RU2811830C2 - Device for online monitoring of shape of deposited layer and control of direct laser growing of items from metal powders - Google Patents

Abstract

FIELD: mechanical engineering.

SUBSTANCE: method and device for monitoring the shape of the deposited layer and controlling the process of direct laser growth of products from metal powders relate to the field of surfacing technologies and direct laser growth of products from various metal powders and are intended for use in mechanical engineering in the process of growing complex parts and products. The device is a system for automatically controlling the process of layer-by-layer surfacing, using laser radiation, of powder material supplied through a nozzle to the substrate, and implements continuous control, which consists of forming a 3D model of the deposited layer and comparing the model against the reference shape of the layer. If deviations in the shape and/or structure of the layer surface from the reference are detected, the function of adaptive control of the growth process is implemented, which consists of changing the laser power, and/or the speed of the head, and/or the consumption of powder material, in which the shape and the structure of the layer surface are brought into compliance with the standard. In addition to quickly adjusting the process parameters when detecting deviations in the shape of a layer to correct a defect, the control system remembers the location where the distortion in the shape of the layer occurs and corrects these distortions at the stage of growing the next layer of the product.

EFFECT: detection and correction of defects that arise during growth of the item, identification of incipient defects, and correction of the detected defects in the process of further growth of the item.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области технологии наплавки и прямого лазерного выращивания изделий из различных металлических порошков и может быть использовано в машиностроении для изготовления сложных деталей и изделий способом лазерных аддитивных технологий.The invention relates to the field of surfacing technology and direct laser growth of products from various metal powders and can be used in mechanical engineering for the manufacture of complex parts and products using laser additive technologies.

Известен способ управления процессом селективного лазерного спекания объемного изделия из порошков и устройство для его осуществления (патент РФ №2595072). В заявленном способе используют устройство, содержащее сканер лазерного излучения с объективом, оптически связанные оптический пирометр с объективом, видеокамеру с анализатором изображения и объективом, источник подсветки поверхности, компьютер, 2D-сканер и модуль управления, включающий регулятор управления сканером лазерного излучения и регулятор управления мощностью лазера, выполненные с возможностью поддержания на заданном уровне мощности лазерного излучения, размера пятна лазерного излучения в зоне воздействия и скорости сканирования пятна по поверхности порошковой насыпки. Также устройство оснащено 3D-сканером изображений спеченного изделия, предназначенным для контроля геометрии выращенного изделия. Основным недостатком устройства является необходимость лазерного сканирования каждого выращенного слоя изделия с высоким разрешением (1 мкм), что значительно увеличивает процесс изготовления изделия и его стоимость. Кроме этого, наличие двух лазерных сканеров обуславливают высокую стоимость и габариты системы мониторинга.There is a known method for controlling the process of selective laser sintering of a bulk product made from powders and a device for its implementation (RF patent No. 2595072). The claimed method uses a device containing a laser scanner with a lens, an optically connected optical pyrometer with a lens, a video camera with an image analyzer and a lens, a surface illumination source, a computer, a 2D scanner and a control module, including a laser scanner control regulator and a power control regulator lasers, designed to maintain at a given level the power of laser radiation, the size of the spot of laser radiation in the impact zone and the speed of scanning the spot over the surface of the powder filling. The device is also equipped with a 3D image scanner of the sintered product, designed to control the geometry of the grown product. The main disadvantage of the device is the need for laser scanning of each grown layer of the product with high resolution (1 micron), which significantly increases the manufacturing process of the product and its cost. In addition, the presence of two laser scanners determines the high cost and dimensions of the monitoring system.

Известно устройство для адаптивного управления процессом прямого лазерного выращивания изделия (патент РФ №185518 U1), содержащее видеокамеру, оснащенную узкополосным оптическим фильтром, и блок управления, включающий в себя вычислительное устройство с программным ПИД-алгоритмом регулирования мощности лазерного луча, при этом видеокамера связана с блоком управления посредством интерфейса Ethernet, отличающееся тем, что устройство снабжено триангуляционным лазерным датчиком для измерения размеров изготавливаемого изделия, связанным с блоком управления по интерфейсу Ethernet. Недостатком данного устройства является возможность обнаружения и исправления только крупных дефектов формы выращиваемого изделия.A device is known for adaptive control of the process of direct laser growing of a product (RF patent No. 185518 U1), containing a video camera equipped with a narrow-band optical filter, and a control unit that includes a computing device with a software PID algorithm for regulating the power of the laser beam, while the video camera is connected to control unit via an Ethernet interface, characterized in that the device is equipped with a triangulation laser sensor for measuring the dimensions of a manufactured product, connected to the control unit via an Ethernet interface. The disadvantage of this device is the ability to detect and correct only large defects in the shape of the grown product.

