CN107599382A - 一种基于模型特征的激光功率调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光增材制造技术领域，具体涉及一种基于模型特征的激光功率调节方法，包括以下步骤：获取模型内部含有复杂结构的特殊区域；对制件模型进行切片处理，对每层轮廓数据中的特殊区域的切片轮廓进行预处理，逐点计算该点需要调节的激光功率；对每层轮廓数据中的非特殊区域的切片轮廓采用常规的填充方式进行填充；重复上述过程，直到完成制件模型的所有切片层次处理，最后生成制件模型的激光打印路径数据。本方法利用因激光在局部区域过于密集扫描打印而产生的热量累积效应，动态调整该区域渐进轮廓环填充路径的激光功率，从而避免这种热量累积效应而带来的不良影响，并且确保材料熔池温度始终稳定在粉末材料的熔融温度区间。

Description

一种基于模型特征的激光功率调节方法

技术领域

本发明属于激光增材制造技术领域，更具体地，涉及一种基于模型特征的激光功率调节方法，其该方法能够克服现有内部复杂结构成形件成形效果差以及后处理中去粉困难的问题。

背景技术

激光增材制造技术，是增材制造技术的一种，利用具有高能量密度的激光照射在液体或者粉末材料上，使材料的性质发生改变，通过激光在每层的制件模型的实体区域进行移动扫描的方式，逐层完成模型整体制造，其原理图如图1所示。

激光增材制造技术，涵盖了不同类型的制造工艺，常见的有激光选区烧结(Selective Laser Sintering,SLS)，激光选区融化(Selective Laser Melting，SLM)，以及光固化立体成形(Stereo Lithography Apparatus,SLA),激光近净成形(LaserEngineered Net Shaping，LENS)等。材料已经覆盖了高分子、金属粉末、陶瓷、树脂及复合材料。激光增材制造技术采用的热源是激光，成形件的最终质量与激光和粉末的耦合效应密切相关。由于制造工艺不同，以及不同材料性质不同，制造加工激光的功率也不同。不同的粉末材料在激光的照射下，形成的熔池宽度以及深度不同，这很大程度影响成形件的表面粗糙度、精度和孔隙率。有相关研究指出成形件的质量也与具体的成形设备可量化机器参数有关(樊仁轩,激光选区烧结高分子材料的加工工艺改善及相应技术研究,2015,广州:华南理工大学)。有相关专利提出一种皮秒激光精确控温3D打印高分子材料系统(林学春等,一种应用皮秒激光精确控温3D打印高分子材料系统.2014.)，该系统提高了3D设备的复杂性，增加设备硬件成本。也有相关研究从成形路径规划方面提出不同的加工路径对成形件质量的改善研究(Huang,Y.and H.Lan,Path planning effect for the accuracy ofrapid prototyping system.The International Journal of Advanced ManufacturingTechnology,2006.30(3):p.233-246.)，该类研究仅仅从激光路径单一方面改善成形件质量。

激光增材制造的材料，根据其物理属性不同，可以分为高熔点材料以及低熔点材料。由于激光的功率有限，对于低熔点材料，可以使用激光直接照射材料使其融化完成打印，而对于高熔点材料，往往需要在成形腔体内提供一定的环境温度作为基础温度来加热材料，然后用激光照射材料从而达到材料的熔融温度完成材料打印。以激光选区融化SLS工艺为例，该工艺主要是用来打印高分子材料，如尼龙、塑料、覆膜砂、覆膜陶瓷粉末以及覆膜树脂砂等。其中对于打印高分子TPU材料，如LUVOSINT X92A-2TPU粉末熔融温度(MeltingTemperature)为160℃，则需要先将环境温度加热到100℃左右，然后再设置合适的激光填充功率如40W进行打印，这样确保激光照射的光斑位置形成的熔池温度达到该TPU粉末的熔融温度。

目前，在激光增材制造技行业中，常规的处理方式是在打印之前，通过设置最优的切片轮廓功率、最优的轮廓填充激光功率来完成整个模型的打印。该处理方式能够打印内部实体的模型效果较好。但是进一步研究表明，其存在以下问题：(1)对于内部具有复杂结构的模型进行打印时，如复杂晶格结构模型，如图2所示，容易造成内部非实体区域粉末烧结，导致成形件去粉困难，极大增加后处理的工作量；(2)该方法得到的实体模型的实体边界与周围粉末黏连严重，降低了成形件的成形质量与尺寸精度，(3)对于温度敏感的材料也会产生过于灼烧的效应。

