CN109530690B - 一种提高同步送粉增材制造成形精度的方法 - Google Patents

一种提高同步送粉增材制造成形精度的方法 Download PDF

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Abstract

一种提高同步送粉增材制造成形精度的方法，属于激光增材制造技术领域。所述提高同步送粉增材制造成形精度的方法，包括以下步骤：对三维模型设定层数、设定层厚m、设置生长方向、规划扫描路径和设置打印参数；进行同步送粉增材制造，采集熔池到激光测距仪的距离的数据b,通过计算得到c；对熔池到激光测距仪垂直距离c进行降噪处理；对降噪处理后的数据进行稀疏化处理；计算降噪与稀疏化处理后的数据到基材的实测高度与第N层理论高度的差值；比较第N层实测高度和第N+1层实测高度的差值与层厚的关系；比较第N+1层是否大于设定层数。所述提高同步送粉增材制造成形精度的方法，能够提高增材制造成形精度，减少成形过程中停机、修补次数，提高制造效率。

Description

一种提高同步送粉增材制造成形精度的方法
技术领域
本发明涉及激光增材制造技术领域，特别涉及一种提高同步送粉增材制造成形精度的方法。
背景技术
激光增材制造是以合金粉末为原料，通过高功率激光原位冶金融化快速凝固逐层堆积的一种兼顾精确成形和高性能成形需求的一体化技术。金属送粉激光增材制造技术根本上是激光熔覆沉积，在加工过程中利用同轴送料喷嘴将金属粉末同步运送至由激光束辐照形成的动态熔池中，完成金属粉末的熔化、凝固成形，该技术主要应用于复杂金属零件的快速制备以及工件表面改性以及修复。一方面，对于结构复杂的零件，传统的铸、锻等制造方式很难生产出来，即便可以，也存在着生产周期长、成本高、生产量难以提高等问题。利用金属送粉增材制造技术，可以大大缩短制造周期，降低成本，易于批量生产；另一方面，对于一些局部损坏的大型零件，尤其是航空、航天中的大型钛合金零件，如果重新生产，就会大大提高了生产成本，增长生产周期，难以保证按时完成生产任务。通过利用金属送粉激光增材制造技术，只需对破损部位进行局部修复，修复时间短并且修复完成后的零件性能完全符合生产标准，因此可以大大降低了生产成本，减少损失。现有的金属送粉激光增材制造技术存在的成形精度问题，包括应力变形、表面凹凸不平、塌边和熔合不良。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种提高同步送粉增材制造成形精度的方法，能够提高增材制造成形精度，减少成形过程中停机、修补次数，提高制造效率。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种提高同步送粉增材制造成形精度的方法，包括以下步骤：
步骤一、对待加工的零件进行三维建模；
步骤二、对三维模型设定层数、设定层厚m、设置生长方向、规划扫描路径和设置打印参数；
步骤三、进行同步送粉增材制造，在同步送粉增材制造过程中采集熔池到激光测距仪的距离的数据b,通过
Figure GDA0002606923000000011
计算得到熔池到激光测距仪垂直距离c，其中，a为激光测距仪到同步送粉增材制造设备的激光送粉头的距离；
步骤四、对熔池到激光测距仪垂直距离c进行降噪处理，具体包括：
将“│c-理论值│>2*阈值k”的所有点去除；
步骤五、对降噪处理后的数据进行稀疏化处理，具体包括：
步骤1、将降噪处理后得到的数据投影到第N层平面上，得到点云带Pi；
步骤2、以第N层扫描线LN为基值，从第一点开始，求点云带Pi到LN的距离，如果大于给定值，将此点去除，继续求下一个点，直到所有点全部完成，得到小于等于给定值的点P'1、P'2、P'3、P'4……，即点云带P'i；
步骤3、以光斑尺寸为间距，从点云带P'i起点开始将此间距的点求平均值，将点云带P'i范围内所有点稀疏成一个新的点云带Qi；
步骤六、计算降噪与稀疏化处理后的数据到基材的实测高度与第N层理论高度的差值，判断是否进行同步送粉增材制造，具体包括：