В изобретении (патент РФ №2321678) описан способ формирования металлической части на металлической подложке посредством осаждения накладываемых друг на друга слоев, который предполагает считывание параметров ванны расплава в группе выбранных координат, запоминание считанных параметров в каждой из выбранных координат и обработку сохраненных параметров с определением соответствующей мощности лазера для нанесения следующего слоя. Изменение мощности при нанесении последующих слоев осуществляется таким образом, чтобы получить ванну расплава, соответствующую той, которая получалась при нанесении нижнего оптимального слоя. Способ реализуется устройством, содержащим головку с дозатором, подложку, закрепленную на рабочем столе, соединенным с контроллером устройства числового программного управления, видеокарту, включающую блок программного обеспечения обработки изображения, программный блок устройства числового программного управления, связывающий их интерфейсный драйвер и две ПЗС-камеры, закрепленных на рабочем столе. Недостатками данного способа является контроль только ванны расплава и отсутствие контроля поверхностной структуры слоя образованного в результате застывания расплава, а также низкая точность размеров и формы выращиваемого изделия.The invention (RF patent No. 2321678) describes a method for forming a metal part on a metal substrate by deposition of layers superimposed on each other, which involves reading the parameters of the melt pool in a group of selected coordinates, storing the read parameters in each of the selected coordinates and processing the saved parameters to determine the corresponding laser power to apply the next layer. The change in power when applying subsequent layers is carried out in such a way as to obtain a melt pool corresponding to that obtained when applying the lower optimal layer. The method is implemented by a device containing a head with a dispenser, a substrate mounted on a desktop connected to a controller of a numerical control device, a video card including an image processing software block, a software block of a numerical control device connecting them with an interface driver and two CCD cameras, fixed to the desktop. The disadvantages of this method are the control of only the melt bath and the lack of control of the surface structure of the layer formed as a result of solidification of the melt, as well as the low accuracy of the dimensions and shape of the grown product.

Наиболее близким к заявляемому устройству является способ и устройство (патент РФ №2228243, опубл. 20.12.2002 по классу МПК В23К 26/34) для лазерной наплавки с контролем в режиме реального времени процесса наплавки и размеров слоя. Устройство, описанное в патенте, выбрано за прототип и представляет собой систему автоматического регулирования послойной наплавки материала на подложку, характеризующуюся тем, что содержит регулируемый лазер, испускающий луч, направленный в локализованный участок подложки для образования на нем ванны расплава, средство подачи порошкового материала в ванну расплава для его плавления лазером и получения слоя наплавленного материала с заданной высотой, средство оптического детектирования с оптоэлектрическим чувствительным элементом для выдачи электрического сигнала, как функции высоты слоя наплавленного материала, и регулятор с обратной связью для автоматического регулирования скорости наплавки материала, как функции электрического сигнала. Недостатком данного способа и устройства является то, что измеряется только высота наплавленного слоя и отсутствует контроль формы и структуры поверхности наплавленного слоя, что не позволяет выявить малые ростовые дефекты такие как каверны, горячие трещины и т.п.The closest to the claimed device is a method and device (RF patent No. 2228243, published on December 20, 2002 according to class IPC V23K 26/34) for laser surfacing with real-time control of the surfacing process and layer dimensions. The device described in the patent was chosen as a prototype and is a system for automatically controlling layer-by-layer deposition of material onto a substrate, characterized in that it contains a controlled laser emitting a beam directed at a localized area of the substrate to form a melt bath on it, a means for supplying powder material to the bath melt for melting it with a laser and obtaining a layer of deposited material with a given height, an optical detection means with an optoelectric sensitive element for issuing an electrical signal as a function of the height of the layer of deposited material, and a feedback controller for automatically regulating the rate of deposition of material as a function of the electrical signal. The disadvantage of this method and device is that only the height of the deposited layer is measured and there is no control of the shape and structure of the surface of the deposited layer, which does not allow identifying small growth defects such as cavities, hot cracks, etc.

