CN105598448A - 一种金属材料激光3d打印原位预热温度的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属材料激光3D打印原位预热温度的控制方法，属于激光快速成形技术及其预热温度的控制领域。该方法在计算模拟的辅助下，通过控制金属材料3D打印过程中的边界条件、激光功率、激光扫描速度、激光光斑大小、激光开光间歇时间，实现金属材料的激光光成形过程中的原位预热。传统的电阻加热和感应加热需要额外设计加热装置，对激光成形设备的散热能力要求苛刻。本发明提供的原位预热方法，可以降低设备投入，实现打印过程中对金属材料温度的控制，满足金属材料激光3D打印过程中对预热温度的控制需求。

Description

一种金属材料激光3D打印原位预热温度的控制方法

技术领域：

本发明涉及激光快速成形技术及其预热温度的控制领域，具体涉及一种金属材料激光3D打印原位预热温度的控制方法。

背景技术：

3D打印作为一种具有广阔发展前景的制造技术，在全球范围内均得到了广泛关注。除部分塑性或可焊性较好的金属材料以外，金属材料的激光3D打印技术迄今未取得广泛应用。原因在于金属材料一般具有较高的强度，在3D打印过程中易产生较大的内应力。金属材料打印时在应力作用下易开裂。与焊接过程类似，对金属材料的预热在3D打印过程中可以有效抑制开裂。因而已经发展出电阻加热、感应加热等预热工艺。但这种传统的预热手段对激光设备的散热能力要求苛刻，要想实现上千摄氏度的预热温度十分困难。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种金属材料激光3D打印原位预热温度的控制方法，该方法可行性强，实施简单，通过计算模拟辅助可以大幅度降低实验成本，适用于各种金属材料。

本发明的技术方案是：

一种金属材料激光3D打印原位预热温度的控制方法，该方法是在采用激光3D打印技术成形金属材料零件过程中，通过计算模拟给出成形过程中的工艺参数，各工艺参数的耦合调整能够改变热输入以及热散失，从而控制成形过程中零件处于所需的预热温度；所述成形过程中的工艺参数是指边界条件、激光功率、激光扫描速度、激光光斑大小和激光开光间歇时间。

该控制方法具体包括如下步骤：

(a)根据所需制备零件的总高度H，将零件打印过程分为m个阶段，对各个阶段相应的工艺参数进行求解；

设1≤i≤m，打印零件的高度介于[H(i-1)/m，Hi/m]区间时，零件打印处于第i阶段，将Hi/m高度时的零件形状尺寸用于代表第i阶段(即第i阶段零件的形状尺寸按不变化处理)，并根据此时零件的形状尺寸求解出第i阶段的工艺参数；

(b)当i＝1时，即打印处于第1阶段，此时零件尚未达到指定温度；所以在进行第1打印阶段之前，应该不加金属粉末，使用第1阶段的工艺参数预热到所需预热温度，然后采用第1阶段的工艺参数进行打印；第1阶段打印完成后采用第2阶段的工艺参数打印，依次进行，直到第m阶段完成打印。

上述步骤(a)中，根据第i阶段零件的形状尺寸(即Hi/m高度时的零件形状尺寸)求解出第i阶段工艺参数的过程如下：

(1)3D打印过程进行到第i阶段，根据第i阶段的零件形状尺寸，确定其扫描路径；

(2)给出第i阶段零件打印的工艺参数初始值，若部分工艺参数必须采用定值则直接赋值，在步骤(4)的迭代计算中不予调整；除固定赋值以外的工艺参数，均选择初始值用于迭代计算；初始值可以根据实验经验确定或者通过近似计算予以确定；

(3)定义工艺参数的表示符号：B代表边界条件，B的值增加表示有利于提高零件温度；P代表激光功率，V代表激光扫描速度，r代表激光光斑半径，Dt代表激光间歇时间；T_零件代表零件第i阶段所需预热温度；

