增材制造模型成型方向与支撑结构的研究与实现

发布时间：2020-05-07 00:51

【摘要】：增材制造(Additive Manufacturing,AM)俗称3D打印,其分层叠加的成型原理与传统减材制造方法有着重大差异。鉴于减材制造存在的弊端,如不适合单个工件生产、无法加工结构复杂的工件等,同时也伴随着社会各行各业个性化需求的增加,增材制造技术越来越受到人们的重视。增材制造技术省去了模具开发的过程,缩短了单个制件从设计到成型的整个周期,也突破了复杂结构对加工过程的限制。本文主要针对在增材制造成型过程中产生重要影响的成型方向以及支撑结构问题展开研究。成型方向会影响模型的表面质量、成型速度以及支撑量,但上述三个评价标准往往不能在同一成型方向下达到最优,所以模型成型方向的选择问题须同时考虑实际需求、模型特征等诸多因素,寻求满足要求的较优解。本文将上述三个成型方向评价标准量化为模型体积误差、成型时间以及支撑体体积,并建立相应的数学模型,最后运用MATLAB以及遗传算法对成型方向进行单目标优化求解,以验证数学模型的准确性。同一成型方向下,不同结构的支撑对成型过程产生的影响不同,尤其对成型速度影响较大。本文从兼顾支撑稳定性以及成型速度的角度出发对支撑结构进行研究,详细介绍了悬垂面、悬垂边、悬垂点的概念以及提取算法,重点对模型中大量存在的悬垂面进行研究。从支撑临界角的概念入手,提出了一种基于材料自支撑性的锥形支撑结构生成算法,对待支撑三角形面片依次生成锥形支撑,并对支撑体交叉的问题给出了解决方法。对算法中所涉及的基础支撑点、基础支撑体、支撑点可行域等新概念进行了详细阐述,并给出了详细的数学推导过程,最后通过实例验证了该算法的可行性。综合考虑表面质量、成型速度以及支撑量,运用NSGA-Ⅱ以及线性加权方法对成型方向进行多目标优化求解,并为优化程序编写了界面以方便用户使用。最后,运用本文所设计的支撑结构参与NSGA-Ⅱ的优化求解过程,运算结果表明,在成型方向的多目标优化问题中运用该支撑结构可实现支撑量因素的解耦。
【图文】：

模型表面,方向,成型速度

光化树脂烧结粉末喷粘接剂喷熔融性材料三维实体去除支撑图 1-1 增材制造流程1.1.2 增材制造模型成型方向概述模型成型方向的优化选择问题一直是阻碍增材制造提高加工能力与成型质量的技术瓶颈之一，成型方向的选择关系到模型表面质量、成型速度以及支撑量。如图 1-2 所示，恰当的选择成型方向（Z1，Z2，Z3）可以降低模型表面阶梯效应，提高模型表面质量；如图 1-3 所示，成型方向的恰当选取会减小待支撑区域面积以及支撑体积。此外，成型方向通过影响模型切片以及支撑生成进而影响成型速度。因此，常用上述三个标准来评价模型成型方向的优劣。

方向,工程师,鸵鸟,领域研究

图 1-3 成型方向对支撑的影响目前绝大多数情况下成型方向的选择主要依靠经验丰富的工程师人为判如图 1-3 所示结构简单的三维模型，，只需经过简单的观察便可得到较优的。但是，即便长期从事该项工作的工程师在面对复杂模型时选择出的成型也并不理想。如图 1-4 所示鸵鸟头骨模型结构较为复杂，很难人为判断最向。因此，方便、准确地确定出考虑了各个成型评价标准的较优成型方向领域研究的热点问题。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH16;TP391.73

【参考文献】