Задачей заявляемого изобретения является создание способа и устройства мониторинга процесса прямого лазерного выращивания изделий из металлических порошков, обеспечивающего обнаружение и исправление дефектов, возникающих в процессе выращивания изделия путем контроля формы и структуры поверхности наплавленного слоя, выявление зарождающихся дефектов в результате анализа отклонений формы и структуры слоя от заданной эталонной формы и структуры поверхности слоя, а также исправление обнаруженных дефектов в процессе дальнейшего выращивания изделия.The objective of the claimed invention is to create a method and device for monitoring the process of direct laser growing of products from metal powders, providing detection and correction of defects that arise during the growth of the product by monitoring the shape and structure of the surface of the deposited layer, identifying incipient defects as a result of analyzing deviations in the shape and structure of the layer from a given reference shape and structure of the layer surface, as well as correction of detected defects in the process of further growth of the product.

В процессе выращивания изделия лазерное излучение и металлический порошок одновременно концентрируются наплавочной головкой в зоне наплавки на поверхности подложки или предыдущего наплавленного слоя, где происходит сплавление частиц порошка между собой и с поверхностью формированием наплавленного слоя заданной ширины. Наплавочная головка перемещается по заданной траектории и послойно выращивает изделие. Изделие не будет иметь ростовых дефектов при условии формирования изделия симметричными наплавленными слоями одинаковой формы и не имеющими структурных дефектов поверхности. Поэтому для выращивания бездефектного изделия необходимо обеспечить онлайн мониторинг формы и структуры поверхности наплавленного слоя на протяжении всего процесса послойного выращивания изделия.During the process of growing the product, laser radiation and metal powder are simultaneously concentrated by the surfacing head in the surfacing zone on the surface of the substrate or the previous deposited layer, where the powder particles fuse with each other and with the surface to form a deposited layer of a given width. The surfacing head moves along a given trajectory and grows the product layer by layer. The product will not have growth defects provided that the product is formed with symmetrical deposited layers of the same shape and without structural surface defects. Therefore, to grow a defect-free product, it is necessary to provide online monitoring of the shape and surface structure of the deposited layer throughout the entire process of layer-by-layer growth of the product.

Способ и устройство мониторинга формы наплавленного слоя и управления процессом прямого лазерного выращивания изделий из металлических порошков характеризующийся тем, что содержит регулируемый лазер, излучение которого направляется и концентрируется на локализованном участке металлической подложки для образования на ней локальной ванны расплава, средство подачи порошкового материала в ванну расплава для его плавления лазерным излучением и получения слоя наплавленного материала, средство оптического детектирования с оптоэлектрическим чувствительным элементом для выдачи электрического сигнала как функции высоты слоя наплавленного материала, и регулятор с обратной связью для автоматического регулирования скорости наплавки материала как функции электрического сигнала отличающееся наличием лазерного сканирования наплавленного слоя, формирования 3D модели наплавленного слоя на основании результатов сканирования, сопоставлением сформированной модели с цифровым эталоном наплавленного слоя, выработкой сигнала рассогласования в случае различия модели и эталона и автоматического регулирования скорости наплавки и/или величины расхода порошка и/или мощности лазерного излучения в соответствии с величиной рассогласования модели и эталона с целью приведения формы наплавленного слоя в соответствие с эталоном.A method and device for monitoring the shape of the deposited layer and controlling the process of direct laser growing of products from metal powders, characterized in that it contains a controlled laser, the radiation of which is directed and concentrated on a localized area of the metal substrate to form a local melt pool on it, a means for supplying powder material to the melt pool for melting it with laser radiation and obtaining a layer of deposited material, an optical detection means with an optoelectric sensitive element for issuing an electrical signal as a function of the height of the layer of deposited material, and a feedback controller for automatically regulating the speed of deposition of material as a function of the electrical signal, characterized by the presence of laser scanning of the deposited layer , formation of a 3D model of the deposited layer based on scanning results, comparison of the generated model with a digital standard of the deposited layer, generation of a mismatch signal in case of differences between the model and the standard and automatic control of the deposition speed and/or the amount of powder consumption and/or laser radiation power in accordance with the value mismatch between the model and the standard in order to bring the shape of the deposited layer into compliance with the standard.

