一种激光沉积/超声处理同步增材制造的自适应分层方法与流程

1.本发明属于金属材料增材制造领域，具体涉及一种激光沉积/超声处理同步增材制造的自适应分层方法。


背景技术：

2.近年来，增材制造（俗称3d打印）技术的出现为传统制造业的转型升级提供了良好契机。该技术的基本原理是对三维模型进行离散分层，然后通过材料的逐层累积，实现三维模型的近净成形。金属材料增材制造中往往会存在周期性、非稳态的复杂传热、传质现象，由此会引发成形尺寸以及构件性能等多方面的问题。因此，提升增材制造过程中构件形状与性能的一体化控制能力是当前增材制造领域的重要研究任务。近年来，研究人员通过引入附加物理能场，如超声能场、磁场、机械力场等方式，实现了构件的应力调控和微观组织调控，从而有效提升了成形件的综合性能。其中，激光沉积/超声处理同步增材是一种典型的方案，其原理是通过超声处理工具头的静压力和超声装置的超声冲击力，使得材料表面发生反复塑性变形，这种塑性流变一方面促使位于表面“波峰”位置材料填充到“波谷”位置，提升了沉积层的平整度；另一方面降低甚至消除了材料热循环引起的拉应力，促使了晶粒的细碎化，从而提高了工件的抗裂性。
3.然而，在实际激光沉积/超声处理同步增材制造过程中，热累积效应以及超声处理作用会导致每层实际沉积层的高度存在差异，若按照目前常用的统一预测高度进行原三维模型的分层切片以及切片后的路径规划，很容易引起预测高度与实际沉积高度之间的较大误差，进而导致激光散焦，难以保证最终成形尺寸甚至无法进行连续的增材制造。如授权公告号为cn108481735b公开的一种基于自适应分层切片的结构件外形尺寸控制方法，其下一层的预测高度为前多层的平均高度，因为热累积的原因，通常层厚会逐渐增加，如果采用多层的平均值，数值会小于实际沉积厚度。此外该授权方法所采用的激光、超声等非接触式测距方法在打印激光、等离子羽烟、粉末飞溅、超声振动等实际复杂因素的扰动下会产生较大误差。因此，探索面向激光沉积/超声处理同步增材制造的新型分层切片方法对控形控性而言均十分必要。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种激光沉积/超声处理同步增材制造的自适应分层方法，以解决现有激光沉积/超声处理同步增材制造技术中分层切片和路径规划与实际沉积脱离的问题。
5.为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：本发明是一种激光沉积/超声处理同步增材制造的自适应分层方法，步骤如下：步骤1：利用系统中的旋转平台调整超声处理装置与激光沉积头之间的相对位置，使得超声处理装置始终位于激光熔池移动方向的后面；步骤2：利用力控系统，调整超声处理工具头的位置，使得工具头压紧基板，并保持
所需的处理压力；步骤3：依据三维模型的底面轮廓，进行第一层打印路径的规划，并按照第一层打印路径进行打印，打印时采用恒压控制策略，超声处理装置抬升一定高度δh1，此抬升高度δh1通过下位机传递给上位机，上位机进行三维模型的第二层切片，并设置此时的切片高度h1=δh1，随后规划第二层的打印路径；步骤4：上位机将打印路径传递至下位机，下位机控制运动机构准备执行第二层打印，调整超声处理装置与激光沉积头的相对位置，保持恒压控制，进行第二层打印，将第二层打印时超声处理装置的抬升量δh2，发送至分层切片程序，设置第三层的切片高度h2=δh2，并规划第三层的打印路径；步骤5：第n层打印时，调整超声处理装置与激光沉积头的相对位置，保持恒压控制，将第n层打印时超声处理装置的抬升量δhn，发送至分层切片程序，设置第n 1层的切片高度hn=δhn，并规划第n 1层的打印路径，如此往复，直至三维模型打印完成。
6.本发明的进一步改进在于：步骤1中的系统包括超声处理系统、激光沉积系统和恒力控制系统，超声处理系统、激光沉积系统均与恒力控制系统的上位机相连，并通过上位机设置超声处理参数、激光沉积参数及压力参数，并执行三维模型的自适应分层切片与路径规划。
7.本发明的进一步改进在于：恒力控制系统包括上位机、下位机、力控传感器和数控运动机构，下位机用于实时读取数控运动机构位置信息，并直接控制数控运动机构。
8.本发明的进一步改进在于：数控运动机构包括可连接在三维运动机构上的法兰、可实现360
°
旋转的旋转平台、连接法兰，连接法兰固定在旋转平台的下端，并通过旋转平台带动转动，在连接法兰下端连接有超声处理系统的超声处理装置和激光沉积系统的激光沉积头，超声处理装置通过力控传感器固定在连接法兰下端。
9.本发明的进一步改进在于：超声处理系统包括超声处理装置和超声工具头，超声处理装置设置在力控传感器下端，在超声处理装置的下端安装有超声工具头。
10.本发明的有益效果是：1、恒力控制有助于保证超声处理的稳定性，进而有助于控制成形尺寸的一致性和成形组织的均匀性，可以用接触式测量方法反馈实际打印层高。
