CN109530918A - 一种基于激光光内同轴送丝增材制造系统及成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光光内同轴送丝增材制造系统及成型方法，由激光器、送丝机机构、运动执行机构、熔池形貌监测反馈模块和系统控制模块组成制造系统，根据零件模型进行切片后规划初始路径，根据输入的参数与工艺数据库中的工艺参数进行对比，优化不同特征结构下的工艺参数和输入工艺参数对应下的熔池温度，生成最优路径下的打印参数和机器人代码，高速红外相机采集打印过程中熔池形貌参数，并传送至系统控制模块，系统控制模块将采集的熔池形貌数据与工艺数据库模块的工艺数据进行对比，同时监测熔池温度变化，则通过反馈调整激光功率来修正熔池温度，实时监测和反馈调节熔池温度，保证打印过程中熔池形貌均匀一致并实现打印过程的稳定控制。

Description

一种基于激光光内同轴送丝增材制造系统及成型方法

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种基于激光光内同轴送丝增材制造系统及成型方法。

背景技术

激光增材制造是一种先进的制造加工成型技术。其以激光为热源，粉材或丝材为沉积原材料，根据立体模型生成成型路径进行逐层打印，最终打印成三维立体零件。现有技术中，激光光内送粉增材制造是一种将金属粉末送入环形激光光束内，成型金属零件，其成型过程稳定，在航空航天等领域有了较大的应用。但送粉技术其对粉末质量要求高，粉末成本高，限制其使用范围。旁轴激光送丝增材制造技术虽然能提高材料利用率，但是其送丝角度调节困难，打印过程具有方向性，此外激光光内同轴送丝技术相比送粉技术具有成型效率高，材料利用率高，对环境无污染，丝材成本低廉，成型件质量优的先进直接制造技术，具有极大的发展空间。中国专利CN101386111A/CN105562951公开了一种光内激光同轴送丝熔敷方法和装置，提出同轴激光送丝熔敷头的设计思路，通过光路设计将光束进行反射和聚焦形成中空环形光束，将金属丝材送入环形激光光束内部，进行丝材熔化和凝固成型金属零件。但是其只涉及同轴激光送丝头的原理和构造，环形光束在焦点处聚焦，离焦后测成为环形光束，能量分布不均匀，不利于成型；专利CN 104259461 A提出了一种基于同轴送丝的激光增材制造系统，但是其只能在真空环境下使用；专利CN 106256473 A提出了一种铝合金同轴激光送丝系统，其利用700-900nm铝合金吸收率高的波段激光，提出一种铝合金增材制造系统，但是没有反馈和温度控制模块，容易产生由于离焦产生的激光能量分布不均匀问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于激光光内同轴送丝增材制造系统及成型方法，以克服现有技术的不足。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于激光光内同轴送丝增材制造系统，包括激光器、送丝机机构、运动执行机构、熔池形貌监测反馈模块和系统控制模块；

激光器用于产生激光并通过激光器的激光头加热融化金属丝材；

运动执行机构用于固定激光头并带动激光头运动；

送丝机机构用于将金属丝材送入激光头内；

熔池形貌监测反馈模块用于采集熔池形貌数据，并将采集的熔池形貌数据传送至系统控制模块；

系统控制模块包括控制器模块和工艺数据库模块，工艺数据库模块用于存放基于实验验证的基础数据库工艺数据；控制器模块将熔池形貌数据与工艺数据库模块的工艺数据进行对比和推算，得出需要调节的激光功率数据，再将激光功率数据反馈至激光器，调节激光功率。

进一步的，熔池形貌数据包括熔池尺寸数据和温度数据。

进一步的，系统控制模块以熔池形貌数据为输入，与工艺数据库模块中基于实验验证的基础数据库工艺数据中的形貌参数进行匹配对比，选用满足工艺数据中的形貌参数的工艺参数对打印过程进行实时监测和控制。

进一步的，激光头上设有送丝管接口和光纤接口，分别通过送丝管和光纤连接于送丝机机构和激光器；熔池形貌监测反馈模块与激光头同步运动。

进一步的，熔池形貌监测反馈模块固定于激光头上，熔池形貌监测反馈模块采用红外相机。

进一步的，所述激光器还包括两水冷机，一路冷却激光器，另一路冷却激光头。

进一步的，熔池形貌监测反馈模块通过安装在激光送丝头侧面的高速红外相机实时采集激光熔池形貌特征，并将采集的图像数据传输至系统控制模块，其采样频率大于200HZ。

一种基于激光光内同轴送丝增材制造系统的成型方法，包括以下步骤：

步骤1)、通过三维立体建模建立需要打印的零件模型，根据零件模型进行切片后规划初始路径参数；

步骤2)、将初始路径参数输入系统控制模块，系统控制模块根据输入的初始路径参数与工艺数据库中的工艺参数进行对比，获取不同特征结构下的工艺参数和输入的初始路径参数对应下的熔池温度，生成最优路径下的打印参数和机器人代码；

