摘要：三周期极小曲面(TPMS)结构因其优异的力学性能,在航空航天领域关键零件轻量化方面展现出广阔的应用前景.为有效增强TPMS结构力学性能及其轻量化程度,提出一种基于应力场引导的多层级TPMS点阵结构设计优化方法,设计出多层级Gyroid点阵结构,采用激光选区熔化技术制备了相应的点阵结构,并与体积分数相同的初级Ti6Al4V Gyroid点阵结构进行了对比研究.在此基础上,通过有限元模拟和压缩试验,系统研究了多层级Gyroid点阵结构的压缩性能、变形行为和能量吸收性能.结果显示,与相同体积分数的初级Gyroid点阵结构相比,多层级Gyroid点阵结构压缩性能显著提升,其弹性模量、屈服强度和极限强度分别提高了约36.52%,58.55%和57.62%,能量吸收能力提升了约42.85%.此外,与初级Gyroid点阵结构在斜压杆中心区域的45°剪切断裂模式不同,多层级Gyroid点阵结构初期在填充区域发生层状断裂,随后在未填充区域的斜压杆中心区域发生45°剪切断裂.基于Johnson-Cook塑性模型和损伤模型所建立的有限元模型能够准确预测多层级Gyroid点阵结构的变形行为和力学性能,其预测误差在20%以内.文章所设计的多层级Gyroid点阵结构具有优异的力学性能和能量吸收能力,为航空航天领域高性能轻量化零件优化设计与制造提供了新的思路与技术支持.

摘要：通过增材制造成型复杂晶格结构,实现航空航天结构件的轻量化设计得到越来越多的应用,然而点阵结构设计及其性能评价仍欠缺。本研究采用金刚石结构为基体,以点阵密度、结构形式为目标,设计不同几何参数试样,并以TC4钛合金为对象进行激光选区熔化(SLM)成型。对成型试样进行压缩试验,研究这种结构不同尺寸试样压缩性能的差异。结果表明:金刚石点阵结构试样受到载荷后应力在连接节点位置集中,产生断裂。提高晶胞密度可以缓解应力集中现象,提高比强度。减小晶胞尺寸和添加外壳都可以使应力均匀化,提高性能稳定性。小晶胞尺寸试样对球化现象、孔隙等冶金缺陷较为敏感,造成强度的下降。

摘要：为了探讨激光选区熔化成型典型几何特征的尺寸精度,并为激光选区熔化直接成型金属零件提供设计参考依据,设计了薄板、尖角、圆柱体、圆孔、方孔等典型几何特征的三维模型,采用华南理工大学研发的激光选区熔化设备(Di Metal-100)在优化的工艺参数下选用316L不锈钢粉末对这些典型几何特征进行激光选区熔化成型。实验结果表明,激光光斑约束、台阶效应、粉末粘附、激光深穿透等因素是影响零件尺寸精度和激光选区熔化成型能力的主要原因。基于对激光选区熔化成型典型几何特征的尺寸精度及成型能力研究,提出了一些适用于激光选区熔化的零件设计规则,为产品的创新设计提供了参考依据。

摘要：激光选区熔化(SLM)成型零件过程中常出现零件的翘曲变形,这与零件支撑的添加有关。因此,有必要对SLM成型零件支撑添加方式进行研究。通过对不同支撑结构SLM成型零件的成型效果进行研究,发现在相同支撑参数条件下,支撑片分割未倾斜支撑在成型零件时具有较好的成型效果;零件使用的支撑高度越高,零件越容易翘曲。通过优化支撑结构,发现采用分块0°倾斜导热支撑可以有效地减小零件的翘曲变形。这为SLM成型高精度零件提供了参考。

摘要：激光选区熔化是一种精密金属增材制造技术,可以成形任意复杂的功能零件。个性化医学用品需要具有个性化的几何外形和良好的生物性能,为了探究激光选区熔化在个性化医学用品中的应用,采用Di Metal系列激光选区熔化设备成形医用金属材料如316L不锈钢、Co Cr Mo合金、Ti6Al4V,并对医用金属材料成形致密度、成形力学性能和几何结构成形性进行了研究。通过个性化设计和Di Metal系列激光选区熔化设备,设计与制造了个性化牙冠、舌侧正畸托槽、手术模板、全膝置换股骨远端假体、股骨近端假体、颅骨修复体等医学用品。研究证明Di Metal系列激光选区熔化装备、工艺可用于个性化医学用品的快速制造,这为个性化医学用品的快速响应设计与制造提供了一种新的手段。

