【摘要】：隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展,零部件的設(shè)計方法也開始發(fā)生變化。受益于增材制造逐層累加的成型方式,零部件的設(shè)計自由度得到了極大的解放。傳統(tǒng)制造工藝的設(shè)計約束不再是設(shè)計過程中首要考慮的因素,如何通過設(shè)計提升零部件性能正變得越來越重要,尤其是輕量化設(shè)計方面。傳統(tǒng)的零部件設(shè)計方法已然不適用,急需面向增材制造的設(shè)計理念和設(shè)計方法。但實際上,增材制造并非可以完全無視工藝的約束進行絕對意義上的自由設(shè)計。如何將輕量化設(shè)計與增材制造有機結(jié)合,發(fā)揮兩者各自的優(yōu)勢,是增材制造在實際應(yīng)用中面臨的重要課題。本課題圍繞激光選區(qū)熔化(Selective Laser Melting,SLM)成型輕量化復(fù)雜構(gòu)件的增材制造設(shè)計展開更為系統(tǒng)的研究,主要包括以下幾部分內(nèi)容:1)歸納了SLM技術(shù)的成型幾何約束,提出了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計準則,并提出了一種改善拓撲優(yōu)化設(shè)計零件使其適用于SLM工藝的設(shè)計方法,以獲得具有理想成型精度及使用性能的零件。通過艙外天線支架及密封閉鎖裝置兩個案例的研究結(jié)果表明,基于SLM的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)是行之有效的,該方法同樣也可用于其他零部件的優(yōu)化設(shè)計。2)提出了一種基于性能的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計方法。針對三種特定壓縮載荷條件,通過拓撲優(yōu)化設(shè)計獲得三種不同構(gòu)型的輕量化網(wǎng)格結(jié)構(gòu)單元體(FCC,VC和ECC),并應(yīng)用SLM技術(shù)將其加工成型并評估其力學(xué)性能。SLM成型的316L不銹鋼拓撲優(yōu)化網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在力學(xué)性能方面與常見的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)相比更為優(yōu)越,驗證了通過拓撲優(yōu)化技術(shù)進行網(wǎng)格結(jié)構(gòu)單元體選型的可行性,從而為網(wǎng)格結(jié)構(gòu)單元體的選型問題提供一種解決方案。3)基于拓撲優(yōu)化網(wǎng)格結(jié)構(gòu)單元體FCC進行了尺寸效應(yīng)的探索,推導(dǎo)了四種不同單元體尺寸的FCC網(wǎng)格結(jié)構(gòu)點陣的“楊氏模量-單元體尺寸-孔隙率”數(shù)學(xué)模型。針對數(shù)學(xué)模型難以解釋尺寸效應(yīng)對網(wǎng)格結(jié)構(gòu)承載能力影響的不足,提出了自由結(jié)點效應(yīng)理論:網(wǎng)格點陣的性能會受到網(wǎng)格點陣外部邊界處自由結(jié)點單元數(shù)量在整體結(jié)點單元數(shù)量中占比的影響。結(jié)果表明,引入自由結(jié)點效應(yīng)修正后的“楊氏模量-單元體尺寸-孔隙率”的數(shù)學(xué)模型,其理論推導(dǎo)模型數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)更加吻合。該模型可用于預(yù)測結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能,從而在設(shè)計階段更精準地進行相關(guān)參數(shù)的設(shè)定。4)通過研究激光延時對SLM制造精細結(jié)構(gòu)成型性能的影響因素,提出了激光延時參數(shù)的作用機制。探討激光延時對精細結(jié)構(gòu)的致密度、硬度和力學(xué)性能等的影響規(guī)律,通過建立SLM成型過程中熔道搭接的數(shù)學(xué)模型,搭接率與激光延時的關(guān)系曲線,熔道間距、掃描線間距和激光光斑半徑的數(shù)學(xué)模型等,獲得了SLM成型精密網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的優(yōu)化激光延時參數(shù)。當激光延時處于350μs~450μs區(qū)間時,可獲得較好的搭接效果、致密度、硬度和承載性能。5)針對單一網(wǎng)格結(jié)構(gòu)單元體難以滿足多孔植入物應(yīng)力梯度分布的問題,提出了基于應(yīng)力分布優(yōu)化的多孔植入物設(shè)計方案。通過對多孔植入物內(nèi)部的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)進行形狀優(yōu)化,獲得了基于應(yīng)力分布優(yōu)化的局部網(wǎng)格結(jié)構(gòu),改善了單一網(wǎng)格結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計的效果,進而獲得基于應(yīng)力分布的多孔植入物。以椎間融合器為案例驗證了該設(shè)計方案的可行性。
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TH16
【圖文】：

