焦盼德 李淑娟 楊磊鵬 閆存富

西安理工大學(xué)機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，西安，710048

功能梯度材料快速成形過程建模與控制

焦盼德 李淑娟 楊磊鵬 閆存富

西安理工大學(xué)機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，西安，710048

在三坐標(biāo)雕刻機(jī)上開發(fā)出一種功能梯度材料增材制造裝置，在低于水的凝固點(diǎn)溫度下，將兩種材料的水基膏體以一定比例進(jìn)行擠出沉積，形成梯度材料零件。在該三維零件沉積成形過程中，配置好的材料不可避免地會(huì)存在結(jié)塊和氣泡現(xiàn)象,當(dāng)結(jié)塊分解或氣泡釋放時(shí)，會(huì)導(dǎo)致沉積過程中的擠壓力不斷變化，使得成形過程不穩(wěn)定，成形零件質(zhì)量差。在分析三維梯度材料沉積成形過程的干擾因素的基礎(chǔ)上，通過實(shí)驗(yàn)建立了沉積過程中擠壓力的動(dòng)態(tài)模型，采用最小二乘方法進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí)，完成了最小方差自適應(yīng)擠壓力控制器的設(shè)計(jì)，并用兩種不同顏色的膩?zhàn)臃?CaCO3)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了功能梯度材料快速沉積原理的可行性和控制器的有效性。

梯度材料；沉積；擠壓力；自適應(yīng)控制

0 引言

功能梯度材料(functionally gradient material，F(xiàn)GM)又稱梯度材料，是基于新的材料設(shè)計(jì)理念而研發(fā)制備出的一種新型功能材料,其材料的化學(xué)構(gòu)成、微觀結(jié)構(gòu)和原子排列由一側(cè)向另一側(cè)呈連續(xù)梯度變化，從而使材料的性質(zhì)和功能也連續(xù)地呈梯度變化[1]。傳統(tǒng)的FGM的制備分為建立梯度化的空間結(jié)構(gòu)(梯度工藝)和將此結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為固體材料(致密化工藝)2個(gè)步驟。梯度工藝可分為與組成要素相關(guān)的制備技術(shù)、與均勻化相關(guān)的制備技術(shù)和與分離相關(guān)的制備技術(shù)，隨后通過烘干、燒結(jié)以及致密化工藝等固化工藝生成FGM[2]，如粉末冶金法、離心成形法、注漿成形法等。隨著研究的深入，近年來一些新型的制備工藝不斷涌現(xiàn),如等離子噴涂法、電沉積法、激光熔敷法、氣相沉淀法等。本文提出一種固體無模成形[3](solid free form fabrication，SFF)方法, 采用水基膏體擠壓、沉積、冷凍直接成形。該方法以固體顆粒、水為主要材料，加入少許黏結(jié)劑、分散劑混合而成為水基膏體，在水的凝固點(diǎn)溫度以下擠壓沉積成形，再通過后處理去除水和黏結(jié)劑。由于添加劑大多為水(95%～98%)，所以該方法不會(huì)造成污染，相較于其他FGM的制造方法，又可以節(jié)約大量能源，符合當(dāng)前大力倡導(dǎo)的綠色制造要求。

SUI等[4]采用快速低溫成形技術(shù)成形了三維冰零件，研究水的進(jìn)給速度和水冰接觸區(qū)對(duì)成形層厚和表面粗糙度的影響；HUANG等[5]采用低溫?cái)D出成形方法制備了陶瓷零件；MASON等[6]對(duì)快速低溫成形過程進(jìn)行了建模及分析；BRYANT等[7]研究了快速低溫成形過程中的工藝參數(shù)；PRINZ等[8]描述了沉積制造的應(yīng)用和實(shí)施方法；LEU等[9]采用低溫?cái)D壓沉積技術(shù)制備了Al2O3/ZrO2梯度材料。本文針對(duì)FGM擠壓沉積成形，分析擠壓過程膏體中氣泡和結(jié)塊對(duì)擠壓力的影響，通過實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)擠壓過程進(jìn)行建模，采用最小二乘法進(jìn)行了在線參數(shù)辨識(shí)，運(yùn)用最小方差自適應(yīng)控制策略，對(duì)兩個(gè)擠壓系統(tǒng)的擠壓力進(jìn)行了實(shí)時(shí)控制以保證制備的梯度材料零件滿足梯度要求和成形要求。

