：本發(fā)明涉及激光快速成形技術(shù)及其預(yù)熱溫度的控制領(lǐng)域，具體涉及一種金屬材料激光3D打印原位預(yù)熱溫度的控制方法。

背景技術(shù)：
：3D打印作為一種具有廣闊發(fā)展前景的制造技術(shù)，在全球范圍內(nèi)均得到了廣泛關(guān)注。除部分塑性或可焊性較好的金屬材料以外，金屬材料的激光3D打印技術(shù)迄今未取得廣泛應(yīng)用。原因在于金屬材料一般具有較高的強(qiáng)度，在3D打印過程中易產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力。金屬材料打印時(shí)在應(yīng)力作用下易開裂。與焊接過程類似，對(duì)金屬材料的預(yù)熱在3D打印過程中可以有效抑制開裂。因而已經(jīng)發(fā)展出電阻加熱、感應(yīng)加熱等預(yù)熱工藝。但這種傳統(tǒng)的預(yù)熱手段對(duì)激光設(shè)備的散熱能力要求苛刻，要想實(shí)現(xiàn)上千攝氏度的預(yù)熱溫度十分困難。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
：本發(fā)明的目的在于提供一種金屬材料激光3D打印原位預(yù)熱溫度的控制方法，該方法可行性強(qiáng)，實(shí)施簡(jiǎn)單，通過計(jì)算模擬輔助可以大幅度降低實(shí)驗(yàn)成本，適用于各種金屬材料。本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種金屬材料激光3D打印原位預(yù)熱溫度的控制方法，該方法是在采用激光3D打印技術(shù)成形金屬材料零件過程中，通過計(jì)算模擬給出成形過程中的工藝參數(shù)，各工藝參數(shù)的耦合調(diào)整能夠改變熱輸入以及熱散失，從而控制成形過程中零件處于所需的預(yù)熱溫度；所述成形過程中的工藝參數(shù)是指邊界條件、激光功率、激光掃描速度、激光光斑大小和激光開光間歇時(shí)間。該控制方法具體包括如下步驟：(a)根據(jù)所需制備零件的總高度H，將零件打印過程分為m個(gè)階段，對(duì)各個(gè)階段相應(yīng)的工藝參數(shù)進(jìn)行求解；設(shè)1≤i≤m，打印零件的高度介于[H(i-1)/m，Hi/m]區(qū)間時(shí)，零件打印處于第i階段，將Hi/m高度時(shí)的零件形狀尺寸用于代表第i階段(即第i階段零件的形狀尺寸按不變化處理)，并根據(jù)此時(shí)零件的形狀尺寸求解出第i階段的工藝參數(shù)；(b)當(dāng)i＝1時(shí)，即打印處于第1階段，此時(shí)零件尚未達(dá)到指定溫度；所以在進(jìn)行第1打印階段之前，應(yīng)該不加金屬粉末，使用第1階段的工藝參數(shù)預(yù)熱到所需預(yù)熱溫度，然后采用第1階段的工藝參數(shù)進(jìn)行打?。坏?階段打印完成后采用第2階段的工藝參數(shù)打印，依次進(jìn)行，直到第m階段完成打印。上述步驟(a)中，根據(jù)第i階段零件的形狀尺寸(即Hi/m高度時(shí)的零件形狀尺寸)求解出第i階段工藝參數(shù)的過程如下：(1)3D打印過程進(jìn)行到第i階段，根據(jù)第i階段的零件形狀尺寸，確定其掃描路徑；(2)給出第i階段零件打印的工藝參數(shù)初始值，若部分工藝參數(shù)必須采用定值則直接賦值，在步驟(4)的迭代計(jì)算中不予調(diào)整；除固定賦值以外的工藝參數(shù)，均選擇初始值用于迭代計(jì)算；初始值可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)確定或者通過近似計(jì)算予以確定；(3)定義工藝參數(shù)的表示符號(hào)：B代表邊界條件，B的值增加表示有利于提高零件溫度；P代表激光功率，V代表激光掃描速度，r代表激光光斑半徑，Dt代表激光間歇時(shí)間；T零件代表