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基于扫描线的增材制造表面形状偏差形成机理研究

批准号:
52005021
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
24.0 万元
负责人:
黄志成
依托单位:
学科分类:
成形制造
结题年份:
2023
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
黄志成

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
增材制造(AM)通过一定方式沿着既定扫描线形成每一层的实体,以逐层打印的方式得到零件。但其生产过程中材料具有一定流动性,喷射速度、打印温度、构型方向等众多工艺因素都会影响实际扫描线赋型实体,造成的偏差沿构造方向逐层叠加,最终造成零件的表面形状偏差。直接分析几何偏差成因对AM零件整体的影响无法从机理角度准确地展开研究。因此,本项目将从AM零件表面形状偏差形成机理的角度出发,利用AM零件成型特点,分析和研究在给定工艺参数条件下的扫描线赋型规律;构建扫描线中的“轮廓线”、“填充线”与零件“已完成表面”、“过渡表面”的几何及其偏差坐标系的映射关系;在考虑增材制造中“误差复映”现象的情况下,实现表面几何偏差叠加计算方法。该研究将解决通过工艺参数对增材制造表面几何偏差难以预估的问题,为AM零件制造过程中的质量保证和设计过程中提供面向制造的评估反馈提供使能技术,为进一步推动增材制造技术发展做出贡献。
英文摘要
Additive Manufacturing forms each layer along a given scanning toolpath, producing parts by layer-upon-layer method. Since the material in additive manufacturing has fluidity, factors such as jet speed, printing temperature, printing orientation will affect the actual scanning line and its forming entity, making the deviation increasing along the printing orientation and resulting in the surface shape deviation. Direct analysis of the geometrical deviation influence on the additive manufacturing parts could not be accurately carried out from the perspective of mechanism. Therefore, this project proposes to analyze the influence of different factors on the surface shape deviation of additive manufacturing part from the perspective of scanning toolpath. A process based method of surface geometric deviation description is proposed, in which the mapping relation between "contour line", "filling line" and geometrical deviation coordinate system of "finished surface", "transition surface" is constructed. Then, considering the "error remapping" phenomenon in additive manufacturing, a superposition method to analyze surface geometrical deviation is proposed to study the formation mechanism of surface shape deviation of additive manufacturing part. This study could be used for providing tools for quality insurance and quality assessment. Consequently, enable the DFM for additive manufacturing and contribute to the application and development of additive manufacturing.
增材制造通过沿扫描线赋型逐层累积制造零件,是一种具有高造型自由度的零件制造工艺。由于工艺过程涉及复杂的物理状态变化,最终得到零件的表面几何偏差难以预估和控制,是目前增材制造技术发展的主要瓶颈问题之一。目前国内外已有大量针对增材制造零件表面几何偏差的研究,但大多难以准确地进行零件表面几何偏差形成机理研究。本项目提出从扫描赋型角度,研究增材制造几何偏差影响因素,并构建一套系统准确的增材制造零件表面几何偏差形成机理研究方法,主要研究了以下内容:.(1)从增材制造的扫描赋型角度出发,以SLM工艺为例研究增材制造赋型过程的物理规律及规则约束,分析增材制造工艺参数对物理过程的影响,构建融合多物理机理的选区激光熔融扫描赋型单元表面形貌计算方法。.(2)分析增材制造扫描线的结构特点与零件表面几何赋型关联关系,提出了基于扫描线的增材制造曲线坐标系及表面偏差坐标系概念,并以此为基础研究了不同扫描方式下扫描线与零件表面的映射关系,构建了基于偏差坐标系的增材制造零件表面偏差表达方法。.(3)基于改进固有应变的选区激光熔融零件表面多物理解析建模,以SLM工艺为对象,研究扫描层中扫描轨迹间、熔覆层间的影响,提出基于多物理解析计算的方式提取固有应变,实现对零件表面进行基于扫描赋型过程的精确、高效、可视化几何建模。.(4)结合提出的零件解析建模方法对增材制造零件赋型表面进行基于扫描路径曲线坐标的表达,实现反映扫描赋型过程特征的零件表面偏差的表达,并依托项目研究方法,开发SLM零件非理想形貌建模原型系统。.本项目从增材制造的扫描赋型过程角度,提出了一套增材制造零件表面几何偏差形成机理研究方法,帮助解决在指定工艺条件下,增材制造几何偏差难以预估的问题。不仅实现了反映制造过程的高效、准确几何偏差预测,还能为针对几何质量的工艺参数优化,以及控形补偿提供理论支持和技术工具,支撑高精度增材制造方法研究。
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