技术领域
[0001] 本
发明涉及智能控制技术领域，具体涉及一种基于AI控制的用于金属激光3D打印中的打印环境控制的系统及控制方法。
背景技术
[0002] 激光3D打印是目前较为先进的一种金属制件制造工艺，由于其无模快速制造的特点，在先进制造尤其是新产品研发中发挥着越来越重要的作用，近年来国内很多高校已经展开了金属激光3D打印的研究。
[0003] 计算机控制技术是实现智能控制的
基础，贯穿激光3D打印的整个过程，从三维图层的计算机建模、分层切片到多轴系统的三维运动控制，从打印
质量的实时分析到打印环境的实时监控都离不开基于AI的计算机控制技术。例如
申请号为201310288137.7的中国发明
专利公开了一种金属零件的3D打印制造装置及方法，整套装置均依靠一计算机控制系统进行控制，其计算机控制系统包括计算机，该计算机分别通过数据线与驱动装置的控制卡和激光系统的控制卡相连，除了激光加工系统，其还包括气氛保护系统、加热系统，气氛保护系统的抽
真空和充气控制和检测、加热系统的
温度控制和检测也都依赖计算机控制系统实现。
[0004] 金属制件的激光3D打印在密闭环境和保护氛围下进行，环境压
力和温度对打印层内在和外在质量都有很大影响，由此，金属激光3D打印除了
三维建模和三维打印过程的实现高度依赖计算机控制技术外，基于对打印工作环境的实施控制来确保打印质量是AI智能控制的另一重要应用方向，目前这种应用的技术也很多，例如申请号为201310024477.9的中国发明专利公开了一种
选择性激光熔化SLM气氛保护系统，包括中央控制系统，该中央控制系统同带有
人机界面的上位机通信连接，选择性激光熔化SLM气氛保护系统安装有
氧含量
传感器、
水含量传感器、
压力传感器以及内部的温度传感器，在制粉过程中氧含量、水含量、压力、温度等所有的工艺参数均可在中央控制系统中进行实时监控，并且中央控制系统可以
自动调节气氛保护系统的压力、温度，实现恒压、恒温成形，为选择性激光熔化SLM过程提供高气氛洁净度的环境，
监控系统还配有
数据采集软件，可以将实时显示的工艺参数保存成工艺文件，方便后期质量追溯。
[0005] 现有相关技术中，虽然已经将3D打印环境中的气氛压力条件和温度条件纳入环境控制的目标，但调控的对象均是固有气氛本身，没有考虑到一项非常重要的影响因素气体干扰，这是因为多数
金属粉末在制备过程中都经过化学制备或者机械球磨制备，很多都混杂有例如残留球磨介质、残留保护剂、
表面活性剂以及其他各类有机介质，而对于一些产品而言，粉末成分可能本身就是很复杂的，有的金属零件其实是以金属为基体混合了多种成分的
复合材料，在一些粉末制备或送粉工艺中，可能还要有意加入一些粘接或流动助剂，或者加入一些以生成
碳质增强体(例如碳
纳米管)为目标的有机碳源，这种情况下，由于激光3D打印是对粉末的高
能量加工，加工工程中由于金属粉末中混入的其他化学物质的
热解而产生的气体对3D打印空间内的环境条件就产生了不可忽略的影响，这些气体不但影响环境压力，本身可能也是有害的，比如渗入熔融态金属从而生成不期望的夹杂，比如对激光光路或者敏感的光学或
电子器件造成污染或损坏。
[0006] 目前，尚未有
现有技术能够针对上述干扰气体提出可行的环境控制方案。
发明内容
[0007] 为解决上述问题，本发明提出一种基于AI的环境控制系统及控制方法，基于自动检测分析系统以及
计算机程序对干扰气体进行自动检测和
阈值对比分析，进而通过后续的排气和补压保证3D打印环境的稳定，在保证产品质量的同时，也稳定了激光光路，保护了光学和电子器件。
[0008] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
[0009] 一种基于AI的环境控制系统，包括计算机控制系统和3D打印系统，所述3D打印系统包括密闭成型腔，所述密闭成型腔内设置有成型
工作台、供料装置、环境监测装置和环境调节装置，所述环境监测装置包括压力环境监测装置和干扰气体监测装置，所述压力环境监测装置用于实时检测密闭成型腔内的环境压力信息并向所述计算机控制系统传送压力