Способ онлайн-мониторинга процесса послойной наплавки может базироваться на лазерном триангуляционном методе сканирования формы наплавленного слоя, который реализуется путем освещения наплавленного слоя, структурированной монохроматической подсветкой и регистрации цифровой камерой вариаций структуры подсветки, обусловленных формой и струтурой поверхности наплавленного слоя. В простейшем случае структурированная подсветка представляет собой тонкую световую линию, ориентированную поперек наплавленного слоя. Линия формируется маломощным лазером, оснащенным специальной оптической системой, которые расположены сверху над и несколько позади ванны расплава над участком только что сформированного наплавленного слоя. Цифровая камера с объективом располагается за маломощным лазером и смотрит на световую линию под углом. В этом случае изображение световой линии на матрице камеры огибает поверхность наплавленного слоя, повторяя его форму. Поэтому любое отклонение формы слоя от симметричности или искажение структуры поверхности слоя обусловленных наличием локальных неровностей на поверхности слоя приводит к соответствующим изменениям формы световой линии, огибающей слой, что регистрируется камерой. Сигнал с камеры, содержащий информацию о форме и структуре поверхности наплавленного слоя, по цифровому интерфейсу поступает на вычислительное устройство блока управления процессом наплавки, которое регистрирует изображение, фильтрует изображение, бинаризует изображение, детектирует границы слоя, после обработки изображения формирует 3D модель слоя и сравнивает изображение с заданным цифровым эталоном, а затем, в случае их отличия, вырабатывает управляющий сигнал по изменению мощности лазерного излучения и/или линейной скорости перемещения наплавочной головки относительно выращиваемого изделия и/или скорости подачи порошкового материала в ванну расплава.The method for online monitoring of the layer-by-layer surfacing process can be based on the laser triangulation method of scanning the shape of the deposited layer, which is implemented by illuminating the deposited layer, structured monochromatic illumination and recording with a digital camera variations in the structure of the illumination due to the shape and structure of the surface of the deposited layer. In the simplest case, structured illumination is a thin line of light oriented across the deposited layer. The line is formed by a low-power laser equipped with a special optical system, which are located above and slightly behind the melt pool above the area of the newly formed deposited layer. A digital camera with a lens is positioned behind a low-power laser and looks at the light line at an angle. In this case, the image of the light line on the camera matrix bends around the surface of the deposited layer, repeating its shape. Therefore, any deviation of the layer shape from symmetry or distortion of the layer surface structure due to the presence of local irregularities on the layer surface leads to corresponding changes in the shape of the light line enveloping the layer, which is recorded by the camera. The signal from the camera, containing information about the shape and structure of the surface of the deposited layer, is sent via a digital interface to the computing device of the surfacing process control unit, which registers the image, filters the image, binarizes the image, detects the boundaries of the layer, after processing the image, forms a 3D model of the layer and compares the image with a given digital standard, and then, if they differ, generates a control signal to change the power of laser radiation and/or the linear speed of movement of the surfacing head relative to the product being grown and/or the speed of supply of powder material to the melt bath.

Анализ характера изменения не только высоты, как это делается в прототипе, но и общей формы, а также локальных изменений формы наплавленного слоя позволяет обнаружить ростовой дефект на стадии его зарождения, принять меры к прекращению дальнейшего развития дефекта и исправить дефект при формировании следующего слоя.Analysis of the nature of the change not only in height, as is done in the prototype, but also in the general shape, as well as local changes in the shape of the deposited layer, makes it possible to detect a growth defect at the stage of its inception, take measures to stop further development of the defect and correct the defect during the formation of the next layer.

