CN110465658B - 提高激光选区熔化成形复杂结构零件尺寸精度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种提高激光选区熔化成形复杂结构零件尺寸精度的方法，其包括以下步骤：步骤S₁、建立数据库及最优值算法；步骤S₂、通过计算机随形计算光斑补偿值；步骤S₃、生成扫描路径；步骤S₄、执行扫描路径；步骤S₅、零件毛坯成形结束后进行后续处理加工工序，直至零件最终交付验收。本发明与现有工艺方法相比，主要优势在于提升毛坯成形尺寸精度，对于非加工面意义尤其重要，特别是对具有复杂内部结构的零件，可以有效提升零件毛坯精度，降低由于熔池形态波动导致的尺寸精度偏差。

Description

提高激光选区熔化成形复杂结构零件尺寸精度的方法

技术领域

本发明涉及航空航天领域，特别涉及一种提高激光选区熔化成形复杂结构零件尺寸精度的方法。

背景技术

在航空航天领域，激光选区熔化(Selective Laser Melting，SLM)技术是一种典型的增材制造(Additive Manufacturing)技术，被预测为可能引发“第三次工业革命”的关键技术之一，是由三维模型直接通过激光逐层选择性熔化获得金属零件。其主要技术原理为：将待加工的零件三维数字模型进行逐层分割，输入到激光选区熔化成形设备中。

首先，将基板固定在成形平台上，进行调平并利用刮板或粉辊进行单层铺粉，使用一束或多束激光，对铺放好的单层粉末进行选区熔化，实现由点到线，由线到面的成形过程。

之后，成形平台下降一定高度，进行下一层铺粉及选区熔化成形，最终实现了由面到体的成形过程，由此获得最终零件。相比于传统工艺，激光选区熔化技术具有材料利用率高、提高设计自由度、成形精度高、表面质量好等多重优势，特别适合于航空航天等高附加值行业。

由于激光选区熔化技术在工业生产，特别是航空航天工艺中，多用于小型精密、复杂零件，且零件内腔结构往往很难二次加工，这对毛坯成形精度提出了很高要求。

然而，影响激光选区熔化技术成形精度的因素十分复杂，从设备角度包括了铺粉层厚精度(Z方向)、激光定位精度(X/Y方向)、光斑直径等。工艺角度，包括了层厚设置、支撑形式、零件摆放方向、缩放率设置、光斑补偿设置、应力作用下的零件变形等。合理的成形工艺是提高成形精度的关键。

例如，对于圆柱试棒，毛坯成形过程中试棒与基板垂直，相比于试棒与基板平行，可以使圆柱面具有更好的圆柱度，同时减小由于应力导致的试棒翘曲变形；由于成形过程中不可避免地存在着收缩，设置合适的缩放率，可以抵消收缩对精度的影响；采用较小的层厚可以获得更高的尺寸精度和表面质量。

通过设置光斑补偿提升尺寸精度的原理是，激光扫描的热输入作用下，形成了具有一定空间几何形态的移动熔池。可以通过熔池的几何中心O点的移动轨迹，表征熔池的移动轨迹，同时引入熔池沿零件轮廓法线方向的半径r。

当采用轮廓扫描时，r＝D/2，其中D为熔池最大宽度。在不考虑熔池宽度的情况下，熔池几何中心O点与零件外轮廓L重合。这就导致了熔池的边界超过零件轮廓方向的距离为r。为了提高成形精度，应当使零件外轮廓与熔池外轮廓尽量重合。因而，可以通过设置光斑补偿值为r，对由于熔池形态导致的尺寸偏差进行补偿。

目前广泛采用的光斑补偿设置方式包括两种方式。方式一：设置全局光斑补偿，即对同炉零件，设置同一个光斑补偿值。方式二：设置单独某个零件的光斑补偿值。上述方式一和方式二可相互叠加，共同作用。

