激光选区熔化系统构建及成形工艺和性能研究-毕业论文Word格式.docx
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激光选区熔化系统构建及成形工艺和性能研究-毕业论文Word格式.docx
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XXXXXX(注:
此处为作者姓名全拼,名在前,姓在后,如ZhengyingWei)
Supervisor:
Prof.XXX(注:
此处为导师姓名全拼,名在前,姓在后,如BinghengLu)
(XXXXXXXXXXX)(注:
此处为学科名称,如MechanicalEngineering)
XXXXXXX(注:
此处为英文日期,月在前,年在后,如September2003)
论文题目:
激光选区熔化成形(Selectivelasermelting,SLM)技术是快速成形技术中最有发展潜力的一项前沿技术。
该技术以激光束为热源,能直接快速成形出复杂形状、组织致密、力学性能优良的金属零件,因其具有传统加工方法所无法比拟的优点,已经成为生物医学、航空航天、汽车、军工、艺术设计等领域研究的热点。
然而,针对该技术掌握较为成熟的国外SLM设备造价昂贵,制约着国内针对该技术的广泛推广与应用;
国内SLM设备造价相对低廉,但是设备性能有所不足,不能够保证成形零件质量,抑制了国内制造业的竞争力;
并且在不同实验设备上利用不同金属材料成形所得出的研究结论并非完全一致。
因此本文自主设计研发了一套SLM设备,并进行完整的基础工艺实验,探究出针对该设备所适应的成形工艺规律。
本文构建了一套SLM系统,包括硬件系统和软件系统。
结合工艺实验,针对SLM设备硬件系统不足之处进行了改进优化,改进了SLM系统硬件部分中的铺粉系统,提出柔性刮板的铺粉方式,使得成形零件的致密性及力学性能有所提高;
改进了SLM系统硬件部分中的密封结构,实验前的保护气充入时间缩短至原有水平的1/3,大幅度提高了成形效率。
选用钛合金金属粉末进行了激光选区熔化的基础工艺实验,分别对单道单层、多道单层及多道多层成形过程进行了研究。
分析了工艺参数对扫描线宽、线高的影响规律,建立了搭接率模型,得出26%的搭接率为理想状态。
发现XYSTA扫描方式得到的单层固化厚度比X-Y扫描方式得到的单层固化厚度要小;
得出较为合适的铺粉层厚与粉末的平均粒径值成倍数关系的结论。
提出了“非恒定降功率”的成形方式,并成功解决了由于热应力而引起的翘曲问题。
针对成形零件的致密度及力学性能进行了研究。
发现激光功率、扫描速度、扫描间距等工艺参数对致密度的影响规律;
判断出工艺参对致密度影响重要程度的次序为:
扫描速度>激光功率>填充间距。
提出了一种新的扫描方式(DXYSTA扫描方式),并成形出致密度达到99%以上的零件。
发现拉伸强度、显微硬度均与致密度呈正相关,并提出了为追求零件质量与成形效率的双重目标,成形零件无需完全致密的观点。
本文进行了激光选区熔化成形零件的精度研究,结果表明,零件的X/Y方向(长、宽方向)既有收缩又有扩张的可能性,Z方向(高方向)则发生了不同程度的收缩。
发现了三方向的收缩率的显著影响因素,并通过正交实验获得了影响激光选区熔化成形过程中成形零件尺寸变化的主要工艺参数较优水平组合。
关键词:
激光选区熔化;
设备改进;
成形工艺;
致密度;
精度
论文类型:
应用研究
75
ABSTRACT
Title:
XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX
Descipline:
XXXXXXXXXXX
Applicant:
Prof.XXXXX
英文摘要撰写要求如下:
(1)用词准确,符合语法;
(2)关键词按相应专业的标准术语写出,尽量从《英语主题词表》中摘选;
(3)如果论文的主体工作得到了有关基金资助,应用英文在摘要第一页的页脚处标注:
本研究得到某某基金(编号:
)资助;
中文摘要和英文摘要均不要求学位申请人及其指导教师签字。
摘要正文每段开头不空格,每段之间空一行;