信号，所述干扰气体监测装置用于实时检测3D打印过程中生成的干扰气体的强度和/或浓度信息并向所述计算机控制系统传送强度和/或浓度信号，所述环境调节装置包括保护气体调节装置和抽气装置，所述保护气体调节装置用于向所述密闭成型腔提供一定压力的保护气体，所述抽气装置用于抽吸所述密闭成型腔内生成的干扰气体，所述计算机控制系统基于所述压力环境监测装置和干扰气体监测装置的检测信号生成控制指令，用于控制所述保护气体调节装置和抽气装置的运行，实现对所述密闭成型腔内环境的自动控制。
[0010] 如上所述的一种基于AI的环境控制系统，所述3D打印系统为激光3D打印系统。
[0011] 如上所述的一种基于AI的环境控制系统，所述供料装置为供粉装置，所述干扰气体监测装置检测的干扰气体为粉末原料中的化学物质反应或热解产生的特定气体。
[0012] 如上所述的一种基于AI的环境控制系统，所述特定气体为CO2、多环芳香
烃、醚、低沸点金属
蒸汽、
腐蚀性气体等之中的一种或多种。
[0013] 如上所述的一种基于AI的环境控制系统，所述环境监测装置还包括温度环境监测装置和温度调节装置，所述温度环境监测装置用于实时检测密闭成型腔内的
环境温度信息并向所述计算机控制系统传送温度信号，所述温度调节装置用于对所述密闭成型腔内的环境实施冷却或加热。
[0014] 一种环境控制方法，基于上述环境控制系统，其特征在于，包括如下步骤：
[0015] (1)按照设定工艺和程序启动3D打印系统，先使用保护气体对密闭成型腔进行清洗换气，以清除密闭成型腔内的氧气和水气，然后在特定保护气体氛围压力环境下采用能量源照射3D打印材料逐层制造3D打印制品；
[0016] (2)压力环境监测装置实时检测密闭成型腔内的环境压力信息并向计算机控制系统传送压力信号，当环境压力低于设定阈值的低点值时，计算机控制系统控制保护气体调节装置向密闭成型腔内补充压力，直到环境压力达到设定阈值的高点值判断为符合设定压力条件，干扰气体监测装置实时检测3D打印过程中生成的干扰气体的强度和/或浓度信息并向计算机控制系统传送强度和/或浓度信号，当干扰气体的强度和/或浓度超出设定阈值的高点值时，计算机控制系统控制抽气装置抽出密闭成型腔内的气体，直到干扰气体监测装置检测不到干扰气体或者干扰气体的强度和/或浓度符合设定的阈值的低点值条件，接着，计算机控制系统控制保护气体调节装置向密闭成型腔内补充因抽出密闭成型腔内的气体而损失的压力，直到环境压力达到设定阈值的高点值判断为符合设定压力条件；
[0017] (3)持续执行步骤(2)的压力及干扰气体的检测和调节，保证密闭成型腔内的环境压力符合设定范围，并保证3D打印过程中生成的干扰气体的强度和/或浓度不超出设定阈值，直到完成3D打印制品的
制造过程。
[0018] 如上所述的一种环境控制方法，所述计算机控制系统通过控制与保护气体调节装置连接的电磁
阀来控制压力补充过程中保护气体的通断或流量，所述计算机控制系统通过控制与抽气装置连接的
电磁阀来控制抽气过程的通断或流量。
[0019] 如上所述的一种环境控制方法，在所述步骤(2)中，计算机控制程序设定为，当计算机控制系统控制抽气装置抽出密闭成型腔内的气体时，在抽
气动作启动后到抽气动作执行结束前，所述压力环境监测装置不检测密闭成型腔内的环境压力和/或计算机控制系统不向保护气体调节装置发出补充压力的指令。
[0020] 如上所述的一种环境控制方法，在所述步骤(2)中，还通过温度环境监测装置实时检测密闭成型腔内的环境温度信息并向计算机控制系统传送温度信号，当环境温度偏离设定阈值范围时，计算机控制系统控制温度调节装置对密闭成型腔内的环境实施冷却或加热调节，直到所述密闭成型腔内的环境温度符合设定条件。
[0021] 如上所述的一种环境控制方法，所述实时检测密闭成型腔内的环境温度信息和所述对密闭成型腔内的环境实施冷却或加热调节同样贯穿3D打印全过程。
[0022] 本发明的有益效果在于：
