CN113927049B - 一种选区激光熔化用风场监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种选区激光熔化用风场监测系统，包括控制台、成形室、风机，成形室两端分别设置进风口和出风口，风机两端分别与进风口和出风口连接形成循环风道，成形室内两侧设置有若干风压传感器和热球风速仪，风压传感器和热球风速仪的信号输出接入控制台，控制台包括依次通过集成线路连接的信号处理模块、计算流体动力学模块、图形处理器和微程序控制器，控制台输出信号控制风机的最优工作频率。本发明提供了一种选区激光熔化用风场监测系统，通过测量风向通道内不同截面的风压及风速，建立风场模型，根据成形位置及扫描形状的不同，实时调节风机频率，提供稳定有效的风场，从而获得成形质量良好的零件。

Description

一种选区激光熔化用风场监测系统
技术领域
本发明属于选区激光熔化制造技术领域，具体涉及一种选区激光熔化用风场监测系统。
背景技术
选择性激光熔化(SLM)技术是一种新型快速成型(Rapid Prototyping)技术。它结合了CAD/CAM、数控、光学及材料科学等技术，以各种纯金属或合金粉末材料作为加工原料，采用中小功率激光器快速、完全熔化选择性金属粉末后，结合快速冷却凝固技术，可以获得非平衡态过饱和固溶体及均匀细小的金相组织，其成型零件致密度近乎100％，机械性能与锻造零件相当。并且，SLM技术具有工艺简单、成型材料范围广泛(单一金属粉末、复合粉末、高熔点难熔合金粉末等)、可以制作出传统工艺方法难以制造的复杂金属零件等特点，已成为目前所有快速成型技术中最具发展前景的技术。
在选择性激光熔化成形过程中，稳定的风场对成形质量有非常重要的影响。当风机频率过低时，难以产生有效的气流将激光与粉末相互作用产生的黑烟及金属蒸汽等离子体吹走，从而使激光的功率损耗较大，并造成熔池形貌不规则从而严重影响成形件的质量和精度，或者将进气口的粉末烧结的黑烟吹散落在靠近出气口的粉层上面影响打印工作；当风机频率过高时，会将已铺平的粉末吹散，影响打印过程，因此选择合理有效的风及频率对成形质量由非常重要的意义。
如公开号为CN109822092A的中国专利提供了一种空间悬浮式成型基板控制的粉末增材制造设备及其方法，设置控制器控制变频器频率值设定鼓风机频率，风速自适应调节控制器将鼓风机各出气口流量调节均匀，并使气流运转形成闭合环流，但其并未考虑成形位置、成形实时形状对风场变化的需求，未考虑风场对复杂零件成形位置、形状变化时的所受到的实际风压风量，存在质量波动，成形零件容易存在缺陷。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种选区激光熔化用风场监测系统，通过测量风向通道内不同截面的风压及风速，建立风场模型，根据成形位置及扫描形状的不同，实时调节风机频率，提供稳定有效的风场，从而获得成形质量良好的零件。
本发明通过以下技术方案得以实现：
一种选区激光熔化用风场监测系统，包括控制台、成形室、风机，成形室两端分别设置进风口和出风口，风机两端分别与进风口和出风口连接形成循环风道，成形室内两侧设置有若干风压传感器和热球风速仪，风压传感器和热球风速仪的信号输出接入控制台，控制台包括依次通过集成线路连接的信号处理模块、计算流体动力学模块、图形处理器和微程序控制器，微程序控制器与风机数据传输连接，来自风压传感器和热球风速仪的信号经信号处理模块处理后，传入计算流体动力学模块对成形室内风场进行模拟，计算流体动力学模块内设置有模型库，模型库包括风机频率、风场模型与成形层切片信息、成形质量的对应关系库，同时图形处理器读取当前成形层的切片形状及扫描矢量，结合模拟的风场信息，与模型库进行对比后，传入微程序控制器进行数据处理，向风机输出最优的工作频率控制信号，根据成形位置及扫描形状的不同，实时调节风机频率，提供稳定有效的风场，既能吹走打印过程中黑烟及金属蒸汽等离子体，又能降低风场对已铺平粉末的影响，实现最优的动态平衡，从而获得成形质量良好的零件，以成形质量为优先指标实现风场的自动控制。
