CN108705083A - 一种基于多激光器的选区熔化粉末实时预热系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属零部件快速成形制造相关技术领域，并公开了一种基于多激光器的选区熔化粉末实时预热系统及方法。该预热系统包括激光预热单元、测温单元、激光加工单元和控制单元，通过在激光选区熔化加工过程中，采用具有等能量分布激光束的激光预热单元实现对粉床表面待加工粉末进行实时、快速、均匀、可选择性预热，并通过测温单元仪对激光束所预热粉末温度进行实时监测及反馈，由此保证所预热粉末温度与设定预热温度一致，有效避免预热效果随着激光选区成形高度的增加而不断预热温度不断下降的问题，也规避了加热装置与加工系统的干涉效应以及粉末预热不均匀的问题，由此有效提高粉末预热精度，以及降低预热系统能量浪费。

Description

一种基于多激光器的选区熔化粉末实时预热系统及方法

技术领域

本发明属于金属零部件快速成形制造相关技术领域，更具体地，涉及一种基于多激光器的选区熔化粉末实时预热系统及方法。

背景技术

选择性激光熔化(SLM)技术是上个世纪90年代出现的一种新型快速成形(RapidPrototyping)技术。它结合了CAD/CAM、数控、光学及材料科学等技术，以各种金属粉末作为加工原料，根据三维CAD模型，采用高能激光器逐点、逐域、逐层快速熔化粉末并迅速冷却，由此成形有特定几何形状的零件。其成形零件致密度近乎100％，机械性能与锻造零件相当，并且SLM技术具有工艺简单、成型材料范围广泛(纯金属粉末、复合粉末)、可成形传统工艺方法难以制造的复杂结构等特点，因此日益受到国内外专家广泛重视，已成为目前所有快速成型技术中最具发展前景的技术。

在激光选区熔化金属成形中，高能量激光束对金属粉末扫描加工过程中，材料会经历急剧升温熔化与急速冷却凝固，这种在固-液-固相变过程中温度的剧烈变化容易导致的主要技术问题之一是，会使得材料残余应力增大，并导致成形零件发生翘曲、开裂、变形。针对这一技术问题，目前通常会在加工前及加工过程中对成形粉末进行预热处理，使材料熔化-凝固过程中温度梯度减小，相应在一定程度上可缓解零件内部的内应力积累，抑制表面裂纹，减少成形缺陷，改善翘曲变形。

然而，进一步的研究表明，上述现有解决方案仍然具备以下的缺陷或不足：首先，这些现有方式大多集中为在成形区域底部添加加热装置进行温度场的调控，最高加热温度可达900℃，但是这类加热技术依赖于粉末和零件之间的热传导作用，仅能通过底部加热进行单向预热，其预热效果会随着成形高度的增加而不断下降，存在加工层粉末预热不充分以及能量浪费的问题；其次，部分解决方案公开了非传导式的加热方式，例如CN201710139208.5公开了一种电磁感应激光选区熔化粉床在线加热系统及方法，其中通过在激光选区熔化成形室内粉床上方设置不同形状可移动的金属电磁感应线圈，由此对粉床进行区域性加热时可解决预热效果随着成形高度的增加而不断下降的问题，但该方法激光与金属电磁感应线圈加热装置往往存在干涉效应，需根据不同零件情况选择不同形状线圈，灵活性差，而且预热区域内磁感应线圈垂直映射处粉末温度会明显高于其他区域粉末温度，同时预热区域偏大，并造成粉末预热不均匀及能量浪费等问题。CN102383126A公开了一种具有预热和后热功能且高效的三光束激光熔覆无裂纹涂层的方法，该方法应用于激光熔覆涂层制备，其预热目标是基材而不是待熔化的合金粉末，同时该方法也无法实时监测预热对象，无法保证预热效果的稳定性和准确性；CN101607311A公开了一种三束激光复合扫描金属粉末熔化快速成形方法，该方法采用光斑能量呈高斯分布的激光器加热，易导致粉末加热不均匀，同时该方法中由于没有温度检测和反馈单元，在实际加工中因每层粉末成形会逐步产生热积累，从而使得后续粉末预热温度与实际预热温度出现极大偏差。