但是，光斑补偿值大小受到多种因素限制，除激光光斑直径、功率、层厚、材料、粉末粒度等影响因素外，还受到如壁厚等零件结构特征的影响。即对于在确定设备、确定工艺参数情况下，设置单一的r值，仍然会造成尺寸误差。例如，在零件切片的不同壁厚情况下熔池形态不同、下表皮与上表皮熔池形态存在差异。这都要求在零件不同轮廓位置，设置合理恰当的光斑补偿值，以实现零件尺寸精度的最优控制。

由此可见，设置合理的光斑补偿值是提高零件成形精度的重要途径。除基于光斑直径、功率、层厚等因素外，还应当考虑零件的复杂结构特征，而现有技术忽略了零件不同位置的结构特征因素，导致激光选区熔化成形复杂结构零件的成形精度未达到最佳。

激光选区熔化成形技术是增材制造技术的研究热点之一，通常用于复杂结构零部件的直接成形。不断提高激光选区熔化技术的成形精度，对推广该技术在航空航天等行业的工程化应用具有重要意义。

现有技术通过多个不同的途径优化成形精度，如设置缩放率抵消零件收缩，设置光斑补偿值抵消熔池形态对尺寸精度的影响。而设置对零件整体的固定光斑补偿值未考虑在零件不同位置熔池形态可能产生较大差异，即固定的光斑补偿值难以顾及零件不同位置的结构特征，不能起到最优化成形精度的效果。

有鉴于此，本领域技术人员针对上述问题引入基于成形方向的零件结构特征因素，以获得更高的成形精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中激光选区熔化成形技术难以顾及零件不同位置的结构特征，无法起到最优化成形精度效果的缺陷，提供一种提高激光选区熔化成形复杂结构零件尺寸精度的方法。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：

一种提高激光选区熔化成形复杂结构零件尺寸精度的方法，其特点在于，所述方法包括以下步骤：

步骤S₁、建立数据库及最优值算法；

步骤S₂、通过计算机随形计算光斑补偿值；

步骤S₃、生成扫描路径；

步骤S₄、执行扫描路径；

步骤S₅、零件毛坯成形结束后进行后续处理加工工序，直至零件最终交付验收。

根据本发明的一个实施例，所述步骤S₁中建立数据库的方法包括：设置正交试验，分别测量不同影响因素变化导致尺寸精度的变化情况；最终通过试验总计确定不同影响因素对理论最优光斑补偿值的影响程度，形成数据库。

根据本发明的一个实施例，所述影响因素包括切片法向壁厚、上表皮/下表皮、轮廓前烧结/后烧结。

根据本发明的一个实施例，所述方法获得如下计算公式：

其中，r表示理论最优光斑补偿，A_i表示第i个影响因素，p_i表示第i个影响因素对B的影响程度。

根据本发明的一个实施例，所述步骤S₁中建立数据库的方法包括：采用与目标零件类似结构的试验件，进行固定光斑补偿值条件下的先行试验。通过测量零件不同特征位置处的尺寸精度，通过计算获得理论最优光斑补偿值，进而形成针对特定零件的数据库。