步骤(1)从第一点开始，求点云带Qi到基材的实测高度与第N层理论高度的差值Δhi＝Di-ZN；
步骤(2)如果|Δhi|≤m，继续进行同步送粉增材制造；
步骤(3)如果|Δhi|＞m，重新规划填充轨迹，然后从步骤三开始继续进行同步送粉增材制造；
其中，Di为Qi到基材的实测高度，ZN为第N层理论高度；
步骤七、比较第N层实测高度和第N+1层实测高度的差值与层厚的关系，判断零件是否存在开裂，具体包括：
零件边缘部分Z′N+m＞ZN+1，且Z′N+1-ZN≥2m时，判定零件存在开裂，如果零件存在开裂，则从步骤二开始重新进行同步送粉增材制造；如果零件不存在开裂，则继续进行同步送粉增材制造；
其中，Z′N为第N层实测高度，Z′N+1为第N+1层实测高度，ZN+1为第N+1层理论高度；
步骤八、比较第N+1层是否大于设定层数，判断同步送粉增材制造是否完成，如果第N+1层大于设定层数，同步送粉增材制造完成；如果第N+1层小于等于设定层数，从步骤三开始继续进行同步送粉增材制造，直至整个零件制造完成。
所述步骤(3)中重新规划填充轨迹为：
当Δhi＜0并且|Δhi|＞m时，将所有Δhi＜0并且|Δhi|＞m的点集合，生成补层N′，对于N′数据进行路径规划，使补层区域扫描间距小于正常间距，成形高度大于其他区域，用于补层；
当Δhi＞0并且|Δhi|＞m时，将所有Δhi＞0并且|Δhi|＞m的点集合，生成去层N″，对N″数据进行路径规划，使去层区域扫描间距大于正常间距，成形高度低于其他部位，用于去层，生成新的扫描轨迹替换N+1层；
当Δhi＜0并且|Δhi|＞m和Δhi＞0并且|Δhi|＞m同时存在时，将补层和去层合并，生成新的扫描轨迹替换N+1层。
所述步骤二中的层厚m为0.5-0.7mm，生长方向为自下而上，打印参数包括激光频率P、扫描速度和扫描间距，其中，激光频率P为1900-2400W，扫描速度为8-14mm/s，扫描间距1.8-2.5mm。
所述步骤二中的规划扫描路径根据工艺要求和已加工表面实际情况设置。
所述步骤二中的层数和层厚m的乘积大于等于零件高度。
本发明的有益效果：
①、通过采用去层和补层的方法实现激光同步送粉增材制造成形精度的控制，提高制造效率；
②、采用变间距，即增大或减小间距，动态生成下一层轨迹，提高增材制造成形精度，减少成形过程中停机、修补次数；
③、采用扫面线降噪处理和激光光斑间距稀疏处理，提高了增材制造扫描路径规划的效率；
④、通过对层间数据对比，可判定增材制造件的变形和开裂。
附图说明
图1是本发明提供的提高同步送粉增材制造成形精度的方法的流程图；
图2是本发明提供的基材固定在夹具上的示意图；
图3是本发明提供的对待加工的零件进行三维建模的示意图；
图4是本发明提供的分层切片的示意图；
图5是本发明提供的扫描填充的示意图；
图6是本发明提供的同步送粉增材制造过程示意图；
图7是本发明提供的在同步送粉增材制造过程中进行数据采集的示意图；
图8是本发明提供的将降噪处理后得到的数据投影到第四层平面上的示意图；
图9是本发明提供的第四层平面上点云带P'i的示意图；
图10是本发明提供的第四层平面上点云带Qi的示意图；
图11是本发明提供的扫描间距示意图，其中，(a)为补层区域扫描间距示意图，(b)为正常间距示意图，(c)为去层区域扫描间距示意图；
图12是本发明提供的在同步送粉增材制造过程中补层的示意图，其中，(a)为当前层形状示意图，(b)为补层路径规划示意图；
图13是本发明提供的在同步送粉增材制造过程中去层的示意图，其中，(a)为当前层形状示意图，(b)为去层路径规划示意图；
图14是本发明提供的在同步送粉增材制造过程中补层和去层合并的示意图，其中，(a)为当前层形状示意图，(b)为补层和去层合并路径规划示意图。
其中，
1-激光测距仪；2-激光送粉头；3-基材；4-第四层扫描线L4；5-夹具；6-熔池。
具体实施方式
为了解决现有技术存在的问题，如图1至图14所示，本发明提供了一种提高同步送粉增材制造成形精度的方法，包括以下步骤。