有中軸支柱的八面體桁架結(jié)構(gòu)具有較好的了基于激光選區(qū)熔化技術(shù)的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)設(shè)激光選區(qū)熔化技術(shù)用于加工網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的質(zhì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制造提供理論依據(jù)。主要原理是通過對自然骨的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)的三維數(shù)據(jù)模型后，直接對三維模型種延伸[26]。這種方式設(shè)計的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)保留的數(shù)據(jù)非常龐大，對計算機的處理性能有基于人類松質(zhì)骨的 CT 影像數(shù)據(jù)，使用激骨結(jié)構(gòu)的多孔 Ti 植入物（圖 1-1）并測量，對應(yīng)的抗壓強度大約為 35 ~ 120MPa。和性顯著高于未處理的植入物。

圖 1-2 SLM 設(shè)備原理圖Figure 1-2. Schematic diagram of the selective laser melting devic術(shù)，SLM 技術(shù)可以直接獲得空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜且完全冶金結(jié)，基本達到了傳統(tǒng)的鑄造件水平。目前國內(nèi)研究 SLM大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、華中科技大學(xué)等。華南理工出激光選區(qū)熔化設(shè)備的科研團隊，其提出的基于正向數(shù)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計方法，免組裝、多零件控形控性直接制造增材制造設(shè)計方法與制造工藝，在個性化醫(yī)療器械、模到了應(yīng)用[69]。南京航空航天大學(xué)顧冬冬團隊主要研究高基、Al 基、Fe 基金屬構(gòu)件激光選區(qū)熔化控形控性精密凈研究[70]。華中科技大學(xué)團隊主要研究激光選區(qū)熔化成型因為 SLM 采用激光作為能量源，其聚焦后的高能量密[72]

圖 1-3 具有網(wǎng)格孔洞的鉻鎳鐵合金 625 過濾器Figure 1-3. 3D filter fabricated with porous structures, Inconel 625er D A[74]等使用激光選區(qū)熔化技術(shù)成型了 Ti6Al4V 多孔植入物標稱孔徑為 500μm、700μm 和 1000μm，但成型后的真實孔徑。在多孔 Ti6Al4V 試樣上培養(yǎng)人體成骨細胞，經(jīng)過 14 天培養(yǎng)骨細胞沿著孔的邊緣生長病形成圓形結(jié)構(gòu)，SLM 成型 Ti6Al4V物材料領(lǐng)域有望得到應(yīng)用。

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前9條

1 楊永強;劉洋;楊雄文;王迪;肖澤鋒;;基于激光選區(qū)熔化的免組裝機構(gòu)直接制造技術(shù)[J];機械工程學(xué)報;2014年21期

2 郭超;林峰;葛文君;;電子束選區(qū)熔化成形316L不銹鋼的工藝研究[J];機械工程學(xué)報;2014年21期

3 楊永強;劉洋;宋長輝;;金屬零件3D打印技術(shù)現(xiàn)狀及研究進展[J];機電工程技術(shù);2013年04期

4 羅子藝;楊永強;王迪;蘇旭彬;;選區(qū)激光熔化直接制造網(wǎng)格結(jié)構(gòu)零件[J];應(yīng)用激光;2010年04期

5 吳偉輝;楊永強;王迪;;選區(qū)激光熔化成型過程的球化現(xiàn)象[J];華南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2010年05期

6 黃可;何思淵;何德坪;;梯度孔徑多孔鋁合金的壓縮及吸能性能[J];機械工程材料;2010年01期

7 嚴寧;侯鐵勝;;材料孔隙結(jié)構(gòu)對骨長入的影響[J];中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報;2008年04期

8 王雷;欽蘭云;佟明;項坤;;快速成型制造臺階效應(yīng)及誤差評價方法[J];沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報;2008年03期

9 夏露,鮮蘇琴,王培志,梁星,楊曉喻,張其翼;多孔海綿狀純鈦種植材料對成骨細胞生長的影響[J];口腔頜面修復(fù)學(xué)雜志;2005年03期

本文編號：2781884