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多激光器的选区熔化粉末实时预热系统及方法，其中通过在激光选区熔化加工过程中，采用具有等能量分布激光束的激光预热单元实现对粉床表面待加工粉末进行实时、快速、均匀、可选择性预热，并通过测温单元仪对激光束所预热粉末温度进行实时监测及反馈，由此保证所预热粉末温度与设定预热温度一致，有效避免预热效果随着激光选区成形高度的增加而不断预热温度不断下降的问题，也规避了加热装置与加工系统的干涉效应以及粉末预热不均匀的问题，由此有效提高粉末预热精度，以及降低预热系统能量浪费。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于多激光器的激光选区熔化粉末实时预热系统，其特征在于，该预热系统包括激光预热单元、测温单元、激光加工单元和控制单元，

所述激光加工单元用于激光选区熔化加工；

所述激光预热单元与所述激光加工单元相连，用于在所述激光加工单元每次进行铺粉后对待加工粉末进行激光预热；

所述测温单元与所述激光预测单元相连，在所述激光预热单元对待加工粉末预热后，该测温单元实时测量待加工粉末的温度，并将该温度反馈给所述控制单元；

所述控制单元与所述激光加工单元、激光预热单元和测温单元连接，用于设定所述激光加工单元的参数，同时还用于接受所述测温单元反馈的温度，并根据该温度实时调节所述激光预热单元的参数保证所述温度达到预设温度阈值。

进一步优选地，所述激光预热单元包括一个或者多个激光器，该激光器产生等能量分布的激光束，不同于所述激光加工单元的激光束的能量分布，避免局部过热和受热不均匀，使得待加工粉末预热均匀。

进一步优选地，所述激光预热单元的激光光斑大于所述激光加工单元的激光光斑的大小，优选为所述激光预热单元的激光光斑直径为所述激光加工单元的激光光斑直径的1.2倍以上，使得预热面积大于加工面积。

进一步优选地，所述激光加工单元和激光加工单元均还包括振镜，用于调整所述激光器发出的激光的方向以及激光光斑直径。

按照本发明的另一个方面，还提供了一种如上述所述的预热系统的加工方法，该方法包括下列步骤：

(a)根据待加工零件的三维模型，控制单元对所述三维模型进行切片获得多个切片层，对于每个切片层，设定所述激光加工单元相应的扫描路径、加工工艺参数和各区域粉末预热的预设温度阈值；根据各区域粉末预热的预设温度阈值，所述控制单元设定所述激光预热单元的预热参数，同时设定所述激光预热单元与激光加工单元之间的延迟时间；

(b)所述激光加工单元按照设定的加工工艺参数铺设待加工粉末，所述激光预热单元按照设定的预热参数对待加工粉末进行预热，然后所述控制单元开始计时，同时所述测温单元实时测量所述待加工粉末的温度并反馈给所述控制单元，控制单元调制所述激光预热单元的参数直至所述待加工粉末的温度达到所述预热温度阈值，到达设定的所述延迟时间后，所述激光加工单元按照预设的扫描路径对已预热的待加工粉末进行激光选区熔化加工，由此完成单个切片层的加工；

(c)所述激光加工单元的基板下降一个切片层的厚度，重复步骤(b)，直至完成所有切片层的加工。

进一步优选地，在步骤(a)中，所述激光加工单元的加工工艺参数包括激光光斑的大小、激光功率、扫描速度和铺粉厚度。

进一步优选地，在步骤(a)中，所述激光预热单元的预热参数包括激光光斑的大小、激光功率、扫描速度。

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，主要具备以下的技术优点：

1、本发明通过运用可输出等能量分布激光光束的激光预热单元对每层的待加工粉末进行预热，并通过红外测温仪对预热后的粉末进行温度监测及反馈，由此实现粉末温度的实时可调，保证了所预热粉末温度与设定预热温度一致，减小了相邻已成形区域热传递对所预热粉末温度产生的影响；

2、本发明通过选取激光预热单元的光斑为激光激光加工单元光斑的1.2倍以上，是因为在激光加工熔化粉末过程中，随着光斑范围内粉末的逐渐熔化形成熔池，熔池外围部分粉末将逐渐进融入熔池，此时实际参与成形的粉末直径范围可能大于激光加工单元激光光斑直径，根据工艺参数的变化，通常情况下参与成形的粉末直径最大为激光光斑直径的1.2倍，为保证待加工粉末预热完全，所以设定预热激光的光斑直径是加工激光直径的1.2倍。

