熔融涂覆快速成型件的成型误差分析

熔融涂覆快速成型工艺使用成本低且可靠性高,具有广阔的应用前景。通过分析造成制件成型误差的影响因素,提出了提高成型精度的措施和方法,为熔融涂覆成型过程的整体优化,制作出性能优良的成型件提供重要的依据。

Sn63Pb37单层单道熔融涂覆样件工艺参数-截面尺寸建模与分析

采用Design Expert 8.0.6软件进行单层单道中心组合试验设计,将试验数据处理和回归模型建立有机统一,建立二次回归模型并进行回归方程显著性校验、回归方程拟合度校验及回归系数显著性校验,剔除回归模型方程中不显著变量,确定了工艺参数(涂覆压力、涂覆喷头至基板距离、扫描速度)与形貌特征尺寸回归模型。离线分析工艺参数-形貌特征尺寸二次回归模型,定量研究得到工艺参数对形貌特征尺寸影响规律,为后期深入研究金属熔融涂覆工艺参数及形貌控制提供依据。

预复合热塑性聚氨酯碳纤维束熔融涂覆工艺研究

针对复合材料柔性导向三维织造成形工艺,进行了预复合树脂碳纤维束柔性导向线熔融涂覆工艺研究。选用具有良好柔韧性的热塑性聚氨酯作为树脂材料,4束T300-3k碳纤维束合股作为增强材料,研究了预复合碳纤维树脂线密度随温度和纤维牵引速度的变化规律。研究表明,低速情况下预复合树脂碳纤维束线密度基本不变,孔隙率在205℃以后小于20%且随温度变化很小;当速度提高到临界牵引速度后,预复合树脂纤维束线密度开始下降,但在一定速度范围内预复合的树脂流量变化很小;临界牵引速度随温度升高而增加,但在210℃以后基本稳定在1.9 m/min。因此优化的预复合聚氨酯碳纤维工艺参数是树脂熔融温度在210~220℃,纤维牵引速度在1.9 m/min。

电弧预热铝合金熔融涂覆过程温度场数值分析

为了探究电弧预热铝合金涂覆沉积层内部温度变化及电弧预热参数对沉积形貌的影响,通过数值分析建模研究了电弧预热铝合金涂覆件温度场的演化过程,并对数值计算模型进行了试验验证。结果表明,预热电弧的热输入是沉积层凝固过程中形貌演化与凝固后表面质量的主要影响因素之一,受高温熔道的影响,沉积层横截面糊状区0.1 s前呈中间凹两边高的形态;当峰值电流提高至200 A时,铝合金熔体在基板上充分铺展,得到了较好的沉积层形貌;基板经历二次加热过程,越靠近基板上表面,二次加热时的最高温差越大,其中基板上表面最高温差达250 K。

NiTi形状记忆合金电弧熔融涂覆及微连接机理

NiTi形状记忆合金作为表面涂覆材料,有利于提高构件的耐磨和抗氧化性能。基于非熔化极氩弧焊(Tungsten inert gas welding,TIG)电弧熔融涂覆技术,分别采用常规直流、超高频脉冲(Ultra high-frequency pulsed,UHFP)电流两种模式,在TA1纯钛板表面沉积3层NiTi涂层。基于有限体积法,利用FLUENT建立计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)仿真模型开展熔融涂覆工艺及微连接机理研究,模拟对比了两种电流模式下的熔池传热传质、NiTi熔滴过渡、熔覆涂层及微连接界面的Ni元素传输和分布规律,数值计算和试验结果吻合较好。结果表明,涂层主要由NiTi(B19’)和NiTi_(2)相组成,其中近等原子比的NiTi占主导地位;直流模式下涂层主要为粗糙的球状晶粒,而超高频模式下涂层为细化的树状晶粒,且超高频电流有助于熔池振动和元素均匀分布,并有效提升成形质量。

铝合金熔融涂覆成形喷头内部的流场数值分析

针对金属熔融涂覆成形过程中出口流量难以控制、沉积层尺寸误差较大等问题,对2024铝合金熔体在涂覆喷头内的流场与压力场进行数值分析。涂覆喷头内熔体的速度与压力云图表明,流场突变主要集中在出口狭窄流道内。由于涂覆喷头出口颈缩部位起耗能泄压的作用,在相同条件下当出口直径从0.3 mm增大到0.5 mm时,金属熔体最大速度增加。为保证出口流量的稳定,坩埚内金属熔体上方的气压补偿值应等于液面下降引起的压降。

