УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ АДДИТИВНОГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ

Полезная модель относится к области аддитивного формирования изделий, а именно к устройствам контроля 3D-печати на основе голографических, интерферометрических измерений, структурированного света, а также фотограмметрии, и может быть использована для получения информации о форме объекта, его деформации, наличии внутренних подповерхностных дефектов заготовки и напряженных состояний материала.
Детали, произведенные методами аддитивного производства (методами 3D-печати), имеют характерные особенности:
- внутреннюю слоистую микроструктуру;
- высокую шероховатость поверхности;
- различные механические свойства материала деталей в различных направлениях (анизотропия).
Указанные особенности влияют как на процесс производства, так и на эксплуатационные характеристики готовых деталей. Послойное формирование приводит к возникновению внутренних напряжений в материале и последующей деформации (короблении), приводящей к изменению линейных размеров, а также объема. Шероховатость поверхности в вертикальном и горизонтальном направлениях будет иметь различное значение и выраженное направление. Для повышения эксплуатационных характеристик и уменьшения массы нередко внутри изделия формируют ячеистую структуру сложной формы (наполнитель). Также зачастую оболочка детали (обшивка) может быть напечатана с режимом печати, отличающимся от основного, или выполнена из другого материала. Важно отметить, что часть дефектов может находиться в подповерхностном слое заготовки, в месте, где обшивка соединяется с наполнителем. Таким образом, детали могут иметь достаточно специфические дефекты, характерные для послойной печати, такие как расслоения и несплошности, которые, как правило, обнаруживаются после изготовления детали на этапе ее контроля. Несмотря на то, что технологические процессы аддитивного производства непрерывно совершенствуются, остаются проблемы, связанные качеством и стабильностью изготавливаемых деталей.
Предотвратить появление части дефектов и выход размеров детали за пределы допусков возможно путем внесения корректировок непосредственно в процессе производства детали посредством оптического контроля и системы обратной связи.
Из уровня техники известны технические решения, направленные на поиск оптимальной ориентации детали и конфигурации поддержек для 3D-печати. К примеру, данная задача особенно актуальна при производстве черепно-челюстно-лицевых имплантатов (см. патент ЕР 2398411, кл. А61В 17/00, опубл. 28.12.2011), так как изготовленная деталь, после снятия с платформы и удаления поддержек демонстрирует эффект «отпружинивания». Данный эффект обусловлен наличием внутренних напряжений в напечатанной заготовке, которые необратимо обнаруживают себя в процессе отделения детали от подложки.
Задача оптимизации конфигурации печати, с целью уменьшения внутренних напряжений в готовых деталях, может решаться методом компьютерного моделирования. К примеру, посредством моделирования послойного построения «методом собственных напряжений», так что готовая деталь будет иметь минимальное значение внутренних напряжений (см. https://habr.eom/m/company/iqb_technologies/blog/445158/). Однако не всегда можно с высокой точностью оценить параметры печати. Важную роль будут играть внешние условия и механические характеристики материала, так как их отклонения могут вносить значительную ошибку в процесс моделирования и искажать результаты.
Голографические методы неразрушающего контроля (или методы спекл-интерферометрии) позволяют регистрировать малейшую деформацию объектов. Эти методы хорошо работают с шероховатыми поверхностями деталей, которые получаются в процессе аддитивного производства. Известен ряд аддитивных станков, которые используют в своем составе лазерные интерферометрические блоки и имеют обратную связь для внесения корректировки в процесс изготовления детали.
Например, из уровня техники известно устройство, содержащее камеру, для контроля плоскостности и деформации жидкой ванны (расплава) в области нагрева при трехмерной печати (см. патент CN 107843205, кл. B22F 3/105, опубл. 27.03.2018). Причем деформация расплава непосредственно связана с геометрической формой изделия и может быть использована для своевременного распознавания формы изделия для того, чтобы избежать последующей неэффективной обработки. Информация о геометрии ванны используется для прогнозирования геометрических размеров заготовки после окончательного охлаждения, тем самым оптимизируя параметры лазерной обработки. Измерительное устройство закреплено сбоку от лазерной печатающей головки аддитивного станка параллельно или под углом к соплу печатающей головки. Таким образом, пучок света измерительного устройства движется согласованно с печатающей головкой. В данном устройстве используется метод обработки информации с измерительного блока посредством использования метода конечных элементов, где учитываются характеристики материала для дальнейшей коррекции процесса печати слоев.
