为了在成型过程中, 方便地在零件上按需获得梯度材料成分, 采用了集成同步送粉碰撞混合、锥形聚集混合、气流混合等多重混粉动作的实时混粉方法, 研制成梯度材料激光选区熔化增材制造系统, 并展开了梯度材料成型实验验证, 结合试样照片、显微图像及能谱仪检测, 分析了成型效果。结果表明, 系统可自由按需在水平及垂直方向添加成分渐变材料, 可方便获得具有复杂外形结构的梯度材料零件; 成型件梯度材料区域微区成分分析显示, 各微区内元素平均质量分数离散程度小, 成型过程中每层平均混粉时间10s～15s时, 各微区主要元素变异系数不超0.59, 达到了较好的混合均匀性。该研究为自由制造梯度材料零件提供了新途径。

为解决复杂结构金属梯度材料零件制造技术的难题, 对成分梯度材料零件的激光选区熔化成型方法展开了研究。通过零件梯度设计法结合多组扫描路径数据文件及一个txt格式文件, 实现了成分梯度材料零件增材制造数据的获取; 通过双轴摆动的粉末实时混合均布装置实现了梯度成分粉末的实时混合及均布; 采用柔性清扫回收原理解决激光选区熔化制造梯度材料零件时同层内不同粉末的清理回收问题。利用自主研发的梯度材料零件激光选区熔化成型系统展开了实验验证。获得了4340+CuSn10梯度材料零件, 颜色上呈明显的梯度过渡, 对其前侧面及上表面进行EDS分析, 发现中间3个梯度区域Fe的平均质量百分比在垂直方向分别为4.94%, 36.49%, 59.16%, 在水平方向分别为1288%, 41%, 53.59%, 在不同层之间、同一层不同区域之间均呈梯度变化。该方法可实现成分梯度材料零件自由增材制造, 为该类零件的制造提供了新的选择。

为解决当前激光选区熔化成型过程难以按需在零件上自由布置不同材料的难题, 基于多漏斗供粉+柔性清扫回收粉末原理, 对异质材料零件激光选区熔化增材制造技术展开了研究, 详细探讨了成型机理、粉尘污染防范机制及异质材料数据处理方法。采用CuSn10,4340两种不同的合金材料进行了工艺实验验证。实验表明, 该方法能自由地在不同层间或同层内不同区域按需布置不同的材料; 所得块状异质材料零件的铜合金材料区域Fe元素的平均质量百分含量可控制在2%以下, 钢材料区域Cu元素的平均质量百分含量可控制在1%以下; 成功成型了一个具有复杂外形及微细材料区域特征的异质材料齿轮零件, 零件异质材料区域不受零件复杂外形限制, 可自由按需布置材料, 0.5 mm宽的层内异质材料区域也能被较好地表达出来, 尺寸误差不超过±0.1 mm。该方法可以有效解决激光选区熔化成型过程中异质材料布置的难题, 实现异质材料零件成型。

本文主要研究了孔隙率等参数可控的自动超轻结构化金属零件的增材制造。以方块零件及一个具有复杂外形的零件为研究对象, 分析了面向激光选区熔化工艺的可控超轻结构化零件的孔隙生成效果, 重点探讨了成型工艺对超轻结构化零件孔隙率的影响。结果显示: 通过计算机数值计算, 可将方块CAD模型快速自动转化为可控超轻结构化模型, 计算孔隙率误差可控制在±2%以内; 激光深穿透现象会导致带悬垂面内壁的壁厚增加, 所引起的孔隙率误差值为负值, 且计算孔隙率越大, 负值倾向越严重; 而成型工艺性不致密导致的孔隙率误差为正值, 且在相同工艺条件下, 计算孔隙率越大, 该误差值越小。故为使总孔隙率误差能较好地反映超轻结构网格孔隙的控制精度, 应提高成型时实体部分的致密性。按45%设定孔隙率成功地将具有复杂结构的零件转化为计算孔隙率为44.62%的超轻结构化模型, 采用高致密性激光选区熔化工艺成型后, 实测孔隙率为42.94%, 无悬垂面的内壁壁厚误差≤0.06 mm, 达到了较好的超轻结构控制效果。

