一种低功率实现高表面质量的细丝增材制造试验研究

针对在轨制造功率约束与金属增材成形高能量输入的矛盾问题,提出一种激光焦耳复合热源金属细丝增材制造工艺,激光功率仅约50 W,成功制造了宽高比高达40的薄壁结构,使用焦耳热加热丝材可以大大减少激光的功率,从而控制总的热输入,并对成形过程进行有效的热量管理,引入热阻概念进行递变参数优化的方法,有效减小了增材制造特有的台阶效应,成形件表面质量好,表面粗糙度Ra小于5 μm,优于激光选区熔融（Selective laser melting,SLM）工艺,同时,成形件无气孔和裂纹等缺陷,成形件的抗拉强度、致密度以及硬度分布等性能指标,也很接近制造原材料。结果表明,该激光焦耳细丝沉积（Laser Joule fine wire deposition,LJ-FWD）工艺,可以成为高表面质量零件增材制造的一个有吸引力方案,特别适合应用于太空在轨增材制造的快速成形。     

电弧增材制造与铣削复合加工系统与工艺研究

针对目前电弧增材制造过程中存在的设备成本高和零件成形效果较差等问题,设计出一种电弧增材制造与铣削的复合加工系统与工艺。该工艺结合了电弧增材制造和铣削加工的特点,通过对成形工艺和机械运动的研究,有效地避免了干涉问题。同时,采用自主开发的专用软件对路径规划和焊接参数进行控制,简化了机械运动的控制方法。实例分析表明,该系统能够很好地实现复合铣削的电弧增材制造,为提高零件增材制造效率和成形质量提供了一种新的有效途径,验证了该项工艺技术的可行性和有效性。     

中空激光光内送粉熔池温度控制研究

在激光增材制造过程中,熔池温度的稳定性是表征加工过程稳定性的一个重要指标.设计一套控制熔池温度的闭环反馈系统,以达到控制熔池温度,提高成形件质量.基于C#编程软件实现了温度信号的传递,采用PID控制算法设计了温度控制器.实验结果表明,此系统能实时、准确地实现熔池温度的闭环控制,能够有效消除直壁墙熔覆过程中因热累积而造成的“蘑菇云”现象,且成形件几何精度有显著提高,各处显微组织差异较小,组织致密均匀.     

浅析CMT技术在铝合金电弧增材制造中的应用

随着近些年科学技术不断进步,越来越多的先进制造工艺与技术在轻合金材料制造领域得到应用。铝合金材料及技术目前已经取得较好发展成果,相应的增材制造技术也备受关注。CMT是一种新型焊接工艺,具有弧长控制精确、飞溅少以及热输入量小等特点,非常适合低熔点金属,特别是铝合金增材制造,是近些年国内外研究的焦点之一。基于此,从当前国内外研究方向着手,对CMT工艺、送丝速度以及焊接速度等参数对成形件的影响进行分析,概述CMT电弧铝合金增材制造时的气孔缺陷、组织性能及尺寸控制等内容。最终可知,CMT技术在铝合金电弧增材制造方面仍然有待进一步研究,从而实现在现代制造业领域的加速发展。     

电弧增材制造2319铝合金交叉桁条结构微观组织与拉伸性能研究

电弧增材制造具有材料利用率高、制造效率高、制造成本低等优势,适合制造大型复杂航空薄壁构件。目前,交叉桁条结构电弧增材制造的路径规划、成形形貌控制、组织性能差异性等方面缺乏系统研究。针对交叉桁条结构提出了一种新的分层切片及路径规划方法,解决了桁条交叉区域余高过大导致的制造精度不足问题。开展了电弧增材制造2319铝合金交叉桁条不同区域的晶粒形态、元素分布、拉伸性能、断口形貌等检测与分析,结果表明,电弧增材制造2319铝合金交叉桁条结构不同区域的晶粒形态及尺寸呈现明显差异,致使桁条顶部的平均抗拉强度值与中部、底部相比高出20%左右。在拉伸断口的韧窝中存在大量θ(Al₂Cu)颗粒相,该非共格析出相增大了晶格畸变能并且提升位错阻力,使晶体滑移难以进行,最终材料的强度显著提高。     