Недостатком данного устройства является тот факт, что данный метод измерения применим исключительно для технологии производства с образованием расплавленной ванны металла при помощи лазера, где температура ванны может достигать трех тысяч градусов. Существует недостаток, связанный с изменением коэффициента отражения поверхности ванны в процессе остывания, что особенно важно для интерферометрических измерений. Контроль поверхности материала осуществляется только в области вокруг расплава в зоне видимости одного слоя. Указанное расположение элементов конструкции устройства позволяет оценить неплоскостность лишь для относительно небольшого участка поверхности расплава. Таким образом, большая часть заготовки остается без непрерывного контроля. В процессе формирования корректирующего воздействия отсутствует сравнение геометрии изделия с CAD-моделью.
Из уровня техники известна система контроля точности изготовления при аддитивном изготовлении трехмерных компонентов (см. публикацию WO 2019138038, кл. В29С 64/393, опубл. 18.07.2019). Система включает в свой состав комбинированный осветительно-детектирующий элемент, содержащий двумерную матрицу детекторов, и, по меньшей мере, один источник лазерного излучения, направленный в область порошкообразного или пастообразного материала. Матрица из детекторов расположена таким образом, что спеклы, возникающие вследствие отражения от облучаемой источником лазерного излучения поверхности, могут пространственно разрешаться с помощью матрицы фотодетекторов. Информация о спекл-поле передается в электронную систему оценки и управления. Освещение когерентным излучением, для получения спекл-картины может осуществляться с помощью специального источника или же с помощью источника, используемого для нагрева материала при аддитивном производстве. Система отличается тем, что между материалом и источником лазерного излучения расположен оптический фильтр и/или оптическая линза.
Достоинством системы является использование спекл-структуры, создаваемой отраженным от объекта излучением, для реконструкции трехмерной формы измеряемого участка. Кроме того, измерительный блок в такой схеме имеет малые габариты. Детекторы находятся на едином подвижном основании - ракеле.
Однако описанное устройство использует контроль бассейна расплава и реализуемый в нем метод не подходит для управления высокоскоростными процессами в замкнутых пространствах. Использование матрицы детекторов частично решает данную известную проблему. Устройство также может включать в себя температурные датчики, по показанию которых создается карта температуры, по которой можно судить об остаточных напряжениях в заготовке. К недостаткам данного устройства также можно отнести работу непосредственно с порошковым материалом или пастой, применяемой при спекании, при этом большая область заготовки также остается без контроля. Кроме того, использование температурных датчиков не всегда позволяет оценить напряженные состояния материала из-за невысокой разрешающей способности метода термометрии в условиях аддитивной печати, и, как правило, применимо только к металлам. Использование лазерного нагревающего источника света в аддитивном станке для создания спекл-картин упрощает конструкцию контрольной схемы, однако такой лазер имеет значительно меньшую стабильность по оптическим характеристикам для интерференционных точных измерений. Как правило, мощное излучение лазера может создать засветку датчиков, а продукты абляции материала и их перемещение будет затруднять фиксацию интерференционных полос.
Данную проблему возможно решить путем уменьшения мощности лазера, что предложено в другом техническом решении (см. патент GB 2565853, кл. В29С 64/268, опубл. 27.02.2019). Однако такое решение значительно уменьшает скорость аддитивного производства, так как контролирующее устройство расположено непосредственно на подвижном ракеле, который может перемещаться по одной оси для сглаживания поверхности порошка. При этом отсутствует возможность освещения и контроля единовременно всей поверхности ванны, а также анализа материала с разных углов. Для обработки спекл-картины используется корреляционный метод обработки, который имеет невысокое пространственное разрешение. Данное контролирующее устройство, устанавливаемое на ракель, может быть использовано только в аддитивной технологии селективного лазерного спекания.
