肖 罡，高 彬，韓 燕，萬(wàn)可謙，楊欽文,2

(1.江西科駿實(shí)業(yè)有限公司，南昌 330100；2.湖南大學(xué)，汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410082；3.江西應(yīng)用科技學(xué)院，工程技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，南昌 330100；4.九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，九江 332007)

0 引 言

選擇性激光熔覆(Selective Laser Melting, SLM)增材制造技術(shù)在材料快速成形與表面改性等成形制造相關(guān)領(lǐng)域具有良好的發(fā)展前景[1-2]，已經(jīng)在航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生、運(yùn)輸交通等諸多行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[3]。在全球面臨能源危機(jī)的今天，可持續(xù)發(fā)展始終是熱點(diǎn)話題。如何實(shí)現(xiàn)SLM系統(tǒng)工作全過(guò)程能耗與能效的定量表征，給出合理的工作流程與工藝參數(shù)優(yōu)化方法，并最終實(shí)現(xiàn)能效最優(yōu)控制，對(duì)該領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

當(dāng)前對(duì)于SLM系統(tǒng)能耗的影響因素研究備受關(guān)注。常規(guī)研究思路是借助MATLAB等仿真平臺(tái)，基于SLM系統(tǒng)的能耗分析開(kāi)發(fā)出與其工作流程相匹配的能耗預(yù)測(cè)仿真工具，對(duì)能耗進(jìn)行仿真分析，再通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證[4-5]。研究表明，增材制造工藝影響著SLM系統(tǒng)的能耗，相比于只對(duì)單個(gè)零部件成形加工，同時(shí)對(duì)多個(gè)零部件進(jìn)行增材制造可節(jié)能52%[5]。加工材料的能量吸收效率是能耗的影響因素之一，與材料的表面結(jié)構(gòu)、孔隙率等特性有關(guān)；綜合以上特性可通過(guò)數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)系統(tǒng)工作的能耗[6]。系統(tǒng)能耗與加工成品的力學(xué)性能存在正相關(guān)影響，但對(duì)加工成品的密度影響較?。辉诒ＷC成品力學(xué)性能和密度的前提下，選取合適的工藝參數(shù)是降低能耗的有效方法[7]。因此，研究工藝參數(shù)與能耗之間的關(guān)系，特別是二者之間的定量關(guān)系，可以為工藝參數(shù)的優(yōu)化提供參考。

目前，SLM系統(tǒng)的能耗研究多以系統(tǒng)能耗預(yù)測(cè)與量化表征為主，能耗預(yù)測(cè)計(jì)算大多基于宏觀狀態(tài)下系統(tǒng)各模塊額定功率與對(duì)應(yīng)工作時(shí)間的在線測(cè)量[8]，尚未建立起系統(tǒng)能耗與工藝參數(shù)之間的定量關(guān)系。為此，作者通過(guò)建立系統(tǒng)工藝參數(shù)、熔覆道尺寸、工作時(shí)間以及系統(tǒng)比能耗之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，結(jié)合遺傳算法提出一種針對(duì)SLM系統(tǒng)的能效優(yōu)化策略，并以SLM加工蜂窩型結(jié)構(gòu)工件為例探究最優(yōu)的成形工藝方案。

1 系統(tǒng)能效分析模型構(gòu)建

1.1 系統(tǒng)能耗構(gòu)成

SLM系統(tǒng)的總能耗由激光成形子系統(tǒng)、成形輔助子系統(tǒng)和工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制模塊等3個(gè)子系統(tǒng)能耗構(gòu)成。激光成形子系統(tǒng)包括鋪粉模塊和激光熔覆模塊，成形輔助子系統(tǒng)包括數(shù)控模塊、照明模塊、冷卻模塊和保護(hù)氣體輸送模塊。系統(tǒng)總能耗公式為

E=Ep+El+Es+Em+Ec+Eg+Etab

(1)

式中：E為總能耗；Ep為鋪粉模塊能耗；E1為激光熔覆模塊能耗；Es為數(shù)控模塊能耗；Em為照明模塊能耗；Ec為冷卻模塊能耗；Eg為保護(hù)氣體輸送模塊能耗；Etab為工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制模塊能耗。

