СПЕКАНИЯ ОБЪЕМНЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПОРОШКОВ

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при мониторинге и контроле процессов получения объемных изделий из порошков .

Известен способ оптического мониторинга и контроля процесса селективного спекания объемных изделий из порошка [1] состоящий в регистрации средней температуры поверхности в области спекания и ее поддержания на заданном уровне в процессе спекания.

Недостаток данного способа состоит в отсутствии контроля размеров области нагрева до температуры спекания и отсутствии контроля размеров спеченной области , что не позволяет измерять усадку и корректировать ход процесса. Кроме того температура усредняется по неизвестной площадке, размеры которой меняются вследствие аббераций оптической системы, так как используется широкий диапазон длин волн.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ оптического мониторинга и контроля процесса селективного спекания объемных изделий из порошка [ 2] состоящий в регистрации характера и уровня сигнала свечения поверхности в области плавления, размеров области плавления, сравнения их с программно заданным и поддержания уровня сигнала на заданном уровне путем управления параметрами лазерного излучения. Недостаток данного способа состоит в регистрации уровня усредненного по площади сигнала свечения поверхности , а не уровня физической величины - температуры поверхности и ее распределения в зоне обработки. Кроме того отсутствует контроль геометрических размеров и качества спеченных сечений, что не позволяет учесть усадку и наличие дефектов в слое и откорректировать ход технологического процесса .

Задачей заявляемого изобретения является разработка способа оптического мониторинга и контроля процесса селективного спекания объемных изделий из порошков и устройства для его осуществления, позволяющих получать полную и точную информацию о процессе селективного спекания объемного изделия и осуществлять корректировку технологического процесса в режиме реального времени.

Способ оптического мониторинга и контроля процесса селективного спекания объемных изделий из порошков, состоит в регистрации температуры поверхности и ее распределения в области воздействия концентрированного потока энергии в нескольких спектральных интервалах вблизи рабочей длины волны оптической системы сканнера и регистрации изображения поверхности в свете излучения источника внешней подсветки поверхности.

Новизна состоит в том, что в процессе спекания поддерживают на заданном уровне максимальную температуру поверхности в области воздействия и размеры зоны плавления, а также путем сканирования регистрируют изображения спеченных сечений или их фрагментов, сравнивают размеры спеченных сечений объемного изделия или их фрагментов с программно заданными, определяют отклонение размеров и наличие дефектов в спеченном слое и корректируют параметры воздействия и ход технологического процесса. Измерения температуры и размеров области плавления проводят в спектральном интервале вблизи расчетной длины волны оптической системы сканнера [3,4] во- избежании аббераций . Измерения максимальной температуры проводят с помощью многоканального пирометра в пятне диаметром Юмкм, значительно меньшем размеров области плавления, что позволяет определить максимальную термодинамическую температуру и имея распределение яркостной температуры с видеокамеры получить распределение термодинамической температуры и, как следствие, получить точные размеры области плавления или спекания.

Контроль процесса изготовления объемного изделия осуществляется посредством поддержания на программно заданном уровне мощности воздействующего источника энергии , размера области плавления ( спекания), скорости сканирования и геометрических параметров области сканирования в каждом сечении объемного изделия. Схема построения системы контроля приведена на Фиг. 1. Система включает в себя : компьютер 21 , модуль управления 32 , в составе регулятора управления 33 сканнером 3 и регулятора управления 34 источником энергии 1, пирометр 10 и видеокамеру с анализатором изображения 13 , оптически связанные через оптические системы 19 и 20 с областью изготовления сечения объемного изделия на поверхности порошковой насыпки 35. Регуляторы 33 и 34 , построенные на принципах PID -контроллеров поддерживают на заданном уровне мощность источника , размер пятна воздействия и скорость сканирования пятна по поверхности порошковой насыпки с помощью соответствующих обратных связей . По окончании изготовления сечения изделия с помощью 2Д или ЗД сканнера изображений сканируют всю площадь порошковой насыпки и полученное с высоким пространственным разрешением, 1 мкм для 2Д сканнера и 5-10мкм для ЗД сканнера, изображение вводят в компьютер и сравнивают с программно заданным. По результатам сравнения корректируют программу управления сканнером и параметры воздействия источника энергии. Такая полная система контроля позволяет изготовить изделие с микронной точностью, в то время как без такого контроля геометрическая точность не лучше 1,5-2%.

