CN109080134B - 通过调节激光功率控制成型速度的打印方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通过调节激光功率控制成型速度的打印方法及装置，属于快速成型技术领域。所述装置包括称重传感器、工作平台、数据处理单元、控制中心、同轴送粉装置和激光熔覆装置；所述同轴送粉装置和激光熔覆装置置于所述工作平台的上方，同轴送粉装置用于向工作平台输送激光打印原料，并经激光熔覆装置熔覆成型；称重传感器置于所述工作平台的下方，用于称量工作平台上的打印的零件的实时成型重量；所述称重传感器还与所述数据处理单元相连；所述数据处理单元与所述控制中心相连；所述控制中心与激光熔覆装置相连。采用本发明可以达到实时调整激光功率的目的，不仅会提高产品的成型效率，还可以提高3D打印产品的打印精度、打印效果的优点。

Description

通过调节激光功率控制成型速度的打印方法及装置

技术领域

本发明涉及一种通过调节激光功率控制成型速度的打印方法及装置，属于快速成型技术领域。

背景技术

3D打印是一种以数字模型文件为基础，运用特殊蜡材、粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。常常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型或者用于一些产品的直接制造。在3D打印过程中，通常会对激光熔覆装置设置一定的激光功率，激光功率与粉末成形速度成正比。然而成型过程中，实际需求成型速度常常与激光功率不一致，当激光功率过高时，会导致成型原料的浪费，当激光功率过低时，又会导致成型效率降低。如何精准控制激光熔覆装置的激光功率与成型速度相匹配，是本领域技术人员急需解决的技术问题。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种通过调节激光功率控制成型速度的打印方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种通过调节激光功率控制成型速度的打印方法包括步骤：

S1、在3D打印开始前清理所述工作平台，激活称重传感器并清零，在数据处理单元中设置基材需求成型速度VF_R、成型标准件重量W_S、成型速度允许误差量ε、重量误差量δ、单位时间t，以及激光熔覆装置（6）的最小工作功率P_min和最大工作功率P_max，此时，第k个单位时间的激光熔覆装置的功率P_k、成型重量W_k均为0，k为正整数；

S2、3D打印过程中，数据处理单元获取P_k、W_k，计算实际成型速度VF_k；

S3、数据处理单元判断W_S与W_k的差值是否小于δ，如果差值小于δ，则进入步骤S7，如果差值大于δ则进入步骤S4；

S4、判断VF_k和VF_R的差值的绝对值是否小于ε，若差值的绝对值小于ε，则返回步骤S2，若差值的绝对值大于ε，则进入步骤S5；

S5、数据处理单元根据P_k、VF_k和VF_R计算调节功率ΔP_k；

S6、对第k+1时刻的P_k+1进行调节，并返回步骤S2；

S7、结束3D打印。

进一步地，步骤S2中根据公式

VF_k=（W_k-W_k-1）/t

计算实际成型速度VF_k。

进一步地，步骤S5具体为，

若

，则ΔP_k=|P_k×(1-VF_R/VF_K)|；

若

，则ΔP_k=|P_k×(1-VF_K/VF_R)|。

进一步地，步骤S6中对P_k+1进行调节具体为：

如果VF_k>VF_R，则P_k+1=P_k-ΔV_k；

如果VF_k<VF_R，则P_k+1=P_k+ΔV_k。

进一步地，步骤S6还包括，判断P_k+1是否小于P_min或大于P_max，若P_k+1≤P_min，则P_k+1=P_min，若P_k+1≥P_max，则P_k+1=P_max。

本发明还提供一种通过调节激光功率控制成型速度的打印装置包括称重传感器、工作平台、数据处理单元、控制中心、同轴送粉装置和激光熔覆装置；所述同轴送粉装置和激光熔覆装置置于所述工作平台的上方，所述同轴送粉装置用于向工作平台输送激光打印原料，并经激光熔覆装置熔覆成型；所述称重传感器置于所述工作平台的下方，用于称量工作平台上的打印的零件的实时成型重量；所述称重传感器还与所述数据处理单元相连；所述数据处理单元与所述控制中心相连；所述控制中心与所述激光熔覆装置相连。

进一步地，所述称重传感器用于将称量的重量数据实时传输至所述数据处理单元。

进一步地，所述数据处理单元用于将处理后的数据传输至所述控制中心。

进一步地，所述控制中心用于根据传输的数据实时控制激光熔覆装置的功率。

本发明由于采用以上技术方案，其达到的技术效果为：

本发明通过在工作平台下方设置称重传感器，对激光成型过程中实时监控成型重量，通过对实际成型速度与需求成型速度进行比对，实际成型速度大时，降低激光功率，成型速度小时，增加激光功率，可以达到实时调整激光功率的目的，不仅会提高产品的成型效率，还可以提高3D打印产品的打印精度、打印效果的优点。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的打印方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图2所示，一种通过调节激光功率控制成型速度的打印方法，包括步骤：