11.2、自适应分层以实际沉积中动态测量的沉积层厚代替凭经验预先设置的静态层高，在热积累或超声处理导致实际沉积层厚动态变化的情况下，有助于缩小打印模型分层切片厚度与实际沉积厚度之间的误差，避免沉积过程中激光和金属粉末的散焦现象，提高打印件的成形精度。
附图说明
12.图1是激光沉积/超声处理同步增材制造自适应分层系统原理图。。
13.图2是激光沉积/超声处理同步增材制造系统示意图其中：1-法兰，2-旋转平台，3-连接法兰，4-力控传感器，5-超声处理装置，6-超声处理工具头，7-激光沉积头，8-沉积层，9-基板，10-下位机，11-上位机。
具体实施方式
14.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现
有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0015] 本发明是一种激光沉积/超声处理同步增材制造的自适应分层方法，以镍基高温合金inconel 718为材料，利用该方法进行单道多层薄壁墙的激光沉积/超声处理同步增材制造。与该方法配套的系统包括超声处理系统、激光沉积系统、恒力控制系统，超声处理系统、激光沉积系统、数控系统均与上位机相连，并通过上位机设置超声处理参数、激光沉积参数及压力参数，并执行三维模型的自适应分层切片与路径规划，下位机用于实时读取数控运动机构位置信息，并直接控制数控运动机构。
[0016]
恒压控制由恒力控制系统实现，恒力控制系统包括上位机、下位机、力控传感器和数控系统的数控运动机构，下位机用于实时读取数控运动机构位置信息，并直接控制数控运动机构。数控运动机构包括可连接在三维运动机构上的法兰、可实现360
°
旋转的旋转平台、连接法兰，连接法兰固定在旋转平台的下端，并通过旋转平台带动转动，超声处理系统的超声处理装置和激光沉积系统的激光沉积头均设置在连接法兰的下端。
[0017]
具体步骤如下：步骤1:选用粒径为70~150 μm的inconel 718球形粉末，置入真空干燥箱中150℃烘干2小时，选用316不锈钢为基板，清理表面；步骤2：按实际所需高度建立薄壁件三维模型，并以stl格式输入打印软件；步骤3：按图1所示，将力控传感器、超声处理装置、激光沉积头以及基板装配到数控机床上；超声处理装置通过力控传感器安装在数控运动机构下端，激光沉积头安装在超声处理装置的后侧；步骤4：确定第一层的沉积方向，调整旋转平台2，使得沉积时超声处理装置5位于激光沉积头7后侧，并确保超声处理工具头经过激光沉积路径；步骤5：通过上位机11设置处理压力为300至400n, 使得超声处理工具头6压紧基板9，并通过力控传感器及数控运动机构，保持恒定压力；步骤6：预设超声波频率为18~20 khz，振幅为15~18μm，并启动超声波发生器，以柴油为润滑剂，利用滴定管输送到超声处理工具头前沿；步骤7：设置激光功率为800~1400 w，沉积线速度为5~12 mm/s，送粉速度为0.6~1.2 ml/min, 按第一层沉积路径开始激光沉积；步骤8：利用力控系统在沉积过程中保持恒压控制，则在超声处理工具头经过沉积层时超声处理装置会产生向上的抬升，下位机10将此抬升量δh1发送至上位机11，上位机11在三维模型分层切片程序中将切片高度h1设置为δh1，随后进行第二层打印的路径规划；步骤9：上位机11将第二层打印路径传递给下位机10，准备第二层打印。调整旋转平台2，确保第二层打印时，激光加工头仍然处于沉积行进路线的前方；若第二层沉积方向与第一层相反，则需要将平台2旋转180
°
；若下一层沉积方向未改变，则无需旋转；随后下位机10控制数控运动系统开始第二层打印；步骤10：当超声理工具头6经过第二层沉积层时，由于恒压控制的存在，超声处理装置会产生向上的抬升δh2，下位机10将此抬升量δh2发送至上位机11，上位机11对三维模型进行第三层切片，切片高度h2=δh2，切片后进行第三层打印路径规划；
步骤11：第二层打印完成后，上位机11将第三层打印路径发生至下位机10，并调整旋转平台2，使得激光加工头在接下来的沉积中处于沉积行进路线的前方，随后下位机10控制数控运动系统开始第三层打印；步骤12：依次类推，当超声理工具头6经过第n层沉积层时，由于恒压控制的存在，超声处理装置会产生向上的抬升δhn，下位机10将此抬升量δhn发送至上位机11，上位机11对三维模型进行第n 1层切片，切片高度hn=δhn，切片后进行第n 1层打印路径规划及打印，直至打印件达到高度要求，随后关闭相关系统。
[0018]
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对该实施例做各种修改，例如选择不同的打印材料、工艺参数，或将超声处理装置改变为超声冲击等其他类似超声处理装置，将数控运动系统改为多轴机器人系统等，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。