CN112743834A - 一种多激光协同负载激光选区熔化增材制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多激光协同负载激光选区熔化增材制造方法，包括以下步骤：导入零件成型数据至激光选区熔化成型系统；将成型缸的成形区划分为面积相同的四个矩形分区域；按照各个区域内加工任务量从小到大对区域进行编号；对于相邻交叉区域，分配给相邻两个分区域之间区域序号较小的区域的激光束进行；率先完成本分区域及相邻交叉区域的分区域激光束负责完成第五区域成型工作；进行下一层加工成型，直至完成整个零件的成型。本发明通过多激光协同负载方式，并采用大、小光斑多组合成形，在大大提高大尺寸零件的成形效率的同时，还可以保证零件的表面精度，对推动增材制造技术高效率成形大尺寸、高精度、高性能的零件具有重大作用。

Description

一种多激光协同负载激光选区熔化增材制造方法
技术领域
本发明属于増材制造技术领域，具体涉及一种多激光协同负载激光选区熔化增材制造方法。
背景技术
激光选区熔化技术(SLM)是一种通过高能激光使受辐照粉末快速熔化快速凝固而实现成型零件层层成型的增材制造技术。随着激光选区熔化技术应用领域的逐渐广泛，增材制造零件的加工尺寸要求越来越大，目前大部分的小尺寸成型范围的激光选区熔化技术难以满足应用需求。同时，目前的单激光激光选区熔化装备以单激光层层扫描熔化粉末、凝固成形实体的效率有限，难以满足目前批量化生产的需求。另外，采用单一激光由于激光聚焦距离与入射角的差异容易使成型零件中心与边缘区域的组织不均匀、应力分布不均引起变形等问题。另外边缘区域由于聚焦距离偏差容易导致能量密度不足而无法完全熔化粉末，因此而产生孔洞等缺陷，同时其表面质量将与中间区域产生差异。
因此，可采用多激光协同负载成形的方式，大尺寸的零件截面分为多个区域，并由多束激光进行激光选区熔化成形，这将大大提高大尺寸零件成型的效率与质量。但多激光方法中，各个区域及其搭接区域的协同工作及搭接质量保证是多激光成形需要解决的一大问题。另外，针对具有复杂结构的大尺寸零件，往往伴随着精度、成形效率等要求，而目前采用多激光的激光选区熔化成形的方法大多是采用多束同一类型或同一大小光斑的激光束，难以同时保证精度与效率。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出一种多激光协同负载激光选区熔化增材制造方法，通过多激光协同负载方式，并采用大、小光斑多组合成形，在大大提高大尺寸零件的成形效率的同时，还可以保证零件的表面精度，对推动增材制造技术高效率成形大尺寸、高精度、高性能的零件具有重大作用。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种多激光协同负载激光选区熔化增材制造方法，包括以下步骤：
根据零件属性要求，对零件的数据模型进行切片、路径规划处理，并将处理好的数据导入激光选区熔化成型系统；
区域划分，将成型缸的成形区划分为面积相同的四个矩形分区域，且相邻分区域之间交叉形成相邻交叉区域，四个分区域之间交叉形成第五区域；四个分区域的上方分别配置有两组激光束负责成型，每组激光束配备单独的激光器与光路元器件；
区域分配，根据导入数据的当前层的加工数据进行区域分配，按照各个区域内加工任务量从小到大对区域进行编号，任务量最少的区域为第一区域；
动态负载协同，成型过程中，动态分配相邻交叉区域与第五区域的成型工作；
完成当前层全部分区域的加工成型，进行下一层加工成型，重复区域匹配和动态负载协同步骤，直至完成整个零件的成型。
进一步的，所述动态负载协同具体为：
对于相邻交叉区域，当相邻两个分区域中有一分区域的激光束完成本区域的成型工作后，将相邻交叉区域的成型工作分配给该完成成型工作的激光束，若相邻两个分区域的激光束均完成成型工作，由区域序号较小区域的激光束进行相邻交叉区域的成型工作；率先完成本分区域及相邻交叉区域的分区域激光束负责完成第五区域成型工作。
进一步的，所述分区域的范围具体为250mm×250mm至450mm×450mm，全部分区域拼接后范围具体为450mm×450mm至800mm×800mm。
进一步的，所述四个分区域、相邻交叉区域以及第五区域的激光参数与成型策略支持单独设置。
