激光增材制造在线监测系统及构建构件数字孪生体的方法技术方案

本发明专利技术公开一种激光增材制造在线监测系统及构建构件数字孪生体的方法，该方法根据实时测量的熔池的尺寸形貌以及沉积层的尺寸形貌实时生成几何模型，并将应力状态、温度、微观组织、元素含量的测量信息同步输入到几何模型中，进而在线的形成熔池和沉积层的数字孪生体。本发明专利技术具有计算速度快，构件内部状态与实际加工构件一一对应的特点，旨在对制造过程实现全面的监测和调控，方便对激光增材制造过程中包含的物理现象进行研究，也便于工艺参数的实时调整与优化。实时调整与优化。

【技术实现步骤摘要】
激光增材制造在线监测系统及构建构件数字孪生体的方法


[0001]本专利技术属于激光增材制造领域，特指一种构建包含沉积层尺寸、应力状态、元素含量、微观组织的数字孪生体的方法，具体涉及一种激光增材制造在线监测系统及构建构件数字孪生体的方法。

技术介绍

[0002]在激光增材制造过程中，因应力导致的变形开裂、高能激光造成的元素烧损、交变热梯度产生的微观组织分布不均，不良工艺导致的成形不稳定等因素阻碍了该技术的发展。虽然通过工艺摸索和模拟计算可以优化激光增材制造的工艺参数窗口来获得良好的成形质量与构建性能，但难以预测实际生产零件的状态相对应，例如增材制造构件的残余应力、元素含量和微观组织分布需要通过破坏性的测试获得。随着智能制造需求的日益增长，实时的检测被加工对象的内部状态（应力、元素含量、微观组织等），并在制造结束后即获得构件的数字孪生体对整个制造业的智能化升级有着重要意义。通过构建一一对应的数字孪生关系，不仅能够在生产过程中对构建的制造质量加以控制，更能在后续装配、服役过程中追踪和预测构件的变形、疲劳特性、使用寿命等关键参数，使得构件的全生命周期得到有效追踪和控制。
[0003]针对这一需求，本专利技术提出一种激光增材制造在线监测系统及构建构件数字孪生体的方法，旨在对制造过程实现全面的监测和调控，提高增材制造构件的质量并与其他数字孪生系统进行对接。

