一种激光沉积成形快速定位方法与流程

1.本发明涉及到金属激光增材制造技术领域，尤其涉及一种激光沉积成形快速定位方法。


背景技术：

2.金属激光增材制造工艺技术近年来发展迅速，国内外涌现了大量成熟商业化的激光增材制造用原材料、成形设备，增材制造产品已广泛应用于航空航天、核电、医疗领域。金属激光增材制造应用较多的两类工艺为激光选区融化成形，铺粉3d打印和激光直接沉积成形，送粉3d打印。激光沉积成形适合加工尺寸大的承力构件，用于飞机框梁类大型零件的加工成形具有独特的优势：打印加工过程中无需模具、工装，加工效率高，钛合金可达到0.5-1kg/h，直接在基板上沉积成形所需的零件毛坯，然后通过数控粗、精加工得到零件。
3.目前激光沉积成形加工前的准备包括模型处理和基材准备。基材准备主要工作是基材原点与打印程序原点的协调，一般采取让程序原点与基材原点相重合的方法，具体做法是：由毛坯模型生成打印程序，同时确定程序原点，在基材上确定打印原点，然后关闭送粉及激光，运行程序，利用导引红光确定零件外形轮廓与基材的相对位置，确保零件打印不会超出基材。对于外形轮廓复杂的零件，零件打印原点难确定或基材尺寸较小时，需要反复调试原点位置，过程复杂，工作量大。
4.公开号为cn109261964a，公开日为2019年01月25日的中国专利文献公开了一种钛合金结构件激光熔化沉积成形方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)根据钛合金结构件的尺寸及结构，确定所述钛合金结构件的易开裂区域；(2)采用激光熔化沉积成形法获得钛合金结构件，其中，对所述易开裂区域成形时控制晶粒形态为等轴晶，对其他区域成形时控制晶粒形态为柱状晶；步骤(1)所述的易开裂区域包括激光熔化沉积成形平面内至少有一边的包络尺寸≥1000mm的区域、单层沉积时间≥30min的区域、两个不同成形方向的交界区域、与基板结合的区域和/或截面形状类型发生变化的区域；步骤(2)所述的对易开裂区域成形时控制晶粒形态为等轴晶，包括：对易开裂区域成形时控制激光功率3000-4000w、扫描速度400-700mm/min、光斑尺寸5-6mm、送粉速率25-35g/min及搭接率35％-60％。
5.该专利文献公开的钛合金结构件激光熔化沉积成形方法，无互连过程，不涉及小尺寸结构互连前的多次机械加工，可实现钛合金结构件一次性整体快速制造，缩短成形周期。但是，由于不能实现模型的精准定位，无法保证零件成形定位的准确性，因而不能有效指导实际生产操作。


技术实现要素：

6.本发明为了克服上述现有技术的缺陷，提供一种激光沉积成形快速定位方法，本发明能够实现模型的精准定位，保证零件成形定位的准确性，从而能够有效指导实际生产
操作。
7.本发明通过下述技术方案实现：一种激光沉积成形快速定位方法，其特征在于，包括以下步骤：a、根据零件材料属性及打印工艺模型选择基材，使基材材质与零件材料为同类型金属材料；b、确定基材尺寸，使零件沉积成形前10-30层截面轮廓投影在基材有效成形区内，并保留余量区用于压板固定；c、在零件工艺模型下方设计一个幅面与实际基材尺寸相同且厚度小于1mm的虚拟基材，指定虚拟基材几何中心为程序原点，再进行程序编制，同时调试成形设备，将实际基材表面的几何中心设置为基材原点，使程序原点与基材原点相同；d、编制零件成形程序，运行程序成形零件。
8.所述步骤b中，有效成形区具体是指零件成形的区域。
9.所述步骤b中，余量区包括压板夹持区和防止激光熔覆头与压板干涉的保留区。