Из уровня техники известно устройство, использующее интерферометрические методы для контроля поверхности жидкого материала (смолы), предназначенного для фотоотверждения в процессе аддитивного производства (см. патент CN 106938544, кл. В29С 64/386, опубл. 11.07.2017). Область жидкости освещается лазером, светодиодом или ртутной лампой. Камера регистрирует интерференционные полосы на поверхности жидкой ванны. Использованные решения позволяют повысить качество производимых деталей.
Недостатком устройства является повышенные требования к поверхности отражающего материала (смолы) для получения стабильной интерференционной картины. Метод применим к технологии SLA с использованием определенных режимов печати на небольшой скорости. Кроме того, данный метод не подразумевает контроль самой заготовки в процессе печати.
Из уровня техники известен метод лазерной наплавки, в котором при помощи интерферометрии контролируется высота наплавки, что, посредством обратной связи, дает возможность точно позиционировать печатающую головку по высоте, при этом сканирующий измерительный луч перемещается отдельно от лазерной головки для наплавки материала (см. публикацию WO 2018178387, кл. B22F 3/105, опубл. 04.10.2018). Описанная схема позволяет проводить контроль геометрии материала и области раздела фаз в осевом направлении. Недостатком такой компоновки аддитивного станка, измерительной системы и ее реализаций является невозможность контроля нескольких напечатанных слоев и большей части заготовки.
Из уровня техники известно устройство, содержащее аддитивный станок совместно с системой 3D-сканировани для быстрого прототипирования изделий и реализована с использованием полярной системы координат, которое позволяет послойно наносить материала с последующим отверждением в соответствии с заданной CAD-моделью детали, осуществлять оптический контроль процесса формирования детали и корректировку, в случае необходимости, текущих параметров печати (см. публикацию US 20140271964, кл. В29С 67/00, опубл. 18.09.2014). Этот аддитивный станок содержит вращающееся основание, которое одновременно используется для вращения изделия, как для сканирования, так и для печати. Экструдер принтера имеет возможность совершать только линейные перемещения. Для целей сканирования система имеет одну или более камер и устройства освещения. Камеры получают набор двумерных (2D) изображений трехмерного объекта, по которым восстанавливается 3D-поверхность. Процессор обрабатывает 3D-реконструкцию поверхности и генерирует код управления принтером. Такой подход позволяет печатать копию отсканированного объекта. При этом при печати и сканировании деталь или изделие вращается вокруг центральной оси основания. Такая компоновка органов печати аддитивного станка имеет преимущества перед предшествующими в том, что она позволяет использовать упрощенные и менее дорогостоящие системы управления; может быть реализована с двигателями постоянного тока вместо традиционных шаговых двигателей; может быть меньше по объему, занимая меньшую площадь машины, чем традиционные системы на основе X, Y - перемещений; работает тише, потому что отсутствуют "рывки" в двух измерениях, наблюдаемые в традиционных системах на основе X, Y-перемещений; упрощает создание сглаживающих криволинейных поверхностей; использование одних и тех же механизмов при построении поверхности при печати и сканировании.
Устройство также может включать датчик температуры для обратной связи управления температурой экструдера.
Описанное техническое решение позволяет создавать трехмерную копию детали, находящейся на подложке области печати аддитивного станка, и записывать ее во внутреннюю память устройства. Однако, несмотря на удобство использования поворотного столика для целей сканирования и печати криволинейных поверхностей, данное решение ухудшает качество печати прямолинейных поверхностей.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является устройство контроля аддитивного изготовления детали, содержащее соединенные между собой интерференционный и вычислительный блоки (см. публикацию US 2018297117, кл. B22F 3/105, опубл. 18.10.2018). В известном устройстве оптическая интерферометрия используется при модификации материала (например, спекание и сварка) с помощью системы, содержащей оптический источник, контроллер обратной связи на основе интерферометрического контроля с обработкой на базе гомодинной фильтрации. Устройство содержит дополнительный источник освещения для формирования изображения и приемник изображения. Принцип работы известного устройства построен на анализе глубины лазерного разреза и предлагает систему, позволяющую производить эффективное осевое управление лазером для регулировки глубины лазерной абляции. Метод включает в себя множество реализаций оптических схем и схем управления для коррекции аддитивного процесса производства или процесса лазерной сварки. В некоторых вариантах реализаций описываемое устройство дополнительно содержит схему для создания интерферограмм по их математическим моделям и сравнения с интерферограммой, полученной при отражении от исследуемой поверхности. Далее происходит получение корреляционного сигнала с последующим определением соответствия полученного результата, заданному предельному значению. Одна из реализаций метода включает в себе анализ спекл-изображения для регистрации изменений на подповерхностном слое материала. Описан алгоритм обработки таких спекл-интерферограмм с использованием метода Фурье, автокорреляции, доплеровского сдвига. Данные алгоритмы дают преимущество при работе в режиме реального времени, однако имеют невысокую точность реконструкции фазы.