根据步骤(2)确定的初始值，分别设为：B₁、P₁、V₁、r₁、Dt₁，通过初始值计算得到T₁，T₁是指在初始值条件下计算得到的预热温度；

(4)类似于数值计算的迭代过程：

根据T₁调整B₁、P₁、V₁、r₁、Dt₁的值，调整后得到工艺参数B₂、P₂、V₂、r₂、Dt₂，该工艺参数计算可以得到T₂；根据T₂调整B₂、P₂、V₂、r₂、Dt₂的值，调整后得到工艺参数B₃、P₃、V₃、r₃、Dt₃，该工艺参数计算可以得到T₃；以此类推，直至得到T_n，使T_n等于T_零件，此时对应的工艺参数为B_n、P_n、V_n、r_n、Dt_n，便是零件在第i阶段能够获得所需预热温度T_零件的工艺参数。

步骤(4)中，在迭代进行到第j次时，1≤j≤n，通过B_j、P_j、V_j、r_j、Dt_j计算得到T_j的过程如下：

(1)根据第i阶段的零件形状尺寸，建立三维模型；

(2)在有限元软件中设置材料的物性参数；

(3)为三维模型划分网格；

(4)加载边界条件，输入与B_j相关的边界条件；

(5)设置激光的相关参数P_j、V_j、r_j、Dt_j；

(6)启动有限元软件计算得到T_j。

在步骤(4)中，在迭代过程中工艺参数的调整方法如下：

设1≤k<n，表示迭代计算到第k次；

当T_k<<T_零件时，增加B值；当T_k>>T_零件时，减小B值；

当T_k与T_零件相等或相差不大时，B的值不作调整；

当T_k<T_零件时，增加P值、减小Dt值；

当T_k>T_零件时，减小P值、增加Dt值；

欲使得零件熔化附近除外的区域温度较为均匀时，可以通过增加B、V或r的值来实现。

本发明控制方法设计原理如下：

本发明采用计算模拟进行辅助，在采用激光3D打印技术成形金属零件过程中，通过计算模拟给出成形过程中的五个工艺参数(边界条件、激光功率、激光扫描速度、激光光斑大小、激光开光间歇时间)，在零件打印过程中，当零件形状尺寸指定以后，原位预热温度的控制依赖于控制热输入和热散失，因此，通过各工艺参数的耦合调整能够改变热输入以及热散失，从而改变打印过程中的零件温度，通过计算模拟筛选出可行的工艺参数，实现打印过程中原位预热温度的控制。

本发明的有益效果是：

1.本发明方法为金属材料3D打印预热提供了一种新工艺，可用于各种金属材料。

2.传统加热方法对设备散热能力要求苛刻，而本发明控制方法在不引入传统的电阻加热、感应加热等设备的条件下，实现原位预热温度的控制，本发明对激光成形设备的散热能力没有附加要求，设备成本更低，寿命更长。

3、本发明通过计算模拟辅助、激光成形中五个条件的耦合调整，实现原位预热温度的控制，进而可以控制残余应力、降低开裂倾向、加速金属材料激光成形技术研发，对于金属材料的激光成形具有重要意义。

4.本发明可以提供更广域的预热温度区间，对于发展金属材料的激光3D打印技术具有重要的促进作用。

附图说明：

图1为实施例1铁块温度分布。

图2为实施例2铁块温度分布。

图3为实施例3铌块温度分布。

具体实施方式：

以下结合附图及实施例详述本发明。

本发明为金属材料激光3D打印原位预热温度的控制方法，该方法通过计算模拟，给出打印零件的工艺参数，使得打印过程中零件处于指定的预热温度。计算模拟的手段不限，可以使用有限元软件、数值计算软件乃至笔算。计算模拟给出的工艺参数包括：金属材料3D打印过程中的边界条件、激光功率、激光扫描速度、激光光斑大小、激光开光间歇时间。

该方法包括如下步骤：

(1)零件整个打印过程中，形状尺寸处于不断变化过程。因此，借鉴数学微分的思想，把零件打印过程的工艺参数总共分为m个阶段求解，m的数值越大，原位预热温度的控制也越准确，计算量也随之增加。

