【行业应用】智能传感 | 激光金属沉积（LMD）打印过程的高度监测

导读

激光金属沉积（LMD）增材制造过程中的沉积厚度对加工质量有明显的影响，本文采用了一种同轴激光三角法测量的方法实现了对沉积高度的在位测量。

背景

目前，增材制造在包括航天和生物医学的众多科研和工业领域得到广泛应用。其中一项技术，激光金属沉积（LMD）技术采用一束高能激光束，将同轴喷嘴中出射的金属粉末融化，沉积并实现层层堆叠则可以实现三维金属结构的制造。为了控制这个技术过程的生产质量，需要对激光功率、沉积速率、金属粉末的流速以及温度传导等过程参数进行主动控制。

金属粉末喷嘴距离基底的偏置距离（SOD），同样是LMD过程中一个重要的参数，SOD距离会影响激光束和金属粉末束之间的重合度，从而影响沉积速率、质量，并最终造成尺寸上的误差。相关研究采用数值模型预测法、相机3D重建法、激光三角测距法来进行SOD距离的测量，但是分别存在计算量大难以在线测量、复杂度高并且可能会造成机械干涉、离轴测量导致的误差及死区这些问题。

创新

本文提出了一种针对激光金属沉积过程高度测量的激光三角测距手段，测距模块采用和高功率激光束光路同轴的布局，不需要建立加工过程的参数模型，避免引入测量角度和加工角度不一致引入的误差，是一种适用于工业生产的灵活的低成本的沉积高度测量方案。

技术

沉积高度测量系统包括一个探测激光束和同轴成像镜组，如图1所示，两个模块都并行安装在激光喷头的一侧，同轴激光三角的布局示意图见图2。

图1. 沉积高度测量系统实物图

图2. 同轴三角测距系统的示意图

常见的激光三角法测距原理是获得图2中所示的y2和y1之间的对应关系，从而能够从相机侧光斑的移动量y2得到被测物体位移量y1，激光金属沉积中关注的沉积高度对应到图2中则为z1量，可以明确的看出z1和y1之间的对应关系，从而可以实现对沉积高度的测量。

这种同轴激光三角测量技术的实施过程中需要注意一些影响因素。高功率激光束的红外光会从沉积表面或者通过多次寄生反射到达检测相机，本文中采用了1000nm低通的光学滤波片，放置在测量模块和加工模块之间。另外，在两个镜头L1和L2的共同焦点处，布置一个1mm孔径的空间滤光器，避免了离轴光的返回造成测量光斑的误差。在此基础上，引入532nm中心波长1nm带宽的滤光片可以大大提高返回信号的信噪比。

文章最后，作者采用这种同轴在线测量沉积层厚度的技术对圆柱LMD加工的过程进行了验证，如图3所示，可以看到激光金属沉积加工得到的空心圆柱体和测量得到的表面误差。

图3. LMD加工的圆柱体及在位测量的误差分布图

关键词：激光金属沉积；增材制造；光学检测；激光三角法

参考资料：

Donadello,S., Motta, M., Demir, A. G., &Previtali, B. (2019). Monitoring of lasermetal deposition height by means ofcoaxial laser triangulation. Optics andLasers in Engineering, 112, 136-144.