一种金属增材制造的线成型方法技术

一种金属增材制造的线成型方法，包括以下步骤：1)参数设定；2)切片处理；3)激光分束；4)遮光；5)零件成型。本发明专利技术改善零件成型过程中的受热机理，使其温度场分布更加均匀，降低温度梯度从而减少零件成型后的因热应力和热变形而使零件产生翘曲、断裂缺陷的产生；线成型可直接成型零件的一层截面的一道路径，而后逐层堆叠成型。因此，线阵成型过程更为简单、可以提高金属增材制造效率。

【技术实现步骤摘要】
一种金属增材制造的线成型方法
本专利技术涉及金属增材制造领域，更具体的说，尤其涉及到一种金属增材制造线成型方法。
技术介绍
在先进制造
，增材制造技术因其有着自上而下、逐层积累、理想情况下买飞比可达到1:1、能快速将数字模型转化成实际产品等特点走在前沿，备受关注。通常，相比于非金属件，无论是制造工艺还是生产设备，金属件的生产要求都要更高。随着社会的发展，市场对于产品的个性化需求越来越高，这就使得金属增材制造技术成为增材制造技术的一个重要分支。金属增材制造中使用最为广泛的能量源是激光，成型过程为激光形成一个光斑，光斑大小可以设定，根据零件形状熔融金属粉末逐点成型一层，成型过程为激光光斑根据截面形状先逐点扫描成型一道路径然后逐点扫描成型下一道路径，如此重复直到完成该截面的成型。而后自下而上，每个截面均是激光光斑逐点扫描成型该截面上的所有路径。上述的成型过程可概括为“由点到线，自下而上，逐层堆叠”。然而，由点到线的成型过程会造成温度场分布不均使成型零件产生翘曲变形、断裂的问题。由点到线的成型过程是零件产生翘曲变形、断裂的主要原因。对于同一道路径，被激光光斑扫描的位置会突然受到很高的能量，温度升高，光斑扫描到下一个位置时，上一位置处的温度便会逐渐降低。根据扫描路径，激光成型完一点后继续成型下一点。上一点温度已经降低，而下一点温度骤升，这样造成的结果是同一道路径一端冷一端热。同一道路径一端冷一端热会使得零件内部存在很大的热应力，从而导致成型件的变形甚至断裂。对于两条相邻的不同路径，上一道路径的始点温度已经降低，而正在成型路径的始点被激光扫描突然受到很高的能量，温度升高，也会产生一个较大的温度梯度。同理，这样的温度梯度不仅出现在两道成型路径的始末两端，而是整个路径上都会存在这样较大的温度梯度。因此，由于扫描时间很短，便导致整个成型过程中各个区域的温度场均呈现分布不均的特征。如附图1、附图2中所示由点到线的成型过程所示。假设成型过程中某层截面形状为如附图中所示的三角形ABC。成型时，激光束先给a处粉末在极短的时间内传递很高的能量使其熔融；而后激光束继续扫描，当扫描到b时完成路径1的扫描。此时，相对同一条路径ab而言，a处温度已经下降，而b处的温度骤升，在路径1内温度场分布便呈现出越靠近a处温度越低而越靠近b处温度越高的特点。同样的，完成路径1的扫描后，激光束继续完成路径2的扫描，首先，在极短的时间内给c处粉末传递很高的能量使其熔融，当扫描到d时完成路径2的扫描。这样，相对不同路径1、2而言，路径1上的a点温度已经降低，而路径2上的c点刚被扫描，温度骤升，ac之间同样存在很大的温度梯度。综上所述，成型整个零件时无论是在同一路径内还是在不同路径之间均存在较大的温度梯度。这样的热成型机理使得零件成型过程中温度场分布不均、温度梯度很大。大的温度梯度让零件在成型时受热部分膨胀变形，理论上，受热膨胀的部分在温度下降时应收缩为正常的形状，但是由于能量的散失过程是复杂的，实际上冷却后的成型零件存在极大的热应力，从而使最终的成型件存在翘曲、断裂等缺陷。
技术实现思路
为了克服现有点成型在金属增材制造中造成的温度场分布不均、温度梯度大产生的成型件翘曲、断裂等不足，本专利技术提出一种线成型的金属激光增材制造方法，可以改善零件成型过程中的温度场分布和温度梯度的同时提升制造效率。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种金属增材制造的线成型方法，包括以下步骤：1)参数设定：首先应设定x向上的激光分束数量m；其次，根据成型零件所需的精度和形状条件设置原始激光束的光斑大小从而控制分束激光的光斑大小；最后，应根据不同的成型材料设置激光功率、线能量密度和扫描速度参数；2)切片处理：将零件的可打印CAD模型导入到与打印设备配套的切片软件中，根据步骤1)设计好相应的参数后进行给定层厚的切片处理，在此假设切片方向为z轴方向，切片后即可得到z方向上的二维层面信息；3)激光分束：在x方向上分束进行激光分束，原始激光束从增材制造设备的振镜中发出后经过x向点阵激光分束镜，分束数量为m束；4)遮光：原始的激光束通过步骤2)的分束后形成一个激光线阵，而在成型不同路径时所需的线阵形状应该是不同的，此时就需要通过遮光器来控制相应的激光束通道的闭合；在成型零件时，根据步骤2)中切片后得到的z方向上的二维层面信息来控制遮光器上相应位置反光镜的角度从而激光束是通过还是被反射向光吸收单元；5)零件成型：根据步骤1)中得到的切片文件可以获得相应的遮光控制信息，首先根据各层截面获得的遮光控制信息得到遮光器控制数据文件，数据文件内容为最简单的0/1编码，代表着遮光孔的开合；当开始零件成型时，控制器读取第一道路径的遮光器控制数据，根据0/1编码控制反光板的角度从而决定激光是通过遮光板或是被反射吸收；当第一道路径成型结束后，遮光控制器数据内存移动到第二道路径的遮光器控制数据进行读取，同样根据0/1编码控制激光是否通过遮光板，如此，不断重复执行该过程直至整个零件成型完成。进一步，所述步骤5)中，针对成型精度要求较高，控制器数据文件内容不再仅是根据各层截面获得的遮光控制信息得到的简单的0/1编码，而是根据遮光控制信息和工艺参数设定得到的每个数据单元是8位甚至更高位的数据精度的二维矩阵数据文件，每个数据单元内存储的信息包含遮光孔的开合、激光功率、激光孔径和扫描速度；控制器根据这样的数据文件不再仅仅是控制遮光器的开合，同时根据成型零件不同位置的成型要求设定的相应工艺参数调整整个成型过程中的所有控制模块。再进一步，所述步骤4)中，通过遮光器来控制相应的激光束通道的闭合的过程如下：经过步骤2)得到激光线阵后通过遮光器，遮光器的结构为遮光板上有与激光线阵束相同的m个可控的反光镜，遮光器上的的孔径大小设置为分束激光的最大光斑的孔径大小。本专利技术的有益效果主要表现在：1)改善零件成型过程中的受热机理，使其温度场分布更加均匀，降低温度梯度从而减少零件成型后的因热应力和热变形而使零件产生翘曲、断裂缺陷的产生。2)相比传统的激光点阵扫描由点到线、自下而上、逐层堆叠的成型方法相比，线成型可直接成型零件的一层截面的一道路径，而后逐层堆叠成型。因此，线阵成型过程更为简单、可以提高金属增材制造效率。3)可以根据成型精度的要求设置每道路径成型的工艺参数，使制造过程具有更高可控性。此外，本专利技术适用于不锈钢、钴铬合金，纯钛及钛合金等各种金属材质粉末。附图说明图1是由点到线成型示意图a。图2是由点到线成型示意图b。图3是线成型激光光路示意图。图4线成型示意图。图5是遮光后激光线阵示意图图6是遮光器原理示意图。图7是线成型激光控制流程图图8是线成型流程图图中，1-原始激光束，2-激光发射器，3-X向激光分束器，4-遮光器，5-X向分束激光，6-激光线阵。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步描述。参照图1～图8，一种金属本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金属增材制造的线成型方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：/n1)参数设定：首先应设定x向上的激光分束数量m；其次，根据成型零件所需的精度和形状条件设置原始激光束的光斑大小从而控制分束激光的光斑大小；最后，应根据不同的成型材料设置激光功率、线能量密度和扫描速度参数；/n2)切片处理：将零件的可打印CAD模型导入到与打印设备配套的切片软件中，根据步骤1)设计好相应的参数后进行给定层厚的切片处理，在此假设切片方向为z轴方向，切片后即可得到z方向上的二维层面信息；/n3)激光分束：在x方向上分束进行激光分束，原始激光束从增材制造设备的振镜中发出后经过x向点阵激光分束镜，分束数量为m束；/n4)遮光：原始的激光束通过步骤2)的分束后形成一个激光线阵，而在成型不同路径时所需的线阵形状应该是不同的，此时就需要通过遮光器来控制相应的激光束通道的闭合；在成型零件时，根据步骤2)中切片后得到的z方向上的二维层面信息来控制遮光器上相应位置反光镜的角度从而激光束是通过还是被反射向光吸收单元；/n5)零件成型：根据步骤1)中得到的切片文件可以获得相应的遮光控制信息，首先根据各层截面获得的遮光控制信息得到遮光器控制数据文件，数据文件内容为最简单的0/1编码，代表着遮光孔的开合；当开始零件成型时，控制器读取第一道路径的遮光器控制数据，根据0/1编码控制反光板的角度从而决定激光是通过遮光板或是被反射吸收；当第一道路径成型结束后，遮光控制器数据内存移动到第二道路径的遮光器控制数据进行读取，同样根据0/1编码控制激光是否通过遮光板，如此，不断重复执行该过程直至整个零件成型完成。/n...

