CN109298695B - 一种选择性激光熔化工艺过程能耗预测及节能控制方法 - Google Patents

Abstract

一种选择性激光熔化工艺过程能耗预测及节能控制方法，首先获取选择性激光熔化设备各耗能部件的功率，得到设备部件的功率向量；再获取选择性激光熔化各子工艺过程的时间，得到子工艺过程的时间向量；然后获取选择性激光熔化设备能耗部件在各子工艺过程的工作状态，得到能耗部件与子工艺过程的工作状态矩阵；计算选择性激光熔化工艺过程能耗，第i个耗能部件的能量消耗和第j个子工艺过程的能量消耗；最后基于已建立的能耗模型预测不同工艺参数、零件布局条件下的能量消耗，选择能耗最低的工艺方案。本发明的方法简单易操作，通过预测选择性激光熔化工艺过程的能量消耗大小，选择出能耗最小的工艺方案。

Description

一种选择性激光熔化工艺过程能耗预测及节能控制方法

技术领域

本发明属于增材制造工艺中的过程控制领域，具体涉及一种选择性激光熔化工艺过程能耗预测及节能控制方法，能够预测不同工艺方案的能量消耗，从而选择出能耗最低的方案。

背景技术

作为一种新兴的制造技术，增材制造尤其是选择性激光熔化(Selective LaserMelting，SLM)工艺正在得到越来越广泛的应用。然而，由于SLM工艺过程功率高，且生产效率低，加工零件需要消耗大量的时间，也需要使用大量的能量。因而，迫切需要研究SLM工艺过程的能耗预测方法，进而通过选择合理的工艺方案，减少SLM工艺过程的能量消耗。

SLM设备的能耗单元众多，能量流多样，且工艺过程包含预热、激光扫描、铺粉、冷却等多个阶段，不同阶段能耗特点差异很大，导致SLM工艺过程能耗预测困难。CN201510372525.2公开的名称为《一种面向数字化车间数控机床的能耗预测方法》的发明专利，通过构建机床层、任务层和车间层的能耗指标参数，并结合采集到的能耗数据和经验公式对机床切削过程中的能耗进行计算。然而，针对增材制造尤其是SLM工艺过程能量消耗的研究很少有报道。相比于数控减材加工的工艺，SLM工艺过程是通过激光熔化金属粉末，层层堆叠制造零件的过程，包含激光器、水冷单元等数控机床不具有的能耗单元，能耗特点和数控加工工艺过程明显不同，因此迫切需要研究适合SLM工艺过程的能耗预测方法。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种选择性激光熔化工艺过程能耗预测及节能控制方法，该方法仅需要进行简单的功率测试实验，首先得到选择性激光熔化设备各部件的能耗值，然后结合理论分析以及工艺参数情况，便能够预测选择性激光熔化工艺过程的能量消耗大小，进而通过选择能耗最小的工艺方案，实现节能控制。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案包括以下步骤：

步骤1、获取选择性激光熔化设备各耗能部件的功率，得到设备各耗能部件的功率向量P＝(p₁,p₂,...,p_n)，其中，n是设备耗能部件的数目，p_i指的是第i个耗能部件的功率，i＝1,2,...,n；

步骤2、获取选择性激光熔化各子工艺过程的时间向量T＝(t₁,t₂,...,t_m)^T，m是子工艺过程的数目，其中，t_j指的是第j个子工艺过程的持续时间，j＝1,2,...,m；

步骤3、获取选择性激光熔化设备能耗部件在各子工艺过程的工作状态矩阵K＝(k_ij)，其中，k_ij是第i个耗能部件在第j个子工艺过程的工作状态，k_ij＝0表示该部件停止工作，k_ij＝1表示该部件全功率运行，0＜k_ij＜1表示该部件间歇运行；

步骤4、计算选择性激光熔化工艺过程能耗E，第i个耗能部件的能量消耗E_i和第j个子工艺过程的能量消耗EP_j，计算公式分别如下：

其中，E_i是选择性激光熔化设备的第i个耗能部件，m是子工艺过程的数目，K是n×m维矩阵，k_i,*是矩阵K的第i行向量，k_*,j是矩阵K的第j列向量；

步骤5、预测不同工艺参数、零件布局条件下的能量消耗，选择能耗最低的工艺方案。

所述的步骤1中选择性激光熔化设备各耗能部件的功率获取方法为：开启选择性激光熔化设备，测量设备的待机功率；分别控制开启设备加热单元、水循环单元、水冷单元、刮刀电机、电动阀、气体循环泵电机和筛粉电机，测量上述各部件的功率；控制激光器输出不同功率，获取激光器消耗的功率方程P_L(P_L0)，其中P_L0是激光器的输出功率。

