CN110340358A - 增材制造过程工艺参数梯度调控的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及增材制造技术领域，提供一种增材制造过程工艺参数梯度调控的方法，包括：将模型切片分层并填充每层激光扫描路径，以功率P1完成模型第1层的增材制造，获得A1点的温度T1；以功率P2完成模型第2层的增材制造，其中P2＝P1，获得A2点的温度T2；判断相邻两层间的温度大小，若T2≠T1，则调整激光功率使P3＝P2‑(T2‑T1)*△P，并以激光功率P3进行下一层打印程序，其中△P为层间激光功率增量；重复前述步骤，直至T(n)＝T(n‑1)，此时获得稳定的激光功率参数Pn，Pn＝P(n‑1)‑(T(n‑1)‑T(n‑2))*△P，并以Pn作为最终的激光加工参数完成工件打印。利用本发明的方法可解决现有激光增材制造技术由于逐层打印过程的热累积效应带来的激光成形不稳定的问题。

Description

增材制造过程工艺参数梯度调控的方法

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，具体而言涉及增材制造过程工艺参数梯度调控的方法。

背景技术

金属增材制造技术主要是通过激光金属沉积来实现的，区别于传统的减材制造-金属车削和等材制造-铸造技术，金属增材制造是利用激光或电子束等作为热源，在基底材料上生成熔池，同时通过送粉系统将粉末材料直接输送到激光熔池中，利用激光能量将金属粉末熔化，随着激光光斑的移动，进入熔池并熔化的粉末凝固后与基底材料形成冶金结合，通过层层堆积生成3D模型零件实体。

这种逐层堆积的制造方式，理论上可以制造出任意形状的工件，它可以自动、快速、直接和比较精确地将计算机中的三维设计转化为实物模型，甚至直接制造零件或模具，从而有效地缩短产品研发周期，是一种真正意义上的数字化、智能化的成形方法。

但这种逐层堆积的增材制造技术，随着打印层高度的增加，出现热量累积效应，已成型区温度会逐层递增，工艺人员需要通过逐层改变加工参数，降低激光能量输入，使热量累积效应引起的熔池温度改变达到一种动态平衡。目前，这种增材制造过程的工艺参数的调整多数是基于工艺人员的经验，难以实现不同材料零件的参数逐层梯度控制。

发明内容

本发明目的在于提供一种增材制造过程工艺参数梯度调控的方法，该方法能够克服现有激光增材制造技术由于逐层打印过程的热累积效应带来的激光成形不稳定的问题。

为实现上述目的，本发明所采用技术方案的增材制造过程工艺参数梯度调控的方法包括：

步骤一：将模型切片分层并填充每层激光扫描路径，以功率P1完成模型第1层的增材制造，利用三维有限元方法确定模型第1层起始点A1点的热传导方程，获得A1点的温度T1；

步骤二：以功率P2完成模型第2层的增材制造，其中P2＝P1，利用三维有限元方法确定模型第2层起始点A2点的热传导方程，获得A2点的温度T2；

步骤三：判断相邻两层间的温度大小，若T2≠T1，则调整激光功率使P3＝P2-(T2-T1)*△P，并以激光功率P3进行下一层打印程序，其中△P为层间激光功率增量，利用三维有限元方法确定模型第3层起始点A3点的热传导方程，获得A3点的温度T3；

步骤四：重复步骤二和步骤三，直至T(n)＝T(n-1)，此时获得稳定的激光功率参数Pn，Pn＝P(n-1)-(T(n-1)-T(n-2))*△P，并以Pn作为最终的激光加工参数完成工件打印。

进一步地，所述步骤一中，利用三维有限元方法计算模型An点温度时，模型厚度为n层高度。

进一步地，所述步骤一中，模型切片分层并填充每层激光扫描路径后，计算每层激光加工时间t(n)，在利用三维有限元方法计算模型An点温度时，模型加热时间为n层累积加热时间。

进一步地，每层打印程序的起始点水平位置An是相同位置。

进一步地，每层打印程序的起始点水平位置An的位置为随机选择。

进一步地，每层打印程序的起始点水平位置An相对于模型的坐标位置是可读取的。

进一步地，该方法适用于增材制造过程，用于加工的材料层与层间不涉及材料成分的变化，且除了功率以外其他加工过程参数应保持不变；

进一步地，所述的层间激光功率增量△P取值范围为0-P1。

本发明的有益效果在于：本发明采用的方法能够通过对成形件成型过程中逐层温度的三维有限元模拟计算，并通过模拟计算对各打印层参数进行相应补偿，并最终获得稳定的激光加工参数，从而实现增材制造过程工艺参数的梯度调控，解决现有激光增材制造技术由于逐层打印过程的热累积效应带来的激光成形不稳定的问题。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1是本发明的增材制造过程工艺参数梯度调控的方法的流程示意图。

