王 典，賈 蕾，葛小兵

(江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

選擇性激光燒結(jié)(SLS)又可稱為選區(qū)激光燒結(jié)，是利用激光有選擇地逐層燒結(jié)粉末，逐層的疊加，從而預(yù)定形狀的三維實(shí)體零件的一種快速成形制造方法。SLS最初只能用于塑料粉末和蠟粉的成形。20世紀(jì)90年代初，德國(guó)EOS公司與芬蘭的Rapid Product Innovations合作，研制出可用于SLS成形的燒結(jié)不收縮銅粉和不銹鋼粉，從而將 SLS技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域拓展到了金屬材料成形領(lǐng)域［1］。利用SLS工藝直接燒結(jié)金屬粉末成形三維零部件是SLS技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)之一，也是快速成形制造的最終目標(biāo)之一。國(guó)內(nèi)外科研人員在這方面做了大量的研究工作，并初步取得了一些成果，在某些高科技領(lǐng)域得到了一定范圍的應(yīng)用。

目前，對(duì)SLS溫度場(chǎng)的模擬研究，國(guó)內(nèi)外已有不少報(bào)道，但主要都集中在聚合物材料方面，而對(duì)金屬材料燒結(jié)溫度場(chǎng)模擬方面的研究卻相對(duì)較少［2-5］。同時(shí)因?yàn)榻饘俜勰┻x擇性激光燒結(jié)是一個(gè)涉及激光與材料相互作用、粉末燒結(jié)理論等知識(shí)的復(fù)雜冶金過程，其瞬態(tài)溫度場(chǎng)的分布情況和變化規(guī)律比較復(fù)雜。故本文在考慮了材料的熱物性參數(shù)隨溫度變化的情況下，以316L不銹鋼粉末與PA6粉末混合的材料作為燒結(jié)材料，通過計(jì)算公式確定了不同溫度下的熱物性參數(shù)。利用參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言APDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了激光高斯熱源的移動(dòng)加載，對(duì)金屬粉末激光燒結(jié)過程的溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬。因?yàn)闇囟葓?chǎng)的變化主要取決于激光功率和激光掃描速度的變化，所以研究了不同激光功率和不同激光掃描速度時(shí)溫度場(chǎng)的分布情況，為試驗(yàn)選取合理的工藝參數(shù)提供了理論上的指導(dǎo)。

1 模擬試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料熱物性參數(shù)的確定

金屬粉末間接法激光燒結(jié)的粉末混合方式有兩種：一種為覆膜法;一種為機(jī)械法。機(jī)械法混合需要確定金屬粉末與有機(jī)材料各自所占的比例。通過查閱參考文獻(xiàn)，得知當(dāng)有機(jī)材料所占比例為4% ～5%時(shí)有較好的燒結(jié)效果［6］。本文模擬所用的試驗(yàn)材料為95%的316L不銹鋼粉末與5%的尼龍PA6粉末，并采用機(jī)械法混合的材料。316L不銹鋼粉末的化學(xué)成份［7］見表1。316L不銹鋼粉末與PA6粉末的性能見表2。

表1 316L不銹鋼粉末的化學(xué)成份

表2 316L不銹鋼粉末與PA6粉末的性能

粉末激光燒結(jié)模擬是一個(gè)非線性瞬態(tài)分析的過程，在模擬的過程中，如密度、熱傳導(dǎo)系數(shù)、比熱容等熱物理參數(shù)都需要確定，而且參數(shù)會(huì)隨著溫度的變化而發(fā)生變化。對(duì)于單一316L不銹鋼粉末，通過查閱工程材料手冊(cè)可獲得其在不同溫度下的一些熱物性參數(shù)［7］，并且根據(jù)不同溫度下的不同熱物性參數(shù)，通過APDL語(yǔ)言對(duì)316L不銹鋼粉末材料屬性進(jìn)行定義。但是間接法燒結(jié)需要定義兩種粉末的混合粉末的性能參數(shù)，這就需要找到一種計(jì)算方法。本試驗(yàn)通過式(1)可計(jì)算出混合粉末的性能參數(shù)，95%的316L不銹鋼粉末與5%的尼龍PA6粉末混合而成粉末的比熱容：

式中：C0，C1，C2分別為混合粉末、粉末1、粉末2 在相同溫度時(shí)的比熱容;X1，X2分別為粉末1、粉末2的質(zhì)量百分比［8］。

混合粉末的熱傳導(dǎo)系數(shù)：

式中：K0，K1，K2分別為混合粉末、粉末1、粉末2 在相同溫度時(shí)的熱傳導(dǎo)系數(shù);ρ1，ρ2分別為粉末1、粉末2的密度。

混合粉末的密度：

1.2 有限元模型的建立

燒結(jié)試驗(yàn)中采用的是在基體材料上鋪一層粉末，基體材料是45號(hào)鋼，初始溫度為20℃，基體層建模厚度為1mm，金屬粉末層建模層厚度為0．15mm，總模型長(zhǎng)10mm，寬5mm。選用 SOLID70單元作為三維熱實(shí)體單元，SOLID70單元可用于三維的瞬態(tài)與穩(wěn)態(tài)的分析，并且也可使在恒定溫度場(chǎng)中因質(zhì)量運(yùn)輸而帶來的熱流損失得到補(bǔ)償。在ANSYS分析中，如果要施加載荷，熱對(duì)流邊界條件和熱流密度不能同時(shí)施加在同一實(shí)體單元的表面，因此就需要引入一個(gè)新的表面效應(yīng)單元，讓熱流密度在加載過程中施加在實(shí)體單元的表面，而熱對(duì)流邊界條件則是施加在表面效應(yīng)單元上。這里選用的三維熱表面效應(yīng)單元為SURF152。劃分后的網(wǎng)格如圖1所示。