1 FGM快速沉積系統(tǒng)分析

FGM沉積成形系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)利用一臺(tái)現(xiàn)有三坐標(biāo)雕刻機(jī)和由NI USB-6343數(shù)據(jù)采集卡、松下A50伺服控制卡、伺服電動(dòng)缸、測(cè)力傳感器、儲(chǔ)料器、混合器、PC機(jī)等組成的控制系統(tǒng)搭建而成，如圖1所示。圖2所示為FGM沉積成形控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖1 FGM沉積成形實(shí)驗(yàn)設(shè)備Fig.1 Experimental equipment of FGM deposition forming

圖2 FGM沉積成形控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 FGM deposition forming control system structure

由于連接儲(chǔ)料器和混合器的導(dǎo)管以及混合器本都身有一定的容積，因此本系統(tǒng)存在一定的輸送延遲，這個(gè)延遲具有重復(fù)性，是可計(jì)算的[9]。為了更好地規(guī)劃沉積路徑，延遲時(shí)間t可由混合器和導(dǎo)管內(nèi)部體積V和兩個(gè)擠出機(jī)的擠出流量Q線性表示：

(1)

式中，n為伺服控制擠出機(jī)的數(shù)目,這里n取2；Ai為第i個(gè)儲(chǔ)料器的橫截面積；vi為第i個(gè)擠出機(jī)的擠出速度。

兩個(gè)擠出機(jī)的擠出流量之比(Q1∶Q2)就等于梯度材料中兩種材料的組成比，由于2個(gè)儲(chǔ)料器橫截面積相同，所以在制備不同比例的梯度材料時(shí)，我們只需要控制擠出機(jī)的擠出速度之比(v1∶v2)即可。

1.1 FGM快速沉積過程參數(shù)

梯度零件沉積過程參數(shù)主要包括擠壓力、沉積路徑的偏移、層間距(層厚)、工作臺(tái)進(jìn)給速度和環(huán)境溫度。路徑偏移和層間距根據(jù)噴嘴內(nèi)徑?jīng)Q定，實(shí)驗(yàn)中采用直徑為1.5 mm的噴嘴，路徑偏移通過經(jīng)驗(yàn)選定為1.2 mm。工作臺(tái)速度必須與擠壓系統(tǒng)的擠出速度相匹配，對(duì)于選定的擠出速度，如果工作臺(tái)的速度太高，擠出的材料就會(huì)偏離軌跡或形成不連續(xù)的膏體流，如圖3所示；如果工作臺(tái)的速度太低，就會(huì)導(dǎo)致成形過程中擠出材料過多而偏離軌跡或材料堆積，如圖4所示。圖5所示為工作臺(tái)速度與擠出速度相匹配時(shí)沉積出的正方形。

圖3 工作臺(tái)速度過高圖4 工作臺(tái)速度過低Fig.3 Higher table speedFig.4 Lower table speed

工作臺(tái)進(jìn)給速度u可由下式計(jì)算：

(2)

式中，u1、u2分別為伺服電動(dòng)缸1、2的直線進(jìn)給速度，與擠出機(jī)的擠出速度v1、v2相等；d1、d2分別為2個(gè)儲(chǔ)料筒的直徑，在本系統(tǒng)中是相等的；d為噴嘴直徑。

1.2 FGM快速沉積過程的干擾因素

影響FGM沉積過程的主要因素是膏體中的結(jié)塊和氣泡，結(jié)塊的分解和氣泡的結(jié)合并釋放都會(huì)使成形過程處于不穩(wěn)定的狀態(tài)。由于膏體中顆粒大小不一以及顆粒間存在的微電極性，使得顆粒很難在水基介質(zhì)中均勻分布，這些分布不均勻的顆粒聚集在一起就形成了結(jié)塊。擠壓過程中，膏體受到擠壓力作用不斷流動(dòng)，當(dāng)膏體流動(dòng)到噴嘴附近時(shí)由于空間有限結(jié)塊就會(huì)聚集在混合器底部，使得擠出阻力增大，當(dāng)擠出力達(dá)到結(jié)塊滑動(dòng)的臨界值時(shí)結(jié)塊開始滑動(dòng)，在滑動(dòng)過程中結(jié)塊破裂成可以擠出的小結(jié)塊。這些結(jié)塊的聚集和破裂將使擠出力大小發(fā)生變化，如圖6所示，大約在75 s、145 s時(shí)因結(jié)塊聚集而使擠壓力突然增大，當(dāng)擠壓力增大到結(jié)塊破裂的臨界值時(shí)結(jié)塊開始分解，使儲(chǔ)料器內(nèi)壓力釋放并伴隨膏體沿噴嘴高速流出，導(dǎo)致擠壓成形過程不夠均勻穩(wěn)定。