步骤3)、运行打印参数和机器人代码，控制系统按照预制执行顺序运行机器人，开始打印；

步骤4)、打印开始时，高速红外相机采集打印熔池形貌参数，并传送至系统控制模块，系统控制模块将采集的熔池形貌数据与工艺数据库模块的工艺数据进行对比，同时监测熔池温度变化，若熔池温度偏离设置的误差阈值，则通过反馈调整激光功率来修正熔池温度，直至打印结束。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种基于激光光内同轴送丝增材制造系统，由激光器、送丝机机构、运动执行机构、熔池形貌监测反馈模块和系统控制模块组成制造系统；利用激光器用于产生激光并通过激光器的激光头加热融化金属丝材；利用运动执行机构用于固定激光头并带动激光头运动；利用送丝机机构用于将金属丝材送入激光头内；利用熔池形貌监测反馈模块采集熔池形貌数据，并将采集的熔池形貌数据传送至系统控制模块；系统控制模块包括控制器模块和工艺数据库模块，工艺数据库模块用于存放基于实验验证的基础数据库工艺数据；控制器模块将熔池形貌数据与工艺数据库模块的工艺数据进行对比和推算，得出需要调节的激光功率数据，再将激光功率数据反馈至激光器，调节激光功率，采用三激光束聚焦，减小环形激光束熔池不均匀度，提升熔敷质量，实时监测和反馈调节熔池温度，控制打印过程中的，保证打印过程中熔池形貌均匀一致并实现打印过程的稳定控制。

一种基于激光光内同轴送丝增材制造系统的成型方法，利用三维立体建模建立需要打印的零件模型，根据零件模型进行切片后规划初始路径，然后将初始路径以及打印参数输入系统控制模块，利用系统控制模块根据输入的参数与工艺数据库中的工艺参数进行对比和推算，优化不同特征结构下的工艺参数和输入工艺参数对应下的熔池温度，生成最优路径下的打印参数和机器人代码；在打印运行过程中，高速红外相机采集打印熔池形貌参数，并传送至系统控制模块，系统控制模块将采集的熔池形貌数据与工艺数据库模块的工艺数据进行对比，同时监测熔池温度变化，若熔池温度偏离设置的误差阈值，则通过反馈调整激光功率来修正熔池温度，实时监测和反馈调节熔池温度，保证打印过程中熔池形貌均匀一致并实现打印过程的稳定控制，通过对熔池形貌进行监测，能有效控制打印过程中的熔池形貌和温度，防止长时间打印过程中的过热问题，保证打印件具有良好的表面形貌和力学性能；实现了丝材打印过程中的熔池形貌的反馈闭环控制调节，保证打印质量，特别适用于较大金属零件的制造，打印效率高，成本低。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明熔池形貌监测反馈模块监测原理图。

图3为本发明送丝头结构示意图。

图4为本发明系统图。

图中，1、激光器；2、送丝机机构；3、运动执行机构；4、系统控制模块；5、激光头；6、送丝管接口；7、光纤接口；8、熔池形貌监测反馈模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1至图4所示，一种基于激光光内同轴送丝增材制造系统，包括激光器1、送丝机机构2、运动执行机构3、熔池形貌监测反馈模块8和系统控制模块4；

激光器1用于产生激光并通过激光器的激光头5加热融化金属丝材；

运动执行机构3用于固定激光头5并带动激光头5运动；

送丝机机构2用于将金属丝材送入激光头内，送丝机机构将金属丝材矫直后送入激光头；

熔池形貌监测反馈模块8用于采集熔池形貌数据，并将采集的熔池形貌数据传送至系统控制模块；

系统控制模块4包括控制器模块和工艺数据库模块，工艺数据库模块用于存放基于实验验证的基础数据库工艺数据；控制器模块将熔池形貌数据与工艺数据库模块的工艺数据进行对比和推算，得出需要调节的激光功率数据，再将此数据通过工控机反馈至激光器，调节激光功率，实现反馈控制过程；