步骤一、对待加工的零件进行三维建模。本实施例中，提高同步送粉增材制造成形精度的方法流程如图1所示。如图2所示，同步送粉增材制造前要将基材3用夹具5固定。如图3所示，采用增材制造常规结构金属零件辅助编程软件LDMPlanner 2018对待加工的零件进行三维建模，零件的长为1200mm，宽为110mm，高为50mm。
步骤二、对三维模型设定层数、设定层厚m、设置生长方向、规划扫描路径和设置打印参数，步骤二中的层厚m为0.5-0.7mm，生长方向为自下而上，打印参数包括激光频率P、扫描速度和扫描间距，其中，激光频率P为1900-2400W，扫描速度为8-14mm/s，扫描间距1.8-2.5mm，步骤二中的规划扫描路径根据工艺要求和已加工表面实际情况设置，步骤二中的层数和层厚m的乘积大于等于零件高度。本实施例中，如图3-5所示，因为零件的高为50mm，层厚m为0.6mm，所以分为85层，生长方向为如图3中的方向，打印参数为激光频率P＝2400W，扫描速度为10mm/s，扫描间距2.3mm。
步骤三、进行同步送粉增材制造，在同步送粉增材制造过程中采集熔池6到激光测距仪1的距离的数据b,通过
Figure GDA0002606923000000041
计算得到熔池6到激光测距仪1垂直距离c，其中，a为激光测距仪1到同步送粉增材制造设备的激光送粉头2的距离。本实施例中，采用的软件为增材制造常规结构金属零件辅助编程软件LDMPlanner 2018，采用的同步送粉增材制造设备为激光增材制造机床,型号是LDM-3000，通过增材制造常规结构金属零件辅助编程软件LDMPlanner 2018进行三维建模、分层切片、规划扫描路径、设置打印参数等工作。在同步送粉增材制造过程中进行数据采集的设备是激光测距仪1，激光测距仪1的型号是LK-G3000，如图7所示，a为激光测距仪1到同步送粉增材制造设备的激光送粉头2的距离，b为熔池6到激光测距仪1的距离，c为熔池6到激光测距仪1垂直距离，激光测距仪1以a为安装尺寸安装在同步送粉增材制造设备上，只要测量b尺寸，即可求得c，成形扫描轨迹同时也是数据采集轨迹，便于后续成形层高度补偿。
步骤四、对熔池到激光测距仪垂直距离c进行降噪处理，具体包括：
将“│c-理论值│>2*阈值k”的所有点去除。本实施例中，阈值k＝1mm，理论值为20mm，不论理论值还是c皆为点到激光测距仪1的垂直距离。以第四层为例，当开始进行第四层的轨迹扫描时，将扫描线分成无穷多个点，当│c-20mm│>2*1mm时，则将此点去掉。
步骤五、对降噪处理后的数据进行稀疏化处理，具体包括：
步骤1、将降噪处理后得到的数据投影到第N层平面上，得到点云带Pi；
步骤2、以第N层扫描线LN为基值，从第一点开始，求点云带Pi到LN的距离，如果大于给定值，将此点去除，继续求下一个点，直到所有点全部完成，得到小于等于给定值的点P'1、P'2、P'3、P'4……，即点云带P'i；
步骤3、以光斑尺寸为间距，从点云带P'i起点开始将此间距的点求平均值，将点云带P'i范围内所有点稀疏成一个新的点云带Qi。
本实施例中，以第四层为例，将降噪处理后得到的数据投影到第四层的平面上如图8所示。如图9所示，从第一点开始测量点云带Pi里的点P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7……到第四层扫描线L44的距离ai，当ai>给定值0.8mm时，则此点去掉，得到小于等于给定值的点云带P'i。如图10所示，以光斑尺寸5mm为间距将点云带P'i上所有点稀疏排列，形成新的点云带Qi，相邻两点水平距离为5mm。
步骤六、计算降噪与稀疏化处理后的数据到基材3的实测高度与第N层理论高度的差值，判断是否进行同步送粉增材制造，具体包括：
步骤(1)从第一点开始，求点云带Qi到基材3的实测高度与第N层理论高度的差值Δhi＝Di-ZN；
步骤(2)如果|Δhi|≤m，继续进行同步送粉增材制造；
步骤(3)如果|Δhi|＞m，重新规划填充轨迹，然后从步骤三开始继续进行同步送粉增材制造；
