选区激光熔化悬垂结构支撑添加研究

选区激光熔化技术(Selective Laser Melting,SLM)是一种增材制造工艺,以粉末床为特征,利用高能激光束分层熔接金属粉末的方式成型三维零件,逐层堆积的工艺特点决定其在制作悬垂结构时需要添加支撑。支撑的添加方法可以分为自动添加和手动添加两种。目前依靠软件自动添加的支撑结构依然存在不足,需要手动配合添加支撑才能保证零件的高效成型。然而手动添加支撑的操作较为繁琐,对操作人员的要求较高,需要开展深入研究,积累工艺经验。本文主要通过对SLM打印悬垂结构过程中出现的变形问题进行分析,总结了手动添加支撑的基本规律,并且通过ANSYS Additive软件分别对手动和自动添加的支撑结构及零件结构成型过程中的变形进行模拟仿真,验证支撑添加规律的正确性。     

基于选区激光熔化温度场数值模拟的支撑结构优化

添加支撑结构在选区激光熔化中必不可少，零件的悬垂特征需要添加支撑结构，起到固定零件和散热的作用，若悬垂特征热量积聚过大，会导致翘曲变形、塌陷、残余热应力等缺陷。研究了支撑结构对选区激光熔化温度场的影响，并设计优化了一种具有良好综合导热性的支撑结构。首先建立选区激光熔化三维有限元模型；然后研究传统支撑结构对温度场的影响；最后基于数值模拟结果对支撑结构进行设计优化，并通过有限元分析和制造实验进行验证。实验结果表明，与传统的支撑结构相比，由新支撑结构支撑的薄板顶部烧结层平均节点温度最低、温差较小，可表现出良好的综合导热性，且薄板翘曲变形程度显著降低。     

基于SLM成形仿真的钛支架支撑优化分析

针对激光选区熔化成形过程翘曲变形和塌陷问题,采用成形仿真的方式分析和优化设计零件的支撑,以保证零件的成形效果,为实际的成形加工提供参考。以钛合金可摘局部义齿支架为例,采用正交试验法设计4组不同的支撑类型,应用有限元仿真软件Simufact Additive成形仿真,分析镂空支撑和导热支撑对钛支架变形的影响;最后,对优化设计的支撑结构进行热处理仿真,分析热处理对变形和应力的影响。研究结果表明,导热支撑有效降低了零件的变形,合理的镂空支撑一定程度上优化了支撑结构,热处理可以有效降低零件的变形和残余应力。基于有限元仿真的方式分析和优化设计支撑结构,提高了打印成功率,对实际加工具有一定的参考价值。     

选区激光熔化快速成型系统及工艺研究

选区激光熔化技术是近几年出现的能直接制造终端、近终端金属产品的快速成型技术.描述了选区激光熔化快速成型设备系统组成,选区激光熔化对激光子系统、扫描子系统及软件子系统的功能要求.经工艺实验,分析了扫描速度、激光功率、扫描间距对成型质量的影响,并通过成型1个三维金属实体,验证了系统的可行性.     

SLM气氛循环系统风场仿真优化及打印试验对比

吹风系统是金属激光选区熔化成形设备中不可或缺的重要部件,吹风系统风场性能是影响打印成形件质量的关键因素之一。基于SolidWorks Flow Simulation对金属激光选区熔化成形设备吹风系统的流道及风场进行模拟仿真,依据仿真结果对吹、吸风流道进行结构优化。经过仿真计算及优化,极大地降低了打印范围内风场风速分布差,并通过试验验证了优化方案的有效性。采用优化后的吹风系统方案成形的试件的致密度相比原有设备成形试件的致密度有了极大的提高。     

基于激光选区熔化的免组装机构直接制造技术

采用数字化设计和组装并直接制造成形、无需实际组装工序的机构,称之为免组装机构。激光选区熔化能够直接制造冶金结合、组织致密、尺寸精度高和良好力学性能的功能零件,是直接制造免组装机构的理想技术。研究了激光选区熔化成形免组装机构的摆放方式、间隙特征的尺寸精度和表面粗糙度、间隙特征结构优化等关键技术。通过自由设计和DiMetal-100系列激光选区熔化成形设备成形了免组装的铜钱算盘和折叠算盘、平面连杆机构(曲柄滑块、曲柄摇杆、摇杆滑块)和万向节等免组装机构。研究证明,激光选区熔化不仅能够顺利成形形状很复杂的零件,也能够直接成形具有相对运动的免组装机构,为机电产品的数字化设计和一体化制造提供了一种可行的方法。     