根据本发明的一个实施例，所述步骤S₁中建立数据库的方法包括：采用计算机数值模拟的办法，计算在不同影响因素改变后，对理论最优光斑补偿的影响。

根据本发明的一个实施例，所述步骤S₂包括：当设备软件具备光斑补偿计算功能时，根据所述步骤S₁获得的数据库，由计算机自动对切片后的零件逐层计算理论最优光斑补偿值；

当设备软件不具备光斑补偿计算功能时，可采用手动分割方式，将单一的零件拆分为两个或者多个部分。

根据本发明的一个实施例，所述步骤S₃针对所述步骤S₂计算出来的光斑补偿值，由计算机自动获得完整的扫描路径，或者分别计算各个部分的扫描路径。

根据本发明的一个实施例，所述步骤S₄针对所述步骤S₂计算出来的光斑补偿值，通过光路调整机构，按照既定的扫描路径进行扫描；

或者，首先根据零件拆分后结构定位特征，并按照既定的搭接量进行零件摆放，然后各部分按照既定的扫描路径分别进行扫描。

根据本发明的一个实施例，所述步骤S₅中的后续处理加工工序包括去支撑、线切割、去应力热处理(按需)、热等静压(按需)或尺寸检测。

本发明的积极进步效果在于：

本发明提高激光选区熔化成形复杂结构零件尺寸精度的方法在传统光斑补偿设置方法的基础上，提出了根据结构特征光斑补偿动态调整方法。与现有工艺方法相比，主要优势在于提升毛坯成形尺寸精度，对于非加工面意义尤其重要，特别是对具有复杂内部结构的零件，可以有效提升零件毛坯精度，降低由于熔池形态波动导致的尺寸精度偏差，对于难以进行后处理加工位置意义尤其重要，对推广激光选区熔化技术在航空航天等领域的工程化应用具有现实意义。

附图说明

本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：

图1为本发明提高激光选区熔化成形复杂结构零件尺寸精度的方法的工作流程图。

图2为本发明提高激光选区熔化成形复杂结构零件尺寸精度的方法的实施例一中激光选区熔化成形T形镍基高温合金样块激光扫描区域的示意图。

图3为本发明提高激光选区熔化成形复杂结构零件尺寸精度的方法的实施例一中T形镍基高温合金样块厚壁区域轮廓扫描路径的示意图。

图4为本发明提高激光选区熔化成形复杂结构零件尺寸精度的方法的实施例一中T形镍基高温合金样块薄壁区域轮廓扫描路径的示意图。

具体实施方式

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

现在将详细参考附图描述本发明的实施例。现在将详细参考本发明的优选实施例，其示例在附图中示出。在任何可能的情况下，在所有附图中将使用相同的标记来表示相同或相似的部分。

此外，尽管本发明中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本发明说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。

此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本发明。

图1为本发明提高激光选区熔化成形复杂结构零件尺寸精度的方法的工作流程图。

本发明公开了一种提高激光选区熔化成形复杂结构零件尺寸精度的方法，其包括以下步骤：

步骤10、建立数据库及最优值算法。

数据库是光斑补偿随形调整的判断依据，也是本发明的核心步骤之一。数据库建立的方法涵盖三种不同方法及其多种组合。

方法一：设置正交试验，分别测量不同影响因素变化导致尺寸精度的变化情况；最终通过试验总计确定不同影响因素对理论最优光斑补偿值的影响程度，形成数据库。此过程中需要考虑多个影响因素，如切片法向壁厚(即切片外轮廓某点指向零件内部法线方向上的零件厚度)、上表皮/下表皮、轮廓前烧结/后烧结等多个影响因素。

所述方法获得如下计算公式：

其中，r表示理论最优光斑补偿，A_i表示第i个影响因素，p_i表示第i个影响因素对B的影响程度。

需要注意的是，方法1中所列公式采用不同影响因素的线性叠加，实际实施过程中可以根据具体情况进行非线性叠加。

这种方法的优点是可以获得系统的、全面的数据库，试验数据真实可信，可广泛应用于相同设备型号及材料牌号相同、主要烧结参数基本一致的情况。

方法二：采用与目标零件类似结构的试验件，进行固定光斑补偿值条件下的先行试验。通过测量零件不同特征位置处的尺寸精度，通过计算获得理论最优光斑补偿值，进而形成针对特定零件的数据库。这种方法优点是周期短、准确度高。

方法三：采用计算机数值模拟的办法，计算在不同影响因素改变后，对理论最优光斑补偿的影响。

这种方法优点是不需要具体试验，成本较低，可充分考虑多种因素影响。

值得注意的是，为了达到理论最优的光斑补偿值，需要结合不同的方法共同作用，且数据库的建立和完善，应基于目标的结构零件特征、材料属性等，进行不断优化。

步骤11、通过计算机随形计算光斑补偿值。

具体分为两种情况：第一种情况，当设备软件具备光斑补偿计算功能时，根据步骤11获得的数据库，由计算机自动对切片后的零件逐层计算理论最优光斑补偿值。

理论上最优光斑补偿值在层与层以及每层不同位置存在差异。通过计算后获得结果为对应不同结构特征的理论最优值，以及基于数据库未能充分计算的轮廓区域进行标识。此时，需要对数据库进行补充完善，或进行基于历史经验的最优值估计，并对不同区域手动输入设置值。若步骤10的数据库不充分，会造成步骤11难以进行。

