本文關(guān)鍵詞：激光選區(qū)熔化成型機理和結(jié)構(gòu)特征直接制造研究

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【摘要】：激光選區(qū)熔化(Selective Laser Melting,SLM)直接成型技術(shù)是3D打印的前沿技術(shù),其制造原理突破了傳統(tǒng)的減材和等材制造的工藝制約,能在很短的時間內(nèi)實現(xiàn)精密零件及個性化、定制化零件的直接制造。雖然具有以上諸多優(yōu)勢,但是SLM工藝中存在的一些關(guān)鍵問題如飛濺行為、熱應力集中和翹曲變形、精度偏低等問題的研究相對較少,關(guān)于SLM直接成型結(jié)構(gòu)特征的成型能力的研究則更少。據(jù)此,本文在研究SLM直接成型關(guān)鍵工藝的基礎上,研究基于SLM的結(jié)構(gòu)特征直接成型能力,主要內(nèi)容及結(jié)論如下:(1)SLM成型過程熱物理過程。采用分形理論結(jié)合有限元模擬方法預測金屬粉末的有效導熱系數(shù),并與參考文獻中的實驗數(shù)據(jù)進行對比,結(jié)果表明預測值與實驗值吻合,有限元模型具有較高的精度。分析SLM過程的飛濺行為,將飛濺行為分為兩類,其一是液滴飛濺,其二是粉末飛濺,兩者都是由于熔池內(nèi)的金屬蒸汽引起。采用高速攝像技術(shù)觀察飛濺行為,分析工能量輸入對飛濺行為強度的影響,發(fā)現(xiàn)飛濺顆粒中存在大量的氧化物,說明SLM成型對氧含量非常敏感。最后采用純凈粉末和被飛濺污染的粉末分別進行拉伸力學實驗,發(fā)現(xiàn)飛濺的存在嚴重降低了SLM成型件的力學性能。(2)SLM成型過程熱余應力和翹曲變形問題。SLM成型熱應力產(chǎn)生的原因是較高的溫度梯度、細小的晶粒和劇烈的相變。采用X射線衍射方法測量了沿著高度方向和水平方向的應力,分析了后續(xù)熱循環(huán)(Substrate Thermal Cycling,STC)和工藝參數(shù)對應力分布的影響。研究發(fā)現(xiàn),能量輸入越大,掃描線越長,零件內(nèi)部殘余應力越大,并且零件的兩端的熱應力最大。由于熱應力與SLM零件翹曲變形緊密相關(guān),研究了SLM零件翹曲變形的影響因素,并提出了相應的避免措施。(3)SLM成型結(jié)構(gòu)特征的精度問題。SLM成型過程中的誤差來源于設備系統(tǒng)誤差和粉末材料致密化過程(此處將其統(tǒng)稱為材料收縮)。采用響應曲面法分析了工藝參數(shù)(如激光功率、掃描速度、掃描間距和切片層厚)對收縮率的影響,研究發(fā)現(xiàn),SLM成型件在水平方向的收縮率比高度方向的收縮率較小,采用尺寸補償可極大地提高X/Y/Z三方向的尺寸精度,X/Y方向相對誤差可控制在0.4%之內(nèi),Z方向相對誤差可控制在0.6%之內(nèi)。(4)典型結(jié)構(gòu)特征的SLM成型能力。提煉機械機構(gòu)的典型結(jié)構(gòu)特征如薄壁、孔、柱、尖角、球體、高縱橫比等并對SLM成型質(zhì)量進行評估,評估標準包括SLM成型最大和最小尺寸、尺寸誤差、表面形貌,并根據(jù)以上實驗提煉出基于SLM直接成型的結(jié)構(gòu)特征的設計規(guī)則。(5)SLM成型免組裝機構(gòu)的關(guān)鍵問題。通過一系列的實驗確定了SLM可成型的最小間隙尺寸,并研究了工藝參數(shù)對間隙特征的尺寸精度、內(nèi)表面粗糙度的影響。在減少機構(gòu)的間隙內(nèi)部懸垂面的前提下,提出了一種SLM直接成型機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)副、滑動副和球面副的優(yōu)化設計方法。通過改變機構(gòu)的組裝形態(tài),減少機構(gòu)所需的支撐結(jié)構(gòu),降低SLM直接成型機構(gòu)的難度,并在空間機構(gòu)上得到驗證。
【關(guān)鍵詞】：激光選區(qū)熔化 飛濺行為 熱應力 結(jié)構(gòu)特征 免組裝機構(gòu)
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TG665
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-17
• 第一章 緒論17-35
• 1.1 課題研究背景及意義17-18
• 1.2 SLM工藝研究現(xiàn)狀18-25
• 1.2.1 SLM成型過程飛濺行為研究18-21
• 1.2.2 SLM成型過程熱應力及翹曲研究21-23
• 1.2.3 SLM成型微觀組織演變23-25
• 1.3 SLM成型精度研究研發(fā)25-31
• 1.3.1 設備精度26-28
• 1.3.2 SLM成型精度的工藝研究28-31
• 1.4 結(jié)構(gòu)特征的增材制造成型能力的研究31-33
• 1.4.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀31-32