进一步地，所述风压传感器和热球风速仪沿线性交替阵列排列，保证探测面均匀覆盖整个成形区域，实现对风向通道内不同截面的风压及风速监控。
进一步地，所述风压传感器和热球风速仪的阵列间距为5cm～20cm。
优选地，所述风压传感器为差阻式传感器。
所述控制台还包括信号输入接口和信号输出接口，风压传感器和热球风速仪的输出端与信号输入接口数据传输连接，信号输入接口通过集成线路与信号处理模块连接，信号输出接口两端分别通过集成线路与图形处理器和微程序控制器连接。
所述信号处理模块包括风压信号处理模块及气体流速信号处理模块，风压信号处理模块将风压传感器的信号转化处理后传入计算流体动力学模块，气体流速信号处理模块将热球风速仪的信号转化处理后传入计算流体动力学模块。
所述模型库通过在基板上以正方向阵列方式摆放不同尺寸、形状的试样构建成形层切片位置、形状信息，在不同的风机频率下通过实验实测建立风机频率、风场与成形层切片信息及成形质量的对应关系。
优选地，所述试样尺寸为x*10mm*3mm的立方体，x取值为1mm～20mm，设置阵列间距为5cm～20cm。
优选地，所述风机频率范围为35Hz～120Hz。
优选地，所述风机为变频风机。
本发明的有益效果在于：
与现有技术相比，本发明可以实时监测成形室的风场，并根据成形层的切片信息、激光扫描矢量方向，自动调节合适的风机频率，形成有效风场。本发明通过风场模拟结合实验，建立风机频率与不同位置、不同形状的零件成形质量的对应关系，为解决成形过程风场对成形质量及精度的影响提供基础。本发明能以成形质量为优先指标实现风场的自动控制，有效地将黑烟及残渣带离成形面，减少成形过程中风场对激光的影响，质量波动小，得到成形质量良好、精度高的零件。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图中：1-控制台，2-风压传感器，3-热球风速仪，4-进风口，5-出风口，6-风机，7-信号输入接口，8-信号处理模块，9-计算流体动力学模块，10-图形处理器，11-信号输出接口，12-微程序控制器。
具体实施方式
下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
如图1所示，一种选区激光熔化用风场监测系统，包括控制台1、成形室、风机6，成形室两端分别设置进风口4和出风口5，风机6为变频风机，风机6安装在成形室的下方，风机6两端分别与进风口4和出风口5连接形成循环风道，成形室内两侧设置有若干风压传感器2和热球风速仪3，用于在成形过程中测量进风口到出风口间风压分布及气流流速。风压传感器2为差阻式传感器，风压传感器2和热球风速仪3沿线性交替阵列排列，阵列间距为5cm～20cm，保证探测面均匀覆盖整个成形区域，实现对风向通道内不同截面的风压及风速监控，实时调节风机频率，提供稳定有效的风场，从而获得成形质量良好的零件。
所述控制台1包括依次通过集成线路连接的信号输入接口7、信号处理模块8、计算流体动力学模块9、图形处理器10、信号输出接口11和微程序控制器12，风压传感器2和热球风速仪3的输出端与信号输入接口7数据传输连接，微程序控制器12与风机6数据传输连接，零件成形前将位置、形状等信息输入控制台1，成形过程中，来自风压传感器2和热球风速仪3的信号经信号处理模块8处理后，传入计算流体动力学模块9对成形室内风场进行模拟，计算流体动力学模块9内设置有模型库，模型库包括风机频率、风场模型与成形层切片信息、成形质量的对应关系库，同时图形处理器10读取当前成形层的切片形状及扫描矢量，结合模拟的风场信息，与模型库进行对比，经信号输出接口11传入微程序控制器12进行数据处理，向风机6输出最优的工作频率控制信号，根据成形位置及扫描形状的不同，实时调节风机频率，提供稳定有效的风场，既能吹走打印过程中黑烟及金属蒸汽等离子体，又能降低风场对已铺平粉末的影响，实现最优的动态平衡，以成形质量为优先指标实现对风场的动态控制，从而获得成形质量良好的零件。
