熔池大小之间的相关性来估计熔池的大小。可实时控制大小。
[0023]另外，根据本公开的实施例，在分析用于3D印刷的工艺变量与3D印刷过程中熔池大小之间的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于实时控制3D印刷过程中形成的熔池的大小的方法，包括：使用热成像相机拍摄在所述3D印刷过程中形成的所述熔池的热图像；在代表所述熔池的表面温度的所述热图像中指定超过基金属的熔点的温度界面；通过使用所述温度界面估计所述熔池的长度、宽度和深度来获得所述熔池的大小；构建人工神经网络模型，所述模型配置为通过机器学习用于3D印刷的工艺参数和所述熔池的大小之间的相关性、根据工艺变量的输入值来预测所述熔池的大小，其中用于3D印刷的工艺参数包括激光束的强度、处理速度、激光束的大小以及基材的喷射量，所述熔池的大小包括所述熔池的长度、宽度和深度；使用所述人工神经网络模型得出所述熔池对应于当前测量的所述热图像中当前应用的工艺变量值的预测大小值；根据使用所述热成像相机当前测量的所述熔池的表面温度得出实际熔池的测量大小值；计算所述熔池使用所述人工神经网络模型的所述预测大小值与实际熔池的所述测量大小值之间的误差；以及通过调整所述工艺变量的值来实时控制所述熔池的大小，使得计算出的所述误差不超过公差阈值。2.如权利要求1所述的方法，其中基于通过机器学习获得的所述工艺变量与所述熔池的大小之间的相关性自动选择所述工艺变量，所述工艺变量的值在“控制所述熔池的大小”中调整。3.如权利要求1所述的方法，其中重复执行通过调整所述工艺变量的值来控制所述熔池的大小，直到所述误差不超过所述公差阈值为止。4.如权利要求1所述的方法，其中基于所述熔池的长度和宽度来估计所述熔池的深度。5.如权利要求4所述的方法，其中所述熔池估计的最大深度(d)通过所述熔池的温度关系Φ＝T(x,y＝0,z)
‑
T
m
在长度方向上导数为0的点(X
max
，0，Z
max
)的z轴坐标值(Z
max
)确定，其中T(x，y＝0，z)是假定所述熔池的所述最大深度(d)点位于所述熔池的宽度方向(y轴方向)的中心(y＝0)处时所述熔池的温度。6.如权利要求1所示的方法，其中“控制所述熔池的大小”包括：基于计算的所述误差是否超过所述公差阈值来检测异常质量；当检测到异常质量时实时反馈计算出的所述误差；以及通过所述实时反馈来调整用于3D印刷的所述工艺变量。7.如权利要求1所述的方法，其中所述3D印刷过程是基于定向能量沉积(DED)方法的3D印刷过程。8.如权利要求1所述的方法，其中所述熔池的基材是金属材料。9.一种3D印刷系统，包括：激光源，其配置为通过照射激光束以熔化供应到层压3D物体的基材而在所述层压3D物体中形成熔池；基材供应源，其配置为向所述层压3D物体供应基材；热成像相机，其配置为拍摄所述熔池的热图像以测量所述熔池的表面温度；和控制单元，其配置为...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙勋，全益槿，
申请(专利权)人：韩国科学技术院，
类型：发明
国别省市：