选择性激光烧结快速成型机铺粉系统的研究

摘要

在选择性激光烧结（SLS）成型加工过程中，铺粉和预热直接影响制件的加工精度和机械性能。本文就选择性激光烧结快速成型机铺粉系统的关键技术——铺粉和预热进行了深入的研究，分析了它们对成型件的影响规律，并利用这些因素，提高成型件的最终精度和性能。此外，为了方便的进行选择性金属激光烧结的试验，本文设计并开发了激光烧结过程模拟仿真试验系统。
　　分析了快速成型机铺粉系统对成型件的精度和机械性能的影响规律，根据分析的结果重新设计出铺粉装置及成型缸，对比分析双缸铺粉特点，采用了移动料斗和铺粉辊相结合的方式，该装置主要包括滚珠丝杠，同步带，步进电机等零部件，采用丝杠下置的安装方法，提高了空间利用率及铺粉效率。
　　设计了铺粉系统的传动装置，采用直线电机提供水平方向速度，直流电机提供转动速度的运动方案，可以实现铺粉辊平移速度及转动速度参数的优化，提高铺粉效果。设计出铺粉系统的预热装置，预热装置采用辐射传热方式，建立了预热板与粉床之间辐射系统的数学模型，通过对所建立的数学模型分析发现，在单一环形加热器的情况下，影响粉床温度分布的主要因素为角系数，而影响角系数的的主要因素则是加热器安装的高度。应用ANSYS软件对预热装置进行数值模拟，获得了加热器形状及安装高度对粉床热流分布的影响规律，安装高度不宜太高或太低，在本设备中最佳安装高度为180mm。应用分析结果确定了预热系统采用双层板式空间复合结构预热器。
　　选择性激光烧结是一个连续的过程，针对铺粉层质量在烧结过程中难以预测与控制的问题，利用神经网络算法建立了铺粉参数与铺粉层整体密度和铺粉层密度均匀性之间的数学模型。根据所收集的样本值训练出较优的数学模型，最后通过与样本值相对的误差的对比，证明了所建立的神经网络模型的可靠性。
　　开发了选择性金属激光烧结快速成型机铺粉的虚拟试验系统，该模拟仿真系统从几何方面对铺粉系统的各个运动部件进行运动仿真，实现了激光烧结过程的三维动态模拟显示。为SLS工艺过程的分析、控制、可视化提供一种数字化工具，可有效减小SLS过程的工艺缺陷，对机械零件的实际选择性激光烧结生产制造提供相应的参考，尽快使选择性激光烧结快速成型制造技术（SLS）满足直接制造复杂工业零部件的需求。

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1 绪论

1.1选择性激光烧结概述

1.2国内外研究现状

1.3快速成型技术的发展趋势[20-22]

1.4课题研究内容及其意义

2 铺粉对成型件质量的影响

2.1对制件密度的影响

2.2对制件翘曲变形的影响

2.3对成型件收缩量的影响

2.4对成型件误差的影响

2.5本章小结

3成型缸的设计

3.1成型缸结构设计

3.2成型缸装置传动系统设计

3.3基板设计

3.4本章小结

4铺粉装置结构设计

4.1 铺粉装置整体方案选取

4.2铺粉系统结构设计

4.3上料机构的设计

4.4本章小结

5 SLS铺粉参数神经网络模型建立

5.1 BP神经网络概述

5.2 BP神经网络工作原理及其步骤[44-46]

5.3 BP神经网络参数设计

5.4 BP神经网络程序设计

5.5样本收集

5.6网络训练

5.7网络测试

5.8本章小结

6.预热装置的研究

6.1预热板与粉床之间的辐射系统建模

6.2预热温度场的数值模拟

6.3预热装置结构设计

6.4本章小结

7 激光烧结加工过程虚拟实验系统开发

7.1仿真系统平台的开发

7.2烧结过程中模拟仿真动画的实现

7.3本章小结

8结论与展望

8.1结论

8.2展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

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