CN111581820B - 一种新型激光面阵选区熔融增材制造工艺模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型激光面阵选区熔融增材制造工艺模拟方法，包括以下步骤：S1.设计点源阵列，所述点源为形成点状光斑的热源；S2.将点源阵列与待曝光图案比对，点亮相关点源形成面状光斑；S3.设置面状光斑的边界条件，加载热源；S4.通过调节相应点源热功率和/或曝光时间，实现调整曝光区域温度分布。本发明可行性强，适用于将数值模拟与实际加工相结合，将模拟作为预测与调参参数优化的辅助手段，有助于面阵工艺的实际面阵曝光实现。

Description

一种新型激光面阵选区熔融增材制造工艺模拟方法

技术领域

本发明涉及增材制造和快速成形领域，具体涉及一种新型激光面阵选区熔融增材制造工艺模拟方法。

背景技术

金属增材制造是增材制造领域一种新型的增材制造方式，主要基于熔化沉积原理。金属熔化沉积多采用电子束或激光作为能量源，其相关工艺方式不断创新与优化，逐渐受到该领域研究人员的重视。传统金属熔化沉积技术中的铺粉式选区激光熔化工艺是增材制造工艺中的典型工艺方法。该工艺具有高精度，短加工周期，成形致密度高，成型质量较好等优势，解决了传统机加工技术难以制备小余量高精密零件、复杂形状零件、小批量或单个生产零件等的制造难题。

但该技术采用逐点扫描方式，在面临大截面熔融时存在扫描时间长，点扫描有先后不同造成的应力分布不均等不足。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：采用逐点扫描方式，在面临大截面熔融时存在扫描时间长，点扫描有先后不同造成的应力分布不均等不足，本发明提供了解决上述问题的一种新型激光面阵选区熔融增材制造工艺模拟方法，该方法可行性强，适用于将数值模拟与实际加工相结合，将模拟作为预测与调参参数优化的辅助手段，有助于面阵工艺的实际面阵曝光实现。

本发明通过下述技术方案实现：

一种新型激光面阵选区熔融增材制造工艺模拟方法，包括以下步骤：

S1.设计点源阵列，所述点源为形成点状光斑的热源；

S2.将点源阵列与待曝光图案比对，点亮相关点源形成面状光斑；

S3.设置面状光斑的边界条件，加载热源；

S4.通过调节相应点源热功率和/或曝光时间，实现调整曝光区域温度分布。通过上述步骤完成的面阵选区曝光工艺，可获取实际面阵熔融可采用的较好工艺参数。

本发明可以将点状光束进行阵列，通过多点高密度阵列方式，实现待加工表面粉末层的面区域熔融，通过选择不同的点源匹配适用于不同的模型图案，通过控制各点源的热功率调控曝光区温度分布，将缩短激光扫描熔融时间，提高加工效率，减少变形，降低研发成本，对于促进激光增材制造的发展和实现高效、高质量增材制造具有重要意义。

使用有限元计算方法进行面光斑温度场数值模拟，设定基材尺寸及其热物性参数，设定高斯热源及参数值。

进一步优选，所述热源采用高斯热源。

进一步优选，所述S1中，设计点源阵列包括设计点源阵列的类型、点源阵列相关参数；所述点源阵列的类型包括方格阵列、六边形阵列和环形阵列；所述点源阵列相关参数包括点源投放的光斑的密度、光斑数量、光斑间距、单光斑热源半径。

点源阵列的硬件设计中，阵列数量可调，阵列类型包括但不限于方格式阵列和六边形阵列，也可采用环形阵列等。其中，方格式阵列每一个点源周围有4个与之最近且等距的点源，称之为均匀点源阵列；六边形阵列每一个点源周围有6个与之最近且等距的点源，称之为非均匀点源阵列。

在设定基板条件下模拟设定的面阵曝光区域，曝光区域大小在仿真步骤可调可选；在该区域投放设定的点阵点光斑，点阵点光斑密度可调、数量可调；各光斑间距设定如0.1mm-1mm，单光斑热源半径设计如50μm-500μm。

进一步优选，所述点源阵列的硬件设计中，阵列板为非球弧面。

进一步优选，所述S2中，对待曝光图案灰度处理，生成二值灰度图，然后将二值灰度曝光图案加载至点源阵列中进行匹配，生成面状光斑。

二值灰度图仅包含灰度值0和灰度值255，待曝光区域的灰度值为255，不需曝光的区域灰度值为0。

进一步优选，所述灰度处理的方法包括：将设计模型的stl格式文件切片，将切片层待曝光区域采用灰度处理算法进行区分和极化，采用边界提取将曝光轮廓提取，轮廓内部灰度值为255作为待曝光区域，其他区域灰度值为0作为非曝光区域。

