[發明專利]一種激光立體成形閉環仿真方法

有效

• 申請號: 201910711905.2
• 申請日: 2019-08-02
• 公開（公告）號: CN110569542B
• 公開（公告）日: 2022-05-27
• 發明（設計）人: 馬良;陳靜;姚波
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 安彥彥

本發明公開了一種激光立體成形閉環仿真方法，該仿真方法不同于通常的熱力耦合模型，在整個仿真過程中簡單的采用恒定的激光功率，而是基于激光立體成形的工藝特點，不斷動態調整下一個熔池的激光功率，與現有激光立體成形熱力耦合模型比較，基于溫度閉環控制的有限元優化建模方法更符合實際成形過程的客觀規律。更切合真實加工過程的優化模型必然更能準確揭示激光立體成形的熱?力場演化規律及其耦合機制，對減緩激光立體成形應力及變形提供科學準則。

【技術領域】

本發明屬于增材制造領域，具體涉及一種激光立體成形閉環仿真方法。

【背景技術】

增材制造技術是一種采用逐點堆積制造零件的先進制造技術，其核心思想是“離散-堆積”，有別于機械加工(減材制造)和鑄造/鍛壓(等材制造)。該技術能夠實現無模具快速自由成形，具有制造速度快、近凈成形、適合單件小批量制造等特點，廣泛應用于航空航天、醫療、模具、汽車、工程等領域。金屬增材制造過程是一個涉及移動熔池、凝固、固態相變的復雜冶金過程，具有非線性、非穩態、多道次、長歷程、熱力耦合的特征，是一個幾何、物理、邊界三重非線性的復雜過程。熔池的溫度是影響成形穩定性、熔覆質量、熱應力的重要因素。影響熔池溫度的參量主要包括：激光功率、掃描速度、送粉速率、離焦量，這些參量的改變使該過程的工藝穩定性及成形形狀的控制成為研究難點。

增材制造是從基板上逐層堆積制造的，在堆積的前幾層，由于基板的強制冷卻效應，導致散熱遠大于激光能量熱輸入，整個過程未達到熱平衡狀態(激光能量的輸入與材料的散熱之間達到動態平衡)，需要更高的激光功率來建立熔池，并實現熔覆堆積。隨著熔覆層數的增加，熔池的散熱方式由初期的三維散熱變為二維散熱，由于熱累積效應，熔池溫度逐漸增加，若繼續采用相同激光功率，則會出現過熱現象而使得熔池溫度升高，熔池增大，捕獲粉末能力增強，從而導致熔覆道厚度和寬度增加，工藝一致性變差。激光增材制造是一個多參數共同作用的復雜物理冶金過程,參數對環境變化較為敏感且相互影響，而反饋控制對保持熔覆過程的穩定性尤為重要。因此，在成形過程中需要進行工藝參數的主動調整與控制，以確保實際成形中熔覆道寬度、厚度一致，提高成形過程的穩定性。

針對上述存在的問題，國內外一些研究學者開展了相關研究工作。公開發表的“激光立體成形”書籍(西北工業大學出版社，2007)提出了激光功率對成形零件尺寸特性的影響規律。在成形過程中，在最初幾層采用激光功率逐漸下降的方法，即第一層的功率大于第二層，第二層的功率大于第三層，以此類推。經過一定層數(即激光能量的輸入與材料的散熱之間達到動態平衡)后再將功率固定下來。公開發表的“一種用于高能束增材制造的溫度場主動調控系統及其控制方法”專利(CN 105499569 A[P].2016)設計了一種梯度溫度場主動調控系統，實現了在加工過程中整個加工區域的溫度場恒定，保證已加工區域與未加工區域處于合理的溫度梯度。但是，在實際成形過程中，熔池溫度場的變化受到掃描路徑、邊界條件、零件形狀等多因素影響，此類控制方法未考慮這些關鍵因素對熔池溫度穩定的影響，缺少對層內/間甚至熔池溫度的有效監測和控制，包括調控系統實時性差，最終導致結果誤差較大。此外，響應滯后性、控制效果實時性差等可能會導致閉環控制發散。阻礙了過程控制，目前缺少對熔池溫度的理想閉環控制。更重要的是，在成形過程中成形路徑、邊界條件，熱累積等多因素在不斷改變，都將影響成形過程熔池溫度的穩定性。因此，“閉環仿真+開環控制”將成為增材制造過程優化的重要研究方向和支撐技術。

【發明內容】

本發明的目的在于克服上述現有技術的缺點，提供一種激光立體成形閉環仿真方法；該方法通過激光立體成形溫度場閉環仿真，實現激光立體成形工藝參數的動態調整，使熔池最高溫度均勻穩定可控。

為達到上述目的，本發明采用以下技術方案予以實現：

一種激光立體成形閉環仿真方法，包括以下步驟：

步驟1，建立基板的幾何模型；