圖6 擠出過程中結(jié)塊分解及氣泡釋放時(shí)力的變化Fig.6 Cracking decomposition and the change of bubble release force during extrusion

制備的膏體黏度比較高，在攪拌和裝載進(jìn)儲(chǔ)料倉的過程中，不可避免地會(huì)帶進(jìn)空氣，進(jìn)入的空氣在膏體中形成氣泡。當(dāng)受到擠壓力作用時(shí)，氣泡會(huì)隨之向噴嘴方向擠出，由于噴嘴附近空間比混合器主體要小，這些氣泡在噴嘴附近聚集到一起形成較大氣泡。氣泡到達(dá)噴嘴出口處會(huì)出現(xiàn)破裂， 產(chǎn)生大的壓力釋放，使得擠出力明顯減小。如圖6所示，氣泡在110 s、250 s左右瞬間釋放，擠壓力也隨之下降，使噴嘴處的膏體流速迅速減小甚至發(fā)生間斷，導(dǎo)致擠壓成形過程不連續(xù)而影響成形效果。

1.3 FGM快速沉積過程的模型分析

沉積過程中的干擾因素都是隨機(jī)的，同時(shí)每次制備的膏體和周圍環(huán)境的影響都具有不確定性，所以整個(gè)系統(tǒng)的模型是隨機(jī)的。本文中采用兩種不同顏色的膩?zhàn)臃?CaCO3)膏體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以確定系統(tǒng)模型的階次。配置膏體的原材料為膩?zhàn)臃?、紅色顏料、藍(lán)色顏料和蒸餾水。將CaCO3粉末和蒸餾水以5∶2的比例混合攪拌后再分別用不同顏色的顏料染色。圖7所示為兩個(gè)擠壓系統(tǒng)均采用擠出速度為0.4 μm/s，X-Y工作臺(tái)移動(dòng)速度為2 mm/s時(shí)擠壓力的變化過程，采集頻率10 Hz。為了清晰地表現(xiàn)出擠壓力的變化趨勢(shì)，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了濾波處理。

圖7 擠出過程力的變化Fig.7 The change of Extrusion process force

根據(jù)圖7的擠壓力變化過程，兩個(gè)擠壓系統(tǒng)均可采用一階慣性環(huán)節(jié)來描述:

(3)

表1所示為不同擠出速度下進(jìn)行的9次實(shí)驗(yàn)所獲得的系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)、增益以及穩(wěn)態(tài)擠壓力。由表1可知，在不同批次的膏體以及不同擠壓速度下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，系統(tǒng)表現(xiàn)出來的時(shí)間常數(shù)以及增益均有一定變化，甚至部分實(shí)驗(yàn)最終沒有達(dá)到穩(wěn)態(tài)(實(shí)驗(yàn)6)，說明該系統(tǒng)是一個(gè)隨機(jī)系統(tǒng)，即系統(tǒng)的參數(shù)是時(shí)變的。

表1 FGM沉積過程實(shí)驗(yàn)

2 FGM快速沉積控制算法設(shè)計(jì)

在制備FGM時(shí)，由于膏體中結(jié)塊分解、氣泡釋放以及周圍環(huán)境的變化，導(dǎo)致擠壓力在不斷地變化，進(jìn)而導(dǎo)致轉(zhuǎn)速比與實(shí)際擠出率之比存在差異，使得沉積過程不穩(wěn)定。為了達(dá)到一個(gè)良好的成形效果，需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。在整個(gè)擠壓沉積系統(tǒng)中，混合器和兩個(gè)擠壓系統(tǒng)的儲(chǔ)料倉是互通的，因此沉積過程中兩個(gè)伺服缸對(duì)膏體的擠壓力基本相等，我們分別根據(jù)每一個(gè)儲(chǔ)料器的擠壓力變化去微調(diào)伺服缸的轉(zhuǎn)速，來保證擠出率比和成形效果。系統(tǒng)的輸入量為控制伺服驅(qū)動(dòng)器的模擬電壓(mV)，輸出量為施加在膏體上的擠壓力(N)。

