[发明专利]一种自适应调控的激光增材制造扫描方法

说明书

本发明公开了一种自适应调控的激光增材制造扫描方法，包括步骤一：设计实验，探究激光扫描速度与成型构件不同区域应力大小之间的关系；步骤二：建立零件CAD模型，通过仿真软件对零件模型进行相应服役条件下的力学性能仿真分析，得到应力分布图；步骤三：根据应力分布，将零件划分为不同的区域；步骤四：对于应力集中区域采用较为精细的扫描策略，得到细化的晶粒，而对应力要求不高的区域采用扫描速度较快的扫描策略。本发明的扫描策略在不改变结构的前提下，仅通过对不同应力区域受力情况的适应性调控，使得不同区域获得不同的显微组织，提高零件的力学性能。

技术领域

本发明属于激光增材制造和快速成形技术领域，具体涉及一种自适应调控的激光增材制造扫描方法。

背景技术

激光增材制造是一种快速成形技术，该技术利用高能激光束作为能量输入源，根据计算机设计的三维模型以及规划路径，实现粉末材料的选择性烧结或熔化，最终实现设计零件的整体制造。其成形精度高、速度快、节省原材料，可以大大的降低材料的制造成本，具有很好的应用前景。该技术主要包括激光熔化沉积技术和选区激光融化技术(激光粉末床熔融技术)，而本发明围绕粉末床熔融技术进行阐述。

激光粉末床熔融技术具有以下优点：

(1)无需焊接铆接工艺的配合，也不需要模具和夹具的支持；

(2)材料利用率高，生产成本低；

(3)能直接成型结构复杂、具有性能梯度的零件；

激光粉末床熔融成型是一个包含多物理场、多尺度的加工过程，不同加工参数例如激光功率，扫描策略，粉末层厚和光斑大小等等，不同的加工参数组合对成型零件的力学性能，成型质量和尺寸精度都起着决定性的作用，其中，扫描策略中的激光扫描速度对零件力学性能也有较大的影响，其决定了激光输入能量密度大小，而能量大小也就间接决定了零件的层间结合质量优劣，从而影响其力学性能。

由于在激光打印过程中腔内有纯氩气作为保护气，因此在高能激光束快速扫描过后，气体会被包裹在熔池中，并且有一些残留气体因为来不及溢出而形成气孔，针对本发明采用的BCC点阵结构，不同的激光扫描速度将导致不同的激光能量密度输入，功率一定的条件下，激光扫描速度越大，激光能量密度越低，当扫描速度较大时，因为粉末层间融化不完全，使得金属颗粒间隙保留，形成大的孔隙缺陷，力学性能不佳；而如果激光扫描速度较小，粉末层上部金属颗粒融化程度增加，虽然减少了由于融化不完全产生的孔隙，但如果激光能量密度过高也将导致金属元素烧损产生孔隙和由于熔体粘度降低而导致的成型质量不佳等问题，因此选择合适的扫描速度是获得更优力学性能的较为关键的因素。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种自适应调控的激光增材制造扫描方法；

技术方案：一种自适应调控的激光增材制造扫描方法，包括以下步骤：

步骤一：设计实验，获得成型工件的激光扫描速度与服役条件下应力区域的应力大小之间的关系；

步骤二：获得所述成型工件的CAD点阵结构模型，通过力学仿真软件对所述CAD点阵结构模型进行服役条件下的仿真分析，获取所述CAD点阵结构模型的应力分布云图；

步骤三：根据所述应力分布云图，将所述CAD点阵结构模型划分为不同的应力区域，并将所述应力区域所采取的激光扫描速度与步骤一中相同应力区域采取的激光扫描速度进行对应，不同所述应力区域之间所采用的激光扫描速度渐变；

步骤四：对于应力集中的应力区域采用扫描速度较慢的激光扫描方法，而对于应力分散的应力区域采用扫描速度较快的激光扫描方法。

优选的，在步骤二中仿真分析的具体步骤为，

(2.1)网格划分：将所述CAD点阵结构模型导入力学仿真软件并离散成有限个数的单元，每个所述单元均包含多个节点；