基于温度分区的激光沉积成形扫描路径生成方法

现有金属激光沉积成形工件是根据几何模型按照设定扫描路径层层叠加而成,不可避免造成局部热量累积,导致成形工件内部温度梯度大,产生局部应力集中,易引起工件变形开裂。对成形过程温度进行实时检测并实现动态扫描路径规划是解决工件变形开裂的根本途径。在研究不同基体温度对熔宽、熔高影响规律基础上,提出基于层面温度分区的激光沉积成形扫描路径生成方法。采用红外热像仪对沉积层面温度进行实时采集,提取不同温度分区轮廓;提出温度分区轮廓规则化方法,消除局部轮廓尖角,避免过熔覆;改进Weiler-Atherton算法,快速实现分层轮廓与温度分区轮廓的求交运算;针对不同温度分区采用适应性间距生成扫描路径,实现激光沉积成形动态扫描路径规划。试验结果表明：该扫描路径可有效提高成形工件质量。     

选择性激光烧结方法加工仿生支架的工艺研究

在利用选择性激光烧结技术加工仿生支架过程中,加工参数(包括激光功率、扫描速度、扫描间距)是影响成形质量的重要因素,通过调整加工参数可以使成形零件内部保持一定的孔隙,从而产生支架内部微孔结构。正交试验方法可以科学地安排和分析多种因素的影响,从而优化加工参数,最终获得具有较高孔隙率的仿生支架。     

选择性激光烧结方法加工仿生支架的工艺研究

在利用选择性激光烧结技术加工仿生支架过程中，加工参数（包括激光功率、扫描速度、扫描间距）是影响成形质量的重要因素，通过调整加工参数可以使成形零件内部保持一定的孔隙，从而产生支架内部微孔结构。正交试验方法可以科学地安排和分析多种因素的影响，从而优化加工参数，最终获得具有较高孔隙率的仿生支架。     

快速成形自适应扫描路径的研究与实现

结合激光金属沉积成形工艺和现有平行扫描路径生成方法分析了局部过熔覆或欠熔覆问题的根本成因.提出了一种自适应扫描路径生成方法,首先采用特征点和特征边识别的适应性扫描间距生成扫描填充线;然后提出基于待定过渡线中点和特征边位置关系判断来优化连接填充矢量生成扫描路径.应用表明,自适应扫描路径有利于成形质量的提高.     

选区激光熔化成形工艺对多孔TC4钛合金显微组织的影响

采用Rhino软件构建了泰森多边形不规则多孔结构,利用选区激光熔化(SLM)技术成形多孔TC4钛合金,研究了激光功率(180, 200, 220 W)、扫描速度(1 200, 1 600, 2 000 mm·s^-1)、扫描间距(80, 100, 120μm)对其显微组织的影响。结果表明：随着激光功率的增大、扫描速度的减小或扫描间距的增大,SLM成形多孔TC4钛合金实体部分的微观孔洞缺陷数量和尺寸减小,相对密度提高,扫描速度是影响缺陷生成的主要原因;在激光功率220 W、扫描速度1 200 mm·s^-1、扫描间距120μm条件下钛合金具有最少的微观孔洞缺陷,其相对密度可达99.2%。靠近多孔结构孔隙部分的截面存在等轴晶和平行于基板表面的柱状晶,而远离孔隙部分的组织主要由β柱状晶组成,柱状晶内部为与其长轴成±45°且平行排列的初生针状马氏体;随着激光功率的减小、扫描速度的增大或扫描间距的减小,柱状晶的宽度和初生马氏体的长度均减小,扫描间距对显微组织的影响更大。     

多金属3D打印的SLM设备工艺参数库试验研究

针对特定的金属3D打印机,加工不同金属均需反复实验,因此建立成形工艺参数数据库十分必要。以某国产金属打印设备为研究对象,以加工Al Si10Mg合金的工艺方法为例,采用正交试验方法和微观组织分析法验证其选择最佳工艺参数组合的正确性,最终通过多种金属的加工得到该设备的激光功率、扫描间距、扫描速度对打印不同金属的致密度、抗拉强度以及断后伸长率的影响的规律。结果显示选择激光功率时要充分考虑金属的熔点、易氧化、反光率等特性,扫描间距对成形不同金属的力学性能影响敏感度最大,为建立更多金属成形工艺数据库提供了参考。     