Thekeypartsindripirrigationfacilitiesareemitters.Thestructuraldesignparametersofemitterscandirectlyaffectitsperformanceandthefunctionofthewholedripirrigationsystem……
1.Because……
2.Only……
3.Tosupport……
KEYWORDS:
XXX;
XXX
每个关键词组的第一个字母大写,其余为小写,每一关键词之间用分号分开,最后一个关键词后不打标点符号。
例如:
Dripirrigationemitter;
RP&
M;
Hydraulics;
Labyrinthflowchannel
TYPEOFTHESIS:
XXXXXXX
须与中文摘要中的论文类型一致;
每个单词第一个字母大写,其余为小写。
AppliedResearch
论文类型包括:
a.理论研究(TheoreticalResearch);
b.应用基础(ApplicationFundamentals);
c.应用研究(ApplicationResearch);
d.研究报告(ResearchReport);
e.设计报告(DesignReport);
f.案例分析(CaseStudy);
g.调研报告(InvestigationReport);
h.产品研发(ProductDevelopment);
i.工程设计(EngineeringDesign);
j.工程/项目管理(Engineering/ProjectManagement);
k.其它(Others)。
目录
1绪论 1
1.1研究背景及研究意义 1
1.1.1研究背景 1
1.1.2研究目的及意义 2
1.2SLM技术国内外研究现状 3
1.2.1SLM设备研究现状 3
1.2.2SLM技术工艺研究现状 6
1.3研究内容及技术路线 7
1.3.1研究内容 7
1.3.2技术路线 8
2激光选区熔化成形设备的构建及改进 9
2.1引言 9
2.2硬件系统 9
2.2.1激光系统 10
2.2.2铺粉系统 11
2.2.3气体循环净化系统 12
2.2.4冷却系统 13
2.3软件系统 13
2.3.1数据处理模块 14
2.3.2工艺控制模块 14
2.4激光选区熔化成形设备的改进 15
2.4.1柔性铺粉刮板的改进设计 15
2.4.2密封结构的改进设计 17
2.4.3成形基板的设计与选取 20
2.5分析与讨论 21
2.6本章小结 22
3激光选区熔化成形工艺研究 24
3.1引言 24
3.2实验方法 24
3.2.1实验材料 24
3.2.2方案设计 25
3.2.3数据测量 25
3.3单道单层成形工艺实验及结果 26
3.3.1单道熔化成形原理 26
3.3.2工艺参数对单道表面形貌的影响 27
3.3.3工艺参数对单道扫描线宽、线高的影响 29
3.4多道单层成形工艺实验及结果 31
3.4.1多道熔化成形原理 31
3.4.2搭接率模型的建立 32
3.4.3搭接率对表面形貌的影响 33
3.4.4扫描方式对单层厚度的影响 35
3.5多道多层成形工艺实验及结果 37
3.5.1铺粉层厚对成形质量的影响 37
3.5.2实体零件成形时的翘曲问题 39
3.6分析与讨论 41
3.6.1单道表面形貌及线宽、线高的研究 41
3.6.2多道表面形貌及单层厚度的研究 42
3.6.3多道多层成形质量的研究 43
3.7本章小结 43
4激光选区熔化致密度及力学性能研究 44
4.1引言 44
4.2致密度研究 44
4.2.1致密度测量及方法 44
4.2.2工艺参数对致密度的影响 46
4.2.3工艺参数正交优化 51
4.2.4能量密度对致密度的影响 52
4.3力学性能研究 53
4.3.1拉伸性能研究 53
4.3.2显微硬度研究 55
4.4分析与讨论 56
4.4.1工艺参数与致密度的关系 56
4.4.2力学性能与致密度的关系 58
4.5本章小结 59
5激光选区熔化精度研究 60
5.1引言 60
5.2激光选区熔化精度研究 60
5.2.1激光选区熔化精度阐述 60
5.2.2精度正交试验及结果 60
5.3分析与讨论 63
5.3.1因素的显著性评价与极差分析 63
5.3.2四因素较优水平组合的选取 65
5.4实体零件成形样件 66
5.5本章小结 67
6结论与展望 68
