大倾角悬垂结构激光变向成形精准控制基础研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    61903268
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    F0308.智能制造自动化系统理论与技术
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2019
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2020-01-01 至2022-12-31

项目摘要

The forming of overhanging structure with large inclination angle is an acknowledged difficult problem in the field of metal additive manufacturing. Based on laser cladding with hollow-laser beam internal powder feeding technology, this application proposed precise deposition methods with non-parallel slicing, no “staircase effect” between layers and no support structures for the overhanging structure with large inclination angle. The main contents and innovations are as follows: (1) The structures with the feature of curve, twisting and cavity are abstracted as “arch-shaped” and “fan-shaped” basic forms, and the deposition methods for the special-shapes of inside and outside-curving tracks and variable-height tracks are studied. (2) The mechanisms of melting and solidification, flowing deformation and displacement of the molten pool on the substrate with the inclined angle from 0°-150° are studied, and the control strategy for the measurement and feedback compensation of the deformation of the molten pool height and width is designed. (3) The relationship between single track shape and the processing parameters are studied and modeled, and a traverse repetitive control method is proposed to online measure, memorize and feedback compensate the accumulated errors of uneven surface, which are unavoidable during the variable-height and variable-parameters deposition process. (4) The process control experiments, analyzations and optimizations are implemented on typical overhanging structures with large inclination angle in order to realize precise control with stability, error convergence and anti-interference. This study is expected to greatly increase the maximal inclined angle and significantly improve the dimensional and surface accuracy of the deposition. The aim of this project is to break the bottleneck technology of the deposition of overhanging structure without support, and provide new methods of the laser precise deposition control, in order to realize the deposition of many complex-shaped overhanging structures in engineering, and the on-site repairing of the large-size components, which are difficult to be disassembled, moved and overturned.
大倾角悬垂结构成形是金属增材制造领域公认的难题。本申请基于光内送粉激光熔覆技术,提出沿法向非平行分层、层间无台阶、无支撑变向精准控制成形大悬垂结构的方法。主要研究内容及创新:1)将弯、扭、空腔等典型悬垂结构抽象为拱形、扇形基本形体,研究内外弯和变高异形单道成形控制方法;2)研究0°-150°斜基面悬挂熔池的熔凝、流变、位移机制,设计自动检测斜面熔池高、宽形变并反馈补偿的控制方法;3)研究单道形貌与工艺参数的关系并建模,提出遍历重复控制法,对变高、变参数成形过程难以避免的累积凹凸误差进行在线测量、记忆并反馈补偿;4)进行典型大悬垂结构成形过程控制试验、分析与优化,实现稳定、误差收敛、抗干扰精准控制。研究期望大幅提升成形极限悬垂角,显著提高成形尺寸精度与表面精度。项目为解决工程中大量存在的悬垂复杂结构成形难题,以及难以拆卸、搬动的大型零构件现场修复问题,提供一种激光变向成形精准控制新方法。

结项摘要

送粉式激光熔覆成形是一种自由增材制造方法,然而现有激光熔覆技术仅能实现垂直于水平基面或小角度倾斜基面上的沉积,针对各种悬垂、变截面结构的成形和空间立仰面、扭曲面等的强化修复一般还难以实现,极大限制了成形自由度与功能。本项目采用激光内送粉技术,通过空间精准喷射与悬挂熔池流淌的控制实现了大倾角悬垂结构成形。.建立了斜基面熔池顶点位移模型,通过控制工艺参数实现了抑制斜熔池位移流淌。引入0°~150°空间倾角作为影响熔覆层形貌的工艺参数,同步利用层高测量传感器和定距提升闭环控制算法,实时测量层高数据并控制提升量,采用金相显微镜测量层宽数据。结果表明:在相同功率与扫描速度条件下,层高随倾角变化先减后增,90°时层高最小;层宽则随角度先增后减,90°时层宽最大。利用参数全面试验数据建立了BP神经网络模型,完成对熔覆层高宽形貌的预测模型。设计了逐段闭环控制逼近法,完成了不等高单道的成形,各段堆高控制曲线基本达到收敛、稳定。.成形的304不锈钢悬臂样件成形表面光亮平整,无宏观裂纹,表面粗糙度在1.323µm~9.638µm 之间;成形件中部和悬垂面的显微硬度均在264.1HV~277.2HV之间;拉伸试验表明零件力学性能较好,上屈服强度和最大抗拉强度分别为340.52MPa和765.81MPa,其断后伸长率为11.2%;显微组织整体以均匀致密的细枝晶为主,无明显气孔和夹杂缺陷。采用316L不锈钢等材料实现了火箭喷管、电离室封闭球体、弯管等大倾角悬臂特征结构的无支撑成形。本项目为激光熔覆空间全自由成形与修复提供了新理论与新方法。

