液压系统是航天设备的主要动力组成,随着设备集成度越来越高,对液压系统轻量化、集成化提出了更高的要求。其中液压阀块是液压系统的重要组成元件,传统设计结构多以直孔交叉形式实现流道连通,导致设计局限大,工艺孔道多,生产加工困难,同时材料利用率低,浪费严重。采用面向增材制造(Design for Additive Manufacturing,DFAM)的设计思维,对液压阀块进行轻量化集成优化设计,通过取消工艺孔道、流道直通、自支撑设计、降低无效材料使用等手段,实现阀块高自由度、轻量化、集成化设计,并通过增材制造的方式实现,为航天设备拓展增材制造使用提供有益借鉴。

为了解决增材制造过程中因为倾角小于临界值,造成倾斜结构无法直接打印的问题,提出一种适应增材制造构件倾角约束的拓扑优化方法,该方法建立了一种新的单元密度更新迭代规则,规定每个单元的可打印密度与相应支撑区域内单元的可打印密度之间的关系。将该迭代规则应用于拓扑优化方法中,优化得到的结果能直接进行增材制造,无需其他处理。以MBB梁和悬臂梁为例,定义不同的基底方向,拓扑出相应的构型,并对构型进行模型重构,测量典型的倾角大小。结果表明所提出的方法能够约束构型的倾角,实现在不添加附加支撑的情况下进行打印。

以六自由度串联机械臂为优化设计对象,从材料轻量化和结构轻量化两个方面进行轻量化设计。首先,在极限工况下分别对以铝合金和3D打印塑胶为材料的机械臂进行探索性拓扑优化,并基于结果对比分析,选择3D打印塑胶材料作为机械臂的设计材料;然后,在满足刚度与强度要求的条件下,针对两种极限工况依次采用尺寸优化、拓扑优化方法对以3D打印塑胶为设计材料的机械臂进行轻量化设计;最后对其进行几何重构和仿真验证。结果表明轻量化设计后的机械臂满足刚度、强度要求,质量减轻26.5%,实现了轻量化目标。

针对碳纤维增强金属基复合材料增材制造过程中,由于纤维与金属基体间的结合强度较差,从而影响复合材料物理性能的问题,开展碳纤维表面改性工艺研究。首先采用高温煅烧的方法,对碳纤维进行表面有机胶膜去除和氧化处理,然后将处理后的碳纤维置入电镀溶液中进行表面镀铜,并采用计算碳纤维质量损失率和SEM观察的方法,对改性处理结果进行对比分析。研究结果表明通过合理调控煅烧温度、煅烧时间、电镀电压,可以有效去除碳纤维表面的有机胶膜,增强纤维表面活性,并在纤维表面形成连续且均匀的铜镀层,为复合材料增材制造过程中碳纤维与金属基体间的有效结合提供研究基础。

针对FDM 3D打印中模型打印完成后平台与模型难以分离的问题,运用TRIZ理论对3D打印平台进行创新优化设计。首先利用TRIZ工具对3D打印结束后模型难以完好取出的现象进行问题描述;通过TRIZ理论中功能组件分析、因果链分析等工具剖析模型难取的原因;然后借助TRIZ理论中技术矛盾、物理矛盾、矛盾矩阵、分离原理等创新工具,最终创造性地设计出4种克服模型难取问题的3D打印平台,为3D打印平台的创新设计提供了新的方向。

增材制造路径对于成型质量、打印效率等具有重要影响。针对由多重因素造成的增材制造路径选择困难等问题,提出基于层次分析法的增材制造路径选择方法。通过调研得到17个主要评价指标,剔除耦合指标后归类为6大子指标,构建增材制造路径评价指标体系;以成型性能、开发性能、应用性能为主要指标,以常见的6种增材制造路径为备选方案,构建具有双层指标的增材制造路径选择层次模型,应用层次分析法相对权数计算的层位传递原理,对路径选择的多层判断矩阵进行一致性检验,确定备选增材制造路径方案总排序。分析结果显示分形路径综合性能最佳。

轨迹规划技术在复合材料熔丝挤出成形中非常关键,合理的轨迹可以提高增材制造成形零件的表面质量和强度。针对复合材料熔丝挤出成形的特点,结合多种路径规划算法,提出一种复合路径填充算法。引入NURBS曲线生成轮廓偏置路径,以保持切片轮廓的精度;在切片层的内部区域生成Zigzag填充路径,并在路径转折处进行圆弧优化,减少了约85%空行程,提高了成形效率;然后,基于生成的路径构建时间分析数学模型,以提前对整个制造过程所需的总体时间进行预估及分析,达到对制造过程的前馈控制;最后,使用复合路径填充算法对典型结构体进行模拟制造,相较传统算法减少了28.3%~36.2%制造时间,提高了制造效率。

金属增材制造技术作为先进制造技术的一个重要发展方向,受到了制造业的广泛关注。主要从原理、特点、发展和实际应用方面,分别介绍基于激光、电子束以及电弧的金属增材制造技术,指出该技术现阶段存在的问题和未来研究方向。

在原有的金属微喷熔滴沉积成型的基础上,根据成型工艺原有的成型精度低、热变形大、成型质量一致性差等缺陷,结合电磁铸造工艺,提出一种新型的金属微喷熔滴电磁约束沉积成型3D增材制造方法。新方法通过改变金属熔滴的形貌,使熔滴搭接空隙减小。研究了金属微喷熔滴在小空间、大场强、大时间温度梯度环境下的电磁场约束流体流动行为。采用水平集方法追踪金属熔滴与空气的自由界面,分析了在外加电磁场作用下,金属熔滴的内部流动和外部形变的影响因素。

针对现有金属增材制造设备昂贵、成形效率低等问题,提出金属熔融涂覆增材制造(MFCAM).以锡铅合金为原料,开展基础工艺实验,研究流量、成形速度和层厚对多层单道成形件表面形貌特征的影响规律.通过统计分析影响因素,提高成形件表面质量,采用显微图像观察,结合波纹度对多层单道试件层间结合状态进行评估.研究结果表明,金属熔融涂覆增材制造成形效率为50mm~3/s,成形件表面波纹度的轮廓算术平均偏差为0.944 8,证明了MFCAM新工艺的可行性及高效性.