6.1结论 68
6.2展望 69
致谢 71
参考文献 73
攻读学位期间取得的研究成果 77
声明
CONTENTS
1Preface X
1.1DripIrrigationTechnology X
1.1.1DripIrrigationSystems X
2RapidDevelopmentofLabyrinthDripIrrigationEmitters X
2.1StructuralDesignofLabyrinthDripIrrigationEmitters X
2.1.1Theory X
2.6BriefSummary X
12ConclusionsandSuggestions X
Acknowledgements X
References X
Appendices(单个附件用Appendix) X
Achievements X
Declarations
(这里的目录没办法自动生成,因为你没有相应的英文标题样式,只好你自己手工添加了,其实就是把中文目录翻译成英文就可以了)
编辑格式:
“章节号+英文标题+Tab键1次+页码”,编完以后,套用“CONTENTS”样式。
EquationChapter(Next)Section1
0致谢
1绪论
1.1研究背景及研究意义
1.1.1研究背景
快速成形技术(Rapidprototyping,简称RP技术)是20世纪80年代中期发展起来的一项高新技术,基于离散堆积成形思想,综合利用CAD技术、数控技术、激光加工技术和材料技术实现从零件设计到三维实体原型制造一体化[1]。
在制作复杂形状零件或小批量定制化零件时相对传统工艺更有优势。
RP技术因其成形原理又称增材制造技术,成形技术根据零件前后质量的变化ΔM,可分为以下三种情况;
(1)ΔM<
0,材料去除法,例如传统加工车、铣、刨等加工方法;
(2)ΔM=0,材料不变法,主要指磨具成型;
(3)ΔM>0,材料累加法,即指快速成型技术。
快速成形技术的原理,简而言之即为“离散”+“堆积”。
堆积,即指零件前后质量的变化ΔM>0时,将材料进行堆积的过程,采用不同的材料,通过不同的工艺方法,将“材料单元”“逐步”地堆积成具有一定结构形状以及功能的三维零件。
离散,是为了获得堆积的“材料单元”和“逐步”的信息,需将CAD三维模型进行一维、二维、三维的离散,如图1-1所示。
图1-1三维模型的离散
激光选区熔化技术(SelectiveLaserMelting,SLM)作为快速成型技术中的一个分支,以快速成形出高性能复杂的金属零件为目的,是最有发展潜力的一项前沿技术。
SLM技术基于一般的快速成形材料逐层堆积的成形方式,在激光束的热作用下,将铺设在粉床中的待成形金属粉末进行选区扫描熔化,最终逐层堆叠成形为具有复杂形状、冶金结合且组织致密的金属零件。
SLM技术拥有制件效率高、综合成本低,所加工样件致密度高和力学性能好等优势。
首先,激光选区熔化技术与其他制造工艺相比,有独特的优势,与传统的金属成形工艺如切削、铸造等技术相比,SLM技术成形过程中无需工装模具与刀具,提高了效率,节约了成本,提高了效比;
与选区激光烧结技术相比,SLM技术不需要多种不同熔点的金属粉末混合,只需成形零件所需的单一种类金属粉末,客服了选区激光烧结技术制造金属零件的复杂工艺过程,而且制造的金属零件力学性能不像选区激光烧结技术一样受低熔点金属的影响,生产的制件内部冶金结合较为理想,零件精度也有所提高。
其次,快速成型技术所需的金属粉末材料的生产造价极为昂贵,SLM技术在成形过程中大大提高了粉末的利用率,充分降低生产成本。
此外,SLM成形件在经过简单的后处理(如打磨、抛光等)和热处理(如退火、固溶等)后就可作为零件,应用于生物医学、汽车、航空航天、军工、艺术设计等领域。
因此激光选区熔化技术现已成为制造业最有潜力、最引人关注的技术之一,被国内外的科研学者普遍关注。
激光选区熔化技术的成形原理是基于分层叠加制造原理,通过激光束逐层熔化已铺设在成型缸粉床上的待成形金属粉末而成形出具有复杂结构、组织较为致密的金属零件。
SLM设备主要由激光器、扫描光路系统、铺粉装置、供粉缸、成型缸以及计算机系统组成,如图1-2所示。
其工作过程为:
首先利用计算机建立CAD模型,通过相应的分层软件对CAD模型进行分层切片处理,将生成的零件实体的层截面信息传给控制计算机储存于STL文件中;