项目成果

期刊论文数量(14)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(9)
薄壁空心球体的多自由度随形激光熔化沉积制备工艺与精度
  • DOI:
    10.3788/cjl202148.2202018
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    中国激光
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    张荣伟;万乐;石拓;吴捷;傅戈雁;庄锐;程梦颖
  • 通讯作者:
    程梦颖
基于光内送粉多元扭曲结构的随形离散分层成形研究
  • DOI:
    10.3788/cjl202148.1002114
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    中国激光
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    王明雨;石世宏;石拓;傅戈雁;庞祎帆;余司琪;龚燕琪
  • 通讯作者:
    龚燕琪
TC4钛合金沉积温度闭环控制研究
  • DOI:
    10.14128/j.cnki.al.20214102.228
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    应用激光
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    彭程;石拓;张津超;傅戈雁;石世宏
  • 通讯作者:
    石世宏
Experimental Investigation on Laser Metal Deposition of Ti-6Al-4V Alloy with Coaxial Local Shielding Gas Nozzle
同轴局部保护气喷嘴激光金属沉积Ti-6Al-4V合金的实验研究
  • DOI:
    10.7554/elife.67455
  • 发表时间:
    2021-09-07
  • 期刊:
    Journal of Materials Engineering and Performance
  • 影响因子:
    2.3
  • 作者:
    Landmann S;Holmes CM;Tikhonov M
  • 通讯作者:
    Tikhonov M
弧面扭曲结构件激光内送粉熔覆成形研究
  • DOI:
    10.3389/fimmu.2020.568412
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    中国激光
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    王宇;石拓;石世宏;吴捷;杨强;王明雨;李建宾
  • 通讯作者:
    李建宾

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其他文献

中空光光内送丝熔覆工艺参数对熔覆层质量的影响
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2013
  • 期刊:
    应用激光
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    朱刚贤;石拓;傅戈雁;石世宏;李洪远
  • 通讯作者:
    李洪远
激光光内送粉立面熔道外形尺寸控制研究
  • DOI:
    10.14128/j.cnki.al.20173704.502
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    应用激光
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    石拓;朱刚贤;傅戈雁;刘宇;邬明君;阮建武
  • 通讯作者:
    阮建武
融合静态属性和动态轨迹的盗窃前科人员分类研究
  • DOI:
    10.15918/j.tbit1001-0645.2018.051
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    北京理工大学学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    胡啸峰;石拓;瞿珂
  • 通讯作者:
    瞿珂
珊瑚礁:减缓气候变化的潜在蓝色碳汇
  • DOI:
    10.51347/jum.v21i1.4116
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    中国科学院院刊
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    石拓;郑新庆;张涵;王啟芳;钟昕
  • 通讯作者:
    钟昕
液体培养发状念珠蓝细菌代谢物提取方法的比较分析
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2014
  • 期刊:
    天津科技大学学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    孙莹;段文倩;石拓;贾士儒
  • 通讯作者:
    贾士儒

其他文献

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石拓的其他基金

激光内送粉变斑熔覆成形闭环控形控性方法研究
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2021
  • 资助金额:
    57 万元
  • 项目类别:
    面上项目

相似国自然基金

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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