尼龙粉末选择性激光烧结铺粉工艺数值模拟研究

摘要

选择性激光烧结（Selective Laser sintering,SLS）是一种增材制造技术，通过逐层铺粉，逐层扫描烧结的方式直接制造零件。因其能加工任何复杂几何形状的零件，成形过程中零件无需额外支撑，材料利用率高，近年来在工程领域的应用越来越广泛。对于任意一种烧结材料，SLS工艺需根据被烧结粉末的性质匹配成形工艺参数才能烧结出密度均匀且机械性能良好的制件。成形工艺参数包括：铺粉工艺参数和烧结工艺参数。尼龙粉末作为SLS广泛应用的材料之一，国内外学者对其烧结工艺做了大量的研究，但对其铺粉工艺过程的研究较少。铺粉工艺的好坏将直接影响到成形工艺能否顺利进行，并影响粉床密度均匀性，进而影响烧结件密度均匀性及其机械性能参数。因此，本文通过实验和离散元法相结合的方法研究尼龙粉末SLS铺粉工艺，探索粉体微观参数和铺粉参数对铺粉质量的影响规律。具体工作包括以下几个方面：
　　（1）在研究铺粉过程中粉末颗粒间的相互作用时，由于尼龙粉末颗粒的粒径在20-100μm，颗粒分子间的范德华力比重力还大，因此必须考虑范德华力的作用。本文首先介绍了经典弹性及粘弹性接触模型，比较和分析其适用场合，在此基础上建立了尼龙粉末微观作用力接触模型，采用EDEM-API建立了接触模型计算模块，并进行数值模拟。通过理论计算和软件计算结果的对比，验证了接触模型计算模块的正确性。
　　（2）采用超景深显微镜观测了尼龙粉末的微观颗粒形状，通过激光粒度仪测试了其粒径分布；通过直剪试验，休止角试验和滚筒试验对离散元模型参数进行了校准。
　　（3）分析了辊筒旋转速度、平移速度、辊筒微幅振动、辊筒半径和颗粒的粒径及分布对铺粉过程中成形区粉床密度均匀性、密实特性的影响。还研究了辊筒在铺粉过程中的受力和铺粉层对已成形件的影响。
　　（4）首先，通过实验分析了余粉与新粉的颗粒微观形貌，粒径及其分布的异同，研究了新粉与余粉的流动特性。然后，开展了SLS工艺过程中新粉、余粉及两者不同比例混合粉末的铺粉工艺的数值模拟，并进行了烧结实验。最后，分析了铺粉后粉床密度均匀性及密实特性，研究了烧结件的表面粗糙度和机械性能参数。

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第1章 绪论

1.1 概述

1.2 选择性激光烧结简介

1.3 粉体流动性综述

1.4 选择性激光烧结成形工艺国内外研究现状与发展动态

1.5 研究内容与主要创新点

第2章 尼龙粉体微观作用力接触模型

2.1 概述

2.2 颗粒的静态粘附性接触模型

2.3 经典接触模型比较

2.4 尼龙粉末接触力模型

2.5 本章小结

第3章 铺粉工艺模拟的离散元模型

3.1 离散元法简介

3.2 尼龙粉末微观参数的确定

3.4 铺粉过程离散元模型校准及验证

3.5 本章小结

第4章 铺粉工艺性研究

4.1 简介

4.2 尼龙粉末铺粉过程模拟

4.3 铺粉工艺模拟优化研究

4.4 铺粉层粉层对已成形件的影响

4.5 本章小结

第5章 粉末配比对铺粉工艺及烧结件质量的影响

5.1 简介

5.2 新粉余粉微观物性参数比较

5.3 粉末配比的铺粉工艺性研究

5.4 粉末配比烧结试验

5.5 本章小结

第6章 结论与展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间所发表的论文及参与科研项目