选择性激光烧结成型质量关键影响因素研究

摘要

选择性激光烧结技术（SLS）作为一种增材制造技术，具有成型材料应用面广、材料利用率高、工艺简单等特点，能在短时间内烧结出复杂的零部件，因而越来越受到现代加工制造业的青睐。但在SLS成型过程中成型件的收缩和翘曲变形将导致成型质量变差，且成型件的变形程度与激光烧结前粉末的密度和预热温度场有直接的关系。因此，针对以上问题，本文研究铺粉和预热的工艺参数对粉末密度和预热温度的影响规律，优化相应的参数，提高粉层的密实性和预热温度场的均匀性，降低成型件的收缩和翘曲变形程度，提高成型件的质量。具体的研究内容如下： 首先，铺粉装置工艺参数对粉末密度的影响规律研究。通过对铺粉装置的运动学分析，建立粉末颗粒在铺粉辊作用下的受力模型，根据该模型的理论分析，研究铺粉辊的半径尺寸、粗糙度、自转方向、速度大小及刮板与铺粉辊的平移速度大小等对铺粉质量的影响规律，利用EDEM软件仿真铺粉过程，分析各参数对铺粉密度的影响。 其次，粉末预热温度场的特性研究。提出一种综合采用灯管热辐射和加热带热传导预热金属粉末的方法。建立灯管对粉末层的热辐射模型，分析灯管对粉末层表层的热辐射作用，将灯管对粉末层表层热辐射问题抽象为三维空间内的面面辐射问题，依据辐射换热理论，引入角系数参数描述粉末表层吸收灯管散发辐射能的比例；利用圆筒状型腔内粉末沿任意一个直径方向具有对称性的特性，将加热带对粉末层热传导过程简化为沿径向的一维导热，分析加热带对粉末的热传导模型，计算粉末层沿径向不同位置处的温度值；引入温度场均匀性系数反映在灯管热辐射和加热带热传导综合作用下粉末层预热温度场的均匀性。针对粉末预热模型的不确定性，采用模糊算法进行预热温度值的控制，提高预热温度控制的自适应性。 最后，实验验证。完成铺粉模块，激光控制模块，预热温度控制模块的软硬件设计；通过铺粉实验、预热温度场均匀性及温度值控制实验，验证了理论分析的正确性。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 本课题的研究背景

1.2 研究目的与意义

1.3 国内外研究现状

1.3.1 选择性激光烧结技术的国内外研究现状

1.3.2 铺粉工艺的研究现状

1.3.3 粉末预热方法的研究现状

1.4 本课题的研究内容及章节安排

第2章 SLS成型关键工艺因素分析

2.1 SLS成型原理

2.2 粉末的密度对成型件收缩量的影响

2.3 粉末的密度对成型件强度的影响

2.4 预热温度对成型件翘曲变形量的影响

2.5 铺粉层厚度对成型件精度的影响

2.6 本章小结

第3章 粉末密度的影响因素研究

3.1 建立铺粉过程模型

3.2 铺粉工艺参数分析

3.3 铺粉过程仿真分析

3.3.1 铺粉辊的平动速度对粉末密度的影响

3.3.2 铺粉辊的转动速度对粉末密度的影响

3.3.3 铺粉辊的运动对粉末密度均匀性的影响

3.3.4 铺粉辊的半径对粉末密度及均匀性的影响

3.4 本章小结

第4章 SLS粉末预热温度场均匀性控制方法研究

4.1 预热方式分析

4.1.1 辐射式预热

4.1.2 传导式预热

4.2 预热温度场的研究

4.2.1 热辐射下粉末的温度场

4.2.2 热传导下粉末的温度场

4.2.3 综合作用下粉末的温度场

4.3 预热温度的控制方法

4.3.1 模糊控制原理

4.3.2 参数的模糊化

4.3.3 建立温控器的模糊规则

4.4 预热温度场实验

4.5 本章小结

第5章 SLS成型设备的实现与实验分析

5.1 主控系统的设计

5.1.1 铺粉模块设计

5.1.2 激光控制模块设计

5.2 预热温控系统的设计

5.2.1 温控系统硬件设计

5.2.2 模糊算法的软件编程设计

5.3 成型件成型质量实验

5.3.1 SLS成型设备精度测试

5.3.2 改变铺粉参数的成型件实验

5.3.3 改变预热工艺的成型件实验

5.4 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

附录