[發明專利]一種金屬材料激光3D打印原位預熱溫度的控制方法

有效

• 申請號: 201510976310.1
• 申請日: 2015-12-23
• 公開（公告）號: CN105598448B
• 公開（公告）日: 2017-09-26
• 發明（設計）人: 王國偉;周亦胄;梁靜靜;楊彥紅;金濤;孫曉峰
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: B22F3/105
• 分類號: B22F3/105;B33Y50/02
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司21002
• 代理人: 許宗富,周秀梅

技術領域：

本發明涉及激光快速成形技術及其預熱溫度的控制領域，具體涉及一種金屬材料激光3D打印原位預熱溫度的控制方法。

背景技術：

3D打印作為一種具有廣闊發展前景的制造技術，在全球范圍內均得到了廣泛關注。除部分塑性或可焊性較好的金屬材料以外，金屬材料的激光3D打印技術迄今未取得廣泛應用。原因在于金屬材料一般具有較高的強度，在3D打印過程中易產生較大的內應力。金屬材料打印時在應力作用下易開裂。與焊接過程類似，對金屬材料的預熱在3D打印過程中可以有效抑制開裂。因而已經發展出電阻加熱、感應加熱等預熱工藝。但這種傳統的預熱手段對激光設備的散熱能力要求苛刻，要想實現上千攝氏度的預熱溫度十分困難。

發明內容：

本發明的目的在于提供一種金屬材料激光3D打印原位預熱溫度的控制方法，該方法可行性強，實施簡單，通過計算模擬輔助可以大幅度降低實驗成本，適用于各種金屬材料。

本發明的技術方案是：

一種金屬材料激光3D打印原位預熱溫度的控制方法，該方法是在采用激光3D打印技術成形金屬材料零件過程中，通過計算模擬給出成形過程中的工藝參數，各工藝參數的耦合調整能夠改變熱輸入以及熱散失，從而控制成形過程中零件處于所需的預熱溫度；所述成形過程中的工藝參數是指邊界條件、激光功率、激光掃描速度、激光光斑大小和激光開光間歇時間。

該控制方法具體包括如下步驟：

(a)根據所需制備零件的總高度H，將零件打印過程分為m個階段，對各個階段相應的工藝參數進行求解；

設1≤i≤m，打印零件的高度介于[H(i-1)/m，Hi/m]區間時，零件打印處于第i階段，將Hi/m高度時的零件形狀尺寸用于代表第i階段(即第i階段零件的形狀尺寸按不變化處理)，并根據此時零件的形狀尺寸求解出第i階段的工藝參數；

(b)當i＝1時，即打印處于第1階段，此時零件尚未達到指定溫度；所以在進行第1打印階段之前，應該不加金屬粉末，使用第1階段的工藝參數預熱到所需預熱溫度，然后采用第1階段的工藝參數進行打印；第1階段打印完成后采用第2階段的工藝參數打印，依次進行，直到第m階段完成打印。

上述步驟(a)中，根據第i階段零件的形狀尺寸(即Hi/m高度時的零件形狀尺寸)求解出第i階段工藝參數的過程如下：

(1)3D打印過程進行到第i階段，根據第i階段的零件形狀尺寸，確定其掃描路徑；

(2)給出第i階段零件打印的工藝參數初始值，若部分工藝參數必須采用定值則直接賦值，在步驟(4)的迭代計算中不予調整；除固定賦值以外的工藝參數，均選擇初始值用于迭代計算；初始值可以根據實驗經驗確定或者通過近似計算予以確定；

(3)定義工藝參數的表示符號：B代表邊界條件，B的值增加表示有利于提高零件溫度；P代表激光功率，V代表激光掃描速度，r代表激光光斑半徑，Dt代表激光間歇時間；T_零件代表零件第i階段所需預熱溫度；

根據步驟(2)確定的初始值，分別設為：B₁、P₁、V₁、r₁、Dt₁，通過初始值計算得到T₁，T₁是指在初始值條件下計算得到的預熱溫度；

(4)類似于數值計算的迭代過程：