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《大连理工大学》 2006年 博士论文
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非均质材料零件沉积成形技术研究

江连会  
【摘要】:随着航空航天技术、生物工程技术、信息技术、微电子技术等尖端技术的迅猛发展,对材料和零件的功能要求也愈来愈高,由单一或均质材料构成的零件已常常难以满足产品对零件的性能要求,而应按零件的最佳使用功能来设计制造零件,以满足零件梯度功能和智能等方面的要求。展望21世纪,具有非均质组织结构与细微机械结构、实现材料组织结构与零件功能和性能的最佳组合的零件,将是科学技术发展的必然需求。 由于非均质材料零件的大量需求,非均质材料零件的设计制造成为制造业研究的热点。快速成形技术采用增材制造原理,不需要工具或模具,而能迅速制造出由一种或多种材料构成的、任意复杂形状又具有一定功能的三维实体模型或零件,因此成为非均质材料零件制造的一种重要方法。熔融沉积制造技术是典型的快速成形技术之一,开发熔融沉积制造技术制造非均质材料零件的潜力将具有重大意义。 通过改变填充密度与方向角可以得到不同力学性能的零件。借鉴复合材料力学分析方法,从宏观力学和细观力学两个层面来分析零件的力学性能。宏观力学是从假定材料是均质的和只从材料的平均表观性能来研究材料的性能;细观力学是从细观角度检验材料组分之间的相互影响来研究材料的性能。应用层合理论建立了零件的宏观力学模型。根据ABS丝一层构成的特点,引入均匀化理论对一层的结构进行分析,建立了细观力学模型。 对各种喷射技术进行了比较,选用了连续喷射方式的螺旋挤压式作为成形系统的喷射方式。在分析ABS丝各部分构成作用的基础上,从粘性和弹性两个方面研究了熔融态ABS丝从喷头挤出过程中的流变性能。 建立了非均质材料零件的CAD模型。提出了两种支撑自动生成算法。采用基于实体模型的直接分层技术和自适应分层技术进行分层处理。通过非均匀填充实现了非均质零件的制造,阐述了不同填充方式以及路径规划对填充效率、填充精度等的影响。建立了适于非均质材料零件的CLI模型。 根据非均质材料零件沉积制造的功能要求,设计制造了X-Y轴联动,Z轴上下运动的机电一体化系统。构建了由工业控制计算机和开放性良好的PMAC多轴运动控制器组成的双CPU控制系统,采用稳定性好的半闭环控制方式,同时该系统具有良好的电磁兼容性。提出了具有良好动态特性的复合PID与串级控制相结合的控制策略。调节并设定了系统的控制参数。应用激光干涉仪对系统进行了标定,通过间隙补偿和丝杠补偿提高了系统的定位精度。


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