获取激光器消耗功率方程P_L(P_L0)的方法如下：

步骤1-1，设定激光输出功率递增的间隔，控制激光器输出功率在零到最大功率之间以所设定的间隔递增，测量得到对应输出功率的激光器输入功率；步骤1-2，以激光器的输出功率P_L0为自变量，输入功率P_L为因变量，通过一次线性回归分析得到激光器输出功率方程。

步骤2中所述的子工艺过程包括预热、激光扫描、铺粉和冷却，其持续时间Δt_h、t_l、t_r和Δt_c的计算公式分别为：Δt_h＝t_h(T_f)-t_h(T_i)；

t_r＝N×t_r0＝H/Δy×t_r0；Δt_c＝t_c(T_c)-t_c(T_b)；其中，t_h(T)是基板加热的时间消耗T的函数，T_f是基板加热结束的温度，T_i是基板加热前的初始温度，V是零件打印的体积，n_L是打印过程同时工作的激光器的数量，D是扫描间距，Δy是层厚，v是扫描速度，N是零件切片的层数，t_r0是单层铺粉时间，H是零件高度，t_c(T)是基板冷却的时间消耗T的函数，T_c是基板冷却结束的温度，T_b是基板冷却前的温度，即打印过程的基板工作温度。

获取基板加热的时间消耗T的函数t_h(T)的方法如下：

步骤2-1，在基板温度为室温时，开启加热功能，从零时刻开始，观察基板温度，以固定的温度间隔记录所消耗的时间；步骤2-2，以基板温度T为自变量，时间消耗t_h为因变量，通过二次回归分析得到基板加热过程时间消耗关于基板温度的二次方程。

获取基板冷却的时间消耗T的函数t_c(T)的方法如下：

步骤2-3，在加工结束之后，关闭加热功能，使基板缓慢的冷却，从零时刻开始，观察基板温度，以固定温度间隔记录所消耗的时间；步骤2-4，以基板温度T为自变量，时间消耗t_c为因变量，通过二次回归分析得到冷却过程时间消耗关于基板温度的二次方程。

步骤3中获取能耗部件间歇运行时的工作状态系数k_ij的方法如下：

步骤3-1，在预热阶段，测量加热单元满功率运行时的功率P_h；

步骤3-2，基板达到指定温度进入保温阶段后，测量加热单元间歇运行的平均功率P_hb，加热单元的工作状态系数计算公式为：k_ij＝P_hb/P_h；测量水冷单元间歇运行的待机时间t_cs和运行时间t_cw，水冷单元的工作状态系数计算公式为：k_ij＝t_cw/(t_cw+t_cs)。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：首先获取选择性激光熔化设备各耗能部件的功率，得到设备部件的功率向量；再获取选择性激光熔化各子工艺过程的时间，得到子工艺过程的时间向量；然后获取选择性激光熔化设备能耗部件在各子工艺过程的工作状态，得到能耗部件与子工艺过程的工作状态矩阵；计算选择性激光熔化工艺过程能耗，第i个耗能部件的能量消耗和第j个子工艺过程的能量消耗；最后基于已建立的能耗模型预测不同工艺参数、零件布局条件下的能量消耗，选择能耗最低的工艺方案。本发明的方法简单易操作，并且预测得出的选择性激光熔化工艺能耗准确性高，本发明能够应用于选择性激光熔化工艺过程能耗评估，根据工艺参数预测制造过程能耗，本发明也能够应用于选择性激光熔化工艺的节能控制，预测多种可选工艺方案的能耗，控制选择能耗最小的工艺，从而减小零件制造的能耗，为选择性激光熔化设备和工艺的低碳设计提供理论和方法支持。

附图说明

图1本发明方法的流程图；

图2本发明实施例中激光器的输入功率-输出功率曲线；

图3本发明实施例中加热过程的基板温度-时间曲线；

图4本发明实施例中冷却过程的基板温度-时间曲线。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明选择德国SLM Solutions公司的SLM 280^HL选择性激光熔化设备，该设备装备有两个功率为400W的光纤激光器，两个激光器可以单独或同时工作，单层铺粉时间为11s。