MASON等[10]設(shè)計(jì)了一個(gè)Bang-Bang控制器，結(jié)合反饋控制得到了較好地控制效果；COSTIN等[11]采用階躍響應(yīng)測(cè)試法得到單螺桿擠壓機(jī)的壓力經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，設(shè)計(jì)了PID控制器；PREVIDI等[12]利用輸入電壓和壓力之間的關(guān)系，采用一個(gè)純延時(shí)的一階模型，運(yùn)用數(shù)字式PID控制跟蹤了恒定的擠壓力信號(hào)。這些研究雖然可以很好地反映擠壓過程，但是要依賴大量數(shù)據(jù)來判定系統(tǒng)的模型參數(shù)，且只適用于定常系統(tǒng)。HUANG等[13]指出，在恒定擠壓力下所成形的零件有較好的表面精度。李淑娟等[14]應(yīng)用自適應(yīng)算法跟蹤控制了三維陶瓷零件低溫沉積過程，有效地解決了參數(shù)時(shí)變系統(tǒng)的控制問題，保證了穩(wěn)定的擠出過程和良好的成形效果。為使梯度膏體的擠壓過程平穩(wěn)、連續(xù)而均勻，擠壓力恒定，本文采用基于遞推最小二乘(recursive least square,RLS)法的最小方差(minimum variance,MV)自適應(yīng)算法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。根據(jù)輸入輸出數(shù)據(jù)在線實(shí)時(shí)估計(jì)系統(tǒng)參數(shù)，將參數(shù)辨識(shí)結(jié)果用于最小方差自適應(yīng)控制。

為了便于進(jìn)行數(shù)字采樣，將式(1)進(jìn)行離散化處理后寫成差分方程，可得

F(k)=aF(k-1)+bU(k-1)

(4)

為了辨識(shí)式(4)中參數(shù)a和b，將式(4)改寫為

F(k)=φT(k)θk=1,2,…,n

(5)

式中，φ(k)為數(shù)據(jù)向量，φ(k)=(F(k-1),U(k-1))T;θ為待估計(jì)參數(shù),θ=(-a,b)T。

定義模型誤差為

ε(k)=F(k)-φT(k)θ

(6)

則性能指標(biāo)J可表示為

(7)

運(yùn)用遞推最小二乘法，可得參數(shù)θ的遞推公式如下：

(8)

采用遞推最小二乘法進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)，運(yùn)用最小方差自適應(yīng)控制，使得系統(tǒng)輸出能跟蹤參考信號(hào)，其基本思想是：提前q步對(duì)輸出量進(jìn)行預(yù)測(cè)，根據(jù)預(yù)測(cè)值設(shè)計(jì)所需的控制律，通過連續(xù)不斷地預(yù)測(cè)和控制，保證穩(wěn)態(tài)輸出方差最小[16]。

考慮擠出過程中的干擾因素，膏體的擠出過程為

F(k)=aF(k-1)+bU(k-1)+(k)

(9)

(10)

則性能指標(biāo)為

(11)

最小的q步最優(yōu)預(yù)測(cè)輸出F*(k+q|k)必須滿足最小方差自適應(yīng)控制的最優(yōu)預(yù)測(cè)方程。取預(yù)測(cè)步長(zhǎng)q為1，求解Diophantine方程，控制律具有如下形式：

(12)

其中，F(xiàn)r(k+1)表示提前1步預(yù)測(cè)的擠壓力值，a、b由遞推最小二乘法辨識(shí)得出。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

(a)未加控制器 (b)加控制器圖8 紅色和藍(lán)色CaCO3材料實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Experimental results of red and blue CaCO3 material