其中，Di为Qi到基材3的实测高度，ZN为第N层理论高度。
步骤(3)中重新规划填充轨迹为：
当Δhi＜0并且|Δhi|＞m时，将所有Δhi＜0并且|Δhi|＞m的点集合，生成补层N′，对于N′数据进行路径规划，使补层区域扫描间距小于正常间距，成形高度大于其他区域，用于补层；
当Δhi＞0并且|Δhi|＞m时，将所有Δhi＞0并且|Δhi|＞m的点集合，生成去层N″，对N″数据进行路径规划，使去层区域扫描间距大于正常间距，成形高度低于其他部位，用于去层，生成新的扫描轨迹替换N+1层；
当Δhi＜0并且|Δhi|＞m和Δhi＞0并且|Δhi|＞m同时存在时，将补层和去层合并，生成新的扫描轨迹替换N+1层。
如图11所示，补层区域扫描间距小于正常间距，去层区域扫描间距大于正常间距，在同步送粉增材制造过程中，扫描间距越小，粉末熔覆越多。在实际加工过程中，如果出现图12中(a)所示的情况，当前层形状中的A区域出现凹陷，需要进行补层，就按照如图12中(b)所示的补层路径规划下一层的填充轨迹，将对应的A区域通过补层区域扫描间距进行增材制造，其它区域暂不进行增材制造。如果出现如图13中(a)所示的情况，当前层形状中的B区域出现凸起，需要进行去层，就按照如图13中(b)所示的去层路径规划下一层的填充轨迹，将对应的B区域通过去层区域扫描间距进行增材制造，其他区域仍然按照扫描间距增材制造。如果出现如图14中(a)所示的情况，当前层形状中的F区域出现凹陷，需要进行补层，E区域出现凸起，需要进行去层，就按照如图14中(b)所示的补层和去层合并路径规划下一层的填充轨迹，将对应的F区域通过补层区域扫描间距进行增材制造，将对应的E区域通过去层区域扫描间距进行增材制造，其他区域仍然按照扫描间距增材制造。本实施例中，正常间距为扫描间距2.3mm，以第四层为例，从第一点Q1开始，Δh1＝D1-Z3，Z3为第三层理论高度，m为0.6mm，当|Δh1|＜m时，继续进行同步送粉增材制造；当|Δh1|＞m时，重新规划扫描填充轨迹。将所有Δhi＜0并且|Δhi|＞m的点集合，生成补层N′，对于N′数据进行路径规划，使补层区域扫描间距小于正常间距，成形高度大于其他区域，用于补层；或者将所有Δhi＞0并且|Δhi|＞m的点集合，生成去层N″，对N″数据进行路径规划，使去层区域扫描间距大于正常间距，成形高度低于其他部位，用于去层，生成新的扫描轨迹替换N+1层；或者将补层和去层合并，生成新的扫描轨迹替换N+1层。
步骤七、比较第N层实测高度和第N+1层实测高度的差值与层厚的关系，判断零件是否存在开裂，具体包括：
零件边缘部分Z′N+m＞ZN+1，且Z′N+1-ZN≥2m时，判定零件存在开裂，如果零件存在开裂，则从步骤二开始重新进行同步送粉增材制造；如果零件不存在开裂，则继续进行同步送粉增材制造；
其中，Z′N为第N层实测高度，Z′N+1为第N+1层实测高度，ZN+1为第N+1层理论高度。
本实施例中，以第三、四层为例，当第三层的实测高度Z′3与第四层的理论高度Z4满足关系式Z′3+0.6＞Z4，且第四层实测高度Z′4与第三层理论高度Z3满足关系式Z′4-Z3≥2×0.6mm，Z3＝1.8mm，则判定零件存在开裂。如果存在开裂，则从步骤二开始重新进行同步送粉增材制造；如果零件不存在开裂，则继续进行同步送粉增材制造，比较第N+1层是否大于设定层数。
步骤八、比较第N+1层是否大于设定层数，判断同步送粉增材制造是否完成，如果第N+1层大于设定层数，同步送粉增材制造完成；如果第N+1层小于等于设定层数，从步骤三开始继续进行同步送粉增材制造，直至整个零件制造完成。本实施例中，当沉积到第85层时，第N+1层也就是第86层大于开始划分的85层，这时同步送粉增材制造完成。