Устройство мониторинга и автоматического регулирования содержит триангуляционный лазерный сканер сигнал с которого подается на вычислительное устройство системы управления процессом наплавки где формируется 3D модель формы наплавленного слоя и производится сравнение модели с цифровым эталоном формы наплавленного слоя и в случае рассогласование модели с эталоном вырабатывается сигнал соответствующий характеру и величине рассогласования, который подается на блок управления мощностью излучения лазера и/или скоростью подачи порошка и/или приводами системы перемещения лазерного излучения относительно выращиваемого изделия. Схематическое изображение устройства, реализующего описанный способ мониторинга и управления формированием наплавленного слоя в процессе прямого лазерного выращивания изделия представлено на рисунке фиг. 1. Устройство снабжено маломощным лазером (3) с оптической системой для формирования структурированной лазерной подсветки наплавленного слоя, которая считывается матричной камерой (1).The monitoring and automatic control device contains a triangulation laser scanner, the signal from which is fed to the computing device of the surfacing process control system, where a 3D model of the deposited layer shape is formed and the model is compared with a digital standard of the deposited layer shape, and in the event of a mismatch between the model and the standard, a signal corresponding to the nature and magnitude is generated mismatch, which is fed to the control unit for the laser radiation power and/or the powder feed rate and/or the drives of the system for moving the laser radiation relative to the product being grown. A schematic representation of a device that implements the described method of monitoring and controlling the formation of a deposited layer in the process of direct laser growing of a product is shown in Fig. 1. The device is equipped with a low-power laser (3) with an optical system for generating structured laser illumination of the deposited layer, which is read by a matrix camera (1).

Лазер (3) с оптической системой и камера установлены позади лазерной наплавочной головки (2) обеспечивающей концентрацию лазерного излучения на металлической подложке или предыдущем наплавленном слое и оснащенной соплом для подачи металлического порошка в зону наплавки. Матричная камера (1) представляет собой цифровую видеокамеру, с узкополосным оптическим фильтром, прозрачным на длине волны излучения маломощного лазера для отсечки светового фона и рассеянного излучения мощного лазера (4). Лазерное излучение, генерируемое лазером 4, направляется по транспортному волокну (5) в лазерную головку (2), которая обеспечивает концентрацию лазерного излучения и металлического порошка, соответственно посредством оптики и сопла, на металлической подложке в зоне наплавки. При перемещении лазерной головки под воздействием лазерного излучения на подложку или предыдущий наплавленный слой и порошок на формируется очередной наплавленный слой. Несколько позади ванны расплава там, где на подложке уже сформировался наплавленный слой он освещается структурированной подсветкой, генерируемой маломощным лазером с оптикой (3) в виде тонкой световой линии, ориентированной поперек слоя. Форма световой линии, отражающая форму и структуру поверхности наплавленного слоя, регистрируется матричной камерой, соединенной по цифровому интерфейсу с блоком управления (6), который включает в себя вычислительное устройство, где происходит анализ сигнала с камеры, формирование 3D модели слоя и сопоставление сигнала с цифровым эталонном формы слоя. В случае отклонения общей формы или выявления локальной неоднородности на поверхности слоя вычислительное устройство формирует сигнал характеру пропорциональный отклонению формы слоя от эталона и система управления в соответствии с сигналом регулирует мощность лазерного излучения и/или скорость движения лазерной головки и/или скорость подачи порошка сразу после формирования сигнала, а также при наплавке следующего слоя в месте обнаружения локальных или общих отклонений формы предыдущего, нижнего слоя.The laser (3) with an optical system and a camera are installed behind the laser surfacing head (2), which provides concentration of laser radiation on the metal substrate or the previous deposited layer and is equipped with a nozzle for supplying metal powder to the surfacing zone. The matrix camera (1) is a digital video camera with a narrow-band optical filter, transparent at the wavelength of low-power laser radiation to cut off the background light and scattered radiation of a high-power laser (4). Laser radiation generated by laser 4 is directed along the transport fiber (5) to the laser head (2), which ensures the concentration of laser radiation and metal powder, respectively, through optics and a nozzle, on the metal substrate in the deposition zone. When the laser head moves under the influence of laser radiation onto the substrate or the previous deposited layer and powder, another deposited layer is formed. Somewhat behind the melt pool, where a deposited layer has already formed on the substrate, it is illuminated by structured illumination generated by a low-power laser with optics (3) in the form of a thin light line oriented across the layer. The shape of the light line, reflecting the shape and structure of the surface of the deposited layer, is recorded by a matrix camera connected via a digital interface to a control unit (6), which includes a computing device where the signal from the camera is analyzed, a 3D model of the layer is formed and the signal is compared with the digital one. reference layer shape. In case of deviation of the general shape or detection of local inhomogeneity on the surface of the layer, the computing device generates a signal of a nature proportional to the deviation of the layer shape from the standard and the control system, in accordance with the signal, adjusts the laser radiation power and/or the speed of movement of the laser head and/or the powder feed rate immediately after formation signal, as well as when surfacing the next layer in the place where local or general deviations in the shape of the previous, lower layer are detected.