成分梯度材料零件的激光选区熔化成型

为解决复杂结构金属梯度材料零件制造技术的难题,对成分梯度材料零件的激光选区熔化成型方法展开了研究。通过零件梯度设计法结合多组扫描路径数据文件及一个txt格式文件,实现了成分梯度材料零件增材制造数据的获取;通过双轴摆动的粉末实时混合均布装置实现了梯度成分粉末的实时混合及均布;采用柔性清扫回收原理解决激光选区熔化制造梯度材料零件时同层内不同粉末的清理回收问题。利用自主研发的梯度材料零件激光选区熔化成型系统展开了实验验证。获得了4340+CuSn10梯度材料零件,颜色上呈明显的梯度过渡,对其前侧面及上表面进行EDS分析,发现中间3个梯度区域Fe的平均质量百分比在垂直方向分别为4.94%,36.49%,59.16%,在水平方向分别为12.88%,41%,53.59%,在不同层之间、同一层不同区域之间均呈梯度变化。该方法可实现成分梯度材料零件自由增材制造,为该类零件的制造提供了新的选择。     

基于固有应变法的卫星支架结构SLM变形趋势仿真

选区激光熔化技术为航天器的设计和制造提供了更大的自由度,在成形复杂结构方面具有明显优势。然而,SLM过程中需要添加支撑以保证零件成形,由于金属材料在热力学性能方面与非金属材料有较大差别,成形过程更易变形,因此SLM工艺对材料的热导率、抗变形能力更加敏感。由于缺乏增材制造工艺的标准与规范,现阶段粉末床增材制造仍然沿用传统的“试错”模式,SLM成形带有支撑结构的复杂零件时仍有变形和开裂问题,造成了材料和机器时间的浪费。针对一种拓扑优化结构,在宏观层面上模拟4种不同支撑方案的SLM工艺过程,预测4种方案的应力和变形情况,探索最佳成形方案,最后对比实际打印结果和仿真结果,从而分析仿真模型的精确性和误差来源,为SLM工艺方案的制定提供参考。     

光固化快速成型中零件非水平下表面的支撑设计规则研究

激光固化快速成型制造中,支撑结构设计的优劣极大影响原型的制作精度。首先通过分析非水平下表面的分层制作过程,研究了其翘曲变形的机理。利用可仿真成型过程中层间力学行为的有限元计算模型,对层间悬臂量与翘曲变形量的关系进行了有限元计算仿真与试验验证。针对激光成型过程中零件需要支撑的非水平下表面,从激光固化快速成型制造中支撑结构的作用出发,以成型精度为设计目标,通过有限元计算仿真、试验验证等手段研究提出了针对零件中非水平下表面的支撑结构形式、布局及支撑间距等支撑设计规则。通过试验验证,按该规则对零件的非水平下表面进行支撑结构设计,可有效地保证激光固化快速成型的制作质量。     

激光选区熔化增材制造激光束光路系统优化研究

介绍了金属选区激光熔化成型技术的原理及研究现状,并提出了激光光路系统的优化设计方案,重点对激光器、扩束镜、扫描振镜、调焦装置和聚焦透镜等设备器件进行了原理分析和优化选型,并进行了相应光路系统的研制。对选区激光熔化成型设备的优化设计具有一定的指导意义。     

大型金属构件激光选区熔化成形设备设计

激光选区熔化成形技术发展迅速,用于大尺寸复杂金属构件整体成形的激光选区熔化成形设备的需求增加,其结构形式的选择需要结合大尺寸零件及成形基板的装卸以及激光选区熔化成形技术的工艺特性综合考虑。阐述了一种大型金属构件激光选区熔化成形设备的设计思路,提出了该设备的结构方案,叙述了该设备结构的各功能部件组成及设计要点。     

基于螺杆转子的激光选区熔化数值模拟分析

激光选区熔化工艺可以实现复杂零件的快速成型制造,以空压机的阴阳螺杆转子为研究对象,首先运用UG对阴阳螺杆转子进行了三维模型的建立,其次运用SLM专用仿真软件Simufact Additive对其打印过程进行了模拟;最后得出了其应力应变分布范围与最大应力应变.通过虚拟打印可以防止因残余应力过大导致螺杆转子开裂、支撑不足使...     

激光选区熔化成型可控超轻结构化零件的孔隙生成效果

本文主要研究了孔隙率等参数可控的自动超轻结构化金属零件的增材制造。以方块零件及一个具有复杂外形的零件为研究对象,分析了面向激光选区熔化工艺的可控超轻结构化零件的孔隙生成效果,重点探讨了成型工艺对超轻结构化零件孔隙率的影响。结果显示:通过计算机数值计算,可将方块CAD模型快速自动转化为可控超轻结构化模型,计算孔隙率误差可控制在±2%以内;激光深穿透现象会导致带悬垂面内壁的壁厚增加,所引起的孔隙率误差值为负值,且计算孔隙率越大,负值倾向越严重;而成型工艺性不致密导致的孔隙率误差为正值,且在相同工艺条件下,计算孔隙率越大,该误差值越小。故为使总孔隙率误差能较好地反映超轻结构网格孔隙的控制精度,应提高成型时实体部分的致密性。按45%设定孔隙率成功地将具有复杂结构的零件转化为计算孔隙率为44.62%的超轻结构化模型,采用高致密性激光选区熔化工艺成型后,实测孔隙率为42.94%,无悬垂面的内壁壁厚误差≤0.06mm,达到了较好的超轻结构控制效果。     

选区激光熔化快速成型扫描路径优化算法研究

本文针对选区激光熔化成型过程中所存在的翘曲变形、球化等现象及其成因进行了简要分析,并且结合相关文献,提出了重复扫描和分区扫描相结台的路径生成算法.分区避免了长线扫描,因而可以有效减小翘曲变形,一个层面上重复扫描可以减小层间的内应力,并且可以提高熔化层的表面质量,因而此种扫描路径生成算法可以有效地改善零件的成型质量.     

