CN114951706A - 激光选区熔化智能铺粉方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光选区熔化智能铺粉方法及其系统，属于增材制造领域，其包括:在打印机的铺粉平台侧面搭建移动监测平台，实时监测铺粉过程的动态休止角，并将监测信息传输给与之连接的中央处理器；基于神经网络搭建打印件打印过程中的铺粉工艺数据库，构建铺粉参数—休止角—铺粉致密度之间的映射关系，设定打印过程中的参考铺粉致密度，根据中央处理器接收的铺粉休止角信息，动态实时调整铺粉参数，提升粉床堆积质量；其中，铺粉参数包括铺粉速度和铺粉层厚。智能预测铺粉质量并对粉末塌陷主动干预的方法，基于铺粉过程的实时监测与动态反馈，实时改善铺粉质量。

Description

激光选区熔化智能铺粉方法及其系统

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，具体涉及激光选区熔化智能铺粉方法及其系统。

背景技术

金属增材制造作为一种将金属粉末等原材料直接打印为零件的直接成形工艺，在航空航天、汽车船舶、微纳制造、生物医学工程等领域具有极高的应用价值，已成为当前研究的热点。目前常见的金属增材制造方式有两种：一种是铺粉式，较为常见的是激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)；另一种是送粉式，较为常见的是激光近净成形(LaserEngineered Net Shaping,LENS)。较激光近净成形而言，激光选区熔化的成形精度更高，但是成形效率不高，无法成形大尺寸零件，这严重制约了激光选区熔化在高端大尺寸装备上的进一步应用。限制其打印尺寸的重要桎梏在于铺粉过程中粉床的堆积质量无法得到保证，在铺粉过程中由于粉末之间的相互作用以及打印机腔体内部流场的干扰，可能会造成粉体崩溃，同时由于刮板铺粉速度过快，容易出现粉末飞溅，污染打印机腔体，对打印的可靠性带来严重威胁。因此，针对大尺寸零件激光选区熔化快速可靠铺粉的需求，亟需开发新型铺粉系统，以抑制粉末飞溅、预防粉堆塌陷、提高铺粉致密度。

目前针对铺粉质量不可控问题的普遍方法是在铺粉时层层检测，如专利《一种铺粉控制方法及其增材制造设备》就是对铺粉时的图像进行插值来判断是否需要重新铺粉，而专利《一种铺粉质量检测方法、设备以及可读存储介质》则是通过更为复杂的方式对图像像素点进行对比来实现检测，但是这些专利都仅仅是专注于铺完一层粉后进行检测，其应对方法均为重新铺粉，这一做法虽然能够有效降低缺陷率，但不能够主动预防粉堆塌陷，极为耗时耗力，难以满足大尺寸零件快速激光增材制造的需求。而对于粉末飞溅的抑制手段，国内相关专利较少，相关专利《抑制粉床电子束3D打印粉末飞溅的方法》通过电子束预热粉末及预设区域的方法，该方法太过复杂，工艺重复性难以保证。

因此，实有必要设计一种激光选区熔化智能铺粉方法及其系统，以克服上述问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种激光选区熔化智能铺粉方法，该方法能够根据休止角监测信息自适应反馈调整铺粉参数以改善铺粉质量。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种激光选区熔化智能铺粉方法，包括如下步骤：

在打印机的铺粉平台侧面搭建移动监测平台，实时监测铺粉过程的动态休止角，并将监测信息传输给与之连接的中央处理器；

基于神经网络搭建打印件打印过程中的铺粉工艺数据库，构建铺粉参数—休止角—铺粉致密度之间的映射关系，设定打印过程中的参考铺粉致密度，根据中央处理器接收的铺粉休止角信息，动态实时调整铺粉参数，提升粉床堆积质量；其中，铺粉参数包括铺粉速度和铺粉层厚。

