【摘要】：在近三十年,“增材制造”得到了廣泛的關(guān)注和深入的研究,迄今,已發(fā)展出多種比較成熟的增材制造技術(shù),但這些技術(shù)仍然面臨使用成本高、制件性能不佳等問(wèn)題。為了在解決這些問(wèn)題方面有所貢獻(xiàn),本文提出了氣動(dòng)擠出金屬直寫沉積成形技術(shù),該技術(shù)結(jié)合了恒壓驅(qū)動(dòng)與擠出直寫沉積成形的優(yōu)點(diǎn),是一種金屬零件直接制造技術(shù),其工作原理是:金屬材料被加熱熔化后,在恒壓驅(qū)動(dòng)下,金屬熔液被連續(xù)均勻擠出,同時(shí),基板沿?cái)?shù)控程序控制的運(yùn)動(dòng)軌跡運(yùn)動(dòng),金屬熔液在基板沉積并形成金屬零件。依靠熱管理策略控制直寫沉積成形過(guò)程中的熱轉(zhuǎn)移,使沉積層間的結(jié)合方式為冶金結(jié)合,以提高最終的金屬零件的強(qiáng)度。氣動(dòng)擠出金屬直寫沉積成形技術(shù)是一種有潛在應(yīng)用價(jià)值的低成本技術(shù),可使用的成形材料多種多樣。本文就該技術(shù)的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題作了探索研究,主要的研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新成果如下:本文首先對(duì)氣動(dòng)擠出金屬直寫沉積成形技術(shù)的工作原理和直寫沉積成形系統(tǒng)的總體架構(gòu)作了詳細(xì)闡述,并搭建了氣動(dòng)擠出金屬直寫沉積成形實(shí)驗(yàn)裝置。該直寫沉積成形系統(tǒng)主要由三個(gè)子系統(tǒng)組成:運(yùn)動(dòng)控制與執(zhí)行、氣壓監(jiān)測(cè)與控制和溫度控制。本文對(duì)各子系統(tǒng)的技術(shù)細(xì)節(jié)作了說(shuō)明。探討了直寫沉積成形系統(tǒng)中的關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)和制造要點(diǎn),包括孔的加工方式選擇,密封材料選擇與密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。利用搭建的金屬直寫沉積成形裝置,實(shí)現(xiàn)了金屬熔液的受控直寫沉積成形,為后續(xù)的研究工作提供了可靠的硬件基礎(chǔ)。利用流體力學(xué)相關(guān)理論,分析了噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)金屬熔液流動(dòng)的影響。理論分析結(jié)果表明,在噴嘴結(jié)構(gòu)中增加節(jié)流孔,可以達(dá)到減小金屬熔液流量的目的,進(jìn)而獲得精度更高的金屬線。為分析節(jié)流孔對(duì)金屬熔液的流動(dòng)行為的影響,建立了金屬熔液在噴嘴中流動(dòng)的物理模型,并利用ANSYS CFX軟件對(duì)金屬熔液在噴嘴中的流動(dòng)行為進(jìn)行了數(shù)值模擬。模擬結(jié)果表明,金屬熔液在流經(jīng)節(jié)流孔的過(guò)程中,流體動(dòng)能有所損失,最終導(dǎo)致金屬熔液流量減小,減小幅度約為28%。為檢驗(yàn)物理模型的可靠性,將模擬值和實(shí)驗(yàn)值作了對(duì)比分析,結(jié)果表明本文建立的物理模型和數(shù)值模擬是有效的理論分析工具�；趥鳠釋W(xué)相關(guān)理論,本文建立了金屬熔液在直寫沉積成形過(guò)程中的冷卻物理模型,推導(dǎo)得出描述金屬線溫度分布的數(shù)學(xué)表達(dá)式,并以此繪制出金屬線溫度隨路徑變化的曲線。利用這些曲線,分析了金屬熔液的凝固時(shí)間。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和檢測(cè)樣品,分別討論了基板速度、基板和噴嘴間的距離、金屬熔液溫度和基板溫度對(duì)金屬線的形貌、微觀組織和硬度的影響。借助實(shí)驗(yàn)和拉伸測(cè)試,初步分析了熨壓作用對(duì)金屬線力學(xué)性能的影響,但熨壓作用對(duì)金屬材料力學(xué)性能的影響的工作機(jī)理,還需要進(jìn)一步研究。在“控形控性”研究基礎(chǔ)上,進(jìn)行層間結(jié)合機(jī)理研究,討論分析了實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)層間結(jié)合的影響。在前面章節(jié)的研究基礎(chǔ)之上,合理設(shè)定實(shí)驗(yàn)參數(shù),利用前述直寫沉積成形裝置,成功制備出二維平面圖形和三維實(shí)體,這說(shuō)明氣動(dòng)擠出金屬直寫沉積成形原理具有可行性。制備出的三維實(shí)體包括薄壁實(shí)體、斜壁實(shí)體和厚壁實(shí)體三類,對(duì)金屬實(shí)體直寫沉積成形過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題作了討論與分析。
【圖文】：

圖 1-1 3DP 結(jié)合鑄造技術(shù)制造蜂窩結(jié)構(gòu)金屬零件[28]直接金屬零件增材制造接法是用金屬材料直接制造零件，，它又可以分為高能束輔助和無(wú)高能束輔輔助直接金屬零件增材制造的一般過(guò)程是：成形材料在高能束(例如激光束輻照下，在指定位置熔化后凝固成形。這類工藝以 SLS、SLM、EBM、L立體自由成形(Electron Beam Solid Freeform Fabrication, EBF3)[29, 30]為典型LS、SLM、EBM、LENS 和 EBF3 都需要價(jià)格昂貴的高能束設(shè)備，其工藝無(wú)高能束輔助直接金屬零件增材制造技術(shù)的成本相對(duì)較低,鑒于此，低成本增材制造技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)成為了金屬零件增材造技術(shù)的又一個(gè)研究方向類直接金屬零件增材制造技術(shù)，其中的代表是熔滴沉積工藝，其一般過(guò)程在到達(dá)沉積位置前以熔融態(tài)微滴形式存在，微滴到達(dá)沉積位置后與已沉積屬熔滴按需累積最終形成金屬零件。此外，還有學(xué)者研究開(kāi)發(fā)了其他低成

31]。粉床選區(qū)熔融沉積工藝包括SLS、SLM和EBM，工藝原理如圖1-2[32, 33]所示，高能束束斑按照設(shè)定的運(yùn)動(dòng)軌跡輻照預(yù)置粉床，金屬粉末因高能束的熱效應(yīng)形成熔池，高能束束斑移開(kāi)后，熔池凝結(jié)形成沉積層。完成一層沉積層后，
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG306

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本文編號(hào)：2610729