CN107876766A - 激光烧结扫描方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属增材制造技术领域，具体涉及一种激光烧结扫描方法，主要包括工件截面分区、扫描方向规划、首次扫描、扫描后按温度分区、按温度分区进行扫描等步骤。本发明的方法通过对工件的激光扫描截面进行平行四边形的分区，然后利用红外热像仪对已完成激光扫描的烧结层面温度图像进行实时采集并提取不同温度分区轮廓，实时对低温区和高温区采用适应性扫描间距生成扫描路径，解决了大尺寸薄壁零件因某一区域温度集中形成大的温度梯度、残余应力高的技术问题，并提高了扫描效率高，保证了工件的致密度和精度。
Description
技术领域
本发明属于金属增材制造技术领域，具体涉及一种大尺寸薄壁金属零部件的选区激光熔化技术的激光烧结扫描方法。
背景技术
选区激光熔化技术是一种通过控制激光逐层扫描，层层叠加形成三维工件的快速制造技术。扫描路径规划是3D打印数据处理的重要组成部分，对成形件的精度和物理性能都有很大的影响，选择合理的扫描路径可以大大提高加工速度与扫描机构运动的平稳性，此外还可以有效地减少成形过程中的启停次数。
某些金属零部件具有尺寸大，壁薄的特点，特别是在打印初期，由于零件底部支撑面积大，需打印时间较长。选区激光熔化过程中某个方向激光扫描到的区域热量分布集中，容易因与另一方向未被激光扫描到的粉末形成大的温度梯度，热应力作用下极易造成脱离基板、翘曲变形、开裂等问题，导致打印失败零件报废。
现有技术中为使残余应力离散分布，常先对扫描轮廓进行分区，然后采用一定的扫描路径规划方式来进行打印。目前采用的扫描方式主要可以分为平行线扫描、轮廓等距线扫描、以及二者混合扫描。常见的分区方式有条带式和棋盘格式，条带式扫描分区跨度小，但一个方向的残余应力未充分离散分布；棋盘格式扫描残余应力分布离散，但需要经常改变扫描方向，且跨度较大，影响扫描效率。申请号为201410678815.5的专利申请文件提供了一种“用于选区激光熔化的激光扫描方法”，该发明采用的分区方式是分为若干个边长为1mm～10mm的网格状正三角形及边界的若干个不规则图形，相邻的图形间隙G的取值为-1mm～1mm，采用等距扫描线依次完成分区图形扫描；根据分区情况，采用等距扫描线依次完成间隙扫描；根据需求沿工件实际轮廓线或与工件实际轮廓线向内或向外偏离1mm以内的轮廓线进行扫描，也可沿与工件实际轮廓线偏离1mm以内的多条轮廓线分别进行多次扫描，完成工件的截面扫描。申请号为201110056599.7的专利申请文件提供了“一种选择性激光烧结扫描方法”，该发明公开了一种选择性激光烧结扫描方法，在选择性激光烧结过程中遇到尖锐拐角时，通过一段封闭曲线形空跳来改变扫描方向、保证拐角前后扫描速度大小一致，从而保证均匀的激光扫描强度与尖锐拐角的扫描精确。
上述发明内容及附图中均没有提及与大尺寸薄壁金属零部件特点相对应的快速激光扫描方式及缺陷解决方法。
发明内容
本发明提供了一种激光烧结扫描方法，旨在解决选区激光熔化过程中某个方向激光扫描到的区域热量分布集中，容易与另一方向未被激光扫描到的粉末形成大的温度梯度，热应力作用下极易造成脱离基板、翘曲变形、开裂，导致打印失败零件报废的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：提供一种激光烧结扫描方法，其特征在于，包括如下步骤
S1、根据工件的截面信息，将工件区域划分为若干个分区图形，所述分区图形为边长为5～10mm的网格状平行四边形或者边界的不规则图形，相邻的分区图形间隙H大于0小于等于1mm；
S2、规划扫描方向，对于同一层截面所有平行四边形，采用方向A和方向B进行扫描，其中方向A与平行四边形的一组对边平行，方向B与方向A垂直，相邻两行或两列平行四边形区域内规划的扫描方向不同；