零件第i階段所需預(yù)熱溫度；根據(jù)步驟(2)確定的初始值，分別設(shè)為：B1、P1、V1、r1、Dt1，通過初始值計(jì)算得到T1，T1是指在初始值條件下計(jì)算得到的預(yù)熱溫度；(4)類似于數(shù)值計(jì)算的迭代過程：根據(jù)T1調(diào)整B1、P1、V1、r1、Dt1的值，調(diào)整后得到工藝參數(shù)B2、P2、V2、r2、Dt2，該工藝參數(shù)計(jì)算可以得到T2；根據(jù)T2調(diào)整B2、P2、V2、r2、Dt2的值，調(diào)整后得到工藝參數(shù)B3、P3、V3、r3、Dt3，該工藝參數(shù)計(jì)算可以得到T3；以此類推，直至得到Tn，使Tn等于T零件，此時(shí)對(duì)應(yīng)的工藝參數(shù)為Bn、Pn、Vn、rn、Dtn，便是零件在第i階段能夠獲得所需預(yù)熱溫度T零件的工藝參數(shù)。步驟(4)中，在迭代進(jìn)行到第j次時(shí)，1≤j≤n，通過Bj、Pj、Vj、rj、Dtj計(jì)算得到Tj的過程如下：(1)根據(jù)第i階段的零件形狀尺寸，建立三維模型；(2)在有限元軟件中設(shè)置材料的物性參數(shù)；(3)為三維模型劃分網(wǎng)格；(4)加載邊界條件，輸入與Bj相關(guān)的邊界條件；(5)設(shè)置激光的相關(guān)參數(shù)Pj、Vj、rj、Dtj；(6)啟動(dòng)有限元軟件計(jì)算得到Tj。在步驟(4)中，在迭代過程中工藝參數(shù)的調(diào)整方法如下：設(shè)1≤k<n，表示迭代計(jì)算到第k次；當(dāng)Tk<<T零件時(shí)，增加B值；當(dāng)Tk>>T零件時(shí)，減小B值；當(dāng)Tk與T零件相等或相差不大時(shí)，B的值不作調(diào)整；當(dāng)Tk<T零件時(shí)，增加P值、減小Dt值；當(dāng)Tk>T零件時(shí)，減小P值、增加Dt值；欲使得零件熔化附近除外的區(qū)域溫度較為均勻時(shí)，可以通過增加B、V或r的值來實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明控制方法設(shè)計(jì)原理如下：本發(fā)明采用計(jì)算模擬進(jìn)行輔助，在采用激光3D打印技術(shù)成形金屬零件過程中，通過計(jì)算模擬給出成形過程中的五個(gè)工藝參數(shù)(邊界條件、激光功率、激光掃描速度、激光光斑大小、激光開光間歇時(shí)間)，在零件打印過程中，當(dāng)零件形狀尺寸指定以后，原位預(yù)熱溫度的控制依賴于控制熱輸入和熱散失，因此，通過各工藝參數(shù)的耦合調(diào)整能夠改變熱輸入以及熱散失，從而改變打印過程中的零件溫度，通過計(jì)算模擬篩選出可行的工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)打印過程中原位預(yù)熱溫度的控制。本發(fā)明的有益效果是：1.本發(fā)明方法為金屬材料3D打印預(yù)熱提供了一種新工藝，可用于各種金屬材料。2.傳統(tǒng)加熱方法對(duì)設(shè)備散熱能力要求苛刻，而本發(fā)明控制方法在不引入傳統(tǒng)的電阻加熱、感應(yīng)加熱等設(shè)備的條件下，實(shí)現(xiàn)原位預(yù)熱溫度的控制，本發(fā)明對(duì)激光成形設(shè)備的散熱能力沒有附加要求，設(shè)備成本更低，壽命更長(zhǎng)。3、本發(fā)明通過計(jì)算模擬輔助、激光成形中五個(gè)條件的耦合調(diào)整，實(shí)現(xiàn)原位預(yù)熱溫度的控制，進(jìn)而可以控制殘余應(yīng)力、降低開裂傾向、加速金屬材料激光成形技術(shù)研發(fā)，對(duì)于金屬材料的激光成形具有重要意義。4.本發(fā)明可以提供更廣域的預(yù)熱溫度區(qū)間，對(duì)于發(fā)展金屬材料的激光3D打印技術(shù)具有重要的促進(jìn)作用。