激光选区熔化成型轻量化复杂构件的增材制造设计研究

发布时间：2020-08-05 21:12

【摘要】：随着增材制造技术的发展,零部件的设计方法也开始发生变化。受益于增材制造逐层累加的成型方式,零部件的设计自由度得到了极大的解放。传统制造工艺的设计约束不再是设计过程中首要考虑的因素,如何通过设计提升零部件性能正变得越来越重要,尤其是轻量化设计方面。传统的零部件设计方法已然不适用,急需面向增材制造的设计理念和设计方法。但实际上,增材制造并非可以完全无视工艺的约束进行绝对意义上的自由设计。如何将轻量化设计与增材制造有机结合,发挥两者各自的优势,是增材制造在实际应用中面临的重要课题。本课题围绕激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)成型轻量化复杂构件的增材制造设计展开更为系统的研究,主要包括以下几部分内容:1)归纳了SLM技术的成型几何约束,提出了相应的结构优化设计准则,并提出了一种改善拓扑优化设计零件使其适用于SLM工艺的设计方法,以获得具有理想成型精度及使用性能的零件。通过舱外天线支架及密封闭锁装置两个案例的研究结果表明,基于SLM的结构优化技术是行之有效的,该方法同样也可用于其他零部件的优化设计。2)提出了一种基于性能的网格结构轻量化设计方法。针对三种特定压缩载荷条件,通过拓扑优化设计获得三种不同构型的轻量化网格结构单元体(FCC,VC和ECC),并应用SLM技术将其加工成型并评估其力学性能。SLM成型的316L不锈钢拓扑优化网格结构在力学性能方面与常见的网格结构相比更为优越,验证了通过拓扑优化技术进行网格结构单元体选型的可行性,从而为网格结构单元体的选型问题提供一种解决方案。3)基于拓扑优化网格结构单元体FCC进行了尺寸效应的探索,推导了四种不同单元体尺寸的FCC网格结构点阵的“杨氏模量-单元体尺寸-孔隙率”数学模型。针对数学模型难以解释尺寸效应对网格结构承载能力影响的不足,提出了自由结点效应理论:网格点阵的性能会受到网格点阵外部边界处自由结点单元数量在整体结点单元数量中占比的影响。结果表明,引入自由结点效应修正后的“杨氏模量-单元体尺寸-孔隙率”的数学模型,其理论推导模型数据与实验数据更加吻合。该模型可用于预测结构的力学性能,从而在设计阶段更精准地进行相关参数的设定。4)通过研究激光延时对SLM制造精细结构成型性能的影响因素,提出了激光延时参数的作用机制。探讨激光延时对精细结构的致密度、硬度和力学性能等的影响规律,通过建立SLM成型过程中熔道搭接的数学模型,搭接率与激光延时的关系曲线,熔道间距、扫描线间距和激光光斑半径的数学模型等,获得了SLM成型精密网格结构的优化激光延时参数。当激光延时处于350μs~450μs区间时,可获得较好的搭接效果、致密度、硬度和承载性能。5)针对单一网格结构单元体难以满足多孔植入物应力梯度分布的问题,提出了基于应力分布优化的多孔植入物设计方案。通过对多孔植入物内部的网格结构进行形状优化,获得了基于应力分布优化的局部网格结构,改善了单一网格结构轻量化设计的效果,进而获得基于应力分布的多孔植入物。以椎间融合器为案例验证了该设计方案的可行性。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH16
【图文】：

多孔钛,松质骨,人体,网格结构

有中轴支柱的八面体桁架结构具有较好的了基于激光选区熔化技术的网格结构设激光选区熔化技术用于加工网格结构的质结构的设计和制造提供理论依据。主要原理是通过对自然骨的网格结构（结构的三维数据模型后，直接对三维模型种延伸[26]。这种方式设计的网格结构保留的数据非常庞大，对计算机的处理性能有基于人类松质骨的 CT 影像数据，使用激骨结构的多孔 Ti 植入物（图 1-1）并测量，对应的抗压强度大约为 35 ~ 120MPa。和性显着高于未处理的植入物。

原理图,原理图,设备,选区

图 1-2 SLM 设备原理图Figure 1-2. Schematic diagram of the selective laser melting devic术，SLM 技术可以直接获得空间结构复杂且完全冶金结，基本达到了传统的铸造件水平。目前国内研究 SLM大学、南京航空航天大学、华中科技大学等。华南理工出激光选区熔化设备的科研团队，其提出的基于正向数结构创新设计方法，免组装、多零件控形控性直接制造增材制造设计方法与制造工艺，在个性化医疗器械、模到了应用[69]。南京航空航天大学顾冬冬团队主要研究高基、Al 基、Fe 基金属构件激光选区熔化控形控性精密净研究[70]。华中科技大学团队主要研究激光选区熔化成型因为 SLM 采用激光作为能量源，其聚焦后的高能量密[72]

过滤器图,铬镍铁合金,过滤器,真实孔径

图 1-3 具有网格孔洞的铬镍铁合金 625 过滤器Figure 1-3. 3D filter fabricated with porous structures, Inconel 625er D A[74]等使用激光选区熔化技术成型了 Ti6Al4V 多孔植入物标称孔径为 500μm、700μm 和 1000μm，但成型后的真实孔径。在多孔 Ti6Al4V 试样上培养人体成骨细胞，经过 14 天培养骨细胞沿着孔的边缘生长病形成圆形结构，SLM 成型 Ti6Al4V物材料领域有望得到应用。

【参考文献】