优选地，在打印机腔体内的刮板侧翼安装收集腔，收集刮板周围飞溅的粉末，用于控制打印机腔体内部的颗粒污染。

优选地，收集腔可折叠安装在刮板侧翼，其中，收集腔为随着远离粉层逐渐变大的三角形。

优选地，在打印机腔体内的刮板上安装电磁发生装置，以对粉堆进行电磁扰动，使粉末产生静电吸附，提升粉堆质量，避免粉末塌陷。

优选地，电磁发生装置为非接触式磁致伸缩电磁发生装置，振幅为10—15μm，频率为10—15kHz。

优选地，在铺粉作业前，对打印件进行三维建模，根据铺粉层厚对三维模型进行分层处理并完成单层路径规划；在设置铺粉参数后，开启移动监测平台及铺粉机构，根据上述规划的单层路径进行逐层铺粉作业；其中，当粉层的休止角处在安全范围内时，按照当前所设铺粉参数继续铺粉，当休止角处在危险范围内时，根据铺粉参数—休止角—铺粉致密度映射关系，实时调整铺粉参数,以使得休止角处在安全范围内。

具体的，铺粉参数的设置，特别是铺粉层厚需要依据分层的几何模型进行设置；并且，在实际打印过程中，工控机内部存储着适当范围的休止角—铺粉致密度的映射；即可以根据这个休止角预估出现在这样的铺粉参数下的铺粉致密度。当休止角不在这个范围，比如过大时，根据休止角—铺粉致密度映射关系，预测的铺粉致密度不合适，再通过铺粉参数—铺粉致密度的映射关系，反推合适的铺粉参数，比如调整铺粉速度。

优选地，移动监测平台包括移动机构及安装在移动机构上且用于对休止角进行监测的监测设备，移动机构能满足铺粉时的同向移动以及打印件堆积过程的高度方向移动；即移动机构至少有两个方向移动自由度，监测设备可为高速CCD相机。

优选地，休止角的调整策略由基于神经网络构建的铺粉参数—休止角—铺粉致密度映射关系预测模型决定。

优选地，构建映射关系预测模型包括如下步骤：

(1)、确定目标数据为铺粉致密度；

(2)、通过预实验，收集多组不同铺粉参数下的休止角与铺粉致密度；

(3)、将步骤(2)收集的数据集划分为训练集与测试集，并设置训练集与测试集的比例，优选为4:1；

(4)、将训练数据集输入至1×1神经网络中，确定损失函数，进行模型映射，并得到最终预测数值；

其中，映射就是得到一个映射函数，这个函数可以拟合铺粉参数—休止角—铺粉致密度，得到这个函数关系后，基于测试集的相关铺粉参数和休止角，根据拟合得到的函数关系拟合得到最终预测的铺粉致密度，即最终预测数值；

(5)、对比最终预测数值与测试集的数据，判断预测精度；

其中，预测精度为最终预测数值(即铺粉致密度的预测值)和测试集中铺粉致密度的测试值之间的比例；

(6)、当预测精度满足要求时，确定铺粉参数，即铺粉速度与铺粉层厚。其中，预测精度达到95％以上即为满足要求；

优选地，铺粉速度0.5—10m/s，铺粉层厚20—30μm。

优选地，铺粉致密度范围为97.5％—99.8％，休止角为30°—60°。

一种激光选区熔化智能铺粉系统，包括：打印机腔体、刮板、电磁发生装置、收集腔、基板、移动监测平台和中央处理器；

基板位于打印机腔体内，刮板设置在基板上方，用于收集刮板周围飞溅粉末的收集腔安装在刮板侧翼；

电磁发生装置安装在刮板顶端，移动监测平台包括移动机构及监测设备，移动机构安装在打印机腔体一侧，监测设备移动安装在移动机构上，用于实时监测铺粉过程的动态休止角，并且监测设备将监测信息传输给与之连接的中央处理器；