为解决金属超轻结构零件设计技术复杂、设计周期长、难添加蒙皮进行增材制造等难题, 提出一种基于激光选区熔化增材制造工艺的金属零件自动超轻结构化设计方法: 根据激光选区熔化工艺特点, 编制程序将原始零件CAD模型自动转化为设定孔隙率的带蒙皮类蜂窝状超轻结构零件模型, 且其数据可直接驱动设备实现零件增材制造。研究了带蒙皮超轻结构的构造形式及设计方法; 探讨了合适的成型棱长及合理蒙皮结构形式; 成功实现复杂零件自动带蒙皮超轻结构化设计及增材制造, 所得零件孔隙率误差2.79%,表明能较准确按预期减重。该方法能根据原始零件CAD模型自动、快速地构建带蒙皮金属超轻结构零件模型, 大大减轻该类零件设计负担及提高其实用性。

针对具有复杂结构的全密度功能性金属零件快速制造难题，探讨了该类零件的选区激光熔化直接快速制造方法，并结合实验，重点对同步保证选区激光熔化快速制造金属零件成型密度及精度的工艺进行了研究。结果表明：同步消除球化、飞溅及气孔对成型件致密性及精度的影响是实现选区激光熔化快速制造全密度功能性复杂金属零件的难点及关键；在维持良好的抗氧化气氛条件下，可采用尽可能薄的铺粉厚度及恰当调节其它成型参数的方法，以保证对上一层有足够的重熔量来消除球化及气孔现象;同时，采用合适的扫描策略，可弱化飞溅对成型质量的影响来解决工艺难题。采用该工艺方案可快速制造全密度功能性复杂金属零件，所成型的316L不锈钢叶轮零件相对密度为99.8%，硬度为HB192，表面粗糙度约为40 μm，尺寸精度在±0.1 mm以内，稍经打磨后即可投入使用。

随着快速成型技术的进步，其研究热点转变到快速直接制造金属功能零件方面，应用范围也拓展到航空航天、医疗、汽车、模具等领域。针对选区激光熔化(SLM)技术更适合精密小批量金属零件的快速制造等特点，结合华南理工大学在该技术方面的研究进展，研究讨论了成型材料、成型工艺与过程控制、应用及其影响因素等，并对SLM技术现状、存在问题和发展趋势进行了分析。

为了通过选区激光熔化技术直接快速成型高致密度及高表面质量零件，采用正交试验对316L不锈钢粉末进行了光纤激光选区熔化成型研究，分析了正交实验中存在的扫描线间搭接缺陷及零件外边凸起缺陷，随后“层间错开”扫描策略因为更好的扫描线间润湿效果及成型效率而被应用于实验中，进行扫描线间搭接情况及层间熔接情况显微观察。层间层内扫描线具有良好的冶金结合，孔隙率大大减少，获得了高致密化的成型效果；使用优化的工艺参量与扫描策略成型具有空间曲面的个性化手术模板，硬度与致密度分别达HV0.3 250和95.8%。结果表明，层间扫描策略对选区激光熔化技术直接成型金属零件成型效果良好。

采用自行研制的光纤激光选区熔化快速成型设备, 研究了选区激光熔化316L不锈钢粉末工艺参数、能量输入与样件致密度、表面形貌之间的关系以及微观组织特征。结果表明：扫描速度对成型效果影响最为显著; 样件致密度随着激光能量密度提高有逐渐增大的趋势; 能量密度作为选区激光熔化工艺的技术指标具有可操作性; 表面形貌由激光功率与扫描速度比值所决定。深入探讨了能量输入、熔化凝固行为、激光功率与扫描速度比值与样件致密度、表面形貌的关系。结果表明：选区激光熔化凝固组织层内、层间熔合处为弧形, 且为冶金结合, 金相组织主要由柱状晶与等轴晶组成, 层内靠近熔合线周围是柱状晶, 而层间靠近熔合线附近主要是细小等轴晶, 晶粒直径为1 μm左右。

为满足手术模板对快速成型、精确定位和个性化的要求，基于逆向工程结合正向建模设计和选区激光熔化快速成型技术提出了一种全数字化设计、制造金属质个性化手术模板的方法。分析了手术模板的医学需求，从成型方式以及扫描策略两方面提出缩减成型时间、减轻成型件重量以及减少热变形的方案。分别研究了致密态成型和非致密态成型两种工艺，其中非致密态成型采用高扫描速度实现，成型过程采用邻层互错、正交及分区扫描策略。利用上述方法，成功设计了一套手术模板，并分别利用致密态以及非致密态两种方式对模板成型。结果表明，模板尺寸精度达±0.5 mm；另外，与致密态成型方式相比，非致密态方式的成型时间减少了43.3%，模板重量减轻了18%。该方法成型的手术模板已成功应用于临床。