激光选区熔化智能铺粉方法及其系统技术方案

本发明专利技术提供一种激光选区熔化智能铺粉方法及其系统，属于增材制造领域，其包括:在打印机的铺粉平台侧面搭建移动监测平台，实时监测铺粉过程的动态休止角，并将监测信息传输给与之连接的中央处理器；基于神经网络搭建打印件打印过程中的铺粉工艺数据库，构建铺粉参数—休止角—铺粉致密度之间的映射关系，设定打印过程中的参考铺粉致密度，根据中央处理器接收的铺粉休止角信息，动态实时调整铺粉参数，提升粉床堆积质量；其中，铺粉参数包括铺粉速度和铺粉层厚。智能预测铺粉质量并对粉末塌陷主动干预的方法，基于铺粉过程的实时监测与动态反馈，实时改善铺粉质量。实时改善铺粉质量。实时改善铺粉质量。

【技术实现步骤摘要】
激光选区熔化智能铺粉方法及其系统


[0001]本专利技术涉及增材制造
，具体涉及激光选区熔化智能铺粉方法及其系统。

技术介绍

[0002]金属增材制造作为一种将金属粉末等原材料直接打印为零件的直接成形工艺，在航空航天、汽车船舶、微纳制造、生物医学工程等领域具有极高的应用价值，已成为当前研究的热点。目前常见的金属增材制造方式有两种：一种是铺粉式，较为常见的是激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)；另一种是送粉式，较为常见的是激光近净成形(Laser Engineered Net Shaping,LENS)。较激光近净成形而言，激光选区熔化的成形精度更高，但是成形效率不高，无法成形大尺寸零件，这严重制约了激光选区熔化在高端大尺寸装备上的进一步应用。限制其打印尺寸的重要桎梏在于铺粉过程中粉床的堆积质量无法得到保证，在铺粉过程中由于粉末之间的相互作用以及打印机腔体内部流场的干扰，可能会造成粉体崩溃，同时由于刮板铺粉速度过快，容易出现粉末飞溅，污染打印机腔体，对打印的可靠性带来严重威胁。因此，针对大尺寸零件激光选区熔化快速可靠铺粉的需求，亟需开发新型铺粉系统，以抑制粉末飞溅、预防粉堆塌陷、提高铺粉致密度。
[0003]目前针对铺粉质量不可控问题的普遍方法是在铺粉时层层检测，如专利《一种铺粉控制方法及其增材制造设备》就是对铺粉时的图像进行插值来判断是否需要重新铺粉，而专利《一种铺粉质量检测方法、设备以及可读存储介质》则是通过更为复杂的方式对图像像素点进行对比来实现检测，但是这些专利都仅仅是专注于铺完一层粉后进行检测，其应对方法均为重新铺粉，这一做法虽然能够有效降低缺陷率，但不能够主动预防粉堆塌陷，极为耗时耗力，难以满足大尺寸零件快速激光增材制造的需求。而对于粉末飞溅的抑制手段，国内相关专利较少，相关专利《抑制粉床电子束3D打印粉末飞溅的方法》通过电子束预热粉末及预设区域的方法，该方法太过复杂，工艺重复性难以保证。
[0004]因此，实有必要设计一种激光选区熔化智能铺粉方法及其系统，以克服上述问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种激光选区熔化智能铺粉方法，该方法能够根据休止角监测信息自适应反馈调整铺粉参数以改善铺粉质量。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种激光选区熔化智能铺粉方法，包括如下步骤：
[0008]在打印机的铺粉平台侧面搭建移动监测平台，实时监测铺粉过程的动态休止角，并将监测信息传输给与之连接的中央处理器；
[0009]基于神经网络搭建打印件打印过程中的铺粉工艺数据库，构建铺粉参数—休止角—铺粉致密度之间的映射关系，设定打印过程中的参考铺粉致密度，根据中央处理器接收的铺粉休止角信息，动态实时调整铺粉参数，提升粉床堆积质量；其中，铺粉参数包括铺粉速度和铺粉层厚。
[0010]优选地，在打印机腔体内的刮板侧翼安装收集腔，收集刮板周围飞溅的粉末，用于控制打印机腔体内部的颗粒污染。
[0011]优选地，收集腔可折叠安装在刮板侧翼，其中，收集腔为随着远离粉层逐渐变大的三角形。
[0012]优选地，在打印机腔体内的刮板上安装电磁发生装置，以对粉堆进行电磁扰动，使粉末产生静电吸附，提升粉堆质量，避免粉末塌陷。
[0013]优选地，电磁发生装置为非接触式磁致伸缩电磁发生装置，振幅为10—15μm，频率为10—15kHz。
[0014]优选地，在铺粉作业前，对打印件进行三维建模，根据铺粉层厚对三维模型进行分层处理并完成单层路径规划；在设置铺粉参数后，开启移动监测平台及铺粉机构，根据上述规划的单层路径进行逐层铺粉作业；其中，当粉层的休止角处在安全范围内时，按照当前所设铺粉参数继续铺粉，当休止角处在危险范围内时，根据铺粉参数—休止角—铺粉致密度映射关系，实时调整铺粉参数,以使得休止角处在安全范围内。