产生上述问题的原因是，对于内部具有复杂结构的模型切片处理后，切片后结果如图4(a)所示，切片形貌由实体区域与非实体区域组成。然后对切片结果中的实体区域进行路径填充生成，常规采用平行直线类型的填充方式，如图4(b)所示。填充完毕，激光按照生成的填充路径以恒定的扫描功率进行扫描打印。激光束具有高能量密度且并服从高斯分布能量模型，如图5所示。激光光斑作为粉末材料的热源，在粉末材料表面形成熔池。激光熔池热量等效为Goldak热源分布模型，如图6所示。

Goldak热源分布模型，将熔池等效模拟成双椭球结构，其表面上热量按高斯分布函数，内部用双椭球函数，如下式描述：

内部用双椭球函数来表示其分布，即

式中：q(x,y,z,t)为时间t在(x,y,z)位置的热流量；k是热源的集中系数；Q为热输入；v为焊接速度；τ是电源位置滞后的时间因素；f是椭球前半部分和后半部分的能量比例；a、b和k1,2为双椭球模型参数。

在局部实体区域进行高密度填充扫描，由于激光扫描后的路径往往会有残余热量，同时新扫描路径与相邻激光扫描区域残余热量会相互影响并形成热量累积效应，而累积的热量又会对相邻的扫描区域产生影响，并提高相邻扫描区域的环境温度，如图4(c)所示。而当激光按照设定的标准功率再次扫描待扫描区域时，熔池的温度会高于材料合适的熔融温度。对于温度敏感的材料则造成过于灼烧的影响。对于腔体内非实体粉末，局部过高的环境温度容易引起温度敏感的粉末材料部分烧结熔融，并粘连在内部实体边界，导致成形件去粉困难问题，增加后处理的工作量。而位于腔体外部的粉末粘接在实体边界，降低成形件的成形尺寸精度。

针对上述问题，常规的处理方式是对激光填充功率、激轮廓功率、激光填充间隔、激光扫描速度、路径生成方式等不同参数量进行反复试验调试解决。这样增加了模型打印的复杂性，往往需要进行反复测试来调整各项参数量。而对于温度敏感的材料，往往成形件很难达到最佳的成形质量。因此，在打印内部具有复杂结构的模型，需要一种对激光功率的调节方法，来消除激光局部热量积累效应而产生的不良影响，提高成形件的成形质量与效率。因此，本领域亟需做出进一步的完善和改进，设计一种激光功率调节方法，使其能够避免上述问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于模型特征的激光功率调节方法，其中针对现有的激光打印中复杂形状区域存在的热量堆积导致的成型尺寸精度差的特点，相应研究提出及充分利用了对制件模型进行切片处理的方法，并采用轮廓渐进法对每个切片层的特殊区域进行填充，尤其是采用有限元来计算得到调整的激光填充功率，整个过程能够对制件模型中的特殊区域的激光填充率进行精准控制，克服现有内部复杂结构成形件成形效果差以及后处理中去粉困难的问题，在激光局部扫描过程中，可以有效保证实体区域在激光扫描时的熔池温度稳定在粉末材料最佳的融化温度窗口区间，提高最终成形件的成形精度；且该方法还具有计算量小、易操作等优点，适用于激光加工的3D打印领域，尤其是SLS，SLM，SLA等领域。

为实现上述目的，按照本发明提供了一种基于模型特征的激光功率调节方法，该方法具体包括以下步骤：

步骤1：对制件模型进行分析，将其内部的复杂结构特征区域进行标记，即为该制件模型内的特殊空间区域；

步骤2：将制件模型进行切片得到若干切片层，并结合步骤1中标记的特殊空间区域，将第i个切片层中的轮廓数据划分为特殊区域轮廓与常规区域轮廓，其中，i＝1,2,3,…n，n为该制件模型的总的切片层数量；

步骤3：对于第i个切片层中的特殊区域的切片轮廓，先进行预填充处理，然后获取每个轮廓填充线上调整后的激光填充功率，将调整后的激光填充功率添加到该特殊轮廓路径填充线上；同时，根据设定激光填充功率对该切片层中的常规区域的切片轮廓填充处理，并添加到常规区域的路径填充线上；

