【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种用于多金属增材制造过程中的吸粉路径规划方法，属于多金属增材制造领域。
技术介绍
1、多金属增材制造技术(multi-metal additive manufacturing,mmam)是一种能够实现不同金属材料在同一部件中的自由组合和分布的先进制造技术，具有提高部件性能、降低成本、实现功能集成等优势，在航空航天、医疗、能源等领域具有广泛的应用前景。在多金属增材制造过程中，基体结构(base structure)和异种结构(different structure)是两种主要的结构类型，基体结构是指多金属材料结构件中使用基体材料形成的结构，基体材料通常具有较好的力学性能和热稳定性，用于承载零件的大部分载荷，其铺设粉末的方式主要通过刮刀实现。异种结构则是指多金属材料结构件中使用异种材料形成的结构，异种材料通常具有较好的功能性，用于满足零件的特定需求，其铺设粉末主要通过送粉装置完成。
2、现有多金属增材制造技术中，粉末床熔融技术(powder bed fusion，pbf)是应用最广泛的技术之一。pbf技术利用高能密度的激光束或电子束对粉末床进行选区熔化或选区烧结，逐层堆积成形所需的零件。多金属pbf技术可以实现不同金属材料之间的梯度过渡或界面连接，从而获得具有复合性能或功能的零件。然而，多金属pbf技术也面临着诸多挑战和难题，其中之一就是多金属粉末床增材制造过程中的粉末管理，涉及到粉末的输送、铺设、吸取、回收等多个环节，直接影响到成形质量、效率和安全性。目前针对多金属粉末床增材制造过程主要采用层内多次铺粉
3、上述现有pbf增材制造过程存在明显的不足之处，例如：(1)需要多次切换激光参数和扫描策略，不仅增加了工艺复杂度，也显著拉长了制造时间；(2)需要多次使用刮刀对粉末进行平整，可能导致粉末的混合和污染，影响成形质量；(3)需要在每一层结束后对残余粉末进行吸取和回收，需要使用专门的吸粉装置和回收系统，增加了设备成本和维护难度。因此，在吸取残余粉末时，需要规划合理的吸粉路径，以避免对已成形结构的损伤和对未成形区域的干扰，同时尽量减少吸粉口的移动距离和时间。因而，如何设计用于多金属增材制造过程中的吸粉路径规划，从而提高吸粉效率，减少吸粉过程中的吸粉口的移动路径，尽快实现残余粉末的吸取清理，避免残余粉末对基体粉末的污染，是亟待解决的技术问题。
技术实现思路
1、(一)专利技术目的
2、针对现有技术的上述缺陷和不足，本专利技术旨在提供一种用于多金属增材制造过程中的吸粉路径规划方法，通过对多金属增材制造过程中的成形区域进行高分辨率成像、前处理和检测识别，从而准确获得具有残余粉末的区域，进而根据残余粉末区域进行扫描路径填充，实现了对多金属增材制造过程中的吸粉路径的有效规划，提高了多金属增材制造效率和质量，为多金属增材制造技术的发展提供了有力的技术支持。同时，通过引入z字形填充和合理的填充矢量方向选择，保证了吸粉过程的高效和稳定，为实现多金属增材制造过程中的精确控制提供了有效的方法。
3、(二)技术方案
4、为实现该专利技术目的，本专利技术采用如下技术方案：
5、一种用于多金属增材制造过程中的吸粉路径规划方法，其特征在于，所述吸粉路径规划方法在实施时至少包括如下步骤：
6、ss1.在基于激光粉末床的多金属增材制造过程中，当异种材料激光选区熔化成形后，利用高分辨率相机对成形区域进行成像，得到成形区域的图像数据i＝f(cimg,rfrm)，其中，i表示获得的成形区域的图像数据，rfrm为成形区域，cimg为高分辨率相机参数并至少包括相机的分辨率、曝光时间、光圈大小及焦距，f为成像函数且n为成形区域的切片层数，cimg_i(rfrm_i)为第i层切片区域rfrm_i的图像数据；
