激光选区熔化成型机理和结构特征直接制造研究

发布时间：2017-08-09 13:00

  本文关键词：激光选区熔化成型机理和结构特征直接制造研究

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【摘要】：激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)直接成型技术是3D打印的前沿技术,其制造原理突破了传统的减材和等材制造的工艺制约,能在很短的时间内实现精密零件及个性化、定制化零件的直接制造。虽然具有以上诸多优势,但是SLM工艺中存在的一些关键问题如飞溅行为、热应力集中和翘曲变形、精度偏低等问题的研究相对较少,关于SLM直接成型结构特征的成型能力的研究则更少。据此,本文在研究SLM直接成型关键工艺的基础上,研究基于SLM的结构特征直接成型能力,主要内容及结论如下:(1)SLM成型过程热物理过程。采用分形理论结合有限元模拟方法预测金属粉末的有效导热系数,并与参考文献中的实验数据进行对比,结果表明预测值与实验值吻合,有限元模型具有较高的精度。分析SLM过程的飞溅行为,将飞溅行为分为两类,其一是液滴飞溅,其二是粉末飞溅,两者都是由于熔池内的金属蒸汽引起。采用高速摄像技术观察飞溅行为,分析工能量输入对飞溅行为强度的影响,发现飞溅颗粒中存在大量的氧化物,说明SLM成型对氧含量非常敏感。最后采用纯净粉末和被飞溅污染的粉末分别进行拉伸力学实验,发现飞溅的存在严重降低了SLM成型件的力学性能。(2)SLM成型过程热余应力和翘曲变形问题。SLM成型热应力产生的原因是较高的温度梯度、细小的晶粒和剧烈的相变。采用X射线衍射方法测量了沿着高度方向和水平方向的应力,分析了后续热循环(Substrate Thermal Cycling,STC)和工艺参数对应力分布的影响。研究发现,能量输入越大,扫描线越长,零件内部残余应力越大,并且零件的两端的热应力最大。由于热应力与SLM零件翘曲变形紧密相关,研究了SLM零件翘曲变形的影响因素,并提出了相应的避免措施。(3)SLM成型结构特征的精度问题。SLM成型过程中的误差来源于设备系统误差和粉末材料致密化过程(此处将其统称为材料收缩)。采用响应曲面法分析了工艺参数(如激光功率、扫描速度、扫描间距和切片层厚)对收缩率的影响,研究发现,SLM成型件在水平方向的收缩率比高度方向的收缩率较小,采用尺寸补偿可极大地提高X/Y/Z三方向的尺寸精度,X/Y方向相对误差可控制在0.4%之内,Z方向相对误差可控制在0.6%之内。(4)典型结构特征的SLM成型能力。提炼机械机构的典型结构特征如薄壁、孔、柱、尖角、球体、高纵横比等并对SLM成型质量进行评估,评估标准包括SLM成型最大和最小尺寸、尺寸误差、表面形貌,并根据以上实验提炼出基于SLM直接成型的结构特征的设计规则。(5)SLM成型免组装机构的关键问题。通过一系列的实验确定了SLM可成型的最小间隙尺寸,并研究了工艺参数对间隙特征的尺寸精度、内表面粗糙度的影响。在减少机构的间隙内部悬垂面的前提下,提出了一种SLM直接成型机构的旋转副、滑动副和球面副的优化设计方法。通过改变机构的组装形态,减少机构所需的支撑结构,降低SLM直接成型机构的难度,并在空间机构上得到验证。
【关键词】：激光选区熔化 飞溅行为 热应力 结构特征 免组装机构
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG665
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-17
• 第一章 绪论17-35
• 1.1 课题研究背景及意义17-18
• 1.2 SLM工艺研究现状18-25
• 1.2.1 SLM成型过程飞溅行为研究18-21
• 1.2.2 SLM成型过程热应力及翘曲研究21-23
• 1.2.3 SLM成型微观组织演变23-25
• 1.3 SLM成型精度研究研发25-31
• 1.3.1 设备精度26-28
• 1.3.2 SLM成型精度的工艺研究28-31
• 1.4 结构特征的增材制造成型能力的研究31-33
• 1.4.1 国内外研究现状31-32
• 1.4.2 结构特征设计及SLM成型存在的问题32-33
• 1.5 课题概述33-34
• 1.5.1 课题来源33
• 1.5.2 研究目标33-34
• 1.5.3 课题思路34
• 1.6 全文内容组织结构34-35