以加工波导类零件为例，通过本发明的方法来预测SLM工艺过程的能量消耗，进而选择最节能的工艺方案，实现绿色制造。该零件加工参数如表1所示。

表1

如图1所示，本发明方法的步骤如下：

步骤1，获取选择性激光熔化设备各耗能部件的功率，各部件功率的获取方法为：开启选择性激光熔化设备，测量设备的待机功率；分别控制开启设备加热单元，水循环单元，水冷单元，刮刀电机，电动阀，气体循环泵电机和筛粉电机，测量上述各部件的功率。得到设备待机功率为569.7W，加热单元满负荷运行功率为1122.3W，保温阶段加热单元间歇运行平均功率为541.6W，水循环单元功率为713.3W，水冷单元功率为1739.4W，刮刀电机功率为52.1W，电动阀功率为32.1W，气体循环泵电机功率为69.1W，筛粉电机功率为61.1W。

步骤1中获取激光器消耗功率方程P_L(P_L0)的方法如下：

步骤1-1，控制激光器输出功率以40W的间隔在零到最大功率之间递增，测量得到对应输出功率的激光器输入功率，结果如图2所示；

步骤1-2，以激光器输出功率P_L0为自变量，输入功率P_L为因变量，通过一次线性回归分析得到激光器输出功率方程。

P_L＝n_L(129.46+2.52P_Lo) (1)

其中，n_L是同时工作的激光器数目。

根据表1中的激光输出功率，分别计算得到对应激光器输入功率为1770.9W和2022.9W。根据上述结果，得到设备部件的功率向量P＝(569.7,1122.3,713.3,1739.4,1770.9,2022.9,52.1,32.1,69.1)，表示设备待机、加热单元、水循环单元、水冷单元、激光器(打印零件本体)、激光器(打印支撑)、刮刀电机、电动阀和气体循环泵电机的功率。

步骤2，获取选择性激光熔化各子工艺过程的时间。

获取基板加热过程时间消耗的方法如下：

步骤2-1，在基板温度为室温时，开启加热功能，从零时刻开始，温度每升高5℃记录一次时间，加热过程的基板温度—时间曲线如图3所示；

步骤2-2，以基板温度T为自变量，时间消耗t_h为因变量，通过二次回归分析得到基板加热过程时间消耗关于基板温度的二次方程。

t_h＝0.0838T²+2.364T-82.844(R²＝0.999) (2)

打印零件开始前，基板需要从室温(27℃)加热至150℃，预热时间计算为：

Δt_h＝t_h(T_f)-t_h(T_i)＝t_h(150)-t_h(27)＝2115s (3)

获取冷却过程时间消耗的方法如下：

步骤2-3，在加工结束之后，关闭加热功能，使基板缓慢冷却，从零时刻开始，基板温度每下降5℃记录一次时间，冷却过程的基板温度—时间曲线如图4所示；

步骤2-4，以基板温度T为自变量，时间消耗t_c为因变量，通过二次回归分析得到冷却过程时间消耗关于基板温度的二次方程。

t_c＝0.5048T²-192.96T+18545(R²＝0.999) (4)

打印零件结束后，基板温度从150℃自然冷却至80℃，冷却时间计算为：

Δt_c＝t_c(T_c)-t_c(T_b)＝t_c(80)-t_c(150)＝5380s (5)

获取零件本体打印时间，此时打印的体积V＝136493mm³，工作的激光数量n_L＝2，扫描间距D＝0.13，层厚Δy＝0.03，扫描速度v＝730mm/s，打印时间计算为：

获取支撑打印时间，此时打印的体积V＝38319mm³，工作的激光数量n_L＝2，扫描间距D＝0.18，层厚Δy＝0.03，扫描速度v＝1000mm/s，打印时间计算为：

获取铺粉时间，此时零件高度H＝55.68mm，层厚Δy＝0.03，单层铺粉时间t_r0＝11s，铺粉时间计算为：

t_r＝N×t_r0＝H/Δy×t_r0＝55.68/0.03×11＝20416 (8)

得到子工艺过程的时间向量T＝(2115,23971,3548,20416,5380)^T，表示预热、零件本体打印、支撑打印、铺粉和冷却各子工艺过程持续时间。

步骤3，获取选择性激光熔化设备能耗部件在各子工艺过程的工作状态，根据各能耗部件在各子工艺过程的工作状态(全功率运行/停止/间歇运行)，确定能耗部件-子工艺过程的工作状态矩阵K＝(k_ij)，其中k_ij是第i个耗能部件在第j个子工艺过程的工作状态。当k_ij＝0表示该部件停止工作，k_ij＝1表示该部件全功率运行，0＜k_ij＜1表示该部件间歇运行，其中能耗部件间歇运行时的工作状态系数k_ij的获取方法如下：