激光熔丝增材制造丝材过渡状态的电磁振动监测方法

提出一种在线监测激光熔丝增材制造中微细丝材(1~2 mm)过渡状态的电磁振动监测方法,建立监测系统的数学模型并研制原型装置。通过设计试验,采用磁性以及非磁性微细丝材对监测系统的振动发生、信号采集等功能进行测试与验证,发现可获得强度显著大于环境噪声的稳定振动信号,证实了监测方法的可行性。基于该装置,开展了激光熔丝增材制造工艺中丝材过渡状态的监测试验研究。结果表明:滴状过渡时,成形中,基板接收到的振动信号低于环境噪声强度(约为-70 d B);而液桥过渡时,可获得清晰的振动信号(强度-67~-62 d B),高于环境噪声强度。综上,采用所研制的原型装置可清晰分辨滴状过渡与液桥过渡这两种典型的丝材过渡状态,能对激光熔丝增材制造工艺的丝材过渡状态进行有效监测。     

电弧熔丝增材制造460 MPa级建筑钢十向节点用药芯丝材的开发及应用

基于Q460钢的名义成分设计了电弧熔丝增材制造建筑钢十向节点专用药芯丝材的成分,制备了药芯丝材并研究了其工艺性能;利用该药芯丝材,采用电弧熔丝增材制造技术制备建筑钢十向节点,研究了其尺寸精度、组织和力学性能。结果表明:试验制备药芯丝材在电弧熔丝增材制造过程中的电弧稳定、飞溅小,堆积金属无裂纹、气孔等缺陷;采用该药芯丝材电弧熔丝增材制造建筑钢十向节点的成形精度符合要求,组织主要由细小铁素体和少量珠光体组成,其拉伸性能、室温和-40℃冲击性能均满足传统Q460钢十向节点的力学性能要求。     

基于激光原位预热的连续纤维增材制造层间强化机理研究

连续纤维复合材料增材制造具有成形自由度高、材料利用率高、模具依赖度低等优点,能够实现复合材料的快速低成本一体化制造,满足航空航天等领域复材构件短周期高性能的成形需求。但基于层层堆积成形原理的连续纤维复合材料制件层间性能较差,在长期使役过程中极易出现分层失效,严重限制其广泛应用。本研究提出了基于激光原位预热的连续纤维增材制造成形方法,通过建立基于“生死单元”技术的有限元仿真模型,揭示了激光预热对增材制造成形温度分布及其演变规律,并通过实验验证了其对改善成形制件层间性能的有效性,最终获得了激光预热的层间强化机理。结果表明,激光预热能够快速加热样件表面温度,促进层间树脂的熔合粘接,并进一步促进成形丝材的重熔浸渍,相较于未经预热样件,激光预热后层间剪切强度最大提升115%。     

增材制造:实现宏微结构一体化制造

增材制造技术是基于分层制造原理发展而来的先进制造技术,是信息技术、新材料技术与制造技术多学科融合发展的产物,是当今世界各制造强国竞相发展的热点技术。基于增材制造材料逐点累积的成形过程,提出宏微结构一体化制造的学术观点。该方法在金属、陶瓷与复合材料的成形制造中有着其他制造方法难以替代的优势,可以实现制造短流程化,并推动大批量制造模式向个性化制造模式发展。列举近年在金属零件定向晶组织制造、光子晶体制造、生物组织器官支架制造方面的研究成果,论述宏微结构一体化增材制造技术的实现方法与工程应用,解决了传统制造技术难以解决的宏微结构一体化制造难题,给制造技术展示出全新的发展前景,为相关学科和产业发展提供有力的制造技术支撑。     

直接能量沉积成形技术质量控制的研究现状

金属增材制造过程中,直接能量沉积成形(DED)技术面临着成形质量较差的问题。在生产加工的各个阶段,基体、粉(或丝)材的温度状态及变化规律都直接影响着成形件的加工质量,探究工艺参数与温度因素之间的规律及影响机理具有重要的作用和意义。在技术应用过程中,不同的加工工艺类型直接决定了工件的加工质量,而能量输入、温度控制、扫描路径、成形形状等工艺参数对成形质量也具有十分重要的影响。因此,开展工艺参数研究、探究成形过程机理,加深对增材制造微观层面的理解,将成为重要的研究内容和发展方向。     

