增材制造中耦合零件表面粗糙度及支撐面積的建造方向優(yōu)化

王 玉， 陳子謙， 李后起， 高慶勇， 胡志橋， 于 穎

(1.同濟(jì)大學(xué) 中德工程學(xué)院， 上海 201804； 2.同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院， 上海 201804)

熔融沉積(fused deposition modeling, FDM)制造技術(shù)目前已成為發(fā)展最快的增材制造技術(shù)之一，由于其建造柔性，不同的建造方式對(duì)零件性能會(huì)產(chǎn)生較大影響，其中尤以建造方向?qū)α慵阅艿挠绊懽畲?在成型零件的性能中，表面粗糙度是一個(gè)重要的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，特別是零件的某些功能性表面，往往對(duì)其表面粗糙度有特定要求.在FDM制造技術(shù)中，影響表面質(zhì)量的因素有很多，包括層厚、成型方向、打印參數(shù)(速度、溫度)、填充密度、支撐結(jié)構(gòu)等都會(huì)影響最后的零件表面質(zhì)量.意大利學(xué)者Boschetto等[1]通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，得出了30°～150°范圍內(nèi)，影響表面質(zhì)量的因素主要為層厚和成型方向，并以此為基礎(chǔ)，提出了在FDM技術(shù)中表面粗糙度Ra的公式.韓國(guó)教授Ahn等[2]和其團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了成型角度在0°～30°和150°～180°范圍內(nèi)，模型預(yù)測(cè)值和實(shí)際測(cè)量值會(huì)出現(xiàn)較大的偏差.對(duì)于成型零件表面粗糙度的優(yōu)化問(wèn)題，Pandey等[3]考慮了表面精度和打印時(shí)間兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)，使用遺傳算法NSGA-II來(lái)確定Pareto解集，該方法主要適用于FDM.

理論上，增材制造技術(shù)可以用于任何復(fù)雜型面的加工制造，但是當(dāng)涉及到零件精度時(shí)，支撐問(wèn)題成為限制其使用的主要因素之一.零件支撐是增材制造過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié).FDM制造過(guò)程類(lèi)似于“堆積木”，從下往上逐層堆積，如果上下兩層絲材位置偏離程度較大時(shí)，擠出頭擠出的熔融絲材來(lái)不及和下層……