熔池形貌数据包括熔池尺寸数据和温度数据；

系统控制模块4以熔池形貌数据为输入，与系统中最初经过优化的工艺参数核形貌参数进行匹配对比，进而调节激光功率等工艺参数对打印过程进行实时监测和控制，稳定打印过程；

如图3所示，激光头5上设有送丝管接口6和光纤接口7，分别通过送丝管和光纤连接于送丝机机构2和激光器1；熔池形貌监测反馈模块8与激光头5同步运动，熔池形貌监测反馈模块8固定于激光头5上，熔池形貌监测反馈模块8采用红外相机；

激光器产生激光束通过传输光纤进入激光头；激光头通过法兰盘安装在运动执行机构上，激光器产生的激光束经过激光头内部的光学模块，将从激光束分成三束成120°角的激光，再通过透镜聚焦至一点，激光头内部的光学模块包括准直镜、分束镜和反射镜；激光头用于耦合激光光束与同轴送入的金属丝材，保证金属丝材送入激光光斑中间；丝材从激光头中间穿过送入激光焦点，丝材直径0.4-2.0mm。

运动执行机构3包括机器人/机床和变位机，按照程序设定轨迹执行打印过程；

所述激光器还包括水冷机，水冷机分两路，一路冷却激光器，另一路冷却激光头；

所述送丝机模块包含丝材矫直机构、拉丝机构和丝材加热单元，能根据熔池形貌反馈结果实时调节送丝速度和丝材加热温度；矫直机构在丝材进入激光头之前进行矫直，保证丝材平稳送入熔池；

熔池形貌监测反馈模块通过安装在激光送丝头侧面的高速红外相机实时采集激光熔池形貌特征，并将采集的图像数据传输至系统控制模块，其采样频率大于200HZ；软件安装在系统控制模块上，温度控制软件程序根据预先设置的熔池形貌算法，对图像进行滤波，二值化数据处理过程提取熔池轮廓，从而得到熔池形貌特征和温度参数，结合艺数据库中的形貌和温度参数，进行对比和参数优化，得出不同路径下的最优的工艺参数，反馈调节激光功率等工艺参数，进而调节熔池温度，控制打印过程中的热输入；

还包括局部气体保护模块，通过与激光头同步设置保护器管9，系统控制模块具体采用一根φ10的铜管，根据打印宽度进行调整，增加或减少铜管个数进行调整，铜管与气管相连，将惰性保护气体吹向熔池后端高温部分保证打印层免受氧化；

工艺数据库模块：存储预先优化的不同材料(钛合金、不锈钢、高温合金)的工艺参数(激光功率，光斑大小，扫描速度，送丝速度，丝材直径，材料，丝材温度以及对应的熔池形貌参数)；根据设定的工艺参数，采用基于BP神经网络算法，与数据库中的参数进行对比优化，生成打印工艺参数和熔池形貌参数，并反馈控制打印过程；

系统控制模块包含工控机、PLC控制器、打印工艺控制模块、切片和路径规划模块，切片和路径规划模块都安装在工控机上；切片和路径规划模块根据打印件的特征结构不同，对打印模型进行切片分层和打印路径规划，并生成机器人路径代码并通过PLC控制器将代码信号传输到运动执行机构3、送丝机机构2以及保护气电磁阀开关，协调控制激光器1出光、送丝机机构2送丝和运动执行机构3行走，确保打印按照成型路径打印。

一种同轴金属丝材增材制造的快速成型方法，包括以下步骤：

1、将需要打印的零件进行三维立体建模，并导入系统控制模块上的切片和路径规划模块进行分层切片，根据零件中的特征结构进行分去路径规划；

2、打印前立体模型切片和路径规划：

在激光控制界面上输入初始打印参数，系统控制模块根据输入的参数与工艺数据库中的工艺参数进行对比和推算，优化不同特征结构下的工艺参数和输入工艺参数对应下的熔池温度，生成最优路径下的打印参数和机器人代码；

3、运行打印代码，控制系统按照预制执行顺序先打开保护气体电磁阀，通入保护气，可调整提前送气时间；再打开激光光源，最后出丝和运行机器人，开始打印；

4、打印开始时，高速红外相机采集打印熔池形貌参数，并传送至系统控制模块，系统控制模块将采集的熔池形貌数据与工艺数据库模块的工艺数据进行对比，同时监测熔池温度变化，若熔池温度偏离设置的误差阈值，则通过反馈调整激光功率来修正熔池温度，保证打印过程稳定进行，直至打印结束。