电弧辅助铝合金熔融涂覆成形过程数值分析

针对金属熔融涂覆成形过程中铝合金铺展不充分的难点以及铝合金对激光吸收率低的问题,设计了惰性气体钨极保护焊电弧辅助预热的成形装置。基于有限差分法,采用Fortran语言自编程与Flow3D软件相结合的方式,分别建立了电弧热源对熔池产生的驱动力的单独作用模型以及耦合分析模型,并阐述了熔池内温度场和流场的演化过程。研究发现,当电流为200A时,熔池内驱动力影响由大到小的排序为表面张力、电弧压力、洛伦兹力、拖曳力、浮力,该结果可为驱动力耦合作用时熔池内部流场方向的演化提供分析基础。对焊接熔池与喷头流出的高温液体之间的传热传质过程进行了计算,发现高温液体在表面张力与分子亲和力的作用下,接触熔池的瞬间快速流进熔池。将数值计算结果与实验结果进行对比得到,熔池的最大宽度及高度误差分别为1.1%、0.6%,热影响区的最大宽度及高度误差分别为9.3%和5.4%,单层单道件的最大宽度和高度误差分别为3.5%及2.1%,表明数值计算模型对成形过程的分析有较高的可信度。

金属熔融涂覆成形薄壁件表面形貌与工艺

针对现有金属增材制造设备昂贵、成形效率低等问题,提出金属熔融涂覆增材制造(MFCAM).以锡铅合金为原料,开展基础工艺实验,研究流量、成形速度和层厚对多层单道成形件表面形貌特征的影响规律.通过统计分析影响因素,提高成形件表面质量,采用显微图像观察,结合波纹度对多层单道试件层间结合状态进行评估.研究结果表明,金属熔融涂覆增材制造成形效率为50mm^3/s,成形件表面波纹度的轮廓算术平均偏差为0.944 8,证明了MFCAM新工艺的可行性及高效性.

粒状熔融材料三维打印成形系统的设计与研究

提出了一种全新的快速成形工艺—粒状熔融材料三维打印成形工艺,阐述了其工作原理。完成了基于办公环境的粒状熔融材料三维打印成形系统的设计,进而分析了研制该系统的关键技术。

金属涂覆堆积层间重熔过程分析与工艺实验研究

针对基于电磁感应为热源的金属涂覆成形方法,对单道多层堆积工艺进行优化。为实现层间冶金结合,建立有限元热分析模型,分析不同涂覆喷头和基板加热温度对层间重熔过程的影响,得到重熔深度随喷头和基板加热温度的变化规律,提高涂覆喷头或基板加热温度均会有效增加最大重熔深度。进行单道多层成形实验,结果表明:层间重熔深度与计算值的误差在18.7%以内,当最大重熔深度在(0.2~0.3)mm时层间结合质量较好。

基于图像反馈的涂覆成形形貌控制方法研究

成形层形貌的稳定性是影响最终样件外形质量的关键问题之一,研究成形过程与成形形貌的控制方法对实现金属熔融涂覆高效、稳定成形具有重要意义。为提高金属熔融涂覆增材制造成形单层单道成形质量和精度,提出一种基于图像反馈的形貌控制方法。通过CCD对成形过程进行实时图像采集,提取成形过程形貌特征,分析熔融涂覆成形单层单道宽度特征历程,研究不同帧间特征宽度相对差异ΔW与运动速度协同关系。基于Delphi&Halcon软件平台,开发了金属熔融涂覆增材制造可视化主动控制系统,将成形过程中监测数据与工艺参数设定结合,开展实验对系统响应速度、精度进行实验验证。研究结果表明此系统对成形样件形貌有显著改善,极大提高了单道宽度平滑性,宽度一致性平均提高幅度达55.16%。

石英玻璃光纤金属涂层在线制备工艺

金属涂层光纤较传统有机涂层光纤具有高热稳定性、抗振动干扰等显著优势,但金属涂层光纤的连续在线制备技术在国内仍处于探索研发阶段,这也直接导致金属涂层光纤无法大批量连续生产,一定程度制约了我国高功率光纤激光器的飞速发展。提出并研制了一种基于熔融金属冷凝涂覆法的金属涂层光纤在线制备装置,经与光纤拉丝塔耦合,能够实现边拉丝边涂覆金属,并且涂层厚度可控。基于该工艺成功拉制了涂层均匀、涂层表面质量良好、直径稳定的铝涂层光纤。通过实验和模拟计算,探讨了影响光纤金属涂覆层质量的影响因素,主要包括了光纤入口温度、液铝温度、模具孔径、接触距离等。通过研究,确定了最佳铝液温度为663~690℃,且发现涂覆厚度与铝液温度的线性递减关系;计算了拉丝速度与冷却距离的关系;给出了陶瓷上下模具螺丝的孔径大小、光纤与液态铝接触深度的最佳值。研究成果为金属涂覆光纤的批量生产问题提供了解决方案,为打破国际技术垄断奠定了基础。