选择性激光烧结粉末快速成形技术中的三维温度场分析

作者:赵保军,施法中,冯涛,胡连海 刊名:中国机械工程 上传者:冯启艳

【摘要】在激光烧结过程中,烧结温度直接影响着烧结件的质量,而烧结温度的控制是一个非常复杂的过程。采用运动热源法,在光斑能量密度呈高斯分布的情况下,对烧结过程中的温度场建立分析模型,以便有效地控制烧结温度,提高烧结件质量。

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文章 编号!"##$%"&’()’###*+’%##,&%#& 选 择 性 激 光 烧 结 粉 末 快 速 成 形 技 术 中 的 三 维 温 度 场 分 析 赵保 军 博士研究生 赵保军 施法中 冯 涛 胡连海 摘要!在激 光烧 结过 程中-烧结 温度 直接 影响 着烧 结件 的质 量-而 烧 结温 度的 控制是 一个 非常 复杂 的过 程.采用 运动 热源 法-在 光斑 能量 密度 呈 高斯 分布 的情 况 下-对烧 结 过程 中 的温 度 场建 立 分析 模 型-以便 有 效地 控 制烧 结 温度-提高 烧结 件质 量. 关键词!快 速成 形/+0+/热 源法/温度 场 中图分 类号!12&," 文 献标 识码!3 收稿日期!’###4#,4’5 选 择性 激光 烧结 粉 末快 速成 形 技术)+0+*是 目前 快速 成形技 术中 应用 较广 的技 术之 一.在激 光烧 结 过程 中-烧 结 温度 直 接 影 响着 烧 结 件的 质 量-若烧 结 温 度偏 低-则 导 致 烧结 厚 度 偏小-使 相 邻烧 结 层之 间 不 能很 好 地 连 接-会引 起 烧 结件 脱 层/若 烧结 温度 偏高-则导 致粉 末层 产生 较大 的收 缩-出 现翘 曲变 形和 开裂-甚至 使材 料分 解并 放出 气体-影响 烧结 件的 质量6"7.而 烧结 温度 的控 制是 一个 非 常复 杂 的 过程-它 与 激 光 能量 和 粉 末材 料 性 质有 关.激 光 能量 又 与 激 光光 斑 尺 寸8激光 功 率8扫 描速 度有 关.为 了明 确烧 结参 数对 烧结 件质 量的 影 响-首先 要 研 究烧 结 参 数 对烧 结 温 度场 的 影响.笔者 对烧 结过 程中 的温 度场 建立 分析模 型- 以便 有效 地控制 烧结 温度-提 高烧 结件 质量. " 分析模型 对于 选 择 性激 光 烧 结 成形 工 艺 来说-移 动 的 光斑 在 物体 中 引 起的 导 热 过 程-可区 分 为 非稳 态 状况 和准 稳态状 况 ’个 不同 的阶 段6’7.在 导 热过 程 开 始 后 的 一 个 有 限 长 的 时 间 内)在 烧 结 过 程 中*-物 体内 的 温 度分 布 是 随 时间 而 变 化的-该 阶 段称 为非 稳态阶 段.在这 一阶 段内-材料 在激 光的 加热 作用 下-发 生了 熔化 和凝 结过 程-由 粉末 态转 变成 凝结 态-形 成烧 结件.经 过相 当长 的时间 后- 物体 内 的温 度 分 布趋 于 稳 定 状态-在 热 源 的周 围 将形 成一 个稳态 温度 场-该阶 段称 为准 稳态阶 段. 在这 一阶 段内-成形 件继 续冷 却收 缩. 为便 于 分 析 建模-作如 下 假 设6&-$7!9粉 末 材 料的 初始 温 度为 常 :#)由加 热 器对 粉末 预 热到 刚好 低于 粉末 的玻璃 态转 变温 度*/;在 粉末 的液 化<固 化 过 程中 不 考 虑 潜热 的 吸 收<释放/=坐 标 系统 见图 "/>在 半无 限 大的 粉 床上-当 ?@#时- 激光 开始 扫 描-激 光 光斑 在 A方向 以 速度 B匀速 前进-光斑 能量 呈高 斯状 态分 布. 图 " 坐标系统 由于 运 动 的 热 源在 物 体 中 引 起 三 维 非 稳 态 导 热-所以 在 求 解 时-既要 考 虑 热 源 空 间 位 置 的 改 变- 又要 顾 及 其在 时 间 上的 延 续.一 般地-三维 热传 导控 制方 程6C7可 表示 为 D DE

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