選擇性激光燒結(jié)熱物理過程分析與仿真研究.pdf

1、快速原形制造技術(shù)使用逐層累加材料的方法制造零件，從制造哲理上突破了傳統(tǒng)切削加工(材料去除)的思想桎梏。選擇性激光燒結(jié)(SLS)技術(shù)是快速原形技術(shù)的一個(gè)重要分支，其工藝涉及機(jī)械、材料、粉末燒結(jié)、激光加工和傳熱等相關(guān)學(xué)科。本文針對(duì)SLS中激光與粉末材料相互作用過程、激光燒結(jié)過程3D有限元仿真、基于材料特性的自適應(yīng)切片技術(shù)及SLS虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)等開展了研究工作。主要內(nèi)容如下：
　　 ⑴分析了SLS粉末材料的構(gòu)成特點(diǎn)，借鑒國(guó)際上流行的收集

2、/重排堆垛模型的思想，應(yīng)用Monte Carlo隨機(jī)數(shù)仿真方法，構(gòu)建了一種SLS粉末顆粒的新型堆垛模型，對(duì)SLS用單一尺寸和二元混合粉末材料的堆垛構(gòu)形進(jìn)行了仿真研究，為理論研究激光束與粉末材料相互作用提供了研究基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，討論了粉末顆粒對(duì)激光束的吸收機(jī)理，建立了一種SLS光線跟蹤模型，對(duì)激光束在SLS粉末顆粒中的傳遞、穿透行為進(jìn)行了研究。綜合使用所構(gòu)建的SLS粉末堆垛模型和光線跟蹤模型，探討了激光波長(zhǎng)、粉末材料組成特性等因素對(duì)吸收

3、率的影響，同時(shí)對(duì)激光束在粉末材料中的穿透深度以及燒結(jié)區(qū)域進(jìn)行了仿真研究，仿真結(jié)果與試驗(yàn)吻合。
　　 ⑵針對(duì)SLS熱物理過程，構(gòu)建了3D溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)有限元分析模型，該模型不僅考慮了對(duì)流、輻射邊界條件，以及材料熱物理屬性的非線性特征，而且，考慮了在粉末材料燒結(jié)成固體塊材過程中熱物理屬性劇烈改變的問題，同時(shí)考慮了相變和激光束高斯分布特征等問題。利用有限元分析模型，對(duì)SLS過程不同的掃描路徑進(jìn)行了優(yōu)化研究，發(fā)現(xiàn)在分形掃描方式中，Hil

4、bert掃描方式達(dá)到的溫度最高，燒結(jié)過程產(chǎn)生的平均溫度梯度最小。通過仿真與樹脂砂SLS的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的“S”形掃描方式比較，Hilbert掃描方式燒結(jié)的薄板零件的變形降低了55.7％，燒結(jié)件的抗壓強(qiáng)度提高20[％]左右。
　　 ⑶開發(fā)了基于Pro/E的零件直接切片算法，該直接切片策略避免了因轉(zhuǎn)換為STL文件導(dǎo)致的誤差，可以安全、高效、精確地獲取3D CAD模型的切片輪廓數(shù)據(jù)。在研究了幾何自適應(yīng)切片算法的基礎(chǔ)上，提出了一種

5、基于材料熱物理特性的自適應(yīng)切片方案，該切片策略綜合考慮了3D模型的幾何特性和SLS的工藝參數(shù)、材料熱物理特性等信息，將自適應(yīng)切片策略從幾何層面推向物理層面進(jìn)行了嘗試。
　　 ⑷綜合上述研究成果開發(fā)了SLS虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)，該虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)能夠從幾何和物理層面對(duì)選擇性激光燒結(jié)零件的過程進(jìn)行仿真，可以對(duì)SLS激光掃描運(yùn)動(dòng)過程、鋪粉運(yùn)動(dòng)過程，以及燒結(jié)過程溫度場(chǎng)等物理信息進(jìn)行3D動(dòng)態(tài)顯示。結(jié)合使用有限元分析工具，對(duì)SLS過程中溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)以