等离子熔积制造功能梯度材料零件成形路径规划基础研究

摘要

等离子熔积制造（Plasma Deposition Manufacturing）是一种基于快速原型制造技术、利用高能等离子束直接快速制造具有满密度、高强度功能性金属零件的新技术。它具有成形效率高、成本低、加工柔性大、成形粉末材质种类和制件规格限制小等优点。
　　 快速成型制造技术独有的增材制造工艺特点和几何与材料分布一次成形的特点使其成为功能梯度材料（FGM）零件的一种有前途的制造方法。本文研究的等离子熔积直接制造功能梯度材料零件的方法充分结合了快速原型技术、CAD/CAM技术、数控技术以及功能梯度材料制造技术，是一种创形创质并行制造方法，不仅考虑成型性，而且考虑产品的功能性，可以直接制造出具有任意复杂内部结构和特殊功能的零件。它将材料的设计和零件的制造统一起来，不仅可以实现同一切片层上不同的材料成分和复杂结构，而且不同切片层上的组分和结构形式可以任意变化，使得具有复杂材料结构、高性能零件制造成为可能。
　　 本文在STL实体模型的基础上研究了以回转表面为基体的金属零件直接成型技术的基本理论。为实现基于回转表面的金属零件直接成型加工，在等离子熔积制造设备中引入数控转台，并推导了基于圆柱面分层的STL模型分层算法和扫描轨迹生成算法。基于该分层算法，开发了用于回转表面金属零件直接成型加工的数据处理软件和等离子熔积加工数控代码生成软件，并且进行了金属零件直接成型加工实验。
　　 本文对功能梯度材料（FGM）零件的实体建模、数据表达与处理以及成形工艺进行了研究。在此基础上，提出了一种新的基于层片数据的等成分轮廓线/面的FGM实体模型表达与制造工艺规划方法，该方法能够精确描述零件的几何与材料分布信息，可以表达复杂形状零件的梯度分布。在该模型中，将材料信息与零件几何模型分层后得到的层片文件相关联，之后在层片内将连续材料分布离散成等成分轮廓线/面，以等成分轮廓线/面为单元进行路径规划。面向等离子熔积制造FGM零件的成形工艺，验证了此FGM模型用于等离子熔积直接成形路径规划的可行性和有效性。