10.所述步骤b中，压板的厚度为10-30mm，压板的宽度w1为20-40mm，相邻压板之间的间距w2为100-300mm，余量区的宽度w4通过式1确定；w4≥w3+d/2
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式1其中：d为激光熔覆头直径；w3为压板有效夹持长度，取10-40mm。
11.所述步骤d中，编制零件成形程序具体是指将零件进行分层切片，虚拟基材为第一层切片，零件为第二层切片，零件分层切片后，对切片进行批量的扫描轨迹规划，从第二层切片开始打印成形。
12.所述扫描轨迹具体是指激光熔覆头的运动轨迹，覆盖每一层切片的所有位置，使成形零件组织致密。
13.所述扫描轨迹的间距a和轮廓偏置距离b均为激光光斑直径的30-60%，相邻切片层之间的扫描轨迹的夹角θ为40-90
°
。
14.所述切片厚度为0.5-1.5mm。
15.所述步骤d中，零件成形程序包括外轮廓定位程序和正式打印程序，外轮廓定位程序中扫描轨迹为外轮廓。
16.所述正式打印程序前，在开启小激光功率且关闭送粉情况下，运行外轮廓定位程序，通过激光在基材上熔融显示零件首层外轮廓。
17.本发明的有益效果主要表现在以下方面：1、本发明，a、根据零件材料属性及打印工艺模型选择基材，使基材材质与零件材料为同类型金属材料；b、确定基材尺寸，使零件沉积成形前10-30层截面轮廓投影在基材有效成形区内，并保留余量区用于压板固定；c、在零件工艺模型下方设计一个幅面与实际基材尺寸相同且厚度小于1mm的虚拟基材，指定虚拟基材几何中心为程序原点，再进行程序编制，同时调试成形设备，将实际基材表面的几何中心设置为基材原点，使程序原点与基材原点相同；d、编制零件成形程序，运行程序成形零件，较现有技术而言，能够实现模型的精准定位，保证零件成形定位的准确性，从而能够有效指导实际生产操作。
18.2、本发明，虚拟基材定位原理简单，易于推广，可有效减轻生产现场操作的劳动强
度，从工艺端实现模型与生产实际的相互匹配，适用性强。
19.3、本发明，将实际生产操作问题转化为工艺模型定位问题，可快速实现零件轮廓，即程序原点与基材原点的位置匹配。
20.4、本发明，正式打印程序前，在开启小激光功率且关闭送粉情况下，运行外轮廓定位程序，通过激光在基材上熔融显示零件首层外轮廓，能够检查零件前期的定位是否准确，确保零件成形范围在基材有效成形区内。
21.5、本发明，通过建立实际生产相关设备附件的物理模型，如基材、压板、激光熔覆头，从而在虚拟平台上确定设备附件与待成形零件的位置关系，能够有效指导实际生产操作。
附图说明
22.下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的具体说明：图1为本发明基材分区示意图；图2为本发明余量区压板布置示意图；图中标记：1、基材，2、有效成形区，3、余量区，4、压板，5、激光熔覆头，w1为压板的宽度，w2为相邻压板之间的间距，w3为压板有效夹持长度，w4为余量区的宽度。
具体实施方式
23.实施例1参见图1，一种激光沉积成形快速定位方法，包括以下步骤：a、根据零件材料属性及打印工艺模型选择基材1，使基材1材质与零件材料为同类型金属材料；b、确定基材1尺寸，使零件沉积成形前10层截面轮廓投影在基材1有效成形区2内，并保留余量区3用于压板4固定；c、在零件工艺模型下方设计一个幅面与实际基材尺寸相同且厚度为0.9mm的虚拟基材，指定虚拟基材几何中心为程序原点，再进行程序编制，同时调试成形设备，将实际基材表面的几何中心设置为基材1原点，使程序原点与基材1原点相同；d、编制零件成形程序，运行程序成形零件。