进一步优选，所述S3中，对三维模型的切片层处理，提取待曝光区域边界坐标，将所述边界坐标与点源阵列各单元坐标匹配，用于边界热输入控制方案的参考。

进一步优选，所述三维模型的切片层包括三维模型的stl格式文件切片的任一层，或者采用外置代码连续导入的各切片层。

进一步优选，所述S4中，采用点源非均匀曝光实现调整曝光区域温度分布：调控通过调整曝光区域不同位置处对应的点源功率，使点源阵列中各点源热功率呈梯度分布，最终实现曝光区域温度均匀分布。

进一步优选，所述曝光区域不同位置包括填充区、边界和热影响区交叉位置。

点源非均匀曝光操作方法包括如下步骤：

完成曝光区域选区等设定后，划分四面体网格，开始计算，获取收敛下的温度场结果。

改变选区均匀功率的热源环境，可将填充中心区功率降低，边界功率保持中等，近边界区域功率保持较高，近边界区域至中心区域为过渡区域，使其功率呈梯度渐变。重新计算，获取收敛下的温度场结果。

对比均匀调控与非均匀调控的温度场数据，易获得非均匀调控带来的优化及其对应参数的价值。

本发明具有如下的优点和有益效果：

本发明可以将点状光束进行阵列，通过多点高密度阵列方式，实现待加工表面粉末层的面区域熔融，通过选择不同的点源匹配适用于不同的模型图案，通过控制各点源的热功率以及曝光时间调控曝光区温度分布，将缩短激光扫描熔融时间，提高加工效率，减少变形，降低研发成本，对于促进激光增材制造的发展和实现高效、高质量增材制造具有重要意义。具体如下所示：

1、本发明将现有选区激光熔融的点扫描升级为面扫描，即扩大了点光斑的尺寸，增加了光斑形状特征，将光斑调制为待烧结截面的形状，提高效率，整面同时曝光烧结。

2、本发明面阵曝光的曝光强度与曝光时间等参数的确定由温度场仿真作为指导性参考，单管面阵单元开关光由各点源单元的点位坐标与面阵光斑在待加工区域的位置进行对照确定。

3、本发明通过温度场仿真计算对参数进行调整获取温度场信息，可以获取在加工不同粉材时所需的参数输入阈值及其可调范围，从而方便获得适合加工的工艺参数，避免了繁琐的试错实验，降低研发成本和耗时。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为低熔点Sn-9Zn合金在面阵曝光下的温度场模拟；

图2为低熔点Sn-9Zn合金在面阵曝光下的等温线；

图3为本发明阵列曝光区域设计及点阵热源设计方案；

图4为6061系铝合金面光斑均匀点源温度场模拟1；

图5为6061系铝合金面光斑非均匀点源温度场模拟1；

图6为6061系铝合金面光斑均匀点源温度场模拟2。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

本实施例提供了一种新型激光面阵选区熔融增材制造工艺模拟方法，具体步骤如下所示：

步骤1、设计点源阵列

在200mm×200mm×25mm的基板条件下模拟80mm×80mm的面阵曝光区域，曝光区域大小在仿真步骤可调可选；在该区域投放80×80点阵点光斑，点阵点光斑密度可调、数量可调；各光斑间距0.1mm-1mm，单光斑热源半径为50μm-500μm。

该步骤需要设定材料属性及其热物性参数。

步骤2，stl格式文件切片批量边界提取及灰度处理

将设计好的三维模型导出为stl格式文件，编写程序调用模型进行切片处理并输出各层图片，编写程序调用分层图片进行批量边界提取和灰度处理，生成二值灰度图，取灰度矩阵并将矩阵与点源阵列匹配。

边界提取采用Sobel算子，输出所提取的边界灰度矩阵A，填充区域灰度矩阵B，将矩阵A和矩阵B灰度位置转换为坐标位置。矩阵B连续灰度值区域为填充区域，将矩阵A中的各坐标点对应点源各单元坐标，作为边界热输入控制方案的参考。

步骤3，灰度值255区域匹配点源阵列进行选区方法

二值灰度图仅包含灰度值0和灰度值255，待曝光区域的灰度值为255，不需曝光的区域灰度值为0。编写程序将步骤2获得的坐标矩阵与点源阵列求交集，获得待点亮点源编号，完成选区。

