選擇性激光燒結熱物理過程分析與仿真研究.pdf

1、快速原形制造技術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(SLS)技術是快速原形技術的一個重要分支，其工藝涉及機械、材料、粉末燒結、激光加工和傳熱等相關學科。本文針對SLS中激光與粉末材料相互作用過程、激光燒結過程3D有限元仿真、基于材料特性的自適應切片技術及SLS虛擬試驗系統(tǒng)等開展了研究工作。主要內容如下：
　　 ⑴分析了SLS粉末材料的構成特點，借鑒國際上流行的收集

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

3、率的影響，同時對激光束在粉末材料中的穿透深度以及燒結區(qū)域進行了仿真研究，仿真結果與試驗吻合。
　　 ⑵針對SLS熱物理過程，構建了3D溫度場、應力場有限元分析模型，該模型不僅考慮了對流、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成固體塊材過程中熱物理屬性劇烈改變的問題，同時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SLS過程不同的掃描路徑進行了優(yōu)化研究，發(fā)現在分形掃描方式中，Hil

4、bert掃描方式達到的溫度最高，燒結過程產生的平均溫度梯度最小。通過仿真與樹脂砂SLS的試驗研究發(fā)現，與傳統(tǒng)的“S”形掃描方式比較，Hilbert掃描方式燒結的薄板零件的變形降低了55.7％，燒結件的抗壓強度提高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換為STL文件導致的誤差，可以安全、高效、精確地獲取3D CAD模型的切片輪廓數據。在研究了幾何自適應切片算法的基礎上，提出了一種

5、基于材料熱物理特性的自適應切片方案，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、材料熱物理特性等信息，將自適應切片策略從幾何層面推向物理層面進行了嘗試。
　　 ⑷綜合上述研究成果開發(fā)了SLS虛擬試驗系統(tǒng)，該虛擬試驗系統(tǒng)能夠從幾何和物理層面對選擇性激光燒結零件的過程進行仿真，可以對SLS激光掃描運動過程、鋪粉運動過程，以及燒結過程溫度場等物理信息進行3D動態(tài)顯示。結合使用有限元分析工具，對SLS過程中溫度場、應力場以