В известном устройстве контролю подвергается область фазового перехода при лазерной термообработке. Система с обратной связью подразумевает управление следующими параметрами лазерного пучка, используемого для обработки материала: его включение/выключение; средняя мощность; длительность импульса; пиковая интенсивность; энергия; длина волны; частота следования импульсов; энергия импульса; форма импульса и скорость развертки; фокусный диаметр; скорость подачи материала; расход потока охлаждающих сред. Устройство в основном применимо для анализа следующих показателей аддитивного процесса: глубина проникновения лазерного пучка в материал; изменение глубины и скорости изменения глубины; высота лазерной головки по отношению к поверхности материала. Основная технология применения - SLM, а также некоторые реализации оптической схемы SLS и LENS.
Описанные выше устройства интерферометрического контроля аддитивного производства имеют несколько основных недостатков: являются не универсальными, их применение в основном ограничивается применением в таких технологиях печати, как SLM, SLS и некоторых реализациях SLA и LENS. Большая часть реализаций оптических схем контроля требуют наличия отражающей, гладкой поверхности материала, что является известной проблемой для изделий для аддитивного производства. Помимо этого, интерферометрические методы требуют защиты от вибраций, которые неминуемо присутствуют в подвижных частях аддитивного станка. Главным минусом использования такой компоновки измерительной части, по отношению к заготовке, является возможность контроля только видимых участков заготовки с одного ракурса, как правило, это небольшой участок поверхности детали. Отдельные решения, представленные для технологии печати FDM, имеют достоинство в варианте расположения контрольных приспособлений - осветительного и приемного блока. Данная компоновка позволяет захватить печатаемую деталь во всю ее длину с одного и более ракурсов. Предложенный подход используется для быстрого сканирования и прототипирования изделия. Кроме того, описанная система имеет полярную систему координат управления органами аддитивного станка, которая хорошо подходит для эффективного сканирования изделия, но плохо применима для печати и обработки деталей, имеющих форму отличную от осесимметричной.
Технической проблемой является устранение указанных недостатков и создание технического решения, позволяющего повысить точность изготовления деталей посредством аддитивного производства, экономить материал (за счет сокращения брака, своевременной остановки процесса при критических несоответствиях допускам) и предсказывать изменения линейных размеров детали после отделения ее от подложки. Технический результат заключается в повышении качества изготавливаемых деталей.
Поставленная проблема решается, а технический результат достигается тем, что в устройстве контроля аддитивного изготовления детали, содержащем соединенные между собой осветительный блок в виде источника когерентного излучения с линзой, интерференционный блок и вычислительный блок, указанный интерференционный блок выполнен на основе интерферометра сдвига, содержащего наклонное и перемещаемое вдоль оптической оси зеркала, а указанный вычислительный блок выполнен с возможностью расшифровки интерферограмм методом фазовых шагов и вычисления текущих значений внутренних напряжений в детали. Устройство может быть снабжено блоком трехмерного сканирования, содержащим не менее двух камер, установленных с разных сторон детали и подключенных к вычислительному блоку, при этом вычислительный блок выполнен с возможностью преобразования изображений с указанных камер в результирующую трехмерную модель изготавливаемой детали.
