答辩博士：黄仁凯
指导老师：程筱胜 教授/博导
论文题目：基于SLM工艺的点阵零件数据处理关键技术研究
答辩委员会：
主席：陈 南 教授/博导 东南大学
委员：李东波 教授/博导 南京理工大学
安鲁陵 教授/博导 南京航空航天大学
郭 策 教授/博导 南京航空航天大学
戴 宁 教授/博导 南京航空航天大学
秘书：代洪庆 讲师/博士 南京航空航天大学
答辩时间：2021年3月27日上午09:00
地点：南航明故宫校区17#401
学位论文简介：
本文以开发基于SLM的点阵零件数据处理技术为目的，以数字几何处理和计算机图形学技术为理论基础，从零件成形方向优化、基于温度场仿真优化支撑结构、支撑结构建模、扫描路径生成等方面，提出了较为完整的SLM成形质量优化理论体系，改善了SLM成形过程中存在的表面质量差、翘曲变形、残余应力等缺陷，并着重对选择性激光熔化数据处理技术和有限元仿真中的几项关键技术进行了深入的研究。本文的主要贡献包括以下几个方面：
（1）对选择性激光熔化普通零件和点阵零件成形方向优化进行了深入研究，并分别建立了评估功能性特征表面质量的加权表面粗糙度数学模型、评估零件生产周期的成形时间数学模型以及评估点阵结构制造型的点阵结构悬垂面积数学模型，提出了考虑功能性特征表面质量和成形时间，基于并行非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）的零件成形方向优化算法，以及考虑框体功能性特征表面质量和点阵填充结构可制造性，基于NSGA-Ⅱ算法的点阵零件成形方向优化算法。
（2）提出了一种采用数值模拟技术，综合考虑服从高斯分布的面热源、316L粉末以及其固体材料的热物性参数与温度的关系、热传导、热辐射、热对流和相变潜热等因素建立SLM成形过程三维有限元模型，基于无支撑、柱状支撑和点阵支撑，分析支撑结构对SLM温度场分布的影响，发现柱状支撑可以获得较低的平均温度，而点阵支撑可以使温度场更加均匀，并基于以上分析结果改进支撑结构，通过有限元分析与薄板实验证明了改进支撑结构能够有效提升支撑结构的导热性和刚度，具有良好的综合性能。
（3）研究了三种支撑结构的建模技术，包括：（ⅰ）基于悬垂几何特征的通用型支撑结构建模，该支撑类型结构简单、适用性广，能够满足大部分普通SLM成形件支撑结构添加需求，用户可根据待支撑区域的几何特征，选择合适的通用性支撑结构，如：悬臂特征选择角板支撑、悬吊点或小面积悬垂面选择柱状支撑、大面积区域选择块状支撑等；（ⅱ）基于三维拓扑优化的导热性点阵支撑结构建模，建立了薄壁悬垂区域热传导模型，以最小化结构散热弱度作为目标函数，在周期性点阵约束下获得支撑结构，与传统的支撑结构相比，由导热性支撑结构支撑的悬臂零件成形稳定，并且坍塌和开裂风险显著减少；（ⅲ）面向点阵零件的网格-树形复合支撑结构建模，该结构打印稳定性好、易去除且耗费支撑材料相对较少，实现了为点阵零件框体悬垂区域与点阵结构悬吊点提供有效支撑，使其顺利成形。
（4）研究了点阵零件的扫描路径生成算法，针对可能存在长扫描线的框体部分，提出了一种基于旋转层错的矩形环分区斜线扫描路径生成算法，通过实验证明了所提出扫描策略比传统的扫描策略引起的SLM成形件变形量更小；针对点阵结构，由于其切片轮廓一般为离散的小面积区域，没有再进行分区的必要，因此，提出了一种以轮廓偏置扫描与“S”形扫描结合的一种复合扫描路径生成算法，并通过实验证明了该复合扫描方式能有效提升点阵结构的成形质量。
主要创新点如下：
（1）提出了一种综合考虑点阵结构可制造性和框体功能性特征表面质量的点阵零件成形方向多目标优化算法。分别建立评估点阵结构可制造性的点阵悬垂面积数学模型和评估框体功能性特征表面质量的自适应表面粗糙度数学模型；以点阵悬垂面积和自适应表面粗糙度为优化目标，利用多目标遗传算法求解点阵零件成形方向优化问题，得到Pareto域最优解集；
（2）提出了一种针对点阵零件的网格-树形复合支撑结构建模技术。以网格结构作为支撑结构的主体部分，再采用扫掠算法，连接网格结构上端与点阵悬吊点或框体支撑点形成树枝结构。该支撑结构集合了点阵支撑结构和树形支撑结构的特点，具有导热性良好、耗材少、易去除等优点。通过为两个测试点阵零件添加网格-树形支撑结构，并在SLM打印设备中顺利成形，验证了该支撑结构的有效性；
（3）提出了一种面向点阵零件的扫描路径生成算法。针对框体部分，为避免出现长扫描线和分区搭接缝重合，提出了一种基于旋转层错的矩形环分区扫描路径生成技术，通过与3种传统扫描方式的对比实验，发现采用提出的矩形环分区扫描方式获得的成形件抗拉强度最高、变形量最小；针对切片轮廓为大量离散小面积区域的点阵结构，提出了一种基于轮廓偏置和“S”形扫描的复合扫描方式，通过与3种传统扫描方式的对比实验，发现采用提出的复合扫描方式获得的点阵夹芯板变形量最小。