系統(tǒng)工作流程如圖1所示：設(shè)備開(kāi)啟后鋪粉模塊進(jìn)行鋪粉操作，然后由數(shù)控模塊控制激光發(fā)射器的光束按照預(yù)定軌跡進(jìn)行掃描，然后繼續(xù)鋪粉，進(jìn)而逐層堆垛直至加工完成。其中t1為裝備開(kāi)啟時(shí)間，t2為進(jìn)入增材制造階段時(shí)間，t3為進(jìn)入結(jié)束待機(jī)階段時(shí)間，t4為裝備關(guān)機(jī)時(shí)間。因而，系統(tǒng)總能耗又可表示為

圖1 系統(tǒng)全工作流程階段劃分示意Fig.1 Working stage division diagram of system in the whole workflow

E=Ew+Ea+Ev

(2)

式中：Ew，Ea，Ev分別為啟動(dòng)待機(jī)階段、增材制造階段(鋪粉+激光打印)和結(jié)束待機(jī)階段的能耗。

每個(gè)工作階段都存在多個(gè)子系統(tǒng)與模塊同時(shí)工作的情況，其能耗的構(gòu)成也呈現(xiàn)多樣化，因而分析每一個(gè)工作階段的具體能耗構(gòu)成是求取系統(tǒng)總能耗的前提。系統(tǒng)各部分能耗產(chǎn)生階段如表1所示。

表1 SLM系統(tǒng)各模塊在工藝流程各階段的工作狀況

1.2 系統(tǒng)能耗模型構(gòu)建

1.2.1 起步與結(jié)束階段能耗模型

自開(kāi)機(jī)起，系統(tǒng)進(jìn)入啟動(dòng)待機(jī)階段。此時(shí)，成形輔助子系統(tǒng)啟動(dòng)，保護(hù)氣體輸送模塊將氮?dú)獾榷栊员Ｗo(hù)氣體輸入工作空間以形成無(wú)氧環(huán)境，防止工件在加工過(guò)程中氧化。激光熔覆模塊中的激光發(fā)射器定位到加工路徑的起點(diǎn)位置。在此過(guò)程中，能耗主要來(lái)源于數(shù)控模塊、照明模塊、冷卻模塊與保護(hù)氣體輸送模塊，其功率分別為Ps，Pm，Pc，Pg。因此啟動(dòng)待機(jī)階段的總能耗計(jì)算公式為

Ew=Esw+Emw+Ecw+Egw=

(3)

式中：Esw為啟動(dòng)待機(jī)階段的數(shù)控模塊能耗；Emw為啟動(dòng)待機(jī)階段的照明模塊能耗；Ecw為啟動(dòng)待機(jī)階段的冷卻模塊能耗；Egw為啟動(dòng)待機(jī)階段的保護(hù)氣體輸送模塊能耗。

當(dāng)增材制造階段完成，系統(tǒng)進(jìn)入結(jié)束待機(jī)階段時(shí)，成形輔助子系統(tǒng)中各工作模塊逐漸停止工作，此階段的能耗計(jì)算公式為

Ev=Esv+Emv+Ecv+Egv=

(4)

式中：Esv為結(jié)束待機(jī)階段的數(shù)控模塊能耗；Emv為結(jié)束待機(jī)階段的照明模塊能耗；Ecv為結(jié)束待機(jī)階段的冷卻模塊能耗；Egv為結(jié)束待機(jī)階段的保護(hù)氣體輸送模塊能耗。

1.2.2 增材制造階段能耗模型

當(dāng)進(jìn)入增材制造階段時(shí)，所有子系統(tǒng)模塊均投入工作，因此增材制造階段的總能耗為

Ea=Esa+Ema+Eca+Ega+Ep+El+Etab=

(5)

式中：Esa為增材制造階段的數(shù)控系統(tǒng)能耗；Ema為增材制造階段的照明模塊能耗；Eca為增材制造階段的冷卻模塊能耗；Ega為增材制造階段的保護(hù)氣體輸送模塊能耗；Pp，Pl，Ptab分別為鋪粉模塊、激光熔覆模塊和工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制模塊的功率。

為了完成材料的逐層積累，在每一層的激光掃描之前需要先鋪一層粉末材料，激光掃描過(guò)后，粉末熔化并凝固，以此實(shí)現(xiàn)工件的堆垛成形。鋪粉模塊的總能耗為

Ep=Pp·tps·n

(6)