[0023] 本发明的一种基于AI的环境控制系统及控制方法，与现有技术相比，针对金属粉末在化学制备或者机械球磨制备中残留易热解化学成分或者作为辅剂的易热解有机物质产生的干扰气体进行实时检测和排除，该过程中基于自动检测分析系统以及计算机程序对干扰气体进行自动检测和阈值对比分析，进而通过后续的排气和补压保证3D打印环境的稳定，在保证产品质量的同时，也稳定了激光光路，保护了光学和电子器件。
[0024] 本发明的计算机程序将环境压力、干扰气体强度或浓度以及环境温度的标准阈值均设定为阈值范围，整个调节过程为一种亚稳态调节，设备启动和响应频次和负担比现有技术中的恒稳态调节要小得多，而环境控制条件完全满足3D打印过程的需要。
[0025] 本发明在基于计算机控制程序的环境控制过程中，压力环境监测装置实时检测密闭成型腔内的环境压力信息并向计算机控制系统传送压力信号，计算机控制系统控制保护气体调节装置向密闭成型腔内补充压力，干扰气体监测装置实时检测干扰气体的强度和/或浓度信息并向计算机控制系统传送强度和/或浓度信号，计算机控制系统控制抽气装置抽出密闭成型腔内的气体，接着计算机控制系统控制保护气体调节装置向密闭成型腔内补充因抽出密闭成型腔内的气体而损失的压力，在抽气动作启动后到抽气动作执行结束前，通过程序设定使补压动作不进行，保证了响应的准确性，提高了控制
精度和
稳定性。
附图说明
[0026] 图1为本发明
实施例1的一种基于AI的环境控制系统及控制方法原理图。
[0027] 图2为本发明实施例2的一种基于AI的环境控制系统及控制方法原理图。
[0028] 图3为本发明实施例3的一种基于AI的环境控制系统及控制方法原理图。
[0029] 图中各附图标记所代表的组件为：
[0030] 计算机控制系统1，3D打印系统2，密闭成型腔3，成型工作台4，供料装置5，干扰气体监测装置6，压力环境监测装置7，保护气体调节装置8，抽气装置9，温度环境监测装置10，温度调节装置11，过滤装置12。
具体实施方式
[0031] 下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。
[0032] 实施例1
[0033] 参见图1，图1为本发明实施例1的一种基于AI的环境控制系统及控制方法原理图，本实施例的环境控制系统，基于AI程序控制，整个系统包括计算机控制系统1和3D打印系统2。
[0034] 本实施例的3D打印系统2以实施选择性激光
烧结的激光3D打印系统为例，如图1所示，所述3D打印系统2包括密闭成型腔3，所述密闭成型腔内设置有成型工作台4、供料装置5，当然还有必不可少的激光扫描系统，
选择性激光烧结的激光3D打印技术对本领域技术人员而言是熟知的，其工作过程是：供料装置5在成型工作台4上铺设金属粉料，激光扫描系统根据计算机预设的当前层切片程序控制激光振镜扫描当前金属粉料层，生成当前层，接着成型工作台4的
基板下降一个粉末层高度，重复供料装置5的铺粉和激光扫描系统的扫描烧结，逐层制造，直到得到实体制品，整个过程在计算机控制下自动进行。
[0035] 选择性激光烧结过程在保护气氛下进行，密闭成型腔3内的环境需要稳定或者可控，因此本实施例的环境控制系统包括环境监测装置和环境调节装置，所述环境监测装置首要包括压力环境监测装置7，因为对成型腔工作压力的监控是至关重要的，所述压力环境监测装置7用于实时检测密闭成型腔3内的环境压力信息并向所述计算机控制系统1传送压力信号，前面已经提到，作为本发明的一个重要改进，本发明考虑了干扰气体的影响，因此，所述环境监测装置还包括干扰气体监测装置6，所述干扰气体监测装置6用于实时检测3D打印过程中生成的干扰气体的强度和/或浓度信息并向所述计算机控制系统1传送强度和/或浓度信号。
[0036] 设置干扰气体监测装置6检测干扰气体的强度和/或浓度信息的必要性在于，在很多情况下，干扰气体的影响是不可忽略的，这些气体不但影响基础环境，而且本身可能也是有害的，比如影响激光光路的扫描精度和实际功率，比如对敏感的光学或电子器件造成污染或损坏，在一些情况下，还可能与熔融态金属反应从而生成不期望的组织或夹杂，这些干扰气体的产生一方面是因为多数金属粉末在制备过程中都经过化学制备或者机械球磨制备，很多都混杂有例如残留球磨介质、残留保护剂、表面活性剂以及其他各类有机介质，粉末干燥中没有完全去除，而一方面，对于一些产品而言，粉末成分可能本身就是很复杂的，有的金属零件其实是以金属为基体混合了多种成分的复合材料，在一些粉末制备或送粉工艺中，可能还要有意加入一些粘接或流动助剂，或者加入一些以生成碳质增强体为目标的有机碳源，有机碳源的定向分解可能会生成