S3、将分区中边界的不规则图形均作为平行四边形分区进行处理，按照工件的成型截面图形及尺寸，先从工件一侧边界的分区图形开始，对扫描线互相平行的分区图形进行依次连续扫描；
S4、利用红外热像仪对已完成激光扫描的烧结层面温度图像进行实时采集并提取不同温度分区轮廓，并将温度图像传送给处理器；
S5、通过处理器进行分层轮廓与温度分区轮廓的求交运算，对整个截面进行温度分区，将温度低于临界温度的区域划分为低温区，将温度高于临界温度的区域划分为高温区；
S6、按照规划好的扫描方向对低温区进行扫描，扫描间距为50微米至70微米；
S7、重复步骤S5、S6，直至剩下区域均为高温区，按照规划好的扫描方向对高温区进行扫描，扫描间距为70微米至100微米，直到完成所有分区图形扫描。
进一步的是，步骤S5中，所述临界温度的取值范围为140～150℃。
进一步的是，步骤S5中，若一个平行四边形区域内既有高温区，也有低温区，且高温区面积大于低温区面积，则将此平行四边形区域划分为高温区；若高温区面积小于低温区面积，则将此平行四边形区域划分为低温区。
进一步的是，步骤S6和步骤S7中，扫描线是平行等距直线。
进一步的是，步骤S6和步骤S7中，分区图形内相邻扫描线同向进行。
进一步的是，步骤S6和步骤S7中，分区图形内相邻扫描线反向进行。
进一步的是，步骤S1中，每一行或每一列的平行四边形的倾斜方向相同，相邻行或相邻列的平行四边形的倾斜方向相反。
进一步的是，还包括间隙扫描，对于同一层截面，扫描从工件一侧的间隙区域的一端开始，对一个间隙区域逐线扫描，直至间隙区域另一端；以同样方式扫描其他两个方向扫描线的间隙区域，直到完成工件的所有间隙区域的扫描。
进一步的是，还包括轮廓扫描，沿工件实际轮廓线或与工件实际轮廓线向内或向外偏离1mm以内的轮廓线进行扫描，或沿与工件实际轮廓线偏离1mm以内的多条轮廓线分别进行多次扫描，直到完成工件的截面扫描。
进一步的是，层与层之间采用S型正交扫描方式，直至完成整个零件的打印，所述S型正交扫描方式是指下一层截面的区域划分和扫描方向由上一层截面的区域划分和扫描方向旋转90°得到。
本发明的有益效果为：由于配合采用红外热像仪对烧结层面温度图像进行实时采集并提取不同温度分区轮廓，快速实现分层轮廓与温度分区轮廓的求交运算，最后针对不同温度分区采用适应性扫描间距生成扫描路径，实现激光成形动态扫描路径规划，降低了成型尺寸大于等于150mm×150mm(长×宽)且薄壁的金属零部件内部热应力集中，避免造成脱离基板、翘曲变形、开裂等问题，同时又可兼顾扫描效率。
附图说明
图1是本发明的激光扫描分区网格的一个实施例的示意图；
图2是本发明的激光扫描分区生成的一个实施例的示意图；
图3是本发明的两种相互垂直的分区扫描线的一个实施例的示意图；
图4是本发明的激光束在其中一个分区内按Z字型扫描线进行扫描的一个实施例的示意图；
图5是本发明的一个平行四边形内温度分区包络线的一个实施例的示意图，图中包络线内为高温区，包络线外为低温区；
具体实施方式
本发明提供的一种激光烧结扫描方法，能够减小成形工件残余应力、防止工件变形开裂、提高成形质量，减小成形过程中的温度梯度，降低零件的残余应力，降低成型尺寸大于等于150mm×150mm(长×宽)且薄壁的金属零部件内部热应力集中，避免造成脱离基板、翘曲变形、开裂等问题，同时又可兼顾扫描效率。
如图1至图5所示，本发明提供的激光烧结扫描方法，包括如下步骤
S1、根据工件的截面信息，将工件区域划分为若干个分区图形，所述分区图形为边长为5～10mm的网格状平行四边形或者边界的不规则图形，相邻的分区图形间隙H大于0小于等于1mm；由于零件三维模型的多样性，从而在由分层处理后的截面轮廓就是多样的，有凸有凹可能还会有孔；
S2、规划扫描方向，对于同一层截面所有平行四边形，采用方向A和方向B进行扫描，其中方向A与平行四边形的一组对边平行，方向B与方向A垂直，相邻两行或两列平行四边形区域内规划的扫描方向不同，如图3所示；
