多组元金属粉末直接激光烧结过程数值模拟及烧结区域预测

摘要

多组元金属粉末的直接选区激光烧结(DMLS，DirectMetalLaserSintering)是一种利用激光将多种金属粉末混合材料直接烧结成型金属零部件的快速原型制造技术，由于其能直接成型金属零部件而成为快速制造的一个重要发展方向。与非金属粉末烧结相比，DMLS更难成型、更易发生变形，受材料特性、温度分布、温度变化与应力影响较大，探索其影响规律成为当前DMLS研究的热点之一。DMLS是一种热能传播主导的净成型方式，热量在粉床中的动态传播过程在粉末致密化成型过程中起了关键作用。DMLS的温度场、密度场和热应力场分布具有强瞬态、大梯度的特征，很难直接用实验方法准确地测定粉床中瞬时温度场、密度场、应力场分布规律，采用以试验为基础的方法确定其工艺参数又需耗费大量的人力、物力、财力，越来越多的研究人员致力于采用数值分析方法研究DMLS成型过程规律。利用数值模拟研究DMLS成型过程的动态温度场、密度场、热应力场的变化规律，可用于分析各种材料和工艺参数对温度场、应力和应变场的作用规律，预测给定参数下的烧结区域，以合理控制加工工艺，从而减少实验次数、降低实验成本、避免球化等现象的发生、提高烧结成型件性能，具有重要的理论意义和工程实用价值。 本文重点研究了粉床从粉体到近实体转变过程中，不同区域导热系数等材料性质的非线性动态变化规律；分析了DMLS过程的瞬态三维温度场、密度场变化规律，以及应力场分布特征，并采用间接方法对温度场模拟结果进行了验证；采用有限元方法和神经网络方法对烧结宽度、烧结深度进行了预测。论文的主要研究内容和特色如下： 1、提出了金属粉末导热系数在粉体-实体连续转化过程的动态非线性变化Ⅰ模型。粉体到近实体的转化过程中导热系数变化的影响不容忽略，例如Cu实体和粉体的导热系数相差2个数量级。依据液相烧结原理建立了固相线与液相线之间的动态导热系数模型。进一步根据分段处理思想建立了粉体-实体转化过程的导热系数模型。实现了由粉体到熔融状态的连续变化导热系数模型，更充分考虑了多组元混合金属粉末中重要组成部分预合金金属粉末的固相线与液相线温度范围宽、过渡过程导热系数变化大的影响，为建立准确的DMLS有限元模型奠定了基础。 2、基于已建立的动态导热系数模型，建立了DMLS温度场及密度场三维有限元模型。通过加修正系数的方法考虑激光加热冲击效应对粉床表面散热的影响作用；采用比热容突变法处理DMLS烧结过程中固液相变潜热；提出对不同粉床区域采用不同材料性质，即在液相区采用实体的物理性质，在固-液相过渡区和已烧结区采用已建立的动态导热系数模型，其余区域采用粉体热物理性质；提出了一种针对DMLS过程的在不同载荷步间基于历史温度和粉床区域的转换材料性质的方法。 3、在已建立的温度场及密度场有限元模型的基础上，针对Cu基多组元合金粉末进行了温度场、密度场的有限元分析，探讨了多种条件下材料特性、工艺参数与成型性能之间的关系，为DMLS烧结成型提供了进行参数优化的依据，主要结论包括：(1)采用在不同载荷步间基于历史温度和粉床区域的转换材料性质的方法进行模拟，结果表明，热影响区主要集中在已烧结区域，已烧结区域与未烧结区域的分界处存在极大的温度梯度，已烧结区域内部的温度梯度小得多，与实验结果相符合。(2)基板的使用降低了粉床的最高温度、烧结宽度变小。由于基板导热系数大、相当一部分热量通过基板散失，因此为防止大量热量通过基板散失，基板的导热性能应选得适中，并对其进行预热。(3)较短扫描线长有利于改善成型性能。采用较短扫描线长时，热影响区域几乎不存在热量传播不够充分的“死角”，减小了扫描线较长时的热影响突变区域的范围；较短扫描线长的热循环周期也短，减少了能量起伏和温度落差。(4)增大激光功率、减小扫描速度、减小扫描间距均能提高输入到粉床的能量密度，改善因能量密度过小造成的成型件致密度较差等缺陷；材料导热系数较大时，热影响区域的温度分布更均衡，减轻了导热系数较小时的烧结区域底部温度分布的台阶效应，利于提高成型质量；材料比热容较大时，热影响区域和烧结区域小，Ⅱ有利于提高成型精度。 4、采用热弹塑性有限元法建立了DMLS过程热应力场模型，并进行了数值分析。模型中考虑了材料力学性能随时间的变化和区域的不同，耦合策略采用了先进行温度场、后进行热应力场分析的间接耦合方式。模拟结果表明，在DMLS成型过程中，应力集中分布在激光束作用的很小区域内，在激光辐射区域的顶部区域主要受到压应力作用，底部区域受到拉应力作用，对进一步认识DMLS成型过程的应力应变规律有较大的参考价值。 5、提出了用烧结深度和烧结宽度来间接验证DMLS温度场模型的方法。烧结实验完成后，通过测量烧结件烧结深度和烧结宽度范围来确定对应激光热源移去后实际温度场高于材料液相线温度的范围，并与模拟结果相应温度范围比较，以间接验证温度场模型的正确性。采用Cu基多组元混和粉末材料进行了烧结实验。9种条件下，试验结果和预测结果比较表明：烧结深度的预测百分比误差在-10.7％和20.0％之间，平均百分比误差为7.8％；烧结宽度的预测百分比误差在-8.2％和27.3％之间，平均百分比误差为14.4％。模拟结果在一定程度上间接验证了温度场建模的正确性。此外，温度场数值模拟结果还能预测在材料参数、工艺参数和工艺方案条件下的烧结深度和烧结宽度，可用于进一步优化DMLS材料参数、工艺参数和工艺方案。 6、基于人工神经网络方法对烧结宽度、烧结深度进行了预测。建立了从工艺参数到烧结区域的BP网络映射模型，网络采用单隐层结构，隐层7节点、Sigmoid转移函数。烧结深度的预测百分比误差在-11.8％和19.6％之间，平均百分比误差为8.3％；烧结宽度的预测百分比误差在-18.5％和17.2％之间，平均百分比误差为12.1％，能够满足实验前指导确定合适的工艺参数。

