北京工業大學陳樹君教授：基于多點支撐固定系統對電弧增材制造變形的動態控制

【引言】

增材制造是一種逐層累加的成型技術，具有成品原料比高，設計靈活性，生產周期短等優點。電弧增材制造是用焊接電弧來熔化金屬絲，實現增材制造。和其他方法相比，在制造大型構件時，具有成本低，效率高的優點。但增材制造過程中焊接變形和變形會減低結構件的疲勞壽命、耐蝕性和加工精度等。和焊接過程中的變形控制不同，增材制造的結構件形狀復雜，并且需要重復的加熱和冷卻，所以需要針對增材制造的特點，探究獨特、有效的變形控制技術。

【成果簡介】

近日，北京工業大學的陳樹君教授（通訊作者）在Science and Technology of Welding and Joining上發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”。在該文中，提出了一種新型的多點支撐固定系統（FMSF），能夠動態調控加工面和約束力，進而實現加工過程中的動態變形控制。

【圖文導讀】

圖1 FMSF裝置

（a）FMSF裝置實物圖

（b）用于不規則基體的FMSF示意圖

（c）用于復雜加工路徑的FMSF示意圖

圖2 不同模式下的FMSF力/位移跟蹤行為

（a）位移控制模式（DCM）

（b）力控制模式（FCM）

圖3 簡化的棒-彈簧模型

（a）無外部約束

（b）有外部約束

圖4 固有應變隨溫度的變化過程

（a）沒有外部約束

（b）FMSF約束

圖5 三維有限元模型

圖6 沉積層為兩層時，角變形的實驗值和模擬值的比較

（a）沉積層1

（b）沉積層2

圖7 有限元模擬得到的角變形和縱向彎曲變形隨約束力的變化情況

圖8 不同約束下，沉積層為兩層時的角變形

（a）FMSF

（b）施加剛性固定

（c）施加彈性約束

圖9 沉積層為兩層時，縱向彎曲變形分析

（a）無約束

（b）FMSF約束

【小結】

本文基于FMSF系統，提出了一種用于電弧增材制造的動態變形控制技術。主要結論如下：

（1）FMSF能夠快速調整加工面來適應不同形狀的工件（如曲面）。和傳統的約束法相比，這是一種高效、經濟的措施。

（2）FMSF能夠根據熔敷層層數動態調整約束力從而有效控制固有應變。隨著熔敷層層數的增加，需要的約束力越來越小。

（3）實驗測得的角變形減小96.3%，縱向彎曲變形減小86.5%。

（4）對于增材制造，只施加剛性約束或彈性約束來控制變形的效果遠不如FMSF。這是因為只施加剛性約束不能減小釋放約束以后的回彈變形，彈性約束不能隨著熔敷層層數的變化動態調整。

文獻鏈接：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）。

本文由材料人編輯部金屬組 楊樹 供稿，材料牛編輯整理。

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