第二种情况，当设备软件不具备光斑补偿计算功能时，可采用手动分割方式，将单一的零件拆分为两个或者多个部分。零件拆分原则应基于零件的主要结构特征、尺寸精度要求等因素进行确定。拆分后的各个部分之间应留有一定搭接量，并分别依据步骤10中数据库，设置不同的光斑补偿参数。

步骤12、生成扫描路径。

此处，针对步骤11的第一种情况计算出来的光斑补偿值，由计算机自动获得完整的扫描路径。针对步骤11的第二种情况计算出来的光斑补偿值，分别计算各个部分的扫描路径。

步骤13、执行扫描路径；

此处，针对步骤11的第一种情况计算出来的光斑补偿值，通过光路调整机构，按照既定的扫描路径进行扫描。针对步骤11的第二种情况计算出来的光斑补偿值，需先进行零件定位摆放。首先根据零件拆分后结构定位特征，并按照既定的搭接量进行零件摆放，然后各部分按照既定的扫描路径分别进行扫描。

步骤14、零件毛坯成形结束后进行后续处理加工工序，直至零件最终交付验收。

其中，所述后续处理加工工序包括去支撑、线切割、去应力热处理(按需)、热等静压(按需)或尺寸检测。

实施例一：

图2为本发明提高激光选区熔化成形复杂结构零件尺寸精度的方法的实施例一中激光选区熔化成形T形镍基高温合金样块激光扫描区域的示意图。图3为本发明提高激光选区熔化成形复杂结构零件尺寸精度的方法的实施例一中T形镍基高温合金样块厚壁区域轮廓扫描路径的示意图。图4为本发明提高激光选区熔化成形复杂结构零件尺寸精度的方法的实施例一中T形镍基高温合金样块薄壁区域轮廓扫描路径的示意图。

如图2至图4所示，根据上述关于本发明提高激光选区熔化成形复杂结构零件尺寸精度的方法的描述，现具体列举下述实施例一进行更具体地说明。

首先，选用某型号激光选区熔化成形主设备，零件材质为GH4169合金，T形块典型壁厚分别为5mm及1mm。样块成形方向为T字形高度方向与Z轴平行。本实施例中光斑补偿随形调整策略均基于这一成形方向进行分析。

接着，采用UG NX 7.5输出STL格式文件，并采用Magics19.0进行支撑设计并输出切片文件。将切片文件导入到选区激光熔化成形设备中，进行毛坯成形过程。

设置成形工艺参数为层厚40μm，激光功率200W，扫描速度900mm/s，激光光斑直径100μm，扫描间距90μm，设置采用先填充后轮廓扫描方式，轮廓扫描分两次进行，显然最外侧轮廓是影响尺寸精度的关键因素。

其次，对照图1所示的数据库建立需考虑的影响因素，本实施例中固定了除切片轮廓法向壁厚之外的其他因素。因此在相同参数下，开展工艺试验，分别验证对于5mm、1mm典型壁厚情况下，最优光斑补偿值。可通过观察沉积态(未进行热处理)横向、纵向截面金相照片，确定轮廓扫描熔池宽度，并通过多次测量计算均值。

边界熔池宽度均值的二分之一即为最优光斑补偿值。本实例中，经过试验验证，5mm壁厚条件下，最优光斑补偿值为0.03mm。1mm壁厚条件下，最优光斑补偿值为0.07mm。当切片法向壁厚在1-5mm之间时，最优光斑补偿值按线性进行等比例换算。

然后，完成针对T形样块数据库建立后，本实施例中路径规划软件根据数据库情况，自动执行路径计算，并获得了如图2所示扫描路径图。其中T形块厚壁部分边界外轮廓扫描路径如图3所示，薄壁部分外轮廓如图4所示。

最后，完成毛坯成形后进行去应力热处理，热处理完成后采用线切割将零件从基板分离，进行尺寸精度检测。需要注意的是，零件精度影响因素多种多样，采用光斑补偿随形调整起到优化尺寸精度作用，但不能消除其他影响因素的交互作用。

