一种金属材料激光3D打印原位预热温度的控制方法与流程

：本发明涉及激光快速成形技术及其预热温度的控制领域，具体涉及一种金属材料激光3D打印原位预热温度的控制方法。

背景技术：
：3D打印作为一种具有广阔发展前景的制造技术，在全球范围内均得到了广泛关注。除部分塑性或可焊性较好的金属材料以外，金属材料的激光3D打印技术迄今未取得广泛应用。原因在于金属材料一般具有较高的强度，在3D打印过程中易产生较大的内应力。金属材料打印时在应力作用下易开裂。与焊接过程类似，对金属材料的预热在3D打印过程中可以有效抑制开裂。因而已经发展出电阻加热、感应加热等预热工艺。但这种传统的预热手段对激光设备的散热能力要求苛刻，要想实现上千摄氏度的预热温度十分困难。

技术实现要素：
：本发明的目的在于提供一种金属材料激光3D打印原位预热温度的控制方法，该方法可行性强，实施简单，通过计算模拟辅助可以大幅度降低实验成本，适用于各种金属材料。本发明的技术方案是：一种金属材料激光3D打印原位预热温度的控制方法，该方法是在采用激光3D打印技术成形金属材料零件过程中，通过计算模拟给出成形过程中的工艺参数，各工艺参数的耦合调整能够改变热输入以及热散失，从而控制成形过程中零件处于所需的预热温度；所述成形过程中的工艺参数是指边界条件、激光功率、激光扫描速度、激光光斑大小和激光开光间歇时间。该控制方法具体包括如下步骤：(a)根据所需制备零件的总高度H，将零件打印过程分为m个阶段，对各个阶段相应的工艺参数进行求解；设1≤i≤m，打印零件的高度介于[H(i-1)/m，Hi/m]区间时，零件打印处于第i阶段，将Hi/m高度时的零件形状尺寸用于代表第i阶段(即第i阶段零件的形状尺寸按不变化处理)，并根据此时零件的形状尺寸求解出第i阶段的工艺参数；(b)当i＝1时，即打印处于第1阶段，此时零件尚未达到指定温度；所以在进行第1打印阶段之前，应该不加金属粉末，使用第1阶段的工艺参数预热到所需预热温度，然后采用第1阶段的工艺参数进行打印；第1阶段打印完成后采用第2阶段的工艺参数打印，依次进行，直到第m阶段完成打印。上述步骤(a)中，根据第i阶段零件的形状尺寸(即Hi/m高度时的零件形状尺寸)求解出第i阶段工艺参数的过程如下：(1)3D打印过程进行到第i阶段，根据第i阶段的零件形状尺寸，确定其扫描路径；(2)给出第i阶段零件打印的工艺参数初始值，若部分工艺参数必须采用定值则直接赋值，在步骤(4)的迭代计算中不予调整；除固定赋值以外的工艺参数，均选择初始值用于迭代计算；初始值可以根据实验经验确定或者通过近似计算予以确定；(3)定义工艺参数的表示符号：B代表边界条件，B的值增加表示有利于提高零件温度；P代表激光功率，V代表激光扫描速度，r代表激光光斑半径，Dt代表激光间歇时间；T零件代表零件第i阶段所需预热温度；根据步骤(2)确定的初始值，分别设为：B1、P1、V1、r1、Dt1，通过初始值计算得到T1，T1是指在初始值条件下计算得到的预热温度；(4)类似于数值计算的迭代过程：根据T1调整B1、P1、V1、r1、Dt1的值，调整后得到工艺参数B2、P2、V2、r2、Dt2，该工艺参数计算可以得到T2；根据T2调整B2、P2、V2、r2、Dt2的值，调整后得到工艺参数B3、P3、V3、r3、Dt3，该工艺参数计算可以得到T3；以此类推，直至得到Tn，使Tn等于T零件，此时对应的工艺参数为Bn、Pn、Vn、rn、Dtn，便是零件在第i阶段能够获得所需预热温度T零件的工艺参数。步骤(4)中，在迭代进行到第j次时，1≤j≤n，通过Bj、Pj、Vj、rj、Dtj计算得到Tj的过程如下：(1)根据第i阶段的零件形状尺寸，建立三维模型；(2)在有限元软件中设置材料的物性参数；(3)为三维模型划分网格；(4)加载边界条件，输入与Bj相关的边界条件；(5)设置激光的相关参数Pj、Vj、rj、Dtj；(6)启动有限元软件计算得到Tj。在步骤(4)中，在迭代过程中工艺参数的调整方法如下：设1≤k<n，表示迭代计算到第k次；当Tk<<T零件时，增加B值；当Tk>>T零件时，减小B值；当Tk与T零件相等或相差不大时，B的值不作调整；当Tk<T零件时，增加P值、减小Dt值；当Tk>T零件时，减小P值、增加Dt值；欲使得零件熔化附近除外的区域温度较为均匀时，可以通过增加B、V或r的值来实现。