本技术涉及一种聚合物激光粉末床熔融(LPBF)成形精度的优化技术及系统,旨在增材制造领域提升成形精度。该技术包括获取LPBF工艺中的温度分布数据,以实现对成形过程的精确控制,从而提高成形精度。
背景技术
激光粉末床熔融(Laser Powder Bed Fusion,LPBF)是一种先进的增材制造方法,它基于粉末床熔融原理,采用送粉机构在成形平台上均匀铺设一层金属、聚合物等粉末材料,通过高功率激光器按照软件规划的路径扫描并熔化粉末,熔化的粉末在冷却过程中固化,随后粉末床向下移动一个层厚的距离,送粉机构重新铺粉并重复激光扫描、熔化、冷却固化等过程,直至三维构件成形。相较于其他制造技术,LPBF工艺具备多项优势,包括较高的成形效率、优良的制件强度以及成形材料的广泛适用性,并且它能够制造具有复杂形状的零部件,且不需要添加额外支撑结构,因此被广泛应用于航空航天、汽车、医疗等领域,为快速、灵活、高效的制造提供新的解决方案,同时也推动了定制化和创新设计的发展。
聚合物材料的化学结构多为线性或交联结构,其具备较高的比强度,同时具有加工性能出色、导热系数小、化学稳定性好、电绝缘性好、装饰性能好等优点。随着人们对环境保护意识的提高,对资源和环境的需求日益增长,采用LPBF工艺制备的聚合物材料构件逐渐成为各领域最为理想的构件之一,在电子、航空航天、汽车、生物医疗等领域具有广泛的应用前景。然而,目前如何提高聚合物LPBF成形精度仍然是一大难题,导致成形构件精度不足的主要原因是聚合物LPBF工艺过程中会出现零件翘曲、粉末结块等缺陷。其中,打印层实时温度场对翘曲、结块是最直接的影响因素,而影响打印层实时温度场的关键因素在于热累积效应与实时工艺参数:在打印的初期,激光将成形件表面粉末加热熔化,成形件及其附近粉末热量增加;随着打印的进行,成形件前期吸收的热量便逐渐释放出来;当铺上一层新粉时,成形缸累积的粉末便会向新铺的粉末进行热传递,使刚铺上的待加工粉末层温度迅速升高,这样已加工实体部分实际上形成了对加工粉末的一个新的热源——底层热源,造成热累积现象。现有聚合物LPBF成形工艺无法实现打印过程中工艺参数的自适应调控,工艺过程中出现的热累积现象无法得到解决,造成聚合物LPBF工艺过程中打印层实时温度场分布不均匀的现象,进而出现零件翘曲、粉末结块等缺陷,最终导致成形件精度与性能一致性不足。
因此,改善聚合物材料在LPBF工艺过程中的热累积效应、实现实时工艺参数的自适应调控是非常必要的,不仅可以有效地提高成形件的精度与性能,并且对于高熔点聚合物材料,例如PEEK、PEAK、PU等高熔点聚合物及其复合材料的工程构件稳定打印与实际应用具有重要意义。但目前关于热累积的控制方法多局限于成形腔腔体温度范围控制与预热温度场均匀性控制,聚焦于成形过程中打印层实时温度场的精确调控的研究远远不足。
实现思路