[发明专利]一种激光增材制造过程低碳建模与工艺参数优化方法

说明书

本发明涉及一种激光增材制造过程低碳建模与工艺参数优化方法，属于先进制造与自动化技术领域。本发明的方法包括如下步骤：基于激光发生器、冷却子系统、送粉子系统、进给子系统、辅助子系统碳足迹分析建立激光增材制造碳足迹模型；搭建功率实时监控平台获取碳足迹模型试验参数；考虑熔覆质量与熔覆成本的要素构建面向碳排放的激光增材制造工艺参数优化模型；基于人工鱼群算法的激光增材制造工艺参数优化模型求解；实例分析。本发明简单实用且在建模时充分考虑粉末利用率与熔覆质量，为激光增材制造过程碳排放优化提供良好的支持。

技术领域

本发明涉及一种激光增材制造过程低碳建模与工艺参数优化方法，属于先进制造与自动化技术领域。

背景技术

随着全球应对气候变化要求不断提高，碳达峰、碳中和已成为全球关注的热点。我国将碳达峰、碳中和列为2021年中央经济工作的八项重点任务之一。“十四五”期间将是我国实现碳排放达峰的关键期，而制造业是我国碳排放的主要领域，占全国总排放量的80％左右，因此，制造业势必成为碳达峰、碳中和的主战场。激光增材制造作为世界各国竞相发展智能制造的关键技术，目前已在我国航空航天、船舶等高端装备制造领域广泛应用。其原理主要是利用高能激光束快速熔化/凝固同轴输送的金属粉末，使材料逐层堆积直接成形。由于其工艺过程时间久、电能不完全转化激光束而产生大量碳排放，将成为我国高端装备制造过程的主要碳排放源之一。因此，研究激光增材制造碳排放建模与优化对于我国激光增材制造装备产业实现碳达峰、碳中和具有重要工程意义。

发明内容

针对上述问题本发明开发一种激光增材制造过程低碳建模与工艺参数优化方法分析激光增材制造过程各子系统碳排放机理与特性，建立激光增材制造过程碳排放综合模型。在此基础上，建立以碳排放、粉末利用率、熔覆质量为目标的激光增材制造工艺参数多目标优化模型，并提出人工鱼群算法进行求解，获取最佳工艺参数，通过激光增材制造实验案例验证模型的有效性与可行性。

本发明的一种激光增材制造过程低碳建模与工艺参数优化方法包括如下步骤：

S1、基于激光发生器、冷却子系统、送粉子系统、进给子系统、辅助子系统碳足迹分析建立激光增材制造碳足迹模型；搭建功率实时监控平台获取碳足迹模型试验参数；

S2、搭建功率实时监控平台获取碳足迹模型试验参数；

S3、考虑熔覆质量与熔覆成本的要素构建面向碳排放的激光增材制造工艺参数优化模型；

S4、基于人工鱼群算法的激光增材制造工艺参数优化模型求解；

S5、实例分析。

优选的，所述的步骤S1包括如下子步骤：

S11、构建待机时间函数T_s＝T_i+T_p+T_g，

式中，T_i为激光器间隔时间；T_p为前期准备时间；T_g为送粉器延迟时间。

S12、构建熔覆熔覆过程时间数学函数为式中，l为熔覆长度；d为光斑直径；s为基体需要熔覆宽度；α为搭接率；N为熔覆层数；V_s为扫描速度。

S13、构建冷却子系统工作时间函数为式中，v_k为冷却水流速；c为冷却水比热容；ρ为冷却水密度；ΔT为冷却水温差；P_lm为激光发生器子系统工作功率；P_lin为激光输入功率。