设1≤i≤m，设打印零件的高度介于[H(i-1)/m，Hi/m]区间时，零件打印处于第i阶段，将Hi/m高度时的零件形状用于代表第i阶段零件的形状尺寸，并根据此时零件的形状尺寸求解出第i阶段的工艺参数。

(2)当i＝1时，即打印处于第1阶段。此时零件尚未达到指定温度。所以在进行第1打印阶段之前，应该不加金属粉末，使用第1阶段的工艺参数预热达到所需预热温度以后，采用第1阶段的工艺参数进行打印，第1阶段打印完成后采用第2阶段的工艺参数打印，以此类推进行第i阶段打印，直到第m阶段完成打印。

(3)在进行第i阶段打印过程中，时间较短，零件形状尺寸的变化对于温度的影响可以忽略，形状尺寸采用定值(即Hi/m高度时的零件形状)。当给定了零件形状尺寸以后，该打印阶段的扫描路径可通过实验经验亦或专业软件确定。

(4)在进行第i阶段打印过程中，打印零件形状尺寸已被指定，原位预热温度的控制方法依赖于控制热输入和热散失。边界条件加强散热，加速了热量的散失；边界条件设置为保温材料，有利于减少热量的散失。增加激光功率、降低激光开光间歇时间均可以增加热输入，反之可以降低热输入。提高热输入或降低热散失可以提高预热温度，反之可以降低预热温度。激光光斑尺寸往往伴随激光功率的变化而改变，所以控制预热温度时必须予以考虑。

五个工艺参数包括，金属材料3D打印过程中的边界条件、激光功率、激光扫描速度、激光光斑大小、激光开光间歇时间。通过五个工艺参数的耦合调整可以改变热输入以及热散失，从而改变打印过程中的基材温度，基材温度可以通过计算予以标定，实现金属材料激光3D打印原位预热温度的控制。

(5)在进行第i阶段打印过程中，五个工艺参数中若部分必须采用定值可以直接赋值，且在之后的迭代计算中不作调整。除固定赋值以外的工艺参数，每个工艺参数均选择初始值用于迭代计算。初始值可以根据实验经验确定，亦可以通过近似计算予以确定。

近似计算的公式为：Q＝mC₀(T₂-T₁)，其中：Q表示该阶段打印时间内零件吸收的热量与散失热量的差值，m是零件质量，C₀是零件的比热容，T₂是该阶段打印时间内升高的温度，T₁是环境温度。近似公式需要做大量近似以后方能使用，其给出的值仅作为初始值使用。

初始值代表了定值以外的工艺参数。初始值的确定不影响计算结果的准确性，但影响计算收敛的速度。

(6)接下来定义工艺参数的表示符号：

B代表边界条件。B的值增加表示有利于提高零件温度。B的值增加，其代表的具体实验工艺为：零件接触的物体导热系数更小或在B的周围覆盖保温材料。

P代表激光功率，V代表激光扫描速度，r代表激光光斑半径，Dt代表激光间歇时间。

T_零件代表零件第i阶段所需预热温度。

零件打印第I阶段所确定的初始值，分别设为：B₁、P₁、V₁、r₁、Dt₁，通过初始值计算得到T₁，T₁是指在初始值条件下计算得到的预热温度；

(7)类似于数值计算的迭代过程：

根据T₁调整B₁、P₁、V₁、r₁、Dt₁的值，调整后得到工艺参数B₂、P₂、V₂、r₂、Dt₂，该工艺参数计算可以得到T₂；根据T₂调整B₂、P₂、V₂、r₂、Dt₂的值，调整后得到工艺参数B₃、P₃、V₃、r₃、Dt₃，该工艺参数计算可以得到T₃；以此类推，直至得到T_n，使T_n等于T_零件，此时对应的工艺参数B_n、P_n、V_n、r_n、Dt_n，便是零件在第i阶段能够达到所需预热温度T_{零 件}的工艺参数。