式中：tps為每鋪一層粉末所需的時(shí)間；n為增材加工的層數(shù)。

在增材加工過(guò)程中激光熔覆模塊的能耗為待機(jī)能耗Elw、熔覆能耗Elm、層間停隔能耗Eld之和[8]，即

El=Elw+Elm+Eld=Plw·tlw+Plm·tlm+Pld·tld

(7)

式中：Plw為激光熔覆模塊待機(jī)功率；Plm為激光熔覆功率；Pld為層間停隔功率；tlw為激光熔覆模塊待機(jī)時(shí)間；tlm為激光熔覆時(shí)間；tld為層間停隔時(shí)間。

層間停隔時(shí)間可近似等于鋪粉模塊每鋪一層粉所需的時(shí)間，熔覆功率Plm即為激光輸入功率P0。為了使鋪粉模塊正常運(yùn)行，工件上表面需要與鋪粉裝置的粉末出口位置平面保持平行，因此在每熔覆完一層材料后，工作臺(tái)需要下降一定的高度。工作臺(tái)的總體下降高度由工件在增材堆垛方向上的高度決定，所以工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制模塊的能耗Etab與工件的形狀和尺寸有關(guān)。

1.3 工件成形路徑建模

1.3.1 規(guī)則立方成形路徑建模

在增材加工過(guò)程中，為了使熔覆道的寬度與高度盡量均勻，激光掃描是勻速進(jìn)行的。因此只要知道熔覆道的總長(zhǎng)度，即激光掃描路徑的總長(zhǎng)度，便可以計(jì)算得出激光掃描的工作時(shí)間；對(duì)于規(guī)則立方結(jié)構(gòu)的工件，可以根據(jù)工件各軸向尺寸與熔覆道尺寸計(jì)算出激光掃描路徑的總長(zhǎng)度。

如圖2所示：假定激光均沿y軸方向掃描，沿x軸方向平移，沿z軸方向堆垛；工件在x軸方向上的寬度為W，y軸方向上的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，z軸方向上的高度為H，在z軸方向上堆垛層數(shù)為n，每層熔覆道數(shù)為m。

圖2 激光熔覆掃描路徑和工件尺寸示意Fig.2 Diagram of laser melting scanning path and workpiece size

每條熔覆道的寬度為w，長(zhǎng)度為l，高度為h，深度為d，橫向(x軸方向)熔覆道重合長(zhǎng)度為cx，縱向(z軸方向)熔覆道重合高度為cz，鋪粉層厚度為hs，如圖3所示。

圖3 熔覆道尺寸示意Fig.3 Diagram of cladding channel dimensions: (a) horizontal direction and (b) vertical direction

x軸方向的搭接率λ是指兩道熔覆道在x軸方向上的重合長(zhǎng)度占單條熔覆道寬度的比率，即：

(8)

z軸方向的搭接率μ是指兩道熔覆道在z軸方

向上的重合高度占單條熔覆道總高度的比率，而z軸方向的重合高度由熔池的高度、深度以及鋪粉層厚度決定，熔覆道的總高度必須大于鋪粉層厚度，因此μ的計(jì)算公式為

(9)

規(guī)則立方結(jié)構(gòu)的熔覆層總寬度與工件寬度W相等，也近似等于單層激光掃描間距之和，因此單層熔覆道數(shù)計(jì)算公式為

(10)

式中：mi為第i層的熔覆道數(shù)；Wi為第i層的最大實(shí)體寬度；Δs為激光掃描間距。

熔覆層總高度與工件高度H相等，因此熔覆層數(shù)計(jì)算公式為

(11)

則激光掃描總路徑長(zhǎng)度S的計(jì)算公式為

(12)

1.3.2 非對(duì)稱性成形路徑建模

在非對(duì)稱性工件中，每一層的實(shí)體寬度可能各不相同。對(duì)于既定形狀與尺寸的工件，某一層在x軸方向的最大實(shí)體寬度由其所在層數(shù)決定。在堆垛方向上，工件某些高度區(qū)域的最大實(shí)體寬度與所在高度呈正比或反比的線性關(guān)系，因此將工件劃分成不同函數(shù)區(qū)域，如圖4所示，則寬度函數(shù)為

圖4 不規(guī)則工件在z軸方向的寬度函數(shù)劃分Fig.4 Width piecewise functions in z direction of irregular workpiece

(13)

式中：fW(a)為第a階段的實(shí)體寬度函數(shù)；Ha為工件在第a階段上邊界的高度。

每次鋪粉后工件提高h(yuǎn)s的高度，而最大實(shí)體寬度隨著高度而變化，因此第a階段(即Ha-1

fW(a)(i)=fW(a-1)(ia-1)±hs(i-ia-1)tanθi

(14)