本发明控制方法设计原理如下：本发明采用计算模拟进行辅助，在采用激光3D打印技术成形金属零件过程中，通过计算模拟给出成形过程中的五个工艺参数(边界条件、激光功率、激光扫描速度、激光光斑大小、激光开光间歇时间)，在零件打印过程中，当零件形状尺寸指定以后，原位预热温度的控制依赖于控制热输入和热散失，因此，通过各工艺参数的耦合调整能够改变热输入以及热散失，从而改变打印过程中的零件温度，通过计算模拟筛选出可行的工艺参数，实现打印过程中原位预热温度的控制。本发明的有益效果是：1.本发明方法为金属材料3D打印预热提供了一种新工艺，可用于各种金属材料。2.传统加热方法对设备散热能力要求苛刻，而本发明控制方法在不引入传统的电阻加热、感应加热等设备的条件下，实现原位预热温度的控制，本发明对激光成形设备的散热能力没有附加要求，设备成本更低，寿命更长。3、本发明通过计算模拟辅助、激光成形中五个条件的耦合调整，实现原位预热温度的控制，进而可以控制残余应力、降低开裂倾向、加速金属材料激光成形技术研发，对于金属材料的激光成形具有重要意义。4.本发明可以提供更广域的预热温度区间，对于发展金属材料的激光3D打印技术具有重要的促进作用。附图说明：图1为实施例1铁块温度分布。图2为实施例2铁块温度分布。图3为实施例3铌块温度分布。具体实施方式：以下结合附图及实施例详述本发明。本发明为金属材料激光3D打印原位预热温度的控制方法，该方法通过计算模拟，给出打印零件的工艺参数，使得打印过程中零件处于指定的预热温度。计算模拟的手段不限，可以使用有限元软件、数值计算软件乃至笔算。计算模拟给出的工艺参数包括：金属材料3D打印过程中的边界条件、激光功率、激光扫描速度、激光光斑大小、激光开光间歇时间。该方法包括如下步骤：(1)零件整个打印过程中，形状尺寸处于不断变化过程。因此，借鉴数学微分的思想，把零件打印过程的工艺参数总共分为m个阶段求解，m的数值越大，原位预热温度的控制也越准确，计算量也随之增加。设1≤i≤m，设打印零件的高度介于[H(i-1)/m，Hi/m]区间时，零件打印处于第i阶段，将Hi/m高度时的零件形状用于代表第i阶段零件的形状尺寸，并根据此时零件的形状尺寸求解出第i阶段的工艺参数。(2)当i＝1时，即打印处于第1阶段。此时零件尚未达到指定温度。所以在进行第1打印阶段之前，应该不加金属粉末，使用第1阶段的工艺参数预热达到所需预热温度以后，采用第1阶段的工艺参数进行打印，第1阶段打印完成后采用第2阶段的工艺参数打印，以此类推进行第i阶段打印，直到第m阶段完成打印。(3)在进行第i阶段打印过程中，时间较短，零件形状尺寸的变化对于温度的影响可以忽略，形状尺寸采用定值(即Hi/m高度时的零件形状)。当给定了零件形状尺寸以后，该打印阶段的扫描路径可通过实验经验亦或专业软件确定。(4)在进行第i阶段打印过程中，打印零件形状尺寸已被指定，原位预热温度的控制方法依赖于控制热输入和热散失。边界条件加强散热，加速了热量的散失；边界条件设置为保温材料，有利于减少热量的散失。增加激光功率、降低激光开光间歇时间均可以增加热输入，反之可以降低热输入。提高热输入或降低热散失可以提高预热温度，反之可以降低预热温度。激光光斑尺寸往往伴随激光功率的变化而改变，所以控制预热温度时必须予以考虑。五个工艺参数包括，金属材料3D打印过程中的边界条件、激光功率、激光扫描速度、激光光斑大小、激光开光间歇时间。通过五个工艺参数的耦合调整可以改变热输入以及热散失，从而改变打印过程中的基材温度，基材温度可以通过计算予以标定，实现金属材料激光3D打印原位预热温度的控制。(5)在进行第i阶段打印过程中，五个工艺参数中若部分必须采用定值可以直接赋值，且在之后的迭代计算中不作调整。除固定赋值以外的工艺参数，每个工艺参数均选择初始值用于迭代计算。初始值可以根据实验经验确定，亦可以通过近似计算予以确定。近似计算的公式为：Q＝mC0(T2-T1)，其中：Q表示该阶段打印时间内零件吸收的热量与散失热量的差值，...