基于磁光成像的低碳钢WAAM成形件表面缺陷检测与分类

针对电弧增材制造(WAAM)成形件表面及亚表面微小缺陷难以检测和识别的问题,结合图像纹理特征和神经网络提出一种基于磁光成像的无损检测方法,实现低碳钢WAAM成形件表面微小缺陷检测和分类。首先对二次表面精加工后的WAAM成形件进行磁化,并使用磁光成像仪获取成形件表面磁光图像作为试验样本,然后对磁光图像进行预处理,用灰度共生矩阵提取每幅图像的能量、熵、对比度和相关性纹理特征,对比分析无缺陷、熔合不良、凹陷和裂纹4种WAAM成形件表面质量纹理特征,最后通过建立的LMBP神经网络模型对成形件表面质量进行分类预测。试验预测结果表明,WAAM成形件表面缺陷检出率为97.33%,表面质量分类准确率可达91.33%,验证了所提方法能够有效检测和识别低碳钢WAAM成形件表面微小缺陷。     

基于视觉信息融合的熔丝成形制造路径在线识别

在能源装备制造领域大型构件多层多道电弧焊接和航空制造领域重要构件电子束熔丝沉积增材制造过程中,迫切需要路径在线识别及实时自动导引技术。然而在熔丝制造过程中,相邻焊道之间的几何差异很小,传统的结构光焊缝识别技术无法适应。为解决该问题,针对多层多道电弧焊和电子束熔丝沉积增材制造两种场景,分别设计基于双侧定向光影与结构光信息融合的视觉检测装置,并进行成形试验。试验结果表明,将双侧定向光源单独点亮时获得的焊缝灰度图像作差时,焊道边界附近呈现明显的"高灰度-低灰度-高灰度"的过渡区域。时域融合处理可以有效消除弧光、飞溅的干扰。提出的定向光影视觉信息与结构光传感信息实时融合处理方法,较之已有基于线结构光信息的焊道识别和自动跟踪系统在某些场合具有更强适应性,为保证成形质量和提高生产效率提供了新的技术途径。     

国外军事强国增材制造技术发展策略分析

正增材制造技术是一种革命性的"数字化制造技术",能够根据三维模型,在计算机控制下直接精确成形构件,解决了传统制造技术难以克服的复杂构件加工难题,被誉为是现代制造技术发展史上的一个重要里程碑。近年来,随着增材制造技术的加速发展,技术日益成熟,应     

丝束同轴冷阴极电子束源研制及其熔丝增材制造适用性研究

为了提高电子束熔丝增材制造的质量和效率，开展了丝束同轴冷阴极电子束源关键技术研究。在分析丝束同轴冷阴极电子束产生机理的基础之上，研究丝束同轴：冷阴极电子枪的结构特点；采用三级AC-DC拓扑结构、加速电源内环-外环闭环控制电路、基于气流量调节的束流闭环控制电路等，研制了丝束同轴冷阴极电子束逆变电源；基于上述技术成果研制出了丝束同轴冷阴极电子束熔丝增材制造样机。对丝束同轴冷阴极电子束源的束流形貌特征、逆变电源输出特性、熔丝成形工艺进行了检测分析，结果表明：与轴侧送丝的热阴极电子束熔丝成形技术相比，采用丝束同轴冷阴极电子束源的熔丝成形设备所制备的试样微观组织得到明显改善，为大型金属结构的熔丝成形提供技术储备。     

激光增材制造过程低碳建模与工艺参数优化

激光增材制造是基于高能激光束快速熔覆金属粉末成形的工艺,其工艺过程时间长、能耗大会导致产生大量碳排放,基于此,系统分析激光增材制造过程的碳排放特性,建立激光增材制造过程碳排放模型;在此基础上,以碳排放、粉末利用率及熔覆质量为优化目标,建立激光增材制造过程工艺参数多目标优化模型,提出一种结合改进非支配排序与人工鱼步长人工鱼群求解算法,解决模型求解后期寻找参数解集盲目性大、目标函数解集均匀性差问题,通过熵权-灰色关联分析综合Pareto最优解集法获取最优工艺参数组合。最后,以LDM4030激光增材制造装备为试验平台进行激光熔覆试验,试验结果表明：该模型及算法可有效降低激光增材制造过程碳排放,提高粉末利用率,保证熔覆质量,为我国激光增材制造装备产业实现碳达峰、碳中和提供一条有效途径。     

