【摘要】：隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展,零部件的設(shè)計(jì)方法也開(kāi)始發(fā)生變化。受益于增材制造逐層累加的成型方式,零部件的設(shè)計(jì)自由度得到了極大的解放。傳統(tǒng)制造工藝的設(shè)計(jì)約束不再是設(shè)計(jì)過(guò)程中首要考慮的因素,如何通過(guò)設(shè)計(jì)提升零部件性能正變得越來(lái)越重要,尤其是輕量化設(shè)計(jì)方面。傳統(tǒng)的零部件設(shè)計(jì)方法已然不適用,急需面向增材制造的設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方法。但實(shí)際上,增材制造并非可以完全無(wú)視工藝的約束進(jìn)行絕對(duì)意義上的自由設(shè)計(jì)。如何將輕量化設(shè)計(jì)與增材制造有機(jī)結(jié)合,發(fā)揮兩者各自的優(yōu)勢(shì),是增材制造在實(shí)際應(yīng)用中面臨的重要課題。本課題圍繞激光選區(qū)熔化(Selective Laser Melting,SLM)成型輕量化復(fù)雜構(gòu)件的增材制造設(shè)計(jì)展開(kāi)更為系統(tǒng)的研究,主要包括以下幾部分內(nèi)容:1)歸納了SLM技術(shù)的成型幾何約束,提出了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,并提出了一種改善拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)零件使其適用于SLM工藝的設(shè)計(jì)方法,以獲得具有理想成型精度及使用性能的零件。通過(guò)艙外天線支架及密封閉鎖裝置兩個(gè)案例的研究結(jié)果表明,基于SLM的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)是行之有效的,該方法同樣也可用于其他零部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)。2)提出了一種基于性能的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)方法。針對(duì)三種特定壓縮載荷條件,通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)獲得三種不同構(gòu)型的輕量化網(wǎng)格結(jié)構(gòu)單元體(FCC,VC和ECC),并應(yīng)用SLM技術(shù)將其加工成型并評(píng)估其力學(xué)性能。SLM成型的316L不銹鋼拓?fù)鋬?yōu)化網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在力學(xué)性能方面與常見(jiàn)的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)相比更為優(yōu)越,驗(yàn)證了通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)格結(jié)構(gòu)單元體選型的可行性,從而為網(wǎng)格結(jié)構(gòu)單元體的選型問(wèn)題提供一種解決方案。3)基于拓?fù)鋬?yōu)化網(wǎng)格結(jié)構(gòu)單元體FCC進(jìn)行了尺寸效應(yīng)的探索,推導(dǎo)了四種不同單元體尺寸的FCC網(wǎng)格結(jié)構(gòu)點(diǎn)陣的“楊氏模量-單元體尺寸-孔隙率”數(shù)學(xué)模型。針對(duì)數(shù)學(xué)模型難以解釋尺寸效應(yīng)對(duì)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)承載能力影響的不足,提出了自由結(jié)點(diǎn)效應(yīng)理論:網(wǎng)格點(diǎn)陣的性能會(huì)受到網(wǎng)格點(diǎn)陣外部邊界處自由結(jié)點(diǎn)單元數(shù)量在整體結(jié)點(diǎn)單元數(shù)量中占比的影響。結(jié)果表明,引入自由結(jié)點(diǎn)效應(yīng)修正后的“楊氏模量-單元體尺寸-孔隙率”的數(shù)學(xué)模型,其理論推導(dǎo)模型數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加吻合。該模型可用于預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能,從而在設(shè)計(jì)階段更精準(zhǔn)地進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)定。4)通過(guò)研究激光延時(shí)對(duì)SLM制造精細(xì)結(jié)構(gòu)成型性能的影響因素,提出了激光延時(shí)參數(shù)的作用機(jī)制。探討激光延時(shí)對(duì)精細(xì)結(jié)構(gòu)的致密度、硬度和力學(xué)性能等的影響規(guī)律,通過(guò)建立SLM成型過(guò)程中熔道搭接的數(shù)學(xué)模型,搭接率與激光延時(shí)的關(guān)系曲線,熔道間距、掃描線間距和激光光斑半徑的數(shù)學(xué)模型等,獲得了SLM成型精密網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的優(yōu)化激光延時(shí)參數(shù)。當(dāng)激光延時(shí)處于350μs~450μs區(qū)間時(shí),可獲得較好的搭接效果、致密度、硬度和承載性能。5)針對(duì)單一網(wǎng)格結(jié)構(gòu)單元體難以滿(mǎn)足多孔植入物應(yīng)力梯度分布的問(wèn)題,提出了基于應(yīng)力分布優(yōu)化的多孔植入物設(shè)計(jì)方案。通過(guò)對(duì)多孔植入物內(nèi)部的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)進(jìn)行形狀優(yōu)化,獲得了基于應(yīng)力分布優(yōu)化的局部網(wǎng)格結(jié)構(gòu),改善了單一網(wǎng)格結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的效果,進(jìn)而獲得基于應(yīng)力分布的多孔植入物。以椎間融合器為案例驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案的可行性。
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TH16
【圖文】：