S3、将分区中边界的不规则图形均作为平行四边形分区进行处理，按照工件的成型截面图形及尺寸，先从工件一侧边界的分区图形开始，对扫描线互相平行的分区图形进行依次连续扫描；扫描线是平行等距直线，间距由3D打印设备以及打印精度要求确定；分区图形内相邻扫描线可以同向进行，也可以反向进行，即Z字形扫描，如图4所示；
S4、利用红外热像仪对已完成激光扫描的烧结层面温度图像进行实时采集并提取不同温度分区轮廓，并将温度图像传送给处理器；
S5、通过处理器进行分层轮廓与温度分区轮廓的求交运算，对整个截面进行温度分区，将温度低于临界温度的区域划分为低温区，将温度高于临界温度的区域划分为高温区；
S6、按照规划好的扫描方向对低温区进行扫描，扫描间距为50微米至70微米；
S7、重复步骤S5、S6，直至剩下区域均为高温区，按照规划好的扫描方向对高温区进行扫描，扫描间距为70微米至100微米，直到完成所有分区图形扫描。
具体，上述具体实施方式的步骤S5中，所述临界温度的取值范围为140～150℃，优选为150℃，可以最大限度地减小大尺寸薄壁零件局部区域温度集中的程度，从而减小温度梯度，使残余应力尽量低。
具体，上述具体实施方式的步骤S5中，若一个平行四边形区域内既有高温区，也有低温区，且高温区面积大于低温区面积，则将此平行四边形区域划分为高温区；若高温区面积小于低温区面积，则将此平行四边形区域划分为低温区。如图5所示，图中包络线内为高温区，包络线外为低温区，且高温区面积大于低温区面积，因此，将此平行四边形视作高温区。
具体，上述具体实施方式的步骤S6和步骤S7中，扫描线是平行等距直线，平行等距直线可以极大地减小局部区域温度集中的程度。
具体，上述具体实施方式的步骤S1中，每一行或每一列的平行四边形的倾斜方向相同，相邻行或相邻列的平行四边形的倾斜方向相反。
具体，上述具体实施方式还包括间隙扫描，对于同一层截面，扫描从工件一侧的间隙区域的一端开始，对一个间隙区域逐线扫描，直至间隙区域另一端；以同样方式扫描其他两个方向扫描线的间隙区域，直到完成工件的所有间隙区域的扫描。
具体，上述具体实施方式还包括轮廓扫描，沿工件实际轮廓线或与工件实际轮廓线向内或向外偏离1mm以内的轮廓线进行扫描，或沿与工件实际轮廓线偏离1mm以内的多条轮廓线分别进行多次扫描，直到完成工件的截面扫描。
具体，上述具体实施方式中，层与层之间采用S型正交扫描方式，直至完成整个零件的打印，所述S型正交扫描方式是指下一层截面的区域划分和扫描方向由上一层截面的区域划分和扫描方向旋转90°得到。对于不同层截面所有平行四边形分区图形，层与层之间采用层错扫描，即S型正交扫描方式，层错扫描的扫描线相互错开，没有叠加在一起，且在成形过程中层错扫描能够改善上一层扫描形成的缺陷，金属液能够在上一层熔道的凹陷处润湿基体，使熔融层之间连接更为紧密。S型正交扫描方式可以改善应力的分布，减小残余应力的累积。
实施例
本实施例中，所需制造的工件为最大截面直径为壁厚为10mm的圆环形薄壁零件，根据工件的截面信息，首先将工件区域划分为若干个分区图形，所述分区图形为边长为10mm网格状平行四边形或者边界的不规则图形，相邻的分区图形间隙H的取正值0.7mm。
本实施例采用的激光烧结扫描方法包括以下主要步骤：
步骤一：将分区中边界的不规则图形均作为分区平行四边形进行处理，再按照工件的成型截面图形及尺寸，先从工件一侧边界的分区图形开始，对扫描线互相平行的分区图形进行依次连续扫描；
步骤二：然后利用红外热像仪对已完成激光扫描的烧结层面温度图像进行实时采集并提取不同温度分区轮廓，并通过数据线将采集的温度图像传送给计算机；
步骤三：通过计算机快速进行分层轮廓与温度分区轮廓的求交运算，对整个截面进行温度分区，即温度低于150℃的低温区和温度高于150℃的高温区；
步骤四：在扫描过程中，实时对低温区和高温区采用适应性扫描间距生成扫描路径，即低温区分区图形采用扫描间距60微米的平行扫描方式，高温区分区图形采用扫描间距为100微米分组平行扫描；