附圖說明：圖1為實(shí)施例1鐵塊溫度分布。圖2為實(shí)施例2鐵塊溫度分布。圖3為實(shí)施例3鈮塊溫度分布。具體實(shí)施方式：以下結(jié)合附圖及實(shí)施例詳述本發(fā)明。本發(fā)明為金屬材料激光3D打印原位預(yù)熱溫度的控制方法，該方法通過計(jì)算模擬，給出打印零件的工藝參數(shù)，使得打印過程中零件處于指定的預(yù)熱溫度。計(jì)算模擬的手段不限，可以使用有限元軟件、數(shù)值計(jì)算軟件乃至筆算。計(jì)算模擬給出的工藝參數(shù)包括：金屬材料3D打印過程中的邊界條件、激光功率、激光掃描速度、激光光斑大小、激光開光間歇時(shí)間。該方法包括如下步驟：(1)零件整個(gè)打印過程中，形狀尺寸處于不斷變化過程。因此，借鑒數(shù)學(xué)微分的思想，把零件打印過程的工藝參數(shù)總共分為m個(gè)階段求解，m的數(shù)值越大，原位預(yù)熱溫度的控制也越準(zhǔn)確，計(jì)算量也隨之增加。設(shè)1≤i≤m，設(shè)打印零件的高度介于[H(i-1)/m，Hi/m]區(qū)間時(shí)，零件打印處于第i階段，將Hi/m高度時(shí)的零件形狀用于代表第i階段零件的形狀尺寸，并根據(jù)此時(shí)零件的形狀尺寸求解出第i階段的工藝參數(shù)。(2)當(dāng)i＝1時(shí)，即打印處于第1階段。此時(shí)零件尚未達(dá)到指定溫度。所以在進(jìn)行第1打印階段之前，應(yīng)該不加金屬粉末，使用第1階段的工藝參數(shù)預(yù)熱達(dá)到所需預(yù)熱溫度以后，采用第1階段的工藝參數(shù)進(jìn)行打印，第1階段打印完成后采用第2階段的工藝參數(shù)打印，以此類推進(jìn)行第i階段打印，直到第m階段完成打印。(3)在進(jìn)行第i階段打印過程中，時(shí)間較短，零件形狀尺寸的變化對(duì)于溫度的影響可以忽略，形狀尺寸采用定值(即Hi/m高度時(shí)的零件形狀)。當(dāng)給定了零件形狀尺寸以后，該打印階段的掃描路徑可通過實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)亦或?qū)I(yè)軟件確定。(4)在進(jìn)行第i階段打印過程中，打印零件形狀尺寸已被指定，原位預(yù)熱溫度的控制方法依賴于控制熱輸入和熱散失。邊界條件加強(qiáng)散熱，加速了熱量的散失；邊界條件設(shè)置為保溫材料，有利于減少熱量的散失。增加激光功率、降低激光開光間歇時(shí)間均可以增加熱輸入，反之可以降低熱輸入。提高熱輸入或降低熱散失可以提高預(yù)熱溫度，反之可以降低預(yù)熱溫度。激光光斑尺寸往往伴隨激光功率的變化而改變，所以控制預(yù)熱溫度時(shí)必須予以考慮。五個(gè)工藝參數(shù)包括，金屬材料3D打印過程中的邊界條件、激光功率、激光掃描速度、激光光斑大小、激光開光間歇時(shí)間。通過五個(gè)工藝參數(shù)的耦合調(diào)整可以改變熱輸入以及熱散失，從而改變打印過程中的基材溫度，基材溫度可以通過計(jì)算予以標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)金屬材料激光3D打印原位預(yù)熱溫度的控制。(5)在進(jìn)行第i階段打印過程中，五個(gè)工藝參數(shù)中若部分必須采用定值可以直接賦值，且在之后的迭代計(jì)算中不作調(diào)整。除固定賦值以外的工藝參數(shù)，每個(gè)工藝參數(shù)均選擇初始值用于迭代計(jì)算。初始值可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)確定，亦可以通過近似計(jì)算予以確定。近似計(jì)算的公式為：Q＝mC0(T2-T1)，其中：Q表示該階段打印時(shí)間內(nèi)零件吸收的熱量與散失熱量的差值，...