步骤4，边界条件及高斯热源参数设定

边界条件设定为基板5面常温恒温，也可采用5面323K，根据实际材料的不同，其他5 面恒温的方法也属于本发明专利描述内容，顶面设为开放边界，自然散热。

高斯热源设定为二极管单管功率为0.3W-2.5W，该范围针对6061铝合金使用，针对不同材料或将有所调整。热源功率的计算方式采用广义源类型。

步骤5，选区面光斑曝光及点源非均匀调控

完成曝光区域选区、边界条件、热源参数等的设定后，划分四面体网格，开始计算，获取收敛下的温度场结果。

改变选区均匀功率的热源环境，将填充中心区功率降低，边界功率保持中等，近边界区域功率保持较高，近边界区域至中心区域为过渡区域，使其功率呈梯度渐变。重新计算，获取收敛下的温度场结果。

对比均匀调控与非均匀调控的温度场数据，易获得非均匀调控带来的优化及其对应参数的价值。

实施例2

本实施例以低熔点金属Sn-9Zn合金为例，模拟在长200mm×宽200mm×高25mm的基板上进行面阵曝光熔融金属增材制造实验。本实施例用于说明自定义光斑形状的温度场模拟流程，如图1和图2所示。

首先设计点源阵列。创建200mm×200mm×25mm的基板，同时创建80mm×80mm的面阵曝光区域，曝光区域大小在仿真步骤可调可选；在该区域投放80×80阵列点光斑，阵列点光斑密度可调、数量可调；投放光斑间距1mm，单光斑热源半径500μm。

设定基板材料为Sn-9Zn，设定其热物性参数，以模拟加工Sn-9Zn合金粉末的温度场。

本实施例模拟光斑图案不来自stl文件，曝光图案在点源阵列投放形成的点光斑阵列中选择绘制。面光斑形状设置为倒角框形，以模拟等倒角框形面光斑温度场分布，倒角框形尺寸为17mm×17mm，框厚1mm，倒角6mm×6mm。设定输入激光功率为2W，二极管单管激光聚焦半径500μm，加工平台边界为5面常温恒温。设置Sn-9Zn合金的热物性参数，取密度 7g/cm³、导热系数67W/(m·K)，恒压热熔220J/(kg·℃)，研究瞬态条件下0.2s时温度场，观察近设定光斑形状的热影响区最佳曝光瞬时时刻，最佳曝光时刻光斑温度达到合金液相点，热影响区与预设光斑形状无差。根据实际需求，可调节点源激光功率输入参数以调节曝光强度，或调节曝光时间；可依据灰度处理所获得的灰度矩阵灰度值范围，以线性梯度方式设置 L形区域的曝光功率，边界曝光时间设置为填充区域曝光时间的0％-100％，得到最有利于工艺的输入参数组，将该参数组作为实际工艺中的输入。

实施例3

本实施例以6061系铝合金为例，模拟在长200mm×宽200mm×高25mm的基板上进行面阵曝光熔融金属增材制造实验，本实施例用于说明点源非均匀调控的作用及效果。

设计点源阵列。创建200mm×200mm×25mm的基板，同时创建80mm×80mm的面阵曝光区域，曝光区域大小在仿真步骤可调可选；在该区域投放80×80阵列点光斑，阵列点光斑密度可调、数量可调；投放光斑间距1mm，单光斑热源半径500μm。

设定基板材料为6061系铝合金，设定其热物性参数，以模拟加工6061铝合金粉末的温度场。本实施例模拟光斑图案不来自stl格式文件，曝光图案在点源阵列投放形成的点光斑阵列中选择绘制。面光斑形状设置为图4所示图形，该图形对应点源设置方式与实施例2对应的图3相同，模拟均匀调控和非均匀调控的温度场对比，以说明非均匀调控的作用和意义。

设定输入激光功率为1.5W，二极管单管激光聚焦半径500μm，加工平台边界为5面常温恒温。设置6061铝合金的热物性参数，取密度2.7g/cm³、导热系数155W/(m·K)，恒压热熔896J/(kg·℃)，研究瞬态条件下0.1s时温度场，观察近设定光斑形状的热影响区最佳曝光瞬时时刻，最佳曝光时刻光斑温度达到合金液相点，热影响区与预设光斑形状无差，但尖角、拐角、交叉点等处存在局部高温区域，具有高密度等温线，体现为不均匀的温度场，不利于形状特征准确烧结，如图4所示。

根据实际需求，为获得均匀温度场，等温线密度各处均匀，消除高温区域，调节激光功率输入参数以降低局部热输入，尖角、拐角等区域也可利用边界提取进行识别，本实施例中对尖角、拐角、交叉点的点源功率设置为标准值的50％，即0.75W。从而获得图5所示点源非均匀调控模拟的温度场，图5中尖角、拐角、交叉点等处的特征更接近预设光斑形状，减少了热影响区交叉。

