供稿人:惠億軍 王玲 供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2020-11-30
激光燒結(jié)工藝由于其材料來(lái)源廣，能夠成型空心結(jié)構(gòu)件和復(fù)雜形狀件，因而在增材制造領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。在成型過(guò)程中，由于快速加熱/冷卻循環(huán)的存在，使得成型件溫度梯度大、溫度分布不均，進(jìn)而產(chǎn)生了翹曲變形、密度低、力學(xué)性能差等問(wèn)題。
因而，華中科技大學(xué)Maoyuan Li等通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，系統(tǒng)地研究了聚PA6在選擇性激光燒結(jié)過(guò)程中的熱行為。使用ABAQUS建立三維瞬態(tài)溫度場(chǎng)模型，研究了工藝參數(shù)對(duì)熱行為（溫度分布、熔池）的影響。討論了溫度場(chǎng)中的熱循環(huán)曲線和熔池尺寸，并通過(guò)單層燒結(jié)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。此外，Maoyuan Li等用能量密度來(lái)描述激光功率和掃描速度的綜合效應(yīng)。通過(guò)函數(shù)擬合能量密度與熔池最高溫度和熔池深度的關(guān)系，建立了參數(shù)優(yōu)化的過(guò)程圖。對(duì)不同區(qū)域打印的零件進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)，驗(yàn)證了工藝優(yōu)化圖有效性。
如圖1所示，將熔池的長(zhǎng)度、寬度和深度分別定義為沿掃描線、水平于掃描線和垂直于掃描線且溫度高于熔點(diǎn)的區(qū)域。通過(guò)數(shù)值分析工藝參數(shù)對(duì)熱行為的影響，結(jié)果顯示，當(dāng)激光功率固定為30W時(shí)，隨著單位時(shí)間熱量的增加，最高溫度隨著掃描速度的降低而增加。激光半徑和掃描路徑固定，熔池的寬度和長(zhǎng)度略有變化。此外，深度隨著激光功率的增加而增加，這歸因于更強(qiáng)的熱穿透效果，但深度隨著掃描速度的增加而減小。
圖1 掃描路徑和有限元模型a）燒結(jié)有限元模型；b）掃描路徑；c）熔池的三維形貌
如圖2所示，工藝優(yōu)化圖的區(qū)域由約束條件確定，即d＝0.1mm，d＝0.2mm，Tmax＝462℃。區(qū)域1中的熔池深度小于0.1毫米，表明各層之間存在未熔合區(qū)域。區(qū)域2和3中熔池的深度分別為0.1-0.2mm和大于0.2mm。區(qū)域4的最高溫度大于462℃、深度大于0.2mm。結(jié)果表明，在低激光功率和高掃描速度的情況下，能量密度不足以熔化單層，導(dǎo)致部件密度低和機(jī)械性能差。在高激光功率和低掃描速度下，高能量密度，粉末部分分解。能量密度建議在0.0287-0.106 J / mm2的范圍，即區(qū)域3具有足夠的熔池深度和合理的溫度分布。
圖2 兩個(gè)約束條件下的工藝優(yōu)化圖和不同區(qū)域的拉伸強(qiáng)度