激光金属沉积成形的扫描方式

扫描方式是激光金属沉积成形(Laser metal deposition shaping,LMDS)制造过程中的关键技术,在分析现有扫描方式及其对成形质量和成形效率影响的基础上,指出现有扫描方式的缺陷,并提出一种基于层面轮廓优化单调区分解的分区平行扫描方式。该方式基于极值顶点可见性原理,对分层后的断面轮廓进行去除内环、非单调多边形的单调剖分等处理,可最大限度地减少分区数量,获得若干个单调子区域。针对各单调子区域采用适应性变间距平行路径填充,可减小扫描线的长度,并保证均匀致密性填充。试验表明这种扫描方式能够提高成形效率和成形质量。

基于STL模型支撑生成算法的研究

针对快速成型制造中须对零件加支撑的需求,提出一种新的支撑生成方法。它首先提取零件待支撑区域的关键特征(如悬吊点、下棱线、待支撑下表面的轮廓线等),同时指出各种支撑的基本构件实质就是单边对应的多边形支撑面,并采用了局部斜板支撑的方案实现其生成算法,在此基础上生成零件的特征支撑;然后采用对生成的特征支撑STL模型分层后分区扫描填充加强支撑线来实现对待支撑下表面内部区域的有效支撑。应用表明:该方法实现了对成型零件关键特征的准确支撑和对待支撑面域的有效支撑,生成支撑效果良好。

基于温度分区的激光沉积成形扫描路径生成方法

现有金属激光沉积成形工件是根据几何模型按照设定扫描路径层层叠加而成,不可避免造成局部热量累积,导致成形工件内部温度梯度大,产生局部应力集中,易引起工件变形开裂。对成形过程温度进行实时检测并实现动态扫描路径规划是解决工件变形开裂的根本途径。在研究不同基体温度对熔宽、熔高影响规律基础上,提出基于层面温度分区的激光沉积成形扫描路径生成方法。采用红外热像仪对沉积层面温度进行实时采集,提取不同温度分区轮廓;提出温度分区轮廓规则化方法,消除局部轮廓尖角,避免过熔覆;改进Weiler-Atherton算法,快速实现分层轮廓与温度分区轮廓的求交运算;针对不同温度分区采用适应性间距生成扫描路径,实现激光沉积成形动态扫描路径规划。试验结果表明:该扫描路径可有效提高成形工件质量。

选择性激光烧结新型扫描方式的研究及实现

选择性激光烧结（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｌａｓｅｒ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ，ＳＬＳ）快速成形技术是近１０年来发展起来的一种先进制造技术，采用此项技术可以显著地缩短产品投放市场的周期，降低成本，提高产品质量，增强企业的竞争能力。而扫描方式是ＳＬＳ成形过程中的一项关键技术，在分析了现有扫描方式及其对ＳＬＳ制件精度、强度以及成形速度影响的基础上，指出了现有扫描方式的缺陷。为了克服这种缺陷，特提出并实现了一种新的分区变向扫描方式及其分区算法，它通过将扫描线段进行分组，以避开截面内孔和凹槽。这种新的分区变向扫描方式及其算法已经成功地应用到华中科技大学开发的ＨＲＰＳ系列ＳＬＳ系统中。实际应用表明：这种新型扫描方式能大幅度地提高烧结成形效率和减小烧结体的翘曲变形量。

基于层面轮廓凸分解的扫描路径规划的研究

熔融堆积成型技术在成型过程中对环境无污染而得到广泛应用,尤其适合在办公环境下使用。扫描过程是实现区域填充过程,类似于传统加工中的刀具路径规划,因而合理规划扫描路径直接影响成型的效率和制件的精度。在分析现有扫描方式的基础上,提出了基于层面轮廓凸分解的分区自适应扫描法,根据顶点可见性的原理进行轮廓凸分解。实际应用表明,该方法即保证了制件的精度又克服了三角剖分扫描效率低的缺点。

激光快速成型矩形分区扫描算法的实现

将图形显示中的裁剪算法引入到激光快速成型分区扫描中,利用其算法原理,实现了对复杂截面轮廓的矩形分区扫描。介绍了该分区扫描算法的总体思路;论述了对成型件的截面轮廓进行矩形分区的方法、步骤和关键技术。该算法具有算法简单,易于规划且加工效率高等优点。