马氏体时效钢激光选区熔化成形过程介观尺度数值模拟

激光选区熔化(Selective laser melting, SLM)成形过程涉及多种发生于介观尺度下的物理现象,采用试验方法难以揭示物理现象复杂的形成规律。以18Ni-300马氏体时效钢为SLM成形材料,采用离散元法与有限体积法建立了SLM成形介观尺度热流耦合数值模型,并结合熔道成形试验验证模型的正确性。结合数值模拟揭示激光功率从60 W增加至270 W时单道SLM成形熔道形貌、熔池尺寸与温度、传热机制等熔池行为的基本特征;研究在0.2 J/mm、0.3 J/mm和0.45 J/mm线能量密度下不同激光功率和扫描速度组合对熔道形貌、熔池尺寸与传热机制的影响规律;结合熔道搭接理论模型计算激光功率180 W和扫描速度600 mm/s组合下无搭接缺陷的扫描间距理论临界条件约为83μm,并研究80μm、100μm和120μm扫描间距下多道多层SLM成形熔道搭接行为和演变规律。该模型可用于筛选工艺参数区间,提高工艺优化效率,为单层/多层成形的工艺试验提供指导。     

激光金属沉积成形的扫描方式

扫描方式是激光金属沉积成形(Laser metal deposition shaping,LMDS)制造过程中的关键技术,在分析现有扫描方式及其对成形质量和成形效率影响的基础上,指出现有扫描方式的缺陷,并提出一种基于层面轮廓优化单调区分解的分区平行扫描方式。该方式基于极值顶点可见性原理,对分层后的断面轮廓进行去除内环、非单调多边形的单调剖分等处理,可最大限度地减少分区数量,获得若干个单调子区域。针对各单调子区域采用适应性变间距平行路径填充,可减小扫描线的长度,并保证均匀致密性填充。试验表明这种扫描方式能够提高成形效率和成形质量。     

激光能量密度对SLM成形316L不锈钢表面完整性的影响

采用激光选区熔化(Selective Laser Melting, SLM)技术成形制备316L不锈钢试样,探索了不同激光能量密度对金属增材制造成形质量的影响规律。选取激光功率、扫描间距、扫描速度和铺粉厚度等工艺参数,设计了正交试验,分析了激光能量密度对试件侧表面的表面粗糙度、维氏硬度、致密度、残余应力及表面形貌的影响规律。结果表明,随着激光能量密度的增大,试件侧表面的表面粗糙度与维氏硬度呈现先减小后增大的趋势,致密度和残余应力呈现先增大后减小的趋势,在激光能量密度为70.37 J/mm³时试件表面质量最佳,即最优工艺参数为激光功率P=190 W,扫描速度v=750 mm/s,铺粉厚度h=0.03 mm,扫描间距d=0.12 mm。     

基于金属粉末激光烧结技术的研究进展

随着快速成形(RP)技术的进步,使用直接金属激光烧结(DMLS)技术加工金属粉末得到广泛关注。针对DMLS技术快速制造的特点,研究讨论了表面张力、粉末颗粒大小及分布、辅助材料的添加等粉末特征以及激光功率、扫描速度、扫描间距、铺粉厚度、扫描策略等工艺参数对烧结质量的影响,并对DMLS技术的发展方向作了简要分析。     

选择性激光烧结技术在汽车门饰板制造中应用的试验验证

对选择性激光烧结技术在汽车门饰板制造中的应用进行了研究,分析了由选择性激光烧结技术成形的尼龙高分子材料零件的力学性能,以及不同成形方向对零件力学性能的影响,并通过汽车车门耐久试验进行验证。通过调整选择性激光烧结的成形方向,可以优化零件的力学性能。通过汽车车门耐久试验,验证应用选择性激光烧结技术可以快速制造出满足试验要求的汽车门饰板。通过试验验证,确认选择性激光烧结技术在汽车研发领域具有较高的应用价值。     

Research on the forming process of three-dimensional metal parts fabricated by laser direct metal forming

To improve the forming quality of parts fabricated by laser direct metal forming (LDMF), the forming process of three-dimensional parts under open-loop LDMF system was studied in this paper. The influencing rule of scanning space on the forming quality was studied, and the optimal scanning space was derived. The software of control system about scanning style is also optimized, and thus, the forming quality of parts is improved. During fabricating three-dimensional parts, uneven heat distribution caused by multi-overlapping is one of the main factors affecting the sidewall forming quality. To solve the uneven heat distribution, the strategy of changing scanning speed was put forward. The influence of the standoff distance on the height of single-trace cladding layer was studied, and it was suggested that uneven surface of parts was caused by instability of process parameters, which could be compensated automatically in the condition of suitable standoff distance in the process of LDMF. Thus a so-called self-regulation effect is reached. Typical multi-overlapped parts with good forming quality are fabricated using the above-mentioned methods.     