7、ss2.对步骤ss1获得的成形区域图像数据i进行前处理，利用预先已知的切片轮廓信息sslc分割出基体材料区域b、异种材料区域d及所有支撑的熔凝区域s，并将各区域分别标记为不同的颜色或灰度值以进行区分，其中，i＝b∪d∪s，(b,d,s)＝p(i,sslc)，p为成形区域图像数据的前处理函数并满足：
8、
9、式中，sslc_b、sslc_d和sslc_s分别表示基体材料、异种材料和支撑结构的切片轮廓信息；
10、ss3.对步骤ss2分割得到的熔凝区域图像s进行检测识别，获得具有残余粉末的区域r，并将其标记为特定的颜色或灰度值以与其他区域进行区分，其中，r＝g(s,tdct)，tdct为根据残余粉末的反射率、散射率和/或吸收率光学特性确定的检测识别阈值，g为检测识别函数并满足：
11、
12、ss4.将残余粉末区域r进行扫描路径ps填充，填充过程中使用z字形填充，填充矢量方向垂直或平行于刮刀铺粉方向，填充矢量宽度小于吸粉宽度，其中，并且满足ps＝u(r,dz,dvec,dwidth)，dz是z字形填充参数，dvec为填充矢量方向参数，dwidth为填充矢量宽度参数，u为填充函数并满足：
13、
14、式中，ps为按照z字形填充参数dz、填充矢量方向参数dvec和填充矢量宽度参数dwidth对残余粉末区域r进行填充后得到的扫描路径，为空集，当残余粉末区域r为空集时，扫描路径ps也为空集，以避免在没有残余粉末的情况下进行无效吸粉操作；
15、ss5.根据所述扫描路径ps填充得到的残余粉末区域图像，计算吸粉口的移动路径m和顺序，并控制吸粉口按照相应的速度、加速度及方向参数进行移动，实现残余粉末的有效清理，其中，且m＝w(ps,vspd,aacc,ddir)，vspd为速度参数，aacc为加速度参数，ddir为方向参数，w为计算吸粉口移动路径和顺序的函数并满足：
16、
17、式中，m为按照速度参数vspd、加速度参数aacc和方向参数ddir对扫描路径ps进行优化后得到的吸粉口的移动路径，为空集，当扫描路径ps为空集时，吸粉口的移动路径m也为空集，以避免在没有扫描路径的情况下进行无效的吸粉操作。
18、优选地，上述步骤ss1中，所述成像函数f还至少包括对图像数据i进行去噪操作，以消除激光、热辐射和/或粉尘干扰的影响，其中，所述去噪操作基于如下公式：
19、idenoised＝i-μ(σ)·n(i)
20、该公式通过将图像数据i与其噪声模型的去噪因子的乘积相减，从而消除图像中的随机噪声，其中，σ为噪声标准差，n为噪声模型函数，μ为根据噪声标准差σ调节的去噪因子，并且其中，
21、n(i)＝φ(i)+本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于多金属增材制造过程中的吸粉路径规划方法，其特征在于，所述吸粉路径规划方法在实施时至少包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的用于多金属增材制造过程中的吸粉路径规划方法，其特征在于，上述步骤SS1中，所述成像函数F还至少包括对图像数据I进行去噪操作，以消除激光、热辐射和/或粉尘干扰的影响，其中，所述去噪操作基于如下公式：
3.根据权利要求1所述的用于多金属增材制造过程中的吸粉路径规划方法，其特征在于，上述步骤SS2中，所述前处理函数P还至少包括对图像数据I进行边缘检测和轮廓匹配操作，以提高切片轮廓信息Sslc与图像数据I之间的对应关系和分割精度，其中，所述边缘检测操作、述轮廓匹配操作分别通过如下公式进行：
4.根据权利要求1所述的用于多金属增材制造过程中的吸粉路径规划方法，其特征在于，上述步骤SS2中，所述前处理函数P还至少包括对图像数据I进行区域生长和区域合并操作，其中，所述区域生长操作、区域合并操作分别通过如下公式进行：