图2是利用增材制造过程工艺参数梯度调控的方法制备的零件样块的示意图。

图3是图2所示的零件样块中A处的金相分析照片。

图4是图2所示的零件样块中B处的金相分析照片。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

结合图1所示，根据本发明较佳的实施例的增材制造过程工艺参数梯度调控的方法的实现过程包括：

步骤一：将模型切片分层并填充每层激光扫描路径，并以功率P1完成模型第1层增材制造，利用三维有限元方法计算模型S1起始点A1点的热传导方程，获得A1点的温度T1；

步骤二：以功率P2＝P1完成模型第2层增材制造，利用三维有限元方法计算模型S2起始点A2点的热传导方程，获得A2点的温度T2；

步骤三：判断相邻两层间的温度大小，若T2≠T1，则调整激光功率P3＝P2-(T2-T1)△P，并以激光功率P3进行下一层打印程序；

步骤四：重复步骤二和步骤三，直至T(n)＝T(n-1)，此时获得稳定的激光功率参数Pn，Pn＝P(n-1)-(T(n-1)-T(n-2))*△P，并以Pn作为最终激光加工参数完成工件打印。

结合上述本发明的示例性实现，本发明的方法旨在增材制造打印初期，通过建立热力学的热传导方程来不断判断起始点的温度，并基于温度是否稳定或者变化来调整激光功率，从而解决逐层打印过程的热累积效应带来的激光成形不稳定的问题。

其中，在骤一中，所述利用三维有限元方法计算模型An点温度时模型厚度为n层高度。

在本实施例中，所述模型切片分层并填充每层激光扫描路径后，每层激光加工时间t(n)可计算，在利用三维有限元方法计算模型An点温度时，模型加热时间为n层累积加热时间。

在本实施例中，所述每层打印程序的起始点水平位置An可以是相同位置，也可以随机选择，其相对于模型的坐标位置是可读取的，由于每层打印程序的起始点不固定，且随着高度增加，模型结构可能存在变化，因此每层模型An点的选择根据每层程序起始点的不同可设置成相同位置或相对于模型的随机位置。

在本实施例中，所述方法适用于增材制造过程，用于加工的材料层与层间不涉及材料成分的变化，且除了功率以外其他加工过程参数应保持不变，如此旨在通过控制材料属性和其他加工参数不变，达到控制单一变量的目的，使功率调控更精准。

在本实施例中，所述层间激光功率增量△P取值范围可在0-P1之间。

图2是利于本发明的工艺参数调整方法打印的零件的示意图，图3-4是局部的金相分析照片示意图。在本实施例中，制备的样件沿打印方向，利用增材制造过程工艺参数梯度调控方法逐层调整功率，激光功率从起始层A区域的700W，逐层递增到B区域的激光功率1100W，获得稳定的熔池温度。对制备的试样块进行金相组织观察发现，在激光功率较低时，激光能量输入较低，样块内部存在较多气孔缺陷，而随着激光能量的逐层递增，缺陷数量由A区域10μm以上肉眼可见空隙61个，在B区域肉眼可见空隙基本消失，空隙缺陷明显降低并直至完全消失，过程工艺参数梯度调控效果显著。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (8)

1.一种增材制造过程工艺参数梯度调控的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：将模型切片分层并填充每层激光扫描路径，以功率P1完成模型第1层的增材制造，利用三维有限元方法确定模型第1层起始点A1点的热传导方程，获得A1点的温度T1；

步骤二：以功率P2完成模型第2层的增材制造，其中P2＝P1，利用三维有限元方法确定模型第2层起始点A2点的热传导方程，获得A2点的温度T2；

步骤三：判断相邻两层间的温度大小，若T2≠T1，则调整激光功率P，并以激光功率P3进行下一层打印程序，其中P3＝P2-(T2-T1)*△P，△P为层间激光功率增量，利用三维有限元方法确定模型第3层起始点A3点的热传导方程，获得A3点的温度T3；

步骤四：重复步骤二和步骤三，直至T(n)＝T(n-1)，此时获得稳定的激光功率参数Pn，Pn＝P(n-1)-(T(n-1)-T(n-2))*△P，并以Pn作为最终的激光加工参数完成工件打印。

2.根据权利要求1所述的增材制造过程工艺参数梯度调控的方法，其特征在于，所述步骤一中，利用三维有限元方法计算模型An点温度时，模型厚度为n层高度。

3.根据权利要求1所述的增材制造过程工艺参数梯度调控的方法，其特征在于，所述步骤一中，模型切片分层并填充每层激光扫描路径后，计算每层激光加工时间t(n)，在利用三维有限元方法计算模型An点温度时，模型加热时间为n层累积加热时间。

4.根据权利要求1所述的增材制造过程工艺参数梯度调控的方法，其特征在于，每层打印程序的起始点水平位置An是相同位置。

5.根据权利要求1所述的增材制造过程工艺参数梯度调控的方法，其特征在于，每层打印程序的起始点水平位置An的位置为随机选择。

6.根据权利要求4或5所述的增材制造过程工艺参数梯度调控的方法，其特征在于，每层打印程序的起始点水平位置An相对于模型的坐标位置是可读取的。

7.根据权利要求1所述的增材制造过程工艺参数梯度调控的方法，其特征在于，该方法适用于增材制造过程，用于加工的材料层与层间不涉及材料成分的变化，且除了功率以外其他加工过程参数应保持不变。

8.根据权利要求1-7中任意一项所述的增材制造过程工艺参数梯度调控的方法，其特征在于，所述的层间激光功率增量△P取值范围为0-P1。