式中：ia-1為堆垛至Ha-1高度時(shí)的增材加工總層數(shù)；θi為工件外輪廓與yz平面的夾角。

當(dāng)工件實(shí)體寬度隨高度增加時(shí)，式(14)取“+”，反之取“-”。

將式(14)代入式(10)并求和，再聯(lián)立式(11)即可得到y(tǒng)軸方向的總?cè)鄹驳罃?shù)計(jì)算公式，如下：

(15)

式中：mtotal為工件完全成形所需的y軸方向熔覆道總數(shù)；na為高度為Ha的工件熔覆層數(shù)。

在激光掃描的平移方向上(即x軸方向)，每道激光掃描的熔覆道長(zhǎng)度l與其所在的水平位置，即所處的熔覆道數(shù)存在線性關(guān)系。將工件以圖5所示的方式在x軸方向上劃分不同區(qū)域，每個(gè)區(qū)域中熔覆道實(shí)際長(zhǎng)度與熔覆道寬度、搭接率以及熔覆道數(shù)呈近似正比或反比線性關(guān)系，共分成b個(gè)函數(shù)區(qū)域，則長(zhǎng)度函數(shù)fL(i)為

圖5 不規(guī)則工件在x軸方向的尺寸函數(shù)劃分Fig.5 Size piecewise functions in x direction of irregular workpiece

(16)

式中：li為第i條熔覆道的實(shí)際長(zhǎng)度；fL(b)為第b階段的實(shí)體長(zhǎng)度函數(shù)；Wb為工件在第b階段的長(zhǎng)度。

激光每次平移加工下一條熔覆道，熔覆寬度增加ΔW=(1-λ)w，因此在第b階段加工第i條熔覆道的長(zhǎng)度可表示為

fL(b)(i)=fL(b-1)(ib-1)±(1-λ)w(i-ib-1)tanαi

(17)

式中：ib-1為激光掃描平移至Wb-1寬度時(shí)的加工總層數(shù)；αi為工件外輪廓與xz平面的夾角。

工件實(shí)體長(zhǎng)度隨寬度增加時(shí)，式(17)取“+”，反之取“-”。

結(jié)合式(10)，增材加工工件在y軸方向熔覆道總長(zhǎng)度Ltotal的計(jì)算公式為

(18)

式中：j為計(jì)算熔覆道長(zhǎng)度時(shí)所在的層數(shù)。

綜上，增材加工不規(guī)則工件的激光掃描總路程計(jì)算公式為

S=Ltotal+mtotal(1-λ)w-n

(19)

1.4 系統(tǒng)能效模型構(gòu)建

在SLM系統(tǒng)能效的研究中，通常以比能耗來(lái)衡量系統(tǒng)的能效。比能耗是指成形單位體積的材料[8]或是去除單位體積的材料[9]所需要消耗的能量，其計(jì)算公式為

e=Epro/V

(20)

式中：e為比能耗；Epro為消耗的能量；V為成形或去除材料的體積。

增材制造過(guò)程中已熔覆的粉末量就是形成的工件體積，熔覆道橫截面積可近似表示為熔覆道的平均寬度(1-λ)w與鋪粉層厚度hs的乘積，因此增材制造過(guò)程中的成形體積可表示為

Va=S(1-λ)whs

(21)

綜上所述，增材制造階段的比能耗模型為

(22)

1.5 系統(tǒng)能效模型驗(yàn)證

許雙梅[10]分析了SLM工藝過(guò)程中的能耗特征，并通過(guò)多組試驗(yàn)研究了激光功率和掃描速度等工藝參數(shù)對(duì)SLM成形尺寸為60 mm×40 mm×0.5 mm的立方體所產(chǎn)生的能耗的影響，同時(shí)測(cè)定了SLM系統(tǒng)在啟動(dòng)待機(jī)階段的準(zhǔn)備能耗、增材制造階段的激光掃描能耗等物理量。作者選取其中12組試驗(yàn)的工藝參數(shù)代入前文給出的能耗模型，計(jì)算得到12組不同工藝參數(shù)下SLM系統(tǒng)增材制造階段的能耗，并與文獻(xiàn)[10]中試驗(yàn)測(cè)得的實(shí)際能耗進(jìn)行比較，用以驗(yàn)證能耗模型的準(zhǔn)確性。

