梯度功能材料零件CAD建模和熔积路径规划研究

摘要

功能梯度材料零件在航空航天、能源、机械等领域中发挥着越来越重要的作用。等离子直接快速制造技术基于沉积生长制造原理，能按数字化设计，在制造过程中同时创成零件几何形状和渐变梯度的材料组织结构，在短流程无模制造梯度功能材料(FGM) 零件方面具有常规方法无法比拟的优越性。为了实现FGM 零件几何形状和材质的数字化并行设计和制造，必须研究梯度功能材料模型几何信息和材料信息的统一表述方法，研究符合等离子直接快速制造FGM 零件技术的工艺规划方法，为FGM 零件数字化无模成形提供数据支持。 本文结合分层制造的原理，研究STL 实体模型的体素化方法，提出了一种基于分层切片原理的体素化算法，能够有效地将STL 实体模型转化为体素模型。通过最新的数字距离变化技术，快速准确地计算体素模型内任意点到给定参考特征的距离。在获得体素模型的基础上，选择零件的表面几何特征作为材料分布参考特征，选取以到参考特征的距离为变量的材料组分分布函数,对各个体素赋予材料组分值，建立物体的FGM－CAD模型，有效地实现了梯度功能材料模型的几何信息和内部材料统一表述，为后续的工艺规划提供了良好的FGM数字模型基础。此外，研究了FGM-CAD模型的平面分层和路径规划方法，提出了同时考虑几何形状误差和材料分布误差的切片层厚确定方法，以及在考虑制造过程实际情况的基础上，基于等材料成分线提取的平面层片内路径规划方法。 本文还提出了一种新的基于等材料成分面提取的FGM模型曲面分层方法，并研究了基于截面线法和基于三角网格曲面参数化的曲面熔积路径规划方法。该曲面分层方法突破了现有的平面分层和路径规划的模式，能够有效减少加工过程材料更换频度，保证制造过程的稳定性和零件质量，节省零件制造时间，并有利于延长喷枪和高能束电源的使用寿命。在以上研究的基础上，本文开发出集FGM 零件CAD模型表达、分层切片、路径规划于一体的FGM-CAD 建模、分层和路径规划软件原型系统，为进一步开发FGM零件数字化无模制造CAM软件系统提供了关键技术基础。