[0015]具体的，铺粉参数的设置，特别是铺粉层厚需要依据分层的几何模型进行设置；并且，在实际打印过程中，工控机内部存储着适当范围的休止角—铺粉致密度的映射；即可以根据这个休止角预估出现在这样的铺粉参数下的铺粉致密度。当休止角不在这个范围，比如过大时，根据休止角—铺粉致密度映射关系，预测的铺粉致密度不合适，再通过铺粉参数—铺粉致密度的映射关系，反推合适的铺粉参数，比如调整铺粉速度。
[0016]优选地，移动监测平台包括移动机构及安装在移动机构上且用于对休止角进行监测的监测设备，移动机构能满足铺粉时的同向移动以及打印件堆积过程的高度方向移动；即移动机构至少有两个方向移动自由度，监测设备可为高速CCD相机。
[0017]优选地，休止角的调整策略由基于神经网络构建的铺粉参数—休止角—铺粉致密度映射关系预测模型决定。
[0018]优选地，构建映射关系预测模型包括如下步骤：
[0019](1)、确定目标数据为铺粉致密度；
[0020](2)、通过预实验，收集多组不同铺粉参数下的休止角与铺粉致密度；
[0021](3)、将步骤(2)收集的数据集划分为训练集与测试集，并设置训练集与测试集的比例，优选为4:1；
[0022](4)、将训练数据集输入至1
×
1神经网络中，确定损失函数，进行模型映射，并得到最终预测数值；
[0023]其中，映射就是得到一个映射函数，这个函数可以拟合铺粉参数—休止角—铺粉致密度，得到这个函数关系后，基于测试集的相关铺粉参数和休止角，根据拟合得到的函数关系拟合得到最终预测的铺粉致密度，即最终预测数值；
[0024](5)、对比最终预测数值与测试集的数据，判断预测精度；
[0025]其中，预测精度为最终预测数值(即铺粉致密度的预测值)和测试集中铺粉致密度的测试值之间的比例；
[0026](6)、当预测精度满足要求时，确定铺粉参数，即铺粉速度与铺粉层厚。其中，预测精度达到95％以上即为满足要求；
[0027]优选地，铺粉速度0.5—10m/s，铺粉层厚20—30μm。
[0028]优选地，铺粉致密度范围为97.5％—99.8％，休止角为30
°
—60
°
。
[0029]一种激光选区熔化智能铺粉系统，包括：打印机腔体、刮板、电磁发生装置、收集腔、基板、移动监测平台和中央处理器；
[0030]基板位于打印机腔体内，刮板设置在基板上方，用于收集刮板周围飞溅粉末的收集腔安装在刮板侧翼；
[0031]电磁发生装置安装在刮板顶端，移动监测平台包括移动机构及监测设备，移动机构安装在打印机腔体一侧，监测设备移动安装在移动机构上，用于实时监测铺粉过程的动态休止角，并且监测设备将监测信息传输给与之连接的中央处理器；
[0032]所述激光选区熔化智能铺粉系统用于实现上述任一所述激光选区熔化智能铺粉方法中的步骤。
[0033]优选地，刮板两侧翼均铰接有收集腔。
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种激光选区熔化智能铺粉方法，其特征在于：在打印机的铺粉平台侧面搭建移动监测平台，实时监测铺粉过程的动态休止角，并将监测信息传输给与之连接的中央处理器；基于神经网络搭建打印件打印过程中的铺粉工艺数据库，构建铺粉参数—休止角—铺粉致密度之间的映射关系，设定打印过程中的参考铺粉致密度，根据中央处理器接收的铺粉休止角信息，动态实时调整铺粉参数，提升粉床堆积质量；其中，铺粉参数包括铺粉速度和铺粉层厚。2.如权利要求1中所述激光选区熔化智能铺粉方法，其特征在于：在打印机腔体内的刮板侧翼安装收集腔，收集刮板周围飞溅的粉末，用于控制打印机腔体内部的颗粒污染。3.如权利要求2中所述激光选区熔化智能铺粉方法，其特征在于：收集腔可折叠安装在刮板侧翼，其中，收集腔为随着远离粉层逐渐变大的三角形。4.如权利要求1中所述激光选区熔化智能铺粉方法，其特征在于：在打印机腔体内的刮板上安装电磁发生装置，以对粉堆进行电磁扰动，使粉末产生静电吸附，提升粉堆质量。5.如权利要求4中所述激光选区熔化智能铺粉方法，其特征在于：电磁发生装置为非接触式磁致伸缩电磁发生装置，振幅为10—15μm，频率为10—15kHz。6.如权利要求1中所述激光选区熔化智能铺粉方法，其特征在于：在铺粉作业前，对打印件进行三维建模，根据铺粉层厚对三维模型进行分层处理并完成单层路径规划；在设置铺粉参数后，开启移动监测平台及铺粉机构，根据上述规划的单层路径进行逐层铺粉作业；其中，当粉层的休止角处在安全范围内时，按照当前所设铺粉参数继续铺粉；当休止角处在危险范围内时，根据铺粉参数—休止角—铺粉致密度映射关系，实时调整铺粉参数,以使得休止...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘胜，周剑涛，李辉，张宇，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：