能耗模型預(yù)測(cè)精度為能耗計(jì)算值與實(shí)際測(cè)試值的比率。由圖6可以看出：12組試驗(yàn)的能耗模型預(yù)測(cè)精度均不低于75%，其中有9組試驗(yàn)的能耗模型預(yù)測(cè)精度在80%以上，第8組試驗(yàn)接近100%。平均能耗模型預(yù)測(cè)精度為84.5%?？紤]到模型求解過(guò)程中的修約誤差，試驗(yàn)測(cè)試產(chǎn)生的誤差以及激光掃描過(guò)程中能耗構(gòu)成的復(fù)雜性與能量的不穩(wěn)定性，上述能耗模型的精度在可接受范圍之內(nèi)。系統(tǒng)能效是指能耗值與材料消耗量的比率。對(duì)于同一加工對(duì)象，增材加工過(guò)程中的粉末消耗量可近似等于加工對(duì)象的成形體積，為預(yù)定參數(shù)，因此能效模型的精確度也得到了保證。

圖6 12組工藝參數(shù)下能耗模型預(yù)測(cè)精度Fig.6 Prediction accuracy of energy consumption model for 12 groups of process parameters

2 系統(tǒng)能效優(yōu)化方法與策略

在SLM系統(tǒng)的全流程能耗分析中，增材制造階段的能耗是研究重點(diǎn)。比能耗作為能效表征量，是優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)。比能耗越低，證明系統(tǒng)在熔覆相同體積的材料時(shí)所消耗的能量越少，系統(tǒng)能效越高，更加節(jié)能。作者將前文推導(dǎo)的能效求解數(shù)學(xué)模型與遺傳優(yōu)化算法相結(jié)合，提出一種能效的計(jì)算與優(yōu)化策略。該策略實(shí)施流程如圖7所示：首先生成初始種群個(gè)體，即激光功率、掃描速度、熔覆道搭接率與鋪粉厚度，結(jié)合加工材料特性數(shù)據(jù)，得到熔覆道尺寸與系統(tǒng)工藝參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系；然后基于加工對(duì)象的結(jié)構(gòu)尺寸，計(jì)算在當(dāng)前加工要求下所需熔覆道的數(shù)量、熔覆層數(shù)以及鋪粉厚度區(qū)間，同時(shí)鋪粉厚度區(qū)間反饋至下一次初始種群生成步驟，為初始種群數(shù)據(jù)選取區(qū)間提供參考范圍，防止出現(xiàn)搭接率過(guò)低而導(dǎo)致工件力學(xué)性能下降的情況；進(jìn)一步計(jì)算熔覆道總長(zhǎng)度、工作時(shí)間以及系統(tǒng)比能耗，最后通過(guò)適應(yīng)度函數(shù)判定，重新定義種群個(gè)體，并再一次循環(huán)計(jì)算，直至尋到系統(tǒng)最優(yōu)參數(shù)值。該系統(tǒng)能效優(yōu)化策略借助于MATLAB平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。

圖7 基于遺傳算法的SLM系統(tǒng)能效計(jì)算與優(yōu)化策略Fig.7 Energy efficiency calculation and optimization strategy of SLM system based on genetic algorithm

3 系統(tǒng)能效優(yōu)化分析與驗(yàn)證

3.1 工藝過(guò)程方案設(shè)計(jì)

以加工Ti-47Al-2Cr-2Nb合金蜂窩結(jié)構(gòu)工件為例，對(duì)SLM系統(tǒng)進(jìn)行能效優(yōu)化，工件尺寸如圖8所示。此系統(tǒng)中，成形輔助子系統(tǒng)總功率為400 W，熔覆待機(jī)功率為100 W，層間停隔功率為80 W，啟動(dòng)待機(jī)階段時(shí)間為700 s，單層鋪粉時(shí)間為10 s，工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制模塊能耗為100 J·mm-1，激光功率P0在100～400 W，激光掃描速度v在10～90 mm·s-1，鋪粉厚度hs在0.3(h+d)～0.9(h+d)，即為熔覆道總厚度的0.3～0.9倍，橫向搭接率λ在0.3～0.9。

圖8 蜂窩結(jié)構(gòu)工件形狀和尺寸Fig.8 Shape and size of honeycomb structure workpiece: (a) front sketch and (b) overall view