技术实现思路

[0004]为解决上述问题，本专利技术公开了一种激光增材制造在线监测系统及构建构件数字孪生体的方法，目的在于提高激光增材制造构件的制造质量，通过对尺寸、应力、温度、元素含量和微观组织的实时观测，建立激光增材制造构件的数字孪生体，进而实现对制造过程的实时监控和反馈控制，方便对激光增材制造过程中包含的物理现象进行研究，也便于工艺参数的实时调整与优化。
[0005]为达到上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种激光增材制造在线监测系统，包括基底以及用于射出激光的激光头，所述激光头射出激光熔化同轴输送的粉末，在基底上形成熔池，熔池冷却后形成沉积层；所述激光头的喷嘴上方安装有空心轴电机，所述空心轴电机的内圈与所述激光头配合，所述空心轴电机的外圈安装有实时测量的熔池的尺寸形貌以及沉积层的尺寸形貌的检测系统以及温度传感器、光谱仪，所述基底的背面设置有重熔熔池形貌监测传感器，还包括计算机，通过将熔池高度和冷却后沉积层高度做差，获得熔池冷确凝固过程中产生的位移差并将其作为表面位移载荷加载到熔池表面三维模型和重熔熔池三维模型上，并计算得到熔池因冷却收缩产生的应力。
[0006]进一步地，所述实时测量的熔池的尺寸形貌以及沉积层的尺寸形貌的检测系统包
括侧方监测CCD、同轴监测CCD、线激光发生器、线激光监测CCD；其中线激光发生器与线激光监测CCD为对称安装，两者的轴线处于同一平面内；侧方监测CCD与线激光发生器和线激光监测CCD呈度布置。
[0007]进一步地，所述温度传感器，光谱仪安装在空心轴电机的外圈并对准沉积层上的测试点。
[0008]进一步地，所述重熔熔池形貌监测传感器采用超声探测仪，位于基底的背面，用于探测重熔熔池的三维形貌。
[0009]用上述激光增材制造在线监测系统构建构件数字孪生体的方法，该方法为：根据实时测量的熔池的尺寸形貌以及沉积层的尺寸形貌实时生成几何模型，并将应力状态、温度、微观组织、元素含量的测量信息同步输入到几何模型中，进而在线的形成熔池和沉积层的数字孪生体。
[0010]进一步地，所述实时测量的熔池的尺寸形貌以及沉积层的尺寸形貌实时生成几何模型的具体过程是：侧方监测CCD从熔池的侧方进行拍摄，获取熔池的侧视图；同轴监测CCD从熔池的上方进行同轴拍摄，获取熔池的俯视图；通过拍摄的熔池的表面图像获取不同视图内的熔池尺寸，合成获得熔池的表面三维几何尺寸并生成熔池的三维模型；线激光发生器发射的线激光辐照在已沉积的凝固的沉积层表面，通过线激光监测CCD采集线激光的轮廓，获得沉积层的几何形貌，并生成沉积层的三维模型；进一步地，所述应力状态测量的具体过程是：在激光增材制造过程中，基于熔池的三维模型、以及熔池高度和冷却后沉积层高度形成熔池数字孪生计算域(有限元几何模型)，通过对比熔池形貌和沉积层形貌的几何尺寸，获取材料从熔融态收缩至凝固状态产生的表面位移和体积收缩值，将表面位移和体积收缩值作为载荷加载到实时生成的熔池数字孪生计算域上，并基于此计算熔池冷却收缩产生的应力值；通过超声测量重熔熔池的收缩产生的体积变化并作为载荷加载到熔池数字孪生计算域上，并基于此计算重熔熔池冷却收缩产生的应力值；进一步地，将熔池收缩产生的应力和重熔熔池收缩产生的应力叠加获得沉积层的应力状态，在制造过程中，随着激光热源的推进，每次新熔池的形成便重复上述计算过程，将每一步的计算结果迭代，进而实时的反映出沉积层内部的应力变化。
[0011]进一步地，所述微观组织、元素含量的监测通过激光诱导光谱仪实现，首先在进行在线检测前首先通过激光扫描纯金属产生等离子体激发光谱并利用光谱仪测量光谱，标定元素的谱线，建立不同元素的等离子体光谱图谱数据库，在激光增材制造过程中通过光谱仪同步采集由高能激光束诱导产生的等离子体激发光谱，通过分析谱线的峰值波长确定测试点的元素种类，并以时间为单位，配合扫描速度生成沉积层内部的元素分布并导入沉积层的三维模型中；微观组织监测的方法为：在进行测试前采用激光扫描不同微观组织的合金试样，分析等离子体激发光谱的峰值，元素谱线波长，半高宽，峰值轮廓面积，谱线整体图样特征，通过深度学习网络建立等离子体激发光谱信号与微观组织之间的联系，在激光增材制造过程中通过光谱仪同步采集由高能激光束诱导产生的等离子体激发光谱，通过深度学习网络分析谱线特征，确定测试点的微观组织，并以时间为单位，配合扫描速度生成沉积层内部的微观组织类型，并导入沉积层的三维模型中。
[0012]本专利技术的有益效果为：1、本专利技术的数字孪生体基于实时采集的熔池和沉积层形貌生成，与实际沉积过成
一一对应。
[0013]2、本专利技术提出的激光增材制造数字孪生体，其应力计算通过熔池冷却收缩产生的表面位移以及体积变化来实现应力的计算，区别于传统的先计算温度场，再计算应力场的方法，本专利技术提出的方法计算速度大幅提升，并能够直接反映沉积层内部的应力变化。
[0014]3、本专利技术提出的监测方法不仅能够对表面熔池形貌进行捕捉，也可以对重熔熔池的形貌进行捕捉，孪生的模型更加精确。
[0015]4、本专利技术提出的激光增材制造数字孪生体构建方法通过热源激光诱导的等离子体激发光谱来监测元素成分和微观组织，不需要额外的等离子体激发源，成本低并且操作方便。
附图说明
[0016]图1是本专利技术装置的激光增材制造在线监测系统的等轴主视图；图2是本专利技术的激光增材制造在线监测系统的侧倾视图；图3是熔池尺寸重构示意图，图3中（a）展示了表面熔池在重熔熔池上的侧视图，（b）展示了表面熔池的俯视图，（c）展示了熔池表面三维模型与重熔熔池三维模型；图4是应力计算方法示意图，图4中（a）展本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种激光增材制造在线监测系统，包括基底以及用于射出激光的激光头，所述激光头射出激光熔化同轴输送的粉末，在基底上形成熔池，熔池冷却后形成沉积层；其特征在于，所述激光头的喷嘴上方安装有空心轴电机，所述空心轴电机的内圈与所述激光头配合，所述空心轴电机的外圈安装有实时测量的熔池的尺寸形貌以及沉积层的尺寸形貌的检测系统以及温度传感器、光谱仪，所述基底的背面设置有重熔熔池形貌监测传感器，还包括计算机，通过将熔池高度和冷却后沉积层高度做差，获得熔池冷确凝固过程中产生的位移差并将其作为表面位移载荷加载到熔池表面三维模型和重熔熔池三维模型上，并计算得到熔池因冷却收缩产生的应力。2.根据权利要求1所述的一种激光增材制造在线监测系统，其特征在于，所述实时测量的熔池的尺寸形貌以及沉积层的尺寸形貌的检测系统包括侧方监测CCD、同轴监测CCD、线激光发生器、线激光监测CCD；其中线激光发生器与线激光监测CCD为对称安装，两者的轴线处于同一平面内；侧方监测CCD与线激光发生器和线激光监测CCD呈度布置。3.根据权利要求1所述的一种激光增材制造在线监测系统，其特征在于，所述温度传感器，光谱仪安装在空心轴电机的外圈并对准沉积层上的测试点。4.根据权利要求1所述的一种激光增材制造在线监测系统，其特征在于，所述重熔熔池形貌监测传感器采用超声探测仪，位于基底的背面，用于探测重熔熔池的三维形貌。5.一种用权利要求1
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4之一所述激光增材制造在线监测系统构建构件数字孪生体的方法，其特征在于，该方法为：根据实时测量的熔池的尺寸形貌以及沉积层的尺寸形貌实时生成几何模型，并将应力状态、温度、微观组织、元素含量的测量信息同步输入到几何模型中，进而在线的形成熔池和沉积层的数字孪生体。6.根据权利要求5所述的构建构件数字孪生体的方法，其特征在于，所述实时测量的熔池的尺寸形貌以及沉积层的尺寸形貌实时生成几何模型的具体过程是：侧方监测CCD从熔池的侧方进行拍摄，获取熔池的侧视图；同轴监测CCD从熔池的上方进行同轴拍摄，获取熔池的俯视图；通过拍摄的熔池的表面图像获取不同视图内的熔池尺寸，合成获得熔池的表面...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢轶，蔡明霞，孙桂芳，
申请(专利权)人：南京林业大学，
类型：发明
国别省市：