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附 錄
英文翻譯:
選擇性激光燒結(jié)溫度場的數(shù)值模擬
張堅 李云健等
華東交通大學 運載工具與裝備國家教育部重點實驗室
摘要:金屬混合粉末鎢銅的激光燒結(jié)過程是通過ANSYS有限元軟件模擬的,其中溫度場下有輻射,對流和熱物理參數(shù)這些因素做為模擬條件。在一些文獻中研究表明激光功率和掃描速度等這些關(guān)鍵參數(shù)直接影響燒結(jié)成型。研究顯示當掃描速度恒定時,隨著激光功率的增加燒結(jié)深度會增加,相反,當激光功率恒定時,隨著掃描速度的增加而燒結(jié)深度會有所下降。在燒結(jié)深度中選擇合理的加工過程參數(shù)來滿足燒結(jié)質(zhì)量的要求,結(jié)合燒結(jié)的深度合理的利用燒結(jié)功率和掃描速度的參數(shù)。
關(guān)鍵詞:選擇性激光燒結(jié) 數(shù)字模擬 溫度場 燒結(jié)深度
1 引言
鎢銅混合材料,一種典型的二階段偽合金,它具有良好的導電性,銅的熱傳導性和高熔點和鎢的高硬度。它被用作電接觸,電極材料,特殊用途的軍用物資(例如火箭的噴嘴),還有高氣密性包裝的CPU散熱器襯底和固態(tài)微波爐等等,因此,鎢銅混合材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)和軍用。
選擇性激光燒結(jié)技術(shù),是最近研究的一個熱點課題,它能夠從3DCAD軟件中 ,直接制造金屬模型或者較復雜形狀的部分原型,去得到應(yīng)有的功能來滿足要求。SLS有望獲得高密度的鎢銅合金和得到其他加工方法很難完成的具有復雜狀的零件。本篇論文,主要是講通過有限元ANSYS軟件數(shù)字模擬鎢銅合金粉末在溫度場中的分布,分析激光功率和掃描速度對燒結(jié)深度的影響。由燒結(jié)深度選擇合理的工藝參數(shù),對鎢銅合金粉末的的燒結(jié)成型具有重大的意義.
2建立模型
2.1建立數(shù)學模型
熔池在周圍的空氣和SLS粉床上產(chǎn)生熱變化,這個導熱性由下面的等式表達:
代表有效的熱傳導粉末系數(shù):
代表壓實粉末密度;
C代表材料的熱熱量;
代表分散的熱空氣:
激光能量密度。
假設(shè)燒結(jié)之前是均勻分布的最初的溫度設(shè)為T0,開始的顯示條件如下所示:
為了簡化計算,假設(shè)在襯底的底部沒有熱量的損失,在SLS中,熱的損失是有傳導和輻射造成的,邊界條件顯示如下:
代表有效的熱傳導粉末系數(shù);
h代表熱傳導系數(shù);
T代表金屬粉末在某一刻的溫度;
Stefan-bdtzmann固定值;
代表初始溫度;
代表實際對象的熱輻射系數(shù)。
2.3 物理模型的建立
為了簡化燒結(jié)模型和計算時間,在下面建立有限元模型,混合粉末由鎢和銅以一定的比例混合。網(wǎng)格為3.4mm×1.6mm×0.3mm.在激光燒結(jié)空間和熱的影響區(qū)域和減少時間上為了確保足夠的網(wǎng)的密度,不同的網(wǎng)的尺寸能夠用于襯底和燒結(jié)層。燒結(jié)層最小的厚度為0.1mm.然而襯底的網(wǎng)是最大的。
下面的圖2中顯示在激光的高斯分布,激光能量的中心是最高的,激光能量隨著遠離中心點而連續(xù)降低。將激光點分成4×4,則1,2,3所對應(yīng)的衰變系數(shù)分別為0.8359552,0.5226424,0.3267576.