На фиг. 1 представлен алгоритм работы предлагаемого устройства;
на фиг. 2 - общий вид предлагаемого устройства;
на фиг. 3 - оптическая схема шерографической камеры в составе предлагаемого устройства.
Аддитивное изготовление детали с помощью предлагаемого устройства предполагает послойное нанесение материала с последующим отверждением посредством 3D-принтера в соответствии с заданной CAD-моделью детали. В процессе формирования детали осуществляют оптический контроль для корректировки, в случае необходимости, текущих параметров печати. В ходе оптического контроля через каждые n слоев определяют текущие значения внутренних напряжений в печатающейся детали. Для этого получают спекл-интерферограммы детали с помощью интерферометра сдвига (например, на базе шерографической камеры), расшифровывают их методом фазовых шагов и вычисляют текущие значения производной от деформации, которая характеризует внутренние напряжения. В заключении корректируют текущие параметры печати в случае превышения заданного предельного значения. Дополнительно в ходе оптического контроля через каждые m слоев проводят трехмерное сканирование формы печатающейся детали, и корректировку текущих параметров печати в случае превышения предельного отличия результатов сканирования от заданной CAD-модели.
Особенностью является пошаговый контроль печатаемой детали, который производится через определенное количество напечатанных слоев.
Как правило, в процессе аддитивного производства заготовка подвержена нагреву посредством лазера или иным методом. В некоторых вариантах аддитивного производства происходит фотополимеризация - затвердение материала под воздействием излучения. В обоих случаях в процессе печати происходят переходные и фазовые процессы в материале, которые сопровождаются изменением линейных размеров заготовки (слоев печати по отношению друг к другу). На этом этапе очень важен оптический контроль для своевременного внесения корректирующих действий в режим аддитивного производства посредством системы обратной связи. Контролю может подлежать как минимум один напечатанный слой. Процесс изготовления может включать в себя совмещение изображения производной от деформации с трехмерной реконструкцией детали методами трехмерного сканирования для наглядной визуализации процесса печати.
Полезная модель может быть реализована на базе аддитивного станка 1 с технологией печати Fused deposition modeling (FDM) или Fused Filament Fabrication (FFF) или Селективного лазерного спекания (SLM), либо иного метода аддитивного производства, где применяется нагрев материала, с последующим его остыванием или используется явление фотополимеризации. Аддитивный станок 1 содержит основание 2 (подложку) для выращивания детали, которая перемещается по оси X и печатающую головку (экструдер), перемещающуюся по осям Y и Z, либо имеет ванну, содержащую порошок для дальнейшего спекания. Аддитивный станок 1 снабжают предлагаемым устройством контроля аддитивного изготовления детали 3.
Предлагаемое устройство контроля состоит из соединенных между собой осветительного блока, интерференционного блока, вычислительного блока и блока трехмерного сканирования - 3D-сканера 5, направленного в область печати, который может получать информацию о профиле детали 3 на основании принципов использования структурированного света и/или лазерного сканирования и/или фотограмметрии (профилометры фотограмметрические, профилометры структурированного света, лазерные профилометры сканирующего типа и т.д.).
Интерференционный блок выполнен на основе шерографической камеры 4, осветительный блок снабжен источником когерентного излучения в виде лазера 6 с рассеивающей линзой 7 для освещения детали широким пучком. Свет, отраженный от детали 3, попадает в оптическую схему интерференционного блока через объектив 8. Шерографическая камера 4 реализует схему интерферометра сдвига и содержит светоделительный кубик 9, который делит отраженное от объекта излучение на два пучка. Для задания поперечного сдвига одного пучка относительно другого и регулировки чувствительности в установке используется наклонное зеркало 10, установленное в опорном канале и имеющее возможность поворота на угол α. Поперечный сдвиг возможно регулировать в двух направлениях. Для реализации метода фазовых шагов интерференционный блок снабжен фазосдвигающим элементом в виде перемещаемого вдоль оптической оси зеркала 11, закрепленного в опорном канале интерферометра и дискретно перемещающегося посредством пьезопривода. В плоскости матрицы видеокамеры 13 с помощью оптической системы 12, состоящей из двух объективов, формируется сдвиговая спекл-интерферограмма объекта.
