面向免组装机构的数字化设计与激光快速制造基础研究

This project aims to research the fundamental issues during direct manufacturing of non-assembly mechanisms by laser rapid prototyping, including digital design and assembly, material and process. Design of non-assembly mechanism for laser rapid prototyping is introduced to explore the design of components, the assembly of functional mechanism, the design of clearance, the selection of assembly angle and the needed software. The Selective Lase Melting (SLM) and the metal or non-metal materials for non-assembly mechanisms are then studied. The selective laser melting mechanism of single material and multiple materials are analysed respectively, especially the key technologies for multiple materials. Apart from the above issues, the process of laser direct manufacturing of non-assembly mechanism is investigated, focused on the laser parameters, powder spreading parameters, scanning strategy, shielding gas, powder initial state and key process issues, such as overhang structure and powder sticking. The direct manufacturing of non-assembly mechanism overturns the conventional design and manufacturing concept. The mechanism can be designed with more design freedom and be manufactured within shorter cycle since it is digitally designed and sequentially directly manufactured by rapid prototyping without post-assembly. This project proposes a new method for rapid manufacturing of mechanisms without real assembly and promotes the development of model design and manufacturing technology of mechanism. It can be expected that this method has an extensive prospect in the fields of aerospace and weaponry, etc.

本项目研究利用激光快速成型技术直接制造免组装机构的基础问题，包括机械机构的数字化设计与组装、材料和成型工艺等方面。探索面向激光快速成型的免组装机械机构的设计方法，包括零件及功能机构设计与装配，装配间隙与装配角度设计，开发相应的软件；研究免组装机构所涉及的金属、非金属粉末材料的选区激光熔化快速成型工艺及其影响因素；探索单种材料和多种材料的激光快速成型机理及多种材料同时成型的关键技术问题；研究免组装机构的激光快速成型直接制造工艺，包括激光工艺参数，粉末铺设参数，扫描策略，保护气体，成型位置摆放，间隙大小以及悬垂结构、粉末粘附等关键工艺问题。本项目提出的免组装机构制造方法突破了传统的设计和制造理念，将机构从零部件制造到装配的传统方法，改变为数字化组装直接快速制造，无须后续组装工序，具有更大的设计自由程度，可以更好地实现功能并缩短制造周期，大力推动现代设计与制造机械机构技术的发展。

免组装机构是机构新概念的创新，所谓的免组装机构不同于传统理念中先单独制造出构成机构的各个零件后再组装过程，而是在计算机中将机构预先组装好后一次性直接成型过程，可免去后续的装配工序。本项目研究机械机构的数字化设计与组装、材料和成型工艺等，探索面向激光快速成型的免组装机械机构的设计方法，开发相应的软件；研究免组装机构所涉及的金属、非金属粉末材料的选区激光熔化成型工艺及其影响因素；探索单种材料和多种材料的激光快速成型机理及多种材料同时成型的关键技术问题；研究免组装机构的激光快速成型直接制造工艺，包括激光工艺参数，粉末铺设参数，扫描策略，保护气体，成型位置摆放，间隙大小以及悬垂结构、粉末粘附等关键工艺问题。.项目组研发了新的激光选区熔化成型设备DiMetal-100A，氧浓度能够降低到0.02%，成型室内能够保证低真空度(10Pa)，经过校正后振镜扫描精度可达到50μm/100mm，透镜透过率达到90%以上，设计了精密惰性气体循环净化系统。研究了功能件的自由结构设计，通过引入间隙特征，建立了免装配机构的设计技巧。深入研究了不锈钢、钛合金、钴铬合金、铝合金、马氏体时效钢和铜合金的成型工艺。分析了不同材料的成型过程可能出现的翘曲变形、挂渣、粘粉、气孔、球化等现象。研究各种缺陷产生的机理，建立工况条件与各种缺陷之间的关系及改进工艺方法。研究成型结构特征的精度，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。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，已经制造出万向节、球型关节、直线运动关节、曲柄滑块机构、曲柄摇杆机构、铜钱算盘等各种类型的免组装机构，目前最小配合间隙达0.1mm。研究了工艺参数对SLM成型的影响，建立了激光功率、扫描速度、与临界成型角度的相互关系。.本项目研究的激光选区熔化直接快速制造免组装机构，可满足一些极端条件的迫切需求，也为航空航天、能源领域提供了一个制造方法的选择。其中特殊功能结构的特种加工与国防安全和高技术发展有着紧密的联系，特别是在航空航天、运输、能源等领域高端产品中，为了满足高温、高压、重载等特殊环境而设计的一类结构，其涉及到复杂、薄壁、大型或微细结构，并多采用高温合金、钛合金、陶瓷等难加工材料，这给给制造技术带来机遇与挑战。