Устройство мониторинга формы наплавленного слоя и управления процессом прямого лазерного выращивания изделий из металлических порошков работает следующим образом. Изделия выращивается в соответствии с трехмерной компьютерной моделью, разделенную на множество поперечных сечений (STL-модель). Модель загружена в блок управления (6), который формирует параметры движения лазерной головки (2) с соплом, управляет мощностью лазерного излучения и расходом порошка. По команде с блока управления лазерная головка приводится в движение, например, манипулятором промышленного робота в соответствии с параметрами первого поперечного сечения STL-модели, включается лазер и подача порошка, начинает формироваться нижний наплавленный слой изделия на подложке. В процессе формирования слоя посредством регистрации изменения характера структурной подсветки камерой (2) реализуется непрерывный контроль формы и структуры поверхности наплавленного слоя. В случае регистрации отклонений формы и/или структуры поверхности слоя реализуется функция адаптивного управления процессом роста, заключающаяся в таком изменении мощности лазера и/или скорости движения головки и/или расхода порошка, при котором форма и структура поверхности слоя приводятся в соответствие с цифровым эталоном, загруженным в блок управления. Кроме быстрой подстройки параметров процесса выращивания при обнаружении отклонений формы слоя для исправления дефекта система управления запоминает место возникновения отклонений формы и исправляет эти отклонения на этапе выращивания следующего слоя изделия. Таким образом слой за слоем в соответствии с STL-моделью выращивается изделие, не имеющее ростовых дефектов.A device for monitoring the shape of the deposited layer and controlling the process of direct laser growing of products from metal powders operates as follows. Products are grown in accordance with a three-dimensional computer model, divided into many cross sections (STL model). The model is loaded into the control unit (6), which generates the movement parameters of the laser head (2) with a nozzle, controls the laser radiation power and powder consumption. Upon command from the control unit, the laser head is set in motion, for example, by the manipulator of an industrial robot in accordance with the parameters of the first cross-section of the STL model, the laser and powder supply are turned on, and the lower deposited layer of the product on the substrate begins to form. During the formation of the layer, by recording changes in the nature of the structural illumination by camera (2), continuous monitoring of the shape and structure of the surface of the deposited layer is realized. In case of registration of deviations in the shape and/or structure of the layer surface, the function of adaptive control of the growth process is implemented, which consists in changing the laser power and/or the speed of the head and/or powder consumption in such a way that the shape and structure of the layer surface are brought into compliance with the digital standard, loaded into the control unit. In addition to quickly adjusting the parameters of the growing process when deviations in the shape of a layer are detected to correct a defect, the control system remembers the location of the occurrence of shape deviations and corrects these deviations at the stage of growing the next layer of the product. Thus, layer by layer, in accordance with the STL model, a product is grown that does not have growth defects.

Устройство мониторинга формы наплавленного слоя было реализовано на практике и апробировано в процессе выращивания цилиндрических изделий из металлического порошка 316L. В качестве лазера формирующего структурированную подсветку наплавочного валика в виде световой линии был применен лазер STR-639-1-CW. Форма световой линии на валике наплавки регистрировалась цифровой камерой U3CM08 с разрешением 5 мегапикселей. В процессе апробации системы мониторинга было установлено, что при высоте наплавленного слоя в 250 мкм и ширине 3 мм система обнаруживает отклонения формы, в частности симметричности слоя, на уровне не более 7-8 мкм, а локальные отклонения формы на уровне 2 мкм. Уверенное обнаружение локальных и общих отклонений на указанных уровнях позволяют избежать таких ростовых дефектов, как завал стенки, периодическая разновысотность стенки, каверн и горячих трещин.The device for monitoring the shape of the deposited layer was implemented in practice and tested in the process of growing cylindrical products from 316L metal powder. The STR-639-1-CW laser was used as a laser that forms structured illumination of the surfacing bead in the form of a light line. The shape of the light line on the surfacing bead was recorded by a U3CM08 digital camera with a resolution of 5 megapixels. During testing of the monitoring system, it was found that with a deposited layer height of 250 microns and a width of 3 mm, the system detects shape deviations, in particular layer symmetry, at a level of no more than 7-8 microns, and local shape deviations at a level of 2 microns. Confident detection of local and general deviations at the specified levels makes it possible to avoid such growth defects as wall collapse, periodic differences in wall height, cavities and hot cracks.

