[发明专利]一种基于温度均匀性的激光选区熔化实时路径规划方法

说明书

本发明属于増材制造相关技术领域，更具体地，涉及一种基于温度均匀性的激光选区熔化实时路径规划方法。该方法包括步骤：S1对于单个待成形切片层，将该待成形切片层内划分为多个区域，选取初始成形区域；S2对于下一个待成形区域的确定，按照下列方式进行：测量每个未成形区域的温度以及与上一个已经成形区域之间的距离，利用每个未成形区域的温度和距离值构建温度均匀因子的关系式，并计算温度均匀因子，根据温度均匀因子选取其中下一个待成形区域；S3重复步骤S2，直至确定待成形切片层内所有区域的成形。通过本发明，实现对成形路径的实时规划，避免单独根据温度或距离确定下一个待成形区域带来的热应力集中问题，成形精度高。

技术领域

本发明属于増材制造相关技术领域，更具体地，涉及一种基于温度均匀性的激光选区熔化实时路径规划方法。

背景技术

SLM技术的工作原理是利用三维模型离散的层轮廓信息控制高能量激光束来逐层熔化金属粉末，然后层层叠加得到设计人员所设计的任意复杂结构的金属零件。高能量激光束作用区域只有光斑大小的金属粉末，在高度定向的热输入和快速热源的作用下，粉末床局部经历快速的熔化和凝固过程，在光斑区域产生较大的温度梯度和瞬态热应力。如果在成形过程中不能有效控制热量输入，引导并控制局部热应力的累积和残余应力的形成，最后会导致零件微观组织性能下降，进而造成零件翘曲变形、开裂，形成微气孔、微裂纹等冶金缺陷。而高能量激光束在粉末床上的行走路径会直接影响到高温金属熔池的能场与流场，从而影响扫描区域的温度分布与应力分布。因此在激光扫描过程中实时调节各区域温度，均匀成形层温度场，是提高零件成形质量、抑制缺陷的有效策略。

目前，激光选区熔化中的路径规划技术大多为静态路径规划技术，即根据其切片的轮廓信息在加工制造前就完成对扫描路径的填充，虽然有部分路径规划技术，如岛式扫描，考虑到使用随机策略或其他有效规划方法来均匀温度场分布从而提高成形质量，但是在成形全周期过程中实时温度场分布会由多种环境因素交叉影响，无法准确预测真实的加工场景，比如不同粉末材料散热性能不同；不同零件结构存在差异，尤其是大型复杂结构零件切片后相较简单零件其截面轮廓环几何形状变化较大；加工环境、设备情况不同，有加工前预热情况、机器散热性能、甚至加工时气流的大小等情况的差异。因此，为应对上述复杂的加工环境，需要针对实时的温度场变化对激光行走路径做出及时规划，完成过程监控到实际制造的实时响应，同时还需要根据成形层温度变化规律设计出扫描路径的规划准则，实现智能化加工，更直接更有效地调控成形层时间和空间上的温度分布，进而均匀成形层温度场，改善局部应力集中问题。

对于大型复杂零件的加工，有学者研究发现SLM成形中扫描线长度对零件翘曲变形量和残余应力影响较大，扫描线长度的适宜范围为5mm-10mm，因此，在加工大型零件时，分区域扫描的区域划分方法可有效解决该问题；然而，也有相关文献提出不同的动态路径规划技术或分区路径规划：Concept Laser公司提出一种分区随机曝光策略，在一定程度上可以解决热量积聚问题，但其随机性较大；强旭辉等提出一种基于象限引导的伪随机分区路径策略，可均衡温度场分布；AliAhrari等人提出了一种基于多目标优化方法的细胞扫描策略，可减小零件残余应力和变形量。上述分区扫描路径规划一般是综合考虑热影响区的作用、成形腔的散热效果、算法复杂度等影响因素，在一定程度上可减小制件的局部热量积聚和残余应力，但由于扫描路径在成形前就设置好了，相对与打印过程是静态的，不能在成形过程中实时调整，难以应对不同设备工况及零件结构差异等情况；如申请号CN102962452B的专利“基于红外测温图像的金属激光沉积制造扫描路径规划方法”中，通过采用红外热像仪直接测量激光沉积制造层面温度，并基于层面温度分布实现分区扫描路径规划，减小温度梯度和局部热应力集中，提高制造质量，该专利实际上是在每层打印后获得该层的温度分布图来规划下一层的工艺参数及扫描顺序，未能及时调整当前层打印策略，其温度信息具有滞后性，其次，该专利是在每层基于各分区温度，按先低后高的原则，优化分区扫描顺序，未能考虑每一块子区域打印后温度分布的变化规律，从而对扫描策略带来影响，故，本领域亟需一种能根据加工中单个切片层内不同区域温度变化来进行路径实时规划的成形方法。

发明内容