高分子粉末选择性激光烧结过程的数值模拟

论文摘要

选择性激光烧结(Selective Laser Sintering,SLS)是应用分层制造思想,以激光为热源加热固体粉末材料,使其粘结后直接成型三维实体零件的一种具有广阔发展前景的快速成形技术。本文对高分子粉末选择性激光烧结过程进行了研究,具体内容包括:首先,分析了粉末材料SLS成型过程的特点:热源的移动性,加热过程的瞬时性,加热区域的局部集中性,加热过程中温度梯度大,材料物理性质从粉体到实体的转变性以及烧结性能的历史影响性;总结了材料和工艺参数两方面因素对成型的影响,讨论了粉床的有效导热系数。然后,利用ANSYS软件的开发工具——APDL语言进行编程,实现了能量呈高斯分布的激光热源的加载和移动,对SLS成型过程的温度场分布情况进行了动态模拟。把单层粉末的烧结分为同向烧结和S形烧结两种方式,分析了各自温度场的分布情况。对于S形方式烧结,转换方向时所产生的温度峰值大于同向方式烧结所产生的温度峰值;对于某一位置的节点,如果处于烧结道中心,温度峰值只出现一次,而处于两烧结道之间的节点,则存在两次温度峰值,两次峰值之间的时间间隔取决于所采用的烧结方式和烧结道的长度。对于特定的路径在不同时刻的温度分布状况进行了分析,其变化方式及特点主要由热源的移动所决定。最后,对烧结过程的应力场和制件的变形情况进行了初步的模拟分析。能量呈高斯分布的移动热源使温度场分布很不均匀,使得各区域收缩或膨胀不一致,从而产生了热应力,并最终导致制件发生变形翘曲。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 SLS 技术的产生与发展
• 1.2 SLS 技术的基本原理和烧结成型机理
• 1.2.1 SLS 技术的基本原理
• 1.2.2 SLS 的成型材料概况
• 1.2.3 粉末烧结机理
• 1.3 数值模拟技术在SLS 中的应用现状
• 1.4 本论文研究的主要内容
• 2 SLS 热过程分析
• 2.1 基础理论
• 2.1.1 传热方式简介
• 2.1.2 有限元法基本方程
• 2.2 SLS 成型过程的特点及影响因素
• 2.2.1 材料的影响
• 2.2.2 工艺参数的影响
• 2.3 SLS 热过程分析模型
• 2.3.1 激光能量的输入模型
• 2.3.2 粉床有效导热系数
• 3 SLS 成型温度场模拟
• 3.1 温度场的有限元分析理论
• 3.2 建立温度场有限元模型
• 3.2.1 单元类型及材料属性
• 3.2.2 建立有限元模型
• 3.2.3 边界条件处理及载荷的施加
• 3.3 移动热源的模拟
• 3.4 APDL 程序算法的实现
• 3.5 模拟结果分析与讨论
• 3.5.1 单层单道模拟结果分析
• 3.5.2 单层多道模拟结果分析
• 4 SLS 成型热应力场模拟
• 4.1 粘弹性理论
• 4.2 变温粘弹性本构方程
• 4.3 热应力场建模
• 4.4 热应力场有限元模拟结果
• 5 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录