碳纳米管、
石墨烯等有益增强体，但也会带来其他气体干扰。
[0037] 本发明中根据实际需要，所检测的特定气体可以为CO2、多环芳香烃、醚、低沸点金属蒸汽、腐蚀性气体等之中的一种或多种，这些成分多数是粉末在物理或化学制备中残留成分反应或热解产生的，例如化学制备金属粉末残留表面活性剂热解一般会有CO2和醚类产生，有的成分还来自金属粉末本身，其危害是多方面的，例如，一般认为含S的腐蚀性气体无论对正在生产的产品还是对设备仪器，都有很大的负面影响，一些多环芳香烃会污染敏感的光学电子器件，作为举例而非限制，本实施例中的干扰气体监测装置6可包括东北师范大学研究团队所研制的基于激光等离子的多环芳香烃检测仪。
[0038] 本实施例中，所述环境调节装置包括保护气体调节装置8和抽气装置9，所述保护气体调节装置8用于向所述密闭成型腔3提供一定压力的保护气体，所述抽气装置9用于抽吸所述密闭成型腔3内生成的干扰气体，所述计算机控制系统1基于所述压力环境监测装置7和干扰气体监测装置6的检测信号生成控制指令，用于控制所述保护气体调节装置8和抽气装置9的运行，实现对所述密闭成型腔3内环境的自动控制。
[0039] 基于上述环境控制系统，本实施例的环境控制方法，包括如下步骤：
[0040] 1、按照设定工艺和程序启动3D打印系统2，先使用保护气体对密闭成型腔3进行清洗换气，以清除密闭成型腔3内的氧气和水气，然后在特定保护气体氛围压力环境下采用能量源(激光)照射3D打印材料逐层制造3D打印制品；
[0041] 2、压力环境监测装置7实时检测密闭成型腔3内的环境压力信息并向计算机控制系统1传送压力信号，当环境压力低于设定阈值的低点值时，计算机控制系统1控制保护气体调节装置8向密闭成型腔3内补充压力，直到环境压力达到设定阈值的高点值判断为符合设定压力条件，干扰气体监测装置6实时检测3D打印过程中生成的干扰气体的强度和/或浓度信息并向计算机控制系统1传送强度和/或浓度信号，当干扰气体的强度和/或浓度超出设定阈值的高点值时，计算机控制系统1控制抽气装置9抽出密闭成型腔3内的气体，直到干扰气体监测装置6检测不到干扰气体或者干扰气体的强度和/或浓度符合设定的阈值的低点值条件，接着，计算机控制系统1控制保护气体调节装置8向密闭成型腔3内补充因抽出密闭成型腔3内的气体而损失的压力，直到环境压力达到设定阈值的高点值判断为符合设定压力条件；
[0042] 3、持续执行步骤2的压力及干扰气体的检测和调节，保证密闭成型腔3内的环境压力符合设定范围(亚恒定)，并保证3D打印过程中生成的干扰气体的强度和/或浓度不超出设定阈值，直到完成3D打印制品的制造过程。
[0043] 如图1所示，所述计算机控制系统1通过控制与保护气体调节装置8连接的电磁阀来控制压力补充过程中保护气体的通断或流量，所述计算机控制系统1通过控制与抽气装置9连接的电磁阀来控制抽气过程的通断或流量。
[0044] 在本发明保护中，压力环境监测装置7和干扰气体监测装置6在密闭空腔内的设置方式和设置
位置不作特别限定，只要能起到本申请要求的作用即可，在本实施例中，压力环境监测装置7和干扰气体监测装置6均设置在了保护气体调节装置8和抽气装置9的远端，这样设置可以进一步提高压力环境监测装置7和干扰气体监测装置6的响应精度，减少因保护气体调节装置8和抽气装置9的抽吸动作带来的瞬时影响，另外，抽气装置9尽量设置在密闭成型腔3中上部，避免对3D打印中的铺粉、回收的影响，当然，抽气装置9的前端也特意设置了过滤装置12，可以将无意吸入的大尺度的颗粒或粉尘拦截在过滤装置12中，这均属于本发明提供的改进，而非限制性条件。
[0045] 通过抽气装置9实施换气的主要作用是间歇性降低密闭成型腔3内特定干扰气体的浓度，并不是对密闭成型腔3内气体的整体置换，对于大型容腔而言，如果保护气体不能循环回收，气氛的高
