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图1.1 常用三维点阵结构[4]
(a)Schwartz结构 (b)Diamond结构 (c)Gyroid结构
梯度密度三维晶格点阵结构
激光选区熔化(Selective Laser Melting，SLM)是以三维数字模型为基础，通过将金属材料逐层堆积，采用激光器热源熔化粉末成形出实体构件的新兴增材制造技术[5]。近年来，SLM增材制造技术获得了广泛关注与快速发展，已经开始引发制造业的新一轮技术变革。作为一类典型的数字化制造方式，增材制造技术跨越了虚拟世界与物理世界之间的鸿沟，为复杂三维几何模型到现实产品的转换提供了有力支撑；而数字化设计方法又为增材制造技术提供了形式各样、种类繁多的加工对象[6]。新一代的面向增材制造的创新设计，突破传统的基于模具、切削的限制，进行满足功能需求的结构优化设计，将成为推动传统制造技术变革的最大动力。表1.1为SLM增材制造技术成型金属零件与传统方法在周期与经济指标上的比较，可以看出增材制造技术在加工时间和成本上具有极大的优势[7]。
表1.1 SLM技术与锻造、铸造技术比较(航空领域盘形零件)[8]
加工方法 SLM增材制造 锻造 铸造
材料利用率 4/5 <1/10 1/5
设计修改时间 1~2天 6个月 3个月
加工循环周期 1~2天 4个月 6~12个月
损耗 保护气体 模具 模具
费用 低 高 中
返修率 低 低 高
尽管如此，SLM增材制造技术难以实现任意形态三维零件的加工质量的一致性。不同的零件区域、不同的零件结构形态、不同种类的金属材料在SLM成形过程中的熔化状态、累积的加工应力各不相同。尤其对于梯度密度晶格曲面这类复杂的三维点阵结构，其具有细型杆状、薄壁、悬垂、内曲面等特征，截面面积周长比小，形态分散，且呈周期性、阵列式分布。采用现有的SLM加工工艺，细型杆状、薄壁、悬垂、内曲面等复杂特征将导致内应力积聚、表面粗糙、形变等问题，难以保证加工质量及产品性能要求。因此，针对梯度密度晶格曲面SLM成形工艺的研究有待深入探讨。
本课题拟研究基于激光选区熔化技术的梯度密度晶格曲面成形工艺，目标在于提升晶格曲面的尺寸精度及加工稳定性。由于激光选区熔化技术在零件成型过程中受扫描速度、激光功率等工艺参数的影响[9]，导致得到的零件可能产生开裂、翘曲、变形等问题[10]，这对于较高精度要求的成型零件的影响无疑是巨大的。因此，寻求工艺优化方法就显得尤为关键。另外，由于以往加工的金属零件大部分都是尺寸较大实体零件，其所选用的工艺参数虽然在普遍情形都能适用，但对于本次课题所研究的尺寸较小的晶格结构来说很大可能不适用。而且，由于晶格结构尺寸较小，参数细微的变化就可能会影响最终零件的成型质量。综上所述，通过对晶格结构激光选区熔化技术工艺参数优化的研究并从中得到最优参数，可以为SLM技术的进一步发展提供理论与实践经验参考，对我国航空、模具、国防、医疗等领域的发展具有极大的意义[11]。