一种激光增材制造过程低碳建模与工艺参数优化方法技术

本发明专利技术涉及一种激光增材制造过程低碳建模与工艺参数优化方法，属于先进制造与自动化技术领域。本发明专利技术的方法包括如下步骤：基于激光发生器、冷却子系统、送粉子系统、进给子系统、辅助子系统碳足迹分析建立激光增材制造碳足迹模型；搭建功率实时监控平台获取碳足迹模型试验参数；考虑熔覆质量与熔覆成本的要素构建面向碳排放的激光增材制造工艺参数优化模型；基于人工鱼群算法的激光增材制造工艺参数优化模型求解；实例分析。本发明专利技术简单实用且在建模时充分考虑粉末利用率与熔覆质量，为激光增材制造过程碳排放优化提供良好的支持。

【技术实现步骤摘要】
一种激光增材制造过程低碳建模与工艺参数优化方法
本专利技术涉及一种激光增材制造过程低碳建模与工艺参数优化方法，属于先进制造与自动化

技术介绍
随着全球应对气候变化要求不断提高，碳达峰、碳中和已成为全球关注的热点。我国将碳达峰、碳中和列为2021年中央经济工作的八项重点任务之一。“十四五”期间将是我国实现碳排放达峰的关键期，而制造业是我国碳排放的主要领域，占全国总排放量的80％左右，因此，制造业势必成为碳达峰、碳中和的主战场。激光增材制造作为世界各国竞相发展智能制造的关键技术，目前已在我国航空航天、船舶等高端装备制造领域广泛应用。其原理主要是利用高能激光束快速熔化/凝固同轴输送的金属粉末，使材料逐层堆积直接成形。由于其工艺过程时间久、电能不完全转化激光束而产生大量碳排放，将成为我国高端装备制造过程的主要碳排放源之一。因此，研究激光增材制造碳排放建模与优化对于我国激光增材制造装备产业实现碳达峰、碳中和具有重要工程意义。
技术实现思路
针对上述问题本专利技术开发一种激光增材制造过程低碳建模与工艺参数优化方法分析激光增材制造过程各子系统碳排放机理与特性，建立激光增材制造过程碳排放综合模型。在此基础上，建立以碳排放、粉末利用率、熔覆质量为目标的激光增材制造工艺参数多目标优化模型，并提出人工鱼群算法进行求解，获取最佳工艺参数，通过激光增材制造实验案例验证模型的有效性与可行性。本专利技术的一种激光增材制造过程低碳建模与工艺参数优化方法包括如下步骤：S1、基于激光发生器、冷却子系统、送粉子系统、进给子系统、辅助子系统碳足迹分析建立激光增材制造碳足迹模型；搭建功率实时监控平台获取碳足迹模型试验参数；S2、搭建功率实时监控平台获取碳足迹模型试验参数；S3、考虑熔覆质量与熔覆成本的要素构建面向碳排放的激光增材制造工艺参数优化模型；S4、基于人工鱼群算法的激光增材制造工艺参数优化模型求解；S5、实例分析。优选的，所述的步骤S1包括如下子步骤：S11、构建待机时间函数Ts＝Ti+Tp+Tg，式中，Ti为激光器间隔时间；Tp为前期准备时间；Tg为送粉器延迟时间。S12、构建熔覆熔覆过程时间数学函数为式中，l为熔覆长度；d为光斑直径；s为基体需要熔覆宽度；α为搭接率；N为熔覆层数；Vs为扫描速度。S13、构建冷却子系统工作时间函数为式中，vk为冷却水流速；c为冷却水比热容；ρ为冷却水密度；ΔT为冷却水温差；Plm为激光发生器子系统工作功率；Plin为激光输入功率。S14、建立激光发生器系统碳足迹模型Cl＝(Pls*(Ts-Ti)+Plm*Tm+Pli*Ti)*Ce，式中，Pls为激光发生器子系统间隔功率；Pli为激光发生器子系统待机状态时功率。S15、送粉子系统碳足迹模型Cp＝(Pps*Ts+Ppm*Tm)*Ce，式中，Pps为送粉子系统待机状态功率；Ppm为送粉子系统工作状态功率。S16、进给子系统碳足迹模型Cm＝(Pms*Ts+Pmm*Tm)*Ce式中，Pms为机床待机状态功率，Pmm为机床工作状态功率。S17、冷却子系统作为独立的子系统不受激光输入功率影响，冷却子系统碳足迹模型Cc＝(Pcs*(Ttotal-Ti)+Pcm*Tc)*Ce，式中，Pps为冷却子系统待机状态功率；Ppm为冷却子系统工作状态功率。S18、辅助子系统碳足迹模型式中，n为辅助系统个数；Pi为辅助系统工作功率；Ni为辅助系统开关函数，S19、激光增材制造过程总碳排放模型优选的，所述的步骤S2包括如下子步骤：S21、搭建实时监控平台；S22、数据拟合得到与激光输入功率与输出功率的数学关系式Plm＝3.189*Plin+22.86；S23、数据拟合扫描速度功率变化函数为Pmm＝0.008*Vs+52.78；S24、获取送粉子系统功率参数值；S25、获取冷却子系统工作功率值；优选的，所述的步骤S3包括如下子步骤：S31、建立粉末利用率函数式中，M1为熔覆后质量；M2为熔覆前质量。S32、质量目标函数式中，W1为单道熔覆宽度；H1为单道熔覆高度。S33、基于实验数据拟合粉末利用率函数S34、基于实验数据拟合宽高比函数S35、建立多目标优化函数模型式中，Pminlin为激光设备输入最小功率Pmaxlin为激光设备输入最大功率；Vsmin为激光器最低许用扫描速度，Vsmax为激光器最高扫描速度；Vfmin为送粉器最低送粉速度，Vfmax为送粉器最高送粉速度。优选的，所述的步骤S4包括如下子步骤：S41、基于人工鱼群算法进行多目标优化；S42、基于熵权-灰色关联分析选取最优解。本专利技术的有益效果是：激光增材制造过程低碳建模与工艺参数优化方法，分析激光增材制造过程各子系统碳排放机理与特性，建立激光增材制造过程碳排放综合模型。通过在此基础上，建立以碳排放、粉末利用率、熔覆质量为目标的激光增材制造工艺参数多目标优化模型，并提出人工鱼群算法进行求解，获取最佳工艺参数，通过激光增材制造实验案例验证模型的有效性与可行性。研究激光增材制造过程低碳建模与工艺参数优化对激光增材技术在制造业广泛应用具有重要的工程意义。附图说明图1为激光增材制造过程功率特性曲线图。图2为激光增材过程碳足迹边界图。图3为激光增材制造过程功率监控平台。图4为激光层间间隔功率图。图5为进给系统功率变化曲线图。图6为送粉子系统功率状态变化曲线图。图7为500功率下冷却子系统功率变化图。图8为600功率下冷却子系统功率变化图。图9为人工鱼群算法流程图。图10为制件成型件形貌对比图(a为经验图，b为优化图)。图11为优化结果分析图。具体实施方式下面结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明，但应当理解实施例用以解释本专利技术，并不用于限制本专利技术。本专利技术开发一种激光增材制造过程低碳建模与工艺参数优化方法，图1为激光增材制造过程功率特性曲线图。图2为激光增材过程碳足迹边界图。图3为激光增材制造过程功率监控平台。图4为激光层间间隔功率图。图5为进给系统功率变化曲线图。图6为送粉子系统功率状态变化曲线图。图7为500功率下冷却子系统功率变化图。图8为600功率下冷却子系统功率变化图。图9为人工鱼群算法流程图。如图1-9所示，示出了本专利技术的一种激光增材制造过程低碳建模与工艺参数优化方法中的激光增材制造过程功率监控平台、激光增材过程碳足迹边界图、人工鱼群算法流程图以及激光增材制造过程功率特性曲线、激光层间间隔功率、进给系统功率变化曲线、送粉子系统功率状态变化曲线和500功率下冷却子系统功率变化、600功率下冷却子系统功率变化。本专利技术的整体技术方案为一种激光增材制造过程低碳建模与工艺参数优化方法包括如下步骤：本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种激光增材制造过程低碳建模与工艺参数优化方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1、基于激光发生器、冷却子系统、送粉子系统、进给子系统、辅助子系统碳足迹分析建立激光增材制造碳足迹模型；搭建功率实时监控平台获取碳足迹模型试验参数；/nS2、搭建功率实时监控平台获取碳足迹模型试验参数；/nS3、考虑熔覆质量与熔覆成本的要素构建面向碳排放的激光增材制造工艺参数优化模型；/nS4、基于人工鱼群算法的激光增材制造工艺参数优化模型求解；/nS5、实例分析。/n