所述激光选区熔化智能铺粉系统用于实现上述任一所述激光选区熔化智能铺粉方法中的步骤。

优选地，刮板两侧翼均铰接有收集腔。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明针对激光选区熔化铺粉工艺，通过改进刮板结构，防止飞溅颗粒的污染；引入电磁场，增加颗粒间黏附力，防止溃粉；基于机器视觉对铺粉过程的休止角进行实时监测与动态反馈，可在铺粉过程中评估铺粉致密度；基于机器学习神经网络建立铺粉参数—休止角—铺粉致密度映射关系，根据休止角监测信息自适应反馈调整铺粉参数以改善铺粉质量。

附图说明

图1为本发明实施例的激光选区熔化智能铺粉系统的结构示意图；

图2为本发明实施例的粉末颗粒受力示意图；

图3为本发明实施例的粉末休止角示意图；

图4为本发明实施例的构建神经网络预测模型流程图；

其中，1、电磁发生装置，2、收集腔，3、刮板，4、粉末颗粒，5、打印机腔体，6、基板，7、移动机构，8、高速CCD相机。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

本发明这种耐盐性的根际促生细菌的筛选方法，包括以下步骤：

如图1至3所示，本实施例提供的一种激光选区熔化智能铺粉系统，包括：打印机腔体1、刮板3、电磁发生装置1、收集腔2、基板6、移动监测平台和中央处理器。

其中，基板6位于打印机腔体1内，刮板3设置在基板6上方，用于收集刮板3周围飞溅粉末的收集腔2安装在刮板3侧翼。且刮板3两侧翼均通过铰链铰接有收集腔2，其特征尺寸与刮板3尺寸以及铺粉参数相关，常规结构为三角板结构，内部包含收集粉末的腔体。电磁发生装置1安装在刮板3顶端，对粉堆进行电磁扰动，通过洛伦兹力的作用使粉末颗粒4产生静电吸附，提升粉堆质量，同时防止铺粉过程中由于铺粉速度过快导致的溃粉。电磁发生装置1选用非接触式磁致伸缩电磁发生装置1。

同时，在铺粉平台侧面搭建移动监测平台，包括移动机构8及安装在移动机构8上的监测设备，本实施例中监测设备为高速CCD相机，移动机构7安装在打印机腔体1一侧，高速CCD相机8移动安装在移动机构7上，用于实时监测铺粉过程的动态休止角，高速CCD相机8将监测信息传输给与之连接的中央处理器，根据中央处理器接收的铺粉休止角信息，自适应动态实时调整铺粉参数，从而调整铺粉致密度、提升粉床堆积质量。为了实时监测的高效稳定性，在打印机腔体1侧面采用玻璃材质，移动机构7具有两个自由度，能满足铺粉时的同向移动以及零件即打印机堆积过程的高度方向移动，即移动机构7选用两轴运动平台，满足“逐层铺粉、逐层监测”的需求。同时，高速CCD相机8需实现高速铺粉时粉末状态动态捕捉，采样频率达10000帧/秒。

为了提高铺粉质量，通过安装在刮板3侧翼的可折叠收集腔2，收集刮板3周围飞溅的粉末，以控制打印机腔体1内部的颗粒污染；通过安装在刮板3顶端的电磁发生装置1，对粉堆进行电磁扰动，使粉末产生静电吸附，防止溃粉；且在铺粉平台侧面搭建移动监测平台，通过高速CCD相机8实时监测铺粉过程的动态休止角；基于神经网络搭建打印件铺粉打印过程中铺粉工艺数据库，通过铺粉参数—休止角—铺粉致密度的映射关系，根据铺粉休止角信息，自适应动态实时调整铺粉参数，提升粉床堆积质量。