金属增材制造支撑添加研究与验证

随着增材制造技术的快速发展,伴随其工业应用也越来越广泛.而选区激光熔化是金属3D打印常见的方式之一.具有加工精度高、生产周期短、成本低等特点.但是区别于熔融沉积方式,其在设计加工工艺时需要考虑添加适当的支撑结构,否则易出现悬垂结构的塌陷、变形等.基于此,通过对加工过程中塌陷变形等问题进行系统分析,总结规律,提出支撑添加...     

激光选区熔化设备发展现状与趋势

激光选区熔化技术是金属3D打印中的一项重要技术,近几年得到了快速发展。从激光选区熔化设备厂商及其产品规格、设备结构原理及其发展方向等不同层面介绍了激光选区熔化设备近些年的发展,并结合目前发展现状提出了激光选区熔化技术未来发展趋势。     

基于激光选区熔化的功能零件结构设计优化及制造关键技术研究

为优化现有的门把手功能零件,采用了受力分析及拓扑优化的方法,设计出符合零件内部力场分布特点的功能件,通过激光选区熔化技术(Selective laser melting,SLM)获得打印成型件,并经过尺寸精度、力学性能及质量等方面的测试,获得减重52.5%轻量化效果,力学性能达到传统铸锻件及尺寸精度符合需求的优化设计成品。SLM加工获得的功能件应用于密封舱门,在真空度-30 k Pa、氧含量浓度10 ppm条件下测试,模拟分析变形位移6.9μm。证明基于激光选区熔化技术进行优化设计能使得优化功能零件过程中拥有极高的自由度,故基于激光选熔化技术,采用拓扑与布局优化、结构类型优化等结构优化设计方法,达到减轻产品重量并改善性能等目标的思路是可行的。     

激光选区熔化自由制造异质材料零件技术研究

为解决当前激光选区熔化成型过程难以按需在零件任意位置自由布置不同材料的难题,基于多漏斗供粉+柔性清扫回收粉末原理,对异质材料零件激光选区熔化增材制造技术展开了研究,详细探讨了成型机理、粉尘污染防范机制及异质材料数据处理方法。采用CuSn10、4340两种不同的合金材料进了工艺实验验证。实验表明该方法可以较有效解决激光选区熔化成型过程异质材料布置难题,实现异质材料零件成型：（1）能自由地在不同层间或同层内不同区域按需布置不同的材料;（2）所得块状异质材料零件的铜合金材料区域Fe元素平均质量百分含量可控制在2%以下,钢材料区域Cu元素平均质量百分含量可控制在1%以下;（3）成功成型了一个具有复杂外形及微细材料区域特征的异质材料齿轮零件,零件异质材料区域不受零件复杂外形限制,可自由按需布置材料,0.5mm宽的层内异质材料区域也能被较好地表达出来,尺寸误差不超过±0.1mm。     

激光选区熔化自由制造异质材料零件

为解决当前激光选区熔化成型过程难以按需在零件上自由布置不同材料的难题,基于多漏斗供粉+柔性清扫回收粉末原理,对异质材料零件激光选区熔化增材制造技术展开了研究,详细探讨了成型机理、粉尘污染防范机制及异质材料数据处理方法。采用CuSn10,4340两种不同的合金材料进行了工艺实验验证。实验表明,该方法能自由地在不同层间或同层内不同区域按需布置不同的材料;所得块状异质材料零件的铜合金材料区域Fe元素的平均质量百分含量可控制在2%以下,钢材料区域Cu元素的平均质量百分含量可控制在1%以下;成功成型了一个具有复杂外形及微细材料区域特征的异质材料齿轮零件,零件异质材料区域不受零件复杂外形限制,可自由按需布置材料,0.5mm宽的层内异质材料区域也能被较好地表达出来,尺寸误差不超过±0.1mm。该方法可以有效解决激光选区熔化成型过程中异质材料布置的难题,实现异质材料零件成型。     

基于SLM快速成型方法的注塑模具随形冷却水路关键技术研究

介绍了注塑模随形水路有关理论及其选择性激光熔化(SLM)成型金属零件的扫描加工原理,提出了用三维CAD软件结合CAE软件设计注塑模具随形水路的简要操作过程,分析了SLM工艺加工含有随形水路的金属模具的优势,研究了SLM工艺激光扫描路径导致金属零件的翘曲变形,提出了抑制翘曲变形及增加金属零件致密度的优化激光扫描路径。