【技术特征摘要】
1.一种激光增材制造过程低碳建模与工艺参数优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、基于激光发生器、冷却子系统、送粉子系统、进给子系统、辅助子系统碳足迹分析建立激光增材制造碳足迹模型；搭建功率实时监控平台获取碳足迹模型试验参数；
S2、搭建功率实时监控平台获取碳足迹模型试验参数；
S3、考虑熔覆质量与熔覆成本的要素构建面向碳排放的激光增材制造工艺参数优化模型；
S4、基于人工鱼群算法的激光增材制造工艺参数优化模型求解；
S5、实例分析。


2.如权利1所述的激光增材制造过程低碳建模与工艺参数优化方法，其特征在于，步骤S1包括如下子步骤：
S11、构建待机时间函数Ts＝Ti+Tp+Tg，
式中，Ti为激光器间隔时间；Tp为前期准备时间；Tg为送粉器延迟时间；
S12、构建熔覆熔覆过程时间数学函数为
式中，l为熔覆长度；d为光斑直径；s为基体需要熔覆宽度；α为搭接率；N为熔覆层数；Vs为扫描速度；
S13、构建冷却子系统工作时间函数为
式中，vk为冷却水流速；c为冷却水比热容；ρ为冷却水密度；ΔT为冷却水温差；Plm为激光发生器子系统工作功率；Plin为激光输入功率；
S14、建立激光发生器系统碳足迹模型Cl＝(Pls*(Ts-Ti)+Plm*Tm+Pli*Ti)*Ce，
式中，Pls为激光发生器子系统间隔功率；Pli为激光发生器子系统待机状态时功率；
S15、送粉子系统碳足迹模型Cp＝(Pps*Ts+Ppm*Tm)*Ce，
式中，Pps为送粉子系统待机状态功率；Ppm为送粉子系统工作状态功率；
S16、进给子系统碳足迹模型Cm＝(Pms*Ts+Pmm*Tm)*Ce，
式中，Pms为机床待机状态功率，Pmm为机床工作状态功率；
S17、冷却子系统作为独立的子系统不受激光输入功率影响，冷却子系统碳足迹模型Cc...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜兴宇，刘傲，杨国哲，刘伟军，索英祁，王弘月，李世磊，陈豫粤，
申请(专利权)人：沈阳工业大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21