• 1.4.2 結(jié)構(gòu)特征設計及SLM成型存在的問題32-33
• 1.5 課題概述33-34
• 1.5.1 課題來源33
• 1.5.2 研究目標33-34
• 1.5.3 課題思路34
• 1.6 全文內(nèi)容組織結(jié)構(gòu)34-35
• 第二章 SLM成型過程的熱傳導及飛濺行為研究35-60
• 2.1 引言35
• 2.2 熱量在金屬粉末中的傳導過程35-43
• 2.2.1 SLM成型過程熱物理模型35-38
• 2.2.2 基于分形理論的有效導熱系數(shù)數(shù)值模擬38-43
• 2.3 SLM成型過程飛濺行為研究43-50
• 2.3.1 高速攝像試驗條件43-44
• 2.3.2 SLM飛濺形成機理44-45
• 2.3.3 飛濺行為的影響因素45-50
• 2.4 飛濺顆粒及其影響研究50-57
• 2.4.1 飛濺顆粒研究50-53
• 2.4.2 飛濺對SLM成型的影響53-57
• 2.5 氣體循環(huán)凈化系統(tǒng)57-58
• 2.6 本章小結(jié)58-60
• 第三章 SLM成型過程中熱應力及翹曲變形的研究60-79
• 3.1 引言60
• 3.2 SLM殘余應力產(chǎn)生來源分析60-65
• 3.2.1 溫度梯度影響機理60-62
• 3.2.2 微觀組織與殘余應力的關(guān)系62-65
• 3.3 SLM殘余應力分布及演變研究65-71
• 3.3.1 高度方向應力分布研究65-68
• 3.3.2 水平方向應力分布研究68-71
• 3.4 SLM成型過程翹曲變形的研究71-77
• 3.4.1 能量輸入對翹曲變形的影響72-73
• 3.4.2 掃描線長度對翹曲變形的影響73
• 3.4.3 支撐結(jié)構(gòu)對翹曲變形的影響73-76
• 3.4.4 翹曲變形的控制76-77
• 3.5 本章小結(jié)77-79
• 第四章 SLM直接成型結(jié)構(gòu)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數(shù)據(jù)對SLM成型精度的影響79-81
• 4.2.2 成型設備對SLM成型精度的影響81-84
• 4.2.3 激光光斑對SLM成型精度的影響84-85
• 4.2.4 材料收縮對SLM成型精度的影響85-86
• 4.3 試驗方法及設計86-87
• 4.3.1 響應曲面法86-87
• 4.3.2 實驗設計87
• 4.4 結(jié)果及分析87-96
• 4.4.1 方差分析89-92
• 4.4.2 響應曲面分析92-95
• 4.4.3 多目標優(yōu)化95-96
• 4.5 基于尺寸補償?shù)腟LM成型件精度優(yōu)化96-99
• 4.6 本章小結(jié)99-100
• 第五章 基于SLM的結(jié)構(gòu)特征成型分辨率的研究100-122
• 5.1 引言100
• 5.2 結(jié)構(gòu)特征直接成型試驗100-107
• 5.2.1 SLM成型結(jié)構(gòu)特征的制約因素100-103
• 5.2.2 結(jié)構(gòu)特征描述103-104
• 5.2.3 結(jié)構(gòu)特征成型試驗描述104-107
• 5.3 結(jié)果與討論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 圓柱/方柱特征115-117
• 5.3.5 球體特征117-118
• 5.3.6 高縱橫比特征118-120
• 5.4 本章小結(jié)120-122
• 第六章 間隙特征及在SLM直接成型機構(gòu)中的應用122-146
• 6.1 引言122
• 6.2 間隙特征122-127
• 6.2.1 間隙特征的概念122-123
• 6.2.2 間隙特征的分解123-124
• 6.2.3 間隙特征SLM可成形性分析124-127
• 6.3 間隙特征尺寸精度研究127-138
• 6.3.1 間隙特征尺寸誤差127-131
• 6.3.2 間隙特征SLM成型試驗131-134
• 6.3.3 工藝參數(shù)對間隙特征內(nèi)表面粗糙度的影響134-138
• 6.4 運動副優(yōu)化設計138-142
• 6.5 基于直接映射關(guān)系的組裝模型及在免組裝機構(gòu)的應用142-145
• 6.5.1 數(shù)字化組裝模型142-143
• 6.5.2 機構(gòu)設計及SLM成型實例143-145
• 6.6 本章小結(jié)145-146
• 結(jié)論146-149
• 參考文獻149-159
• 攻讀博士學位期間取得的研究成果159-163
• 致謝163-164
• 附件164

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 唐一平,李滌塵,丁玉成;RP/RT集成制造環(huán)境下的模具精度控制探討[J];中國機械工程;2000年10期

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本文編號：645373