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1、12一、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3一、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。45二、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
2、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。6三、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)氣體對粉床致密度和比熱容的影響;(5)不考慮金屬液相流動對溫度分布的影響;72.模擬流程83.單元選擇及網(wǎng)格劃分45號鋼的金屬基板尺寸為2.4mm1mm0
3、.4mm,激光掃描加工的316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)網(wǎng)格單元的尺寸為 0.025mm0.025mm0.025mm。9105.初始條件與邊界條件在選區(qū)激光熔融模擬過程中,將激光束的輻射簡化為移動熱源對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 TT
4、TTqz116.相變潛熱的處理SLM過程是一個(gè)材料受熱、熔化、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 dT127.熱傳導(dǎo)方程的建立SLM成形過程中溫度場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
5、作為內(nèi)熱源Q,則方程表達(dá)式為:222222()eTTTTckQtxyz13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 dT148.材料參數(shù)在溫度場的模擬計(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號鋼,加工的粉體材料為316不銹鋼粉末。1516四、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
6、中第三條掃描道中心點(diǎn)(點(diǎn) 2)的溫度場分布情況。17P=150WP=200WP=250WP=300W181.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,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。19五、實(shí)驗(yàn)效果無基板狀況下,對316不銹鋼粉末掃描兩層,在成型缸內(nèi)觀察打印
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