步骤六：按上述方式进行扫描，直到完成该层截面内所有分区图形的扫描；
步骤七：间隙扫描，对于同一层截面，扫描从工件一侧的间隙区域的一端开始，对一个间隙区域逐线扫描，直至间隙区域另一端；以同样方式扫描其他两个方向扫描线的间隙区域，直到完成工件的所有间隙区域的扫描；
步骤八：轮廓扫描，沿工件实际轮廓线或与工件实际轮廓线向内或向外偏离1mm以内的轮廓线进行扫描，或沿与工件实际轮廓线偏离1mm以内的多条轮廓线分别进行多次扫描，直到完成工件的截面扫描；
步骤九：层与层之间采用S型正交扫描方式，直至完成整个零件的打印。
Claims (10)
1.激光烧结扫描方法，其特征在于，包括如下步骤
S1、根据工件的截面信息，将工件区域划分为若干个分区图形，所述分区图形为边长为5～10mm的网格状平行四边形或者边界的不规则图形，相邻的分区图形间隙H大于0小于等于1mm；
S2、规划扫描方向，对于同一层截面所有平行四边形，采用方向A和方向B进行扫描，其中方向A与平行四边形的一组对边平行，方向B与方向A垂直，相邻两行或两列平行四边形区域内规划的扫描方向不同；
S3、将分区中边界的不规则图形均作为平行四边形分区进行处理，按照工件的成型截面图形及尺寸，先从工件一侧边界的分区图形开始，对扫描线互相平行的分区图形进行依次连续扫描；
S4、利用红外热像仪对已完成激光扫描的烧结层面温度图像进行实时采集并提取不同温度分区轮廓，并将温度图像传送给处理器；
S5、通过处理器进行分层轮廓与温度分区轮廓的求交运算，对整个截面进行温度分区，将温度低于临界温度的区域划分为低温区，将温度高于临界温度的区域划分为高温区；
S6、按照规划好的扫描方向对低温区进行扫描，扫描间距为50微米至70微米；
S7、重复步骤S5、S6，直至剩下区域均为高温区，按照规划好的扫描方向对高温区进行扫描，扫描间距为70微米至100微米，直到完成所有分区图形扫描。
2.根据权利要求1所述的激光烧结扫描方法，其特征在于，步骤S5中，所述临界温度的取值范围为140～150℃。
3.根据权利要求1所述的激光烧结扫描方法，其特征在于，步骤S5中，若一个平行四边形区域内既有高温区，也有低温区，且高温区面积大于低温区面积，则将此平行四边形区域划分为高温区；若高温区面积小于低温区面积，则将此平行四边形区域划分为低温区。
4.根据权利要求1所述的激光烧结扫描方法，其特征在于，步骤S6和步骤S7中，扫描线是平行等距直线。
5.根据权利要求1所述的激光烧结扫描方法，其特征在于，步骤S6和步骤S7中，分区图形内相邻扫描线同向进行。
6.根据权利要求1所述的激光烧结扫描方法，其特征在于，步骤S6和步骤S7中，分区图形内相邻扫描线反向进行。
7.根据权利要求1所述的激光烧结扫描方法，其特征在于，步骤S1中，每一行或每一列的平行四边形的倾斜方向相同，相邻行或相邻列的平行四边形的倾斜方向相反。
8.根据权利要求1所述的激光烧结扫描方法，其特征在于，还包括间隙扫描，对于同一层截面，扫描从工件一侧的间隙区域的一端开始，对一个间隙区域逐线扫描，直至间隙区域另一端；以同样方式扫描其他两个方向扫描线的间隙区域，直到完成工件的所有间隙区域的扫描。
9.根据权利要求1所述的激光烧结扫描方法，其特征在于，还包括轮廓扫描，沿工件实际轮廓线或与工件实际轮廓线向内或向外偏离1mm以内的轮廓线进行扫描，或沿与工件实际轮廓线偏离1mm以内的多条轮廓线分别进行多次扫描，直到完成工件的截面扫描。
10.根据权利要求1至9中任一权利要求所述的激光烧结扫描方法，其特征在于，层与层之间采用S型正交扫描方式，直至完成整个零件的打印，所述S型正交扫描方式是指下一层截面的区域划分和扫描方向由上一层截面的区域划分和扫描方向旋转90°得到。
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