圖1
圖2
在燒結(jié)過程中,激光能量遵從高斯分布:
q代表激光能量密度;
P代表激光能量;
A是激光到粉床的激光吸收比率;
r代表粉床上的一個點到激光中心的距離;
W是激光點的半徑。
3 結(jié)果和分析
粉末是有鎢和銅以一定比例混合的,融化溫度分別是3380°和1083°。下面的表格1和圖3顯示了其他的。
工藝參數(shù)假設(shè)為直徑為0.4mm,掃描空間是0.3mm,粉末厚度是0.1mm,空氣傳導系數(shù)是10,粉床的有效輻射系數(shù)為0.8。
表1
圖3
圖4顯示了池深度的有效掃描速度,有圖可見,當激光功率是固定值時,燒結(jié)深度隨著掃描速度的增加而減少,在v=0.12m/s時,燒結(jié)深度為0.29mm,然而在v=0.02m/s時,燒結(jié)深度為0.076mm.原因是因為當激光功率固定時,掃描速度的增加,輸入的激光能量會減少,同時,能量在粉末粒子停留的時間就就較少,特別是在高的掃描速度下,在能量和粉末粒子之間持續(xù)時間是極短的,甚至粉末粒子不能夠融化,因為能量轉(zhuǎn)換到粉末粒子周圍沒有足夠的時間,但是在低的掃描速度下,溫度提升很容易導致巨大的累積效果和比較大的溫度梯度。
圖5顯示了粉池中激光功率的影響,正如圖所見,當掃描速度固定時,燒結(jié)深度在提高隨著燒結(jié)功率的提高。在p=195w時,燒結(jié)深度僅僅是0.08mm,p=235w時燒結(jié)深度是增加到0.21mm.原因是掃描速度是固定的,而激光功率的提高,輸出能量密度也在提高,但是過多的激光功率會使溫度太高以至于粉末燒結(jié)層有巨大的收縮,這很容易導致工件的翹曲和開裂。
圖4 粉池中掃描速度的影響
圖5 粉池中激光功率的影響
激光功率和掃描速度是直接影響燒結(jié)成型的關(guān)鍵參數(shù),較高的掃描速度不僅僅能有效地抑制熔池的擴張和“濺”的現(xiàn)象,而且能提高形成效率。合理的激光功率不僅僅能確保更好的層的粘接,而且也可以減少燒結(jié)層的收縮和翹曲。
燒結(jié)深度必須大于粉層的厚度,目的在于穿透當前的粉末層時確保相鄰的粉層更好的粘結(jié)。否則,相鄰的粉層將會分開,獲得的粉池中零件的強度和形成的準確性,甚至在形成過程中都不能實現(xiàn)。圖6顯示了在一個特定的激光功率和掃描速度下,不同時間下Z方向的溫度分布。正如圖所示,在t=0.05875s時,0.1mm的溫度是明顯高于銅的融化點(1356K),它暗示了燒結(jié)深度大于粉層厚度,同樣地,燒結(jié)深度在t=0.11125s是0.14mm,在t=0.211125是0.19mm,所以粉末厚度低于燒結(jié)深度,在當前工藝參數(shù)下,相鄰的結(jié)合點在第一層和底層是最強的,而且冶金的結(jié)合層也是比較好的。
SLS的3D部分完成線的表面和層的重疊,通過燒結(jié)形成的固體結(jié)構(gòu)應(yīng)該滿足下面的2個條件。
1,覆蓋程度的能量應(yīng)該要求在掃描光束之間,也就是說,在一個確定的功率密度下,掃描速度不能太高,,以確保有足夠的功率輸入使粉末層在當前層粘接在一起,而且沒有散粉的情況下,形成2D的表面結(jié)構(gòu),
2,粉末厚度要低于燒結(jié)深度,也就是說,燒結(jié)功率應(yīng)該確保在穿透當前層時使相鄰的層更好的粘結(jié),這樣就能更好的形成3D的立體結(jié)構(gòu)。
圖6 不同時間Z方向的溫度分布(1-t1=0.05875s, 2-t2=0.11125s, 3-t3=0.21125s)
4 總結(jié)
1,當掃描速度固定時,隨著激光功率的提高燒結(jié)深度也會提高,另外,當激光功率固定時,隨著掃描速度的增加燒結(jié)深度會下降。
2,選擇合理的工藝參數(shù)且在燒結(jié)深度下滿足燒結(jié)質(zhì)量的要求,通過分析燒結(jié)深度,合理利用燒結(jié)功率和掃描速度。
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