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个性化精密金属零件选区激光熔化直接成型设计优化及工艺研究

作　者: 卢建斌
导　师: 杨永强
学　校: 华南理工大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 选区激光熔化个性化精密金属零件直接制造设计优化工艺优化
分类号: TN249
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

选区激光熔化成型(Selective Laser Melting,SLM)技术是当前主要的可以直接成型金属零件的快速成型(Rapid Prototyping,RP)技术之一。SLM可以获得冶金结合、致密组织、高尺寸精度和良好力学性能的零件,在个性化精密金属零件的直接快速制造方面具有明显的优势。目前,对SLM的研究主要集中于新材料开发和设备开发,对实际应用中存在的成型缺陷及面向个性化结构的设计方法未有深入研究。针对目前的研究现状,本文对SLM个性化精密金属零件的设计及成型进行优化研究,主要内容及成果如下:(1)通过对刚性铺粉装置与柔性铺粉装置的铺粉效果与优缺点进行分析对比,证明了柔性铺粉装置适合于个性化精密金属零件的直接制造。并且提出一种“U型”柔性铺粉装置设计,可以进一步提高铺粉质量和粉层密度。(2)以个性化舌侧正畸托槽为例,总结了SLM个性化精密金属零件存在的缺陷,并分析了缺陷的主要原因,提出了个性化精密金属的设计与工艺优化路线。(3)在设计改进方面,以个性化托槽为例,提出了个性化零件的组装式设计方法;并分析了SLM存在悬垂面成型极限的原因,并提出了自支撑悬垂结构的设计方法。(4)在工艺优化方面,建立了悬垂面曲面模型,研究了激光能量对悬垂面成型效果的影响,总结出层厚25μm下激光能量P/v=0.15-0.2 J/mm使悬垂面成型效果达到最优,能够直接成型致密悬垂面的极限倾斜角度达到30°;提出倾斜摆放成型和非线性曲面支撑的添加方法;提出以不同光斑补偿量混合正交扫描和轮廓扫描两种扫描模式的复合扫描成型策略,并成型出槽沟宽度的尺寸误差小于30μm的个性化托槽;最后,研究了激光表面重熔的应用,得到致密度达到99.36%、力学性能高于铸造件的SLM成型件。(5)介绍了两个分别用于验证设计优化和工艺优化的实例。设计了一个免组装机构,采用倾斜摆放的成型方式,并根据工艺研究结果优化间隙结构的设计,以圆弧过渡代替传统的均匀间隙。最后,选用一副个性化托槽进行成型并进行测试。测量结果证明SLM个性化托槽精度达到要求,表面光滑致密无微孔,槽孔力学性能符合要求。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
第一章绪论  11-25
  1.1 课题研究目的与意义  11-12
    1.1.1 研究目的  11-12
    1.1.2 研究意义  12
  1.2 个性化精密金属零件制造现状  12-17
    1.2.1 个性化正畸托槽简介  12-15
    1.2.2 个性化金属零件的精密制造方法  15-16
    1.2.3 快速成形在个性化金属零件制造中的应用  16-17
  1.3 SLM 制造进展及优势  17-22
    1.3.1 SLM 原理  17-19
    1.3.2 SLM 研究现状  19-22
      1.3.2.1 国外研究进展  19-20
      1.3.2.2 国内的研究现状  20-21
      1.3.2.3 SLM 用金属生物材料的研究  21-22
    1.3.3 SLM 制造个性化零件的优势  22
  1.4 本课题研究内容  22-25
第二章选区激光熔化实验方案  25-40
  2.1 实验设备  25-31
    2.1.1 SLM 系统  25-26
    2.1.2 铺粉机构  26-31
      2.1.2.1 Dimetal-280 铺粉装置  26-28
      2.1.2.2 铺粉装置选择  28-29
      2.1.2.3 柔性铺粉装置改进方案  29-31
    2.1.3 测试设备  31
  2.2 实验材料  31-33
    2.2.1 材料选择  31-32
    2.2.2 粉末成型性能  32-33
  2.3 研究方法  33-39
    2.3.1 研究重点  33-38
      2.3.1.1 SLM 个性化托槽成型缺陷分析  33-35
      2.3.1.2 缺陷原因分析  35-38
    2.3.2 研究方案  38-39
  2.4 本章小结  39-40
第三章个性化零件设计与优化  40-55
  3.1 个性化零件设计  40-48
    3.1.1 个性化几何形状零件设计框架的建立  40-41
    3.1.2 个性化三维模型的反求重建  41-44
    3.1.3 个性化零件CAD  44-48
      3.1.3.1 个性化托槽的设计原则  44-45
      3.1.3.2 个性化托槽的一般设计方法  45-48
  3.2 个性化零件的设计优化  48-54
    3.2.1 个性化托槽的组装式设计方法的研究  48-51
    3.2.2 SLM 自支撑悬垂结构的设计  51-54
      3.2.2.1 悬垂结构的缺陷与成型极限  51-53
      3.2.2.2 自支撑悬垂结构的设计  53-54
  3.3 本章小结  54-55
第四章个性化零件成型工艺研究  55-72
  4.1 非水平悬垂面成型工艺优化  55-58
    4.1.1 非水平悬垂面成型工艺影响因素  55
    4.1.2 非水平悬垂面实验模型设计  55-56
    4.1.3 实验结果分析  56-58
  4.2 个性化零件模型摆放与支撑添加  58-61
    4.2.1 模型摆放  58-59
    4.2.2 支撑线设计  59-60
    4.2.3 支撑齿形设计  60-61
  4.3 尺寸精度优化  61-65
    4.3.1 精细零件尺寸精度影响因素分析  61-62
    4.3.2 复合扫描策略  62-63
    4.3.3 尺寸精度优化效果  63-65
  4.4 致密度优化与力学性能  65-70
    4.4.1 激光表面重熔  65-67
    4.4.2 激光表面重熔致密度与力学性能  67-69
    4.4.3 激光表面重熔对悬垂面成型的影响  69-70
  4.5 本章小结  70-72
第五章个性化零件成型实例  72-83
  5.1 免组装机构设计优化  72-76
    5.1.1 免组装机构模型设计  72-74
      5.1.1.1 免组装机构的定义  72-73
      5.1.1.2 模型设计  73-74
    5.1.2 模型摆放与间隙优化  74-76
    5.1.3 成型效果  76
  5.2 个性化舌侧托槽工艺优化  76-82
    5.2.1 优化工艺  76-77
    5.2.2 成型精度  77-79
    5.2.3 表面质量  79-80
    5.2.4 性能测试  80-82
  5.3 本章小结  82-83
结论  83-85
参考文献  85-90
攻读硕士学位期间取得的研究成果  90-91
致谢  91-92
答辩委员会对论文的评定意见  92

个性化精密金属零件选区激光熔化直接成型设计优化及工艺研究

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