一种根据零件实时温度场调整打印策略的方法

技术领域

本发明属于SLM成形技术领域，具体涉及一种根据零件实时温度场调整打印策略的方法。

背景技术

由于在SLM成形过程中，瞬时集中的激光能量容易造成零件温度场分布不均匀，使零件在成形过程中局部应力增大，产生翘曲变形甚至开裂等缺陷。

如何从热力学角度分析SLM成形过程是一个值得研究的方向。目前，一些研究人员利用有限元分析方法仿真获得成形过程温度和热应力场的分布情况，并对影响成形温度、应力的参数进行了相关研究。但能对温度场进行实时监控的SLM设备少之又少。红外热像仪利用红外探测器和光学成像物镜接收被测目标的红外辐射能量分布图形，然后反映到红外探测器的光敏元件上，从而获得红外热像图，这种热像图与物体表面的热分布场相对应。由于其可以直观地观察到被测目标整体温度分布状况这一优势，具有极其广泛的应用范围。但目前还未有SLM设备应用该项技术。

通常，利用SLM技术加工零件时，需要对零件进行剖分。剖分前会设置相关剖分参数、选择打印策略、更改扫描速度等，设定好后，在零件成形过程中即无法改变。但实际加工过程因为工艺参数、支撑强度、外部环境等因素的影响往往是非常复杂且难以完全掌控的。如果能够根据实际成形过程及时调整打印策略，可以避免很多问题的发生，而零件成形过程中的温度场是其中需要重点监控的内容。

零件热应力过大容易发生变形、开裂。现有的SLM设备基本都无法对零件加工过程中的温度场进行实时监控。即使有的SLM设备可以实现获取温度的功能，也往往存在测温不准、误差较大等问题。

在对零件进行剖分时，需要设置零件的打印策略，在现有加工过程中，打印策略通常是固定的，不会发生更改。由于现有技术不能根据零件的实际成形过程及时调整打印策略，这无形中就增加了零件的废品率。

发明内容

本发明的目的是提供一种根据零件实时温度场调整打印策略的方法，解决了现有成形方法无法获取准确温度场、且根据温度场调整打印策略的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种根据零件实时温度场调整打印策略的方法，包括以下步骤：

步骤1，通过计算机读取零件当前层预设的各分区打印顺序并记录；

步骤2，获取成形平台当前温度场；

步骤3，根据步骤2获得的成形平台当前温度场，计算零件当前层各分区的平均温度值，并根据该平均温度值将零件当前层各分区按照温度从小到大进行排序；

步骤4，将步骤3获得的零件当前层各分区排序与步骤1读取的零件当前层预设的各分区打印顺序进行比较，若一致，则按照预设的各分区打印顺序继续打印；反之，控制设备按照步骤3获得的零件当前层各分区排序进行零件当前层的打印。

本发明的特点还在于：

步骤2中成形平台当前温度场利用红外热成像仪测量得到。

步骤3中零件当前层各分区的平均温度值获取方法为：

(1)根据零件当前层的分区规则，将成形平台划分为与零件当前层分区对应的多个分区；

(2)根据红外热成像仪获得的成形平台当前温度场，提取成形平台各分区温度场分布，并计算成形平台各分区平均温度值T；同时，获取成形平台各分区面积值S及与其对应的零件当前层各分区面积值S＇，通过式(1)进行计算，获得零件当前层各分区平均温度值T＇，

步骤1中分区为条带分区或棋盘分区。

红外热成像仪安装在SLM设备的成形舱内。

本发明的有益效果是，本发明方法利用红外热成像仪实时监测零件成形过程中的温度场，并根据当前零件的温度分布及时调整打印策略，减少零件加工过程中因热应力产生的问题，提高零件加工质量。

附图说明

图1是本发明方法所使用的SLM设备结构示意图；

图2是本发明根据零件实时温度场调整打印策略的方法流程图；

图3是零件的两种分区示意图；

图4是本发明成形平台条带分区示意图；

图5是本发明成形平台棋盘分区示意图；

图1中，1.激光器，2.保护镜，3.进风口，4.成形舱，5.收粉舱，6.活塞，7.基板，8.成形零件，9.送粉舱，10.刮刀，11.出风口，12.计算机，13.红外热成像仪，14.激光束。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不限于这些实施方式。

