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基于选区激光熔化的悬臂结构成形工艺研究

张忠明  
【摘要】:选区激光熔化技术(Selective Laser Melting/SLM)可以用金属粉末成形金属零部件,并且其零部件是致密度可以接近100%的几乎不需要后续机加工的最终产品,所以被誉为增材制造(Addictive Manufacturing)中最具发展潜力的技术之一。由于在SLM加工过程中容易导致翘曲变形、挂渣、塌陷等缺陷,悬臂结构的成形一直都是选择性激光熔化技术领域面临的瓶颈问题,本文主要针对悬臂结构成形,研究了支撑结构的种类和支撑添加方法,对于结构复杂后期支撑难以去除的情况,则详细介绍了通过工艺优化的方法成形悬臂结构。论文主要内容和得到的结论如下:从选择性激光熔化的成形机理出发,分析了加工过程中的能量传递,结果表明粉末对激光能量的吸收只和激光波长、粉末种类有关,并且熔池润湿性和成形过程中的热量分布对零件变形有很大影响。通过激光的高斯能量分布理论推导得到了激光熔化深度和各个激光工艺参数之间的关系,其中激光能量密度的选取对激光熔化深度影响很大。研究了常见悬臂结构的种类和支撑添加的方法,对于不同情况的悬臂结构可以灵活选取支撑结构种类并对支撑密度和接触齿形进行参数设置,并分析了可成形悬臂结构的临界倾角的计算方法。通过设计实验,分别分析激光功率、扫描方向对样件的加工形貌、球化效应的影响,发现首层工艺参数的选取对悬臂结构的成形具有很大影响,随着层数增加,对零件尺寸精度的影响也越来越小,而且扫描方式的选取对悬臂结构的成功成形也有很大意义。提出了可以使用变层工艺法加工无支撑悬臂结构,发现其在保证Z向尺寸精度的同时可以提高成形件致密度。最后根据研究成果,成功成形具有悬臂结构的可控多孔点阵结构,经过测量和实验,该种加工方法和传统固定参数加工悬臂结构相比,在Z向尺寸误差和致密度方面都有很大提高。


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