实施例1

1、将圆形零件三维立体建模导入工控机上的切片软件进行分层切片，根据零件中的特征结构进行初始路径规划；

打印前立体模型切片和路径规划：在控制界面上输入初始打印参数：激光功率1.2KW，扫描速度1m/min，送丝速度1.3m/min，丝材直径1mm，丝材加热温度25℃，材料：316不锈钢，系统生成初始路径参数；

2、系统控制模块根据初始路径参数与工艺数据库中的工艺参数进行对比，获取不同特征结构下的工艺参数和输入的初始路径参数对应下的熔池温度，生成最优路径下的打印参数和机器人代码；

3、运行打印成型：系统控制模块按照预制执行顺序，设置提前送气1-2s，先打开保护气体电磁阀，通入保护气，可根据工艺需要设置提前送气时间；再打开激光光束，最后送丝和运行机器人，开始打印；

4、打印开始时，同时运行熔池形貌监测反馈模块，高速红外相机采集打印熔池形貌参数，并传送至工控机，与工艺数据库模块中最优化参数进行对比，监测熔池相貌变化，若熔池大小偏离最优值误差范围，则通过反馈调整激光功率来修正熔池形貌，保证打印过程稳定进行，直至打印结束。

Claims (8)

1.一种基于激光光内同轴送丝增材制造系统，其特征在于，包括激光器(1)、送丝机机构(2)、运动执行机构(3)、熔池形貌监测反馈模块(8)和系统控制模块(4)；

激光器(1)用于产生激光并通过激光器的激光头(5)加热融化金属丝材；

运动执行机构(3)用于固定激光头(5)并带动激光头(5)运动；

送丝机机构(2)用于将金属丝材送入激光头内；

熔池形貌监测反馈模块(8)用于采集熔池形貌数据，并将采集的熔池形貌数据传送至系统控制模块；

系统控制模块(4)包括控制器模块和工艺数据库模块，工艺数据库模块用于存放基于实验验证的基础数据库工艺数据；控制器模块将熔池形貌数据与工艺数据库模块的工艺数据进行对比，得出需要调节的激光功率数据，再将激光功率数据反馈至激光器，调节激光功率。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光光内同轴送丝增材制造系统，其特征在于，熔池形貌数据包括熔池尺寸数据和温度数据。

3.根据权利要求1所述的一种基于激光光内同轴送丝增材制造系统，其特征在于，系统控制模块(4)以熔池形貌数据为输入，与工艺数据库模块中基于实验验证的基础数据库工艺数据中的形貌参数进行匹配对比，选用满足工艺数据中的形貌参数的工艺参数对打印过程进行实时监测和控制。

4.根据权利要求1所述的一种基于激光光内同轴送丝增材制造系统，其特征在于，激光头(5)上设有送丝管接口(6)和光纤接口(7)，分别通过送丝管和光纤连接于送丝机机构(2)和激光器(1)；熔池形貌监测反馈模块(8)与激光头(5)同步运动。

5.根据权利要求1所述的一种基于激光光内同轴送丝增材制造系统，其特征在于，熔池形貌监测反馈模块(8)固定于激光头(5)上，熔池形貌监测反馈模块(8)采用红外相机。

6.根据权利要求1所述的一种基于激光光内同轴送丝增材制造系统，其特征在于，所述激光器还包括两水冷机，一路冷却激光器，另一路冷却激光头。

7.根据权利要求1所述的一种基于激光光内同轴送丝增材制造系统，其特征在于，熔池形貌监测反馈模块通过安装在激光送丝头侧面的高速红外相机实时采集激光熔池形貌特征，并将采集的图像数据传输至系统控制模块，其采样频率大于200HZ。

8.一种基于根据权利要求1所述的一种基于激光光内同轴送丝增材制造系统的成型方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)、通过三维立体建模建立需要打印的零件模型，根据零件模型进行切片后规划初始路径参数；

步骤2)、将初始路径参数输入系统控制模块，系统控制模块根据输入的初始路径参数与工艺数据库中的工艺参数进行对比，获取不同特征结构下的工艺参数和输入的初始路径参数对应下的熔池温度，生成最优路径下的打印参数和机器人代码；

步骤3)、运行打印参数和机器人代码，控制系统按照预制执行顺序运行机器人，开始打印；

步骤4)、打印开始时，高速红外相机采集打印熔池形貌参数，并传送至系统控制模块，系统控制模块将采集的熔池形貌数据与工艺数据库模块的工艺数据进行对比，同时监测熔池温度变化，若熔池温度偏离设置的误差阈值，则通过反馈调整激光功率来修正熔池温度，直至打印结束。