(8)迭代过程中工艺参数的调整方法。模仿数值计算中迭代，工艺参数的调整如下所述：

设1≤k<n，表示迭代计算到第k次；

当T_k<<T_零件时，增加B值；当T_k>>T_零件时，减小B值；

当T_k与T_零件相等或相差不大时，B的值不作调整；

考虑到零件接触的物体种类是有限的，所以B的调整根据实验或生产所具备的条件来设置。增加B值可以采用导热系数小的材料放置固定零件、乃至用保温棉包裹零件。反之，相反的调整可以减小B值。

当T_k<T_零件时，增加P值、减小Dt值。

当T_k>T_零件时，减小P值、增加Dt值。

欲使得零件熔化附近除外的区域温度较为均匀时，可以通过增加B、V或r的值来实现。值得注意的是，当功率P一定时，r在激光透镜焦距位置取得最小值，也就是是说r值不能无限小。V、r的值对于T_零件的影响受控于其它工艺参数，在没有经验参数的条件下，可以采用多组不同的值代入步骤(13)来了解其影响规律，然后再选择合适的V、r。

在迭代过程中，当迭代进行到第j次时，1≤j≤n，通过B_j、P_j、V_j、r_j、Dt_j计算得到T_j的过程如下：

(1)根据第i阶段的零件形状尺寸，建立三维模型；在有限元软件中建立三维模型，部分板状零件可以采用更为简单的二维模型。部分复杂形状的零件可以通过其他软件建立模型，然后导入有限元软件中；

(2)在有限元软件中设置材料的物性参数：在软件中设置零件的材质、热导率、密度、比热容等。

(3)为三维模型划分网格：根据零件的形状尺寸选择合适的网格类型，如四面体网格、六面体网格等。根据计算精度的需求以及计算机的配置选择合理的网格密度。一般来讲，网格密度越高，计算精度越高，对计算机性能的要求就更高。也可以对部分重要区域加高网格密度；

(4)加载边界条件，输入与B_j相关的边界条件：

零件与空气接触的表面设置为热对流边界，并设置换热系数、空气温度。热对流的传热公式可近似为：q₀＝h(T₂-T₁)。其中q₀表示单位面积向空气中散热的功率，h为换热系数，T₂表示零件的表面温度，T₁表示空气的温度。

没有物体覆盖的零件表面设置为热辐射边界，并设置热辐射系数、环境温度。根据史蒂芬-玻尔兹曼定律，热辐射计算可近似为：W＝εσ(T₂ ⁴-T₁ ⁴)。其中W表示单位面积的热辐射功率，ε表示热辐射系数，σ表示斯蒂芬-玻尔兹曼常数，T₂表示零件的表面温度，T₁表示环境温度。

与零件接触的物体在计算中有两种处理方式。较为简单的方式1，将零件与物体接触的表面设置近似为换热面，采用空气换热的公式：q₀＝h(T₂-T₁)。其中q₀表示单位面积向空气中散热的功率，h为物体与零件界面间的换热系数，T₂表示零件的表面温度，T₁表示接触物体的温度。方式2，将与零件接触的物体在步骤(1)开始，作为零件来建模处理。

(5)设置激光的相关参数P_j、V_j、r_j、Dt_j：

激光加热可以采用近似公式表示为：q₁＝Pε/(πr²)，其中q₁表示单位面积吸收的功率，P为激光器的输出功率，ε表示零件对激光的吸收率，r表示激光的光斑半径。

激光作用区域的中心在(x₀,y₀)时，系数A₁可以采用公式表示为：

A₁＝sign(sign(r²-(x-x₀)²+(y-y₀)²)+1)，sign表示符号函数。激光加热表示为：q₁A₁。

激光的移动可以用函数关系表示为：x₀＝f₁(V,t)，y₀＝f₂(V,t)，其中V表示激光移动速度，t表示时间，f₁和f₂是激光扫描路径相关的函数，与零件形状以及打印路径生成软件有关。打印路径生成软件属于行业专用软件。