• 第二章 SLM成型过程的热传导及飞溅行为研究35-60
• 2.1 引言35
• 2.2 热量在金属粉末中的传导过程35-43
• 2.2.1 SLM成型过程热物理模型35-38
• 2.2.2 基于分形理论的有效导热系数数值模拟38-43
• 2.3 SLM成型过程飞溅行为研究43-50
• 2.3.1 高速摄像试验条件43-44
• 2.3.2 SLM飞溅形成机理44-45
• 2.3.3 飞溅行为的影响因素45-50
• 2.4 飞溅颗粒及其影响研究50-57
• 2.4.1 飞溅颗粒研究50-53
• 2.4.2 飞溅对SLM成型的影响53-57
• 2.5 气体循环净化系统57-58
• 2.6 本章小结58-60
• 第三章 SLM成型过程中热应力及翘曲变形的研究60-79
• 3.1 引言60
• 3.2 SLM残余应力产生来源分析60-65
• 3.2.1 温度梯度影响机理60-62
• 3.2.2 微观组织与残余应力的关系62-65
• 3.3 SLM残余应力分布及演变研究65-71
• 3.3.1 高度方向应力分布研究65-68
• 3.3.2 水平方向应力分布研究68-71
• 3.4 SLM成型过程翘曲变形的研究71-77
• 3.4.1 能量输入对翘曲变形的影响72-73
• 3.4.2 扫描线长度对翘曲变形的影响73
• 3.4.3 支撑结构对翘曲变形的影响73-76
• 3.4.4 翘曲变形的控制76-77
• 3.5 本章小结77-79
• 第四章 SLM直接成型结构特征的精度研究79-100
• 4.1 引言79
• 4.2 SLM成型精度分析79-86
• 4.2.1 CAD/CAM数据对SLM成型精度的影响79-81
• 4.2.2 成型设备对SLM成型精度的影响81-84
• 4.2.3 激光光斑对SLM成型精度的影响84-85
• 4.2.4 材料收缩对SLM成型精度的影响85-86
• 4.3 试验方法及设计86-87
• 4.3.1 响应曲面法86-87
• 4.3.2 实验设计87
• 4.4 结果及分析87-96
• 4.4.1 方差分析89-92
• 4.4.2 响应曲面分析92-95
• 4.4.3 多目标优化95-96
• 4.5 基于尺寸补偿的SLM成型件精度优化96-99
• 4.6 本章小结99-100
• 第五章 基于SLM的结构特征成型分辨率的研究100-122
• 5.1 引言100
• 5.2 结构特征直接成型试验100-107
• 5.2.1 SLM成型结构特征的制约因素100-103
• 5.2.2 结构特征描述103-104
• 5.2.3 结构特征成型试验描述104-107
• 5.3 结果与讨论107-120
• 5.3.1 薄壁特征107-109
• 5.3.2 尖角特征109-111
• 5.3.3 孔特征111-115
• 5.3.4 圆柱/方柱特征115-117
• 5.3.5 球体特征117-118
• 5.3.6 高纵横比特征118-120
• 5.4 本章小结120-122
• 第六章 间隙特征及在SLM直接成型机构中的应用122-146
• 6.1 引言122
• 6.2 间隙特征122-127
• 6.2.1 间隙特征的概念122-123
• 6.2.2 间隙特征的分解123-124
• 6.2.3 间隙特征SLM可成形性分析124-127
• 6.3 间隙特征尺寸精度研究127-138
• 6.3.1 间隙特征尺寸误差127-131
• 6.3.2 间隙特征SLM成型试验131-134
• 6.3.3 工艺参数对间隙特征内表面粗糙度的影响134-138
• 6.4 运动副优化设计138-142
• 6.5 基于直接映射关系的组装模型及在免组装机构的应用142-145
• 6.5.1 数字化组装模型142-143
• 6.5.2 机构设计及SLM成型实例143-145
• 6.6 本章小结145-146
• 结论146-149
• 参考文献149-159
• 攻读博士学位期间取得的研究成果159-163
• 致谢163-164
• 附件164

【参考文献】

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1 唐一平,李涤尘,丁玉成;RP/RT集成制造环境下的模具精度控制探讨[J];中国机械工程;2000年10期

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本文编号：645373