基于粉末行为的激光定向能量沉积稳定离焦距成形控制策略研究

本文聚焦激光定向能量沉积（DED-LB）技术，深入探讨了离焦距（SD）参数通过调控激光-粉末-熔池多物理场耦合作用对薄壁构件几何精度与性能的影响机制。研究通过建立粉末颗粒能量-质量-运动行为数学模型，结合在线视觉监控，提出了稳定离焦距的控制策略，为提升DED-LB成形质量与效率提供了理论依据和实验验证。

　　

Highlight

建模过程

本研究采用的同轴送粉系统配备有四个喷嘴，分别标记为PSN #1、PSN #2、PSN #3和PSN #4，每个喷嘴输送的粉末流相应地记为PSE #1、PSE #2、PSE #3和PSE #4。DED-LB过程涉及激光束、粉末流与基板或沉积层之间的复杂相互作用。为了便于对这些复杂的激光-粉末-熔池相互作用进行数学建模，定义了如图1所示的坐标系。

实验装置与平台

DED-LB实验采用同轴送粉增材制造系统、在线监控系统和稳定离焦距系统进行。DED-LB系统包括一台半导体激光器（LDF 4000–100 VGP, Laser Line GmbH, Germany）、一个六轴机器人（KR30HA, KUKA Roboter GmbH, Germany）、一个激光头（YC52, Precitec KG, Germany）和一台送粉机（RC-PF-01B-2, Raycham Ltd, China）。在线监控系统包括一个CMOS同轴相机（MQ013MG-ON, XIMEA GmbH, Germany）和一个近轴视觉监控模块。稳定离焦距系统集成了基于图像处理的实时高度反馈控制算法。

粉末颗粒空间浓度与温度演化

本节系统研究了DED-LB过程的三个关键方面。首先，通过计算流体动力学建模分析了粉末颗粒的飞行动力学。随后，利用高速成像结合图像处理技术定量表征了同轴喷嘴内的粉末质量浓度分布。最后，通过同步的热-流体耦合模拟阐明了激光束与粉末流之间的相互作用机制。

稳定离焦距成形机制

本节首先分析了给定Z轴增量下，离焦变化对DED-LB过程中层高的影响。然后，讨论了稳定离焦控制下多层沉积的几何精度与控制机制。最后，通过分析薄壁结构的几何精度、微观结构和力学性能，验证了最优离焦控制方法的有效性。

结论

本研究从理论上建立了DED-LB过程中粉末颗粒能量-质量-运动行为的数学模型。利用有限差分法求解了粉末颗粒的温升、速度和质量浓度分布，从而确定了成形过程的最佳送粉参数。在此基础上，分析了不同Z轴增量值对薄壁零件几何精度的影响。