相控红外末制导高速目标检测技术

目标高速检测是红外末制导系统实时跟踪打击的基础 ,小型化的玫瑰线扫描是该类系统的优选扫描制式。研究了扫描参数最优控制准则与模型和快速高效的玫瑰线扫描图像目标检测方法 ,提出高速高效高分辨率成像方程和玫瑰扫描的相位参数控制法 ,得出该准则下的最优相位控制序列 ,以及在最优相位序列控制下成像空间的覆盖率 ,成像空间分辨率与工作区特性 ,并据此提出了分区目标检测技术。

选区顺序对激光直接制造TC4残余应力及变形的影响

为降低激光直接制造大型TC4构件的基底变形及残余应力,研究了不同选区顺序对分区扫描成形时基底变形及残余应力的影响。分别采用新定义的由外而内、由内而外选区顺序及常规的随机选区顺序进行沉积实验,并运用面结构光及X射线衍射检测方法对基底变形及沉积层残余应力进行测量。结果表明:不同选区顺序对成形件基底变形及残余应力影响显著,采用由外而内选区顺序可大幅减小基底变形,与随机选区顺序相比,基底最大变形量降低60%,但是在沉积层引入了较大的残余应力,最大残余应力达到了392 MPa;随机选区顺序下沉积层残余应力量级较小,最大残余应力仅约93 MPa,残余应力分布更为均匀。因此,分别采用由外而内及随机选区顺序进行前后期成形有利于减小和平衡大尺寸TC4成形件基底变形及残余应力。

基于分区扫描策略的激光金属沉积短梁件残余变形有限元模拟

目的研究分区扫描策略对激光金属沉积TC4钛合金短梁件残余变形的影响,探寻较优的分区扫描策略,以改善成形短梁件残余变形。方法通过建立激光金属沉积TC4钛合金三维顺序耦合有限元模型,来模拟不同分区尺寸和分区间跳转顺序下短梁件的成形过程,研究成形过程温度场的演变和不同分区扫描策略下成形件短梁件的总变形和z向变形。结果不同分区扫描策略下成形短梁件和基板的变形趋势相同,均为面向热源的翘曲变形;与分6个子区域和8个子区域相比,每层分16个子区域扫描成形的短梁件残余变形最小,且较6分区减小了约12%;顺序扫描、对角扫描和向外扫描3种分区间跳转顺序下成形的短梁件残余变形相差不大。结论随着分区尺寸的减小,激光金属沉积短梁件的残余变形逐渐减小,每层分16个子区域,从中间往两侧向外成形的分区扫描策略成形得到的短梁件残余变形最小。

分区扫描对激光沉积成形钛合金T型接头温度场与应力场的影响

从分区扫描可以有效降低激光沉积成形大尺寸结构残余应力的工程经验出发,采用热弹塑性有限元理论,建立可以模拟成形过程温度场与应力场的有限元模型,研究不同分区扫描方式对激光沉积成形钛合金T型接头温度/应力演变过程、监测点热循环曲线以及残余应力的影响。结果表明:热应力与残余应力最大值均出现在T型接头上缘条与基板接触的4个外角点上,与分区扫描方式无关;分区扫描对T型接头外角点与短边外面中点影响较小,对于内部节点、内角点与长边外面中点的热循环曲线及热应力曲线有一定的影响;分区扫描对残余应力分布影响较大,尤其是对沿指定截面残余应力分布规律与最大残余应力幅值有显著的影响。

激光沉积成形分区环形扫描路径生成算法

为减小激光沉积成形层温度梯度及制件残余应力,结合激光沉积成形金属薄壁件结构的特点,进行了分区环形扫描验证性实验,实验结果表明:采用分区环形扫描路径,可有效减小成形件的残余应力。提出了一种分区环形扫描路径生成算法。为避免扫描线过长引起的翘曲变形,结合激光沉积成形扫描线极限长度,提出了一种基于扫描线极限长度阈值内极值点搜索的分区算法,对独立轮廓组进行分区;针对薄壁件壁厚多变的结构特点,依据壁厚判断的扫描方式优选准则,采用中线扫描与环形扫描相结合的算法,生成分区自适应环形扫描路径;同时为避免扫描环间过渡区的过熔覆,采用端点偏置算法实现扫描环间的平滑过渡连接;最后为减小层面温度梯度和制件残余应力,提出一种基于四色定理的分区扫描顺序优化算法。