有中軸支柱的八面體桁架結(jié)構(gòu)具有較好的了基于激光選區(qū)熔化技術(shù)的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)設(shè)激光選區(qū)熔化技術(shù)用于加工網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的質(zhì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造提供理論依據(jù)。主要原理是通過(guò)對(duì)自然骨的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)的三維數(shù)據(jù)模型后，直接對(duì)三維模型種延伸[26]。這種方式設(shè)計(jì)的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)保留的數(shù)據(jù)非常龐大，對(duì)計(jì)算機(jī)的處理性能有基于人類(lèi)松質(zhì)骨的 CT 影像數(shù)據(jù)，使用激骨結(jié)構(gòu)的多孔 Ti 植入物（圖 1-1）并測(cè)量，對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度大約為 35 ~ 120MPa。和性顯著高于未處理的植入物。

圖 1-2 SLM 設(shè)備原理圖Figure 1-2. Schematic diagram of the selective laser melting devic術(shù)，SLM 技術(shù)可以直接獲得空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜且完全冶金結(jié)，基本達(dá)到了傳統(tǒng)的鑄造件水平。目前國(guó)內(nèi)研究 SLM大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、華中科技大學(xué)等。華南理工出激光選區(qū)熔化設(shè)備的科研團(tuán)隊(duì)，其提出的基于正向數(shù)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，免組裝、多零件控形控性直接制造增材制造設(shè)計(jì)方法與制造工藝，在個(gè)性化醫(yī)療器械、模到了應(yīng)用[69]。南京航空航天大學(xué)顧冬冬團(tuán)隊(duì)主要研究高基、Al 基、Fe 基金屬構(gòu)件激光選區(qū)熔化控形控性精密凈研究[70]。華中科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)主要研究激光選區(qū)熔化成型因?yàn)?SLM 采用激光作為能量源，其聚焦后的高能量密[72]

圖 1-3 具有網(wǎng)格孔洞的鉻鎳鐵合金 625 過(guò)濾器Figure 1-3. 3D filter fabricated with porous structures, Inconel 625er D A[74]等使用激光選區(qū)熔化技術(shù)成型了 Ti6Al4V 多孔植入物標(biāo)稱(chēng)孔徑為 500μm、700μm 和 1000μm，但成型后的真實(shí)孔徑。在多孔 Ti6Al4V 試樣上培養(yǎng)人體成骨細(xì)胞，經(jīng)過(guò) 14 天培養(yǎng)骨細(xì)胞沿著孔的邊緣生長(zhǎng)病形成圓形結(jié)構(gòu)，SLM 成型 Ti6Al4V物材料領(lǐng)域有望得到應(yīng)用。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2781884