24.本实施例为最基本的实施方式，较现有技术而言，能够实现模型的精准定位，保证零件成形定位的准确性，从而能够有效指导实际生产操作。
25.实施例2参见图1和图2，一种激光沉积成形快速定位方法，包括以下步骤：a、根据零件材料属性及打印工艺模型选择基材1，使基材1材质与零件材料为同类型金属材料；b、确定基材1尺寸，使零件沉积成形前20层截面轮廓投影在基材1有效成形区2内，并保留余量区3用于压板4固定；c、在零件工艺模型下方设计一个幅面与实际基材尺寸相同且厚度为0.8mm的虚拟基材，指定虚拟基材几何中心为程序原点，再进行程序编制，同时调试成形设备，将实际基材表面的几何中心设置为基材1原点，使程序原点与基材1原点相同；
d、编制零件成形程序，运行程序成形零件。
26.所述步骤b中，有效成形区2具体是指零件成形的区域。
27.所述步骤b中，余量区3包括压板4夹持区和防止激光熔覆头5与压板4干涉的保留区。
28.本实施例为一较佳实施方式，虚拟基材定位原理简单，易于推广，可有效减轻生产现场操作的劳动强度，从工艺端实现模型与生产实际的相互匹配，适用性强。
29.实施例3参见图1和图2，一种激光沉积成形快速定位方法，包括以下步骤：a、根据零件材料属性及打印工艺模型选择基材1，使基材1材质与零件材料为同类型金属材料；b、确定基材1尺寸，使零件沉积成形前30层截面轮廓投影在基材1有效成形区2内，并保留余量区3用于压板4固定；c、在零件工艺模型下方设计一个幅面与实际基材尺寸相同且厚度为0.7mm的虚拟基材，指定虚拟基材几何中心为程序原点，再进行程序编制，同时调试成形设备，将实际基材表面的几何中心设置为基材1原点，使程序原点与基材1原点相同；d、编制零件成形程序，运行程序成形零件。
30.所述步骤b中，有效成形区2具体是指零件成形的区域。
31.所述步骤b中，余量区3包括压板4夹持区和防止激光熔覆头5与压板4干涉的保留区。
32.进一步的，所述步骤b中，压板4的厚度为10mm，压板4的宽度w1为20mm，相邻压板4之间的间距w2为100mm，余量区3的宽度w4通过式1确定；w4≥w3+d/2
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式1其中：d为激光熔覆头5直径；w3为压板4有效夹持长度，取10mm。
33.本实施例为又一较佳实施方式，将实际生产操作问题转化为工艺模型定位问题，可快速实现零件轮廓，即程序原点与基材1原点的位置匹配。
34.实施例4参见图1和图2，一种激光沉积成形快速定位方法，包括以下步骤：a、根据零件材料属性及打印工艺模型选择基材1，使基材1材质与零件材料为同类型金属材料；b、确定基材1尺寸，使零件沉积成形前30层截面轮廓投影在基材1有效成形区2内，并保留余量区3用于压板4固定；c、在零件工艺模型下方设计一个幅面与实际基材尺寸相同且厚度为0.7mm的虚拟基材，指定虚拟基材几何中心为程序原点，再进行程序编制，同时调试成形设备，将实际基材表面的几何中心设置为基材1原点，使程序原点与基材1原点相同；d、编制零件成形程序，运行程序成形零件。
35.所述步骤b中，有效成形区2具体是指零件成形的区域。
36.所述步骤b中，余量区3包括压板4夹持区和防止激光熔覆头5与压板4干涉的保留区。
37.所述步骤b中，压板4的厚度为20mm，压板4的宽度w1为30mm，相邻压板4之间的间距w2为200mm，余量区3的宽度w4通过式1确定；w4≥w3+d/2
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式1其中：d为激光熔覆头5直径；w3为压板4有效夹持长度，取30mm。