所述信号处理模块8包括风压信号处理模块及气体流速信号处理模块，风压信号处理模块将风压传感器2的信号转化处理后传入计算流体动力学模块9，气体流速信号处理模块将热球风速仪3的信号转化处理后传入计算流体动力学模块9。
所述模型库通过在基板上以正方向阵列方式摆放不同尺寸、形状的试样构建成形层切片位置、形状信息，试样尺寸为x*10mm*3mm的立方体，x取值为1mm～20mm，设置阵列间距为5cm～20cm，在不同的风机频率下通过实验实测建立风机频率、风场与成形层切片信息及成形质量的对应关系，风机频率范围为35Hz～120Hz。
本发明提供的一种选区激光熔化用风场监测系统，可以实时监测成形室的风场，并根据成形层的切片信息、激光扫描矢量方向，自动调节合适的风机频率，形成有效风场。通过风场模拟结合实验，建立风机频率与不同位置、不同形状的零件成形质量的对应关系，为解决成形过程风场对成形质量及精度的影响提供基础。能以成形质量为优先指标实现风场的自动控制，有效地将黑烟及残渣带离成形面，减少成形过程中风场对激光的影响，质量波动小，得到成形质量良好、精度高的零件。

Claims (9)

1.一种选区激光熔化用风场监测系统，其特征在于：包括控制台(1)、成形室、风机(6)，成形室两端分别设置进风口(4)和出风口(5)，风机(6)两端分别与进风口(4)和出风口(5)连接形成循环风道，成形室内两侧设置有若干风压传感器(2)和热球风速仪(3)，风压传感器(2)和热球风速仪(3)的信号输出接入控制台(1)，控制台(1)包括依次通过集成线路连接的信号处理模块(8)、计算流体动力学模块(9)、图形处理器(10)和微程序控制器(12)，微程序控制器(12)与风机(6)数据传输连接，来自风压传感器(2)和热球风速仪(3)的信号经信号处理模块(8)处理后，传入计算流体动力学模块(9)对成形室内风场进行模拟，计算流体动力学模块(9)内设置有模型库，模型库包括风机频率、风场模型与成形层切片信息、成形质量的对应关系库，同时图形处理器(10)读取当前成形层的切片形状及扫描矢量，结合模拟的风场信息，与模型库进行对比后，传入微程序控制器(12)进行数据处理，向风机(6)输出最优的工作频率控制信号，所述风压传感器(2)和热球风速仪(3)沿线性交替阵列排列。
2.如权利要求1所述的一种选区激光熔化用风场监测系统，其特征在于：所述风压传感器(2)和热球风速仪(3)的阵列间距为5cm～20cm。
3.如权利要求1所述的一种选区激光熔化用风场监测系统，其特征在于：所述风压传感器(2)为差阻式传感器。
4.如权利要求1所述的一种选区激光熔化用风场监测系统，其特征在于：所述控制台(1)还包括信号输入接口(7)和信号输出接口(11)，风压传感器(2)和热球风速仪(3)的输出端与信号输入接口(7)数据传输连接，信号输入接口(7)通过集成线路与信号处理模块(8)连接，信号输出接口(11)两端分别通过集成线路与图形处理器(10)和微程序控制器(12)连接。
5.如权利要求1所述的一种选区激光熔化用风场监测系统，其特征在于：所述信号处理模块(8)包括风压信号处理模块及气体流速信号处理模块，风压信号处理模块将风压传感器(2)的信号转化处理后传入计算流体动力学模块(9)，气体流速信号处理模块将热球风速仪(3)的信号转化处理后传入计算流体动力学模块(9)。
6.如权利要求1所述的一种选区激光熔化用风场监测系统，其特征在于：所述模型库通过在基板上以正方向阵列方式摆放不同尺寸、形状的试样构建成形层切片位置、形状信息，在不同的风机频率下通过实验实测建立风机频率、风场与成形层切片信息及成形质量的对应关系。
7.如权利要求6所述的一种选区激光熔化用风场监测系统，其特征在于：所述试样尺寸为x*10mm*3mm的立方体，x取值为1mm～20mm，设置阵列间距为5cm～20cm。
8.如权利要求6所述的一种选区激光熔化用风场监测系统，其特征在于：所述风机频率范围为35Hz～120Hz。
9.如权利要求1所述的一种选区激光熔化用风场监测系统，其特征在于：所述风机(6)为变频风机。
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