[发明专利]一种新型激光面阵选区熔融增材制造工艺模拟方法

说明书

本发明公开了一种新型激光面阵选区熔融增材制造工艺模拟方法，包括以下步骤：S1.设计点源阵列，所述点源为形成点状光斑的热源；S2.将点源阵列与待曝光图案比对，点亮相关点源形成面状光斑；S3.设置面状光斑的边界条件，加载热源；S4.通过调节相应点源热功率和/或曝光时间，实现调整曝光区域温度分布。本发明可行性强，适用于将数值模拟与实际加工相结合，将模拟作为预测与调参参数优化的辅助手段，有助于面阵工艺的实际面阵曝光实现。

技术领域

本发明涉及增材制造和快速成形领域，具体涉及一种新型激光面阵选区熔融增材制造工艺模拟方法。

背景技术

金属增材制造是增材制造领域一种新型的增材制造方式，主要基于熔化沉积原理。金属熔化沉积多采用电子束或激光作为能量源，其相关工艺方式不断创新与优化，逐渐受到该领域研究人员的重视。传统金属熔化沉积技术中的铺粉式选区激光熔化工艺是增材制造工艺中的典型工艺方法。该工艺具有高精度，短加工周期，成形致密度高，成型质量较好等优势，解决了传统机加工技术难以制备小余量高精密零件、复杂形状零件、小批量或单个生产零件等的制造难题。

但该技术采用逐点扫描方式，在面临大截面熔融时存在扫描时间长，点扫描有先后不同造成的应力分布不均等不足。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：采用逐点扫描方式，在面临大截面熔融时存在扫描时间长，点扫描有先后不同造成的应力分布不均等不足，本发明提供了解决上述问题的一种新型激光面阵选区熔融增材制造工艺模拟方法，该方法可行性强，适用于将数值模拟与实际加工相结合，将模拟作为预测与调参参数优化的辅助手段，有助于面阵工艺的实际面阵曝光实现。

本发明通过下述技术方案实现：

一种新型激光面阵选区熔融增材制造工艺模拟方法，包括以下步骤：

S1.设计点源阵列，所述点源为形成点状光斑的热源；

S2.将点源阵列与待曝光图案比对，点亮相关点源形成面状光斑；

S3.设置面状光斑的边界条件，加载热源；

S4.通过调节相应点源热功率和/或曝光时间，实现调整曝光区域温度分布。通过上述步骤完成的面阵选区曝光工艺，可获取实际面阵熔融可采用的较好工艺参数。

本发明可以将点状光束进行阵列，通过多点高密度阵列方式，实现待加工表面粉末层的面区域熔融，通过选择不同的点源匹配适用于不同的模型图案，通过控制各点源的热功率调控曝光区温度分布，将缩短激光扫描熔融时间，提高加工效率，减少变形，降低研发成本，对于促进激光增材制造的发展和实现高效、高质量增材制造具有重要意义。

使用有限元计算方法进行面光斑温度场数值模拟，设定基材尺寸及其热物性参数，设定高斯热源及参数值。

进一步优选，所述热源采用高斯热源。

进一步优选，所述S1中，设计点源阵列包括设计点源阵列的类型、点源阵列相关参数；所述点源阵列的类型包括方格阵列、六边形阵列和环形阵列；所述点源阵列相关参数包括点源投放的光斑的密度、光斑数量、光斑间距、单光斑热源半径。

点源阵列的硬件设计中，阵列数量可调，阵列类型包括但不限于方格式阵列和六边形阵列，也可采用环形阵列等。其中，方格式阵列每一个点源周围有4个与之最近且等距的点源，称之为均匀点源阵列；六边形阵列每一个点源周围有6个与之最近且等距的点源，称之为非均匀点源阵列。

在设定基板条件下模拟设定的面阵曝光区域，曝光区域大小在仿真步骤可调可选；在该区域投放设定的点阵点光斑，点阵点光斑密度可调、数量可调；各光斑间距设定如0.1mm-1mm，单光斑热源半径设计如50μm-500μm。

进一步优选，所述点源阵列的硬件设计中，阵列板为非球弧面。