本发明的根据零件实时温度场调整打印策略的方法采用如图1所示的设备，图中包含了SLM设备的基本构件，激光器1，保护镜2，进风口3，成形舱4，收粉舱5，活塞6，基板7，送粉舱9，刮刀10，出风口11，激光束14。为了实现本发明的方法，在SLM设备的成形舱4内安装红外热成像仪13，并将SLM设备、红外热成像仪13均与计算机12相连接。

本发明方法参照图2，具体按照以下步骤实施：

步骤1，读取零件当前层预设的各分区打印顺序。

在零件成形前，剖分软件会对零件进行分层切片，将零件整体的三维数据信息转化为每一层的二维数据信息，并将零件每层切片划分为多个条带式分区或多个棋盘式分区(如图3所示)，同时预设零件每层截面各分区(条带分区或棋盘分区)的打印顺序。通过计算机读取零件当前层预设的各分区打印顺序并记录。

步骤2，通过红外热成像仪获取成形平台当前温度场。

步骤3，根据步骤2获得的成形平台当前温度场，计算零件当前层各分区的平均温度值，并根据该平均温度值将零件当前层各分区按照温度从小到大进行排序。

由于红外热成像仪获取的温度场为整个成形平台的温度场，其很难区分成形平台中的零件截面分区，特别是，当零件截面轮廓不规则时，很难获取零件截面分区的温度。因此，为了获得零件当前层各分区的平均温度值，本发明提供了一种简单可行的方法，具体如下：

如图4、5所示，根据零件当前层的分区规则，将成形平台划分为与零件当前层分区对应的多个分区。然后根据红外热成像仪获得的成形平台当前温度场，提取成形平台各分区温度场分布，并计算成形平台各分区平均温度值T；同时，获取成形平台各分区面积值S及与其对应的零件当前层各分区面积值S＇，通过式(1)进行计算，获得零件当前层各分区平均温度值T＇。

由于成形平台是规则的，其分区也是规则的，因此，很容易提取其各分区温度场，计算其平均温度值T，成形平台各分区面积值S及零件当前层各分区面积之S＇可从剖分软件中获取，因此，通过式(1)可以很容易获得零件当前层各分区的平均温度值T＇。

步骤4，将步骤3获得的零件当前层各分区排序与步骤1读取的零件当前层预设的各分区打印顺序进行比较，若一致，则按照预设的各分区打印顺序继续打印；反之，控制设备按照步骤3获得的零件当前层各分区排序进行零件当前层的打印。

这样优先打印温度低的区域，可以让温度高的区域有更长的时间进行散热，有助于降低零件局部温度，均衡温度场，防止温度不均产生应力集中，而导致零件发生损坏。

实施例

采用如图1所示的SLM成形设备进行零件成形，以图4所示零件截面作为当前层为例，对本发明方法做进一步阐述。其中，方框所示为成形平台，圆形区域为零件当前层区域，将零件当前层区域划分为7个条带分区。具体打印策略调整步骤如下：

步骤1，通过计算机读取零件当前层预设的各分区打印顺序：7-6-5-4-2-3-1。

步骤2，通过红外热成像仪获取成形平台当前温度场。

步骤3，根据步骤2获得的成形平台当前温度场，计算零件当前层各分区的平均温度值，如图4所示，根据零件当前层的分区规则，将成形平台划分为与零件当前层分区对应的多个分区。然后根据红外热成像仪获得的成形平台当前温度场，提取成形平台各分区温度场分布，并计算成形平台各分区平均温度值T；同时，获取成形平台各分区面积值S及与其对应的零件当前层各分区面积值S＇，通过式(1)进行计算，获得零件当前层各分区平均温度值T＇。

之后，根据该平均温度值将零件当前层各分区按照温度从小到大进行排序，排序为：5-6-7-4-3-1-2。

步骤4，将步骤3获得的零件当前层各分区排序：5-6-7-4-3-1-2与步骤1读取的零件当前层预设的各分区打印顺序：7-6-5-4-2-3-1进行比较，由于两者排序不一致，故控制设备按照步骤3获得的零件当前层各分区排序：5-6-7-4-3-1-2进行零件当前层的打印。

通过以上方法，实现了热成像仪对零件的成形过程温度场的监控，并根据零件温度场分布及时调整打印策略，减少零件加工过程中产生的热应力，防止零件发生应力集中，避免零件断裂、损坏等。

本发明以上描述只是部分实施例，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式。上述的具体实施方式是示意性的，并不是限制性的。凡是采用本发明的方法，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，所有具体拓展均属本发明的保护范围之内。