38.进一步的，所述步骤d中，编制零件成形程序具体是指将零件进行分层切片，虚拟基材为第一层切片，零件为第二层切片，零件分层切片后，对切片进行批量的扫描轨迹规划，从第二层切片开始打印成形。
39.所述扫描轨迹具体是指激光熔覆头5的运动轨迹，覆盖每一层切片的所有位置，使成形零件组织致密。
40.所述扫描轨迹的间距a和轮廓偏置距离b均为激光光斑直径的30%，相邻切片层之间的扫描轨迹的夹角θ为40
°
。
41.所述切片厚度为0.5mm。
42.本实施例为又一较佳实施方式，正式打印程序前，在开启小激光功率且关闭送粉情况下，运行外轮廓定位程序，通过激光在基材1上熔融显示零件首层外轮廓，能够检查零件前期的定位是否准确，确保零件成形范围在基材1有效成形区2内。
43.实施例5参见图1和图2，一种激光沉积成形快速定位方法，包括以下步骤：a、根据零件材料属性及打印工艺模型选择基材1，使基材1材质与零件材料为同类型金属材料；b、确定基材1尺寸，使零件沉积成形前30层截面轮廓投影在基材1有效成形区2内，并保留余量区3用于压板4固定；c、在零件工艺模型下方设计一个幅面与实际基材尺寸相同且厚度为0.6mm的虚拟基材，指定虚拟基材几何中心为程序原点，再进行程序编制，同时调试成形设备，将实际基材表面的几何中心设置为基材1原点，使程序原点与基材1原点相同；d、编制零件成形程序，运行程序成形零件。
44.所述步骤b中，有效成形区2具体是指零件成形的区域。
45.所述步骤b中，余量区3包括压板4夹持区和防止激光熔覆头5与压板4干涉的保留区。
46.所述步骤b中，压板4的厚度为30mm，压板4的宽度w1为40mm，相邻压板4之间的间距w2为300mm，余量区3的宽度w4通过式1确定；w4≥w3+d/2
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式1其中：d为激光熔覆头5直径；w3为压板4有效夹持长度，取40mm。
47.所述步骤d中，编制零件成形程序具体是指将零件进行分层切片，虚拟基材为第一层切片，零件为第二层切片，零件分层切片后，对切片进行批量的扫描轨迹规划，从第二层切片开始打印成形。
48.所述扫描轨迹具体是指激光熔覆头5的运动轨迹，覆盖每一层切片的所有位置，使成形零件组织致密。
49.所述扫描轨迹的间距a和轮廓偏置距离b均为激光光斑直径的60%，相邻切片层之间的扫描轨迹的夹角θ为90
°
。
50.所述切片厚度为1.5mm。
51.所述步骤d中，零件成形程序包括外轮廓定位程序和正式打印程序，外轮廓定位程序中扫描轨迹为外轮廓。
52.所述正式打印程序前，在开启小激光功率且关闭送粉情况下，运行外轮廓定位程序，通过激光在基材1上熔融显示零件首层外轮廓。
53.本实施例为最佳实施方式，通过建立实际生产相关设备附件的物理模型，如基材1、压板4、激光熔覆头5，从而在虚拟平台上确定设备附件与待成形零件的位置关系，能够有效指导实际生产操作。
54.本发明的原理如下：采用虚拟基材法，在设计零件打印毛坯模型时，在毛坯模型与基材1接触的一面上，设计一个幅面尺寸与实际基材大小相同且厚度小于1mm的虚拟基材，虚拟基材与毛坯模型为一个整体模型。毛坯模型的程序原点可任意指定为虚拟基材上的一点，如几何中心点或角点，同时在实际基材上将对应点设置为基材1原点即可。
55.如此，可将零件外形轮廓与实际基材的协调调整工序前移至毛坯模型设计阶段，准确度大大提高，工作强度大幅度减轻。

技术特征：
