【摘要】： 快速成形制造(Rapid Prototyping Manufacturing)技術(shù)是由CAD、激光、精密機(jī)械、數(shù)控及新材料相結(jié)合的一種復(fù)合技術(shù)，是先進(jìn)制造領(lǐng)域的發(fā)展前沿。在快速成形制造工藝中，普遍存在零件變形、翹曲、坍塌等問(wèn)題，易導(dǎo)致成形失敗，即使加工成功也會(huì)對(duì)成形后零件質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響。開(kāi)展快速成形制造關(guān)鍵工藝的研究對(duì)于解決上述問(wèn)題，提高快速成形制造研究水平有重要的意義。為此，本文分別從快速成形制造工藝中的支撐工藝、掃描方式以及掃描系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理三個(gè)關(guān)鍵部分進(jìn)行重點(diǎn)研究，其主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)論如下： 在支撐工藝研究方面，針對(duì)基于STL格式的實(shí)體模型支撐區(qū)域拾取算法速度慢、效率低且不易識(shí)別裂縫等問(wèn)題。本文提出采用遞歸方式搜索模型表面來(lái)快速拾取支撐區(qū)域。具體為利用模型中所有三角面片數(shù)據(jù)構(gòu)造拓?fù)湫畔�，通過(guò)面片相鄰和邊重合關(guān)系遞歸搜索，對(duì)每個(gè)滿足條件的三角面片只搜索一次，因此提高了生成速度，其算法效率達(dá)到O(n)，效率高。并能夠輕易的識(shí)別出STL文件的裂縫，搜索完成后自動(dòng)生成三維區(qū)域輪廓邊界環(huán)。對(duì)于復(fù)雜形狀的STL模型，針對(duì)支撐生成時(shí)支撐線與實(shí)體模型的相交計(jì)算復(fù)雜的問(wèn)題，采用標(biāo)識(shí)計(jì)算的原理，實(shí)現(xiàn)每條支撐線與其對(duì)應(yīng)三角面片作一次三維相交計(jì)算，優(yōu)化后的算法大幅度提高效率，并在實(shí)際中得到檢驗(yàn)。以上算法為基礎(chǔ)，應(yīng)用在網(wǎng)格支撐的生成算法中，降低了支撐生成算法的時(shí)間復(fù)雜度，提高了支撐的生成效率。 在掃描方式研究方面，針對(duì)逐行或分塊變向掃描方式加工復(fù)雜零件容易產(chǎn)生應(yīng)力集中引起翹曲變形的問(wèn)題，通過(guò)采用“基于Voronoi圖的螺旋掃描”方式，減少掃描矢量方向和垂直掃描矢量方向上的應(yīng)力，降低翹曲變形的趨勢(shì)，然后應(yīng)用在復(fù)雜零件的選擇性激光熔化工藝中，解決逐行或分塊變向掃描方式加工復(fù)雜零件容易引起翹曲變形等關(guān)鍵問(wèn)題，加工出零部件。針對(duì)圓盤(pán)型具有內(nèi)部空腔特征的零件的選擇性激光熔化工藝，提出“基于復(fù)合環(huán)形算法的掃描”方式，該掃描方式能夠在每一層熔化成形同時(shí)進(jìn)行預(yù)熱掃描，解決了逐行或分塊變向掃描方式加工圓盤(pán)型零件的翹曲變形問(wèn)題。 在快速成形掃描系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方面，通過(guò)對(duì)掃描過(guò)程中掃描行程和空行程之間的連接過(guò)渡進(jìn)行優(yōu)化、二維振鏡幾何校正快速算法、對(duì)激光掃描進(jìn)行延遲處理以及掃描體系采用雙線程傳送掃描數(shù)據(jù)等四個(gè)方面進(jìn)行了研究，優(yōu)化并完善了掃描系統(tǒng)。 在選擇性激光熔化工藝研究方面：針對(duì)加工復(fù)雜零部件時(shí)易翹曲變形的問(wèn)題分析，提出了一系列的新型子工藝以及工藝的優(yōu)化：針對(duì)變形累積效應(yīng)，提出在加工過(guò)程中動(dòng)態(tài)改變層厚工藝；針對(duì)選擇性激光熔化工藝中零件底部添加支撐的問(wèn)題，研究了體支撐的應(yīng)用方式和算法；加工方向上，即垂直方向(Z向)和水平方向的擺放問(wèn)題，對(duì)加工方向進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，提出在Z向上應(yīng)保持底部面積大，頂部面積小的正金字塔方向，在水平擺放上應(yīng)使零件的長(zhǎng)邊與鋪粉輥的運(yùn)動(dòng)方向平行；針對(duì)復(fù)雜零件Z向上有空腔時(shí)導(dǎo)致一些層面直接在粉床上熔化易翹曲變形的問(wèn)題，作者提出一種新型的反變形支架結(jié)構(gòu)來(lái)抑制這種變形；最后對(duì)于減少零件內(nèi)應(yīng)力的退火工藝也進(jìn)行了簡(jiǎn)單的研究。通過(guò)對(duì)上述加工子工藝的實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用表明，在加工復(fù)雜零部件時(shí)能夠抑制翹曲變形，保證順利加工。 通過(guò)分析上述問(wèn)題的產(chǎn)生機(jī)理，采用對(duì)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理、優(yōu)化支撐工藝、采用上述提出的兩種新型掃描方式來(lái)解決零件變形、翹曲、坍塌等問(wèn)題，并在此基礎(chǔ)上對(duì)金屬零件的選擇性激光熔化工藝進(jìn)行研究，提出了若干子工藝，減少選擇性激光熔化工藝中的翹曲變形問(wèn)題，提高選擇性激光熔化的研究水平。 通過(guò)本論文的系統(tǒng)研究，解決了快速成形制造工藝中的一些關(guān)鍵工藝問(wèn)題，為快速成形制造工藝的完善奠定了基礎(chǔ)。
【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】：2009
【分類(lèi)號(hào)】：TH166
【圖文】：

