激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)直接成型技术是3D打印的前沿技术,其制造原理突破了传统的减材和等材制造的工艺制约,能在很短的时间内实现精密零件及个性化、定制化零件的直接制造。虽然具有以上诸多优势,但是SLM工艺中存在的一些关键问题如飞溅行为、热应力集中和翘曲变形、精度偏低等问题的研究相对较少,关于SLM直接成型结构特征的成型能力的研究则更少。据此,本文在研究SLM直接成型关键工艺的基础上,研究基于SLM的结构特征直接成型能力,主要内容及结论如下:(1)SLM成型过程热物理过程。采用分形理论结合有限元模拟方法预测金属粉末的有效导热系数,并与参考文献中的实验数据进行对比,结果表明预测值与实验值吻合,有限元模型具有较高的精度。分析SLM过程的飞溅行为,将飞溅行为分为两类,其一是液滴飞溅,其二是粉末飞溅,两者都是由于熔池内的金属蒸汽引起。采用高速摄像技术观察飞溅行为,分析工能量输入对飞溅行为强度的影响,发现飞溅颗粒中存在大量的氧化物,说明SLM成型对氧含量非常敏感。最后采用纯净粉末和被飞溅污染的粉末分别进行拉伸力学实验,发现飞溅的存在严重降低了SLM成型件的力学性能。(2)SLM成型过程热余应力和翘曲变形问题。SLM成型热应力产生的原因是较高的温度梯度、细小的晶粒和剧烈的相变。采用X射线衍射方法测量了沿着高度方向和水平方向的应力,分析了后续热循环(Substrate Thermal Cycling,STC)和工艺参数对应力分布的影响。研究发现,能量输入越大,扫描线越长,零件内部残余应力越大,并且零件的两端的热应力最大。由于热应力与SLM零件翘曲变形紧密相关,研究了SLM零件翘曲变形的影响因素,并提出了相应的避免措施。(3)SLM成型结构特征的精度问题。SLM成型过程中的误差来源于设备系统误差和粉末材料致密化过程(此处将其统称为材料收缩)。采用响应曲面法分析了工艺参数(如激光功率、扫描速度、扫描间距和切片层厚)对收缩率的影响,研究发现,SLM成型件在水平方向的收缩率比高度方向的收缩率较小,采用尺寸补偿可极大地提高X/Y/Z三方向的尺寸精度,X/Y方向相对误差可控制在0.4%之内,Z方向相对误差可控制在0.6%之内。(4)典型结构特征的SLM成型能力。提炼机械机构的典型结构特征如薄壁、孔、柱、尖角、球体、高纵横比等并对SLM成型质量进行评估,评估标准包括SLM成型最大和最小尺寸、尺寸误差、表面形貌,并根据以上实验提炼出基于SLM直接成型的结构特征的设计规则。(5)SLM成型免组装机构的关键问题。通过一系列的实验确定了SLM可成型的最小间隙尺寸,并研究了工艺参数对间隙特征的尺寸精度、内表面粗糙度的影响。在减少机构的间隙内部悬垂面的前提下,提出了一种SLM直接成型机构的旋转副、滑动副和球面副的优化设计方法。通过改变机构的组装形态,减少机构所需的支撑结构,降低SLM直接成型机构的难度,并在空间机构上得到验证。