然后利用铺粉系统将粉末铺展在成型工作台上,扫描系统根据分层切片信息控制激光束作用于待成型区域的粉末,粉末发生融化,黏结熔化在一起,形成零件的一个截面。
一层扫描加工完毕后,成型工作台在活塞缸内活塞作用下下降一个层厚距离;
铺粉系统将粉末铺展在已成型层之上,扫描系统控制激光束对新铺好的粉末进行扫描加工,重复以上成型过程,如此循环,直至所有切片层被扫描加工,一个完整的三维实体零件生成。
图1-2SLM设备工作原理图
1.1.2研究目的及意义
近年来,随着“中国制造2025”和“工业4.0”的提出,增材制造技术作为其中重要的一个技术分支被更多的人所重视。
其中,金属零件的直接成形更是被包括航空航天、医疗、汽车等众多行业所青睐。
激光选区熔化技术作为快速成形技术中的一项重要分支,越来越得到人们的重视,尤其是在金属材料应用领域,面对传统加工工艺很难完成甚至根本无法完成的复杂结构、轻量化定制化产品,SLM技术具有独特的优势与特点,很好的起到了“互补”的作用。
SLM技术的优点可以归纳为以下几点:
(1)可成形材料种类较多。
从SLM成形原理上讲,凡是在热源的热作用下,能够粘结熔化于一体的粉末材料都可以作为SLM技术的待成形材料,如钛合金粉末、不锈钢粉末、铁基合金粉末、镍基合金粉末等。
(2)可成形几乎具有任意复杂几何形状的零件。
无论零件复杂程度如何,均可实现快速成形,尤其对于具有复杂内部型腔结构或者多孔型结构,SLM技术都有着明显的优势。
(3)生产开发周期短、成本低。
尤其对于具有复杂结构的零件,可以直接通过增材制造快速成形出近乎终端的制件,制件只需经过简单的后处理即可达到零件使用要求。
整个生产流程数字信息化,实现了无模化、免安装的生产,这一特点尤其适合新产品的开发工作。
(4)成形零件精度高、致密度好,具有良好的力学性能。
SLM技术直接成形后的绿件表面粗糙度一般在15~50µ
m,通过工艺优化和后处理等处理后,金属制件的表面粗糙度可控制在8µ
m以下[2],尺寸精度可达0.1mm,且致密度可达98%以上[3],与传统铸造工艺无几,力学性能更是可以达到甚至超过锻件工艺水平。
(5)技术应用范围广。
可广泛应用于生物医学、航空航天、汽车、电子产品、艺术设计等众多领域。
激光选区熔化技术也有不足之处。
首先,现阶段工业级的SLM打印机造价较为昂贵,金属粉末材料也价格不菲,高昂的成本制约着技术普及广泛的应用。
其次,SLM技术成形工艺复杂,影响因素较多,包括粉末材料特性、工艺参数、光路扫描系统、成形环境以及设备调试因素等。
不同因素作用会直接影响最终成形零件的成形性能,成形性能包括:
致密度、精度、表面粗糙度、力学性能、硬度和表面质量等。
此外,SLM技术对专业人员的技术要求较高。
鉴于此,为了实现SLM技术能够制造出高成形性能并能直接满足使用要求的金属零件,需要对SLM成形系统的设备、材料以及不同的工艺参数进行不断的优化,同时还需加强SLM技术的基础理论研究,从而能够成形出满足人们要求的优异产品。
为了更好的推荐SLM技术的发展,不断提高成形零件的致密度等成形性能,首先需要对成形系统的硬件组成部分和软件控制部分进行全面的认识,掌握其在激光选区熔化成形过程中所起到的作用。
硬件组成部分的协调运动稳定性以及软件控制部分的稳定性是保证成形过程稳定进行的基础和前提。
为此,结合工艺实验需求及结果反馈对硬件组成部分和软件控制部分不断优化完善,以消除软件控制误差和硬件系统误差对零件成性性能的影响,提高实验的稳定性和可重复性,提高实验效率。
1.2SLM技术国内外研究现状
1.2.1SLM设备研究现状
SLM设备的优良运行直接影响着成形工艺的结果,因此,国内外众多科研机构、高校及公司均对SLM设备进行开发调试,甚至投入商业使用。
在国外,德国、英国、日本等国家的多个生产商对SLM设备的研发较为深入,且均已推出了商业化的SLM设备。
其中,已经已经实现产业化,推出自己成熟产品的公司主要有德国EOS[4]、德国SLMSolutions、德国MCP、德国ConceptLaser、德国Phenix公司、英国Renishaw公司和日本Matsuura公司等。
德国是对SLM技术研究最早也最为深入的国家,世界上第一台SLM设备是在1999年由德国Fraunhofer研究所推出的基于不锈钢粉末成形的SLM设备。
