面向選擇性激光熔化工藝的零件輕量化少-無支撐優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究.pdf

1、在節(jié)能減排、綠色環(huán)保、降本增效等目標(biāo)的驅(qū)動(dòng)下，航空航天、汽車等領(lǐng)域?qū)Ξa(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)加工的需求日益迫切。實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品輕量化的途徑主要包括新材料應(yīng)用、新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及特種加工工藝的應(yīng)用。選擇性激光熔化技術(shù)（Selective Laser Melting，SLM）是一種基于粉末床的金屬增材制造技術(shù)，具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)造能力強(qiáng)、無需工裝/模具、快速適應(yīng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)變化、材料利用率高等優(yōu)點(diǎn)，近年來在航空航天、醫(yī)療等領(lǐng)域得到了廣泛深入的應(yīng)用。在產(chǎn)品輕量化方面

2、，SLM技術(shù)在新材料、新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及成形工藝方面均可為產(chǎn)品輕量化提供新的空間，而在SLM加工工藝及材料確定的情況下，創(chuàng)新產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)輕量化的主要途徑。
　　采用SLM技術(shù)加工具有懸空面結(jié)構(gòu)的零件時(shí)通常需要設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)加工支撐結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)如下：（1）支撐結(jié)構(gòu)去除困難，特別是具有復(fù)雜內(nèi)部曲面結(jié)構(gòu)的零件，或鈦合金等難加工材料零件；（2）零件整體設(shè)計(jì)制造時(shí)間增加，包括支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)間、SLM加工時(shí)間及后處理時(shí)間；（3）整體設(shè)計(jì)制

3、造成本增加，包括支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)費(fèi)、支撐結(jié)構(gòu)材料費(fèi)、加工費(fèi)及后處理費(fèi)。
　　綜上所述，基于SLM技術(shù)在輕量化設(shè)計(jì)方面的優(yōu)勢，以及設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的時(shí)間、成本增加問題，本論文開展面向SLM工藝的零件輕量化少/無支撐優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究。論文主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下：
　?、倩赟LM工作原理分析了SLM自由設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)，闡述了SLM自由設(shè)計(jì)內(nèi)涵?；赟LM自由設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)及工藝約束，提出了面向SLM工藝的結(jié)構(gòu)自由設(shè)計(jì)方法，包括自由材料設(shè)計(jì)、自由

4、面設(shè)計(jì)、去標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、自由內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、無刀具約束設(shè)計(jì)、無裝夾約束設(shè)計(jì)、無模具約束設(shè)計(jì)，為設(shè)計(jì)人員提供設(shè)計(jì)依據(jù)。針對本文輕量化設(shè)計(jì)目標(biāo)，提出了四類面向SLM工藝的零件輕量化設(shè)計(jì)方法，包括自由尺寸設(shè)計(jì)、拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)、多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、一體化設(shè)計(jì)，并針對每種設(shè)計(jì)方法詳細(xì)分析了其設(shè)計(jì)思路及流程，為后續(xù)面向 SLM工藝的零件輕量化設(shè)計(jì)提供支撐。
　?、诨赟LM工藝約束，以EOS M280設(shè)備為基礎(chǔ)，提出了三種基于SLM工藝的基本自支撐結(jié)構(gòu)，

5、包括自支撐傾角、自支撐圓孔及自支撐水平懸臂距離?；谧灾螆A孔及自支撐傾角推導(dǎo)了橢圓孔與桃形孔實(shí)現(xiàn)自支撐的邊界條件，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了自支撐橢圓孔及自支撐桃形孔兩類新型自支撐結(jié)構(gòu)，建立了相應(yīng)的三維模型并通過SLM實(shí)驗(yàn)加工驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性，為后續(xù)面向SLM工藝的零件自支撐設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。
　?、刍谕?fù)鋬?yōu)化輕量化設(shè)計(jì)方法及自支撐結(jié)構(gòu)，提出了一種面向 SLM工藝的零件輕量化無支撐優(yōu)化設(shè)計(jì)方法（LSDM），詳細(xì)闡述了LSDM方法的設(shè)計(jì)流程

6、。以井字梁結(jié)構(gòu)零件為例，采用 LSDM方法對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)并通過 SLM技術(shù)加工，零件重量減少了31.4%，且加工過程不需要添加支撐結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證了 LSDM方法的可行性。
　?、芴岢隽艘环N引入拔模約束的零件拓?fù)鋬?yōu)化輕量化無支撐優(yōu)化設(shè)計(jì)方法（TODDC），并詳細(xì)闡述了其設(shè)計(jì)流程。以控制臂零件為例，采用TODDC方法對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)并通過 SLM技術(shù)加工，加工過程不需要添加支撐結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證了TODDC方法的可行性。
　?、莼?SL

7、M自由設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)、自由設(shè)計(jì)方法、輕量化設(shè)計(jì)方法及自支撐結(jié)構(gòu)元素，建立了SLM設(shè)計(jì)知識庫，在此基礎(chǔ)上提出了基于SLM知識庫的零件輕量化少/無支撐設(shè)計(jì)方法。以航天支架結(jié)構(gòu)零件為例，分別基于SLM工藝和傳統(tǒng)工藝對其進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，并從時(shí)間、成本、輕量化程度、材料浪費(fèi)率等方面對兩種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明：基于 SLM工藝設(shè)計(jì)的零件在時(shí)間、輕量化程度、材料浪費(fèi)率等方面都明顯優(yōu)于基于傳統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)的零件，但在加工成本方面?zhèn)鹘y(tǒng)工藝具有明顯優(yōu)勢。