【技术特征摘要】
1.一种金属增材制造的线成型方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
1)参数设定：首先应设定x向上的激光分束数量m；其次，根据成型零件所需的精度和形状条件设置原始激光束的光斑大小从而控制分束激光的光斑大小；最后，应根据不同的成型材料设置激光功率、线能量密度和扫描速度参数；
2)切片处理：将零件的可打印CAD模型导入到与打印设备配套的切片软件中，根据步骤1)设计好相应的参数后进行给定层厚的切片处理，在此假设切片方向为z轴方向，切片后即可得到z方向上的二维层面信息；
3)激光分束：在x方向上分束进行激光分束，原始激光束从增材制造设备的振镜中发出后经过x向点阵激光分束镜，分束数量为m束；
4)遮光：原始的激光束通过步骤2)的分束后形成一个激光线阵，而在成型不同路径时所需的线阵形状应该是不同的，此时就需要通过遮光器来控制相应的激光束通道的闭合；在成型零件时，根据步骤2)中切片后得到的z方向上的二维层面信息来控制遮光器上相应位置反光镜的角度从而激光束是通过还是被反射向光吸收单元；
5)零件成型：根据步骤1)中得到的切片文件可以获得相应的遮光控制信息，首先根据各层截面获得的遮光控制信息得到遮光器控制数据文件，数据文件内容为最简单的0/1编码，代表着遮光孔的开合；当开始零件成...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜献峰，董星涛，张滨斌，陈宾宾，唐展，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33