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摘要熔化极气体保护电弧（Gas Metal Arc, GMA）增材制造（Additive Manufacturing, AM）[1]技术(GMA- AM)的出现和发展为利用异种材料进行仿生结构的三文成型提供了更加简便的制造方法。本论文针对自然界已有的贝壳珍珠层结构[2]进行了分析，并设计了一种软硬交接、分层交错的多层空间结构，利用GMA-AM技术，以 ER50-6 碳钢焊丝和308 不锈钢焊丝为材料，Ar+O2为保护气，选用合适的焊接参数、打印模式进行试样的增材制造。后对试样进行了冲击试验、金相观察、断口分析等研究，发现这种结构对于材料的抗冲击能力、止裂能力均有提高。通过本次试验，探究了利用异种材料进行电弧增材制造过程的焊接参数，行走路线等，实验结果表明利用碳钢、不锈钢进行增材制造的多层交织结构具有良好的抗冲击以及止裂性能。 27593
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毕业论文关键词 GMA- AM 珍珠层结构 异种材料 止裂性能
Title Research on the structure design and process of the robot arc rapid prototyping
Abstract The appearance and development of additive manufacturing technology of gas metal arc provides more convenient methods and possibility to mold dissimilar materials with bio-mimetic structure in three dimensions. The paper analyzes the structure of pearl mussel in nature, and designs a kind of multilayer space structure with the multilayer alternation of hard and soft. The sample is additive manufactured with the technology of GMA-AM, the materials of carbon steel and stainless steel and the shielding gas of Ar and O2, by the appropriate welding parameter and printing model. After the researches of impact test, investigation of fracture and fracture analysis, it is found that the structure improve the shock resistance and the ability of arresting cracks of materials. The experiment studies the welding parameter and track route of art additive manufacture process. The results indicate that the structure of multilayer alternation by additive manufacture with carbon steel and stainless steel has good shock resistance and the ability of arresting cracks. Keywords Additive Manufacturing Technology of Gas Metal Arc Structure of Pearl Mussel Dissimilar Materials The ability of Arresting Cracks
目 次
1 绪论 „ 1
1.1 课题意义 1
1.2 增材制造技术与 GMA-AM 1
1.3 本课题研究内容 „ 3
2 仿生珍珠层三文打印结构 „ 5
2.1 珍珠层结构分析 „ 5
2.2 试样结构设计 6
2.3 本章小结 6
3 多层多道 GMA-AM 成型工艺 7
3.1 实验设备和材料 „ 7
3.2 GMA-AM 成型工艺研究 9
3.3 本章小结 15
4 仿生 GMA-AM 结构的焊后热处理及性能测试 17
4.1 退火处理 17
4.2 冲击试样截取 17
4.3 冲击试验 17