对上述提高同步送粉增材制造成形精度的方法制造的零件进行无损检测包括：超声波检验、X射线检验和荧光检验。其中，超声波检验按GJB 1580A-2004进行，检验结果符合AA级的要求；射线检验按GJB 1187A-2001进行，检验结果符合B级的要求；荧光检验按GJB2367A-2005进行，采用灵敏度等级为3级的荧光渗透剂检测，表面无缺陷。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种提高同步送粉增材制造成形精度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、对待加工的零件进行三维建模；
步骤二、对三维模型设定层数、设定层厚m、设置生长方向、规划扫描路径和设置打印参数；
步骤三、进行同步送粉增材制造，在同步送粉增材制造过程中采集熔池到激光测距仪的距离的数据b,通过
Figure FDA0002606922990000011
计算得到熔池到激光测距仪垂直距离c，其中，a为激光测距仪到同步送粉增材制造设备的激光送粉头的距离；
步骤四、对熔池到激光测距仪垂直距离c进行降噪处理，具体包括：
将“│c-理论值│>2*阈值k”的所有点去除；
步骤五、对降噪处理后的数据进行稀疏化处理，具体包括：
步骤1、将降噪处理后得到的数据投影到第N层平面上，得到点云带Pi；
步骤2、以第N层扫描线LN为基值，从第一点开始，求点云带Pi到LN的距离，如果大于给定值，将此点去除，继续求下一个点，直到所有点全部完成，得到小于等于给定值的点P'1、P'2、P'3、P'4……，即点云带P'i；
步骤3、以光斑尺寸为间距，从点云带P'i起点开始将此间距的点求平均值，将点云带P'i范围内所有点稀疏成一个新的点云带Qi；
步骤六、计算降噪与稀疏化处理后的数据到基材的实测高度与第N层理论高度的差值，判断是否进行同步送粉增材制造，具体包括：
步骤(1)从第一点开始，求点云带Qi到基材的实测高度与第N层理论高度的差值Δhi＝Di-ZN；
步骤(2)如果|Δhi|≤m，继续进行同步送粉增材制造；
步骤(3)如果|Δhi|＞m，重新规划填充轨迹，然后从步骤三开始继续进行同步送粉增材制造；
所述步骤(3)中重新规划填充轨迹为：
当Δhi＜0并且|Δhi|＞m时，将所有Δhi＜0并且|Δhi|＞m的点集合，生成补层N′，对于N′数据进行路径规划，使补层区域扫描间距小于正常间距，成形高度大于其他区域，用于补层；
当Δhi＞0并且|Δhi|＞m时，将所有Δhi＞0并且|Δhi|＞m的点集合，生成去层N″，对N″数据进行路径规划，使去层区域扫描间距大于正常间距，成形高度低于其他部位，用于去层，生成新的扫描轨迹替换N+1层；
当Δhi＜0并且|Δhi|＞m和Δhi＞0并且|Δhi|＞m同时存在时，将补层和去层合并，生成新的扫描轨迹替换N+1层；
其中，Di为Qi到基材的实测高度，ZN为第N层理论高度；
步骤七、比较第N层实测高度和第N+1层实测高度的差值与层厚的关系，判断零件是否存在开裂，具体包括：
零件边缘部分Z′N+m＞ZN+1，且Z′N+1-ZN≥2m时，判定零件存在开裂，如果零件存在开裂，则从步骤二开始重新进行同步送粉增材制造；如果零件不存在开裂，则继续进行同步送粉增材制造；
其中，Z′N为第N层实测高度，Z′N+1为第N+1层实测高度，ZN+1为第N+1层理论高度；
步骤八、比较第N+1层是否大于设定层数，判断同步送粉增材制造是否完成，如果第N+1层大于设定层数，同步送粉增材制造完成；如果第N+1层小于等于设定层数，从步骤三开始继续进行同步送粉增材制造，直至整个零件制造完成。
2.根据权利要求1所述的提高同步送粉增材制造成形精度的方法，其特征在于，所述步骤二中的层厚m为0.5-0.7mm，生长方向为自下而上，打印参数包括激光频率P、扫描速度和扫描间距，其中，激光频率P为1900-2400W，扫描速度为8-14mm/s，扫描间距1.8-2.5mm。
3.根据权利要求1所述的提高同步送粉增材制造成形精度的方法，其特征在于，所述步骤二中的规划扫描路径根据工艺要求和已加工表面实际情况设置。
4.根据权利要求1所述的提高同步送粉增材制造成形精度的方法，其特征在于，所述步骤二中的层数和层厚m的乘积大于等于零件高度。
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