一种基于多层并行工艺组的定向能量沉积增材制造方法及装置与流程

本发明涉及增材制造，具体涉及一种定向能量沉积增材制造方法及装置，尤其涉及一种基于多层并行工艺组规划、多沉积单元空间错层并行加工以及层间热历史调控的定向能量沉积增材制造方法及装置。

背景技术：

1、定向能量沉积（directed energy deposition，ded）技术是一种利用高能束流将金属粉末、丝材或其他增材材料熔化，并按照预定路径逐层沉积形成三维构件的先进增材制造技术。由于其具有材料利用率高、沉积效率高以及适用于大型复杂结构制造等优势，在航空航天、能源装备以及大型金属构件制造领域具有广泛应用。

2、现有定向能量沉积制造过程通常采用单沉积头逐层扫描方式，其基本过程包括材料输送、高能束熔化、熔池形成、材料凝固以及沉积层逐层堆积。即完成第n层沉积后，再进行第n+1层沉积，所有沉积层按照高度方向依次串行完成。然而，随着大型复杂构件尺寸不断增加，传统逐层串行沉积方式存在制造效率低的问题。由于每一层均需要完整经历沉积过程，整体制造时间随着构件高度增加而线性增长，限制了定向能量沉积技术在大型构件快速制造领域的应用。

3、为了提高制造效率，现有技术提出了多激光、多机器人或多沉积头协同制造方式。该类方法通常将同一沉积层划分为多个平面区域，不同沉积加工单元分别承担同一高度位置的不同区域，或者采用多个加工单元同时作用于相近加工区域，以提高单位时间材料沉积量。然而，当多个高能束同时作用于空间距离较近的区域时，其热影响区容易发生叠加，造成局部温度持续升高和热积累加剧，并可能导致熔池尺寸变化、熔池稳定性下降、温度梯度增加、残余应力增大、成形变形以及组织性能不均匀等问题。因此，单纯通过增加加工单元数量实现同层平面并行，并不能有效解决制造效率与热历史控制之间的矛盾。

4、另一方面，定向能量沉积本质上是一个具有明显层间热耦合特征的非稳态热加工过程。前序沉积层在后序沉积过程中会受到反复加热，材料经历熔化、凝固、冷却和再加热等复杂热循环。后续热输入到达的时间、空间距离及能量水平都会影响前序沉积区域的温度演化、组织转变和应力演化。现有制造方法通常将各沉积层视为按照固定顺序依次执行的独立加工任务，对高能束功率、扫描速度、材料输送速度以及层厚等参数分别进行设置，而较少将并行沉积层数量、不同沉积层之间的空间间隔、后续热作用到达的时间间隔以及不同沉积加工单元之间的加工时序作为统一工艺变量进行协同设计。

5、因此，需要提供一种能够根据待制造零件的模型信息、材料特性及热输入需求主动规划多个沉积层之间的加工关系，并进一步依据所形成的工艺组配置沉积加工单元的定向能量沉积制造方法，以在提高制造效率的同时利用不同沉积层之间的空间和时间关系调控沉积过程热历史。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有定向能量沉积逐层串行制造效率较低以及传统多头同层并行加工容易造成局部热输入叠加的问题，提供一种基于多层并行工艺组的定向能量沉积增材制造方法及装置。

2、首先根据待制造零件的模型信息、材料特性、热输入需求以及目标热循环要求建立多层并行工艺组，确定工艺组内沉积层数量、空间位置关系、加工时间关系及工艺参数组合，再根据所述多层并行工艺组的并行加工需求确定沉积加工单元的数量和空间配置方式。多个沉积加工单元分别作用于不同高度位置的沉积层，在空间上形成错层并行加工关系，从而将传统沿高度方向逐层串行的定向能量沉积过程转变为多层空间并行制造过程，并利用工艺组内不同沉积层之间的空间间隔、时间间隔及参数组合调控热输入和热循环过程，实现制造效率与成形性能的协同提升。

3、一种基于多层并行工艺组的定向能量沉积增材制造方法，包括以下步骤：

4、步骤1、获取待制造零件模型信息和材料信息，并确定沉积过程工艺需求。

5、获取待制造零件的三维模型、材料体系、结构尺寸以及性能要求，根据零件几何结构和成形方向对待制造零件进行沉积路径规划和高度方向离散；根据材料的熔化特性、热导率、热扩散系数、比热容以及目标组织性能，确定不同沉积区域对应的能量输入需求、层间热扩散需求以及目标热循环要求，并获得对应的基础工艺参数范围，为后续多层并行工艺组的建立和工艺参数组合提供约束条件。所述基础工艺参数包括高能束功率、扫描速度、材料输送速度、沉积层厚度以及单位体积能量输入中的一种或多种。

