SLMD打印的金屬粉末的有限元分析學(xué)習(xí)課程

1、1一、選擇性激光熔化打印機(jī)的介紹二、翹曲形變的基本原理三、物理模型的建立四、ANSYS模擬結(jié)果五、實(shí)驗(yàn)效果第1頁/共21頁第一頁，編輯于星期六：二十點(diǎn) 四十七分。2一、選擇性激光熔化打印機(jī)的介紹選 擇 性 激 光 熔 化 技 術(shù)（Selective laser melting tech.）是利用金屬粉末在激光束的熱作用下完全熔化、經(jīng)冷卻凝固而成型的一種技術(shù)。右圖為最新發(fā)布的EP-M250工業(yè)級(jí)金屬粉末材料3D打印機(jī)，在無需刀具和模具條件下成形出任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)和接近100%致密度的金屬零件。第2頁/共21頁第二頁，編輯于星期六：二十點(diǎn) 四十七分。3第3頁/共21頁第三頁，編輯于星期六：二十點(diǎn) 四十

2、七分。4二、翹曲形變的基本原理在激光選區(qū)熔化快速成型工藝中，極細(xì)小的激光光斑照射在粉末上，使粉末熔化并凝固成實(shí)體，由于快熱快冷的成型特點(diǎn)，在材料內(nèi)形成高達(dá)108K/s的溫度梯度，從而形成較大的熱應(yīng)力，并且高溫使得材料的屈服強(qiáng)度降低，當(dāng)應(yīng)力大于材料的屈服極限時(shí)，材料就會(huì)發(fā)生翹曲變形，使得零件與基板、零件與支撐結(jié)構(gòu)或者層與層之間發(fā)生開裂，導(dǎo)致成型失敗。第4頁/共21頁第四頁，編輯于星期六：二十點(diǎn) 四十七分。5三、物理模型的建立1.數(shù)學(xué)假設(shè)（1）粉末顆粒的熱物性參數(shù)隨溫度而變化；（2）316不銹鋼粉末組成的粉床看作是均勻且連續(xù)的，固體顆粒呈球形且大小相同，相互之間無接觸變形；（3）激光束呈高斯分布且

3、以圓形的熱流形式輻照在粉床表面上；（4）不考慮 SLM 成形腔內(nèi)保護(hù)氣體對(duì)粉床致密度和比熱容的影響；（5）不考慮金屬液相流動(dòng)對(duì)溫度分布的影響；第5頁/共21頁第五頁，編輯于星期六：二十點(diǎn) 四十七分。62.模擬流程第6頁/共21頁第六頁，編輯于星期六：二十點(diǎn) 四十七分。73.單元選擇及網(wǎng)格劃分4 5號(hào) 鋼 的 金 屬 基 板 尺 寸 為2.4mm1mm0.4mm，激光掃描加工 的3 1 6不 銹 鋼 粉 末 零 件 為1.75mm0.77mm0.1mm，處于基板的中央位置，該模型共有五條掃描道，每一層均沿Y軸作光柵單向往復(fù)式掃描，分析過程中采用SOLID70作為熱分析單元，在加工零件上劃分的每個(gè)

4、網(wǎng)格單元的尺寸為 0.025mm0.025mm0.025mm。第7頁/共21頁第七頁，編輯于星期六：二十點(diǎn) 四十七分。8第8頁/共21頁第八頁，編輯于星期六：二十點(diǎn) 四十七分。95.初始條件與邊界條件在選區(qū)激光熔融模擬過程中，將激光束的輻射簡(jiǎn)化為移動(dòng)熱源對(duì)粉床表面的熱流密度的輸入，屬于第二類邊界條件。粉床表面與周圍流體介質(zhì)之間存在熱對(duì)流和熱輻射，因此模擬計(jì)算時(shí)又同時(shí)存在第三類邊界條件和第四類邊界條件，可以用下式進(jìn)行表示：初始條件：T0=323K44000-()()ezTkh TTTTqz第9頁/共21頁第九頁，編輯于星期六：二十點(diǎn) 四十七分。106.相變潛熱的處理SLM過程是一個(gè)材料受熱、熔化