S1、在3D打印开始前清理所述工作平台2，激活称重传感器1并清零，在数据处理单元3中设置基材需求成型速度VF_R、成型标准件重量W_S、成型速度允许误差量ε、重量误差量δ、单位时间t，此时，第k个单位时间的激光熔覆装置的功率P_k、成型重量W_k均为0，k为正整数。

其中需求成型速度VF_R范围为0.5-1kg/h，成型标准件重量W_S范围为50-200kg、激光功率P_k范围为5-10kw，单位时间t范围为1-5min，成型速度允许误差量ε为需求成型速度VF_R的5%-10%，重量误差量δ为相对误差，为成型标准件重量W_S的0.1%-0.5%。

清理工作平台可以采用吹气或吸尘的方式，使工作平台2表面清洁，不存在打印原料粉末或杂物，然后将称重传感器1数值清零。

S2、3D打印过程中，数据处理单元3获取P_k、W_k，计算实际成型速度VF_k。

为了能够更准确的控制基材的成型速度，数据处理单元3每隔一个单元时间就对获取一次P_k、W_k，计算实际成型速度VF_k，计算公式为VF_k=（W_k-W_k-1）/t。

S3、数据处理单元（3）判断W_S与W_k的差值是否小于δ，如果差值小于δ，说明基材成型重量接近标准件重量，打印已经完成，进入步骤S7；如果差值大于δ则说明打印尚未完成，继续执行3D打印，返回步骤S4；

S4、判断VF_k和VF_R的差值的绝对值是否小于ε，若差值的绝对值小于ε，则返回步骤S2，若差值的绝对值大于ε，则进入步骤S5。

若VF_k和VF_R的差值是小于ε说明成型速度在允许范围内，不用对P_k进行调整，若差值大于ε，说明存在的偏差较大，此时通过调节P_k达到控制VF_k的目的。

S5、数据处理单元3根据P_k、VF_k和VF_R计算调节功率ΔP_k。

若

，则ΔP_k=|P_k×(1-VF_R/VF_K)|；

若

，则ΔP_k=|P_k×(1-VF_K/VF_R)|。

S6、对第k+1时刻的P_k+1进行调节，并返回步骤S2。

调节具体为：

如果VF_k>VF_R，说明实际成型速度大于设定的需求成型速度，需要降低成型速度，则P_k+1=P_k-ΔP_k；

如果VF_k<VF_R，说明实际成型速度小于设定的需求成型速度，需要提高成型速度，则P_k+1=P_k+ΔP_k。

进一步的还包括，判断P_k+1是否小于P_min或大于P_max，若P_k+1≤P_min，则P_k+1=P_min，若P_k+1≥P_max，则P_k+1=P_max。

S7、结束3D打印。

如图1所示，本发明还提供一种控制同轴送粉组织一致性的激光功率调节方法打印装置，包括称重传感器1、工作平台2、数据处理单元3、控制中心4、同轴送粉装置5和激光熔覆装置6；所述同轴送粉装置5和激光熔覆装置6置于所述工作平台的上方，所述同轴送粉装置5用于向工作平台输送激光打印原料，并经激光熔覆装置6熔覆成型；所述称重传感器置于所述工作平台2的下方，用于称量工作平台上的打印的零件的实时成型重量；所述称重传感器1还与所述数据处理单元3相连，用于将称量的重量数据实时传输至所述数据处理单元3；所述数据处理单元3与所述控制中心4相连，用于将处理后的数据传输至所述控制中心4，本发明中所述数据处理单元可以为任意可实现数据处理的系统，例如西门子828D机床数控系统；所述控制中心4与所述激光熔覆装置6相连；所述控制中心4用于根据传输的数据实时控制激光熔覆装置6的激光功率。