圖1 燒結(jié)模型有限元網(wǎng)格劃分

1.3 加載與求解

本模擬試驗(yàn)采用的激光器為CO2激光器，波長(zhǎng)10．6μm，設(shè)定激光光斑半徑 r=0．4mm，分別設(shè)定激光的掃描速度為 v1=0．02m/s、v2=0．04m/s，激光的功率 P1=4W、P2=6W、P3=8W。粉末激光燒結(jié)的過程中，激光的掃描路徑采用S形長(zhǎng)邊掃描路徑，因?yàn)镾形長(zhǎng)邊掃描路徑燒結(jié)效果較好［9］。由于激光熱源是移動(dòng)的，所以加載的熱流的密度也應(yīng)該是變化的。整個(gè)激光熱源的移動(dòng)過程被劃分成一系列的載荷步，通過載荷步的變化來實(shí)現(xiàn)熱源中心的變化，這樣就可以模擬出整個(gè)粉末燒結(jié)過程的動(dòng)態(tài)變化情況，即當(dāng)激光的熱源中心在某一點(diǎn)時(shí)，這個(gè)熱源中心的有效加熱區(qū)域就是一個(gè)圓，然后計(jì)算出各個(gè)小單元的中心到熱源中心的距離是多少。當(dāng)計(jì)算的這個(gè)距離值r≤R時(shí)(R為有效加熱半徑)，就會(huì)對(duì)單元加載熱流密度;當(dāng)r＞R時(shí)，這個(gè)單元的熱流密度值就會(huì)被賦為0。計(jì)算出來的熱流密度的值可以存放到ANSYS軟件里面的參數(shù)數(shù)組(TABLE)的模塊中，每一個(gè)參數(shù)數(shù)組可以存放一個(gè)載荷步的熱流密度。對(duì)于載荷步的移動(dòng)的實(shí)現(xiàn)，則可以運(yùn)用APDL命令流里面的DO循環(huán)語(yǔ)句來實(shí)現(xiàn)。

1.4 結(jié)果與分析

將前面的步驟完成后，就可以得到激光燒結(jié)粉末過程中的溫度場(chǎng)，如圖2所示為在3種不同功率下不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)。分別列出了激光功率為P1=4W、P2=6W、P3=8W時(shí)，燒結(jié)過程中的溫度場(chǎng)變化情況，其他工藝參數(shù)不變，掃描速度v1=0．02m/s。

圖2 不同功率不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)云圖

從圖2中可以看出，在不同功率下兩個(gè)不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)分布情況。從圖2(e)中可以看出，當(dāng)激光熱源作用在粉層表面時(shí)，熱源中心的溫度在極短的時(shí)間內(nèi)迅速?gòu)氖覝?0℃升高到PA6的熔點(diǎn)以上，可以將粉末熔化。從圖2(f)可以看出，隨著粉末激光燒結(jié)過程的進(jìn)行，熱源中心也在不斷地移動(dòng)，移動(dòng)熱源前方的等溫線分布比較密集，溫度梯度較大;移動(dòng)熱源后方的等溫線分布比較疏散一些，溫度梯度稍小。

圖3為第一條長(zhǎng)邊掃描線x軸方向2mm和7mm處的節(jié)點(diǎn)在3種不同功率下的溫度變化曲線，T1為長(zhǎng)邊掃描線x軸方向2mm處的節(jié)點(diǎn)，T2為長(zhǎng)邊掃描線x軸方向7mm處的節(jié)點(diǎn)。從圖3中可以看出，熱源中心的溫度隨著激光功率的增加而增加，而且激光功率對(duì)粉末溫度的影響較大。當(dāng)激光功率為4W時(shí)，熱源中心的最高溫度為148℃;當(dāng)激光功率為6W時(shí)，熱源中心的最高溫度為212℃;當(dāng)激光功率為8W時(shí)，熱源中心的最高溫度為274℃。PA6粉末的熔點(diǎn)是220℃，所以只有當(dāng)激光功率超過8W時(shí)，才可以將粉末熔化。

圖4為第一條長(zhǎng)邊掃描線x軸方向2mm和4mm處的節(jié)點(diǎn)在相同功率和兩種不同掃描速度下的溫度變化曲線。從圖4(a)中可以看出，當(dāng)功率為8W、掃描速度為0．02m/s時(shí)，最高溫度為275℃左右;從圖4(b)可以看出，當(dāng)功率為8W、掃描速度為0．04m/s時(shí)，最高溫度為180℃左右。由此可見，隨著掃描速度的加快，粉末的燒結(jié)溫度會(huì)降低，因此掃描速度不宜加快。

圖3 不同功率相同掃描速度下節(jié)點(diǎn)溫度變化曲線

2 結(jié)束語(yǔ)

本文主要研究分析了316L粉末間接激光燒結(jié)的工藝參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)的影響，在熱物性參數(shù)計(jì)算中，主要是通過式(1)、(2)和(3)進(jìn)行計(jì)算的。通過ANSYS軟件模擬粉末激光燒結(jié)過程中的溫度場(chǎng)變化過程，并通過工藝參數(shù)的對(duì)比，找到了合適的工藝參數(shù)。對(duì)粉末激光燒結(jié)試驗(yàn)工藝參數(shù)的選取具有指導(dǎo)作用。

圖4 相同功率不同掃描速度下節(jié)點(diǎn)溫度變化曲線

本文只是提出了兩種粉末材料機(jī)械混合的模擬方法，而覆膜粉末激光燒結(jié)的模擬方法還沒有提出，因此這方面的內(nèi)容還有待進(jìn)一步的研究。

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