根据上述描述，通常激光选区熔化成形技术采用的光斑补偿设置方式包括两种方式。方式一：设置全局光斑补偿，即对同炉零件，设置同一个光斑补偿值。方式二：设置单独某个零件的光斑补偿值。

这两种方式共同叠加，对某个零件设置固定的光斑补偿值。本发明以复杂结构零件为分析对象，通过分析光斑补偿与切片轮廓壁厚的关系、以及当前层与相邻层的位置关系，确定对复杂结构零件光斑补偿的算法。

相比于目前普遍采用的固定光斑补偿值，本发明放弃提前设置固定光斑补偿值的方法，而采用通过计算机随形计算光斑补偿，同步进行毛坯成形的方法。

本发明在现有光斑补偿设置方法的基础上，通过调整在零件成形过程中不同位置光斑补偿值，消除由于零件结构特征导致的移动熔池形态波动而造成的尺寸精度偏差。其核心是通过随形调整光斑补偿值，进一步提高毛坯成形尺寸精度，需要注意的是随形调整策略与成形过程摆放方向密切相关。

综上所述，本发明提高激光选区熔化成形复杂结构零件尺寸精度的方法在传统光斑补偿设置方法的基础上，提出了根据结构特征光斑补偿动态调整方法。

与现有工艺方法相比，主要优势在于提升毛坯成形尺寸精度，对于非加工面意义尤其重要，特别是对具有复杂内部结构的零件，可以有效提升零件毛坯精度，降低由于熔池形态波动导致的尺寸精度偏差，对于难以进行后处理加工位置意义尤其重要，对推广激光选区熔化技术在航空航天等领域的工程化应用具有现实意义。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种提高激光选区熔化成形复杂结构零件尺寸精度的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤S₁、建立数据库及最优值算法；

步骤S₂、通过计算机随形计算光斑补偿值；

步骤S₃、生成扫描路径；

步骤S₄、执行扫描路径；

步骤S₅、零件毛坯成形结束后进行后续处理加工工序，直至零件最终交付验收；

所述步骤S₁中建立数据库的方法包括：设置正交试验，分别测量不同影响因素变化导致尺寸精度的变化情况；最终通过试验总计确定不同影响因素对理论最优光斑补偿值的影响程度，形成数据库；

所述影响因素包括切片法向壁厚、上表皮/下表皮、轮廓前烧结/后烧结。

2.如权利要求1所述的提高激光选区熔化成形复杂结构零件尺寸精度的方法，其特征在于，所述方法获得如下计算公式：

其中，r表示理论最优光斑补偿，A_i表示第i个影响因素，p_i表示第i个影响因素对r的影响程度。

3.如权利要求1所述的提高激光选区熔化成形复杂结构零件尺寸精度的方法，其特征在于，所述步骤S₂包括：当设备软件具备光斑补偿计算功能时，根据所述步骤S₁获得的数据库，由计算机自动对切片后的零件逐层计算理论最优光斑补偿值；

当设备软件不具备光斑补偿计算功能时，可采用手动分割方式，将单一的零件拆分为多个部分。

4.如权利要求3所述的提高激光选区熔化成形复杂结构零件尺寸精度的方法，其特征在于，所述步骤S₃针对所述步骤S₂计算出来的光斑补偿值，由计算机自动获得完整的扫描路径，或者分别计算各个部分的扫描路径。

5.如权利要求3所述的提高激光选区熔化成形复杂结构零件尺寸精度的方法，其特征在于，所述步骤S₄针对所述步骤S₂计算出来的光斑补偿值，通过光路调整机构，按照既定的扫描路径进行扫描；

或者，首先根据零件拆分后结构定位特征，并按照既定的搭接量进行零件摆放，然后各部分按照既定的扫描路径分别进行扫描。

6.如权利要求1所述的提高激光选区熔化成形复杂结构零件尺寸精度的方法，其特征在于，所述步骤S₅中的后续处理加工工序包括去支撑、线切割、去应力热处理、热等静压或尺寸检测。

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