步骤4：重复步骤3，直至完成所有切片层的所有轮廓的路径生成填充处理，生成该制件模型的激光加工路径信息，从而完成该制件模型的激光功率调节。

具体地，本方法主要根据三维有限元分析特殊空间区域的热传导方程，对激光局部扫描区域产生的热量积累进行计算分析，并将激光扫描功率信息添加到渐进填充轮廓环填充的路径中。在激光局部扫描过程中，可以有效保证实体区域在激光扫描时的熔池温度稳定在粉末材料最佳的融化窗口温度区间，如图10所示。

进一步优选地，在步骤1中，对于制件模型分析时采用体素法。采用体素法对制件模型进行均匀的划分，利于后续标记并与后续切片操作相结合方便得到当前层的切片轮廓数据。

优选地，在步骤3中，对特殊区域的切片轮廓采用渐进轮廓环填充的方式进行预填充处理，此时预填充功率为设定激光填充功率。具体地，采用轮廓渐进填充的方式，能够将特殊区域进一步进行细分并填充，便于后续调的调整激光功率设置，提高最终成形精度。

优选地，在步骤3中，对于第i个切片层中的特殊区域的切片轮廓，其激光填充功率的调整方法如下：

获取制件模型的导热方程，对于第i个切片层中的特殊区域的切片轮廓，基于预先设定的激光填充率和设定的加工环境温度，逐点计算每个轮廓线上需要调节的激光功率，并将该计算结果设置到该特殊区域的渐进轮廓环填充扫描线上，得到每个特殊区域轮廓环填充线的调整后的激光填充功率。

通过将每个轮廓环填充线上的点进行分析和计算，针对特殊区域，结合设定激光填充率和环境温度，得到需要调节的激光功率，能够对制件模型特殊区域的制造过程进行避免激光局部热量累积的影响，使得最终的成形件精度高，不存在过度灼烧和后处理中去粉困难等问题

优选地，在步骤3中，在计算每个轮廓线上需要调节的激光功率时，利用三维有限元方法进行分析计算。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

(1)本发明的方法针对现有的激光打印中复杂形状区域存在的热量堆积导致的成型尺寸精度差的特点，相应研究提出及充分利用了对制件模型进行切片处理的方法，并采用轮廓渐进法对每个切片层的特殊区域进行填充，尤其是采用有限元来计算得到调整的激光填充功率，整个过程能够对制件模型中的特殊区域的激光填充功率进行精准控制，克服现有内部复杂结构成形件成形效果差、制件边缘不清晰以及后处理中去粉困难的问题，在激光局部扫描过程中，可以有效保证实体区域在激光扫描时的熔池温度稳定在粉末材料最佳的融化窗口温度区间，提高最终成形件的成形精度；且该方法还具有计算量小、易操作等优点，适用于激光加工的3D打印领域，尤其是SLS，SLM，SLA等领域，

(2)本发明的方法采用体素法对制件模型进行均匀的划分，利于后续标记后续切片处理得到切片轮廓数据。采用轮廓渐进填充的方式，能够将特殊区域进一步进行细分并填充，便于后续调整激光填充功率，提高最终成形精度。

(3)本发明在计算调整的激光填充功率时，采用三维有限元的方法，通过将每个轮廓线上的点进行分析和计算，针对特殊区域，结合设定的激光填充率和设定的环境温度，得到需要调节的激光功率，能够对制件模型内部的复杂区域的制造温度进行避免激光局部热量累积效应，使得最终的成形件精度高，不存在过度灼烧和后处理中去粉困难等问题

(4)本发明提出一种利用激光局部热量累积的效应来动态调整激光的扫描功率的方法，该扫描方法以实体模型中内部具有复杂形貌结构特征的区域作为调控区域，以渐进轮廓环作为激光扫描路径类型，且将需要不同的激光功率信息添加到不同的激光扫描路径中的方式。该方法不仅能够有效避免热量堆积、提高最终制件的成形精度，还具有调节方法简单、计算量小、成本低廉等优点，适合大规模推广应用。

