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。

对金属零件激光成形过程闭环控制系统中, 熔覆宽度的检测技术进行了研究, 提出了一种基于卡尔曼滤波技术的熔覆宽度检测方法。利用视觉传感系统获取激光加工过程中的熔池图像, 经过图像处理与图像标定求熔覆宽度作为参量建立系统状态方程和测量方程, 应用卡尔曼滤波算法对图像上的熔宽和熔宽变化进行状态估计, 得到最小均方差条件下的熔覆宽度最佳预测值, 从而减小过程噪声和测量噪声引起的熔覆宽度测量偏差, 测量平均误差由0.028 mm降为0.009 3 mm,实现加工过程熔覆宽度的精确检测。实验结果证明: 将卡尔曼滤波技术应用到熔覆宽度检测过程中可以大大提高熔宽检测精度。

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。

为提高快速制造金属零件的效率,同时保证零件具有良好精度及一定的力学性能,提出一种基于选区激光熔化技术的变密度快速制造工艺:将零件分为壳体区及内部填充区两个成型区域,壳体区采用致密态工艺成型,内部填充区采用非致密态工艺成型。分析了非致密态组织与致密态组织之间的过渡工艺条件:通过调整工艺参数控制对固体基础的熔化量,可实现非致密态组织与致密态组织的切换。采用316 L不锈钢粉进行的成型实验表明,采用变密度制造工艺,相对于仅采用致密态成型工艺,成型效率大幅提高,成型件重量大大减轻,且合理设置壳体厚度后,成型件可获得足够硬度;对尺寸较大的零件,还能明显改善成型精度。

介绍了快速原型制造技术的发展状况以及目前世界上激光直接制造金属零件的两种主要方法,并指出了激光直接制造金属零件的最新进展以及未来发展趋势。

为了研究光纤激光在选区激光熔化直接成型316L不锈钢精密零件中的应用,采用扩束镜及f-θ透镜,将光纤激光在成型系统工作面上聚集成30μm~50μm左右的细微聚焦光束;通过分析离焦量、扫描速度、激光功率、扫描路径对比成型实验,获得了激光光斑直径、扫描速度、激光功率等工艺参量及扫描路径对成型精度的影响关系。结果表明,通过优化工艺参量及扫描路径,可成功成型壁厚达0.1mm的316L不锈钢精密零件。