单点增量成形制件整体精度研究

以典型圆锥台作为研究对象,由材料的变形机理出发,解析制件整体精度的机理和主要影响因素。采用Box-Behnken 设计(BBD)试验方法,对主要影响因素中的工具头直径、层间距、板厚、成形角设计四因素三水平曲面响应试验,建立两个方向上几何误差的二阶响应模型,得到工艺参数对制件在水平方向和垂直方向上精度的单一及交互影响规律。最后,利用响应模型对两个方向几何误差进行同步最小优化,得到制件整体精度最优时的工艺参数组合：工具头直径6 mm、层间距0.5 mm、板厚1 mm、成形角45 °,此时两个方向的几何误差分别为1.914 6 mm和-0.157 mm,实现了制件整体精度的工艺优化和稳健控制。     

基于神经网络的激光熔覆高度预测

激光成形过程中,对熔覆高度进行实时检测,从而实现熔覆高度闭环控制是成形高质量零件的保证.激光成形过程是一个多参数耦合的非线性过程,大量激光参数对成形熔覆表面质量具有重要影响.在分析激光参数对熔覆高度影响的基础上,建立利用激光工艺参数预测熔覆高度的误差反向传播(Back propagation,BP)神经网络模型,完成了网络算法设计.通过激光成形试验采集样本,利用训练样本对所建立的网络进行训练,完成网络输入输出高度映射关系,并利用测试样本对所训练的网络进行检验.仿真试验表明,神经网络熔覆高度预测模型具有很高的精度,验证了该预测模型在理论和实践上的可行性与有效性.神经网络熔覆高度预测模型为实现激光加工过程熔覆高度实时预测与闭环控制打下基础,对提高成形产品质量具有重要意义.     

Effect of heating paths on strain distribution of plate in laser forming

In laser forming, a desired shape for a metal plate can be obtained by controlling a laser scan path and process parameters. The distance planned between parallel scan paths is larger in current laser path planning in order to avoid interference between them, and thus a continuous strain field cannot be formed. In addition, crossed heating lines are also adopted for forming complicated parts. The effects of the parallel and crossed scanning paths on the deformation field were investigated in this paper. The results show that for parallel heating lines, plastic strain fields produced by adjacent scans do not affect each other when the path spacing is greater than the laser spot diameter, but the plastic strain fields produced by the adjacent scans affect each other when the paths spacing is less than the laser spot diameter. A desirable continuous plastic strain field can be achieved by choosing appropriate path spacing and process parameters. For the crossed heating lines, the plastic strain field is different when adopting vertical and diagonal crossings. The influence between the different heating lines must be considered for high-precision laser forming.     

基于双模式超声换能器的选择性激光熔化316L制件弹性常数无损表征研究

选择性激光熔化技术(SLM)可以快速成型任意结构的金属零件,但其制件的内部组织和材料性能与传统制件有着显著区别。基于双模式超声换能器对SLM 316L不锈钢制件的不同方向弹性常数及其分布进行表征研究。首先通过设计并制备高性能双模式超声换能器,搭建超声弹性常数分布测量系统。对SLM制备的316L不锈钢试样依次进行纵波和两个正交横波声速测量,获得同位置处不同方向弹性模量和泊松比。通过不同成型方向的声速测量,发现SLM制件在堆积z方向熔化层内呈现显著区别,表现出明显的各向异性。而y-z平面内弹性常数分布表征表明,杨氏模量E_(13)大于E_(12),泊松比σ_(13)小于σ_(12),且制件各熔化层弹性常数分布规律相似。此外,还讨论了加工过程中扫描速度和扫描间距等工艺参数对弹性参数的影响。选择性激光熔化制件弹性常数的有效无损表征将为增材制件内部质量控制和工艺改善提供技术基础。     

碳化硅零件的激光选区烧结及反应烧结工艺

为了获得高密度、高性能、复杂结构的碳化硅陶瓷件,提出采用机械混合法制备含有黏结剂和乌洛托品固化剂的碳化硅复合粉体,对复合粉体进行激光选区烧结（SLS）形成陶瓷素坯,并对素坯进行气氛烧结和渗硅处理,使其与基体发生反应烧结,最终形成复杂陶瓷异形件。实验证明：若激光功率为8.0 W、扫描速率为2 000 mm/s、扫描间距为0.1 mm、单层厚度为0.15 mm,获得的 SLS 陶瓷样品密度和强度最好。对SLS试样进行合理的中温碳化和高温渗硅,所得碳化硅陶瓷烧结体的抗弯强度最高可达 81 MPa,相对密度大于86%。     

3DP工艺中STL模型中心排样策略研究

针对3DP工艺中零件排样问题,由于不同零件成型方向所产生的阶梯误差存在差异,因此排样过程零件旋转受到限制。同时为了避免零件间受到粘结剂渗透影响,它们之间需预留间隙。基于粉床中心位置零件的成型质量要优于四周,提出了一种基于投影算法的STL模型中心排样策略。该方法将三维排样问题转化为二维不规则排样,以排样环作为零件的移动路径,排样点作为模型移动的参考位置,并以二维平面上的圆形空间评价排样结果,从而实现了多个零件中心排样。以两类典型的STL模型进行了三组算例的中心排样实验,结果表明：该中心排样策略对不同类型的零件均取得了较好的排样效果。