不锈钢粉末间接选区激光烧结的数值模拟与实验研究

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选区激光烧结技术(Selective Laser Sintering,简称SLS)可分为间接和直接选区激光烧结技术,由于其烧结材料来源广泛、成形工艺简单和成形件性能较好等优点,已经成为国内外研究的热点。对于金属粉末选区激光烧结技术来说,国内的研究主要集中在金属粉末直接激光烧结成形技术上,而对金属粉末间接选区激光烧结技术的烧结成形机理、烧结过程中的温度场和应力场的模拟及各工艺参数对成形质量的影响等方面研究还不够充分,不利于该项技术的进一步推广。针对以上现象,本文从烧结成形机理、有限元数值模拟和烧结实验研究三个方面对金属粉末间接选区激光烧结进行了深入的研究,具体研究内容如下:  首先对选区激光烧结成形技术的原理与特点和金属粉末选区激光烧结技术国内外的研究现状作了简要的阐述。然后对SLS间接烧结成形机理进行了研究,通过对激光与粉末颗粒的相互作用和粉末材料的烧结机制两方面的研究分析,得出了只有液相烧结机制才符合选区激光烧结过程机理的结论;并从零件的造形、材料的物理特性和烧结工艺参数三方面对成形制件质量的影响进行了分析。  其次研究了烧结成形过程中的特点,对烧结过程中的热物性参数和相变潜热的处理提出了有效的解决办法;同时提出了混合物的参数计算方法和模拟过程中单元类型的选择,在此基础上,建立有限元单层和多层烧结模型,利用ANSYS软件中的参数化语言APDL来实现热源在粉床表面的加载;并运用生死单元技术,实现多层烧结模型的动态增长;对温度场的模拟结果进行分析,总结了整个烧结过程中温度场的分布规律。再次在温度场的研究基础上,对不锈钢316L和尼龙PA12混合粉末的应力场进行了模拟,发现在烧结过程中存在较大的应力和应变,从而会产生翘曲变形,然后在此基础上设计正交模拟试验方案,以烧结结束时刻制件的最大翘曲变形量作为研究指标,对烧结过程中的工艺参数进行优化,并同时与316L和环氧树脂E-12混合粉末产生的翘曲变形进行对比,发现后者的翘曲变形明显小于前者,为实验研究提供了指导。  最后利用激光烧结快速成形系统对金属粉末316L和环氧树脂粉末E-12的混合粉末进行了烧结实验,设计了正交试验方案,以烧结制件的强度为性能指标,采用极差的分析方法,研究了不同工艺参数对制件强度的影响规律,同时还对试样的烧结精度进行了分析,最终对工艺参数进行了优化,优化的工艺参数为:激光功率15W,扫描间距0.125mm,扫描速度1900mm/s,预热温度60℃,铺粉厚度0.1mm。
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