Известно устройство для оптического мониторинга и контроля процесса селективного спекания объемных изделий из порошков [1 ] содержащее гальваносканнер с объективом, пирометр с объективом и устройство поддержания уровня средней температуры в пятне воздействия лазера.

Недостаток этого устройства состоит в отсутствии контроля размеров области спекания и контроля размеров спеченных сечений .

Известно устройство для оптического мониторинга и контроля процесса селективного спекания объемных изделий из порошков [2 ] содержащее гальваносканнер с объективом, фотодиод с объективом, видеокамеру с объективом и PID контроллеры поддержания уровня сигнала с фотодиода и размеров области плавления.

Недостатком данного устройства является невозможность определения физических параметров процесса спекания - температуры и ее распределения в области спекания, а также невозможность контролировать размеры спеченных областей в сечениях объемного изделия в процессе его спекания и тем самым корректировать программу обхода сечения сканнером.

Для получения полной информации о процессе селективного спекания объемного изделия и управления технологическим процессом в режиме реального времени предложены новые устройства.

Устройство для оптического мониторинга и контроля процесса селективного спекания объемных изделий из порошков содержит сканнер с объективом , оптическую систему ,оптический пирометр с объективом, видеокамеру с объективом и источник подсветки поверхности.

Устройство дополнительно содержит 2D сканнер изображений, размещенный на каретке нанесения и укладки порошка и модуль управления, включающий два регулятора управления. Схема устройства представлена на Фиг.2 , Фиг.З.

Устройство содержит градиентное зеркало 2, сканнер 3 с объективом 6 ,

оптическую систему, состоящую из делительных и поворотных зеркал 7,14 , волоконного

з кабеля 9, оптического пирометра 10 с объективом 4, видеокамеры с анализатором изображения 13 с объективом 12 и фильтрами 11, источника подсветки поверхности 16 с телескопом 17 и поворотным зеркалом 18, каретки насыпки и укладки порошка 24, 2Д сканнера изображений 23, размещенного на каретке, либо ЗД сканнера изображений, размещенного в верхней части рабочей камеры 27. Элементы устройства 2-18 размещены в изолированном боксе 25. Излучение лазера 1 установки селективного спекания, состоящей из рабочей камеры 27 с оптическим окном 26 , рабочего бункера 29 с поршнем 22 и устройством его перемещения 30, вводится на сканнер 3 и фокусируется на поверхность порошковой насыпки 5. Устройство работает следующим образом :

Каретка заполняется порошком и при ее движении слои порошка наносятся периодически на поршень 22 при его вертикальном перемещении. При сканировании лазерным лучом по поверхности порошковой насыпки 5 программно заданные области сплавляются При этом в процессе сканирования пирометром 10 измеряется максимальная термодинамическая температура в центре пятна облучения. Программно заданная температура поддерживается путем введения значения температуры через цепь обратной связи на регулятор 34 и далее по сигналу рассогласования изменяется мощность лазера 1. Аналогично размеры области плавления, регистрируемые видеокамерой с анализатором изображений 13, как по тепловому излучению с определением температурного поля , так и по изображению в свете излучения источника подсветки вводятся на регулятор управления 33 и сигналом рассогласования изменяются параметры сканирования - размер пятна фокусировки и скорость сканирования. По окончании спекания сечения ЗД объекта при нанесении следующего слоя при движении каретки 24 сканнером изображений 23 снимается изображение спеченного сечения с разрешением 1мкм. Альтернативно с помощью ЗД сканера 28 получают изображение спеченного сечения. Изображение вводится в компьютер 21 сравнивается с программно заданным и движение сканнера 3 корректируется при спекании следующего слоя .

Таким образом заявляемое устройство и способ позволяют обеспечивать заданный технологический режим спекания и обеспечить микронную точность изготовления объемного изделия.

Литература

[1] Shen J. et al. // US Patent Jfe 6,600,129 . (2003).

[2] Kruth J-P., P. Mercelis // US Patent Application M»2009/020606 ( 2009).

[3] Чивель Ю/А/ // Патент РФ iNb2460992. (2010).

[4] Chivel Yu. // Physics Procedia , v.41, pp. 897 - 903, 2013