Claims (2)

1. Способ мониторинга формы наплавленного слоя и управления процессом прямого лазерного выращивания изделий из металлических порошков, включающий направление и концентрирование на локализованном участке металлической подложки или ранее сформированном наплавленном слое излучения регулируемого лазера для образования локальной ванны расплава, подачу порошкового материала из средства подачи порошкового материала в ванну расплава для его плавления лазерным излучением и получение слоя наплавленного материала, выдачу электрического сигнала средством оптического детектирования с оптоэлектрическим чувствительным элементом как функцию высоты слоя наплавленного материала, автоматическое регулирование скорости наплавки материала регулятором с обратной связью как функцию электрического сигнала, лазерное сканирование наплавленного слоя с формированием 3D модели наплавленного слоя на основании результатов сканирования, сопоставление сформированной модели с цифровым эталоном наплавленного слоя, выработку сигнала рассогласования в случае различия модели и эталона и автоматическое регулирование скорости наплавки, и/или величины расхода порошка, и/или мощности лазерного излучения в соответствии с величиной и характером рассогласования модели с эталоном и приведение формы наплавленного слоя в соответствие с эталоном.1. A method for monitoring the shape of the deposited layer and controlling the process of direct laser growth of products from metal powders, including directing and concentrating on a localized area of the metal substrate or a previously formed deposited layer the radiation of a controlled laser to form a local melt pool, supplying the powder material from the powder material supply means to melt bath for melting it with laser radiation and obtaining a layer of deposited material, issuing an electrical signal by an optical detection means with an optoelectric sensitive element as a function of the height of the layer of deposited material, automatic control of the speed of deposition of the material by a regulator with feedback as a function of the electrical signal, laser scanning of the deposited layer with the formation 3D models of the deposited layer based on scanning results, comparison of the generated model with a digital standard of the deposited layer, generation of a mismatch signal in the event of a difference between the model and the standard, and automatic control of the deposition speed, and/or the amount of powder consumption, and/or the power of laser radiation in accordance with the value and the nature of the mismatch between the model and the standard and bringing the shape of the deposited layer into compliance with the standard. 2. Устройство мониторинга формы наплавленного слоя и управления процессом прямого лазерного выращивания изделий из металлических порошков, представляющее собой систему автоматического регулирования послойной наплавки материала на подложку, которое содержит регулируемый лазер, испускающий луч, направленный на локализованный участок подложки, средство подачи материала для его плавления лазером и получения слоя наплавленного материала, средство оптического детектирования с оптоэлектрическим чувствительным элементом для выдачи электрического сигнала как функцию высоты слоя наплавленного материала и регулятор с обратной связью для автоматического регулирования скорости наплавки материала как функцию электрического сигнала, лазерный триангуляционный сканер с передачей информации от сканера в вычислительное устройство системы управления процесса наплавки, в котором формируют и сопоставляют в вычислительном устройстве 3D модель наплавленного слоя с цифровым эталоном, выработку сигнала, соответствующего величине и характеру рассогласования модели и эталона, и управление параметрами наплавки слоя в соответствии с сигналом рассогласования.2. A device for monitoring the shape of the deposited layer and controlling the process of direct laser growing of products from metal powders, which is a system for automatically controlling layer-by-layer deposition of material onto a substrate, which contains an adjustable laser emitting a beam directed at a localized area of the substrate, a means of supplying material for its melting with a laser and obtaining a layer of deposited material, an optical detection means with an optoelectric sensing element for issuing an electrical signal as a function of the height of the deposited material layer and a feedback controller for automatically adjusting the rate of deposition of material as a function of the electrical signal, a laser triangulation scanner with information transfer from the scanner to the computing device control system for the surfacing process, in which a 3D model of the deposited layer is formed and compared in a computing device with a digital standard, generation of a signal corresponding to the magnitude and nature of the mismatch between the model and the standard, and control of the parameters of the layer surfacing in accordance with the mismatch signal.

Images