3、本发明通过在激光加工单元加工前对每层待加工粉末进行预热，有效减小零件成形过程中温度梯度，从而减小成形零件内应力以及抑制裂纹产生，提高零件成形质量以及零件力学性能；

4、本发明通过采用激光预热单元对每层的待加工粉末进行预热，预热效果好，与现有技术预热放置待加工粉末的粉床相比，预热效果更好，且每层的预热温度不会随着成形厚度的增加而逐渐下降；

5、本发明采用激光预热单元及红外测温仪相配合，可对每层不同区域待加工粉末进行不同温度预热，实现待加工粉末可选择性预热，可极大提高零件成形质量；

6、本发明通过采用激光预热单元进行预热，与现有技术的采用设置在基板上方的感应线圈相比，结构简单，且不会与激光加工单元发生干涉，规避加热系统与加工系统存在的干涉问题，具有预热温度范围广、预热快、能量浪费小、粉末预热均匀的特点。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的基于多激光器激光选区熔化粉末实时预热系统结构示意图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的基于多激光器激光选区熔化粉末实时预热系统的加工方法流程图。

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。

图1是按照本发明的优选实施例所构建的基于多激光器激光选区熔化粉末实时预热系统结构示意图，如图1所示，一种基于多激光器激光选区熔化粉末实时预热系统，包括用于激光选区熔化的激光加工单元以外，引入激光预热单元，通过振镜控制激光束的方向以及激光光斑直径，用于对激光加工单元扫描路径上待加工粉末进行预热。激光预热单元所产生的光斑具有等能量分布特点，不同于激光加工单元的光斑内能量服从高斯分布，该特点保证对粉末均匀加热，且光斑大小略大于激光加工单元光斑大小(约为其1.2倍)，使得预热区域面积大于加工区域面积，保证激光加工粉末成型时待加工粉末预热温度达到目标值，此外，结合红外测温仪对激光预热单元所预热粉末温度进行实时监测及反馈，该预热系统具有结构简单、加热装置与加工系统无干涉、实时预热区域小、预热区域及预热温度可在线调控、能量浪费小、粉末预热均匀的特点。

优选地，激光预热单元中激光器数量可以是一台、两台至是多台。

优选地，激光预热单元中激光器可以是光纤激光器、CO2激光器、半导体激光器等等，结合金属粉末综合选择使用某种激光器。

优选地，红外测温仪与机器人5连接，用于控制红外测温仪的测量位置。

基于上述一种基于多激光器激光选区熔化粉末实时预热系统的加工方法，包括以下步骤：激光加工单元、激光预热单元和红外测温仪三者协同工作，均受控制单元控制，且三者具有相同扫描路径以及扫描速度。控制单元根据待成形零件形状规划激光选区熔化时激光(激光加工单元)扫描路径后，再根据已确定的加工扫描速度、光斑大小(激光加工单元)、各区域拟预热温度确定激光预热单元输出功率、光斑大小(约为激光加工单元光斑1.2倍)以及两激光单元之间延迟时间，激光预热单元按确定参数(扫描路径、扫描速度、输出功率、光斑大小)通过控制系统输出激光束对待加工粉末进行照射从而预热粉末，与此同时，红外测温仪同步于激光预热单元对光束照射区域粉末温度进行监测，并将粉末温度数据实时反馈回控制系统，控制系统通过与拟预热温度对比调整激光预热单元输出功率，确保预热粉末温度与设定一致，在激光预热单元对扫描路径上粉末进行预热的同时，激光加工单元在达到延迟时间后，按规划扫描路径对已预热粉末进行扫描加工成形零件。该预热方法具有粉末预热均匀、精确，粉末预热区域及温度实时可控的特点。

图2是按照本发明的优选实施例所构建的基于多激光器激光选区熔化粉末实时预热系统的加工方法流程图，如图2所示，该加工方法的具体步骤包括：

(1)对机器人5进行零点标定，使得机器人5坐标系与控制单元中设置的三维坐标系重合，保证其机器人5按照规划的路径进行移动。本发明中采用三点法进行零点标定，即分别定义原点、X轴正方向与Y轴正方向，由此来确定机器人5的工作坐标系；

(2)控制单元6对导入的零件三维模型的STL文件进行读取、切片、以及规划激光选区熔化时每一单层激光扫描路径，设置加工工艺参数(激光光斑大小、激光功率、扫描速度、铺粉厚度、各区域粉末拟预热温度等)；