与激光的间歇时间相关的系数A₂可用函数关系式表示为：

A₂＝sign(sign(t₁-t)+1)+sign(sign(t-t₂)+1)，t₁表示激光关闭的时间，t₂表示激光重新打开的时间，t₂-t₁的差值表示激光间歇的时间，激光加热表示为：q₁A₁A₂。

将专业软件给出的打印路径根据上述公式写成函数表达式，输入有限元软件中。部分有限元软件需要二次开发才能输入函数公式。

(6)启动有限元软件计算得到T_j。

根据上述过程，首先将打印过程的工艺参数分为m个阶段，根据所提供工艺参数的迭代方法以及每次迭代所进行的计算操作，可以输入零件形状、工艺参数，在有限元软件中便可以求得零件打印过程中的温度场分布。为了减少运算量，计算过程中对金属粉末的影响作近似处理。在每一个打印阶段内，金属粉末的输入对零件形状的改变被忽略，只考虑其对激光吸收率ε的影响。整个步骤详述了求解工艺参数的过程。亦或通过数值计算软件、乃至笔算，其求解过程与采用有限元软件类似，在此不予赘述。

实施例1

以纯铁为例，在长3cm×宽3cm×高3cm的纯铁基体上打印，打印过程进行到打印铁块尺寸约为2cm×宽2cm×高3cm时，熔池附近2cm的平均温度控制在600摄氏度。

因为预热温度与室温的差距约为600摄氏度，所以预热温度较低，边界条件设置为纯铁基体放置在热导率较高的大块钢材上、激光光斑半径选择常用的0.5mm、激光开光间歇时间选择常用的0.1s、通过计算模拟筛选出符合预期的一种工艺参数是激光扫描速度为5mm/s、激光功率控制在1500W。通过该组工艺参数，激光打印过程中某时刻的温度场分布计算结果如图1所示，不难看出熔池附近2cm区域的温度主要分布于500-700摄氏度区间，达到了平均温度控制在600摄氏度的预期。

实施例2

以纯铁为例，在长3cm×宽3cm×高3cm的纯铁基体上打印，打印过程进行到打印铁块尺寸约为2cm×宽2cm×高9cm时，熔池附近2cm的平均温度控制在1100摄氏度。

因为预热温度与室温的差距约为1100摄氏度，所以预热温度较高，边界条件设置为纯铁基体放置在热导率低的耐热砖上、激光光斑半径选择常用的0.5mm、激光开光间歇时间选择较短的0.01s、通过计算模拟筛选出符合预期的一种工艺参数是激光扫描速度为10mm/s、激光功率控制在2000W。通过该组工艺参数，激光打印过程中某时刻的温度场分布计算结果如图2所示，不难看出熔池附近2cm区域的温度主要分布于1050-1150摄氏度区间，达到了平均温度控制在1100摄氏度的预期。

实施例3

铌的熔点约为2400摄氏度，其合金是处于研发中的一种超高温结构材料。若想通过激光打印得到残余应力低，不开裂的铌基结构件，将基体预热到超高温度很有必要。以纯铌为例，在长3cm×宽3cm×高3cm的纯铌基体上打印，打印过程进行到打印铌块尺寸约为长2cm×宽2cm×高6cm时，熔池附近2cm的平均温度控制在1800摄氏度。

因为预热温度与室温的差距约为1800摄氏度，所以预热温度很高，边界条件设置为纯铌基体使用氧化锆纤维毡(一种最高使用温度2200摄氏度的保温材料)包裹，并在打印过程中逐步添加包裹(激光打印的表面除外)。激光光斑半径选择1mm、激光开光间歇时间选择较短的0.01s、通过计算模拟筛选出符合预期的一种工艺参数是激光扫描速度为15mm/s、激光功率控制在4000W。通过该组工艺参数，激光打印过程中某时刻的温度场分布计算结果如图3所示，不难看出熔池附近2cm区域的温度主要分布于1650-1950摄氏度区间，达到了平均温度控制在1800摄氏度的预期。

Claims (5)