6、步骤2、根据热输入需求建立多层并行工艺组。

7、根据步骤1获得的不同沉积区域的热输入需求、层间热扩散需求以及目标热循环要求，从连续沉积层中选取至少两个具有不同空间高度位置的沉积层组成多层并行工艺组，并确定工艺组内沉积层数量、沉积层之间的空间位置关系、加工时间关系以及层序关系。通过改变工艺组包含的沉积层数量以及不同沉积层之间的高度间隔和加工时间间隔，使同一多层并行工艺组中的不同沉积层形成预设的热输入和热扩散关系，从而使多个沉积层共同构成一个用于兼顾沉积效率和热历史调控的工艺单元。

8、对于同一目标热输入需求或者目标热循环要求，不限定采用唯一工艺参数组合，而是形成各候选工艺组，工艺组内的加工参数和层间时空参数可进一步进行组合设计。所述协同设计变量包括：高能束功率p；扫描速度v；材料输送速度f；沉积层厚度h；沉积扫描路径s；并行沉积任务数量n；不同并行沉积任务之间的高度间隔δh；沿沉积路径方向的空间相位距离δl；相应热作用之间的加工时间间隔δt；以及不同沉积任务之间的加工时序。上述参数中的两种或多种共同构成一个候选协同工艺组合。

9、在生成候选协同工艺组合后，对各候选方案进行可实施性筛选。所述约束包括以下一种或多种：材料熔化约束；熔池稳定约束；材料输送量与熔池承载能力匹配约束；沉积道尺寸和层厚约束；前序支承沉积区域形成约束；不同沉积加工单元之间的空间干涉约束；不同高能束之间的安全距离约束；加工头运动范围约束；高能束发生单元功率约束；材料输送能力约束；以及设备运动速度约束。不满足可实施性约束的候选协同工艺组合予以剔除。

10、对于满足约束条件的候选协同工艺组合进一步建立综合评价指标。所述评价指标包括总制造时间、单位时间材料沉积量、制造效率、热积累程度、层间热扩散时间、峰值温度、温度梯度、冷却速度、熔池稳定性、沉积层几何误差、表面成形质量、残余应力相关指标、沉积加工单元空间干涉情况、所需沉积加工单元数量、设备能力利用率以及能量利用效率中的一种或多种。采用加权评价、分级筛选、多目标优化、帕累托优选或其组合方式，对不同候选多层并行工艺组及其协同工艺参数组合进行比较。在满足目标热输入、目标热循环、熔池稳定性以及成形质量要求的前提下，根据待制造零件对应区域的制造目标确定优选方案。

11、通过上述候选方案建立、协同参数组合以及综合评价，从多个候选方案中确定对应沉积区域的目标多层并行工艺组，并最终确定所述目标多层并行工艺组中的并行沉积任务数量、空间位置关系、层间空间间隔、加工时间间隔、加工层序以及各沉积任务对应的高能束功率、扫描速度、材料输送速度和沉积层厚度等协同加工参数。

12、由此，多层并行工艺组并非单纯表示多个沉积层的组合关系，而是将沉积层序、并行数量、空间间隔、加工时间及传统定向能量沉积工艺参数进行协同设计，并综合制造效率、热历史和成形质量确定的基本制造工艺单元。

13、步骤3、根据多层并行工艺组确定沉积加工单元配置方案。

14、根据步骤2确定的多层并行工艺组中同时执行沉积任务的沉积层数量、各沉积层的空间位置以及加工路径，确定定向能量沉积加工单元的数量、空间位置和运动范围，使沉积加工单元的配置满足对应多层并行工艺组的执行要求。对于包含n个需要同步加工沉积层的多层并行工艺组，配置与所述同步加工任务相匹配的沉积加工单元，各沉积加工单元分别对应工艺组中的一个沉积层或沉积区域，并在高度方向形成空间错层布置关系。由此使沉积加工单元的数量和空间布置由预先确定的多层并行工艺组及其工艺需求确定，而非由预设沉积加工单元数量反向限定多层并行工艺组。

15、步骤4、按照目标多层并行工艺组执行空间错层并行沉积。

16、根据步骤2确定的目标多层并行工艺组及协同加工参数，并根据步骤3确定的沉积加工单元配置方案，控制多个沉积加工单元分别执行对应的沉积任务。前序层序沉积加工单元在路径前方首先形成较低层材料；后序层序沉积加工单元沿路径保持预设相位距离，并在对应前序支承区域已经形成以后形成更高层材料。

17、由此，在任一固定局部位置，沉积任务仍按照低层序至高层序依次完成；而在同一加工时刻，不同沉积加工单元分别位于不同空间位置加工不同高度层序，使多个不同层序在构件整体范围内并行推进，从而在满足上层沉积支承条件的情况下形成流水式空间错层并行加工状态。