SHI等[11]通過(guò)試驗(yàn)，采用響應(yīng)面法(RSM)分析了SLM系統(tǒng)的工藝參數(shù)與熔覆道幾何尺寸的數(shù)值關(guān)系，并以Ti-47Al-2Cr-2Nb合金為熔覆材料進(jìn)行試驗(yàn)，建立了熔覆道的高度、寬度、深度與激光功率和激光掃描速度的線性回歸模型：

(23)

(24)

(25)

設(shè)計(jì)2種不同的加工工藝流程來(lái)實(shí)現(xiàn)蜂窩結(jié)構(gòu)工件的快速成形，用于進(jìn)一步探究不同加工工藝流程對(duì)系統(tǒng)能耗的影響程度。具體實(shí)施方法如圖9所示：第一種工藝方案為激光沿y軸方向掃描，x軸方向平移，z軸方向(即橫截面方向)堆垛；第二種工藝方案為激光沿x軸方向掃描，z軸方向平移，y軸方向(即縱截面方向)堆垛。通過(guò)能效優(yōu)化策略求解，比較2種工藝方案的最優(yōu)工藝參數(shù)與比能耗。

圖9 蜂窩結(jié)構(gòu)工件橫向堆垛與縱向堆垛加工方案Fig.9 Honeycomb structure workpiece processing schemes in horizontal stacking (a) and vertical stacking (b)

3.2 系統(tǒng)能效優(yōu)化結(jié)果

較大功率的激光能夠在單位時(shí)間內(nèi)熔覆更多的粉末，從而提高工作效率、縮短工作時(shí)間，但同時(shí)增加了單位時(shí)間內(nèi)的能耗；較大的掃描速度可以縮短工作時(shí)間，但會(huì)降低單位時(shí)間內(nèi)的粉末熔覆量，降低工作效率。二者需要合適匹配才能達(dá)到能效最優(yōu)。鋪粉厚度決定了激光掃描的層數(shù)，較大的鋪粉厚度可以減少激光掃描層數(shù)，進(jìn)而減少能耗，但同時(shí)粉末量的增加對(duì)激光能量提出了更高的要求。橫向搭接率不但影響系統(tǒng)能耗，還對(duì)材料成形質(zhì)量起到關(guān)鍵性作用。

經(jīng)過(guò)算法優(yōu)化求解后，得到2種加工方案的最佳工藝參數(shù)、熔覆道尺寸和比能耗，如表2所示。無(wú)論采用橫向堆垛還是縱向堆垛，能效最優(yōu)時(shí)的激光功率、掃描速度、鋪粉厚度、橫向搭接率和熔覆道總長(zhǎng)度均比較接近。除了激光功率以外，掃描速度與鋪粉厚度均趨向可選區(qū)間內(nèi)的最大值，橫向搭接率趨向可選區(qū)間內(nèi)的最小值。而橫向堆垛時(shí)的比能耗為677.529 J·mm-3，但縱向堆垛時(shí)的比能耗高達(dá)920.771 J·mm-3。因此，橫向堆垛為最佳方案。根據(jù)擬合回歸函數(shù)，相近的工藝參數(shù)導(dǎo)致2種方案產(chǎn)生的熔覆道尺寸也相近。較大的激光功率在提高單位時(shí)間能耗的同時(shí)擴(kuò)大了熔覆道尺寸，使得工件所需熔覆道的數(shù)量下降，熔覆路徑長(zhǎng)度減小，從而縮短了激光熔覆的工作時(shí)間。掃描速度的提高雖然會(huì)減小熔覆道尺寸，在一定程度上延長(zhǎng)了激光掃描的路徑，但能夠極大提高單位時(shí)間內(nèi)的熔覆效率，彌補(bǔ)路徑延長(zhǎng)的不足，總體上也縮短了激光熔覆的工作時(shí)間。而在熔覆道尺寸既定的情況下，需要有較小的橫向熔覆道搭接率以及較大的鋪粉厚度，從而更快完成橫向與縱向尺寸的填充要求，完成工件的增材加工。在相近的熔覆道尺寸、橫向搭接率與鋪粉厚度的工作狀態(tài)下，2種方案堆垛相同結(jié)構(gòu)尺寸的工件所產(chǎn)生的熔覆道總長(zhǎng)度也近似相等。

