基于打印时间的激光直接沉积工艺制造成本评估及优化

摘要

绿色可持续发展是制造业发展的必然趋势，增材制造因其无模具、高柔性、设计自由等优点，成为绿色可持续发展的代表性制造技术。然而，激光直接沉积工艺作为增材制造技术之一，其制造过程中仍存在制造效率低、制造能耗高、制造成本高等问题。因此，本文将以激光直接沉积工艺为研究对象，依据激光直接沉积工艺过程中熔覆头运动状态及物料、能源消耗特征，系统地建立工艺过程打印时间参数化模型和制造成本估算模型，并进行激光直接沉积工艺的多目标优化。本文的主要研究内容如下：　　(1)分析激光直接沉积工艺的工作原理及作业流程，依据激光直接沉积工艺打印过程中的熔覆头运动及光粉耦合特征，将沉积路径划分为有效路径、空走路经及节点。在沉积路径的划分基础上，进一步根据熔覆头运动状态、沉积路径以及打印时间之间的对应关系，将打印时间划分为有效时间、空走时间及延迟时间，提出基于沉积路径的打印时间参数化模型，并设计正交实验验证模型的有效性，分析在不同沉积方式下的打印时间规律。　　(2)采用作业成本法对激光直接沉积工艺的活动特征进行分析，将工艺过程分为预处理阶段、打印阶段和后处理阶段，依据工艺过程活动的时间驱动特征，并基于所建立的打印时间模型基础，对各阶段的材料、设备、劳动力及电能消耗进行分析与参数表征，提出基于时间驱动的制造成本估算模型，并应用正交实验结果对模型进行验证，分析各个阶段的成本占比及成本参量敏感性。　　(3)从绿色制造与可持续发展的绿色、沉积效率及经济维度，提出最低打印能耗、打印时间和打印成本的工艺多目标，建立以激光功率、送粉速率和扫描速度为优化变量的工艺多目标优化模型，利用粒子群算法进行求解，获取最优的工艺参数组合。为激光直接沉积工艺的绿色优化提供理论。

目录

声明

符号表

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.2.1增材制造打印时间的研究

1.2.2增材制造成本的研究

1.2.3增材制造工艺的多目标优化

1.3主要内容与研究思路

1.3.1本文研究内容

1.3.2本文研究思路

第2章 激光直接沉积的打印时间模型

2.1激光直接沉积工艺与沉积路径

2.2打印时间构成

2.3打印时间模型

2.3.1有效时间

2.3.2空走时间

2.3.3延迟时间

2.4模型验证及打印时间分析

2.4.1实验方案及过程

2.4.2实验结果与分析

2.4.3模型验证

2.4.4不同沉积方式的打印时间规律

2.5本章小结

第3章 激光直接沉积的制造成本估算模型

3.1激光直接沉积的制造成本估算方法

3.1.1时间驱动作业成本法

3.1.2工艺作业活动

3.1.3工艺成本构成

3.2制造成本估算模型

3.2.1预处理成本

3.2.2打印成本

3.2.3后处理成本

3.3成本模型验证及分析

3.3.1模型数据获取

3.3.2成本估算结果

3.3.3成本占比分析

3.3.4成本敏感性分析

3.4本章小结

第4章 激光直接沉积工艺的多目标优化

4.1工艺目标

4.1.1工艺过程打印时间

4.1.2工艺过程打印成本

4.1.3工艺过程能耗

4.2优化模型

4.2.1优化变量

4.2.2约束条件

4.2.3目标函数

4.3模型求解方法

4.3.1多目标的转化

4.3.2粒子群算法

4.4结果及分析

4.5本章小结

结论与展望

1 研究结论

2 研究展望

参考文献

致 谢

附录 A 攻读学位期间发表的学术论文及科研项目目录

附录 B 专家调查法相关数据