频率整体置换带来的成本是不容忽视的，而本技术中的这种部分置换过程的不断进行也相当于在更新密闭成型腔3内的整体气氛，但这种置换过程要缓和的多，即使在保护气体不能循环回收的情况下，也可以尽可能减少成本。当然，在可以较低的成本进行物理或化学洗气的情况下，优选对保护气体进行回收和循环利用，但实际应用中一些气体是无法通过后续的物理或化学洗气来清除的，或者说洗气的成本远高于保护气体置换的成本，这种情况下，抽气装置9抽出的气体就会被认为没有回收价值而不再循环导入系统。
[0046] 在本实施例中，在所述步骤2中，计算机控制程序设定为，当计算机控制系统1控制抽气装置9抽出密闭成型腔3内的气体时，在抽气动作启动后到抽气动作执行结束前，所述压力环境监测装置7不检测密闭成型腔3内的环境压力和/或计算机控制系统1不向保护气体调节装置8发出补充压力的指令，这样，进一步保证了响应的准确性，提高了控制精度和稳定性。
[0047] 实施例2
[0048] 根据前面的描述，本发明所检测的特定气体如CO2、多环芳香烃、醚、低沸点金属蒸汽、腐蚀性气体等成因是多方面的，其对3D打印中的产品、激光光路、设备仪器和敏感光学及电子器件的影响是多方面的，在打印过程中可能会有不止一种干扰气体表现出较强的影响，为了应对加工中可能需要排除多种不可忽略的干扰气体的影响，本发明提供了该实施例2。
[0049] 图2为本发明实施例2的一种基于AI的环境控制系统及控制方法原理图，本实施例是在实施例1的基础上进一步提出的，与实施例1的不同之处在于压力干扰气体监测装置6采用了可以对多种不同干扰气体联合检测的传感设备，至少包括第一传感设备和第二传感设备，可以满足至少对两种干扰气体的检测和响应，当然，如果需要，还可包括第三传感设备、第四传感设备以及更多的传感设备。需要说明的是，氧含量和水气含量属于常规指标，由已有的传感器检测，不在本方案所探讨的范围。
[0050] 第一传感设备和第二传感设备一般是基于不同原理的传感器检测不同的气体的，其检测过程并不会相互影响，因此，多个传感设备可独立地采集干扰气体的强度或浓度信号并与计算机控制系统1建立程序关联，计算机控制系统1相应的基于每个传感设备的检测信号生成控制指令，控制抽气装置9和保护气体调节装置8的动作，实现对密闭成型腔3内环境的自动控制，以确保每一种被监测的干扰气体含量都不会超过设定的阈值范围。
[0051] 实施例3
[0052] 图3为本发明实施例3的一种基于AI的环境控制系统及控制方法原理图。作为3D打印工作环境不可或缺的要素，温度也在很大程度上影响3D打印件尤其是金属制件质量。在本实施例中，所述环境监测装置还包括温度环境监测装置10和温度调节装置11，所述温度环境监测装置10采用成熟的温度传感器，用于实时检测密闭成型腔3内的环境温度信息并向所述计算机控制系统1传送温度信号，所述温度调节装置11用于对所述密闭成型腔3内的环境实施冷却或加热。3D打印如果是持续的过程，一般环境温度是升高的趋势，因此温度调节装置可以只是制冷的
空调系统，当然如果有必要，温度调节装置也可以具有制热功能。
[0053] 基于本实施例的环境控制系统
执行环境控制方法时，在步骤2的环境检测和依赖计算机控制系统1的控制环节，还通过温度环境监测装置10实时检测密闭成型腔3内的环境温度信息并向计算机控制系统1传送温度信号，当环境温度偏离设定阈值范围时，计算机控制系统1控制温度调节装置11对密闭成型腔3内的环境实施冷却或加热调节，直到所述密闭成型腔3内的环境温度符合设定条件。与3D打印过程相适应，所述实时检测密闭成型腔3内的环境温度信息和所述对密闭成型腔3内的环境实施冷却或加热调节同样贯穿3D打印全过程。
[0054] 以上所述，仅为本发明较佳的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉
本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述
权利要求的保护范围为准。
