多振镜激光选区熔化增材制造装备的软件控制系统研究

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激光选区熔化技术(Selective Laser Melting,SLM)原理是利用高能量激光在铺有金属合金粉末的聚焦平面上按设计好的二维图形路径进行扫描熔化,并且按切片图形从下到上逐层制造成型三维实体零件的一种金属增材制造(Additive Manufacturing,AM)技术。本文结合当前多振镜选区熔化控制系统相关技术发展现状,研究一款适用于多振镜激光选区熔化增材制造装备的软件控制系统。结合多振镜选区熔化设备的运行原理,提出多振镜软件系统控制软件相关算法、多振镜打印方法、填充策略和时间预估算法,主要研究内容如下:(1)从激光选区熔化控制系统原理出发,设计了软件的主要架构模块。编写了基于GTS-VB运动控制器的设备机电运动模块;设计并编写基于Scanlab的RCT系列振镜运动控制开发库的扫描系统模块;并介绍了前聚焦振镜和后聚焦振镜的原理和两者区别;介绍了GTS-VB运动控制器的配置文件过程。(2)从多振镜设备实际应用角度出发,分析并说明了多振镜的安装模式,包括单排安装模式、双排安装模式和移动式安装模式。结合不同聚焦振镜的特点和幅面,提出了成型区域均分法、全幅盖协同法、同分混合法等三种不同的多振镜打印方法。并针对不同的多振镜打印方法,结合风场和振镜安装模式。提出针对相应的成型平面的分配振镜打印任务和零件图形分割的相应算法。(3)从实际应用效果出发,应用并编写了多种扫描路径规划算法,主要包括直线填充算法、轮廓偏移填充算法、分块填充算法、狭窄区域填充等四种基本的算法。四种基本填充算法在不同的混合使用下可自适应性设置。(4)从实际的金属激光选区熔化设备运行原理出发,通过预估计算扫描系统的制造成型时间和铺粉模块的实现铺粉的运行时间、以及两者的相互关系。得到可以适用于不同机型的打印时间预估算法。经实验测试,在大于10小时的打印任务中,打印预估时间偏差率处于±1%范围内,准确度可达95%以上。(5)通过软件控制系统的模块架构的具体设计,并应用于现有的双振镜同幅面的金属选区熔化设备的应用测试,软件控制系统实现设备的正常稳定运行,同时验证了部分多振镜软件控制系统的功能。软件主要通过解析CLI文件并对CLI层线的冗杂点剔除得到模型具体切片轮廓点集,单层切片图形设置多振镜打印方法、设置填充策略和设置自动化运行参数进行打印工作,并且实现时间预估算法的正常运行。最终实现了样件制造成型。本研究对推动多金属激光选区熔化技术领域的持续发展研究具有现实的意义。从软件控制端上吸收并优化了现有的增材制造控制技术,实现理论算法技术的落地。本研究对多振镜金属激光选区熔化技术产业化具有较高应用价值。
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