步骤3-1，在预热阶段，测量加热单元满功率运行时的功率P_h＝1122.3W；

步骤3-2，基板达到指定温度进入保温阶段后，测量加热单元间歇运行的平均功率P_hb＝541.6W，加热单元工作状态系数计算为：

k_ij＝P_hb/P_h＝0.4826 (9)

步骤3-3，分别在预热、打印和冷却阶段，测量水冷单元间歇运行的待机时间t_cs和运行时间t_cw，预热阶段水冷单元工作状态系数计算为：

k_ij＝t_cw/(t_cw+t_cs)＝95/(95+470)＝0.168 (10)

打印阶段水冷单元工作状态系数计算为：

k_ij＝t_cw/(t_cw+t_cs)＝120/(120+220)＝0.353 (11)

冷却阶段水冷单元工作状态系数计算为：

k_ij＝t_cw/(t_cw+t_cs)＝105/(105+380)＝0.216 (12)

根据上述计算，结合选择性激光熔化设备工艺过程，得到工作状态矩阵为：

该矩阵列向量分别表示预热、零件本体打印、支撑打印、铺粉和冷却5个子工艺过程，行向量分别表示待机、加热单元、水循环单元、水冷单元、激光器(打印零件本体)、激光器(打印支撑)、刮刀电机、电动阀和气体循环泵电机9个能耗单元在各子工艺过程的工作状态。

步骤4，计算选择性激光熔化工艺过程能耗E：

E＝PKT＝187.13MJ (14)

应用公式

分别计算待机、加热单元、水循环单元、水冷单元、激光器(打印零件本体)、激光器(打印支撑)、刮刀电机、电动阀和气体循环泵电机9个单元的能耗，结果为：31.58MJ、28.34MJ、39.54MJ、32.07MJ、42.45MJ、7.18MJ、1.06MJ、1.61MJ和3.31MJ。

应用公式

分别计算预热、零件本体打印、支撑打印、铺粉和冷却5个子工艺过程的能耗，结果为：5.77MJ、103.33MJ、16.19MJ、52.92MJ和8.92MJ。预测的能耗和测量的能耗对比如表2所示。

表2

^a误差＝|预测值–测量值|/测量值×100％

通过上述实验对比发现，应用本发明方法得到的选择性激光熔化工艺过程能耗预测精度很高，各子工艺过程能耗的预测精度在95％以上，总工艺过程预测精度高达97.65％。因此，本发明方法可以用于预测得到比较准确的选择性激光熔化工艺过程能耗，计算结果可用于选择性激光熔化工艺过程能耗评估和节能优化。

步骤5，在选择性激光熔化工艺设计阶段，基于已建立的能耗模型预测不同工艺参数、零件布局条件下的能量消耗，控制选择能耗最低的工艺方案。

仍以上述零件加工为例，给出三种可选的零件本体打印的激光功率和扫描速度设置方案，方案1、方案2和方案3所给参数的取值分别为(300W，730mm/s)，(280W，650mm/s)和(320W，800mm/s)，采用上述方法预测得到采用工艺方案1、方案2和方案3制造上述零件的总能耗分别为：187.13MJ、197.14MJ和180.30MJ。对比上述3个方案，可知方案3的能耗最低，相比于能耗最高的方案2，节能8.54％，在保证加工质量的前提下，优先选择工艺方案3。本文提出的方法可用于支持增材制造节能降耗工作的顺利进行。

以上实施案例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，对本发明的技术方案进行修改或者同等替换，而不脱离本发明方法的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种选择性激光熔化工艺过程能耗预测及节能控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、获取选择性激光熔化设备各耗能部件的功率，得到设备各耗能部件的功率向量P＝(p₁,p₂,...,p_n)，其中，n是设备耗能部件的数目，p_i指的是第i个耗能部件的功率，i＝1,2,...,n；

步骤2、获取选择性激光熔化各子工艺过程的时间向量T＝(t₁,t₂,...,t_m)^T，其中，m是子工艺过程的数目，t_j指的是第j个子工艺过程的持续时间，j＝1,2,...,m；