1.一种金属材料激光3D打印原位预热温度的控制方法，其特征在于：该方法是在采用激光3D打印技术成形金属材料零件过程中，通过计算模拟给出成形过程中的工艺参数，各工艺参数的耦合调整能够改变热输入以及热散失，从而控制成形过程中零件处于所需的预热温度；所述成形过程中的工艺参数是指边界条件、激光功率、激光扫描速度、激光光斑大小和激光开光间歇时间。

2.根据权利要求1所述的金属材料激光3D打印原位预热温度的控制方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

(a)根据所需制备零件的总高度H，将零件打印过程分为m个阶段，对各个阶段相应的工艺参数进行求解；

设1≤i≤m，打印零件的高度介于[H(i-1)/m，Hi/m]区间时，零件打印处于第i阶段，将Hi/m高度时的零件形状尺寸用于代表第i阶段，并根据此时零件的形状尺寸求解出第i阶段的工艺参数；

(b)当i＝1时，即打印处于第1阶段，此时零件尚未达到指定温度；所以在进行第1打印阶段之前，应该不加金属粉末，使用第1阶段的工艺参数预热到所需预热温度，然后采用第1阶段的工艺参数进行打印；第1阶段打印完成后采用第2阶段的工艺参数打印，依次进行，直到第m阶段完成打印。

3.根据权利要求2所述的金属材料激光3D打印原位预热温度的控制方法，其特征在于：步骤(a)中，根据第i阶段零件的形状尺寸求解出第i阶段工艺参数的过程如下：

(1)3D打印过程进行到第i阶段，根据第i阶段的零件形状尺寸，确定其扫描路径；

(2)给出第i阶段零件打印的工艺参数初始值，若部分工艺参数必须采用定值则直接赋值，在步骤(4)的迭代计算中不予调整；除固定赋值以外的工艺参数，均选择初始值用于迭代计算；初始值可以根据实验经验确定或者通过近似计算予以确定；

(3)定义工艺参数的表示符号：B代表边界条件，P代表激光功率，V代表激光扫描速度，r代表激光光斑半径，Dt代表激光间歇时间；T_零件代表零件第i阶段所需预热温度；

根据步骤(2)确定的初始值，分别设为：B₁、P₁、V₁、r₁、Dt₁，通过初始值计算得到T₁，T₁是指在初始值条件下计算得到的预热温度；

(4)类似于数值计算的迭代过程：

根据T₁调整B₁、P₁、V₁、r₁、Dt₁的值，调整后得到工艺参数B₂、P₂、V₂、r₂、Dt₂，该工艺参数计算可以得到T₂；根据T₂调整B₂、P₂、V₂、r₂、Dt₂的值，调整后得到工艺参数B₃、P₃、V₃、r₃、Dt₃，该工艺参数计算可以得到T₃；以此类推，直至得到T_n，使T_n等于T_零件，此时对应的工艺参数为B_n、P_n、V_n、r_n、Dt_n，便是零件在第i阶段能够获得所需预热温度T_零件的工艺参数。

4.根据权利要求3所述的金属材料激光3D打印原位预热温度的控制方法，其特征在于：步骤(4)中，在迭代进行到第j次时，1≤j≤n，通过B_j、P_j、V_j、r_j、Dt_j计算得到T_j的过程如下：

(1)根据第i阶段的零件形状尺寸，建立三维模型；

(2)在有限元软件中设置材料的物性参数；

(3)为三维模型划分网格；

(4)加载边界条件，输入与B_j相关的边界条件；

(5)设置激光的相关参数P_j、V_j、r_j、Dt_j；

(6)启动有限元软件计算得到T_j。

5.根据权利要求3所述的金属材料激光3D打印原位预热温度的控制方法，其特征在于：在步骤(4)中，在迭代过程中工艺参数的调整方法如下：

设1≤k<n，表示迭代计算到第k次；

当T_k<<T_零件时，增加B值；当T_k>>T_零件时，减小B值；

当T_k与T_零件相等时，B的值不作调整；

当T_k<T_零件时，增加P值、减小Dt值；

当T_k>T_零件时，减小P值、增加Dt值。