在铺粉过程中，通过安装在打印机腔体1侧方的高速CCD相机8对粉末休止角进行在线监测，根据在线监控信息与搭建的铺粉工艺数据库调整铺粉参数与电磁发生装置1的参数。

本发明利用收集腔2收集飞溅颗粒，防止粉床与打印机腔体1污染。同时，使用电磁感应装置对颗粒进行处理，通过控制电磁装置产生的洛伦兹力增加颗粒之间的吸附。通过在打印机腔体1侧面搭建视觉传感平台，使用高速CCD相机8对铺粉过程的休止角进行动态监测，并以此作为调控依据。此外，还发现通过DOE(Design of Experiment)方法难以准确寻找铺粉参数—休止角—铺粉质量之间的关联，因此，本发明还引入了人工智能的方法，基于1×1可逆神经网络构建铺粉参数与铺粉质量之间的关联。通过智能铺粉系统，最大限度地提升铺粉过程的可靠性，最终有效降低打印件的孔隙率，增强打印件使用性能。

本发明提供的激光选区熔化智能铺粉方法，包含以下步骤：

S1：基于计算机辅助制造建立打印件的几何模型，对模型进行分层处理并完成单层路径规划；

S2：在打印机刮板3侧面安装收集腔2，收集腔2与刮板3之间通过铰链连接；在打印机腔体1侧面搭建移动机构7，在移动机构7上安装高速CCD相机8；准备激光粉末床熔融所用的金属粉末材料，将制备好的干燥混合均匀的金属粉末材料倒入粉缸中；将打磨、清洗和吹干后的基板6固定在打印机腔体1内。

S3：打开气泵，通过气体通道向打印机腔体1中以0.8—1m/s的流速通入保护气体；打开激光器，通过激光器对基板6进行预热；

S4：基于1×1可逆神经网络构建铺粉参数与铺粉质量之间的映射关系预测模型，如图4，具体步骤如下：

S4.1：确定目标数据为铺粉致密度；

S4.2：通过预实验，收集30组(一般为100组以内，其他实施例中可优选30—60组)不同铺粉参数下的休止角与铺粉致密度；

S4.3：将步骤S4.2中收集的铺粉参数—休止角—致密度的数据集划分为训练集与测试集，训练集与测试集的比例设置为8:2，即训练集24组，测试集6组；

S4.4：将训练数据集输入1×1神经网络中，确定损失函数，进行模型映射，并得到最终预测数值；其中，映射就是得到一个映射函数，这个函数可以拟合铺粉参数—休止角—铺粉致密度，得到这个函数关系后，基于测试集的相关铺粉参数和休止角，根据拟合得到的函数关系拟合得到最终预测的铺粉致密度，即最终预测数值；

S4.5：对比最终预测数值与测试集的数据，判断预测精度，本实施例中，预测精度为最终预测数值(即铺粉致密度的预测值)和测试集中铺粉致密度的测试值之间的比例；其他实施例中可采用其他方式判断预测精度；

S4.6：当预测精度满足要求时，确定铺粉参数，如铺粉速度与铺粉层厚；其中，本实施例中预测精度达到95％以上即为满足要求；

S5：根据步骤S4预测的铺粉参数(包括铺粉速度、铺粉层厚等)以及步骤S1中规划的单层路径进行逐层铺粉作业；其中，铺粉速度为0.5m/s，铺粉层厚为30μm。

S6：开启铺粉机构，启用收集腔2，开启移动机构7，启用高速CCD相机8监测铺粉过程中的休止角；其中，电磁发生装置1振幅为10～15μm，频率为10～15kHz，移动机构7的运动方向与铺粉方向一致，高速CCD相机8帧数大于3000帧/秒；

S7：在铺粉过程中，根据高速CCD相机实时监测到的休止角动态调整铺粉参数，直至打印完成；

S8：当步骤S6中监测的休止角异常时，调用步骤S4的映射关系预测模型，根据实时休止角动态调整铺粉参数，使休止角回复到安全范围；比如监测到的休止角过大时，根据铺粉参数—休止角—铺粉致密度的映射关系预测模型，可减小铺粉速度，从而将休止角调整回合适范围，以提升铺粉工艺的可靠性。

按上述方案，自适应改善铺粉质量，设计并制造打印件。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种激光选区熔化智能铺粉方法，其特征在于：

