[发明专利]一种激光增材制造中的扫描点温度预测控制方法

说明书

本发明公开了一种激光增材制造中的扫描点温度预测控制方法，包括：在零件成形扫描过程中，实时采集成形表面温度图像，并将当前层所有图像的扫描点温度根据其位置绘制成该层扫描点温度集合图像，重复上述过程得到连续若干层的扫描点温度集合图像；利用得到的多张图像预测得到下一层的预测扫描点温度集合图像；利用开始扫描下一层前的准备时间，对预测扫描点温度集合图像进行子区域划分，然后根据结果对成形表面进行成形子区域划分；当进行下一层扫描时，根据上述划分结果，在各成形子区域采用对应等级的激光功率进行扫描；重复上述步骤，完成零件的制作。能够使扫描点温度保持稳定，减少零件热应力、热变形和缺陷，提高零件的精度和力学性能。

技术领域

本发明属于激光增材制造技术领域，涉及一种激光增材制造中的扫描点温度预测控制方法。

背景技术

激光粉末床增材制造是最主要的激光增材制造技术之一，又被称为激光3D打印。该技术能够在无需任何模具和工装的条件下，根据零件数字模型，通过振镜驱动激光束在粉床上高速扫描使粉末材料快速熔化/烧结，并逐层堆积，实现复杂零件的成形制造，具有制造周期短、材料利用率高(90％以上)、工艺柔性高的独特优势，在航空航天、国防装备、汽车制造、生物医疗等领域具有广泛的应用前景，受到世界各国的高度重视。激光粉末床增材制造包括激光选区熔化(SLM)、激光选区烧结(SLS)两种工艺方法。在SLM和SLS工艺中，激光束在粉床表面的扫描点分别称为熔池和激光烧结点。扫描点温度是影响激光增材制造零件成形质量最重要的因素之一。在成形精度方面，扫描点温度波动会引起单道宽度的变化，从而影响零件尺寸精度。在材质质量方面，扫描点温度过高会导致表面烧蚀、扫描点附近温度梯度过大，而过大的温度梯度会引起内应力过大，成形零件易出现变形、开裂等宏观缺陷；扫描点温度过低会导致粉末熔化不充分，零件内部易出现裂纹、气孔等微小缺陷。宏观缺陷可直接使零件报废，内部微小缺陷将使零件的力学性能显著降低。因此，对激光扫描点温度进行检测、分析与控制，降低扫描点温度波动，以减小零件热应力、热变形，减少缺陷，对提高增材制造零件的成形精度和力学性能，具有重要的意义。但在激光粉末床增材制造中，扫描点随着激光束在成形表面高速移动(激光束扫描速度通常可达1000mm/s以上，德国solution公司125成形机最大扫描速度可高达10000mm/s)，由于测温仪器的测温响应时间导致的反馈控制滞后效应，当根据检测出的成形表面某处的扫描点温度波动情况做出激光功率反馈调节时，激光束早已扫描至远离该处的其它位置。因此，直接进行扫描点温度闭环反馈控制难以满足激光束在粉末床表面成形扫描的要求。建立适应激光束高速扫描需要的扫描点温度在线检测分析与控制方法，已成为激光增材制造领域需要迫切解决的瓶颈问题之一。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光增材制造中的扫描点温度预测控制方法，解决了现有的激光粉末床增材制造设备无法进行扫描点温度在线闭环反馈控制的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种激光增材制造中的扫描点温度预测控制方法，包括以下步骤：

步骤1、在零件成形扫描过程中，实时采集当前层的成形表面温度图像，并将当前层所有成形表面温度图像的扫描点温度根据其位置汇集起来，绘制成一张该层扫描点温度集合图像，重复上述过程得到连续若干层的扫描点温度集合图像；扫描点包括SLM熔池或者SLS激光烧结点；

步骤2、利用连续若干层的层扫描点温度集合图像预测得到下一层的预测扫描点温度集合图像；

步骤3、利用开始扫描下一层前的准备时间，对预测扫描点温度集合图像进行子区域划分，然后根据图像子区域划分结果对成形表面进行对应的成形子区域划分，并计算各成形子区域的激光扫描点坐标；

步骤4、当进行下一层成形扫描时，根据成形子区域划分结果，在各成形子区域分别采用对应等级的激光功率进行扫描，直至整层全部扫描完成；

步骤5、重复步骤1-4，直至完成整个零件的成形制作。

本发明的特点还在于：

步骤1具体过程为：