5、、凝固的過程，其間包含著相變潛熱的吸收和釋放。相變潛熱是指物質(zhì)由一個(gè)相變化到另一個(gè)相吸收或放出的熱量。在ANSYS的計(jì)算中，一般采用熱焓法進(jìn)行計(jì)算，即通過定義材料隨溫度變化的焓來考慮相變潛熱，其公式為：式中，H 為熱焓，為密度，c為材料的比熱容，T為溫度。( )QHc T dT第10頁/共21頁第十頁，編輯于星期六：二十點(diǎn) 四十七分。117.熱傳導(dǎo)方程的建立SLM成形過程中溫度場(chǎng)的分析屬于典形的非線性瞬態(tài)傳熱問題。該過程粉末的熱量傳遞可以采用傅里葉熱傳導(dǎo)定律的經(jīng)典三維熱傳導(dǎo)偏微分方程(Fourier方程)來求解。由于材料會(huì)發(fā)生一系列的變化(粉態(tài)液態(tài)固態(tài))，所以存在著相變潛熱的影響。把相變潛熱作

6、為內(nèi)熱源Q，則方程表達(dá)式為：222222()eTTTTckQtxyz第11頁/共21頁第十一頁，編輯于星期六：二十點(diǎn) 四十七分。12總方程：1.熱傳導(dǎo)方程方程： 2.初始條件：T0=323K 3.邊界條件：222222()eTTTTckQtxyz44000-()()ezTkh TTTTqz( )QHc T dT第12頁/共21頁第十二頁，編輯于星期六：二十點(diǎn) 四十七分。138.材料參數(shù)在溫度場(chǎng)的模擬計(jì)算中，主要考慮材料的熱物性參數(shù)如：熔點(diǎn)、密度、比熱容和熱導(dǎo)率等。在該模擬中，基板材料為45號(hào)鋼，加工的粉體材料為316不銹鋼粉末。第13頁/共21頁第十三頁，編輯于星期六：二十點(diǎn) 四十七分。14第

7、14頁/共21頁第十四頁，編輯于星期六：二十點(diǎn) 四十七分。15四、ANSYS模擬結(jié)果設(shè)定激光光斑半徑r=0.06mm，設(shè)定激光的掃描速度為v=100mm/s，激光的功率P選取為150W、200W、250W、300W。圖為 SLM 成形過程中第三條掃描道中心點(diǎn)（點(diǎn) 2）的溫度場(chǎng)分布情況。第15頁/共21頁第十五頁，編輯于星期六：二十點(diǎn) 四十七分。16P=150WP=200WP=250WP=300W第16頁/共21頁第十六頁，編輯于星期六：二十點(diǎn) 四十七分。171.在SLM的加工過程中，只有當(dāng)具有穩(wěn)定幾何特征的熔池形成時(shí)，才能得到綜合力學(xué)性能良好的成形件。因此，為了使相鄰層之間牢固粘結(jié)，熔池的深度

8、需在合理范圍內(nèi)略大于單層粉層的厚度。2.當(dāng)激光功率過高時(shí)，粉末吸收了大量的激光能量，熱量累積嚴(yán)重，導(dǎo)致成形件的顯微組織粗化現(xiàn)象嚴(yán)重，綜合力學(xué)性能下降。同時(shí)，熔池由于溫度過高而生成過多的液相，熔池存在時(shí)間也明顯延長(zhǎng)，這將導(dǎo)致熔池內(nèi)部粘度顯著降低，熔池在毛細(xì)張力的作用下極易產(chǎn)生飛濺，加劇了“球化效應(yīng)”等缺陷。第17頁/共21頁第十七頁，編輯于星期六：二十點(diǎn) 四十七分。18五、實(shí)驗(yàn)效果無基板狀況下，對(duì)316不銹鋼粉末掃描兩層，在成型缸內(nèi)觀察打印出來的兩層的不銹鋼長(zhǎng)條末端已經(jīng)斷裂。在取出的過程中，零件則完全碎裂。第18頁/共21頁第十八頁，編輯于星期六：二十點(diǎn) 四十七分。19通過計(jì)算得出：對(duì)于316不銹鋼粉末來說，在300W激光功率和