多激光束并行打印需要对当前打印层进行分区扫描。分区扫描策略对激光选区熔化制造成形件的表面质量、残余应力与变形量、力学性能有着很重要的影响。通过分析传统分区扫描策略的局限性,本文提出一种三角波条带扫描策略,利用实验对比分析了三角波条带扫描策略和传统的条带和棋盘分区扫描策略打印的316L不锈钢样品的致密度、残余应力与变形量、拉伸强度、维氏硬度和表面搭接区成形质量。结果表明,三角波条带扫描策略改善了搭接区质量,提高了试样的拉伸强度与维氏硬度,316L不锈钢样品的致密度达99.74%。因此,三角波条带扫描策略有利于改善激光选区熔化成形质量,为多激光束并行打印提供了一种新思路。

为解决激光增材制造中由于温度分布不均匀而导致的成形件的变形、开裂等问题,本文提出了一种基于特征区域的分区扫描策略。利用ANSYS模拟了L型与T字型这两种特征区域的沉积制造过程,分析了不同扫描起点位置对特征区域温度场分布和基材节点热循环的影响,得到了这两种特征区域的最佳扫描起点位置。在此基础上,模拟了三种基于特征区域的跳转扫描顺序沉积成形件的过程,得到了不同跳转扫描顺序下成形件的温度与应力分布,并通过热电偶测温与基材翘曲变形实验对模拟结果进行验证,实验结果与模拟结果相吻合。研究结果表明,基于特征区域的最大跨距跳转扫描策略可使沉积制造过程中基材的温度分布更均匀,成形件应力与变形量更小,有利于提高成形件的尺寸精度。

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。

为了解决激光选区熔化成型零件时扫描线过长导致的层内累积残余应力过大、易发生翘曲变形和裂纹等问题，提出了一种分区扫描策略。采用S形正交扫描策略和分区扫描策略分别规划了零件扫描路径,实验验证了分区扫描策略的有效性。实验结果表明,采用分区扫描策略能有效降低边界拉应力,减小平面残余应力波动，提高成型件的力学性能。

在利用同轴送粉式激光沉积制造方法成形大型零件时, 扫描方式分为连续扫描和分区扫描, 而连续扫描会导致成形面上的温度梯度分布不均匀, 产生的热应力将引起成形体的挠曲变形, 甚至开裂,最终难以保证制件成形区的平整度。采用分区扫描方式是在矩形分区算法的基础之上进行改进, 提出了区间合并和区域排序的新算法, 对复杂切片轮廓进行矩形裁剪分区, 有效合并, 合理排序, 从而实现了一种有效减小热变形的分区扫描路径规划新方法。通过试验对比结果表明, 采用该算法的分区扫描路径填充的试验样件较采用连续扫描路径填充的试验样件挠曲变形量明显减小, 该方法有效提高了工件的成形质量。

为降低激光沉积制造BT20钛合金薄壁零件中的应力与变形, 研究了激光沉积方式对薄壁零件温度场及基体变形的影响。通过建立薄壁零件三维温度场的有限元模型, 对比分析了连续扫描和分区扫描两种扫描方式下温度场、节点热循环、温度梯度的分布规律。模拟和实验结果表明, 采用连续扫描沉积方式下, 薄壁零件热量累积较大, 温度梯度分布不均匀, 引起基体两端产生较大的挠曲变形; 采用分区扫描沉积方式下, 薄壁零件热量累积显著降低, 温度梯度分布相对均匀, 基体挠曲变形较小。