进一步的，所述四个分区域上方的激光束组的组合方式具体为：
两组均为小光斑，并行成型；
两组均为大光斑，并行成型；
两组激光束中一组为小光斑，一组为大光斑，所述小光斑负责扫描轮廓，所述大光斑负责填充实体。
进一步的，所述大光斑采用正离焦方式实现，所述小光斑采用负离焦方式实现。
进一步的，所述任务量具体为激光选区熔化成型的扫描面积、扫描线总长度以及重熔次数，通过考虑成型面积、扫描线总长度、重熔次数、扫描速度以及激光延时参数来计算每一分区域任务所花时间的判定任务量的大小，所花时间越多，任务量越大。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明先对成型区域分成四大区域，使用8组激光束进行并行工作，再进行搭接区域的拼接成型，不仅可以大大提高大尺寸零件的成形效率，还可以避免大面积的直接拼接成形，减少内应力导致的翘曲、变形等。
2、本发明的多激光协同负载方式，可将交叉区域的任务量合理分配给各区域的振镜组，不仅避免交叉区域重复扫描产生较大热应力，还可以提高加工效率。
3、本发明四个分区域上方的2组激光束可采用两组共同小光斑或两组共同大光斑的方式，以满足不同成形材料需要不同激光光斑加工的要求；还可以采用一组大光斑成形实体与一组小光斑扫描轮廓的方式，这不仅在成形大尺寸零件过程有效提高成形效率，还可以保证成形表面精度。
附图说明
图1是本发明方法的流程图；
图2是本发明实施例的示意图；
图3是本发明成型缸的成形区域当第1区域与第2区域对角划分时的示意图；
图4是本发明成型缸的成形区域当第1区域与第3区域对角划分时的示意图；
图5是本发明成型缸的成形区域当第1区域与第4区域对角划分时的示意图；
图6是本发明第1区域内2组激光束均为小光斑的示意图；
图7是本发明第1区域内2组激光束一组为小光斑，另一组为大光斑的示意图；
附图标号说明：1-扫描振镜；2-准直器；3-f-θ镜；4-激光束；5-成型缸的成形区；6-第一区域；7-第二区域；8-第三区域；9-第四区域；10-第五区域；11-相邻交叉区域；12-第一组激光束；13-第二组激光束；14-小光斑扫描轮廓；15-；小光斑填充实体；16-大光斑填充实体。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，本发明，一种多激光协同负载激光选区熔化增材制造方法，包括以下步骤：
S1、根据零件属性要求，对零件的数据模型进行切片、路径规划处理，并将处理好的数据导入激光选区熔化成型系统；
S2、区域划分，将成型缸的成形区5划分为面积相同的四个矩形分区域，且相邻分区域之间交叉形成相邻交叉区域11，四个分区域之间交叉形成第五区域10；四个分区域的上方分别配置有两组激光束4负责成型，共计8组激光束，如图2所示，每组激光束配备单独的激光器与光路元器件，所述光路元器件包括扫描振镜1、准直器2以及f-θ镜3等；
在本实施例中，所述分区域的范围具体为250mm×250mm至450mm×450mm，全部分区域拼接后范围具体为450mm×450mm至800mm×800mm。
S3、区域分配，根据导入数据的当前层的加工数据进行区域分配，按照各个区域内加工任务量从小到大对区域进行编号，任务量最少的区域为第一区域，以此类推，四个分区域的分布情况有24种，具体为第一区域6与第二区域7对角(共8种)，第一区域6与第三区域8对角(共8种)，第一区域6与第四区域9对角(共8种)，详见图3、图4、图5；
S4、动态负载协同，成型过程中，对于相邻交叉区域，当相邻两个分区域中有一分区域的激光束完成本区域的成型工作后，将相邻交叉区域的成型工作分配给该完成成型工作的激光束，若相邻两个分区域的激光束均完成成型工作，由区域序号较小区域(任务量较小区域)的激光束进行相邻交叉区域的成型工作；率先完成本分区域及相邻交叉区域的分区域激光束负责完成第五区域成型工作；
在本实施例中，所述任务量具体为激光选区熔化成型的扫描面积、扫描线总长度以及重熔次数，通过考虑成型面积、扫描线总长度、重熔次数、扫描速度以及激光延时参数来计算每一分区域任务所花时间的判定任务量的大小，所花时间越多，任务量越大。
S5、完成当前层全部分区域的加工成型，进行下一层加工成型，重复步骤S3-S4，直至完成整个零件的成型。