5.根据权利要求1所述的用于多金属增材制造过程中的吸粉路径规划方法，其特征在于，上述步骤SS2中，
6.根据权利要求1所述的用于多金属增材制造过程中的吸粉路径规划方法，其特征在于，上述步骤SS3中，所述检测识别阈值Tdct根据残余粉末的反射率、散射率和/或吸收率的光学特性来确定，其中，所述光学特性是通过对熔凝区域图像S进行光谱分析和光谱分类操作得到的，所述光谱分析和光谱分类操作通过如下公式进行：
7.根据权利要求1所述的用于多金属增材制造过程中的吸粉路径规划方法，其特征在于，上述步骤SS4中，所述填充函数U还至少包括对扫描路径Ps进行优化、平滑和/或约束操作，其中，所述优化操作基于Ps,opt＝O(Ps,β)进行优化，其中，O为扫描路径优化函数，β为扫描路径优化参数并至少包括路径长度、方向和/或覆盖率因素。
8.根据权利要求1所述的用于多金属增材制造过程中的吸粉路径规划方法，其特征在于，上述步骤SS4中，所述Z字形填充是通过对扫描路径Ps进行Z字形变换和Z字形优化操作实现的，其中，所述Z字形变换操作、Z字形优化操作基于如下公式进行：
9.根据权利要求1所述的用于多金属增材制造过程中的吸粉路径规划方法，其特征在于，上述步骤SS5中，通过引入多级速度和加速度控制策略来优化吸粉口的移动过程，根据残余粉末区域R的分布和密度动态调整吸粉口的移动速度Vspd和加速度Aacc以实现更高效和准确的粉末清理，并通过采用以下公式来确定吸粉口的动态速度和加速度参数：
10.根据权利要求1所述的用于多金属增材制造过程中的吸粉路径规划方法，其特征在于，上述步骤SS5中，采用自适应控制策略，根据实时监测的残余粉末情况，动态调整吸粉口的移动速度Vspd、加速度Aacc及方向参数Ddir，以实现更为高效和准确的残余粉末清理：
...【技术特征摘要】
1.一种用于多金属增材制造过程中的吸粉路径规划方法，其特征在于，所述吸粉路径规划方法在实施时至少包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的用于多金属增材制造过程中的吸粉路径规划方法，其特征在于，上述步骤ss1中，所述成像函数f还至少包括对图像数据i进行去噪操作，以消除激光、热辐射和/或粉尘干扰的影响，其中，所述去噪操作基于如下公式：
3.根据权利要求1所述的用于多金属增材制造过程中的吸粉路径规划方法，其特征在于，上述步骤ss2中，所述前处理函数p还至少包括对图像数据i进行边缘检测和轮廓匹配操作，以提高切片轮廓信息sslc与图像数据i之间的对应关系和分割精度，其中，所述边缘检测操作、述轮廓匹配操作分别通过如下公式进行：
4.根据权利要求1所述的用于多金属增材制造过程中的吸粉路径规划方法，其特征在于，上述步骤ss2中，所述前处理函数p还至少包括对图像数据i进行区域生长和区域合并操作，其中，所述区域生长操作、区域合并操作分别通过如下公式进行：
5.根据权利要求1所述的用于多金属增材制造过程中的吸粉路径规划方法，其特征在于，上述步骤ss2中，所述前处理函数p还至少包括对图像数据i进行超像素分割和超像素标记操作，以提高切片轮廓信息sslc与图像数据i之间的相似度和分割效率，其中，所述超像素分割操作、超像素标记操作分别通过如下公式进行：
6.根据权利要求1所述的用于多金属增材制造过程中的吸粉路径规划方法，其特征在于，上述步骤ss3中，所述检测识别阈值tdct根据残余粉...
【专利技术属性】
技术研发人员：王殿政，张心豪，张晓峰，杜宝瑞，李恺伦，姚俊，
申请(专利权)人：中国科学院工程热物理研究所，
类型：发明
国别省市：
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