非均质材料零件沉积成形技术研究

论文摘要

随着航空航天技术、生物工程技术、信息技术、微电子技术等尖端技术的迅猛发展，对材料和零件的功能要求也愈来愈高，由单一或均质材料构成的零件已常常难以满足产品对零件的性能要求，而应按零件的最佳使用功能来设计制造零件，以满足零件梯度功能和智能等方面的要求。展望21世纪，具有非均质组织结构与细微机械结构、实现材料组织结构与零件功能和性能的最佳组合的零件，将是科学技术发展的必然需求。由于非均质材料零件的大量需求，非均质材料零件的设计制造成为制造业研究的热点。快速成形技术采用增材制造原理，不需要工具或模具，而能迅速制造出由一种或多种材料构成的、任意复杂形状又具有一定功能的三维实体模型或零件，因此成为非均质材料零件制造的一种重要方法。熔融沉积制造技术是典型的快速成形技术之一，开发熔融沉积制造技术制造非均质材料零件的潜力将具有重大意义。通过改变填充密度与方向角可以得到不同力学性能的零件。借鉴复合材料力学分析方法，从宏观力学和细观力学两个层面来分析零件的力学性能。宏观力学是从假定材料是均质的和只从材料的平均表观性能来研究材料的性能；细观力学是从细观角度检验材料组分之间的相互影响来研究材料的性能。应用层合理论建立了零件的宏观力学模型。根据ABS丝一层构成的特点，引入均匀化理论对一层的结构进行分析，建立了细观力学模型。对各种喷射技术进行了比较，选用了连续喷射方式的螺旋挤压式作为成形系统的喷射方式。在分析ABS丝各部分构成作用的基础上，从粘性和弹性两个方面研究了熔融态ABS丝从喷头挤出过程中的流变性能。建立了非均质材料零件的CAD模型。提出了两种支撑自动生成算法。采用基于实体模型的直接分层技术和自适应分层技术进行分层处理。通过非均匀填充实现了非均质零件的制造，阐述了不同填充方式以及路径规划对填充效率、填充精度等的影响。建立了适于非均质材料零件的CLI模型。根据非均质材料零件沉积制造的功能要求，设计制造了X-Y轴联动，Z轴上下运动的机电一体化系统。构建了由工业控制计算机和开放性良好的PMAC多轴运动控制器组成的双CPU控制系统，采用稳定性好的半闭环控制方式，同时该系统具有良好的电磁兼容性。提出了具有良好动态特性的复合PID与串级控制相结合的控制策略。调节并设定了系统的控制参数。应用激光干涉仪对系统进行了标定，通过间隙补偿和丝杠补偿提高了系统的定位精度。

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摘要

Abstract

1 绪论

1.1 选题的背景

1.1.1 课题的提出

1.1.2 课题的来源

1.2 非均质材料零件的应用及需求状况

1.3 非均质材料零件的制备方法

1.3.1 气相沉积法

1.3.2 粉末冶金法

1.3.3 等离子喷涂法

1.3.4 自蔓延高温合成

1.3.5 聚合物梯度材料的制备方法

1.3.6 发泡法

1.3.7 快速成形法

1.3.7.1 快速成形技术的原理及特点

1.3.7.2 快速成形技术的分类及典型的快速成形工艺

1.3.7.3 快速成形技术制造非均质材料零件的研究状况

1.4 课题的研究目的与意义

1.5 本文的主要工作

1.5.1 HPDM工艺过程

1.5.2 HPDM工艺的工作原理

1.5.3 本文的主要研究内容

2.HPDM件力学模型建立

2.1 引言

2.2 HPDM件的宏观力学性能

2.2.1 坐标系统

2.2.2 特殊正交层的刚度矩阵

2.2.3 广义的正交各向异性层的刚度矩阵

2.2.4 多层HPDM件的力学性能

2.2.5 对称HPDM件

2.2.5.1 多层特殊正交各向异性层组成的对称HPDM件

2.2.5.2 多层一般正交各向异性层组成的对称HPDM件

2.2.6 对称HPDM件平均工程常数的计算

2.2.7 HPDM件宏观力学性能计算步骤

2.3 HPDM件的细观力学性能

2.3.1 均匀化理论

2.3.2 HPDM件的空隙率

2.3.3 代表性体积元

2.3.4 一层的经向弹性模量

2.3.5 一层的纬向和剪切弹性模量

2.3.6 讨论

2.4 结论

3 喷射技术及ABS丝的流变特性

3.1 HPDM工艺材料

3.2 喷射技术

3.3 ABS树脂熔体的流变性能

3.3.1 ABS树脂熔体的粘度及在喷嘴中的流量

3.3.2 ABS树脂熔体流动中的弹性效应

3.4 本章小结

4 HPDM工艺的信息处理研究

4.1 非均质材料零件的CAD模型

4.2 非均质材料零件的支撑生成与分层处理

4.3 非均质材料零件制造的填充方式

4.4 CLI文件模型

4.5 数控代码的生成

4.6 本章小结

5 非均质材料零件沉积成形实验系统的研究

5.1 系统总体设计方案

5.2 机械系统的设计

5.3 控制系统

5.3.1 开放式数控系统概述

5.3.2 PMAC运动控制器与IPC机构成的双CPU系统

5.3.3 控制系统总体结构

5.3.4 控制系统的电磁兼容技术

5.4 HPDM成形系统的复合PID串级控制

5.4.1 串级控制系统的设计

5.4.2 复合控制系统的研究

5.5 主控制环的控制算法研究

5.6 复合PID串级控制参数的整定

5.6.1 PID参数整定

5.6.2 前馈控制参数整定

5.7 系统精度的检测与补偿

5.7.1 定位精度和重复定位精度的计算方法

5.7.2 系统的精度检测与补偿

5.8 本章小结

6 HPDM工艺试验研究

6.1 HPDM工艺丝的截面形状与丝宽

6.2 HPDM工艺成形过程及成形件力学性能影响因素分析

6.2.1 HPDM工艺挤出速度影响因素分析

6.2.2 HPDM工艺出丝及结合过程影响因素分析

6.2.3 HPDM工艺参数匹配

6.3 HPDM件力学性能实验

6.3.1 单一丝向的实验

6.3.2 不同丝向对称层合试件的测试

6.4 例子

6.5 本章小结

结论与展望

参考文献

附录A HPDM实验系统照片

攻读博士学位期间发表学术论文情况

致谢

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