在本实施例中，所述第一至第四区域，相邻交叉区域以及第五区域的激光参数与成形策略可单独设置；对于大尺寸零件，可通过调节各区域的激光参数与成形策略来减少成形时产生的应力。
在本实施例中，所述相邻交叉区域以及第五区域用于减少四大区域板块之间的直接成形拼接产生的较大内应力，从而避免应力造成的翘曲、变形等缺陷。
在本实施例中，所述四个分区域上方的激光束组可以有3种组合方式，分别为：
两组激光同时为小光斑，并行成形，如图6所示，在第一区域6，第一组激光束12为小光斑，进行小光斑扫描轮廓14，第二组激光束13亦为小光斑，进行小光斑填充实体15；
两组激光也可以同时为大光斑，并行成形；
两组激光中一组激光为小光斑，负责扫描轮廓，一组激光为大光斑，负责填充实体，如图7所示，在第一区域6，第一组激光束12为小光斑，进行小光斑扫描轮廓14，第二组激光束13为大光斑，进行大光斑填充实体16；该方式不仅在成形大尺寸零件过程有效提高成形效率，还可以保证成形表面精度。
所述大、小光斑的实现方式有两种，分别为：
采用正或负离焦方式实现大光斑或小光斑；
采用不同类型的激光器，如小光斑激光束采用聚焦模式更好、波长更短的蓝光或绿光激光器，大光斑激光束采用1064nm的光纤激光器。为了避免高斯光斑受热不均匀效应，光斑也可通过激光光束整形器调制成光斑能量分布均匀的平顶光斑。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种多激光协同负载激光选区熔化增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据零件属性要求，对零件的数据模型进行切片、路径规划处理，并将处理好的数据导入激光选区熔化成型系统；
区域划分，将成型缸的成形区划分为面积相同的四个矩形分区域，且相邻分区域之间交叉形成相邻交叉区域，四个分区域之间交叉形成第五区域；四个分区域的上方分别配置有两组激光束负责成型，每组激光束配备单独的激光器与光路元器件；
区域分配，根据导入数据的当前层的加工数据进行区域分配，按照各个区域内加工任务量从小到大对区域进行编号，任务量最少的区域为第一区域；
动态负载协同，成型过程中，动态分配相邻交叉区域与第五区域的成型工作；
完成当前层全部分区域的加工成型，进行下一层加工成型，重复区域匹配和动态负载协同步骤，直至完成整个零件的成型。
2.根据权利要求1所述的一种多激光协同负载激光选区熔化增材制造方法，其特征在于，所述动态负载协同具体为：
对于相邻交叉区域，当相邻两个分区域中有一分区域的激光束完成本区域的成型工作后，将相邻交叉区域的成型工作分配给该完成成型工作的激光束，若相邻两个分区域的激光束均完成成型工作，由区域序号较小区域的激光束进行相邻交叉区域的成型工作；率先完成本分区域及相邻交叉区域的分区域激光束负责完成第五区域成型工作。
3.根据权利要求1所述的一种多激光协同负载激光选区熔化增材制造方法，其特征在于，所述分区域的范围具体为250mm×250mm至450mm×450mm，全部分区域拼接后范围具体为450mm×450mm至800mm×800mm。
4.根据权利要求1所述的一种多激光协同负载激光选区熔化增材制造方法，其特征在于，所述四个分区域、相邻交叉区域以及第五区域的激光参数与成型策略支持单独设置。
5.根据权利要求1所述的一种多激光协同负载激光选区熔化增材制造方法，其特征在于，所述四个分区域上方的激光束组的组合方式具体为：
两组均为小光斑，并行成型；
两组均为大光斑，并行成型；
两组激光束中一组为小光斑，一组为大光斑，所述小光斑负责扫描轮廓，所述大光斑负责填充实体。
6.根据权利要求5所述的一种多激光协同负载激光选区熔化增材制造方法，其特征在于，所述大光斑采用正离焦方式实现，所述小光斑采用负离焦方式实现。
7.根据权利要求1所述的一种多激光协同负载激光选区熔化增材制造方法，其特征在于，所述任务量具体为激光选区熔化成型的扫描面积、扫描线总长度以及重熔次数，通过考虑成型面积、扫描线总长度、重熔次数、扫描速度以及激光延时参数来计算每一分区域任务所花时间的判定任务量的大小，所花时间越多，任务量越大。
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