电子束快速成型及其温度场模拟

论文摘要

电子束快速成型技术可以成型高熔点、易氧化等难加工金属,在快速成型领域具有特殊的应用价值。本文提出一种三维扫描电子束快速成型的方法。通过LabVIEW虚拟仪器编辑电子束在X-Y平面内的二维扫描轨迹;同时通过调节聚焦电流控制电子束焦点平面在Z方向上的移动,从而实现电子束三维扫描控制。为确定聚焦电流与电子束流焦点高度位置之间的关系,本文提出了一种动态焦点测量法,基于电子束与金属粉末交互作用下焦点能量密度与金属粉末温度之间的模糊线性关系,利用Origin软件分析拟合实验测得的聚焦电流和焦点位置之间的数据,构建聚焦电流关于焦点位置的函数,为三维扫描电子束快速成型控制提供技术支撑。本文采用铁粉进行电子束快速成型实验,分析比较各个工艺参数对成型结果的影响,认为电子束扫描加热平面处于电子束焦点平面附近时成型效果最好;每次加粉厚度在0.5mm-1mm之间比较合适;束流不能过大;在某个点上的停留时间不能过长;加粉厚度与束流大小必须匹配。借助于有限元分析软件ANSYS模拟分析了电子束快速成型过程中的温度场分布及变化情况。根据实验测得的温度对有限元模型进行多次修正,确定了铁粉的导热系数（与密度相关）和工件表面的发射率。利用修正后的有限元模型模拟了不同扫描方式下的温度场分布情况,讨论了扫描方式对成型的影响规律。实验和模拟分析的结果表明,对于一定宽度圆筒的造型,用多个圆从外到里依次扫描的方式比用多个圆同时扫描的方式更理想,使用较小的束流就可以达到熔点以上温度,且扫描范围与熔化范围趋于一致,熔化深度在整个扫描范围内基本相同,得到的成型件表面均匀平整。利用有限元模型模拟了层层堆积快速成型过程的温度场变化情况并预测了热流密度相同和不同情况下的四瓣梅花扫描的温度场分布,模拟结果可以用于指导实际工艺成型。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 快速成型发展现状
• 1.2.1 激光快速成型技术发展现状
• 1.2.2 电子束快速成型技术发展现状
• 1.3 电子束流焦点测量
• 1.3.1 电子束流焦点定义
• 1.3.2 电子束流焦点测量方法
• 1.4 数值模拟技术
• 1.4.1 快速成型温度场模拟国内外现状
• 1.4.2 ANSYS应用软件
• 1.5 课题意义与研究内容
• 第2章 电子束快速成型控制系统
• 2.1 三维扫描电子束快速成型的原理
• 2.2 三维扫描电子束快速成型系统
• 2.2.1 电子束焊机
• 2.2.2 工业控制计算机
• 2.2.3 可编程控制器PLC
• 2.2.4 测温装置
• 2.2.5 电子束偏转线圈和功率放大器
• 2.3 本章小结
• 第3章 聚焦电流与工作距离的关系
• 3.1 引言
• 3.2 焦点测量原理
• 3.3 具体实验
• 3.4 数据处理与分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 电子束快速成型实验
• 4.1 成型材料与模板
• 4.2 实验过程
• 4.3 实验结果与分析
• 4.3.1 束流大小对成型结果的影响
• 4.3.2 扫描时间对成型结果的影响
• 4.3.3 扫描方式对成型结果的影响
• 4.3.4 束斑直径对成型结果的影响
• 4.3.5 粉末层厚度对成型结果的影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 电子束快速成型温度场模拟
• 5.1 快速成型工艺试验及温度测量
• 5.2 电子束快速成型温度场有限元分析模型
• 5.2.1 工艺试验件的材料属性
• 5.2.2 电子束快速成型过程传热分析
• 5.2.3 热输入及散热边界条件分析
• 5.2.4 计算模型及加载步骤
• 5.2.5 温度场计算结果
• 5.3 规范参数对温度场的影响
• 5.3.1 不同扫描方式对温度场的影响
• 5.3.2 不同束流大小I对最高温度的影响
• 5.3.3 不同扫描半径r对最高温度的影响
• 5.3.4 不同束斑直径d对最高温度的影响
• 5.4 三维扫描快速成型温度场模拟
• 5.5 不等径四瓣梅花成型温度场模拟
• 5.6 本章小结
• 第6章 总结
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录