德国EOS公司的EOSINTM290快速成形设备是该公司针对SLM技术所最新开发的激光选区熔化设备,采用性能优良的400W的Yb光纤激光器,聚焦光斑直径为100-500µ
m,可保证成形零件的质量及精度,而且此类激光器的波长较短(1060nm),可以保证在成形过程中金属粉末很好的吸收激光辐射所产生的能量,可实现激光告诉扫描,减少成形时间,提高效率。
该设备成形零件最大体积可达250mm×
250mm×
325mm,加工扫描速度可达7m/s,铺粉层厚常用为20-100µ
m[5]。
其产品和成形零件如图1-3所示。
(a)德国EOSINTM290设备(b)设备成形零件
图1-3德国EOSINTM290设备及成形零件
欧洲知名的RapidTooling方案提供商德国MCP公司,推出的SLM设备Realizer采用400W的光纤激光器,聚焦光斑直径为70-200µ
m,加工扫描速度最大可达5m/s,成形零件尺寸最大可达到300mm×
300mm×
300mm,该设备能成形致密度为100%的金属零件,成形后的零件只需要进行简单的后处理如喷砂或抛光就可直接投入使用。
该设备的铺粉系统采用刮板机构,可实现加工时单层厚度为20-100µ
m[6],保证成形零件的精度可靠,可成形材料包括不锈钢、钛合金、钴铬钼合金等金属材料。
德国ConceptLaser公司的SLM设备M3所采用的激光器为半导体泵浦单模Nd:
YAG激光器,功率为100-200W,其光学系统使用F-θ聚焦镜与数控激光头,零件可成形尺寸最大为300mm×
350mm×
300mm,加工时单层厚度可达到30µ
m,提高成形零件的精度,且表面精度好[7]。
此外,德国SLMSolutions公司长期专注于SLM技术,其推出的SLM3D金属打印机最大成形空间达到500mm×
280mm×
325mm,可以同时装备两个1000W激光器,利用高精度激光束可以完成包括钛、钢、铝、金在内的金属粉末的快速成形制造。
英国Renishaw公司新推出的RenAM500M设备配备了500W的激光器,可成形零件最大尺寸为250mm×
350mm。
日本的Matsuura公司的SLM设备采用500W的脉冲式CO2激光器,其波长为10.6µ
m,聚焦光斑大小为600µ
日本的Osakada实验室利用自制SLM实验平台对钛金属粉末进行成形实验,可以得到致密度为92%的金属零件。
比利时鲁汶大学也对SLM 技术进行了较为深入的研究,并自制研发了SLM设备,该设备采用300W的Nd:
YAG激光器,激光波长为1064nm。
光学系统利用扫描振镜,其扫描速度可达5m/s。
工作台运动精度高,单层铺粉层厚最低可达到10µ
m。
铺粉系统采用辊筒式铺粉。
通过向成形室通入保护气体或抽真空的方式来防止成形零件发生氧化[8]。
在国内,由于SLM技术的自身优势逐渐被各行各业所重视,近年来部分高校和科研单位也都针该技术进行了研究以及SLM设备的研制,如华中科技大学、华南理工大学等。
华中科技大学从2003年开始进行SLM技术的研究,并在SLM系统制造技术上不断取得突破和创新。
目前,该中心先后推出了两套SLM设备:
HRPM-Ⅰ和HRPM-Ⅱ[9]。
这两套SLM设备主机构成基本相同,均由YAG激光器、扫描振镜、可升降工作台及预热装置组成,性能参数见表1-1。
针对国外SLM设备制造大尺寸零件仍有困难的现状,从预热装置、激光扫描方式等方面进行了创新,成功解决了大尺寸SLM零件容易产生变形的问题。
这两套设备的主要区别为激光器与送粉装置,HRPM-Ⅰ采用双缸下送粉方式,设备大,送粉时间长,影响成形效率。
HRPM-Ⅱ采用上送粉方式,可提高成形效率[10]。
表1-1华中科技大学HRPM系统主要参数
型号
扫描速度/mm·
s-1
铺粉层厚/mm
成形空间
350mm
400mm
激光器类型
YAG激光器
光纤激光器
激光功率
150W
100W
扫描速度
≤5m/s
成形速度
7000mm3/h
铺粉厚度
50-100µ
m
送粉方式
双缸下送粉
双缸上送粉
华南理工大学自制开发出一套商业化设备DiMe
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