[发明专利]一种激光沉积/超声处理同步增材制造的自适应分层方法

说明书

本发明涉及金属增材制造领域，公开了一种激光沉积/超声处理同步增材制造的自适应分层方法，利用恒力控制以及在线层高测量，动态设置三维模型的各个层的切片厚度，从而达到自适应分层的效果。主要方案包括：利用装配带力控系统的超声处理装置及数控运动机构来确定超声处理工具头的高度。基于恒压控制原理，在线获取超声处理时超声处理工具头的抬升量，并依据此抬升量确定三维模型下一层分层切片时的层高，从而实现自适应分层。本发明方法有效减小了激光沉积/超声处理同步增材过程中模型切片设计层高与实际沉积层厚之间的差异，有助于实现增材制造的近净成形。

技术领域

本发明属于金属材料增材制造领域，具体涉及一种激光沉积/超声处理同步增材制造的自适应分层方法。

背景技术

近年来，增材制造(俗称3D打印)技术的出现为传统制造业的转型升级提供了良好契机。该技术的基本原理是对三维模型进行离散分层，然后通过材料的逐层累积，实现三维模型的近净成形。金属材料增材制造中往往会存在周期性、非稳态的复杂传热、传质现象，由此会引发成形尺寸以及构件性能等多方面的问题。因此，提升增材制造过程中构件形状与性能的一体化控制能力是当前增材制造领域的重要研究任务。近年来，研究人员通过引入附加物理能场，如超声能场、磁场、机械力场等方式，实现了构件的应力调控和微观组织调控，从而有效提升了成形件的综合性能。其中，激光沉积/超声处理同步增材是一种典型的方案，其原理是通过超声处理工具头的静压力和超声装置的超声冲击力，使得材料表面发生反复塑性变形，这种塑性流变一方面促使位于表面“波峰”位置材料填充到“波谷”位置，提升了沉积层的平整度；另一方面降低甚至消除了材料热循环引起的拉应力，促使了晶粒的细碎化，从而提高了工件的抗裂性。

然而，在实际激光沉积/超声处理同步增材制造过程中，热累积效应以及超声处理作用会导致每层实际沉积层的高度存在差异，若按照目前常用的统一预测高度进行原三维模型的分层切片以及切片后的路径规划，很容易引起预测高度与实际沉积高度之间的较大误差，进而导致激光散焦，难以保证最终成形尺寸甚至无法进行连续的增材制造。如授权公告号为CN108481735B公开的一种基于自适应分层切片的结构件外形尺寸控制方法，其下一层的预测高度为前多层的平均高度，因为热累积的原因，通常层厚会逐渐增加，如果采用多层的平均值，数值会小于实际沉积厚度。此外该授权方法所采用的激光、超声等非接触式测距方法在打印激光、等离子羽烟、粉末飞溅、超声振动等实际复杂因素的扰动下会产生较大误差。因此，探索面向激光沉积/超声处理同步增材制造的新型分层切片方法对控形控性而言均十分必要。

发明内容

本发明提供了一种激光沉积/超声处理同步增材制造的自适应分层方法，以解决现有激光沉积/超声处理同步增材制造技术中分层切片和路径规划与实际沉积脱离的问题。

为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：

本发明是一种激光沉积/超声处理同步增材制造的自适应分层方法，步骤如下：

步骤1：利用激光沉积/超声处理同步增材制造系统中的旋转平台调整超声处理装置与激光沉积头之间的相对位置，使得超声处理装置始终位于激光熔池移动方向的后面；

步骤2：利用恒力控制系统，调整超声处理工具头的位置，使得工具头压紧基板，并保持所需的处理压力；

步骤3：依据三维模型的底面轮廓，进行第一层打印路径的规划，并按照第一层打印路径进行打印，打印时采用恒压控制策略，超声处理装置抬升一定高度ΔH₁，此抬升高度ΔH₁通过下位机传递给上位机，上位机进行三维模型的第二层切片，并设置此时的切片高度h₁＝ΔH₁，随后规划第二层的打印路径；