在打印机的铺粉平台侧面搭建移动监测平台，实时监测铺粉过程的动态休止角，并将监测信息传输给与之连接的中央处理器；

基于神经网络搭建打印件打印过程中的铺粉工艺数据库，构建铺粉参数—休止角—铺粉致密度之间的映射关系，设定打印过程中的参考铺粉致密度，根据中央处理器接收的铺粉休止角信息，动态实时调整铺粉参数，提升粉床堆积质量；其中，铺粉参数包括铺粉速度和铺粉层厚。

2.如权利要求1中所述激光选区熔化智能铺粉方法，其特征在于：在打印机腔体内的刮板侧翼安装收集腔，收集刮板周围飞溅的粉末，用于控制打印机腔体内部的颗粒污染。

3.如权利要求2中所述激光选区熔化智能铺粉方法，其特征在于：收集腔可折叠安装在刮板侧翼，其中，收集腔为随着远离粉层逐渐变大的三角形。

4.如权利要求1中所述激光选区熔化智能铺粉方法，其特征在于：在打印机腔体内的刮板上安装电磁发生装置，以对粉堆进行电磁扰动，使粉末产生静电吸附，提升粉堆质量。

5.如权利要求4中所述激光选区熔化智能铺粉方法，其特征在于：电磁发生装置为非接触式磁致伸缩电磁发生装置，振幅为10—15μm，频率为10—15kHz。

6.如权利要求1中所述激光选区熔化智能铺粉方法，其特征在于：在铺粉作业前，对打印件进行三维建模，根据铺粉层厚对三维模型进行分层处理并完成单层路径规划；在设置铺粉参数后，开启移动监测平台及铺粉机构，根据上述规划的单层路径进行逐层铺粉作业；其中，当粉层的休止角处在安全范围内时，按照当前所设铺粉参数继续铺粉；当休止角处在危险范围内时，根据铺粉参数—休止角—铺粉致密度映射关系，实时调整铺粉参数,以使得休止角处在安全范围内。

7.如权利要求6中所述激光选区熔化智能铺粉方法，其特征在于：移动监测平台包括移动机构及安装在移动机构上且用于对休止角进行监测的监测设备，移动机构能满足铺粉时的同向移动以及打印件堆积过程的高度方向移动。

8.如权利要求1中所述激光选区熔化智能铺粉方法，其特征在于：休止角的调整策略由基于神经网络构建的铺粉参数—休止角—铺粉致密度映射关系预测模型决定。

9.如权利要求8中所述激光选区熔化智能铺粉方法，其特征在于：构建映射关系预测模型包括如下步骤：

(1)、确定目标数据为铺粉致密度；

(2)、通过预实验，收集多组不同铺粉参数下的休止角与铺粉致密度；

(3)、将步骤(2)收集的数据集划分为训练集与测试集，并设置训练集与测试集的比例；

(4)、将训练数据集输入至神经网络中，确定损失函数，进行模型映射，并得到最终预测数值；

(5)、对比最终预测数值与测试集的数据，判断预测精度；

(6)、当预测精度满足要求时，确定铺粉参数，即铺粉速度与铺粉层厚。

10.一种激光选区熔化智能铺粉系统，其特征在于，包括：打印机腔体、刮板、电磁发生装置、收集腔、基板、移动监测平台和中央处理器；

基板位于打印机腔体内，刮板设置在基板上方，用于收集刮板周围飞溅粉末的收集腔安装在刮板侧翼；

电磁发生装置安装在刮板顶端，移动监测平台包括移动机构及监测设备，移动机构安装在打印机腔体一侧，监测设备移动安装在移动机构上，用于实时监测铺粉过程的动态休止角，并且监测设备将监测信息传输给与之连接的中央处理器；

所述激光选区熔化智能铺粉系统用于实现如权利要求1—9中任一所述激光选区熔化智能铺粉方法中的步骤。

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