18、步骤5、切换并循环执行多层并行工艺组，完成零件制造。

19、当前目标多层并行工艺组完成对应沉积区域后，根据待制造零件后续区域的几何结构、材料热输入需求及目标热循环要求，调用相同或不同的目标多层并行工艺组。当后续区域的热输入需求、构件尺寸或性能要求发生变化时，能够改变并行沉积任务数量、空间间隔、时间间隔、层序关系及各沉积任务对应的加工参数，并根据更新后的目标多层并行工艺组调整参与加工的沉积加工单元数量、空间位置或者加工状态。循环执行目标多层并行工艺组的空间错层并行沉积过程，直至完成待制造零件的全部沉积任务。

20、本发明还提供一种基于多层并行工艺组的定向能量沉积增材制造装置，包括多层并行工艺组规划及优选模块、沉积加工单元配置模块、定向能量沉积加工模块、空间错层运动模块以及工艺控制模块。

21、特征1：多层并行工艺组规划及优选模块。

22、所述多层并行工艺组规划及优选模块用于获取待制造零件的模型信息、材料信息及工艺需求，根据材料热物性参数、不同沉积区域的热输入需求、目标热循环要求及制造效率建立多个候选多层并行工艺组，对各候选多层并行工艺组及其协同工艺参数组合进行筛选和综合评价，并确定目标多层并行工艺组。

23、特征2：沉积加工单元配置模块。

24、所述沉积加工单元配置模块用于根据目标多层并行工艺组中的并行沉积任务数量、各沉积任务对应的层序、空间位置、路径相位及加工路径，确定参与当前目标多层并行工艺组的定向能量沉积加工单元数量，并确定各沉积加工单元对应的目标空间位置、运动范围及其与沉积层序之间的映射关系。

25、特征3：定向能量沉积加工模块。

26、所述定向能量沉积加工模块包括两个或两个以上能够独立执行定向能量沉积任务的沉积加工单元，各沉积加工单元至少包括高能束发生单元、材料输送单元以及沉积加工头；各沉积加工单元能够按照沉积加工单元配置模块确定的空间位置、运动范围及层序映射关系，独立执行对应的材料输送、高能束作用及材料沉积任务。

27、特征4：空间错层运动模块。

28、所述空间错层运动模块用于调节各定向能量沉积加工单元与待制造零件之间的相对空间位置，使不同沉积加工单元分别到达多层并行工艺组所确定的不同高度位置，并保持满足工艺组要求的空间间隔；所述空间错层运动模块能够采用加工头独立运动、成形平台运动或加工头与成形平台复合运动的方式实现各沉积加工单元与待制造零件之间的相对运动。

29、特征5：工艺控制模块。

30、所述工艺参数控制模块用于根据多层并行工艺组对应的协同加工参数，分别控制各定向能量沉积加工单元的高能束功率、扫描速度、材料输送速度、沉积层厚度以及加工路径，使不同高度位置的沉积层按照对应工艺参数同步或交错执行沉积任务。

31、所述工艺参数控制模块还具有前序支承约束控制功能，用于根据不同层序沉积任务之间的空间映射关系判断较高层序沉积任务对应位置的前序支承沉积区域是否已经形成；当所述前序支承沉积区域未满足预设形成条件时，限制对应较高层序沉积加工单元进入该位置执行沉积任务。

32、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

33、（1）本发明以热输入、热循环和制造效率需求确定多层并行工艺组，再由目标工艺组决定所需沉积加工单元数量及其层序分工，实现由工艺需求驱动设备配置。

34、（2）多个沉积加工单元分别加工不同高度层序，将传统完整完成一层后再进行下一层的串行过程转变为不同层序沿空间路径同步推进的并行过程。

35、（3）通过路径相位差保证较高层序仅在前序支承区域形成后沉积，在满足增材制造由下至上的局部支承关系的同时实现整体空间并行。

36、（4）通过改变路径相位距离和加工时间间隔控制同一局部区域连续受到不同层序热作用之间的时间，为层间热扩散和热历史设计提供新的调控自由度。

37、（5）将传统ded加工参数与并行数量、层间高度间隔、路径相位及时间间隔统一作为协同设计变量，使同一目标热输入和热循环需求能够对应多个不同效率及热历史特征的工艺组合。

38、（6）多个沉积加工单元位于不同高度和不同路径位置，能够减少多个高能束集中作用于同一高度相邻区域所造成的直接热输入叠加。

39、（7）对于同一待制造零件的不同区域，可以根据局部结构、热积累程度及目标性能选择不同的多层并行工艺组，并在制造过程中调整并行数量、空间相位、层间时间以及加工参数。