1.一种激光沉积成形快速定位方法，其特征在于，包括以下步骤：a、根据零件材料属性及打印工艺模型选择基材（1），使基材（1）材质与零件材料为同类型金属材料；b、确定基材（1）尺寸，使零件沉积成形前10-30层截面轮廓投影在基材（1）有效成形区（2）内，并保留余量区（3）用于压板（4）固定；c、在零件工艺模型下方设计一个幅面与实际基材尺寸相同且厚度小于1mm的虚拟基材，指定虚拟基材几何中心为程序原点，再进行程序编制，同时调试成形设备，将实际基材表面的几何中心设置为基材（1）原点，使程序原点与基材（1）原点相同；d、编制零件成形程序，运行程序成形零件。2.根据权利要求1所述的一种激光沉积成形快速定位方法，其特征在于：所述步骤b中，有效成形区（2）具体是指零件成形的区域。3.根据权利要求1所述的一种激光沉积成形快速定位方法，其特征在于：所述步骤b中，余量区（3）包括压板（4）夹持区和防止激光熔覆头（5）与压板（4）干涉的保留区。4.根据权利要求3所述的一种激光沉积成形快速定位方法，其特征在于：所述步骤b中，压板（4）的厚度为10-30mm，压板（4）的宽度w1为20-40mm，相邻压板（4）之间的间距w2为100-300mm，余量区（3）的宽度w4通过式1确定；w4≥w3+d/2
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式1其中：d为激光熔覆头直径；w3为压板有效夹持长度，取10-40mm。5.根据权利要求1所述的一种激光沉积成形快速定位方法，其特征在于：所述步骤d中，编制零件成形程序具体是指将零件进行分层切片，虚拟基材为第一层切片，零件为第二层切片，零件分层切片后，对切片进行批量的扫描轨迹规划，从第二层切片开始打印成形。6.根据权利要求5所述的一种激光沉积成形快速定位方法，其特征在于：所述扫描轨迹具体是指激光熔覆头（5）的运动轨迹，覆盖每一层切片的所有位置，使成形零件组织致密。7.根据权利要求5所述的一种激光沉积成形快速定位方法，其特征在于：所述扫描轨迹的间距a和轮廓偏置距离b均为激光光斑直径的30-60%，相邻切片层之间的扫描轨迹的夹角θ为40-90
°
。8.根据权利要求5所述的一种激光沉积成形快速定位方法，其特征在于：所述切片厚度为0.5-1.5mm。9.根据权利要求1所述的一种激光沉积成形快速定位方法，其特征在于：所述步骤d中，零件成形程序包括外轮廓定位程序和正式打印程序，外轮廓定位程序中扫描轨迹为外轮廓。10.根据权利要求9所述的一种激光沉积成形快速定位方法，其特征在于：所述正式打印程序前，在开启小激光功率且关闭送粉情况下，运行外轮廓定位程序，通过激光在基材（1）上熔融显示零件首层外轮廓。

技术总结
本发明公开了一种激光沉积成形快速定位方法，属于金属激光增材制造技术领域，其特征在于，包括以下步骤：a、选择基材，使基材材质与零件材料为同类型金属材料；b、确定基材尺寸，使零件沉积成形前10-30层截面轮廓投影在基材有效成形区内，并保留余量区用于压板固定；c、在零件工艺模型下方设计一个幅面与实际基材尺寸相同且厚度小于1mm的虚拟基材，指定虚拟基材几何中心为程序原点，再进行程序编制，同时调试成形设备，将实际基材表面的几何中心设置为基材原点，使程序原点与基材原点相同；d、编制零件成形程序，运行程序成形零件。本发明能够实现模型的精准定位，保证零件成形定位的准确性，从而能够有效指导实际生产操作。从而能够有效指导实际生产操作。从而能够有效指导实际生产操作。


技术研发人员：成靖 荣鹏 刘洪杰 易涛
受保护的技术使用者：成都飞机工业（集团）有限责任公司
技术研发日：2023.06.14
技术公布日：2023/10/5