[發明專利]一種基于溫度均勻性的激光選區熔化實時路徑規劃方法

有效

• 申請號: 202011124084.1
• 申請日: 2020-10-20
• 公開（公告）號: CN112427655B
• 公開（公告）日: 2021-12-03
• 發明（設計）人: 張李超;胡祺;史玉升;陳楠
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: B22F10/85
• 分類號: B22F10/85;B22F10/31;B22F10/28;B33Y10/00;B33Y50/02
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 孔娜;李智

本發明屬于増材制造相關技術領域，更具體地，涉及一種基于溫度均勻性的激光選區熔化實時路徑規劃方法。該方法包括步驟：S1對于單個待成形切片層，將該待成形切片層內劃分為多個區域，選取初始成形區域；S2對于下一個待成形區域的確定，按照下列方式進行：測量每個未成形區域的溫度以及與上一個已經成形區域之間的距離，利用每個未成形區域的溫度和距離值構建溫度均勻因子的關系式，并計算溫度均勻因子，根據溫度均勻因子選取其中下一個待成形區域；S3重復步驟S2，直至確定待成形切片層內所有區域的成形。通過本發明，實現對成形路徑的實時規劃，避免單獨根據溫度或距離確定下一個待成形區域帶來的熱應力集中問題，成形精度高。

技術領域

本發明屬于増材制造相關技術領域，更具體地，涉及一種基于溫度均勻性的激光選區熔化實時路徑規劃方法。

背景技術

SLM技術的工作原理是利用三維模型離散的層輪廓信息控制高能量激光束來逐層熔化金屬粉末，然后層層疊加得到設計人員所設計的任意復雜結構的金屬零件。高能量激光束作用區域只有光斑大小的金屬粉末，在高度定向的熱輸入和快速熱源的作用下，粉末床局部經歷快速的熔化和凝固過程，在光斑區域產生較大的溫度梯度和瞬態熱應力。如果在成形過程中不能有效控制熱量輸入，引導并控制局部熱應力的累積和殘余應力的形成，最后會導致零件微觀組織性能下降，進而造成零件翹曲變形、開裂，形成微氣孔、微裂紋等冶金缺陷。而高能量激光束在粉末床上的行走路徑會直接影響到高溫金屬熔池的能場與流場，從而影響掃描區域的溫度分布與應力分布。因此在激光掃描過程中實時調節各區域溫度，均勻成形層溫度場，是提高零件成形質量、抑制缺陷的有效策略。

目前，激光選區熔化中的路徑規劃技術大多為靜態路徑規劃技術，即根據其切片的輪廓信息在加工制造前就完成對掃描路徑的填充，雖然有部分路徑規劃技術，如島式掃描，考慮到使用隨機策略或其他有效規劃方法來均勻溫度場分布從而提高成形質量，但是在成形全周期過程中實時溫度場分布會由多種環境因素交叉影響，無法準確預測真實的加工場景，比如不同粉末材料散熱性能不同；不同零件結構存在差異，尤其是大型復雜結構零件切片后相較簡單零件其截面輪廓環幾何形狀變化較大；加工環境、設備情況不同，有加工前預熱情況、機器散熱性能、甚至加工時氣流的大小等情況的差異。因此，為應對上述復雜的加工環境，需要針對實時的溫度場變化對激光行走路徑做出及時規劃，完成過程監控到實際制造的實時響應，同時還需要根據成形層溫度變化規律設計出掃描路徑的規劃準則，實現智能化加工，更直接更有效地調控成形層時間和空間上的溫度分布，進而均勻成形層溫度場，改善局部應力集中問題。

對于大型復雜零件的加工，有學者研究發現SLM成形中掃描線長度對零件翹曲變形量和殘余應力影響較大，掃描線長度的適宜范圍為5mm-10mm，因此，在加工大型零件時，分區域掃描的區域劃分方法可有效解決該問題；然而，也有相關文獻提出不同的動態路徑規劃技術或分區路徑規劃：Concept Laser公司提出一種分區隨機曝光策略，在一定程度上可以解決熱量積聚問題，但其隨機性較大；強旭輝等提出一種基于象限引導的偽隨機分區路徑策略，可均衡溫度場分布；AliAhrari等人提出了一種基于多目標優化方法的細胞掃描策略，可減小零件殘余應力和變形量。上述分區掃描路徑規劃一般是綜合考慮熱影響區的作用、成形腔的散熱效果、算法復雜度等影響因素，在一定程度上可減小制件的局部熱量積聚和殘余應力，但由于掃描路徑在成形前就設置好了，相對與打印過程是靜態的，不能在成形過程中實時調整，難以應對不同設備工況及零件結構差異等情況；如申請號CN102962452B的專利“基于紅外測溫圖像的金屬激光沉積制造掃描路徑規劃方法”中，通過采用紅外熱像儀直接測量激光沉積制造層面溫度，并基于層面溫度分布實現分區掃描路徑規劃，減小溫度梯度和局部熱應力集中，提高制造質量，該專利實際上是在每層打印后獲得該層的溫度分布圖來規劃下一層的工藝參數及掃描順序，未能及時調整當前層打印策略，其溫度信息具有滯后性，其次，該專利是在每層基于各分區溫度，按先低后高的原則，優化分區掃描順序，未能考慮每一塊子區域打印后溫度分布的變化規律，從而對掃描策略帶來影響，故，本領域亟需一種能根據加工中單個切片層內不同區域溫度變化來進行路徑實時規劃的成形方法。

發明內容