基于选择性激光熔化的“金刚石晶胞”单元多孔结构设计及优化研究

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多孔点阵结构是一种新型的多功能材料,其内部是由相互贯通的周期性单元网络结构组成,具有相对密度低、比强度高、比表面积高、吸能减震、吸声散热、电磁屏蔽等多功能特性。选择性激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)是3D打印中的一种用于金属直接成型的工艺,其加工方法是通过激光逐层扫描并熔化金属粉末,叠加后得到成型零件,该工艺成型的制件强度高,可直接用于结构件。SLM工艺是成型多孔点阵结构的主要手段,其制件可广泛用于航空、航天、船舶、交通等工业领域。  本文旨在根据SLM技术的工艺特点设计一种具有周期性单元的多孔结构,研究SLM成型该多孔结构工艺特点、微观组织和宏观力学表现。  首先,引入“金刚石晶胞”多孔结构,设计了一种多孔结构。该结构利用本身的各向同性避免SLM逐层制造的悬臂缺陷,设计中将单位晶胞大小、杆径、杆间优化半径作为该多孔结构的设计参数,并通过改变杆间优化半径进一步改善了结构的力学性能。  其次,通过吹吸烟工艺实验,提高成型件的致密度和力学性能,进一步避免多孔结构成型中的组织缩孔现象,以此为基础进一步提高多孔结构的强度。研究发现,采用吹吸烟工艺后,普通拉伸件的极限强度和弹性模量分别提高了3.06%和2.16%。  再次,通过参数化设计模型得到不同杆径和不同杆间优化半径大小的三维模型,针对各个模型进行体积分数、比表面积测算,接着通过SLM设备成型上述模型,并分析各个模型的成型性,研究表明该多孔结构具有非常优良的成型性,体积分数为1.28%的结构成型良好。另外,由于多孔结构的微小结构有别与该工艺的实体加工,本文针对SLM工艺成型多孔结构的工艺方法做了详细介绍,并采取有效措施避免加工过程中可能出现的加工中断现象。  最后,以多孔结构表面粗糙度为研究对象,解释了SLM工艺粉末粘结的原因;通过力学压缩试验分析对多孔结构进行弹性模量分析和半径优化分析,得到了该多孔结构的优化半径与弹性模量的函数曲线。
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