4.4 断口分析 18
4.5 本章小结 19
5 仿生 GMA-AM 结构金相显微结构检测与分析 21
5.1 金相制作 21
5.2 显微结构检测与分析 „ 21
5.3 本章小结 22
结论 23
致谢 24
参考文献 25
1 绪论 1.1 课题意义 在自然界漫长的时间里，生物进化出了很多具有优良性能的结构，这些结构在某些特定功能上，具有非常高的先进性。比如蛛丝结构，其机械强度远高于涤纶等一般的纺织材料，其断裂能比任何纤文都要高，甚至高于KEVLAR 和钢材。又比如竹子的空心圆锥形结构，其横纹抗拉强度较一般圆锥、圆筒结构提高了49.1%，其抗劈开强度提高了128.3%[3.4]。分析发现这些生物结构的化学组成并没有太多特异之处，可见，这些生物结构在不改变其材料组成的情况下仅通过结构的变化就能大幅度提高某些力学性能。这些具有优良特性的生物结构，为人类发明创造出新型的功能性、结构性新材料提供了灵感和思路。但纵观现代金属仿生结构的应用案例，多位大型的外形仿生和大型的支撑结构仿生，而小尺度的仿生内部结构少之又少，原因在于制造的难度。 传统的金属成型工艺以铸造、锻造和切削加工为主，这些手段由于成形工艺的原因很难甚至无法制造出对于金属内部结构具有较高要求的新材料，而增材制造技术（3D打印）的出现在某种程度上解决了这种具有内部复杂结构的金属材料的生产制造问题，但这种技术尚处于开发研究阶段，真正用到该技术进行实际生产的材料不多，原因是增材制造技术生产的产品表面粗糙度、尺寸精度、材料种类和生产成本等问题还有待进一步的优化。但即便如此，增材制造技术的出现对于新型材料的制造，依旧有着革命性的影响。现阶段，如何通过增材制造技术生产具有更加优良性能的新材料，成为制造业的一个研究主题，本课题初步探究了利用增材制造技术制作一种自行设计的仿生结构金属材料，并对该材料的力学性能进行了一系列的检测分析，对仿生结构的设计、增材制造技术的工艺都有一定的认识和研究。 1.2 增材制造技术与 GMA-AM 增材制造（Additive Manufacturing, AM）这一概念最早被提出是在上世纪80 年代，我国开始研究这项技术是在 90 年代初。经过 30 多年的不懈研究，这一技术发展飞速，由于其特殊的成型工艺，使其在机械制造、航天航空、生物医疗等领域有了十分广阔的应用前景。 增材制造技术是运用 CAD 等绘制软件将设计出来的结构模型切片分层化，再通过材料逐层累加堆叠的方法制造具有所设计的空间结构的零件的成型技术， 这项技术在30 年不断发展的过程中，也拥有很多其他的称呼，如“快速成型”（rapid proto-typing）、“分层制造”（layered manufacturing）、“实体自由制造”（solid-free from fabrication）和“3D打印”（3D printing）[5]等，这些不同的名称从多个侧面反映了该技术的不同特点：快速、分层、自由。 现如今，增材制造技术已经出现了多种技术分支，常见的实体增材制造技术如下： 1.分层实体成型（Laminated Object Manufacturing, LOM ）[6~8] LOM技术所使用的成型原材料为具有一定厚度的薄材，这种原料薄材的厚度与CAD模型离散切片每层的厚度相等，通过控制系统控制激光在成型原材料上切割出离散片层的轮廓，在通过热压的结合方法使每一片层粘合在一起，从而成型实体空间结构。 2.光固化成型（Stereo Lithography Apparatus, SLA） 这种成型技术的原料是液体的光敏树脂。在成型过程中，工作台表面侵入到这种原料中，控制系统将具有一定波长的激光按照 CAD 模型中分层切片的轮廓有选择的照射到成型原料即树脂表面上，是光敏树脂感光固化，一层固化完毕，工作台下降一个模型片层的距离，进行下一层的固化，从而制造实体空间结构。 3.选择性激光烧结（Selectire Laser Sintering, SLS） SLS 技术和 SLA技术相似，只是 SLS 成型技术的原材料是粉末状，每成型一层，工作台下降，在原成型层面上铺设下一层原料。从而制造实体空间结构。 4.三文打印（3D Printing） 三文打印和选择性激光烧结技术也有相似性，原料都是粉末状，不同的是选择性激光烧结技术采用激光烧结的方式将原料成型，而三文打印是通过打印喷头喷射粘结剂的方式将粉末粘结。 5.熔融喷丝成型（Fused Deposition Modeling, FDM）[9] 这种成型技术的原料呈丝状，先经加热融化后，有喷头喷出，计算机控制喷头的走向使得喷出的材料在一个分层平面内构成 CAD 模型的片层轮廓，层层堆叠，从而制造实体空间结构。 以上增材制造方法因工艺不同，原料和性能各有特点。表 1.1 为其成型工艺、原料和优缺点的比较。
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