实施例1：

在数据处理单元3中设置VF_R=1kg/h，初始激光功率为5kw，W_S=100kg，ε=0.1kg/h，δ=0.1kg，t=5min。

此时k=0,P₀=0,W₀=0。

当k=1时，

P₁=5kw，测得W₁=0.05kg；

由于|W_S-W₁|>δ，打印继续进行；

根据计算公式VF₁=（W₁-W₀）/t获得VF₁=（0.05-0）/5min=0.6kg/h；

|VF₁-VF_R|>ε需要调整激光功率；

由于

所以ΔP₁=|P₁×(1-VF₁/VF_R)|=2kw；

由于VF₁<VF_R，说明实际成型速度小于设定的需求成型速度，需要提高成型速度，由于P_min≤P₂≤P_max,则P₂=P₁+ΔP₁=7kw。

当k=2时，

测得W₂=0.15kg；

由于|W_S-W₂|>δ，打印继续进行；

通过计算公式获得VF₂=(0.15-0.05)/5min=1.2kg/h；

|VF₂-VF_R|>ε需要调整激光功率；

由于

所以ΔP₂=|P₂×(1-VF_R/VF₂)|=1.17kw；

由于VF₂>VF_R，说明实际成型速度大于设定的需求成型速度，需要降低成型速度，P_min≤P₃≤P_max,则P₃= P₂-ΔP₂=5.83kw。

当k=3时，

测得W₃=0.23kg；

由于|W_S-W₃|>δ，打印继续进行；

通过计算公式获得VF₃=(0.23-0.15)/5min=0.96kg/h；

|VF₃-VF_R|<ε，不需要调整激光功率；

则P₄=P₃=5.83kw。

…

当k=n时，

测得W_n=100.02kg，

此时|W_S-W_n|<δ,3D打印结束。

上述实施方式旨在举例说明本发明可为本领域专业技术人员实现或使用，对上述实施方式进行修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，故本发明包括但不限于上述实施方式，任何符合本权利要求书或说明书描述，符合与本文所公开的原理和新颖性、创造性特点的方法、工艺、产品，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种通过调节激光功率控制成型速度的打印方法，其特征在于，包括步骤：

S1、在3D打印开始前清理工作平台(2)，激活称重传感器(1)并清零，在数据处理单元(3)中设置基材需求成型速度VF_R、成型标准件重量W_S、成型速度允许误差量ε、重量误差量δ、单位时间t，以及激光熔覆装置(6)的最小工作功率P_min和最大工作功率P_max，此时，第k个单位时间的激光熔覆装置(6)的功率P_k、成型重量W_k均为0，k为正整数；

S2、3D打印过程中，数据处理单元(3)获取P_k、W_k，计算实际成型速度VF_k；

S3、数据处理单元(3)判断W_S与W_k的差值是否小于δ，如果差值小于δ，则进入步骤S7，如果差值大于δ则进入步骤S4；

S4、判断VF_k和VF_R的差值的绝对值是否小于ε，若差值的绝对值小于ε，则返回步骤S2，若差值的绝对值大于ε，则进入步骤S5；

S5、数据处理单元(3)根据P_k、VF_k和VF_R计算调节功率ΔP_k，其中：

若VF_k-VF_R≥|ε|，则ΔP_k＝|P_k×(1-VF_R/VF_K)|；

若VF_R-VF_k≥|ε|，则ΔP_k＝|P_k×(1-VF_K/VF_R)|；

S6、对第k+1时刻的P_k+1进行调节，具体为：

如果VF_k>VF_R，则P_k+1＝P_k-ΔP_k；

如果VF_k<VF_R，则P_k+1＝P_k+ΔP_k；

并返回步骤S2；

S7、结束3D打印。

2.如权利要求1所述的打印方法，其特征在于，步骤S2中根据公式

VF_k＝(W_k-W_k-1)/t

计算实际成型速度VF_k。

3.如权利要求1所述的打印方法，其特征在于，步骤S6还包括，判断P_k+1是否小于P_min或大于P_max，若P_k+1≤P_min，则P_k+1＝P_min，若P_k+1≥P_max，则P_k+1＝P_max。

4.一种使用权利要求1-3任一所述打印方法的通过调节激光功率控制成型速度的打印装置，其特征在于，包括称重传感器(1)、工作平台(2)、数据处理单元(3)、控制中心(4)、同轴送粉装置(5)和激光熔覆装置(6)；所述同轴送粉装置(5)和激光熔覆装置(6)置于所述工作平台的上方，所述同轴送粉装置(5)用于向工作平台输送激光打印原料，并经激光熔覆装置(6)熔覆成型；所述称重传感器置于所述工作平台(2)的下方，用于称量工作平台上的打印的零件的实时成型重量；所述称重传感器(1)还与所述数据处理单元(3)相连；所述数据处理单元(3)与所述控制中心(4)相连；所述控制中心(4)与所述激光熔覆装置(6)相连。

5.如权利要求4所述的打印装置，其特征在于：所述称重传感器(1)用于将称量的重量数据实时传输至所述数据处理单元(3)。

6.如权利要求5所述的打印装置，其特征在于：所述数据处理单元(3)用于将处理后的数据传输至所述控制中心(4)。

7.如权利要求5所述的打印装置，其特征在于：所述控制中心(4)用于根据传输的数据实时控制激光熔覆装置(6)的功率。

Images