目录

文摘

英文文摘

1绪论

1.1 DMLS技术的产生与发展

1.1.1 RPM技术的迅速发展

1.1.2 RPM应用层次逐步深化

1.1.3 DMLS技术的深入研究

1.2 DMLS的基本原理及其成型机制

1.2.1 SLS的原理及其优势

1.2.2 DMLS的成型原理

1.3 SLS数值模拟研究进展

1.3.1数值模拟技术的应用

1.3.2聚合物材料数值模拟的研究进展

1.3.3聚合物覆膜材料数值模拟的研究进展

1.3.4金属材料数值模拟的研究进展

1.3.5选区激光烧结数值模拟方法的比较及其发展趋势

1.4课题来源及DMLS数值模拟研究的目的和意义

1.5本论文的主要研究内容与研究方法

1.6本章小结

2 DMLS热过程分析模型

2.1 DMLS热过程的特点

2.2 DMLS成型的影响因素分析

2.2.1材料参数

2.2.2工艺参数

2.3 DMLS热过程分析模型

2.3.1激光能量的输入模型

2.3.2粉床初始有效导热系数的计算模型

2.3.3 DMLS过程粉床有效导热系数的动态模型

2.3.4粉床表面的热量散失

2.4本章小结

3 DMLS温度场及密度场有限元模型

3.1 DMLS有限元分析的特点

3.2温度场的有限元分析理论

3.2.1DMLS传热的方式

3.2.2有限元基本方程

3.2.3非线性热传导的有限元分析

3.3温度场及密度场有限元模型

3.3.1模型描述及模型假设

3.3.2边界条件与初始条件的确定

3.3.3相变潜热的处理

3.3.4移动高斯光源的模拟

3.3.5 DMLS过程动态导热系数模型的实现

3.3.6 DMLS动态材料性质的处理

3.3.7密度场的处理

3.3.8烧结区域的确定方法

3.3.9考虑基板时的模型处理

3.4本章小结

4温度场及密度场有限元模拟结果与讨论

4.1有限元模拟条件

4.1.1材料物理性能参数

4.1.2工艺参数

4.2有限元分析后置处理

4.2.1最高温度变化趋势的获取方法

4.2.2温度梯度

4.2.3密度

4.3 DMLS过程中某时刻的温度场特征分析

4.4对比研究载荷步间转变导热系数等材料特性的影响

4.5对比研究不同烧结道的温度场分布特征

4.6降温过程中的温度变化曲线

4.7对比研究使用基板的作用

4.8对比研究扫描线长的作用

4.9密度场结果分析

4.10工艺参数及材料参数对温度场分布的影响

4.10.1 工艺参数对温度场分布的影响

4.10.2材料参数对温度场分布的影响

4.11本章小结

5 DMLS热应力场模拟

5.1 DMLS热应力分析的特点

5.2热弹塑性有限元应力分析的基本原理

5.2.1热弹塑性有限元分析的特点与基本假设

5.2.2塑性理论

5.3热弹塑性有限元方法

5.3.1本构方程

5.3.2平衡方程

5.3.3热弹塑性问题的求解

5.4热应力场建模

5.4.1热应力分析的边界条件

5.4.2 DMLS动态材料动态力学性质的处理

5.4.3热应力场的耦合策略

5.5热应力有限元模拟结果

5.6本章小结

6 DMLS温度场的间接验证方法

6.1引言

6.2正交试验方法

6.3实验内容

6.3.1粉床铺粉密度及成型件密度的测量

6.3.2使用基板与否表面形貌的比较

6.3.3成型件成型区域的测量

6.4实验结果与模拟结果的对比

6.5本章小结

7基于神经网络的烧结宽度和烧结深度预测

7.1引言

7.2问题描述与建模

7.3 BP神经网络算法及其实现

7.3.1训练数据的收集

7.3.2数据归一化

7.3.3网络训练和测试

7.4预测结果与实验结果的对比

7.5本章小结

8结论与展望

8.1主要研究结论

8.2主要创新点

8.3展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

攻读博士学位期间参与的科研项目

攻读博士学位期间的获奖情况

致谢

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