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。