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        聚合物選區(qū)激光燒結(jié)粉末加熱模擬

        2021-10-13 09:01:08蔡令令丁浩亮
        模具技術(shù) 2021年5期

        蔡令令,丁浩亮,孟 娟,溫 馨,嚴(yán) 波*

        (1. 上海交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200030;2. 航天材料及工藝研究所,北京 100076)

        0 引言

        選區(qū)激光燒結(jié)(SLS)的優(yōu)點(diǎn)有: 制造加工時(shí)間短、速度快;理論上可以加工任意復(fù)雜形狀的零件;對原材料的利用率較高等[1]。但是SLS仍需在燒結(jié)精度、產(chǎn)品力學(xué)性能等方面實(shí)現(xiàn)突破,因此更加深入地研究選區(qū)激光燒結(jié)機(jī)理尤為重要。ZHOU等[2]使用序貫式堆積法來實(shí)現(xiàn)具有相同或不同尺寸的不透明、擴(kuò)散或鏡面反射的球形粒子的三維隨機(jī)堆積。ZHOU等[3]采用序貫加法堆積算法研究了球形顆粒在有/無振動作用下的隨機(jī)堆積問題。ARGENTO等[4]基于蒙特卡羅算法和射線跟蹤程序提出了一種確定多孔介質(zhì)輻射特性的常規(guī)射線跟蹤方法。MA等[5]系統(tǒng)地研究了3種不同折射率情況下,球粒子在吸收介質(zhì)中的輻射傳輸問題。COQUARD等[6]基于蒙特卡羅方法提出了一種預(yù)測不透明球形粒子床輻射特性的新方法。

        選區(qū)激光燒結(jié)時(shí)激光加熱粉末的好壞將直接影響成型件的質(zhì)量,粉末的溫度高低和分布均勻性至關(guān)重要。本文作者建立了SLS過程中的粉末堆積和激光加熱粉末的數(shù)值模型,采用C++自主開發(fā)了數(shù)值模擬軟件,模擬了粉末顆粒堆積和激光加熱粉末,通過數(shù)值模型研究了粉末溫度分布和熔池尺寸的影響因素及規(guī)律,如激光功率、掃描速度對粉末溫度的影響等。

        1 粉末堆積模擬

        選區(qū)激光燒結(jié)過程首先需要完成粉末材料在床體上的鋪粉過程,并根據(jù)實(shí)際鋪粉過程中的幾何特點(diǎn)來用數(shù)值模擬的方法來實(shí)現(xiàn)鋪粉過程。

        采用序貫加法堆積[3]模擬隨機(jī)生成一個(gè)球體,使用下降和滾動規(guī)則讓每個(gè)球體沿著垂直的路徑運(yùn)動,直到它的表面接觸容器的底部或堆積的球體。

        圖1(a)描述了球體1在球體2上的垂直面向下滾動的情況;圖1(b)是球體1同時(shí)與2個(gè)球體保持接觸,球體1在與球體2和球體3接觸時(shí)向下滾動,直到與另一個(gè)球體(球體4)接觸,如圖1(c)所示,再進(jìn)行穩(wěn)定判斷,以確保下降的球體(球體1)處于穩(wěn)定位置。

        (a) 沿著1個(gè)球體表面滾動

        (b) 沿著2個(gè)球體表面滾動

        (c) 由3個(gè)球體穩(wěn)定支撐

        (d) 由3個(gè)球體不穩(wěn)定支撐

        2 激光加熱粉末模擬

        如圖2(a)所示,選區(qū)激光燒結(jié)過程中,激光的能量通過輻射轉(zhuǎn)移到粉末上。由圖2(b)可知: 在燒結(jié)過程中,主要發(fā)生激光能量的吸收、反射、透射等。激光能量E和反射能量ER、吸收能量EA、透射能量ET的關(guān)系為:

        E=ER+EA+ET

        (1)

        (a) 激光照射粉末

        (b) 粉末吸收激光能量

        粉末顆粒吸收激光的能量最終轉(zhuǎn)化為溫度,表現(xiàn)為粉末顆粒溫度的上升,能量與溫度的轉(zhuǎn)化關(guān)系為:

        EA=ρVCp(T-T0)

        (2)

        其中:ρ為顆粒材料密度;V為顆粒體積,可由半徑根據(jù)球的體積公式算出;Cp為材料比熱容;T0為初始溫度即預(yù)熱溫度;T為粉末顆粒吸收激光能量后的溫度。

        3 粉末堆積和加熱模擬結(jié)果

        3.1 球體顆粒堆積結(jié)果與表征

        從圖3的模擬堆積結(jié)果可以看出: 球體堆積排列較好,圖3顯示球體相互接觸的實(shí)際情況,與表1的數(shù)據(jù)對比,發(fā)現(xiàn)堆積致密度和配位數(shù)與文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)接近,說明球體堆積內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較準(zhǔn)確,模擬堆積的方法和程序是可行的。

        (a) 1層隨機(jī)堆積

        (b) 5層堆積

        (c) 堆積滿容器

        表1 模擬的堆積致密度和平均配位數(shù)與ZHOU等[3]的結(jié)果對比

        3.2 激光作用粉末顆粒的模擬結(jié)果

        3.2.1 不同激光功率下的溫度分布

        激光照射后的粉末床體的溫度分布如圖4所示,在激光經(jīng)過的地方,粉末顆粒溫度升高;未被激光照射的地方,溫度未發(fā)生變化;粉末靠近激光中心處溫度相對較高;遠(yuǎn)離激光中心處溫度較低,符合高斯激光的能量分布。同時(shí)從圖5可以看出激光功率越高,則熔池平均溫度越高,熔池寬度也越大。

        (a) P=50 W

        (b) P=55 W

        (c) P=60 W

        (d) P=65 W

        (e) P=70 W

        (a) 熔池平均溫度

        (b) 熔池寬度

        3.2.2 不同掃描速度下的溫度分布

        由圖6可知被不同掃描速度的激光照射后的粉末床體的溫度分布,從圖7可以看出: 掃描速度越高,則熔池平均溫度越低,熔池寬度越小。

        (a) v=1 000 mm·s-1

        (b) v=1 300 mm·s-1

        (c) v=1 600 mm·s-1

        (d) v=1 900 mm·s-1

        (e) v=2 200 mm·s-1

        (f) v=2 500 mm·s-1

        (a) 熔池平均溫度

        (b) 熔池寬度

        4 結(jié)論

        本文研究了SLS的粉末顆粒堆積、粉末顆粒溫度分布。建立了SLS粉末顆粒堆積模型和激光加熱粉末的光線跟蹤模型。采用序貫加法堆積算法來模擬選區(qū)激光燒結(jié)中顆粒的堆積過程,模擬結(jié)果與文獻(xiàn)中的模擬堆積的致密度和配位數(shù)相一致。在光線跟蹤過程中考慮了反射、透射和折射過程,激光作用粉末的模擬結(jié)果顯示: 被激光照射的粉末床體距離激光中心處溫度最高;遠(yuǎn)離激光中心處,溫度降低,且距離越遠(yuǎn),溫度越低;熔池溫度隨著激光功率的增大而升高,熔池溫度隨著掃描速度的增加而降低。

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