实施例4

与实施例3类似的，同样的模拟条件下，改变模拟面光斑形状为正方形，均匀点源模拟的温度场如图6所示，该温度场热影响区较大，形状与预设正方形光斑具有较大差异，中心区域等温线高密度集中且温度较高。

由正方形中心向外梯度渐变设置非均匀点源，主要分为三个层级，中心填充区，近边界过渡区，边界区，边界区设置为1.5W，近边界过渡区为边界与中心区之间的环形区域，该区域的大小根据模拟效果确定，该区域功率为边界区标准值的60％，即0.9W；中心填充区为边界区标准值的30％，即0.45W。其他模拟参数与实施例2相同，获得非均匀点源模拟的温度场，该温度场热影响区与预设正方形光斑更加接近，光斑形状特征保持良好，曝光区域等温线均匀分布，不存在大面积温度集中较高的区域。

温度分布调控通过功率和曝光时间来调节，是指，不同位置采用不同的功率可以达到温度分布均匀的目的(如上述案例)，如果各点位采用相同的功率，也可以通过控制不同点位的曝光时间不同来使温度场分布均匀，比如，功率全部使用3W，边界处曝光0.7s，内部填充区域曝光0.5s，边界至内部过渡区域曝光0.6s，当时间到达0.5s时，温度场是属于没有调控的温度场，呈现出中心区域等温线密集，温度高，逐渐向外越来越低，等温线也越来越稀疏，时间继续增加，中心区域停止曝光，过渡区和边界继续曝光，***温度上升，逐渐接近内部温度，时间到0.6s过渡区停止曝光，此时过渡区与内部区域温度接近，但边界与内部仍有较高温度差，继续对边界曝光0.1s，这样达到温度场均匀调控的目的。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种新型激光面阵选区熔融增材制造工艺模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.设计点源阵列，所述点源为形成点状光斑的热源；

S2.将点源阵列与待曝光图案比对，点亮相关点源形成面状光斑；

S3.设置面状光斑的边界条件，加载热源；

S4.通过调节相应点源热功率和/或曝光时间，实现调整曝光区域温度分布；

所述S4中，采用点源非均匀曝光实现调整曝光区域温度分布：调控通过调整曝光区域不同位置处对应的点源功率，使点源阵列中各点源热功率呈梯度分布，最终实现曝光区域温度均匀分布；

所述曝光区域不同位置包括填充区、边界和热影响区交叉位置。

2.根据权利要求1所述的一种新型激光面阵选区熔融增材制造工艺模拟方法，其特征在于，所述热源采用高斯热源。

3.根据权利要求1所述的一种新型激光面阵选区熔融增材制造工艺模拟方法，其特征在于，所述S1中，设计点源阵列包括设计点源阵列的类型、点源阵列相关参数；

所述点源阵列的类型包括方格阵列、六边形阵列和环形阵列；

所述点源阵列相关参数包括点源投放的光斑的密度、光斑数量、光斑间距、单光斑热源半径。

4.根据权利要求1所述的一种新型激光面阵选区熔融增材制造工艺模拟方法，其特征在于，所述点源阵列的硬件设计中，阵列板为非球弧面。

5.根据权利要求1所述的一种新型激光面阵选区熔融增材制造工艺模拟方法，其特征在于，所述S2中，对待曝光图案灰度处理，生成二值灰度图，然后将二值灰度曝光图案加载至点源阵列中进行匹配，生成面状光斑。

6.根据权利要求5所述的一种新型激光面阵选区熔融增材制造工艺模拟方法，其特征在于，所述灰度处理的方法包括：将设计模型的stl格式文件切片，将切片层待曝光区域采用灰度处理算法进行区分和极化，采用边界提取将曝光轮廓提取，轮廓内部灰度值为255作为待曝光区域，其他区域灰度值为0作为非曝光区域。

7.根据权利要求1所述的一种新型激光面阵选区熔融增材制造工艺模拟方法，其特征在于，所述S3中，对三维模型的切片层处理，提取待曝光区域边界坐标，将所述边界坐标与点源阵列各单元坐标匹配，用于边界热输入控制方案的参考。

8.根据权利要求7所述的一种新型激光面阵选区熔融增材制造工艺模拟方法，其特征在于，所述三维模型的切片层包括三维模型的stl格式文件切片的任一层，或者采用外置代码连续导入的各切片层。

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