北京工业大学陈树君教授：基于多点支撑固定系统对电弧增材制造变形的动态控制

【引言】

增材制造是一种逐层累加的成型技术，具有成品原料比高，设计灵活性，生产周期短等优点。电弧增材制造是用焊接电弧来熔化金属丝，实现增材制造。和其他方法相比，在制造大型构件时，具有成本低，效率高的优点。但增材制造过程中焊接变形和变形会减低结构件的疲劳寿命、耐蚀性和加工精度等。和焊接过程中的变形控制不同，增材制造的结构件形状复杂，并且需要重复的加热和冷却，所以需要针对增材制造的特点，探究独特、有效的变形控制技术。

【成果简介】

近日，北京工业大学的陈树君教授（通讯作者）在Science and Technology of Welding and Joining上发表了最新的研究成果“In-process control of distortion in wire and arc additive manufacturing based on a flexible multi-point support fixture”。在该文中，提出了一种新型的多点支撑固定系统（FMSF），能够动态调控加工面和约束力，进而实现加工过程中的动态变形控制。

【图文导读】

图1 FMSF装置

（a）FMSF装置实物图

（b）用于不规则基体的FMSF示意图

（c）用于复杂加工路径的FMSF示意图

图2 不同模式下的FMSF力/位移跟踪行为

（a）位移控制模式（DCM）

（b）力控制模式（FCM）

图3 简化的棒-弹簧模型

（a）无外部约束

（b）有外部约束

图4 固有应变随温度的变化过程

（a）没有外部约束

（b）FMSF约束

图5 三维有限元模型

图6 沉积层为两层时，角变形的实验值和模拟值的比较

（a）沉积层1

（b）沉积层2

图7 有限元模拟得到的角变形和纵向弯曲变形随约束力的变化情况

图8 不同约束下，沉积层为两层时的角变形

（a）FMSF

（b）施加刚性固定

（c）施加弹性约束

图9 沉积层为两层时，纵向弯曲变形分析

（a）无约束

（b）FMSF约束

【小结】

本文基于FMSF系统，提出了一种用于电弧增材制造的动态变形控制技术。主要结论如下：

（1）FMSF能够快速调整加工面来适应不同形状的工件（如曲面）。和传统的约束法相比，这是一种高效、经济的措施。

（2）FMSF能够根据熔敷层层数动态调整约束力从而有效控制固有应变。随着熔敷层层数的增加，需要的约束力越来越小。

（3）实验测得的角变形减小96.3%，纵向弯曲变形减小86.5%。

（4）对于增材制造，只施加刚性约束或弹性约束来控制变形的效果远不如FMSF。这是因为只施加刚性约束不能减小释放约束以后的回弹变形，弹性约束不能随着熔敷层层数的变化动态调整。

文献链接：In-process control of distortion in wire and arc additive manufacturing based on a flexible multi-point support fixture（Science and Technology of Welding and Joining，2018，DOI: 10.1080/13621718.2018.1476083）。

本文由材料人编辑部金属组 杨树 供稿，材料牛编辑整理。

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