圖2.1支撐區(qū)域內(nèi)部填充支撐射線然后將所有的支撐射線延伸至加工平臺(tái)(基平面x一y)，若其間被實(shí)體表面相交，則在交點(diǎn)處截?cái)�，并取z向最大交點(diǎn)為其下端點(diǎn)，不必將支撐的端點(diǎn)延伸至加工平臺(tái)，從而適應(yīng)對(duì)夾層區(qū)域的支撐生成;支撐的上端點(diǎn)為支撐環(huán)中對(duì)應(yīng)點(diǎn)的z值。如圖2.2所示的簡(jiǎn)化模型，設(shè)支撐環(huán)中某一點(diǎn)A，以A為支撐射線起點(diǎn)，沿一z向作射線，與實(shí)體求交，得交點(diǎn)B與C，由于B點(diǎn)可以以實(shí)體面作為支撐平臺(tái)，故取最大交點(diǎn)B為支撐線的另一端點(diǎn)，得線段AB。線段AB即為A點(diǎn)的支撐線段。確定所有區(qū)域的支撐線段以后，按照支撐的類(lèi)型參數(shù)，如支撐的嵌入深度、支撐的鋸齒形狀等，生成相應(yīng)的支撐結(jié)構(gòu)，并將支撐結(jié)構(gòu)保存相應(yīng)的存儲(chǔ)文件，便于及時(shí)加載。支撐結(jié)構(gòu)

則在交點(diǎn)處截?cái)�，并取z向最大交點(diǎn)為其下端點(diǎn)，不必將支撐的端點(diǎn)延伸至加工平臺(tái)，從而適應(yīng)對(duì)夾層區(qū)域的支撐生成;支撐的上端點(diǎn)為支撐環(huán)中對(duì)應(yīng)點(diǎn)的z值。如圖2.2所示的簡(jiǎn)化模型，設(shè)支撐環(huán)中某一點(diǎn)A，以A為支撐射線起點(diǎn)，沿一z向作射線，與實(shí)體求交，得交點(diǎn)B與C，由于B點(diǎn)可以以實(shí)體面作為支撐平臺(tái)，故取最大交點(diǎn)B為支撐線的另一端點(diǎn)，得線段AB。線段AB即為A點(diǎn)的支撐線段。確定所有區(qū)域的支撐線段以后

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