表2 不同加工方案下系統(tǒng)工藝參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

縱向堆垛時(shí)工作臺(tái)下沉的深度大于橫向堆垛時(shí)的深度，因而需要更多的熔覆層數(shù)與層間停隔時(shí)間，這是工件在橫向與縱向上尺寸不一致所決定的；因此在縱向堆垛工藝下工作臺(tái)控制模塊與鋪粉模塊的工作時(shí)間遠(yuǎn)長(zhǎng)于橫向堆垛工藝，這導(dǎo)致了采用縱向堆垛工藝時(shí)這兩個(gè)模塊的能耗更高。此外通過(guò)計(jì)算比較發(fā)現(xiàn)，工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制模塊的能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于成形輔助子系統(tǒng)能耗與激光成形子系統(tǒng)能耗，因此成形輔助子系統(tǒng)與激光成形子系統(tǒng)的能耗差異是導(dǎo)致2種工藝下比能耗出現(xiàn)較大區(qū)別的核心因素。由圖10可以看出，橫向堆垛工藝下成形輔助子系統(tǒng)的能耗與激光成形子系統(tǒng)的能耗均小于縱向堆垛工藝。在成形輔助子系統(tǒng)中，其功率保持不變，但縱向堆垛工藝下的工作時(shí)長(zhǎng)大于橫向堆垛工藝，導(dǎo)致縱向堆垛工藝下的能耗較高。在激光成形子系統(tǒng)中，能耗占比最大的是激光熔覆模塊(由待機(jī)能耗、熔覆能耗和層間停隔能耗構(gòu)成)。由圖11可知，在2種工藝下，激光熔覆模塊中的熔覆能耗大致相同，但由于層間停隔時(shí)間不同，待機(jī)能耗與層間停隔能耗存在差異，激光熔覆模塊能耗存在差異。綜上，縱向堆垛工藝相比于橫向堆垛工藝在成形方向上需要更多的鋪粉層數(shù)，花費(fèi)更多的層間停隔時(shí)間，產(chǎn)生更多的層間停隔能耗，因此其比能耗更高。

圖10 橫向堆垛和縱向堆垛工藝下成形輔助子系統(tǒng)和激光成形子系統(tǒng)總能耗對(duì)比Fig.10 Comparison of energy consumption between auxiliary subsystem and laser forming subsystem in horizontal stacking and vertical stacking

圖11 橫向堆垛和縱向堆垛工藝下激光熔覆模塊能耗對(duì)比Fig.11 Comparison of energy consumption of laser melting module in horizontal stacking and vertical stacking

4 結(jié) 論

(1) 針對(duì)SLM系統(tǒng)的能效最優(yōu)化問(wèn)題，通過(guò)系統(tǒng)全工作流程能耗構(gòu)成的分析及定量表征，構(gòu)建了可綜合表達(dá)工藝參數(shù)、工件結(jié)構(gòu)參數(shù)以及系統(tǒng)能耗與比能耗(表征能效)之間關(guān)系的函數(shù)，并借助遺傳算法提出了以SLM系統(tǒng)能效最優(yōu)為核心目標(biāo)的工件快速成形工藝過(guò)程的參數(shù)優(yōu)化策略。該策略可有效提高系統(tǒng)全工作流程能效，得到系統(tǒng)在既定工況下的最佳工藝參數(shù)。

(2) 利用構(gòu)建的能耗與能效優(yōu)化策略對(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)工件的SLM成形過(guò)程進(jìn)行能效分析，激光功率的選取需要平衡單位時(shí)間內(nèi)的熔覆效率與能耗之間的矛盾；大幅度提高掃描速度可彌補(bǔ)熔覆道尺寸縮小的不足，降低激光熔覆的工作時(shí)間；選取較大的鋪粉厚度與掃描速度，以及較小的橫向搭接率，并匹配合適的激光功率，可有效降低SLM系統(tǒng)的比能耗。

(3) 在同一SLM系統(tǒng)上加工相同結(jié)構(gòu)尺寸的工件，無(wú)論是橫向還是縱向進(jìn)行堆垛成形，系統(tǒng)能效最佳時(shí)的工藝參數(shù)基本一致，產(chǎn)生的激光熔覆能耗也基本相同，但系統(tǒng)整體能耗差異較大；選擇高度較小的方向進(jìn)行堆垛成形可縮短層間停隔時(shí)間，減小多個(gè)子系統(tǒng)的能耗，進(jìn)而有效降低系統(tǒng)能耗。