(3)控制单元6根据所设定的激光加工单元1的加工工艺参数(光斑大小、扫描速度和粉末拟预热温度)进行计算确定激光预热单元2的激光输出功率、光斑大小、扫描速度(与加工工艺参数一致)，并确定激光加工单元1和激光预热单元2之间的延迟时间；

(4)控制单元6控制铺粉器4进行铺粉，随后激光预热单元2按所计算的输出功率、光斑大小、扫描速度以及所规划扫描路径对粉床上金属粉末进行预热；

(5)机器人5与激光预热单元2同步工作，两者具有相同扫描速度以及扫描路径，当激光预热单元2对粉床上金属粉末进行预热时，机器人5上所安装红外测温仪3对预热区域粉末温度进行监测，并将所采集数据反馈回控制单元，与预设预热温度进行对比，若差值在±5℃内，则保持现状，若差值超过±5℃，则控制单元6调节激光预热单元2的输出功率，使所预热粉末温度与拟预热温度达到一致。在此，可通过临时调节拟预热温度实现对后续粉末预热温度实时调节；

(6)到达延迟时间后，控制单元6启动激光加工单元1，按所设定的加工工艺参数(激光光斑大小、激光功率、扫描速度)以及所规划路径对已预热金属粉末进行加工。该层加工完毕后，基板下降一层，重复(3)-(6)步骤，如此往复，直至零件完全成形。

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 (7)

1.一种基于多激光器的激光选区熔化粉末实时预热系统，其特征在于，该预热系统包括激光预热单元、测温单元、激光加工单元和控制单元，

所述激光加工单元用于激光选区熔化加工；

所述激光预热单元与所述激光加工单元相连，用于在所述激光加工单元中的每个切片层铺粉后对铺设的待加工粉末进行激光预热；

所述测温单元与所述激光预测单元相连，在所述激光预热单元对待加工粉末预热后，该测温单元实时测量待加工粉末的温度，并将该温度反馈给所述控制单元；

所述控制单元与所述激光加工单元、激光预热单元和测温单元连接，用于设定所述激光加工单元的参数，同时还用于接受所述测温单元反馈的温度，并根据该温度自动调节所述激光预热单元的参数直至所述温度达到预设温度阈值。

2.如权利要求1所述的预热系统，其特征在于，所述激光预热单元包括一个或者多个激光器，该激光器产生等能量分布的激光束，不同于所述激光加工单元的激光束的能量分布，避免局部过热和受热不均匀，使得待加工粉末预热均匀。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述激光预热单元的激光光斑大于所述激光加工单元的激光光斑的大小，优选为所述激光预热单元的激光光斑直径为所述激光加工单元的激光光斑直径的1.2倍以上，使得预热面积大于加工面积。

4.如权利要求1-3任一项所述的预热系统，其特征在于，所述激光加工单元和激光加工单元均还包括振镜，用于调整所述激光器发出的激光的方向以及激光光斑直径。

5.一种如权利要求1-4任一项所述的预热系统的加工方法，该方法包括下列步骤：

(a)根据待加工零件的三维模型，控制单元对所述三维模型进行切片获得多个切片层，对于每个切片层，设定所述激光加工单元相应的扫描路径、加工工艺参数和粉末预热的预设温度阈值；根据粉末预热的预设温度阈值，所述控制单元设定所述激光预热单元的预热参数，同时设定所述激光预热单元与激光加工单元之间的延迟时间；

(b)所述激光加工单元按照设定的加工工艺参数铺设待加工粉末，所述激光预热单元按照设定的预热参数对待加工粉末进行预热，然后所述控制单元开始计时，同时所述测温单元实时测量所述待加工粉末的温度并反馈给所述控制单元，控制单元调制所述激光预热单元的参数直至所述待加工粉末的温度达到所述预热温度阈值，到达设定的所述延迟时间后，所述激光加工单元按照预设的扫描路径对已预热的待加工粉末进行激光选区熔化加工，由此完成单个切片层的加工；

(c)所述激光加工单元的基板下降一个切片层的厚度，重复步骤(b)，直至完成所有切片层的加工。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在步骤(a)中，所述激光加工单元的加工工艺参数包括激光光斑的大小、激光功率、扫描速度和铺粉厚度。

7.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于，在步骤(a)中，所述激光预热单元的预热参数包括激光光斑的大小、激光功率、扫描速度。