选择性激光烧结数值模拟与加工仿真

论文摘要

选择性激光烧结（Selective Laser Sintering,SLS）是快速成形技术（Rapid Prototyping, RP）中的一个重要分支,它是20世纪80年代末出现的一种全新制造技术。由于其具有选材范围广、成型无需夹具、能缩短产品设计生产周期等优势,发展越来越受到重视。但目前制造金属零件仍存在翘曲变形等不足,而烧结过程中的温度场是影响烧结的关键因素。本文对不同扫描路径下金属粉末烧结的温度场和应力应变进行模拟,然后选择合适的扫描路径分析不同的工艺参数对烧结温度场的影响,最后在SLS加工仿真系统上实现了SLS热物理过程动态仿真。主要研究内容如下:以304L不锈钢为烧结材料,综合考虑了材料的非线性物理属性、热传导、热对流及相变潜热等因素的影响,利用有限元分析软件ANSYS建立了选择性激光烧结有限元模型。采用APDL编程语言实现了高斯热源的循环移动加载,利用ANSYS的“单元生死”技术实现了材料动态增长来完成多层烧结的模拟。对不同扫描路径的温度场及应力应变进行了深入研究,对比分析了烧结过程中温度场特征、温度梯度及最终的变形和和应力,确定分形Hilbert曲线是一种较好的扫描路径。分析了多层烧结温度场分布特征及烧结层相互之间的影响,同时模拟了不同工艺参数（包括激光功率、扫描速度、预热温度、扫描步长）的烧结情况,分析了其对烧结温度场及热影响区的影响。利用Visual C++和OpenGL完成了仿真平台的构建及仿真界面的设计。利用分形Hilbert曲线填充切片轮廓后得到的节点坐标编程实现了激光扫描路径的运动控制,同时导入上述的热物理分析结果,运用OpenGL的双缓存技术以及Windows的定时器功能,实现了SLS加工热物理过程的仿真动画显示。本仿真平台能够实时的显示SLS热物理过程,具有良好的交互性和可移植性。不仅能够为后续的试验工艺参数选择提供理论上的指导,节省资源,还可用于SLS成果验证和教学演示,对SLS工艺的研究具有重要的理论和现实意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 主要符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 快速成型概述
• 1.2 选择性激光烧结工艺概况
• 1.2.1 选择性激光烧结原理及特点
• 1.2.2 选择性激光烧结的发展及研究现状
• 1.3 选择性激光烧结数值模拟研究方法
• 1.4 计算机仿真技术概况
• 1.5 论文研究的来源和意义
• 1.5.1 课题来源
• 1.5.2 论文研究的目的和意义
• 1.6 论文研究的主要内容
• 第二章 选择性激光烧结有限元模型的建立
• 2.1 温度场有限元分析基础
• 2.2 热应力场有限元分析基础
• 2.3 SLS有限元模拟的关键问题
• 2.3.1 移动高斯热源的处理与多层烧结的实现
• 2.3.2 材料的非线性处理
• 2.3.3 相变潜热的处理
• 2.4 有限元模型的建立
• 2.4.1 扫描路径模型的建立
• 2.4.2 多层烧结实体模型的建立
• 2.5 本章小结
• 第三章 不同扫描路径的SLS有限元模拟及分析
• 3.1 扫描路径的分类
• 3.2 扫描路径的选择
• 3.3 不同扫描路径下温度场模拟及分析
• 3.4 不同扫描路径下应力应变模拟及分析
• 3.4.1 热力耦合的实现
• 3.4.2 分析模型的建立及载荷的施加
• 3.4.3 应力应变模拟结果分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 工艺参数对SLS的影响
• 4.1 多层烧结温度场模拟与分析
• 4.2 工艺参数对烧结的影响
• 4.2.1 激光功率
• 4.2.2 扫描速度
• 4.2.3 预热温度
• 4.2.4 扫描步长
• 4.3 工艺参数对温度场分布的影响
• 4.3.1 不同激光功率温度场对比分析
• 4.3.2 不同扫描速度温度场对比分析
• 4.3.3 不同预热温度温度场对比分析
• 4.3.4 不同扫描步长温度场对比分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 SLS加工过程热物理仿真的实现
• 5.1 选择性激光烧结虚拟仿真平台的开发
• 5.1.1 平台总体结构
• 5.1.2 系统开发工具
• 5.1.3 仿真平台模型的建立与显示
• 5.2 SLS热物理过程的处理与实现
• 5.2.1 ANSYS结果数据的读取
• 5.2.2 单元网格温度场的显示
• 5.3 SLS热物理过程仿真动画的实现
• 5.3.1 仿真动画的关键技术
• 5.3.2 系统仿真结果
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历 在读期间发表的学术论文