[发明专利]一种用于多激光SLM成形装置的负载均衡扫描成形方法

说明书

本发明属于增材制造相关技术领域，并公开了一种用于多激光SLM成形装置的负载均衡扫描成形方法，包括：(a)针对作为待加工对象的零部件，构建对应的三维模型，并对该模型执行分层切片及离散处理，由此获得每一个离散层的模型轮廓；(b)依照一定的算法，在每两个相邻振镜扫描区的中间重叠区域中找出优化分割线；(c)对完成优化分割后的各个区域实施路径规划和填充，由此完成整体的负载均衡扫描成形过程。通过本发明，可有效解决当前多激光SLM成型设备加工中存在的振镜组工作效率低、温度场分布不均、多激光搭界区域性能恶化等问题，同时具备高效率、高质量和便于操控等特点，因而尤其适用于各类具备复杂内部构造的大型尺寸工件制造应用场合。

技术领域

本发明属于增材制造相关技术领域，更具体地，涉及一种用于多激光SLM成形装置的负载均衡扫描成形方法。

背景技术

选择性激光熔化技术(Selective Laser Melting,SLM)是一种金属快速成形方法，其基于快速成型“离散—逐层堆积”的基本思想，使用金属粉末作为加工原材料，按照离散后的三维模型每层的切片形状，在平铺好粉末的基板上利用激光逐层进行扫描成形。成形过程中金属粉末在激光作用下完全熔化后冷却完成冶金结合。由于具备加工周期短、成形质量好、可加工复杂形状机构的金属元件等优点，因此近年来获得了广泛的应用和发展。

目前市面上的选择性激光熔化设备主要使用单激光—振镜系统作为成形光路。然而受限于单振镜系统的工作区域范围，市面上的单激光SLM设备的成型区域仅约250mm×250mm，因此成形工件的尺寸也受到了限制，无法直接加工成形大尺寸零部件。为了解决单激光SLM设备成形工件的尺寸限制问题，CN103071797A提出一种多振镜大幅面选择性激光熔化SLM设备，其中将成形区域划分为四个子区域，每个子区域上设置独立的激光振镜系统，四个激光振镜系统的振镜控制器由中央控制器统一控制。从而可以加工生产出相比于传统设备尺寸扩大四倍的金属工件。此外，CN103658647B提出一种基于四激光双工位的选择性激光熔化设备及加工方法，该设备同样使用四个激光振镜系统，但这四个激光振镜分为两个高功率激光器和两个低功率激光器，每个高功率激光器和低功率激光器组成一组光路系统。然后在移动平台的带动下，两组对称分布的光路系统在两个工位间切换，从而同样将SLM设备的加工范围尺寸扩大四倍。

然而，进一步的研究表明，上述现有技术引入多激光振镜系统后，大尺寸工件模型必然要进行适当的分割，才能将整个模型的扫描任务分解并分派给各个激光振镜系统，让独立的激光振镜系统在中央控制器的调控下完成各自的部分模型扫描任务。也就是说，现有技术仍存在以下值得关注的技术缺陷或不足：一方面，现有技术中的多激光SLM成形设备关于三维模型的分割通常是一种平均分割，仅仅是简单地将模型按照各个激光器的位置进行对称地平均分割，然而三维模型的离散平面中待激光熔化的实体区域并不是空间均匀分布的，而往往具备极度的不均匀性(譬如充满了薄壁、曲线柱状支撑等异形结构)，导致每一个振镜扫描区域的待加工实体部分不仅面积差异巨大(如有的区域是空腔，有的是薄壁，而有的则是细小圆柱面，少数区域为实体)，而且温度场分布也会由此极度分布不均，特别在搭界区由于相邻激光振镜扫描系统扫描时间不一致，导致可能出现球化效应加剧甚至加工失败等情况。另一方面，现有技术中仅仅提出了有关对SLM设备的机械结构方面的改进，如增加激光振镜系统数目或者将光路系统安装在可移动的平台上，来取得工件在物理空间中更大的可加工尺寸，但并未涉及到有关工具如何在三维模型空间的处理技术。

相应地，本领域在引入多激光SLM设备理念后，如何将三维模型更为有效、精确地予以分割，并且同时能够保证各个激光振镜系统的工作负载均衡、达到最优效率，正构成本领域亟待解决的关键技术问题所在。

发明内容