為了測(cè)試FGM快速成形原理的可行性和控制系統(tǒng)的有效性，用CaCO3粉為主要材料，紅、藍(lán)顏料作為添加劑，蒸餾水作為溶劑，制作兩種不同顏色的膏體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。利用快速沉積原理成形了梯度由內(nèi)向外變化的正方形平面。實(shí)驗(yàn)時(shí)，開始由擠壓缸1擠出紅色膏體，之后由兩個(gè)擠壓缸以1∶1的比例分別擠出紅、藍(lán)膏體，最后由擠壓缸2單獨(dú)擠出藍(lán)色膏體，在規(guī)劃沉積路徑時(shí)要考慮前面提到的輸送延遲。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，可以看到，正方形中心部分為剛開始沉積的紅色材料，之后過渡為淡紫色，最外層為藍(lán)色，由材料顏色的變化可以看出FGM快速沉積成形原理是可行的。圖8a所示為未加控制器時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，因?yàn)闅馀莺徒Y(jié)塊的影響致使成形表面比較差；圖8b所示是加了控制器后成形的表面，因?yàn)閿D壓過程中擠壓力保持相對(duì)穩(wěn)定，表面成形效果有明顯的提升。圖9a所示為實(shí)驗(yàn)過程中擠壓力的變化過程，實(shí)驗(yàn)時(shí)兩個(gè)擠壓缸均給定200N的參考力，可以看出該控制算法可以很好地跟蹤控制兩個(gè)擠壓缸的擠壓力，使擠壓力保持在一定水平以提高成形效果；400s后擠壓機(jī)1停止擠壓，因?yàn)閮蓚€(gè)儲(chǔ)料器是互通的，故儲(chǔ)料器1的活塞桿會(huì)給傳感器1一個(gè)反作用力使其保持150N左右的力。 圖9b為兩個(gè)擠壓機(jī)擠出速度變化圖，200～400s兩個(gè)擠壓缸同時(shí)以0.04mm/s的速度擠壓，需要及時(shí)匹配雕刻機(jī)的進(jìn)給速度。圖9c、圖9d分別為實(shí)驗(yàn)過程中兩個(gè)擠壓缸控制算法中參數(shù)a、b的變化示意圖。

(a)擠壓力變化圖

(b)擠出速度變化圖

(c)擠壓缸1控制參數(shù)a、b變化圖

(d)擠壓缸2控制參數(shù)a、b變化圖圖9 紅色和藍(lán)色CaCO3材料實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.9 Experimental data of red and blue CaCO3 material

4 結(jié)論

在雕刻機(jī)上開發(fā)了一套雙擠壓系統(tǒng)的FGM沉積裝置，可以將不同材料的水基膏體在低于水的凝固溫度以下，擠壓沉積成形為具有指定梯度的FGM零件。通過建立系統(tǒng)模型，運(yùn)用最小方差自適應(yīng)控制對(duì)沉積過程進(jìn)行了實(shí)時(shí)控制。實(shí)驗(yàn)觀察了CaCO3膏體零件的顏色梯度變化和表面成形質(zhì)量，驗(yàn)證了沉積原理的可行性和控制系統(tǒng)的有效性。結(jié)果表明，F(xiàn)GM快速沉積原理是可行的，具有一定的參考和應(yīng)用價(jià)值。所開發(fā)的控制器可以有效地跟蹤沉積過程的擠壓力變化，滿足實(shí)際應(yīng)用需求，可以保持穩(wěn)定的擠出過程和良好的成形效果。

[1] 劉華煒，劉學(xué)武，張廣文.功能梯度材料制備工藝及研究進(jìn)展[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012(4):265-267. LIU Huawei, LIU Xuewu, ZHANG Guangwen. Research Progress and Preparing Technology of Functionally Graded Material[J]. Machinery Design & Manufacture，2012(4):265-267.

[2] 馬濤，趙忠民,劉良祥,等.功能梯度材料的研究進(jìn)展及應(yīng)用前景[J]. 化工科技,2012,20(1):71-75. MA Tao, ZHAO Zhongmin, LIU Liangxiang, et al. The Research Development and Future Application of Functionally Gradient Materials[J]. Science & Technology in Chemical Industry,2012,20(1):71-75.

[3] MARCUS H L, BEAMAN J J, BARLOW J W, et al. Solid Freeform Fabrication: Powder Processing[J]. American Ceramic Society Bulletin, 1990, 69(6):1030-1031.

[4] SUI G, LEU M C. Thermal Analysis of Ice Walls Built by Rapid Freeze Prototyping[J]. Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2003, 125(4): 824-834.

[5] HUANG T S, MASON M S, HILMAS G E, et al. Freeze-form Extrusion Fabrication of Ceramic parts[J]. Virtual and Physical Prototyping, 2006, 1(2): 93-100.