Использование шерографической камеры 4 позволяет последовательно регистрировать ряд спекл-интерферограмм объекта с фазовым сдвигом и после компьютерной обработки получать фазовое изображение, представляющее собой производную от деформации детали. Задание поперечного сдвига между пучками позволяет настроиться на необходимый диапазон перемещений (деформации) материала [Steinchen W., Yang L. Digital Shearography: Theory and Application of Digital Speckle Pattern Shearing Interferometry. USA. 2003. - 330 p], характерный именно для конкретного производственного процесса. Создание жесткой конструкции шерографической камеры 4, имеющей малые длины плеч интерферометра, обеспечивает хорошую виброзащищенность, по сравнению со схемой обычного спекл-интерферометра и поэтому может быть встроена в процесс аддитивного производства.
Вычислительный блок выполнен с возможностью расшифровки спекл-интерферограмм и вычисления текущих значений внутренних напряжений в детали. Для этого применяется метод фазовых шагов [Vishnyakov G., Levin G., Minaev V., Nekrasov N. Advanced method of phase shift measurement from variances of interferogram differences // Applied Optics. - 2015. - Vol 54. - №15. - P. 4797-4804.]. Одним из преимуществ реконструкции фазы с использованием метода фазовых шагов по сравнению с пространственными методами (такими как фурье-метод) является меньшее количество шумов и высокая точность.
Использование в конструкции аддитивного станка 3D-сканера 5 позволяет строить трехмерную модель детали 3 из облака точек в процессе печати с точностью до десятка микрон, что сопоставимо с толщиной одного напечатанного слоя. Использование шерографической камеры 4, в свою очередь, позволяет регистрировать изображение, представляющее собой производную от микроперемещений поверхности детали 4, давая тем самым информацию о поле деформаций, возникающих на поверхности напечатанных слоев. Шерографическая камера 4 способна работать как с металлами, так и с диэлектриками. Точность регистрации деформации достигает долей микрометра, что позволяет судить по картине поля деформаций о наличии внутренних напряжений в материале детали и подповрехностных дефектах, таких как несплошности, пористость и расслоения, характерные для послойной печати.
Шерографическая камера 4 и сканер 5 могут быть не привязаны к подвижным элементам аддитивного станка и расположены таким образом, чтобы направление регистрации и используемое поле зрения оптических приборов позволяло получать изображение одной проекции детали 3. При этом, используя широкий пучок освещения и широкий угол обзора шерографической камеры 4 (как правило, это область до 2×2 м), возможно освещать деталь целиком, таким образом, получая как минимум одну двумерную проекцию профиля детали, содержащую все напечатанные слои (для технологии FDM, LENS и SLA) или как минимум один напечатанный слой (для технологий SLM и SLS).
Корректирующие действия или решение о приостановке печати принимаются управляющим устройством на основании информации о геометрии заготовки, величине отклонений линейных размеров от CAD-модели и заданного предельного значения.
Предлагаемая полезная модель может использоваться для получения информации о деформации заготовки, динамике изменения линейных размеров, а также внутренних напряжений в материале, наличии пустот, раковин, расслоений в режиме реального времени в процессе печати заготовки. Предложенное техническое решение позволяет экспериментально визуализировать деформации и внутренние напряжения непосредственно в процессе трехмерной печати деталей. Примененное техническое решение позволяет дополнительно проводить мониторинг отклонений геометрии заготовки от CAD модели и принимать решения об остановке процесса печати или коррекции управляющего воздействия. При использовании данного подхода возможна визуализация внутренних напряжений выращиваемой детали. Это позволяет своевременно вносить изменения в процесс аддитивного производства, сокращая траты материала и времени на отбракованные детали и процедуры постобработки для придания детали чистовых размеров, заложенных в конструкторской документации. Полезная модель позволяет диагностировать неоптимальную ориентацию детали при выращивании, или неверную реализацию поддержек для печати, визуализируя внутренние напряжения.
Таким образом, в результате реализации предлагаемой полезной модели значительно повышается качество изготавливаемых деталей.