步骤3、获取选择性激光熔化设备能耗部件在各子工艺过程的工作状态矩阵K＝(k_ij)，其中，k_ij是第i个耗能部件在第j个子工艺过程的工作状态，k_ij＝0表示该部件停止工作，k_ij＝1表示该部件全功率运行，0＜k_ij＜1表示该部件间歇运行；

步骤4、计算选择性激光熔化工艺过程能耗E，第i个耗能部件的能量消耗E_i和第j个子工艺过程的能量消耗EP_j，计算公式分别如下：

其中，E_i是选择性激光熔化设备的第i个耗能部件，m是子工艺过程的数目，K是n×m维矩阵，k_i,*是矩阵K的第i行向量，k*_,j是矩阵K的第j列向量；

步骤5、预测不同工艺参数、零件布局条件下的能量消耗，选择能耗最低的工艺方案。

2.根据权利要求1所述选择性激光熔化工艺过程能耗预测及节能控制方法，其特征在于，所述的步骤1中选择性激光熔化设备各耗能部件的功率获取方法为：开启选择性激光熔化设备，测量设备的待机功率；分别控制开启设备加热单元、水循环单元、水冷单元、刮刀电机、电动阀、气体循环泵电机和筛粉电机，测量上述各部件的功率；控制激光器输出不同功率，获取激光器消耗的功率方程P_L(P_L0)，其中P_L0是激光器的输出功率。

3.根据权利要求2所述选择性激光熔化工艺过程能耗预测及节能控制方法，其特征在于，获取激光器消耗功率方程P_L(P_L0)的方法如下：

步骤1-1，设定激光输出功率递增的间隔，控制激光器输出功率在零到最大功率之间以所设定的间隔递增，测量得到对应输出功率的激光器输入功率；步骤1-2，以激光器的输出功率P_L0为自变量，输入功率P_L为因变量，通过一次线性回归分析得到激光器输出功率方程。

4.根据权利要求1所述选择性激光熔化工艺过程能耗预测及节能控制方法，其特征在于，步骤2中所述的子工艺过程包括预热、激光扫描、铺粉和冷却，其持续时间Δt_h、t_l、t_r和Δt_c的计算公式分别为：

t_r＝N×t_r0＝H/Δy×t_r0；Δt_c＝t_c(T_c)-t_c(T_b)；其中，t_h(T)是基板加热的时间消耗T的函数，T_f是基板加热结束的温度，T_i是基板加热前的初始温度，V是零件打印的体积，n_L是打印过程同时工作的激光器的数量，D是扫描间距，Δy是层厚，v是扫描速度，N是零件切片的层数，t_r0是单层铺粉时间，H是零件高度，t_c(T)是基板冷却的时间消耗T的函数，T_c是基板冷却结束的温度，T_b是基板冷却前的温度，即打印过程的基板工作温度。

5.根据权利要求4所述选择性激光熔化工艺过程能耗预测及节能控制方法，其特征在于，获取基板加热的时间消耗T的函数t_h(T)的方法如下：

步骤2-1，在基板温度为室温时，开启加热功能，从零时刻开始，观察基板温度，以固定的温度间隔记录所消耗的时间；步骤2-2，以基板温度T为自变量，时间消耗t_h为因变量，通过二次回归分析得到基板加热过程时间消耗关于基板温度的二次方程。

6.根据权利要求4所述选择性激光熔化工艺过程能耗预测及节能控制方法，其特征在于，获取基板冷却的时间消耗T的函数t_c(T)的方法如下：

步骤2-3，在加工结束之后，关闭加热功能，使基板缓慢的冷却，从零时刻开始，观察基板温度，以固定温度间隔记录所消耗的时间；步骤2-4，以基板温度T为自变量，时间消耗t_c为因变量，通过二次回归分析得到冷却过程时间消耗关于基板温度的二次方程。

7.根据权利要求1所述选择性激光熔化工艺过程能耗预测及节能控制方法，其特征在于，步骤3中获取能耗部件间歇运行时的工作状态系数k_ij的方法如下：

步骤3-1，在预热阶段，测量加热单元满功率运行时的功率P_h；

步骤3-2，基板达到指定温度进入保温阶段后，测量加热单元间歇运行的平均功率P_hb，加热单元的工作状态系数计算公式为：k_ij＝P_hb/P_h；测量水冷单元间歇运行的待机时间t_cs和运行时间t_cw，水冷单元的工作状态系数计算公式为：k_ij＝t_cw/(t_cw+t_cs)。

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