5356铝合金过渡端框电弧增材制造及组织与性能

研究电弧熔丝增材制造5356铝合金运载火箭过渡端框工艺,探讨不同热输入与热处理温度对堆积金属组织与性能的影响,增材制造了过渡端框模拟件。结果表明,5356铝合金的显微组织主要为α(Al)相基体与β(Al8Mg5)增强相。增材制造过程中的热输入从113.4 J/mm增加至356.4 J/mm时,5356铝合金中α(Al)相晶界处的粗大β(Al8Mg5)相增多,导致金属抗拉强度、延伸率均显著降低。固溶处理有利于提高5356铝合金的力学性能。固溶处理温度由350℃提高至450℃时,5356铝合金中的α(Al)相晶粒细化,其晶内的细粒状β(Al8Mg5)相增多并呈弥散分布,且α(Al)相晶界处的β(Al8Mg5)相减少,使得细晶强化与沉淀强化效果逐渐显著,5356铝合金强度及韧性提高。根据5356铝合金过渡端框的结构特点,将其划分为底部支撑圆环、环-扇形组、环-加强筋组3个区域依次增材制造。为了减少成形件的变形,改变底部支撑圆环增材制造的起弧位置,环-扇形组采用对称分块成形。对成形的5356铝合金过渡端框模拟件进行三维尺寸测量,结构误差在3.58 mm之内,具有较高的成形精度。     

多机器人协同的五电弧增材制造装备及其应用

电弧增材制造是用于大型复杂金属构件成形的新技术,其制造装备是实现金属构件形性一体化制造的关键.研制了可实现3台机器人协同工作、金属构件形性一体化制造的五电弧增材制造装备,由增材单元、测量单元和减材加工单元等组成.利用RoboTeam软件包实现3台机器人协同工作,在总控单元中开发机器人路径规划软件,分别对3台机器人进行路...     

基于可达域的激光增材制造装备人机界面布局优化研究

由于激光增材制造装备具有多维度信息、多流程、多功能、多对象等人机交互特征,导致其人机交互效率低、舒适安全性差,直接影响制件成形质量的稳定性。基于此,提出一种基于可达域的激光增材制造装备人机界面布局优化方法。依据双手垂直可达域的舒适性划分人机交互界面可达域等级,构建基于可达域的激光增材制造装备人机界面布局优化模型。针对基于域模型构建的多决策变量界面布局模型求解问题,提出一种基于狼群-粒子群算法的混合智能求解算法,将狼群算法的奔走围攻行为机制引入粒子群算法,解决粒子群算法因种群多样性较低而导致计算结果容易陷入局部最优解问题。最后,以LDM4030激光增材制造装备为例,对其人机界面布局进行优化,并进行工效学仿真与眼动试验,结果表明：优化后的人机界面布局在舒适性、安全性以及界面的合理性上都优于原装备的设计,验证了该模型的有效性和可行性。     

5CrNiMo钢表面电弧增材制造梯度结构用药芯丝材的研制及应用

设计了用于5CrNiMo钢表面电弧增材制造梯度结构(打底层、过渡层、硬面层)的3种药芯丝材,研究了基体及梯度层的显微组织、拉伸性能、磨损性能和结合性能,并对发动机高温合金盘用梯度结构模具进行了电弧增材制造。结果表明:3种药芯丝材均具有良好的成形性,不同金属层界面结合良好,结合强度均高于1 000MPa;过渡层和硬面层组织中弥散分布着细小的碳化物;5CrNiMo钢、打底层、过渡层、硬面层的抗拉强度、屈服强度和硬度依次增大,而梯度层的断后伸长率和断面收缩率依次减小;700℃下,硬面层的磨损率较5CrNiMo钢的降低了35.29%,硬面层具有良好的耐高温磨损性能;使用设计的药芯丝材电弧增材制造的高温合金盘用梯度结构模具的使用寿命为单一5CrNiMo钢模具的4倍以上。     

电弧填丝增材制造的宽度尺寸建模及分析

基于二次回归通用旋转组合试验,设计了单道多层直壁体的等离子弧填丝增材制造试验,建立了电弧增材制造堆覆层宽度关于堆覆电流、堆覆速度以及送丝速度的二次回归模型,有效预测了堆覆层宽度。试验结果表明,上述3个参数对堆覆层宽度的影响为堆覆速度最大,堆覆电流次之,送丝速度对堆覆层宽度的影响最小;不考虑送丝速度的影响,堆覆电流与堆覆速度相互作用下对堆覆层宽度的影响大小为:大电流(134 A~140 A)低堆覆速度(20 cm·min~(-1)~24 cm·min~(-1))小电流(110 A~116 A)高堆覆速度(36 cm·min~(-1)~40 cm·min~(-1))大电流(116 A~134A)高堆覆速度和小电流低堆覆速度中等电流与中等堆覆速度(24 cm·min~(-1)~36 cm·min~(-1))。