[6] MASON M S, HUANG T S, LANDERS R G, et al. Freeform Extrusion of High Solids Loading Ceramic Slurries, Part I: Extrusion Process Modeling[C]//7th Annual Solid Freeform Fabrication Symposium. Rolla: University of Missouri, 2006:316-328.

[7] BRYANT F D, SUI G,LEU M C. A Study on Effects of Process Parameters in Rapid Freeze Prototyping[J]. Rapid Prototyping Journal, 2003, 9(1): 19-23.

[8] PRINZ F B, WEISS L E. Novel Applications and Implementations of Shape Deposition Manufacturing[J]. Naval Research Reviews, 1998, 50: 19-26.

[9] LEU M C, DEUSER B K, TANG L, et al. Freeze-form Extrusion Fabrication of Functionally Graded Materials[J]. CIRP Annals—Manufacturing Technology, 2012, 61:223-226.

[10] MASON M S, HUANG T S, LANDERS R G, et al. Aqueous-based Extrusion of High Solids Loading Ceramic Pastes: Process Modeling and Control[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2009, 209(6): 2946-2957.

[11] COSTIN M H, TAYLOR P A, WRIGHT J D. On the Dynamics and Control of a Plasticating Extruder[J]. Polymer Engineering & Science, 1982, 22(17): 1095-1106.

[12] PREVIDI F, SAVARESI S M, PANAROTTO A. Design of a Feedback Control System for Real-time Control of Flow in a Single-screw Extruder[J]. Control Engineering Practice, 2006, 14(9): 1111-1121.

[13] HUANG T S, MASON M S, ZHAO X, et al. Aqueous-based Freeze-form Extrusion Fabrication of Alumina Components[J]. Rapid Prototyping Journal, 2009, 15(2): 88-95.

[14] 李淑娟, 包惠同, 張恒. 三維陶瓷零件低溫沉積過程擠壓力建模及自適應(yīng)控制[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù), 2016(2):253-259. LI Shujuan, BAO Huitong, ZHANG Heng. Modeling for Extrusion Force and Adaptive Control in the Freeze Deposition Process of Three Dimensional Ceramic Components[J]. Journal of Remote Sensing, 2016(2):253-259.

[15] 韓曾晉.自適應(yīng)控制[M].北京:清華大學(xué)出版社,1999:70-93. HAN Zengjin. Adaptive Control[J]. Beijing: Tsinghua University Press, 1999: 70-93.

[16] 方崇智,蕭德云.過程辨識(shí)[M].北京:清華大學(xué)出版社,1988:159-197. FANG Chongzhi, XIAO Deyun. Process Identification[M].Beijing: Tsinghua University Press, 1988:159-197.

(編輯 蘇衛(wèi)國)

Modeling and Control of Rapid Deposition for Functionally Gradient Material Components

JIAO Pande LI Shujuan YANG Leipeng YAN Cunfu

School of Mechanical and Precision Instrument Engineering,Xi’an University of Technology,Xi’an,710048

A new additive manufacturing equipment built on engraving machine was developed for the manufacture of FGM components, which extrudes two water-based materials in a certain proportion belowed the temperature of water solidification point. In the deposition processes of three-dimensional parts, the agglomeration and bubbles will inevitably exist in the configuration of the materials. When the release of the bubbles and the decomposition of agglomeration, the extrusion force of deposition processes was changed at any time , the deposition processes were unstable and the quality of deposited parts was hardly guaranteed. Analyzing the various process parameters and disturbances affected on the deposition processes of gradient material components, based on the plentiful experiments, this paper constructed the dynamic model of the deposition processes and the recursive least squares method was used to complete system identification. To test the feasibility of the FGM rapidly deposited and the validity of controller, two different colored Calcium carbonates(CaCO3) were tested.

functionally gradient material(FGM); deposition; extrusion force; adaptive control

2016-05-16

TH145.9DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2017.06.016

焦盼德，男，1991年生。西安理工大學(xué)機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院碩士研究生。研究方向?yàn)橄冗M(jìn)制造技術(shù)。E-mail:549565193@qq.com。李淑娟，女，1968年生。西安理工大學(xué)機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。楊磊鵬，男，1991年生。西安理工大學(xué)機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院博士研究生。閆存富，男，1972年生。西安理工大學(xué)機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院博士研究生。