摘要：高强铝合金(2×××,7×××等)因具有比强度高、加工性好等优点而被航空航天、汽车等领域广泛应用。随着大推重比飞行器设计及汽车轻量化技术的发展,轻质结构材料的需求日益增加,同时零部件也面临着“薄壁化、中空化、复合化”的发展趋势,高强铝合金的传统加工方法越来越难以满足要求。近年来,激光选区熔化成形(selective laser melting,SLM)作为一种常见的金属增材制造技术(additive manufacturing,AM)在复杂零部件成形领域受到关注,有望成为进一步拓宽高强铝合金应用领域的新兴技术。然而,SLM成形高强铝合金因易产生周期性热裂纹和粗大柱状晶不良组织等问题而发展缓慢,晶粒细化是克服增材制造高强铝合金这一固有热裂问题的关键所在。本文综述了近年来SLM成形高强铝合金显微组织和力学性能调控等方面的研究进展,归纳了不同体系合金的力学性能,重点阐述了抑制SLM成形高强铝合金中热裂纹形成的主要策略,包括SLM工艺参数优化以及通过微合金化或添加纳米颗粒细化晶粒等方法。指出当前研究存在的主要问题是合金成分的改变对材料综合性能以及热处理制度的影响规律尚不清晰等,并展望了未来的发展趋势,如SLM成形新型高强铝合金成分设计与综合性能评价、利用后处理工艺等手段进一步提升合金综合性能以及专用晶粒细化剂的设计与细化机制探究等。

摘要：熔池光强监测是激光选区熔化(SLM)过程监测的重要方法之一。针对SLM成形过程,建立了一套熔池光强监测软硬件系统,通过近红外滤光技术和光电二极管检测电路,获得成形过程中的熔池光强数据。针对时域信号不能可视化激光作用不同成形位置时的熔池光强变化,提出了采用映射算法对熔池光强数据进行建模。对变功率下熔池光强进行数据分析与建模,激光功率120 W熔池温度均值为1 404℃时,二极管信号均值为0.31 V,标准差为0.04 V,熔池较稳定;功率增加到220 W熔池温度为1 727℃时,二极管信号均值增加为0.81 V,标准差增加为0.22 V,熔池稳定性变差。表明该熔池光强监测系统可以获得工艺参数对熔池热辐射行为的影响规律,用于支持SLM成形工艺的研发与优化。

摘要：为了改善激光选区熔化成型免组装机构间隙结合处的成型质量,制造出具有高表面质量和高致密度的免组装机构,对间隙倾斜面的表面粗糙度进行了理论研究,并对间隙特征进行了设计,分析了激光表面重熔和工艺参数对间隙成型质量的影响。结果表明:间隙倾斜面的表面粗糙度(Ra)理论上由倾斜角和切片厚度两个因素决定,Ra随着倾斜角的增大和切片厚度的减小而减小。采用鼓形孔的间隙特征可以使粉末更容易去除并提高机构的稳定性;采用激光表面重熔工艺,不仅可以提高机构的致密度,也可以改善表面粗糙度。加工过程中,保持激光体能量密度在顺利成型的区域,加工到间隙顶部时,加快扫描速度,能够减少间隙处的挂渣,提高表面质量。采用以上优化条件可以顺利加工出万向节机构,其中外表面Ra=8.25μm,间隙表面Ra=12.47μm,致密度为99.1%。

摘要：采用Z-型和岛式两种扫描策略,利用激光选区熔化(SLM)技术成形了具有不同悬垂角度的Ti6Al4V试件,研究了熔池行为与悬垂角度和成形质量之间的关系。结果表明,成形过程中,熔池面积先快速变大,达到峰值后,再随着成形高度的增加而缓慢减小。与面扫描相比,轮廓扫描时熔池明显不稳定,熔池面积振幅大。随着悬垂角度的减小,熔池面积变小,悬垂表面粗糙度变大。与Z-型扫描方式相比,岛式扫描策略下熔池面积较小,熔池更为不稳定,且悬垂表面粗糙度高。

摘要：利用PEP200电解质等离子抛光(PEP)设备研究了工艺参数对激光选区熔化成形TC4表面处理效果的影响。设计溶液温度、抛光电压和浸入深度对表面质量及抛光效率影响的实验,并通过对复杂零件PEP验证最佳工艺参数选择的合理性,设置电解液浓度为4%(质量分数),抛光时间为15 min。通过粗糙度仪、光学显微镜(OM)、共聚焦显微镜和扫描电子显微镜(SEM)等对样件表面粗糙度(R_(a))、表面形貌、三维轮廓及元素成分进行测试。结果表明,使用PEP降低激光选区熔化成形TC4零件表面粗糙度的最佳工艺参数为:抛光电压为280 V,溶液温度为90℃,浸入深度为40 mm;材料去除率的最佳工艺参数为:抛光电压为280 V,溶液温度为80℃,浸入深度为20 mm。R_(a)最低可降至1.906μm,材料去除率最高可达5.98μm·min^(-1)。复杂TC4零件整体光泽度实测可达253 GU,R_(a)从9.534μm下降到1.987μm,下降率达79.16%。SEM图像显示,PEP处理后TC4零件表面由喷砂冲击所造成的大量撕裂纹完全去除。三维轮廓颜色变化更加均匀,峰差仅为37.47μm。表面杂质元素均已去除,且未检测到电解液成分元素的残留。通过优化PEP工艺参数,有效去除了零件表面缺陷,提升了TC4复杂零件的表面质量及抛光效率。