附图说明

图1是现有技术中的激光增材制造原理；

图2是神经束接口模型；

图3是神经束复杂模型切片结果；

图4是现有技术中的激光增材制造每层处理示意图，其中：图4(a)为实体离散结果示意图，图4(b)为路径填充示意图，图4(c)为局部热积累示意图

图5是激光光斑的能量密度模型；

图6是激光熔池的双椭球模型；

图7是矩形区域渐进轮廓线填充；

图8是类圆形区域渐进轮廓线填充；

图9是采用本发明的激光功率调整方法的激光扫描效果；

图10是本发明的基于模型特征的激光功率调整方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

一种基于模型特征的激光功率调节方法，流程示意图如图10所示，具体包括以下步骤：

步骤1：将制件模型首先进行体素化处理，对于模型内部的局部含有复杂结构特征的区域的体素进行标记，并获得制件模型的所有特殊空间区域，并标记为V_special。

步骤2：采用下述的方式，逐层完成对制件模型的离散化分层处理：

步骤2.1：对于当前层i，采用常规的方法对模型进行切片，得到当前层切片的轮廓数据；

结合步骤1中的标记结果，在当前i层中对得到的轮廓数据进行标记为特殊轮廓S_special，并对当前层所有的特殊轮廓进行以下方式处理：

a)首先将特殊轮廓采用渐进轮廓环填充的方式进行预填充处理，如图7，图8所示；

b)然后利用三维有限元方法分析该区域的热传导方程F_ii，然后计算当前特殊轮廓面中的热传导方程Fs，根据设定的激光填充功率P_PreSet，以及设定的环境温度T_environment，据此温度传导方程Fs，计算步骤a)中的渐进轮廓环填充线上的调整激光功率信息P_adjust，使激光调整功率P_adjust够在局部进行高密度扫描时有效利用热量累积效应,并确保熔池温度始终处在粉末材料的合适的熔融温度范围,且又避免非实体区域的粉末部分熔融现象.将调整后的激光功率信息P_adjust添加到当前的填充轮廓环的生成路径中保存。

c)重复步骤a)-b)，完成本层中的所有特殊轮廓填充处理。

步骤2.2：对于本层中的非特殊轮廓，则可以采用传统的处理方式，即采用预设定的激光填充功率的作为恒定的激光功率添加到常规生成路径中保存。

步骤2.3：将每一切片层中的特殊轮廓和非特殊轮廓均采用步骤2和步骤3的处理方式，完成所有切片后的路径生成处理，最后生成激光加工路径数据。

本方法针对于具有复杂结构的模型的激光增材制造，在激光局部扫描过程中，可以有效保证实体区域在激光扫描时的熔池温度稳定在粉末材料最佳的融化窗口温度区间，针对激光在局部区域过于密集扫描打印而产生的热量累积问题，可以有效避免热量累积所带来的负效应，并且确保材料熔池始终稳定在粉末材料的熔融温度区间。这是目前激光增材制造方法无法做到的。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于模型特征的激光功率调节方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

步骤1：对制件模型进行分析，将其内部的复杂结构特征区域进行标记，即为该制件模型内的特殊空间区域；

步骤2：将制件模型进行切片得到若干切片层，并结合步骤1中标记的特殊空间区域，将第i个切片层中的轮廓数据划分为特殊区域轮廓与常规区域轮廓，其中，i＝1,2,3,…n，n为该制件模型的总的切片层数量；

步骤3：对于第i个切片层中的特殊区域的切片轮廓，先进行预填充处理，然后获取每个轮廓填充线上调整后的激光填充功率，将调整后的激光填充功率添加到该特殊轮廓路径填充线上；同时，根据设定激光填充功率对该切片层中的常规区域的切片轮廓填充处理，并添加到常规区域的路径填充线上；

步骤4：重复步骤3，直至完成所有切片层的所有轮廓的路径生成填充处理，生成该制件模型的激光加工路径信息，从而完成该制件模型的激光功率调节。

2.如权利要求1所述的激光功率调节方法，其特征在于，在步骤1中，对于制件模型分析时采用体素法。

3.如权利要求1或2所述的激光功率调节方法，其特征在于，在步骤3中，对特殊区域的切片轮廓采用渐进轮廓环填充的方式进行预填充处理。

4.如权利要求3所述的激光功率调节方法，其特征在于，在步骤3中，对于第i个切片层中的特殊区域的切片轮廓，其激光填充功率的调整方法如下：

获取制件模型的导热方程，对于第i个切片层中的特殊区域的切片轮廓，基于设定的激光填充率和环境温度，逐点计算每个轮廓环线上需要调节的激光功率，并将该计算结果设置到该特殊区域的轮廓环填充扫描线上，得到每个特殊轮廓填充线不同位置的调整后的激光填充功率。

5.如权利要求4所述的激光功率调节方法，其特征在于，在步骤3中，利用三维有限元方法进行分析计算。